KR101568606B1 - 태양광열 모듈 및 이 태양광열 모듈을 포함하는 태양광열 및 지열 시스템 - Google Patents

태양광열 모듈 및 이 태양광열 모듈을 포함하는 태양광열 및 지열 시스템 Download PDF

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남유진
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청주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광열(PVT) 모듈에 있어서, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지를 포함하는 태양전지층; 상기 태양전지층의 하부에 부착된 발포금속층; 상기 발포금속층의 하부에 부착되는 복수개의 집열판 유닛; 및 상기 복수개의 집열판 유닛의 하부에 배치된 평판형의 단열층;을 포함하고, 상기 집열판 유닛의 각각은, 제1 측면에서 이와 대향하는 제2 측면까지 관통하고 액체가 그 내부를 흐를 수 있는 제1 유체 채널을 포함하고, 상기 제1 측면에서 바라본 상기 집열판 유닛의 단면이 역삼각형 형상을 가지며, 상기 집열판 유닛의 하부면과 상기 단열층의 상부면 사이의 공간이 공기가 통과할 수 있는 제2 유체 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 PVT 모듈, 그리고 이 PVT 모듈을 이용한 태양광열 및 지열 시스템이 제공된다.

Description

태양광열 모듈 및 이 태양광열 모듈을 포함하는 태양광열 및 지열 시스템 {Photovoltaic/thermal(PVT) module and Geo-PVT system with the PVT module}
본 발명은 태양광열(PVT) 모듈 및 이 PVT 모듈을 포함하는 태양광열 및 지열 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 내구성을 향상시킨 PVT 모듈, 및 이 PVT 모듈과 지열을 이용하여 건물 부하의 급탕 및 냉/난방을 위한 에너지를 공급할 수 있는 내양광열 및 지열 시스템에 관한 것이다.
화석연료를 대체하는 대체 에너지원으로서 태양광, 태양열, 지열 등을 이용하는 추세가 증가하고 있다. 태양광을 이용하기 위해 태양전지를 사용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 광전지(PV) 모듈이 사용되고 있다. 그런데 PV 모듈은 태양으로부터 유입되는 태양열 및 태양전지에서 전기를 변환하면서 발생하는 열에 의해 PV 모듈의 온도가 상승하고 이로 인해 태양전지 효율이 떨어지는 문제가 있다.
이 문제를 해결하는 방법 중 하나로서 PV 모듈의 뒷면에 집열모듈을 결합한 태양광열(PVT) 모듈이 최근 이용되고 있다. PVT 모듈은 PV 모듈에서 발생되는 열을 집열모듈이 집열하여 이 집열모듈 내를 통과하는 열매체와 열교환함으로써 PV 모듈의 온도 상승을 막고 집열모듈에서 열교환된 열을 재사용할 수 있는 이점이 있다.
이와 관련하여 도1은 종래의 일반적인 PVT 모듈(10)을 단면을 도식적으로 나타낸다. 도면을 참조하면 일반적인 PVT 모듈(10)은 최상부의 글래스층(1)과 그 아래의 태양전지층(3)으로 구성된 PV 모듈, 및 금속성의 집열판(5)과 열교환층(7) 및 단열층(8)으로 구성된 집열모듈이 결합되어 있다. 이 때 태양전지층(3)과 집열판(5)이 예컨대 접착제나 기계적 접합구조에 의해 결합되어 PV 모듈과 집열모듈이 결합되어 있다. 열교환층(7)은 일반적으로 집열판(5) 하부에 부착되고 액체나 기체의 열교환 매체가 흐를 수 있는 파이프(9)가 매설되어 있다. 이러한 구조에서, 태양전지층(3)에서 발생한 열이 집열판(5)을 거쳐 열교환층(7)으로 전달되어 열교환층(7)의 파이프를 흐르는 열매체와 열교환함으로써 PVT 모듈이 냉각된다.
그런데 이러한 PVT 모듈은 기존의 PV 모듈과 집열 모듈을 결합한 구조이므로 PV 모듈과 집열모듈의 접합 문제가 발생한다. 즉 PV 모듈의 지속적인 가열 및 냉각에 따라 PV 모듈 패널이 팽창과 수축을 하게 되어 PV 모듈이 휘거나 변형되고, 이에 따라 PV 모듈에 부착된 집열 모듈과의 접착성이 나빠져서 PVT 모듈의 내구성이 약해지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 예를들어 "열교환장치가 설치된 태양전지의 변형 방지장치"를 개시한 한국등록공보 제0950898호(2010년 3월 26일 등록)는 폴리우레탄을 성형하여 집열모듈의 측면부를 감싸도록 밀폐하되 PV 모듈과 집열모듈 사이에 폴리우레탄을 개재하여 PV 모듈과 집열모듈이 일체가 되도록 하는 구성을 개시한다. 그러나 이 구성에 따르면 PV 모듈과 집열모듈 사이에 열전도율이 낮은 폴리우레탄이 개재되어 있으므로 PV 모듈에서 발생한 열이 집열모듈로 원활히 전달되지 못하는 단점이 있다.
한국 등록특허 제0950898호 (2010년 3월 26일 등록)
본 발명의 일 실시예에 따르면, PV 모듈과 집열모듈 사이에 탄성과 열전도율이 우수한 재질을 개재시키고 결합함으로써 PVT 모듈의 변형을 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있는 PVT 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 집열판과 열교환층을 별도로 구비하지 않고 하나의 구조물로서 집열기능과 열교환 기능을 수행할 수 있는 집열판을 구비한 PVT 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기한 PVT 모듈을 포함하는 태양광열 및 지열 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광열(PVT) 모듈에 있어서, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지를 포함하는 태양전지층; 상기 태양전지층의 하부에 부착된 발포금속층; 상기 발포금속층의 하부에 부착되는 복수개의 집열판 유닛; 및 상기 복수개의 집열판 유닛의 하부에 배치된 평판형의 단열층;을 포함하고, 상기 집열판 유닛의 각각은, 제1 측면에서 이와 대향하는 제2 측면까지 관통하고 액체가 그 내부를 흐를 수 있는 제1 유체 채널을 포함하고, 상기 제1 측면에서 바라본 상기 집열판 유닛의 단면이 역삼각형 형상을 가지며, 상기 집열판 유닛의 하부면과 상기 단열층의 상부면 사이의 공간이 공기가 통과할 수 있는 제2 유체 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 PVT 모듈이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광열 및 지열 시스템에 있어서, 상기 제1항 또는 제2항에 따른 태양광열(PVT) 모듈; 지중에 매설되어 지중의 열을 흡수하거나 지중에 열을 방출하는 지중 열교환기; 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 제1 측에서 제2 측으로 또는 제2 측에서 제1 측으로 열을 전달하는 히트펌프; 상기 PVT 모듈의 냉각을 위해 상기 PVT 모듈과 상기 히트펌프의 제1 측 사이에서 제1 열매체가 순환하는 제1 경로, 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프의 제1 측 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제2 경로, 및 상기 PVT 모듈의 냉각을 위해 상기 PVT 모듈과 상기 지중 열교환기 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제3 경로를 포함하는 제1 순환 배관 세트; 급탕 및/또는 냉난방을 위해 상기 히트펌프의 제2 측과 건물 부하 사이에서 열교환을 하는 제2 열매체가 순환하는 제2 순환 배관 세트; 및 상기 PVT 모듈의 집열판 유닛의 제2 유체 채널을 흐르는 공기를 건물 부하에 공급할 수 있는 공기 공급라인;을 포함하고, 상기 PVT 모듈의 집열판 유닛의 제1 유체 채널을 흐르는 상기 액체가 상기 제1 열매체인 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광열 및 지열 시스템에 있어서, 상기 제1항 또는 제2항에 따른 태양광열(PVT) 모듈; 온수를 저장하는 축열탱크; 지중에 매설되어 지중의 열을 흡수하거나 지중에 열을 방출하는 지중 열교환기; 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 제1 측에서 제2 측으로 또는 제2 측에서 제1 측으로 열을 전달하는 히트펌프; 상기 PVT 모듈의 냉각을 위해 상기 PVT 모듈과 상기 축열탱크 사이에서 제1 열매체가 순환하는 제1 경로, 상기 축열탱크와 상기 히트펌프의 제1 측 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제2 경로, 건물의 냉난방을 위해 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프의 제1 측 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제3 경로, 및 상기 PVT 모듈의 냉각을 위해 상기 PVT 모듈과 상기 지중 열교환기 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제4 경로를 포함하는 제1 순환 배관 세트; 건물의 냉난방을 위해 상기 히트펌프의 제2 측과 건물 부하 사이에서 열교환을 하는 제2 열매체가 순환하는 제2 순환 배관 세트; 상기 축열탱크 내의 온수를 상기 건물 부하에 공급할 수 있는 급탕 라인; 및 상기 PVT 모듈의 집열판 유닛의 제2 유체 채널을 흐르는 공기를 상기 건물 부하에 공급할 수 있는 공기 공급라인;을 포함하고, 상기 PVT 모듈의 집열판 유닛의 제1 유체 채널을 흐르는 상기 액체가 상기 제1 열매체인 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, PV 모듈과 집열모듈 사이에 탄성과 열전도율이 우수한 재질을 개재시키고 결합함으로써 PVT 모듈의 변형을 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 집열판과 열교환층을 별도로 구비하지 않고 하나의 구조물로서 집열기능과 열교환 기능을 수행함으로써 PVT 모듈의 구성이 간단하면서도 열교환 효율이 뛰어난 이점이 있다.
도1은 종래의 태양광열(PVT) 모듈을 설명하기 위한 도면,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PVT 모듈을 설명하기 위한 도면,
도3은 본 발명의 대안적 실시예에 따른 PVT 모듈을 설명하기 위한 도면,
도4a 및 도4b는 일 실시예에 따른 집열판의 단면도와 사시도,
도5a 및 도5b는 대안적 실시예에 따른 집열판의 단면도와 사시도,
도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광열 및 지열 시스템을 설명하기 위한 도면,
도7은 제1 실시예의 시스템을 이용한 제1 동작 모드를 설명하기 위한 도면,
도8은 제1 실시예의 시스템을 이용한 제2 동작 모드를 설명하기 위한 도면,
도9는 제1 실시예의 시스템을 이용한 제3 동작 모드를 설명하기 위한 도면,
도10은 제2 실시예의 시스템을 이용한 제1 동작 모드를 설명하기 위한 도면,
도11은 제2 실시예의 시스템을 이용한 제2 동작 모드를 설명하기 위한 도면,
도12는 제2 실시예의 시스템을 이용한 제3 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "위" (또는 "아래", "오른쪽", 또는 "왼쪽")에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소의 위(또는 아래, 오른쪽, 또는 왼쪽)에 직접 위치될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한 본 명세서에서 구성요소간의 위치 관계를 설명하기 위해 사용되는 '상부(위)', '하부(아래)', '좌측', '우측', '전면', '후면' 등의 표현은 절대적 기준으로서의 방향이나 위치를 의미하지 않으며, 각 도면을 참조하여 본 발명을 설명할 때 해당 도면을 기준으로 설명의 편의를 위해 사용되는 상대적 표현이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PVT 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도시한 실시예의 PVT 모듈은 글래스층(111), 태양전지층(113), 발포금속층(115), 복수개의 집열판 유닛(120)으로 이루어진 집열층, 및 단열층(118)을 포함할 수 있다.
글래스층(111)은 PVT 모듈의 가장 상부에 배치되며 PVT 모듈을 외부로부터 보호하는 역할을 한다. 글래스층(111)은 태양광의 반사를 방지하고 투과율이 높은 재질의 강화유리로 제조되는 것이 일반적이지만 글래스층(111)의 재질은 특정 종류에 한정되지 않는다. 대안적 실시예에서 PVT 모듈(100)이 유리를 포함하지 않는 형태의(즉, "unglazed" 방식의) PVT 모듈인 경우 글래스층(111)을 포함하지 않을 수도 있다.
태양전지층(113)은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지를 포함한다. 태양전지는 예컨대 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell), 적층형 태양전지(tandem solar cell), 염료감응형 또는 CdTe, CIGS형 태양전지 등일 수 있으며 본 발명은 특정 종류의 태양전지에 제한되지 않는다.
태양전지층(113)은 태양전지가 실장된 기판을 포함하며 또한 이 기판을 상부 또는 하부에서 밀봉하고 보호하는 밀봉재를 더 포함할 수 있다. 밀봉재는 예를 들어 에틸렌 초산 비닐 수지(Ethylene Vinyl Acetate: EVA) 필름이 사용될 수 있다.
발포금속층(115)은 태양전지층(113)의 하부면에 부착된다. 발포금속층(115)은 내부에 다수의 기포가 형성된 다공성 금속으로 제조되며 충격 흡수성과 탄성력을 가지면서도 내열성이 뛰어나며 열전도성도 우수하다.
일 실시예에서 발포금속층(115)은 얇은 판상형태를 가지며 태양전지층(113)과 집열판(120) 사이에 개재되어 배치된다. 이에 따라 발포금속층(115)은 태양전지층(113)과 집열판(120)의 열전도 차이로 인한 열응력에 완충작용을 할 수 있어 열응력에 기인한 PVT 모듈의 변형을 방지하고 내구성 향상에 도움을 줄 수 있다.
발포금속층(115)의 두께는 특정 수치로 특별히 제한되지 않는다. 다만 일반적으로 임의의 금속의 발포금속층이 해당 금속의 동일 두께의 금속패널층에 비해서는 열전도성이 떨어지므로, 가능하면 얇은 두께를 갖는 것이 바람직할 것이다.
바람직한 일 실시예에서 태양전지층(113)과 발포금속층(115) 사이의 접합면은 열전도성이 우수한 열접착제(thermal adhesive)(114)를 사용하여 접합한다. 열접착제는 예를 들어 실온에서 경화되는 열전도성 실리콘 접착제(Thermally Conductive Ethoxy Cure RTV)를 사용할 수 있다. 종래의 PVT 모듈에서는 태양전지층과 그 아래쪽의 층(예컨대 집열판)의 결합을 위해 일반적인 접착제를 사용하거나 기계적 접합 방식을 이용하였지만, 본 발명의 실시예에서와 같이 열접착제(114)를 태양전지층(113)과 발포금속층(115)를 접합함으로써, 태양전지층에서 발생한 열이 발포금속층으로 더 효과적으로 전달될 수 있다. 또한 대안적 실시예에서 발포금속층(115)과 집열층 사이의 접합도 열접착제를 이용할 수 있음은 물론이다.
발포금속층(115)의 하부면에 부착되는 집열층은 복수개의 집열판 유닛(120)으로 이루어진다. 집열판 유닛(120)의 각각은 상부면이 평평한 블록 형상이되 단면이 역삼각형 형상을 가진다.
도시한 것처럼 복수개의 집열판 유닛(120)들이 서로 평행하게 배치되어 발포금속층(115) 하부에 부착된다. 각 집열판 유닛(120)의 단면이 역삼각형 형상이므로, 집열판 유닛(120)의 상부면은 평평하여 상부면 전체가 발포금속층(115)에 부착될 수 있고, 하부면은 경사져 있으므로 복수개의 집열판 유닛(120)이 부착된 하부 형상은 도시한 것처럼 요철 구조를 갖게 된다.
한편 집열판 유닛(120)의 각각은 내부에 유체가 흐를 수 있는 유체 채널(130)을 포함하며, 이에 따라 집열판 유닛(120)은 종래의(예컨대 도1의) 열교환층 역할도 수행한다. 즉 본 발명의 실시예에 따른 집열판 유닛(120)은 태양전지층(113)으로부터의 열을 집열하는 기능 및 이 집열된 열을 유체 채널(130)의 유체에 전달함으로써 열교환하는 기능을 모두 포함하므로, 종래와 같이 집열층과 열교환층을 각기 별도로 구비할 필요가 없어 간단한 구성으로 집열 기능과 열교환 기능을 모두 수행할 수 있다.
단열층(118)은 복수개의 집열판 유닛(120)으로 구성된 집열층 하부에 배치된다. 도시한 실시예에서 단열층(118)은 평판형의 단열층으로 구성되어 복수개의 집열판 유닛(120) 하부에 배치된다. 집열판 유닛(120)의 하부가 요철 구조로 되어 있으므로, 집열판 유닛(120)의 하부면과 단열층(118)의 상부면 사이에 빈 공간이 형성될 수 있다. 일 실시예에서 이 공간에 기체나 액체를 흐르게 함으로써 이 공간이 또다른 유체 채널(150)로서 역할을 할 수 있다. 집열판 유닛(120)이 집열한 열에너지의 전부가 유체 채널(130)의 열매체로 전달되지 않는 경우 집열판 유닛(120)의 하부면과 접하는 유체 채널(150)을 흐르는 기체나 액체를 통해 열전달이 일어나기 때문에, 이와 같이 두 개의 유체 채널(120,150)을 형성함으로써 열전달 효율을 더 높일 수 있는 이점이 있다.
한편 도면에 도시하지 않았지만 PVT 모듈(100)은 실시 형태에 따라 다른 추가의 층이나 구조물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어 PVT 모듈(100)은 단열층(118) 하부에 후면기판을 더 포함할 수 있다. 후면기판은 방수, 절연 등의 기능을 하는 백시트로서 역할을 하는 TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 재질로 형성될 수 있다. 또한 PVT 모듈(100)은 유체 채널(130)과 유체 채널(150)의 각각에 유체를 공급하는 유입구와 유체를 배출하는 배출구를 더 포함할 수 있으며, 본 발명과 직접적 관련이 없으므로 도시를 생략하였다.
도3은 본 발명의 대안적 실시예에 따른 PVT 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도시한 대안적 실시예의 PVT 모듈(100')은 글래스층(111), 태양전지층(113), 발포금속층(115), 복수개의 집열판 유닛(120)으로 이루어진 집열층, 및 단열층(119)을 포함할 수 있다.
이 대안적 실시예에서 글래스층(111), 태양전지층(113), 발포금속층(115, 및 집열층은 도2의 실시예의 각각의 구성요소와 동일 또는 유사한 구성과 기능을 가지므로 설명을 생략한다. 그러나 대안적 실시예에서 단열층(119)은 평판형이 아니다. 도시한 것처럼 단열층(119)의 상부면은 복수개의 집열판 유닛(120)의 하부면의 요철 구조와 맞물리는 형상의 요철 구조를 가질 수 있고 집열판 유닛(120)과 단열층(119) 사이에 내부 공간이 존재하지 않는다. 이에 따라 대안적 실시예에 따른 PVT 모듈(100')은 하나의 유체 채널(130)만 포함하므로 종래의 일반적인 PVT 모듈과 같이 한 종류의 유체만 열교환 매체로 사용된다.
이제 도4 및 도5를 참조하여 집열판 유닛(120)을 구체적 실시예를 설명하기로 한다.
도4a 및 도4b는 일 실시예에 따른 집열판 유닛(120)의 단면도와 사시도이다. 도면을 참조하면, 집열판 유닛(120)은 상부가 평평하고 단면이 역삼각형 형태를 갖는 블록으로 구성된다. 집열판 유닛(120)은 열전도율이 높은 금속 재질인 것이 바람직하지만 금속이 아닌 다른 재질로 형성될 수도 있다.
집열판 유닛(120)은 내부에 유체 채널(130)을 포함한다. 구체적으로, 집열판 유닛(120)의 길이방향을 따라 제1 측면에서 이와 대향하는 제2 측면까지 유체 채널(130)이 관통하도록 구성된다.
일 실시예에서 유체 채널(130) 내부로 열교환 매체가 직접 흐를 수 있고, 대안적으로, 유체 채널(130)에 파이프가 삽입되고 이 파이프 내부를 열교환 매체가 흐르도록 구성할 수도 있다. 이 경우 열전도 효율을 높이기 위해 파이프의 외경이 유체 채널(130)의 내경과 동일한 치수를 갖도록 하여 파이프와 유체 채널(130)을 밀착하여 결합하는 것이 바람직하다.
도시한 실시예에서 하나의 집열판 유닛(120)이 하나의 유체 채널(130)을 포함하도록 도시하였지만, 대안적으로 하나의 집열판 유닛(120)이 병렬로 배열된 복수개의 유체 채널을 포함할 수도 있을 것이다.
도5a 및 도5b는 대안적 실시예에 따른 집열판 유닛(140)의 단면도와 사시도이다. 도면을 참조하면, 집열판 유닛(140)은 파이프 형상의 유체 채널(130)을 중심으로 좌우로 분리되는 서브 블록(141,142)으로 구성된다. 각 서브 블록(141,142)의 상부면은 평평하게 형성되고 일 측면은 유체 채널(130)과 맞물리도록 오목한 곡면 형상을 가진다. 이에 따라 유체 채널(130)의 좌우에서 두 개의 서브 블록(141,142)이 결합됨으로써 유체 채널(130)이 집열판 유닛(140)에 의해 둘러쌓이게 된다.
이러한 대안적인 집열판 유닛(140)은 도4의 집열판 유닛(120)과 비교하여 유체 채널(130)이 집열판 유닛(140)에 둘러싸이면서도 상부 층(예컨대 태양전지층이나 발포금속층)에 더 가까이 배치되기 때문에 상대적으로 더 콤팩트한 구성을 가지면서도 동일하거나 도 우수한 열전달 효과를 가질 수 있다.
이상과 같이 도4 또는 도5의 실시예에 따른 집열판 유닛(120,140)을 집열층으로 사용하는 경우 집열판 유닛(120,140)이 태양전지층(113)으로부터의 열을 집열하는 기능 및 이 집열된 열을 유체 채널(130)의 유체에 전달함으로써 열교환하는 기능을 모두 수행할 수 있으므로, 도1의 종래기술과 같이 집열층과 열교환층을 각기 별도로 구비할 필요가 없고 구성이 간단한 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 유체 채널(130)이 기존에 널리 사용되는 원형 단면의 열교환 파이프 형상을 가지므로, 기존 열교환 시스템과의 호환성 및 현장에서의 시공성이 우수하고, 더욱이 집열판 유닛(120,140) 단위로 발포금속층(115)에 부착할 수 있기 때문에 집열판 유닛들의 배열 형태나 서로간의 간격 등을 자유롭게 조절할 수 있으므로 유체 채널(130)의 배열 구조를 간단한 시공으로 다양한 형태로 구현할 수 있는 이점도 있다.
이제 도6 내지 도12를 참조하여, 상술한 PVT 모듈을 사용하는 태양광열 및 지열 시스템의 예시적 구성을 설명하기로 한다.
먼저 도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광열 및 지열 시스템을 개략적으로 도시하였다. 도면을 참조하면 제1 실시예에 따른 시스템은 PVT 모듈(100), 히트 펌프(200), 건물 부하(300), 지중 열교환기(400), 및 이들 사이를 연결하는 배관들과 밸브 및 펌프를 포함할 수 있다.
PVT 모듈(100)은 도2에 도시한 PVT 모듈일 수 있다. 대안적으로, 도3과 같이 제2 유체 채널(150)이 존재하지 않는 PVT 모듈(100')을 사용할 수도 있으며, 이 경우 도6에서 제2 유체 채널(150)로부터 배출되는 공기를 건물 부하(300에 공급하는 공기 공급라인(51)이 생략될 수 있음을 이해할 것이다.
히트펌프(200)는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 제1 측(예컨대 PVT 모듈(100) 측)에서 제2 측(예컨대 건물부하(300)측)으로 또는 제2 측에서 제1 측으로 열을 전달하는 장치이다. 히트펌프는 증발기, 응축기, 압축기, 팽창밸브를 포함하고 제1 측에서 유입되는 제1 열매체와 제2 측에서 유입되는 제2 열매체 사이의 열교환을 수행한다.
건물 부하(300)는 본 실시예에 따른 시스템에 의해 건물의 냉난방 및/또는 급탕을 위한 냉난방 장치 또는 급탕장치일 수 있다.
예를 들어, 건물에 급탕을 제공할 경우 건물 부하(300)는 급탕을 위한 온수 축열조를 포함할 수 있다. 또한 건물에 냉방이나 난방을 할 경우 건물 부하(300)는 냉난방 축열조를 포함할 수 있다. 냉난방 축열조를 이용하는 경우, 온돌과 같은 바닥난방 장치에 열교환 매체를 흐르게 하여 난방을 할 수도 있고, 팬코일 유닛과 같은 장치를 사용하여 공기를 냉각시키거나 가열하고 이 냉각되거나 가열된 공기를 건물내 공기와 열교환하게 함으로써 냉방 또는 난방을 할 수도 있다.
또한 추가적으로 건물 부하(300)는 PVT 모듈(100)의 집열판 유닛의 제2 유체 채널(150)을 흐르는 공기를 건물 내로 공급하는 덕트를 포함할 수 있고, 이 경우 PVT 모듈(100)과 건물 부하(300)의 덕트를 연결하는 공기 공급라인(51)을 통해 가열된 공기가 건물부하(300)로 공급될 수 있다.
지중 열교환기(400)는 지중에 매설되어 지중의 열을 흡수하거나 지중에 열을 방출하여 열교환한다. 지중은 계절에 관계없이 항시 10~20도 정도의 온도를 유지하고 있으므로 이러한 지중열원을 이용하여 여름에는 냉방을 하고 겨울에는 난방을 할 수 있다.
도시한 일 실시예에서 태양광열 및 지열 시스템은 PVT 모듈(100), 히트펌프(200), 및 지중 열교환기(400) 사이를 연결하는 제1 순환 배관 세트, 및 히트펌프(200)와 건물부하(300) 사이를 연결하는 제2 순환 배관 세트를 포함한다.
제1 순환 배관 세트는, PVT 모듈(100)의 냉각을 위해 PVT 모듈(100)과 히트펌프(200)의 제1 측 사이에서 제1 열매체가 순환하는 제1 경로, 건물부하(300)의 급탕 및/또는 냉난방을 위해 지중 열교환기(400)와 히트펌프(200)의 제1 측 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제2 경로, 및 PVT 모듈(100)의 냉각을 위해 PVT 모듈(100)과 지중 열교환기(400) 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제3 경로를 포함할 수 있다. 이 때 제1 열매체는 PVT 모듈(100)의 유체 채널(130)을 통해 흐르는 유체이다.
또한 제1 순환 배관 세트는 다수의 밸브 및 순환펌프를 포함할 수 있다. 도시한 일 실시예에서 제1 순환 배관 세트는 제1 경로선택 밸브(21), 제2 경로선택 밸브(22), 및 순환펌프(31)를 포함한다.
제1 경로선택 밸브(21)는, 상기 제1 경로 중 제1 열매체가 히트펌프(200)로 유입되는 제1 유입경로 및 상기 제2 경로 중 제1 열매체가 히트펌프(200)로 유입되는 제2 유입경로 중에서 하나의 유입경로를 선택하여, 제1 열매체가 히트펌프(200)의 제1 측으로 유입되도록 한다.
제2 경로선택 밸브(22) 상기 제1 경로 중 제1 열매체가 히트펌프(200)로부터 배출되는 제1 배출경로 및 상기 제2 경로 중 제1 열매체가 히트펌프(200)로부터 배출되는 제2 배출경로 중에서 하나의 배출경로를 선택하여, 제1 열매체가 히트펌프(200)의 제1 측으로부터 PVT 모듈(100) 또는 지중 열교환기(400)로 배출되도록 한다.
일 실시예에서 제1 경로선택 밸브(21)와 제2 경로선택 밸브(22)는 각각 삼방밸브로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
순환 펌프(31)는 제1 경로 또는 제2 경로를 통해 제1 열매체가 원활히 흐를 수 있도록 한다. 순환 펌프(31)의 위치는 제한되지 않으나 도시한 것처럼 제1 경로와 제2 경로의 공통 경로상에 위치함으로써 제1 경로와 제2 경로 모두에 적용될 수 있는 이점이 있다.
또한 제1 순환 배관 세트는 PVT 모듈(100)과 지중 열교환기(400) 사이의 제3 경로 상에 설치되는 개폐제어밸브(41,42) 및 순환 펌프(33)를 더 포함할 수 있다. 열매체를 제3 경로로 흐르게 하기 위해, 개폐제어밸브(41,42)가 PVT 모듈(100)에서 열매체가 유출되는 유출관(11)과 PVT 모듈(100)로 열매체가 유입되는 유입관(12)을 모두 개방하도록 동작하고 순환 펌프(33)가 동작함으로써 열매체가 제3 경로로 흐를 수 있다.
제2 순환 배관 세트는 히트펌프(200)의 제2 측과 건물부하(300) 사이를 연결한다. 제2 순환 배관 세트의 배관을 통해 제2 열매체가 순환하며 열교환을 하고, 제2 열매체의 순환을 위해 순환펌프(32)를 포함한다. 이 때 제2 순환 배관 세트의 배관에 연결된 건물부하(300)는 구체적 실시예에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 건물에 급탕을 제공할 경우 건물 부하(300)는 급탕을 위한 온수 축열조이고 제2 순환 배관 세트의 배관이 이 온수 축열조에 연결된다. 또한 건물에 냉방이나 난방을 할 경우 건물 부하(300)는 냉난방 축열조를 포함하고, 제2 순환 배관 세트의 배관은 이 냉난방 축열조에 연결될 수 있다.
한편 도면에 도시하지 않았지만 일 실시예에 따른 태양광열 및 지열 시스템은 PVT 모듈(100), 건물부하(300), 지중 열교환기(400) 등에 장착된 하나 이상의 온도센서 및 제어부를 더 포함한다.
PVT 모듈(100)에 부착된 온도센서는 PVT 모듈의 온도를 측정하여 제어부(미도시)로 이 온도측정 정보를 전달한다. 제어부는 이 온도측정 정보에 기초하여 PVT 모듈의 냉각이 필요하다고 판단한 경우 히트펌프(200)를 동작시키고 각종 밸브(21,22,41,42)와 펌프(31,32,33)를 제어하여 VT 모듈을 냉각시킨다.
또한 제어부는 예컨대 건물부하 내에 설치되어 있는 사용자 입력을 수신하는 인터페이스와 연결되어 있어서 사용자로부터 시스템 동작 모드를 입력받을 수 있다. 여기서 시스템 동작모드는 아래에서 도7 내지 도9를 참조하여 설명하는 제1 내지 제3 동작모드 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 제어부가 사용자 입력을 받으면 히트펌프(200)를 동작시키고 각종 밸브(21,22,41,42)와 펌프(31,32,33)를 제어하여 본 발명의 시스템이 해당 동작모드에서 동작하도록 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광열 및 지열 시스템이 동작할 수 있는 동작모드를 도7 내지 도9를 참조하여 설명하기로 한다.
도7은 제1 실시예의 시스템을 이용한 제1 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다. 제1 동작모드는 제1 열매체가 제1 경로로만 순환함으로써 PVT 모듈(100)을 냉각하고 건물부하(300)에 급탕 및/또는 난방을 할 수 있는 모드이다.
제1 열매체는 도7에서 굵은 선으로 표시한 제1 경로를 따라 순환한다. 제1 경로선택 밸브(21)와 제2 경로선택 밸브(22)에 의해 유입경로와 배출경로가 각각 선택되어 제1 열매체가 상기 제1 경로를 따라 PVT 모듈(100)과 히트펌프(200)의 제1 측 사이를 순환하고, 그리고 제2 열매체는 히트펌프(200)의 제2 측과 건물 부하(300) 사이를 순환함으로써 태양광열 및 지열 시스템이 PVT 모듈(100)과 건물부하(300) 사이에 열교환이 일어난다.
또한 이와 동시에, 공기 공급라인(51)을 통해 PVT 모듈(100)의 제2 유체 채널(150)에서 배출되는 공기를 건물 부하(300)에 공급하여 건물을 난방하는 동작이 추가로 수행될 수도 있다.
도8은 제1 실시예의 시스템을 이용한 제2 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다. 제2 동작모드는 제1 열매체가 제2 경로로만 순환함으로써 지중열원을 이용하여 건물부하(300)에 급탕 및/또는 냉난방을 할 수 있는 모드이다.
제2 동작모드에서, 제1 경로선택 밸브(21)와 제2 경로선택 밸브(22)에 의해 유입경로와 배출경로가 각각 선택되어 제1 열매체가 제2 경로를 따라 지중 열교환기(400)와 히트펌프(200)의 제1 측 사이를 순환하고 그리고 제2 열매체가 히트펌프(200)의 제2 측과 건물 부하(300) 사이를 순환함으로써, 태양광열 및 지열 시스템이 급탕 및/또는 냉난방을 위해 지중 열교환기(400)와 건물부하(300) 사이에 열교환이 일어난다.
구체적인 예로서 만일 여름철에 건물부하(300)의 냉방을 할 경우, 예컨대 지중열이 15도인 경우 15도의 제1 열매체가 지중 열교환기(400)의 배출관(15을 통해 히트펌프(200)로 유입되고, 히트펌프(200)는 열교환에 의해 예컨대 12도의 제2 열매체를 7도로 냉각시킨다.
냉각된 제2 열매체는 건물부하(300)의 냉난방 축열조의 물과 열교환하여 축열조의 물을 냉각시키고, 축열조의 냉각된 물이 예컨대 바닥난방의 내부 파이프를 흐르면서 건물을 냉방 한다. 냉난방 축열조로 되돌아온 물은 온도가 예컨대 12도이고, 히트펌프(200)를 통해 이 열이 제1 열매체로 전달되어 제1 열매체는 대략 18~20도 정도로 가열된 후 유입관(16)을 통해 지중 열교환기(400)로 다시 유입된다.
만일 겨울철에 건물부하(300)의 난방을 할 경우, 예컨대 지중열이 15도인 경우 히트펌프(200)의 15도의 제1 열매체가 열교환에 의해 제2 열매체로 열을 전달하고 예컨대 10도로 냉각되어 지중 열교환기(400)로 귀환하고, 예컨대 45도였던 제2 열매체는 히트펌프(200)에서 45도에서 50도로 가열된다.
제2 열매체에 의해 건물부하(300)의 냉난방 축열조의 물의 온도가 상승하고 이 물을 이용하여 온돌 등의 난방수단을 통해 난방을 하고, 냉난방 축열조로 되돌아온 물은 제2 열매체에 의해 다시 온도가 상승하여 건물 난방을 할 수 있다.
건물부하(300)에 급탕을 할 경우, 예를 들어 제2 열매체가 건물부하(300)의 온수 축열조(급탕 탱크)와 연결되어 열교환한다. 이 경우 제2 열매체가 급탕 탱크 내부를 통과하도록 구성될 수 있고, 급탕 탱크 내부를 통과할 때 급탕 탱크에 저장되어 있던 급수에 열을 전달하여 급수 온도를 상승시켜서 온수를 공급할 수 있다.
또한 이와 같은 제2 동작모드의 동작과 동시에, 공기 공급라인(51)을 통해 PVT 모듈(100)의 제2 유체 채널(150)에서 배출되는 공기를 건물 부하(300)에 공급하여 건물을 난방하는 동작이 추가로 수행될 수도 있다.
도9는 제1 실시예의 시스템을 이용한 제3 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다. 제3 동작모드는 제1 열매체가 제3 경로로만 순환함으로써 지중열원을 이용하여 PVT 모듈(100)을 냉각하는 모드이다.
제3 동작모드에서 제1 경로선택 밸브(21)와 제2 경로선택 밸브(22)를 제어하여 밸브를 폐쇄함으로써 제1 경로와 제2 경로를 폐쇄하고, 이와 동시에 개폐제어밸브(41,42)를 개방하고 순환펌프(33)를 구동하여 제1 열매체가 제3 경로를 따라 PVT 모듈(100)과 지중 열교환기(400) 사이를 순환하도록 하고, 이에 따라 지중열원에 의해 10~20도로 유지되는 제1 열매체가 PVT 모듈(100)과 열교환을 하여 PVT 모듈(100)을 냉각시킬 수 있다.
한편 이와 같은 제3 동작모드의 동작과 동시에, 공기 공급라인(51)을 통해 PVT 모듈(100)의 제2 유체 채널(150)에서 배출되는 공기를 건물 부하(300)에 공급하여 건물을 난방하는 동작이 추가로 수행될 수 있음은 물론이다.
이제 도10 내지 도12를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양광열 및 지열 시스템의 예시적 구성을 설명하기로 한다.
먼저 도10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양광열 및 지열 시스템을 개략적으로 도시하고 있다. 도면을 참조하면 제2 실시예에 따른 시스템은 도6의 제1 실시예와 유사하게 PVT 모듈(100), 히트 펌프(200), 건물 부하(300), 지중 열교환기(400), 및 이들 사이를 연결하는 배관들과 밸브 및 펌프를 포함할 수 있다. 추가적으로 제2 실시예에 따른 시스템은 축열탱크(500)를 더 포함할 수 있다.
제2 실시예에서 PVT 모듈(100)은 도2에 도시한 실시예에 따른 PVT 모듈일 수 있고, 히트펌프(200)는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 제1 측에서 제2 측으로 또는 제2 측에서 제1 측으로 열을 전달한다. 건물부하(300)는 건물의 냉난방 및/또는 급탕을 위한 냉난방 장치 또는 급탕장치를 포함할 수 있다. 지중 열교환기(400)는 지중에 매설되어 지중의 열을 흡수하거나 지중에 열을 방출한다. 이와 같이 제2 실시예에 따른 PVT 모듈(100), 히트 펌프(200), 건물 부하(300), 지중 열교환기(400)는 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성과 기능을 가지므로, 이하에서는 이들 구성요소에 대한 설명을 생략하기로 한다.
한편 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 실시예에 따른 시스템은 PVT 모듈(100)의 집열판 유닛의 제2 유체 채널(150)을 흐르는 공기를 건물 부하(300)로 공급할 수 있는 공기 공급라인(51)을 더 포함할 수 있다.
축열탱크(500)는 온수를 저장하고 건물부하(300)에 급탕을 제공하는 용도로 사용될 수 있다. 일 실시예에서 축열탱크(500)는 온수가 섭씨 50도 정도의 수온을 갖도록 유지할 수 있다. 그러나 계절이나 지역에 따라 수온이 예컨대 20도 내지 30도 정도로 유지될 수도 있다. 축열탱크(500)는 열매체에 의해 PVT 모듈(100)과 연결되어 PVT 모듈(100)과의 열교환에 의해 온수 온도를 상승시킬 수 있다. 축열탱크(500)의 온수는 도시한 급탕 라인(61)을 통해 건물부하(300)로 공급될 수 있다.
도시한 일 실시예에서 태양광열 및 지열 시스템은 PVT 모듈(100), 히트펌프(200), 및 지중 열교환기(400) 사이를 연결하는 제1 순환 배관 세트, 및 히트펌프(200)와 건물부하(300) 사이를 연결하는 제2 순환 배관 세트를 포함한다.
제1 순환 배관 세트는, PVT 모듈(100)의 냉각을 위해 PVT 모듈(100)과 축열탱크(500) 사이에서 제1 열매체가 순환하는 제1 경로, 축열탱크(500)와 히트펌프(200)의 제1 측 사이에서 제1 열매체가 순환하는 제2 경로, 건물의 냉난방을 위해 지중 열교환기(400)와 히트펌프(200)의 제1 측 사이에서 제1 열매체가 순환하는 제3 경로, 및 PVT 모듈(100)의 냉각을 위해 PVT 모듈(100)과 지중 열교환기(400) 사이에서 제1 열매체가 순환하는 제4 경로를 포함한다. 이 때 제1 열매체는 PVT 모듈(100)의 유체 채널(130)을 통해 흐르는 유체이다.
또한 제1 순환 배관 세트는 다수의 밸브 및 순환펌프를 포함한다. 도시한 일 실시예에서 제1 순환 배관 세트는 제1 경로선택 밸브(21), 제2 경로선택 밸브(22), 및 순환펌프(31)를 포함한다.
제1 경로선택 밸브(21)는 제2 경로 중 제1 열매체가 히트펌프(200)로 유입되는 제1 유입경로 및 제3 경로 중 제1 열매체가 히트펌프(200)로 유입되는 제2 유입경로 중에서 하나의 유입경로를 선택하여 제1 열매체가 히트펌프(200)의 제1 측으로 유입되도록 하는 밸브이다.
제2 경로선택 밸브(22)는 제2 경로 중 제1 열매체가 히트펌프(200)로부터 배출되는 제1 배출경로 및 제3 경로 중 제1 열매체가 히트펌프(200)로부터 배출되는 제2 배출경로 중에서 하나의 배출경로를 선택하여 제1 열매체가 히트펌프(200)의 제1 측으로부터 축열탱크(500) 또는 지중 열교환기(400)로 배출되도록 하는 밸브이다.
일 실시예에서 제1 경로선택 밸브(21)와 제2 경로선택 밸브(22)는 각각 삼방밸브로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
순환 펌프(31)는 제2 경로 또는 제3 경로를 통해 제1 열매체가 원활히 흐를 수 있도록 한다. 순환 펌프(31)의 위치는 제한되지 않으나 도시한 것처럼 제2 경로와 제3 경로의 공통 경로상에 위치함으로써 제2 경로와 제3 경로 모두에 적용될 수 있는 이점이 있다.
또한 제1 순환 배관 세트는 PVT 모듈(100)과 지중 열교환기(400) 사이의 제4 경로 상에 설치되는 개폐제어밸브(41,42) 및 순환 펌프(33)를 더 포함할 수 있다. 열매체를 제4 경로로 흐르게 하기 위해, 개폐제어밸브(41,42)가 PVT 모듈(100)에서 열매체가 유출되는 유출관(11)과 PVT 모듈(100)로 열매체가 유입되는 유입관(12)을 모두 개방하도록 동작하고 순환 펌프(33)가 동작함으로써 열매체가 제4 경로로 흐를 수 있다.
제2 순환 배관 세트는 히트펌프(200)의 제2 측과 건물부하(300) 사이를 연결한다. 제2 순환 배관 세트의 배관을 통해 제2 열매체가 순환하며 열교환을 하고, 제2 열매체의 순환을 위해 순환펌프(32)를 포함한다.
한편 도6의 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 실시예의 태양광열 및 지열 시스템도 제어부 및 하나 이상의 온도센서를 포함할 수 있다.
제어부는 예컨대 건물부하 내에 설치되어 있는 사용자 입력을 수신하는 인터페이스와 연결되어 있어서 사용자로부터 시스템 동작 모드를 입력받을 수 있다. 여기서 시스템 동작모드는 도10 내지 도12를 참조하여 이하에서 설명하는 제1 내지 제3 동작모드 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 제어부가 사용자 입력을 받으면 히트펌프(200)를 동작시키고 각종 밸브(21,22,41,42)와 펌프(31,32,33)를 제어하여 본 발명의 시스템이 해당 동작모드에서 동작하도록 한다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양광열 및 지열 시스템이 동작할 수 있는 동작모드를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저 도10에서 굵은 선으로 표시한 배관을 따라 제1 열매체와 제2 열매체가 순환함으로써 시스템이 제1 동작모드에서 동작한다. 제1 동작모드는 제1 열매체가 제1 경로와 제2 경로로만 순환함으로써 PVT 모듈(100)을 냉각하고 건물부하(300)에 급탕 및/또는 난방을 할 수 있는 모드이다.
제1 동작모드에서, 제1 열매체는 제1 경로를 따라 PVT 모듈(100)과 축열탱크(500) 사이를 순환하고, 또한 제1 경로선택 밸브(21)와 제2 경로선택 밸브(22)에 의해 유입경로와 배출경로가 각각 선택되어 제1 열매체가 제2 경로를 따라 축열탱크(500)와 히트펌프(200)의 제1 측 사이를 순환한다. 그리고 제2 열매체는 히트펌프(200)의 제2 측과 건물부하(300) 사이를 순환하고, 이러한 제1 열매체와 제2 열매체의 순환에 의해 태양광열 및 지열 시스템이 급탕 및/또는 난방을 할 수 있다.
난방의 경우 제2 열매체가 건물부하(300)의 냉난방 축열조와 연결되어 열교환을 함으로써 예컨대 바닥난방을 할 수 있고, 급탕의 경우 급탕 라인(61)을 통해 축열탱크(500)의 온수를 건물부하(300)에 공급할 수 있다.
또한 이러한 제1 동작모드의 동작과 동시에, 공기 공급라인(51)을 통해 PVT 모듈(100)의 제2 유체 채널(150)에서 배출되는 공기를 건물 부하(300)에 공급하여 건물을 난방할 수도 있다.
도11은 제2 실시예의 시스템을 이용한 제2 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다. 제2 동작모드는 제1 열매체가 제3 경로로만 순환함으로써 지중열원을 이용하여 건물부하(300)에 급탕 및/또는 냉난방을 할 수 있는 모드이다.
제2 동작모드에서, 제1 경로선택 밸브(21)와 제2 경로선택 밸브(22)에 의해 유입경로와 배출경로가 각각 선택되어 제1 열매체가 제3 경로를 따라 지중 열교환기(400)와 히트펌프(200)의 제1 측 사이를 순환하고, 그리고 제2 열매체가 히트펌프(200)의 제2 측과 건물 부하(300) 사이를 순환함으로써, 태양광열 및 지열 시스템이 냉방 또는 난방을 위해 지중 열교환기(400)와 건물 부하(300) 사이에 열교환을 행한다. 이 때 급탕은 급탕 라인(61)을 통해 축열탱크(500)의 온수를 건물부하(300)에 공급함으로써 제공할 수 있다.
또한 이러한 제2 동작모드의 동작에서도 공기 공급라인(51)을 통해 PVT 모듈(100)의 제2 유체 채널(150)에서 배출되는 공기를 건물 부하(300)에 공급하여 건물을 난방할 수 있음은 물론이다.
도12는 제2 실시예의 시스템을 이용한 제3 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다. 제3 동작모드는 제1 열매체가 제4 경로로만 순환함으로써 지중열원을 이용하여 PVT 모듈(100)을 냉각하는 모드이다.
제3 동작모드에서, 제1 내지 제3 경로를 폐쇄하고 제1 열매체가 제4 경로를 따라 PVT 모듈(100)과 지중 열교환기(400) 사이를 순환함으로써, 태양광열 및 지열 시스템이 PVT 모듈(100)을 냉각할 수 있다.
또한 이러한 제3 동작모드의 동작과 동시에, 급탕 라인(61)을 통해 축열탱크(500)의 온수를 건물부하(300)에 공급함으로써 급탕 기능을 제공하거나, 또는 공기 공급라인(51)을 통해 PVT 모듈(100)의 제2 유체 채널(150)에서 배출되는 공기를 건물 부하(300)에 공급하여 건물을 난방할 수 있다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: PVT 모듈
111: 글래스층
113: 태양전지층
115: 발포금속층
118, 119: 단열층
120: 집열판 유닛
200: 히트펌프
300: 건물부하
400: 지중 열교환기
500: 축열탱크

Claims (14)

  1. 태양광열(PVT) 모듈에 있어서,
    태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지를 포함하는 태양전지층;
    상기 태양전지층의 하부에 부착된 발포금속층;
    상기 발포금속층의 하부에 부착되는 복수개의 집열판 유닛; 및
    상기 복수개의 집열판 유닛의 하부에 배치된 평판형의 단열층;을 포함하고,
    상기 집열판 유닛의 각각은, 제1 측면에서 이와 대향하는 제2 측면까지 관통하고 액체가 그 내부를 흐를 수 있는 제1 유체 채널을 포함하고, 상기 제1 측면에서 바라본 상기 집열판 유닛의 단면이 역삼각형 형상을 가지며,
    상기 집열판 유닛의 하부면과 상기 단열층의 상부면 사이의 공간이 공기가 통과할 수 있는 제2 유체 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 PVT 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지층과 상기 발포금속층 사이의 접합면 및 상기 발포금속층과 상기 복수개의 집열판 유닛 사이의 접합면 중 적어도 하나의 접합면이 열접착제에 의해 접착된 것을 특징으로 하는 PVT 모듈.
  3. 태양광열 및 지열 시스템에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 따른 태양광열(PVT) 모듈;
    지중에 매설되어 지중의 열을 흡수하거나 지중에 열을 방출하는 지중 열교환기;
    냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 제1 측에서 제2 측으로 또는 제2 측에서 제1 측으로 열을 전달하는 히트펌프;
    상기 PVT 모듈의 냉각을 위해 상기 PVT 모듈과 상기 히트펌프의 제1 측 사이에서 제1 열매체가 순환하는 제1 경로, 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프의 제1 측 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제2 경로, 및 상기 PVT 모듈의 냉각을 위해 상기 PVT 모듈과 상기 지중 열교환기 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제3 경로를 포함하는 제1 순환 배관 세트;
    급탕, 냉방, 및 난방 중 적어도 어느 하나를 위해 상기 히트펌프의 제2 측과 건물 부하 사이에서 열교환을 하는 제2 열매체가 순환하는 제2 순환 배관 세트; 및
    상기 PVT 모듈의 집열판 유닛의 제2 유체 채널을 흐르는 공기를 건물 부하에 공급할 수 있는 공기 공급라인;을 포함하고,
    상기 PVT 모듈의 집열판 유닛의 제1 유체 채널을 흐르는 상기 액체가 상기 제1 열매체인 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 순환 배관 세트가,
    상기 제1 경로 중 제1 열매체가 상기 히트펌프로 유입되는 제1 유입경로 및 상기 제2 경로 중 제1 열매체가 상기 히트펌프로 유입되는 제2 유입경로 중에서 하나의 유입경로를 선택하여 제1 열매체가 상기 히트펌프의 제1 측으로 유입되도록 하는 제1 경로선택 밸브(21); 및
    상기 제1 경로 중 제1 열매체가 상기 히트펌프로부터 배출되는 제1 배출경로 및 상기 제2 경로 중 제1 열매체가 상기 히트펌프로부터 배출되는 제2 배출경로 중에서 하나의 배출경로를 선택하여 제1 열매체가 상기 히트펌프의 제1 측으로부터 상기 PVT 모듈 또는 상기 지중 열교환기로 배출되도록 하는 제2 경로선택 밸브(22);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 태양광열 및 지열 시스템이 제1 동작모드에서 동작가능하고,
    상기 제1 동작모드는,
    상기 제1 경로선택 밸브와 상기 제2 경로선택 밸브에 의해 상기 제1 유입경로와 제1 배출경로가 각각 선택되어 상기 제1 열매체가 상기 제1 경로를 따라 상기 PVT 모듈과 상기 히트펌프의 제1 측 사이를 순환하고, 그리고 상기 제2 열매체가 상기 히트펌프의 제2 측과 상기 건물 부하 사이를 순환함으로써, 상기 태양광열 및 지열 시스템이 급탕 및 난방 중 적어도 어느 하나를 위해 상기 PVT 모듈과 상기 건물 부하 사이에 열교환을 행하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 태양광열 및 지열 시스템이 제2 동작모드에서 동작가능하고,
    상기 제2 동작모드는,
    상기 제1 경로선택 밸브와 상기 제2 경로선택 밸브에 의해 상기 제2 유입경로와 제2 배출경로가 각각 선택되어 상기 제1 열매체가 상기 제2 경로를 따라 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프의 제1 측 사이를 순환하고, 그리고 상기 제2 열매체가 상기 히트펌프의 제2 측과 상기 건물 부하 사이를 순환함으로써, 상기 태양광열 및 지열 시스템이 급탕, 냉방, 및 난방 중 적어도 어느 하나를 위해 상기 지중 열교환기와 상기 건물 부하 사이에 열교환을 행하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 태양광열 및 지열 시스템이 제3 동작모드에서 동작가능하고,
    상기 제3 동작모드는,
    상기 제1 경로와 제2 경로를 폐쇄하고, 상기 제1 열매체가 상기 제3 경로를 따라 상기 PVT 모듈과 상기 지중 열교환기 사이를 순환함으로써, 상기 태양광열 및 지열 시스템이 상기 PVT 모듈을 냉각하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 태양광열 및 지열 시스템이, 상기 공기 공급라인을 통해 상기 PVT 모듈의 제2 유체 채널에서 배출되는 공기를 건물 부하로 공급하여 건물을 난방하도록 동작하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  9. 태양광열 및 지열 시스템에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 따른 태양광열(PVT) 모듈;
    온수를 저장하는 축열탱크;
    지중에 매설되어 지중의 열을 흡수하거나 지중에 열을 방출하는 지중 열교환기;
    냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 제1 측에서 제2 측으로 또는 제2 측에서 제1 측으로 열을 전달하는 히트펌프;
    상기 PVT 모듈의 냉각을 위해 상기 PVT 모듈과 상기 축열탱크 사이에서 제1 열매체가 순환하는 제1 경로, 상기 축열탱크와 상기 히트펌프의 제1 측 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제2 경로, 건물의 냉난방을 위해 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프의 제1 측 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제3 경로, 및 상기 PVT 모듈의 냉각을 위해 상기 PVT 모듈과 상기 지중 열교환기 사이에서 상기 제1 열매체가 순환하는 제4 경로를 포함하는 제1 순환 배관 세트;
    건물의 냉난방을 위해 상기 히트펌프의 제2 측과 건물 부하 사이에서 열교환을 하는 제2 열매체가 순환하는 제2 순환 배관 세트;
    상기 축열탱크 내의 온수를 상기 건물 부하에 공급할 수 있는 급탕 라인; 및
    상기 PVT 모듈의 집열판 유닛의 제2 유체 채널을 흐르는 공기를 상기 건물 부하에 공급할 수 있는 공기 공급라인;을 포함하고,
    상기 PVT 모듈의 집열판 유닛의 제1 유체 채널을 흐르는 상기 액체가 상기 제1 열매체인 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 순환 배관 세트가,
    상기 제2 경로 중 제1 열매체가 상기 히트펌프로 유입되는 제1 유입경로 및 상기 제3 경로 중 제1 열매체가 상기 히트펌프로 유입되는 제2 유입경로 중에서 하나의 유입경로를 선택하여 제1 열매체가 상기 히트펌프의 제1 측으로 유입되도록 하는 제1 경로선택 밸브(21); 및
    상기 제2 경로 중 제1 열매체가 상기 히트펌프로부터 배출되는 제1 배출경로 및 상기 제3 경로 중 제1 열매체가 상기 히트펌프로부터 배출되는 제2 배출경로 중에서 하나의 배출경로를 선택하여 제1 열매체가 상기 히트펌프의 제1 측으로부터 상기 축열탱크 또는 상기 지중 열교환기로 배출되도록 하는 제2 경로선택 밸브(22);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 태양광열 및 지열 시스템이 제1 동작모드에서 동작가능하고,
    상기 제1 동작모드는,
    상기 제1 열매체가 상기 제1 경로를 따라 상기 PVT 모듈과 상기 축열탱크 사이를 순환하고, 상기 제1 경로선택 밸브와 상기 제2 경로선택 밸브에 의해 상기 제1 유입경로와 제1 배출경로가 각각 선택되어 상기 제1 열매체가 상기 제1 경로를 따라 상기 축열탱크와 상기 히트펌프의 제1 측 사이를 순환하고, 그리고 상기 제2 열매체가 상기 히트펌프의 제2 측과 상기 건물 부하 사이를 순환함으로써, 상기 태양광열 및 지열 시스템이 급탕 및 난방 중 적어도 어느 하나를 위해 상기 PVT 모듈과 상기 건물 부하 사이에 열교환을 행하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 태양광열 및 지열 시스템이 제2 동작모드에서 동작가능하고,
    상기 제2 동작모드는,
    상기 제1 경로선택 밸브와 상기 제2 경로선택 밸브에 의해 상기 제2 유입경로와 제2 배출경로가 각각 선택되어 상기 제1 열매체가 상기 제3 경로를 따라 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프의 제1 측 사이를 순환하고, 그리고 상기 제2 열매체가 상기 히트펌프의 제2 측과 상기 건물 부하 사이를 순환함으로써, 상기 태양광열 및 지열 시스템이 급탕, 냉방, 및 난방 중 적어도 어느 하나를 위해 상기 지중 열교환기와 상기 건물 부하 사이에 열교환을 행하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 태양광열 및 지열 시스템이 제3 동작모드에서 동작가능하고,
    상기 제3 동작모드는,
    상기 제1 내지 제3 경로를 폐쇄하고 상기 제1 열매체가 상기 제4 경로를 따라 상기 PVT 모듈과 상기 지중 열교환기 사이를 순환함으로써, 상기 태양광열 및 지열 시스템이 상기 PVT 모듈을 냉각하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 태양광열 및 지열 시스템이, 상기 급탕 라인을 통해 상기 축열탱크 내의 온수를 상기 건물 부하에 공급하도록 동작하고, 또한 상기 공기 공급라인을 통해 상기 PVT 모듈의 제2 유체 채널에서 배출되는 공기를 상기 건물 부하에 공급하여 건물을 난방하도록 동작하는 것을 특징으로 하는, 태양광열 및 지열 시스템.
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