태양열 집열장치{Apparatus for Collecting Solar Energy for Hot Water}
도 1은 본 고안에 의한 태양열 집열장치의 일 예를 보여주는 개념도. 도 2는 본 고안에 의한 태양열 집열장치의 다른 일 예를 보여주는 개념도. 도 3은 본 고안에 의한 태양광 집광부가 형성된 커버의 단면도. 도 4는 본 고안에 의한 태양열 집열장치에서 집광부, 집열파이프 및 전면반사판 구조의 일 예 및 태양광이 흡수되는 모습을 보여주는 간략도. ********** 주요 도면부호의 설명 ********** 10: 축열조 20: 온수조 30: 집열파이프 40: 케이스 50: 커버 52: 집광부 60: 전면반사판
본 고안은 태양열 집열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유성(油性)의 축열매체를 사용함으로써 태양에너지의 축열효과를 증대시킬 뿐만 아니라 사용될 온수의 온도를 100℃까지 올릴 수 있는 태양열 집열장치에 관한 것이다. 고유가와 화석에너지 자원의 고갈 및 이들의 사용에 의한 대기오염이 심각한 문제로 대두되면서 그 대책의 일환으로서 대체 에너지의 활용방안이 각광을 받기 시작했으며, 그 다양한 활용방안 중의 하나가 무한정한 무공해의 에너지원인 태양열을 이용하는 것으로 태양열 발전, 태양열 주택, 태양열 급탕기 등 여러 분야에서 응용되고 있다. 태양열 주택에서 사용되는 태양열 급탕기는, 통상 주택시설의 지붕에 있는 집열판(solar collector)에서 뜨거워진 물을 펌프를 이용하여 지하실에 있는 온수조(storage tank)로 보내어 열을 저장하는 방식으로 이루어진다. 이 축열탱크에 있는 온수를 이용하여 난방 및 온수공급을 하게 된다. 그러나 종래 태양열을 이용한 집열장치는 물을 축열매체로 하고 있기 때문에 아무리 충분한 태양에너지가 공급된다고 하더라도 100℃에 이르기 어려울 뿐만 아니라 온수조로 열수가 이동하는 과정에서 열손실이 일어나면서 온수조의 온도는 그리 높지 않은 문제가 있다. 나아가 태양에너지의 공급이 과다한 상태에서 온수의 사용이 적은 경우 장치 내에서의 물의 비등에 의해 장치의 내부에 과압이 걸리면서 손상 받을 가능성이 있다. 또한 물을 축열매체로 하기 때문에 태양에너지 공급이 적고 외기의 온도가 낮은 겨울밤에 장치이 동파될 가능성이 있다. 이를 방지하기 위해서는 별도의 보 온·가온장치를 부가해야 하는 불편함도 따른다. 한편, 종래 태양광 에너지 흡수기능을 하는 태양열 집열파이프는 아무리 조밀 간격으로 설치하더라도 제작과 유지관리상 집열파이프들 사이에는 일정한 공간이 생길 수밖에 없다. 이러한 공간을 통해 태양광이 손실되는 비율도 상당히 높다. 따라서 일단 입사된 태양광을 효율적으로 흡수하면서도 손실되는 것을 방지하는 기법이나 장치가 요구된다.
본 고안은 전술한 종래 기술의 문제점을 해소하려는 것으로서, 열효율이 높고 고온수의 공급이 가능한 새로운 태양열 집열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 고안은 입사된 태양광을 효율적으로 손실 없이 흡수할 수 있는 태양열 집열장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 복수개의 태양열 집열파이프와, 상기 복수개의 집열파이프를 외부와 공간적으로 분리하는 케이스와, 상기 집열파이프에서 집열된 열을 축열하는 축열조를 포함하는 태양열 집열장치에 있어서, ① 상기 집열파이프와 축열조에는 축열매체로서 유성(油性)매체가 충진되어 있으며, ② 온 수조가 추가로 형성되어 있어 ③ 상기 축열조의 유성매체와 온수조의 물 사이에서 열교환 되는 태양열 집열장치를 제공한다. 본 고안에서 태양열 집열파이프란 진공집열튜브라고도 불리는 것으로서 복사된 태양에너지를 흡수하는 기능을 하는 파이프를 말한다. 집열파이프는 통상 복수개가 나란히 배열된다. 본 고안에서 축열조란 집열파이프들이 직접 연결되어 있는 탱크로서, 내부에 축열매체가 충진되어 있어 축열매체 내부의 온도 차이에 의해 축열매체가 축열조와 집열파이프 사이를 순환(온도 차이에 기인하는 밀도 차이에 의한 대류)할 수 있는 공간을 제공한다. 본 고안에서는 축열매체로서 통상의 물 또는 부동액이 첨가된 물이 아닌 저점도, 불연성이며 비점이 100℃ 이상인 유성(油性)매체를 사용하는 것을 특징으로 한다. 업계에 알려진 바에 의하면, 통상의 집열파이프가 설치된 태양열 장치는 사양에 따라 이론적으로 최대 330~500℃까지 매체를 가온할 수 있다고 한다. 따라서 물을 매체로 하는 경우, 매체의 온도는 100℃를 넘을 수 없기 때문에 장치의 용량에 훨씬 못 미치는 정도로 활용하게 되는 것이다. 본 고안은 이 점에 주목한 것이다. 상기 유성매체는 저 압력으로서 높은 온도의 열을 발생시키고 축열 및 잠열이 뛰어난 액체면 모두 가능하다. 예컨대, 비등점이 290℃ 이고 열도전도율이 높으며 무색투명한 액체로서 인체에 무해한 글리세린, 혹은 체적 팽창률이 적고 320℃까지 잠열을 갖게 되고 점도가 낮아 순환이 용이한 쉘 서미아 오일(Shell Thermia Oil) 등을 사용할 수 있다. 다른 유성매체의 예로는 절연유를 들 수 있 다. 절연유는 열을 잘 흡수하면서 장기간 사용해도 산화변질(酸化變質)이 적고 부식되지 않을 뿐 아니라 유동점이 낮아 본 고안에서의 유성매체로 사용하기 적합하다. 구체적으로는 한국산업규격 KS C 2301에 규정되어 있는 제1호~제4호 절연유를 단독 또는 다른 성분과 혼합하여 사용할 수 있다. 본 고안에서 상기 축열조(10)와 상기 온수조(20) 사이의 열교환은 두 가지 방식이 가능하다. 먼저, 종래 알려진 방식에 따라 예컨대 수도 등과 같은 냉수공급수단에서 냉수가 상기 축열조(10)로 도입된 후 내부순환 과정에서 열교환 되고, 온수가 축열조(10)에서 나와 온수조(20)로 공급되는 방식이다(도 1). 그러나 이러한 방식에 의하면, 축열조(10) 내의 유성매체의 온도가 100℃ 이상이더라도 순환되는 물의 온도는 최대 100℃이며, 온수조로 전달되는 과정에서 열손실이 일어나기 때문에 실제 온수조(20)에 도착된 온수의 온도는 상당히 낮게 되는 문제가 있다. 따라서 다른 열교환 방식을 도입하는 것이 좋다. 즉, 유성매체가 축열조(10)에서 나와 직접 온수조(20)에 열교환 하는 것이다. 이 방식에 의하면 비록 유성매체가 순환과정에서 다소 열손실이 있더라도 매우 높은 온도를 유지할 수 있기 때문에 온수조(20)의 온도를 100℃ 가까이 가온할 수 있게 된다(도 2). 한편, 본 고안은 입사되는 태양광 에너지를 최대한 흡수할 수 있도록 하는 장치를 제공한다. 이를 위하여 본 고안은, 상기 집열파이프(30)에 대응하여 집열파이프(30)의 배치에 따라 집광부(52)가 복수개 형성된 투명한 커버(50)를 케이스(40)의 상면에 설치한 태양열 집열장치를 제공한다. 집광부(52)에 의해 집열파이프(30) 사이의 빈 공간으로 유출되는 태양광을 집열파이프(30)의 중앙부로 전달할 수 있게 된다. 집광부(52)는 집열파이프(30)의 상면을 따라 나란히 배치되도록 한다(도 4). 상기 집광부(52)는 양면 볼록렌즈이거나 단면 볼록렌즈 형상으로 제작될 수도 있고, 단면이 양면 볼록이거나 단면 볼록의 막대형상으로 제작될 수도 있다(도 3). 커버(50)의 외부는 먼지나 불순물이 쌓일 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 커버(50)의 외부측은 평면이며 내부측은 볼록한 형상인 것이 바람직하다. 물론 상기 커버(50)는 태양광이 최대한 통과될 수 있는 재질과 색상(투명)인 것이 바람직하다. 한편, 집광부(52)가 형성된 커버(50) 등을 도입하더라도, 적지 않은 태양광이 집열파이프(30) 사이의 빈 공간으로 유출될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 고안에서는, 전면반사판(60)을 상기 케이스(40)의 하면 집열파이프(30)의 바로 아래에 설치하는 것이 좋다. 이때 상기 전면반사판(60)은 인접한 집열파이프(30)를 향해 절곡되어 있는 것이 바람직하다(도 4).
본 고안에 의해 태양열만으로도 거의 100℃에 이르는 열수를 얻을 수 있으며, 태양에너지 공급이 적고 외기의 온도가 낮은 겨울철에 동파가 원천적으로 방지된 태양열 집열장치가 가능하게 된다. 또한 일단 입사된 태양광을 효율적으로 흡수하면서도 손실을 최대한 방지하는 구조의 태양열 집열장치가 제공된다. 본 고안에 의하면 90~100℃의 열수 공급이 가능하게 된다. 종래 30℃의 온수를 500ℓ/日 공급하는 장치과 비교하면, 본 고안에 의해 얻은 열수에 3~4배의 냉수(수돗물)를 혼합하여 30℃의 온수를 얻을 수 있으므로, 장치의 용량 역시 1/3~1/4 적은 125~170ℓ/日이면 충분하다. 따라서 본 고안에 의하면 설치 및 운용비도 종래에 비해 현저하게 절약할 수 있게 된다. |
