KR20120040505A - 태양열을 이용한 가온 보온 메탄가스 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가온 보온 메탄가스 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양열을 이용하여 가온 및 보온 처리가 가능한 메탄가스 발생 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 메탄가스 발생 장치는, 지중에 매설되며 상부는 개구되고 내부 하측에는 투입된 원료가 수용되며, 내부 상측에는 수용된 원료를 발효하여 메탄가스를 발생시키는 메탄가스발생기가 구비되고, 일측 하부에는 원료를 투입하기 위한 원료투입구가 구비되고, 타측 하부에는 발효 완료된 원료를 배출하기 위한 원료배출구가 구비된 발생조와; 상기 발생조의 상부 개구를 막아 발생조로부터 열이 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 보온커버와; 상기 발생조 내부를 가열하기 위하여 온수를 공급 및 순환시키기 위한 온수순환수단과; 태양열을 포집하여 상기 발생조 내부를 가열하기 위해 공급 및 순환되는 온수의 생성을 위한 열에너지를 제공하는 태양열집열기를 포함한다.

Description

태양열을 이용한 가온 보온 메탄가스 발생 장치{APPARATUS FOR GENERATING METHANE GAS HAVING FUNCTION OF TEMPERATURE INCREASE AND HEAT PRESERVATION USING SOLAR HEAT}
본 발명은 가온 보온 메탄가스 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양열을 이용하여 가온 및 보온 처리가 가능한 메탄가스 발생 장치에 관한 것이다.
메탄가스 발효는 바이오매스 에너지원을 이용하는 제일 광범위한 형식이고 농어촌 메탄가스 발생조 건설은 생태환경을 보호하고, 농어민들의 수입을 증가시키며, 생활품질을 제고시킬 수 있다. 메탄가스 발효 중 가스생산율이 높은 계절은 주로 기온이 비교적 높은 여름과 가을철이로서 기본적으로 사용자들의 에너지 사용 욕구를 충족시킬 수 있다. 그러나, 겨울철에는 기온이 낮기 때문에 메탄가스의 생산율이 비교적 낮고, 특히, 겨울철 기후가 습하고 차가운 지역에서는 메탄가스가 거의 생성되지 않거나 가스생성량이 매우 적어 사용자의 일상 에너지 사용 요구를 충족시킬 수 없으므로 메탄가스 발생조의 겨울철 발효온도를 제고시켜 주는 것이 매우 중요하다.
현존의 메탄가스 발생조는 비닐로 덮거나 메탄가스 발생조 위에 일광온실을 세워 가축분변 등 열성원료(熱性原料)를 증가시키며 발효물 농도를 높이는 등 가온 및 보온 조치를 취하는 방식으로 비교적 단순하여 가온 및 보온 효과가 이상적이지 못하고, 겨울철 메탄가스 발생조의 정상적인 가스생산 요구를 만족시킬 수 없다. 그리고, 현재 많은 학자들이 저온발효균제 배양연구를 하고는 있으나 진도가 느려 널리 보급 응용함에 있어 한계가 있다. 또 한편으로는 특수한 메탄가스 발생 장치의 발생조 구조와, 구축재료 및 메탄가스 발생조 정원(庭園)세트로 된 시설 등을 착안하여 메탄가스 발생조의 자체 보온능력 강화 및 원료가 발생조 내에서 머무르는 시간을 연장시킴으로써 겨울철 가스생산율을 제고시키고자 하는 노력이 있어 왔으나, 이러한 방법 또한 보온능력만을 강화하는데 그치므로 겨울철 습하고 냉한 상황 하에서는 이상적인 효과를 나타내지 못하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 메탄가스 발생조의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 메탄가스 발효 재료의 온도 및 주변 온도를 높이고 보온 유지함으로써 겨울철이나 기후가 습하고 냉한 지역에서 가스생산율을 상승시킬 수 있는 메탄가스 발생조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 메탄가스 발생 장치는, 지중에 매설되며 상부는 개구되고 내부 하측에는 투입된 원료가 수용되며, 내부 상측에는 수용된 원료를 발효하여 메탄가스를 발생시키는 메탄가스발생기가 구비되고, 일측 하부에는 원료를 투입하기 위한 원료투입구가 구비되고, 타측 하부에는 발효 완료된 원료를 배출하기 위한 원료배출구가 구비된 발생조와; 상기 발생조의 상부 개구를 막아 발생조로부터 열이 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 보온커버와; 상기 발생조 내부를 가열하기 위하여 온수를 공급 및 순환시키기 위한 온수순환수단과; 태양열을 포집하여 상기 발생조 내부를 가열하기 위해 공급 및 순환되는 온수의 생성을 위한 열에너지를 제공하는 태양열집열기를 포함한다.
여기서, 상기 발생조에는 상기 원료투입구를 둘러싸며 내부에 일정한 양의 원료가 임시 저장될 수 있도록 수용공간이 구비된 벽체로 구성되며, 상부가 개구되고 하부는 하측으로 갈수록 좁아지도록 경사지게 형성되는 원료투입실과; 상기 원료배출구를 둘러싸며 내부에 일정한 양의 발효 완료된 원료가 일시 저장될 수 있도록 수용공간이 구비된 벽체로 구성되며, 상부가 개구된 원료배출실이 구비되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 발생조의 바닥과 벽 내부표면에는 보온재가 추가로 구비되는 것이 바람직하며, 상기 보온커버는 투명 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 온수순환수단은, 발생조 내부를 순환하여 가열하기 위한 물이 저장되는 물탱크와; 상기 물탱크와 연결되고 발생조의 일측벽을 관통하여 설치된 입수관과; 상기 입수관에 연결되고, 발생조의 내측에 설치되어 입수관으로부터 투입된 온수가 발생조 내측에서 열교환을 통하여 발생조 내부 및 원료를 가열시키기 위한 열교환관과; 일단이 상기 열교환관의 말단에 연결되고 타단이 상기 물탱크에 연결되어, 열교환관에서 열교환이 완료된 물이 물탱크로 회수되도록 구비된 출수관과; 상기 출수관에 구비되어 열교환이 완료된 물을 물탱크로 펌핑하기 위한 순환펌프를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 출수관에는 온수의 순환을 단속하기 위한 제어밸브가 구비되며, 상기 제어밸브와 순환펌프는 상호 연동되어, 제어밸브를 여는 경우 순환펌프가 작동되고, 제어밸브를 닫는 경우 순환펌프가 정지되도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 태양열 집열 시스템과 온수 순환 시스템을 이용하여 메탄가스 발생조 내의 발효 원료를 가열하여 발효온도를 높이고, 동시에 메탄가스 발생조 상부에 이중 비닐커버를 씌워 태양열을 충분히 흡수토록 함으로써 온실효과에 따른 보온 효과를 달성할 수 있어, 겨울철이나 기후가 습하고 냉한 지역에서의 가스생산율을 높일 수 있으며, 별도의 화석에너지를 사용하지 않고 태양열을 이용함으로써 에너지 절감 및 탄소 배출량 감소 효과를 달성할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 메탄가스 발생 장치의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탄가스 발생 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 메탄가스 발생 장치는, 발생조와 온수순환수단 및 태양열집열기를 포함한다.
상기 발생조는 원료를 공급받아 발효시킴으로써 메탄가스를 발생시키는 조로서, 지중에 매설되며, 원통형 또는 육면체 형상으로 구성되되, 상부는 개구되고 내부 하측에는 투입된 원료가 수용되며, 내부 상측에는 상기 수용된 원료를 발효하여 메탄가스를 발생시키는 메탄가스발생기가 구비된다. 그리고, 발생조의 일측 하부에는 원료를 투입하기 위한 원료투입구가 구비되고, 타측 하부에는 발효 완료된 원료 찌꺼기를 배출하기 위한 원료배출구가 구비된다.
상기 원료투입구와 원료배출구에는 대체로 원료의 공급 및 배출을 위한 관체가 연결될 수도 있으나, 원료의 투입 및 배출 주기가 비교적 길기 때문에, 관체가 연결되는 것 보다는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 일정량의 원료를 임시 저장할 수 있는 공간으로 원료투입실과 원료배출실이 구비되는 것이 바람직하다.
상기 원료투입실은 발생조의 원료투입구를 둘러싸며 내부에 일정한 양의 원료가 임시 저장될 수 있도록 수용공간이 구비된 벽체로 구성되며, 원료 투입이 용하도록 상부가 개구되고, 하부는 원료투입구로 원료가 모이도록 하측으로 갈수록 좁아지도록 경사지게 형성되어, 대체로 깔때기 형상으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 원료배출실은 발생조의 원료배출구를 둘러싸며 내부에 일정한 양의 발효 완료된 원료가 일시 저장될 수 있도록 수용공간이 구비된 벽체로 구성되며, 펌프 또는 기타 도구를 이용하여 발효 완료된 원료를 배출시킬 수 있도록 상부가 개구되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 원료배출실의 외벽 최하측에는 원료 찌꺼기가 배출될 수 있도록 찌꺼기배출구가 구비되며, 외벽 상측에는 오버플로우포트가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 발생조의 상부 개구에는 보온커버가 씌워진다. 상기 보온커버는 발생조의 상부 개구를 막아 발생조로부터 열이 외부로 유출되는 것을 방지함으로써 보온 작용을 수행하기 위한 것으로, 발생조의 열손실을 방지할 수 있다면 그 재질에는 특별한 제한이 없으나, 보온 효과를 달성함과 동시에 태양열을 투과시켜 온실효과를 이용 가온 효과까지 달성할 수 있도록 투명한 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 보온커버는 투명한 아크릴이나 렉산 소재로 구성될 수도 있고, 바람직하게는, 통상적인 비닐하우스에 사용되는 비닐소재로 구성될 수도 있으며, 견고함을 위하여 이중 비닐로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 발생조의 보온 효과를 높이기 위하여, 상기 발생조의 바닥과 벽 내부표면에는 스티로폴 또는 볏집과 같은 보온재가 추가로 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 메탄가스 발생 장치는 발생조 내부를 가열하기 위한 온수순환수단이 구비된다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 온수순환수단은 물탱크, 입수관, 열교환관, 출수관 및 순환펌프를 포함한다.
상기 물탱크는 발생조 내부를 순환하여 가열하기 위한 물이 저장되는 부분으로, 상기 발생조 내부로 용이하게 투입될 수 있도록 발생조 보다 높은 위치에 설치되는 것이 바람직하며, 상수도 등과 연결되어 물을 공급받고 별도의 가열수단에 의해 물을 가열하여 온수를 생성 및 저장한다.
상기 물탱크에서 생성된 온수는 상기 발생조의 일측벽을 관통하여 설치된 입수관을 통하여 발효조 내부로 투입되고, 입수관이 말단에는 열교환관이 연결된다. 상기 열교환관은 발생조의 내측, 보다 구체적으로는 바닥 및/또는 내벽에 설치되어 입수관으로부터 투입된 온수가 발생조 내측에서 열교환을 통하여 발생조 내부 및 원료를 가열시키기 위한 배관으로서 통상적인 보일러의 순환배관과 같은 역할을 수행한다. 상기 열교환관의 타측 말단에는 열교환이 완료된 물이 외부로 배출되도록 출수관이 연결된다. 상기 출수관은 물탱크에 다시 연결되어 회수됨으로써 재사용될 수 있도록 구성된다.
한편, 상기 출수관에는 열교환관을 순환하여 냉각된 물을 물탱크로 펌핑하기 위한 순환펌프와 제어밸브가 설치되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 순환펌프는 발생조 보다 높은 위치에 설치된 물탱크로 물이 복귀가능한 추진력을 제공하며, 상기 제어밸브는 가열된 물의 순환을 단속한다. 보다 구체적으로, 봄, 가을이나 여름 등 비교적 기온이 높아 발생조의 가열이 필요치 않은 경우에는 발생조의 가열이 필요 없으며, 기온이 낮은 겨울철에만 가열이 수행되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 기온이 비교적 낮은 기간에는 제어밸브를 열고 순환펌프를 가동시켜 온수가 순환되도록 하고, 기온이 비교적 높은 기간에는 제어밸브를 닫고 순환펌프를 정지시켜 온수가 순환되지 못하도록 한다. 상기 순환펌프의 작동 및 정지는 개별적인 스위치 조작에 의해 수행될 수도 있으나, 상기 제어밸브와 연동되어, 제어밸브를 여는 경우 순환펌프가 작동되고, 제어밸브를 닫는 경우 순환펌프가 정지되도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 발생조의 외측에는 태양열집열기가 설치된다. 상기 태양열집열기는 태양열을 포집하여 상기 발생조 내부를 가열하기 위해 공급 및 순환되는 온수의 생성을 위한 열에너지를 제공한다. 구체적으로, 상기 태양열집열기는 표면에 집열판을 구비하여 태양열을 포집하며, 열전달관으로 상기 물탱크와 연결되어 열전도 방식으로 물탱크로 열에너지를 공급함으로써 물탱크 내 저장된 물을 가열하여 온수를 형성하도록 한다.
상술한 바와 같은 구성을 통하여, 태양열집열기에서 포집된 태양열에 의해 물탱크 내에 저장된 물이 가열되고, 가열된 물은 입수관을 통하여 발생조 내측에 설치된 열교환관을 순환하면서 열교환이 이루어져 발생조 내부 및 발효 원료의 가온이 수행된다. 열교환관을 순환한 물은 순환펌프의 펌핑작용에 의해 다시 출수관을 통하여 물탱크로 회수된다. 그리고, 상기 발생조의 상부 개구는 보온커버에 의해 커버되어 발생조 내부가 원료의 발효에 적합한 온도로 유지되어 저온 환경하에서도 가스발생율을 높일 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다. 따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
100 : 발생조 110 : 메탄가스발생기
120 : 보온재 130 : 원료투입구
140 : 원료배출구 150 : 원료투입실
160 : 원료배출실 162 : 찌꺼기배출구
164 : 오버플로우포트 170 : 보온커버
200 : 온수순환수단 210 : 물탱크
220 : 입수관 230 : 열교환관
240 : 출수관 250 : 순환펌프
260 : 제어밸브 300 : 태양열집열기

Claims (7)

  1. 지중에 매설되며 상부는 개구되고 내부 하측에는 투입된 원료가 수용되며, 내부 상측에는 수용된 원료를 발효하여 메탄가스를 발생시키는 메탄가스발생기가 구비되고, 일측 하부에는 원료를 투입하기 위한 원료투입구가 구비되고, 타측 하부에는 발효 완료된 원료를 배출하기 위한 원료배출구가 구비된 발생조와;
    상기 발생조의 상부 개구를 막아 발생조로부터 열이 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 보온커버와;
    상기 발생조 내부를 가열하기 위하여 온수를 공급 및 순환시키기 위한 온수순환수단과;
    태양열을 포집하여 상기 발생조 내부를 가열하기 위해 공급 및 순환되는 온수의 생성을 위한 열에너지를 제공하는 태양열집열기를 포함하는 메탄가스 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발생조에는,
    상기 원료투입구를 둘러싸며 내부에 일정한 양의 원료가 임시 저장될 수 있도록 수용공간이 구비된 벽체로 구성되며, 상부가 개구되고 하부는 하측으로 갈수록 좁아지도록 경사지게 형성되는 원료투입실과;
    상기 원료배출구를 둘러싸며 내부에 일정한 양의 발효 완료된 원료가 일시 저장될 수 있도록 수용공간이 구비된 벽체로 구성되며, 상부가 개구된 원료배출실이 구비된 것을 특징으로 하는 메탄가스 발생 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발생조의 바닥과 벽 내부표면에는 보온재가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 메탄가스 발생 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보온커버는 투명 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 메탄가스 발생 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 온수순환수단은,
    발생조 내부를 순환하여 가열하기 위한 물이 저장되는 물탱크와;
    상기 물탱크와 연결되고 발생조의 일측벽을 관통하여 설치된 입수관과;
    상기 입수관에 연결되고, 발생조의 내측에 설치되어 입수관으로부터 투입된 온수가 발생조 내측에서 열교환을 통하여 발생조 내부 및 원료를 가열시키기 위한 열교환관과;
    일단이 상기 열교환관의 말단에 연결되고 타단이 상기 물탱크에 연결되어, 열교환관에서 열교환이 완료된 물이 물탱크로 회수되도록 구비된 출수관과;
    상기 출수관에 구비되어 열교환이 완료된 물을 물탱크로 펌핑하기 위한 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄가스 발생 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 출수관에는 온수의 순환을 단속하기 위한 제어밸브가 구비된 것을 특징으로 하는 메탄가스 발생 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어밸브와 순환펌프는 상호 연동되어, 제어밸브를 여는 경우 순환펌프가 작동되고, 제어밸브를 닫는 경우 순환펌프가 정지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 메탄가스 발생 장치.
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