KR20020047766A - 투명 단열재를 이용한 평판형 태양열 집열기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명 단열재를 사용하여 대류에 의한 열손실 및 복사 손실을 억제함으로서 집열 효율을 증진시킨 고효율의 평판형 태양열 집열기에 관한 것이다.
본 발명은 태양광을 받아 내부로 투과시키는 투명덮개(1)와, 그 투과된 태양광이 지나가는 공기층(2)과, 상기의 태양광이 최종적으로 도달하여 태양열로 전환되어 축적되는 집열판(3)과, 그 집열판에 형성된 열전달매체 도관(4)과, 그 뒤편에 설치된 단열재(5)와, 그 뒷면에 형성된 집열기틀(6)로 이루어진 평판형 태양열 집열기에 있어서, 상기의 투명덮개(1)와 집열판(3) 사이에서 공기층(2)의 대류현상을 방지 내지 억제하는 수단(7)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 평판형 태양열 집열기를 제공한다.
본 발명에 의한 평판형 태양열 집열기는 태양열의 이용 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

투명 단열재를 이용한 평판형 태양열 집열기{Plat type of solar absorber system comprising a transparent insulator}
본 발명은 투명 단열재를 이용한 평판형 태양열 집열기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명 단열재를 사용하여 대류에 의한 열손실 및 복사 손실을 억제함으로서 집열 효율을 증진시킨 고효율의 평판형 태양열 집열기에 관한 것이다.
평판형 태양열 집열기는 태양열 난방 및 급탕 시스템에 사용되는 기본적인 태양열 기기이다. 태양열 집열기의 집열 원리는 집열기로 입사된 태양에너지가 흑색으로 도장된 집열판에 열에너지로 대부분이 흡수되고, 흡수된 열에너지는 순환되는 열전달 매체에 전달되어지며, 그 중의 일부는 주위로 손실된다. 열전달 매체에 옮겨진 열에너지는 가용 집열량으로 저장되거나 열부하에 직접 공급되어 유용하게 사용된다.
종래의 평판형 태양열 집열기의 구조는 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 종래의 평판형 태양열 집열기는 일반적으로 투명덮개(1), 공기층(2), 집열판(3), 열전달 매체 도관(4), 단열재(5), 그리고 집열기틀(6) 등으로 이루어져 있다. 이때, 상기의 투명덮개(1)는 태양 에너지가 입사될 수 있으면서 집열기 윗면의 단열 효과를 얻기 위한 것이며, 집열판(3)은 일반적으로 금속으로 만들어져 태양 에너지를 최대한 흡수할 수 있도록 무광 흑색 도장한 것이며, 열전달 매체 도관(4)은 집열판(3)에 밀착되어 물이나 공기 등과 같은 열전달 매체가 순환될 수 있는 파이프나 덕트로 되어 있고, 상기의 열전달 매체는 상기의 집열판(3)으로부터 열을 전달받아 필요한 용도에 따라 적당하게 사용된다. 집열기내의 단열재(5)는 아랫면과 가장자리면에 열손실을 줄이기 위하여 부착되며, 집열기틀(6)은 집열기 자체의 내구성과 내후성을 보장하기 위한 것이다.
이 중 평판형 태양열 집열기는 평판형 태양열 집열 시스템의 핵심부분이다. 따라서, 집열기의 성능 즉 집열 효율이 얼마나 높은가에 의해 전체 시스템의 효율에 결정적인 영향을 준다.
그런데, 기존의 다양한 형태의 평판형 태양열 집열기는 태양열을 받아서 집열판(3)이 가열되어 그 집열판(3)의 온도가 상승하게 되면, 평판형 태양열 집열기 내부의 집열판(3)과 투명덮개(1)사이에 온도차가 발생하게 되고, 이로 인하여 투명덮개(1)와 집열판(3) 사이의 공기층(2)에서 대류 현상이 발생하게 되었으며, 그러한 대류 현상에 의해 열손실과 복사손실이 다량 발생하고 있었다. 그러한 열손실은 전 입사량의 약 30 % 정도로 알려져 있고, 이것은 전 손실량의 약 55 %를 차지하고 있어, 대류에 의한 열손실이 평판형 태양열 집열기의 주된 열 손실원 임을 알 수 있다. 결론적으로 종래의 태양열 집열기는 그 내부에서 일어나는 공기의 대류현상을 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 가지고 있지 못하였기 때문에, 투명덮개(1)와 집열판(3) 사이의 공기층(2)에 발생하는 대류에 의한 열손실 및 복사 손실을 효과적으로 차단하지 못하는 단점을 지니고 있었던 것이다.
본 발명은 평판형 태양열 집열기에 있어서 투명덮개(1)와 집열판(3) 사이의 온도차이로 인한 대류 현상을 억제함으로써, 평판형 태양열 집열기의 효율을 크게 증진시킬 수 있는 태양열 집열 시스템에 관한 것이다.
본 발명자들은 종래의 평판형 태양열 집열기의 단점을 개량하기 위하여, 각각의 구성요소에 대한 구조와 기능 등을 예의 주시하고 태양열 손실의 원인을 추적한 결과, 손실되는 상당량의 태양열이 집열기 내부의 공기 대류현상에 의하여 발생되고 있음을 발견하였다. 따라서, 본 발명자들은 그 단점을 개선하기 위하여 집열기 내부에서 공기 대류현상을 억제할 수 있는 수단을 다각적으로 강구하여 보았는 바, 공기 대류억제수단을 특정의 재질과 특정의 구조로 실행할 경우에 그 손실열량을 대폭적으로 줄임일 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 주택난방이나 급탕에 필요한 저온의 열에너지를 공급하는 평판형 태양열 집열기에 있어서, 집열기의 내부에서 공기의 대류현상을 방지 내지 억제하는 수단을 포함하고 있는 평판형 태양열 집열기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
제 1 도는 본 발명의 바람직한 실시예로서 투명 단열재를 설치한 평판형 태양열 집열기의 주요부를 나타낸 단면도,
제 2 도는 본 발명의 바람직한 실시예로서 투명 단열재를 수직적 구조로 형성한 경우의 평판형 태양열 집열기의 주요부를 나타낸 단면도,
제 3 도는 본 발명의 바람직한 실시예로서 투명 단열재를 수평적 구조로 형성한 경우의 평판형 태양열 집열기의 주요부를 나타낸 단면도,
제 4 도는 본 발명의 바람직한 실시예로서 투명 단열재를 공동(空洞) 구조로 형성한 경우의 평판형 태양열 집열기의 주요부를 나타낸 단면도, 그리고
제 5 도는 종래의 평판형 태양열 집열기의 주요부 단면도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
1 : 투명덮개 2 : 공기층
3 : 집열판 4 : 열전달 매체 도관
5 : 단열재 6 : 집열기틀
7 : 투명 단열재 8 : 태양에너지
본 발명은 투명 단열재를 사용하여 대류에 의한 열손실 및 복사 손실을 억제함으로서 집열 효율을 증진시킨 고효율의 평판형 태양열 집열기에 관한 것이다.
본 발명은 태양광을 받아 내부로 투과시키는 투명덮개(1)와, 그 투과된 태양광이 지나가는 공기층(2)과, 상기의 태양광이 최종적으로 도달하여 태양열로 전환되어 축적되는 집열판(3)과, 그 집열판에 형성된 열전달매체 도관(4)과, 그 뒤편에 설치된 단열재(5)와, 그 뒷면에 형성된 집열기틀(6)로 이루어진 평판형 태양열 집열기에 있어서, 상기의 투명덮개(1)와 집열판(3) 사이에서 공기층(2)의 대류현상을 방지 내지 억제하는 수단(7)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 평판형 태양열 집열기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기의 공기 대류현상을 방지 내지 억제할 수 있는 수단(7)이라 함은 투명덮개와 집열판 사이에 설치되어 외부로부터 들어오는 태양광을 그대로 또는 대부분 투과시키는 반면에 그 사이에 존재하는 공기층으로 하여금 대류를 일으키지 못하도록 하거나 대류현상을 방해하도록 하는 구조체를 말한다.
본 발명에 있어서, 상기의 대류억제수단은 투명한 단열재를 사용하는 것이 바람직하고, 또한 공기의 대류를 억제할 수 있도록 다양한 형태의 구조를 채택할 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명에서 제시된 첨부 도면은 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것이 아님은 자명하다.
도 1은 본 발명에 의한 평판형 태양열 집열기의 가장 바람직한 실시예 중의 하나로서 본 발명의 요부를 나타낸 개략적 단면도이다.
본 발명에 있어서, 평판형 태양열 집열기는 투명한 유리나 플라스틱 등과 같은재질로 구성되어 외부로부터 태양광 내지 태양에너지(8)가 들어오는 투명덮개(1)를 포함하고 있다. 이 투명덮개(1)는 태양광 내지 태양에너지(8)를 받아들이는 것으로서 태양열 집열기의 외부에 설치된다. 상기의 투명덮개(1)를 외부 유리나 플라스틱판으로 형성하고 공기의 대류억제수단(7)의 바깥쪽에 설치하는 이유는 상기 대류억제수단(7)을 바람이나 오염, 수분 등과 같은 외부 기후나 기타 물리적인 힘으로부터 보호하기 위한 것이며, 사용되는 재료는 강화 유리나 플라스틱 등이 있다. 이들 재료에는 적외선 방사를 억제하기 위해서 적외선 방사를 억제할 수 있는 선택 흡수막을 코팅할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 평판형 태양열 집열기는 상기의 투과된 태양에너지(8)가 지나가는 공기층(2)과, 상기의 태양에너지(8)가 최종적으로 도달하여 태양열로 전환되어서 축적된 후 열전달매체에 열을 전달해주는 집열판(3)을 포함하며, 또한 상기의 집열판(3)에 형성된 열전달매체 도관(4)과, 그 뒤편에 설치된 단열재(5)와, 그 뒷면에 형성된 집열기틀(6)을 포함하고 있다.
본 발명에 있어서, 평판형 태양열 집열기는 상기의 투명덮개(1)와 집열판(3) 사이에서 공기층(2)의 대류현상을 방지 내지 억제하는 수단(7)을 포함하고 있다. 공기층의 대류억제수단(7)은 투명단열재로 형성될 수 있다. 투명 단열재(7)는 빛이 통과될 수 있는 재료로 구성되고, 그 빛이 투명 단열재(7)를 투과하여 집열기내의 집열판(3)에서 열로 변화됨과 동시에 집열기에 축열된 열을 외기로부터 보호하는 단열재의 역할을 하는 것이다.
본 발명에 있어서, 투명 단열재(7)를 이용한 평판형 태양열 집열기의 열 취득 및 단열현상은 공기의 대류억제에 의하여 이루어지며, 그 대류억제 원리는 다음과같다. 파장이 짧은 태양의 직사광선 혹은 반사광선이 평판형 태양열 집열기의 투명덮개(1)와 집열판(3) 사이에 설치된 투명 단열재(7)를 통과하여 평판형 태양열 집열기의 집열판(3)에 도달하게 되면 태양의 직사광선 혹은 반사광선은 열로 변하여 집열판(3)을 가열시켜 온도를 상승시키게 된다. 이렇게 집열판의 온도가 상승되면 평판형 태양열 집열기내부의 집열판(3)과 투명덮개(1) 사이에 온도차가 발생하게 되고, 이로 인하여 공기층(2)이 고온의 집열판(3)쪽에서 저온의 투명덮개(1)쪽으로 이동함으로써 대류현상이 발생하게 되며, 이 과정에서 평판형 태양열 집열기의 열손실을 가져오게 되는 것이다. 그런데, 대류가 발생하는 공기층(2)에 대류 현상을 억제할 수 있는 dead air space를 형성시킬 수 있는 수직적 구조의 투명단열재(7)를 집열판(3)과 투명덮개(1) 사이에 설치함으로서 그 공기의 대류현상이 방지되어지고, 파장이 길어진 열선의 차단효과가 가능해진다. 다시 말해서, 플라스틱이나 유리로 구성된 투명단열재(7)는 그 자체의 투명한 재질의 특성에 의해 태양복사선(단파장)에 대해서는 높은 투과율을 가진 반면에 지구복사(장파장)에 대해서는 높은 흡수율을 보이고 있으므로, 실제로 열을 가두는 역할을 하는 것이며, 이로써 평판형 태양열 집열기의 열손실을 억제하여 평판형 태양형 집열기의 집열 성능을 증진시키게 된다.
이를 위한 투명 단열재(7)는 빛이 통과될 수 있는 재료로 투명 단열재(7)가 설치된 평판형 태양열 집열기내의 집열판(3)에 투명 단열재(7)를 통과한 빛이 열로 변화됨과 동시에 공기에 의한 대류현상을 예방할 수 있는 칸막이 구조로 대류가 발생하지 않는 사각지역 공간(dead air space)을 만들어 대류현상을 방지함과 동시에많은 복사열을 흡수하되 복사 열교환은 가능한 억제하여 집열기에 축열된 열을 외기로부터 보호하는 단열재의 역할을 하여야 한다. 아울러 투명 단열재(7)는 열전도율이 낮고 태양 복사열의 흡수, 투과를 위하여 물질 자체는 투과성을 가져야 한다. 이를 위하여, 투명 단열재(7)는 폴리카보네이트(polycabonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethlmethacrylate) 등과 같은 합성수지, 또는 유리섬유(glass fiber)나 실리카(silica) 에어로젤, 또는 유리 등으로 제작할 수 있고, 이로 인하여 파장이 짧은 태양의 직사광선 혹은 반사광선의 투과시키며, 투명덮개(1)와 집열판(3) 사이의 공기층(2)에서 발생하는 자연대류 현상을 억제하게 된다.
본 발명에 있어서, 공기의 자연대류 현상을 억제하기 위해서는 투명 단열재(7)의 구조를 수직적인 구조, 수평적인 구조, 공동 구조, 또는 유사 균일 구조 등으로 형성할 수 있다.
도 2는 투명단열재(7)를 수직적인 구조로 한 것을 개략적으로 나타내고 있다. 이는 도 2에 보여지는 것처럼 투명 단열재(7)가 집열판(3)에 수직되는 형태를 가지는 것으로 평행한 얇은 판(parallel slat), 벌집(honeycomb), 모세관(capillary) 구조로 되어 있다. 이러한 기하학적인 구조의 장점은 태양 복사열을 반사하여 내부로 직접 모아 주는 역할을 한다는 점이다. 벌집 구조는 cross-section cell로 되어 있다. 모세관 구조는 속이 빈 튜브를 세워 놓은 형태로 되어 있다.
도 3은 투명단열재(7)를 수평적인 구조로 한 것을 개략적으로 나타내고 있다. 수평적인 구조는 도 3에 보여지는 것처럼 투명 단열재(7)가 집열판(3)에 평행한 형태를 가지는 것으로, 투명하거나 불투명한 유리나 플라스틱 필름 등이 사용된다.적층되는 숫자는 빛 반사 손실에 의존한다.
도 4는 투명단열재(7)를 공동(空洞) 구조로 한 것을 개략적으로 나타내고 있다. 공동 구조는 그림 4에 보여지는 것처럼 평행적인 흡수구조와 수직적인 흡수구조를 결합한 것과 같은 형태를 가지고 있는 것으로 공동의 크기는 수 mm 정도이다. 이 구조는 대류를 효과적으로 억제하는데 장점을 가지고 있다. 수직적인 구조의 투명 단열재, 수평적인 구조의 투명 단열재 및 공동 구조의 투명 단열재(7)를 제조하기 위해서는 폴리카보네이트(polycabonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethl-methacrylate) 등과 같은 합성수지 또는 유리 등과 같은 재료가 사용한다. 또한, 투명단열재(7)를 두 개의 유리판이나 플라스틱 사이에 유리섬유(glass fiber)나 실리카 에어로졸(silica aerosol)을 충진하여 사용할 수도 있다.
평판형 태양열 집열기의 대류 현상에 의한 열손실은 주로 투명 덮개(1)에서 발생되기 때문에 상기 언급한 투명 단열재(7)는 투명덮개(1)의 바로 아래에 설치한다. 이렇게 설치함으로써 열을 취득함과 동시에 대류 현상 억제에 따른 열손실을 방지할 수 있게 된다.
투명 단열재(7)의 아래 부분에 투명 단열재(7)를 통과한 태양광선을 열에너지로 변환시켜 물, 공기 등의 매체에 전달하는 기능을 가진 집열판(3)을 설치한다. 투명 단열재(7)를 이용한 평판형 태양열 집열기용 집열판(3)은 집열된 열을 열전달매체에 전달해주어야 하므로 기존의 평판형 태양열 집열기에 사용되고 있는 알루미늄, 동, 철, 스텐인레스, 합성수지 등과 같은 재료를 사용할 수 있으며, 기체식 평판형 태양열 집열기와 달리 액체식 평판형 태양열 집열기는 집열판(3) 내부에열전달 매체 도관(4)이 필요하며 이때에도 기존의 구조나 형태를 사용할 수 있다.집열판(3)에 집열된 열이 뒤쪽으로 손실되는 것을 방지하기 위하여 적당한 두께의 단열재(5)를 설치하며, 요구되는 성능은 내열성, 경량성, 내수성 및 가격이 저렴할 것 등이 있다.
단열재(5) 아래에는 투명 덮개(1), 투명 단열재(7), 공기층(2), 집열판(3), 단열재(5)를 보호하고 집열기 전체를 외부로부터 보호하기 위하여 집열기틀(6)를 설치하며, 이렇게 설치된 집열기틀(6)은 구조재의 역할을 하게 된다. 집열기틀 재료로는 동, 알루미늄, 스테인레스, FRP 등을 사용할 수 있다
상기 발명의 구성 및 작용에서 언급한 본 발명의 평판형 태양열 집열기는 기존의 평판형 태양열 집열기에 여러 가지 종류의 투명 단열재(7)를 투명덮개(1) 아래에 설치하여 기존의 평판형 태양열 집열기에서 피할수 없이 발생하는 대류에 의한 열손실을 억제할 수 있으므로 기존의 평판형 집열기의 집열성능을 향상시킬수 있는 것이다.
그리고 투명 단열재는 앞서 언급한 대류에 의한 열손실 감소 뿐만 아니라 복사 손실 경감 효과도 있어 일종의 선택흡수 특성을 가지고 있다고 생각할 수 있어 급탕이나, 냉난방과 같은 저온집열 분야외에 내열·내구성에 문제가 있는 경우 또는 복사손실을 아주 작게 할 경우에 사용되는 선택 흡수막 대체품으로 활용할 수 있을 것이다.
한편, 실제로 튜브의 직경이 3.5 mm인 모세관 구조의 투명단열재의 투명성 및 단열성을 조사하기 위하여 튜브의 직경이 3.5 mm인 모세관 구조의 투명단열재를 사용하여 제작한 투명단열 구조체의 총 에너지 투과율(g) 및 열관류율(U-valve)을 측정한 결과, 투과율은 99%, 열관류값은 40 mm의 경우 1.5의 값을 나타내었으므로, 공기층이 20 mm 이상 2중유리의 열관류율(2.5)에 비해 낮은 값을 나타내어 대류억제 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명에 의한 태양열 집열기를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되지 아니함은 당연하다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형과 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 태양광을 받아 내부로 투과시키는 투명덮개(1)와, 그 투과된 태양광이 지나가는 공기층(2)과, 상기의 태양광이 최종적으로 도달하여 태양열로 전환되어 축적되는 집열판(3)과, 그 집열판에 형성된 열전달매체 도관(4)과, 그 뒤편에 설치된 단열재(5)와, 그 뒷면에 형성된 집열기틀(6)로 이루어진 평판형 태양열 집열기에 있어서, 상기의 투명덮개(1)와 집열판(3) 사이에서 공기층(2)의 대류현상을 방지 내지 억제하는 수단(7)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 평판형 태양열 집열기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    공기층의 대류억제수단(7)은 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트 등의 투명한 합성수지, 또는 유리로 구성되는 것을 특징으로 하는 평판형 태양열 집열기
  3. 제 2 항에 있어서,
    공기층의 대류억제수단(7)은 수직적 구조, 수평적 구조, 공동 구조 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 평판형 태양열 집열기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    공기층의 대류억제수단(7)은 두 장의 유리나 투명한 합성수지판 사이에 유리섬유나 실리카 에어로겔 등을 충진하여 사용하는 것을 특징으로 하는 평판형 태양열 집열기.
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