KR102238808B1 - 진공관형 태양열집열기를 이용한 열매체 순환구조 - Google Patents

진공관형 태양열집열기를 이용한 열매체 순환구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공관형 태양열집열기 설치함에 있어서,
내부에 열매체가 흐르도록 좌우로 길게 연장되는 주관(12)에 여러 개의 지관(14)이 일정 간격으로 형성되는 매니폴드(10)를 구비하고, 상기 매니폴드(10)의 양 단부에는 각각 유체통로(16a)가 형성되는 엔드캡(16)을 결합하며, 매니폴드(10)의 각 지관(14)에는 유리와 같이 투명 재질의 진공관(20)이 결합되게 하되 상기 진공관(20)의 내부에는 태양열 흡수판(22)이 결합된 히트파이프(24)가 내장되게 하고 히트파이프(24)의 상단 응축부(24a)는 매니폴드(10)의 지관(14)에 끼움 설치되게 하며, 진공관(20)의 상단은 밀폐시킨 후 그 내부를 진공 처리함으로 진공관형 태양열집열기(8)를 구성하고,
좌우로 하나 이상 연속적으로 매니폴드(10)가 설치된 상태에서 이웃하는 매니폴드(10) 간의 인접하는 유체통로(16a) 간에는 연결매체로 연결하여 매니폴드(10) 간 열매체가 이동되게 하며, 양측 최 외곽에 위치하는 매니폴드(10)에 결합되어 있는 좌우 엔드캡(16)의 유체통로(16a)에는 각각 배관으로 연장하여 태양열 축열탱크(30)로 연결시켜 열매체 순환라인(S.L)을 구축하며 순환라인(S.L) 내의 열매체는 펌프(P)의 구동으로 순환되게 하되, 상기 순환라인(S.L) 상에는 열매체 보충탱크(32)를 구비하여 소실되는 열매체의 보충과 열매체의 적정 농도를 유지할 수 있도록 하며,
매니폴드(10)의 좌우 엔드캡(16)에는 수직상의 하측부에 홀(hole)을 통하여 회수통로(16b)가 형성되게 하고, 좌우로 하나 이상 연속 설치되는 매니폴드(10) 상태에서 이웃하는 매니폴드(10) 간의 회수통로(16b) 간에도 연결매체로 연결하여 매니폴드(10) 간 열매체가 이동되게 하며, 좌우로 하나 이상 연속적으로 매니폴드(10)가 설치된 상태에서 양측 최 외곽에 위치하는 매니폴드(10)의 좌우 엔드캡(16)의 중 어느 하나의 회수통로(16b)에는 배관으로 연장하여 상기 열매체 보충탱크(32)로 연결시켜 열매체 회수라인(R.L)을 구축하여, 하절기를 비롯하여 필요시 매니폴드(10) 내에 채워져 있는 열매체를 제거할 수 있도록 한 것이다.

Description

진공관형 태양열집열기를 이용한 열매체 순환구조{HEAT MEDIUM CIRCULATION STRUCTURE USING VACUUM TUBE TYPE SOLAR COLLECTOR}
본 발명은 태양열집열기에 관한 것으로서, 특히 진공관형 태양열집열기의 열매체 순환구조에 관한 것이다.
태양에너지는 무한·청정 에너지원인으로서 열을 이용하는 태양열과 전기를 이용하는 태양광으로 나눌 수 있으며, 그 중에서 태양열 에너지는 태양광 못지않은 보급 잠재력을 가지고 있다.
따라서 태양열 에너지의 기술을 발전시키기 위한 노력도 많이 이루어지고 있는데, 태양열 에너지의 이용에 있어서 무엇보다도 중요한 점은 태양열을 모으는 집열기의 성능이 중요하다.
태양열집열기는 집열하는 형태에 따라 평판형 태양열집열기와 진공관형 태양열집열기로 나눌 수 있다. 그 중에서 진공관형 태양열집열기는 평판형 집열기와는 달리 진공기술을 접목한 것으로서 열손실이 적고 집열기의 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
진공관형 태양열집열기의 일반적인 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 내부에 열매체가 흐르도록 좌우로 길게 연장되는 주관에 여러 개의 지관이 일정 간격으로 형성된 매니폴드(1)(Manifold)을 구비하고, 상기 매니폴드(1)의 각 지관에는 유리와 같이 투명 재질의 진공관(4)이 결합된다. 그리고 상기 진공관(4)의 내부에는 태양열 흡수판(3)이 결합된 히트파이프(2)가 내장되는데 이때 히트파이프(2)의 상단 응축부(2a)는 매니폴드(1)의 지관에 끼움 설치되는바 주관을 가로질러 끼움설치 된다.
이러한 상태에서 진공관(1)의 상단을 밀폐시킨 후 그 내부를 진공 처리함으로써 태양열 흡수판(3) 표면으로부터 집열된 태양열이 대류에 의해 외부로 손실되는 것을 차단시키게 된다.
상기 구성을 갖는 진공관형 태양열집열기(5)에 의하면 태양 광선이 일차적으로 태양열 흡수판(3)을 가열시키고, 가열된 태양열 흡수판(3)은 히트파이프(2)를 통하여 히트파이프(2) 상부의 응축부(2a)로 전달된다. 그리고 응축부(2a)에 응집된 열은 매니폴드(1)의 주관 내부를 흐르는 열매체에 열에너지를 전달하게 되며, 상기 열교환된 열매체는 매니폴드(1)와 배관으로 연결된 축열탱크 또는 열교환기로 이동되어져 열에너지를 제공하도록 형성된다. 여기서 태양열을 모으는 집열기의 고효율화를 위해서 우선적으로 고려해야 할 사항은 열전달의 1차 관문인 히트파이프 응축부와 매니폴드 간의 최적 설계가 매우 중요한 변수로 작용한다.
한편, 매니폴드 내부를 흐르는 열매체는 액체로서 부동액이 함유되어 동절기에 얼지 않도록 하는데, 하절기에는 강한 태양에 의해 열매체가 끓는 현상이 발생하게 된다. 매니폴드 내부의 열매체가 끓게 되면 수분은 기화되어 비등점(끓는점)이 높은 부동액 성분이 탄화되어 덩어리(찌꺼기)가 발생하게 되며 재가동시 배관 내에 끼여 열매체의 흐름을 방해하게 되는 등 문제를 발생시킨다. 따라서 매니폴드 내의 바닥에 잔류하는 열매까지 제거하는 것이 중요하다. 이와 더불어 열매체에는 소실된 수분을 보충해주어야 하는 문제가 있었다.
국내 등록특허 제10-0712012호“진공관형 태양열집열기 편심형 매니폴드”
따라서 본 발명은 태양열 집열 효율을 높이고, 매니폴드 내의 바닥부에 남겨지는 열매체까지 회수될 수 있도록 하여 하절기의 강한 태양에 의해 열매체가 탄화되어 덩어리가 발생하는 현상을 미연에 방지하여 재가동시 덩어리로 인한 열매체의 순환라인 상에 문제가 발생되지 않도록 하고 열매체 순환라인의 용이한 관리가 구현되게 하는 진공관형 태양열집열기를 이용한 열매체 순환구조를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 진공관형 태양열집열기 설치함에 있어서,
내부에 열매체가 흐르도록 좌우로 길게 연장되는 주관(12)에 여러 개의 지관(14)이 일정 간격으로 형성되는 매니폴드(10)를 구비하고, 상기 매니폴드(10)의 양 단부에는 각각 유체통로(16a)가 형성되는 엔드캡(16)을 결합하며, 매니폴드(10)의 각 지관(14)에는 유리와 같이 투명 재질의 진공관(20)이 결합되게 하되 상기 진공관(20)의 내부에는 태양열 흡수판(22)이 결합된 히트파이프(24)가 내장되게 하고 히트파이프(24)의 상단 응축부(24a)는 매니폴드(10)의 지관(14)에 끼움 설치되게 하며, 진공관(20)의 상단은 밀폐시킨 후 그 내부를 진공 처리함으로 진공관형 태양열집열기(8)를 구성하고,
좌우로 하나 이상 연속적으로 매니폴드(10)가 설치된 상태에서 이웃하는 매니폴드(10) 간의 인접하는 유체통로(16a) 간에는 연결매체로 연결하여 매니폴드(10) 간 열매체가 이동되게 하며, 양측 최 외곽에 위치하는 매니폴드(10)에 결합되어 있는 좌우 엔드캡(16)의 유체통로(16a)에는 각각 배관으로 연장하여 태양열 축열탱크(30)로 연결시켜 열매체 순환라인(S.L)을 구축하며 순환라인(S.L) 내의 열매체는 펌프(P)의 구동으로 순환되게 하되, 상기 순환라인(S.L) 상에는 열매체 보충탱크(32)를 구비하여 소실되는 열매체의 보충과 열매체의 적정 농도를 유지할 수 있도록 하며,
매니폴드(10)의 좌우 엔드캡(16)에는 수직상의 하측부에 홀(hole)을 통하여 회수통로(16b)가 형성되게 하고, 좌우로 하나 이상 연속 설치되는 매니폴드(10) 상태에서 이웃하는 매니폴드(10) 간의 회수통로(16b) 간에도 연결매체로 연결하여 매니폴드(10) 간 열매체가 이동되게 하며, 좌우로 하나 이상 연속적으로 매니폴드(10)가 설치된 상태에서 양측 최 외곽에 위치하는 매니폴드(10)의 좌우 엔드캡(16)의 중 어느 하나의 회수통로(16b)에는 배관으로 연장하여 상기 열매체 보충탱크(32)로 연결시켜 열매체 회수라인(R.L)을 구축하여, 하절기를 비롯하여 필요시 매니폴드(10) 내에 채워져 있는 열매체를 제거할 수 있도록 함을 특징으로 한다.
본 발명은 매니폴드 양 단부에 편심형 엔드캡을 결합하여 태양열의 집열효율을 높일 수 있고, 하절기 강한 태양으로부터 열매체가 끓어오를 우려가 있을 때에는 열매체 회수라인을 가동시켜 매니폴드 내의 열매체를 미리 열매체 보충탱크로 이동시킬 수 있어 열매체 순환라인을 효과적으로 관리 할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 진공관형 태양얄집열기 개략 구성도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 의한 태양열집열기를 이용한 전체적인 열매체 순환구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 의한 태양열집열기의 구성도,
도 4는 도 3의 주요부분의 확대도,
도 5는 태양의 고도에 따라 집열 효율을 높이기 위하여 진공관을 경사각이 형성되도록 설치하는 상태도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 태양열집열기를 이용한 열매체 순환구조는 먼저 태양열을 모으기 위한 주요역할을 하는 진공관형 태양열집열기(8)를 구비한다.
본 발명에서 진공관형 태양열집열기(8)는 내부에 열매체가 흐르도록 좌우로 길게 연장되는 주관(12)에 여러 개의 지관(14)이 일정 간격으로 형성되는 매니폴드(10)를 구비하고, 매니폴드(10)의 양 단부에는 각각 유체통로(16a)가 형성되는 엔드캡(16)을 결합한다.
매니폴드(10)의 각 지관(14)에는 유리와 같이 투명 재질의 진공관(20)을 결합하는데 상기 진공관(20)의 내부에는 태양열 흡수판(22)이 결합된 히트파이프(24)가 내장되게 한다. 이때 히트파이프(24)의 상단에 구성되는 응축부(24a)가 매니폴드(10)의 다수의 지관(14)에 각각 끼움 설치되게 하며, 그 후 진공관(20)의 상단은 밀폐시킨 후 그 내부를 진공 처리함으로써 진공관형 태양열집열기(8)를 구성한다.
매니폴드(10)는 그 외부에 길이 방향으로 단열케이싱(8)을 결합하여 열매체 내의 열손실을 방지하고 매니폴드(10)도 보호토록 한다.
도 2를 참고하면, 진공관형 태양열집열기(8)는 야외에 설치시 좌우로 하나 이상 다 수개(도면에는 5개)를 연속적으로 배열하는데, 좌우로 하나 이상 연속으로 매니폴드(10)가 설치된 상태에서 이웃하는 매니폴드(10) 간의 인접하는 유체통로(16a) 간에는 연결매체로 연결하여 매니폴드(10) 간 열매체가 이동되게 한다. 유체통로(16a) 간을 연결하는 연결매체는 도 3에 도시된 바와 같이 연결구(17) 등을 통하여 밀폐되도록 결합하여 열매체의 이동간 누수를 방지한다.
일반적으로 매니폴드 내에 열매체 보충시 매니폴드 마다 공기를 제거해 주어야 열전달 효율이 높아지는데 이를 위해 기존의 매니폴드는 상부에 에어벤트관(Air Vent)을 형성하여 공기를 제거토록 하였다. 그런데 에어벤트관을 형성하면 제작비용이 높아지고 구성이 복잡해지며, 에어벤트관을 통해서도 열손실이 발생하는 문제가 있었다.
따라서 본 발명에서는 매니폴드(10) 양 단부에 결합되는 엔드캡(16)을 구성함에 있어서, 수직상의 상측부에 유체통로(16a)가 형성되도록 하여 편심형 구조를 갖도록 한다. 즉 매니폴드(10) 양 단부에 각각 수직상의 상측부에 유체통로(16a)가 형성되는 편심형 엔드캡(16)을 결합함으로써 열매체 보충시 내부의 공기는 상부의 유체통로(16a)를 통하여 쉽게 제거될 수 있도록 한다.
여기서 “수직상의 상측부”라 정의한 이유는 도 5에 도시된 바와 같이 히터파이프(24)가 내장된 진공관(20)은 집열 효율을 높이기 위하여 태양의 고도에 맞추어 수직선상에 대하여 소정의 경사각(θ)을 이루며 설치된다. 이러한 환경에 준하여 진공관(20)에 결합되는 매니폴드(10) 및 매니폴드(10)의 양 측에 결합되는 엔드캡(16)도 그에 준하여 경사각(θ)을 형성하게 된다. 따라서 이를 고려하여 엔드캡(16)의 유체통로(16a)가 수평을 기준으로 매니폴드(10) 내부 통로에 대하여 최상측에 위치하기 위해서는 진공관(20)이 기울어진 경사각(θ)에 준하여 수직선상을 기준으로 엔드캡(16)의 유체통로(16a)도 그 경사각(θ)만큼 편심되는 위치에 설치되어야 하는 것이다.
상기 좌우로 다 수개씩 연속 설치되는 매니폴드(10) 상태에서 양측 최 외곽에 위치하는 매니폴드(10)의 좌우 엔드캡(16)의 유체통로(16a)에는 각각 배관으로 연장하여 태양열 축열탱크(30)로 연결시켜 열매체 순환라인(S.L, 도 2 붉은색과 주황색 라인)을 구축한다. 여기서 붉은색 라인은 열매체가 매니폴드(10) 내부를 지나면서 열교환(열흡수)에 의해 열매체의 온도가 높아진 상태를 의미하고, 주황색 라인은 열매체가 태양열 축열탱크(30) 내의 열매체 열교환 교환코일(31)를 지나면서 열교환(열방출)에 의해 열매체의 온도가 낮아진 상태를 의미한다.
열매체 순환라인(S.L) 내의 열매체는 펌프(P)의 구동으로 강제순환되게 하되, 상기 순환라인(S.L) 상에는 열매체 보충탱크(32)를 구비하여 소실되는 열매체의 보충을 비롯하여 열매체의 적정 농도를 유지할 수 있도록 한다.
특히 본 발명에서는 매니폴드(10) 좌우에 결합되는 엔드캡(16)에는 수직상의 상측부에 형성되는 유체통로(16a)의 위치와 반대 개념인 수직상의 하측부에 별도의 홀(hole)을 통하여 회수통로(16b)가 형성되게 하고, 마찬가지로 좌우로 다 수개씩 연속 설치되는 매니폴드(10) 상태에서 이웃하는 매니폴드(16) 간의 회수통로(16b) 간에도 관으로 연결되게 하여 매니폴드(10) 간 열매체가 이동되게 구성한다. 상기 회수통로(16b)를 엔드캡(16)의 수직상의 하측부에 형성하는 이유는 매니폴드(10) 내의 열매체 회수시 바닥부에 남겨지는 열매체까지 원활하게 회수될 수 있도록 하기 위해서다.
또한 좌우로 다 수개씩 연속 설치되는 매니폴드(10) 상태에서 양측 최 외곽에 위치하는 매니폴드(10)의 좌우 엔드캡(16)의 중 어느 하나의 회수통로(16b)에는 배관으로 연장하여 상기 열매체 보충탱크(32)로 연결시켜 열매체 회수라인(R.L, 도 2의 초록색 라인)을 구축한다.
열매체 회수라인(R.L)은 하절기 강한 태양에 의해 열매체가 끓어 오를 것으로 예상되면 이를 방지하기 위해서 매니폴드(10) 내에 있는 열매체를 미리 열매체 보충탱크(32)로 이동시켜 비우기 위한 목적으로 구성하는 것이다.
즉 하절기 매니폴드(10) 내에 열매체를 제거하는 이유는 배경기술에서 언급하였듯이, 열매체가 끓게 되면 수분은 기화되어 비등점(끓는점)이 높은 부동액 성분의 농축을 야기하게 되며 그에 따라 농축된 부동액은 탄화되어 열매체 내부에 덩어리를 발생시켜 배관의 내부의 열매체의 흐름을 방해하게 되며, 이와 더불어 열매체에는 소실된 수분을 보충해주어야 하는 문제가 있었는데 본 발명에서는 열매체 회수라인(R.L)을 구축함으로써 앞선 문제들을 효율적으로 방지할 수 있게된다.
상기 열매체 순환라인(S.L)과 열매체 회수라인(R.L) 및 후술할 온수 사용라인(U.L)에는 펌프 및 밸브(체크밸브 포함)의 제어를 위한 제어부가 구성된다.
한편, 상기 축열탱크(30)의 내부에는 열교환 코일관(40)을 구성하고, 열교환코일관(40)의 양 단부에는 각각 배관으로 연장하여 온수 사용라인(U.L, 도 2의 주황색과 하늘색 라인)을 구축함으로써 축열탱크(30) 내부에 축적된 열에너지를 전달받아 온수로 사용할 수 있도록한다.
상기와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 진공관형 태양열집열기를 이용한 열매체 순환구조는 태양열의 집열효율을 높일 수 있으며, 하절기 강한 태양으로부터 열매체가 끓어오를 우려가 있을 때에는 열매체 회수라인(R.L)을 가동시켜 매니폴드(10) 내의 열매체를 미리 열매체 보충탱크(32)로 이동시킴으로써 매니폴드(10) 내부를 비울 수 있게 된다.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.
(8)--진공관형 태양열집열기
(10)--매니폴드 (12)--주관
(14)--지관 (16)--엔드캡
(16a)--유체통로 (16b)--회수통로
(17)--연결구 (18)--단열케이싱
(20)--진공관 (22)--태양열 흡수판
(24)--히트파이프 (24a)--응축부
(30)--태양열 축열탱크 (31)--열매체 열교환 코일관
(32)--열매체 보충탱크 (40)--온수 열교환 코일관
(S.L)--열매체 순환라인 (R.L)--열매체 회수라인
(U.L)--온수 사용라인

Claims (1)

  1. 내부에 열매체가 흐르도록 좌우로 길게 연장되는 주관(12)에 여러 개의 지관(14)이 일정 간격으로 형성되는 매니폴드(10)를 구비하고, 상기 매니폴드(10)의 양 단부에는 각각 유체통로(16a)가 형성되는 엔드캡(16)을 결합하며, 매니폴드(10)의 각 지관(12)에는 유리와 같이 투명 재질의 진공관(20)이 결합되게 하되 상기 진공관(20)의 내부에는 태양열 흡수판(22)이 결합된 히트파이프(24)가 내장되게 하고 히트파이프(24)의 상단 응축부(24a)는 매니폴드(10)의 지관(12)에 끼움 설치되게 하며, 진공관(20)의 상단은 밀폐시킨 후 그 내부를 진공 처리함으로 진공관형 태양열집열기(8)를 구성하고,
    상기 진공관(20)은 집열효율을 높이기 위하여 태양의 고도에 맞추어 수직선상에 대하여 경사각을 이루어 설치되는 환경에 준하여 진공관(20)에 결합되는 매니폴드(10)와 매니폴드(10) 양측에 결합되는 엔드캡(16)도 그에 준하여 경사각을 형성하게 됨을 고려하여 엔드캡(16)에 형성되는 유체통로(16a)가 매니폴드(10) 내부 통로에 대하여 수직선상의 상측부에 위치하도록 경사각 만큼 편심되는 위치에 형성하고,
    좌우로 하나 이상 연속적으로 매니폴드(10)가 설치된 상태에서 이웃하는 매니폴드(10) 간의 인접하는 유체통로(16a) 간에는 연결매체로 연결하여 매니폴드(10) 간 열매체가 이동되게 하며, 양측 최 외곽에 위치하는 매니폴드(10)에 결합되어 있는 좌우 엔드캡(16)의 유체통로(16a)에는 각각 배관으로 연장하여 태양열 축열탱크(30)로 연결시켜 열매체 순환라인(S.L)을 구축하며 열매체 순환라인(S.L) 내의 열매체는 펌프(P)의 구동으로 순환되게 하되, 상기 열매체 순환라인(S.L) 상에는 열매체 보충탱크(32)를 구비하여 소실되는 열매체의 보충과 열매체의 적정 농도를 유지할 수 있도록 하며,
    매니폴드(10)의 좌우 엔드캡(16)에는 수직상의 상측부에 형성되는 유체통로(16a)의 위치와 반대 개념인 수직상의 하측부에 홀(hole)을 형성하여 회수통로(16b)가 형성되게 하고, 좌우로 하나 이상 연속 설치되는 매니폴드(10) 상태에서 이웃하는 매니폴드(10) 간의 회수통로(16b) 간에도 연결매체로 연결하여 매니폴드(10) 간 열매체가 이동되게 하며, 좌우로 하나 이상 연속적으로 매니폴드(10)가 설치된 상태에서 양측 최 외곽에 위치하는 매니폴드(10)의 좌우 엔드캡(16)의 중 어느 하나의 회수통로(16b)에는 배관으로 연장하여 상기 열매체 보충탱크(32)로 연결시켜 열매체 회수라인(R.L)을 구축하여, 하절기를 비롯하여 필요시 매니폴드(10) 내에 채워져 있는 열매체 회수시 매니폴드(10)의 바닥부에 남겨지는 열매체까지 회수될 수 있도록 함을 특징으로 하는 태양열집열기 및 이를 이용한 열매체 순환구조.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100712012B1 (ko) 2005-10-08 2007-04-30 한국에너지기술연구원 진공관형 태양열집열기 편심형 매니폴드
KR100990034B1 (ko) * 2010-04-28 2010-10-26 박종일 대기상태를 가지는 드레인 다운식 밀폐형 태양열 시스템의 제어방법

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