KR20120065515A - 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무공해 자연에너지원인 풍력과 태양열로부터 열에너지인 온수를 생산하여 난방에 이용할 수 있도록 하고, 이를 통해 경제적으로 난방에 소요되는 연료비용을 절감할 수 있도록 하며, 그리고 환경오염을 방지하여 지구온난화에 대처할 수 있도록 한 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치에 관한 것이다.
본 발명은 바람의 힘을 기계적인 힘으로 바꾸어 회전력을 발생시키는 풍차(10); 상기 풍차(10)의 회전력을 증속시키는 증속기(20); 상기 증속기(20)의 증속된 회전력으로 유체와의 마찰열을 일으켜 온수를 발생시키는 온수발생기(30); 상기 온수발생기(30)에 유체를 공급하는 보충수탱크(40); 상기 온수발생기(30)에서 발생된 온수를 온수공급펌프(1)와 온수공급배관(2) 및 반송수배관(3)을 통해 난방시설(4)로 순환시키는 온수저장조(50)와; 상기 온수발생기(30),보충수탱크(40),온수저장조(50)와 연결되어 태양열로 온수를 발생시키는 태양열집열기(60)를 포함하여 구성된다.

Description

풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치{Hot water heater using wind and solar force}
본 발명은 신재생에너지의 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 무공해 자연에너지원인 풍력과 태양열로부터 열에너지인 온수를 생산하여 난방에 이용할 수 있도록 하고, 이를 통해 경제적으로 난방에 소요되는 연료비용을 절감할 수 있도록 하며, 그리고 환경오염을 방지하여 지구온난화에 대처할 수 있도록 한 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 태양열의 일사량이 높아 이용조건이 좋은 시기와 바람이 강하게 불어 풍력에너지 이용조건이 좋은 시기가 서로 상충 된다는데 착안하여, 이들 두 가지 종류의 자연에너지가 상호 보완적 기능을 갖게 함으로서 에너지 이용효율을 높일 수 있고, 무엇보다도 신재생에너지의 이용을 확대하기 위해 이 두 가지 자연에너지를 조합하여 활용하는 방안으로 풍력과 태양열로부터 온수를 생산하여 이를 난방에 이용할 수 있도록 한 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치에 관한 것이다.
일반적으로 온수를 직접 난방에 이용하는 방식은 우리나라에서 이용되고 있는 대부분의 난방방식으로써 온수를 생산하는 방식에 따라서 구분하면 다음과 같은 문제점이 있다.
전기에너지를 사용하는 경우에는 전기히터온수기,고주파유도가열온수기,모터용마찰열온수발생기 등이 주로 이용되고 있으며 설치비용이 적게 드는 반면 운전,유지비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
화석연료를 사용하는 경우에는 석유,석탄,가스 등이 보일러 연료로써 주로 이용되는데 전기에 비해 운전,유지비용은 저렴하지만 연소과정에서 배기가스의 대기오염물질이 환경오염을 일으키는 문제점이 있다.
신재생에너지로 난방에 이용하는 방식은 태양열과 지열 등이 최근 많이 이용되고 있으며 시설투자비에 비해 열효율이 낮아 경제성이 없다.
또한 폐기물 고형연료(RDF)와 바이오메스,우드펠렛 등이 농촌시설하우스 등의 난방에너지로 이용되고 있으나 이 또한 환경오염문제와 원료확보문제 등으로 제한적으로 이용되고 있는 실정이다.
이와 같이 종래의 기술로 온수를 생산하여 난방에 이용하는 것은 유가상승과 환경오염 등의 문제점이 있어 무한 청정에너지인 풍력으로부터 무상으로 열에너지를 얻어 난방에 활용하고, 특히 우리나라에서 난방이 필요한 동절기의 북서풍이 강한 특성을 활용하여 풍력온수발생기 등의 운전비용이 저렴하고 안정적인 난방시스템의 보급이 필요한 실정이다.
우리나라 동절기 기후는 북서풍이 강하게 부는 특성으로 풍력을 이용한 난방 시스템의 개발이 필요하고 그동안 풍력발전의 연구개발투자의 성과로 풍차날개 등 동력전달수단의 기술적 문제가 해결되었으며 풍력발전시설의 보급 또한 확대되고 있어 이미 개발 완료된 풍력발전의 요소기술들을 풍력온수발생장치에 효과적으로 연계하여 적용할 수 있다.
난방이 필요한 동절기의 바람특성과 풍력자원이 풍부한 해안지역이나 섬,들판에 난방수요가 위치하고 있는 점 또한 풍력에너지 이용이 용이하다.
소음,경관 등 풍력이용의 제한이 비교적 적은 지리적 이점으로 무한한 자연에너지로부터 온수를 생산하여 난방에 이용할 수 있다는 것은 에너지 문제와 지구온난화의 주범인 환경오염 문제를 해결할 수 있는 대안이다.
풍력이용은 주로 전기를 생산하는 풍력발전 중심으로 대규모투자가 이루어져 왔으나 풍력발전은 투자비용에 비하여 경제성이 낮고 풍력에너지의 이용효율이 낮고 풍속이나 풍향에 따라 발전 품질의 변동이 심한 단점이 있다.
이에 비해 풍력온수발생기는 풍속이나 풍향의 영향이 적고 소규모 용량을 병렬로 여러 대를 설치할 수 있어 바람의 조건에 따라 대응이 용이하고 특히 풍차날개로부터 회전에너지를 대부분 열에너지로 회수할 수 있어 에너지 이용효율이 높다.
따라서 풍력에너지의 이용을 다양화하고 보급을 확대하는 방안으로 장치가 단순하고 설치비용이 저렴한 풍력온수발생기의 보급이 필요하다.
지금 세계 각국은 지속적인 고유가 상황 속에서 에너지자원의 안정적인 확보를 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다.
유엔기후변화협약에서 채택된 의제에 따라 온실가스 감축문제는 당면한 과제가 되고 있다.
우리나라도 저탄소 녹색성장의 국가환경지표와 기후변화 대응 방안으로써 친환경 에너지의 확대보급이 활발하게 이루어지고 있다.
최근 환경과 지구온난화에 따른 기후변화 문제가 국제적인 협약의 탄소배출 제한으로 추진되면서 환경오염을 일으키는 석유,석탄 등의 화석연료를 대체할 무공해 에너지원으로써 신재생에너지에 대한 관심이 날로 증가되고 있다.
신재생에너지 중에서 풍력에너지와 태양열에너지는 순수한 자연에너지이며 생태계에 미치는 영향과 환경오염이 없는 환경 친화적인 청정한 에너지원이다.
신재생에너지의 확대보급정책에 따라 풍력과 태양열의 이용은 주로 풍력발전과 태양광발전으로 집중되고 있는 실정으로 풍력에너지와 태양열 이용의 다양화를 위해 풍력에너지와 태양열에너지의 열변환으로 온수를 생산함으로써 풍력과 태양열이용의 다양화를 이룰 수 있다.
풍력에너지의 경우 일반적으로 육상 또는 해상에 설치되는 대규모 풍력발전단지로서 지상 50~100m 높이의 기둥과 대형풍차날개를 구비하는 1~5MW급 대형풍력발전이 대부분이고 소형풍력이용은 도심에서 가로등용으로 사용되는 정도로써 중소형 풍력발전의 경제성이 낮은 문제점이 있다.
태양열에너지의 경우 주택이나 건물의 난방과 급탕에 이용되고 있으며 정부지원금으로 최근 보급이 다소 활성화되고 있으나 경제성이 낮은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해 발명한 것으로, 풍력으로부터 열변환으로 온수를 생산하고 태양열로부터 온수를 생산하여 난방에 이용하는 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 풍력에너지의 이용확대와 화석연료 난방으로 인한 환경오염을 예방하고 태양열에너지의 효율을 높이는 방안으로 풍력에너지와 조합하여 상호보완적 기능을 수행하여 난방효율을 높이는 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 자연에너지인 풍력으로부터 온수를 발생시키는 풍력에너지와 태양열로부터 온수를 발생시키는 태양열에너지를 병용한 온수난방장치로써 태양열의 이용효율이 낮은 시기에는 풍력에너지 효율이 높고, 풍력에너지의 이용효율이 낮은 시기에는 태양열 이용효율이 높은 우리나라 기후 특성을 나타내는 기상자원지도의 자료에서 착안하여 이들 두 가지 자연에너지를 병용하여 상호보완적 기능을 갖춘 풍력과 태양열 병용한 온수난방장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 화석연료를 대체하여 환경오염을 줄이는데 기여하고 에너지 비용이 들지 않는 난방시설을 통하여 경제성을 확보할 수 있도록 한 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기존의 온수난방시스템이 안고 있는 고비용과 환경오염문제를 해결하는 수단으로써 무한한 청정자연에너지인 바람과 태양열로부터 열에너지인 온수를 생산하는 온수발생기라는 간단한 장치를 통해 풍력과 태양열로부터 온수를 발생시켜 농촌시설하우스의 난방,양어장,양만장의 난방,건물의 난방에 이르기까지 광범위하게 이용할 수 있도록 한 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 바람으로부터의 공기유동으로 발생하는 운동에너지를 일으키는 풍차와, 풍차의 회전력을 기계적에너지로 전환하는 증속기와, 열변환을 위한 온수발생기와, 상기 온수발생기에서 생산된 온수를 저장하는 온수저장조와, 상기 온수저장조로부터 온수를 난방시설에 공급하는 온수공급펌프와, 상기 온수발생기와 상호 보완적 기능을 갖게 하는 태양열로부터 온수를 발생시키는 태양열집열기를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 자연에너지인 풍력과 태양열로부터 열에너지를 생산하여 여기서 생산된 온수를 난방에 이용함으로서 에너지 비용을 줄일 수 있고 화석연료를 대체하는 온수난방장치로 환경오염을 줄이는 효과가 있다.
그리고 본 발명은 대규모 투자가 되는 풍력발전과 달리 주로 100KW이하의 출력을 갖는 수직형 풍차 날개로부터 열에너지를 회수하고 태양열집열판과 같은 장소에 설치가능하므로 태양열과의 연계로 자연에너지의 이용효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 사용되는 풍차의 날개는 난방수요의 설치 위치와 열용량에 따라 수평형 풍차 날개와 수직형 풍차 날개를 모두 활용할 수 있으며 바람의 세기가 약한 경우에도 온수생산이 가능하고 풍속의 영향을 크게 받지 않아 설치가 용이하다.
본 발명은 태양열집열기와 풍력을 병용함으로서 상호보완적 기능을 갖게 되어 난방효과를 높일 수 있고 기존의 난방장치와도 보완적 기능을 갖도록 배관구성을 하여 안정적인 난방장치를 구축하는 효과가 있다.
따라서 본 발명은 기존의 난방수단과 연계가 가능하여 온수저장조에서 저장기능을 갖게 되므로 자연에너지로부터의 에너지 회수를 안정적으로 더 많이 함으로서 축열조의 기능으로 에너지 저장 효과를 거둘 수 있다.
본 발명은 풍력에너지로부터 열에너지를 생산하는 과정이 온수발생기의 회전에 의한 마찰열로부터 단순한 공정으로 이루어지고 태양열집열기 또한 온수생산과정이 단순하여 유지관리가 용이하여 보급 확대를 용이하게 늘릴 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 특히 풍력과 태양열을 병용함으로서 풍력의 단점인 바람이 없을 때 일사량이 높고 일사량이 높을 때 바람이 세지 않는 우리나라 기후 특성에 맞는 난방효과를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치를 보인 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 풍차와 태양열집열기로부터 생산된 온수가 온수저장조와 난방시설에 이르는 과정을 보인 온수난방장치의 개략구성도.
도 3a,3b,3c,3d,3e는 본 발명에 따른 온수발생기의 구조를 보인 예시도.
도 4a,4b는 본 발명에 따른 평판형과 진공관형 태양열집열기를 보인 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 온수난방장치를 건물옥상에 설치한 상태를 보인 예시도.
도 6a,6b는 본 발명에 따른 온수발생기의 시험자료 그래프.
이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치는 도 1 내지 도 2에 도시되는 바와 같이, 바람의 힘을 기계적인 힘으로 바꾸어 회전력을 발생시키는 풍차(10); 상기 풍차(10)의 회전력을 증속시키는 증속기(20); 상기 증속기(20)의 증속된 회전력으로 유체와의 마찰열을 일으켜 온수를 발생시키는 온수발생기(30); 상기 온수발생기(30)에 유체를 공급하는 보충수탱크(40); 상기 온수발생기(30)에서 발생된 온수를 온수공급펌프(1)와 온수공급배관(2) 및 반송수배관(3)을 통해 난방시설(4)로 순환시키는 온수저장조(50)와; 상기 온수발생기(30),보충수탱크(40),온수저장조(50)와 연결되어 태양열로 온수를 발생시키는 태양열집열기(60)를 포함하여 구성된 것을 그 기술적 구성상의 기본적인 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 도 2에서와 같이, 상기 풍차(10)는 수평형 날개(11)와, 상기 수평형 날개(11)에 연결되어 회전하는 수평축(12)과, 상기 수평축(12)에 상부기어박스(13)로 연결되어 회전하는 수직축(14)과, 상기 수직축(14)의 회전력을 제어하는 제동장치(15)와, 상기 수직축(14)을 지지하는 지지대(16)와, 상기 수직축(14)의 하부에 설치되는 하부기어박스(17)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 도 2에서와 같이, 상기 풍차(10)는 수직형 날개(11a)와, 상기 수직형 날개(11a)에 연결되어 회전하는 수직축(12a)과, 상기 수직축(12a)을 지지하는 지지대(13a)와, 상기 수직축(12a)의 하부에 설치되는 하부기어박스(14a)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치에 대한 실시형태를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 보다 명확히 이해될 것이다.
도 2는 온수발생기를 구동하는 수평형 날개와 수직형 날개로부터 동력전달수단인 증속기를 거쳐 회전력을 전달하는 과정과 태양열집열기로부터 온수를 생산하여 온수저장조에 보내는 배관라인을 개별운전과 병열운전이 가능하도록 구성된 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치의 개략구성도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이 온수발생기(30)는 난방시설(4)의 설치 위치와 난방면적에 따라서 열용량에 맞는 수평형 날개(11) 또는 수직형 날개(11a) 또는 수직형날개(11a) 중에서도 프로펠러타입,사보니우스타입 등을 도 5와 같이 선택적으로 선정하여 이용할 수 있도록 구성된다.
도 2에 나타난 바와 같이 태양열집열기(60)는 온수발생기(30)와 연계하여 설치하므로 태양열집열기(60)의 기종이나 면적기준은 난방시설(4)의 설치위치나 열용량과 연계운전하는 온수발생기(30)의 용량과 풍력에너지 자원과 태양열에너지 자원 조건에 맞게 집열기 면적을 산정하여 이용되도록 구성된다.
도 2에 나타난 바와 같이 본 발명의 온수난방장치는 난방시설(4)의 설치위치나 열용량에 따라서 수평형 날개(11) 또는 수직형 날개(11a)를 선택적으로 이용할 수 있음을 나타낸 것이다.
도 2에 나타난 바와 같이 바람으로부터 풍차(10)의 수평,수직형 날개(11)(11a)가 회전하고, 날개(11)(11a)의 회전력을 기계적에너지로 전달하기 위해 날개(11)(11a)와 직결된 수평축(12) 또는 수직축(12a)을 통해 동력전달수단이 구성된다.
상기 동력전달수단으로 수평축(12)과 수직축(12a)의 양단에는 지지용 회전베어링이 장착되어 풍차(10)의 날개(11)(11a)로부터 회전토오크를 기계적 에너지로 전환한다.
상기 수평축(12)의 수직축(14)으로의 전환은 상부기어박스(13)를 통해 방향전환을 하여 지상에 설치된 증속기(20)와 온수발생기(30)에 회전력을 전달하게 된다.
상기 풍차(10)를 구성하는 날개(11)(11a),수평축(12),수직축(14)(12a),상부기어박스(13),하부기어박스(17)(14a) 등의 부속장치들은 풍력의 회동력을 전달하는 동력전달수단으로서 이미 알려진 통상의 공지된 기술이므로 상세한 도면과 설명은 생략한다.
상기 증속기(20)에 전달된 날개(11)(11a)의 회전속도는 회전속도의 변화 없이 증속기(20)의 입력축에 전달되고, 증속기(20)에서 증속비율이 1:100~1:300의 가변형 또는 고정형의 기어방식,싸이크로 증속기가 사용되고, 증속기(20) 또한 감속기와 같이 이미 알려진 통상의 공지된 기술이므로 상세한 도면과 설명은 생략한다.
상기 증속기(20)의 과도한 부하로부터의 충격에 의한 손상을 예방하기 위해 풍차(10)의 날개(11)로부터의 회동력은 제동장치(15)에 의해 조절되도록 구성된다.
본 발명의 핵심장치인 온수발생기(30)는 날개(11)(11a)로부터의 회전토오크를 회전마찰열에 의해 열에너지로 전환하는 일종의 열변환장치이다.
도 3a,3b,3c,3d,3e는 본 발명에 따른 온수발생기(30)를 나타낸 것으로, 상기 온수발생기(30)는 구동축(31)을 중심으로 회전하면서 원심력을 일으키는 회전임펠러(32)와, 상기 회전임펠러(32)의 상대편에 소정간격을 두고 고정되어 구심력을 일으키는 고정임펠러(33)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 온수발생기(30)는 일반 원심펌프의 기능과 구조가 유사하지만 펌프의 기능은 양수가 목적인 반면 온수발생기(30)는 최대한 많은 양의 유체충돌을 일으켜 마찰열을 발생시키는 것을 목적으로 설계되었다.
상기 온수발생기(30)는 원심력과 구심력을 동시에 일으켜 유체의 충돌로부터 마찰열에 의한 유체를 가열하는 방식으로 증속기(20)로부터 증속된 풍차(10)의 회전토오크를 동력원으로 회전하는 회전임펠러(32)와 고정임펠러(33)로 구성된다.
상기 온수발생기(30)의 내부임펠러구조는 도 3b와 같이 원판의 중심에서 방사상형태로 배열된 32개의 블레이드로 구비되는 고정임펠러(33)와 고정임펠러(33) 중심부는 유체의 유입구(34)가 겸비되고, 구동축(31)에 장착된 회전임펠러(32)는 고정임펠러(33)와 소정의 간격을 유지하고 구동축(31)을 중심으로 원판의 중심부에서 방사상형태로 배열된 32개의 블레이드로 구비된다.
상기 온수발생기(30)의 재질은 일반 펌프의 재질과 같이 케이싱은 주철이며 내부 회전,고정임펠러(32)(33)는 마모에 강한 재질로 선정한다.
상기 온수발생기(30)의 가동 시 내부 마찰열로 인하여 누수가 발생하지 않도록 구동축(31)에는 메카니칼씰(35) 박킹을 하여 열에 의한 내부 유체의 누수가 되지 않아야 한다. 또한 외부케이싱과의 조립은 온수발생기(30)의 원통과 고정임펠러(33),회전임펠러(32)가 분해조립이 용이한 구조로 하고, 박킹은 오링팩킹(36)을 사용하여 고정임펠러(33)와 회전임펠러(32)와 간극에 영향을 주지 않도록 구성한다. 이때, 도 3a 내지 도 3e에서 도면 중 미설명부호 37은 토출구, 38은 베어링을 나타낸 것이다.
상기 온수발생기(30)는 풍차(10)와 태양열집열기(60)로부터의 유량을 제어하는 유량제어벨브(71)와 온도센서(72)에 의해 유량과 온도제어기능이 연동되도록 운전제어반(70)에 연결된다.
상기 온수발생기(30)외 온수공급배관(2),반송수배관(3)은 열손실을 줄이기 위하여 외부케이싱은 50㎜이상 단열 보온한다.
상기 온수발생기(30)로부터 생산된 온수는 온수저장조(50)에 저장되어 지고 축열기능의 온수저장조(50)의 용량과 재질은 난방수요의 종류에 따라 선정하고 외부는 열손실을 최소화하기 위한 50mm이상 보온 단열을 시공한다.
상기 온수저장조(50)로부터 온수공급펌프(1)를 가동하여 온수공급배관(2)을 통해 난방시설(4)로 온수를 공급하여 사용된 후 반송수배관(3)을 거쳐 사용된 온수는 온수저장조(50)에 회수되어 순환한다.
상기 온수저장조(50)는 온도센서(72)와 수위조절센서(73)에 의해 온수발생기(30)와 온수공급펌프(1)가 연동되도록 구성된다.
상기 온수발생기(30)와 온수저장조(50),태양열집열기(60)는 온도와 유량에 따라 단독운전과 병열운전이 가능하도록 유량제어밸브(71)를 자동 제어할 수 있도록 운전제어반(70)을 통해 자동 운전한다.
도 4a,4b는 본 발명에 따른 태양열집열기(60)를 나타낸 것으로, 태양열집열기(60)는 도 4a에서와 같이 집열동판(61),집열동관(62),표면강화유리(63),알미늄후레임(64)으로 구성된 평판형 집열기와; 도 4b에서와 같이 태양열집열기(60)는 유리관(61a),진공관(62a),흡수동관(63a),반사판(64a),알미늄후레임(65a)으로 구성되는 진공관형 집열기가 모두 사용가능하도록 구성되어 진다. 도 4a에서 도면중 미설명부호 65는 보온재를 나타낸 것이다.
풍력과 태양열로부터 생산된 온수는 온수저장조(50)에 저장된 후 온수공급펌프(1)에 의해 난방시설(4)에 이용된 후 반송수배관(3)을 통해 회수된다.
도 5는 수직형 날개(11a)의 종류에 따라 온수난방장치의 설치예를 나타낸 것으로, 건물의 난방이나 소규모 온수생산을 위한 난방시설(4)에 수직형 날개(11a)를 사용하여 풍력으로부터 열에너지인 온수를 난방시설(4)에 이용할 수 있는 개략도이다.
도 5에서 날개(11)(11a)와 증속기(20) 등의 동력전달수단과 온수발생기(30)는 도 2,3과 동일하다.
도 5는 본 발명에 따른 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치를 건물옥상(100)에 설치한 예시도이다. 도 5와 같이 건물옥상(100)에 수직형 날개(11a)와 태양열집열기(60)를 같이 설치하여 온수를 생산하고 이를 건물 난방에 이용할 수 있는 것이다.
도 6a는 본 발명의 핵심장치인 온수발생기(30)의 실험데이터를 나타낸 것으로, 온수발생기(30)의 회전임펠러(32)의 회전을 위한 동력을 전기모터로 대체하여 회전수에 따른 가온시간과 온도를 측정하였다.
도 6b는 온수발생기(30)의 회전수에 따른 승온시험자료를 나타낸 것으로, 온수발생기(30)의 회전시험은 분당 회전수를 600rpm에서 3,600rpm까지 인버터와 구동축의 풀리크기로 조절하여 회전속도에 따른 승온시험결과를 그래프로 나타내었다.
도 6a는 온수발생기(30)와 일반 전기히터를 동일용량으로 가동했을 때 유체의 승온시간과 온도를 비교한 그래프다. 이때 모터의 회전속도는 1,750rpm으로 시험했다.
도 6a에서 보는 바와 같이 온수발생기(30)의 모터가동 동력은 3Ø 11㎾이고 전기히터 또한 동일용량인 3Ø 11㎾ 파이프히터를 사용하여 600ℓ용량의 물을 순환하여 승온하는 시험을 실시한 결과이다.
도 6a의 실험결과의 그래프에서 보듯이 600ℓ의 물을 전기히터를 사용하여 가온하는 것이 다소 유리함을 알 수 있다. 하지만 회전에 의한 가열방식의 가능성을 확인할 수 있는 성과를 거두었다.
따라서 풍력으로부터의 회전력으로 가열할 수 있음을 확인할 수 있는 결과를 알 수 있다.
도 6b의 시험결과에서 알 수 있듯이 회전속도가 높을수록 빠른 시간에 승온되는 결과를 확인할 수 있으며 최소 회전속도는 600rpm이상이면 이용 가능함을 확인할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 풍력을 이용한 온수난방장치의 작용을 상세히 설명한다.
상기 풍차(10)의 날개(11)(11a)는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 또는 수직형으로 분류되고 전기용량으로 환산하여 100KW 풍력발전 규모 이상 열용량의 온수발생기(30)는 수평형 3블레이드 풍차(10)를 선정하여 설치하는 것이 바람직하다.
상기 풍차(10)의 날개(11)(11a)는 100KW 풍력발전 규모 이하 열용량의 온수발생기(30)는 난방시설의 위치와 설치장소에 따라 수직형 날개(11a)를 선정하고 주변 여건에 따라 사보니우스 타입이나 프로펠러 타입 등을 선정하여 설치한다.
상기 수평형 3블레이드 풍차(10)의 날개(11) 또는 수직형 풍차(10)의 날개(11a)로부터 회전력을 지상의 증속기(20)와 온수발생기(30)에 전달하는 풍차(10)의 날개(11)(11a)와 연결된 수평축(12)과 수직축(12a)은 회전토오크에 적합한 크기로 선정하여 회전토오크를 손실 없이 증속기(20)의 입력측에 전달하는 것을 특징으로 한다.
증속기(20)는 풍차(10)의 날개(11)(11a)로부터 들어오는 회전토오크를 진동발생을 최소화되도록 다수의 유성기어에 의한 하중분배가 이루어지도록 구성하고 이미 풍력발전분야에서 개발된 공지의 기술인 증속기를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 주 기능인 풍력에 의한 온수발생기(30)는 회전력으로부터 구동되는 펌프의 구조와 기능이 유사한 형태로서 온수발생기(30)의 내부에 회전임펠러(32)와 고정임펠러(33)를 소정의 간격으로 유지되게 설치하는 것을 특징으로 한다.
상기 온수발생기(30)는 회전임펠러(32)와 고정임펠러(33)로부터 각각 원심력과 구심력을 회전임펠러(32)와 고정임펠러(33) 사이 공간에서 급격히 충돌시키면서 이때 유체의 마찰열이 발생하게 된다. 가열과 양수기능을 동시에 수행하면서 유체를 가열하는 것을 특징으로 한다.
상기 온수발생기(30)로부터 가열된 온수는 설정온도까지 순환하면서 승온되고 온수저장조(50) 또는 태양열집열기(60)로 보내지고 태양열집열기(60)와 온수발생기(30)로부터 생산된 온수는 온수저장조(50)에서 온수공급펌프(1)로 이송되어 난방에 이용하는 것을 특징으로 한다.
- 온수발생기의 열용량과 임펠러크기는 다음 표와 같다.
구분＼열용량 5,000 10,000 20,000 50,000 60,000 100,000
동력(㎾) 5.5㎾ 11㎾ 22㎾ 55㎾ 75㎾ 110㎾
임펠러 크기(mm) 500Ø 600Ø 650Ø 800Ø 1,000Ø 1,200Ø
양수량(L/min) 18 30 50 150 200 300
회전수(rpm) 1.750 1,650 1,500 1,500 1,450 1,450
※ 열용량단위: ㎉/시간 (1KW 출력을 860㎉로 적용하였음)
상기 표와 같이 온수발생기(30)는 임펠러의 크기와 동력 그리고 회전수에 따라 열용량이 정해지고 온수발생기(30)는 전기모터와는 달리 풍속에 따라 회전수가 변하므로 상기 표에서 정한 회전수 이상으로 회전할 경우에는 가온시간이 빨라지는 것을 도 6b에서 확인할 수 있고 열용량이 증대된다.
난방면적과 온수생산량 그리고 태양열집열기(60)의 설치 면적에 따라 열용량을 산정할 수 있으며 수직형 날개(11a)의 경우 소형 온수발생기(30)를 여러 대 병렬로 설치하여 각각의 온수발생기(30)로부터 생산되는 온수를 태양열집열기(60)에서 생산된 온수와 합쳐서 온수저장조(50)에 축열기능으로 저장하고 이 온수를 난방에 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양열집열기(60)는 공지의 인증제품 중에서 선정하여 사용할 수 있으며 태양열집열기(60)는 평판형 집열기와 진공관형 집열기 중에서 현장 여건에 맞게 적합한 기종으로 중저온용을 선정하여 설치하고 열용량에 따라 태양열집열기(60)는 표준규격 1장(1m× 2m) 또는 여러 장을 연결하여 사용한다.
태양열집열기(60)를 거친 유체는 일정온도 이상 데워진 상태로 온수발생기(30)로 공급되거나 혹은 자체순환으로 가열하는 구조의 유량제어밸브(71)를 통해 배관 연결한다.
태양열집열기(60)의 부대장치는 온수발생기(30)와 연계하여 제어가 가능하도록 운전제어반(70)을 포함하여 온수저장조(50)의 온도와 유량제어를 자동으로 컨트롤할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 온수발생기(30)는 풍차(10)의 회전력으로 구동하여 온수를 생산한다.
풍차(10)의 수평,수직형 날개(11)(11a) 크기는 풍력발전의 발전기 출력과 동일한 기준으로 산정한다.
본 발명에 실시되는 풍차(10)의 출력에 관한 이해를 돕기 위해 바람에 의한 공기동력은 다음 식과 같다. 간단하게는 풍차(10) 날개(11)(11a)의 바람투영면적,공기밀도에 각각 비례하고 풍속의 3승에 비례한다.
Pw = ½ ρAν3 [W] ㅡ (1)
여기서 Pw : 바람에 의한 공기동력 [W]
ρ : 공기밀도 [㎏/㎥]
A : 풍차 날개의 투영면적 [㎡]
ν : 풍속 [m/sec]
공기동력 Pw는 풍차(10)의 날개(11)(11a)에 의해 기계적인 동력으로 변환되며 그 변환효율을 동력계수 Cp 라고 한다. 풍차(10) 날개(11)(11a)의 이상적인 회전의 경우 동력계수 Cp는 이론적으로 0.593이다.
그러나 실제의 경우 동력계수는 공기의 점성과 회전자 끝의 와동 및 이차유동 등에 의해서 운전 상태에 따라 많이 달라진다.
상기 동력계수 Cp를 이용하면 풍차(10)의 날개(11)(11a)가 바람으로부터 얻는 동력 Pt[W]를 계산할 수 있다.
Pt = ½ ρCpAν3 ㅡ (2)
여기서 Pt : 풍차날개가 바람으로부터 얻는 동력
Cp : 동력계수
상기 (1)식과 (2)식으로부터 풍차(10)의 날개(11)(11a) 크기에 따른 열용량을 산정할 수 있으며 본 발명에서는 공지의 풍력발전의 자료를 기준하여 발전용량의 ㎾당 860㎉의 열용량을 환산하여 적용한다.
풍속 5m/sec 일 때 15㎾출력의 풍차(10)는 수평형 날개(11) 기준으로 직경 18m이며 이때의 열용량은 13,000㎉/시간으로 10℃의 물 0.5톤을 40℃로 데울 수 있는 열용량이다.
풍력으로부터 온수를 발생시키는 온수발생기(30)는 일반적으로 양수기로 이용되는 원심볼류트펌프와 기능이 유사하다. 다만 유체의 마찰열을 일으키기 위해서 유체의 급격한 충돌을 일으키는 구심력장치가 추가되어 온수발생기(30)는 회전임펠러(32)와 고정임펠러(33)로 구성된다.
온수발생기(30)의 온수생산 원리는 회전임펠러(32)에서 풍력의 회전력으로 원심력을 일으키고 고정임펠러(33)는 구심력을 일으켜 원심력과 구심력의 충돌로부터 마찰열을 일으켜 공급되는 유체를 가열하여 온수를 생산하는 것을 특징으로 한다.
또한 온수발생기(30)의 최소 구동회전수는 600rpm 이상으로 3m/sec 이하의 낮은 풍속에서 가동할 수 있고 30m/sec 이상의 한계풍속에서도 온수의 생산이 가능하여 풍속에 대한 대응범위가 넓다.
온수발생기(30)의 설치위치는 풍력발전의 경우와 같이 높은 지점이 아니고 지면에서 동력전달수단으로부터 풍차(10) 날개(11)(11a)의 회전토오크를 증속하여 회전력을 온수발생기(30)에 전달함으로서 유지보수가 용이하고 설치비용이 저렴하다.
온수발생기(30)와 태양열집열기(60)의 온도센서(72)에 의해 온수저장조(50)와 온수공급펌프(1) 태양열 급수와 온수발생기(30) 급수를 조절할 수 있는 유량제어밸브(71)와 풍속에 의한 회전력과의 인터록킹으로 제어하므로 자동운전이 가능하다.
온수발생기(30)의 자체 양수기능을 공급되는 유체는 자체순환하면서 가열되므로 별도의 순환펌프가 필요하지 않고 태양열집열기(60)의 순환펌프 또한 직열운전 시에는 가동하지 않아도 마찰열과 태양열로 가열된 유체는 일정온도 이상 데워진 후 온수저장조(50)로 이송되어 난방에 이용된다.
난방시설의 규모에 따라 온수발생기(30)와 태양열집열기(60)의 용량과 수량이 결정되고 온수저장조(50) 크기 또한 열용량에 따라 정해진다. 온수저장조(50)에서는 보조수단으로 기존의 보일러나 전기히터온수기와 겸용으로 배관연결하여 자연에너지를 이용한 온수를 난방시설(4)에 이용할 수 있다.
온수저장조(50)에서 보조수단으로 기존의 보일러와 전기히터온수기와 연계이용 시 급탕용으로 소모되는 온수는 보충수탱크(40)를 통해 수위조절센서(73)에 의해 자동보충되고 난방에 이용한 온수는 다시 온수저장조(50)에 회수된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 풍력에너지와 태양열에너지 이용의 다양화 방안의 하나로 자연에너지인 풍력과 태양열로부터 열에너지를 회수하여 온수를 생산하고 이 온수를 난방에 이용하기 위한 장치이다.
따라서 본 발명은 태양열의 일사량이 높아 이용조건이 좋은 시기와 바람이 강하게 불어 풍력에너지 이용조건이 좋은 시기에, 이들 두 가지 종류의 자연에너지가 상호 보완적 기능을 갖게 함으로서 에너지 이용효율을 높일 수 있고, 무엇보다도 신재생에너지의 이용을 확대하기 위해 이 두 가지 자연에너지를 조합하여 유용하게 활용할 수 있다.
풍력과 태양열을 병용한 온수생산이 가능함은 물론이고 풍력에너지와 태양열의 이용을 다양화하고 소규모의 열생산을 하더라도 풍력,태양열발전과 달리 경제성이 있으므로 풍력,태양열의 열에너지회수를 통해 온수를 난방에 이용할 수 있는 시스템을 온수난방장치를 통해 이룰 수 있게 된다.
본 발명에 따르면 풍력과 태양열은 자연에너지이고 청정한 무공해 에너지이므로 종래의 온수난방 시 발생되는 환경오염이 없고 2차오염인 폐기물 발생이 없으므로 환경친화적이고 지구온난화를 예방하는데 기여할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 열 이용 용량에 따라 풍차의 날개를 수평형 또는 수직형을 단독 혹은 병렬로 설치할 수 있어서 대응이 용이하고, 특히 수직형 풍차는 건물의 옥상에 용이하게 설치함으로 건물의 난방에도 이용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면 상술한 바와 같이 풍속이나 풍향에 대응이 용이하고, 특히 풍력발전처럼 시동풍속이나 한계풍속의 범위가 정해져 있지 않아 풍속의 대응범위가 넓은 장점이 있다.
본 발명에 따르면 상술한 바와 같이 풍속이나 풍향에 대응이 용이하고, 특히 풍력발전처럼 시동풍속이나 한계풍속의 범위가 정해져 있지 않아 풍속의 대응범위가 넓은 장점이 있다.
1 : 온수공급펌프 2 : 온수공급배관
3 : 반송수배관 4 : 난방시설
10 : 풍차 20 : 증속기
30 : 온수발생기 32 : 회전임펠러
33 : 고정임펠러 40 : 보충수탱크
50 : 온수저장조 60 : 태양열집열기
70 : 운전제어반

Claims (7)

  1. 바람의 힘을 기계적인 힘으로 바꾸어 회전력을 발생시키는 풍차(10); 상기 풍차(10)의 회전력을 증속시키는 증속기(20); 상기 증속기(20)의 증속된 회전력으로 유체와의 마찰열을 일으켜 온수를 발생시키는 온수발생기(30); 상기 온수발생기(30)에 유체를 공급하는 보충수탱크(40); 상기 온수발생기(30)에서 발생된 온수를 온수공급펌프(1)와 온수공급배관(2) 및 반송수배관(3)을 통해 난방시설(4)로 순환시키는 온수저장조(50)와; 상기 온수발생기(30),보충수탱크(40),온수저장조(50)와 연결되어 태양열로 온수를 발생시키는 태양열집열기(60)를 포함하는 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 풍차(10)는 수평형 날개(11)와, 상기 수평형 날개(11)에 연결되어 회전하는 수평축(12)과, 상기 수평축(12)에 상부기어박스(13)로 연결되어 회전하는 수직축(14)과, 상기 수직축(14)의 회전력을 제어하는 제동장치(15)와, 상기 수직축(14)을 지지하는 지지대(16)와, 상기 수직축(14)의 하부에 설치되는 하부기어박스(17)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 풍차(10)는 수직형 날개(11a)와, 상기 수직형 날개(11a)에 연결되어 회전하는 수직축(12a)과, 상기 수직축(12a)을 지지하는 지지대(13a)와, 상기 수직축(12a)의 하부에 설치되는 하부기어박스(14a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 온수발생기(30)는 구동축(31)을 중심으로 회전하면서 원심력을 일으키는 회전임펠러(32)와, 상기 회전임펠러(32)의 상대편에 소정간격을 두고 고정되어 구심력을 일으키는 고정임펠러(33)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 온수발생기(30)는 풍차(10)와 태양열집열기(60)로부터의 유량을 제어하는 유량제어벨브(71)와 온도센서(72)에 의해 유량과 온도제어기능이 연동되도록 운전제어반(70)에 연결되고, 상기 온수저장조(50)는 온도센서(72)와 수위조절센서(73)에 의해 온수발생기(30)와 온수공급펌프(1)가 연동되도록 구성된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 태양열집열기(60)는 집열동판(61),집열동관(62),표면강화유리(63),알미늄후레임(64)으로 구성된 평판형 집열기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 태양열집열기(60)는 유리관(61a),진공관(62a),흡수동관(63a),반사판(64a),알미늄후레임(65a)으로 구성된 진공관형 집열기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치.
KR1020100126682A 2010-12-13 2010-12-13 풍력과 태양열을 병용한 온수난방장치 KR20120065515A (ko)

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