KR101555959B1

KR101555959B1 - 태양열 집열장치

Info

Publication number: KR101555959B1
Application number: KR1020150010053A
Authority: KR
Inventors: 박만귀; 이성수
Original assignee: 제인상사(주)
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2015-09-30

Abstract

본 발명은 태양열 집열 시스템에서 펌프 정지시 집열기에 과도한 압력이 작용하게 되는 것을 예방할 수 있으며, 열매체의 강제 순환을 위한 축열조와 열교환기의 구조를 개선하여 부피를 축소시켜 설치공간의 제약을 해소시킬 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 태양열 집열장치는, 태양으로부터 열을 흡수하기 위한 집열기(100)와; 상기 집열기(100)로부터 고온의 열매체를 공급받도록 집열기(100)와 제1연결배관(610)으로 연결되고, 열교환된 열매체가 열매체탱크(300)로 공급되도록 열매체탱크(300)와 제2연결배관(620)으로 연결되며, 상기 집열기(100)로부터 고온의 열매체를 공급받아 수용된 고온의 열매체 열과 축열조(200)에 수용된 물의 열이 열교환되도록 축열조(200)의 외측 측면부위를 감싸는 외통 구조로 형성된 열교환기(250)와; 상기 열교환기(250) 내의 고온 열매체와 열교환을 통해 축열된 물을 수용하는 내통의 구조로 형성된 축열조(200)와; 상기 집열기(100)보다 낮은 위치에 배치되고 상기 집열기(100)와 제3연결배관(630)으로 연결되며, 열교환기(250)로부터 제2연결배관(620)을 통해 공급받은 열매체가 수용 및 팽창되고 집열기(100)에서 제3연결배관(630)을 통해 유입된 열매체를 수용하는 공간을 구비하는 열매체탱크(300)와; 상기 축열조(200)와 배관 연결되며, 급수와 급탕의 공급 경로가 되는 급수배관(410) 및 급탕배관(420)과; 상기 열매체탱크(300)와 집열기(100)를 연결하는 제3연결배관(630)에 마련되며, 제어부(700)의 제어신호에 따라 작동되어 열매체탱크(300)의 열매체를 집열기(100)측으로 강제 압송하고, 정지동작시 상기 집열기(100) 내의 열매체가 상기 열매체 탱크(300)측으로 유입되도록 열매체가 통과되는 열매체펌프(810)와; 상기 집열기(100)와 열매체펌프(810) 사이의 제3연결배관(630)에 배치되며, 열매체펌프(810)의 동작시 열매체탱크(300) 내의 열매체가 제3연결배관(630)을 통해 집열기(100)측으로 유입되도록 제3연결배관(630)의 유로를 개방시키고, 열매체펌프(810)의 정지동작시 집열기(100) 내의 열매체가 제3연결배관(630)을 따라 열매체탱크(300)로 유입되도록 제3연결배관(630)의 유로를 역류 가능하게 개방시키는 양방향 개방밸브(820)와; 상기 제1연결배관(610)과 일측이 연결되고 타측은 열매체탱크(300)의 공기가배출될 수 있도록 연결되며, 상기 열매체펌프(810)의 정지시 상기 열매체탱크(300)내의 공기가 제1연결배관(610)을 통해 집열기(100)측으로 유입되도록 유체의 일방향 공급을 위해 구비되는 체크밸브(850)와, 열매체탱크(300) 내의 압력에 따라 유로를 개폐하는 제1안전밸브(V1)를 구비하는 제4연결배관(640); 및 상기 집열기(100)로부터 유출되는 열매체의 온도와 축열조(200)로부터 유출되는 급탕의 온도를 비교하여 열매체펌프(810)의 동작을 제어하는 제어부(700);로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

태양열 집열장치{SOLAR HEATING COLLECTOR}

본 발명은 태양열 집열장치에 관한 것으로, 특히 태양열 집열시스템에서 열매체펌프의 동작이 정지된 후에 집열기 내의 열매체를 열매체탱크에 수용되도록 함으로써, 평상시 집열기 내에 열매체가 잔존할 경우 태양열에 의한 열매체의 기화현상으로 인한 집열기에 과도한 압력이 발생하는 것을 차단할 수 있도록 함과 아울러, 열매체와 급탕 및 급수의 온도를 각각 측정하고 측정된 온도에 따라 펌프들의 동작을 제어하여 열매체의 열교환효율을 향상시키고, 열교환기를 축열조의 외측에 배치하는 이중 구조로 구성하고 열교환기 및 축열조를 수평방향으로 배치하여 부피를 줄여서 설치 공간의 제약을 줄일 수 있도록 그 구조가 개선된 태양열 집열장치에 관한 것이다.

오래전부터 에너지 부족 문제를 해결하기 위한 수단으로서 태양에너지를 이용하는 시도가 이루어지고 있다.

종래 이러한 태양열에너지를 이용한 온난방장치의 일례로서 태양열을 이용하는 태양열 온난방장치가 개발되어 있으며, 이러한 태양열의 이용원리를 간략하게 설명하면, 먼저 건물 외부에 설치되면서 태양열을 이용하도록 설치되는 집열기에서 가열된 열매체는 열교환기로 이송되고, 상기 열교환기에서 물과 열교환을 통하여 축열조의 온수에 열이 저장되어 필요에 따라 온수 또는 난방용으로 사용할 수 있게 된다.

이와같은 기술과 관련된 종래의 태양열 온수시스템은 건축물의 외부에 태양열을 집열하도록 마련된 집열기에서 가열된 열매체는 집열기 고온부 온도감지센서와 축열조 저온부 온도감지센서에서 감지되는 온도차에 따라 열매체 순환펌프를 자동 동작시켜 집열기에서 발생한 열을 열교환기로 이송시키게 되고, 상기 열교환기 내에서 축열조의 온수와 열교환을 통해 열을 저장시키게 되는 구성으로 이루어 진다.

이때, 상기 감지센서와 펌프등은 자동제어기에 연결되며, 태양열이 부족하면 보조 보일러를 통하여 열을 공급받도록 설치되어있다.

기존 태양열 집열시스템과 관련된 선행기술로는 한국 공개특허공보 제1999-0080610호 "태양열 시스템 축열탱크"(공개일자 : 1999.11.15)에 기재된 바와 같이, 태양열 집열판으로부터 유입되는 열에너지를 저장 및 공급하는 축열탱크 내의 물과 열교환을 위한 주름관, 난방을 위한 난방열매체출구, 회귀열매체유입구, 열매체출구 및 역순환루트를 포함하는 열매체순환수단과, 보조열매체탱크 내에 히터를 포함하는 보조가온수단과, 상기 열매체순환수단 및 보조가온수단을 내장하여 가온되기 위한 축열탱크와, 상기 히터를 제어하기 위하여 설치되고, 상기 축열탱크내의 수온을 감지하는 온도센서를 포함하는 히터제어수단과, 차단밸브를 제어하기 위한 광센서를 포함하는 개폐제어수단 및 상기 보조열매체탱크 내에 설치되어 히터를 감싸도록 이루어진 급탕관을 포함하는 급탕수단을 포함하는 구성으로 되어 있다.

이에 따라, 보조탱크를 하나의 탱크로 일체화하여 가격을 절감하고, 축적된 열의 손실을 방지하도록 하며, 급탕 요구에도 부응할 수 있는 효과를 기대한다.

또한, 기존 태양열 집열시스템의 다른 선행기술로는 한국 등록특허공보 제0820554호 "팽창탱크 기능을 갖는 열 교환기가 구비된 축열탱크"(등록일자 : 2008.04.01)에 기재된 바와 같이, 외통과 내통의 상, 하부에 상, 하판을 고정하고 상기 상, 하판에는 복수 개의 파이프를 관통되게 고정하여 열 교환기를 구성함과 함께 그 내부에 공간부가 형성되어 팽창기능을 갖도록 열 전달매체를 충진하되, 상기 열 교환기를 축열탱크의 내부에 설치하여 이송관을 따라 이송되는 열 전달 매체가 외통과 내통사이를 순환하도록 하고, 축열탱크 내의 물은 내통과 파이프를 통과하는 과정에서 열 전달 매체와 열 교환이 이루어지도록 하는 구성으로 되어 있다.

그러나, 상기와 같은 태양열 온수시스템은, 밀폐방식의 폐회로로서 정전이나 시스템의 고장시 열매체순환펌프의 동작이 정치되어 집열기 내의 열매체가 급격하게 과열됨으로써 액상(液狀)에서 기상(氣狀)으로 변화되어 급격히 팽창하게 되고, 상기와 같은 팽창에 의해 밀폐형으로 이루어진 밀폐형 팽창탱크의 기능을 마비시키게 되며, 연쇄적으로 집열기 및 배관연결구 누수 또는 파열, 각종 센서류의 고장, 펌프고장등을 발생시켜 결과적으로 시스템의 모든 기능을 마비시키게 되는 단점이 있는 것이다.

따라서, 기존 태양열 집열시스템은 폐회로 상태의 구간별 열매체의 온도 차이를 측정하고 과도한 온도 상승을 예방함과 아울러, 각각의 펌프 구동시 사용되는 에너지를 절감할 필요가 있다.

또한, 기존 태양열 집열시스템은 집열기 내에 열매체가 잔존하는 경우 태양열에 의해 집열기 내의 열매체가 고온으로 승온되면서 기화하게 됨에 따라, 과도한 압력 부하가 집열기에 작용하게 되어 집열기의 내구성이 저하되는 단점이 있다.

한국 공개특허공보 제1999-0080610호 "태양열 시스템 축열탱크"(공개일자 : 1999.11.15) 한국 등록특허공보 제0820554호 "팽창탱크 기능을 갖는 열 교환기가 구비된 축열탱크"(등록일자 : 2008.04.01)

본 발명은 상기한 제반문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 그 목적은 태양열을 이용한 집열시스템에서 집열기 내의 열매체가 펌프의 정지시에는 열매체탱크로 수용되도록 함으로써 태양열에 의해 집열기에 과도한 부하와 압력이 작용하게 되는 것을 예방할 수 있으며, 열매체와 급탕 및 급수의 온도를 각각 측정하고, 측정된 열매체의 온도에 따라 펌프의 동작을 제어함과 아울러 축열조와 열교환기의 부피를 줄일 수 있으면서 설비의 설치 공간의 제약을 줄일 수 있도록 그 구조가 개선된 태양열 집열장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 태양으로부터 열을 흡수하기 위한 집열기와; 상기 집열기로부터 고온의 열매체를 공급받도록 집열기와 제1연결배관으로 연결되고, 열교환된 열매체가 열매체탱크로 공급되도록 열매체탱크와 제2연결배관으로 연결되며, 상기 집열기로부터 고온의 열매체를 공급받아 수용된 고온의 열매체 열과 축열조에 수용된 물의 열이 열교환되도록 축열조의 외측 측면부위를 감싸는 외통 구조로 형성된 열교환기와; 상기 열교환기 내의 고온 열매체와 열교환을 통해 축열된 물을 수용하는 내통의 구조로 형성된 축열조와; 상기 집열기보다 낮은 위치에 배치되고 상기 집열기와 제3연결배관으로 연결되며, 열교환기로부터 제2연결배관을 통해 공급받은 열매체가 수용 및 팽창되고 집열기에서 제3연결배관을 통해 유입된 열매체를 수용하는 공간을 구비하는 열매체탱크와; 상기 축열조와 배관 연결되며, 급수와 급탕의 공급 경로가 되는 급수배관 및 급탕배관과; 상기 열매체탱크와 집열기를 연결하는 제3연결배관에 마련되며, 제어부의 제어신호에 따라 작동되어 열매체탱크의 열매체를 집열기측으로 강제 압송하고, 정지동작시 상기 집열기 내의 열매체가 상기 열매체 탱크측으로 유입되도록 열매체가 통과되는 열매체펌프와; 상기 집열기와 열매체펌프 사이의 제3연결배관에 배치되며, 열매체펌프의 동작시 열매체탱크 내의 열매체가 제3연결배관을 통해 집열기측으로 유입되도록 제3연결배관의 유로를 개방시키고, 열매체펌프의 정지동작시 집열기 내의 열매체가 제3연결배관을 따라 열매체탱크로 유입되도록 제3연결배관의 유로를 역류 가능하게 개방시키는 양방향 개방밸브와; 상기 제1연결배관과 일측이 연결되고 타측은 열매체탱크의 공기가배출될 수 있도록 연결되며, 상기 열매체펌프의 정지시 상기 열매체탱크내의 공기가 제1연결배관을 통해 집열기측으로 유입되도록 유체의 일방향 공급을 위해 구비되는 체크밸브와, 열매체탱크 내의 압력에 따라 유로를 개폐하는 제1안전밸브를 구비하는 제4연결배관; 및 상기 집열기로부터 유출되는 열매체의 온도와 축열조로부터 유출되는 급탕의 온도를 비교하여 열매체펌프의 동작을 제어하는 제어부;로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 열교환기와 축열조는 수평으로 배치되고, 열교환기의 열매체 입구와 출구, 축열조의 급수입구 및 급탕출구는 측방향으로 형성되어, 열매체와 급수 및 급탕이 측방향으로 공급 및 유출되며, 내통인 축열조를 외통인 열교환기가 감싸는 이중 구조로 구성된 것이다.

상기 제어부는, 상기 집열기의 열매체가 유출되는 제1연결배관에 마련되어 집열기로부터 유출되는 열매체의 온도를 측정하는 제1온도센서와, 상기 축열조의 급탕이 유출되는 급탕배관에 마련되어 축열조로부터 유출되는 급탕의 온도를 측정하는 제2온도센서 및 상기 축열조로부터 열매체탱크로 열매체가 회수되는 제2연결배관에 마련되어 축열조에서 태양열 열교환 후의 열매체 온도를 측정하는 제3온도센서와 연결되며, 상기 제1,2온도센서에서 측정된 온도의 편차를 판단하여 열매체펌프의 동작을 제어토록 구성함과 아울러, 제1,3온도센서에서 측정된 온도편차와 열매체펌프의 유량값을 곱한 축열 열량값을 계산하여 저장하는 것이다.

상기 제어부는 제1,2온도센서로부터 각각 측정된 열매체의 온도차가 10℃ 이상일 경우 열매체펌프를 온동작시키고, 상기 제1,2온도센서로부터 각각 측정된 열매체의 온도차가 5℃미만일 경우 열매체펌프가 오프동작되도록 제어하는 것이다.

상기 제어부는 상기 제2온도센서에서 측정된 온도가 미리 설정된 축열설정온도에 도달할 경우 열매체펌프를 오프동작시키도록 제어한다.

본 발명은 내통인 축열조(200)의 측면 둘레 외측에 외통 형태로 결합된 열교환기(250)가 이중 구조로 수평방향으로 배치됨에 따라, 기존 수직형 설비 구조에 비해 열교환기(250)와 축열조(200)가 차지하는 설비의 부피를 축소시킬 수 있으며, 이로 인해 설치 공간의 제약을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 열매체펌프(810)의 동작이 정지될 경우 집열기(100) 내의 열매체가 위치에너지에 의해 하측으로 낙하되어 제3연결배관(630) 및 열매체펌프(810)를 통과하여 열매체탱크(300) 내에 열매체가 전부 수용되도록 유입됨에 따라 태양열에 의한 열매체의 온도 상승으로 인한 기화 현상을 예방하여 집열기 내에 과도한 압력이 발생하는 것을 방지할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

또, 본 발명은 축열조(200)가 열교환기(250)의 내부에 배치됨에 따라, 축열조(200)의 열이 외부로 누설되는 것을 차단할 수 있게 되어 열 보존 효율을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

그리고 본 발명은 급탕배관(420)에서 측정된 급탕온도와 집열기(100)의 출구측에서 측정된 열매체의 온도를 측정하고 측정된 온도 편차에 따라 열매체펌프(810)의 온/오프 동작이 제어되도록 함으로써, 실제 열교환을 위한 열매체펌프(810)의 동작을 온도 편차로 조절하여 열교환 효율이 증대되도록 조절할 수 있으며 너무 빈번한 펌프 동작을 예방하여 전력 에너지 낭비를 줄일 수 있는 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 태양열 집열장치의 구성을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명 태양열 집열장치에서의 급탕 공급과정을 나타낸 사용상태도.

본 발명은 태양열 집열 시스템에서 펌프 정지시 집열기에 과도한 압력이 작용하게 되는 것을 예방할 수 있으며, 열매체의 강제 순환을 위한 축열조와 열교환기의 구조를 개선하여 부피를 축소시켜 설치공간의 제약을 해소시킬 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 태양열 집열장치는, 도 1 및 도 2를 참조하면, 태양으로부터 열을 흡수하기 위한 집열기(100)와; 상기 집열기(100)로부터 고온의 열매체를 공급받도록 집열기(100)와 제1연결배관(610)으로 연결되고, 열교환된 열매체가 열매체탱크(300)로 공급되도록 열매체탱크(300)와 제2연결배관(620)으로 연결되며, 상기 집열기(100)로부터 고온의 열매체를 공급받아 수용된 고온의 열매체 열과 축열조(200)에 수용된 물의 열이 열교환되도록 축열조(200)의 외측 일부위를 감싸는 외통 구조로 형성된 열교환기(250)와; 상기 열교환기(250) 내의 고온 열매체와 열교환을 통해 축열된 물을 수용하는 내통의 구조로 형성된 축열조(200)와; 상기 집열기보다 낮은 위치에 위치하며 상기 집열기(100)와 제3연결배관(630)으로 연결되며, 열교환기(250)로부터 제2연결배관(620)을 통해 공급받은 열매체가 수용 및 팽창되는 공간을 구비한 열매체탱크(300)와; 상기 축열조(200)와 배관 연결되며, 급수와 급탕의 공급 경로가 되는 급수배관(410) 및 급탕배관(420)과; 상기 열매체탱크(300)와 집열기(100)를 연결하는 제3연결배관(630)에 마련되며, 제어부(700)의 제어신호에 따라 작동되어 열매체탱크(300)의 열매체를 집열기(100)측으로 강제 압송하고, 정지동작시 상기 집열기(100) 내의 열매체가 상기 열매체 탱크(300)측으로 유입되도록 열매체의 통과가 가능한 열매체펌프(810)와; 상기 집열기(100)의 열매체가 유출되는 제1연결배관(610)에 마련되어 집열기(100)로부터 유출되는 열매체의 온도를 측정하는 제1온도센서(710)와, 상기 축열조(200)의 급탕이 유출되는 급탕배관(420)에 마련되어 축열조(200)로부터 유출되는 급탕의 온도를 측정하는 제2온도센서(720) 및 상기 열교환기(250)로부터 열매체탱크(300)로 열매체가 회수되는 제2연결배관(620)에 마련되어 축열조(200)와 열교환된 후의 열매체 온도를 측정하는 제3온도센서(730)와 연결되며, 상기 제1,2온도센서(710,720)에서 측정된 온도의 편차를 판단하여 열매체펌프(810)의 동작을 제어하고 제1,3온도센서(710,730)에서 측정된 온도편차와 열매체펌프(810)의 유량값을 곱하여 축열 열량값을 계산하여 저장하는 제어부(700)와; 상기 열매체탱크(300)와 제1연결배관(610)을 연결하는 제4연결배관(640); 및 상기 제4연결배관(640)에 마련되고 상기 열매체펌프(810)의 정지시 상기 열매체탱크(300)내의 공기를 상기 집열기(100)측으로 유입시키도록 유체의 일방향 공급을 위한 체크밸브(850);로 구성된다.

더 상세히 설명하면, 열교환기(250)는 내통인 축열조(200)의 외측 일부위를 감싸는 형태의 외통 구조로 구성되고, 수평방향으로 눕혀지도록 배치되며, 열매체가 열교환기(250)의 입구 및 출구를 통해 횡방향으로 흐르고, 급수 및 급탕이 축열조(200)의 급수입구 및 급탕출구를 통해 횡방향으로 흐르는 유로를 갖는다.

상기 열교환기(250)는 타측이 집열기(100)의 출구측과 배관 연결되고, 일측이 열매체탱크(300)와 배관 연결된 구조를 갖는다.

집열기(100)는 다수의 집열판이 집적되어 열매체가 통과되면서 태양열의 집열 과정에서 발생되는 열에 의해 열매체가 승온되는 구조를 갖는다.

열매체탱크(300)는 집열기(100) 내의 열매체가 전부 수용되는 용적 크기를 가지며, 집열기(100)보다 낮은 위치에 배치되어 열매체펌프(810)의 정지동작시 위치에너지에 의해 집열기(100) 내의 열매체가 내부에 전부 수용된다.

또한, 축열조(200)는 열교환기(250)의 내부에 배치되고 급수와 급탕의 이동이 가능하도록 타측에 급수배관(410) 및 급탕배관(420)이 연결된 구조를 갖는다.

즉, 열교환기(250)는 일측이 집열기(100)의 입구측과 열매체탱크(300)를 경유토록 배관 연결되고, 타측은 집열기(100)의 출구측과 배관 연결된 구조를 갖는다.

여기서, 집열기(100)의 출구측과 열교환기(250)의 타측을 연결하는 배관을 제1연결배관(610)이라 칭하고, 열교환기(250)의 일측과 열매체탱크(300)의 일측을 연결하는 배관을 제2연결배관(620)이라 지칭하며, 열매체탱크(300)의 일측과 집열기(100)의 입구측을 연결하는 배관을 제3연결배관(630)이라 지칭하고, 열매체탱크(300)의 타측과 제1연결배관(610)을 연결하는 배관을 제4연결배관(640)이라 지칭하기로 한다.

제1연결배관(610)에는 집열기(100)의 출구 측으로부터 유출되는 열매체의 온도를 측정하는 제1온도센서(710)가 배치되고 열매체의 압력을 측정하는 제1압력계(P1)가 배치된다.

또한, 급탕배관(420)에는 승온된 급탕의 온도와 압력을 측정하도록 제2온도센서(720)와 제2압력계(P2)가 배치되어 있다.

제3연결배관(630)에는 열매체펌프(810)가 배치되고, 열매체펌프(810)와 집열기(100) 사이에 양방향으로 열매체가 유동되도록 양방향 개방밸브(820)가 마련되어 있다.

양방향 개방밸브(820)는 상기 집열기(100)와 열매체펌프(810) 사이의 제3연결배관(630)에 마련되며, 열매체펌프(810)의 동작시 열매체탱크(300)내의 열매체가 제3연결배관(630)을 통해 집열기(100)측으로 유입되도록 제3연결배관(630)의 유로를 개방시키고, 열매체펌프(810)의 정지동작시에는 열매체탱크(300)보다 높은 위치에 배치된 집열기(100)에 위치에너지가 발생하게 됨에 따라 집열기(100)내의 열매체가 제3연결배관(630)을 따라 열매체탱크(300)로 유입되도록 역류 가능하게 제3연결배관(630)의 유로를 개방시키는 구조를 갖는다.

이를 위해 제3연결배관(630)은 집열기(100)의 하부에 배관 연결되는 구조를 갖는다.

그리고 제4연결배관(640)에는 열매체탱크(300) 내의 열매체에 의해 작용하는 압력에 따라 유로를 개폐할 수 있는 제1안전밸브(V1)와 체크밸브(850)가 배치되고, 급탕배관(420)에도 급탕의 온도, 압력 기준에 따라 유로가 개폐 작동되는 제2안전밸브(V2)가 배치되어 있다.

체크밸브(850)는 열매체펌프(810)의 정지동작시 집열기(100)내의 열매체가 열매체탱크(300) 내부로 역류됨에 따라 열매체탱크(300)내의 공기가 제4연결배관(640)을 통해 집열기(100)내로 유입되도록 일방향으로 개방되는 기능을 수행하게 된다.

한편, 집열기(100)내에 충전된 공기는 열매체펌프(810)의 동작시 집열기(100)내에 열매체가 충전됨에 따라 제1연결배관(610)을 통해 열교환기(250) 내에 유입된 후에 제2연결배관(620)를 통해 열매체탱크(300)의 내부로 유입된다.

또, 제1연결배관(610)에는 열교환기(250)의 내부로 공급되는 열매체의 온도를 측정하고 이를 표시하기 위한 제1온도계(T1)가 배치되고, 급탕배관(420)에는 축열조(200)로부터 배출되는 급탕의 온도를 측정하고 이를 표시하기 위한 제2온도계(T2)가 배치되어 있다.

제3연결배관(630)에는 열교환기(250)에서 이송되어 열매체탱크(300) 내에 수용된 열매체를 집열기(100)의 입구측으로 압송하는 열매체펌프(810)가 배치된다.

또한, 축열조(200)는 타측에 급수배관(410) 및 급탕배관(420)이 각각 연결된 구조를 갖는다.

급탕배관(420)에는 축열조(200)로부터 배출되는 급탕의 온도를 측정하도록 축열조(200)와 근접된 위치의 급탕배관(420)에 제2온도센서(720)가 구비된다.

제1,2,3온도센서(710,720,730)는 바이메탈식 온도센서를 채용할 수 있으며, 각각의 제1연결배관(610)과 급탕배관(420)에서 측정된 집열기(100)의 출구측 열매체 온도와 급탕의 온도 및 열교환기에서 열교환된 후 열매체탱크로 회수되는 열매체의 온도들을 각각 측정하고, 측정된 각각의 온도신호들을 제어부(700)로 출력하는 기능을 갖는다.

제어부(700)는 제1,2온도센서(710,720)로부터 각각 측정된 열매체와 급탕의 온도 편차에 따라 열매체펌프(810)의 동작을 제어하는 제어신호를 출력하게 된다.

예를 들어 제어부(700)는 제1,2온도센서(710,720)로부터 각각 측정된 열매체와 급수의 온도차가 10℃ 이상일 경우 열매체펌프(810)를 온동작시키고, 제1,2온도센서(710,730)로부터 각각 측정된 열매체와 급수의 온도차가 5℃미만일 경우 열매체펌프(810)가 오프동작되도록 제어한다.

이때 제1연결배관(610)을 통과하는 열매체는, 집열기(100)의 출구측을 통해 유출되고, 제1온도센서(710)로부터 측정된 열매체의 온도가 제2온도센서(720)와 제3온도센서(730)에서 측정된 급탕과 열매체의 온도보다 높은 온도를 유지하게 된다.

한편, 제어부(700)는 제2온도센서(720)로부터 측정된 급탕의 온도가 미리 설정된 축열설정온도에 도달하게 될 경우 열매체펌프(810)를 오프동작시키도록 제어하는 제어신호를 출력하게 된다.

여기서 제어부(700)가 제1,2온도센서(710,720)로부터 각각 측정된 열매체와 급탕의 상한치 온도차가 10℃ 이상일 때 열매체펌프(810)를 온동작시키는 것은, 10℃이상보다 더 상한치 온도차를 높일 경우에는 열교환을 위한 열매체펌프(810)의 동작조건을 벗어나는 온도차(10℃ 초과)의 경우가 쉽지 않기 때문에 실제 열매체펌프(810)가 온동작되지 않아 열매체의 열교환이 이루어지지 않아서 열 교환 효율이 저하되는 단점이 있다.

또한, 제1,2온도센서(710,720)로부터 각각 측정된 열매체와 급탕의 하한 온도차가 5℃보다 더 미만일 경우에는 너무 자주 열매체펌프(810)가 불필요하게 온동작되어 전력 에너지가 낭비될 우려가 있다.

또한, 제어부(700)는 제1,3온도센서(710,730)에서 측정된 온도편차와 열매체펌프(810)의 유량값을 곱하여 축열 열량값을 계산하여 저장할 수 있으며, 이 저장된 축열 열량값 및 시간별 누적 축열 열량값을 외부로 출력할 수 있게 된다.

본 발명은 태양열이 존재하는 낮에는 집열기(100)를 이용하여 열매체를 승온할 수 있으나, 태양열이 없는 야간에는 보조수단을 이용하여 급수를 승온시킬 수 있다.

보조수단은 급탕배관(420)과 메인급탕배관을 연결하는 분기배관(410-1)과, 분기배관(410-1)에 마련되어 태양열이 있을 경우 개방되고 태양열이 없을 경우 닫히도록 개폐동작되는 개폐밸브(910)와, 개폐밸브(910)의 개방동작시 공급되는 급수를 가열시켜 승온된 급탕을 급탕배관(420)으로 공급하기 위한 보조 보일러(500)로 구성된다.

보조 보일러(500)는 급수배관(410) 및 급탕배관(420)과 연결된 메인 급수배관(410A)과 연결된다.

또한, 메인 급수배관(410A)과 급수배관(410) 및 급탕배관(420)에는 급수 또는 급탕을 보조 보일러(500)측으로 선택적으로 공급하기 위한 복수의 조절밸브(920)가 마련되어 있다.

각 조절밸브(920)는 메인급수배관(410A)으로부터 분기되는 급수배관(410)의 유로를 개폐시키는 제1조절밸브(920a)와, 메인급수배관(410A)과 보조 보일러(500) 사이의 유로를 개폐시키는 제2조절밸브(920b)와, 메인급수배관(410A)으로부터 분기되는 급탕배관(420)의 유로를 개폐시키는 제3조절밸브(920c)로 구성된다.

각각의 조절밸브(920)들은 태양열의 유무에 따라 개방 및 닫힘동작되어 급수 또는 급탕의 공급방향을 선택하게 되며, 상기한 조절밸브(920)들은 태양열이 있을 경우에는 메인 급수배관(410A)으로부터 보조 보일러(500) 사이의 유로를 폐쇄시켜 축열조(200) 내부로 급수를 공급하게 되며, 태양열이 없을 경우 메인 급수배관(410A)과 보조 보일러(500) 사이의 유로를 개방시켜 급수가 보조 보일러(500)를 통과하여 승온된 후에 급탕배관(420)으로 공급되도록 한다.

조절밸브(920)는 메인급수배관(410A)에서 급수배관(410)측으로 급수를 공급할 경우, 제1조절밸브(920a)를 개방시키고 제2조절밸브(920b)를 폐쇄시켜 급수배관측으로 급수를 공급하게 되는 반면에, 급수를 보조 보일러(500)측에 공급할 경우에는 제3조절밸브(920c)를 폐쇄시키고 제2조절밸브(920b)를 개방시켜 메인급수배관(410A)으로부터 급수를 보조 보일러(500)측으로 공급할 수 있으며, 급탕배관(420)으로부터 급탕을 보조 보일러(500)측으로 공급할 경우 개폐밸브(910)를 폐쇄시키고 제3조절밸브(920c)를 개방시킴과 아울러 제2조절밸브(920b)를 폐쇄시켜 급탕을 보조 보일러(500)측으로 공급할 수 있고, 급탕을 보조 보일러(500)를 거치지 않고 메인급탕배관(420A)측으로 직접 공급할 경우에는 제3조절밸브(920c)를 폐쇄시키고 개폐밸브(910)를 개방시켜 급탕을 메인급탕배관(420A)측으로 공급할 수 있다.

즉, 보조 보일러(500)는 태양열이 없는 야간 또는 비상시에 개폐밸브(910)의 개방동작시 급수배관(410)을 통해 메인 급탕배관(420A)측으로 공급되는 급수를 승온시키는 기능을 수행하게 된다.

상기한 바와 같이 설명한 본 발명은 내통인 축열조(200)의 외측에 외통인 열교환기(250)가 이중 구조로 수평방향으로 배치됨에 따라, 기존 수직형 설비 구조에 비해 열교환기(250)와 축열조(200)가 차지하는 설비의 부피를 축소시킬 수 있으며, 이로 인해 설치 공간의 제약을 줄일 수 있다.

본 발명은 열매체펌프(810)의 동작이 정지될 경우 집열기(100) 내의 열매체가 위치에너지에 의해 하측으로 낙하되어 제3연결배관(630) 및 열매체펌프(810)를 통과하여 열매체탱크(300) 내에 열매체가 전부 수용되도록 유입됨에 따라 태양열에 의한 열매체의 온도 상승으로 인한 기화 현상을 예방하여 집열기 내에 과도한 압력이 발생하는 것을 방지할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 축열조(200)가 열교환기(250)의 내부에 배치됨에 따라, 축열조(200)의 열이 외부로 누설되는 것을 차단할 수 있게 되어 열 보존 효율을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

그리고 본 발명은 급탕배관(420)에서 측정된 급탕온도와 집열기(100)의 출구측에서 측정된 열매체의 온도들의 온도 편차에 따라 열매체펌프(810)의 온/오프 동작이 제어되도록 함으로써, 실제 열교환을 위한 열매체펌프(810)의 동작을 온도 편차로 조절하여 열교환 효율을 적당한 범위내에서 조절할 수 있으며 너무 빈번한 펌프 동작을 예방하여 전력 에너지 낭비를 줄일 수 있는 이점을 갖는다.

100 : 집열기 200 : 축열조
250 : 열교환기 300 : 열매체탱크
410 : 급수배관 420 : 급탕배관
410A : 메인 급수배관 410-1 : 분기배관
420A : 메인 급탕배관 500 : 보조 보일러
610,620,630,640 : 제1,2,3,4연결배관 700 : 제어부
710,720,730 : 제1,2,3온도센서 810 : 열매체펌프
820 : 양방향 개방밸브 850 : 체크밸브
910 : 개폐밸브 920 : 조절밸브
920a,920b,920c : 제1,2,3조절밸브 P1,P2 : 제1,2압력계
T1,T2 : 제1,2온도계 V1,V2 : 제1,2안전밸브

Claims

태양으로부터 열을 흡수하기 위한 집열기(100)와;
상기 집열기(100)로부터 고온의 열매체를 공급받도록 집열기(100)와 제1연결배관(610)으로 연결되고, 열교환된 열매체가 열매체탱크(300)로 공급되도록 열매체탱크(300)와 제2연결배관(620)으로 연결되며, 상기 집열기(100)로부터 고온의 열매체를 공급받아 수용된 고온의 열매체 열과 축열조(200)에 수용된 물의 열이 열교환되도록 축열조(200)의 외측 측면부위를 감싸는 외통 구조로 형성된 열교환기(250)와;
상기 열교환기(250) 내의 고온 열매체와 열교환을 통해 축열된 물을 수용하는 내통의 구조로 형성된 축열조(200)와;
상기 집열기(100)보다 낮은 위치에 배치되고 상기 집열기(100)와 제3연결배관(630)으로 연결되며, 열교환기(250)로부터 제2연결배관(620)을 통해 공급받은 열매체가 수용 및 팽창되고 집열기(100)에서 제3연결배관(630)을 통해 유입된 열매체를 수용하는 공간을 구비하는 열매체탱크(300)와;
상기 축열조(200)와 배관 연결되며, 급수와 급탕의 공급 경로가 되는 급수배관(410) 및 급탕배관(420)과;
상기 열매체탱크(300)와 집열기(100)를 연결하는 제3연결배관(630)에 마련되며, 제어부(700)의 제어신호에 따라 작동되어 열매체탱크(300)의 열매체를 집열기(100)측으로 강제 압송하고, 정지동작시 상기 집열기(100) 내의 열매체가 상기 열매체 탱크(300)측으로 유입되도록 열매체가 통과되는 열매체펌프(810)와;
상기 집열기(100)와 열매체펌프(810) 사이의 제3연결배관(630)에 배치되며, 열매체펌프(810)의 동작시 열매체탱크(300) 내의 열매체가 제3연결배관(630)을 통해 집열기(100)측으로 유입되도록 제3연결배관(630)의 유로를 개방시키고, 열매체펌프(810)의 정지동작시 집열기(100) 내의 열매체가 제3연결배관(630)을 따라 열매체탱크(300)로 유입되도록 제3연결배관(630)의 유로를 역류 가능하게 개방시키는 양방향 개방밸브(820)와;
상기 제1연결배관(610)과 일측이 연결되고 타측은 열매체탱크(300)의 공기가배출될 수 있도록 연결되며, 상기 열매체펌프(810)의 정지시 상기 열매체탱크(300)내의 공기가 제1연결배관(610)을 통해 집열기(100)측으로 유입되도록 유체의 일방향 공급을 위해 구비되는 체크밸브(850)와, 열매체탱크(300) 내의 압력에 따라 유로를 개폐하는 제1안전밸브(V1)를 구비하는 제4연결배관(640); 및
상기 집열기(100)로부터 유출되는 열매체의 온도와 축열조(200)로부터 유출되는 급탕의 온도를 비교하여 열매체펌프(810)의 동작을 제어하는 제어부(700);로 구성된 것을 특징으로 하는 태양열 집열장치.
청구항 1에 있어서,
상기 열교환기(250)와 축열조(200)는 수평으로 배치되고, 열교환기(250)의 열매체 입구와 출구, 축열조(200)의 급수입구 및 급탕출구는 측방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 태양열 집열장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부(700)는 상기 집열기(100)의 열매체가 유출되는 제1연결배관(610)에 마련되어 집열기(100)로부터 유출되는 열매체의 온도를 측정하는 제1온도센서(710)와, 상기 축열조(200)의 급탕이 유출되는 급탕배관(420)에 마련되어 축열조(200)로부터 유출되는 급탕의 온도를 측정하는 제2온도센서(720)에서 측정된 온도의 편차를 판단하여 열매체펌프(810)의 동작을 제어하고,
상기 집열기(100)의 열매체가 유출되는 제1연결배관(610)에 마련되어 집열기(100)로부터 유출되는 열매체의 온도를 측정하는 제1온도센서(710)와, 상기 열교환기(250)로부터 열매체탱크(300)로 열매체가 회수되는 제2연결배관(620)에 마련되어 축열조(200)와 열교환된 열매체 온도를 측정하는 제3온도센서(730)에 측정된 온도편차 및 열매체펌프(810)의 유량값으로 축열 열량값을 산정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양열 집열장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부(700)는 제1,2온도센서(710,720)로부터 각각 측정된 온도차가 10℃ 이상일 경우 열매체펌프(810)를 온동작시키고,
상기 제1,2온도센서(710,720)로부터 각각 측정된 온도차가 5℃미만일 경우 열매체펌프(810)가 오프동작되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부(700)는 제2온도센서(720)에서 측정된 온도가 미리 설정된 축열설정온도에 도달할 경우 열매체펌프(810)를 오프동작시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열장치.