KR101542228B1 - 자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템 - Google Patents

Abstract

발명은 태양열시스템에서, 열매체의 비등으로 발생하는 집열기의 열정체를 해소하여 열매체 배관부의 파손을 방지하는 한편 자가진단으로 태양열 시스템의 열정체를 예방하는 자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 집열기에서 가열된 열매체가 축열조를 순환하며 열교환이 이루어진 후 집열기로 회수되는 장치에 있어서, 집열기의 열매체가 과열되면 열매체써모스태트를 통하여 열매체가 자동방열기로 흐르게 하고, 자동방열기에서는 열매체를 냉각수로 냉각시킨 후 체크밸크를 통하여 집열기로 회수되게 하며, 상기 자동방열기에서 열매체를 냉각시킨 냉각수는 냉각수써모스태트를 통한 후 열매체와의 열교환으로 증발이 이루어지게 하는 것이다.

Description

자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템{Self-diagnosis and emergency measures to prevent the thermal stagnation of the solar systems}

본 발명은 태양열시스템에서, 열매체의 비등으로 발생하는 집열기의 열정체를 해소하여 열매체 배관부의 파손을 방지하는 한편 자가진단으로 태양열 시스템의 열정체를 예방하는 자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 열매체 밀폐형 태양열 시스템은 도 1및 도 2에 도시된 바와 같이 태양열 집열기(100)에서 온도가 상승된 열매체가 축열조(200)에서 열교환이 이루어진 후 열매체 순환펌프(301)(302)를 통하여 집열기(100)로 순환되는 구조를 갖게 되고, 집열기(100)에서 배출된 열매체는 감온식 안전변(110)을 통하여 축열조(200)로 인가되거나 안전변(120)을 통하여 팽창탱크(130)로 배출되고, 상기 팽창탱크(130)의 열매체는 보충펌프(140)를 통한 후 축열조(200)의 열매체와 함께 순환펌프(301)(302)에서 밀폐형 탱창탱크(150)를 거쳐 집열기(100)로 순환이 이루어지게 되며, 순환펌프(301)(302)는 집열기출구센서(101)과 축열조하부센서(102)의 온도의 차이(이후, 차온값)을 인식한 콘트롤러(300)에서 순환펌프(301)(302)의 구동을 제어하게 된다.

이러한 방식은 열매체가 집열기(100)에서 가열되면, 축열조(200)에서 물을 가열시킨 후 집열기(100)로 순환하게 되는 것으로, 이러한 시스템에서는 고장이나 작동이상으로 인하여 열매체의 순환이 이루어지지 않은 상태에서 가열이 지속되는 열정체가 발생하게 되고, 이러한 열정체가 발생하는 주된 원인은 정전으로 인한 시스템 구동 불가, 집열기출구센서와 축열조하부센서인 집열온도센서 불량으로 발생되는 집열 동작의 정지, 펌프의 고장에 의한 열매체 순환불량 등이 있으며, 열정체가 발생된 경우 열매체는 집열기(100)의 상부에서부터 비등하기 시작하여 열매체 배관내의 압력을 높이게 되므로, 열매체 배관 및 집열기(100)의 파손과 이에 따른 열매체의 누수로 시스템을 회복 불능상태로 만들게 된다.

열정체가 발생하여 압력이 안전변(120)의 설정압력 이상이되면 안전변(120)이 열리며 열매체를 팽창탱크(130)로 배출시켜 열매체배관의 압력을 감소시키게 되고, 이와 동시에 집열기 (100) 상부의 에어밴트로 비등된 열매체가 빠져나가게 되므로, 열매체배관의 압력은 낮아지게 되는데, 이후 일반적으로 열매체배관의 압력이 보충펌프(140)의 설정압력 이하로 낮아지게 되면 열매체 보충펌프(140)가 동작하여 일정압력이 될 때까지 열매체를 보충하여 열매체배관압력을 보충펌프(140)의 설정압력까지 높이게 되며, 이 과정 중 열매체의 보충은 집열기(100)의 온도와 무관하게 진행되므로 경우에 따라서는 상기한 배출동작과 보충동작이 동시에 진행되어 열매체 보충펌프(140)의 연속동작으로 인한 보충펌프(140)의 고장을 초래하는 경우도 있다.

기존 태양열 시스템에서 열정체가 발생하는 것을 방지하는 방법으로, 도 1에서는 축열조(200)의 상부온도센서(103)가 설정값(80~90℃)이상이고 순환펌프(301)(302)의 동작조건이 성립될 때, 열매체를 순환펌프(301)(302)로 순환시키며 방열삼방변(160)을 조작하여 방열팬(170)으로 열매체가 순환하게 하고, 이와 동시에 방열팬(170)을 가동시킴으로써 대기 중으로 고온의 열을 방출시키는 방식을 채택하게 있으며, 도 2에서는 축열조(200)의 상부온도센서(103)가 설정값(90~95℃)이상으로 상승 시 급수방열전자변(180)을 열어 축열조(200) 최상부의 온수를 배수하는 방식으로 축열조(200) 상부의 온도가 설정값 이하가 될 때까지 외부에서 물을 공급하면서 온수를 배출하며, 상기 급수방열전자변(180)은 감온식안전변(TSV)으로 대체하여 시공할 수도 있다.

이와 같은 방식으로 열정체를 해소시키는 경우, 도 1에서는 방열팬(170)의 고장을 배제하더라도 방열삼방변(160)의 고장이나, 열매체순환이 불량할 때 열매체 방열팬(170)의 핀튜브측으로 열매체의 유동이 확보되지 않으면 방열팬(170)이 동작하여도 열매체의 방열이 불가하게 되는 문제가 발생하는 한편 집열기출구센서(101)와 축열조하부센서(102)인 집열센서의 고장시 순환펌프(301)(302)가 동작하지 않는 경우에도 방열이 불가한 문제가 발생하게 되며, 도 2에서 축열조(200)의 온수를 배출하는 방식은 집열기(100)의 온도 방열이 아니고, 축열조(200)의 방열이므로, 도 1에서와 같이 펌프나 집열센서의 불량에 의해서 도 1과 같은 집열기(100)의 방열이 불가하여 열정체가 발생될 수밖에 없으며, 특히 온수의 배출이 진행됨에 따라 물 사용량이 늘어나 비용이 증가된다.

특허등록 10-0989994호(2010.10.19 등록)

특허등록 10-0932240호(2009.12.08 등록)

실용신안등록 20-0387032호(2005.06.07 등록)

특허등록 10-1092496호(2011.12.05 등록)

본 발명은 태양열시스템의 주된 고장요인인 열정체를 방지하고 열정체 발생 시 이의 해소를 위한 방법을 마련함으로서 태양열시스템의 신뢰성을 증진시키고 이를 통한 시스템의 내구연한을 증가시키는 방법으로 열정체상태의 조기진단 및 다중의 열정체 방지시스템을 구축하는 데 목적이 있는 것으로, 집열기의 열매체 온도를 효과적으로 낮춰주어 열정체로 인한 문제의 발생을 없애도록 하는 것이다.

본 발명은 집열기에서 가열된 열매체가 축열조를 순환하며 열교환이 이루어진 후 집열기로 회수되는 장치에 있어서, 집열기의 열매체가 과열되면 열매체써모스태트를 통하여 열매체가 자동방열기로 흐르게 하고, 자동방열기에서는 열매체를 냉각수로 냉각시킨 후 체크밸크를 통하여 집열기로 회수되게 하며, 상기 자동방열기에서 열매체를 냉각시킨 냉각수는 냉각수써모스태트를 통한 후 열매체와의 열교환으로 증발이 이루어지게 된다.

본 발명은 태양열시스템의 열정체로 인한 고장의 감소로, 시스템의 신뢰성 향상이 가능하며, 초기의 내구성을 보장할 수 있는 시스템이 구축되므로 지속적인 집열이 가능하여 시스템의 전체 효율이 상승되며, 초기투자비의 회수가 확실히 보장되는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 기존의 태양열 시스템 구성도
도 3은 본 발명의 태양열 시스템 구성도
도 4는 본 발명 센서고장 진단에 따른 순환집열동작 흐름도
도 5는 본 발명의 센서자가진단 흐름도
도 6은 본 발명의 순환집열동작 흐름도
도 7은 본 발명의 순환불가진단에 따른 과열방지동작 흐름도
도 8은 본 발명의 이상집열진단 흐름도
도 9는 본 발명의 순환불가진단 흐름도
도 10은 본 발명의 자동방열기 단면도
도 11은 본 발명의 자동방열기 냉각수 흐름 선택도
도 12는 본 발명의 열매체 회수와 충진 설명도
도 13은 본 발명의 열매체 회수 후 열매체 수위와 저수위 센서 설치도

본 발명은 강제 순환식 밀폐형 태양열시스템에서 열매체의 정체로 인하여 집열기에 채워진 열매체의 비등으로 인한 수격현상의 발생으로, 집열기 및 열매체 배관부의 파손을 방지하기 위한 것으로, 다중의 안전장치를 설치하여 열정체를 방지하는 한편 정전 등으로 불가피하게 발생되는 열매체의 비등은 열매체를 회수하여 집열기를 빈쪼이기 상태로 만들어 줌으로써 열매체의 열화를 방지하도록 하고, 시스템의 열정체 고장 해소 시에는 자동으로 열매체의 충진이 이루어져 불필요한 사후관리 비용 등을 절감하는 것이다.

본 발명은 첫 번째로, 집열센서의 고장 상황에서 지난1주간의 집열시작시간 1시간 후와 이전 집열동작 정지 1시간경과 후에 집열동작이 시작되지 않을 때 집열펌프를 강제가동한 후 모니터링센서와의 비교를 통하여 집열센서의 고장을 판단하고, 집열센서의 고장으로 판단되면 순환집열동작으로 모니터링센서로 검출되는 순시집열량을 설정된 집열하한량과 비교하여 정상집열동작 여부를 판단하고 집열하한량 이상일 경우 지속적으로 순환집열동작을 지속하여 센서고장에 의한 집열동작 정지로 발생되는 집열기의 열정체를 방지하도록 한다.

그리고, 본 발명은 두 번째로, 열매체 유동이 이루어지지 않을 때 집열동작의 시작 후 모니터링 센서를 이용한 모니터링을 통해 정상적인 집열량이 나오지 않을 경우 이상집열로 판단하고 대체펌프로 토글하여 재차 이상 집열을 판단한 후 이상 집열이 계속될 경우, 열매체흐름을 감지하여 열매체의 흐름이 감지가 안되면 순환불가로 진단하고, 집열동작을 정지하는 동시에 과열방지동작을 가동하는 응급조치를 취하도록 하는 것이다.

여기서, 본 발명은 태양열시스템에 추가되는 열매체흐름스위치의 고장에 의한 불필요한 고장상황을 모니터링으로 선 감지 후 집열동작을 진행함으로써 장치의 추가에 의한 고장의 확대를 방지하는 것이다.

본 발명에서 세 번째로, 일사량 증가나 부하감소에 따른 축열조의 온도상승으로 더 이상의 집열시 축열조 내의 온수가 비등하게 되는 상황에서 방열삼방변의 고장이나 방열팬의 고장으로 방열이 이루어지지 않아 집열기에서 열정체가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 축열조상부온도가 상한온도 이상으로 가열될 경우, 자동방열기의 열매체유로가 자동개로 되어 집열기 상부의 과열 열매체는 냉각수로 냉각되고 열싸이펀 작용으로 집열기 하부의 열매체 입구로 보내져 집열기와 자동방열기를 계속 순환하는 방식으로 열매체의 온도를 낮추어 열정체를 방지하게 된다.

여기서, 열매체의 냉각에 사용된 물은 열매체의 열로 증발이 이루어지게 하되 겨울철과 같이 열정체가 발생하지 않는 시기에는 물을 자연 배수시켜 작동을 중지하고, 여름철에는 직수압에 의한 작동이 이루어지게 한다.

또한, 본 발명은 네번째로 상기 된 방식으로도 열정체를 피할 수 없게 되었을 때, 최종적으로 시스템내의 열매체를 회수하는 방법으로, 열매체보층펌프의 보충기능을 중지시키고, 집열순환펌프를 정지시킨 후 열매체회수전자변을 개로하여 집열기측의 열매체를 팽창탱크로 회수함으로써 집열기 내부를 빈쪼이기 상태로 유지시켜 열매체의 과열로 인한 비등을 방지하는 것이다.

여기서, 본 발명은 집열기 하부에 연결된 열매체공급라인에 열매체회수전자변을 연결하여 집열기 내의 열매체만을 신속하게 배수할 수 있도록 하고, 집열기 하단의 바로 아래 위치에에 저수위센서를 장착하여 집열기 내의 열매체가 회수되어 저수위가 감지되면 열매체회수전자변을 폐로하여 고장요인이 제거 될 때까지 대기상태를 유지 시키도록 한다.

이하 본 발명을 도 3의 구성도에 의거 설명하기로 한다.

본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 집열기(100)의 열매체는 자동방열기(500)로 인가되는 동시에 에어퍼지(111)를 통하여 축열조(200)로 인가되고, 상기 축열조(200)에서 열교환이 이루어진 열매체는 열매체 순환펌프(301)(302)를 통한 후 열매체흐름 스위치(210)을 통하여 집열기(100)로 순환되게 하며, 상기 자동방열기(500)는 집열기(100)의 열매체를 외부에서 공급되는 냉각수로 냉각시킨 후 집열기(100)로 순환되게 하고, 상기 냉각수는 방열삼방변(160)을 통하여 자동방열기(500)로 유입되게 되며, 상기 순환펌프(301)(302)에서 집열기(100)로 순환되는 열매체는 안전변(120)을 통하여 팽창탱크(130)에 배출된 후 보충펌프(140)에서 가압되어 집열기(100)로 순환되게 구성된다.

여기서, 콘트롤러(300)는 시스템 각 부위의 온도를 체크하여 정상적인 집열 동작이 이루어지게 하는 한편 열정체 발생시 강제로 이를 해소시키는 제어작용도 겸한다.

본 발명의 자동방열기(500)는 도 10에 도시된 바와 같이, 집열기(100)에서 배출되는 열매체가 열매체써모스태트(510)를 통한 후 자동방열기(500)로 흐르게 하되 상기 열매체써모스태트(510)를 통과한 열매체는 증발자동방열기(520)에서 냉각수의 증발에 열교환이 이루어지게 한 후 자동방열기(500)의 열매체 파이프(530)를 흐르게 하고, 상기 열매체파이프(530)를 흐른 열매체는 하측에서 체크밸브(540)를 통하여 집열기(100)로 순환되게 하며, 상기 열매체 파이프(530)의 내측에는 냉각수가 공급되는 냉각수 파이프(550)를 설치하여 열매체가 냉각수에 의해 열교환이 이루어지게 하고, 상기 냉각수파이프(550)에서 가열된 냉각수는 냉각수써모스태트(560)를 통한 후 증발자동방열기(520)에서 열매체에 의해 증발되게 구성한다.

본 발명의 냉각수 파이프(550)에는 방열삼방변(570)을 통하여 냉각수 공급이 선택적으로 이루어지게 한다.

이러한 구성의 본 발명은 삼중의 열정체 해소방안을 단계적으로 적용하며, 최종단계에서는 열매체를 회수하여 시스템을 초기화시켜 동작대기 상태를 유지시키고, 각종 고장요소가 해결된 상태에서 자동으로 열매체를 충진하여 정상운전으로 자동 복귀하는 방식을 취하는 것이다.

본 발명에서 열정체가 일어나게 되는 원인은 전술된 바와 같은 것으로, 이러한 열정체를 해소하는 방식으로는 집열기출구센서(101)와 축열조하부센서(102)인 집열센서의 이상이 발생할 경우 모니터링 센서(105)(106)를 이용하여 집열동작이 이루어지게 하고, 주순환펌프(301)를 보조순환펌프(302)로 교체 사용한 후 열정체 유무와 경고가 이루어지게 하며, 열정체가 발생한 경우 자동방열기(500)를 이용하여 열매체를 냉각이 이루어지게 하는 한편 최종적으로 열매체를 배관에서 배출시켜 열정체가 발생하지 않도록 하는 것이다.

강제 순환식 밀폐형 태양열시스템에서는 집열기출구센서(101)와 축열조하부센서(102)의 온도의 차이를 말하는 차온값이 통상적으로 10℃ 이상이 되면 순환펌프(301)(302)가 가동되어 집열동작을 시작하고 5℃이하가 되면 순환펌프(301)(302)가 정지되어 집열동작을 멈추게 된다.

이러한 본 발명에서 집열센서의 이상으로 인하여 열정체가 발생하는 것을 진단하고 응급처치를 하는 방법에 대하여 살펴보기로 한다.

본 발명은 집열센서인 집열기출구센서(101)와 축열조하부센서(102)의 고장이 발생한 경우 도 4에 도시된 바와 같이 지난 1주간의 집열시작시간 1시간 후와 이전 집열동작 정지 1시간경과 후에 집열동작이 이루어지는 지를 판단하여, 집열동작이 시작되지 않을 때 도 5와 같은 센서자가진단동작을 통하여 집열센서의 고장을 판단하고, 집열센서의 이상으로 판단되면 도 6과 같은 순환집열동작을 실시함으로써 집열센서인 집열기출구센서(101)와 축열조하부센서(102)의 이상으로 인한 집열기(100)의 열정체 발생을 방지하는 것이다.

본 발명은 집열센서인 집열기출구센서(101)와 축열조하부센서(102)의 고장으로 인하여 집열동작이 중지됨으로써 열정체가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 도 4와 같이 지난1주간의 집열시작시간 1시간 후와 이전 집열동작 정지 1시간경과 후에 집열동작이 실시되지 않으면 도 5와 같은 센서자기진단동작을 실시하여 집열센서가 고장인가를 판단하게 되는 것으로, 도 5는 집열순환펌프(301)를 가동한 후 모니터링센서(105) 공급온도가 모니터링센서(106) 환수온도보다 작고 축열조하부센서(102)온도보다 작으면 정상집열상태이므로 집열기출구센서(101)는 모니터링센서(105)공급온도보다 커야한다. 그러므로 모니터링센서(105)공급온도가 집열기출구센서(101)온도보다 크다면 집열기출구센서(101)의 이상이라 판단 하게 된다. 또한 모니터링센서(105) 공급온도가 모니터링센서(106) 환수온도보다 작고 집열기출구센서(101)온도보다 작으면 정상집열상태이며 집열기출구센서(101)온도는 축열조하부센서(102)온도보다 낮을 수 없다. 그러므로 집열기출구센서(101)온도가 축열조하부센서(102)온도보다 낮을 경우에도 집열센서의 이상으로판단 한다.

이 같이 집열센서의 이상으로 판단되면 도 4의 흐름도에 의해 순환집열동작을 실시하게 되고, 상기 순환집열동작은 도 6의 흐름도에 의해 집열순환펌프(301)(302)를 가동하여 펌프순시동력과 모니터링순시집열량을 비교하여 펌프순시동력이 모니터링순시집열량보다 크면 순환집열동작을 하고, 펌프순시동력이 모니터링순시집열량보다 적으면 비집열시간이 경과되지 않을 때까지 순환펌프(301)(302)의 구동을 온/오프시켜가며 집열동작을 하며, 비집열시간이 경과되면 순환집열동작을 정지하게 된다.

즉, 집열센서의 이상이 체크되면 도 6과 같은 순환집열동작으로 모니터링의 순시집열량을 설정된 집열하한량과 비교하여 정상집열동작 여부를 판단하고 순시집열량이 집열하한량 이상일 경우 지속적으로 순환집열동작을 지속하여 센서고장에 의한 집열동작 정지로 발생되는 집열기 열정체를 방지하도록 하고, 순시집열량이 집열하한량 이하가 되면 순환집열을 정지하도록 한다.

한편, 본 발명에서 두 번째로 열정체가 발생하는 요인인 열매체 유동이 안되는 상황으로서 도 7과 같이 집열동작을 시작하여 집열순환펌프(301)를 가동시킨 후 도 8과 같은 이상집열을 진단하도록 하고, 정상적인 집열량이 나오지 않으면 이상집열로 판단하여 순환펌프(302)를 토글하여 가동시킨 후 재차 이상집열을 판단하여 순환펌프(302) 토글 후에도 이상집열이 계속되고 도 9와 같이 열매체 흐름이 감지되지 않으면 집열동작을 정지하는 동시에 과열방지 동작을 실시하도록 한다.

본 발명의 도 7은 집열동작을 시작하여 순환펌프(301)를 가동시킨 후 이상집열을 감지하도록 하되 상기 이상집열은 순환펌프(301)가 가동후 모니터링지연시간 이후부터 모니터링 순시집열량이 단위집열하한보다 낮은 가를 판단하여 낮을 경우는 이상집열로 판단하고, 낮지 않을 경우는 이상집열이 아닌 것으로 판단하며, 여기서 모니터링지연시간은 집열동작초기의 열매체공급배관 및 환수배관에 정체된 상태로 방열되어 온도가 저하된 열매체의 초기온도를 감지하여 생길 수 있는 이상 집열감지의 오류를 줄이는 목적으로 시스템의 규모나 열매체배관의 길이를 감안하여 설정하며, 또한 단위집열하한은 집열펌프의 동작으로 소비되는 에너지는 집열량보다 적어야 태양열시스템효율 상승에 기여할 수 있으므로 통상 펌프동력의 배수로 설정한다.

도 8에서 이상집열로 판단되면, 도 7에서는 순환펌프(302)를 토글하여 가동시킨 후 다시 도 8의 루틴을 실행시켜 이상집열 상태를 인가를 판단하고, 순환펌프(302)의 토글 후에도 이상집열 상태로 판단되면 도 9와 같이 열매체흐름스위치(210)를 이용하여 열매체의 흐름이 있는 경우 순환집열동작을 진행하고, 열매체 흐름이 감지되지 않는 경우는 순환불가로 판단하여 집열동작을 정지시켜 열정체 발생을 방지하는 동시에 과열방지동작을 가동하는 응급조치를 취하게 된다.

여기서, 열매체흐름스위치(210)는 배관내를 흐르는 열매체의 정상적인 흐름이 이루어지는지 아니면 흐름이 이루어지는가를 판단하여 순환펌프(301)(302)의 작동 여부를 확인할 수 있는 것으로. 순환펌프(301)(302)의 가동신호가 가해졌을 때 열매체흐름이 감지 되지 않으면 순환펌프의 이상으로 판단하게 된다.

한편, 본 발명은 열정체를 방지하는 세 번째 방법으로, 일사량 증가나 부하감소에 따른 축열조(200)의 온도상승으로 더 이상의 집열시 축열조(200)내의 온수가 비등하게 되는 상황에서 도 1에서의 방열팬(170) 고장이나, 도 2에서의 방열삼방변(160)의 고장으로 방열이 이루어지지 않아 집열기(100)에서 열정체가 발생하는 것을 방지하게 된다.

즉, 도 3에서와 같이 축열조상부센서(103)가 상한온도 이상으로 가열될 경우, 자동방열기(500)의 열매체 유로가 자동 개로되어 집열기(100) 상부의 과열된 열매체가 냉각수로 냉각된 후 열싸이펀 작용으로 집열기(100) 하부의 열매체 입구로 보내지게 함으로써, 열매체가 집열기(100)와 자동방열기(500)를 계속 순환하는 방식으로 열매체의 온도를 낮추어 열정체가 발생하지 않도록 한다.

자동방열기(500)는 도 10과 같은 구조를 가지며, 그 원리는 자동방열기(500)를 구성하는 열매체파이프(530)의 상부와 하부가 집열기(100)측의 입구와 출구에 연결되고, 집열기(100)에서 배출되는 열매체의 온도가 열매체써모스태트(510)의 설정온도 이상으로 과열되었을 경우, 자동방열기(500)의 상부에 있는 열매체써모스태트(510)가 개로되어 과열된 열매체가 자동방열기(500)의 열매체파이프(530)로 유입되게 되고. 상기 열매체파이프(530)의 출구측에는 체크밸브(540)를 설치하여 집열동작 중 열매체가 역류하는 것을 방지한다.

상기 자동방열기(500)의 열매체파이프(530)를 흐르는 열매체는 내부의 냉각수파이프(550)를 흐르는 냉각수에 의해 냉각이 이루어짐으로써 열매체가 냉각되어 밀도가 높아짐으로써 생성되는 열싸이펀 현상에 의하여 열매체는 자동방열기(500)와 집열기(100)를 순환하게 된다.

이때 냉각수는 자동방열기(500)의 열매체파이프(530)의 내측에 설치된 냉각수파이프(550)의 하측으로 냉각수가 유입되게 되고, 자동방열기(500)에는 냉각수파이프(550)로 흐르는 냉각수에 의해 열매체파이프(530)를 흐르는 열매체와 열교환이 이루어지게 된다.

상기 냉각수파이프(550)를 흐르는 냉각수는 열매체와 열교환이 이루어질 때 100℃ 가까이 상승하게 되고, 이때의 냉각수는 냉각수써모스태트(560)의 설정온도 이상이 되면 증발자동방열기(520)로 보내어져 열매체와 열교환을 통해 최종적으로 증발하게 된다.

즉, 냉각수써모스태트(560)는 고온의 냉각수를 증발자동방열기(520)로 보내고, 증발자동방열기(520)에서는 고온의 냉각수가 열매체의 고열에 의해 증발이 이루어지게 된다.

이러한, 열매체의 냉각방식은 냉각수 1ℓ당 85㎉의 열교환에 의한 현열과 539㎉의 증발열을 제거할 수 있으므로, 도 2에 도시된 바와 같이 축열조(200)의 온수를 외부로 배출시키는 경우에 비하여, 냉각수의 양이 대략 1/6~1/10정도 감소하게 되어 불필요한 냉각수의 소비를 줄일 수 있다.

그리고, 정전시에도 자동방열기(500)로 냉각수의 공급이 가능하도록 방열삼방변(570)을 자동방열기(500)의 냉각수배관에 설치함으로써, 동절기에는 방열삼방변(570)의 냉각수를 드레인 되게 하되 냉각수에 의한 동파가 되지 않도록 구배를 고려하여 설치하고, 하절기에는 직수압의 냉각수가 항시 자동방열기(500)의 냉각수파이프(550)로 공급되게 함으로써 열정체를 방지하도록 한다.

또한, 본 발명은 상기된 세 가지 방법으로도 열정체를 피할 수 없게 되었을 때, 최종으로 시스템내의 열매체를 회수하는 네 번째 방법을 제시하는 것으로, 도 12의 열매체보층펌프(140)의 보충기능을 중지시키고, 순환펌프(301)(302)의 구동을 정지시킨 후 열매체회수전자변(131)을 개로하여 집열기(100) 측의 열매체를 팽창탱크(130)로 회수함으로써 집열기(100) 내부를 빈쪼이기 상태로 유지시켜 열매체의 과열로 인한 비등을 방지하도록 한다.

기존의 방식을 나타내는 도 1과 도 2에서는 안전변(120)이 열매체환수라인에 연결된 반면, 본 발명에서는 집열기(100) 하부에 연결된 열매체공급라인에 열매체회수전자변(131)을 연결하여 집열기(100) 내의 열매체만을 신속하게 배수할 수 있도록 하고, 집열기(100) 하단의 바로 아래 위치에 저수위센서(114)를 장착하여 집열기(100) 내의 열매체가 회수되어 저수위센서(114)에서 저수위가 감지되면 열매체회수전자변(131)을 폐로하여 고장요인이 제거될 때까지 대기상태를 유지시킴으로써 열정체가 근본적으로 발생하지 않도록 한다.

본 발명은 정전이나 시스템이 꺼져 있는 상황이 되면, 집열기(100)내 열매체의 비등으로 열매체배관의 압력이 상승되고, 밀폐형팽창탱크(119)측으로 열매체가 모이게 되고, 이때 열매체의 온도를 감지한 감온식안전변(110)이 열리고, 상승한 열매체배관내의 압력으로 열매체를 팽창탱크(130)로 배수된다.

팽창탱크(130)로의 열매체 배수의 정지는 에어퍼지(111)까지 배수가 되면 자동에어밴트(112)에 의해 대기압까지 하강한 후 대기압 상태를 유지하게 된다.

본 발명은 비등하는 열매체의 압력을 유지하여 열매체의 회수를 돕고 열매체 회수량을 조정하기 위하여 도 13에서와 같이 자동에어밴트(112)를 집열기(100)의 최상부가 아닌 열매체환수라인에서 설치된 에어퍼지(111)의 상부에 설치하고, 저수위센서(114)는 팽창탱크(130)의 배출량을 감안하여 에어퍼지(111)의 열매체입구보다 조금 아래에 설치한다.

이러한 본 발명은 고장의 요인이 제거되면, 열매체보충펌프(140)를 동작시켜 팽창탱크(130)에 채워진 열매체를 열매체배관에 충전되게 하고, 저수위센서(114)에서 저수위가 해제된 이후는 순환펌프(301)(302)를 동시에 가동시켜서 열매체배관 내에 잔류해 있는 공기들이 유속에 의해 신속하게 빠지도록 한다.

그리고, 열매체흐름스위치(210)의 접점이 접속된 이후에도 충분한 시간동안 순환을 시켜 잔류공기를 완전히 제거한 다음 정상적인 집열제어로 전환되게 함으로써, 열매체충전동작을 마무리한다.

100 : 집열기 101 : 집열기출구센서
102 : 축열조하부센서 105.106 : 모니터링 센서
130 : 팽창탱크 140 : 보충펌프
160 : 방열삼방변 200 : 축열조
210 : 열매체흐름스위치 300 : 콘트롤러
301,302 : 열매체순환펌프 500 : 자동방열기
510 : 열매체써모스태트 520 : 증발자동방열기
530 ; 열매체파이프 540 : 체크밸브
550 : 냉각수 파이프

Claims (6)

1. 태양열 시스템에서 집열시작시간 1시간 후와 이전 집열동작정지 1시간 경과후에 집열동작이 개시되는 가를 체크하여 집열동작이 미개시되면 센서자가진단동작을 수행하되, 상기 센서자가진단동작은 모니터링센서 환수온도가 모니터링센서 공급온도보다 높으면 정상집열상태로써 축열조에서는 방열이 일어나야 하며 집열기에서는 흡열이 일어나야 하는 것을 전제로 하고, 이에 반하는 온도상태가 감지되면 정상적인 집열동작이 불가한 고장으로 판단하며.
   센서자가진단에 의해 집열센서 고장으로 판단되면 순환집열동작을 수행하되, 상기 순환집열동작은 설정된 집열하한량이 모니터링순시집열량보다 적으면서 설정된 비집열시간이 아니면 순환집열동작을 수행하도록 판단하는 자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템
2. 집열동작을 시작하여 순환펌프(301)를 가동시킨 후 이상집열을 감지하도록 하되 상기 이상집열은 순환펌프(301)가 가동후 모니터링지연시간 이후부터 모니터링 순시집열량이 단위집열하한보다 낮은 가를 판단하여 낮을 경우는 이상집열로 판단하고, 낮지 않을 경우는 이상집열이 아닌 것으로 판단하되 여기서 모니터링지연시간은 집열동작초기의 열매체공급배관 및 환수배관에 정체된 상태로 방열되어 온도가 저하된 열매체의 초기온도를 감지하여 생길 수 있는 이상집열감지의 오류를 줄이기 위하여 시스템의 규모나 열매체배관의 길이를 감안하여 설정하고, 단위집열하한은 집열펌프의 동작으로 소비되는 에너지는 집열량보다 적어야 태양열시스템효율 상승에 기여할 수 있으므로 통상 펌프동력의 배수로 설정하며,
   상기에서 이상집열로 판단되면 순환펌프(302)를 온/오프하여 가동시킨 후 다시 상기의 이상집열인가를 판단하도록 하고,
   순환펌프(302)의 토글 후에도 이상집열 상태로 판단되면 열매체흐름스위치(210)에서 열매체의 흐름이 있는 경우 순환집열동작을 진행하고, 열매체 흐름이 감지되지 않는 경우는 순환불가로 판단하여 집열동작을 정지시키는 자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템
3. 태양열을 집열하는 집열기(100)의 열매체는 에어퍼지(111)를 통하여 축열조(200)로 인가되고,
   상기 축열조(200)에서 열교환이 이루어진 열매체는 열매체 순환펌프(301)(302)를 통한 후 열매체흐름 스위치(210)를 통하여 집열기(100)로 순환되게 하며,
   상기 집열기(100)의 열매체 출구와 열매체 환수구 사이에는 자동방열기(500)을 설치하되 상기 자동방열기(500)는 집열기(100)의 열매체를 외부에서 공급되는 냉각수로 냉각시킨 후 체크밸브(540)를 통하여 집열기(100)로 순환되게 하는 것을 특징으로 하는 자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템.
4. 제3항에 있어서, 자동방열기(500)는 집열기(100)의 열매체가 열매체써모스태트(510)를 통한 후 증발열 교환기(520)를 거쳐 열매체파이프(530)로 흐르게 하고, 상기 열매체파이프(530)의 내측으로는 냉각수가 흐르는 냉각수파이프(550)를 설치하며, 상기 냉각수파이프(550)의 냉각수 유입구에는 방열삼방변(570)을 설치하여 냉각수의 유입과 배출을 선택하고, 상기 냉각수파이프(550)의 냉각수는 상측에 설치된 냉각수써모스태트(560)를 통하여 증발자동방열기(520)에서 증발되게 하며, 상기 열매체파이프(530)의 하측으로 배출되는 열매체는 체크밸브(540)를 통하여 집열기(100)로 회수되게 하는 것을 특징으로 하는 자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템.
5. 제3항에 있어서, 집열기(100)보다 위치적으로 낮은 위치에서 열매체공급라인에 방열삼방변(160)과 안전변(110)을 병렬로 설치한 후 상기 방열삼방변(160)과 안전변(110)을 통하여 배출되는 열매체는 팽창탱크(130)에 채워지게 하고, 상기 팽창탱크(130)에 채워진 열매체는 열매체흐름스위치(210)을 개로한 후 열매체보충펌프(140)로 열매체의 보충이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템.
6. 제3항에 있어서, 집열기(100)의 열매체배출배관에 저수위센서(114)가 장착된 에어퍼지(111)를 설치하여, 집열기(100)의 열매체 강제 배출시 저수위센서(114)로 열매체배수 수위를 조절하는 한편 재보충시에는 신속하게 열매체를 보충시키는 것을 특징으로 하는 자가진단과 응급조처를 통해 시스템의 열정체를 방지하는 태양열 시스템.

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