KR20150018105A - 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템 - Google Patents

태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템 Download PDF

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남유진
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청주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 태양 에너지를 이용하여 발전 및 난방을 행하는 태양열 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 태양광 발전패널에 별도의 냉각수단이 마련되어 있지 아니함으로 인해 태양광 발전패널이 쉽게 과열되어 발전효율이 저하되는 문제 및 겨울철에는 난방용으로 이용 가능하나 난방수요가 없는 여름철에는 수요처의 부재로 인해 활용도가 떨어지는 문제가 있었던 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 태양광 발전패널에 핀형 방열 냉각파이프를 설치하고 히트펌프 및 지중 열교환기를 통하여 냉각수를 순환시킴으로써 태양광 발전패널의 과열을 방지하여 발전효율의 저하를 방지할 수 있는 동시에, 겨울철에는 난방 및 온수공급용으로 사용하고 여름철에는 냉방 및 온수공급용으로 사용이 가능하여 사계절 및 주야간에 걸쳐 상시 사용 가능하도록 구성되는 것에 의해 활용도를 높일 수 있도록 구성되는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템이 제공된다.

Description

태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템{Heat exchange system using photovoltaic-thermal and geothermal heat}
본 발명은 태양 에너지를 이용하여 발전 및 난방을 행하는 태양열 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 태양광 발전패널에 방열수단을 구비함으로써, 별도의 방열수단이 고려되지 아니하여 쉽게 과열됨으로 인해 발전효율이 떨어지는 단점이 있었던 종래의 태양열 시스템의 문제점을 해결하기 위한 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 태양광 발전패널에 방열수단을 구비하는 동시에, 겨울철에는 난방 및 온수공급용으로 사용하고 여름철에는 냉방 및 온수공급용으로 사용이 가능하여 사계절 및 주야간에 걸쳐 상시 사용 가능하도록 구성됨으로써, 겨울철에는 난방용으로 이용 가능하나 난방수요가 없는 여름철에는 활용도가 떨어지는 단점이 있었던 종래의 태양열 시스템의 문제점을 해결하기 위한 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템에 관한 것이다.
종래, 발전이나 난방 등을 위한 에너지를 얻기 위해, 기존에는 석탄이나 석유와 같은 화석연료가 많이 사용되어 왔으며, 또한, 최근에는 보다 고효율의 에너지원으로서 원자력 에너지도 많이 사용되고 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 화석연료나 원자력 에너지는, 환경오염을 유발하는 문제로 인해 기존의 화석연료나 원자력을 대신할 수 있는 대체에너지에 대한 요구가 날이 갈수록 높아지고 있으며, 아울러, 최근 잇달아 일어나고 있는 원자력 발전 관련 사고들로 인해, 이러한 환경오염 등의 부작용으로부터 안전한 청정에너지에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 환경오염 문제를 일으키지 않는 청정에너지의 하나로서, 예를 들면, 태양열을 이용하여 발전 및 난방을 행하는 태양열 시스템이 있다.
즉, 태양열 시스템은, 주간에는 태양열을 이용하여 직접 열매체를 가열하고, 야간에는 축열을 통해 간접적으로 가열함으로써, 연료비와 같은 유지비용이 들지 않고 환경오염 문제를 일으키지 않는 장점이 있다.
또한, 상기한 바와 같은 종래의 태양열 시스템에 대한 예로서는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 특0174347호(1998.11.04.)에 제시된 바와 같은 "태양열 온난방장치"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허공보 특0174347호의 "태양열 온난방장치"는, 다수의 집열판을 구비한 집열수단과, 상기 집열수단에서 흡수한 태양에너지를 저장하도록 상기 집열수단의 일측에 배설된 축열탱크와, 급탕 및 난방시에 부족한 열량을 보충하는 보일러와, 온수를 급탕하도록 상기 축열탱크와 보일러를 통과하는 급탕관을 구비한 태양열 온난방장치에 있어서, 난방하도록 그 내부에 열매체가 흐르는 난방관이 상기 집열수단과 축열탱크와 상기 보일러의 내부로 순환하게 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 태양열 온난방장치에 관한 것이다.
따라서 상기한 등록특허공보 특0174347호에 따르면, 태양열 및 보일러 열원을 선택적 또는 동시에 이용하여 기상조건에 관계없이 급탕 및 난방이 가능하므로 에너지를 절감할 수 있다.
그러나 상기한 바와 같은 기존의 태양열 시스템은, 단독으로 난방과 온수공급을 모두 해결할 수 있을 만큼 충분한 열원 공급이 어렵기 때문에 온수 전용으로만 이용되거나, 난방을 위해 별도의 보일러를 연계하여 사용해야 하므로 초기 설치 비용이 높은 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 상기한 바와 같은 종래의 태양열 시스템에 대한 다른 예로서, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-0767830호(2007.10.10.)에 제시된 바와 같은 "태양열을 이용한 난방수 및 온수 공급 시스템"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0767830호의 "태양열을 이용한 난방수 및 온수 공급 시스템"은, 내부에 열매체 순환이 가능하도록 공간부가 형성된 진공관 튜브로 이루어지고 외부 둘레에 다수의 솔라셀이 구비되어 태양열을 집열하는 집열기와 상기 집열기에 열매체를 공급을 중개하며 상기 집열기에서 가열된 열매체가 수용되는 탱크를 포함하여 구성되는 태양열 보일러와, 상기 태양열 보일러의 탱크에 열매체를 공급하는 급수관과 상기 태양열 보일러에 의해 가열된 열매체를 사용 공간으로 공급하는 난방수 공급관과 상기 사용 공간을 순환한 난방수가 환수되는 환수관 및 상기 태양열 보일러에 의해 가열된 열매체를 공급하는 온수 공급관으로 구성되는 배관과; 상기 환수관의 일측에 설치되어 난방수를 상기 태양열 보일러로 강제 순환시키는 제 1 순환 펌프와; 상기 급수관의 일측에 구비되어 열매체를 상기 태양열 보일러로 강제 순환시키는 제 2 순환 펌프를 포함하여 구성됨으로써, 내부에 열매체가 순환되며 태양열을 집열하는 진공관 튜브형 태양열 보일러를 이용하여 별도의 보일러 없이 난방수 및 온수를 공급할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 난방수 및 온수 공급 시스템에 관한 것이다.
따라서 상기한 등록특허 제10-0767830호에 따르면, 기존의 보일러를 대신하여 태양열 시스템만으로 난방 및 온수공급이 가능하도록 할 수 있으나, 상기한 바와 같은 종래의 태양열 시스템들은, 기본적으로 태양빛이 있는 동안에만 가동이 가능하므로 그 효율이 높지 못한 단점이 있었다.
여기서, 이러한 문제를 해결하기 위해, 종래, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0586460호(2006.05.26.)에 제시된 "태양열과 공기열을 이용한 하이브리드 히트펌프 시스템" 및 한국 등록특허공보 제10-0758820호(2007.09.10.)에 제시된 "지열과 태양열 및 보조열원을 사용하는 급탕 및 냉난방시스템과 그 운전제어방법" 등과 같이, 기존의 태양열 시스템과 다른 형태의 난방 시스템을 결합한 하이브리드 형태의 태양열 시스템이 제시된 바 있다.
그러나 상기한 바와 같은 하이브리드 형태의 태양열 시스템들도, 태양열 시스템과 다른 난방시스템을 함께 구비해야 하므로, 결과적으로 초기 시설투자 비용 및 설치공간이 증가하게 되는 문제가 그대로 남아있는 것이었다.
아울러, 상기한 바와 같이, 종래, 여러 가지 형태의 태양열 시스템이 제시된 바 있으나, 이러한 종래의 태양열 시스템들은 공통적으로 다음과 같은 문제점 또한 가지는 것이었다.
즉, 기존의 태양열 시스템은, 일반적으로, 크게 나누어, 태양광에 의해 발전이 이루어지는 태양전지가 복수 개 배열되어 넓은 판형태로 형성되는 태양광 발전패널 및 상기한 태양광 발전패널로부터 집열된 열을 이용하여 난방이나 급탕을 하기 위한 열교환기를 포함하여 이루어진다.
여기서, 태양광 발전패널은, 일반적으로, 25℃ 이상으로 온도가 올라가게 되면 발전효율이 떨어지는 문제가 있으며, 특히, 기온이 높고 태양빛이 강한 여름철에는 태양광 발전패널의 온도상승이 매우 빠르게 진행된다.
그러나 종래의 태양열 시스템들은, 이러한 태양광 발전패널에 별도의 냉각수단이 마련되어 있지 아니함으로 인해, 태양광 발전패널이 쉽게 과열되어 발전효율이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 종래의 태양열 시스템들은, 겨울철에는 난방용으로 유용하게 이용 가능하지만, 난방수요가 없는 여름철에는 수요처의 부재로 인해 활용도가 떨어지는 문제도 있었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결하기 위하여는, 태양광 발전패널이 쉽게 과열되지 않도록 냉각수단을 마련하여 발전효율의 저하를 방지하는 동시에, 겨울철에는 난방 및 온수공급용으로 사용하고 여름철에는 냉방 및 온수공급용으로 사용이 가능하여 사계절 및 주야간에 걸쳐 상시 사용 가능하도록 구성됨으로써 활용도를 높일 수 있는 새로운 태양열 시스템을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 특0174347호(1998.11.04.)
2. 한국 등록특허공보 제10-0767830호(2007.10.10.)
3. 한국 등록특허공보 제10-0586460호(2006.05.26.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0758820호(2007.09.10.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 태양광 발전패널에 별도의 냉각수단이 마련되어 있지 아니함으로 인해 태양광 발전패널이 쉽게 과열되어 발전효율이 저하되는 단점이 있었던 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 태양광 발전패널에 핀형 방열 냉각파이프를 설치하고 히트펌프 및 지중 열교환기를 통하여 냉각수를 순환시키도록 구성됨으로써, 태양광 발전패널의 과열을 방지하여 발전효율의 저하를 방지할 수 있도록 구성되는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 겨울철에는 난방용으로 유용하게 이용 가능하지만 난방수요가 없는 여름철에는 수요처의 부재로 인해 활용도가 떨어지는 단점이 있었던 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 상기한 바와 같이 태양광 발전패널의 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 동시에, 겨울철에는 난방 및 온수공급용으로 사용하고 여름철에는 냉방 및 온수공급용으로 사용이 가능하여 사계절 및 주야간에 걸쳐 상시 사용 가능하도록 구성됨으로써, 활용도를 높일 수 있도록 구성되는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템에 있어서, 복수의 태양전지가 배열되어 태양광 발전 및 태양열을 집열하는 판 형태로 회전 가능하도록 설치되는 태양광 발전패널; 지열을 이용하여 냉방 또는 난방을 공급하기 위해 지중에 설치되는 지중 열교환기; 상기 태양광 발전패널 및 상기 지중 열교환기와 각각 열교환을 행하는 히트펌프(heat pump); 난방 및 온수 공급을 위해 상기 태양광 발전패널 및 상기 히트펌프로부터 전달된 열을 축적하는 축열탱크(heat storage tank); 상기 히트펌프와 상기 지중 열교환기 사이의 열교환을 통하여 상기 태양광 발전패널을 냉각하기 위한 냉각수가 공급되고, 외주면에는 복수의 방열핀이 형성되어 상기 태양광 발전패널의 뒷면에 설치되는 핀형 방열 냉각파이프; 상기 태양광 발전패널, 상기 히트펌프, 상기 축열탱크 및 상기 지중 열교환기를 각각 연결하기 위한 배관; 미리 정해진 온도에 도달시 동작되어 열교환 루프의 경로를 변경하도록 상기 태양광 발전패널, 상기 히트펌프, 상기 축열탱크 및 상기 지중 열교환기의 사이의 상기 배관에 각각 설치되는 복수의 제어밸브(control valve); 상기 히트펌프와 상기 지중 열교환기의 사이에 설치되는 순환밸브(circulation valve); 및 상기 열교환 시스템 전체의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 제어부는, 여름철 낮 시간 동안 상기 태양광 발전패널을 통하여 발전 및 태양열의 집열을 행하고 상기 축열탱크로 열을 전달하여 상기 축열탱크에 저장된 열에 의해 온수공급을 행하는 동시에, 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프 사이의 열교환을 통해 지상의 기온보다 낮은 지중의 온도를 순환시키는 것에 의해 냉방을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 지중 열교환기가 설치된 지중의 온도가 미리 정해진 일정 온도 이상으로 올라가거나, 야간 또는 태양광이 존재하지 않는 시간 동안, 상기 태양광 발전패널을 회전시켜 상기 핀형 방열 냉각파이프가 위를 향하도록 위치시키고, 상기 히트펌프와 상기 지중 열교환기 사이의 열교환을 통해 지중의 열을 상기 핀형 방열 냉각파이프 및 상기 방열핀에 전달하여 상기 지중의 열을 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제어부는, 겨울철 낮 시간 동안, 상기 태양광 발전패널을 통하여 집열된 태양열을 상기 축열탱크에 전달하여 저장하는 동시에, 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프에 의한 열교환을 통해 회수된 지열을 상기 축열탱크에 저장함으로써, 상시적인 난방을 제공할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 제어부는, 상기 지중의 온도가 미리 정해진 일정 온도 이하로 낮아지면, 상기 태양광 발전패널로부터 집열된 태양열을 상기 지중 열교환기 쪽으로 순환시키도록 열교환 루프를 변경하고, 상기 지중의 온도를 회복하는 동안 상기 축열탱크에 저장된 열을 이용하여 난방을 공급함으로써, 상시적인 난방을 제공할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 태양광 발전패널에 핀형 방열 냉각파이프를 설치하고 히트펌프 및 지중 열교환기를 통해 냉각수를 순환시키는 것에 의해 태양광 발전패널의 과열을 방지하여 발전효율의 저하를 방지할 수 있도록 구성되는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템이 제공됨으로써, 태양광 발전패널에 별도의 냉각수단이 마련되어 있지 아니함으로 인해 태양광 발전패널이 쉽게 과열되어 발전효율이 저하되는 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 태양광 발전패널의 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 동시에, 겨울철에는 난방 및 온수공급용으로 사용하고 여름철에는 냉방 및 온수공급용으로 사용이 가능하여 사계절 및 주야간에 걸쳐 상시 사용 가능하도록 구성되는 것에 의해 활용도를 높일 수 있는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템이 제공됨으로써, 겨울철에는 난방용으로 유용하게 이용 가능하지만 난방수요가 없는 여름철에는 수요처의 부재로 인해 활용도가 떨어지는 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면으로, 태양광이 존재하는 여름철 낮 시간 동안의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템의 태양광 발전패널의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템의 태양광이 존재하지 않는 밤 시간 동안의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템의 겨울철의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템의 겨울철 동작중에 지중의 온도가 낮아진 경우 지중의 온도를 회복하기 위한 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 태양광 발전패널에 별도의 냉각수단이 마련되어 있지 아니함으로 인해 태양광 발전패널이 쉽게 과열되어 발전효율이 저하되는 단점이 있었던 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 태양광 발전패널에 핀형 방열 냉각파이프를 설치하고 히트펌프 및 지중 열교환기를 통해 냉각수를 순환시키도록 구성됨으로써, 태양광 발전패널의 과열을 방지하여 발전효율의 저하를 방지할 수 있도록 구성되는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 겨울철에는 난방용으로 유용하게 이용 가능하지만 난방수요가 없는 여름철에는 수요처의 부재로 인해 활용도가 떨어지는 단점이 있었던 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 태양광 발전패널의 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 동시에, 겨울철에는 난방 및 온수공급용으로 사용하고 여름철에는 냉방 및 온수공급용으로 사용이 가능하여 사계절 및 주야간에 걸쳐 상시 사용 가능하도록 구성됨으로써, 활용도를 높일 수 있도록 구성되는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면으로, 태양광이 존재하는 여름철 낮 시간 동안의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 나누어, 복수의 태양전지가 배열되어 태양광을 통해 발전이 이루어지는 동시에 태양열을 집열하기 위한 태양광 발전패널(11)과, 상기 태양광 발전패널(11)에 의해 집열된 태양열 및 지열을 이용하여 열교환을 행하는 히트펌프(heat pump)(12)와, 상기 태양광 발전패널(11) 및 상기 히트펌프(12)로부터 전달된 열을 축적하고 난방 및 온수 공급을 하기 위한 축열탱크(heat storage tank)(13)와, 상기한 히트펌프(12)와의 열 교환에 의해 냉방을 공급하기 위한 지중 열교환기(14)를 포함하여 구성되어 있다.
또한, 상기한 태양광 발전패널(11), 히트펌프(12), 축열탱크(13) 및 지중 열교환기(14)는 각각 배관을 통해 연결되며, 아울러, 태양광 발전패널(11), 히트펌프(12), 축열탱크(13) 및 지중 열교환기(14)의 사이에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 각각의 열교환 루프의 경로를 조절하기 위한 복수의 제어밸브(control valve)(15)가 각각 설치되고, 히트펌프(12)와 지중 열교환기(14)의 사이에는 순환밸브(circulation valve)(16)가 설치되어 있다.
아울러, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)의 태양광 발전패널(11)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 상기한 태양광 발전패널(11)은, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 앞면은 일반적인 태양광 발전패널로 이루어지나, 뒷면에는, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 상기한 히트펌프(12) 및 지중 열교환기(14)와의 열교환을 통해 태양광 발전패널(11)을 냉각하기 위한 냉각수가 공급되고 외주면에는 복수의 방열핀이 형성되어 있는 핀형 방열 냉각파이프(21)가 설치되어 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)의 구체적인 동작에 대하여 설명하면, 먼저, 여름철 낮 시간 동안에는, 도 1에 나타낸 바와 같이 태양광 발전패널(11)을 통하여 발전 및 태양열의 집열을 행한다.
이어서, 태양광 발전패널(11)이 가열되면, 도 1에 굵은 실선으로 나타낸 바와 같은 경로를 따라 이러한 열이 축열탱크(13)로 전달되어 저장되고, 축열탱크에 저장된 열에 의해 난방수를 가열하여 온수공급을 행한다.
이때, 도 2에 나타낸 바와 같이, 태양광 발전패널(11)의 뒷면에 설치된 핀형 방열 냉각파이프(21)에 의해, 태양광 발전패널(11)에 의해 모아진 태양열 및 발전에 의해 발생하는 열이 태양광 발전패널(11)의 뒷면에 설치되어 있는 핀형 방열 냉각파이프(21)에 전달되어 핀형 방열 냉각파이프(21) 내의 냉각수 및 외주면에 형성된 복수의 방열핀에 의해 태양광 발전패널(11)의 냉각 및 방열이 이루어지므로, 태양광 발전패널(11)의 과열을 효과적으로 방지하여 시스템의 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 도 1에 굵은 실선으로 나타낸 바와 같이, 지중 열교환기(14)와 히트펌프(12)를 이용한 열교환 루프를 통해 냉방을 공급할 수 있도록 구성된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 지상의 기온은 수시로 변화하지만 땅 속의 온도는 일년 내내 일정한 온도 범위로 유지되는 것을 이용하여, 여름철에는 지상의 기온보다 낮은 지중의 온도를 지중 열교환기(14)와 히트펌프(12)를 이용한 열교환을 통해 순환시킴으로써, 상기한 바와 같이 태양광 발전패널(11)의 과열을 효과적으로 방지하여 시스템의 효율을 높일 수 있는 동시에, 온수공급뿐만 아니라 냉방도 함께 제공할 수 있으므로 여름철에도 상시 사용이 가능하게 된다.
여기서, 상기한 바와 같이 낮 시간 동안 냉방을 위한 열교환이 반복됨에 따라 지중 열교환기(14)가 설치된 지중의 온도도 대략 20℃ ~ 30℃ 정도로 올라가게 되게 되므로, 지속적인 냉방의 공급을 위하여는 이와 같이 가열된 지중의 온도를 냉각하여 복원해야 한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 야간 복사열을 이용하여 태양광이 존재하지 않는 밤 시간 동안 태양광 발전패널(11)을 통해 지중의 열을 방출함으로써 지중의 온도를 회복하도록 구성된다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)의 태양광이 존재하지 않는 밤 시간 동안의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 상기한 태양광 발전패널(11)이 회전 가능하게 구성되고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 야간에는 태양광 발전패널(11)의 상하를 반전시킨 형태로 동작되는 것을 특징으로 하는 것이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 여름철에 야간과 같이 태양광이 존재하지 않는 시간 동안에는 태양광 발전패널(11)을 뒤집어서 핀형 방열 냉각파이프(21)가 위를 향하도록 위치시킴으로써, 핀형 방열 냉각파이프(21)의 외주면에 형성된 복수의 방열핀에 의해 낮 동안에 가열된 태양광 발전패널(11)의 냉각을 더욱 용이하게 하는 동시에, 야간 복사열을 이용하여 낮 동안에 가열된 지중의 온도를 회복하도록 구성된다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 상기한 바와 같이 여름철 낮 시간 동안 냉방을 사용하는 것에 의해 높아진 지중의 온도를 회복하기 위해, 도 3에 나타낸 바와 같이, 밤이 되면 태양광 발전패널(11)을 회전시켜 핀형 방열 냉각파이프(21)가 위로 향하도록 하고, 도 3에 굵은 실선으로 나타낸 바와 같은 경로를 따라 히트펌프(12)와 지중 열교환기(14) 사이의 열교환을 통해 태양광 발전패널(11)로 지중의 열을 전달하여 핀형 방열 냉각파이프(21)의 냉각수 및 방열핀에 의해 복사냉각이 이루어지도록 함으로써, 냉방을 사용하지 않는 시간 동안 지중의 온도를 회복할 수 있도록 구성된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 낮에는 냉방을 사용하고 밤에는 지중의 온도를 회복시켜 다시 냉방이 가능하도록 구성됨으로써, 여름철에도 태양열 시스템의 활용도를 높일 수 있다.
계속해서, 도 4 및 도 5를 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)의 겨울철의 구체적인 동작에 대하여 설명한다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)의 겨울철의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)의 겨울철의 동작은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 태양광 발전패널(11)을 통하여 집열된 태양열을 축열탱크(13)에 전달하여 저장하거나 난방을 공급한다.
또한, 시에, 겨울철에는 대기의 온도보다 지중의 온도가 높으므로, 지중 열교환기(14)와 히트펌프(12)에 의한 열교환을 통해 회수된 지열을 함께 이용하여 난방을 행하거나 축열탱크(13)에 저장하여 둠으로써, 난방의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 태양광의 유무나 시간대에 상관없이 상시적인 난방이 가능하도록 구성된다.
이때, 도 1을 참조하여 상기한 여름철의 동작과 마찬가지로, 태양광 발전패널(11)의 뒷면에 설치된 핀형 방열 냉각파이프(21)에 의해 태양광 발전패널(11)의 냉각 및 방열이 이루어짐으로써, 태양광 발전패널(11)의 과열을 방지 및 시스템 효율의 개선이 가능하다.
여기서, 지중 열교환기(14)와 히트펌프(12)에 의한 열교환이 반복되면 지중의 온도가 점차 낮아져 결과적으로 난방을 공급할 수 없게 되므로, 이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 일정 온도 이하로 지중의 온도가 낮아지게 되면 이를 다시 회복시켜 지속적인 난방의 공급이 가능하도록 구성된다.
더 상세하게는, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)의 겨울철 동작중에 지중의 온도가 낮아진 경우 지중의 온도를 회복하기 위한 동작을 설명하기 위한 도면이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 계속적인 난방의 사용 등으로 인해 지중의 온도가, 예를 들면, 5℃와 같이, 미리 정해진 일정 온도 이하로 내려가는 경우, 이를 회복하기 위해, 도 5에 굵은 실선으로 나타낸 바와 같은 경로를 통하여 태양광 발전패널(11)로부터 집열된 태양열을 지중 열교환기(14) 쪽으로 순환시키도록 열교환 루프를 형성하고, 지중의 온도가 일정 온도 이상으로 올라가면 다시 난방을 공급하도록 열교환 루프를 변경함으로써, 지열을 이용한 난방의 지속적인 공급이 가능하도록 구성된다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템(10)은, 상기한 바와 같이 지중의 온도를 회복하는 동안에도, 도 5에 나타낸 바와 같이, 축열탱크(13)에 저장된 열을 이용하여 난방을 공급할 수 있으므로, 태양광의 유무나 시간대에 상관없이 상시적인 난방의 공급이 가능하다.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 통하여, 본 발명에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 태양광 발전패널에 핀형 방열 냉각파이프를 설치하고 히트펌프를 통해 냉각수를 순환시키는 동시에 지중 열교환기를 통하여 열을 순환시는 것에 의해 태양광 발전패널의 과열을 방지하여 발전효율의 저하를 방지할 수 있도록 구성되는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템이 제공됨으로써, 태양광 발전패널에 별도의 냉각수단이 마련되어 있지 아니함으로 인해 태양광 발전패널이 쉽게 과열되어 발전효율이 저하되는 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 태양광 발전패널의 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 동시에, 겨울철에는 난방 및 온수공급용으로 사용하고 여름철에는 냉방 및 온수공급용으로 사용이 가능하여 사계절 및 주야간에 걸쳐 상시 사용 가능하도록 구성되는 것에 의해 활용도를 높일 수 있는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템이 제공됨으로써, 겨울철에는 난방용으로 유용하게 이용 가능하지만 난방수요가 없는 여름철에는 수요처의 부재로 인해 활용도가 떨어지는 종래의 태양열 시스템들의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템
11. 태양광 발전패널 12. 히트펌프
13. 축열탱크 14. 지중 열교환기
15. 제어밸브 16. 순환밸브
21. 핀형 방열 냉각파이프

Claims (5)

  1. 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템에 있어서,
    복수의 태양전지가 배열되어 태양광 발전 및 태양열을 집열하는 판 형태로 회전 가능하도록 설치되는 태양광 발전패널;
    지열을 이용하여 냉방 또는 난방을 공급하기 위해 지중에 설치되는 지중 열교환기;
    상기 태양광 발전패널 및 상기 지중 열교환기와 각각 열교환을 행하는 히트펌프(heat pump);
    난방 및 온수 공급을 위해 상기 태양광 발전패널 및 상기 히트펌프로부터 전달된 열을 축적하는 축열탱크(heat storage tank);
    상기 히트펌프와 상기 지중 열교환기 사이의 열교환을 통하여 상기 태양광 발전패널을 냉각하기 위한 냉각수가 공급되고, 외주면에는 복수의 방열핀이 형성되어 상기 태양광 발전패널의 뒷면에 설치되는 핀형 방열 냉각파이프;
    상기 태양광 발전패널, 상기 히트펌프, 상기 축열탱크 및 상기 지중 열교환기를 각각 연결하기 위한 배관;
    미리 정해진 온도에 도달시 동작되어 열교환 루프의 경로를 변경하도록 상기 태양광 발전패널, 상기 히트펌프, 상기 축열탱크 및 상기 지중 열교환기의 사이의 상기 배관에 각각 설치되는 복수의 제어밸브(control valve);
    상기 히트펌프와 상기 지중 열교환기의 사이에 설치되는 순환밸브(circulation valve); 및
    상기 열교환 시스템 전체의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    여름철 낮 시간 동안 상기 태양광 발전패널을 통하여 발전 및 태양열의 집열을 행하고 상기 축열탱크로 열을 전달하여 상기 축열탱크에 저장된 열에 의해 온수공급을 행하는 동시에, 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프 사이의 열교환을 통해 지상의 기온보다 낮은 지중의 온도를 순환시키는 것에 의해 냉방을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 지중 열교환기가 설치된 지중의 온도가 미리 정해진 일정 온도 이상으로 올라가거나, 야간 또는 태양광이 존재하지 않는 시간 동안, 상기 태양광 발전패널을 회전시켜 상기 핀형 방열 냉각파이프가 위를 향하도록 위치시키고,
    상기 히트펌프와 상기 지중 열교환기 사이의 열교환을 통해 지중의 열을 상기 핀형 방열 냉각파이프 및 상기 방열핀에 전달하여 상기 지중의 열을 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    겨울철 낮 시간 동안, 상기 태양광 발전패널을 통하여 집열된 태양열을 상기 축열탱크에 전달하여 저장하는 동시에, 상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프에 의한 열교환을 통해 회수된 지열을 상기 축열탱크에 저장함으로써, 상시적인 난방을 제공할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 지중의 온도가 미리 정해진 일정 온도 이하로 낮아지면, 상기 태양광 발전패널로부터 집열된 태양열을 상기 지중 열교환기 쪽으로 순환시키도록 열교환 루프를 변경하고, 상기 지중의 온도를 회복하는 동안 상기 축열탱크에 저장된 열을 이용하여 난방을 공급함으로써, 상시적인 난방을 제공할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열 및 지열을 이용한 열교환 시스템.
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