WO2019132263A1 - 태양열 설비 관리시스템 - Google Patents

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WO2019132263A1
WO2019132263A1 PCT/KR2018/014604 KR2018014604W WO2019132263A1 WO 2019132263 A1 WO2019132263 A1 WO 2019132263A1 KR 2018014604 W KR2018014604 W KR 2018014604W WO 2019132263 A1 WO2019132263 A1 WO 2019132263A1
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WO
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concentration
solar
heating medium
management system
control module
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Application number
PCT/KR2018/014604
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English (en)
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Inventor
조성구
Original Assignee
(주)이맥스시스템
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D7/00—Indicating measured values
    • G01D7/02—Indicating value of two or more variables simultaneously
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/06—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention relates to a solar thermal facility management system, and more particularly, to a solar thermal facility management system that accurately diagnoses and predicts a major failure of a solar thermal facility and transmits it to a user terminal, thereby prolonging the life of the solar thermal facility, And more particularly to a solar thermal management system.
  • Solar energy is a system that introduces solar heat using a variety of devices to indoor and outdoor spaces where solar heat is impossible or insufficient.
  • the use of solar energy is classified as one of the core of the renewable energy field in addition to the existing solar energy sector.
  • a conventional solar hot water system includes a solar heat collector, a heat medium circulation pipe through which a heat medium passing through the heat collector is circulated, a heat exchanger through which the heat medium circulation pipe passes, a hot water storage tank in which hot water is stored, A hot water circulation pipe installed to heat exchange with the heating medium via the inside of the heat exchanger, a hot water supply pipe connected to supply hot water in the heat storage tank to the faucet side, and hot water in the heat storage tank in case of lack of solar energy, And a control unit for controlling the overall operation of the hot water system.
  • the heat storage tank uses only the simple storage function of repeating only the discharging and supplementing of the hot water stored by heating.
  • a solar thermal facility management system is a system for managing the leakage and failure state of a solar thermal facility.
  • the solar thermal facility management system is provided in a collector circulation pipe of the solar thermal facility, A control module for determining whether or not the heating medium leaks and changes its concentration by using a measured voltage and a resistance value generated from the fluid density sensor, And a display unit for receiving and displaying a result of the determination as to whether or not the concentration is changed.
  • the fluid concentration sensor may be installed at the upper end of the circulation pipe outlet side of the collector.
  • An anti-corrosion coating film or a plating film may be formed on the surface of the fluid concentration sensor.
  • the fluid concentration sensor may be generated by measuring the measurement voltage and the resistance value at a time of 3 hours to 4 hours after the heat collection operation and the pump operation of the solar heating system are completed.
  • the control module may determine that the heating medium is leaking or the concentration of the heating medium is lowered when the measured voltage is smaller than a predetermined set voltage value.
  • the control module determines that the heating medium is leaking or the concentration of the heating medium is lowered when the resistance value when the voltage is applied to the fluid density sensor and the concentration of the heating medium do not satisfy the following formula 1 .
  • R is the resistance value (k?)
  • C is the concentration (%) of the heating medium.
  • the display unit may include a main screen for displaying an operation status and an alarm list of the solar heating facility, a trend screen showing changes in temperature, fluid concentration, and flow rate of the solar heating facility, and a report screen Can be displayed for selection.
  • the solar thermal facility management system can diagnose and predict major failures of the solar thermal facility prematurely, accurately, prolong the life of the solar thermal facility, and improve the performance.
  • FIG. 1 is a block diagram showing components of a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an overall structure of a solar heating facility in which a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention is installed.
  • FIG. 3 is a photograph showing a state of a fluid concentration sensor of a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a resistance and a voltage regression equation according to a concentration of a heating medium in a control module of a solar heating facility management system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a main screen of a display unit in a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a trend screen of a display unit in a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a report screen of a display unit in a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a table showing accuracy test results of a fluid concentration sensor in a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a table illustrating a method of determining a failure using an output value of a flow sensor of a solar heating facility management system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 and FIG. 11 are schematic diagrams showing respective components and a TRNSYS program platform for implementing a demonstration prototype of the solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a photograph showing the installation of a fluid concentration sensor of an electric resistance type in the solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention and an internal schematic view thereof.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of water level and concentration measurement using a fluid concentration sensor of the solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a photograph showing a concept of incorporating failure diagnosis and maintenance parts and technology into a pump station that can be installed in a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a conceptual diagram showing a combination of a pipe insertion type header and a fluid concentration detection sensor that can be installed in a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a conceptual diagram of a feedback / feedforward linkage system of a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a conceptual diagram for inputting and outputting the integrated calorific value of the controller of the solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing components of a solar thermal facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a solar thermal facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a photograph showing a state of a fluid concentration sensor of a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing a graph of a resistance and a voltage regression equation according to a concentration of a heating medium in a control module of a solar heating facility management system according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a trend screen of a display unit in a solar heating facility management system according to an exemplary embodiment of the present invention. have.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a report screen of a display unit in a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the accuracy of a fluid concentration sensor in a solar heating facility management system according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a table showing a method of determining a failure using an output value of a flow sensor of a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 and 11 are schematic diagrams showing respective components and a TRNSYS program platform for implementing a demonstration prototype of a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a photograph showing an installation view of the fluid concentration sensor of the electric resistance system of the solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention, And a concentration measurement scheme.
  • FIG. 14 is a photograph showing a concept of incorporating failure diagnosis and maintenance parts and technology into a pump station that can be installed in a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. FIG. 16 is a conceptual view showing a combination of a pipe insertion type header and a fluid concentration sensor which can be installed in a solar heating facility management system according to an embodiment.
  • FIG. 16 is a view showing a feedback / feedforward connection of a solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention. A conceptual diagram of the system is shown.
  • 17 is a conceptual diagram for inputting and outputting the integrated calorific value of the controller of the solar heating facility management system according to an embodiment of the present invention.
  • a solar thermal facility management system 200 is a system for managing the leakage and failure state of a solar thermal facility, and is provided in a collector circulation pipe of the solar thermal facility, A fluid concentration sensor 210 for generating a measurement voltage and a resistance value for measurement, a control module 210 for determining whether the heating medium leaks or changes in concentration using the measured voltage and resistance value generated from the fluid concentration sensor 210, And a display unit 230 for receiving and displaying a result of the determination as to whether or not the heating medium leaks and changes in concentration from the control module 220.
  • the solar heating facility management system 200 uses the measurement voltage and the electric resistance value measured from the fluid concentration sensor 210 installed in the circulation pipe of the solar heating facility, Whether or not leaks are present and whether the concentration is changed is determined through the control module 220 and the result of the determination is displayed through the display unit 230 so that the user can conveniently and accurately grasp information such as the leakage and failure status of the solar heating equipment So that they can cope. Accordingly, the solar heating system 200 has the advantage of improving the performance of the solar heating system and extending the service life thereof.
  • control module 210 transmits determination result information about whether or not the heating medium is leaking and changes in concentration, which is displayed on the display unit 230, using the wired or wireless network communication network to the solar heating equipment management system 200 And transmitted to a terminal owned by a user or an administrator.
  • the solar heating system 100 to which the solar heating facility management system 200 is applied includes a heat storage tank 110, a coil 112, a circulation pump 120, a collector 130 A heat collector circulation pipe 140, a heat storage tank circulation pipe 150, and a control module 220.
  • the fluid concentration sensor 210 may be installed at the upper end of the circulation pipe 140 at the outlet of the collector 130 so that the sensing unit is positioned at the center of the pipe.
  • the heat storage tank 110 is covered with a heat insulating material to prevent heat from being discharged to the outside and is connected to the heat collection circulation pipe 140 and the heat storage tank circulation pipe 150.
  • the heat collecting circulation pipe 140 may include a collector inlet pipe 141 and a collector discharge pipe 142.
  • the heat storage pipe circulation pipe 150 may include a water pipe 151 and a load pipe 152.
  • the thermal storage tank 110 is provided to be filled with water through the water supply pipe 151 through the water supply pipe 151, and is connected to the thermal storage tank 110 through a load- Of hot water is supplied to the load side for use in daily life.
  • the hot water flowing into the heat storage tank 110 is discharged through the load side supply pipe 152 and used for living.
  • the coil 112 communicates with the ends of the collector inlet pipe 141 and the collector outlet pipe 142 and is connected from the upper end to the lower end of the inside of the thermal storage tank 110 and is arranged concentrically at the upper end. That is, the coils 112 may be arranged at narrow intervals at the upper part of the heat storage tank 110 and spaced apart from each other in the middle and lower parts.
  • the heating medium heated by the collector 130 according to the installation position of the coil 112 heats the upper portion of the storage tank 110 intensively and then heats the middle portion and the lower portion when the outlet temperature of the collector is larger than the uppermost temperature of the storage tank 110 And has a very advantageous structure in terms of promotion of stratification.
  • Stratification refers to a phenomenon in which high-temperature water is collected at the upper end and low-temperature water is collected at the lower end to supply hot water of the highest quality.
  • the circulation pump 120 operates under the control of the control module 220 and circulates the water contained in the storage tank 110.
  • the circulation pump 120 is operated by differential temperature control for controlling the operation of the circulation pump 120 through an outlet temperature of the collector 130 and an outlet temperature of the accumulator 110 or an inlet temperature difference of the collector 130 do.
  • an inverter is additionally provided in the circulation pump 120 to control the number of revolutions, so that the amount of circulation can be controlled. For example, when the operation of the circulation pump 120 is stopped, the solar energy is "0 ".
  • the collector 130 is installed in an outdoor space such as a roof or a roof of a building having a large amount of heat.
  • One side of the collector 130 is connected to the collector inlet pipe 141 and the other side is connected to the collector outlet pipe 142.
  • the collector 130 collects solar heat and heats the water supplied by the circulation pump 120, and various types of collectors such as a vacuum tube type and a flat plate type can be used.
  • the collector circulation pipe 140 is a closed pipe that is not connected to the outside, and a part of the collector circulation pipe 140 is located inside the collector 130.
  • the collector circulation pipe 140 connects the collector 130 and the storage tank 110 and provides a flow path for discharging the water heated by the collector 130 to the storage tank 110.
  • the collector circulation pipe 140 includes a collector inlet pipe 141 provided on the side where the water flows on the collector 130, and a collector outlet pipe 142 provided on the side where the hot water is discharged. That is, the collector inlet pipe 141 is provided so that the water accommodated in the heat storage tank 110 can be introduced into the collector 130, and the water discharged from the collector pipe 130 is discharged to the heat storage tank 110 As shown in FIG.
  • the collector discharge pipe 142 is provided at a relatively higher position than the collector inlet pipe 141 and water flows into the collector inlet pipe 141 and hot water flows into the collector pipe 142. This is to increase the stratification effect of the hot water stored in the thermal storage tank 110.
  • the water introduced into the thermal storage tank 110 is located at the lower part due to stratification and is heated in the thermal storage tank 110 at a relatively high temperature Is higher than the temperature of the hot water in the lower position, the hot water of the higher temperature can be used.
  • the portion of the collector circulation pipe 140 located in the collector 130 may be widely distributed inside the collector 130 so that the solar heat collected by the collector 130 may be transmitted as much water as possible .
  • the heat storage tank circulation pipe 150 is connected to the storage tank 110 and supplies the water to the lower portion of the storage tank 110 and provides a flow path for discharging the water located above the storage tank 110, 151 and a load side supply pipe 152.
  • the water pipe 151 is connected to the lower part of the thermal storage tank 110 for the stratification of hot water stored in the thermal storage tank 110 and the load side supply pipe 152 is connected to the upper part of the thermal storage tank 110 .
  • control module 210 measures the temperature at the outlet of the collector 130 and the upper surface of the storage tank 110, discharges hot water when the temperature is higher than the preset temperature, or operates the additional installed heat radiator, And a 3-way valve is provided. If the temperature of the hot water outlet is 40 ° C or higher, it is directly supplied to the load side. If the temperature is below 40 ° C, control logic such as an auxiliary boiler interlock function Or < / RTI >
  • a flow sensor (a flow meter in the case of a high-grade type) for sensing the flow of the fluid in the pipe is additionally provided to measure and compare the signal of the circulation pump 120 and the signal of the flow sensor
  • the fluid concentration sensor 210 is further installed and measured so as to diagnose a failure such as a leakage of the heating medium by a collector, a pipe, and valves, and the like, and is installed in the control module 210 And inform the user of the failure of the system through the alarm function.
  • the concentration of the heating medium drops below the reference value or the probability of freezing is higher than the outside temperature, and the user can be prompted to take an immediate action through the alarm.
  • the present invention can be implemented so as to grasp the phenomenon that the concentration of the heating medium rises above a reference value and affect the crystallization and flow of the heating medium, and promptly take action to the user through an alarm.
  • the fluid density sensor 210 may be formed of, for example, a PCB fluid sensor or a brass fluid sensor, and a corrosion-resistant coating film or a plating film may be formed on the surface thereof. That is, when the sensing unit is contaminated or corroded due to rust or moisture, the fluid concentration sensor 210 exhibits a very large change in resistance value at the time of voltage application as compared with the case where no contamination or corrosion occurs at all, It is difficult to measure the exact concentration value of the substrate. Therefore, this problem can be solved by forming an anti-corrosive coating film or a plating film on the surface. In order to accurately measure the concentration of the heating medium, it is preferable that the deviation of the observed value is 3 to 8%, and the deviation of the observed value is 7% or less Do.
  • the heating medium to which the concentration value is measured by the fluid concentration sensor 210 is not particularly limited.
  • a mixture of water and propylene glycol which is mainly used as a collecting medium for a solar thermal system, or water and an ethylene glycol (ethylene glycol) / RTI > may be a heating medium which is a mixture of < That is, the fluid concentration sensor 210 detects the concentration of the heating medium of the solar thermal system as described above, thereby improving the performance of the solar heating facility management system by precisely diagnosing the degree of the heating medium leakage and the heating medium concentration, Thereby contributing to further prolonging the life span.
  • the fluid concentration sensor 210 may also be used to measure the antifreeze concentration of a solar thermal facility and to measure the thermal medium concentration of an underground heat exchanger of a geothermal system.
  • the solar heating system and the antifreeze concentration are measured intermittently by using the refractive index and the buoyancy method.
  • the concentration of the fluid concentration sensor 210 can be continuously measured, the concentration change can be easily monitored have.
  • a measurement sensor using an expensive refractive index should be applied, but the fluid concentration sensor 210 is advantageous in that it can be manufactured and applied at a relatively low cost.
  • an antifreeze is used as a heating medium.
  • the fluid concentration sensor 210 can be used for measuring the concentration at this time.
  • the concentration of the underground heating medium is measured to be decreased through the fluid concentration sensor 210 , It is possible to contribute to smooth driving and performance improvement of the underground heat exchanger by implementing the system that can supplement the heating medium with the pump.
  • the fluid concentration sensor 210 may measure and generate the measurement voltage and the resistance value at a time of 3 hours to 4 hours after the heat collection operation and the pump operation of the solar heating facility 100 are completed. That is, it is necessary to expose the sensing unit of the fluid concentration sensor 210 to the air for a predetermined time to apply the voltage to the fluid concentration sensor 210 to measure the concentration of the heating medium. If the exposure time in air is too short, the accuracy of the measurement of the heating medium concentration may be lowered.
  • the measurement voltage and the resistance value of the fluid concentration sensor 210 are measured from the time when the heat collecting operation of the solar heating facility 100 and the end of the pump operation are completed It is preferably carried out after 3 to 4 hours. At this time, the measurement voltage and the resistance value measurement of the fluid concentration sensor 210 may preferably be performed for 1 minute and 30 seconds to 2 minutes.
  • the control module 220 may determine that the heating medium is leaking or the concentration of the heating medium is decreased when the measured voltage is smaller than a predetermined set voltage value. That is, when the control module 220 measures the heating medium concentration of the solar heating facility 100 using the measured voltage value measured from the fluid concentration sensor 210, as shown in the regression experiment of FIG. 8, A reference resistance and a voltage value within a certain error range are set in a steady state and a steady state reference when a voltage is applied to the reference electrode 210. When a voltage value deviating from the error range with respect to the reference resistance and the voltage value is measured, Or a leak has occurred. At this time, the set voltage can be set in the range of 4 to 5V, preferably set to 4.5V.
  • the control module 220 determines that the heating medium has leaked, Can be judged to be decreased.
  • R is the resistance value (k?)
  • C is the concentration (%) of the heating medium.
  • control module 220 substitutes the resistance value when the voltage is applied to the fluid density sensor 210 and the concentration of the current heating medium circulating in the solar heating facility 100 into the above Equation 1, If the above equation (1) is not satisfied or the difference between the values of the left and right sides of Equation (1) is larger than a certain range, it is determined that the heating medium is leaking or the concentration of the heating medium is decreased. And display the result on the display unit 230.
  • control module 220 monitors and outputs the heat collection amount and heat accumulation heat amount of the solar heating equipment, the heat amount supplied to the load side, the solar radiation amount, the heat collecting efficiency, the solar heat dependency rate and the like through the IoT (Internet of Things) a pyranometer may be attached to present the current thermal efficiency and the ideal thermal efficiency.
  • IoT Internet of Things
  • a pyranometer may be attached to present the current thermal efficiency and the ideal thermal efficiency.
  • the value of the heat collection efficiency shows a significant difference, it can be implemented as an Expert System that provides a user with a message to receive a diagnosis from a manufacturer or an expert or a maintenance / management method to the administrator and the user.
  • control module 220 is interlocked to receive various physical measurement values of the solar facility management system from various sensors, thermometers, etc. in addition to the fluid concentration sensor 210, It is possible to measure the concentration related data of the heat medium in real time and use it as a failure diagnosis model by using analytical information such as the degree of thinness of the data.
  • concentration related data of the heat medium which can be specifically measured can be obtained by, for example, data relating to the freezing point and the crystallization time depending on the heating medium concentration, the optimum value causing the freezing of the outdoor pipe according to various regional weather data, Limit point data affecting the stenosis of the flow channel.
  • the control module 220 may acquire the concentration-related data of the heating medium at intervals of 36 seconds or 60 seconds, and may use the outside air temperature data or the like, for example, Feedforward smart radio transmission system in which the information of the solar heating facility management system is transmitted to the user or the manager through the wireless transmission system.
  • the feedback element may be a pump failure, a heating medium concentration, a heating medium shortage, a controller failure, a system performance index, and a feedforward element may be a heating medium replenishment cycle, a heating medium replacement cycle,
  • control module 220 may be implemented in a pump station, a three-way valve, a solenoid valve, or the like, and may be incorporated in a single case to form a modular pump station.
  • the control module 220 in the form of a pump station is implemented as a multi-channel (PC, mobile phone) monitoring and system failure / maintenance system incorporating IoT technology, thereby improving the usability of the solar heating facility management system Can be improved.
  • the IoT communication network can be a LoRa (Long Range) network, which is a low power long distance communication network, and wireless communication using ZigBee and gateway can also be used.
  • LoRa Long Range
  • control module 220 may be configured to receive an output signal of the integrated calorimeter as an input signal and to output it as a calorie amount for accurate calorimetric measurement. At this time, it is preferable that a port capable of receiving pulse, volt, and ampere, which are representative output signals of the integrated calorimeter, is provided and the input / output range of the signal can be set by internal setting.
  • control module 220 is provided with a small battery inside in preparation for a system failure that may occur during a power failure, and is capable of performing normal operation after power recovery through an alarm function and a previous set value recovery function .
  • the fluid concentration sensor 210 may be installed to be coupled to the upper part of the collector or the pump station module by a screw-type fastening method so as to facilitate maintenance.
  • the display unit 230 displays a main screen showing an operation status and an alarm list of the solar heating facility 100, a trend screen showing changes in temperature, fluid concentration, and flow rate of the solar heating facility, And can be displayed so as to select a stored report screen for each time zone.
  • the main screen is, for example, a pump operation state check (ON when the red lamp is blinking), an outlet temperature of the collector (temperature (° C.) introduced into the storage tank in the collector, a temperature of the storage tank (The temperature of the bottom of the thermal storage tank where the stratification is formed (° C)), the circulating water flow rate (collector circulation flow rate (LPM)), the instantaneous and integrated values of the calorific value and the heat collection efficiency, Leakage, pump failure, flow sensor failure alarm), operation status, and heat quantity.
  • a pump operation state check ON when the red lamp is blinking
  • an outlet temperature of the collector temperature (° C.) introduced into the storage tank in the collector
  • a temperature of the storage tank The temperature of the bottom of the thermal storage tank where the stratification is formed (° C)
  • the circulating water flow rate collector circulation flow rate (LPM)
  • LPM collector circulation flow rate
  • the trend screen can display and display the images of the collector, the tank, the bottom, the outside temperature, the concentration of the antifreeze, the flow rate of the collector circulation water, and various change graphs.
  • the report screen can display information such as confirmation data for one day of data, confirmation data for one month of data for one month, confirmation data for one month for one year, date selection display for desired output, and the like.
  • a solar thermal facility management system is a system for managing the leakage and failure state of a solar thermal facility.
  • the solar thermal facility management system is provided in a collector circulation pipe of the solar thermal facility, A control module for determining whether or not the heating medium leaks and changes its concentration by using a measured voltage and a resistance value generated from the fluid density sensor, And a display unit for receiving and displaying a result of the determination as to whether or not the concentration is changed.
  • the fluid concentration sensor may be installed at the upper end of the circulation pipe outlet side of the collector.
  • An anti-corrosion coating film or a plating film may be formed on the surface of the fluid concentration sensor.
  • the fluid concentration sensor may be generated by measuring the measurement voltage and the resistance value at a time of 3 hours to 4 hours after the heat collection operation and the pump operation of the solar heating system are completed.
  • the control module may determine that the heating medium is leaking or the concentration of the heating medium is lowered when the measured voltage is smaller than a predetermined set voltage value.
  • the control module determines that the heating medium is leaking or the concentration of the heating medium is lowered when the resistance value when the voltage is applied to the fluid density sensor and the concentration of the heating medium do not satisfy the following formula 1 .
  • R is the resistance value (k?)
  • C is the concentration (%) of the heating medium.
  • the display unit may include a main screen for displaying an operation status and an alarm list of the solar heating facility, a trend screen showing changes in temperature, fluid concentration, and flow rate of the solar heating facility, and a report screen Can be displayed for selection.
  • the present invention relates to a system for managing leakage and failure of a solar heating facility, comprising: a fluid concentration sensor provided in a collector circulation pipe of the solar heating plant to generate a measurement voltage and a resistance value for measuring whether a heating medium leaks or changes in concentration; A control module for determining whether or not the heating medium leaks and changes in concentration using the measured voltage and the resistance value generated from the fluid density sensor, and a determination result as to whether or not the heating medium leaks and changes in concentration are received from the control module And a display unit for displaying the solar heating facility management system.
  • the present invention it is possible to accurately and accurately diagnose and predict a major failure of a solar heating facility, thereby prolonging the life of the solar heating facility and improving the performance.

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Abstract

본 발명은 태양열 설비의 누수 및 고장상태를 관리하는 시스템으로서, 상기 태양열 설비의 집열기 순환배관에 구비되어 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 측정하기 위한 측정전압 및 저항 값을 생성하는 유체 농도센서, 상기 유체 농도센서로부터 생성된 측정전압 및 저항 값을 이용하여 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 판단하는 제어모듈, 상기 제어모듈로부터 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부에 대한 판단 결과를 수신하여 표시하는 디스플레이부를 포함하는 태양열 설비 관리시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 태양열 설비의 주요 고장을 조기에 정확하게 진단 및 예측하여, 태양열 설비의 수명을 연장시킬 수 있고, 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

태양열 설비 관리시스템
본 발명은 태양열 설비 관리시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양열 설비의 주요 고장을 조기에 정확하게 진단 및 예측하여 사용자 단말로 전송하여 알려줌으로써, 태양열 설비의 수명을 연장시킬 수 있고, 성능을 향상시킬 수 있는 태양열 설비 관리시스템에 관한 것이다.
화석에너지에 의존하는 현재 경제 체제의 지속은 화석에너지 고갈의 문제뿐만 아니라 환경적인 문제까지 가중되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 범세계적으로 화석에너지 사용에 의한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다. 최근 IPCC(정부간 기후협약체제)하에서 개도국까지 CO2 배출권등 다양한 협약이 도출되고 있다. 장기적으로 신재생에너지, 친환경적인 에너지에 대한 개발이 증대될 것으로 예측되며 중장기적으로 에너지 사용의 패러다임이 변화될 것으로 예상된다.
우리나라의 경우 화석에너지에 대한 의존도가 높으며 에너지의 해외 수입에 의한 의존도가 매우 높기 때문에 화석에너지 고갈에 의한 에너지 비용이 급격히 상승할 요인이 많으며 OECD/IEA에서 추진하는 블루 로드맵(BLUE Roadmap) 정책에 따라서 신재생에너지, 친환경적 에너지에 대한 개발과 수요가 증가될 것으로 예상된다. 이러한 상황에서 기존 에너지 자원의 대체 에너지 개발은 미래 에너지원 확보 및 환경보호 차원에서 새로 개발되는 에너지원들은 환경 친화적 에너지자원 개발과 활용이라는 측면으로 그 중요성이 계속 커지고 있다.
지금까지 연구 및 개발되어 가장 효율화 및 고도화 보급이 잘 된 대체 에너지는 태양 에너지 분야이다. 그러나 태양을 이용한 대체 에너지 개발은 에너지 가격의 상승으로 인하여 적용범위가 넓어지고 있지만 에너지 효율적인 측면에서는 포화상태에 도달하고 있다. 이러한 에너지 효율성 측면에서 활발한 연구가 진행된 태양광이 아닌 태양열을 이용한 신재생 에너지 개발의 연구가 현재 진행중이다.
태양열 에너지는 태양열의 유입이 불가능하거나 부족한 실내/외 공간에 다양한 장치를 이용하여 태양열을 유입시키는 시스템이다. 태양열 에너지 이용 분야는 기존의 태양광 에너지 분야와 함께 신재생 에너지 분야의 핵심 중 하나로 분류되고 있다.
종래 기술에 따른 태양열 온수시스템은, 일반적으로 태양열 집열기와, 이를 통과하는 열매체가 순환되는 열매체 순환관, 열매체 순환관이 내부를 경유하는 열교환기, 온수가 내부에 수용되는 축열조, 축열조 내부의 온수가 상기 열교환기의 내부를 경유하며 열매체와 열교환되도록 설치되는 온수 순환관, 축열조 내의 온수가 수전, 수도꼭지 측으로 공급되도록 연결되는 온수 공급관, 태양열 에너지의 부족 시에 축열조 내의 온수를 공급받아 보조적으로 가열하여 공급하는 보일러, 및 온수시스템의 전반적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.
이러한 종래의 태양열 온수시스템에서 축열조는 가열되어 보관된 온수의 배출과 보충만을 반복하는 단순 보관용 기능만을 사용하고 있어, 최대로 가열된 상태로 출수되는 온수와 급수되는 냉수와의 혼합에 의해 사용자가 요구하는 요구온도를 만족할 수 있도록 하고 있으므로, 불필요하게 에너지를 낭비하게 되는 문제점이 있고, 매우 높은 고온의 온수에 지속적으로 노출되는 태양열 온수시스템의 구성요소가 빠르게 노후화되고 열매체 순환관이나 배관의 누수가 발생할 가능성이 높아지며 유지보수가 힘들게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 태양열 설비의 주요 고장을 조기에 정확하게 진단 및 예측하여, 태양열 설비의 수명을 연장시킬 수 있고, 성능을 향상시킬 수 있는 태양열 설비 관리시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양열 설비 관리시스템은 태양열 설비의 누수 및 고장상태를 관리하는 시스템으로서, 상기 태양열 설비의 집열기 순환배관에 구비되어 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 측정하기 위한 측정전압 및 저항 값을 생성하는 유체 농도센서, 상기 유체 농도센서로부터 생성된 측정전압 및 저항 값을 이용하여 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 판단하는 제어모듈, 상기 제어모듈로부터 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부에 대한 판단 결과를 수신하여 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것으로 구성된다.
상기 유체 농도센서는 상기 집열기의 순환배관 출구 측 최상단부에 설치되는 것으로 구비될 수 있다.
상기 유체 농도센서의 표면에는 부식방지 코팅막 또는 도금막이 형성될 수 있다.
상기 유체 농도센서는 상기 태양열 설비의 집열 운전 및 펌프 운전이 종료된 시점부터 3시간 내지 4시간 이후의 시간에 상기 측정전압 및 저항 값을 측정하여 생성할 수 있다.
상기 제어모듈은 상기 측정전압이 미리 정해진 설정전압 값보다 작을 경우, 상기 열매체가 누수 되었거나, 상기 열매체의 농도가 저하된 것으로 판단할 수 있다.
상기 제어모듈은 상기 유체 농도센서에 전압을 인가했을 때의 저항 값과 상기 열매체의 농도가 아래의 수학식 1을 만족하지 못할 때, 상기 열매체가 누수 되었거나, 상기 열매체의 농도가 저하된 것으로 판단할 수 있다.
[수학식 1]
R = 0.00394 C2 + 0.0415 C + 5.8
여기서, R은 저항 값(kΩ)이고, C는 열매체의 농도(%)이다.
상기 디스플레이부는 상기 태양열 설비의 운전상황 및 알람 리스트를 나타내는 메인화면, 상기 태양열 설비의 온도, 유체농도 및 유량의 변화를 나타내는 트렌드 화면, 및 상기 태양열 설비의 구동 상태 정보가 각 시간대별로 저장된 레포트 화면을 선택할 수 있도록 표시될 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 설비 관리시스템은 태양열 설비의 주요 고장을 조기에 정확하게 진단 및 예측하여, 태양열 설비의 수명을 연장시킬 수 있고, 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 각 구성요소를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템이 설치되는 태양열 설비의 전체적인 모습을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 유체 농도센서의 모습을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 제어모듈에서 열매체의 농도에 따른 저항 및 전압 회귀식을 도출하기 위해 이용된 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에서 디스플레이부의 메인화면 모습을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에서 디스플레이부의 트렌드화면 모습을 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에서 디스플레이부의 레포트화면 모습을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에서 유체 농도센서의 정밀도 실험결과를 나타낸 표이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 플로우 센서의 출력값을 이용하여 고장 여부를 판단하는 방법을 나타낸 표이다.
도 10 및 도11은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 실증 시작품을 구현하기 위한 각 구성요소들과 트랜시스(TRNSYS) 프로그램 플랫폼을 나타낸 모식도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 전기저항방식의 유체농도감지센서 설치 사진과 내부 모식도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 유체농도감지센서를 이용한 수위 및 농도 측정 모식도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에 설치될 수 있는 펌프스테이션 내부에 고장진단 및 유지관리 부품 및 기술을 결합개념을 보여주는 사진이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에 설치될 수 있는 배관삽입형 헤더와 유체농도감지센서의 결합을 나타낸 개념도이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 Feedback/feedforward 연계 시스템의 개념도이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 컨트롤러의 적산열량값 입력 및 출력 개념도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 구체적인 수치는 실시예에 불과하다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 각 구성요소를 나타낸 블록도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템이 설치되는 태양열 설비의 전체적인 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 유체 농도센서의 모습을 나타낸 사진이 개시되어 있다.
도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 제어모듈에서 열매체의 농도에 따른 저항 및 전압 회귀식을 도출하기 위해 이용된 그래프를 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에서 디스플레이부의 메인화면 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에서 디스플레이부의 트렌드화면 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 7에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에서 디스플레이부의 레포트화면 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에서 유체 농도센서의 정밀도 실험결과를 나타낸 표가 개시되어 있으며, 도 9에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 플로우 센서의 출력값을 이용하여 고장 여부를 판단하는 방법을 나타낸 표가 개시되어 있다.
도 10 및 도11에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 실증 시작품을 구현하기 위한 각 구성요소들과 트랜시스(TRNSYS) 프로그램 플랫폼을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 12에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 전기저항방식의 유체 농도센서 설치 사진과 내부 모식도가 도시되어 있으며, 도 13에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 유체 농도센서를 이용한 수위 및 농도 측정 모식도가 개시되어 있다.
도 14에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에 설치될 수 있는 펌프스테이션 내부에 고장진단 및 유지관리 부품 및 기술을 결합개념을 보여주는 사진이 개시되어 있고, 도 15에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템에 설치될 수 있는 배관삽입형 헤더와 유체 농도센서의 결합을 나타낸 개념도가 도시되어 있으며, 도 16에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 Feedback/feedforward 연계 시스템의 개념도가 도시되어 있다.
도 17에는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 설비 관리시스템의 컨트롤러의 적산열량값 입력 및 출력 개념도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 태양열 설비 관리시스템(200)은 태양열 설비의 누수 및 고장상태를 관리하는 시스템으로서, 상기 태양열 설비의 집열기 순환배관에 구비되어 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 측정하기 위한 측정전압 및 저항 값을 생성하는 유체 농도센서(210), 상기 유체 농도센서(210)로부터 생성된 측정전압 및 저항 값을 이용하여 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 판단하는 제어모듈(220), 상기 제어모듈(220)로부터 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부에 대한 판단 결과를 수신하여 표시하는 디스플레이부(230)를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 태양열 설비 관리시스템(200)은 태양열 설비의 순환배관에 설치된 유체 농도센서(210)로부터 측정되는 측정전압 및 전기저항 값을 이용하여 태양설 설비의 순환배관을 유동하는 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 제어모듈(220)을 통해 판단하고, 이러한 판단결과를 디스플레이부(230)를 통해 표시함으로써, 태양열 설비의 누수 여부와 고장 상태 등의 정보를 사용자가 편리하고 정확하게 파악하여 대처할 수 있도록 한다. 따라서, 상기 태양열 설비 시스템(200)은 태양열 설비의 성능을 개선하고, 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다.
여기서, 상기 제어모듈(210)은 유선 또는 무선 네트워크 통신망을 이용하여 상기 디스플레이부(230)에 표시되는 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부에 대한 판단결과 정보를 상기 태양열 설비 관리시스템(200)의 사용자나 관리자가 소지한 단말기로 전송하도록 구현될 수 있다.
이와 관련하여, 상기 태양열 설비 관리시스템(200)이 적용되는 태양열 설비(100)는 예를 들어, 도 2 에서와 같이, 축열조(110), 코일(112), 순환펌프(120), 집열기(130), 집열기 순환배관(140), 축열조 순환배관(150), 제어모듈(220)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 유체 농도센서(210)는 감지부가 배관의 중앙부에 위치하도록 상기 집열기(130)의 순환배관(140) 출구 측 최상단부에 설치되는 것으로 구비될 수 있다.
상기 축열조(110)는 외부로 열이 방출되지 않도록 단열재로 피복되어 실내에 설치되며, 집열기 순환배관(140) 및 축열조 순환배관(150)과 연결된다. 상기 집열기 순환배관(140)은 집열기 유입관(141) 및 집열기 배출관(142)으로 구성되고, 상기 축열조 순환배관(150)은 시수관(151) 및 부하측 공급관(152)으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 축열조(110)는 하부에 구비된 시수관(151)을 통해 급탕 부하측으로 빠져나간 만큼 시수를 통해 채워질수 있도록 구비되고, 상부에 구비된 부하측 공급관(152)을 통해 상기 축열조(110)의 온수가 생활에 사용되도록 부하측으로 공급된다. 상기 축열조(110)로 유입된 온수는 상기 부하측 공급관(152)을 통해 배출되어 생활에 사용된다.
상기 코일(112)은 집열기 유입관(141) 및 집열기 배출관(142)의 끝단과 연통되어 축열조(110) 내부 중 상단에서 하단까지 연결되며, 상단의 밀도가 집중되게 배치된다. 즉, 상기 코일(112)은 상기 축열조(110)의 상부에서 간격이 좁게 배치하고 중간, 하부로 갈수록 간격이 넓어지게 배치될 수 있다.
상기 코일(112)의 설치 위치에 따라 집열기(130)에서 가열된 열매체는 집열기 출구 온도가 축열조(110) 최상단 온도보다 큰 경우 축열조(110) 상부를 집중적으로 가열한 후 중간부 및 하부를 가열하므로 성층화 촉진 측면에서 매우 유리한 구조를 취하고 있다. 여기서, 성층화(Stratification)란 온도가 높은 물은 상단부에 모이게 하고, 온도가 낮은 물은 하단부에 모이게 해서 최대한 양질의 온수를 공급하는 현상을 말한다.
상기 순환펌프(120)는 제어모듈(220)의 명령으로 작동하며, 축열조(110)에 수용된 용수를 순환시킨다. 여기서, 상기 순환펌프(120)는 집열기(130)의 출구 온도와 그리고 축열조(110)의 출구 온도 혹은 상기 집열기(130)의 입구 온도차를 통해 작동을 제어하는 차온 제어(differential temperature control)에 의해 작동된다.
또한, 상기 순환펌프(120)에는 인버터(inverter) 가 부가적으로 구비되어 회전수를 제어할 수 있으므로 순환량 조절이 가능하다. 예를 들어, 상기 순환펌프(120)의 가동이 정지되면 태양열 에너지는 "0"인 것을 알 수 있다.
상기 집열기(130)는 건물의 옥상이나 지붕 등과 같이 집열량이 많은 실외에 설치되어, 일측은 상기 집열기 유입관(141)과 연결되고, 타측은 상기 집열기 배출관(142)과 연결된다. 또한, 상기 집열기(130)는 태양열을 집열하여 상기 순환펌프(120)에 의해 공급된 용수를 가열하는 역할을 하는 것으로, 진공관형, 평판형 등 다양한 종류의 집열기가 사용될 수 있다.
상기 집열기 순환배관(140)은 외부와 연결되지 않는 폐쇄배관으로, 상기 집열기 순환배관(140)의 일부가 집열기(130)의 내부에 위치하게 된다. 그리고 집열기 순환배관(140)은 집열기(130)와 축열조(110) 간을 연결하며, 상기 집열기(130)에 의해 가열된 용수가 상기 축열조(110)로 배출되도록 유로를 제공한다.
또한, 집열기 순환배관(140)은 집열기(130)를 기준으로 용수가 유입되는 측에 구비되는 집열기 유입관(141), 온수가 배출되는 측에 구비되는 집열기 배출관(142)을 포함한다. 즉, 집열기 유입관(141)은 축열조(110)에 수용된 용수가 집열기(130)로 유입될 수 있도록 구비되며, 집열기 배출관(142)은 상기 집열기(130)에 의해 가열된 용수가 상기 축열조(110)로 유입될 수 있도록 구비된다.
상기 집열기 배출관(142)이 집열기 유입관(141)에 비해 상대적으로 높은 위치에 구비되며, 상기 집열기 유입관(141)으로는 용수가 흐르고, 상기 집열기 배출관(142)으로는 온수가 흐르게 된다. 이는 상기 축열조(110) 내에 저장된 온수의 성층화 효과를 높이기 위한 것으로, 상기 축열조(110)로 유입된 용수는 성층화로 인해 하부에 위치하게 되고, 상기 축열조(110) 내에서 상대적으로 높은 위치에 있는 온수의 온도가 낮은 위치에 있는 온수의 온도보다 높기 때문에 보다 높은 온도의 온수를 사용할 수 있다. 또한, 상기 집열기 순환배관(140) 중 상기 집열기(130)에 위치한 부분은 상기 집열기(130)로 집열된 태양열이 최대한 물로 전달될 수 있도록 상기 집열기(130)의 내부에 넓게 분포할 수 있도록 구성할 수 있다.
상기 축열조 순환배관(150)은 축열조(110)와 연결되며, 상기 축열조(110) 하부로 상기 용수를 유입시키고, 상기 축열조(110) 상부에 위치하는 용수가 배출되도록 유로를 제공하며, 시수관(151) 및 부하측 공급관(152)으로 구성된다. 상기 시수관(151)은 상기 축열조(110)에 저장된 온수의 성층화를 위해 상기 축열조(110)의 하부와 연결되고, 상기 부하측 공급관(152)은 상기 축열조(110)의 상부와 연결된 구조로 구비될 수 있다.
상기 태양열 설비 관리시스템은 상기 제어모듈(210)이 집열기(130) 출구와 축열조(110) 상부온도를 측정하여 온도가 설정치 이상이 되면 온수를 배출하거나 추가 설치된 방열기 등을 작동시켜 시스템의 과열을 방지하는 과열방지 기능과 3-way valve를 구비하여 온수 출구온도가 40℃ 이상이면 부하측에 바로 공급되고 40℃ 이하이면 보조보일러를 경유하여 부하측에 공급되도록 하는 보조보일러 연동기능 등의 제어로직이 구현될 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 배관 내 유체의 유동을 감지하는 유동감지센서(고급형의 경우 유량계 적용)를 추가 설치하여 상기 순환펌프(120)의 신호와 유동감지센서의 신호를 측정·비교하여 순환펌프(120)의 고장을 진단하고, 배관 내 유체의 수위를 감지하기 위해 유체 농도센서(210)를 추가 설치·측정하여 집열기, 배관 및 밸브 류 등에 의한 열매체 누수 등의 고장을 진단하며, 상기 제어모듈(210)에 내장된 경보기능을 통해 사용자에게 시스템의 고장을 알려주도록 구현될 수 있다. 또한, 유체 농도센서(210)를 통해 열매체의 농도가 기준치 이하로 떨어지거나 외기온도와 비교하여 동파 가능성이 높아지는 것을 파악할 수 있으며, 경보를 통해 사용자에게 즉각적인 조치를 취하게 하도록 구현될 수 있다. 또한, 열매체의 농도가 기준치 이상으로 올라 열매체의 결정화 및 유동에 영향을 미치는 현상을 파악하며, 경보를 통해 사용자에게 즉각적인 조치를 취하게 하도록 구현될 수 있다.
한편, 상기 유체 농도센서(210)는 예를 들어 PCB 유체 센서 또는 황동 유체 센서 등으로 형성될 수 있으며, 그 표면에는 부식방지 코팅막 또는 도금막이 형성될 수 있다. 즉, 상기 유체 농도센서(210)는 감지부가 녹물이나 물기 등으로 인해 오염되거나 부식될 경우, 전혀 오염되거나 부식되지 않은 경우와 비교했을 때, 전압 인가 시의 저항값의 변화가 매우 크게 나타나 상기 열매체의 정확한 농도값을 측정하기 어려워지므로, 표면에 부식방지 코팅막 또는 도금막을 형성하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 여기서, 상기 유체 농도센서(210)의 정밀도는 열매체의 정확한 농도값 측정을 위해서는 실질적으로 관측값의 편차가 3 내지 8%인 것이 바람직하며, 상기 관측값의 편차가 7% 이하로 작을수록 더욱 바람직하다.
이러한 유체 농도센서(210)에 의해 농도값이 측정되는 열매체는 특별히 제한되지 않으며, 태양열 시스템의 집열순환매체로 주로 사용되는 물과 프로필렌글리콜(Propylene glycol)의 혼합물 또는 물과 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 의 혼합물인 열매체일 수 있다. 즉 상기 유체 농도센서(210)는 상기와 같은 태양열 시스템의 열매체의 농도를 검출하여 초기 고장요인인 열매체 누수 및 열매체 농도의 묽어지거나 짙어지는 정도를 정밀 진단하여 태양열 설비 관리시스템의 성능을 향상시키고, 수명을 더욱 연장시키는데 기여할 수 있다.
또한, 상기 유체 농도센서(210)는 태양열 설비의 부동액 농도 측정과 지열 시스템의 지중열교환기 열매체 농도를 측정하는 용도로도 활용될 수 있다.
구체적으로, 태양열 설비와 부동액 농도는 굴절률과 부력법을 이용하여 간헐적으로 측정하는 방식이 일반적이나, 상기 유체 농도센서(210)는 적용하면 농도의 연속적인 측정 가능하므로 농도 변화를 용이하게 감시할 수 있다. 이러한 부동액의 연속적인 측정방법을 적용하기 위해서는 고가의 굴절률을 이용한 측정센서를 적용해야 되나 유체 농도센서(210)는 상대적으로 매우 저렴한 비용으로 제작 및 적용이 가능한 장점이 있다.
한편, 지중열교환기의 경우, 열매체로 부동액을 사용하며, 이때의 농도 측정용으로 상기 유체 농도센서(210)가 활용 가능한데, 이러한 유체 농도센서(210)를 통하여 지중열매체의 농도가 감소한 것으로 측정될 경우, 펌프로 열매체를 보충할 수 있도록 시스템을 구현함으로써, 지중열교환기의 원활한 구동과 성능 개선에 기여할 수 있다.
또한, 상기 유체 농도센서(210)는 상기 태양열 설비(100)의 집열 운전 및 펌프 운전이 종료된 시점부터 3시간 내지 4시간 이후의 시간에 상기 측정전압 및 저항 값을 측정하여 생성할 수 있다. 즉, 상기 유체 농도센서(210)에 전압을 인가하여 열매체의 농도를 측정하기 위해 상기 유체 농도센서(210)의 감지부를 일정시간 공기 중에 노출시키는 과정이 필요하며, 이러한 유체 농도센서(210) 감지부의 공기 중 노출 시간이 너무 짧을 경우 열매체 농도 측정의 정확도가 저하될 수 있고, 유체 농도센서(210) 감지부의 공기 중 노출 시간이 너무 길어질 경우 열매체 농도 측정시간이 길어져 태양열 설비(100)의 열매체 누수 및 농도 변화 여부 판단시간이 전체적으로 길어지고 효율이 저하되어 바람직하지 않으므로, 상기 유체 농도센서(210)의 측정전압 및 저항 값 측정은 상기 태양열 설비(100)의 집열 운전 및 펌프 운전이 종료된 시점부터 3시간 내지 4시간 이후에 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 유체 농도센서(210)의 측정전압 및 저항 값 측정은 바람직하게는 1분 30초 내지 2분 동안 수행될 수 있다.
상기 제어모듈(220)은 상기 측정전압이 미리 정해진 설정전압 값보다 작을 경우, 상기 열매체가 누수 되었거나, 상기 열매체의 농도가 저하된 것으로 판단할 수 있다. 즉, 상기 제어모듈(220)은 상기 유체 농도센서(210)로부터 측정된 측정전압 값을 이용하여 상기 태양열 설비(100)의 열매체 농도를 측정할 경우, 도 8의 회귀 실험에서와 같이 유체 농도센서(210)에 대한 전압인가 시 정상상태와 정상상태 기준으로 일정 오차범위의 기준 저항 및 전압 값을 설정하고, 이러한 기준 저항 및 전압 값에 대한 오차범위를 벗어나는 전압 값이 측정될 경우, 열매체의 농도가 저하되었거나 누수가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이 때, 설정전압은 4 내지 5V 범위로 설정할 수 있으며, 바람직하게는 4.5V로 설정할 수 있다.
또한, 상기 제어모듈(220)은 상기 유체 농도센서(210)에 전압을 인가했을 때의 저항 값과 상기 열매체의 농도가 아래의 수학식 1을 만족하지 못할 때, 상기 열매체가 누수 되었거나, 상기 열매체의 농도가 저하된 것으로 판단할 수 있다.
[수학식 1]
R = 0.00394 C2 + 0.0415 C + 5.8
여기서, R은 저항 값(kΩ)이고, C는 열매체의 농도(%)이다.
즉, 상기 제어모듈(220)은 상기 유체 농도센서(210)에 전압을 인가했을 때의 저항 값과 상기 태양열 설비(100)에서 순환하는 현재 열매체의 농도를 상기 수학식 1에 대입했을 때 결과가 상기 수학식 1을 만족하지 못하거나, 상기 수학식 1의 좌변과 우변의 값의 차이가 일정범위 이상으로 크게 나타날 경우, 상기 열매체가 누수 되었거나, 상기 열매체의 농도가 저하된 것으로 판단하여, 이러한 판단결과를 상기 디스플레이부(230)를 통해 표시할 수 있다.
또한, 상기 제어모듈(220)은 IoT(Internet of Things) 기능을 통해 태양열 설비의 집열 및 축열획득열량, 부하측 공급열량, 일사량, 집열효율, 태양열의존율 등을 모니터하여 출력하며, 옵션으로 보급형 일사계(pyranometer)를 부착하여 현재의 집열효율과 이상적인 집열효율을 제시할 수도 있다. 특히 이러한 집열효율 값이 현저한 차이를 나타내는 경우 제조업체 혹은 전문가로부터 진단을 받도록 조언 메시지를 사용자에게 제공하거나, 관리자 및 사용자에게 유지·관리방법을 알려주는 Expert System으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 제어모듈(220)은 유체 농도센서(210) 이외에 각종 센서, 온도계 등으로부터 태양열 설비 관리시스템에 대한 다양한 물리적인 측정값들을 수신할 있도록 연동 구성되어 태양열 설비 관리시스템에서 지속적으로 체크하기 힘든 부분인 열매체의 농도 관련 데이터를 실시간으로 측정하여 해당 데이터의 묽고 짙은 정도와 같은 해석정보를 이용하여 고장진단 모델로 활용하도록 구현될 수 있다. 이 때, 구체적으로 측정될 수 있는 열매체의 농도 관련 데이터는 예를 들어, 열매체 농도에 따른 빙점과 결정화 시점과 관련된 데이터, 다양한 지역별 기상데이터에 따른 옥외 배관의 동파를 일으키는 최적값과 결정화를 통해 발생되는 유로의 협착에 영향을 주는 한계점 데이터 등일 수 있다.
또한, 상기 제어모듈(220)은 상기와 같은 열매체의 농도 관련 데이터를 36초 또는 60초 간격으로 입수하고, 외기 온도 데이터 등을 이용하여, 예를 들어, 외기온도 5℃이하이거나 태양열 설비 관리시스템의 부동액농도가 10% 이하인 경우 등을 동파 고장기준으로 설정하고, 이러한 태양열 설비 관리시스템 정보를 사용자나 관리자에게 무선 전송 시스템을 통해 전달하는 feedback/feedforward 스마트 무선 전송 시스템으로 구현될 수 있다. 이 때의 feedback 요소는 펌프 고장, 열매체 농도, 열매체 부족, 제어기고장, 시스템성능지수 일 수 있고, feedforward 요소는 열매체 보충 주기, 열매체 교체 주기, 시스템 종합점검(성능지수관련) 상황 정보일 수 있다.
또한, 상기 제어모듈(220)은 펌프, 삼방향밸브, 솔레노이드밸브 등의 장치와 함께 하나의 케이스에 내장되어 모듈화된 펌프스테이션(Pump station) 형태로 구현될 수 있다. 이러한 펌프스테이션(Pump station) 형태의 제어모듈(220)은 IoT 기술을 접목한 다채널(PC, 휴대폰) 모니터링 및 시스템 고장유무 및 유지관리시스템으로 구현됨으로써, 상기 태양열 설비 관리시스템의 사용 편의성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 때의 IoT 통신망은 저전력 장거리 통신망인 LoRa(Long Range) 망이 이용될 수 있으며, ZigBee 와 Gateway를 등을 이용한 무선통신도 이용될 수 있다.
또한, 상기 제어모듈(220)은 정확한 열량 측정을 위해 적산열량계의 출력신호를 입력신호로 받고 이를 열량으로 출력할 수 있도록 구현될 수 있다. 이 때, 상기 적산열량계의 대표적 출력신호인 pulse, volt, ampere를 모두 받을 수 있는 포트가 구비되도록 하며, 내부 설정에 의해 신호의 입출력 범위가 설정될 수 있도록 구현되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어모듈(220)은 정전시 발생 가능한 시스템 불능의 경우에 대비하여 내부에 소형 배터리를 구비하고, 정전시 알람 기능 및 이전 설정값 복원 기능을 통한 전원 복구 후 정상 운전이 가능하도록 구현될 수 있다. 또한, 유체 농도센서(210)의 유지보수가 용이하도록 집열기 최상부 또는 펌프스테이션 모듈 내부에 나사형 체결방식에 의해 결합되도록 설치될 수 있다.
상기 디스플레이부(230)는 상기 태양열 설비(100)의 운전상황 및 알람 리스트를 나타내는 메인화면, 상기 태양열 설비의 온도, 유체농도 및 유량의 변화를 나타내는 트렌드 화면, 및 상기 태양열 설비의 구동 상태 정보가 각 시간대별로 저장된 레포트 화면을 선택할 수 있도록 표시될 수 있다.
여기서, 상기 메인화면은 예를 들어, 펌프 가동상태 확인(적색 램프 점멸 시 ON), 집열기 출구 온도(집열기에서 축열조로 인입되는 온도(℃)), 축열조 상부 온도(성층화가 형성되는 축열조 상부 온도(℃)), 축열조 하부 온도(성층화가 형성되는 축열조 하부 온도(℃)), 순환수 유량(집열기 순환 유량(LPM)), 생산열량과 집열효율의 순시 및 적산치, 알람 리스트(열매체 농도, 열매체 누수, 펌프 고장, 플로우센서 고장 알람), 동작상태, 열량 등의 정보를 표시할 수 있다.
또한, 상기 트렌드 화면은 집열기 및 탱크 상·하부, 외기온도 변화, 부동액의 농도 변화, 집열기 순환수 유량 변화, 각종 변화 그래프로 나타내는 화면 등을 나타내어 표시할 수 있다.
또한, 상기 레포트 화면은 하루 동안의 시간당 데이터를 확인정보, 한달 동안의 하루당 데이터를 확인정보, 일년 동안의 한달당 데이터를 확인정보, 출력을 원하는 날짜 선택 표시 등의 정보를 나타낼 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양열 설비 관리시스템은 태양열 설비의 누수 및 고장상태를 관리하는 시스템으로서, 상기 태양열 설비의 집열기 순환배관에 구비되어 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 측정하기 위한 측정전압 및 저항 값을 생성하는 유체 농도센서, 상기 유체 농도센서로부터 생성된 측정전압 및 저항 값을 이용하여 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 판단하는 제어모듈, 상기 제어모듈로부터 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부에 대한 판단 결과를 수신하여 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것으로 구성된다.
상기 유체 농도센서는 상기 집열기의 순환배관 출구 측 최상단부에 설치되는 것으로 구비될 수 있다.
상기 유체 농도센서의 표면에는 부식방지 코팅막 또는 도금막이 형성될 수 있다.
상기 유체 농도센서는 상기 태양열 설비의 집열 운전 및 펌프 운전이 종료된 시점부터 3시간 내지 4시간 이후의 시간에 상기 측정전압 및 저항 값을 측정하여 생성할 수 있다.
상기 제어모듈은 상기 측정전압이 미리 정해진 설정전압 값보다 작을 경우, 상기 열매체가 누수 되었거나, 상기 열매체의 농도가 저하된 것으로 판단할 수 있다.
상기 제어모듈은 상기 유체 농도센서에 전압을 인가했을 때의 저항 값과 상기 열매체의 농도가 아래의 수학식 1을 만족하지 못할 때, 상기 열매체가 누수 되었거나, 상기 열매체의 농도가 저하된 것으로 판단할 수 있다.
[수학식 1]
R = 0.00394 C2 + 0.0415 C + 5.8
여기서, R은 저항 값(kΩ)이고, C는 열매체의 농도(%)이다.
상기 디스플레이부는 상기 태양열 설비의 운전상황 및 알람 리스트를 나타내는 메인화면, 상기 태양열 설비의 온도, 유체농도 및 유량의 변화를 나타내는 트렌드 화면, 및 상기 태양열 설비의 구동 상태 정보가 각 시간대별로 저장된 레포트 화면을 선택할 수 있도록 표시될 수 있다.
본 발명은 태양열 설비의 누수 및 고장상태를 관리하는 시스템으로서, 상기 태양열 설비의 집열기 순환배관에 구비되어 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 측정하기 위한 측정전압 및 저항 값을 생성하는 유체 농도센서, 상기 유체 농도센서로부터 생성된 측정전압 및 저항 값을 이용하여 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 판단하는 제어모듈, 상기 제어모듈로부터 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부에 대한 판단 결과를 수신하여 표시하는 디스플레이부를 포함하는 태양열 설비 관리시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 태양열 설비의 주요 고장을 조기에 정확하게 진단 및 예측하여, 태양열 설비의 수명을 연장시킬 수 있고, 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 태양열 설비의 누수 및 고장상태를 관리하는 시스템으로서,
    상기 태양열 설비의 집열기 순환배관에 구비되어 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 측정하기 위한 측정전압 및 저항 값을 생성하는 유체 농도센서;
    상기 유체 농도센서로부터 생성된 측정전압 및 저항 값을 이용하여 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부를 판단하는 제어모듈;
    상기 제어모듈로부터 상기 열매체의 누수 여부 및 농도 변화 여부에 대한 판단 결과를 수신하여 표시하는 디스플레이부;
    를 포함하는 태양열 설비 관리시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 농도센서는 상기 집열기의 순환배관 출구 측 최상단부에 설치되는 것으로 구비되는 태양열 설비 관리시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 농도센서의 표면에는 부식방지 코팅막 또는 도금막이 형성되어 있는 태양열 설비 관리시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 농도센서는 상기 태양열 설비의 집열 운전 및 펌프 운전이 종료된 시점부터 3시간 내지 4시간 이후의 시간에 상기 측정전압 및 저항 값을 측정하여 생성하는 태양열 설비 관리시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어모듈은 상기 측정전압이 미리 정해진 설정전압 값보다 작을 경우, 상기 열매체가 누수 되었거나, 상기 열매체의 농도가 저하된 것으로 판단하는 태양열 설비 관리시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어모듈은 상기 유체 농도센서에 전압을 인가했을 때의 저항 값과 상기 열매체의 농도가 아래의 수학식 1을 만족하지 못할 때, 상기 열매체가 누수 되었거나, 상기 열매체의 농도가 저하된 것으로 판단하는 태양열 설비 관리시스템.
    [수학식 1]
    R = 0.00394 C2 + 0.0415 C + 5.8
    여기서, R은 저항 값(kΩ)이고, C는 열매체의 농도(%)이다.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 상기 태양열 설비의 운전상황 및 알람 리스트를 나타내는 메인화면, 상기 태양열 설비의 온도, 유체농도 및 유량의 변화를 나타내는 트렌드 화면, 및 상기 태양열 설비의 구동 상태 정보가 각 시간대별로 저장된 레포트 화면을 선택할 수 있도록 표시되는 태양열 설비 관리시스템.
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