KR20150004040U - 태양열 집열관 - Google Patents

Abstract

본 고안은 태양열 집열관에 관한 것으로, 특히 저온수가 저장되는 축열조와, 상기 축열조의 일측으로 복수개가 연결 설치되어 태양열을 집열하여 고온상태의 열을 상기 축열조의 내부로 전달하여 축열조에 저장된 저온수와 열교환이 이루어지도록 구성되는 태양열 집열관을 포함하여 구성되는 태양열 집열장치에 있어서, 상기 태양열 집열관은 ∪형으로 이루어져 그 상단부에는 마개가 결합되고, 상기 마개에는 일단이 집열관 내측으로 일정길이 삽입되고 타단이 상기 축열조의 내부로 일정길이 노출되어 집열관 내부의 고온의 열기가 축열조 내부의 저온수와 열교환이 이루어지도록 하는 열교환봉이 설치되고, 상기 태양열집열관이 설치된 마개의 일측에는 집열관의 내부에서 발생된 기체가 집열관 내부의 증가된 압력으로 외부로 빠져나갈 수 있도록 자동 개폐되는 공기배출로가 형성된 구조로 이루어진다.

Description

태양열 집열관{Solar energy collector}

본 고안은 태양열 집열관에 관한 것으로, 특히 태양열 집열관 내부에서 축열조로 신속한 열 이동이 이루어져 집열장치의 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 태양열 집열관 내부의 온도 상승시 포화된 기체를 집열관의 외부로 자동 배출시켜 태양열 집열관의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 태양열 집열관에 관한 것이다.

화석연료의 사용에 따른 지구환경파괴와, 원자력을 이용한 각종 사고발생 등전기를 생산하기 위한 종래의 기술에 대해 여러가지의 단점과 불편함 및 위험성을 해결하기 위한 방안으로 새로운 애너지원 개발에 대해서 전 세계적으로 각 국가들이 심혈을 기울이고 있다.

특히, 근래에는 자연의 청정에너지를 이용하기 위한 신재생에너지의 개발에 많은 연구 및 상용화가 이루어지고 있는 실정이며, 그 중에서도 태양광 또는 태양열을 에너지원으로 이용하기 위한 대체에너지의 개발이 특히 주목받고 있다.

태양광 또는 태양열을 이용한 대체에너지는 오염발생이 없고 무한한 자원을 이용할 수 있다는 점에서 매우 유용한 대체에너지원으로 인정받고 있으나, 기술적으로 그 이용 효율성이 비교적 낮아 더욱 많은 연구가 필요한 분야라 할 수 있다.

그중 태양열 집열장치는 태양의 복사에너지를 흡수하고, 외부로 발산하는 전도와 대류 열전달은 차단하여 비교적 비열이 큰 열매체에 흡수한 에너지를 저장해두었다가 온수 또는 난방수로 사용할 수 있도록 하는 장치로, 태양으로부터 열을 흡수하는 집열부와, 집열부에서 흡수한 열에너지를 저장하는 축열조, 상기 집열부에서 축열로조 흡수된 열을 전달하는 열매체, 상기 열매체로 전달된 열을 물과 열교환하기 위한 열교환기 등으로 구성되며, 필요에 따라 보조 열원 및 펌프장치가 포함될 수 있다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 태양열 집열장치 중 집열부는 일반적으로 태양 복사에너지를 잘 흡수하고, 외부로 열전달을 차단할 수 있도록 유리와 보온구조로 되어있으며, 일반적으로 평판형, 진공관형, 이중 진공관형으로 구성되어 있다.

본 발명의 기술분야는 태양열에너지를 이용한 온수, 난방수를 얻기 위해 사용되는 태양열 집열장치에 관한 것으로, 특히 태양열을 집열하기 위한 진공관형 집열관에 관한 것이다.

진공관형 집열관은 평판형에 비해 내부에 있는 공기의 대류 열전달로 인한 열손실을 피할 수 있도록 개발되어 평판형에 비해 그 효율성이 뛰어난 것으로 인정받고 있으며, 이러한 진공관형 집열관은 단일진공관형과 이중진공관형으로 구분되어 있다.

단일진공관형 집열관은 태양열흡수판으로 흡수된 태양복사에너지가 열도전도관으로 전도되어 열전달이 이루어지고, 열전도관은 진공튜브 내부에서 고온으로 가열되고, 그 위호 열매체수송관이 지나면서 열매체가 가온되고, 가온된 열매체는 축열조를 순환하면서 축열조에 저장된 물과 열교환이 이루어지는 방식이다.

또한, 이중진공관형 집열관은 열매체수송관을 이중관으로 하여 열매체가 진공튜브 내부를 순환하도록 만들어서 단일진공관에 비해 열효율을 높이도록 한 것이다.

그러나, 이러한 종래의 진공관형 집열관은 효율이 높은 대신에 진공튜브가 외부 충격에 약하여 쉽게 파손될 우려가 많으며, 파손시에 열매체관 내부의 유체가 유출되어 큰 고장으로 이어지고, 설치비가 고가인 단점이 있다.

또 다른 실시예로, 설치비가 상대적으로 저렴하면서 널리 이용되고 있는 태양열 온수장치가 도 1에 도시되어 있는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 상단부에 축열조(10)가 설치되고, 상기 온수저장탱크에서 저온수를 공급받아 집열된 태양열에 의해 공급된 저온수를 고온수로 데워서 온수저장탱크 내부의 저온수와 열교환이 이루어지도록 다수개의 이중진공관()이 하단부에 설치되는 수관식방식이 있다.

하지만, 이러한 수관식 태양열 집열장치의 경우, 온수로 사용되는 물이 직접 이중진공관 내부를 순환하는 구조로 이루어져 물에 포함된 이물질이 고온의 이중진공관 내부에 달라붙어 침적되는 경우가 발생되고, 이로 인해서 집열관의 효율이 저하됨으로 인해서 주기적으로 세척을 하여야 하나, 이 또한 그 세척 및 교체에 따란 비용증감이 발생되어 이용자들에게 경제적 부담을 주고 있었다.

- 한국 특허등록 제10-1026259호(등록일: 2011.03.24, 발명의 명칭: 태양열집열장치와 이를 이용한 온수 겸용 난방시스템) - 한국 특허등록 제10-0897439호(등록일: 2009.05.06, 발명의 명칭: 태양열 집열관) - 한국 특허등록 제10-0972459호(등록일: 2010.07.20, 발명의 명칭: 태양열 집열기)

본 고안은 상술한 종래의 열매체 타입이나 수관식 진공관형 태양열 집열장치가 갖는 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 특히 집열관의 내부에 물을 채우지 않아 파손시 고장의 위험이 없고 이물질이 집열관의 내벽에 침적되어 집열효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있는 태양열 집열관을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 고안은 집열관 내부가 고온상태로 유지되는 동안 발생된 증발기체가 그 내부압력에 의해 축열조로 자동으로 배출되도록 하여 고열에 의해 파손될 수 있는 집열관의 수명을 연장할 수 있도록 하는 태양열 집열관을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 고안에 따른 태양열 집열관은 저온수가 저장되는 축열조와, 상기 축열조의 일측으로 복수개가 연결 설치되어 태양열을 집열하여 고온상태의 열을 상기 축열조의 내부로 전달하여 축열조에 저장된 저온수와 열교환이 이루어지도록 구성되는 태양열 집열관을 포함하여 구성되는 태양열 집열장치에 있어서, 상기 태양열 집열관은 ∪형으로 이루어져 그 상단부에는 마개가 결합되고, 상기 마개에는 일단이 집열관 내측으로 일정길이 삽입되고 타단이 상기 축열조의 내부로 일정길이 노출되어 집열관 내부의 고온의 열기가 축열조 내부의 저온수와 열교환이 이루어지도록 하는 열교환봉이 설치되고, 상기 태양열집열관이 설치된 마개의 일측에는 집열관의 내부에서 발생된 기체가 집열관 내부의 증가된 압력으로 외부로 빠져나갈 수 있도록 자동 개폐되는 공기배출로가 형성된 구조로 이루어진다.

또한, 상기 열교환봉은 그 내부에 에탄올이 충진되어 있는 열전도성이 높은 금속제 외피로 이루어지고, 상기 공기배출로는 마개 하단부에 관통되어 집열관 내부와 연통되는 공기진입공과, 상기 공기진입공을 중력에 의해 밀폐하고 있다가 집열관 내부의 압력증가시 증가된 압력에 의해 공기집입공을 개방하도록 공기배출로 내부에 삽입된 밀폐구가 구비된 구조로 이루어진다.

상술한 본 고안에 따른 태양열 집열관은 그 내부에 별도의 유체가 포함되어 있지 않아서 이중진공관구조로 이루어지는 집열관의 내벽에 이물질이 끼어 집열효율이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 한다.

또한, 본 고안은 집열관의 상부 마개에 에탄올 열교환봉이 끼움 설치되어 집열관 내부의 고온을 신속하게 축열조의 저온수로 전달하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

또한, 본 고안은 집열관의 상부측 마개에는 집열관 내부의 압력이 일정이상일 경우에 자체 압력에 의해 개방되어 고압의 공기가 빠져나가고 저압 상태에서는 자중에 의해 공기진입공이 막히는 공기배출로가 형성되어 집열관 내부의 균일한 압력 유지와, 집열관의 집열효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

도 1은 종래의 수관식 태양열 온수장치의 구성상태도,
도 2는 본 고안에 따른 태양열 집열관의 외부사시도,
도 3은 본 고안에 따른 태양열 집열관의 분리사시도,
도 4는 도 2의 A-A선에 따른 수직 절단단면도 및 일부 확대도,
도 5는 본 고안에 따른 태양열 집열관이 설치된 태양열 집열장치의 일부 구성단면도이다.

이하, 명세서에 첨부된 도면을 참고하면서 본 고안의 태양광 집열관에 대한 바람직한 실시예에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

본 고안의 상세한 설명에서는 태양열 집열장치의 일반적인 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략하고, 본 고안의 특징부 위주로만 상세하게 설명한다.

도 2는 본 고안에 따른 태양열 집열관(40)의 외부사시도이고, 도 3은 본 고안에 따른 태양열 집열관(40)의 분리상태도이며, 도 4는 도 2의 A-A선에 따른 수직 절단단면상태를 각각 도시하고 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 태양열 집열관(40)은 그 본체(41)가 ∪형으로 이루어진 이중 유리관 구조로 이루어지되, 상부가 개방된 상태에서 본체마개(42)가 결합되어 그 내부가 밀폐된 구조로 이루어진다.

상기 마개(42)는 ∪형 본체(41)의 상단부를 밀폐하는 역할뿐만 아니라 후술하는 열교환봉(50)을 지지하는 역할을 하는 것으로, 소정의 탄성력을 갖는 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본체(41)의 상단 내측으로 끼움 결합시 유리제로 이루어진 본체(41)의 내주면과 면 접촉력을 줄이면서 끼움 결합이 용이하도록 그 외주면이 요철형 또는 나선형 구조의 하단 끼움부(43)가 형성된 구조로 이루어진다.

또한, 본 고안의 태양열 집열관(40)은 본체(41) 내부에 열매체나 물이 채워져 축열조로 순환되는 구조가 아니고, 본체마개(42)에 끼움 결합된 막대형상의 열교환봉(50)에 의해 열전달이 이루어져 축열조의 저온수를 데울 수 있는 구조로 이루어진다.

따라서, 상기 태양열 집열관(40)의 본체(41) 상단 내부에는 소정의 탄성재질로 이루어진 본체마개(42)가 끼움 결합되어 ∪형 본체(41) 내부를 밀폐하게 되며, 밀폐된 본체(41)의 내부로 일정 길이의 열교환봉(50)이 본체마개(42)를 관통하여 설치되어 본체(41) 내부의 고온 상태의 열이 열교환봉(50)을 통해 축열조로 전달되는 구조로 이루어진다.

상기 본체마개(42)에 결합되는 열교환봉(50)은 본체마개(42)의 중심부에 수직으로 설치되어 본체(41)의 중심부 깊이까지 삽입 설치되며, 그 상단부는 본체마개(42)의 상부로 노출되어져 복수의 태양열 집열관(40)이 연결 설치되는 축열조 내부에 위치되도록 구성된다.

상기 태양광 집열관(40)의 본체(41) 내부와 축열조 사이에서 태양열 집열관(40) 내부의 고온상태의 열기를 축열조로 전달하는 상기 열교환봉(50)은 열전달효율이 뛰어나면서 내열성이 우수한 재질로 구성되는 것으로, 그 외피(52)는 동제, 알루미늄제, 스테인레스 재질 중 어느 하나로 구성되고, 외피(52)의 내부에는 에탄올(54)이 충진된 구조로 이루어진다.

또한, 상기 열교환봉(50)이 관통 설치된 본체마개(42)의 일측에는 공기배출로(60)가 관통 형성되는 것으로, 상기 공기배출로(60)의 하단부에는 태양열 집열관(40)의 내부측을 향하도록 개구되어 본체(41)의 내부에서 포화된 공기가 유입되는 공기유입공(62)이 형성되고, 본체마개(42)의 외측을 향하는 상단부에는 공기배출구(64)가 형성된다.

또한, 상기 공기배출로(60)의 내부에는 자중에 의해 공기유입공(62)을 밀폐하고 있다가 본체(41)의 내부 압력 증가시 증가된 압력에 의해 공기유입공(62)을 개방시키는 구형의 금속제 밀폐구(66)가 구비되고, 상기 공기배출구(64)에는 그 중심부에 수직방향으로 미세한 공기배출공(67)이 형성된 배출마개(65)가 끼움 설치된다.

이와 같은 구성 및 구조로 이루어지는 본 고안에 따른 태양열 집열관(40)이 일정 기울기의 지지프레임(35)에 설치된 상태가 도 5에 개략적으로 도시되어 있다.

도 5는 일반적인 구성으로 이루어지는 축열장치(70)의 일부 구성을 개략적으로 도시한 것으로, 축열조(10)에 저온수가 채워진 상태에서 축열조(10)의 일측 하단으로 복수개의 태양열 집열관(40)이 연결 설치되며, 축열조(10)에 연결된 태양열 집열관(40)은 그 상단부가 축열조(10)의 내부에 채워진 저온수에 잠겨진 상태로 설치된다.

따라서, 태양열을 받는 태양열 집열관(40)의 내부가 고온으로 데워지면서 태양열 집열관(40)의 내측으로 일단이 노출된 열교환봉(50)이 고온상태가 되면서 상대적으로 저온 상태를 유지하고 있는 타단의 축열조(10) 내부로 열이동이 이루어지면서 축열조(10)의 내부에 저장된 저온수와 열교환이 이루어지면서 저온수의 온도를 상승시키게 된다.

또한, 상기 열교환봉(50)의 열전달을 통해 축열조(10)의 저온수를 고온수로 변화시키는 동안, 태양열 집열관(40)의 내부는 매우 높은 고온상태가 유지되고, 그 내부에 채워진 공기도 함께 데워져 밀도가 낮아지면서 압력이 증가하게 되는데, 태양열 집열관(40)의 내부 압력이 일정 이상으로 올라가게 되면서 본체마개(42)에 형성된 공기배출로(60)의 공기유입공(62)을 막고 있는 밀폐구(66)를 밀어내어 고압상태의 본체 내부 공기가 개방된 공기유입공(62)을 통해 빠져나가게 되고, 공기유입공(62)으로 빠져나간 공기는 공기배출구(64)에 결합된 배출마개(65)의 공기배출공(67)을 통해 본체마개(42)의 외측으로 빠져나감으로써 태양열 집열관(40)의 내부 압력을 균일하게 유지되도록 한다.

이와 같이, 본 고안에 따른 태양열 집열관(40)이 적용된 태양열 집열장치(70)는 태양열 집열관(40) 내부의 고온상태 열기가 에탄올이 충진된 열교환봉(50)을 통해 신속하게 축열조(10)로 전달되어 축열조(10) 내부의 저온수를 데우게 되고, 태양열 집열관(40)의 내부에서 발생된 포화상태의 기체는 공기배출로(60)를 통해 외부로 빠져나가게 되어 집열효율이 저하되거나 고온, 고압에 의한 파손을 방지하여 그 내구성을 향상시킬 수 있도록 한다.

10 : 축열조 20, 40 : 태양열 집열관
30, 70 : 태양열 집열장치 35 : 지지프레임
41 : 본체 42 : 본체마개
43 : 하단 끼움부 50 : 열교환봉
52 : 외피 54 : 에탄올
60 : 공기배출로 62: 공기유입공
64 : 공기배출공 65 : 배출마개
66 : 밀폐구

Claims (2)

1. 저온수가 저장되는 축열조와, 상기 축열조의 일측으로 복수개가 연결 설치되어 태양열을 집열하여 고온상태의 열을 상기 축열조의 내부로 전달하여 축열조에 저장된 저온수와 열교환이 이루어지도록 구성되는 태양열 집열관을 포함하여 구성되는 태양열 집열장치에 있어서,
   상기 태양열 집열관은 그 본체가 ∪형으로 이루어져 상단부에 본체마개가 결합되고, 상기 마개에는 일단이 집열관 내측으로 일정길이 삽입되고 타단이 상기 축열조의 내부로 일정길이 노출되어 집열관 내부의 고온의 열기가 축열조 내부의 저온수와 열교환이 이루어지도록 하는 열교환봉이 설치되고,
   상기 태양열집열관이 설치된 마개의 일측에는 집열관의 내부에서 발생된 기체가 집열관 내부의 증가된 압력으로 외부로 빠져나갈 수 있도록 자동 개폐되는 공기배출로가 형성된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열교환봉은 그 내부에 에탄올이 충진되어 있는 열전도성이 높은 금속제 외피로 이루어지고,
   상기 공기배출로는 마개 하단부에 관통되어 집열관 내부와 연통되는 공기유입공과, 상기 공기유입공을 중력에 의해 밀폐하고 있다가 집열관 내부의 압력증가시 증가된 압력에 의해 공기유입공을 개방하도록 공기배출로 내부에 삽입된 밀폐구와, 상기 밀폐구의 이탈을 방지하면서 소정의 공기배출공이 중앙에 형성되어 상기 공기배출로의 상단부에 결합되어 있는 배출마개가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 집열관.

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