KR101380828B1

KR101380828B1 - 열저장매체 방식의 태양열 난방 장치

Info

Publication number: KR101380828B1
Application number: KR1020120020478A
Authority: KR
Inventors: 김재훈; 김주만; 임주형
Original assignee: 주식회사 섬광
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2014-04-04
Also published as: KR20130098728A

Abstract

본 발명은 열저장매체를 이용하는 태양열 난방장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 낮에는 태양광에 의하여 난방을 하는 한편, 소정 온도에서 융해되는 열저장매체를 이용하여 열에너지를 저장한다. 또한, 밤에는 열저장매체가 응고되면서 발산되는 열에너지를 이용하여 난방을 지속적으로 수행토록 하는 태양열 난방장치에 관한다. 본 발명에 의하면, 별도의 태양광 발전이 없이도 적은 비용으로 낮 뿐만 아니라 밤에도 난방 효과를 지속시킬 수 있으며, 친환경적인 난방이 가능하다.

Description

열저장매체 방식의 태양열 난방 장치{Solar heating apparatus with thermal storage medium}

본 발명은 태양광에 의해 가열된 공기를 목표로 하는 난방공간으로 이송시키는 태양열 난방장치에 관한다. 더욱 상세하게는, 소정 온도 범위에서 상변화가 일어나는 열저장매체를 이용하여 낮 시간대에는 직접적인 태양광에 의해 가열된 공기를 이용하여 공기를 가열하고, 열저장매체를 융해시켜 축열 작용을 수행한다. 밤 시간대에는 하강된 온도로 인해 응고되는 열저장매체의 발열 작용을 이용하여 따뜻한 공기를 지속적으로 제공한다.

근래 화석연료에 의한 자원고갈 및 환경오염의 문제로 인해 건물 난방을 위한 대체에너지원으로서 태양에너지가 부각되고 있다. 특히, 태양광 발전모듈에 의해 생성된 전기를 이용하여 실내 난방을 하는 기술이 도입된 바 있으나, 설치 비용이 과도하게 높고, 구성이 복잡한 단점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제2009-0019754호(2009.02.25 공개)에서는 별도의 태양광 발전 없이도 곡면부재를 포함하는 흡열판을 사용하여 에너지 전환효율을 극대화시키는 기술에 관한 것이다. 그런데 상기 기술은 태양광이 약하거나 존재하지 않는 때에는 기술적 가치가 반감되는 한계점이 있다.

한편, 태양광이 약하거나 존재하지 않는 때에 난방을 수행하는 방법으로서 축열식 난방 기술이 도입되기도 한다. 일반적으로 축열식 난방이란 고밀도 철화합물이나 산화 마그네슘 등을 포함한 세라믹 소재를 이용하여 만든 축열매체를 심야전력을 사용하여 600~800℃ 까지 가열, 축열하였다가 실내온도가 낮아지면 방열하여 난방하는 방식을 말한다.

대한민국 공개특허공보 제2008-0001823호(2008.01.04 공개)는 태양열축열 온풍난방시스템에 관한 것으로서, 건물 내부를 지속적으로 난방하기 위해 축열매체 순환장치를 이용하는 것을 특징으로 하고 있다.

그러나, 상기 기술은 건물의 지속적인 난방을 위해 축열매체 순환장치를 필수적으로 구비해야 하는 한계가 있고, 태양열 부족시 전기히터를 가동해야 하는 문제점이 있어 구성이 복잡하고 시공비용이 증가하는 한계점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제2009-0019754호 대한민국 공개특허공보 제2008-0001823호

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, (i)태양광이 존재하는 주간 뿐만 아니라, 태양광이 존재하지 않는 야간에도 상당 시간 지속적인 난방이 가능하며, (ii)태양광 발전 모듈에 의존하지 않는 간단한 부품수로 이루어지고, (iii)저렴한 비용의 친환경적 소재를 사용함으로써 신선하고 따뜻한 공기를 제공하는 태양열 난방장치를 개시하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 공기 유입구(211)와 공기 배출구(213)가 형성된 태양광 집광부(200); 상기 태양광 집광부의 내부에 위치하며, 일측 단부는 상기 공기 유입구에 연결되고, 타측 단부는 상기 공기 배출구에 연결되는 축열배관부(400); 및 상기 축열배관부 내측의 공기를 목표난방공간(30)으로 이송하기 위한 제어이송부(600)를 포함하는 태양열 난방장치에 있어서, 상기 축열배관부(400)는 소정의 제1온도에서 상전이(phase change)하는 열저장매체(410) 및 상기 공기 유입구(211)로부터 상기 공기 배출구(213)까지 연통되는 공기유로(430)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장매체 방식의 태양열 난방장치(10)를 개시한다.

바람직하게는, 상기 열저장매체(410)는 상기 제1온도가 30~40℃ 범위를 가진 물질로 구비되되, 상기 제1온도를 초과하는 경우에는 융해되어 흡열 작용을 수행하고, 상기 제1온도 이하인 경우에는 응고됨으로써 발열 작용을 수행하는 것을 특징으로 하는 것이 좋다.

또한, 상기 축열배관부(400)는 적어도 하나 이상의 튜브(450)를 포함하고, 상기 열저장매체(410)를 수용하는 적어도 하나 이상의 단위용기(470)가 상기 튜브(450) 내측에 수납되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 튜브(450)는 외부에 주름(451)이 형성되고, 내열성 흑체 피막(453)으로 도포되는 것이 좋다.

또는, 상기 튜브(450)는 복수개로 구비되고, 적어도 하나 이상의 접속관(460)과 결합하는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 태양광 집광부(200)는 상면이 개방되고 단열재로 이루어지는 프레임(210) 및 상기 프레임의 상기 상면에 구비되어 태양광을 집광시키는 투과 패널(230)을 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 제어이송부(600)는 상기 공기유로(430)의 내부 공기가 상기 목표난방공간(30)에 도달할 수 있도록 하기 위한 송풍 수단(630)을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

나아가, 상기 제어이송부(600)는 상기 목표난방공간(30)으로 유입되는 공기를 개방 또는 차단할 수 있는 차폐 수단(650)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어이송부(600)는 온도센서(670) 또는 타이머(미도시)가 구비되어 사용자의 설정에 따라 상기 차폐 수단(650) 또는 상기 송풍 수단(630)을 작동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 열저장매체(410)는 한천과 물을 포함하여 소정 비율로 배합되어 이루어지는 것이 좋다.

상술한 바와 같이, 종래의 태양열 난방장치는 주간에만 활용할 수 있고 야간에는 활용이 어려운 문제점이 있었으나, 본 발명에 따르면 주간 뿐만 아니라 야간에도 열저장매체의 상변화에 따른 발열 작용을 이용하여 지속적인 난방이 가능하다. 또한, 기존의 태양광 발전 모듈에 비해 저렴한 비용과 간단한 구성으로 활용도를 높였으며, 친환경적이고 저렴한 비용의 열저장매체를 사용하여 따뜻한 공기를 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 외부 공기를 유입 공기로 사용할 경우에는 겨울철에도 따뜻하면서도 환기된 공기를 제공하게 되어 난방의 효율 및 공기의 신선도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양열 난방장치의 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 태양열 난방장치의 결합 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 축열배관부의 일실시예.
도 4는 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 열저장매체의 참고도.
도 5는 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 단위용기의 일실시예.
도 6은 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 단위용기의 다른 실시예.
도 7은 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 축열배관부의 다른 실시예.
도 8은 본 발명에 따른 태양열 난방장치의 사용 개념도.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 온도변화 추이를 나타내는 그래프.
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 열용량비 산출을 나타내는 그래프.
도 11은 본 발명의 일 실험예와 비교예의 외기온도에 따른 온도변화 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 구조 및 작용에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 태양열 난방장치의 분해 사시도이며, 도 2는 도 1의 결합 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 축열배관부의 일실시예에 따른 부분확대도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면(다만, 제어이송부는 나타내지 아니하였으며, 열저장매체 및 공기유로는 도 3에서 도시함), 본 발명에 따른 열저장매체 방식의 태양열 난방장치(10)는, 공기 유입구(211)와 공기 배출구(213)가 형성된 태양광 집광부(200); 상기 태양광 집광부의 내부에 위치하며, 일측 단부는 상기 공기 유입구와 연통되고, 타측 단부는 상기 공기 배출구와 연통되는 축열배관부(400); 및 상기 축열배관부 내측의 공기를 목표난방공간(30)으로 이송하기 위한 제어이송부(600)를 포함하는 태양열 난방장치에 있어서, 상기 축열배관부는 소정의 제1온도에서 상전이(phase change)하는 열저장매체(410) 및 상기 공기 유입구로부터 상기 공기 배출구까지 연통되는 공기유로(430)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 태양광 집광부(200)는 단열이 가능한 프레임(210)과 상기 프레임의 상면을 덮는 투과 패널(230)을 포함하여 이루어질 수 있다.

프레임(210)의 크기나 형상은 다양하게 적용될 수 있으며, 프레임(210)의 상면은 개방되고, 후술할 축열배관부(400)를 수납할 수 있는 개구부(215)가 형성될 수 있다. 프레임(210) 내부에는 도면으로 나타내지는 않았으나, 단열 성능이 우수한 물질로 도포하거나, 단열재(217)로 덮어두는 것이 바람직하다. 본 발명의 일실시예에서는 은박 반사 단열재를 사용하였다.

투과 패널(230)은 태양광을 보다 효율적으로 집광할 수 있다면, 부분적으로 볼록렌즈(미도시), 투과도가 높은 재질의 강화 유리, 투명 합성수지 등을 쓸 수 있음은 물론이다. 투과 패널(230)은 바람직하게는 투명 또는 반투명 패널을 사용하는 것이 좋으며, 프레임(210)과의 밀봉성 향상을 위해 공지된 밀봉 수단을 사용할 수 있다.

프레임(210)의 일측면에는 후술할 축열배관부(400)의 일측 단부가 연결될 수 있는 공기 유입구(211)가 구비되고, 프레임(210)의 타측면에는 축열배관부(400)의 타측 단부가 연결될 수 있는 공기 배출구(213)가 구비된다. 상기 공기 유입구(211)는 외부의 공기(외기) 또는 후술할 목표난방공간에서 순환되는 공기가 재유입될 수 있는 곳이다. 상기 공기 배출구(213)는 태양광에 의해 태양광 집광부(200) 내부가 가열된 상태에서, 축열배관부(400) 내측의 가열된 공기가 공기유로(430)를 통해 목표난방공간으로 이송되기 위한 통로이다.

도면에는 나타내지 아니하였으나, 공기 유입구(211) 또는 공기 배출구(213)에는 이물질을 걸러내기 위한 공지된 필터 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 공기 유입구(211)와 공기 배출구(213)의 위치는 공기의 대류현상 및 후술할 축열배관부의 형상 등을 고려하여 최적의 위치를 선정할 수 있음은 물론이다.

바람직한 일실시예로서, 공기 유입구(211)는 외부의 공기가 유입될 수 있도록 외부에 개방된 형태일 수 있다. 특히, 겨울철에는 통상적으로 창문 환기로 인해 창문을 통해 유입되는 차가운 공기에 의해 가열된 실내 공기의 온도가 하강함으로써 난방 효율이 저감되는 측면이 있다. 그러나, 본 발명에 의하면, 외부의 신선하고 차가운 공기가 축열배관부(400) 내측의 공기유로(430)를 거쳐 따뜻한 공기로 전환되어 목표난방공간으로 배출되므로 종래처럼 창문 환기를 하지 않더라도 환기 효과를 획득할 수 있다.

한편, 공기 유입구(211)는 외부의 공기가 아닌 실내(또는 목표난방공간)의 공기를 재유입하여 난방 효과를 배가시킬 수 있음은 물론이다. 또한, 외부공기와 실내 공기를 선택적으로 유입되도록 하기 위한 공지의 기술을 채용할 수도 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 축열배관부(400)는 상기 태양광 집광부(200)의 내부에 수납되며, 열저장매체(410)를 내장하고 공기유로(430)가 형성되도록 하는 것이다. 축열배관부(400)는 태양광 집광부(200) 내부에서 유동되지 않도록 공지의 고정수단을 사용할 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명을 구성하는 축열배관부(400)는 튜브(450)의 내측에 열저장매체(410) 및 공기유로(430)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 열저장매체(410)는 태양광이 존재하는 주간에는 열에너지를 축열하고, 온도가 식혀지는 야간에는 응고열을 방출하는 작용을 한다.

본 발명의 일실시예에서는 공지된 덕트용 알루미늄 주름관을 사용하였으며, 대략 ‘S’자형으로 반복적으로 구부려서 태양광 집광부(200) 내부에 안치하였다. 바람직하게는, 축열배관부(400)는 적어도 하나 이상의 튜브를 포함하여 이루어지되, 표면적을 증대시키기 위하여 도 3과 같이, 외부에 복수의 주름(451)이 형성되는 것이 바람직하다. 축열배관부(400)를 대략 ‘S'자형으로 구부리는 것은 공기유로(430)를 단위 공간내에서 가능한 길게 함으로써 공기유로(430) 상의 공기가 충분히 가열되도록 하기 위함이다.

또한, 축열배관부의 외부는 태양에너지를 보다 효과적으로 흡수하기 위하여 탄소피막 등과 같은 내열성 흑체 피막(453)으로 도포되는 것이 바람직하다. 이 때, 태양광이 직접적으로 투사되는 낮시간에는 매우 고온으로 상승되기 때문에 내열성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 열저장매체(410)의 하나의 실시예로서, 한천과 물을 소정 비율로 배합한 혼합물을 사용하였다. 물은 비열이 높아서 다량의 열을 흡수하더라도 자신의 온도는 크게 변하지 않는데, 이러한 현상은 인접하는 물 분자끼리 수소결합(hydrogen bonds)을 이루고 있으며, 이러한 수소결합이 형성되거나 끊어질 때 열에너지가 저장 또는 방출되기 때문에 나타난다.

한편, 한천은 우무를 동결 탈수하거나 압착탈수하여 건조시킨 것을 칭한다. 우무는 보통 우뭇가사리·개우무·새발 등 우뭇가사리과의 해초로 만든다. 꼬시래기·갈래곰보 등의 해초로도 만들 수 있다. 채취한 해초는 물로 씻어 소금기를 빼내고, 홍색이 없어져서 백색이 될 때까지 햇볕에 쬔다. 이것을 눅눅해질 때까지 삶아서 거르거나 주머니에 넣고 짜내어 냉각시키면 고체화된 우무가 되며, 이를 건조시킨 것이 한천이다.

한천은 수분, 단백질, 회분, 지방 및 다당류를 포함할 수 있으며, 중성다당류인 아가로오스(agarose)와 산성다당류인 아가로펙틴(agaropectin)을 포함할 수 있다. 한천은 응고력이 세고, 비교적 용융점이 높으며, 잘 부패하지 않는 성질이 있다.

보다 상세하게는, 본 발명을 구성하는 열저장매체에 있어서, 한천은 10 내지 20 중량%의 수분, 1 내지 3중량%의 단백질, 2 내지 5중량%의 회분, 0.1 내지 1중량%의 지방 및 65 내지 85중량%의 다당류를 함유할 수 있다. 다당류는 60 내지 80 중량%의 아가로오즈 및 20 내지 40 중량%의 아가로펙틴을 함유할 수 있으며, 실질적으로 70중량%의 아가로오즈 및 30중량%의 아가로펙틴을 함유할 수 있다.

응고력이 큰 이유는 한천과 물과의 상호작용 때문이다. 한천과 물이 혼합된 상태에서 온도가 내려가면, 아가로오스와 아가로펙틴 분자들을 물분자가 수소결합을 하면서 둘러싸게 된다. 응고시에는 둘러싸고 있는 물분자와 아가로오스가 매우 강하게 결합하고 있어서 굳고 난 다음에 열을 가해도 잘 용융되지 않는다. 한천과 물과의 상호작용이 매우 강하기 때문에 이 혼합물은 열저장매체로서 기대되는 물질이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 열저장매체는 물과 한천을 함유함에 따라, 한천과 물의 강한 상호작용에 의해 용융상에서 졸(sol)상태로의 상변이시 또는 졸(sol)에서 겔(gel)로의 상변이시, 다량의 잠열을 장시간 동안 방출하는 특징이 있으며, 식용 원료에 속함에 따라 매체가 누출되거나 인체에 누 발생하여도 환경 및 인체에 무해하며, 원료가 입수 용이하고 극히 저가이며 제조 공정이 간단하여 저비용으로 단시간에 대량생산 가능한 장점이 있다.

바람직하게는, 한천과 물을 적정 비율로 혼합하되, 이때의 상전이 온도(융해 온도 또는 응고 온도)인 제1온도는 대략 20℃ 내지 45℃ 범위가 되도록 혼합 비율을 결정할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 겨울철 태양에너지를 고려하여, 상기 제1온도는 20℃ 내지 30℃ 범위에 존재하도록 한천과 물의 중량비를 적절히 조정하는 것이 좋다.

본 발명을 구성하는 열저장매체에 있어서, 열저장매체는 물 100 중량부에 대해 한천 8 내지 12 중량부를 함유할 수 있다. 열저장매체의 물 : 한천의 중량비에 의해, 열저장매체의 상변이 온도가 20 내지 30℃로 조절될 수 있다. 한천의 양이 너무 많으면 상전이 온도가 올라가게 되므로 최적의 온도 범위를 설정하도록 할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이, 열저장매체에 함유되는 물 : 한천의 중량비는 열저장매체의 상전이 온도인 제1온도가 20 내지 30℃로 조절되는 중량비이며, 이에 따라, 낮 동안 자연적으로 조사되는 태양열 에너지에 의해 매체가 용융상 또는 졸 상태로의 상변이가 용이하게 이루어질 수 있으며, 용융상 또는 졸 상태로 매체 내에 저장된 태양열 에너지가 태양열 에너지의 조사가 사라지는 밤이 되면 자연적으로 방출될 수 있는 것이다.

또한, 열저장매체가 물 및 한천을 함유하며, 열저장매체에 함유되는 물 : 한천의 중량비가 100 : 8 내지 12임에 따라, 열저장매체가 물의 비열(Cv)을 기준으로 1.3 내지 1.5배의 비열(Cv)을 가질 수 있다.

이는 한천과 물 분자간의 강한 상호작용에 의한 것으로, 물 대비 매우 큰 비열을 가짐에 따라, 동일 부피의 매체가 태양열 에너지에 의해 동일 온도로 가온된 상태에서 보다 많은 열 에너지를 매체에 저장할 수 있으며, 작은 부피로 많은 에너지의 저장이 가능하여 공간 확보가 용이하다.

또한, 태양열 에너지가 더 이상 조사되지 않아 열저장매체가 자연적으로 냉각되는 경우, 열저장매체의 상전이 온도까지 냉각되는데 소요되는 시간이 길어, 열저장매체 사용시(매체에 저장된 열 에너지의 사용시) 일정한 대기 시간을 확보할 수 있으며, 상전이시 매우 서서히 잠열을 발생시켜 매체에 저장된 열 에너지를 장시간 동안 사용 가능하다.

본 발명을 구성하는 열저장매체에 있어서, 열저장매체는 자연적으로 조사되는 태양열 에너지에 의해 제1상(phase)으로 상변이하며, 태양열 에너지의 조사가 이루어지지 않는 경우, 자연적인 냉각에 의해 제2상(phase)으로 상변이하며 잠열(latent heat)을 발생한다.

이때, 제1상은 용융상(액상) 또는 졸(sol) 상태를 포함하며, 제2상은 졸(sol) 또는 겔(gel) 상태를 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 열저장매체에 있어, 열저장매체의 상전이는 용융상-졸(sol)간의 상변이 또는 졸(sol)-겔(gel) 간의 상변이를 포함한다.

한편, 한천과 물을 혼합한 물질을 대신하여 상기 온도 범위에서 상전이하는 물질이라면 본 발명을 구성하는 열저장매체로 사용할 수 있다. 다른 실시예로서는 팜유와 버터를 혼합한 물질을 사용하거나, 한천과 물에 아세트산나트륨을 혼합하여 사용하거나, 한천과 물에 티오황산나트륨의 혼합물을 사용할 수 있다.

한천과 물에 아세트산나트륨을 혼합한 경우에는 한천과 물만을 사용하였을 경우와 마찬가지로 수화물이 되는데, 온도를 올려 액체가 된 후 외부 충격 없이 서서히 온도가 냉각되면 상온에서도 액체로 존재한다. 이는 아세트산나트륨이 과포화 상태에 있기 때문인데, 통상적으로 과포화 상태는 에너지가 불안정하여 작은 충격에도 빠르게 안정한 상태, 즉 녹아 있는 물질이 석출되는 상태로 옮겨간다.

따라서, 한천, 물 및 아세트산나트륨을 혼합한 경우에는 열용량이 크지만, 융해점 또는 응고점이 다소 높고, 열방출을 위해서는 외부의 충격에너지가 소요되는 점을 고려하여야 한다. 이를 위하여, 철 조각 등을 내장하여 이것을 구김으로써 충격을 가하면 안정한 상태로 전이하는데, 이 때 과포화 상태와 안정한 상태의 에너지 차이가 열로 전환되면서 발열 작용이 일어난다. 외부 충격에너지를 인가하는 것이라면 공지된 기술을 채용하여 수행할 수 있다.

도 3을 참조하면, 바람직하게는 열저장매체(410)는 적어도 하나 이상의 단위용기(470)에 저장될 수 있으며, 단위용기(470)의 외직경을 튜브(450)의 내직경보다 작도록 설계함으로써 빈 공간에 의한 공기유로(430)를 형성할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 열저장매체의 참고도이며, 도 5는 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 단위용기의 일실시예를 나타내는 정단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에서는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 PET 재질의 용기에 한천과 물을 소정 비율로 배합한 열저장매체를 주입하여 사용하였다. 나선 구조의 홈이 상기 용기의 외주면에 형성된 경우에는 공기유로의 일부로 사용될 수도 있을 것이다. 또한, 바람직하게는, 열저장매체(410)의 열팽창을 고려하여 단위용기(470) 내에 소정의 여유 공간을 남기고 주입하는 것이 좋다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 축열배관부(400)를 이루는 열저장매체(410) 및 단위용기(470)의 일실시예에서는, 단위용기의 몸체(471) 일측에 형성된 주입구(473)에 열저장매체(410)를 주입한 다음, 캡(475)으로 밀봉하였고, 튜브(450)의 개방된 일측으로부터 열저장매체(410)가 주입된 단위용기(470)들을 순차적으로 삽입하였다.

단위용기(470)의 삽입시, 튜브(450)와 단위용기(470) 사이에 형성되는 공간은 공기가 흐를 수 있는 공기유로(430)로 작용한다. 본 발명의 일실시예에서는통상적인 PET 재질의 용기를 사용하였으므로 중력 방향으로 단위용기(470)가 치우친 것을 도시하였으나, 공기 이송을 향상시키기 위하여 단위용기(470)의 외측 둘레에 돌기(미도시)들을 구비하여 공기유로(430)가 단위용기(470)의 외곽 둘레에 균일하게 형성되도록 할 수 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 단위용기의 다른 실시예로서, 도 6a는 정면도, 도 6b는 사시도이다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 단위용기(480)는 중공부(482)가 형성된 몸체(481)에 주입구(483) 및 캡(485)을 포함하여 구비될 수 있으며, 주입구(483)를 통해 열저장매체(410)를 담고 캡(485)으로 밀봉하여 이루어진다. 단위용기(480)의 중공부(482) 및 단위용기(480)ㅇ허 튜브(450) 사이의 빈공간은 공기유로(430)로 사용된다.

또한, 단위용기(480)의 외곽 둘레에 복수의 돌기(미도시)를 구비하여 단위용기(480)와 튜브(450) 사이의 간격이 균등하게 형성될 수 있음은 물론이며, 단위용기(480)와 튜브(450) 사이의 간격은 호적의 범위에서 설정될 수 있다.

도 5 및 도 6를 참조하면, 튜브(450)의 내부 공간에서 단위용기(470 또는 480)를 제외한 공간이 공기가 이송되는 공기유로(430)가 된다. 열저장매체(410)가 주입된 단위용기(470 또는 480)를 제외하여 축열배관부를 구성하더라도 튜브(450) 내의 공기가 태양광에 의해 가열되는 것은 마찬가지이나, 태양광이 약하거나 부존재하는 시간대에는 소기의 효과를 획득할 수 없다는 문제점이 있다.

한편 단위용기(470, 480)과 튜브(450) 사이의 이격 공간은 호적의 범위에서 결정될 수 있음은 물론이며, 이격 공간이 매우 작더라도 단위용기의 외주면에 나선형 홈(미도시)을 형성하여 공기유로(430)를 확보할 수도 있음은 물론이다.

도 7은 본 발명에 따른 태양열 난방장치를 구성하는 축열배관부의 다른 실시예이다. 도 7을 참조하면, 복수의 튜브(450)를 대략 ‘S’자 형으로 연결시키기 위한 적어도 하나 이상의 접속관(460)이 구비될 수 있다. 이에 따르면, 단위용기(470)들을 튜브(450) 내에 용이하게 삽입할 수 있으며, 추후 유지, 관리에 효과적일 수 있다. 접속관(460)과 튜브(450) 사이는 밀폐력을 높이기 위한 내열성 밀폐 수단을 사용하는 것이 좋다.

도 8은 본 발명에 따른 태양열 난방장치의 사용 개념도이다. 도 8을 참조하면, 태양광 및/또는 열저장매체에 의해 가열된 축열배관부(400) 내부의 공기를 효과적으로 목표난방공간(30)으로 보내기 위한 제어이송부(600)가 구비된다.

제어이송부(600)는 축열배관부(400) 내부에 형성된 공기유로(430) 상의 가열된 공기를 목표난방공간(30)으로 보내기 위하여 당해 분야의 통상적인 기술을 가진 자가 용이하게 채용할 수 있는 공지된 시로코팬 등의 송풍수단(630)을 사용할 수 있으며, 축열배관부(400)와 목표난방공간(30)을 연결하는 연결관(610)이 구비된다. 송풍수단(630)의 위치는 공기유입구(211) 또는 공기배출구(213) 측 어느 위치라도 가능할 것이나, 바람직하게는 도 8과 같이, 공기배출구(213) 측에 위치시키는 것이 보다 효율이 좋다.

나아가, 배출되는 공기가 따뜻하지 않거나, 사용자가 원하지 않는 경우 또는 주간보다는 야간에 가열된 공기를 보다 많이 이용하고자 하는 경우를 위하여 목표난방공간(30)으로 공기가 이송되는 것을 차단하기 위한 차폐수단(650)을 더 포함할 수 있다. 차폐수단(650)은 공지된 수동식 또는 전동식 댐퍼가 사용될 수 있다.

또는, 온도센서(670)을 이용하여 배출되는 공기의 온도를 측정한 다음, 사용자가 설정한 제2온도에 도달한 경우에만 차폐수단(650)이 개방되고, 송풍수단(630)이 작동하도록 하는 컨트롤러(690)를 구비하여 목표난방공간(30)으로 공기를 이송시킬 수 있다. 반면, 상기 제2온도에 도달하지 않는 경우에는 송풍수단(630)의 작동을 중지시키고, 차폐수단(650)을 작동시켜 공기가 목표난방공간(30)으로 이송되는 것을 차단할 수 있다.

또는, 도면으로 나타내지는 않았으나 타이머를 구비하여 사용자가 설정한 시각에 차폐수단(650)을 개방하고 송풍수단(630)을 작동시키도록 할 수 있다. 이는 태양광이 집중되는 낮시간대에는 축열배관부 내의 최고 온도가 대략 40~90℃ 범위에 있고, 주간보다는 야간에 난방이 보다 요구되는 상황이 많을 것이므로 사용자가 설정한 시각까지는 열에너지를 가두어 두었다가 그 이후에 차폐수단(650)을 개방하게 되면 야간에 보다 지속적인 난방을 이용할 수 있다.

상기 내용을 통해 설명한 각각의 구성을 종합하여, 본 발명의 작동원리를 정리하면 다음과 같다. 태양광이 존재하는 낮 시간대에는 투과 패널(230)에 의해 태양광 집광부(200) 내부가 가열되면서 축열배관부(400)의 내부 공기도 가열된다. 이 때, 축열배관부(400) 내부에 삽입된 단위용기(470) 및 공기유로(430)에 있는 공기 또한 가열된다.

아울러, 단위용기(470)에 주입된 열저장매체(410)가 소정의 제1온도 범위를 초과하게 되면, 열저장매체(410)가 융해되면서 열을 저장하게 되는 흡열작용을 수행한다. 바람직하게는 상기 제1온도는 20~40℃ 범위, 더욱 바람직하게는 20~30℃ 범위가 되도록 상기 열저장매체(410)를 물과 한천을 소정 비율로 혼합한 물질을 사용할 수 있다. 공기유로(430)에 있는 가열된 공기는 송풍수단(630)을 포함하는 제어이송부(600)에 의해 목표난방공간(30)으로 이송된다.

한편, 태양광이 존재하지 않는 야간에는 열저장매체(410)가 식으면서 소정의 제1온도 범위 이하로 떨어지게 되어 열저장매체(410)가 응고되고, 이때 잠열에 의한 발열 작용을 수행하여 공기유로(430) 상에 있는 공기가 지속적으로 가열된 상태로 남아 있게 된다. 가열된 공기는 상술한 송풍수단(630)을 포함하는 제어이송부(600)에 의해 목표난방공간(30)으로 이송될 수 있다.

아울러, 사용자의 설정에 따라 목표난방공간(30)으로 공기가 유입될지 여부를 선택할 수 있도록 차폐수단(650), 온도센서, 타이머, 컨트롤러 등이 더 구비될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 열저장매체 방식의 태양열 난방장치는 태양광이 충분히 공급되는 장소라면 어디에든지 설치가능하다. 예를 들어, 주택의 옥상이나 벽면, 온실 및 비닐하우스 등의 장소에 적용할 수 있다.

다만, 따뜻한 공기는 대류현상에 의해 상부로 이동하는 경향이 있으므로 주택의 옥상에 설치된 경우에는 연결관을 통해 공급되는 따뜻한 공기가 목표난방공간의 상부에 적체될 수 있으므로 이를 고려하여 적정하게 목표난방공간 전체에 따뜻한 공기를 이송, 순환시키기 위한 공지의 기술을 채용할 수 있음은 물론이다.

도 9는 한천과 물을 배합한 혼합물과 물을 각각 100℃까지 가열한 상태에서 자연적으로 공냉시키며 관찰한 온도변화 추이를 나타내는 그래프이며, 도 10은 도 9의 결과를 세미 로그 그래프(ln(T-Tc) vs. minute, Tc=100℃)로 재도시한 도면이다.

본 발명의 일실험예에서는 한천과 물을 대략 1 : 10 중량비로 혼합한 열저장매체를 기화되기 직전까지 가열시킨 다음, 열을 차단한 상태에서 시간에 따른 온도 변화를 측정하였다. 도 9를 참조하면, 한천과 물을 혼합한 열저장매체의 경우가 물의 경우에 비하여 보다 서서히 식는 것을 확인할 수 있다.

한편, 한천과 물을 혼합한 열저장매체의 경우 열용량비의 상대적 비교는 다음과 같은 공지된 수학식에 따라 도 10과 같이 산출된다.

열이 방출되는 정도는 [수학식 1]에 의해 산출된다.(Tc는 초기 온도, To는 최종 온도, T는 온도, A는 단열상태에 따른 열전달상수). 또한, 열용량 Cv는 [수학식 2]와 같은 관계에 있으며, [수학식 1]과 [수학식 2]로부터 [수학식 3]을 도출할 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

상기 실험예에서는 단열상태를 동일하게 유지하였으므로 A 값과 관계없이 두 물질의 비교가 가능하며, 이를 도 10으로 나타내었다. 도 10에서 선형 피팅(fitting)에 의해 얻어진 기울기의 역수가 열용량(Cv)과 정비례하게 되는데, 물과 열저장매체의 열용량 비가 1.393임을, 즉, 열저장매체가 물의 열용량 대비 1.393배의 열용량을 가짐을 알 수 있다. 이는 열용량이 순수한 물의 열저장능력보다 1.4배 향상됨을 의미한다.

도 11은 본 발명의 일 실험예와 비교예의 외기온도에 따른 온도변화 그래프이다. 녹색 실선은 외부의 공기 온도를 나타내며, 붉은색 실선은 본 발명에 따른 열저장매체 방식의 태양열 난방장치이며, 파란색 실선은 본 발명의 구성요소 중 열저장매체를 제외한 태양열 난방장치의 온도변화 추이를 나타낸다.

실험은 2월말 동일자에 실시하였으며, 24시간 동안의 온도를 매 10분 간격으로 측정한 값이다. (도 11에서는 지면 관계상 매 40분 간격으로 표기함) 특히, 실험예와 비교예의 온도는 별도의 차폐수단이나 송풍수단을 구비하지 않고, 공기배출구 측으로 나오는 공기의 온도를 측정한 값이다. 만일, 낮 동안에는 차폐수단을 이용하여 축열배관부 내부의 공기를 가두어두었다가 저녁 또는 밤에는 차폐수단을 개방하였다면, 상술한 실험예보다 고열의 공기가 나올 수 있었을 것임은 자명하다.

외부 공기온도는 평균 -2.35℃ 였으며, 본 발명에 따른 태양열 난방장치는 평균 10.18℃의 기록을 나타내었다. 한편, 본 발명에 있어서, 열저장매체(410)를 제외하여 실시한 비교예에서는 평균 5.76℃를 기록하였다.

도 11을 참조하면, 외부 온도가 최고 5℃ 부근인 경우에도 축열배관부를 거쳐 나오는 공기의 온도는 40℃ 부근으로 고열의 공기가 발생됨을 알 수 있다. 열저장매체를 제외한 비교예에서는 태양광이 줄어들어 외부 온도가 강하하는 오후 4시부터는 외부 온도에 수렴하는데 비하여, 열저장매체 방식의 본 발명의 실험예에서는 열저장매체의 발열작용에 의하여 현저하게 향상된 난방 효과가 나타남을 확인할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10 : 태양열 난방장치
200 : 태양광 집광부
210 : 프레임
211 : 공기 유입구
213 : 공기 배출구
215 : 개구부
230 : 투과 패널
400 : 축열배관부
410 : 열저장매체
411 : 한천과 물의 배합체
430 : 공기유로
450 : 튜브
470 : 단위용기
471 : 몸체
473 : 주입구
475 : 캡
480 : 단위용기
481 : 몸체
482 : 중공부
483 : 주입구
485 : 캡
600 : 제어이송부
610 : 연결관
630 : 송풍수단
650 : 차폐수단
670 : 온도센서
690 : 컨트롤러
30 : 목표난방공간

Claims

공기 유입구와 공기 배출구가 형성된 태양광 집광부; 상기 태양광 집광부의 내부에 위치하며, 일측 단부는 상기 공기 유입구에 연결되고, 타측 단부는 상기 공기 배출구에 연결되는 축열배관부; 및 상기 축열배관부 내측의 공기를 목표난방공간으로 이송하기 위한 제어이송부를 포함하는 태양열 난방장치에 있어서,
상기 태양광 집광부는 상기 축열배관부를 수납할 수 있는 개구부와, 상기 개구부의 상면을 덮는 투과 패널을 포함하여 이루어지고,
상기 축열배관부는 소정의 제1온도에서 상전이(phase change)하는 열저장매체 및 상기 공기 유입구로부터 상기 공기 배출구까지 연통되는 공기유로를 포함하되, 상기 축열배관부의 외면은 내열성 흑체 피막으로 도포되고,
상기 열저장매체는 물 100 중량부에 대해 한천 8 내지 12 중량부를 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열저장매체 방식의 태양열 난방장치.
제 1 항에 있어서,
상기 열저장매체는 상기 제1온도가 20~30℃ 범위를 가진 물질로 구비되되, 상기 제1온도를 초과하는 경우에는 융해되어 흡열 작용을 수행하고, 상기 제1온도 이하인 경우에는 응고됨으로써 발열 작용을 수행하는 것을 특징으로 하는 열저장매체 방식의 태양열 난방장치.
제 1 항에 있어서,
상기 축열배관부는 적어도 하나 이상의 튜브를 포함하고, 상기 열저장매체를 수용하는 적어도 하나 이상의 단위용기가 상기 튜브 내측에 수납되는 것을 특징으로 하는 열저장매체 방식의 태양열 난방장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어이송부는 상기 공기유로의 내부 공기가 상기 목표난방공간에 도달할 수 있도록 하기 위한 송풍 수단과, 상기 목표난방공간으로 유입되는 공기를 차단 또는 개방하기 위한 차폐 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장매체 방식의 태양열 난방장치.
제 3항에 있어서,
상기 단위용기는 공기의 유동 방향으로 관통하는 중공부가 구비되는 것을 특징으로 하는 열저장매체 방식의 태양열 난방장치.
제 1항에 있어서,
상기 열저장매체는 아세트산나트륨, 티오황산나트륨 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 어느 하나를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 열저장매체 방식의 태양열 난방장치.