KR101336602B1 - A solar-heated high temperature heat source apparatus of a high degree of efficiency - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양열을 집광하여 열원으로 사용하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 집광 및 축적효율을 극대화할 수 있도록 하는 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device for condensing solar heat and using it as a heat source, and more particularly, to a high-efficiency high temperature heat source device using solar heat to maximize the light collection and accumulation efficiency.
현재 지구상의 인류는 해결하지 않으면 안 될 두가지 문제에 직면해 있다. 첫째는 인류가 사용하는 석유, 석탄 등 화석에너지의 고갈문제이며, 둘째는 화석에너지의 사용증가에 따른 지구온난화를 막기 위한 기후변화협약의 이행문제다. 인류가 영원히 사용할 수 있다고 생각했던 화석에너지는 지금과 같은 양으로 계속해 사용한다면 몇십년 후면 고갈된다고 한다.Humanity on earth is now facing two problems that must be solved. The first is the depletion of fossil energy such as oil and coal used by mankind, and the second is the implementation of the Climate Change Convention to prevent global warming due to the increased use of fossil energy. Fossil energy, which humans thought could be used forever, is said to be depleted in decades if used continuously in the same amount.
이같은 어려운 문제 해결에 소위 '미래에너지' 또는 '그린에너지'라 불리는 청정 대체에너지가 각광을 받고 있으며, 이에 따라 각국은 대체에너지의 개발과 보급에 막대한 투자를 하고 있다.In order to solve such a difficult problem, clean alternative energy, called 'future energy' or 'green energy' has been in the spotlight, and countries are making huge investments in developing and distributing alternative energy.
하지만, 현재까지 화석연료나 전기를 난방 및 열원으로 사용하고 있어 화석연료의 고갈과 환경적 파괴에 대한 오염, 수급 불안과 가격 상승 등의 문제가 여전히 대두되고 있다.However, until now, fossil fuels or electricity are used as heating and heat sources, and problems such as depletion of fossil fuels and pollution due to environmental destruction, supply and demand instability, and rising prices still arise.
현재와 미래에도 예견되듯 연료의 가격은 불안정하고 수급도 원활치 않은 점은 익히 피부로 느껴지고 있다. 특히 인구의 증가와 노령화 및 핵가족화, 삶의 질이 높아진 이후 공동주택 및 전원주택이 늘어나고, 사회의 발전으로 난방수요가 늘어나 사용량은 점점 증가하고 있으며, 농가에서도 시설재배에 요구되는 난방수요의 증가 및 수급가격으로 매우 곤란을 야기하고 있다. As expected now and in the future, the price of fuel is unstable and the supply and demand is not felt well. In particular, after the increase of population, aging, nuclear family, and quality of life, the number of multi-unit housing and rural housing increased, the demand for heating increased due to the development of society, and the demand for farming increased even in farms. And supply and demand prices are very difficult.
또한 연료를 사용할 때 나오는 부산물로 인한 환경오염 및 폐기물에 대한 처리가 사회의 문제가 되고 있으며, 전세계적으로 규제의 합의적 사안으로 떠오르고 있다.In addition, environmental pollution and waste disposal by-products from fuel use are becoming a social problem and are emerging as a consensus on regulation worldwide.
최근에는 태양에너지를 이용한 태양열 온수장치, 태양열 주택, 태양로, 태양열 발전기 등의 시스템이 나와 있기는 하지만, 이들 기존 제품들은 물이나 공기를 매개로 하기 때문에 60℃만 되도 기화하여 열전도율이 급격히 저하되며, 기포가 발생하여 열전도를 방해하게 되어 열효율이 낮아 효용가치가 그다지 크지 않다.Recently, there are solar hot water system using solar energy, solar house, solar furnace, solar generator, etc., but these existing products use water or air as a medium, so they vaporize at only 60 ℃. In addition, air bubbles are generated to interfere with heat conduction, and thus the utility value is not very large due to low thermal efficiency.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 점을 감안하여 안출된 것으로, 태양열의 집광 및 축적 효율을 극대화할 수 있도록 한 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a high-efficiency high-temperature heat source device using the solar heat to maximize the light collection and accumulation efficiency of the solar, in view of the above point.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치는, 태양열을 축적하여 열원으로 이용하기 위한 장치에 있어서, 태양광을 집광 및 반사하여 고온의 열을 포집하는 포물면형상의 반사경기능을 갖는 집광판과, 상기 집광판 내측 중앙에 설치되어 집광판에서 반사된 열을 집열하고, 집열된 열로서 열매개유체를 가열시키는 집열관과, 상기 집광판을 태양의 이동 궤도에 따라 회동시키는 태양추적장치와, 상기 집열관에서 가열된 열매개유체를 순환 및 이송하기 위한 순환펌프 및 이송관로와, 상기 이송관로에 의해 이송되어 오는 가열된 고온의 열매개유체를 열원으로 저장하는 저장조, 및 상기 저장조에 저장된 열원을 열이용장치에 배출 및 배분하는 공급부를 포함한다.A high-efficiency high temperature heat source device using solar heat according to the present invention for achieving the above object is a parabolic reflector that collects and reflects high temperature heat by collecting and reflecting sunlight in a device for accumulating solar heat and using it as a heat source. A light collecting plate having a function, a heat collecting tube installed at the inner center of the light collecting plate to collect heat reflected from the light collecting plate, and to heat the fruit medium as the collected heat, and a solar tracking device to rotate the light collecting plate according to the trajectory of the sun. And a circulation pump and a transfer pipe for circulating and transporting the heated fruit medium in the heat collecting pipe, and a storage tank for storing the heated high temperature fruit medium flowing by the transfer pipe as a heat source, and in the storage tank. And a supply for discharging and distributing the stored heat source to the heat utilization apparatus.
본 발명의 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치는, 선형적 반사 및 진공 단열에 의해 외부 대기 온도에 영향을 받지 않고 태양열을 받아 집광 효율을 높이며 그에 따라 오일 등의 열매개유체(Heat Transfer Oil)를 고온으로 가열하여 고열로 축적하므로써, 친환경적이면서 열량이 높아 저용량으로도 장시간 사용할 수 있는 열원을 제공하는 효과를 갖는다.The high-efficiency high temperature heat source device using the solar heat of the present invention increases the condensing efficiency by receiving solar heat without being influenced by the external atmospheric temperature by linear reflection and vacuum insulation, and accordingly heat transfer oil such as oil By heating at a high temperature and accumulating at a high temperature, it has an effect of providing a heat source that can be used for a long time even at a low capacity because it is environmentally friendly and has a high heat quantity.
또한, 설치면적이 작고 간편하여 태양볕을 잘 받는 곳이면 어느 곳이나 설치가능하고 고장이 적으며 반사경의 반사면 만 청결을 유지하면 영구적으로 사용할 수 있고 이를 사용하는데 극소의 전력이 소요되므로 잉여 전력을 저장한 축전지를 이용할 수도 있다.In addition, since the installation area is small and simple, it can be installed anywhere where the sun is well-received, and there is little trouble, and it can be used permanently if only the reflective surface of the reflector is kept clean. It is also possible to use a storage battery stored therein.
아울러, 주택이나 시설재배농가, 중소형 빌딩, 학교 등의 난방 및 취사, 온수제공을 위한 열원으로 폭넓게 사용할 수 있다.In addition, it can be widely used as a heat source for heating and cooking and providing hot water in homes, facility cultivation farms, small and medium-sized buildings, and schools.
도 1은 본 발명에 따른 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치를 나타내는 개략적 사시도,
도 2는 도 1 장치의 집광판 및 집열관을 나타내는 단면도,
도 3은 도 1 장치의 동작을 설명하기 위한 순서도.1 is a schematic perspective view showing a high-efficiency high temperature heat source device using solar heat according to the present invention;
2 is a cross-sectional view showing a light collecting plate and a heat collecting tube of the device of FIG.
3 is a flow chart for explaining the operation of the device of FIG.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치의 개략적 사시도로서, 태양광을 집광(集光) 및 반사하여 고온의 열을 포집하는 포물면형상의 반사경 기능을 갖는 집광판(10)이 설치되며, 이 집광판(10)의 내측 중앙부에는 집광판(10)으로부터 반사된 열을 집열(集熱)하고 이 집열된 열로서 열매개유체(heat transfer oil)를 가열시키는 집열관(20)이 고정 설치된다.1 is a schematic perspective view of a high-efficiency high temperature heat source device using solar heat according to the present invention, in which a
집광판(10) 후면에는 모터(미도시)의 회전에 의해 집광판(10)을 태양의 이동 궤도에 따라 회동시키는 태양추적장치(30)가 설치된다.The
집열관(20) 내에는 가열된 오일 등의 열매개유체를 순환 및 이송하기 위한 순환펌프(50)와 이송관로(40)가 설치되고, 이송관로(40)에 의해 이송되는 가열된 열매개유체는 소정크기의 저장조(60)에 저장되도록 구성되어 있다. In the
저장조(60) 내부는 적당한 크기의 내구성과 열적분해 및 부식, 노화가 적고 팽창계수가 적은 둥근 석재(61)와 열매개유체(63)로 채워지게 된다. 여기서, 저장조(60) 내의 석재(61) 및 열매개유치(63)는 이송관로(40)에 의해 이송되어 온 고열의 열매개유체에 의해 가열되어 저장조(60) 내에 고온을 유지하게 된다. The inside of the
저장조(60)의 일측에는 열이용장치 측으로 열을 배출 및 배분하는 공급부(70)가 설치되게 된다.One side of the
도 2는 본 발명에 따른 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치에 있어 집광판(10) 및 집열관(20)의 단면도로서, 집광판(10)은 태양광을 받아 선형적으로 골고루 분포되도록 반사각을 갖으며 내부식성과 형상 변형이 없고 경량화한 곡면 형상의 스테인레스 스틸 강박판으로 된 반사경(11)이 구비되고, 그 반사경(11)의 반사효율을 높이기 위해 경면 처리를 한다. 반사경(11)의 내측 중앙부에는 반사경(11)으로부터 반사된 태양열을 집열하는 집열관(20)이 설치된다.2 is a cross-sectional view of the
집열관(20)은 열매개유체(63)가 주입되어 있는 매체주입관(21)이 구비되고, 매체주입관(21) 외측에는 집광판(10)인 반사경(11)으로부터 반사된 열을 흡수하여 매체주입관(21)으로 열을 전도하는 동합금으로 된 흡열관(23)이 설치되며, 매체주입관(21)과 흡열관(23)의 외측에는 외부 대기온도에 영향을 받지 않도록 진공 단열의 석영(Quartz)으로 된 진공실(25)이 설치된다.The
이러한 구성을 갖는 본 발명의 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치에 대한 동작을 도 3을 통해 좀더 구체적으로 설명한다.The operation of the high-efficiency high temperature heat source device using the solar heat of the present invention having such a configuration will be described in more detail with reference to FIG. 3.
도 3은 본 발명에 따른 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 3 is a flow chart for explaining the operation of the high-efficiency high temperature heat source device using solar heat according to the present invention.
태양은 표면 온도가 6,000℃이고, 중심부의 온도는 약 1,500만℃에 이르므로 막대한 양의 열과 빛을 내놓는데, 그 열량은 무려 9.2×1022kcal에 이른다. 지구에 이르는 태양 복사 에너지는 그 파장의 영역에 따라 적외선(52%, 열작용), 가시광선(43%, 조명 및 광발전 작용), 자외선(5%, 살균 및 광화학 작용)으로 구분된다. The sun has a surface temperature of 6,000 degrees Celsius and a central temperature of about 15 million degrees Celsius, which produces enormous amounts of heat and light, reaching a whopping 9.2 x 1022 kcal. Solar radiation reaching the earth is divided into infrared (52%, thermal), visible (43%, lighting and photovoltaic), and ultraviolet (5%, bactericidal and photochemical) depending on the region of its wavelength.
본 발명에서는 태양볕 중 가장 많은 열량을 갖는 적외선의 열을 받아 축적하게 된다. In the present invention, the sun receives and accumulates heat of infrared rays having the most heat.
먼저, 집광판(10)을 지붕 등의 태양볕을 받을 수 있는 적정 위치에 설치한다. 즉, 집광판(10)인 반사경(11)의 후면 중심부에 지지대를 통해 고정시키고, 그 지지대를 받침대와 서로 견고하게 결합시킨다. 그리고, 지지대의 중앙부에 모터의 회전에 의해 집광판(10)을 태양의 이동 궤도를 따라 회동시키는 태양추적장치(30)가 설치된다. First, the
이렇게 설치된 상태에서, 집광판(10)에 의해 태양볕을 고집적 집광하게 된다(단계 301). 태양볕이 집광판(10)의 반사경(11)에 집중되면 이때, 반사경(11)에 의해 선형적으로 반사된 태양광선은 집열관(20)에 초점이 집중되어 300℃ 이상의 고온으로 상승하게 된다. 집광판(10)은 태양추적장치(30)에 의해 항상 태양광 최적 입사 위치에 놓이게 된다(단계 302). In this state of installation, the
반사경(11)에 의해 초점이 맞추어져 300℃의 고온까지 상승된 태양광은 진공단열상태의 진공실(25)을 통해 흡열관(23)과 매체주입관(21)에 집중적으로 조사하게 되어 300℃의 고열이 흡열관(23)에 가해지게 되며, 이로 인해 매체주입관(21) 내부에 주입되어 있는 오일과 같은 열매개유체(63)를 가열시키게 된다(단계 303).Focused by the
따라서, 매체주입관(21) 내부의 열매개유체(63)가 일정온도 이상 가열되면 이송펌프(50)의 동작으로 저장조(60)에 유입되는 순환과정을 거치게 된다(단계 304).Therefore, when the
저장조(60) 내부에는 내구성과 열적 분해 및 부식, 노화가 적고, 팽창계수가 적은 적당한 크기의 둥근 석재(61)와 오일로 된 열매개유체(63)가 채워져 있고, 이송관로(40)를 통해 송유되는 고열의 열매개유체(63)는 고열에 충분히 견디며 열을 축적할 수 있는 최적의 크기와 면적을 갖는 석재(61)와 열매개유체(63)를 데우게 되어 저장조(60) 내의 온도는 섭씨 300도의 고열을 저장하게 된다(단계 305). 열이 식어진 열매개유체(63)는 다시 이송관로(40)를 통해 순환하여 매체주입관(21)측으로 반송되어진다. 이러한 순환과정을 반복하게 된다.The
저장조(60)는 소정의 제어장치를 통해 안전 및 제어가 이루어지며(단계 306), 저장조(60)에 축적된 고온의 열원은 공급부(70)를 통해 난방장치, 온수장치 등 열이용장치류에 공급되게 된다(단계 307).The
한편, 장시일간 태양볕을 받지 못하는 경우에도 저장조(60) 내에 고온으로 축적되어 열량이 크므로 이용하는 난방 수준 즉, 섭씨 15도∼25도 정도는 장시일 사용할 수 있다.On the other hand, even when the sun does not receive the sun for a long time, the heat stored in the
축적된 총 열량(Qt)은 사용하는 온도(To)와 축적된 온도(Ts)의 차이(ΔT)로써 온도차이가 클수록 저장량(V)은 작아지게 된다(Qt ≒ KΔT × V).The accumulated heat quantity Qt is the difference ΔT between the used temperature To and the accumulated temperature Ts, and the larger the temperature difference, the smaller the storage amount V (Qt ≒ KΔT × V).
또한, 설치면적이 작고 간편하여 태양볕만 잘 받을 수 있는 곳이면 어느 곳이나 설치할 수 있고 고장이 적으며 반사경의 반사면만 청결을 유지하면 영구적으로 사용할 수 있고, 이를 사용하는데 극소의 전력이 소요되므로 잉여 전력을 저장한 축전지를 이용할 수도 있다.In addition, since the installation area is small and simple, it can be installed anywhere where only the sun can get well, and there is little trouble, and it can be used permanently if only the reflecting surface of the reflector is kept clean, which requires very little power. It is also possible to use a storage battery that stores excess power.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims and their equivalents. Of course, such modifications are within the scope of the claims.
10 : 집광판 20 : 집열관
30 : 태양추적장치 40 : 이송관로
50 : 이송펌프 60 : 저장조
70 : 공급부10: light collecting plate 20: heat collecting tube
30: solar tracking device 40: transfer pipe
50: transfer pump 60: reservoir
70 supply part
Claims (6)
태양광을 집광 및 반사하여 고온의 열을 포집하는 포물면형상의 반사경기능을 갖는 집광판;
상기 집광판 내측 중앙에 설치되어 집광판에서 반사된 열을 집열하고, 집열된 열로서 열매개유체를 가열시키는 집열관;
상기 집광판을 태양의 이동 궤도에 따라 회동시키는 태양추적장치;
상기 집열관에서 가열된 열매개유체를 순환 및 이송하기 위한 순환펌프 및 이송관로;
내부에 소정 크기의 둥근 석재와 열매개유체로 채워지며, 상기 이송관로에 의해 이송되어 오는 가열된 고온의 열매개유체를 열원으로 저장하는 저장조; 및
상기 저장조에 저장된 열원을 열이용장치에 배출 및 배분하는 공급부를 포함하며,
상기 집광판의 반사경은 태양광을 받아 선형적으로 골고루 분포되도록 반사각을 갖는 곡면 형상으로 이루어지고, 반사효율을 높이기 위해 경면 처리됨을 특징으로 하는 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치.In the device for accumulating solar heat and using it as a heat source,
A light collecting plate having a parabolic reflector function for collecting and reflecting sunlight to collect high-temperature heat;
A heat collecting tube installed at an inner center of the light collecting plate to collect heat reflected from the light collecting plate and to heat the fruit medium as the collected heat;
A solar tracking device which rotates the light collecting plate along a moving trajectory of the sun;
A circulation pump and a transfer pipe for circulating and transporting the heating medium fluid heated in the collecting pipe;
A storage tank filled with a round stone and a fruit medium of a predetermined size therein and storing the heated high temperature fruit medium which is transferred by the transfer pipe as a heat source; And
It includes a supply for discharging and distributing the heat source stored in the reservoir to the heat using device,
The reflector of the light collecting plate is made of a curved shape having a reflection angle so as to be uniformly distributed linearly with sunlight, and is mirror-finished to increase reflection efficiency.
열매개유체가 주입되어 있는 매체주입관;
상기 매체주입관 외측에 반사경으로부터 반사된 열을 흡수하여 매체주입관으로 열을 전도하는 동합금으로 된 흡열관; 및
상기 매체주입관과 흡열관 외측에 진공 단열 상태의 석영으로 된 진공실로 이루어짐을 특징으로 하는 태양열을 이용한 고효율의 고온 열원장치.The method of claim 1, wherein the heat collecting tube
A medium inlet pipe into which the fruit medium is injected;
An endothermic tube made of copper alloy that absorbs heat reflected from the reflector outside the medium inlet tube and conducts heat to the medium inlet tube; And
A high-efficiency high temperature heat source device using solar heat, characterized in that made of a vacuum chamber made of quartz in a vacuum insulation state outside the medium inlet tube and the heat absorbing tube.
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