KR20080014810A - 일체형 열 저장체를 구비한 태양열 집전기 - Google Patents

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KR20080014810A
KR20080014810A KR1020077027970A KR20077027970A KR20080014810A KR 20080014810 A KR20080014810 A KR 20080014810A KR 1020077027970 A KR1020077027970 A KR 1020077027970A KR 20077027970 A KR20077027970 A KR 20077027970A KR 20080014810 A KR20080014810 A KR 20080014810A
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안토니우스 베르나더스 스카프
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에콘선 비.브이.
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Abstract

본 발명은 일체형 열 저장체(ICS)를 구비한 태양열 집전기에 관한 것으로서, 나선형 미러(6)와 투명 커버판(3) 사이에 물 저장을 위한 저장 탱크(5)가 구비되고, 상기 저장 탱크(5)에는 광 흡수 핀(17)이 구비된다. 본 발명에 따른 ICS는 저장 탱크(5)의 원주 주변의 하부 말단부(8)에 핀 시스템(9)을 구비하고 있는데, 그 핀 시스템은 저장 탱크(5)의 종 방향으로 적어도 10cm 길이를 가지는 광 흡수 핀을 포함하고 있다. 상기 핀 시스템(9)은 ICS 하부 말단부(8)가 상당 정도 은폐되도록 설계되어 있고, 그 결과 복사 및 공기 대류에 의한 손실을 제한시킬 수 있다. 따라서, 상기 핀 시스템(9)은 두가지의 기능을 하게 된다.
집전기, 태양열, 일체형 열 저장체, 핀 시스템

Description

일체형 열 저장체를 구비한 태양열 집전기{SOLAR COLLECTOR HAVING AN INTEGRATED HEAT STORAGE}
본 발명은 일체형 열 저장체를 구비한 태양열 집전기에 관한 것으로서, 상기 태양열 집전기는 바닥판과 투명 커버판으로 이루어진 하우징을 포함하고, 상기 하우징에서 나선형 미러와 상기 투명 커버판 사이에 물 저장을 위한 저장 탱크가 구비되고, 상기 저장 탱크에는 광 복사 흡수 핀이 구비되어 있는 태양열 집전기에 관한 것이다.
이와 같은 타입의 태양열 집전기는 ICS (일체형 집전기 저장체)로 또한 알려져있고, 예컨대 EP0743495와 같은 종래 기술에 알려져 있는 것이다. 이와 같은 타입의 태양열 집전기는 연장된 형태로 이루어진 하우징을 포함하는데, 그 하우징내에 연장된 저장 탱크가 설치된다. 이와 같은 저장 탱크는 태양열을 흡수하도록 고안되어 있다. 집전율을 증대시키기 위하여, 투명 커버판과 마주 보게 대향하는 나선형 미러가 상기 저장 탱크 아래에 배열 설치되고, 이는 상기 저장 탱크가 또한 바닥으로부터 태양광 복사를 집전 및 흡수하도록 한다. 공지의 태양열 집전기는 또한 미러와 대향되는 측면과 양쪽 말단에 저장 탱크의 길이를 따라 연장되는 핀을 구비함으로써, 태양열 집전율을 증대시킨다. 이와 같은 타입의 태양열 집전기를 이용하여, 저장 탱크내의 물은 가열될 수 있고, 다양한 목적, 종종 가정용으로 사용될 수 있다. 특히, 목욕, 샤워, 설거지 등과 같은 용도로 사용될 수 있다. 실제로, EP0743495에 따른 ICS 저장 탱크의 먼 말단에 위치한 핀은 6cm의 길이를 가진다. 저장 탱크를 따라 길게 연장되고 나선형 미러와 대향하는 핀의 높이는 5cm이다. 상기 핀의 목적은 열 집전율을 증대시키기 위한 것이다. 그러나, 실제로 측정치는 상기 핀이 열 손실에도 기여하고 있다는 놀라운 사실을 보여준다.
ICS 저장 탱크는 가변적인 물 공급 압력에 기인하여 발생될 수 있는 높은 압력을 지탱할 수 있어야만 한다. 따라서, 이와 같은 타입의 저장 탱크는 보다 덜 연장된 형태를 가진다. 그러나, 탱크와 나선형 미러의 투영 면적에 의해 형성되는 ICS 광 흡수 면적은 저장 탱크의 직경에 선형으로 비례하여 증가되는 반면, 저장 탱크의 부피는 직경에 제곱으로 증가하므로, 실제 상당히 연장된 저장 탱크가 여전히 사용된다.
따라서, 본 발명의 목적은 일체형 열 저장체(ICS)를 구비하는 태양열 집전기의 열 집전율을 증대시키는 것에 있다. 또 다른 목적은 직경과 길이의 비율 Rdl 을 종래 기술에 따른 ICS의 비율 보다 더 크게 하여 유사한 열 집전율을 가질 수 있는 ICS을 제공하는 것에 있다.
따라서, 본 발명에 따른 태양열 집전기는 상기 저장 탱크가 하부 말단부 및 상부 말단부를 구비하고, 상기 저장 탱크의 원주 근처에 있는 상기 하부 말단부는 저장 탱크로 열 전달시키도록 장착된 핀 시스템을 구비하고, 상기 핀 시스템은 상기 저장 탱크의 종 방향으로 적어도 10cm의 종방향 구성부를 가지는 광 흡수 핀을 포함하고, 상기 핀 시스템은 그 핀 시스템이 상기 저장 탱크를 관통하는 중심선상에 위치된 하부 말단부의 점 C로부터 상기 점 C를 중심으로 하며 상기 핀 시스템의 외측에 위치된 가상의 단일구(B)상에 투영될 때, (상기 핀 시스템(9)에 의해 ㅇ은폐 되는) 상기 투영된 면적이 상기 가상의 단일구(B) 면적을 적어도 25% 커버하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 저장 탱크의 하부 말단부에 의해 방출되는 복사 또는 상기 핀 시스템에 의해 방출되는 복사는 선택적으로 상기 핀 시스템의 내측면에 대한 추가적인 (선택적 확산) 반사 후, 상기 핀 시스템에 의해 저장 탱크의 하부 말단부에 대하여 반사될 더 높은 가능성을 가지게 된다. 상기 방출된 열 복사는 또한 상기 핀 시스템에 의해 재흡수될 수 있고, 이는 또한 ICS 열에너지 손실의 감소에 기여하게 될 것이다. 상기 핀 면적은 저장 탱크의 종 방향으로 더 큰 길이를 가지고 있기 때문에 더 넓어지고, 선택적으로는 또한 더 큰 반경을 가진 저장 탱크를 사용할 가능성 때문에 더 넓어지게 된다. 상기 핀 면적은 광 에너지를 더 많이 흡수할 수 있도록 해 주는 반면, 상기 핀 시스템은 또한 복사 은폐물로서 기능하여 열 복사가 ICS로부터 새어나가는 것을 방지한다. "가상의 단일구 면적의 25%"라는 표현은 선이 저장 탱크의 하부 말단부의 점(이 점은 저장 탱크을 관통하는 중심선에 위치한다)으로부터 모든 방향으로 그려질 때, 그러한 선의 25%가 핀 시스템을 가로지르게 됨을 의미한다. 예컨대, 상기 핀 시스템은 실린더 형태이다. 엄격히 말해서, "나선형"이란 용어는 수학적으로 정확히 정의되는 곡선을 의미하지만, 본 발명의 범위내에서 그것은 빛을 저장 탱크위로 보내주는 모든 형태를 포함하고, 바람직하게는 오목한 형태, 보다 바람직하게는 광 집중 형태로 이루어진다. 수학적으로 나선형 형태가 가장 바람직하다.
저장 탱크의 종 방향에 놓여진 광 흡수 핀의 길이는 바람직하게 적어도 15cm이고, 보다 바람직하게는 적어도 20cm이다.
이는 보다 많은 빛을 흡수하고, 저장 탱크의 직경과 길이의 비율 Rdl 을 0.15(EP0743495의 예)로부터 0.20 이상, 보다 바람직하게는 0.25 또는 그 이상으로 크게해 주는 것을 가능하게 한다. 그 간접적 이점은 저장 탱크를 더 강하게 해 주고(더 높은 압력을 지탱할 수 있도록 해 주고), 바람직하게는 동일하게 강하면서도 무게가 덜 나가게 설계될 수 있고, 그러한 경우 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 중요한 다른 실시예에 의하면, 상기 핀 시스템은 저장 탱크로부터 멀어지면서 점점 가늘어지게 설계된다.
이와 같은 방식으로 상기 저장 탱크의 하부 말단부를 보다 효과적으로 은폐시켜 열 손실을 제한시키는 효과를 달성할 수 있다. (공기의) 대류에 기인한 손실 또한 제한될 것이다. 후자에 대하여는 상기 핀 시스템은 상기 탱크의 중심선 위쪽에 위치하고 상기 탱크의 상부 측면으로부터 연장되고 그 하부 말단부가 상기 중심선 아래에 놓이는 핀을 포함하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로, 상기 탱크의 하부 말단부에 의해 가열된 상승 공기는 저지될 수 있고, 열 손실도 저지될 수 있다.
바람직한 실시예는 상기 투명 커버판의 측면에 위치한 핀 시스템의 핀이 상기 나선형 미러의 측면에서의 각도 보다 더 둔각이 되도록 상기 중심선과 소정의 각도를 형성한다.
보다 바람직하게는, 상기 나선형 미러의 디자인은 광 손실과 결과적인 집전률 손실을 야기시키지 않으면서도 비교적 간단한 구조로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 있어서, 또한 상기 핀 시스템의 적어도 일부가 나선형 미러의 측면에서 저장 탱크의 중심선과 평행하도록 구성될 수 있다.
매우 흥미로운 실시예는 상기 핀 시스템이 광 흡수 핀을 저장 탱크에 연결시키는 열 전달 파이프를 포함하도록 구성한 것에 기술적 특징이 있다.
보다 바람직한 본 발명의 실시예에 의하면, 이는 저장 탱크내에서 양쪽이 개방된 두개의 말단부를 구비하는 파이프이고, 상기 파이프는 상기 광 흡수 핀과 열 전달되도록 접촉되어 있는 상태로 있다. 상기 파이프의 제1 말단부는 제2 말단부 보다 더 낮게 위치된다. 이 때문에, 광 흡수 핀이 파이프내의 물을 가열할 때, 파이프내에서 유동이 일어나게 되고, 그에 의하여 저장 탱크의 하부로부터 물이 파이프내에서 가열되어 파이프의 제2 말단부를 경유하여 저장 탱크에 저장되게 된다. 이와 같은 효과적인 실시예 덕분에, 상기 저장 탱크의 직경과 길이의 비율 Rdl 은 상당히 증대될 수 있는데, 예컨대 0.15(EP0743495의 실시예)로부터 0.30 또는 그 이상이거나 또는 0.35 또는 그 이상, 바람직하게는 0.50 또는 그 이상이다. 태양열 복사가 없을 경우 이와 같은 유동은 멈추게 될 것이고, 이는 열 손실을 제한시키게 될 것이다. 상기 열 전달 파이프, 예컨대 파이프가 핀 시스템내에 위치될 경우, 모든 열 손실은 본 발명에 따른 핀 시스템에 의해 또한 제한될 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 열 전달 파이프는 히트파이프이다.
이와 같은 히트파이프를 사용함으로써, 열은 또는 핀 시스템으로부터 저장 탱크쪽으로 효과적으로 전달될 수 있고, 이는 전술한 파이프를 구비한 실시예와 동일한 장점을 가지게 된다.
바람직한 실시예에 의하면, 점을 그 중심으로 하는 단일구의 가상 면적의 적어도 30% 및 보다 바람직하게는 적어도 35%가 상기 핀 시스템에 의해 커버되어진다.
따라서, 저장 탱크의 하부 말단부를 통한 에너지 손실을 보다 효과적인 방식으로 막을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열 집전기의 평면도이다.
도 2는 도 1의 태양열 집전기에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 도 1의 태양열 집전기에서 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 1의 태양열 집전기에서 핀 시스템이 구비된 저장 탱크에 대한 스키매틱 뷰이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 태양열 집전기의 변형 실시예를 도 3과 같은 단면도로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명은 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열 집전기(1)의 평면도이다. 태양열 집전기(1)는 투명 아크릴 유리(Perspex:상표명)로 적당히 제조되는 투명 커버판(3)과 바닥판(4)으로 이루어진 하우징(2)을 포함한다. (도2 및 도3 참조) 하우징(2)내에 저장 탱크(5)가 위치하게 된다. 동작 동안에 상기 저장 탱크(5)는 태양열 복사에 의해 직접 가열되고, 효율적으로 태양열을 흡수할 수 있도록 흡수층(도시되지 않음)이 구비된다. 흡수층은 예컨대 열을 거의 방사하지 않는 스펙트럼 선택성 코팅이다. 이와 같은 타입의 코팅은 DE4433863호에 공지되어 있다. 태양열 집전률을 증대시키기 위하여, 태양열 집전기(1)는 또한 미러(6), 바람직하게는 나선형 미러(6)를 포함한다. 상기 나선형 미러(6)는 태양광을 집중시키고, 그 집중된 태양광을 저장 탱크(5) 및 그 바닥쪽으로 반사시킨다.
실제로, 태양열 집전기(1)는 저장 탱크(5)가 경사지게 위치되도록 설치될 것이다. 태양열 집전기(1)가 바닥면 또는 편평한 지붕(도 3 및 도 5 내지 도7 참조) 같은 곳에 설치될 경우, 다리부(7)(도 3 참조)가 구비되어야 할 것이다. 또한, 태양열 집전기(1)를 작은 벽과 같이 높은 곳 위 말단에 설치하는 것도 가능할 것이다. 태양열 집전기(1)는 집의 경사진 지붕 위에도 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 집전기(1)는 저장 탱크(5)가 경사진 위치에 있도록 설치할 때, 증대된 태양열 집전률을 얻을 수 있다. (열대 지방 이외의 지역에서) 태양열 복사의 우수한 흡수율을 얻기 위하여, 저장 탱크(5)내에 덜 뜨거운 물 상측 에 뜨거운 물의 층을 형성하여 효율을 증대시킬 수 있다.
저장 탱크(5)에 물을 주입하고 그 물을 다시 방출시키기 위하여, 주입 파이프(15)와 방출 파이프(16)가 구비된다. 방출 파이프(16)의 입구는 주입 파이프(15)의 입구 보다 더 높이 배치되어, 결과적으로는 층의 구조 때문에 상대적으로 뜨거운 물이 방출 파이프(16)를 통하여 배출될 것이다.
본 발명에 따르면, 저장 탱크(5)는 열을 저장 탱크(5)로 전달하도록 설계된 광 흡수 핀(17)을 포함하는 핀 시스템(9)을 구비하는데, 그 핀 시스템(9)은 저장 탱크(5)의 제1 말단부(8)에 구비되어 있다. 실제로 태양열 집전기(1)는 집전률을 증대시키기 위하여 경사진 위치에 통상 장착될 것이기 때문에, 상기 제1 말단부(8)는 하부 말단이 될 것이다. 상기 핀 시스템(9)의 핀(17)은 상기 저장 탱크(5)의 종 방향으로 측정하여 적어도 10cm의 길이를 가지지만, 바람직하게는 상기 핀(17)은 더 길다. 상기 핀 시스템(9)의 핀은 저장 탱크(5)의 하부 말단을 태양열 복사로부터 은폐시킨다. 따라서, 저장 탱크(5)의 하부 말단으로부터의 방사에 의한 열 손실은 제한되고, 이에 반하여 열 집전율이 증대된다. 이와 같은 방식으로, 상기 핀 시스템(9)의 핀(17)은 본 발명에 따른 태양열 집전기(1)의 열 집전율을 증대시킴에 있어서 두가지 기능을 하게 된다.
도 4는 저장 탱크(5)와 저장 탱크의 제1 말단부(8)를 지나는 중심선이 상기 핀 시스템(9) 외측에 위치된 가상구(B)의 중심인 점 C를 정의함을 나타낸다. 상기 핀 시스템(9)이 상기 정의된 점으로부터 상기 가상구(B)상에 투영될 때, 가상구(B) 면적의 적어도 25%가 커버되어진다. 상기 저장 탱크(5)의 제1 말단부(8)에 의해 전달되는 태양열 복사는 상기 핀 시스템(9)의 방향으로 대부분 전달되기 때문에, 이와 같은 복사가 상기 핀 시스템(9)에 의해 흡수된 다음, 상기 저장 탱크(5)측으로 다시 전달될 가능성이 있다. 또한, 상기 열 복사는 확산(광 산란) 반사에 의해 상기 저장 탱크(5)로 반사될 가능성이 있다. 상기 핀 시스템(9)이 점점 가늘어지는 형태(도 5 내지 도 7 참조)를 가질 때, 열 복사는 비-흡수 반사에 의해 상기 저장 탱크(5)의 제1 말단부(8)쪽으로 다시 반사될 가능성도 있다. 기계 공학자 및 기술 도안가에게 폐를 끼쳐 죄송하오나, 상기 핀 시스템(9)의 제1 말단부(8)로부터 멀어지는 말단에 뷰 라인이 남겨져 있는데, 이는 여기서 설명되는 상기 핀 시스템(9)이 비록 밀폐될 수도 있을지라도 그 말단쪽에서 개방되어 있음을 명확히 하기 위함이다.
본 발명에 따른 상기 핀 시스템(9)은 열 집전율을 증대시키기 위한 열 전달 시스템(10)을 구비할 수 있다. 보다 용이하게 이해할 수 있도록 실시예(도 6 참조)를 참조하면, 열 전달 시스템(10)은 제1 파이프 말단(12) 및 제2 파이프 말단(13)을 구비하는 파이프(11)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 상기 제2 파이프 말단(13)이 상기 제1 파이프 말단(12) 보다 더 높게 위치되어 있다는 것이 중요하다. 상기 핀 시스템(9)의 핀(17)이 가열될 때, 파이프(11)내의 물이 가열될 것이고, 상기 제2 파이프 말단(13)을 통하여 대류에 의해 상기 저장 탱크(5)내에 저장될 것이다. 상대적으로 더 차가운 물은 상기 제1 파이프 말단(12)을 통하여 상기 파이프(11)에 주입된다. 상기 핀 시스템(9)에서 태양열 복사가 불충분할 경우, 상기 파이프(11)을 통한 물의 대류는 중단될 것이고, 따라서 열 손실을 피할 수 있을 것이다. 상기 핀 시스템(9) 덕분에, 상기 파이프(11)로부터의 열 복사는 반드시 열 손실을 야기하지 않을 것이다. 물이 상기 저장 탱크(5)로부터 흐르도록 상기 저장 탱크(5)에 연결된 파이프(11) 대신에, 히트파이프(14)(도 7 참조)가 또한 사용될 수 있고, 히트파이프(14)는 동일한 기능을 하고 상기 파이프(11)에 대하여 기술된 것과 같은 이점을 가지고 있다.

Claims (7)

  1. 일체형 열 저장체(5)를 구비한 태양열 집전기로서, 바닥판(4)과 투명 커버판(3)으로 이루어진 하우징(2)을 포함하고, 상기 하우징(2)에서 나선형 미러(6)와 상기 투명 커버판(3) 사이에 물 저장을 위한 저장 탱크(5)가 구비되고, 상기 저장 탱크에는 광 흡수 핀(17)이 구비되어 있는 태양열 집전기에 있어서,
    상기 저장 탱크는 하부 말단부(8) 및 상부 말단부를 구비하고, 상기 저장 탱크(5)의 원주 근처에 있는 상기 하부 말단부(8)는 저장 탱크(5)로 열 전달시키도록 장착된 핀 시스템(9)을 구비하고, 상기 핀 시스템은 상기 저장 탱크(5)의 종 방향으로 적어도 10cm의 종방향 구성부를 가지는 광 흡수 핀(17)을 포함하고, 상기 핀 시스템(9)은 그 핀 시스템(9)이 상기 저장 탱크(5)를 관통하는 중심선상에 위치된 하부 말단부(8)의 점 C로부터 상기 점 C를 중심으로 하며 상기 핀 시스템(9)의 외측에 위치된 가상의 단일구(B)상에 투영될 때, (상기 핀 시스템(9)에 의해 은폐 되는) 상기 투영된 면적이 상기 가상의 단일구(B) 면적을 적어도 25% 커버하도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양열 집전기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 저장 탱크(5)의 종 방향으로 위치한 상기 광 흡수 핀(17)의 길이는 적어도 15cm이며, 바람직하게는 적어도 20cm인 것을 특징으로 하는 태양열 집전기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 핀 시스템(9)은 상기 저장 탱크(5)로부터 멀이지면서 점점 가늘어지도록 설계된 것을 특징으로 하는 태양열 집전기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 투명 커버판(3)의 측면에 위치한 상기 핀 시스템(9)의 상기 핀(17)이 상기 나선형 미러(6)의 측면에서의 각도 보다 더 둔각이 되도록 상기 중심선과 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 태양열 집전기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀 시스템(9)은 상기 광 흡수 핀(17)을 상기 저장 탱크(5)에 연결시키는 열전달용 파이프(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 집전기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 열전달용 파이프(1)는 히트파이프(14)인 것을 특징으로 하는 태양열 집전기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 점 C를 중심으로 하는 단일구(B)의 가상 면적의 적어도 30% 및 보다 바람직하게는 적어도 35%가 상기 핀 시스템(9)에 의해 커버되어지는 것을 특징으로 하는 태양열 집전기.
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