KR200275307Y1 - 혼합형 진공관식 태양열 집열관 - Google Patents

Abstract

본 고안은 태양열을 이용하여 온수, 난방수 및 산업용 공정수를 발생시키는 진공관식 태양열 집열기에 관한 것으로, 종래의 흡열형의 흡열판과 집광형의 반사판을 열매체의 온도특성을 고려하여 진공관 내부에 혼합 구성함으로서 효율적으로 흡열량과 고온 생성을 용이하게 한 흡열형과 집광형을 혼합 적용한 혼합형 진공관식 태양열 집열관에 관한 것이다.

Description

혼합형 진공관식 태양열 집열관{composite evacuated-tube solar collector}

본 고안은 태양열을 이용하여 온수, 난방수 및 산업용 공정수를 발생시키는 진공관식 태양열 집열기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 효율적으로 흡열량과 고온 생성을 용이하게 한 흡열형과 집광형을 혼합 적용한 혼합형 진공관식 태양열 집열관에 관한 것이다.

진공관식 태양열 집열관은 태양열을 흡수하는 흡열체를 유리용기 내부에 장착하고 유리용기 내부공간을 진공단열함으로서 흡열체 주위 공기의 대류열전달에 의한 열손실을 최소화하여 고온 집열이 가능하도록 한 것이다.

상기 진공관식 태양열 집열관은 상기 흡열체로 흡열판을 사용하여 태양열을 흡열하는 흡열형 진공관식 태양열 집열관과 반사판을 사용하여 태양열을 고온으로 집열하는 집광형 진공관식 태양열 집열관으로 구분된다.

상기 흡열형 진공관식 태양열 집열관의 주요 구성은 태양광을 통과시키고 내부를 진공상태로 유지시키는 통상 투명한 유리재질의 진공관(이하 진공관이라 함.) 의 내부 공간에 흡열판과 열매체가 유동할 수 있도록 내부통로를 갖는 열매체관(이하 열매체관이라 함.)을 결합 구성하고 상기 열매체관의 양단에 상기 진공관의 측면을 관통하여 외부로 돌출되고 외주부가 진공관과 접합된 입구관과 출구관을 구성하고 상기 진공관 내부를 진공으로 만들어 구성된다.

상기 집광형 진공관식 태양열 집열관의 주요 구성은 태양광을 통과시키고 내부를 진공상태로 유지시키는 통상 투명한 유리재질의 진공관의 내부 공간에 태양열을 일정지점으로 반사하여 집열할 수 있도록 대략 반원통형의 반사판과 상기 태양열이 집열되는 위치에 열매체관을 설치하고 상기 열매체관의 양단에 상기 진공관의 측면을 관통하여 외부로 돌출되고 외주부가 진공관과 접합된 입구관과 출구관을 구성하고 상기 진공관 내부를 진공으로 만들어 구성된다.

상기 흡열형 진공관식 태양열 집열관의 작동원리는 진공관을 투과한 태양열이 흡열판 표면에 도달하여 흡열된 후 열매체관으로 열전도되고 열매체관 내부를 유동하는 열매체로 대류열전달되어 상기 열매체를 고온으로 만들어 외부로 토출시킴으로서 태양열을 이용하여 고온의 온수, 난방수, 산업용 공정수를 생성하게 하는 것이다.

상기 집광형 진공관식 태양열 집열관의 작동원리는 진공관을 투과한 태양열이 반사판에 도달되어 일정 지점으로 반사되어 고온으로 집열되고 상기 일정 위치에 배치된 열매체관으로 흡열된 후 열매체관 내부를 유동하는 열매체로 대류열전달되어 상기 열매체를 고온으로 만들어 외부로 토출시킴으로서 태양열을 이용하여 고온의 온수, 난방수, 산업용 공정수를 생성하게 하는 것이다.

상기 진공관식 태양열 집열관에서 집광형은 흡열형보다 고온생성이 용이하고 흡열형은 집광형보다 흡열량이 우수하다고 알려져 있다.

종래기술에서는 흡열형과 집광형을 단독으로 사용함으로서 흡열형 진공관식 태양열 집열관은 흡열량은 많으나 유입되는 열매체의 온도가 일정온도(대략 섭씨 60도) 이상에서는 흡열효율이 급격히 저하되어 고온생성에 문제가 있으며, 집광형 진공관식 태양열 집열관은 고온생성은 유리하나 흡열량이 적어 반사판을 크게 하여야 하는 문제점이 있어 실용에 많은 제약이 있었다.

본 고안의 목적은 상기한 바와같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 흡열형의 흡열판과 집광형의 반사판을 열매체의 온도특성을 고려하여 진공관 내부에 혼합 구성함으로서 태양열의 흡열량이 많으면서 고온생성을 용이하게 한 혼합형 진공관식 태양열 집열관을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 기술적 과제는 진공관 내부공간에 입구관과 출구관에 일체로 연결되는 열매체관을 입구관 측의 저온부와 출구관 측의 고온부로 구획하여 저온부의 열매체관에는 흡열판을 접합 구성하고 고온부의 열매체관 주위에는 반사판을 구성함으로서 집열온도가 낮은 흡열판에 의한 집열은 저온의 열매체와 열교환하도록 하고 집열온도가 높은 반사판에 의한 집열은 고온의 열매체와 열교환하도록 하여 흡열량과 고온생성을 증대시킨 혼합형 진공관식 태양열 집열관을 제공한다.

도 1은 본 고안의 사시도.

도 2는 도 1의 저온부의 확대 단면도.

도 3은 도 1의 고온부의 확대 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1;진공관 2;입구관

3;출구관 4,4';접합부

5;열매체관 6;흡열판

7;반사판 8;배기구

9;흡착재 20;저온부

21;고온부

상기와 같은 목적달성을 위한 본 고안의 특징에 따르면, 태양광을 투과할 수 있는 투명한 재질로 원통형의 외관을 형성하고 내부 공동을 갖으며 원통 길이방향으로 양단에 접합부를 구비한 진공관과, 상기 진공관의 일단의 접합부에 외주부가 접합되고 일정길이 진공관 외부로 돌출되고 내부에는 통로를 갖는 입구관과, 상기 진공관의 다른 일단의 접합부에 외주부가 접합되고 일정길이 진공관 외부로 돌출되고 내부에는 통로를 갖는 출구관과, 상기 진공관 내부 공동에 구비되고 상기 입구관과 상기 출구관에 일체로 연결되고 내부에는 열매체가 유동할 수 있도록 통로를 갖는 열매체관과, 상기 열매체관을 길이방향으로 입구관 측의 저온부와 출구관 측의 고온부로 구획하여 상기 저온부의 열매체관과 길이방향으로 접합 구성되고 박막 소재로 대략 반원통형으로 태양광 입사방향에서 보아 볼록하고 입사된 태양열을 흡열하는 흡열판과, 상기 진공관 내부 공동의 상기 고온부에 구비되고 태양광 입사방향에서 보아 오목한 대략 반원통형상으로 상기 고온부의 열매체관으로 입사광을 반사시켜 모우게 하는 박막 소재로 된 반사판과, 상기 열매체관과 상기 흡열판의 흡열효과를 증진시키기 위하여 외부 표면에 코팅된 태양복사중 열에너지가 높은 파장대는 흡열하고 그외의 파장대는 반사하는 기능을 갖는 선택적 흡수막(이하 선택적 흡수막이라 함.)과, 상기 진공관의 외부 일측에 구비되고 진공배기후 밀봉되는 배기구와, 상기 진공관 내부를 지속적으로 진공유지가 되도록 진공관의 내주면에 얇게 부착된 흡착재로 구성된다.

상기 반사판은 상기 고온부의 열매체관과 접합 구성하여 반사판에 일부 흡열된 열을 이용하거나 비접합 구성하여 접합공정을 생략함으로서 생산성을 향상시키는 구성이 모두 가능하다.

이러한 구성을 갖는 본 고안에 의한 혼합형 진공관식 태양열 집열관에 의하면, 열매체관 내부를 유동하는 열매체의 온도 상승 특성을 고려하여 저온부에는 흡열량이 많은 흡열판에 의해 열변환하고, 온도가 상승된 고온부에서는 집열온도가 높은 반사판에 의해 열변환하여 효율적인 고온발생과 더불어 흡열량을 증대시키게 된다.

이하 상기한 바와같은 구성을 가지는 본 고안에 의한 혼합형 진공관식 태양열 집열관의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시한 바에 의하면, 투명한 원통형의 외관을 형성하고 내부 공동을 갖으며 길이방향으로 양단에 돌출된 접합부(4,4')를 구비한 진공관(1)에서 상기 일단의 접합부(4)와 외주부가 접합되고 일정길이 진공관(1) 외부로 돌출되고 내부에는 열매체가 유입되는 통로를 갖는 입구관(2)과 상기 다른 일단의 접합부(4')와 외주부가 접합되고 일정길이 진공관(1) 외부로 돌출되고 내부에는 열매체가 유출되는 통로를 갖는 출구관(3)이 설치된다.

열매체관(5)은 상기 진공관(1) 내부 공동에 구성되고 상기 입구관(2)과 상기 출구관(3)과 일체로 연결 구성되고 내부에는 열매체가 유동할 수 있도록 통로가 형성되어 있다. 상기 입구관(2)과 상기 열매체관(5)과 상기 출구관(3)은 하나의 관소재를 사용하는 것이 생산성 향상면에서 유리하고, 상기 관소재는 통상 열전도계수가 우수한 동관을 사용하는 것이 바람직하나 특별한 제약이 따르는 것은 아니고 열전도가 우수하고 내압과 고온특성이 우수한 재질이면 사용할 수 있다. 열매체는 상기 입구관(2)의 내부통로를 통해 유입되고 상기 열매체관(5) 내부를 지나 상기 출구관(3)의 내부 통로를 통해 외부로 토출된다.

상기 열매체관(5)의 내부를 유동하는 열매체는 태양열에 의해 가온되어 입구관(2)에서 출구관(3) 방향으로 온도가 상승되는 특성을 갖으므로 구간을 정하여 입구관(2) 측의 저온부(20)과 출구관(3) 측의 고온부(21)로 구획한다. 상기 구획은 태양복사에너지 입사량과 열매체의 유량과 사용 온도조건에 따라 결정하게 된다. 상기 저온부(20) 구간에는 흡열판(6)을 구성하고 상기 고온부(21) 구간에는 반사판(7)을 구성한다.

상기 흡열판(6)은 박막소재를 구부려 내부가 빈 대략 반원통 형상을 갖고 태양광 입사방향에서 보아 볼록면이 앞쪽으로 향하도록 배치하고 중앙부 길이방향으로는 상기 열매체관(5)과 접합하여 구성된다. 상기의 접합방법은 도 2(a)에 도시한바와같이 별도의 홈형성없이 안착하여 접합할 수 있고, 도 2(b)와 같이 태양광 입사방향에서 보아 오목하게 홈을 형성하고 상기 홈에 상기 열매체관(5)을 안착하여 접합할 수 있고, 도 2(c)와 같이 태양광 입사방향에서 보아 볼록하게 홈을 구성하여 접합할 수 있다.

상기 반사판(7)은 태양광의 반사특성이 우수한 박막소재를 구부려 내부가 빈 대략 반원통 형상으로 구성하고 태양광 입사방향에서 보아 오목면이 앞쪽으로 향하도록 상기 진공관(1) 내부 공동의 상기 고온부(21)에 배치된다. 상기 반사판(7)은 입사된 태양광을 일정 지점으로 반사하여 집중하므로서 집열온도를 상승시키는 기능을 하는 것으로 상기 일정 지점에는 상기 고온부(21)의 열매체관(5)이 놓이게 된다. 상기 반사판(7)과 상기 고온부(21)의 열매체관(5)의 배치는 도 3(a)에서 도시한 바와같이 결합되지 않고 구성되거나 도 3(b)와 같이 반사판(7)의 중앙부 길이방향으로 홈을 형성하고 상기 홈에 열매체관(5)을 안착하여 접합 구성되게 된다. 도 3(a)의 구성은 접합공정을 생략할 수 있는 이점이 있고, 도 3(b)의 구성은 반사판(7)에 흡열된 소량의 태양열을 이용할 수 있는 이점이 있게 된다.

상기 열매체관(5)과 상기 흡열판(6)의 표면은 흑크롬, 흑도료, cermet 등의 선택적 흡수막 역활을 하는 재질로 얇게 코팅하여 집열효율을 향상시킨다.

상기 진공관(1) 내부 공동은 상기 접합부(4,4')와 상기 입구관(2)과 상기 출구관(3)의 외주부 접합에 의해 밀폐공간을 형성하게 되고 진공으로 만들어 단열특성을 증대시켜 흡열된 태양열이 외부로 방출되는 것을 최소화하기 위하여 진공배기후 밀봉되는 배기구(8)를 상기 진공관(1)의 일측면에 구성한다.

또한, 상기 진공관(1) 내부 공동의 진공유지를 원활하기 위하여 태양광 입사방향에서 보아 뒤쪽 진공관(1)의 내주면에 흡착재(9)를 부착한다.

본 고안의 작동원리는 입구관(2)를 통해 유입된 열매체는 저온부(20)의 흡열판(6)에 의해 흡열된 태양열에 의해 가온되고 온도 상승된 열매체는 고온부(21)의 반사판(7)에 의해 열매체관(5)으로 반사되어 고온 집열된 열에 의해 더욱 가온되어 출구관(3)을 통해 외부로 토출된다.

본 고안의 적용예로서 도시하지는 않았지만 다수의 본 고안의 혼합형 진공관식 태양열 집열관을 다수 병렬로 배치하고 입구관(2)과 출구관(3)을 각각의 입구 헤더와 출구헤더에 연결하여 태양열 집열기를 구성하여 사용한다. 이때의 혼합형 진공관식 태양열 집열관의 사용갯수는 요구되는 열용량을 고려하여 결정한다.

지금까지 설명한 실시예의 본 고안의 혼합형 진공관식 태양열 집열관에서 도시하지는 않았지만 흡열판(6)을 반 원통형상이 아닌 평판형상으로도 손쉽게 변형이 가능하고 태양광 입사방향에서 보아 오목면이 앞쪽으로 배치하는 구성이 가능하다. 이러한 형상 및 배치의 변형은 특별한 지식이 없어도 손쉽게 가능하다.

그러므로, 본 고안의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 상기 실시예의 변형과 개작은 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 손쉽게 가능하므로, 본 고안의 권리는 위에서 설명된 실시예와 적용예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의된다.

이상과 같은 본 고안의 혼합형 진공관식 태양열 집열관은 열매체관(5) 내부를 유동하는 열매체의 온도 상승 특성을 고려하여 저온부(20)과 고온부(21)로 구획하고 저온부는 흡열량이 많은 흡열판(6)에 의해 가온하고 열매체의 온도가 상승된 고온부(21)에서는 집열온도가 높은 반사판(7)에 의해 집열하여 가온함으로서 효율적인 고온발생과 더불어 흡열량을 증대시키는 효과가 있어 민수용은 물론 산업용으로서의 적용이 가능하다.

Claims (1)

1. 태양광을 투과할 수 있는 투명한 재질로 원통형의 외관을 형성하고 내부 공동을 갖으며 원통 길이방향으로 양단에 접합부(4,4')를 구비한 진공관(1)과, 상기 진공관의 일단의 접합부(4)에 외주부가 접합되고 일정길이 상기 진공관(1) 외부로 돌출되고 내부에는 통로를 갖는 입구관(2)과, 상기 진공관(1)의 다른 일단의 접합부(4')에 외주부가 접합되고 일정길이 상기 진공관(1) 외부로 돌출되고 내부에는 통로를 갖는 출구관(3)과, 상기 진공관(1) 내부 공동에 구비되고 상기 입구관(2)과 상기 출구관(3)에 일체로 연결되고 내부에는 열매체가 유동할 수 있도록 통로를 갖는 열매체관(5)과, 상기 열매체관(5)을 길이방향으로 입구관(2) 측의 저온부(20)와 출구관(3) 측의 고온부(21)로 구획하여 상기 저온부(20)의 열매체관(5)과 길이방향으로 접합 구성되고 태양열을 흡열하는 흡열판(6)과, 상기 진공관(1) 내부 공동의 고온부(22)에 구비되고 태양광 입사방향에서 보아 오목한 대략 반원통형상이고 상기 고온부(22)의 열매체관(5)으로 입사광을 반사시켜 모우게 하는 박막 소재로 된 반사판(7)과, 상기 열매체관(5)과 상기 흡열판(6)의 흡열효과를 증진시키기 위하여 외부 표면에 코팅된 선택적 흡수막과, 상기 진공관(1)의 외부 일측에 구비되고 진공배기후 밀봉되는 배기구(8)와, 상기 진공관(1) 내부를 지속적으로 진공유지가 되도록 진공관의 내주면에 얇게 부착된 흡착재(9)로 구성된 것을 특징으로하는 혼합형 진공관식 태양열 집열관.