KR101449561B1

KR101449561B1 - 건물일체형 태양광 열 시스템

Info

Publication number: KR101449561B1
Application number: KR1020140023706A
Authority: KR
Inventors: 윤혜경
Original assignee: 홍익대학교 산학협력단
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2014-10-14

Abstract

본 발명에 따른 태양광 열 시스템은, 내부에 소정 공간을 형성하는 박스형으로서 건물외벽에 설치되며, 전면 일측에 다수의 태양전지 셀들로 구성된 태양전지 패널을 구비하는 수식 집열기와, 수식 집열기 내의 태양전지 패널 후면부에 배관되어, 패널에서 발생되는 열에 따라 관로 내부의 유체를 가열하는 집열관로와, 상기 집열관로의 배출부 일측에 구비되어, 상기 집열관로 내의 유체를 강제 배출시키는 펌프와, 상기 집열관로의 유입부와 배출부 양측에서 관로 내부 유체의 온도를 검출하는 센서부와, 상기 유입부와 배출부 양측에서 검출된 유체의 온도차가 기준값을 넘는 경우, 상기 펌프를 동작시켜 집열관로 내의 유체를 탱크로 이동시키는 제어부를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 건물일체형 태양광 열 시스템은 태양 전지판의 후면부에 축적되는 열을 난방수 가열에 활용하여, 상기 태양 전지판 후면부의 열기를 냉각시킴으로써, 전기에너지 생산의 효율성을 크게 향상시켰다. 또한, 본 발명에 따른 건물일체형 태양광 열 시스템은 폐열을 난방수 가열을 위한 열에너지로 사용함으로써 난방연료의 사용을 절감하고, 건축 외장에 사용되는 비용이 절감되도록 하였다.

Description

건물일체형 태양광 열 시스템{BUILDING INTERGRATED PHOTOVOLTAIC THERMAL SYSTEM}

본 발명은 태양광 열 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건물일체형 태양광 열(BIPVT, Building Integrated Photovoltaic Thermal) 시스템에 관한 것이다.

태양광 열 시스템은 건물의 에너지 절약을 적극적으로 실천할 수 있는 기술이다. 전기에너지의 생산뿐 아니라 단열의 효과까지 줄 수 있는데, 이는 곧 에너지 절약 이외에도 쾌적한 실내 환경을 제공할 수 있는 것을 의미한다. 이러한 이유로 최근, 다양한 태양광열 시스템 장치들이 개발되고 있다.

일반적으로 가장 많이 사용되는 태양광 열 시스템은 건물의 지붕에 부착시키는 시스템인데, 태양의 고도 및 입사 각도에 맞게 설치하여 전기에너지 생산효율에 중점을 둔 방식이다. 하지만, 적설량이 많거나, 우박 등의 낙하물 의해 고장이 잦을 수 있으며, 태양의 고도에 맞춘 설치는 건축의 미적 활용에 도움이 되지 못하고 있다. 또한 이러한 시스템의 태양전지 모듈은 고도의 영향뿐 아니라, 열의 영향에도 민감하여 태양 전지판의 후면부에 축적되는 열을 방출시키지 않으면 태양전지의 효율을 충분히 발휘하지 못하게 된다. 종래의 기술들은 전지판 후면부에 축적된 열의 방출을 위해 후면부의 열을 방출하는 시스템을 적용한 사례도 있지만, 이는 열에너지를 폐열로써만 방치하였다는 점에서 한계가 있었다.

기존의 태양광 열 시스템의 경우 냉각장치가 설치되어있지 않기 때문에, 전지판 후면부에 축적된 열의 온도가 정상 가동온도 이상일 경우에 이를 냉각시킬 수 없어 태양전지 모듈의 출력이 저하되는 문제점이 있었다. 또한 모듈 후면에 물을 흘려서 태양전지 모듈을 냉각시키는 방식이 소개되어 있긴 하나, 물을 이용하여 태양전지 모듈 후면을 냉각시킬 경우 모듈 후면의 방수처리에 대한 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 태양 전지판의 후면부에 축적되는 열을 재사용함으로써 상기 태양 전지판 후면부의 열을 식히는 건물일체형 태양광 열 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 건물의 외벽 일부를 형성함으로써, 건물의 초기 외장에 소요되는 비용과 난방비를 절감시키는 건물일체형 태양광 열 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 부가적인 특성 및 이점들은 아래의 설명에 기재될 것이며, 부분적으로는 상기 설명에 의해 명백해지거나 본 발명의 실행을 통해 숙지될 것이다. 본 발명의 목표 및 다른 이점들은 특히 아래 기재된 설명 및 부가된 도면뿐만 아니라 청구항에서 지적한 구조에 의해 구현될 것이다.

본 발명에 따른 건물일체형 태양광 열 시스템은 태양 전지판의 후면부에 축적되는 열을 난방수 가열에 활용하여, 상기 태양 전지판 후면부의 열기를 냉각시킴으로써, 전기에너지 생산의 효율성을 크게 향상시켰다.

본 발명에 따른 건물일체형 태양광 열 시스템은 건축물의 입면에 부착되도록 구현함으로써 눈이나 우박 등의 낙하물에 의한 고장발생이 적고, 태양 전지판 후면부에 집열 공간을 형성함으로써 겨울철 단열을 갖도록 하였다.

또한, 본 발명에 따른 건물일체형 태양광 열 시스템은 폐열을 난방수 가열을 위한 열에너지로 사용함으로써 난방연료의 사용을 절감하고, 건축 외장에 사용되는 비용이 절감되도록 하였다.

도1은 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템이 적용된 건물을 나타낸 예시도.
도2는 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템의 외관을 나타낸 사시도.
도3은 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템의 분해도.
도4는 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템의 단면도.
도5는 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템의 열 배출에 관한 예시도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 관점에 따른 태양광 열 시스템은,

내부에 소정 공간을 형성하는 박스형으로서 건물외벽에 설치되며, 전면 일측에 다수의 태양전지 셀들로 구성된 태양전지 패널을 구비하는 수식 집열기와, 수식 집열기 내의 태양전지 패널 후면부에 배관되어, 패널에서 발생되는 열에 따라 관로 내부의 유체를 가열하는 집열관로와, 상기 집열관로의 배출부 일측에 구비되어, 상기 집열관로 내의 유체를 강제 배출시키는 펌프와, 상기 집열관로의 유입부와 배출부 양측에서 관로 내부 유체의 온도를 검출하는 센서부와, 상기 유입부와 배출부 양측에서 검출된 유체의 온도차가 기준값을 넘는 경우, 상기 펌프를 동작시켜 집열관로 내의 유체를 탱크로 이동시키는 제어부를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 관점에 따른 태양광 열 시스템은 건물외벽에 수식 집열기를 부착하는 태양광 열 시스템에 관한 것으로,

상기 수식 집열기 전면부 일측에 부착되며, 다수의 태양전지 셀들로 구성된 태양전지 패널과, 수식 집열기 내의 태양전지 패널 후면부에 배관되어, 패널에서 발생되는 열에 따라 관로 내부의 유체를 가열하는 집열관로와, 수식 집열기 전면부 상측에 다수 개 형성되며, 상기 집열관로를 가열하고 남은 수식 집열기 내부의 폐열을 배출하는 배기구와, 상기 집열관로의 배출부 일측에 구비되어, 상기 집열관로 내의 유체를 강제 배출시키는 펌프와, 상기 집열관로의 유입부 일측에 장착되어, 집열관로 내 유체의 온도를 검출하는 제1센서와, 상기 집열관로의 배출부 일측에 장착되어, 집열관로 내 유체의 온도를 검출하는 제2센서와, 상기 제1센서와 제2센서에서 검출된 유체의 온도차가 기준값을 넘는 경우, 상기 펌프를 동작시켜 집열관로 내의 유체를 탱크로 이동시키는 제어부를 포함하여 구성된다.

본 발명의 착안점은, 태양 전지판의 후면부에 축적되는 열을 난방수 가열에 활용함으로써 상기 태양 전지판 후면부의 열기를 냉각시키는 건물일체형 태양광 열 시스템을 구현하는데 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템이 적용된 건물을 나타낸 예시도이다.

본 발명은 태양의 고도나 광 입사각과 관계없이 건물의 외벽에 부착하는 태양광 열 시스템의 새로운 태양전지 모듈로서 건물의 미적 기능과 에너지 효율을 극대화할 수 있는 건물 일체형 태양광 열 시스템을 제안하였다. 본 발명은 건물 상부나 지붕에 주로 설치했던 기존 시스템과 달리 도1에 도시된 바와 같이 건물의 입면에 수직으로 설치가 가능하며, 태양광을 이용하여 건물의 전기에너지와 열에너지를 공급할 수 있다. 또한, 태양전지 패널 후면부의 공간에 집열관로를 배관하여, 태양전지 패널의 효율 향상과 폐열을 활용함으로써 단열 및 난방수 공급이 가능하도록 고안되었다.

도2는 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템의 외관을 나타낸 사시도이고, 도4는 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템의 단면도이다.

도2와 도4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템은 수식 집열기(100), 태양전지 패널(110), 배기구(120), 집열관로(130), 센서부(140), 제어부(150), 펌프(160), 히터(170)를 포함하여 구성된다.

상기 수식 집열기(100)는 내부에 소정 공간을 형성하는 소정 사이즈(예: 가로 100cm, 세로 1800cm)의 박스형 구조로서, 도4에 도시된 바와 같이 내부 공간에 집열관로(130), 센서부(140), 제어부(150), 펌프(160), 히터(170)를 포함하여 건물외벽에 설치된다. 그리고, 전면 일측에 태양전지 패널(110)을 구비하며, 건물외벽에 설치되는 만큼 건축 외장재로 사용가능한 재질로 이루어져야 한다.

상기 태양전지 패널(110)은 다수의 태양전지 셀들로 구성된 패널로서, 도2에 도시된 바와 같이 상기 수식 집열기(100)의 전면부에 구비된다. 태양광 열 시스템이 태양 광에너지를 수집하는 과정에서, 태양전지 패널(110)은 열에너지를 발생시키게 되는데, 본 발명은 이때 발생되는 열에너지의 85% 정도를 재활용(예: 집열관로 가열)하게 된다.

상기 배기구(120)는 상기 집열관로(130)를 가열하고 남은 열 즉, 수식 집열기(100) 내부의 폐열을 배출한다. 태양전지 패널(110)에서 발생된 열은 후면부에 배관된 집열관로(130)를 가열하며 상층부로 상승하게 되며, 도5에 도시된 바와 같이 상기 배기구(120)를 통해 배출된다. 도5는 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템의 열 배출에 관한 예시도이다.

상기 배기구(120)는 수식 집열기(100) 전면부 상측에 다수 개(예: 6개 혹은 그 이상) 형성되며, 전체 배기구들을 합한 면적은 수식 집열기(100) 전면부 면적의 10% 이상을 차지하도록 설계하는 것이 바람직하다.

상기 집열관로(130)는 도3에 도시된 바와 같이 수식 집열기 내의 태양전지 패널(110) 후면부에 배관되어, 패널(110)에서 발생되는 열에 따라 관로 내부의 유체를 가열한다. 집열관로(130)는 검은 색으로 도색된 엑셀 호스로 이루어지는 것이 바람직하다. 도3은 본 발명에 따른 건물 일체형 태양광 열 시스템의 분해도이다.

상기 센서부(140)는 상기 집열관로(130)의 유입부(134)와 배출부(138) 양측에서 관로 내부 유체의 온도를 검출한다.

센서부(140)는 상기 집열관로(130)의 유입부(134) 일측에 장착되어, 집열관로(130) 내 유체의 온도를 검출하는 제1센서(144)와, 상기 집열관로(130)의 배출부(138) 일측에 장착되어, 집열관로(130) 내 유체의 온도를 검출하는 제2센서(148)를 포함하여 구성된다. 상기 제1센서(144)와 제2센서(148)의 설치 지점은 도4에 한정되지 않는다. 제1센서(144)와 제2센서(148)은 집열관로(130) 내 유체의 온도와 물탱크 내 관로의 유체의 온도를 각각 감지할 수 있는 최적의 위치에 설치될 수 있다.

상기 제어부(150)는 시스템의 각 구성 요소들(예: 센서부(140), 제어부(150), 펌프(160), 히터(170) 등)의 동작을 제어한다.

제어부(150)는 주기적으로 상기 센서부(140)의 검출정보를 읽어온다. 그리고 만일, 상기 유입부(134)와 배출부(138)부 양측에서 검출된 유체의 온도차가 기준값을 넘는 경우, 상기 펌프(160)를 동작시켜 집열관로 내의 유체를 탱크(200)로 이동시킨다. 본 발명은, 집열관로 내의 유체가 가열되어 일정 온도 이상 상승하면, 유체를 순환시켜 물탱크(200)에 열에너지가 공급되도록 한다.

만일, 상기 유입부(134) 측에서 검출된 즉, 제1센서(144)에서 주기적으로 검출된 유체의 온도가 임계치 미만인 경우, 제어부(150)는 제2센서(148)의 검출값에 상관없이 상기 펌프(160)를 동작시켜 집열관로(130) 내의 유체를 탱크(200)로 이동시키면서 히터(170)를 가동시킨다.

계절(예: 겨울 등)이나 날씨(예: 흐린날, 우천시 등)가 원인으로 작용하여 태양전지 패널(110)의 발생 열이 충분하지 않으면, 집열관로(130)의 유체가 가열되지 않을 수 있다. 이로 인해, 제1센서(144)에서 주기적으로 검출되는 유체의 온도가 임계치 미만으로 내려갈 수 있다. 이때, 제어부(150)는 일단 펌프(160)를 동작시키고 동시에, 상기 히터(170)를 가동하여 탱크(200)로 이동되는 유체가 임계치 혹은 그 이상의 온도까지 가열되도록 한다. 상기 히터(170)의 구동으로 가열된 유체는 물탱크(200)로 전달된다.

상기 펌프(160)는 상기 집열관로(130)의 배출부(138) 일측에 구비되어, 상기 집열관로(130) 내의 유체를 물탱크(200)측으로 강제 배출시킨다.

상기 히터(170)는 도4에 도시된 바와 같이, 상기 배출부(138) 일측(예: 상기 탱크(200)로 인입되는 배출부(138) 관로 일측)에 장치되며, 상기 제어부(150)의 제어 하에 탱크(200)로 이동되는 유체를 가열한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 건물일체형 태양광 열 시스템은 태양 전지판의 후면부에 축적되는 열을 난방수 가열에 활용하여, 상기 태양 전지판 후면부의 열기를 냉각시킴으로써, 전기에너지 생산의 효율성을 크게 향상시켰다.

100 : 기초 구조물 110 : 태양전지 패널
120 : 배기구 130 : 집열관로
134 : 유입구 138 : 배출구
140 : 센서부 144 : 제1센서
148 : 제2센서 150 : 제어부
160 : 펌프 170 : 히터
200 : 탱크

Claims

건물외벽에 수식 집열기(100)를 부착하는 건물일체형 태양광 열 시스템에 있어서,
내부에 소정 공간을 형성하는 박스형으로서 건물외벽에 설치되며, 전면 일측에 다수의 태양전지 셀들로 구성된 태양전지 패널(110)을 구비하는 수식 집열기(100)와,
수식 집열기 내의 태양전지 패널(110) 후면부에 배관되어, 패널(110)에서 발생되는 열에 따라 관로 내부의 유체를 가열하는 집열관로(130)와,
상기 집열관로(130)를 가열하고 남은 수식 집열기(100) 내부의 폐열을 배출하는 배기구(120)와,
상기 집열관로(130)의 배출부(138) 일측에 구비되어, 상기 집열관로(130) 내의 유체를 강제 배출시키는 펌프(160)와,
상기 펌프(160)의 동작에 따라 탱크(200)로 이동되는 유체를 가열하는 히터(170)와,
상기 집열관로(130)의 유입부(134)와 배출부(138) 양측에서 관로 내부 유체의 온도를 검출하는 센서부(140)와,
상기 유입부(134)와 배출부(138) 양측에서 검출된 유체의 온도차가 기준값을 넘는 경우, 상기 펌프(160)를 동작시켜 집열관로 내의 유체를 탱크(200)로 이동시키는 제어부(150)를 포함하여 구성되며,
상기 제어부(150)는 상기 유입부(134) 측에서 주기적으로 검출된 유체의 온도가 임계치 미만인 경우, 상기 히터(170)를 구동하여 탱크(200)로 이동되는 유체를 상기 임계치 또는 그 이상의 온도까지 가열시키며,
상기 센서부(140)는 상기 집열관로(130)의 유입부(134) 일측에 장착되어, 집열관로(130) 내 유체의 온도를 검출하는 제1센서(144)와, 상기 집열관로(130)의 배출부(138) 일측에 장착되어, 집열관로(130) 내 유체의 온도를 검출하는 제2센서(148)를 포함하여 구성되며,
상기 배기구(120)는 수식 집열기(100) 전면부 상측에 다수 개 형성되며, 전체 배기구의 면적은 수식 집열기(100) 전면부 면적의 10% 이상을 차지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 열 시스템.
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