KR101884127B1 - 재생에너지를 이용한 발열 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광, 풍력 및 마찰 에너지 가운데 하나 이상의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 재생에너지 발전부와 상기 재생에너지 발전부로부터 공급된 전기 에너지로 발열하는 발열부를 포함하고, 상기 발열부는 발열필름의 양면에 부착된 축열재 마이크로캡슐이 내장된 축열 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 의한 발열 시스템은 별도의 전력의 투입 없이 높은 효율의 발열이 가능하므로, 제조 및 운용비용을 절감할 수 있고, 축열 필름에 의해 발열 보온 및 축열 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Description

재생에너지를 이용한 발열 시스템{HEATING SYSTEM USING RENEWABLE ENERGY}
본 발명은 재생에너지를 이용한 발열 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력발전, 태양광 발전 또는 마찰발전을 통해 얻어진 에너지를 저장한 후 발열 필름을 이용하여 발열시키는 재생에너지를 이용하고 고축열 용량이 가능한 발열 시스템에 관한 것이다.
현재 인류는 화석에너지의 고갈 및 지구의 기후변화 등으로 인해 화석에너지를 대체할 새로운 에너지원을 개발하고 있으며, 이러한 대체에너지 중에서도 무공해이면서 무한하게 이용할 수 있는 태양에너지, 풍력, 수력, 조력 등의 신재생에너지 분야를 이용한 제로에너지 빌딩에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 제로에너지 빌딩은 단열성능을 극대화하여 건물 외피를 통해 외부로 유출되는 에너지양을 최소화하고 신재생 에너지를 활용하여 건물기능에 필요한 에너지를 자체적으로 공급하는“에너지 자립 건축물”을 말한다.
특히, 화석연료의 고갈 및 대체에너지원 개발의 어려움으로 인하여 에너지 비용이 증가하고 있어서, 화석연료를 이용한 발열장치는 점점 더 운영하기 어려워지고 있는 실정이고, 화석연료의 연소 시에 발생하는 배출 가스는 환경오염 및 지구온난화를 유발하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 태양력, 풍력과 같은 자연력을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 방법이 있으나, 넓은 설치 면적이 요구되고, 발전 단가가 높고, 아직까지 그 효율이 매우 낮은 문제가 있다. 또한, 자연력을 전기에너지로 변환하고 전기에너지를 다시 발열장치에 사용하기 위해서는 복잡한 전력설비 및 많은 운영비용이 필요한 문제도 있다.
국내특허 제1086892호는 태양광 및 풍력발전에 의해서 발생되는 전기에너지의 직류 전원으로 직접 작동되어 냉·난방효과를 얻을 수 있고, 주택에 설치하여 냉난방 장치로도 활용할 수 있는 태양광과 풍력발전의 전기에너지를 이용한 냉난방시스템을 개시하고 있으나, 시스템의 구성이 복잡하고, 여전히 효율이 낮은 한계가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 태양광 발전 및 풍력 발전에서 얻어지는 전기 에너지를 저장한 후 필요 시 전류를 공급하여 발열 필름에서 자가 발열하여 발열 및 보온 효과를 낼 수 있는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템을 제공하하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 축열재 마이크로캡슐이 내장된 축열 필름을 이용하여, 재생에너지 발전부에 의해서 생긴 에너지의 효과적인 이용과
축열재의 에너지 흡수의 고효율화를 꾀할 수 있고, 고축열 용량이 가능한 재생에너지를 이용하는 발열 시스템을 제공하여 제로에너지 빌딩을 실현하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,
태양광, 풍력 및 마찰 에너지 가운데 하나 이상의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 재생에너지 발전부와 상기 재생에너지 발전부로부터 공급된 전기 에너지에 의해 발열하는 발열부를 포함하고, 상기 발열부는 발열필름의 양면에 부착된 축열 마이크로캡슐이 내장된 축열 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템에 관한 것이다.
상기 재생에너지 발전부는 전기 에너지를 충전하는 축전부를 포함하고, 이러한 축전부는 리튬이차전지, 레독스 흐름전지, 압축공기 저장장치 등에서 선택된 것일 수 있다.
상기 발열 필름은 부직포 또는 합성수지 필름들 사이에 탄소와이어 또는 금속와이어 발열선이 내장된 발열체이거나 가요성 폴리머 내에 탄소섬유의 망상 구조가 내장된 것이다.
상기 발열 필름은 외부에 금속 전구체 패턴을 환원시켜 형성된 전도성 패턴을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은,
발열부의 온도를 측정하는 온도센서; 저항발열부의 작동 모드와 온도에 관한 정보를 사용자 단말기기에 제공하고, 상기 사용자 단말기기로부터 제어명령을 수신하는 통신부; 상기 사용자 단말기기로부터 송신된 제어명령에 따라서 상기 발열부의 작동에 관한 제어를 원격으로 조작할 수 있도록 하는 IoT 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명의 발열 시스템을 포함하는 건물의 단열구조에 관한 것이다.
본 발명의 다양한 실시예의 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은 자연에서 얻어지는 재생에너지인 태양광 발전, 풍력발전 또는 마찰발전에 의해 발전하여 생성한 전기에너지를 저장한 후 필요 시 전류를 이용하여, 별도의 전력의 투입 없이 높은 효율의 발열이 가능하므로, 제조 및 운용비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 발열 필름에 부착된 폴리머 필름 내의 상전이 물질을 담지한 마이크로캡슐로 인해 열의 입·출입을 막아 필름 전체적으로 보온 및 축열 성능을 향상시키며, 발열 필름 내에서 생성되는 열을 내부에 가두어, 발열필름으로부터 생긴 에너지의 효과적인 이용과 축열재의 에너지 흡수의 고효율화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 전력공급 및 화석연료의 공급이 어려운 지역에서도 발열 시스템을 가동시킬 수 있고, 복합 발전의 경우에 입자조건이나 환경 조건에 따른 제약을 극복할 수 있다.
본 발명에 따른 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은 보온성, 축열성 및 단열성이 매우 우수하여 패시브 하우스 또는 제로에너지 빌딩 시공시 단열재 등의 건축자재로 유리하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 재생에너지를 이용한 발열 시스템의 개략사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 재생에너지를 이용한 발열 시스템의 시스템 구성도이다.
도 3은 실시예 1의 재생에너지를 이용한 발열 시스템의 풍력발전부에서 출력되는 전압값의 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 포함된 풍력발전부에서 출력되는 전류값의 그래프이다.
도 5는 실시예 3에 포함된 축열 필름에 내장된 축열 마이크로캡슐의 전자 현미경 사진이다.
도 6은 실시예 3에 포함된 축열 필름에 내장된 축열 마이크로캡슐의 시차주사열량계(differential scanning calorimetry) 사진이다.
도 7은 축열 마이크로캡슐이 포함된 본 발명의 발열 시스템의 축열성 실험 결과를 나타낸 사진이다.
이하에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
본원에서 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 '~위에', '~상에' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 사이에 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
본 발명에서 “축열 마이크로캡슐"은 상전이 물질로 구성되는 코어와 고분자 쉘로 구성된 마이크로캡슐을 의미한다.
본 명세서에서, "상전이 물질"은 잠열의 큰 열 흡수 및 방출 효과를 이용하여 에너지를 저장하거나, 온도를 일정하게 유지하는 목적으로 사용할 수 있는 물질을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 재생에너지를 이용한 발열 시스템의 개략단면도이고. 도 2는 본 발명의 일 실시예의 재생에너지를 이용한 발열 시스템의 시스템 구성도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 풍력발전기와 발열 필름, 축전부가 연결되는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템의 개략사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은 태양광, 풍력 및 마찰 에너지 가운데 하나 이상의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 재생에너지 발전부(100)와 상기 재생에너지 발전부(100)로부터 공급된 전기 에너지에 의해 발열하는 발열부(300)를 포함하고, 상기 발열부(300)는 발열필름(310)의 양면에 부착된 축열재 마이크로캡슐이 내장된 축열 필름(320)을 포함한다. 상기 재생에너지 발전부(100)는 전기에너지를 충전하는 축전부(180)를 포함한다.
본 발명의 재생에너지 발전부(100)는 태양광 발전부, 풍력 발전부, 및 마찰발전부 가운데 적어도 하나를 포함하고, 바람직하게 이들의 다양한 조합을 포함한다.
본 발명의 재생에너지 발전부(100)는 태양광을 받아 광전효과를 이용하여 전기를 생성하는 태양광 발전부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 태양광 발전부는 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 염료감응형 태양전지 및 양자점 태양전지로 구성되는 군에서 선택되는 태양전지일 수 있다. 태양광 발전부는 직병렬로 연결된 복수 개의 셀이 일정한 규칙에 따라 배열되어 태양광의 열에너지를 전기 에너
지로 변환하고, 축전부(180)는 태양광 발전부에서 생성된 전기 에너지를 축전한다. 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생성 및 축전하는 태양광 발전부는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있으므로 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1을 다시 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력발전부의 개략 단면도이다. 도 1을 참조하면, 풍력발전부(100)는 풍력을 전기 에너지로 바꿔주는 장치이며 회전체가 회전되는 속도에 비례해 유도기전력을 생산한다. 이러한 풍력발전부(100)는 자석을 이용하거나 마찰을 이용하는 풍력발전기일 수 있다. 일례로, 풍력발전부(100)는 코일이 내장된 하부판, 중앙 지지대(110), 외부 지지대(120), 회전체(150), 회전윗판(130), 회전아랫판(140), 코일(160), 계자석(170), 축전부(180로 구성되어 있다.
일례로 본 발명의 재생에너지 발전부를 구성하는 풍력발전부(100)는 회전가능하게 설치되는 중앙지지대(110), 상기 중앙지지대(110)의 외주면에서 방사상으로 다수 형성된 외부지지대들(120), 상기 중앙지지대(110)와 상기 외부지지대들(120) 사이에 고정되는 다수의 회전체들(150), 회전아랫판(140)의 상부에 안치 고정되는 것으로, 상기 중앙지지대(110)를 중심으로 등각 간격으로 배치되는 복수 개의 계자석(170), 상기 중앙지지기대(110)에 결합 고정되며, 하부판의 상부에 위치되는 철심에 감긴 코일(160)을 포함하여, 복수 개의 계자석(170)이 상기 코일(160)을 중심으로 회전하여 코일(160)에서 발전이 이루어진다. 상기 회전체(150)는 회전아랫판(140)에 4개의 회전체(150)를 고정시키고, 회전윗판(130)으로 마무리 고정시키며, 회전아랫판(140)에 4개의 계자석(170)이 부착된다.
상기 풍력발전부(100)의 작동원리로서, 고정된 코일(160) 주위를 계자석(170)이 부착된 회전체(150)가 회전하면 자기장의 변화에 의해 코일에 전류를 흐르게 하는 전자기유도 현상을 일으키며, 이러한 전자기 유도에 의해 생산되는 전류가 발열필름(300)에 전달됨으로서 발열필름이 발열 및 보온역할을 하게 한다. 본 발명의 풍력발전부(100)에서 회전체(150)와 코일(160)이 내장된 하부판의 간격을 좁게 함으로써 유도기전력을 더 크게 만들 수 있으며, 간격을 넓게 함으로써 유도기전력을 작게 만들어 원하는 대로 생성되는 유도기전류의 세기를 조절할 수 있다.
추가로, 전자기유도 현상으로 생산된 전류가 발열 필름(300)에 연결되지 않았을 때에는 하부판의 두 개의 코일(160)에 연결된 축전부(180)에 전류가 축전된다. 상기 축전부(180)는 리튬이차전지, 레독스 흐름전지, 또는 압축공기 저장장치일 수 있다. 상기 축전부(180)는 하부판의 하나의 코일(160)에 돌출된 두 개의 선 중 발열 필름에 연결된 선을 제외한 나머지 한 쪽 선들을 모아 연결시킨 축전기를 의미하며, 그 용량은 680 ㎌ 내지 3300 ㎌이며, 전압은 110V 내지 400V이다. 본 발명에서 재생에너지 발전부에서 발생되는 전기는 입지 조건, 환경, 자연 조건에 따라 출력 변동성이 발생되기 때문에, 축전부에 저장해 놓고 사용할 수 있다.
태양광에 의한 발전과 풍력 발전을 병행하는 시스템을 구성하는 경우에는 태양전지가 풍력발전부의 회전체(150)의 양면 또는 일측면에 형성되거나 회전윗판(130)에 형성될 수 있다. 선택적으로, 상기 회전체(150)와 외부지지대 (120) 사이에는 마찰에 의해 전기 에너지를 생산하는 마찰발전부가 형성될 수 있다. 회전체(150)의 외부에 외부지지대와 서로 반대되는 마찰전기 극성을 가진 재료의 회전 마찰재(미도시)가 형성되면, 회전체(150)의 회전에 따라서 회전 마찰재와 외부지지대의 고정 마찰재가 주기적으로 접촉되었다 분리되었다를 반복하면서 마찰 전기를 수확할 수 있게 된다. 상기 축전부(180)는, 태양광 발전부, 풍력 발전부, 마찰발전부로부터 생성되는 전류를 함께 공급받아 하나의 저장 공간에 저장하거나 분리하여 저장할 수 있다.
본 발명에서 재생에너지 발전부(100)로부터 공급된 전기 에너지에 의해 발열하는 발열부(300)는 발열필름(310)의 양면에 부착된 축열재 마이크로캡슐이 내장된 축열 필름(320)을 포함한다. 상기 발열 필름(310)은 부직포 또는 합성수지 필름들 사이에 탄소와이어 또는 금속와이어 발열선이 내장된 발열체이거나 가요성 폴리머 내에 탄소섬유의 망상 구조가 내장된 면상발열체일 수 있다.
상기 탄소와이어 또는 금속와이어를 입체적으로 고정시킬 수 있는 유연한 폴리머 소재는, 유연하며, 발열 전도성 와이어와 화학적 반응을 하지 않는 성질이면 가능한데, 상기 폴리머 몰딩 소재로서, 폴리에스터, 나일론, 폴리에틸렌 등을 들 수 있는데, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 발열 필름(310)은 외부에 금속 전구체 패턴을 환원시켜 형성된 전도성 패턴을 추가로 포함할 수 있다. 상기 금속 전구체는 금속 염화물(metal chloride), 금속 수소화물(metal hydride), 금속 수산화물(metal hydroxide), 금속 황산화물(metal sulfide), 금속 질산화물(metal nitrate), 금속 질화물(metal nitride), 금속 할로겐화물(metal halide), 금속 초산염 (metal acetate), 금속 삼플루오르화초산염(metal trifluoroacetate), 금속 알킬화합물, 금속 아릴화합물, 이들의 착화합물 (coordination compound) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있다. 금속전구체 패턴은 금속전구체를 수용성 용매에 녹여 디스펜서로 패턴을 형성한 후, 환원제에 의해서 금속전구체를 금속으로 환원시켜 제조할 수 있다. 상기 환원제 물질은 니켈 수소화붕소, 이티온산염, 포름알데히드, 아이소프로판올, 망간, 2-프로판올, 아이오딘화 칼륨, 나트륨아말감, 아인산, 환원당, 요오드화물, 이산화황, 카테콜 보레인, 디에톡시메틸실레인, 수소화알루미늄 리튬, 하이드라진, 옥살산, 포름산, 피나콜보레인, 데카보레인, 바시신, 요오드화물에서 선택된 물질을 사용할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브와 그라핀과 같은 탄소소재를 고분자와 블렌딩하여 패턴할 수도 있다.
본 발명에서 사용가능한 발열 필름(310)의 양면에 부착된 축열 필름(320)은 발열 필름의 넓이보다 크지 않되, 발열 필름에서 나오는 열을 외부에 흘리는 일이 없도록 발열 필름을 감싸는 형태가 바람직하다. 또한 발열 필름(310)과 축열 필름(320)을 부착할 때, 서로 화학적인 상호작용을 하지 않는 고정할 수 있는 물질이라면 특별히 제한하지는 않으며, 예를 들어 아크릴 접착제, 테이프 등을 사용할 수 있다. 상기 축열 필름(320)의 기본 소재로는 폴리에스터, 나일론, 폴리에틸렌 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
축열 필름(320)에 내장되는 축열 마이크로캡슐은 상온에서 상전이되어 축열성을 보여주는 물질이 마이크로캡슐의 코어부로 자리 잡고, 그 외부에 고분자 쉘이 둘러싼다. 본 발명에서는 상전이 물질이 내장된 축열 마이크로캡슐을 폴리머 필름에 내장하고, 상기 폴리머 필름을 발열 필름의 양면에 부착함으로써 발열 필름(310)에서 나오는 열을 외부에 흘리지 않게 해줌으로써, 발열 필름(310)의 보온성, 발열성을 더욱 향상시킨다. 즉, 축열 필름은 내부의 발열 필름(310)이 열을 생성하면, 열이 쉽게 외부로 방열되지 않도록 가두어 놓는 역할을 한다.
본 발명에서 사용되는 축열 마이크로캡슐은 상전이 물질, 고분자 단량체 및 용매를 포함하는 용액을 준비하고, 이를 유화제가 포함된 물에 넣어 에멀젼을 제조한 다음 이러한 에멀젼과 공동단량체의 중합반응에 의해 상전이 물질을 캡슐화하여 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 축열 마이크로캡슐은 마이크로캡슐 내에서 상전이 과정을 반복 수행함으로 상전이 물질이 유출되는 것을 방지하고 캡슐화함으로써 안정성을 확보할 뿐 아니라, 열, 산, 및 알칼리에 강하고, 일정 압력을 가해도 깨지지 않아서, 축열 효과가 우수하고 상전이가 가역적으로 일어나기 때문에 내구성이 뛰어난 장점이 있다.
본 발명에서 사용 가능한 상전이 물질의 예로는 파라핀계 탄화수소, 지방족 탄화수소 화합물, 방향족 탄화수소 화합물, 천연왁스, 석유왁스, 폴리에틸렌글리콜, 무기 화합물 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용가능한 상전이 물질의 예로는 1-도데카놀, 파라핀 오일, 4-n-옥틸아세토페논과 옥타데카노페논의 합성물, 포르말린 산, 락트산, 메틸 팔미테이트, 캄페닐론, 도카실 브로마이드, 카프릴론, 페놀, 헵타데카논, 1-시클로헥실옥타데칸, 4-헵타데카논, P-졸뤼딘(Joluidine), 시안 아미드, 메틸 에이코사네이트(eicosanate), 3-헵타데카논, 2-헵타데카논, 히드로신남산, 세틸 알코올, A-넵틸아민, 캄펜, O-니트로 아닐린, 9-헵타데카논, 티몰, 메틸 베헤 네이트, 디페닐 아민, P-디클로로 벤젠, 옥솔레이트, 하이포 산, O-크실렌 디 클로라이드, B-클로로 산, 클로로 아세트산, 니트로나프탈렌, 트리미리스틴, 헵타운데실산, A-클로로 산, 꿀벌 왁스, 글리콜산, P-브로모 페놀, 아조벤젠, 아크릴산, 딘토 톨루엔(2,4), 페닐 아세트산, 티오시나민, 브로캄포(Bromcamphor), 듀렌, 벤질, 메틸 브롬브레조에이트, 알파 나프톨, 글루타르산, p-크실렌 디 클로라이드, 카테콜, 퀴논, 아세트 아닐리드, 숙신산 무수물, 벤조산, 스티벤을 들 수 있는데, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 고분자 쉘은 마이크로캡슐의 우수한 기계적 강도를 제공할 수 있는 고분자라면 특별히 제한하지는 않으며, 예를 들어, 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리스티렌, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 폴리아크릴레이트, 폴리염화비닐 수지, 실리카, 폴리아미드, 젤라틴, 디에틸렌트리아민, 에틸렌디아민, 및 트리에틸렌 테트라아민으로 구성되는 군으로부터 선택된 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명의 축열 필름에 내장되는 축열 마이크로캡슐은 고분자 쉘 위에 자가 이온 조립체층을 포함하고, 상기 자가 이온 조립체층의 표면에 금속입자 또는 무기입자가 고정된 것일 수 있다. 상기 자가 이온 조립체를 구성하는 고분자는 예를 들어, CO, -SH, -NH2, -SO3H, -COSH, -SH, -OH, -COOH, -CONHOH, -OPO3H2, -PO3H2, -CONH, 및 포스피닐기로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 작용기를 포함하는 고분자일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 자가 이온 조립체의 양전하를 띠는 아민기에 금속이온의 음전하를 띠는 작용기가 이온 결합이 이루어지도록 함으로써, 상호 간의 접착력 내지 고정력을 향상시킬 수 있다.
상기 자가 이온 조립체층은 금속성 이온을 공액시킬 수 있는 다수의 작용기를 갖는 폴리(소듐 4-스티렌술포레이트), 폴리(알릴아민 하이드로클로라이드), 폴리(디알릴디메틸암모니움 클로라이드), 폴리(비닐 설페이트), 폴리(아크릴산), 나피온, 메탈로 초분자 폴리-전해질 (metallosupramolecular poly-electrolyte), N-알칸 티올, 알칸티올레이트, 메탄티올, 폴리비닐운데칸산, 알킬 실록산 4-메틸 벤젠 티올로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속입자는 본 발명의 마이크로캡슐의 상전이 물질과 외부환경의 열 전달 속도를 높이는 역할을 하며, 열 전달이 좋고, 자가 이온 조립체층과의 상호작용으로 완전히 고정될 수 있는 물질이라면 특별히 제한하지는 않으며, 예를 들어, 금, 은, 구리, 코발트, 철, 또는 이들의 합금 등을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 자가 이온 조립체층에서 (+)전하를 띄는 경우는 (-)전하를 띄고 있는 금속입자를 사용하고, 자가 이온 조립체층에서 (-)전하를 띄는 경우는 (+)전하를 띄는 금속입자를 사용하는 것이 좋다.
상기 무기입자의 예로는 대리석, 실리카, 실란화합물, 이산화티탄, 이산화구리 또는 산화알루미늄을 들 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 축열 마이크로캡슐은 직경이 3 내지 200 ㎛, 바람직하게는 10 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 자가 이온 조립체층에 고정되는 무기 입자 또는 금속 입자(140)는 직경이 30 내지 76 ㎚, 바람직하게는 35 내지 60 ㎚일 수 있다.
본 발명에 따른 축열 마이크로캡슐은 마이크로캡슐 내에서 상전이 과정을 반복 수행함으로 상전이 물질이 유출되는 것을 방지하고 캡슐화함으로써 안정성을 확보할 뿐 아니라, 열, 산, 및 알칼리에 강하고, 일정 압력을 가해도 깨지지 않아서, 축열 효과가 우수하고 상전이가 가역적으로 일어나기 때문에 내구성이 뛰어난 장점이 있다.
본 발명에 따른 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은 자연에 존재하는 태양 에너지, 풍력 에너지, 마찰 에너지를 이용하여 전기 에너지를 별도의 보조 전력 없이 반영구적으로 발전을 할 수 있고, 발열부에 내장된 축열 마이크로캡슐의 열역학적인 기능성 축열 성질로 인해 열의 입출입을 제한함으로써 보온성능이 더욱 향상된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은, 발열부의 온도를 측정하는 온도센서(330); 발열부의 작동 모드와 온도에 관한 정보를 사용자 단말기기에 제공하고, 상기 사용자 단말기기로부터 제어명령을 수신하는 통신부; 상기 사용자 단말기기로부터 송신된 제어명령에 따라서 상기 발열부의 작동에 관한 제어를 원격으로 조작할 수 있도록 하는 IoT 제어부(400)를 포함할 수 있다.
상기 사용자 단말기(10)에는 통신망을 통해 IoT제어부(400)에 접속하기 위한원격 접속 프로그램이 설치된다. 관리자는 사용자 단말기(10)의 원격 접속 프로그램을 실행하여 IoT제어부(400)에 접속하고, IoT제어부(400)를 원격으로 제어하여 상기 발열 시스템 관리 프로그램을 실행한 후 마치 IoT제어부(400)를 직접 조작하는 것처럼 발열 시스템을 관리할 수 있다.
상기 온도센서(330)는 발열 필름의 온도를 측정하여 측정된 데이터를 IoT제어부(400)로 전송한다.
통신부(미도시)는 블루투스(blutooth), 지그비(ZigBee), 적외선 통신(IrDA), RFID를 위한 RF 통신 등의 직렬 무선통신을 지원한다.
상기 통신망(14)은 인터넷 또는 고속의 멀티미디어 서비스를 제공하기 위한 차세대 유선 및 무선망일 수 있다. 통신망(14)이 이동통신망일 경우 동기식 이동 통신망 또는 비동기식 이동 통신망일 수도 있다. 비동기식 이동 통신망의 일 실시예로서, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 방식의 통신망, 3G LTE망, 4G망 등 차세대 통신망, 그 밖의 IP를 기반으로 한 IP망일 수 있다. 통신망(14)은 통신부, 사용자 단말기(10), 관리서버(20) 상호 간의 신호 및 데이터를 상호 전달하는 역할을 한다.
관리 서버(20)는 에이전트 프로그램을 통해 접속해온 IoT제어부(400)와 원격 제어 프로그램을 통해 접속해온 사용자 단말기(10) 간에 P2P 통신을 위한 통신 세션을 연결해 준다. 아울러 IoT제어부(400)와 사용자 단말기(10) 간에 준 P2P 통신이 수행되는 경우, 원격지원서버(600)는 IoT제어부(400)가 송신하는 화면 정보 및 원격 제어 정보를 사용자 단말기(10)에서 수행 가능한 정도의 해상도, 화면 크기, 화면 구성 등으로 조정된 후에 사용자 단말기(10)로 전달하는 기능을 담당할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명의 발열 시스템을 포함하는 건물의 단열구조(insulation structure)에 관한 것이다. 본 발명의 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은 패시브 하우스(Passive House) 또는 제로에너지 빌딩(Zero Energy House)의 시공시에 건축자재, 예컨대, 단열 구조로 이용될 수 있다. 패시브 하우스는 단열재의 사용으로 집안의 열이 밖으로 빠져나가지 못하게 막고 외부의 냉기는 들어오지 못하도록 철저히 차단하거나 쓰고 남은 폐열(廢熱)을 이용해 에너지로 재활용하는 방식으로 일반 건축물에 비해 적은 에너지 사용으로도 냉ㆍ난방이 가능하도록 건축된 집을 의미한다. 제로에너지 빌딩은 이러한 패시브 하우스에 더하여 신재생에너지를 사용하여 난방, 냉방, 온수 등에 화석 에너지를 전혀 사용하지 않는 주택을 의미한다. 현재 건물 시공 시 단열재로는 주로 경질우레탄폼 단열재(rigid urethane foam heat insulator)를 시공하고 있는데, 본 발명의 발열 시스템을 단열외장재로 시공하고, 건물 내부에 환기구를 풍력발전기로 이용하거나 태양전지 패널을 이용하는 경우에 제로에너지 빌딩을 실현할 수 있다. 일례로 본 발명의 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은 재생에너지 발전부에 의해서 발전된 전기에너지의 일부는 건물의 단열외장재로서 발열 필름에 공급하는 한편, 나머지는 주택에 열 에너지 및 전기 에너지를 공급하도록 구성하여 제로에너지 빌딩을 실현할 수 있다.
한편, 본 발명의 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은 발열 시스템의 제어부에 인터넷 프로토콜(IP)을 부여하여 사물인터넷(IoT)을 이용하게 함으로써, 실내의 온도 또는 습도, 발열시스템이 설치된 벽체의 온도 등의 내외부 조건과 발열 시스템의 동작에 관한 사항을 원격으로 모니터링한 결과를 장소의 구애 없이 사용자와 실시간으로 공유하여 편의성과 신뢰성 등을 높일 수 있다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 다만 이러한 실시예는 단지 예시를 위한 것으로, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1. 풍력발전부 제작
회전아랫판의 아랫면에 계자석 4개를 일정한 간격으로 부착시키고, 회전아랫판과 회전윗판 사이에 날개 4개를 고정하고 부착한다. 이후, 중앙 지지대를 회전체의 중심에 끼운다. 원형 하부판의 중심을 제외한 곳에 코일 두 개를 내장시키고, 하부판에 쇠구슬을 끼우고, 회전체의 중앙 지지대를 꽂아 회전하도록 고정시킨다. 마지막으로 외부 지지대 2개를 하부판과 회전체를 위에서 덮으면서 끼워 중앙 회전체가 흔들리지 않도록 단단히 고정시킨다. 자세하게는, 코일이 내장된 하부판의 중심에 회전체를 중앙 지지대로 고정시켜 풍력에 의해 회전체가 회전할 수 있도록 하며, 회전아랫판에 계자석을 고정시켜 회전체가 풍력에 의해 회전하면 하부판의 코일에 의해 유도전류를 일으켜 전류를 생산하는 풍력발전부를 제작하였다.
실시예 2. 축열 마이크로캡슐이 내장된 폴리머 필름 제조
상전이 물질인 파라핀 왁스 10 중량부, 헥사메틸렌디이소시아네이트 6 중량부, 메틸에틸케톤 10 중량부를 용해될 때까지 60℃에서 400 rpm에서 교반하였다. 이어서 유화제로서 폴리비닐알코올 5 중량부, 물 45 중량부를 60℃가 될 때까지 충분히 가열시키면서 교반하고, 전 단계에서 수득된 마이크로캡슐 전구체를 주입하여 8000 rpm에서 15분 동안 교반하였다. 여기에 트라이에틸아민 3 중량부, 물 27 중량부를 녹을 때까지 교반한 다음 상기 에멀젼에 주입하였다. 이후 80℃에서 400 rpm으로 5시간 동안 폴리머 쉘을 경화시켜 축열 마이크로캡슐을 제조하였다.
제조된 축열 마이크로캡슐의 전자현미경 사진을 도 5에 나타내었고, 상전이 물질이 마이크로캡슐 내부의 코어에 제대로 들어갔는지 확인하기 위해, 시차주사열량계 사진을 촬영하여 도 6에 나타내었다. 도 6에서 40~60℃의 두 개의 극소점을 갖는 것으로 나타나는데, 이는 상전이 물질이 마이크로캡슐의 코어부로 잘 들어갔다는 것을 나타낸다.
상기 축열 마이크로캡슐을 내장시킬 기본 폴리머 필름을 만들기 위해, 디메틸실록산 10 중량부와 제조된 축열 마이크로캡슐 15 중량부를 혼합하고, 여기에 디메틸-실록실 말단 백금 촉매 1부를 넣고 10분 동안 혼합하였다. 이후 평평한 판 위에 상기의 혼합액을 붓고, 80℃에서 진공으로 1시간 동안 가열하여 축열 필름을 제조하였다.
실시예 3. 풍력발전의 유도기전력을 이용한 발열 시스템 제조
1 mm 두께를 갖는 1 m 구리 와이어를 8 ㎝마다 2 ㎝의 지름을 가진 반원 형태로 접어 지그재그 형태의 망을 만들고, 10 ㎝ x 20 ㎝의 고형 틀에 구리 와이어 망의 양쪽을 외부에 드러나게 하여 폴리디메톡시실록산 용액을 붓고, 80℃에서 40분간 경화시켜 발열 필름을 제조하였다. 이어서 수득된 발열 필름에 상기의 축열 필름을 아크릴 접착제를 사용하여 양면에 부착하였다. 발열 필름의 두 전극 부분과 상기의 풍력발전부에 코일의 두 단자와 연결시켜 풍력발전의 유도기전력을 이용한 발열 시스템을 제조하였다.
비교예 1
발열 필름의 양면에 축열 필름을 부착하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일하게 실시하여 발열 시스템을 제작하였다.
시험예 1 - 풍력발전기에서 생성하는 전압 및 전류값 확인
실시예 1에서 제작된 풍력발전기에서 3.5 m/s의 풍속을 내보내는 풍동시험기를 통해 회전체가 회전하게 하여 전압과 전류를 생산하였다. 이때 회전체의 회전수는 800 rpm을 가졌으며, 먼저 고정된 코일과 계자석으로 인해 전자기 유도가 발생하여 발생하는 전압값을 오실로스코프를 이용해 관찰하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 또한 풍력발전기에 의해서 발생하는 전류값은 소스미터를 이용하여 측정하여, 도 4에 그래프로 나타내었다. 풍력발전기에 의해서 측정된 전압값은 4 내지 5 V가 출력되었고, 측정된 전류값은 2.5 내지 3 mA가 출력되었다.
시험예 2 - 풍력발전기의 전력을 통한 발열 필름의 열변화 관찰
실시예 3에 의해서 제작된 본 발명의 재생에너지를 이용한 발열 시스템에서, 풍동시험기를 통해 회전체를 회전시키며 이후 10분간 풍력발전기에 연결된 발열 필름의 열변화를 관찰하여 평가하여, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예 3에서 제작된 발열 시스템에서는 열변화가 10분전에 비해 현저히 나타났으며, 초기보다 23.4℃의 열변화가 일어나 주위의 온도에도 일정한 보온 및 발열성을 갖는 것으로 확인되었다.
또한 실시예 3에 의해서 제작된 발열 시스템과 비교예 1에 의해서 제작된 발열 시스템의 보온 성능 및 발열 성능을 평가하겨 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 보온성능은 10℃에서 시작하여 풍력발전기를 가동하여 25℃까지 승온시킨 후, 25℃의 온도를 유지하는 시간으로 평가하였고, 발열성능은 풍력발전에 의해 발열되는 최고 온도 및 최고온도에 도달하기까지의 시간으로 평가하였다.
실시예 3 비교예 1
보온성 24시간 이상 5시간 이내
발열성 최대 47℃ 달성 10분 최대 38℃ 달성 40분
상기 표 1의 결과를 통해서 확인되는 바와 같이, 비교예 1의 발열 시스템은 25℃의 온도를 5시간 밖에 유지하지 못한 것에 비해서, 본 발명의 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은 25℃ 온도를 24시간 이상 유지하여 보온성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 또한 비교예 1의 발열 시스템은 38℃까지 밖에 온도가 올라가지 않았고, 38℃까지 승온하는데 40분이 소요된 반면에, 본 발명의 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은 동일한 조건에서 10분내에 47℃까지 승온하여, 발열 성능이 훨씬 우수한 것으로 확인되었다.
이상에서 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 변경이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 풍력 발전기
300: 축열 마이크로캡슐
310: 상전이 물질
320: 고분자 쉘
400: IoT 제어부

Claims (16)

  1. 태양광, 풍력 및 마찰 에너지 가운데 하나 이상의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 재생에너지 발전부와 상기 재생에너지 발전부로부터 공급된 전기 에너지에 의해 발열하는 발열부를 포함하고, 상기 발열부는 발열필름의 양면에 부착된 축열재 마이크로캡슐이 내장된 축열 필름을 포함하고,
    상기 발열 필름은 부직포 또는 합성수지 필름들 사이에 탄소와이어 또는 금속와이어 발열선이 내장된 발열체이거나 가요성 폴리머 내에 탄소섬유의 망상 구조가 내장된 것이고, 상기 발열 필름은 외부에 금속 전구체 패턴을 환원시켜 형성된 전도성 패턴을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재생에너지 발전부는 전기에너지를 충전하는 축전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 전구체는 금속 염화물(metal chloride), 금속 수소화물(metal hydride), 금속 수산화물(metal hydroxide), 금속 황산화물(metal sulfide), 금속 질산화물(metal nitrate), 금속 질화물(metal nitride), 금속 할로겐화물(metal halide), 금속 초산염 (metal acetate), 금속 삼플루오르화초산염(metal trifluoroacetate), 금속 알킬화합물, 금속 아릴화합물, 이들의 착화합물 (coordination compound) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 축전부는 리튬이차전지, 레독스 흐름전지, 또는 압축공기 저장장치인 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 재생에너지를 이용하는 발열 시스템은,
    발열부의 온도를 측정하는 온도센서; 발열부의 작동 모드와 온도에 관한 정보를 사용자 단말기기에 제공하고, 상기 사용자 단말기기로부터 제어명령을 수신하는 통신부; 상기 사용자 단말기기로부터 송신된 제어명령에 따라서 상기 발열부의 작동에 관한 제어를 원격으로 조작할 수 있도록 하는 IoT 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용한 발열 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 재생에너지 발전부는 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 염료감응형 태양전지 및 양자점 태양전지로 구성되는 군에서 선택되는 태양광 에너지 발전부인 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용한 발열 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 재생 에너지 발전부는 자석을 이용하거나 마찰을 이용하는 풍력발전부인 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용한 발열 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 축열재 마이크로캡슐은 고분자 쉘의 내부에 상전이 물질이 포함되어 있는 것으로, 상전이 물질로서 1-도데카놀, 파라핀 오일, 4-n-옥틸아세토페논과 옥타데카노페논의 합성물, 포르말린 산, 락트산, 메틸 팔미테이트, 캄페닐론, 도카실 브로마이드, 카프릴론, 페놀, 헵타데카논, 1-시클로헥실옥타데칸, 4-헵타데카논, P-졸뤼딘(Joluidine), 시안 아미드, 메틸 에이코사네이트(eicosanate), 3-헵타데카논, 2-헵타데카논, 히드로신남산, 세틸 알코올, A-넵틸아민, 캄펜, O-니트로 아닐린, 9-헵타데카논, 티몰, 메틸 베헤 네이트, 디페닐 아민, P-디클로로 벤젠, 옥솔레이트, 하이포 산, O-크실렌 디 클로라이드, B-클로로 산, 클로로 아세트산, 니트로나프탈렌, 트리미리스틴, 헵타운데실산, A-클로로 산, 꿀벌 왁스, 글리콜산, P-브로모 페놀, 아조벤젠, 아크릴산, 딘토 톨루엔(2,4), 페닐 아세트산, 티오시나민, 브로캄포(Bromcamphor), 듀렌, 벤질, 메틸 브롬브레조에이트, 알파 나프톨, 글루타르산, p-크실렌 디 클로라이드, 카테콜, 퀴논, 아세트 아닐리드, 숙신산 무수물, 벤조산, 및 스티벤에서 하나 이상 선택된 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용한 발열 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고분자 쉘은 폴리우레탄, 폴리우레아, 폴리스티렌, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 폴리아크릴레이트, 폴리염화비닐 수지, 실리카, 폴리아미드, 젤라틴, 디에틸렌트리아민, 에틸렌디아민, 및 트리에틸렌테트라아민으로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용한 발열 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 축열재 마이크로캡슐은 고분자 쉘 위에 형성된 자가 이온 조립체층을 추가로 포함하고, 상기 자가 이온 조립체층의 표면에 금속입자 또는 무기입자가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 자가 이온 조립체층은 CO, -SH, -NH2, -SO3H, -COSH, -SH, -OH, -COOH, -CONHOH, -OPO3H2, -PO3H2, -CONH, 및 포스피닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 작용기를 갖는 폴리(소듐 4-스티렌술포레이트), 폴리(알릴아민 하이드로클로라이드), 폴리(디알릴디메틸암모니움 클로라이드), 폴리(비닐 설페이트), 폴리(아크릴산), 나피온, 메탈로초분자 폴리-전해질 (metallosupramolecular poly-electrolyte), N-알칸 티올, 알칸티올레이트, 메탄티올, 폴리비닐운데칸산, 및 알킬 실록산 4-메틸 벤젠 티올로 구성되는 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 금속입자는 금, 은, 구리, 코발트 및 철 입자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, 상기 무기입자는 대리석, 실리카, 실란화합물, 이산화티탄, 이산화구리 또는 산화알루미늄에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 상기 풍력발전부는 중앙지지대와 외부지지대들 사이에서 회전하는 회전체를 포함하고, 이러한 회전체의 일면 또는 양면에는 태양전지가 형성되고, 회전체와 외부지지대 사이의 접촉부에 마찰발전부가 형성된 것을 특징으로 하는 재생에너지를 이용하는 발열 시스템.
  16. 제1항, 제2항, 제5항 내지 제15항 중 어느 하나의 항의 발열 시스템을 포함하는 건물의 단열구조.
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