KR101498927B1 - 태양열 시스템의 성능분석방법 - Google Patents

태양열 시스템의 성능분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양열 시스템의 성능분석방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프로그램에 설정된 목록에 맞춰 태양열 시스템의 정보를 입력한 뒤, 프로그램을 실행하면 프로그램의 설정된 계산식에 의해 태양열 시스템의 성능이 분석되어 태양열 시스템의 효율을 편하게 미리 알 수 있고, 상기 태양열 시스템의 설치 위치 및 조건에 따른 성능 분석도 가능하기에 태양열 시스템의 설치 전에 시뮬레이션으로 미리 파악할 수 있어 시간 및 비용 등이 절감되는 특징이 있다.

Description

태양열 시스템의 성능분석방법{A method for performance analysis of solar thermal system}
본 발명은 태양열 시스템의 성능분석방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프로그램에 설정된 목록에 맞춰 태양열 시스템의 정보를 입력한 뒤, 프로그램을 실행하면 프로그램의 설정된 계산식에 의해 태양열 시스템의 성능이 분석되어 태양열 시스템의 효율을 편하게 미리 알 수 있고, 상기 태양열 시스템의 설치 위치 및 조건에 따른 성능 분석도 가능하기에 태양열 시스템의 설치 전에 시뮬레이션으로 미리 파악할 수 있어 시간 및 비용 등이 절감되는 태양열 시스템의 성능분석방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양에너지 시스템은 화석에너지에 대한 대체 에너지로서 태양열에너지를 이용하여 온수급탕 및 난방에 필요한 열에너지 또는 태양광 판넬을 이용하여 전기를 생산하는 시스템을 말한다.
이렇듯 알려진 태양열 시스템은 태양열을 난방 또는 급탕 등으로 활용하는 온수, 난방 시스템과 태양으로부터 조사되는 광을 전기에너지로 변환하여 필요한 전기에너지를 수급하는 태양광 발전 시스템으로 구분된다.
여기서, 태양열 에너지는 에너지밀도가 낮고 계절별, 시간별 변화가 심한 에너지이므로 태양열 에너지의 활용을 극대화하면서 시스템의 전체적인 부하를 최소화할 수 있는 형태의 시스템 최적설계가 필요하다. 예컨대, 여름철의 경우 태양열을 수집하기에 최적의 기후조건을 가지지만 상대적으로 난방 또는 온수 사용이 적거나 거의 없기 때문에 축열부의 용량을 크게 함으로써 시스템 과열이 방지될 수 있도록 하는 설계가 뒷받침되어야 한다.
하지만, 이런 시스템의 최적설계를 하기 위한 시뮬레이션 프로그램이 부족한 실정이고, 있다고 하더라도 현재의 시뮬레이션 프로그램은 태양열 시스템의 성능 분석이 떨어져 실제 환경 조건에 맞는 데이터 값을 얻기 힘들다.
대한민국 등록특허공보 제10-1114504호(2012.02.02) 대한민국 등록특허공보 제10-1019098호 (2011.02.24) 대한민국 등록실용신안공보 제20-0389779호 (2005.07.05)
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,
프로그램에 설정된 목록에 맞춰 태양열 시스템의 정보를 입력한 뒤, 프로그램을 실행하면 프로그램의 설정된 계산식에 의해 태양열 시스템의 성능이 분석되어 태양열 시스템의 효율을 편하게 미리 알 수 있고, 상기 태양열 시스템의 설치 위치 및 조건에 따른 성능 분석도 가능하기에 태양열 시스템의 설치 전에 시뮬레이션으로 미리 파악할 수 있어 시간 및 비용 등이 절감되는 태양열 시스템의 성능분석방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 태양열 시스템의 성능분석방법에 있어서,
태양열 시스템의 구성품을 설정하는 단계(S100);
상기 단계(S100) 후, 태양열 시스템의 구성품에 성능을 설정하는 단계(S200);
상기 단계(S200) 후, 태양열 시스템이 설치되는 위치의 정보를 설정하는 단계(S300);
상기 단계(S300) 후, 태양열 시스템이 설치될 위치의 부하를 설정하는 단계(S400);
상기 단계(S400) 후, 프로그램을 실행하여 설정된 계산식에 의해 분석 결과값이 산출되는 단계(S500);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 성능분석방법에 관한 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 태양열 시스템의 성능분석방법은 프로그램에 설정된 목록에 맞춰 태양열 시스템의 정보를 입력한 뒤, 프로그램을 실행하면 프로그램의 설정된 계산식에 의해 태양열 시스템의 성능이 분석되어 태양열 시스템의 효율을 편하게 미리 알 수 있고, 상기 태양열 시스템의 설치 위치 및 조건에 따른 성능 분석도 가능하기에 태양열 시스템의 설치 전에 시뮬레이션으로 미리 파악할 수 있어 시간 및 비용 등이 절감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템의 성능분석방법을 나타낸 순서도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템의 구성품 설정단계를 나타낸 순서도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템의 구성품에 성능을 설정하는 단계를 나타낸 순서도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템 설치위치의 정보설정단계를 나타낸 순서도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템 설치위치의 부하설정단계를 나타낸 순서도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 프로그램 실행으로 설정된 계산식에 의해 분석 결과값 산출단계를 나타낸 순서도이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 태양열 시스템의 성능분석방법에 있어서,
태양열 시스템의 구성품을 설정하는 단계(S100);
상기 단계(S100) 후, 태양열 시스템의 구성품에 성능을 설정하는 단계(S200);
상기 단계(S200) 후, 태양열 시스템이 설치되는 위치의 정보를 설정하는 단계(S300);
상기 단계(S300) 후, 태양열 시스템이 설치될 위치의 부하를 설정하는 단계(S400);
상기 단계(S400) 후, 프로그램을 실행하여 설정된 계산식에 의해 분석 결과값이 산출되는 단계(S500);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템의 성능분석방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템의 구성품 설정단계를 나타낸 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템의 구성품에 성능을 설정하는 단계를 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템 설치위치의 정보설정단계를 나타낸 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 시스템 설치위치의 부하설정단계를 나타낸 순서도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 프로그램 실행으로 설정된 계산식에 의해 분석 결과값 산출단계를 나타낸 순서도이다.
도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 태양열 시스템의 성능분석방법은 태양열 시스템의 구성품을 설정하는 단계(S100)와; 태양열 시스템의 구성품에 성능을 설정하는 단계(S200)와; 태양열 시스템이 설치되는 위치의 정보를 설정하는 단계(S300)와; 태양열 시스템이 설치될 위치의 부하를 설정하는 단계(S400)와; 프로그램을 실행하여 설정된 계산식에 의해 분석 결과값이 산출되는 단계(S500)를 포함하여 이루어진다.
상기 태양열 시스템의 구성품을 설정하는 단계(S100)에서, 도 1과 도 2에서처럼, 상기 태양열 시스템의 구성품은 부동액 시스템과 자동배수시스템으로 이루어진 집열부와, 급탕전용과 난방전용과 난방/급탕겸용으로 이루어진 집열 이용부로 구성된다.
여기서, 상기 집열부의 부동액시스템은 집열 열교환기의 외장형과 내장형 중 어느 하나를 선택적으로 설정하고, 상기 집열부의 자동배수시스템은 축열조 배수형과 배수탱크 배수형 중 어느 하나를 선택적으로 설정한다.
또한, 상기 집열 이용부의 급탕전용은 축열조 보일러 분리방식과 축열조 가열방식과 축열조 저탕조 분리방식 중 어느 하나를 선택적으로 설정하고, 상기 집열 이용부의 난방전용은 보일러 축열조 가열방식과 분리이용방식과 보일러 승온방식 중 어느 하나를 선택적으로 설정하며, 상기 집열 이용부의 난방/급탕겸용은 축열조 자연대류 온수가열방식 + 축열조 가열방식과 축열조 자연대류 온수가열방식 + 순간 승온방식과 온수순간 가열방식 중 어느 하나를 선택적으로 설정한다.
상기 태양열 시스템의 구성품에 성능을 설정하는 단계(S200)에서, 도 1과 도 3에서처럼, 상기 태양열 시스템의 구성품은 상기의 태양열 시스템의 구성품을 설정하는 단계(S100)에서 기술된 구성 외에도 집열기와, 집열펌프와, 축열펌프와, 태양열 급탕 축열조와, 급탕 보일러가 추가로 설정한다.
여기서, 상기 구성품 중 집열기를 설정(S210)하는데, 인증 집열기 중 사용될 집열기를 설정한 뒤, 상기 집열기의 최고효율(FRτα)과 열손실계수(FRUL)와 입사각 수정계수를 설정한다.
또한, 상기 구성품 중 사용할 집열펌프를 설정(S220)한 뒤, 상기 집열펌프의 유량(㎏/㎡·hr)과 전양정(m)과 집열매체(%)를 설정하고, 상기 단계(S100)에서 설정된 외장형/내장형 열교환기의 용량(kcal/hr·℃)과 일정효율(%) 중 하나를 선택적으로 설정하여 열교환방식을 선정하며, 상기 용량과 일정효율 중 설정된 하나에 맞춰 열전달계수를 설정(S230)한다.
한편, 시스템 해석은 다양한 조건에 따라 달라지는데,
그리고, 상기 집열기의 상단/하단의 온도차(△T)에 따른 태양열 시스템의 ON/OFF를 제어할 수 있는 온도(℃)를 설정하고, 최고축열온도(℃)를 설정(S240)하는데, 이때, 상기 태양열 시스템의 ON에 따른 온도차(△T)의 온도를 설정하며, 상기 태양열 시스템의 OFF에 따른 온도차(△T)의 온도를 설정한다.
또한, 상기 구성품 중 사용할 축열펌프를 설정(S250)한 뒤, 상기 축열펌프의 유량(㎏/㎡·hr)과 전양정(m)을 설정한다.
그리고, 상기 구성품 중 사용할 태양열 급탕 축열조를 설정(S260)한 뒤, 상기 태양열 급탕 축열조의 축열조 형태(횡형 or 종형)와 축열조 용량(㎥)과 축열조에 집열기의 태양열이 유입되는 위치를 설정한다. 이때, 상기 집열기의 태양열 유입위치는 축열조의 상단부에서 2/7, 4/7, 6/7 중 하나를 선택하여 위치를 설정한다.
여기서, 상기 구성품 중 사용할 급탕 보일러를 설정(S270)한 뒤, 상기 급탕 보일러의 공급온도(℃)와 보일러 열원과 보일러 효율(%)과 열원가격(원)을 설정한다.
한편, 상기 사용할 구성품은 기존에 구성품의 공지된 성능을 설정(S280)하거나 임의로 설정가능하며, 상기의 설정 순서는 순차적 또는 순서에 상관없이 설정한다.
상기 태양열 시스템이 설치되는 위치의 정보를 설정하는 단계(S300)에서, 도 1과 도 4에서처럼, 상기 위치의 정보 설정은 지역, 위도, 경도, 집열기 경사각, 집열기 방향, 집열기 면적(㎡), 시수의 종류, 급탕량(ℓ/day), 온수용도, 난방용도, 기계실위치를 설정한다.
여기서, 상기 위치의 지역은 강릉, 광주, 대구, 대전, 목포, 부산, 서산, 서울, 영주, 원주, 전주, 제주, 진주, 청주, 춘천, 포항의 16개 지역 중 하나를 선택적으로 설정한다. 이때, 상기 위도와 경도는 지역이 설정되는 프로그램 내에서 자동으로 설정된다.
그리고, 상기 온수 및 난방용도는 단독주택, 목욕탕, 여관, 호텔, 골프장, 복지시설, 기숙사, 양만장, 그린홈 등 용도를 선택하여 설정한다.
또한, 상기 기계실은 실외, 지하실, 실내 중 하나를 선택적으로 설정한다.
상기 태양열 시스템이 설치될 위치의 부하를 설정하는 단계(S400)에서, 도 1과 도 5에서처럼, 상기 부하 설정은 위치의 정보를 설정하는 단계(S300)에서 설정된 건물에 따라 부하가 설정된다.
여기서, 프로그램에 각 지역의 시수온도가 저장되어 있어 시수온도의 설정된 데이터를 통해 급탕부하 및 난방부하가 설정된다.
상기 프로그램을 실행하여 설정된 계산식에 의해 분석 결과값이 산출되는 단계(S500)에서, 도 1과 도 6에서처럼, 상기 태양열 시스템의 분석 결과값은 월별 총열부하(Mcal)와, 월별 태양열 의존율(%)과, 월별 절감액(원)과, 월별 시스템 효율(%)과, 월별 소비동력(kWh)이 산출된다.
여기서, 상기 설정된 프로그램은 통상에 월별 총열부하(Mcal)와, 월별 태양열 의존율(%)과, 월별 절감액(원)과, 월별 시스템 효율(%)과, 월별 소비동력(kWh)을 산출하는 프로그램으로써, 별도의 기술은 하지 않는다.
이렇게, 설정된 프로그램을 통해 산출된 결과값을 가지고 경제성 분석(S600)을 할 수 있다.
여기서, 상기 경제성 분석은 시스템 설치비와, 연간 연료비와, 물가상승율과, 융자금 상환을 통해 연료절감액, 유지보수비, 투자회수기간, CO2 절감량 등을 분석 산출할 수 있다.
그리고, 동시에 민감도를 분석(S700)할 수 있는데, 설계 용량이 설정된 용량에 비해 최적인지를 판단한다.
상기 민감도 인자 선택은 집열기 면적, 축열조 용량, 열교환기 용량으로 나누어지는데, 상기 집열기 면적 선정은 시뮬레이션 변수값을 변경하면서 최적 집열면적을 선정하고, 상기 축열조 용량 선정은 시뮬레이션 변수값을 변경하면서 최적 축열조 용량을 선정하면, 상기 열교환기 용량 선정은 시뮬레이션 변수값을 변경하면서 최적 열교환기 용량을 선정하는 것이다.

Claims (8)

  1. 태양열 시스템의 성능분석방법에 있어서,
    태양열 시스템의 구성품을 설정하는 단계(S100);
    상기 단계(S100) 후, 태양열 시스템의 구성품에 성능을 설정하는 단계(S200);
    상기 단계(S200) 후, 태양열 시스템이 설치되는 위치의 정보를 설정하는 단계(S300);
    상기 단계(S300) 후, 태양열 시스템이 설치될 위치의 부하를 설정하는 단계(S400);
    상기 단계(S400) 후, 프로그램을 실행하여 설정된 계산식에 의해 분석 결과값이 산출되는 단계(S500);을 포함하여 이루어지고,
    상기 태양열 시스템의 구성품을 설정하는 단계(S100)에서, 상기 태양열 시스템의 구성품은 부동액 시스템과 자동배수시스템으로 이루어진 집열부와, 급탕전용과 난방전용과 난방/급탕겸용으로 이루어진 집열 이용부로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 성능분석방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 집열부의 부동액시스템은 집열 열교환기의 외장형과 내장형 중 어느 하나를 선택적으로 설정하고,
    상기 집열부의 자동배수시스템은 축열조 배수형과 배수탱크 배수형 중 어느 하나를 선택적으로 설정하는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 성능분석방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 집열 이용부의 급탕전용은 축열조 보일러 분리방식과 축열조 가열방식과 축열조 저탕조 분리방식 중 어느 하나를 선택적으로 설정하고,
    상기 집열 이용부의 난방전용은 보일러 축열조 가열방식과 분리이용방식과 보일러 승온방식 중 어느 하나를 선택적으로 설정하며,
    상기 집열 이용부의 난방/급탕겸용은 축열조 자연대류 온수가열방식 + 축열조 가열방식과 축열조 자연대류 온수가열방식 + 순간 승온방식과 온수순간 가열방식 중 어느 하나를 선택적으로 설정하는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 성능분석방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 태양열 시스템의 구성품에 성능을 설정하는 단계(S200)에서,
    상기 구성품의 성능설정은 사용할 집열기를 설정(S210)한 뒤, 상기 집열기의 최고효율(FRτα)과 열손실계수(FRUL)와 입사각 수정계수를 설정하고,
    사용할 집열펌프(S220)를 설정한 뒤, 상기 집열펌프의 유량(㎏/㎡·hr)과 전양정(m)과 집열매체(%)를 설정하며,
    상기 단계(S100)에서 설정된 열교환기의 용량과 일정효율 중 하나를 선택적으로 설정(S230)한 뒤, 설정된 하나에 맞춰 열전달계수를 설정하며,
    상기 집열기의 상단/하단의 온도차(△T)에 따른 태양열 시스템의 ON/OFF를 제어할 수 있는 온도(℃)를 설정하고, 최고축열온도(℃)를 설정(S240)하며,
    사용할 축열펌프를 설정(S250)한 뒤, 상기 축열펌프의 유량(㎏/㎡·hr)과 전양정(m)을 설정하고,
    사용할 태양열 급탕 축열조를 설정(S260)한 뒤, 상기 태양열 급탕 축열조의 축열조 형태(횡형 or 종형)와 축열조 용량(㎥)과 축열조에 집열기의 태양열이 유입되는 위치를 설정하며,
    사용할 급탕 보일러를 설정(S270)한 뒤, 상기 급탕 보일러의 공급온도(℃)와 보일러 열원과 보일러 효율(%)과 열원가격(원)을 설정하는데,
    상기 사용할 구성품의 기존에 공지된 성능을 설정(S280)하는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 성능분석방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 태양열 시스템이 설치되는 위치의 정보를 설정하는 단계(S300)에서,
    상기 위치의 정보 설정은 지역, 위도, 경도, 집열기 경사각, 집열기 방향, 집열기 면적(㎡), 시수의 종류, 급탕량(ℓ/day), 온수용도, 난방용도, 기계실위치를 순차적 또는 순서에 상관없이 설정하는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 성능분석방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 태양열 시스템이 설치될 위치의 부하를 설정하는 단계(S400)에서,
    상기 부하 설정은 위치의 정보를 설정하는 단계(S300)에서 설정된 건물에 따라 부하가 설정되는데, 프로그램에 각 지역의 시수온도가 저장되어 있어 시수온도의 설정된 데이터를 통해 급탕부하 및 난방부하가 설정되는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 성능분석방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 프로그램을 실행하여 설정된 계산식에 의해 분석 결과값이 산출되는 단계(S500)에서,
    상기 태양열 시스템의 분석 결과값은 월별 총열부하(Mcal)와, 월별 태양열 의존율(%)과, 월별 절감액(원)과, 월별 시스템 효율(%)과, 월별 소비동력(kWh)이 산출되는 것을 특징으로 하는 태양열 시스템의 성능분석방법.
  8. 삭제
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