KR20130077093A - 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광을 집열하기 위해 내부에 열매체가 충전되고 양측이 개방된 이중진공관과, 상기 이중진공관의 하부에 위치하고 양측이 루프형태로 상기 이중진공관의 양측과 결합되어 열매체가 상기 이중진공관으로부터 순환하는 축열관과, 상기 축열관의 길이방향을 따라 내부에 수용되어 열매체에 의해 가열되며 양단부가 상기 축열관의 외부로 관통되어 일부분이 노출되는 열교환관을 포함하는 태양열 집열모듈을 포함하여, 상기 태양열 집열모듈이 길이방향의 역방향으로 복수개 일렬로 배열되고 상기 축열관의 외부로 관통된 열교환관의 일측 또는 타측이 일렬로 배열된 다른 열교환관과 지그재그 형태로 연속적으로 연결되어 열교환관 내부의 온수가 이동되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 복수개의 독립적으로 이루어진 태양열 집열모듈의 열매체가 자연대류에 의해 신속하게 열평형상태를 이루어 축열속도가 빠르고 집열효율이 높은 효과가 있다.
또한, 태양열 집열모듈이 독립적으로 열교환되어 하나의 이중진공관이 파손되더라도 전체 시스템에 영향을 미치지 않고, 파손된 부분의 교체가 매우 용이한 효과가 있다.
또한, 태양열 집열장치가 모듈화되어 사용자의 설비용량 선택의 폭이 자유롭고 추후 추가증설도 용이한 효과가 있다.

Description

양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치{SOLAR COLLECTOR USING DOUBLE VACUUM TUBE WHICH OPENING IN BOTH DIRECTIONS}

본 발명은 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 독립적으로 열교환되는 태양열 집열모듈을 복수개 설치하여 축열 및 집열효과을 높이고, 일부 기기파손시 부분 교체가 용이한 태양열 집열장치에 관한 것이다.

태양열이용시스템이란 태양광선의 파동성질과 광열학적성질을 이용하여 태양열 흡수, 저장, 열변환을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술이며, 크게 집열부, 축열부, 이용부로 구성되어 있다.

집열부는 태양의 복사에너지를 흡수하여 재생가능한 열에너지로 변환시키는 기기로 중요한 역할을 담당하고 있으며, 일반적으로 태양열 집열기는 집광식과 비집광식이 있다.

집광식의 경우에는 200℃이상의 고온열을 얻을 수 있으나, 태양추적시스템을 구비해야 하는 등 초기 설치비 및 관리비가 많이 들어 주로 태양열 발전에 쓰인다.

비집광식은 평판형과 진공관형으로 나뉘는데, 종래의 평판형 태양열 집열기는 도 1에서 나타낸 바와 같이 금속제 태양열 집열판(1300)에 가열관(1400)이 설치되어 있는 것으로, 태양으로부터 발산된 태양열이 집열판(1300)에 집열되면 집열판에 설치된 가열관(1400)의 내부에 있는 열매체가 가열되고, 가열된 열매체는 밀도차에 의해 열매체 유입관(110)을 통해 축열탱크(1000)로 유입된다. 유입된 열매체는 축열탱크(1000)내에서 냉수와 상호열교환을 통해 온도가 감소하고 온도가 감소된 열매체는 다시 열매체 환수관(1200)을 통해 가열관(1400)으로 돌아오게 된다. 이는 자연대류로 이루어지고 있으나 실제 축열탱크(1000) 내부에서는 고온수와 저온수가 부딪히면서 자연대류가 원활하게 이루어지지 않아 열평형에 도달하는 시간이 오래 걸리는 문제점이 발생된다.

종래의 진공관형 태양열 집열기는 도 2에서 나타낸 바와 같이 다수개의 U자형의 진공관(2100)이 축열조(2000)와 연결되어 있는 것으로 열매체에 의한 열 취득 온도는 80℃~200℃의 범위 내로 종래의 평판형 태양열 집열기 보다 고온의 열을 취득할 수 있으나, 진공관(2100) 구조가 일방향으로만 순환되어 자연대류시 고열원과 저열원의 열매체 이동이 상호 역방향으로 이동하므로 유체이동저항을 초래하여 열평형에 도달하는 시간이 오래 걸리는 문제점이 발생되며, 여러개의 진공 유리관(2100)들이 하나의 축열조(2000)에 모두 직결된 구조이기 때문에 어느 하나의 진공 유리관(2100)이 파손되어 누수가 발생되면 축열조(2000) 내부의 열매체가 모두 누수되어 더 이상 온수기로서의 역할을 못하는 심각한 문제점이 발생된다. 또한 축열조(2000)와 진공 유리관(2100)이 연결되는 부분에서 축열조 수압에 의하여 기밀 유지가 어려워 종종 누수현상이 발생된다.

따라서, 이러한 종래 태양열 집열기의 불합리한 점을 극복하고 열평형 도달시간을 단축하여 축열속도가 빠르고 집열효과가 높은 태양열 집열장치 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 신속하게 열평형상태를 이루어 축열속도가 빠르고 집열효과가 높은 태양열 집열장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 이중 진공관의 파손시 집열장치 시스템 전체에 영향을 미치지 않고 교체가 용이한 태양열 집열모듈을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 태양광을 집열하기 위해 내부에 열매체가 충전되고 양측이 개방된 이중진공관과, 상기 이중진공관의 하부에 위치하고 양측이 루프형태로 상기 이중진공관의 양측과 결합되어 열매체가 상기 이중진공관으로부터 순환하는 축열관과, 상기 축열관의 길이방향을 따라 내부에 수용되어 열매체에 의해 가열되며 양단부가 상기 축열관의 외부로 관통되어 일부분이 노출되는 열교환관을 포함하는 태양열 집열모듈을 포함하여, 상기 태양열 집열모듈이 길이방향의 역방향으로 복수개 일렬로 배열되고 상기 축열관의 외부로 관통된 열교환관의 일측 또는 타측이 일렬로 배열된 다른 열교환관과 지그재그 형태로 연속적으로 연결되어 열교환관 내부의 온수가 이동되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 축열관의 일단에 연장형성되어 내부에 수용공간을 가지고 일측에 외부로 공기를 배기할 수 있는 공기구멍이 형성되는 팽창조절부를 더 포함하여 제공된다.

또한, 태양열 집열모듈의 양측에는 외부로 노출된 열교환관을 감싸는 보온층이 형성되어 제공된다.

그리고 상기 축열관은 PVC 재질이며, 열교환관은 동재질일 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 복수개의 독립적으로 이루어진 태양열 집열모듈의 열매체가 자연대류에 의해 신속하게 열평형상태를 이루어 축열속도가 빠르고 집열효율이 높은 효과가 있다.

또한, 태양열 집열모듈이 독립적으로 열교환되어 하나의 이중진공관이 파손되더라도 전체 시스템에 영향을 미치지 않고, 파손된 부분의 교체가 매우 용이한 효과가 있다.

또한, 태양열 집열장치가 모듈화되어 사용자의 설비용량 선택의 폭이 자유롭고 추후 추가증설도 용이한 효과가 있다.

도 1은 종래의 평판형 태양열 집열기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 진공관형 태양열 집열기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열모듈의 측단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치의 설치상태를 나타낸 측단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치의 평면도이다.
도 6은 열매체의 순환경로를 나타낸 태양열 집열모듈의 측단면 구조도이다.
도 7은 열교환관 내부 온수의 이동경로를 나타낸 축열관의 횡단면 구조도이다.
도 8은 팽창조절부의 구조를 나타낸 확대 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열모듈의 측단면 구조를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 양개형 이중진공관(10)을 이용한 태양열 집열모듈(100)은 양측이 개방된 구조의 이중진공관(10)과, 이중진공관(10) 하부에 위치하고 양측이 루프형태로 이중진공관(10)의 양측과 결합되는 축열관(20)과, 축열관(20) 내부에 수용되어 열교환이 이루어지는 열교환관(30)을 포함하여 구성된다.

이중진공관(10)은 유리재질로 이루어지며, 양측이 개방된 구조로 내부에 열매체가 충전되어 태양광에 의해 열매체가 가열된다.

축열관(20)은 이중진공관(10)의 일측에 결합되는 상부루프관(21)과 이중진공관(10)의 타측에 결합되는 하부루프관(22)을 포함한다. 축열관(20)의 양측이 상하부루프관(22)을 통해 이중진공관(10)의 양측과 결합되어 열매체가 축열관(20)을 통해 이중진공관(20)으로 순환된다. 이때에 이중진공관(10)은 상,하부루프관(22) 내부에 삽입되며, 패킹부재에 의해 기밀을 유지하도록 한다.

그리고 종래 축열관(20)은 일반적으로 스테인레스, 스틸 등의 금속재질로 이루어지나, 본 발명에서의 축열관(20)은 열전달계수가 낮으며 보온성능이 우수한 PVC 재질로 구성하여 금속 재질로 만든 축열조에 비해 단열성능 및 수명이 월등하게 우수하며, 제작 및 조립이 간편하다.

그리고 상부루프관(21)의 최상부에는 열매체 주입구(60)가 형성되어 열매체 충전 및 보충작업이 이루어지도록 한다.

열교환관(30)은 축열관(20)보다 작은 직경을 갖고, 축열관(20) 내부에 수용되어 열매체를 통해 열교환이 이루어진다. 그리고 열교환관(30)의 양단부가 축열관(20)의 양측으로 관통되어 일부분이 축열관(20) 외부로 노출된다. 여기서 열교환관(30)은 열전도성이 우수한 동재질로 이루어짐이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치의 설치상태를 나타낸 측단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치의 평면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 양개형 이중진공관(10)을 이용한 태양열 집열장치는 도 3에서 설명한 단일의 태양열 집열모듈(100)을 길이방향의 역방향으로 복수개 일렬로 배열하고, 복수개의 태양열 집열모듈(100)의 하부에 직삼각형 측단면구조의 서포트 부재(70)상에 태양광을 향하도록 경사지게 안착된다.

그리고 축열관(20) 외부로 관통된 열교환관(30)의 일측 또는 타측이 일렬로 배열된 다른 열교환관(30)과 지그재그 형태로 연속적으로 결합된다. 열교환관(30)간의 결합은 엘보와 유니온을 통해 도 5의 평면도에서와 같이 루프형태로 상호 결합된다.

여기서 열교환관(30)의 일측 및 타측은 외부로 노출되어 대기중에서 외기와 열교환되어 열교환율이 저하될 수 있는데 이를 방지하기 위해 외부로 노출된 열교환관(30)과 엘보와 유니온 등의 결합부재를 보온재로 이루어진 보온층(50)으로 보호할 수 있다. 이러한 보온층(50)은 외부로 노출된 열교환관(30) 이외에 축열관(20) 전체에 형성하여 외기로부터 보호할 수도 있다.

상기와 같은 태양열 집열장치에서, 열매체는 단일의 태양열 집열모듈(100) 내에서만 순환되며, 열교환관(30) 내부의 온수는 횡방향으로 배열된 복수개의 태양광 집열모듈의 축열관(20) 내부를 지그재그로 이송되면서 열교환이 이루어지도록 한다.

아래에서는 본 발명에 따른 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치의 작동관계에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 6은 열매체의 순환경로를 나타낸 태양열 집열모듈의 측단면 구조이며, 도 7은 열교환관 내부 온수의 이동경로를 나타낸 축열관의 횡단면 구조이며, 도 8은 팽창조절부의 구조를 나타낸 확대 단면도이다.

도 6을 참조하면, 양개형 이중진공관(10) 내부에 충전된 열매체는 태양열에 의해 고열원으로 바뀌면서 자연대류에 의해 상부로 순환되며, 상부루프관(21)을 지나면서 이중진공관(10) 저부에 위치하는 축열관(20)으로 이송된다. 축열관(20)으로 이송된 열매체는 축열관(20) 내부의 열교환관(30)과 열교환되고 다시 저열원으로 바뀌면서 하부루프관(22)을 지나 이중진공관(10)에서 재차 가열되어 지속적으로 열매체가 이중진공관(10)과 축열관(20) 내부를 순환된다.

다시 말하자면, 자연대류에 의해 이중진공관(10)의 고열원이 축열관(20)의 저열원으로 자연스럽게 열 이동하여 신속하게 열평형 상태를 이루어 축열속도가 빠르고 집열효율이 높일 수 있게 된다.

도 7을 참조하면, 이중진공관(10) 저부에 위치하는 열교환관(30)은 지그재그로 다른 모듈과 결합되며, 지그재그로 결합된 열교환관(30)의 일측은 급수관(80)과 연결되며, 타측이 급탕관(90)과 연결된다. 물이 급수관(80)측에서 물이 공급되어 열교환관(30)을 통해 고온으로 열교환되며 급탕관(90)으로 이송되어 직수로 사용하게 된다.

열교환은 각각의 독립적인 모듈에서 이루어지게 되어 어느 하나의 이중진공관(10)이 파손되더라도 전체 시스템 작동에는 아무런 지장을 초래하지 않게 된다. 또한, 독립모듈로 구성되어 이중진공관(10)이 파손된 모듈만 별도로 교체하여 사용할 수 있다.

이러한 이중진공관(10)의 파손은 열매체의 팽창에 의해 이루어질 수도 있다. 도 8에서는 열매체의 팽창에 대한 파손을 방지하기 위해 상부루프관(21) 상부로 연장형성되어 팽창된 열매체를 수용하는 수용공간(41)을 가지고, 수용공간(41) 일측에 외부로 압축된 공기를 배기할 수 있는 공기구멍(42)이 형성된 팽창조절부(40)가 더 포함되어 외부로 공기를 배출하여 이중진공관(10)의 파손을 방지할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 태양열 집열장치는 대형 축열탱크가 필요치 않아 설치가 용이하며 각 모듈의 하중분포가 균일하여 설치안정성이 우수하다. 그리고 태양열 집열장치가 모듈화되어 사용자의 설비용량 선택의 폭이 자유롭고 추후 추가증설이 용이한 장점을 가지게 된다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허등록청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10 : 이중진공관 20 : 축열관
21 : 상부루프관 22 : 하부루프관
30 : 열교환관 40 : 팽창조절부
41 : 수용공간 42 : 공기구멍
50 : 보온층 60 : 열매체 주입구
70 : 서포트 부재 80 : 급수관
90 : 급탕관 100 : 태양열 집열모듈

Claims (5)

1. 태양광을 집열하기 위해 내부에 열매체가 충전되고 양측이 개방된 이중진공관과;
   상기 이중진공관의 하부에 위치하고 양측이 루프형태로 상기 이중진공관의 양측과 결합되어 열매체가 상기 이중진공관으로부터 순환하는 축열관과;
   상기 축열관의 길이방향을 따라 내부에 수용되어 열매체에 의해 가열되며 양단부가 상기 축열관의 외부로 관통되어 일부분이 노출되는 열교환관을; 포함하는 태양열 집열모듈을 포함하여,
   상기 태양열 집열모듈이 길이방향의 역방향으로 복수개 일렬로 배열되고 상기 축열관의 외부로 관통된 열교환관의 일측 또는 타측이 일렬로 배열된 다른 열교환관과 지그재그 형태로 연속적으로 연결되어 열교환관 내부의 온수가 이동되는 것을 특징으로 하는 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 축열관의 일단에 연장형성되어 내부에 수용공간을 가지고 일측에 외부로 공기를 배기할 수 있는 공기구멍이 형성되는 팽창조절부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   태양열 집열모듈의 양측에는 외부로 노출된 열교환관을 감싸는 보온층이 형성되는 것을 특징으로 하는 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 축열관은 PVC 재질인 것을 특징으로 하는 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환관은 동재질인 것을 특징으로 하는 양개형 이중진공관을 이용한 태양열 집열장치.
   

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