KR101919063B1 - 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템 - Google Patents

지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는 지열 및 태양전지 냉각후 발생하는 온열을 급탕에 이용하는 시스템과 아울러 기존 태양전지에 설치 가능한 개선된 태양전지 냉각장치에 것으로, 지중에 매설된 지열원부(11)의 냉온수가 지열원 순환펌프(110)에 의해 공급되어 히트펌프(12)에서 열교환되고, 히트펌프에서 열교환되어 나온 냉온수는 태양전지 어레이(13)의 하부면과 태양전지 어레이를 지지하는 수평가대(130)의 상부면 사이로 설치되는 사각냉각관(131) 내부로 공급되어 태양전지 어레이의 표면을 냉각시키며, 태양전지 어레이의 표면을 냉각시킨 후 온도가 높아져 배출되는 온수는 시수가 저장된 열교환탱크(14)로 공급되어 열교환으로 시수의 온도를 높이고, 온수와 열교환으로 온도가 높아진 열교환탱크 내의 시수는 급탕탱크(15)로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템 {THE GEOTHERMAL HEATING AND COOLING SYSTEM TO BE CONNECTED SOLAR CELL COOLING DEVICE BY GEOTHERMAL HEAT AND HOT WATER SUPPLY DEVICE BY WASTE HEAT}
본 발명은 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는 지열 및 태양전지 냉각후 발생하는 온열을 급탕에 이용하는 시스템과 아울러 기존 태양전지에 설치 가능한 개선된 태양전지 냉각장치에 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.
특허문헌1의 국내등록특허공보 제10-1829862호에는 본 출원인에 의해 안출된 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 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템이 개시되어 있다.
태양전지 에레이의 수평가대에 물을 흐르게 하면서 냉각하는 특허문헌1의 기술은 냉각효율을 높이기 위하여 수평가대를 별도로 수정하여 제작하여야 하므로 기존의 태양전지에 적용하기 어려운 문제점이 있으며, 종래의 발명에서는 지열회수 열교환기를 추가로 설치하여 태양전지 냉각회로를 별로로 구성하게 되는 데 이 경우 지열회수 순환펌프가 추가로 설치되어 태양전지 냉각에 의한 전력증가분 보다 순환펌프 소요전력이 커질 수 있는 문제점을 지니고 있다. 또한 태양전지 냉각후 발생하는 온열을 활용하지 못하고 지중으로 버려지게 되어 있어 에너지 낭비를 초래한다.
그리고 태양전지 표면온도가 태양전지 입구 물온도보다 낮은 상태에서 순환하면 태양전지 냉각이 불가능하고 오히려 태양전지 표면온도를 높이는 문제점이 있으며, 열교환탱크가 열교환탱크 입구온도보다 높은 상태에서 순환하면 열교환탱크 내의 온도를 올리지 못하고 오히려 열을 방출하게 되는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 등록번호 10-1829862(2018.02.09.)
태양전지는 표면온도가 올라가면 전지의 특성상 태양전지의 효율이 떨어지는데, 결정계 태양전지는 표면온도가 1℃ 상승할 때마다 발전 효율이 0.4%씩 떨어지는데, 특히 하계에 더운 날은 60℃ 이상으로 태양전지의 표면온도가 올라가서 발전량이 현저히 떨어지게 된다.
이 태양전지의 표면온도를 낮추기 위한 냉각장치를 구성하여야 하는데 태양전지 에레이의 수평가대에 물을 흐르게 하면서 냉각하는 종래의 발명에서는 원하는 효율을 얻기 위하여 태양전지 지지를 위한 수평가대를 수정하여야 하므로 기존에 설치된 태양전지에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
또한 종래의 발명에서는 지열회로에서 추가로 열교환기를 설치하여 태양전지 냉각회로를 별로로 구성하게 되는 데, 이 경우 순환펌프가 추가로 설치되어 태양전지 냉각에 의한 전력증가분 보다 순환펌프 소요전력이 커질 수 있는 문제점을 지니고 있다. 또한 태양전지 냉각회로 내에서 물로 순환하게 되면 동계에 태양전지 냉각장치의 동파 우려가 있어서 가급적 부동액으로 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 지열로 태양전지 표면을 냉각하는 경우 지열에 의한 태양전지 표면 냉각후 발생하는 온열을 활용하지 못하고 지중으로 버려지게 되면 에너지 낭비는 물론 지열을 과다하게 사용하게 되고, 하계 더운날 피크 냉방공급에 따라 보유 지열량의 여유가 없는 경우에는 태양전지 냉각이 불가능한 경우가 발생하는 문제점이 있다.
그 외에도 지열에서 태양전지를 거쳐 시수 승온을 위한 열교환탱크로 순환하는 과정에서 태양전지 표면온도가 태양전지 입구 물온도보다 낮은 경우에는 태양전지 냉각이 불가능하므로 태양전지를 거치지 않고 바이패스하여 순환할 필요가 있으며, 열교환탱크의 내의 온도가 열교환탱크로 유입되는 물의 온도보다 높은 경우에는 열교환탱크 내의 승온이 불가능하므로 열교환탱크를 거치지 않고 바이패스하여 순환할 필요가 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 폐열회수 급탕을 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 열교환탱크(14), 관련 배관, 전동밸브(16,16') 그리고 태양전지 어레이(13) 하부에 부착하는 냉각장치와 태양전지 입구헤더(132), 태양전지 출구헤더(133) 등을 설치하여 구성한다.
종래의 일반적으로 태양전지 어레이(13)는 태양에너지를 효율적으로 받기 위하여 경사형태로 설치하며 태양전지 어레이(13) 하부에는 태양전지 어레이를 지지하기 위한 여러 종류의 가대가 설치된다.
이 태양전지 어레이에 부착하여 지지하는 가대는 수평가대(130)와 수직가대가 있는데, 수평가대(130)는 태양전지 어레이(13) 하부에 수평으로 위치하여 지지하며, 내부가 비어있는 사각형태의 봉구조로 1대가 좌측 종단에서 우측 종단까지의 수평으로 구성되고, 태양전지 어레이(13)의 상부에서 하부까지 일정한 간격으로 여러 개의 사각봉 수평가대(130)가 설치된다.
종래의 발명에서는 태양전지 냉각장치로 태양전지 지지용 사각봉 형태의 수평가대(130)를 수정하여 내부에 물을 순환시켜 상부의 태양전지 어레이의 열을 이 물이 흡수하는 방식을 채택하였다.
일반적으로 태양전지 어레이(13)의 하부면 테두리에 일정높이로 돌출턱(13p)이 형성되고 돌출턱의 하부면 좌측 종단과 우측 종단을 가로질러 복수개의 수평가대(130)가 설치되어 있는데, 본 발명에서는 태양전지 어레이(13)의 하부면과 수평가대의 상부면 사이 공간부에 복수개의 사각냉각관(131)이 이격되어 수직 설치된다.
태양전지 어레이(13)의 상하 또는 좌우측에 입구헤더(132)와 출구헤더(133)를 설치하고 사각냉각관(131)을 이 헤더에 연결하며, 물은 입구헤더(132)에서 여러 대의 사각냉각관(131)을 거쳐 출구헤더(133)로 이동한다. 태양전지 입구헤더(132)는 좌측에 태양전지 입구배관(132a)을 연결하고 태양전지 출구헤더(133)는 우측에 태양전지 출구배관(133a)을 연결하여 리버스 리턴으로 각 사각냉각관(131)에 물이 균등하고 배분될 수 있도록 한다.
사각냉각관(131)은 내부에 공간부를 가진 밀폐구조를 형성하고, 태양전지 어레이(13)의 열을 효율적으로 냉각시키기 위하여 열전달 능력이 우수한 직사각형태의 동판(135)을 사각냉각관 면적보다 좌우로 약간 크게 제작하여 부착하며, 사각냉각관 상단의 양 끝단에는 물이 관 내부에 유입 유출시키기 위하여 각 원형의 입,출구홀(131a,131b)을 만든다.
물은 입구헤더(132)의 연통홀(132s)에서 입구측 플렉시블관(134)를 거쳐 사각냉각관(131)의 입구홀(131a)로 유입되며 사각냉각관(131) 내부로 물이 흐르면서 상부의 동판(135)을 통하여 태양전지 하부를 냉각시킨다. 냉각한 후에 물은 사각냉각관(131) 다른 쪽의 출구홀(131b)를 통하여 나가고 출구측 플렉시블관(134)를 거쳐 출구헤더(133)의 연통홀(133s)을 통하여 출구헤더(133)에 유입되며 출구헤더(133)에 연결된 배관을 통하여 기계실에 있는 열교환탱크(14) 방향으로 흐른다.
사각냉각관(131)은 사각파이프의 재질에 따라 2가지 방식으로 제작되는 데, 사각파이프가 동관일 경우에는 사각파이프를 동판에 부착하고 동판(135)은 태양전지 하부에 밀착하여 열이 사각파이프 하부 판에서 동판을 통하여 태양전지 하부에 전달되는 사각동파이프형 사각냉각관 방식과 사각파이프가 동관이 아닌 경우에는 양단에 날개(131'c)가 있고 하부가 없는 사각파이프를 사용하며, 이 사각파이프 날개를 동판에 부착하고 이 동판을 태양전지 하부에 밀착하는 날개형 사각냉각관(131') 방식으로 구성한다.
사각냉각관 양 끝단에 홀을 태양전지 어레이(13)의 지지를 위한 수평가대(130)의 상부에서 볼트로 사각냉각관(131)을 눌러서 사각냉각관 상부에 부착된 동판이 태양전지 어레이(13) 하부에 밀착하여 태양전지 냉각이 효율적으로 이루어지도록 한다.
이와 같이 태양전지 냉각장치로 수평가대를 수정하여 설치하지 않고, 기존 태양전지 하부에 별도의 사각냉각관(131)을 부착함으로써 기존의 태양전지에도 지열에 의한 냉각기술을 적용할 수 있는 장점이 있다.
또한 종래의 발명은 지열회로에서 열회수 열교환기를 설치하고 추가로 설치된 열회수 순환펌프를 가동하여 태양전지로 순환하는 회로를 별도로 구성하였으나, 본 발명에서는 별도의 열회수 열교환기를 거치지 않고 지열회로를 직접 태양전지 냉각장치에 연결하였다.
이에 따라 태양전지 냉각에 있어서 별도의 열회수 순환펌프가 필요없어서 이 기기를 가동하지 않음에 따라 태양전지 냉각에 따른 출력 증가효과를 극대화 할 수 있으며, 지열회로 내에 있는 부동액을 지상의 냉각장치 배관에 사용함에 따라 동계에 지상에 노출되어 있는 태양전지 냉각장치 내에 있는 물의 동파를 방지할 수 있다.
본 발명에서는 태양전지 냉각장치의 태양전지 출구배관(133a)에 열교환탱크(14)를 설치하여 태양전지에서 발생하는 온열을 급탕에 공급하고 다시 지중으로 환수하도록 구성한다. 따라서 지열로 태양전지 표면을 냉각하는 경우 지열에 의한 태양전지 표면 냉각후 발생하는 온열을 급탕에 활용함으로써 태양전지 냉각에 따른 출력증가 효과 외에도 급탕에너지를 절감할 수 있으며, 하계 더운날 피크 냉방공급에 따라 보유 지열량의 여유가 없어서 태양전지 냉각이 불가능한 경우에 지중으로 들어가는 온열을 급탕에서 소화하므로 이 문제도 해결할 수 있다.
외기 및 기후조건으로 태양전지 표면온도 태양전지 입구온도 보다 낮아서 지열로 냉각하기 어려운 경우에는 자동제어장치로 3Way전동밸브(16) 또는 2Way전동밸브 2대를 가동하여 태양전지를 거치지 않고 바이패스하여 열교환탱크(14)로 직접 순환하며, 태양전지 표면온도가 태양전지 입구온도보다 높으면 다시 태양전지를 거쳐 열교환탱크(14)로 순환한다.
또한 열교환탱크(14) 내의 온도가 열교환탱크(14)의 입구측 보다 높은 경우에는 열교환탱크(14) 내의 온도 저하를 방지하기 위하여 자동제어장치로 3Way전동밸브(16') 또는 2Way전동밸브 2대를 가동하여 태양전지를 거치지 않고 바이패스하여 지중으로 직접 순환하며, 열교환탱크(14) 내의 온도가 열교환탱크의 입구측 온도 보다 낮으면 다시 열교환탱크(14)를 거쳐 지중으로 순환한다.
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.
이 태양전지의 표면온도를 낮추기 위한 냉각장치를 구성하여야 하는데 태양전지 에레이의 수평가대에 물을 흐르게 하면서 냉각하는 종래의 기술방식은 원하는 효율을 얻기 위하여 태양전지 지지를 위한 수평가대를 수정하여야 하므로 기존의 태양전지에 적용하기 어려운 문제점이 있다. 본 발명에서는 수평가대가 아닌 별도의 냉각용 사각냉각관을 제작하여 기존 태양전지 어레이 하단에 부착함으로써 효율적인 냉각장치 구성과 아울러 기존의 태양전지에도 적용할 수 있는 장점이 있다.
종래의 발명은 지열회로에서 열회수 열교환기를 설치하고 추가로 설치된 열회수 순환펌프를 가동하여 태양전지로 순환하는 회로를 별도로 구성하였으나, 본 발명에서는 별도의 열교환기를 거치지 않고 지열회로를 직접 태양전지 냉각장치에 연결하였다. 이에 따라 태양전지 냉각에 있어서 별도의 순환펌프를 가동하지 않아 태양전지 냉각에 따른 출력 증가효과를 극대화 할 수 있으며, 지열회로 내에 있는 부동액을 태양전지에도 공급함으로써 동계에 지상에 노출되어 있는 태양전지 냉각장치 내에 있는 물의 동파를 방지할 수 있다.
종래 발명에서는 지열로 태양전지를 냉각하는 과정에서 발생하는 온열을 활용하지 않고 지중으로 환수되도록 하였는데, 본 발명에서는 태양전지 냉각장치의 태양전지 출구배관에 열교환탱크를 설치하여 태양전지에서 발생하는 온열을 급탕에 사용하고 다시 지중으로 환수하도록 구성하였다. 따라서 지열로 태양전지 표면을 냉각하는 경우 태양전지 표면 냉각후 발생하는 온열을 급탕에 활용함으로써 태양전지 냉각에 따른 태양전지의 출력증가 효과 외에도 급탕에너지를 동시에 절감할 수 있으며, 하계 더운날 피크 냉방공급에 따라 보유 지열량의 여유가 없어서 태양전지 냉각이 불가능한 경우에도 지중으로 들어가는 온열을 급탕에서 일부 사용하므로 지중으로 들어가는 온도를 낮출 수 있어 이 문제를 해결할 수 있다.
춘추기에 냉난방이 필요 없어 지열 히트펌프를 가동하지 않는 경우에는 지열원 순환펌프만 가동하여 태양전지 표면을 냉각시켜 전력 출력량을 증가시키며, 동시에 태양전지 냉각후 발생되는 열을 급탕에 사용하여 에너지를 절약할 수 있다. 특히 동계의 지열 히트펌프 난방운전시 지열회로에서 히트펌프에 열을 주고 나오는 저온의 물을 주간에 태양전지를 냉각하는 데 사용하므로 태양전지 냉각효과를 극대화할 수 있으며, 태양전지 냉각후 나오는 온열을 이용하여 동계의 낮은 시수온도(4~6℃)를 승온하여 급탕탱크에 공급함으로써 급탕에너지를 절감할 수 있다.
외기 및 기후조건으로 태양전지 표면온도가 태양전지로 들어가는 물 온도보다 낮아서 태양전지 냉각이 어려운 경우에는, 3Way전동밸브 또는 2Way전동밸브 2대를 설치하여 태양전지를 거치지 않고 바이패스하여 열교환탱크로 직접 순환하도록 함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
또한 열교환탱크내 온도가 열교환탱크 입구온도보다 높은 경우에는 열교환탱크 내의 온도저하가 발생하는 문제점이 있어 이를 방지하기 위하여 자동제어장치로 3Way전동밸브 또는 2Way전동밸브 2대를 가동하여 열교환탱크를 거치지 않고 바이패스하여 지열로 직접 들어가도록 함으로써 이 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템의 전체 구성도를 도시한다.(특허문헌1)
도 2는 종래의 밀폐형 지열원 히트펌프 냉난방시스템의 열원부분 구성을 도시한다.
도 3은 종래의 개방형 지열원 히트펌프 냉난방시스템의 열원부분 구성을 도시한다
도 4는 본 발명에 따른 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템 전체 구성을 도시한다.
도 5은 본 발명에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치의 전체 구성을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치에서 사각냉각관의 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치에서 사각냉각관의 구조를 도시한다.
본 발명의 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템은 지중에 매설된 지열원부(11)의 냉온수가 지열원 순환펌프(110)에 의해 공급되어 히트펌프(12)에서 열교환되고, 히트펌프에서 열교환되어 나온 냉온수는 태양전지 어레이(13)의 하부면과 태양전지 어레이를 지지하는 수평가대(130)의 상부면 사이로 설치되는 사각냉각관(131) 내부로 공급되어 태양전지 어레이의 표면을 냉각시키며,
태양전지 어레이의 표면을 냉각시킨 후 온도가 높아져 배출되는 온수는 시수가 저장된 열교환탱크(14)로 공급되어 열교환으로 시수의 온도를 높이고,
온수와 열교환으로 온도가 높아진 열교환탱크 내의 시수는 급탕탱크(15)로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 사각냉각관(131)은 태양전지 어레이의 하부면 테두리에 일정높이로 돌출턱(13p)이 형성되고 돌출턱의 하부면 좌측 종단과 우측 종단을 가로질러 복수개의 수평가대(130)가 설치되면서 구비되는 태양전지 어레이(13)의 하부면과 수평가대(130)의 상부면 사이 공간부에 복수개가 이격되어 수직 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 사각냉각관(131)은 내부에 냉온수가 순환될 수 있게 공간부를 갖으며 하측으로 원형의 입구홀(131a)과 상측으로 원형의 출구홀(131b)이 각각 형성되고, 각 입,출구홀(131a,131b)에는 태양전지 어레이(13)의 하단으로 설치되는 태양전지 입구헤더(132)와 태양전지 어레이의 상단으로 설치되는 태양전지 출구헤더(133)와 각각 연통되는 플렉시블관(134)이 설치되어, 냉온수가 펌프압에 의해 상기 사각냉각관(131)의 하측에서 공급되어 상측으로 배출되는 순환구조인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 사각냉각관(131)의 상부면에는 사각냉각관 보다 크기가 확장되어 형성된 동판(135)이 태양전지 어레이(13)의 하부면에 밀착되게 설치되되, 상기 사각냉각관(131)은 동관일 경우 밀폐형의 사각동파이프 형상이며, 동관이 아닌 경우 상부면이 개방되고 상부면 좌,우 양단으로 확장된 한쌍의 날개(131'c)가 형성된 날개형 사각냉각관(131')인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 태양전지 입구헤더(132)의 입구측으로 연결되어 히트펌프(12)에서 배출되어 이송되는 냉온수를 태양전지 입구헤더(132)로 공급시키는 태양전지 입구배관(132a)에는 온도센서에 의하여 자동제어되는 3way전동밸브(16) 또는 2way전동밸브 2대가 구비되어 외기 및 기후 조건으로 태양전지 어레이(13)의 표면 온도가 태양전지 입구배관(132a)으로 이송되는 냉온수의 온도보다 낮을 경우 냉온수를 태양전지 어레이(13)로 공급하지 않고 열교환탱크(14)로 공급되도록 하는 것을 특징을 한다.
또한 상기 열교환탱크(14) 입구측에는 온도센서에 의하여 자동제어되는 3way전동밸브(16') 또는 2way전동밸브 2대가 구비되어 열교환탱크(14)의 내부 온도가 열교환탱크(14)의 입구측 온도 보다 높을 경우 온수를 열교환탱크로 공급하지 않고 지열원부(11)로 직접 공급하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 지열원부(11)에서 공급되는 냉온수는 부동액이 사용되어 동계에 동파를 방지하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 출원인에 의해 안출된 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템의 전체 구성도를 도시한 것으로, 지중에 매설된 밀폐형 또는 개방형인 지열원 부분(200)의 지열에너지가 지열원 순환펌프(102)에 의해 히트펌프(100)로 공급되어 히트펌프(100)에서 1차 열교환되고, 1차 열교환된 지열에너지는 히트펌프(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 한다.
도 2는 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 3은 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 4는 본 발명에 따른 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템 전체 구성을 도시한다.
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 지열원부(11)를 이러한 2 종류의 열원방식에 대하여 공통적으로 적용하고, 이 지열원부(11) 이후의 구성부분에서 기존의 일반적인 히트펌프 시스템에 태양전지 냉각 및 폐열회수 급탕을 위한 별도의 장치를 부가하여 구성된다.
또한 일반적으로 적용하는 히트펌프(12)의 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.
본 발명은 개방형 또는 밀폐형으로 지중에 매설된 지열원부(11)에서 지열원 순환펌프(110)에의 냉온수가 배출된 후 히트펌프(12)로 공급되어, 히트펌프(12)에서 열교환이 이루어지고, 히트펌프(12)에서 열교환이 이루어진 냉온수는 이동배관을 타고 태양전지 어레이(13)로 공급되어 태양전지 어레이의 표면을 냉각시키도록 한다.
종래의 특허문헌1은 지열회로에서 지열회수 열교환기를 설치하고 추가로 설치된 열회수 순환펌프를 가동하여 태양전지 어레이로 순환하는 회로를 별도로 구성하였으나, 본 발명에서는 별도의 지열회수 열교환기를 거치지 않고 지열을 직접 태양전지 냉각장치에 연결하였다. 이에 따라 태양전지의 냉각에 있어서 별도의 순환펌프를 가동하지 않아 태양전지 냉각에 따른 출력 증가효과를 극대화할 수 있다.
한편, 지열원부(11)의 지열회로에서 사용하는 부동액인 냉온수를 태양전지측의 배관에도 사용함에 따라 동계에 지상에 노출되어 있는 태양전지 냉각장치 내에 있는 물의 동파를 방지할 수 있게 한다.
상기 태양전지 어레이(13)의 표면을 냉각시킨 후 배출되는 온수는 태양전지 어레이(13)의 표면 열을 흡수하면서 온도가 높아진 후 태양전지 출구배관(133a)을 통해 배출되며, 태양전지 출구배관(133a)은 시수가 저장된 열교환 탱크(14)와 연결되어 태양전지 출구배관(133a)을 통해 배출되는 온수를 공급받아 내부에 저장된 시수와 열교환이 이루어지게 한다.
상기 열교환 탱크(14)에 저장된 시수가 온수와 열교환이 이루어지면서 온도가 상승되면 열교환 탱크(14) 내의 시수를 급탕탱크(15)로 공급하고, 열교환 탱크(14)에서 열교환이 이루어져 온도가 낮아진 온수는 배관 등을 거쳐 지열원부(11)로 다시 환수되도록 한다.
따라서, 지열로 태양전지 표면을 냉각하는 경우 지열에 의한 태양전지 표면 냉각후 발생하는 온열을 급탕에 활용함으로써 태양전지 냉각에 따른 출력증가 효과 외에도 급탕에너지를 절감할 수 있으며, 하계 더운날 피크 냉방공급에 따라 보유 지열량의 여유가 없어서 태양전지 냉각이 불가능한 경우에 지중으로 들어가는 온열을 급탕에서 소화하므로 이 문제도 해결할 수 있다.
한편, 상기 태양전지 어레이(13)와 태양전지 어레이(13)에 설치되는 태양전지 입구헤더(132)의 입구측으로 연결되어 히트펌프(12)에서 배출되어 이송되는 냉온수를 태양전지 입구헤더(132)로 공급시키는 태양전지 입구배관(132a)에는 각각 온도센서(137a,137b)가 구비되며, 상기 태양전지 입구배관(132a)에는 온도센서에 의해 자동제어되는 3way전동밸브(16) 또는 2way전동밸브 2대가 구비되어 외기 및 기후 조건으로 태양전지 어레이(13)의 표면 온도가 태양전지 어레이로 공급되는 냉온수의 온도보다 낮을 경우 자동제어장치에 의해 상기 전동밸브가 가동되어 냉온수를 사각냉각관(131)으로 공급하지 않고 열교환탱크(14)로 직접 공급하도록 함으로써 태양전지의 냉각이 효과적으로 이루어지게 한다.
또한 열교환탱크(14)의 입구측 배관과 열교환탱크(14)의 내부에는 각각 온도센서(140a,140b)가 구비되며, 열교환탱크(14)의 입구측 배관에는 상기 온도센서(140a,140b)에 의해 자동제어되는 3Way전동밸브(16') 또는 2Way전동밸브 2대가 구비되어 열교환탱크(14) 내부의 온도가 열교환탱크(14)의 입구측 배관 내에 이송되는 냉온수의 온도 보다 높을 경우 자동제어장치에 의해 상기 전동밸브가 가동되어 냉온수를 열교환탱크(14)로 공급하지 않고 지열원부(11)로 직접 공급되도록 함으로써 열교환탱크(14)의 승온이 효과적으로 이루어지게 한다.
도 5는 본 발명에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치의 전체 구성을 도시한다.
일반적으로 태양전지 어레이(13)는 태양에너지를 효율적으로 받기 위하여 경사형태로 설치하며 태양전지 어레이(13) 하부에는 태양전지 어레이(13)를 지지하기 위한 여러 종류의 가대가 설치된다.
이 태양전지 어레이(13)에 부착하여 지지하는 가대는 수평가대와 수직가대가 있는데, 수평가대(130)는 태양전지 어레이(13) 하부에 수평으로 위치하여 지지하며, 내부가 비어있는 사각형태의 봉구조로 1대가 좌측 종단에서 우측 종단까지의 수평으로 구성되고, 태양전지 어레이(13)의 하부면 상측에서 하측까지 일정한 간격으로 여러 개의 사각봉 수평가대(130)가 설치되는데, 이때 상기 태양전지 어레이(13)의 하부면에는 테두리 부분에 일정높이로 돌출된 사각구조의 돌출턱(13p)이 형성되며, 상기 돌출턱(13p)의 하부면 좌측 종단에서 우측 종단을 가로질러 복수개의 수평가대(130)가 설치되게 된다.
상기 태양전지 어레이(13)의 하부면에는 상기 돌출턱(13p)으로 복수개의 수평가대(130)가 설치되면서 태양전지 어레이(13)의 하부면과 수평가대(130) 상부면 사이로 공간부가 형성되며, 이 공간부로 상기 히트펌프(13)에서 공급되는 냉온수가 공급되는 사각냉각관(131)이 복수개 설치된다.
상기 사각냉각관(131)은 내부에 공간부를 갖는 사각봉 형태의 밀폐형 구조로 상기 태양전지 어레이(13)의 하부면에 밀착되며 일정간격으로 이격된 상태로 복수개가 수직하게 설치되고, 다수개의 수평가대(130)에 의해 가압되면서 지지되어 태양전지 어레이(13)의 하부면에 견고하게 고정되어 설치된다.
한편, 상기 사각냉각관(131)에는 하부측에 원형의 입구홀(131a)과 상측으로 원형의 출구홀(131b)을 각각 형성하며 각 입,출구홀(131a,131b)에는 사각냉각관(131) 내로 냉온수를 공급하고 사각냉각관(131) 내로 공급된 냉온수를 배출시키기 위한 플렉시블관(134)이 연결되도록 하되, 상기 태양전지 어레이(13)의 하단으로는 상기 히트펌프(12)에서 열교환된 냉온수가 태양전지 입구배관(132a)을 거쳐 공급되는 태양전지 입구헤더(132)가 설치되고, 태양전지 어레이(13)의 상단으로는 태양전지 출구배관(133a)이 연결된 태양전지 출구헤더(133)가 설치되며, 상기 태양전지 입구헤더(132)와 태양전지 출구헤더(133)에는 상기 사각냉각관(131)의 입,출구홀(131a,131b)과 대응되는 위치에 원형의 연통홀(132s,133s)이 복수개 형성된다.
따라서, 상기 플랙시블관(134)의 일단은 상기 사각냉각관(131)의 입,출구홀(131a,131b)에 연결되고 플랙시블관(134)의 타단은 상기 태양전지 입구헤더(132) 및 태양전지 출구헤더(133)의 각 연통홀(132s,133s)로 연결되면서 냉온수가 상기 사각냉각관(131)의 하측에서 공급된 후 펌프압에 의해 상측방향으로 이동되어 사각냉각관(131)의 상측으로 배출되는 순환구조를 이루어 사각냉각관(131)의 내부로 원활하게 냉온수의 공급과 배출이 이루어지게 한다.
상기 태양전지 입구헤더(132)는 좌측으로 태양전지 입구배관(132a)을 연결하고 태양전지 출구헤더(133)는 우측으로 태양전지 출구배관(133a)을 연결하여 리버스 리턴으로 각 사각냉각관(131)에 물이 균등하게 배분될 수 있도록 한다.
상기 태양전지 어레이(13)의 하부면으로 설치되는 복수개의 사각냉각관(131)은 히트펌프(12)에서 공급되는 냉온수가 태양전지 입구배관(132a)을 거쳐 태양전지 입구헤더(132)로 공급된 후 플렉시블관(134)을 통해 각 사각냉각관(131) 내로 공급하여 각 사각냉각관(131) 내의 냉온수가 태양전지 어레이(13)의 표면 열을 흡수하는 방식으로 태양전지 어레이(13)의 표면을 냉각시키고, 태양전지 어레이(13)의 표면 열을 흡수하면서 온도가 높아진 사각냉각관(131) 내의 온수는 출구홀(131b)과 연결된 각 플렉시블관(134)을 통해 배출된 후 태양전지 출구헤더(133)로 공급되어 태양전지 출구헤더(133)의 우측으로 연결된 태양전지 출구배관(133a)으로 배출되게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치에서 사각냉각관의 구조를 도시한다.
상기 사각냉각관(131)은 태양전지 어레이(13)의 표면 열을 더욱 효과적으로 흡수하여 냉각효율을 높이기 위해 사각냉각관(131)의 상부면에는 태양전지 어레이(13)의 하부면으로 밀착되고 사각냉각관(131) 보다 크기가 확장된 형태의 동판(135)이 설치되며, 상기 사각냉각관(13)은 냉각전달 효과가 높은 동관일 경우 상기 사각냉각관(131)은 밀폐형의 사각동파이프 형태로 형성되어 사각냉각관(13)의 상부면과 동판(135)을 거쳐 냉온수의 열이 태양전지 어레이(13)의 하부 열을 냉각시키도록 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 어레이 하부에 설치되는 태양전지 냉각장치에서 날개형 사각냉각관의 구조를 도시한다.
상기 사각냉각관(131)은 태양전지 어레이(13)의 표면 열을 더욱 효과적으로 흡수하여 냉각효율을 높이기 위해 사각냉각관(131)의 상부면에는 태양전지 어레이(13)의 하부면으로 밀착되고 사각냉각관(131) 보다 크기가 확장된 형태의 동판(135)이 설치되며, 상기 사각냉각관(13)이 동관이 아닐 경우에는 사각냉각관(13)의 상부면은 개방되고 상부면 좌,우측 양단으로 확장된 한쌍의 날개(131'c)를 갖는 날개형 사각냉각관(131')으로 형성되어 상기 한쌍의 날개(131'c)를 동판(135)에 부착하는 방법으로 날개형 사각냉각관(131')을 설치하여 상기 날개형 사각냉각관(131') 내의 냉온수의 열이 직접 동판(135)을 거쳐 태양전지 어레이(13)의 하부 열을 냉각시키도록 한다.
상기 사각냉각관(131,131')은 태양전지 어레이(13)를 지지하는 수평가대(130)가 태양전지 어레이(13)를 지지하는 동시에 각 사각냉각관을 눌러주도록 설치되어 사각냉각관의 상부면에 부착된 동판(135)이 태양전지 어레이(13)의 하부에 밀착되어 태양전지의 냉각이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있게 한다.
이와 같이 태양전지 냉각장치로 수평가대를 수정하여 설치하지 않고, 기존 태양전지 어레이 하부에 별도의 사각냉각관(131,131')을 부착함으로써 기존의 태양전지에도 지중열에 의한 냉각기술을 적용할 수 있는 장점이 있다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명이 비록 한정된 실시 예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.
11-지열원부
12-히트펌프
13-태양전지 어레이
130-수평가대
131-사각냉각관
131'-날개형 사각냉각관
132-태양전지 입구헤더
133-태양전지 출구헤더
134-플렉시블관
135-동판
14-열교환 탱크
15-급탕탱크
16-3Way전동밸브
16'-3Way전동밸브

Claims (7)

  1. 지중에 매설된 지열원부(11)의 냉온수가 지열원 순환펌프(110)에 의해 공급되어 히트펌프(12)에서 열교환되고, 히트펌프에서 열교환되어 나온 냉온수는 태양전지 어레이(13)의 하부면과 태양전지 어레이를 지지하는 수평가대(130)의 상부면 사이로 설치되는 사각냉각관(131) 내부로 공급되어 태양전지 어레이의 표면을 냉각시키며,
    태양전지 어레이의 표면을 냉각시킨 후 온도가 높아져 배출되는 온수는 시수가 저장된 열교환탱크(14)로 공급되어 열교환으로 시수의 온도를 높이고,
    온수와 열교환으로 온도가 높아진 열교환탱크 내의 시수는 급탕탱크(15)로 공급되게 하며,
    상기 사각냉각관(131)은 태양전지 어레이의 하부면 테두리에 일정높이로 돌출턱(13p)이 형성되고 돌출턱의 하부면 좌측 종단과 우측 종단을 가로질러 복수개의 수평가대(130)가 설치되면서 구비되는 태양전지 어레이(13)의 하부면과 수평가대(130)의 상부면 사이 공간부에 복수개가 이격되어 수직 설치되고,
    상기 사각냉각관(131)은 내부에 냉온수가 순환될 수 있게 공간부를 갖으며 하측으로 원형의 입구홀(131a)과 상측으로 원형의 출구홀(131b)이 각각 형성되고, 각 입,출구홀(131a,131b)에는 태양전지 어레이(13)의 하단으로 설치되는 태양전지 입구헤더(132)와 태양전지 어레이의 상단으로 설치되는 태양전지 출구헤더(133)와 각각 연통되는 플렉시블관(134)이 설치되어, 냉온수가 펌프압에 의해 상기 사각냉각관(131)의 하측에서 공급되어 상측으로 배출되는 순환구조인 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템.
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  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 사각냉각관(131)의 상부면에는 사각냉각관 보다 크기가 확장되어 형성된 동판(135)이 태양전지 어레이(13)의 하부면에 밀착되게 설치되되, 상기 사각냉각관(131)은 밀폐형의 사각동파이프 형상 또는 상부면이 개방되고 상부면 좌,우 양단으로 확장된 한쌍의 날개(131'c)가 형성된 날개형 사각냉각관(131')인 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지 입구헤더(132)의 입구측으로 연결되어 히트펌프(12)에서 배출되어 이송되는 냉온수를 태양전지 입구헤더(132)로 공급시키는 태양전지 입구배관(132a)에는 온도센서에 의하여 자동제어되는 3way전동밸브(16) 또는 2way전동밸브 2대가 구비되어 외기 및 기후 조건으로 태양전지 어레이(13)의 표면 온도가 태양전지 입구배관(132a)으로 이송되는 냉온수의 온도보다 낮을 경우 냉온수를 태양전지 어레이(13)로 공급하지 않고 열교환탱크(14)로 공급되도록 하는 것을 특징을 하는 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환탱크(14) 입구측에는 온도센서에 의하여 자동제어되는 3way전동밸브(16') 또는 2way전동밸브 2대가 구비되어 열교환탱크(14)의 내부 온도가 열교환탱크(14)의 입구측 온도 보다 높을 경우 온수를 열교환탱크로 공급하지 않고 지열원부(11)로 직접 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 태양전지 냉각장치와 폐열회수 급탕장치가 연계된 지열 냉난방시스템.
  7. 삭제
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KR101829862B1 (ko) * 2017-09-18 2018-02-19 최병윤 지열을 이용한 태양전지 냉각 및 시수 승온 시스템

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