KR101803832B1 - 액체식 ｐｖｔ 컬렉터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광원의 전기적 발전과 함께 집열 기능을 수행하여 생활에 필요한 에너지원인 전기와 열원을 일괄적으로 생산함과 동시에 집열로 인한 열에너지를 열매체에 효율적으로 전달함을 제공하도록, 태양광원을 수광하여 전기에너지를 생성시키는 태양광모듈과; 상기 태양광모듈 하부에 구비되어 투과 파장의 태양광원을 통해 열원을 흡수하는 집열판과; 상기 집열판의 하부에 부착 설치되고 내부에 열매체가 순환되되 상기 집열판의 열에너지가 전달되는 플로우파이프와; 상기 플로우파이프 상에 접촉 또는 비접촉 형태로 구비되고 상기 집열판으로부터 전달된 열에너지의 유실을 차단하는 절연부재;를 포함하는 액체식 PVT 컬렉터를 제공한다.

Description

액체식 ＰＶＴ 컬렉터 {Liquid Type Photohvoltaic-thermal Collector}

본 발명은 액체식 PVT 컬렉터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광원의 전기적 발전과 함께 집열 기능을 수행하여 생활에 필요한 에너지원인 전기와 열원을 일괄적으로 생산함과 동시에 집열로 인한 열에너지를 열매체에 효율적으로 전달하는 것이 가능한 액체식 PVT 컬렉터에 관한 것이다.

일반적으로 태양에너지를 이용한 발전에는 태양광 또는 태양열을 전기에너지로 변환하는 태양광발전과, 태양광원의 태양열을 집열한 후 난방용 또는 온수용으로 사용하기 위한 태양열 집열발전 등이 있으며, 이처럼 태양에너지로 인한 생활에너지의 발전구조를 갖는 다양한 형태의 태양광발전(PV;photovoltaic) 모듈을 개발하여 사용하고 있다.

그러나 태양광발전 모듈은 전기 생산과정에서 열을 발생시켜 자체온도를 상승시키기 때문에 전기생산 효율을 저하시키는 요인이 작용하게 된다. 즉 태양광발전 모듈은 결정질계의 경우 태양으로부터 입사되는 에너지 중 대략 12~16%만이 발전에 이용되고 있어 태양광에너지 이용효율이 상당히 낮은 편이며, 나머지 에너지는 모두 열로 소모됨에 따라 태양광 발전용 셀의 온도를 상승시켜 영향을 미치게 되고, 셀 특성상 온도상승에 의해 전기 에너지 전환시 전기 변환효율을 감소하게 된다는 문제가 있었다.

따라서 태양광발전 모듈의 경우 후면에 열을 통풍시키기 위한 구성을 설비한 후 폐열을 배출하고 있으며, 태양광발전 모듈의 온도를 낮춤에 따라 시스템의 전기 성능을 향상시키도록 구성하였다.

이러한 배경에서 태양광과 태양열을 동시에 이용할 수 있도록 태양광발전 모듈의 전기 생산과정에서 발생하는 열기를 효율적으로 이용하여 급탕이나 난방에 활용할 수 있는 태양광/열(PVT;photohvoltaic-thermal) 복합집열모듈을 개발하여 사용되고 있다.

상기와 같은 태양광/열 복합집열모듈과 관련하여 개시되어 있었던 종래기술로써, 대한민국 공개특허공보 제44112호(2013.05.02.)에는 태양광으로부터 전기 에너지를 발생시키는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부 하단에 부착되어 상기 광전 변환부를 투과한 파장의 태양광을 통해 집열하는 집열판과, 상기 집열판에 접합되고 상기 집열판에서 집열된 열 에너지를 외부로 전달하는 히트 파이프 및 진공으로 밀폐되어 있는 거푸집을 포함하고, 상기 광전 변환부, 상기 집열판, 및 상기 히트 파이프는 상기 거푸집 내부에 인입된 구조로 구성됨에 따라 집열과 동시에 전광변환을 수행하며 에너지 이용효율을 극대화시킬 수 있는 태양광 복합 모듈이 공지되어 있다.

그러나 상기한 종래기술의 경우에는 PV모듈인 광전 변환부에 집열판을 부착하기 위하여 열전도성 접착제를 사용하기 때문에 PV모듈에 집열판을 부착시키는 제조과정이 어려우며, PV모듈과 집열판의 상호 부착면에서 접착제로 인한 접촉저항이 발생하여 집열판을 향한 열전달 성능이 현저히 떨어진다는 문제점이 있었다.

또한 상기한 종래기술은 집열판에 접합된 히트 파이프의 경우 집열판의 표면에 열에너지를 외부로 전달하기 위한 히트 파이프의 둘레 일부만이 단순히 면 접촉하도록 초음파 용접되기 때문에 두께게 얇은 집열판에 히트 파이프를 접합시키는 용접과정에서 집열판에 굴곡이 발생하여 품질이 저하됨은 물론 평활하지 못한 집열판을 PV모듈에 부착함에 따라 상호 접착상태가 불량하며 기능성이 저하되고, 집열판 상에 히트 파이프가 단순히 선 접합되어 상호 접촉면이 매우 협소하며 이에 따른 열전달효율이 낮아 집열효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.

공개특허공보 제10-2013-0044112호(2013.05.02.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 태양광모듈 및 집열판 간에 라미네이팅 방식을 적용하여 일체화하므로 제조과정의 편의성을 도모하고 태양광모듈과 집열판 간에 접촉저항을 최소화하면서 집열판을 향한 열전달성을 높일 수 있는 액체식 PVT 컬렉터를 제공하는데, 그 목적이 있다.

뿐만 아니라 본 발명은 열매체 순환을 위한 파이프의 상면이 개방상태로 집열판에 부착되도록 구성하므로 집열판이 평활한 상태로 태양광모듈과 부착하여 제품의 불량을 최소화함은 물론 제품의 품질을 높이고, 열매체가 집열판에 직접적으로 접촉하여 열전도를 위한 접촉면적을 확대함과 동시에 열전달효율을 높일 수 있는 액체식 PVT 컬렉터를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 제안하는 액체식 PVT 컬렉터는 태양광원을 수광하여 전기에너지를 생성시키는 태양광모듈과; 상기 태양광모듈 하부에 구비되어 투과 파장의 태양광원을 통해 열원을 흡수하는 집열판과; 상기 집열판의 하부에 부착 설치되고 내부에 열매체가 순환되되 상기 집열판의 열에너지가 전달되는 플로우파이프와; 상기 플로우파이프 상에 접촉 또는 비접촉 형태로 구비되고 상기 집열판으로부터 전달된 열에너지의 유실을 차단하는 절연부재;를 포함하여 이루어진다.

상기 집열판은 상기 태양광모듈과 접하는 상부 접촉면에 라미네이팅하여 점착력을 갖도록 코팅된 점착코팅면을 형성한다.

상기 플로우파이프는 원형 또는 반원형의 단면형상으로 형성하되 상기 집열판을 향한 상면이 개방된 구조로 절개되어 내부 열매체가 상기 집열판에 직접적으로 접촉할 수 있게 형성되는 절개구를 구비한다.

또한 상기 플로우파이프는 상기 집열판의 하부에 서로 간격을 두고 복수 개를 배열배치하여 구성하되, 상기 플로우파이프 간에 상단이 서로 연통하도록 연결되어 내부 열매체가 상호 이동가능한 유동경로를 형성하는 연결순환관을 더 포함하여 구성하는 것도 가능하다.

또한 상기 집열판에는 상기 플로우파이프의 절개구에 대응하여 돌출 형성되는 요철부를 더 포함하여 구성하는 것도 가능하다.

그리고 본 발명은 상기 태양광모듈의 상측에 간격을 두고 구비되는 글라스판과, 상기 글라스판과 상기 태양광모듈의 사이에 에어가 채워져 공기층을 형성가능하게 구비되는 에어갭을 더 포함하여 구성하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터에 의하면 태양광모듈의 발전에 따른 열원의 유실을 차단한 채 열매체에 전도될 수 있게 구성하므로, 태양광모듈의 전기발전을 위한 기능성을 유지토록 보호하여 전기생산성을 향상시킴은 물론 장비수명을 연장하고, 열매체를 향한 원활한 열전도를 유도하여 집열성능을 증진시킴과 동시에 열원생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 얻는다.

뿐만 아니라 본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터는 태양광모듈과 접하는 집열판의 접촉면에 점착력을 갖게 라미네이팅하여 코팅하므로, 태양광모듈과의 부착을 위한 제조과정이 간편하여 제품생산이 용이하고, 집열판을 향한 우수한 열전달 성능을 도모하여 집열효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터는 플로우파이프의 상부가 절개하여 집열판에 부착형태로 구성하므로, 열매체를 위한 접촉면적을 확대함은 물론 열매체가 집열판에 직접적으로 접촉하여 열매체를 향한 열전달효율을 크게 증진시키고, 태양광모듈과의 부착에 따른 제작이 용이함은 물론 제품의 생산품질을 향상시켜며 양품생산을 도모할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터는 플로우파이프 간에 상호 이동가능한 경로를 갖게 연결하므로, 집열판과의 접촉면적을 확장하면서 고른 접촉을 도모하여 열전달에 따른 집열성능을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터는 플로우파이프의 절개구를 향해 돌출 형성된 요철부를 구성하므로, 집열판 중 플로우파이프의 설치부위에 열전달을 집중하여 열매체에 보다 효율적으로 집열시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시예를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 일실시예를 개략적으로 나타내는 확대단면도.
도 3은 본 발명에 따른 일실시예에서 플로우파이프를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 일실시예에서 플로우파이프의 다른 실시예를 나타내는 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 일실시예에서 플로우파이프의 다른 실시예를 나타내는 확대단면도.
도 6은 본 발명에 따른 일실시예에서 집열판의 다른 실시예를 나타내는 확대단면도.
도 7은 본 발명에 따른 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 단면도.

본 발명은 태양광원을 수광하여 전기에너지를 생성시키는 태양광모듈과; 상기 태양광모듈 하부에 구비되어 투과 파장의 태양광원을 통해 열원을 흡수하는 집열판과; 상기 집열판의 하부에 부착 설치되고 내부에 열매체가 순환되되 상기 집열판의 열에너지가 전달되는 플로우파이프와; 상기 플로우파이프 상에 접촉 또는 비접촉 형태로 구비되고 상기 집열판으로부터 전달된 열에너지의 유실을 차단하는 절연부재;를 포함하는 액체식 PVT 컬렉터를 기술구성의 특징으로 한다.

다음으로 본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터의 일실시예는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 태양광모듈(10)과, 집열판(20)과, 플로우파이프(30)와, 절연부재(40)를 포함하여 이루어진다.

상기 태양광모듈(10)은 상부에서 상면이 외측에 노출된 구조를 이루어 태양 빛에 따른 태양광원을 수광가능하게 구성하고, 태양광원의 수광에 따른 전기적 발전을 도모하여 생활원인 전기에너지를 생성시키는 기능을 수행한다.

도면에 나타내지는 않았지만 상기 태양광모듈(10)은 태양광원을 수광하기 위한 구조로 복수 개의 솔라셀이 배열배치되고, 상기 솔라셀을 통해 수광된 빛에너지를 광전 변환한 후 전하를 생성시키는 반도체소자를 구비토록 구성한다.

상기 집열판(20)은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 태양광모듈(10)의 하부에 일체로 부착되고 태양광원의 투과 파장과 함께 상기 태양광모듈(10)에서 발생한 열원을 흡수 전도하는 기능을 수행한다.

상기 집열판(20)은 상기 태양광모듈(10)의 하부에 두께가 얇은 박막형태로 형성한다.

상기에서 집열판(20)에 사용가능한 재질로는 열전도율이 우수한 금속인 구리나 알루미늄 등의 금속 재질을 사용하므로 상기 태양광모듈(10)로부터 열에너지를 효율적으로 획득할 수 있게 구성하는 것이 바람직하다.

또한 상기 집열판(20)은 상기 태양광모듈(10)의 면적과 동일한 면적을 갖도록 형성하여 상기 태양광모듈(10)의 하부 전체적인 면적에 접한 채 열원을 고르게 전도시킬 수 있게 구성하는 것이 바람직하다.

상기 집열판(20)은 상기 태양광모듈(10)의 하면에 대응하여 상면이 직접적으로 면 접촉하여 일체를 이룬다. 즉 상기 집열판(20)은 상기 태양광모듈(10)과 접하는 상부 접촉면에 라미네이팅하여 접착력을 갖도록 코팅된 점착코팅면(21)을 형성한다.

상기에서 점착코팅면(21)은 열접착성수지(예를 들면, 폴리에틸렌(PE) 등)로 라미네이팅 처리하여 구성한다.

상기 플로우파이프(30)는 상기 집열판(20) 상에 설치되고, 상기 집열판(20)의 열에너지가 전달될 수 있는 열매체가 내부에 순환가능하게 구비된다. 즉 열매체에는 상기 집열판(20)의 열에너지가 전달되어 생활에너지원으로 활용될 수 있게 순환시키되 상기 플로우파이프(30)가 난방시설 또는 온수시설을 향해 연장하여 연결설치된 구조를 이루도록 구성한다.

상기 플로우파이프(30)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 상부가 절개형성된 절개구(31)를 구비토록 구성한다. 즉 상기 플로우파이프(30)는 원형 또는 반원형의 단면형상으로 형성하되 상기 집열판(20)을 향한 상면이 개방된 구조를 이루도록 절개된 절개구(31)를 구비한다.

상기 플로우파이프(30)는 상기 집열판(20)의 하부에 부착 설치된다. 즉 상기 절개구(31)가 형성된 상기 플로우파이프(30)의 상단에 접합물질을 갖는 접착제를 구비하여 상기 집열판(20)의 하면에 부착가능하게 구성한다.

상기 플로우파이프(30)에 상기 절개구(31)를 형성함에 따라 내부 열매체가 상기 집열판(20)에 직접적으로 접촉하여 효율적인 열전달이 이뤄질 수 있게 형성한다.

상기에서 열매체로는 일반적인 물이나 히트펌프의 냉매를 사용하여 순환될 수 있게 형성한다.

상기 플로우파이프(30)에 사용가능한 재질로도 상기 집열판(20)과 마찬가지로 열전도율이 우수한 구리나 알루미늄 등의 금속재질을 사용하여 상기 집열판(20)의 열이 효율적으로 전달될 수 있게 구성하는 것이 바람직하다.

상기 플로우파이프(30)는 상기 집열판(20)의 하부에 서로 간격을 두고 복수 개를 배열배치하여 구성한다.

또한 상기 플로우파이프(30)의 다른 실시예는 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 복수 개의 플로우파이프(30) 간에 서로 연통하도록 연결되어 내부 열매체가 상호 이동가능한 유동경로를 형성하는 연결순환관(35)을 더 포함하여 구성하는 것도 가능하다.

상기 연결순환관(35)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 서로 대응하여 배치된 플로우파이프(30) 간에 서로 연결하되 상기 플로우파이프(30)의 길이방향으로 일정한 간격을 두고 복수 개가 배열배치된 구조를 이룬다.

상기 연결순환관(35)은 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 플로우파이프(30)의 상단을 연결토록 구비하여 상기 집열판(20)의 하부에 접촉상태를 이루도록 형성한다. 즉 상기 연결순환관(35)도 상기 플로우파이프(30)와 마찬가지로 상면이 개방되어 상단이 상기 집열판(20)에 부착될 수 있게 형성한다.

상기와 같이 플로우파이프(30) 간에 상호 이동가능한 경로를 갖게 연결하는 연결순환관(35)을 구성하면, 집열판(20)과의 접촉면적을 확장하면서 고른 접촉을 도모하여 열전달에 따른 집열성능을 보다 향상시키는 것이 가능하다.

또한 상기 집열판(20)의 다른 실시예는 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 플로우파이프(30)의 절개구(31)에 대응하여 돌출 형성되는 요철부(25)를 더 포함하여 이루어진다.

상기 요철부(25)는 상기 집열판(20) 상에 형성되되 상기 플로우파이프(30)의 길이방향을 따라 일체로 형성된 구조를 이루거나 상기 플로우파이프(30)의 길이방향을 따라 일정한 간격을 두고 복수 개가 배열배치된 구조로 형성한다.

상기와 같이 집열판(20)에 플로우파이프(30)의 절개구(31)를 향해 돌출 형성된 요철부(25)를 구성하게 되면, 방열효능에 따른 집열판 중 플로우파이프(30)의 설치부위에 열전달을 집중하여 열매체에 보다 효율적으로 집열시키는 것이 가능하다.

상기 절연부재(40)는 상기 집열판(20)으로부터 상기 플로우파이프(30)를 향해 전달할 열에너지의 유실현상을 차단하도록 구비된다.

상기 절연부재(40)로는 발포 폴리스티렌이나 발포 우레탄폼 등의 발포수지를 재료로 사용하여 구성한다.

상기 절연부재(40)는 상기 플로우파이프(30) 상에 접촉 또는 비접촉 형태로 구성하는 것이 가능하다. 즉 상기 플로우파이프(30)로부터 간격을 두고 구비된 하부프레임과의 사이 공간에 상기 절연부재(40)가 충진되도록 형성하여 상기 플로우파이프(30)의 외면을 감싸 접하도록 구성하는 것도 가능하고, 상기 플로우파이프(30)로부터 간격을 두고 구비된 하부프레임의 내면에만 접하게 일정두께의 절연부재(40)를 구비토록 형성하여 상기 플로우파이프(30)와는 비접촉상태를 이루도록 구성하는 것이 가능하다.

즉 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터에 의하면 태양광모듈(10)의 발전에 따른 열원의 유실을 차단한 채 열매체에 전도될 수 있게 구성하므로, 태양광모듈(10)의 전기발전을 위한 기능성을 유지토록 보호하여 전기생산성을 향상시킴은 물론 장비수명을 연장하고, 열매체를 향한 원활한 열전도를 유도하여 집열성능을 증진시킴과 동시에 열원생산성을 향상시키는 것이 가능하다.

뿐만 아니라 본 발명은 태양광모듈(10)과 접하는 집열판(20)의 접촉면에 점착력을 갖게 라미네이팅하여 코팅하므로, 태양광모듈(10)과의 부착을 위한 제조과정이 간편하여 제품생산이 용이하고, 집열판(20)을 향한 우수한 열전달 성능을 도모하여 집열효율을 향상시키는 것이 가능하다.

또한 본 발명은 플로우파이프(30)의 상부가 절개하여 집열판(20)에 부착형태로 구성하므로, 열매체를 위한 접촉면적을 확대함은 물론 열매체가 집열판에 직접적으로 접촉하여 열매체를 향한 열전달효율을 크게 증진시키고, 태양광모듈(10)과의 부착에 따른 제작이 용이함은 물론 제품의 생산품질을 향상시켜며 양품생산을 도모하는 것이 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터의 다른 실시예는 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 태양광모듈(10)의 상측에 간격을 두고 구비되는 글라스판(51)과, 상기 글라스판(51)과 상기 태양광모듈(10)의 사이에 에어가 채워져 공기층을 형성가능하게 구비되는 에어갭(55)을 더 포함하여 이루어진다.

상기 글라스판(51)은 상기 태양광모듈(10)을 보호가능한 유리마감구조를 도모하는 것으로서, 저철분 강화유리를 사용하여 구성한다.

상기 태양광모듈(10)과 상기 글라스판(51) 간에 상기 에어갭(55)을 형성함에는 상기 태양광모듈(10)을 지지하면서 외곽테두리를 따라 상기 에어갭(55)의 둘레 측면을 마감하는 측면프레임을 구비토록 구성한다.

즉 상기한 다른 실시예와 같이 본 발명을 구성하면, 글라스판(51)으로부터 태양광모듈(10)을 보호하는 동시에 에어갭(55) 내 공기층에 면하게 된 형태로 대류에 의한 태양광모듈(10)의 냉각이 보다 용이하여 전기발전효율을 보다 증진시키는 것이 가능하다.

상기한 다른 실시예에 있어서도 상기한 구성 이외에는 상기한 일실시예와 마찬가지의 구성으로 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.

상기에서는 본 발명에 따른 액체식 PVT 컬렉터의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 명세서 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

10 : 태양광모듈 20 : 집열판
21 : 점착코팅면 25 : 요철부
30 : 플로우파이프 31 : 절개구
35 : 연결순환관 40 : 절연부재
51 : 글라스판 55 : 에어갭

Claims (6)

1. 태양광원을 수광하여 전기에너지를 생성시키는 태양광모듈과; 상기 태양광모듈 하부에 구비되어 투과 파장의 태양광원을 통해 열원을 흡수하는 집열판과; 상기 집열판의 하부에 부착 설치되고 내부에 열매체가 순환되되 상기 집열판의 열에너지가 전달되는 플로우파이프와; 상기 플로우파이프 상에 접촉 또는 비접촉 형태로 구비되고 상기 집열판으로부터 전달된 열에너지의 유실을 차단하는 절연부재;를 포함하여 이루어지고,
   상기 집열판은 상기 태양광모듈과 접하는 상부 접촉면에 라미네이팅하여 점착력을 갖도록 코팅된 점착코팅면을 형성하며,
   상기 플로우파이프는 원형 또는 반원형의 단면형상으로 형성하되 상기 집열판을 향한 상면이 개방된 구조로 절개되어 내부 열매체가 상기 집열판에 직접적으로 접촉할 수 있게 형성되는 절개구를 포함하며, 상기 집열판에는 상기 플로우파이프의 절개구에 대응하여 돌출 형성되는 요철부를 포함하고,
   상기 플로우파이프는 상기 집열판의 하부에 서로 간격을 두고 복수 개를 배열배치하여 구성하되, 상기 플로우파이프 간에 상단이 서로 연통하도록 연결되어 내부 열매체가 상호 이동가능한 유동경로를 형성하는 연결순환관을 포함하며,
   상기 태양광모듈의 상측에 간격을 두고 구비되는 글라스판과, 상기 글라스판과 상기 태양광모듈의 사이에 에어가 채워져 공기층을 형성가능하게 구비되는 에어갭을 포함하여 이루어지는 액체식 PVT 컬렉터.
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