KR102048256B1 - 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전력을 다단으로 제어(회전수 제어)하여 태양열 교환기의 입구온도 및 출구 온도를 일정하게 유지하면서 에너지 절감이 이루어지도록 한 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 태양열 시스템 제어 초기에 집열기의 온도인 집열 온도와 축열조의 하단 온도인 축열 온도를 검출하여 그 온도 편차를 산출하고, 산출한 온도 편차가 설정된 온도 이상이면 일정시간 동안 집열 펌프를 3단으로 구동시키는 단계, 일정시간이 지나면, 상기 집열 온도와 축열 온도를 검출한 후 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 단계 및 상기 산출한 온도 편차를 기초로 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동을 다단으로 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 단계를 포함하여, 에너지 절감을 실현한다.

Description

소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법{Variable-volume control system and method for low-capacity solar system}

본 발명은 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전력을 다단으로 제어(회전수 제어)하여 태양열 교환기의 입구온도 및 출구 온도를 일정하게 유지하면서 에너지 절감이 이루어지도록 한 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 들어서 한정된 전기 및 가스, 석유 자원에만 의존해 온 영향으로 인해 원유가가 급등하고 있는 반면에 인류가 대부분 석유 에너지의 사용에 따른 온실가스의 증가 등으로 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있다.

이에 따라, 환경적인 공해가 발생하지 않고 친환경 차원에서 무한정으로 사용할 수 있는 태양열을 비롯하여 풍력, 조력 등 자연을 이용한 대체 에너지의 개발에 대한 관심이 집중되고 있으며, 그 중에서도 특히 태양열을 이용하여 가정 및 산업체에 사용되는 온수 또는 난방용수에 필요한 열에너지를 생산하기 위한 장치의 개발이 활발히 진행되고 있다.

특히, 근래 들어서는 화석원료를 대체할 수 있는 에너지원으로 태양열을 이용하여 급탕을 행할 수 있도록 한 시스템이 다수 제안되고 있다.

이러한 태양열 급탕 시스템은 태양열 집열판에서 집열된 복사열을 이용하여 온수탱크에 저장되어 있는 물을 데워준 다음, 데워진 온수를 각 급탕 관으로 공급해주는 기능을 구현하게 된다. 일반적인 태양열 급탕 시스템은 온도차를 이용하여 차온 제어 방식을 주로 이용한다.

태양열 시스템에 대하여 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 내지 <특허문헌 2> 에 개시되어 있다.

<특허문헌 1> 에 게시된 종래기술은 태양열 집열기, 공급 및 순환라인으로 태양열 집열기와 연결되어 열 교환이 이루어지는 판형 열교환기, 열 교환된 온수를 축열하는 태양열 축열조, 화석에너지 연소로서 보일러 컨트롤러에 의해 가동되는 보일러, 보일러를 경유하는 물 공급라인에 설치되어 외부로부터 물 공급에 의한 물 흐름을 감지하는 물흐름감지센서, 온수순환을 위한 순환펌프 및 온수사용에 따른 전력사용량으로 환산하는 적산열량계, 온수온도를 감지하는 온도감지기, 온수의 설정온도에 따라 보일러 컨트롤러의 가동을 제어하는 마이컴으로 이루어진 공동주택 개별난방 및 급탕장치로 구성된다. 이러한 구성을 통해, 태양열을 이용하여 축열된 온수의 온도설정에 따라 개인주택에 마련된 보일러를 비 난방 혹은 자동으로 난방할 수 있도록 하고, 태양열 축열조로부터 열 교환하여 난방하거나 일반적인 보일러를 통한 온수공급 또는 난방 수를 병행하여 난방과 급탕할 수 있는 이점이 있으며, 난방운영과 급탕운영에 따른 에너지를 절감하고 대기환경오염을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, <특허문헌 2> 에 게시된 종래기술은 축열조 내부에 하단보다 상단에 조밀하게 배치된 열교환코일을 통해 집열기에서 가열된 열매체가 축열조 상부를 집중적으로 가열하므로 성층화 촉진을 유도 가능하면서, 일출, 일몰 또는 일사상태가 불안정하여 집열기 출구 온도가 축열조 최상부 온도보다 높은 경우 순환펌프의 순환량을 단계별로 감소시키고, 집열기의 출구 온도와 축열조 출구의 온도차가 순환펌프의 ON 되기 위한 설정 상한값보다 크면 순환펌프의 순환량을 단계별로 증가시켜 변유량(變流量) 적용 방식을 통해 집열 운전시 집열기의 입구온도보다 출구온도가 높아 발생하는 역전현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

대한민국 공개특허 10-2014-0135879(2014.11.27. 공개)(태양열을 이용한 공동주택용 개별난방 및 급탕시스템) 대한민국 등록특허 10-1527391(2015.06.09. 공고)(코일 내장형 축열조를 구비한 변유량 제어식 태양열 시스템)

그러나 상기와 같은 일반적인 태양열 시스템 및 종래기술들은 온도차를 이용한 차온 제어 방식으로 순환 펌프를 제어하기 때문에, 시스템 구동 에너지를 절감하는 데 한계가 있어, 열 성능 측면에서 효율이 낮은 단점이 있다.

또한, 일반적인 태양열 시스템 및 종래기술은 단일 제어방식으로 순환펌프의 가동을 제어하기 때문에, 불필요한 펌프 구동에 따라 에너지가 많이 소비되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전력 제어(회전수 제어)를 통해 태양열 교환기의 입구온도 및 출구 온도를 일정하게 유지하면서 에너지 절감이 이루어지도록 한 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 겨울철에 집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차를 감지하여 3단계에 걸친 순환펌프 가동으로 구동전력 소모 최소화와 안정적인 동파 대응 시스템을 구현할 수 있도록 한 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 여름철에는 기본 집열기와 축열부의 온도차를 이용한 차온 제어와 집열부와 축열부의 각 온도차이를 영역별로 구분하여 집열 열량에 따라 축열펌프의 구동전력을 달리하여 불필요한 펌프 구동에 따른 에너지 소비를 절감하도록 한 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치는 태양열을 집열하는 집열기; 상기 집열기에 집열된 태양열을 열 교환하도록 각각의 배관으로 연통되는 열 교환기; 상기 열 교환기와 각각의 배관으로 연통되어 상기 배관을 통해 전달되는 열을 저장하는 축열조; 상기 축열조에 저장된 열 매체를 상기 열 교환기에 강제 순환시키는 축열 펌프; 상기 열 교환기를 통해 열 교환이 이루어진 열을 상기 집열기에 강제 순환시키는 집열 펌프; 상기 집열기의 집열 온도와 상기 축열조의 하단 온도인 축열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하고, 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동을 다단으로 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 시스템 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 구분하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차를 산출하고, 상기 온도 편차를 영역별로 구분한 후, 상기 구분한 온도 편차 영역에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차가 제1 설정온도 이상이면 집열 펌프를 최상단인 3단으로 제어하고, 상기 온도 편차가 제1 설정온도 미만이면 집열 펌프를 차상 단인 2단으로 제어하고, 상기 온도 편차가 제2 설정온도 이하이면 집열 펌프를 최하단인 1단으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 1단 내지 3단의 회전수 및 구동 전력은 1단 < 2단 < 3단 관계이다.

상기에서 시스템 제어기는 검출 온도를 입력받으며, 집열 펌프 및 축열 펌프를 구동하는 모터를 다단으로 제어하는 모터 제어신호를 발생하는 터미널; 상기 터미널을 통해 입력되는 축열 온도 및 집열 온도를 검출하는 온도 검출부; 상기 온도 검출부에서 검출한 축열 온도 및 집열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 온도 편차 산출부; 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동을 다단으로 제어하여 펌프 다단 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 펌프 다단 제어부는 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 온도 편차와 펌프 1단 제어를 위해 미리 설정된 제1기준 전압을 비교하여 그 차이를 집열 펌프 및 축열 펌프의 1단 제어신호로 출력하는 제1연산증폭기; 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 온도 편차와 펌프 2단 제어를 위해 미리 설정된 제2기준 전압을 비교하여 그 차이를 집열 펌프 및 축열 펌프의 2단 제어신호로 출력하는 제2연산증폭기; 상기 제1연산증폭기 및 제2연산증폭기에서 각각 출력되는 신호에 따라 모터에 구동 전원을 공급하는 릴레이를 구동시키는 제1 및 제2 스위칭소자; 상기 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자의 동작에 따라 펌프를 다단으로 구동하기 위한 펌프 구동 전력을 출력하는 제1 및 제2 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 제1 및 제2 스위칭소자는 제어 단에 각각 입력되는 신호가 모두 전기적인 하이신호일 경우 상기 제1 및 제2 릴레이를 1단으로 구동하며, 상기 제1스위칭소자의 제어 단에 입력되는 신호가 전기적인 하이신호이고 제2스위칭소자의 제어 단에 입력되는 신호가 전기적인 로우신호일 경우 상기 제1 및 제2 릴레이를 2단으로 구동하며, 상기 제1스위칭소자 및 제2스위칭소자의 제어 단에 각각 입력되는 신호가 전기적인 로우신호이면 상기 제1 및 제2 릴레이를 3단으로 구동하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어방법은 (a) 태양열 시스템 제어 초기에 집열기의 온도인 집열 온도와 축열조의 하단 온도인 축열 온도를 검출하여 그 온도 편차를 산출하고, 산출한 온도 편차가 설정된 온도 이상이면 일정시간 동안 집열 펌프를 3단으로 구동시키는 단계; (b) 상기 일정시간이 지나면, 상기 집열 온도와 축열 온도를 검출한 후 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 단계; (c) 상기 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동을 다단으로 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (c)단계는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 구분하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (c)단계는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차를 산출하고, 상기 온도 편차를 영역별로 구분한 후, 상기 구분한 온도 편차 영역에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (c)단계는 (c1) 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차가 제1 설정온도 이상이면 집열 펌프를 최상단인 3단으로 제어하는 단계; (c2) 상기 온도 편차가 제1 설정온도 미만이면 집열 펌프를 차상 단인 2단으로 제어하는 단계; (c3) 상기 온도 편차가 제2 설정온도 이하이면 집열 펌프를 최하단인 1단으로 제어하는 단계; (c4) 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차가 집열 펌프 오프를 위해 미리 설정된 제3 설정온도 이하이면 상기 집열 펌프의 구동을 오프하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 1단 내지 3단의 회전수 및 구동 전력은 1단 < 2단 < 3단 관계인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전력 제어(회전수 제어)를 통해 태양열 교환기의 입구온도 및 출구 온도를 일정하게 유지하면서 에너지 절감을 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 집열기와 축열부의 온도차를 산출하고, 산출한 온도차이를 영역별로 구분하여 집열 열량에 따라 축열펌프의 구동전력을 달리하여 불필요한 펌프 구동에 따른 에너지 소비를 절감할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치의 전체 구성도,
도 2는 도 1의 시스템 제어기의 실시 예 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어방법을 보인 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치의 개략 구성도로서, 태양열을 집열하는 집열기(100), 상기 집열기(100)에 집열된 태양열을 열 교환하도록 각각의 배관으로 연통되는 열 교환기(200), 상기 열 교환기(300)와 각각의 배관으로 연통되어 상기 배관을 통해 전달되는 열을 저장하는 축열조(200), 상기 축열조(200)에 저장된 열 매체를 상기 열 교환기(300)에 강제 순환시키는 축열 펌프(400), 상기 열 교환기(300)를 통해 열 교환이 이루어진 열을 상기 집열기(100)에 강제 순환시키는 집열 펌프(500), 상기 집열기(100) 온도인 집열 온도와 상기 축열조(200)의 하단 온도인 축열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하고, 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 구동을 다단으로 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 시스템 제어기(700)를 포함한다.

상기 시스템 제어기(700)는 상기 집열 온도(E2)와 상기 축열 온도(E1)의 온도 편차에 따라 상기 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 구분하여 제어하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게, 상기 시스템 제어기(700)는 상기 집열 온도(S1)와 상기 축열 온도(S2)의 온도 편차를 산출하고, 상기 온도 편차를 영역별로 구분한 후, 상기 구분한 온도 편차 영역에 따라 상기 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 제어한다.

이러한 시스템 제어기(700)는 상기 집열 온도(S1)와 상기 축열 온도(S2)의 온도 편차가 제1 설정온도(15℃) 이상이면 집열 펌프(500)를 최상단인 3단으로 제어하고, 상기 온도 편차가 제1 설정온도(15℃) 미만이면 집열 펌프(500)를 차상 단인 2단으로 제어하고, 상기 온도 편차가 제2 설정온도(10℃) 이하이면 집열 펌프(500)를 최하단인 1단으로 제어한다. 여기서 1단 내지 3단의 회전수 및 구동 전력의 관계는 1단 < 2단 < 3단 관계이다.

상기 시스템 제어기(700)는 도 2에 도시한 바와 같이, 검출 온도를 입력받으며, 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)를 구동하는 모터(M)를 다단으로 제어하는 모터 제어신호를 발생하는 터미널(710), 상기 터미널(710)을 통해 입력되는 축열 온도 및 집열 온도를 검출하는 온도 검출부(720), 상기 온도 검출부(720)에서 검출한 축열 온도 및 집열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 편차를 산출하는 온도 편차 산출부(730), 상기 온도 편차 산출부(730)에서 산출한 편차를 기초로 상기 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 구동을 다단으로 제어하여 펌프 다단 제어부(750), 전원을 공급하는 전원부(740)를 포함한다.

또한, 상기 펌프 다단 제어부(750)는 상기 온도 편차 산출부(730)에서 산출한 온도 편차(VP2)와 펌프 1단 제어를 위해 미리 설정된 제1기준 전압(Ref1)을 비교하여 그 차이를 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 1단 제어신호로 출력하는 제1연산증폭기(OP6), 상기 온도 편차 산출부(730)에서 산출한 온도 편차와 펌프 2단 제어를 위해 미리 설정된 제2기준 전압(Ref2)을 비교하여 그 차이를 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 2단 제어신호로 출력하는 제2연산증폭기(OP5), 상기 제1연산증폭기(OP6) 및 제2연산증폭기(OP5)에서 각각 출력되는 신호에 따라 모터(M)에 구동 전원을 공급하는 릴레이(RL1, RL2)를 구동시키는 제1 및 제2 스위칭소자(Q1, Q2), 상기 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)의 동작에 따라 펌프를 다단으로 구동하기 위한 펌프 구동 전력을 출력하는 제1 및 제2 릴레이(RL1, Rl2)를 포함한다.

도 3은 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어방법을 보인 흐름도로서, (a) 태양열 시스템 제어 초기에 집열기 온도인 집열 온도(E2)와 축열조의 하단 온도인 축열 온도(E1)를 검출하여 그 차이를 산출하고, 산출한 온도 편차(VP2)가 설정된 온도(5℃) 이상이면 일정시간(예를 들어, 30초) 동안 집열 펌프(500)를 3단으로 구동시키는 단계(S101 ~ S103), (b) 상기 일정시간이 지나면, 상기 집열 온도와 축열 온도를 검출한 후 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 단계(S104 ~ S105), (c) 상기 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 구동을 다단으로 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 단계(S106 ~ S112)를 포함한다.

상기 (c)단계는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 구분하여 제어하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게, 상기 (c)단계는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차를 산출하고, 상기 온도 편차를 영역별로 구분한 후, 상기 구분한 온도 편차 영역에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 제어한다.

이러한 (c)단계는 (c1) 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차가 제1 설정온도(15℃) 이상이면 집열 펌프를 최상단인 3단으로 제어하는 단계(S106, S107), (c2) 상기 온도 편차가 제1 설정온도(15℃) 미만이면 집열 펌프를 차상 단인 2단으로 제어하는 단계(S108, S109), (c3) 상기 온도 편차가 제2 설정온도(10℃) 이하이면 집열 펌프를 최하단인 1단으로 제어하는 단계(S110, S111), (c4) 상기 온도 편차가 집열 펌프 오프를 위해 미리 설정된 제3 설정온도(3℃) 이하이면 상기 집열 펌프의 구동을 오프하는 단계(S112)를 포함한다. 여기서 1단 내지 3단의 회전수 및 구동 전력은 1단 < 2단 < 3단 관계이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

옥외에 시설된 태양열 집열기(100)와 판형으로 이루어진 열 교환기(300)를 통해 온수를 태양열 축열조(200)에 공급 및 저장하고, 축열조(200)에 축적된 열원으로 급수를 열 교환하여 온수를 공급하는 동작은 일반적인 태양열 시스템의 동작과 동일하게 동작한다. 축열조(200)의 열원이 낮아 보조 보일러(600)를 통해 축열조(200)에서 토출되는 온수를 가열하여 온수로 공급하는 동작 역시 기존 태양열 시스템의 동작과 동일하게 동작한다.

예컨대, 온수 설정 온도가 60℃이면, 온수 작동 온도는 50℃가 되고, 온수 정지 온도는 60℃(△T 10℃)가 되도록 하며, 온수 설정 온도에 도달하면, 기본 보일러인 보조 보일러(600) 가동시 보조 보일러(600)의 순환펌프만 작동하면서 태양열로 급탕이 이루어지도록 제어를 한다. 이러한 급탕 제어 방식은 기존 태양열 시스템의 급탕 제어 방식과 동일하므로, 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 상기와 같이 동작하는 일반적인 태양열 시스템에서, 집열기(100) 온도(S1)와 배관 내 유체온도(S2)의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전력을 다단으로 제어(회전수 제어)하여 태양열 교환기의 입구온도 및 출구 온도를 일정하게 유지하면서 에너지 절감이 이루어지도록 한 것에 특징이 있다.

본 발명의 다른 특징으로서, 겨울철에 집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차를 감지하여 3단계에 걸친 순환펌프 가동으로 구동전력 소모 최소화와 안정적인 동파 대응 시스템을 제공하고, 여름철에는 기본 집열기와 축열부의 온도차를 이용한 차온 제어와 집열부와 축열부의 각 온도차이를 영역별로 구분하여 집열 열량에 따라 축열펌프의 구동전력을 달리하여 불필요한 펌프 구동에 따른 에너지 소비를 절감하도록 한 것이다.

이를 위해, 시스템 제어기(700)는 단계 S101에서 터미널(710)을 통해 상기 집열기(100) 온도인 집열 온도(S1)와 상기 축열조(200)의 하단 온도인 축열 온도(S2)를 검출한다. 여기서 온도는 온도 센서나 수온 센서를 이용할 수 있다. 이어, 상기 시스템 제어기(700)는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차를 산출하여, 그 차이가 5℃ 이상이 되면, 일단 모터(501)를 3단(3STEP)으로 구동시켜, 집열 펌프(500)를 초기에는 3단으로 구동시킨다. 즉, 상기 집열기 온도와 축열기 하단 온도의 차이가 5℃ 이상이 나면 무조건 펌프 구동 에너지를 최대로 하고, 회전수가 최대로 하여 집열 펌프(500)를 3단으로 구동시킨다. 집열 펌프(500)를 3단으로 구동시키기 위해서는 제1릴레이(RL1)의 접점(c)과 접점(b)을 연결하고, 제3 및 제4 스위칭소자(Q3)(Q4)를 턴-온시켜, 연산증폭기(OP3)의 비례 대를 크게 하여 집열 펌프(500)를 3단으로 구동시킨다. 상기 집열 펌프(500)를 3단으로 구동시킬 때는 미리 설정된 시간(30초) 동안망 집열 펌프(500)를 구동시킨다(S102, S103).

상기 집열 펌프(500)를 3단으로 구동시킨 상태에서 설정된 시간이 지나면, 단계 S104로 이동하여 다시 집열 온도(E2)와 축열 온도(E12)를 온도 검출부(720)를 통해 검출한다. 여기서 온도 검출은 연산증폭기(OP1)를 통해 축열 온도(E1)를 검출하고, 연산증폭기(OP2)를 통해 집열 온도(E2)를 검출한다.

다음으로, 단계 S105에서 상기와 같이 검출한 축열 온도(E1) 및 집열 온도(E2)를 온도 편차 산출부(730)에서 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출한다.

즉, 온도 편차 산출부(730)는 2개의 연산증폭기(OP3)(OP4)에서 입력되는 축열 온도(E1) 및 집열 온도(E2)를 미리 설정된 시정수 비례대로 곱하여 온도 편차(VP2)를 출력하게 된다. 여기서 연산증폭기(OP3)의 출력(VP1 = R2/R1(E1 -E2)은 연산증폭기(OP4)의 +단자에 입력된다. 연산증폭기(OP4)는 상기 +단자에 입력되는 값과 -단자로 입력되는 축열 온도(E1)를 연산하고 그 차이를 온도 편차(VP2)로 출력한다. 여기서 온도 편차가 5℃에서 15℃ 범위가 되도록 시정수를 조정하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 온도 편차 산출부(730)에서 출력되는 온도 편차(VP2)는 펌프 다단 제어부(750)로 인가된다. 상기 펌프 다단 제어부(750)는 단계 S106 내지 단계 S111에서 상기 온도 편차(VP2)를 영역별로 구분한 후, 상기 구분한 온도 편차 영역에 따라 상기 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 제어한다.

즉, 단계 S106 및 S107과 같이 상기 집열 온도(E2)와 상기 축열 온도(E1)의 온도 편차(VP2)가 제1 설정온도(15℃) 이상이면 집열 펌프(500)를 최상단인 3단으로 제어하고, 단계 S108 및 S109와 같이 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차가 제1 설정온도(15℃) 미만이면 집열 펌프(500)를 차상 단인 2단으로 제어하고, 단계 S110 및 S111과 같이 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차가 제2 설정온도(10℃) 이하이면 집열 펌프(500)를 최하단인 1단으로 제어한다. 여기서 1단 내지 3단의 회전수 및 구동 전력은 1단 < 2단 < 3단 관계이다.

온도 편차(VP2)에 따라 집열 펌프(500)를 다단으로 제어하는 과정을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 펌프 다단 제어부(750)의 제1연산증폭기(OP6)는 상기 온도 편차 산출부(730)에서 산출한 온도 편차(VP2)와 펌프 1단 제어를 위해 미리 설정된 제1기준 전압(Ref1)을 비교하여 그 차이를 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 1단 제어신호(B)로 출력한다. 아울러 제2연산증폭기(OP5)는 상기 온도 편차 산출부(730)에서 산출한 온도 편차(VP2)와 펌프 2단 제어를 위해 미리 설정된 제2기준 전압(Ref2)을 비교하여 그 차이를 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 2단 제어신호(A)로 출력한다. 다음으로, 제1스위칭소자(Q1)는 상기 2단 제어신호에 따라 턴-온 또는 턴-오프 동작을 하며, 제2스위칭소자(Q2)는 상기 1단 제어신호(B)에 따라 턴-온 또는 턴-오프 동작을 한다. 이어, 상기 제1스위칭소자(Q1)와 연결된 제1릴레이(RL1)가 상기 제1스위칭소자(Q1)의 동작에 따라 동작을 하고, 제2스위칭소자(Q2)와 연결된 제2릴레이(RL2)가 제2스위칭소자(Q2)의 동작에 따라 동작을 하여, 모터(M)에 인가하는 구동 전력을 차등적으로 공급하여, 모터(M)를 온도에 따라 다단으로 제어하고, 이에 대응하여 집열 펌프(500)의 구동 제어가 이루어진다.

여기서 펌프 다단 제어부(750)의 집열 펌프(500) 3단 제어는 상기 1단 제어신호(B)와 2단 제어신호(A)를 이용하면 간단하게 구현할 수 있다.

예컨대, 제1 및 제2 스위칭소자(Q1)(Q2)는 제어 단에 각각 입력되는 신호(A, B)가 모두 전기적인 하이신호(1)일 경우 상기 제1 및 제2 릴레이(RL1)(RL2)를 1단으로 구동하며, 상기 제1스위칭소자(Q1)의 제어 단에 입력되는 신호(A)가 전기적인 하이신호(1)이고 제2스위칭소자(Q2)의 제어 단에 입력되는 신호(B)가 전기적인 로우신호(0)일 경우 상기 제1 및 제2 릴레이(RL1)(RL2)를 2단으로 구동하며, 상기 제1스위칭소자(Q1) 및 제2스위칭소자(Q2)의 제어 단에 각각 입력되는 신호(A, B)가 모두 전기적인 로우신호(0)이면 상기 제1 및 제2 릴레이(RL1)(RL2)를 3단으로 구동하게 된다.

즉, 축열 온도와 집열 온도의 온도 편차(VP2)가 15℃ 이상이면, 제1 및 제2 연산증폭기(OP6)(OP5)의 출력이 정지되어(0), 제1릴레이(RL1)의 c접점과 b접점이 연결되어 모터(501)에는 3단(3STEP)에 대응하는 전력이 공급된다.

아울러 축열 온도와 집열 온도의 온도 편차(VP2)가 15℃ 미만이면, 제1연산증폭기(OP6)의 출력은 정지되고(0), 제2연산증폭기(OP5)의 출력이 발생하여(1), 제1릴레이(RL1)의 c접점과 a접점이 연결되고, 제2릴레이(RL2)의 c접점과 b접점이 연결되어 모터(501)에는 2단(2STEP)에 대응하는 전력이 공급된다.

또한, 축열 온도와 집열 온도의 온도 편차(VP2)가 10℃ 이하이면, 제1 및 제2 연산증폭기(OP6)(OP5)의 출력이 발생하여(1), 제1릴레이(RL1)의 c접점과 a접점이 연결되고, 제2릴레이(RL2)의 c접점과 a접점이 연결되어 모터(501)에는 1단(1STEP)에 대응하는 전력이 공급된다.

여기서 1단, 2단, 3단에 대응하는 전력은 결과적으로 집열 펌프(500)의 회전수를 가변하는 전력을 의미한다.

상기와 같은 온도 편차에 따라 집열 펌프(500)의 구동 전력을 다단으로 제어하는 상태에서, 상기 온도 편차(VP2)가 3℃ 이하가 되면, 모터(501)의 구동 전력을 차단하여, 집열 펌프(500)를 정지시키게 된다.

한편, 본 발명에 따른 태양열 시스템은 시스템 제어기(700)에서 축열조(200) 상부의 온도(S3)를 측정하여 92℃ 이상이고, 축열조(200) 하부의 온도(S2)를 측정하여 87℃에서 집열 온도와 축열 온도 간에 차온이 발생하면, 과열 밸브(수냉식 냉각방식)를 작동시켜 시스템 과열을 방지하여 안전성을 도모한다.

이와 같이 본 발명은 겨울철에 집열기 온도(집열 온도)와 배관 내 유체온도(축열 온도)의 편차를 감지하여 3단계에 걸친 순환펌프(집열 펌프) 가동으로 구동전력 소모 최소화와 안정적인 동파 대응 시스템을 제공하게 된다. 아울러 여름철에는 기본 집열기와 축열부의 온도차를 이용한 차온 제어와 집열부와 축열부의 각 온도차이를 영역별로 구분하여 집열 열량에 따라 축열펌프의 구동전력을 달리하여 불필요한 펌프 구동에 따른 에너지 소비를 절감하게 되는 것이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

100: 집열기
200: 축열조
300: 열 교환기
400: 축열 펌프
500: 집열 펌프
600: 보조 보일러
700: 시스템 제어기
710: 터미널
720: 온도 검출부
730: 온도 편차 검출부
740: 전원부
750: 펌프 다단 제어부

Claims (11)

1. 소용량 태양열 시스템에서 변유량 제어를 통해 에너지를 절감하기 위하여, 태양열을 집열하는 집열기, 상기 집열기에 집열된 태양열을 열 교환하도록 각각의 배관으로 연통되는 열 교환기, 상기 열 교환기와 각각의 배관으로 연통되어 상기 배관을 통해 전달되는 열을 저장하는 축열조, 상기 축열조에 저장된 열 매체를 상기 열 교환기에 강제 순환시키는 축열 펌프, 상기 열 교환기를 통해 열 교환이 이루어진 열을 상기 집열기에 강제 순환시키는 집열 펌프 및
   상기 집열기 온도인 집열 온도와 상기 축열조의 하단 온도인 축열 온도를 비례적분미분 연산을 통해 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동을 다단으로 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하도록, 검출 온도를 입력받으며 집열 펌프 및 축열 펌프를 구동하는 모터를 다단으로 제어하는 모터 제어신호를 발생하는 터미널; 상기 터미널을 통해 입력되는 축열 온도 및 집열 온도를 검출하는 온도 검출부; 상기 온도 검출부에서 검출한 축열 온도 및 집열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 편차를 산출하는 온도 편차 산출부; 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 편차를 기초로 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동을 다단으로 제어하여 펌프 다단 제어부를 구비한 시스템 제어기를 포함하는 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치에 있어서,
   상기 펌프 다단 제어부는 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 온도 편차와 펌프 1단 제어를 위해 미리 설정된 제1기준 전압을 비교하여 그 차이를 집열 펌프 및 축열 펌프의 1단 제어신호로 출력하는 제1연산증폭기; 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 온도 편차와 펌프 2단 제어를 위해 미리 설정된 제2기준 전압을 비교하여 그 차이를 집열 펌프 및 축열 펌프의 2단 제어신호로 출력하는 제2연산증폭기; 상기 제1연산증폭기 및 제2연산증폭기에서 각각 출력되는 신호에 따라 모터에 구동 전원을 공급하는 릴레이를 구동시키는 제1 및 제2 스위칭소자; 상기 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자의 동작에 따라 펌프를 다단으로 구동하기 위한 펌프 구동 전력을 출력하는 제1 및 제2 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치.
2. 청구항 1에서,
   상기 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 구분하여 제어하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치.
3. 청구항 1에서,
   상기 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차를 산출하고, 상기 온도 편차를 영역별로 구분한 후, 상기 구분한 온도 편차 영역에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전력 및 회전수를 차등적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치.
4. 청구항 1에서,
   상기 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차가 제1 설정온도 이상이면 집열 펌프를 최상단인 3단으로 제어하고, 상기 온도 편차가 제1 설정온도 미만이면 집열 펌프를 차상 단인 2단으로 제어하고, 상기 온도 편차가 제2 설정온도 이하이면 집열 펌프를 최하단인 1단으로 제어하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치.
   여기서 1단 내지 3단의 회전수 및 구동 전력은 1단 < 2단 < 3단 관계이다.
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7. 청구항 1에서,
   상기 제1 및 제2 스위칭소자는 제어 단에 각각 입력되는 신호가 모두 전기적인 하이신호일 경우 상기 제1 및 제2 릴레이를 1단으로 구동하며, 상기 제1스위칭소자의 제어 단에 입력되는 신호가 전기적인 하이신호이고 제2스위칭소자의 제어 단에 입력되는 신호가 전기적인 로우신호일 경우 상기 제1 및 제2 릴레이를 2단으로 구동하며, 상기 제1스위칭소자 및 제2스위칭소자의 제어 단에 각각 입력되는 신호가 전기적인 로우신호이면 상기 제1 및 제2 릴레이를 3단으로 구동하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치.
   
   
   
   
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