KR101829862B1 - 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템 - Google Patents

지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지열원 히트펌프 냉난방 시스템 및 태양전지에 관한 것으로, 하계에 태양전지의 표면온도 상승에 따른 출력 저하를 해결하는 방안으로 기존의 지열원 히트펌프 시스템에서 여분의 열원을 이용하여 태양전지 표면온도를 낮춤으로써 태양전지의 효율을 높일 수 있도록 구성하며, 이러한 태양전지 냉각을 위해서 설치한 열교환기를 이용하여 동계에 지열로 낮은 시수온도를 높여서 에너지를 절약하는 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 구성은 태양전지 어레이 지지에 사용되는 수평가대를 일부 수정하여 구성한 태양전지 냉각장치와 아울러 일반적인 지열원 히트펌프 냉난방 시스템에서 추가로 지열의 태양전지 냉각 및 시수 승온에 사용되는 지열회수 열교환기와 지열회수 순환펌프 그리고 추가 배관을 포함하는 것으로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템 {THE SYSTEM FOR COOLING OF SOLAR CELL AND HEATING OF CITY WATER BY GEOTHERMAL HEAT}
본 발명은 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는 하계에 태양전지의 온도가 높아서 발전효율이 저하되는 문제점을 지열을 이용하여 해결하고, 태양전지 냉각하는 과정에서 설치되는 지열회수 열교환기와 지열회수 순환펌프로 동계에 시수의 온도를 높이는데 사용할 수 있는 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템에 관한 것이다.
지금까지 전 세계는 대부분 한정된 에너지원인 석유, 가스, 우라늄 등을 이용하여 직접 에너지원을 이용하거나 전력으로 변환하여 사용하여 왔는데, 장기적으로는 이 한정된 에너지원의 고갈이 예상되고 온실가스의 증가로 환경오염이 가중되고 있는 실정이다. 또한 최근 원자력발전의 경우 에너지원 단가는 저렴하나 일본 후쿠시마 원전사고에서 보는 바와 같이 사고시 막대한 피해가 우려되고 핵폐기물 저장 비용도 상당하여 최근 여러 나라에서 탈원전 정책을 적극적으로 추진하고 있는 실정이다.
이와 같은 상황에서 전력공급 및 에너지 문제를 해결하기 위하여 환경공해가 발생하지 않고 자원을 무한정 사용할 수 있는 신재생에너지에 대한 관심이 급증하고 있고, 이 신재생에너지 보급을 적극적으로 추진하고 있다. 이 신재생에너지에는 지열, 태양광, 해수열, 연료전지, 풍력, 조력 등 여러 가지가 있으나, 가장 주변의 자연에서 쉽게 이용이 가능한 지열과 태양광이 대세를 이루고 있다.
일반적으로, 친환경 에너지 중 지열을 이용한 냉난방 시스템(지중 열 교환 시스템)은 기후조건이나 계절의 변화에 관계없이 냉ㆍ난방용으로 일정하게 이용할 수 있는 땅속 열원을 이용하는 것으로, 열원을 가진 일정 깊이 이상의 땅속 지하수와 에너지 효율이 높은 히트펌프간의 열 교환을 통한 건물의 냉난방 에너지로 사용하는 시스템이다.
이러한 지열 냉난방 시스템은 열원을 획득하는 지중열교환기 형태에 따라 지중열을 부동액이 충전된 U자관을 이용하여 간접적으로 히트펌프와 열 교환하는 밀폐형 방식과 지하수를 직접 히트펌프와 열 교환하는 개방형 방식 (준개방형 방식 Standing Column Well, SCW 포함)으로 구분된다.
밀폐형은 지하 150~200m로 수직 천공하고 U자형 PE파이프를 삽입하여 물을 순환시켜 지중과 PE파이프간의 열교환을 통하여 지열을 이용하는 방식이며, 또한 개방형은 약 300~500m로 수직 천공하여 수중펌프로 지하수를 히트펌프로 순환시켜 약 15℃의 일정한 온도의 지하수를 이용하는 방식이다. 이 지중 열원은 난방기간에는 지중열을 회수하는 히트펌프의 열원(Heat Source)으로 이용하고 냉방기간에는 냉각탑 대신 지중으로 열을 방출하는 히트펌프의 히트싱크(Heat Sink)로 이용된다.
그러나 이 지열을 확보하기 위해서는 지중에 천공하는 등 관련된 설비를 설치하는데 비용이 상당히 많이 소요되는 데 반하여, 이 열원을 냉난방 공급 용도에만 한정적으로 사용하고 있는 실정이어서 연간 효율적으로 활용되지 못하고 있는 문제를 지니고 있다. 본 발명에서는 이 여유분의 지열을 연중 효율적으로 활용하는 방안을 제시하고자 한다.
또한 태양은 무한하고 청정한 에너지로 유용하게 활용할 수 있는 에너지이며, 빛의 전기작용을 이용하고 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광발전이 각광을 받고 있다. 태양광발전은 태양빛을 받아 전기에너지로 변환하는 태양전지(Solar Cell)로 결합된 모듈과 생산된 직류전기를 교류로 변환하는 인버터 그리고 제어 및 보호장치로 구성되어 있다,
태양전지는 특성상 표면온도가 증가하면 전압이 감소하면서 전력도 감소하는데, 결정계 태양전지의 경우 1℃ 올라가는데 출력이 0.4% 감소하고 아몰퍼스계의 경우에는 0.2% 감소한다. 따라서 태양전지의 출력을 높이기 위해서는 태양전지 표면온도를 낮추는 노력이 필요하다.
그 외에도 건물은 물을 확보하기 위하여 시수를 받아 시수탱크에 저장한 후 건물에 냉온수를 공급한다. 일반적으로 시수를 급탕에 사용하기 위한 온도인 45~50℃를 만들기 위하여 전력 또는 가스에너지를 사용한다. 그러나 하계에는 시수온도가 20~28℃인 반면 동계에는 4~6℃로 낮아 에너지가 많이 소요되는데, 15℃의 지열로 이 시수온도를 10℃ 정도로 높여주면 에너지비용을 절감할 수 있다.
국내등록특허공보 제10-1037301호(2011.05.20.) 국내공개특허공보 제10-2016-0144842호(2016.12.19.)
태양전지는 표면온도가 올라가면 전지의 특성상 태양전지의 효율이 떨어지는데, 결정계 태양전지는 표면온도가 1℃ 상승할 때마다 발전 효율이 0.4%씩 떨어진다. 하계에 더운 날은 60℃ 이상으로 태양전지의 표면온도가 올라가는 데, 지금까지는 일부에서 태양전지 표면에 물을 흘려서 온도를 낮추는 방식을 개발하여 이 문제를 해결하고 있다. 그러나 이 방식은 태양전지 표면 온도를 지속적으로 낮추기 위해서는 물을 지속적으로 소비하여야 하고 물의 증발에 따른 냉각효과에만 의존함에 따라 냉각효과가 크지 않은 문제점을 지니고 있다.
본 발명에서는 하계에 지열원 히트펌프 냉난방 시스템에서 냉방시 지열을 히트펌프의 Heat Sink로 사용하는 과정에서 설치된 용량이 남는 경우가 많이 발생하는 데, 이 여분을 이용하여 태양전지의 냉각에 활용할 수 있도록 하였으며, 이에 따라 태양전지에 의한 발생전력 증가 효과를 기대할 수 있다.
또한 동계에는 시수 저장탱크에 저장된 시수온도가 4~6℃로 상당히 낮으며, 하계에는 20~28℃가 된다. 일반적으로 급탕온도가 45~50℃이므로 동계에는 시수온도를 높이는 비용이 하계보다 많이 소요된다. 동계에는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템에서 난방시 지열을 Heat Source로 사용하는 과정에서 설치된 용량이 남는 경우가 많이 발생하는데 지열은 15℃이므로 이 열원을 동계의 시수온도인 4~6℃를 10℃ 정도로 높이는 데 사용하면 에너지를 절감할 수 있다.
일반적으로 적용되는 지열원 히트펌프 냉난방시스템의 열원부분은 밀폐형인 경우 지중에 PE배관을 매설하고 물을 순환시켜 지열을 회수하며, PE재질의 지열교환기와 관련배관으로 구성된다. 개방형 지열방식의 열원부분은 심정펌프로 지하의 지하수를 끌어올려 지하수 열교환기로 열교환하여 지열을 회수하며, 심정펌프와 지하수 열교환기 그리고 관련배관으로 구성된다.
본 발명에서는 지열원부분을 이러한 2 종류의 열원방식에 대하여 공통적으로 적용하고, 이 지열원부분 이후의 구성부분에서 기존의 일반적인 히트펌프 시스템에 태양전지 냉각 및 시수 승온을 위한 별도의 장치를 부가하여 구성된다.
또한 일반적으로 적용하는 히트펌프 유니트의 부하측 방식은 부하에 연결되는 방식에 따라 물 배관을 건물의 실내기에 연결하는 물-물 방식과 냉매라인을 건물의 실내기에 연결하는 물-공기 방식으로 구분되며, 본 발명에서는 2 방식 모두 포함된다.
상술한 지열의 태양전지 냉각 및 시수 승온의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은 위의 일반적으로 구성되는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템에 추가로 지열회수 열교환기(301), 지열회수 순환펌프(304), 관련 배관 및 밸브 그리고 태양전지 어레이(400)에 부착하는 수정된 수평가대(401)와 태양전지 입구헤더(402), 태양전지 출구헤더(403) 등을 설치하여 구성한다.
종래의 일반적으로 태양전지 어레이(40)는 태양에너지를 효율적으로 받기 위하여 경사형태로 설치하며 태양전지 어레이(40) 하부에는 태양전지 어레이(40)를 지지하기 위한 여러 종류의 가대가 설치된다.
이 태양전지 어레이(40)에 부착하여 지지하는 가대는 수평가대(41)와 수직가대가 있는데, 수평가대(41)는 태양전지 어레이(40) 하부에 수평으로 위치하여 지지하며, 내부가 비어있는 사각형태의 봉구조로 1대가 좌측 종단에서 우측 종단까지의 수평으로 구성되고, 태양전지 어레이(40)의 상부에서 하부까지 일정한 간격으로 여러 개의 사각봉 수평가대(41)가 설치된다.
본 발명에서는 태양전지 냉각장치로 태양전지 지지용 사각봉 형태의 수평가대를 수정하여 내부에 물을 순환시켜 상부의 태양전지 어레이의 열을 이 물이 흡수하는 방식을 채택한다.
본 발명의 태양전지 어레이(400)의 좌측과 우측에 세로로 입구헤더(402)와 출구헤더(403)를 설치하고 수평가대(401)를 이 헤더에 연결하며, 물은 입구헤더(402)에서 여러 대의 수평가대(401)를 거쳐 출구헤더(403)로 이동한다,
수평가대(401)의 상단에는 물을 순환하기 위한 밀폐구조를 형성하고 태양전지의 열을 물에 효율적으로 전달하기 위하여 열전달 능력이 우수한 직사각형태의 동판(404)을 수평가대(401) 면적보다 좌우로 약간 크게 제작하여 부착하며, 태양전지 어레이(400)의 지지를 위한 수평가대(401)를 설치시 수평가대 상부에 설치한 이 동판(404)이 태양전지 어레이(400) 하부에 밀착하여 태양전지 냉각이 이루어지도록 한다.
수평가대(401)의 상부에 설치한 동판(404) 하부에는 표면적 증가로 인한 열효율 증진을 위하여 빗살형태의 홈이 파진 동 재질의 핀(405)을 일정한 간격으로 부착하며, 그 길이는 수평가대 높이보다 작도록 한다. 따라서 이 수평가대(401) 내에 흐르는 물이 상부의 동판뿐만 아니라 이 핀(405)에도 접촉하여 상부의 태양전지에서 발생한 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 하였다.
태양전지 입구헤더(402)는 하부에 태양전지 입구배관(305)을 연결하고 출구헤더(403)는 상부에 태양전지 출구배관(306)을 연결하여 리버스 리턴으로 각 수평가대에 물이 균등하고 배분될 수 있도록 하며, 태양전지에 부착된 입구 및 출구헤더에서 기계실에 위치한 지열회수 열교환기 2차측(302) 그리고 지열회수 순환펌프(304)에 배관을 연결하여 순환회로를 구성한다.
수평가대(401) 및 각 입,출구헤더에 남아 있는 물의 동파로 태양전지가 손상될 수 있으므로 기계실 내의 배관에 2개의 드레인 밸브(509,510)를 설치하며, 동계 등 태양전지 냉각운전이 불필요한 계절에는 드레인 밸브를 열어 남아있는 물을 완전히 배수한다.
태양전지 냉각시스템의 운전은 태양전지의 온도를 낮춤으로써 얻어지는 전력증가분이 지열회수 순환펌프(304) 동력보다 큰 경우에만 운전하는 것이 경제적인 면에서 타당하다. 태양전지의 표면온도가 1℃ 감소하면 발생전력이 0.4% 증가하므로, 예를 들면 100kW 결정계 태양전지 표면온도를 60℃에서 40℃까지 낮춘다고 가정할 때 8KW의 전력을 더 생산할 수 있다. 시스템 설치시 태양전지 표면온도와 태양전지에 유입하는 물의 입출구 온도차를 계산한 후 지열회수 순환펌프(304)의 운전조건을 설정하도록 구성한다.
지열시스템의 지열원 부분(200), 지열원 순환펌프(304), 히트펌프 유니트(100), 지열회수 열교환기 1차측(104)을 직렬로 연결하여 순환회로를 구성하며, 냉방시 지열원 부분(200)에서 올라온 물이 지열원 순환펌프(304)에 의하여 히트펌프 유니트(100)의 응축기를 거쳐 지열회수 열교환기(301)에서 태양전지의 열을 냉각시킨 후 다시 지열원 부분(200)으로 돌아온다.
히트펌프 유니트(100)의 냉방운전 이외의 시간에서는 지열원 순환펌프(102)와 지열회수 순환펌프(304)만 가동하여 직접 지열로 지열회수 열교환기(301)에서 태양전지 어레이(400)의 열을 냉각한다.
하계에 적용하는 태양전지 냉각 운전모드와 동계에 적용하는 시수 승온 운전모드를 전환하기 위하여 계절단위로 전환하는 태양전지 입구밸브(505), 태양전지 출구밸브(506), 시수탱크 입구밸브(507), 시수탱크 출구밸브(508) 총 4개의 밸브를 설치한다.
시수 승온 운전모드에서는 각 밸브를 조작하여 지열회수 열교환(301)와 지열회수 순환펌프(304) 그리고 시수탱크(500)로 물이 순환하도록 구성하며, 동계에 지열회수 열교환기(301)를 통하여 약 15℃의 지열로 시수탱크(500)의 물 온도인 5℃의 온도를 10℃ 정도로 높인다.
자동제어에서는 시수탱크(500)의 온도가 설정온도 이하가 되면 지열회수 순환펌프(304)를 가동하고 이상이 되면 정지한다. 또한 히트펌프 유니트(100)의 난방운전 이외의 시간에서는 지열원 순환펌프(102)와 지열회수 순환펌프(304)만 가동하여 직접 지열로 시수의 온도를 높인다.
하계에는 지열을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에서 냉방시 Heat Sink로 사용하는 과정에서 설치된 용량이 남는 경우가 많이 발생하는 데, 이 여분을 이용하여 태양전지의 냉각에 활용함으로써 결정계 태양전지의 표면온도를 지열로 낮추게 되어 표면온도가 1℃ 하락할 때마다 발전 효율이 0.4%씩 올라가는 효과를 얻을 수 있다.
태양전지의 냉각을 위하여 설치되는 장치는 기존의 태양전지 어레이를 지지를 위한 수평가대를 일부 수정하여 설치함으로써 설치비용을 획기적으로 절감할 수 는 효과가 있다.
동계에는 히트펌프 냉난방 시스템에서 난방시 지열을 Heat Source로 사용하는 과정에 설치된 용량이 남는 경우가 많이 발생하는데, 지열온도가 약 15℃ 이므로 이 열을 동계 시수온도인 4~6℃를 10℃까지 높이는데 사용하여 시수온도를 급탕온도인 45~50℃까지 올리기 위한 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
하계에 태양전지를 냉각하는 과정에서 사용되는 지열회수 열교환기 및 지열회수 순환펌프를 동계에는 시수를 승온시키는 과정으로 사용할 수 있는 시스템이므로 배관비용 이외에는 추가의 설치비용이 없어 상당히 경제적인 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 지열원 히트펌프 냉난방 시스템과 시수탱크, 그리고 태양전지 시스템 전체 구성을 도시한다.
도 2는 종래의 태양전지 설치사진을 도시한다.
도 3는 종래의 밀폐형 지열원 히트펌프 냉난방시스템의 열원부분 구성을 도시한다.
도 4는 종래의 개방형 지열원 히트펌프 냉난방시스템의 열원부분 구성을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템 전체 구성을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치의 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치의 구조 평면을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치 구조 상세를 도시한다.
본 발명의 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템은 지중에 매설된 지열원 부분(200)의 지열에너지가 지열원 순환펌프(102)에 의해 히트펌프 유니트(100)로 공급되어 히트펌프 유니트(100)에서 1차 열교환되고, 1차 열교환된 지열에너지는 히트펌프 유니트(100)와 직렬 배치된 지열회수 열교환기(301)로 공급되어 2차 열교환되며, 지열에너지에 의해 열교환된 지열회수 열교환기(301)의 냉온수를 하계에는 지열회수 순환펌프(304)에 의해 태양전지 어레이(400) 하부를 지지하는 내부 중공형의 수평가대(401) 내부로 공급하여 태양전지 어레이(400)의 표면을 냉각시키고,
동계에는 지열회수 순환펌프(304)에 의해 시수탱크(500)로 공급하여 시수탱크 내에 저장된 시수의 온도를 높이도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 지열원 히트펌프 냉난방 시스템과 시수탱크, 그리고 태양전지 시스템 전체 구성을 도시한다.
우선 종래의 지열원 히트펌프 냉난방 시스템은 지열원 순환펌프(12)를 가동하여 밀폐형 또는 개방형인 지열원 부분(20)으로부터 지열원회로 제1배관(11)을 통하여 히트펌프 유니트(10)로 지열이 유입된다.
히트펌프 유니트(10)를 가동하여 증발기 또는 응축기에서 이 지열을 이용하고 지열원회로 제2배관(13) 및 지열원회로 제3배관(15)을 거쳐 지열원 부분(20)으로 환수된다.
히트펌프 유니트(10)의 부하측은 물-물 방식인 경우는 부하측 순환펌프를 가동하여 히트펌프 유니트(10)에서 부하회로 제1배관(31)을 거쳐 냉난방부하(30)로 냉온열을 전달하며, 전달한 후의 냉온수는 부하회로 제2배관(32)을 거쳐 다시 히트펌프 유니트(10)로 환수된다. 물-공기 방식인 경우는 부하회로 제1배관(31)과 부하회로 제2배관(32)은 냉매배관으로 구성된다.
종래의 시수공급 방식은 시수탱크(50)로 시수탱크 입구배관(51)을 통하여 시수가 유입되며, 시수탱크(50)에서 시수탱크 출구배관(52)을 통하여 시수가 필요한 급탕장소로 공급된다.
종래에는 도 2에 도시된 바와 같이 태양전지 어레이(40)를 지지하기 위하여 태양전지 어레이(40)의 하부에 수평가대(41)를 설치한다.
도 3은 종래의 밀폐형 지열원 히트펌프 냉난방시스템의 지열원 부분 구성을 도시한다.
밀폐형 지열시스템의 경우 지열원회로 제3배관(15)으로 부터 지열원 부분(20)의 밀폐형지열 입구배관(21)과 연결되며, 밀폐형지열 입구헤더(22)를 거쳐 지중에 매설된 PE재질의 지열교환기(23)로 연결된다.
이 지열교환기(23)의 표면을 통하여 지중(26)에서 지열을 흡수하거나 히트펌프 응축기 배열을 방출하게 되며, 밀폐형지열 출구헤더(24) 및 밀폐형지열 출구배관(25)을 거쳐 지열원회로 제1배관(11)으로 환수된다.
도 4는 종래의 개방형 지열원 히트펌프 냉난방시스템의 지열원 부분 구성을 도시한다.
개방형 지열시스템의 경우 지중(26)의 우물공(27) 내에 있는 수중펌프(28)로 지하수를 끌어올려 지하수 열교환기(29)를 통하여 열을 전달하고 지하수 순환배관(210)을 통하여 우물공(27)으로 환수된다.
지열원회로 제3배관(15)으로 부터 지열원 부분(20)의 개방형지열 입구배관(211)과 지하수 열교환기(29)에 연결되며, 지하수 열교환기(29)에서 열을 전달받아 개방형지열 출구배관(212)를 거쳐 지열원회로 제1배관(11)으로 환수된다.
도 5는 본 발명에 따른 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템 전체 구성을 도시한다.
본 발명의 지열원 부분(200)은 도 3 및 도 4에 도시된 종래의 밀폐형 또는 개방형 지열시스템의 지열원 부분을 적용하도록 한다.
상기 지열회수 열교환기(301)를 히트펌프 유니트(100)에 직렬로 연결하여, 지열원 부분(200)을 통해 공급되는 지열이 지열원 순환펌프(102)에 의해 히트펌프 유니트(100)로 공급되어 냉난방 운전을 통하여 1차 열교환을 거친 후 지열회수 열교환기(104)에서 2차로 열교환이 이루어진다.
히트펌프 유니트(100)의 냉난방운전이 필요 없는 상황에서는 히트펌프 유니트(100)에서는 1차 열교환 없이 통과하며, 지열원 순환펌프(102)만 가동하면서 지열회수 열교환기(301)에서만 열교환이 이루어진다.
하계의 태양전지 어레이(400)의 냉각 운전모드의 경우 우선 태양전지 입구밸브(505)와 태양전지 출구밸브(506)를 열고 시수탱크 입구밸브(507)와 시수탱크 출구밸브(508)는 닫는다.
그 후 지열회수 순환펌프(304)를 가동하여 지열회수 열교환기(301)에서 지열을 열교환한 후 지열회수회로 제1배관(303) 및 태양전지 입구배관(305)을 거쳐 태양전지 입구헤더(402)로 물이 전달된다.
태양전지 어레이(400)의 좌측과 우측에 세로로 입구헤더(402)와 출구헤더(403)를 설치하고 수평가대(401)를 상기 입구헤더(402)와 출구헤더(403) 사이에 연결하며, 물은 입구헤더(402)에서 여러 대의 수평가대(401)를 거쳐 출구헤더(403)로 이동한다,
이 때 태양전지 입구헤더(402)에는 하단에 태양전지 입구배관(305)을 연결하고 태양전지 출구헤더(403)에는 상단으로 태양전지 출구배관(306)을 연결하여, 리버스 리턴으로 각 수평가대(401)에 물이 균등하게 배분되면서 냉온수의 유량을 일정하게 해주도록 한다.
태양전지 입구헤더(402)에 연결된 수평가대(401)로 지열로 냉각된 물을 보내어 태양전지(400) 표면을 냉각하며, 냉각한 후에 온도가 상승된 물은 태양전지 출구헤더(403), 태양전지 출구배관(306) 및 지열회수 제2배관(307)을 거쳐 지열회수 열교환기(301)로 환수된다.
태양전지 어레이(400)의 냉각을 위한 운전제어는 태양전지 어레이(400) 표면과 아울러 태양전지 입구배관(305) 및 태양전지 출구배관(306) 내에 온도센서를 설치하며, 태양전지 입구배관(305) 내의 물 온도가 태양전지 출구배관(306)내 물 온도보다 낮으면 지열회수 순환펌프(304)를 가동하고 같거나 높으면 정지한다. 또한 추가로 측정된 태양전지 어레이(400) 표면온도를 가지고 냉각에 따른 출력증가 효과를 분석한 후 지열회수 순환펌프(304)의 가동여부를 결정한다.
히트펌프 유니트(100)의 냉방운전 이외의 시간에서는 지열원 순환펌프(102)와 지열회수 순환펌프(304)만 가동하여 직접 지열로 지열회수 열교환기(301)를 통하여 태양전지의 열을 냉각한다.
하계에 태양전지 어레이(400)의 냉각을 위한 운전이 종료된 후에는 태양전지 내에 있는 물의 동파로 인한 기기손상을 방지하기 위하여, 반드시 태양전지 입구측 드레인밸브(509)와 태양전지 출구측 드레인밸브(510)를 열어 태양전지 내에 있는 물을 완전히 제거하여야 한다.
동계의 시수 승온을 위한 운전모드의 경우 우선 시수탱크 입구밸브(507)와 시수탱크 출구밸브(508)를 열고, 태양전지 입구밸브(505)와 태양전지 출구밸브(506)를 닫는다.
지열회수 순환펌프(304)를 가동하여 지열회수 열교환기(301)에서 지열회수회로 제1배관(303) 및 시수탱크 입구배관(503)을 거쳐 시수탱크(500)로 물을 보내며, 지열회수 열교환기(301)에서 얻은 지열로 시수 온도를 높인다.
이 시수탱크(500)에서 열교환된 물은 시수탱크 출구배관(504)과 지열회수회로 제2배관(307)을 거쳐 지열회수 열교환기(301)로 환수된다.
외부의 시수는 시수배관(501)를 통하여 시수탱크(500)에 유입되고 지열에 의하여 온도가 상승된 시수는 시수공급배관(502)을 통하여 급탕장소에 공급된다.
시수의 승온을 위한 운전제어는 시수탱크(500)와 지열회수회로 제1배관(303)에 온도센서를 설치하고, 시수탱크(500)의 온도가 지열회수회로 제1배관(303)내 물의 온도보다 낮으면 지열회수 순환펌프(304)를 가동하고 같거나 높으면 정지한다.
히트펌프 유니트(100) 난방운전 이외의 시간에서는 지열원 순환펌프(102)와 지열회수 순환펌프(304)만 가동하여 직접 지열로 시수의 온도를 높인다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치의 구조를 도시한다.
태양전지 어레이(400) 하부에 설치하는 태양전지 냉각장치는 설치비용 절감을 위하여 기존의 태양전지를 지지하기 위하여 설치되는 수평가대(401)를 일부 수정하여 활용한다.
도 2에 도시된 바와 같이 일반적으로 태양전지 어레이(400)는 태양에너지를 효율적으로 받기 위하여 경사형태로 설치되며, 태양전지 어레이(400) 하부에는 태양전지 어레이(400)를 지지하기 위한 여러 종류의 가대가 설치된다.
상기 태양전지 어레이(400)에 부착하여 지지하는 수평가대(401)는 태양전지 어레이(400) 하부에 수평으로 위치하여 지지하며, 내부가 비어있는 사각형태의 봉구조로 1대가 좌측 종단에서 우측 종단까지의 수평으로 구성되고, 태양전지 어레이(400)의 상부에서 하부까지 일정한 간격으로 여러 개의 사각봉 수평가대(401)가 설치된다.
본 발명에서는 태양전지 냉각장치로 태양전지 지지용 사각봉 형태의 수평가대(401)를 수정하여 안에 물을 순환시켜 상부의 태양전지 어레이(400)의 열을 이 물이 흡수하는 방식을 채택한다.
수평가대(401)의 상단에는 물을 순환하기 위한 밀폐구조를 형성하고 태양전지의 열을 물에 효율적으로 전달하기 위하여 열전달 능력이 우수한 직사각형태의 동판(404)을 수평가대(401) 면적보다 좌우로 약간 크게 제작하여 부착하며, 태양전지 어레이(400)의 지지를 위한 수평가대(401) 설치시 수평가대(401) 상부에 설치한 이 동판이 태양전지 어레이(400) 하부에 밀착하여 태양전지 냉각이 이루어지도록 한다.
도 6 내지 도 8에서와 같이 수평가대(401) 상부에 설치한 동판 하부에는 표면적 증가로 인한 열효율 증진을 위하여 빗살형태의 홈이 파진 동 재질의 핀(405)을 일정한 간격으로 부착하며, 그 길이는 수평가대(401) 높이보다 작도록 한다. 따라서 이 수평가대(401) 내에 흐르는 물이 상부의 동판(404)뿐만 아니라 이 핀(405)에도 접촉하여 상부의 태양전지에서 발생한 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 하였다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명이 비록 한정된 실시 예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.
100: 히트펌프 유니트 101 : 지열원회로 제1배관
102 : 지열원 순환펌프 103 : 지열원회로 제2배관
104 : 지열회수 열교환기 1차측 105 : 지열원회로 제3배관
200 : 지열원 부분 300 : 냉난방부하
302 : 지열회수 열교환기 2차측 303 : 지열회수회로 제1배관
304 : 지열회수 순환펌프 305 : 태양전지 입구배관
306 : 태양전지 출구배관 307 : 지열회수회로 제2배관
308 : 부하회로 제1배관 309 : 부하회로 제2배관
400 : 태양전지 어레이 401 : 태양전지 수평가대
402 : 태양전지 입구헤더 403 : 태양전지 출구헤더
404 : 수평가대 동판 405 : 수평가대 핀
500 : 시수탱크 501 : 시수배관
502 : 시수공급배관 503 : 시수탱크 입구배관
504 : 시수탱크 출구배관 505 : 태양전지 입구밸브
506 : 태양전지 출구밸브 507 : 시수탱크 입구밸브
508 : 시수탱크 출구밸브 509 : 태양전지 입구측 드레인밸브
510 : 태양전지 출구측 드레인밸브

Claims (9)

  1. 지중에 매설된 지열원 부분(200)의 지열에너지가 지열원 순환펌프(102)에 의해 히트펌프 유니트(100)로 공급되어 히트펌프 유니트(100)에서 1차 열교환되고, 1차 열교환된 지열에너지는 히트펌프 유니트(100)와 직렬 배치된 지열회수 열교환기(301)로 공급되어 2차 열교환되며, 지열에너지에 의해 열교환된 지열회수 열교환기(301)의 냉온수를 하계에는 지열회수 순환펌프(304)에 의해 태양전지 어레이(400) 하부를 지지하는 내부 중공형의 수평가대(401) 내부로 공급하여 태양전지 어레이(400)의 표면을 냉각시키고,
    동계에는 지열회수 순환펌프(304)에 의해 시수탱크(500)로 공급하여 시수탱크 내에 저장된 시수의 온도를 높이도록 하며,
    상기 태양전지 어레이(400)의 하부에는 태양전지 어레이(400)를 지지하는 수평가대(401)가 일정간격으로 이격되어 복수개 설치되되, 상기 지열회수 순환펌프(304)에 의해 지열회수 열교환기(301)의 냉온수가 수평가대(401) 내부로 공급되도록 복수의 수평가대(401)와 연결되게 태양전지 어레이(400)의 좌우 한쪽 끝에 수직형태로 태양전지 입구헤더(402)가 구비되고, 상기 복수의 수평가대(401) 내부에 냉온수가 공급되어 태양전지 어레이(400)의 표면을 냉각시킨 후 온도가 상승된 물이 상기 지열회수 열교환기(301)로 순환되도록 복수의 수평가대(401)와 연결되게 태양전지 어레이(400)의 타측에 수직형태로 태양전지 출구헤더(403)가 구비되며,
    상기 각 수평가대(401)의 상부 면에는 사각판형상이며 수평가대(401) 보다 상,하측이 소정크기 더 확장되어 형성된 동판(404)이 태양전지 어레이(400)의 하단에 밀착되게 설치되어 태양전지 어레이(400) 표면의 열이 수평가대(401) 내부에 흐르는 냉온수에 효율적으로 전달되도록 하고,
    상기 각 수평가대(401)의 내부에는 소정높이로 연장된 원통형상이며 표면에 빗살형태의 홈이 파인 동 재질의 핀(405)이 내부 상단에 복수개 이격되게 설치되어, 태양전지 어레이(400) 표면의 열이 수평가대 내부에 흐르는 냉온수에 효율적으로 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지열회수 열교환기(301)에는 지열에너지로 열교환된 냉온수가 지열회수 순환펌프(304)의 가동에 의해 공급되는 지열회수회로 제1배관(303)이 연결되며, 지열회수회로 제1배관(303)에는 공급되는 냉온수를 하계시에는 태양전지 어레이(400)로 공급하고, 동계시에는 냉온수를 시수탱크(500)로 공급하기 위하여 태양전지 입구밸브(505)와 시수탱크 입구밸브(507)가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 지열 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지 입구헤더(402)에는 하단으로 태양전지 입구배관(305)을 연결하고, 태양전지 출구헤더(403)에는 상단으로 태양전지 출구배관(306)을 연결함으로써 각 수평가대(401)에 흐르는 냉온수의 유량을 일정하게 하도록 하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 태양전지 어레이(400)에 설치된 태양전지 입구헤더(402)와 연결되는 태양전지 입구배관(305)과 태양전지 출구헤더(403)와 연결되는 태양전지 출구배관(306) 내에는 각각 온도센서가 설치되어 태양전지 입구배관(305) 내의 물 온도가 태양전지 출구배관(306)내의 물 온도보다 같거나 높으면 지열회수 순환펌프(304)의 가동을 자동으로 중단하도록 하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 지열회수 열교환기(301) 내의 물을 시수탱크(500)로 공급하는 지열회수회로 제1배관(303)과 시수탱크(500) 내에는 온도센서가 설치되어 시수탱크(500) 내의 물 온도가 지열회수회로 제1배관(303) 내의 물 온도보다 같거나 높으면 지열회수 순환펌프(304)의 가동을 자동으로 중단하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트펌프 유니트(100)의 작동이 불필요할 경우에는 지열원 순환펌프(102)에 의해 공급되는 지열에너지를 히트펌프 유니트(100)는 제외하고 지열회수 열교환기(301)에만 공급하여 지열회수 열교환기(301)에서만 열교환이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템.
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