KR101712554B1 - 태양열 집열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 집열장치에 관한 것이다. 태양열 집열장치는 파이프와, 진공 유리관과, 주름관, 및 집광판을 포함한다. 파이프는 금속 재질로 형성된다. 진공 유리관은 내부가 진공 상태로 이루어지며, 파이프의 양측 단부가 외부로 노출되도록 파이프를 감싸도록 형성된다. 주름관은 진공 유리관의 양측 단부에 각각 장착되어 진공 유리관을 밀봉시키며, 금속 재질로 형성된다. 집광판은 파이프의 외주면에 결합되고, 요철에 의한 주름이 구비된다.

Description

태양열 집열장치{Device for Concentrating Solar Power}

본 발명은 열 흡수율이 향상된 태양열 집열장치에 관한 것이다.

전지구적으로 화석연료를 비롯한 에너지 자원이 고갈되어 가고 있어, 대체에너지 개발에 대한 관심이 고조되고 있다. 신재생에너지라고도 불리고 있는 대체에너지로는 태양열, 풍력, 조력 등 다양한 것들이 있으며, 그 중에서도 특히 태양열은 발전장치의 규모에 구애되지 않고 풍력이나 조력발전과 같이 특정 자연현상이 발생하기를 기다릴 필요가 없으며 시설투자비가 적게 드는 관계로, 가장 활발하게 연구되고 있는 분야 중 하나이다.

태양열로 에너지를 생산하는 분야로는 태양전지가 가장 일반적이다.

태양전지는 태양광선의 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치로, P형 반도체와 N형 반도체로 구성되어 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공의 이동으로 광기전력이 발생하고, 회로를 연결시키면 전류가 흐르는 광전효과를 이용한 것이다.

태양열을 이용하여 에너지를 생산하는 다른 방법으로는 태양열을 흡수하여 집열작용을 일으킴으로써 연속적으로 온수를 생산하는 태양열 집열장치가 있다. 일반적인 태양열 집열장치는 물이 흐르는 파이프의 후면에 반사판을 설치하여 태양광을 집광함으로써, 파이프 내의 물을 가열하는 방식을 취하고 있다.

그러나, 이러한 일반적인 태양열 집열장치는 반사판이 없으면 집열 효율이 크게 떨어지는 관계로, 반드시 반사판을 설치하여야 하는 문제점이 있다. 반사판을 설치하기 위해서는 별도의 큰 공간을 필요로 하며, 설치시간과 비용이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 일반적인 태양열 집열장치는 태양광선의 흡수 효율이 떨어져 온수를 대량으로 연속 생산하기에 부적합하며, 특히 러시아와 같은 냉대, 한대기후의 국가에서는 온수생산능력이 크게 저하되는 문제점이 있다.

공개특허공보 제10-2010-0048276(2010.05.11 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 열흡수 효율을 극대화하여 파이프 내부의 유체를 신속하게 가열할 수 있고, 태양광선을 흡수하는 표면적을 증가시켜 열흡수효율을 극대화할 수 있고, 태양복사광이 집광판에 도달하는 경로의 길이를 최소화하고 집광판에 대하여 태양복사광이 이루는 각도를 최적화하며 진공 유리관을 통과한 태양광선이 굴절을 일으키지 않고 집광판에 도달할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 열팽창 또는 열수축의 영향을 최소화할 수 있으며, 진공 유리관 내부가 지나치게 가열될 경우 진공 유리관이 터져서 파열되는 현상을 방지할 수 있는 태양열 집열장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 태양열 집열장치는 금속 재질의 파이프; 상기 파이프의 양측 단부가 외부로 노출되도록 상기 파이프를 감싸되, 내부가 진공 상태인 진공 유리관; 상기 진공 유리관의 양측 단부에 장착되어 상기 진공 유리관을 밀봉시키며, 복수개의 주름이 형성된 금속 재질의 주름관; 및 상기 파이프의 외주면에 결합되고, 요철에 의한 주름이 구비된 집광판;을 포함한다.

본 발명에 의하면 집광판의 날개부에 주름이 구비됨으로써 태양광선을 흡수하는 표면적을 증가시킬 수 있으며, 주름을 펼쳐 놓았을 때 길이 방향으로 늘어나는 면적만큼 더 많은 양의 태양광선을 흡수할 수 있어 열흡수효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 집광판과 진공 유리관 사이를 진공으로 유지함으로써 태양복사광이 집광판에 도달하는 경로의 길이를 최소화하고 집광판에 대하여 태양복사광이 이루는 각도를 최적화하며, 진공 유리관을 통과한 태양광선이 굴절을 일으키지 않고 집광판에 도달할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 진공 유리관의 양측 단부를 폐쇄하는 주름관의 외주면에 복수개의 주름을 구비함으로써 가열 또는 수축시 완충작용을 수행하여 열팽창 또는 열수축의 영향을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 주름관에 에어벤트를 구비함으로써, 진공 유리관 내부가 지나치게 가열될 경우 진공 유리관이 터져서 파열되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명에 의하면 집광판의 중앙부와 날개부의 표면에 카본을 코팅함으로써 집광판이 흑체의 역할을 수행하여 파이프를 가열함으로써 파이프 내부의 유체를 신속하게 가열할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 정면도,
도 2는 도 1의 좌측면도,
도 3은 도 1 중 집광판의 확대 사시도,
도 4는 진공 유리관의 양측에 주름이 구비된 실시예의 단면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 응용예를 도시한 사시도,
도 6은 도 5의 내부 구조의 일례를 도시한 모식도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 다른 응용예의 내부 구조를 도시한 모식도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 연결구조를 도시한 부분 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 정면도이고, 도 2는 도 1의 좌측면도이다. 도 3은 도 1 중 집광판의 확대 사시도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치는, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 파이프(10), 진공 유리관(20), 주름관(30), 집광판(40), 온도감지센서(50), 및 에어벤트(60)를 포함하여 이루어진다.

파이프(10)는 내부에 중공이 형성되어 있으며, 중공으로 유체가 통과한다. 중공으로 통과하는 유체는 태양광을 이용하여 가열하고자 하는 대상이며, 일반적으로는 온수를 생산하기 위하여 물이 사용된다.

파이프(10)는 금속재질로 형성되며, 열효율 면에서는 동관의 표면에 은 또는 백금을 코팅하는 것이 좋으나, 동관의 경우 파이프 내부를 통과하는 유체의 압력이 증가할 경우 변형이 발생할 수 있는 가능성이 있다. 따라서, 파이프(10)의 재질로는 수명과 강도 및 경제성 면에서 우수한 배관용 스테인리스 스틸이 바람직하다.

진공 유리관(20)은 내부에 파이프(10) 일부와 집광판(40) 및 온도감지센서(50)를 수용하며, 내부는 진공으로 유지된다. 진공 유리관(20)의 내부를 진공으로 유지하는 이유는 태양복사광이 집광판(40)에 도달하는 경로의 길이를 최소화하고 집광판(40)에 대하여 태양복사광이 이루는 각도를 최적화하기 위함이다. 또한, 진공 유리관(20)의 내부가 진공으로 유지될 경우 진공 유리관(20)을 통과한 태양광선이 굴절을 일으키지 않고 집광판(40)에 도달할 수 있도록 한다. 진공 유리관(20)의 양측 단부는 주름관(30)에 연결되며, 주름관(30)에 의해 양측 단부가 밀폐된다. 진공 유리관(20)은 파이프(10)의 양측 단부가 외부로 노출되도록 파이프를 감싸는 형태로 구성된다.

도 4는 진공 유리관의 양측에 주름이 구비된 실시예의 단면도이다.

진공 유리관(20)의 양측에 주름(22)이 구비되면 외부 충격에 의한 진공 유리관(20)의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 단위 태양열 집열장치를 직렬로 복수개 연결시 연결밸브로 나사결합을 하게 되는데, 이때 렌치 등을 이용하여 연결밸브 결합 작업시 주름(22)은 진공 유리관(20)의 파손을 방지하는 역할을 수행한다. 더불어, 단위 태양열 집열장치를 직렬연결할 경우 연결부위의 외부에는 금속커버가 구비되는데 이때 주름(22)은 금속커버를 끼울 때 스탑퍼(stopper) 기능을 수행하기도 한다.

주름관(30)은 진공 유리관(20)의 양측 단부에 장착되어 진공 유리관(20)을 밀봉시키며, 복수개의 주름이 형성되어 있다. 주름관(30)의 일측 단부, 즉 진공 유리관(20)에 연결되는 부분은 진공 유리관(20)과 밀착되어 진공 유리관(20)을 밀봉시키며, 주름관(30)의 타측 단부, 즉 파이프(10)의 단부를 외부로 노출시키는 부분은 파이프(10)가 통과되는 부분 이외에는 폐쇄된다. 즉, 주름관(30)은 바닥(이하, "폐쇄부")에 파이프가 통과되는 그릇 형상을 가지며, 그릇의 측면(이하, "주름부")에는 복수개의 주름이 형성되어 있는 구조를 취한다.

주름관(30)은 금속 재질로 형성되며, 파이프(10)와 동일하거나 유사한 재질로 형성되는 것이 열팽창 현상을 최소화하는 측면에서 바람직하다. 주름관(30)의 외주면에 구비된 복수개의 주름은 가열 또는 수축시 열팽창 또는 열수축의 영향을 최소화하기 위해 구비된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 집열장치는 단독으로 설치될 수도 있으나, 여러 개가 직렬 및 병렬 연결되어 대량의 온수를 생산할 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다. 이 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 집열장치 복수개가 직렬로 연결되면 열팽창시 주름관(30)이 길이 방향으로 늘어나는 현상이 발생하므로, 주름관(30)의 측면에 구비된 주름들이 열팽창을 최소화시켜 완충 작용을 수행하게 된다.

폐쇄부 중 주름관(30)과 파이프(10)가 만나는 부분은 용접 등의 방법에 의해 상호 결합된다.

집광판(40)은 파이프(10)의 외주면에 날개 형상으로 결합되고, 금속재질로 형성되며, 표면에는 요철에 의한 주름이 구비된다.

집광판(40)은 중앙부(42)와 날개부(44)를 포함한다. 중앙부(42)는 파이프(10)를 둘러싸는 관 형상을 취하며, 파이프(10)의 외경과 동일한 규격의 내경을 갖도록 형성된다. 날개부(44)는 중앙부(42)의 외주면에 위치하며, 판 형상으로 형성된다. 도시되지 않았으나, 집광판(40)은 중앙부 없이 파이프(10)의 외주면에 직접 날개부가 결합된 형태로 구성될 수도 있다. 도 3과 같이 집광판(40)이 중앙부(42)와 날개부(44)로 구성되는 경우, 중앙부(42)와 날개부(44)는 용접에 의해 상호 결합되거나 일체형으로 형성될 수 있으며, 중앙부(42)와 파이프(10)는 용접에 의해 상호 결합될 수 있다.

한편, 집광판(40)의 중앙부(42)와 날개부(44)에는 표면에 카본이 코팅될 수 있다. 카본(Carbon)은 주기율표 14족에 속하는 원소로, 비결정성 탄소, 흑연, 다이아몬드의 세 가지 동소체로 산출된다. 카본은 수소, 산소 또는 질소 등과 공유결합을 안정적으로 쉽게 형성할 수 있으며, 단일결합, 이중결합, 삼중결합이 가능하고 사슬형과 고리형의 구조도 형성할 수 있다. 이러한 탄소원자의 특성은 다양한 공유결합 배열을 가능하게 한다. 카본 중 비결정성 탄소의 녹는점은 대략 3550도씨로, 초고열에도 견딜 수 있어 내열성이 매우 우수하다.

집광판(40)의 중앙부(42)와 날개부(44)의 표면에 카본이 코팅되는 경우, 이러한 카본은 태양광선에 대하여 흑체(black body)의 역할을 수행하게 된다. 흑체는 입사하는 모든 복사선을 완전히 흡수하는 흡수능이 100%인 물체를 말하며, 복사선을 흡수하여 자체적으로 복사열을 방출하는 성질(흑체복사)을 가지고 있다. 흑체복사의 성질(예컨대, 에너지의 크기, 파장)과 흑체의 온도 사이에 수학식 1과 같은 특정 관계가 성립되므로 흑체의 온도가 정해지면 흑체복사의 성질이 결정되며, 반대로 흑체복사의 성질로부터 흑체의 온도를 구할 수 있다.

- E: 복사에너지, c: 광속, h: 플랑크 상수, k: 볼츠만 상수,

λ: 파장, T: 절대온도

상술한 바와 같이 집광판(40)의 중앙부(42)와 날개부(44)의 표면에 카본이 코팅되면 집광판(40)은 흑체의 역할을 수행하게 되므로, 파이프(10) 내부의 유체를 신속하게 가열할 수 있게 된다.

집광판(40)의 날개부(44)에는 요철에 의한 주름이 구비되어 있다. 주름은 파이프(10)에 대하여 수직 방향으로 형성될 수 있으며, 도시되지 않았으나 사선 방향으로도 가능하다. 날개부에 주름이 구비됨으로써 태양광선을 흡수하는 표면적을 증가시킬 수 있으며, 주름을 펼쳐 놓았을 때 길이 방향으로 늘어나는 면적만큼 더 많은 양의 태양광선을 흡수할 수 있는 효과가 있다. 즉, 집광판(40)의 날개부(44)에 다수의 주름이 형성됨으로써 열흡수효율을 극대화할 수 있게 된다.

온도감지센서(50)는 진공 유리관(20) 내부의 온도를 감지함으로써 제어반(Control Box, 미도시)이 유체의 유속을 변경시킬 수 있도록 한다. 구체적으로, 진공 유리관(20) 내부의 온도가 특정 온도를 초과하는 것으로 감지되면 제어반은 유체의 유속을 증가시켜 파이프(10)의 온도를 낮춤으로써 진공 유리관(20) 내부의 온도를 낮추고 이를 통해 진공 유리관(20)이 파손되는 것을 방지하게 된다.

에어벤트(air vent)(60)는 주름관(30)에 구비되며, 진공 유리관(20) 내부가 지나치게 가열될 경우 진공 유리관(20)이 터져서 파열되는 현상을 방지한다. 에어벤트(60)는 주름관(30) 중 폐쇄부의 두께보다 상대적으로 얇게 형성되며 평소에는 막혀있다가, 가열에 의해 진공 유리관(20)의 내부 압력이 임계값(진공 유리관(20)이 파손되지 않을 정도)을 초과하게 되면 자동으로 파열되어 주름관(30) 폐쇄부 일부를 개방하게 된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 응용예를 도시한 것이다. 도 6은 도 5의 내부 구조의 일례를 도시한 모식도이다. 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 다른 응용예의 내부 구조를 도시한 모식도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치는 직렬 또는 병렬 구조로 연결될 수 있다. 반사판이 필요없으므로 공간의 제약이 적고, 직렬 또는 병렬로 무한확장 가능하므로 응용범위가 매우 광범위한 특성을 가지고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 응용예는, 도 5 및 도 6을 참조하면, 복수개의 단위 태양열 집열장치(100)를 직렬로 연결하여 집열기능과 온수 생산량을 극대화할 수 있다. 단위 태양열 집열장치(100)의 좌측과 우측에는 연결관(110)을 수용하고 단위 태양열 집열장치(100)를 고정시키는 고정박스(140, 150)가 구비된다. 도 6의 우측 하단에 위치한 냉수입구(120)를 통해 냉수가 주입되면 태양열 집열장치(100)를 거치면서 온도가 상승하여 온수출구(130)를 통해 온수가 배출된다.

배출된 온수는 바로 가정용, 산업용 등으로 공급될 수 있으며, 도 5와 같이 온수 탱크(160)에 일시 저장한 후 가정용, 산업용, 레저용으로 사용될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 다른 응용예는, 도 7을 참조하면, 복수개의 단위 태양열 집열장치(100)를 병렬로 연결하여 집열기능과 온수 생산량을 극대화할 수 있다. 단위 태양열 집열장치(100)의 상부에는 물탱크(250)가 구비되고, 물탱크(250)의 좌측 하단에 냉수입구(210)가 구비되며 우측 상단에 온수출구(250)가 구비된다. 냉수입구(210)를 통해 주입된 냉수는 물탱크(250)의 하부를 지나 냉수 분배관(230)으로 공급되고 각각의 단위 태양열 집열장치(100) 내부로 유입된다. 태양열 집열장치(100)를 거치면서 수온이 상승하고 온수 수집관(240)을 통해 모아진 온수는 물탱크(250) 상부를 지나 온수출구(130)를 통해 배출된다. 온수는 냉수에 비해 상대적으로 비중이 작으므로 물탱크(250)의 상부에 위치하게 된다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 연결구조를 도시한 부분 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 집열장치의 연결구조는, 도 8을 참조하면, 연결부재(72)와 커버(74)를 포함하여 구성된다.

연결부재(72)는 태양열 집열장치의 연결부위를 밀착시키고 밀폐시키는 역할을 수행한다. 이를 위해 연결부재(72)는 고무와 같은 탄성재질로 형성되는 것이 바람직하다.

연결부재(72)의 외부에는 커버(74)가 구비되어 외부 및 내부충격으로부터 연결부재(72)를 보호한다. 이를 위해 커버(74)는 금속재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 - 파이프 20 - 진공 유리관
30 - 주름관 40 - 집광판
50 - 온도감지센서 60 - 에어벤트

Claims (3)

1. 내부에 중공이 형성되며, 상기 중공을 통해 유체가 통과하도록 된 금속 재질의 파이프;
   상기 파이프의 양측 단부가 외부로 노출되도록 상기 파이프를 감싸되, 내부가 진공 상태로 되며, 상기 파이프의 양측 단부를 노출시키는 양측에 각각 상기 파이프의 길이방향을 따라 주름지게 형성된 주름을 구비하는 진공 유리관;
   상기 진공 유리관의 양측 단부에 장착되어 상기 진공 유리관을 밀봉시키며, 복수개의 주름이 형성된 금속 재질의 주름관;
   상기 파이프의 외주면에 결합되고, 요철에 의한 주름이 구비된 집광판;
   상기 진공 유리관 내부의 온도를 감지하는 온도감지센서; 및
   상기 온도감지센서를 통해 상기 진공 유리관 내부의 온도가 특정 온도를 초과하는 것으로 감지되면, 상기 유체의 유속을 증가시켜 상기 파이프의 온도를 낮추도록 제어하는 제어반;
   을 포함하는 태양열 집열장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 주름관에는 상기 진공 유리관 내부의 가열시 상기 진공 유리관의 파열을 방지하는 에어벤트(air vent)가 구비된 것을 특징으로 하는 태양열 집열장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 집광판은 표면에 카본이 코팅된 것을 특징으로 하는 태양열 집열장치.

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