KR20200103907A - 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템 - Google Patents

유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 농가의 비닐하우스나 혹은 유리온실 등의 내부를 냉방 혹은 난방시킬 때 저렴한 비용으로 고효율적인 냉난방이 이루어지도록 함과 아울러 습도 조절 기능까지 갖추어 농작물이 냉해 피해를 입지 않고 원활하게 생육될 수 있도록 안내하는 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템에 관한 것이다.

Description

유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템{Combined heating and air-conditioning heater system using the organic photovoltaics and heat pipe}
본 발명은 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 농가의 비닐하우스나 혹은 유리온실 등의 내부를 냉방 혹은 난방시킬 때 저렴한 비용으로 고효율적인 냉난방이 이루어지도록 함과 아울러 습도 조절 기능까지 갖추어 농작물이 냉해 피해를 입지 않고 원활하게 생육될 수 있도록 안내하는 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 비닐하우스 혹은 유리온실은 주로 농업 분야에서 계절에 관계없이 식물을 재배하여 농가의 수입을 증가시키는 수단으로 이용되고 있다.
이러한 비닐하우스나 유리온실은 대단위 면적에 걸쳐 다양한 농작물을 재배할 수 있도록 함으로써 혹한기와 같은 농한기에도 농작물 재배가 가능하여 열악한 수입구조의 농가 소득 향상에 기여하는 바가 크다.
하지만, 농작물에 따라서는 비닐하우스나 유리온실의 내부 온도를 상당한 수준으로 유지시켜야 하는 경우도 있어 단순히 비닐하우스나 유리온실만 설치한다고 해서 모든 농작물을 재배할 수 있는 것은 아니다.
때문에, 경우에 따라서는 혹한기에 농작물이 냉해를 입지 않도록 비닐하우스나 유리온실 등의 내부를 일정온도로 유지시키기 위해 난방해야 할 필요가 있으며, 현재는 대부분 열풍을 공급하거나 혹은 보일러, 특히 상대적으로 연료비가 저렴하고 친환경적인 화목보일러를 주로 사용하고 있다.
즉, 초창기에는 화석연료를 이용한 보일러가 많이 사용되었으나 이산화탄소 등의 배출과 지구온난화와 같은 심각한 문제로 인해 규제를 받으면서 청정에너지원으로의 전환이 이행되고 있다.
또한, 혹서기에는 필요한 경우 냉방장치를 가동해야 하는 예도 있다.
그럼에도 불구하고, 지속적으로 상승하는 연료비 때문에 비닐하우스 또는 유리온실을 유지하기 위한 농가부담은 커지고 있다.
이에 따라, 최근에는 태양광을 이용한 친환경적이면서 연료비 부담을 줄일 수 있는 냉난방장치가 개발되고 있고, 어떤 경우에는 적용되어 시현되고 있기도 하다.
하지만, 이러한 냉난방장치는 시설규모가 커 초기 설치에 따른 비용부담이 매우 높고, 때문에 저소득 농가들이 대부분인 국내 농촌 현실상 보편화되기에는 한계가 있다.
또한, 냉난방장치 외에 습도조절장치도 별도로 구비해야 할 경우에는 더욱 더 높은 비용 부담을 해야 하므로 한계에 부딪혀 있는 상황이다.
국내등록특허 제10-0912730호(2009.08.11.등록), 비닐하우스용 전기 온풍기 국내등록특허 제10-1615428호(2016.04.19.등록), 비닐하우스용 온풍 공급장치
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 농가의 비닐하우스나 혹은 유리온실 등의 내부를 냉방 혹은 난방시킬 때 저렴한 비용으로 고효율적인 냉난방이 이루어지도록 함과 아울러 습도 조절 기능까지 갖추어 농작물이 냉해 피해를 입지 않고 원활하게 생육될 수 있도록 안내하는 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 비닐하우스 혹은 유리온실의 표면에 설치되는 유기 태양전지(10)와, 상기 유기 태양전지(10)로부터 생산된 전기를 저장하는 에너지저장장치인 ESS(Energy Storage System)(20)와, 상기 ESS(20)를 전원으로 하여 구동되며 비닐하우스 혹은 유리온실 내부로 온풍 혹은 냉풍 혹은 습기를 공급하는 냉난방 겸용 온풍기(30)와, 상기 유기 태양전지(10)의 폭방향 양단에 설치되고 내부를 물이 흐르면서 데워지도록 유도하는 태양열 진공관(40)과, 상기 태양열 진공관(40)과 상기 냉난방 겸용 온풍기(30)를 연결하여 온수를 순환시키는 온수파이프(50)를 포함하는 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템에 있어서; 상기 냉난방 겸용 온풍기(30)는 인덕션(100); 상기 인덕션(100)의 상면에 설치된 다수의 히트파이프(200); 상기 히트파이프(200) 사이에 설치된 송풍팬(300); 상기 인덕션(100)의 양측면에 설치된 열전소자형 냉각모듈(400); 상기 인덕션(100)의 하면에 설치되고 상기 온수파이프(50)가 연결된 물탱크(500); 상기 ESS(20)를 전원으로 하여 비닐하우스 혹은 유리온실 내부의 온도에 따라 상기 인덕션(100)과 송풍팬(300) 및 냉각모듈(400)의 구동을 제어하여 온풍 혹은 냉풍을 상기 비닐하우스 또는 유리온실 내부로 공급하는 컨트롤러(600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템을 제공한다.
이때, 상기 물탱크(500)에는 분무관(520)이 연결된 후 송풍팬(300) 전방으로 배관되고, 분무관(520)의 길이 일부에는 솔레노이드밸브(530) 및 물펌프(550)가 설치되어 물을 선택적으로 공급할 수 있도록 구성되며, 분무관(520)의 단부에는 분무노즐(540)이 설치되어 분사되는 물이 안개 형태로 무화되도록 하여 송풍팬(300)의 송풍시 습기가 온기 또는 냉기와 함께 비닐하우스 또는 유리온실 내부로 공급되게 하여 조습할 수 있도록 구성되고; 상기 물탱크(500)의 양측면에 연결된 온수파이프(50)에는 컨트롤러(600)에 의해 개폐제어되는 개폐밸브(52)가 설치되어 물펌프(550) 구동시 닫히도록 구성된 것에도 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 농가의 비닐하우스나 혹은 유리온실 등의 내부를 냉방 혹은 난방시킬 때 저렴한 비용으로 고효율적인 냉난방이 이루어지도록 함과 아울러 습도 조절 기능까지 갖추어 농작물이 냉해 피해를 입지 않고 원활하게 생육되게 하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템의 예시적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기의 예시적인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기의 예시적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기의 다른 예를 보인 예시적인 단면도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템은 도 1의 예시와 같이, 비닐하우스 혹은 유리온실의 표면에 설치되는 유기 태양전지(10)와, 상기 유기 태양전지(10)로부터 생산된 전기를 저장하는 에너지저장장치인 ESS(Energy Storage System)(20)와, 상기 ESS(20)를 전원으로 하여 구동되며 비닐하우스 혹은 유리온실 내부로 온풍 혹은 냉풍 혹은 습기를 공급하는 냉난방 겸용 온풍기(30)와, 상기 유기 태양전지(10)의 폭방향 양단에 설치되고 내부를 물이 흐르면서 데워지도록 유도하는 태양열 진공관(40)과, 상기 태양열 진공관(40)과 상기 냉난방 겸용 온풍기(30)를 연결하여 온수를 순환시키는 온수파이프(50)를 포함한다.
이때, 상기 유기 태양전지(10)는 보통 기판으로부터 봉지막까지의 막 두께가 3㎛로 얇으면서도 변환효율과 100℃ 가열에도 소자 열화가 거의 없는 내열성, 대기안정성이 우수한 공지의 태양광 모듈이다.
때문에, 이러한 유기 태양전지(10)는 플렉시블하여 돔형 비닐하우스는 물론 유리온실 등 다양한 형태의 하우스 구조물에 부착 설치하기 쉽고, 유지보수도 용이하며, 전기 생산효율도 우수하다.
특히, 1동의 비닐하우스의 길이는 약 100-150m에 이르기 때문에 상기 유기 태양전지(10)를 통해 축전할 수 있는 전력량은 상당하며, 생산된 전기는 에너지 저장장치인 ESS(Energy Storage System)(20)에 저장된다.
아울러, 상기 태양열 진공관(40)은 태양열 온수기에서 사용되는 집열유리관으로서 널리 알려져 있는 바와 같이, 진공상태로 되어 있는 2중 강화유리관을 단열시키고 내경 내주면을 특수코팅하여 태양열에너지를 열에너지로 전환시키는 효율을 높여 물을 데우도록 한 공지된 관체이다.
이러한 태양열 진공관(40)은 현재 활발하게 사용되고 있으며, 햇빛에 30분 노출시 여름철에는 대략 90℃, 겨울철에는 75℃ 정도까지 물을 데울 수 있는 것으로 알려져 있다.
본 발명에서는 이와 같은 공지의 태양열 진공관(40)을 통해 온수를 얻고, 이 온수를 이용하여 냉난방 겸용 온풍기(30)의 열원으로 활용할 수 있도록 구성되며, 온수파이프(50)를 통해 순환되도록 구성된다.
이때, 경우에 따라서는 순환 효율을 높이기 위해 순환펌프가 더 구비될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 시스템을 구성하는 냉난방 겸용 온풍기는 도 2의 예시와 같이 인덕션(100)을 포함한다.
상기 인덕션(100)은 유도가열(induction heating) 방식으로 금속물체를 가열시키는 수단이며, 유도가열이란 코일에 전류가 공급되면 가열하고자 하는 금속에 와전류(eddy currents)가 발생하고, 금속의 저항에 의해 발생된 줄열(Joule heating)이 온도를 높이는 방식이다.
그리고, 상기 인덕션(100)의 상면에는 다수의 히트파이프(200)가 설치된다.
상기 히트파이프(200)는 증발부, 단열부, 응축부로 구분되고, 구성요소로는 컨테이너(Container), 윅(Wick), 워킹플러드(Working Fluid)가 있으며, 증발부로 열이 가해지면 워킹플러드가 동작하며 기화하여 단열부를 지나 응축부로 열을 전달하고, 워킹플러드는 액화되어 윅을 통하여 다시 증발부로 되돌아 오게 되는데, 이러한 일련의 과정을 반복하면서 열원의 열을 이동시키는 공지의 열전달용 파이프이다. 즉, 액체와 기체 간의 상변화가 일어날 때 열전달이 활발하게 일어나는 현상을 응용한 것이다.
따라서, 상기 인덕션(100)에 의해 가열된 열은 상기 히트파이프(200)를 타고 이동하여 외부로 노출된 히트파이프(200)의 상단부로 전달된다.
아울러, 상기 히트파이프(200)는 도시상 직선형으로 설명하였으나, 이에 국한되지 않고 부채꼴 형상, 타원형상 등 다양한 형태로 배열될 수 있다.
한편, 상기 히트파이프(200) 사이에는 송풍팬(300)이 설치된다.
상기 송풍팬(300)은 히트파이프(200) 중 어느 일부 또는 앞 혹은 뒤에 고정되며, 히트파이프(200)의 상단부로 전달된 열기를 전방으로 송풍하여 열을 비닐하우스 혹은 유리온실 내부로 공급하게 된다.
여기에서, 상기 송풍팬(300)과 히트파이프(200)는 도 4의 예와 같은 구조로 변형될 수도 있다.
예컨대, 도 4에 따르면, 히트파이프(200)에는 열전단효율을 높이기 위한 방열판(210)이 다수 구비될 수 있고, 송풍팬(300)은 히트파이프(200)가 조립된 조립체 전방에 배치될 수 있으며, 이들은 외부커버(220)에 의해 고정되는 구조를 가질 수 있다.
물론, 앞서 설명한 도 2의 예시에서도 방열판(210)을 갖출 수 있음은 당연하다 하겠다.
또한, 상기 인덕션(100)의 양측면에는 열전소자로 이루어진 냉각모듈(400)이 설치된다.
즉, 상기 냉각모듈(400)은 열전소자의 흡열측이 인덕션(100)에 접하도록 배치되고, 발열측이 공기중에 노출되게 배치되어 공냉되게 구성할 수도 있고, 또한 히트파이프를 열전소자 발열측에 접촉하여 끝부분이 송풍팬 쪽으로 향하도록 설계함으로써 발열측의 냉각속도를 더 극대화시키도록 구성할 수도 있다.
특히, 상기 냉각모듈(400)의 설치로 인해 상기 인덕션(100)을 원활하게 냉각시킬 수 있도록 상기 인덕션(100)의 케이스는 금속재로 이루어짐이 바람직하다.
이렇게 구성하게 되면, 혹서기에 냉풍을 공급할 수 있게 된다.
예컨대, 혹서기에 인덕션(100)의 구동은 정지시킨 상태에서 냉각모듈(400)을 가동시키게 되면 히트파이프(200)의 상단부로는 차가운 냉기가 전달되므로 이를 송풍팬(300)으로 송풍함으로써 냉기를 공급할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에 따른 온풍기는 상용전원 혹은 배터리나 또는 에너지저장장치(ESS:Energy Storage System)를 전원으로 사용할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 인덕션(100)의 하면에는 물탱크(500)가 더 설치될 수 있고, 상기 물탱크(500)는 수도관(510)과 직결되어 내부압이 수도의 수압인 3-4 bar를 상시 유지하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 물탱크(500)에는 분무관(520)이 연결된 후 송풍팬(300) 전방으로 배관되고, 분무관(520)의 길이 일부에는 솔레노이드밸브(530)가 설치되어 물공급을 개폐할 수 있도록 구성되며, 분무관(520)의 단부에는 분무노즐(540)이 설치되어 분사되는 물이 안개 형태로 무화되도록 하여 송풍팬(300)의 송풍시 습기가 온기 또는 냉기와 함께 비닐하우스 또는 유리온실 내부로 공급되게 하여 조습할 수 있도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 습도 조절 기능도 갖출 수 있게 된다.
즉, 물탱크(500) 내부는 항상 일정한 수압을 유지하고 있기 때문에 별도의 펌프를 구비하지 않아도 솔레노이드밸브(530)가 개방되면 분무노즐(540) 측으로 원활하게 공급될 수 있다.
만약, 수압이 떨어져 공급이 어려운 상황이라면 이 경우에는 펌프를 더 설치할 수 있음은 당연하다 하겠다.
또한, 상기 분무관(520)을 비롯한 분무노즐(540), 솔레노이드밸브(530) 등의 구성은 예시와 같이 상기 물탱크(500)의 일측에만 한정되는 것이 아니라 물탱크(500) 양측에 설치될 수도 있음은 물론이다.
아울러, 상기 인덕션(100), 송풍팬(300), 냉각모듈(500) 및 솔레노이드밸브(530)의 구동 제어를 위해 컨트롤러(600)가 구비되는데, 상기 컨트롤러(600)와 물탱크(500)는 본 발명에 따른 온풍기에 직접 설치 또는 외부 설치도 가능하다. 이 경우, 특히 컨트롤러(600)는 물탱크(500)에 부착설치됨이 더 바람직하다.
그리고, 도 3의 예시와 같이, 인덕션(100)은 금속으로 된 인덕션케이스(110)와, 상기 인덕션케이스(110) 내부에 내장되고 전기를 공급받아 가열하는 인덕션코일(120)을 포함한다.
특히, 상기 물탱크(500) 내부에 채워지는 온수의 열을 활용할 수 있도록 상기 인덕션케이스(110)의 바닥면에는 열전도율이 매우 우수한 동판을 매립하여 열전도판(130)을 더 구성되며, 이 열전도판(130)에는 히트파이프(200)의 하단부가 접촉되게 배치됨이 바람직하다.
그러면, 온수의 열을 이용하기 때문에 그 만큼 인덕션(100)을 가동시키지 않아도 되므로 전기를 효율적으로 활용할 수 있다.
그리하여, 비닐하우스 혹은 유리온실 내부에 설치된 온도센서 및 습도센서와 연계하여 상기 컨트롤러(600)가 온풍, 냉풍, 조습을 조절함으로써 작물이 냉해를 입거나 혹은 습도가 부족하여 말라 죽는 등의 문제를 생기지 않게 하고, 이를 통해 작물 생육을 촉진하는데 기여하게 된다.
즉, 혹한기의 경우 온도센서로 검출된 내부온도가 설정온도 이하로 떨어지게 되면 컨트롤러(600)는 인덕션(100)을 가동함과 함께 송풍팬(300)을 구동시켜 온풍 동작이 이루어지게 한다.
그러면, 비닐하우스 혹은 유리온실 내부로 온풍이 공급되므로 내부 온도는 상승되고, 설정온도를 초과하게 되면 컨트롤러(600)는 송풍을 정지하고, 인덕션(100)을 오프시킨다.
또한, 습도센서로 검출된 습도가 설정습도 이하로 떨어지면 컨트롤러(600)는 솔레노이드밸브(530)를 개방함과 동시에 송풍팬(300)을 구동시킨다. 이때, 인덕션(100)은 오프된 상태로 유지된다. 물론, 내부 온도가 설정온도 이하라면 당연히 인덕션(100)도 가동되어야 한다.
이와 같은 방식으로 비닐하우스 혹은 유리온실 내부의 온도와 습도 변화에 따라 자동적으로 온풍과 습도의 공급을 조절할 수 있어 저렴한 비용으로 효과적인 작물 생육이 가능하도록 조력하게 된다.
반면, 혹서기에는 상술한 바와 동일하게 제어되되, 단지 인덕션(100)이 가동되는 것이 아니라 열전소자가 가동되어 냉각모듈(400)이 기능하도록 동작되는 점만 다를 뿐이다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 온수의 온도 체크도 필요하므로 물탱크(500) 내부에 물온도감지센서(미도시)를 더 설치하고, 온수의 온도가 기준치 이하일 경우에는 인덕션(100)을 가동하도록 제어할 수 있다.
100: 인덕션
200: 히트파이프
300: 송풍팬
400: 냉각모듈
500: 물탱크
600: 컨트롤러

Claims (2)

  1. 비닐하우스 혹은 유리온실의 표면에 설치되는 유기 태양전지(10)와, 상기 유기 태양전지(10)로부터 생산된 전기를 저장하는 에너지저장장치인 ESS(Energy Storage System)(20)와, 상기 ESS(20)를 전원으로 하여 구동되며 비닐하우스 혹은 유리온실 내부로 온풍 혹은 냉풍 혹은 습기를 공급하는 냉난방 겸용 온풍기(30)와, 상기 유기 태양전지(10)의 폭방향 양단에 설치되고 내부를 물이 흐르면서 데워지도록 유도하는 태양열 진공관(40)과, 상기 태양열 진공관(40)과 상기 냉난방 겸용 온풍기(30)를 연결하여 온수를 순환시키는 온수파이프(50)를 포함하는 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템에 있어서;
    상기 냉난방 겸용 온풍기(30)는 인덕션(100); 상기 인덕션(100)의 상면에 설치된 다수의 히트파이프(200); 상기 히트파이프(200) 사이에 설치된 송풍팬(300); 상기 인덕션(100)의 양측면에 설치된 열전소자형 냉각모듈(400); 상기 인덕션(100)의 하면에 설치되고 상기 온수파이프(50)가 연결된 물탱크(500); 상기 ESS(20)를 전원으로 하여 비닐하우스 혹은 유리온실 내부의 온도에 따라 상기 인덕션(100)과 송풍팬(300) 및 냉각모듈(400)의 구동을 제어하여 온풍 혹은 냉풍을 상기 비닐하우스 또는 유리온실 내부로 공급하는 컨트롤러(600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 물탱크(500)에는 분무관(520)이 연결된 후 송풍팬(300) 전방으로 배관되고, 분무관(520)의 길이 일부에는 솔레노이드밸브(530) 및 물펌프(550)가 설치되어 물을 선택적으로 공급할 수 있도록 구성되며, 분무관(520)의 단부에는 분무노즐(540)이 설치되어 분사되는 물이 안개 형태로 무화되도록 하여 송풍팬(300)의 송풍시 습기가 온기 또는 냉기와 함께 비닐하우스 또는 유리온실 내부로 공급되게 하여 조습할 수 있도록 구성되고;
    상기 물탱크(500)의 양측면에 연결된 온수파이프(50)에는 컨트롤러(600)에 의해 개폐제어되는 개폐밸브(52)가 설치되어 물펌프(550) 구동시 닫히도록 구성된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 이용한 히트파이프 냉난방 겸용 온풍기 시스템.
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