KR101401422B1 - 태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템 - Google Patents

태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광과 태양열 및 지열을 이용하여 전기와 열을 생산함으로써 에너지 효율을 높일 수 있는 태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템을 제공하고자 함에 그 목적이 있다. 이를 구현하기 위한 본 발명은, 태양열에 의해 가열되는 열원측열매체가 흐르는 유로가 형성되고, 태양광에 의해 전기를 생산하는 태양전지모듈(100): 상기 열원측열매체에 의해 지열을 흡수하는 지열교환부(200); 상기 열원측열매체와 열교환이 이루어지는 열원측 열교환기(300a)와 제2열매체와 열교환이 이루어지는 부하측 열교환기(300b)를 구비한 히트펌프(300); 상기 열원측 열교환기(300a)에서 열교환이 이루어져 온도가 하락한 상기 열원측열매체가 상기 태양전지모듈(100) 또는 지열교환부(200)를 선택적으로 경유하도록 보내거나, 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 모두 경유하도록 보내는 제어부: 상기 태양전지모듈(100)과 지열교환부(200) 및 히트펌프(300) 사이를 연결하여 상기 열원측열매체가 유동할 수 있도록 하는 다수의 배관을 포함한다.

Description

태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템{THERMAL AND POWER COGENERATION SYSTEM USING SOLAR AND GEOTHERMAL HYBRID ENERGY}
본 발명은 태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양에너지와 지열을 융합하여 열과 전기를 복합적으로 생산할 수 있는 열-전기 복합 생산 시스템에 관한 것이다.
태양 에너지는 무공해, 무소음, 무한에 가까운 에너지 자원이라는 특성으로, 주요 대체 에너지원의 하나이다. 특히 태양 에너지는 화석연료의 사용을 자제하려는 규제와 추세로 인하여 이용이 늘어나고 있다.
이러한 태양 에너지는 이용하는 것의 일환으로, 광자와의 충돌시에 전자를 방출하는 특수한 반도체, 예를 들어 태양 규소, 황화 아연(ZnS) 또는 비소화 갈륨(GaAs)을 사용하여 제작하는 태양 전지가 있다.
한편, 신재생 에너지의 하나로써 지열을 이용하는 기술이 지속적으로 개발되고 있는데, 지열이라 함은, 지구에 도달하는 태양에너지의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되어 있는 열원으로써, 지표면에 가까운 땅속의 온도는 대략 10℃~20℃로써 연중 큰 변화가 없으며, 수 킬로미터 지하의 온도는 약 40℃~150℃이상의 열원이다.
특히 지열은 1차적인 에너지원으로 사용하기는 불가능하지만 에너지 효율이 높은 히트펌프 열원으로 사용하면 건물 냉난방 에너지로 활용 가능성이 매우 높다.
최근에는 상기한 신재생 에너지를 융합하는 기술의 개발이 요청되는바, 대한민국공개특허 제10-2004-0049213호 "복합열원을 이용한 히트펌프시스템"이 개시되어 있는바, 상기 종래기술에는 태양열교환기와 지열교환기를 구비하고, 상기 태양열교환기와 지열교환기에서 얻은 열을 이용하여 난방 및 냉방에 이용하는 기술이 개시되어 있다.
그러나 이러한 종래 기술에 의하면 태양열과 지열로부터 각각 별도로 열을 전달받아 이용하는 것이므로 열효율이 높지 않고, 지열을 이용하는 지열 히트 펌프 시스템의 경우 겨울철 난방을 위해 히트 펌프 시스템을 가동시키는 경우 압축기에 부하가 크게 작용하여 압축기의 잦은 고장 및 이로 인한 수명 단축의 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 태양열과 지열을 융합시키는 구조 및 지열 히트 펌프 시스템에서 압축기에 작용하는 부하를 저감시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.
또한, 태양광 전지의 효율은 입사광의 양 및 광전지층에 배열되는 광전지의 온도에 매우 의존한다. 즉, 광전지의 온도가 높을수록 태양광 전지의 효율은 저하된다. 따라서 태양 전지가 고온으로 상승하는 것을 방지하기 위해서 냉각수단을 갖는 태양 전지 모듈에 대한 선행기술들은 제안된 바 있다. 하지만 대부분의 선행기술들은 단일의 냉각제를 이용하며, 냉각제의 유로를 위한 냉각관의 설치가 복잡한 구조를 갖는다.
그리고 태양열을 이용하는 방법으로 대한민국 특허출원 제2002-28178호는 양측의 금속판 사이에 우레탄 용액 또는 발포수지를 주입시켜 경화시킨 샌드위치 패널을 이용한 태양열 이용방법을 제시하고 있다. 이러한 샌드위치 패널을 이용한 구조는 외벽이 외부와 직접 접하지 않고 공기층이라는 완충공간을 확보함으로써, 실내와 실외의 온도차이를 줄여서 난방 손실을 낮추고, 공기층에서 데워진 공기를 일부 실내로 유입시켜서 난방비를 일부 절감시킬 수 있다.
그러나 상기의 선행문헌은 가열된 공기를 실내로 유입시키거나 이격 공간 사이의 공기를 배출시키기 위한 송풍팬을 구동시키기 위해서 추가적인 전원을 필요로 하고 있다. 또한, 유로 자체가 실내와 실외를 차단시키는 구조로 이루어져 환기를 위해서는 별도의 차이나 수단을 더 필요로 한다.
본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 태양광과 태양열 및 지열을 이용하여 전기와 열을 생산함으로써 에너지 효율을 높일 수 있는 태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 열매체가 태양열과 지열을 모두 흡수한 후 지열 히트 펌프로 유입되도록 함으로써 열효율을 향상시킴과 아울러, 히트 펌프의 압축기 부하를 경감시킬 수 있으며, 열원측열매체를 공기를 사용함으로써 낮은 비용으로 구현할 수 있는 태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템을 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 간단한 구조를 이용하여 태양 전지의 열을 효율적으로 냉각시킴으로써 효율을 높일 수 있는 태양전지모듈이 구비된 태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템을 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 태양전지모듈을 포함하는 난방시스템에서 구조를 간단히 하면서 열효율을 높이고 에너지를 절약할 수 있는 태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템을 제공하고자 함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양에너지와 지열을 융합한 열-전기 복합 생산 시스템은, 태양열에 의해 가열되는 열원측열매체가 흐르는 유로가 형성되고, 태양광에 의해 전기를 생산하는 태양전지모듈(100): 상기 열원측열매체에 의해 지열을 흡수하는 지열교환부(200); 상기 열원측열매체와 열교환이 이루어지는 열원측 열교환기(300a)와 제2열매체와 열교환이 이루어지는 부하측 열교환기(300b)를 구비한 히트펌프(300); 상기 열원측 열교환기(300a)에서 열교환이 이루어져 온도가 하락한 상기 열원측열매체가 상기 태양전지모듈(100) 또는 지열교환부(200)를 선택적으로 경유하도록 보내거나, 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 모두 경유하도록 보내는 제어부: 상기 태양전지모듈(100)과 지열교환부(200) 및 히트펌프(300) 사이를 연결하여 상기 열원측열매체가 유동할 수 있도록 하는 다수의 배관을 포함하여 구성된다.
상기 열원측열매체는 공기인 것을 특징으로 한다.
상기 열원측열매체가, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 태양전지모듈(100)을 순환하도록 하는 태양전지순환경로(433,431,421,424,423; 433,435,431,421,423)와, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 지열교환부(200)를 순환하도록 하는 지열순환경로(433,432,210,422,423; 433,432,210,422,425,423)와, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 순환하도록 하는 복합순환경로(433,431,421,434,432,210,422,423; 433,432,210,422,431,421,423)를 구비할 수 있다.
외부조건을 판단하기 위한 외부조건판단부가 구비되고, 상기 외부조건판단부에서의 판단 결과에 따라 상기 열원측열매체가 태양전지순환경로(433,431,421,424,423; 433,435,431,421,423)와 지열순환경로(433,432,210,422,423; 433,432,210,422,425,423)와 복합순환경로(433,431,421,434,432,210,422,423; 433,432,210,422,431,421,423) 중 어느 하나를 순환하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 열원측 열교환기(300a)에 연결되어 상기 열원측열매체가 유입되는 히트펌프유입관(423), 상기 열원측 열교환기(300a)로부터 상기 열원측열매체가 유출되는 히트펌프유출관(433), 상기 히트펌프유출관(433)에서 분기되어 상기 태양전지모듈(100)측으로 연결된 태양전지유입관(431), 상기 태양전지모듈(100)로 유입된 상기 열원측열매체가 유출되어 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 태양전지유출관(421), 상기 히트펌프유출관(433)에서 상기 지열교환부(200)측으로 연결되는 지열유입관(432), 상기 지열교환부(200)에서 유출된 상기 열원측열매체가 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 지열유출관(422), 상기 태양전지유출관(421)을 통해 유출된 상기 열원측열매체가 상기 지열유입관(432)를 통해 상기 지열교환부(200)로 유입되도록 하는 제1연결관(434)을 포함하고; 상기 히트펌프유출관(433)과 태양전지유입관(431) 및 지열유입관(432)이 만나는 지점에 설치된 제1유로전환부(451)와, 상기 태양전지유출관(421)과 제1연결관(434)이 만나는 지점에 설치된 제3유로전환부(453)를 구비한 것으로 이루어질 수 있다.
상기 태양전지유출관(421)과 히트펌프유입관(423) 사이에는 제2연결관(424)이 구비되고, 상기 지열유출관(422)과 제2연결관(424) 및 히트펌프유입관(423)이 만나는 지점에는 제2유로전환부(452)가 더 구비될 수 있다.
상기 열원측 열교환기(300a)에 연결되어 상기 열원측열매체가 유입되는 히트펌프유입관(423), 상기 열원측 열교환기(300a)로부터 상기 열원측열매체가 유출되는 히트펌프유출관(433), 상기 히트펌프유출관(433)에서 분기되어 상기 태양전지모듈(100)측으로 연결된 태양전지유입관(431), 상기 태양전지모듈(100)로 유입된 상기 열원측열매체가 유출되어 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 태양전지유출관(421), 상기 히트펌프유출관(433)에서 상기 지열교환부(200)측으로 연결되는 지열유입관(432), 상기 지열교환부(200)에서 유출된 상기 열원측열매체가 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 지열유출관(422), 상기 지열유출관(422)과 태양전지유출관(421) 및 히트펌프유입관(423) 사이를 연결하는 제3연결관(425), 상기 히트펌프유출관(433)과 태양전지유입관(431) 사이를 연결하는 제4연결관(435)을 포함하고; 상기 히트펌프유출관(433)과 제4연결관(435) 및 지열유입관(432)이 만나는 지점에 설치된 제4유로전환부(454)와, 상기 태양전지유출관(421)과 히트펌프유입관(423) 및 제3연결관(425)이 만나는 지점에 설치된 제5유로전환부(455)와, 상기 제3연결관(425)과 태양전지유입관(431)과 지열유출관(422) 및 제4연결관(435)이 만나는 지점에 설치된 제6유로전환부(456)를 구비할 수 있다.
상기 외부조건으로는 외기온도, 시간 및 일사량 중 하나 이상이 되고, 상기 외기온도가 설정온도 이하인 동시에 상기 일사량이 설정량 이하인 경우에는 열원측열매체가 상기 복합순환경로(433,431,421,434,432,210,422,423; 433,432,210,422,431,421,423)를 순환함으로써 태양열과 지열을 모두 흡수하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 태양전지모듈(100)에서 가열된 열원측열매체의 열을 축열하는 축열조(500)가 구비되고, 온수사용시 상기 축열조(500)의 열을 이용하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 태양전지모듈(100)에서 생산된 전기를 이용하여 상기 히트펌프모듈(300)을 구동하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 태양전지모듈(100)은, 태양전지를 포함하는 광전지층(52), 상기 광전지층(52)과 이격된 상태에서 대면하는 절연층(53), 상기 광전지층(52)과 상기 절연층(53) 사이의 영역을 두 개 이상의 냉각배관으로 구분하기 위한 격벽 부재(54)를 구비하되; 상기 격벽 부재(54)는, 상기 광전지층(52)의 하부면과 맞닿는 마루(54a)와, 상기 절연층(53)의 상부면과 맞닿는 골(54b)을 포함하도록 굴곡진 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 격벽 부재(54)에 의해서 규정되는 복수 개의 냉각배관은 열매체로서 공기가 흐르는 냉각배관과 액체가 흐르는 냉각배관이 교번적으로 형성될 수 있다.
건물의 외벽(40)으로부터 일정간격 이격되도록 설치되는 집열판(20); 상기 집열판(20)의 일측에 설치되고, 내부에는 태양열에 의해 가열되는 열원측열매체가 흐르고, 태양광에 의해 전기를 생산하는 태양전지모듈(100): 상기 외벽(40)과 상기 집열판(20) 사이의 이격공간의 공기를 상기 실내로 유입하기 위한 것으로 상기 외벽(40)의 상단에 형성되는 유입구(41); 상기 유입구(41)에 설치되고 상기 태양전지모듈(100)에 연결되는 송풍팬(42); 상기 열원측열매체에 의해 지열을 흡수하는 지열교환부(200); 상기 열원측열매체와 열교환이 이루어지는 열원측 열교환기(300a)와 제2열매체와 열교환이 이루어지는 부하측 열교환기(300b)를 구비한 히트펌프(300); 상기 열원측 열교환기(300a)에서 열교환이 이루어져 온도가 하락한 상기 열원측열매체가 상기 태양전지모듈(100) 또는 지열교환부(200)를 선택적으로 경유하도록 보내거나, 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 모두 경유하도록 보내는 제어부: 상기 태양전지모듈(100)과 지열교환부(200) 및 히트펌프(300) 사이를 연결하여 상기 열원측열매체가 유동할 수 있도록 하는 다수의 배관을 포함할 있다.
상기 태양전지모듈(100)은 광전지층(52)과 절연층(53) 사이에 개재되며, 마루와 골을 갖도록 굴곡진 형상의 격벽 부재(54)에 의해서 두 개 이상의 냉각배관으로 구분될 수 있다.
상기 태양전지모듈(100)은 광전지층(52)과 절연층(53) 사이에 개재되며, 단면이 사각형으로서 소정의 폭을 갖는 상단부(54-1a)와 하단부(54-1b)로 이루어진 격벽 부재(54-1)에 의해서 두 개 이상의 냉각배관으로 구분될 수 있다.
상기 태양전지모듈(100)은 광전지층(52)과 절연층(53) 사이에 개재되며, 단면이 삼각형으로서 상부꼭지점(54-2a)와 하부꼭지점(54-2b)으로 이루어진 격벽 부재(54-2)에 의해서 두 개 이상의 냉각배관으로 구분될 수 있다.
상기 격벽 부재(54,54-1,54-2)에 의해 규정되는 복수 개의 냉각 배관은 액체 열매체가 통과하는 냉각배관과 기체 열매체가 통과하는 냉각배관이 교번적으로 형성될 수 있다.
상기 집열판(20)과 상기 태양전지모듈(100)은 일체화되는 것일 수 있다.
상기 광전지층(52)에는 액체 열매체가 통과하는 냉각배관과 기체 열매체가 통과하는 냉각배관이 교대로 접촉하도록 구비될 수 있다.
상기 집열판(20)은 외부의 공기를 상기 이격공간으로 유입하기 위한 통공을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 태양광과 태양열 및 지열을 융합한 구조를 구현함으로써 전기와 열을 생산할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있고, 열매체가 태양열과 지열을 모두 흡수한 후 지열 히트 펌프로 유입되도록 함으로써 열효율을 향상시킴과 아울러 히트 펌프의 압축기 부하를 경감시킬 수 있으며, 열매체를 공기를 사용함으로써 낮은 비용으로 시스템을 구현할 수 있다.
또한 간단한 구조를 이용하여 두 가지 이상의 서로 다른 열매체를 이용할 수 있는 냉각배관을 형성할 수 있어 광전지층의 열을 효율적으로 냉각시켜 광전지의 효율을 높일 수 있다.
또한 이러한 태양전지 모듈을 이용하여 추가적인 전원공급이 없이도 구동이 가능한 외기 난방시스템을 제공할 수 있으며, 건물 외벽에 설치되는 외장재를 대체할 수 있으며, 집열판과 태양전지모듈을 하나로 구현하여 건축비용을 절감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 열-전기 복합 생산 시스템을 보여주는 구성도,
도 2는 본 발명의 히트 펌프를 보여주는 구성도,
도 3은 본 발명의 제1실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 태양전지모듈과 지열교환부를 순차 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 제1실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 태양전지모듈만 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 제1실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 지열교환부만 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 열-전기 복합 생산 시스템을 보여주는 구성도,
도 7은 본 발명의 제2실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 태양전지모듈과 지열교환부를 순차 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면,
도 8은 본 발명의 제2실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 태양전지모듈만 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면,
도 9는 본 발명의 제2실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 지열교환부만 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면,
도 10은 본 발명의 태양전지모듈이 건물 외벽에 적용된 열-전기 복합 생산 시스템을 보여주는 사시도,
도 11은 도 10에 도시된 집열판의 단면도,
도 12는 도 10에 도시된 열-전기 복합 생산 시스템의 단면도,
도 13은 본 발명에 의한 태양전지모듈의 사시도,
도 14는 본 발명에 의한 태양전지모듈의 단면도,
도 15는 태양전지모듈의 다른 실시 예를 나타내는 단면도,
도 16은 태양전지모듈의 다른 실시 예를 나타내는 단면도,
도 17은 태양전지모듈의 다른 실시 예를 나타내는 단면도,
도 18 내지 도 20은 각각 다른 실시예에 의한 열-전기 복합 생산 시스템을 보여주는 도면,
도 21 내지 도 23은 열-전기 복합 생산 시스템의 실시에 따른 동작 상태도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 열-전기 복합 생산 시스템을 보여주는 구성도, 도 2는 본 발명의 히트 펌프를 보여주는 구성도이다.
본 발명의 열-전기 복합 생산 시스템은, 태양열에 의해 열을 생산함과 아울러 태양광에 의해 전기를 생산하는 태양전지모듈(100), 지열을 흡수하는 지열교환부(200), 상기 태양전지모듈(100)과 지열교환부(200)에서 흡수한 열을 부하측에 전달하는 히트펌프(300), 상기 태양전지모듈(100)과 지열교환부(200) 및 히트펌프(300)를 상호 연결하며 열매체가 흐르는 다수의 배관(421,422,423,424,431,432,433,434)을 포함하여 이루어진다.
상기 태양전지모듈(100)은, 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 태양광전지(Solar Cell)을 포함하고, 태양열을 이용하여 열원측열매체를 가열하여 열을 생산함으로써 열과 전기를 동시에 생산할 수 있는 것이다.
상기 태양전지모듈(100)의 솔라셀(Solar Cell)에서 생산된 직류전기는 인버터(410)를 거쳐 교류전기로 전환된 후 전력사업자에게 송전하여 판매할 수도 있고, 히트펌프(300)의 구동에 필요한 전기원으로 사용되기도 한다.
상기 태양전지모듈(100)에서 태양열을 흡수한 열원측열매체는 상기 히트펌프(300)로 보내져 상기 히트펌프(300)에 구비된 열원측 열교환기(300a)와 열교환을 통해 부하측에 열에너지를 공급할 수 있게 된다.
상기 지열교환부(200)는 지중에 매설되어 열원측열매체의 유통경로가 되는 'U'자 형태의 파이프로 이루어진 지열교환기(210) 내부를 상기 열원측열매체가 순환하면서 지열을 흡수하고, 이렇게 흡수한 지열을 상기 히트펌프(300)로 보내져 상기 히트펌프(300)의 열원측 열교환기(300a)와 열교환을 통해 부하측에 열에너지를 공급할 수 있게 된다.
상기 히트펌프(300)는 도 2에 도시된 바와 같이, 열원측 열교환기(300a)와 부하측 열교환기(300b)와 사방변 밸브(300c)와 압축기(300d)와 팽창밸브(300e) 및 이들 사이를 연결하는 연결관으로 구성되어 이들 내부를 냉매가 순환하면서 열원측인 태양전지모듈(100)과 지열교환부(200)에서 생성된 열을 부하측에 공급하도록 되어 있다. 이러한 히프펌프(300)는 열원측 열교환기(300a)와 부하측 열교환기(300b)와 사방변 밸브(300c)와 압축기(300d)와 팽창밸브(300e)로 이루어진 싸이클을 반복순환하면서 열원측열매체의 열을 회수하여 부하측열매체에 회수한 열을 전달하게 된다. 이 경우 상기 사방변밸브(12)는 냉방과 난방시 냉매의 흐름 방향을 전환시키도록 되어 있다.
상기 압축기(300d)는 부하율에 따라 회전수가 가변되는 것으로서, 상기 열원측 열교환기(300a)에서 냉매와 열원측열매체 사이의 온도 차가 큰 상태에서 열교환이 일어나면 부하 측에서 요구하는 열량에 대응이 충분하므로 상기 압축기(300d)에 작용하는 부하는 줄어들게 되고, 상기 열원측 열교환기(300a)에서 냉매와 열원측열매체 사이의 온도 차가 작은 상태에서 열교환이 일어나면 부하 측에서 요구하는 열량에 대응이 충분하지 못하므로 상기 압축기(300d)에 작용하는 부하가 커지게 된다.
이에 본 발명은 열원측열매체가 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 모두 경유하도록 하였고, 그로 인해 열원측열매체가 고온이 된 상태에서 열원측 열교환기(300a)로 유입됨으로써 압축기(300d)의 부하를 저감시켜 주게 된다. 즉, 상기 열원측열매체는 태양전지모듈(100) 또는 지열교환부(200)를 선택적으로 경유하도록 할 수도 있지만, 외부 환경(외기 온도, 일사량 등)이 태양전지모듈(100) 또는 지열교환부(200) 중 어느 하나만으로는 충분한 열을 생성할 수 없는 경우 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 모두 경유하도록 함으로써 압축기(300d)의 부하를 저감시키고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 열원측 열교환기(300a)에도 다수의 배관 및 순환펌프(461)가 구비되어 있어 열원에서 생성된 열을 히트펌프(300)의 냉매에 전달하고, 부하측 열교환기(300b)에는 상기 히트펌프(300)의 냉매로부터 전달받은 열을 부하측에 전달하기 위한 부하측열매체가 흐르는 배관(460) 및 순환펌프(462)가 구비되어 있다.
상기 열원측열매체는 물 또는 공기를 사용할 수 있으나, 열매체로서 물을 사용하는 경우에는 상기 열매체를 순환시키기 위해 많은 비용이 소요되나, 본 발명에서는 공기를 사용함으로써 저비용으로 열매체를 순환시킬 수 있다.
이하 제1실시예에 의한 시스템에서 상기 열원측열매체가 순환하는 경로에 대해 설명한다.
상기 열원측열매체가 순환하는 경로로는, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 태양전지모듈(100) 사이를 순환하는 태양전지순환경로(433,431,421,424,423)와, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 지열교환부(200) 사이를 순환하는 지열순환경로(433,432,422,423)와, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 순환하도록 하는 복합순환경로(433,431,421,434,432,210,422,423)로 이루어진다.
상기 태양전지순환경로(433,431,421,424,423)와 지열순환경로(433,432,422,423)와 복합순환경로(433,431,421,434,432,422,423)를 구성하기 위한 배관 구성은, 열원측 열교환기(300a)에 연결되어 상기 열원측열매체가 유입되는 히트펌프유입관(423), 상기 히트펌프유입관(423)으로부터 유입된 상기 열원측열매체가 상기 열원측 열교환기(300a)를 거치면서 열교환이 이루어진 후 상기 열원측열매체가 유출되는 히트펌프유출관(433), 상기 히트펌프유출관(433)에서 분기되어 상기 태양전지모듈(100)측으로 연결된 태양전지유입관(431)과 상기 지열교환부(200)측으로 연결되는 지열유입관(432), 상기 태양전지모듈(100)로 유입된 상기 열원측열매체가 유출되어 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 태양전지유출관(421), 상기 지열교환부(200)에서 유출된 상기 열원측열매체가 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 지열유출관(422), 상기 태양전지유출관(421)을 통해 유출된 상기 열원측열매체가 상기 지열유입관(432)를 통해 상기 지열교환부(200)로 유입되도록 하는 제1연결관(434), 상기 태양전지유출관(421)과 지열유출관(422) 사이를 연결하는 제2연결관(424)으로 이루어진다.
상기 제1연결관(434)은, 열원측열매체가 태양전지모듈(100)을 거치면서 열을 전달받은 후 지열교환부(200)로 유입되도록 하기 위한 배관으로서, 상기 태양전지유출관(421)과 지열유입관(432) 사이를 연결하고 있다.
이 경우 상기 열원측열매체의 유로 방향을 전환하기 위한 밸브로서, 상기 히트펌프유출관(433)과 태양전지유입관(431) 및 지열유입관(432)이 만나는 지점에 설치된 제1유로전환부(451)와, 상기 지열유출관(422)과 제2연결관(424) 및 히트펌프유입관(423)이 만나는 지점에는 제2유로전환부(452)와, 상기 태양전지유출관(421)과 제1연결관(434) 및 제2연결관(424)이 만나는 지점에 설치된 제3유로전환부(453)가 구비되어 있다.
한편, 본 발명의 경우 상기 열원측열매체의 순환 경로를 결정하기 위한 외부조건을 판단하기 위한 외부조건판단부가 제어부에 구비된다. 여기서 외부조건이란 외기온도, 시간 및 일사량 중 하나 이상이 될 수 있다. 즉, 외부조건을 판단하여 난방과 냉방 중 어느 하나를 선택하고, 난방을 하는 경우에도 태양열만 이용할 것인지, 지열만 이용할 것인지, 태양열과 지열을 동시에 이용할 것인지 상기 외부조건을 판단하여 결정한다.
따라서 상기 외부조건판단부에서의 판단 결과에 따라 상기 열원측열매체가 태양전지순환경로(433,431,421,424,423)와 지열순환경로(433,432,422,423)와 복합순환경로(433,431,421,434,432,422,423) 중 어느 하나를 순환하게 된다.
도 3은 본 발명의 제1실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 태양전지모듈과 지열교환부를 순차 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면으로서, 도 3을 참조하여 열원측열매체의 유동경로에 대해 설명한다.
도 3은 태양열과 지열을 동시에 이용하는 경우에 대한 것으로, 겨울철에 난방을 하는 경우 햇빛이 있는 낮에는 태양열만을 이용하여 난방을 할 수도 있지만, 날씨가 흐린 경우에는 태양열 난방을 하기에 충분하지 않은 경우도 있으므로, 이 경우에는 태양열과 지열을 동시에 이용하는 것이 바람직하다.
따라서 외기온도가 설정온도 이하여서 겨울철이라는 판단조건과 함께 일사량이 설정량 이하로 감지되어 날씨가 흐리다고 판단되면 열원측열매체가 상기 복합순환경로(433,431,421,434,432,422,423)를 순환함으로써 태양열과 지열을 모두 흡수하도록 하였다.
즉, 히트펌프(300)로부터 유출된 열원측열매체는 히트펌프유출관(433)과 태양전지유입관(431)을 거쳐 태양전지모듈(100)로 유입되고, 상기 태양전지모듈(100)에서 태양열에 의해 가열된 열원측열매체는 태양전지유출관(421)과 제1연결관(434)을 거쳐 지열유입관(432)을 통해 지열교환부(200)로 유입되고, 상기 지열교환부(200)에서 지열에 의해 재차 가열된 열원측열매체는 지열유출관(422)과 히트펌프유입관(423)을 경유하여 히트펌프(300)의 열원측 열교환기(300a)로 유입되어 열을 부하측으로 전달하게 된다.
이 경우 제1유로전환부(451)와 제2유로전환부(452) 및 제3유로전환부(453)는 열원측열매체의 유동 경로가 상기한 바와 같은 경로로 유동하도록 유로 방향이 설정된다.
이와 같이 열원측열매체가 복합순환경로(433,431,421,434,432,422,423)를 순환한 후 열원측열매체의 온도가 보다 높은 상태에서 히트펌프(300)의 열원측 열교환기(300a)로 유입되므로 압축기(300d)에 작용하는 부하는 줄어들게 되고, 열에너지 생산 효율은 더 높아지게 된다.
도 4는 본 발명의 제1실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 태양전지모듈만 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면으로서, 겨울철 난방을 위해 태양전지모듈에서의 태양열만 이용하는 경우를 나타내고 있다.
이 경우 열원측열매체는 상기 태양전지순환경로(433,431,421,424,423)를 유동하게 되는데, 히트펌프(300)에서 히트펌프유출관(433)을 통해 유출된 열원측열매체는 태양전지유입관(431)을 거친 후 태양전지모듈(100)로 유입되고, 상기 태양전지모듈(100)에서 태양열에 의해 가열된 열원측열매체는 태양전지유출관(421)과 제1연결관(434) 및 히트펌프유입관(423)을 경유하여 히트펌프(300)의 열원측 열교환기(300a)로 유입되어 열을 부하측으로 전달하게 된다.
이 경우 제1유로전환부(451)와 제2유로전환부(452) 및 제3유로전환부(453)는 열원측열매체의 유동 경로가 상기한 바와 같은 경로로 유동하도록 유로 방향이 설정된다.
도 5는 본 발명의 제1실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 지열교환부만 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면으로서, 겨울철 밤에 난방을 하는 경우와 여름철 낮에 외기보다 온도가 낮은 지열을 이용하여 냉방을 하는 경우 지열교환부에서 지열만 이용하는 경우를 나타내고 있다.
이 경우 열원측열매체는 상기 지열순환경로(433,432,422,423)를 유동하게 되는데, 히트펌프(300)에서 히트펌프유출관(433)을 통해 유출된 열원측열매체는 지열유입관(432)을 통해 지열교환부(200)로 유입되고, 상기 지열교환부(200)에서 지열에 의해 가열되거나 냉각된 열원측열매체는 지열유출관(422)과 히트펌프유입관(423)을 경유하여 히트펌프(300)의 열원측 열교환기(300a)로 유입되어 열을 부하측으로 전달하게 된다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 열-전기 복합 생산 시스템을 보여주는 구성도이다.
제2실시예에 의한 열-전기 복합 생산 시스템은, 열원측 열교환기(300a)에 연결되어 열원측열매체가 유입되는 히트펌프유입관(423), 상기 열원측 열교환기(300a)로부터 상기 열원측열매체가 유출되는 히트펌프유출관(433), 상기 히트펌프유출관(433)에서 분기되어 상기 태양전지모듈(100)측으로 연결된 태양전지유입관(431), 상기 태양전지모듈(100)로 유입된 상기 열원측열매체가 유출되어 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 태양전지유출관(421), 상기 히트펌프유출관(433)에서 상기 지열교환부(200)측으로 분기되어 상기 히트펌프유출관(433)에서 유출된 열원측열매체가 유입되는 지열유입관(432), 상기 지열교환부(200)에서 유출된 상기 열원측열매체가 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 지열유출관(422), 상기 지열유출관(422)과 태양전지유출관(421) 및 히트펌프유입관(423) 사이를 연결하는 제3연결관(425), 상기 히트펌프유출관(433)과 태양전지유입관(431) 사이를 연결하는 제4연결관(435)이 구비된다.
상기 히트펌프유출관(433)과 제4연결관(435) 및 지열유입관(432)이 만나는 지점에는 제4유로전환부(454)가 구비되어, 상기 히트펌프(300)로부터 히트펌프유출관(433)을 통해 유출되는 열원측열매체가 지열유입관(432)과 제4연결관(435) 중 어느 하나의 방향으로 유동하도록 유로 방향이 설정된다.
또한 상기 태양전지유출관(421)과 히트펌프유입관(423) 및 제3연결관(425)이 만나는 지점에는 제5유로전환부(455)가 구비되어, 상기 태양전지유출관(421)로부터 공급되어 온 열원측열매체를 상기 히트펌프유입관(423)으로 유입되도록 하거나, 상기 제3연결관(425)을 통해 공급되어 온 열원측열매체를 상기 히트펌프유입관(423)으로 유입되도록 유로 방향이 설정된다.
또한 상기 제3연결관(425)과 태양전지유입관(431)과 지열유출관(422) 및 제4연결관(435)이 만나는 지점에는 제6유로전환부(456)가 구비되어, 상기 제4연결관(435) 또는 지열유출관(422)으로부터 공급되어 온 열원측열매체를 태양전지유입관(431)으로 유동시키거나, 상기 지열유출관(422)으로부터 공급되어 온 열원측열매체를 상기 제3연결관(425)으로 유동시키도록 유로 방향이 설정된다.
한편, 태양전지모듈(100)에는 축열조(500)가 연결될 수 있다. 상기 태양전지모듈(100)에서는 상기한 제1열매체 외에 제2열매체가 흐르는 유로가 형성될 수 있고, 상기 태양전지모듈(100)에서 가열된 상기 제2열매체가 축열조유입관(441)을 통해 축열조(500)로 유입되고, 상기 축열조(500)에서 열교환에 의해 냉각된 제2열매체는 축열조유출관(442)을 통해 태양전지모듈(100)로 공급되도록 구성할 수 있다. 상기 축열조(500)에 축열된 열은 온수 등으로 이용할 수 있다.
이하 제2실시예에 의한 시스템에서 상기 열원측열매체가 순환하는 경로에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 지열교환부와 태양전지모듈을 순차 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면으로서, 도 7을 참조하여 열원측열매체의 유동경로에 대해 설명한다.
도 7은 태양열과 지열을 동시에 이용하는 경우에 대한 것으로, 외기온도가 설정온도 이하여서 겨울철이라는 판단조건과 함께 일사량이 설정량 이하로 감지되어 날씨가 흐리다고 판단되면 열원측열매체가 복합순환경로(433,432,210,422,431,421,423)를 순환함으로써 태양열과 지열을 모두 흡수하도록 하였다.
즉, 히트펌프(300)로부터 유출된 열원측열매체는 히트펌프유출관(433)과 지열유입관(432)를 거쳐 지열교환부(200)로 유입되고, 상기 지열교환부(200)에서 지열에 의해 가열된 열원측열매체는 지열유출관(422)과 태양전지유입관(431)을 거쳐 태양전지모듈(100)로 유입되고, 상기 태양전지모듈(100)에서 태양열에 의해 가열된 열원측열매체는 태양전지유출관(421)과 히트펌프유입관(423)을 경유하여 히트펌프(300)의 열원측 열교환기(300a)로 유입되어 열을 부하측으로 전달하게 된다.
이 경우 제4유로전환부(454)와 제5유로전환부(455) 및 제6유로전환부(456)는 열원측열매체의 유동 경로가 상기한 바와 같은 경로로 유동하도록 유로 방향이 설정된다.
이와 같이 열원측열매체가 복합순환경로(433,432,210,422,431,421,423)를 순환한 후 열원측열매체의 온도가 보다 높은 상태에서 히트펌프(300)의 열원측 열교환기(300a)로 유입되므로 압축기(300d)에 작용하는 부하는 줄어들게 되고, 열에너지 생산 효율은 더 높아지게 된다.
도 8은 본 발명의 제2실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 태양전지모듈만 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면으로서, 겨울철 난방을 위해 태양전지모듈에서의 태양열만 이용하는 경우를 나타내고 있다.
이 경우 열원측열매체는 상기 태양전지순환경로(433,435,431,421,423)를 유동하게 되는데, 히트펌프(300)에서 히트펌프유출관(433)을 통해 유출된 열원측열매체는 제4연결관(435)과 태양전지유입관(431)을 거친 후 태양전지모듈(100)로 유입되고, 상기 태양전지모듈(100)에서 태양열에 의해 가열된 열원측열매체는 태양전지유출관(421)과 히트펌프유입관(423)을 경유하여 히트펌프(300)의 열원측 열교환기(300a)로 유입되어 열을 부하측으로 전달하게 된다.
이 경우 제4유로전환부(454)와 제5유로전환부(455) 및 제6유로전환부(456)는 열원측열매체의 유동 경로가 상기한 바와 같은 경로로 유동하도록 유로 방향이 설정된다.
도 9는 본 발명의 제2실시예의 열-전기 복합 생산 시스템에서 열매체가 지열교환부만 거친 후 히트펌프로 유동하는 경로를 보여주는 도면으로서, 겨울철 밤에 난방을 하는 경우와 여름철 낮에 외기보다 온도가 낮은 지열을 이용하여 냉방을 하는 경우 지열교환부에서 지열만 이용하는 경우를 나타내고 있다.
이 경우 열원측열매체는 상기 지열순환경로(433,432,210,422,425,423)를 유동하게 되는데, 히트펌프(300)에서 히트펌프유출관(433)을 통해 유출된 열원측열매체는 지열유입관(432)을 통해 지열교환부(200)로 유입되고, 상기 지열교환부(200)에서 지열에 의해 가열되거나 냉각된 열원측열매체는 지열유출관(422)과 제3연결관(425) 및 히트펌프유입관(423)을 경유하여 히트펌프(300)의 열원측 열교환기(300a)로 유입되어 열을 부하측으로 전달하게 된다.
도 10은 본 발명의 태양전지모듈이 건물 외벽에 적용된 열-전기 복합 생산 시스템을 보여주는 사시도, 도 11은 도 10에 도시된 집열판의 단면도, 도 12는 도 10에 도시된 난방시스템의 측단면도이다.
도 10 및 도 12를 참조하면, 외벽(40)의 외측에서 이격되어 합착되는 집열판(20) 및 집열판(20)에 결합되는 태양전지모듈(100)을 구비한다. 집열판(20)은 태양열에 의해서 가열되어 이격공간(30) 내부의 온도를 상승시키기 위한 것으로, 열을 발생시키는 효율이 좋은 재질을 이용하여 형성한다. 이격공간(30)은 집열판(20)이 외벽(40)으로부터 이격되어 형성되는 공간으로서, 집열판(20)에 의해서 공기가 가열되는 공간이다.
이러한 집열판(20)은 응력을 높이기 위해서 도 11에서와 같이 굴곡진 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이처럼 굴곡진 형태는 단일 프레임을 굽혀서 형성하거나, 복수 개의 프레임을 서로 굴곡진 형태로 결합하는 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 집열판(20)에는 외부의 공기를 이격공간(30)으로 유입하기 위한 다수의 통공(21)이 형성된다. 그리고, 집열판(20)은 이격공간(30)의 형성을 위해서 보조프레임(미도시)을 이용하여 외벽(40)과 연결될 수 있다.
유입구(41)는 건물의 외벽(40)을 통해서 실내와 이격공간(30)을 연결하고, 송풍팬(42)은 이격공간(30)의 공기가 실내(45)로 유입되도록 유도한다.
이와 같이 구조에서 태양열에 의해서 집열판(20)이 가열되면, 이격공간(30)의 공기의 온도가 상승하고, 고온으로 상승된 공기는 상층부의 유입구(41)를 통해서 실내(45)로 유입된다. 이때, 유입구(41)의 송풍팬(42)은 이격공간(30)의 공기를 실내(45)로 유입하는 것을 보조한다. 그리고 이격공간(30)으로는 통공(21)을 통해서 외부로부터의 공기가 유입된다.
그리고 배출구(31)는 이격공간(30)의 상부에 형성되어서, 이격공간(30) 내의 가열된 공기를 외부로 배출하기 위한 것이다. 즉, 배출구(31)는 이격공간(30)의 공기가 과하게 상승하여 실내(45)와의 온도 차이에 의해 에너지 손실이 발생하는 것을 개선하기 위한 것이다.
배출팬(32)은 이격공간(30)에서 외부로 고온의 공기를 배출하는 과정이 선택적으로 수행되도록 제어한다. 즉, 배출팬(32)은 이격공간(30) 내에서 가열된 공기가 실내(45)로 유입되지 않고 외부로 배출됨으로써 열효율이 저하되는 것을 방지하기 위해서, 이격공간(30)의 공기가 필요이상으로 고온시에만 배출구(31)를 통해서 배출되도록 한다.
태양전지모듈(100)은 태양 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 태양광 전지(Solar Cell)을 포함하는 것으로, 집열판(20)의 외측에 결합된다. 특히 태양광 모듈(100)은 생산된 전기를 송풍팬(42)에 공급한다. 또한, 태양광 모듈(100)은 광전지층에서 발생하는 열을 냉각시키며, 냉각과정에서 가열되는 열매체를 열교환기로 전송하여 에너지원으로 이용한다.
도 13 및 도 14는 각각 이러한 태양전지모듈(100)의 실시 예를 나타내는 사시도 및 단면도, 도 15는 태양전지모듈(100)의 다른 실시 예를 나타내는 단면도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명에 의한 태양전지모듈(100)은 광전지층(52), 열전도층(53) 및 절연층(55)이 하우징(56)에 탑재되어 형성되는데, 상기 광전지층(52)은 복수 개의 태양 전지(Solar Cell)가 형성되는 영역으로, 조사되는 광을 이용하여 전기를 생성한다.
커버 글라스(cover glass)(51)는 광전지층(52)의 전면에 형성되어서, 광전지층(52)을 물리적으로 보호하며 집광효율을 높인다. 열전도층(53)은 광전지층(52)에서 발생하는 열을 냉각배관(L,A)으로 확산하기 위한 것으로, 열전도율이 높은 물질을 이용하여 형성한다.
냉각배관(L,A)은 열매체를 이용하여 광전지층(52)에서 발생하는 열을 냉각시킨다. 이때, 가열된 열매체는 축열조유입관(441)을 통해 축열조(500)로 공급되어 온수에 이용되거나, 태양전지유출관(421)을 통해 히트펌프(300)로 공급되어 난방에 이용될 수 있다. 상기 열매체는 액체 열매체와 기체 열매체가 이용될 수 있고, 냉각배관(L,A)은 격벽 부재(54)에 의해서 각각의 열매체의 경로가 구분된다.
격벽 부재(54)는 광전지층(52)의 하부면과 맞닿는 마루(54a)와, 절연층(55)의 상부면과 맞닿는 골(54b)을 포함하도록 굴곡진 형태를 갖는다. 이에 따라서, 열매체의 경로를 위한 냉각배관(L,A)은 격벽 부재(54)의 마루(54a)와 골(54b)의 길이방향을 따라서 형성된다.
그리고 마루(54a)와 골(54b)은 복수 개로 형성됨에 따라서, 격벽 부재(54)에 의해 규정되는 냉각배관(L,A)은 복수 개가 형성된다. 이때 복수 개의 냉각배관(L,A)은 액체 열매체가 통과하는 냉각배관(L)과 기체 열매체가 통과하는 냉각배관(A)으로 이용될 수 있다. 일례로, 일면이 광전지층(52)과 맞닿는 냉각배관(L)은 액체 열매체가 통과하는 것으로 이용하고, 일면이 절연층(55)과 맞닿는 냉각배관(A)은 기체 열매체가 통과하는 것으로 이용할 수 있다. 이 경우 상기 제1열매체는 기체(공기) 열매체로 구성될 수 있고, 제2열매체는 액체 열매체로 구성될 수 있다.
또한 도 15에 나타난 바와 같이, 광전지층(52)과 맞닿는 냉각배관(L,A)은 액체 열매체가 통과하는 냉각배관(L)과 기체 열매체가 통과하는 냉각배관(A)이 교대로 배치되도록 구성할 수도 있다.
이와 같이 격벽 부재(54)는 서로 다른 열매체가 각각 독립된 유로를 형성할 수 있도록 하나의 기판을 굴곡지도록 형성됨으로써 제작이 간단하여 시공이 용이하다. 특히, 격벽 부재(54)에 의해서 형성되는 복수 개의 냉각배관(L,A)을 서로 다른 열매체를 이용할 수 있기 때문에 열전달효율을 높일 수 있다.
도 16과 도 17은 태양전지모듈의 다른 실시 예를 나타내는 단면도로서, 도 16에 도시된 바와 같이 격벽 부재(54)의 단면이 사각형이 되도록 절곡 형성할 수 있고, 도 17에 도시된 바와 같이 격벽 부재(54)의 단면이 톱니 모양이 되도록 절곡 형성할 수도 있다. 이와 같은 형상으로 하게 되면 도 14와 도 15에 도시된 실시예에 비하여 제작이 용이해진다.
도 18 및 도 19는 각각 태양전지모듈(100)이 합착되는 다른 실시 예들을 나타내는 도면들이다.
도 18에서와 같이, 태양전지모듈(100)은 집열판(20)과 일정 간격 떨어져서 결합되어서, 집열판(20)의 열에 의해서 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 태양전지모듈(100)은 도 19에서와 같이, 집열판(20)에 형성되는 개구부 사이에 장착되는 방법으로 형성될 수도 있다.
도 20은 제어장치(60)가 추가된 열-전기 복합 생산 시스템(10)을 나타내는 도면이다. 제어장치(60)는 태양전지모듈(100)의 후면에 설치되고, 실내(45)와 이격공간(30)에 배치되는 제 1 및 제 2 온도센서(61,62)와 연결된다. 그리고 제 1 및 제 2 온도센서(61,61)에서 검출되는 온도에 따라서 송풍팬(42) 및 배출팬(32)을 선택적으로 구동시키도록 제어한다.
도 21은 본 발명에 의한 송풍팬(42)과 연결된 제어장치(60)의 동작 상태를 나타내는 도면이다.
도 21을 참조하면, 제어장치(60)는 송풍팬(42)의 제어를 위한 제 1 제어스위치(60a)를 포함하며, 제 1 및 제 2 온도센서(61,62)와 연결된다. 제 1 제어스위치(60a)는 메인스위치(63) 및 송풍팬(42) 사이에 연결되어, 제어장치(60)의 제어에 의해서 턴-온(turn on) 또는 턴-오프(turn off)된다. 그리고, 메인스위치(63)는 태양전지모듈(100)의 동작을 제어하기 위한 것으로 수동으로 조작된다.
제어장치(60)는 제 1 및 제 2 온도센서(61,62)에서 감지되는 온도에 따라서 송풍팬(42)의 구동을 위한 제 1 제어스위치(60a)의 스위칭 동작을 제어한다. 일례로, 제어장치(60)는 제 2 온도센서(62)에 의해 감지된 이격공간(30)의 온도가 제 1 온도센서(61)에 의해서 감지된 실내(45)의 온도보다 5℃ 이상 높고, 실내온도가 25℃ 이하일 경우에, 송풍팬(42)에 전원을 공급하여 구동시키도록 제 1 제어스위치(60a)를 턴-온(turn on)시킬 수 있다.
도 22는 송풍팬(42) 및 배출구(31)와 연결되는 제어장치(60)의 동작 상태를 나타내는 도면이다.
도 22를 참조하면, 제어장치(60)는 제 1 및 제 2 제어스위치(60a)를 포함하며, 제 1 및 제 2 온도센서(61,62)와 연결된다. 이때, 제 1 및 제 2 제어스위치(60a,60b)는 제어장치(60)의 제어명령에 따라서 각각 송풍팬(42) 및 배출팬(32)의 동작을 제어하기 위한 것이다. 일례로 제어장치(60)는 이격공간(30)에 설치된 제 2 온도센서(62)에서 검출되는 온도가 30℃ 이상일 때에, 배출팬(32)의 구동을 위해서 제 2 제어스위치(60b)를 턴-온 시킬 수 있다.
배출팬(32)의 구동은 실외인 이격공간(30)과 실내(45)와의 열교환으로 인해서 외부의 고열이 실내(45)로 전달되는 것을 방지하기 위한 것으로, 실외의 온도가 30℃ 이상으로 고온일 때에는 실내(45)는 냉방을 하고 있다고 가정한 것이다.
예컨대, 실내(45)가 냉방중일 경우에 외벽(40)과 인접하는 이격공간(30)의 온도가 고온이라면, 이격공간(30)의 고온이 실내(45)로 전도되어서 냉방중인 실내(45)의 온도를 상승시켜서 실내(45)의 에너지 효율을 저하시킬 수 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서, 제어장치(60)는 외부의 온도가 고온일 경우에는 이격공간(30)의 고온공기를 배출하여, 외벽(40)이 접하는 영역의 온도를 높게 유지하지 않도록 제어한다.
또한 본 발명의 실시 예는 도 23에서와 같이, 수동 조작에 의해서 스위칭되는 보조스위치(64)에 의해서 점등/소등되는 램프(65)가 추가될 수 있다. 이외에도, 본 발명의 실시 예는 축전기(미도시)를 더 설치하여 조사량이 높은 낮에 생성된 전기를 축전시켜 야간에 사용할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 열-전기 복합 생산시스템은 외부의 공기를 유입하는 과정에서 공기를 집열판에 의해서 일정온도 가열함으로써 실내 난방에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. 또한 공기를 유입하는 과정에 이용되는 송풍팬의 구동전원도 태양전지모듈을 이용하기 때문에 추가적인 전원의 공급이 필요치 않기 때문에, 기존의 건물에서 전원공급을 위한 설비를 설치하여야 하는 번거로움도 개선된다.
위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 다른 여러 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.
20 : 집열판 40 : 외벽
30 : 이격공간 31 : 배출구
32 : 배출팬 41 : 유입구
42 : 송풍팬 51 : 커버글라스
52 : 광전지층 53 : 열전도층
54 : 격벽 55 : 절연층
56 : 하우징 60 : 제어장치
100 : 태양전지모듈 200 : 지열교환부
210 : 지열교환기 300 : 히트펌프
300a : 열원측 열교환기 300b : 부하측 열교환기
300c : 사방변 밸브 300d : 압축기
300e : 팽창밸브 421 : 태양전지유출관
422 : 지열유출관 423 : 히트펌프유입관
424 : 제2연결관 425 : 제3연결관
431 : 태양전지유입관 432 : 지열유입관
433 : 히트펌프유출관 434 : 제1연결관
441 : 축열조유입관 442 : 축열조유출관
451 : 제1유로전환부 452 : 제2유로전환부
453 : 제3유로전환부 454 : 제4유로전환부
455 : 제5유로전환부 466 : 제6유로전환부
500 : 축열조

Claims (20)

  1. 태양열에 의해 가열되는 열원측열매체가 흐르는 유로가 형성되고, 태양광에 의해 전기를 생산하는 태양전지모듈(100):
    상기 열원측열매체에 의해 지열을 흡수하는 지열교환부(200);
    상기 열원측열매체와 열교환이 이루어지는 열원측 열교환기(300a)와 제2열매체와 열교환이 이루어지는 부하측 열교환기(300b)를 구비한 히트펌프(300);
    상기 열원측 열교환기(300a)에서 열교환이 이루어져 온도가 하락한 상기 열원측열매체가 상기 태양전지모듈(100) 또는 지열교환부(200)를 선택적으로 경유하도록 보내거나, 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 모두 경유하도록 보내는 제어부:
    상기 태양전지모듈(100)과 지열교환부(200) 및 히트펌프(300) 사이를 연결하여 상기 열원측열매체가 유동할 수 있도록 하는 다수의 배관;을 포함하되,
    상기 열원측열매체가, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 태양전지모듈(100)을 순환하도록 하는 태양전지순환경로(433,431,421,424,423; 433,435,431,421,423)와, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 지열교환부(200)를 순환하도록 하는 지열순환경로(433,432,210,422,423; 433,432,210,422,425,423)와, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 순환하도록 하는 복합순환경로(433,431,421,434,432,210,422,423; 433,432,210,422,431,421,423)를 구비하며,
    상기 열원측 열교환기(300a)에 연결되어 상기 열원측열매체가 유입되는 히트펌프유입관(423), 상기 열원측 열교환기(300a)로부터 상기 열원측열매체가 유출되는 히트펌프유출관(433), 상기 히트펌프유출관(433)에서 분기되어 상기 태양전지모듈(100)측으로 연결된 태양전지유입관(431), 상기 태양전지모듈(100)로 유입된 상기 열원측열매체가 유출되어 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 태양전지유출관(421), 상기 히트펌프유출관(433)에서 상기 지열교환부(200)측으로 연결되는 지열유입관(432), 상기 지열교환부(200)에서 유출된 상기 열원측열매체가 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 지열유출관(422), 상기 태양전지유출관(421)을 통해 유출된 상기 열원측열매체가 상기 지열유입관(432)를 통해 상기 지열교환부(200)로 유입되도록 하는 제1연결관(434)을 포함하고;
    상기 히트펌프유출관(433)과 태양전지유입관(431) 및 지열유입관(432)이 만나는 지점에 설치된 제1유로전환부(451)와, 상기 태양전지유출관(421)과 제1연결관(434)이 만나는 지점에 설치된 제3유로전환부(453)를 구비한 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  2. 태양열에 의해 가열되는 열원측열매체가 흐르는 유로가 형성되고, 태양광에 의해 전기를 생산하는 태양전지모듈(100):
    상기 열원측열매체에 의해 지열을 흡수하는 지열교환부(200);
    상기 열원측열매체와 열교환이 이루어지는 열원측 열교환기(300a)와 제2열매체와 열교환이 이루어지는 부하측 열교환기(300b)를 구비한 히트펌프(300);
    상기 열원측 열교환기(300a)에서 열교환이 이루어져 온도가 하락한 상기 열원측열매체가 상기 태양전지모듈(100) 또는 지열교환부(200)를 선택적으로 경유하도록 보내거나, 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 모두 경유하도록 보내는 제어부:
    상기 태양전지모듈(100)과 지열교환부(200) 및 히트펌프(300) 사이를 연결하여 상기 열원측열매체가 유동할 수 있도록 하는 다수의 배관;을 포함하되,
    상기 열원측열매체가, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 태양전지모듈(100)을 순환하도록 하는 태양전지순환경로(433,431,421,424,423; 433,435,431,421,423)와, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 지열교환부(200)를 순환하도록 하는 지열순환경로(433,432,210,422,423; 433,432,210,422,425,423)와, 상기 열원측 열교환기(300a)와 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 순환하도록 하는 복합순환경로(433,431,421,434,432,210,422,423; 433,432,210,422,431,421,423)를 구비하며,
    상기 열원측 열교환기(300a)에 연결되어 상기 열원측열매체가 유입되는 히트펌프유입관(423), 상기 열원측 열교환기(300a)로부터 상기 열원측열매체가 유출되는 히트펌프유출관(433), 상기 히트펌프유출관(433)에서 분기되어 상기 태양전지모듈(100)측으로 연결된 태양전지유입관(431), 상기 태양전지모듈(100)로 유입된 상기 열원측열매체가 유출되어 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 태양전지유출관(421), 상기 히트펌프유출관(433)에서 상기 지열교환부(200)측으로 연결되는 지열유입관(432), 상기 지열교환부(200)에서 유출된 상기 열원측열매체가 상기 히트펌프유입관(423)으로 유동하도록 연결되는 지열유출관(422), 상기 지열유출관(422)과 태양전지유출관(421) 및 히트펌프유입관(423) 사이를 연결하는 제3연결관(425), 상기 히트펌프유출관(433)과 태양전지유입관(431) 사이를 연결하는 제4연결관(435)을 포함하고;
    상기 히트펌프유출관(433)과 제4연결관(435) 및 지열유입관(432)이 만나는 지점에 설치된 제4유로전환부(454)와, 상기 태양전지유출관(421)과 히트펌프유입관(423) 및 제3연결관(425)이 만나는 지점에 설치된 제5유로전환부(455)와, 상기 제3연결관(425)과 태양전지유입관(431)과 지열유출관(422) 및 제4연결관(435)이 만나는 지점에 설치된 제6유로전환부(456)를 구비한 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열원측열매체는 공기인 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    외부조건을 판단하기 위한 외부조건판단부가 구비되고, 상기 외부조건판단부에서의 판단 결과에 따라 상기 열원측열매체가 태양전지순환경로(433,431,421,424,423; 433,435,431,421,423)와 지열순환경로(433,432,210,422,423; 433,432,210,422,425,423)와 복합순환경로(433,431,421,434,432,210,422,423; 433,432,210,422,431,421,423) 중 어느 하나를 순환하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지유출관(421)과 히트펌프유입관(423) 사이에는 제2연결관(424)이 구비되고, 상기 지열유출관(422)과 제2연결관(424) 및 히트펌프유입관(423)이 만나는 지점에는 제2유로전환부(452)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서,
    상기 외부조건으로는 외기온도, 시간 및 일사량 중 하나 이상이 되고, 상기 외기온도가 설정온도 이하인 동시에 상기 일사량이 설정량 이하인 경우에는 열원측열매체가 상기 복합순환경로(433,431,421,434,432,210,422,423; 433,432,210,422,431,421,423)를 순환함으로써 태양열과 지열을 모두 흡수하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 태양전지모듈(100)에서 가열된 열원측열매체의 열을 축열하는 축열조(500)가 구비되고, 온수사용시 상기 축열조(500)의 열을 이용하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 태양전지모듈(100)에서 생산된 전기를 이용하여 상기 히트펌프(300)를 구동하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 태양전지모듈(100)은, 태양전지를 포함하는 광전지층(52), 상기 광전지층(52)과 이격된 상태에서 대면하는 절연층(53), 상기 광전지층(52)과 상기 절연층(53) 사이의 영역을 두 개 이상의 냉각배관으로 구분하기 위한 격벽 부재(54)를 구비하되;
    상기 격벽 부재(54)는, 상기 광전지층(52)의 하부면과 맞닿는 마루(54a)와, 상기 절연층(53)의 상부면과 맞닿는 골(54b)을 포함하도록 굴곡진 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 격벽 부재(54)에 의해서 규정되는 복수 개의 냉각배관은 열매체로서 공기가 흐르는 냉각배관과 액체가 흐르는 냉각배관이 교번적으로 형성된 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  13. 건물의 외벽(40)으로부터 일정간격 이격되도록 설치되는 집열판(20);
    상기 집열판(20)의 일측에 설치되고, 내부에는 태양열에 의해 가열되는 열원측열매체가 흐르고, 태양광에 의해 전기를 생산하는 태양전지모듈(100):
    상기 외벽(40)과 상기 집열판(20) 사이의 이격공간의 공기를 상기 건물의 실내로 유입하기 위한 것으로 상기 외벽(40)의 상단에 형성되는 유입구(41);
    상기 유입구(41)에 설치되고 상기 태양전지모듈(100)에 연결되는 송풍팬(42);
    상기 열원측열매체에 의해 지열을 흡수하는 지열교환부(200);
    상기 열원측열매체와 열교환이 이루어지는 열원측 열교환기(300a)와 제2열매체와 열교환이 이루어지는 부하측 열교환기(300b)를 구비한 히트펌프(300);
    상기 열원측 열교환기(300a)에서 열교환이 이루어져 온도가 하락한 상기 열원측열매체가 상기 태양전지모듈(100) 또는 지열교환부(200)를 선택적으로 경유하도록 보내거나, 상기 태양전지모듈(100) 및 지열교환부(200)를 모두 경유하도록 보내는 제어부:
    상기 태양전지모듈(100)과 지열교환부(200) 및 히트펌프(300) 사이를 연결하여 상기 열원측열매체가 유동할 수 있도록 하는 다수의 배관;
    을 포함하여 이루어진 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 태양전지모듈(100)은 광전지층(52)과 절연층(53) 사이에 개재되며, 마루와 골을 갖도록 굴곡진 형상의 격벽 부재(54)에 의해서 두 개 이상의 냉각배관으로 구분되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 태양전지모듈(100)은 광전지층(52)과 절연층(53) 사이에 개재되며, 단면이 사각형으로서 소정의 폭을 갖는 상단부(54-1a)와 하단부(54-1b)로 이루어진 격벽 부재(54-1)에 의해서 두 개 이상의 냉각배관으로 구분되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 태양전지모듈(100)은 광전지층(52)과 절연층(53) 사이에 개재되며, 단면이 삼각형으로서 상부꼭지점(54-2a)와 하부꼭지점(54-2b)으로 이루어진 격벽 부재(54-2)에 의해서 두 개 이상의 냉각배관으로 구분되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 격벽 부재(54,54-1,54-2)에 의해 규정되는 복수 개의 냉각 배관은 액체 열매체가 통과하는 냉각배관과 기체 열매체가 통과하는 냉각배관이 교번적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  18. 제14항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 집열판(20)과 상기 태양전지모듈(100)은 일체화되는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  19. 제14항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광전지층(52)에는 액체 열매체가 통과하는 냉각배관과 기체 열매체가 통과하는 냉각배관이 교대로 접촉하도록 구비된 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
  20. 제14항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 집열판(20)은 외부의 공기를 상기 이격공간으로 유입하기 위한 통공을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지를 이용한 열-전기 복합 생산 시스템.
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