FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR

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 평판형 태양열 집열기의 조립 상태를 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 태양열 집열기의 본관 지관의 연결 부분을 확대한 부분 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 태양열 집열기의 고정앵글 및 고정앵글의 지관 수용홈 부분을 확대한 부분 모식도가 도시되어 있다.

도 4에는 일반적인 평판형 태양열 집열기가 열에 의해 집열판 휨 변형이 발생하는 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 태양열 집열기의 모습을 나타낸 사시도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 평판형 태양열 집열기(100)는 집열기 프레임 내부의 일측 및 타측에 연결되는 본관(Header pipe)(110), 열교환된 열매체를 양측 본관에 공급하도록 연결된 적어도 2개 이상의 지관(Branch pipe)(120), 상기 다수개의 지관 상부에 각각 결합되어 태양열을 흡수하는 집열판(130), 상기 다수개의 지관(120)의 하부방향에서 지관(120)의 길이방향과 교차되도록 가로질러 위치하고, 상부에 위치한 상기 집열판(130)과 접촉하면서 동시에 상기 지관(120)을 수용하여 고정할 수 있도록 적어도 2개 이상의 지관 수용홈(151)이 형성된 고정앵글(150), 상기 고정앵글(150)의 일측 또는 양측에 결합되는 스테이 스프링 고정용 사각파이프(160), 및 상기 사각 파이프(160)의 일측 또는 양측방향에 삽입되어 상기 집열판(130)에 탄성력을 제공하여 열팽창에 의한 집열판(130)의 휨을 방지하는 스테이 스프링(180)을 포함하는 것으로 구성된다.

여기서, 상기 본관(110)은 상기 집열기 프레임을 관통하여 축열조 등과 배관이 연결되며, 축열조는 이러한 단위 집열기 다수개와 배관을 통해 연결되어 열교환됨으로써 온수 또는 난방용 열매체를 공급한다. 또한, 상기 지관(120)은 통상 열전도율이 높은 동 또는 알루미늄 재질로 이루어지고 직경이 비교적 작게 형성되어 집열판(6)으로부터 전도된 열이 내부를 흐르는 열매체를 빨리 승온시키도록 구성되며 지관(120)의 직경은 태양열 집열판의 설계에 따라 자유롭게 변경될 수 있다.

또한, 상기 집열판(130)은 구리나 알루미늄 등을 이용하여 제작된 얇은 금속판으로 태양 광선을 최대한 흡수할 수 있도록 표면을 특수 화공처리한 코팅이 이루어진 집열판(130)이다. 코팅재로는 일반적으로 티타늄을 포함한 코팅재가 많이 사용되나, 태양에너지를 많이 흡수할 수 있는 코팅재라면 특별히 제한되지 않는다.

즉, 본 발명에 따른 평판형 태양열 집열기(100)는 집열판(130)과 결합되어 집열판(130)을 고정하는 지관(120)을 수용할 수 있는 지관 수용홈(151)이 형성된 고정앵글(150)을 지관(120)의 길이 방향과 교차되도록 가로질러 위치시켜 집열판(130)과 지관(120)을 동시에 접촉하면서 지관(120)과 집열판(130)을 모두 안정적으로 고정하는 역할을 한다.

따라서, 도 4의 태양열 집열기(200)에서와 같이 지관(220)만이 집열판(230)에 결합되어 집열판(230)을 고정하거나, 고정앵글(도시하지 않음)이 집열판(230)과 접촉되어 집열판(230)을 고정하지 않는 경우에 발생할 수 있는 태양열에 의한 다양한 형태의 집열판(230) 휨 변형을 효율적으로 방지할 수 있다.

구체적으로, 상기 평판형 태양열 집열기(100)는 고정앵글(150)이 지관(120)의 길이 방향과 교차되도록 가로질러 배치된 상태에서 지관(120)과 함께 집열판(130)을 고정하므로, 전체적으로 바둑판 무늬 구조로 지관(120)과 고정앵글(150)을 교차시켜 집열판(130)을 고정함으로써, 태양열로 인한 집열판(130)의 열응력에 의한 변형력을 가로 방향과 세로 방향에서 지관(120)과 고정앵글(150)이 각각 고르게 분산 흡수하여 집열판(130)의 휨 변형을 효율적으로 방지할 수 있다.

또한, 상기 평판형 태양열 집열기(100)는 지관(120)이 하부에 결합되어 있는 집열판(130)에 고정앵글(150)을 고정하기 위해 사용할 수 있는 리벳 등의 추가 결합구성을 사용하지 않고, 단지 고정앵글(150)의 지관 수용홈(151)에 지관(120)을 수용시켜 집열판(130)에 고정앵글(150)을 결합시키므로, 평판형 태양열 집열기의 조립과 설치가 매우 용이해지는 장점이 있다.

여기서, 상기 고정앵글(150)을 상기 집열판(130)에 더 용이하고 안정적으로 결합시킬 수 있도록, 상기 지관 수용홈(151)을 상기 지관(120)의 단면 형상에 대응되는 형상으로 구성하여 억지끼움이나 끼움 방식으로 상기 지관(120)을 상기 지관 수용홈(151)에 고정시키는 방법으로 상기 집열판(130)에 상기 고정앵글(150)을 결합시킬 수 있다.

또한, 도3에 도시된 바와 같이, 지관 수용홈(151)을 지관(120)의 직경보다 큰 폭방향 크기로 형성하여, 이러한 지관 수용홈(151)에서 상기 지관(120)이 수용되고 남는 폭방향 공간(151a)에는 글루(Glue) 또는 탄성체가 채워지도록 함으로써 집열판(130)에 고정앵글(150)을 결합시킬 수 있다. 이 때, 상기 탄성체는 예를 들어, 고무나 탄성을 갖는 고분자 수지 등을 사용할 수 있으며, 상기 글루(Glue)는 예를 들어, 폴리우레탄, 폴리아크릴레이트, 에폭시 수지, 멜라민 수지 등을 사용할 수 있다.

상기, 고정앵글(150)은 상기 지관(120)의 중앙부에 적어도 하나 이상 설치될 수 있다. 즉, 상기 고정앵글(150)을 상기 지관(120)의 중앙부부터 일정한 간격으로 지관(120)의 길이방향과 교차되도록 가로질러 적어도 하나 이상 순차적으로 배치하여 상기 집열판(130)과 결합시킴으로써, 상기 고정앵글(150)을 상기 집열판(130)의 휨 변형 방지 효과가 극대화 될 수 있도록 용이하게 결합시킬 수 있다.

상기 지관(120)을 상기 집열판(130)과 결합시키는 방법이나 구조는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 초음파 용접에 의해 형성된 초음파 용접부를 통해 서로 결합될 수 있다.

상기 집열판(130)은 단부가 이웃하는 집열판 또는 상기 본관(110)과 서로 분리되어 일정한 이격공간(180)을 형성하는 상태로 상기 지관(120)에 결합된 것이 바람직하다. 즉, 집열판(130)은 그 단부가 이웃하는 집열판 또는 상기 본관(110)과 서로 분리되어 일정한 이격공간(180)을 형성하는 상태로 상기 지관(120)에 결합됨으로써, 태양열로 인한 휨 변형 발생시 휨 발생 힘을 상기 이격공간(180)을 통해 분산함과 동시에 지관(120)과의 사이에 초음파 용접부가 집열판(130)의 열팽창과 수축인해 파손되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 사각파이프(160)에 삽입되는 스테이 스프링(Stay Spring)(170)은 도 2에서와 같이 일측이 사각파이프(160) 내로 삽입되어 하부면과 접촉되어 지지되고, 타측은 상기 집열기 프레임의 내측으로 돌출된 턱(W) 하부면에 상부가 접촉되어 탄성 지지되도록 구성된다.

상기 스테이 스프링(170)은 구체적인 형상은 측면 구조가 'ㄴ'단면을 가지도록 형성되며, 일측 사각파이프내로 삽입되는 하부탄성지지부가 '∧'형상 평단면 구조를 가져 뾰쪽한 부분이 상기 사각파이프(160) 내로 삽입된다.

또한 상기 스테이 스프링(170)의 하부탄성지지부 양단과 연결된 수직탄성지지부는 지관(120)의 직경보다 큰 길이를 갖도록 형성되고, 수직탄성지지부의 끝단에서 형성된 탄성프레임지지부는 프레임의 턱에 지지시 지지력을 높이도록 지관(120)의 길이방향과 동일 방향으로 절곡되도록 형성된다. 물론 절곡된 방향이 지관(120)과 교차되는 방향으로 형성될 수도 있다. 단지 탄성프레임지지부의 길이가 길어지면 간섭 현상이 일어날 수 있으므로 바람직하게는 지관(120)과 동일방향으로 형성되어 프레임의 돌출된 턱 하부면에 감추어지도록 형성되는 것이 바람직하다.

이러한, 스테이 스프링(170)은 집열 중인 상기 집열판(130)이 고온으로 승온되면서 열팽창에 따른 휨 발생시 이러한 휨발생 힘이 상기 고정앵글(150)에 전달되면, 상기 고정앵글(150)의 적어도 일측단부에 형성된 사각파이프(160)를 지지하고 있던 스테이스프링을 작동시켜 집열판(130)의 휨방향과 반대 방향으로 탄성력을 제공하게 된다.

따라서 스테이 스프링(170)은 집열판(130)보다 탄성력이 큰 재질로 구성하는 것이 바람직하며, 예를 들어 금속재 등으로 구성하여 스프링 역할을 감당하도록 할 수 있다.

또한, 상기 탄성프레임지지부는 상기 집열기 프레임과 접촉시 열전도를 방지하기 위하여 절연튜브를 끼울 수 있으며, 이때, 절연튜브의 재질은 열전도율이 최소화될 수 있는 재질이 바람직하며, 예를 들어 세라믹을 포함하는 실리콘 튜브를 사용할 수 있다.

도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 태양열 집열기가 이중 투과체 유닛 및 단열재와 함께 설치된 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 태양열 집열기가 태양열 제습 냉방시스템에 적용된 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 8에는 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 태양열 집열기에서 이중 투과체 유닛의 열효율을 나타낸 그래프가 개시되어 있다.

이들 도면과 그래프를 참조하면, 본 발명에 따른 평판형 태양열 집열기(100)는 태양광선이 투과되도록 하고 내부의 열이 외부로 방출되지 못하도록 하는 이중투과체 유닛(300) 및 상기 집열판의 열이 하부나 측벽으로 방출되지 못하도록 하는 단열재(400)를 더 포함하는 것으로 구성될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 평판형 태양열 집열기(100)는 이중투과체 유닛(300) 및 단열재(400)와 함께 조립되어 최종 평판형 태양열 집열기 조립체(500)로 제조될 수 있다. 또한, 이러한 평판형 태양열 집열기 조립체(500)는 태양열 제습냉방 시스템(600)의 집열기로 사용될 수 있다.

상기 이중투과체 유닛(300)은 구체적으로 집열판(130) 주위의 내부공기와 직접 맞닿는 내측 투과체(310)와 외부공기와 직접 맞닿는 외측 투과체(320) 사이에 이들 각 투과체들(310, 320)이 일정한 간격으로 이격되도록 해주는 스페이서(351), 상기 스페이서(351)와 내, 외측 투과체(310, 320)의 접촉면에 부착되어 투과체를 보호하는 접착용 완충재(352), 투과체들(310, 320)의 최외 측면에서 상기 스페이서(351)와 접착용 완충재(352)에 대한 기밀을 유지하여 이물질의 침입을 방지하는 투과체 고정대(340)를 포함하는 구조로 구성된다.

또한, 상기 단열재(400)는 평판형 태양열 집열기(100)의 양측면에 배치되어 상기 평판형 태양열 집열기(100)를 측면에서 밀봉하는 측면 단열재(410, 420)와 평판형 태양열 집열기(100)를 하부에서 밀봉하는 하부 단열재(430)들이 결합된 구조로 구성된다.

이와 같이, 이중투과체 유닛(300)과 단열재(400)에 둘러싸여 밀봉된 평판형 태양열 집열기(100)는 평판형 태양열 집열기 조립체(500) 형태로 태양열 제습냉방 시스템(600)의 집열기에 적용될 수 있다.

상기 태양열 제습냉방 시스템(600)은 하절기 잉여열량을 효과적으로 해소하기 위한 태양열 냉방 시스템으로서, 저온 영역대에서 높은 효율을 보이는 이중투과체 유닛(300)을 포함하는 평판형 태양열 집열기(100)와 제습냉방기를 결합한 태양열 냉방시스템으로 정의할 수 있다.

이러한 태양열 제습냉방 시스템(600)에 적용되는 이중투과체 유닛(300)은 예를 들어, AR(Anti-Reflction)코팅 저철분 이중 강화유리를 사용하고, 충전매체는 공기이며， 투과율은 93.5%인 것으로 구성할 수 있다. 또한, 평판형 태양열 집열기(100)의 집열판(130)은 티타늄 코탱된 알루미늄으로 제작하여 흡수율은 95士2%, 방사율은 4土1%가 되도록 구성할 수 있다.

또한, 열매체 이송을 위한 본관(ex, 길이 1100 mm, 수량 2개)과 지관(ex, 길이 1905 mm, 수량 127H)의 재질은 동(Cu)으로 형성하며, 그 외경은 각각 22mm, 8mm 인 것으로 구성할 수 있다. 또한, 상기 하부 단열재(430)는 예를 들어, 글라스울(Glass Wool)을 사용하여 형성할 수 있으며, 단열재(400) 프레임은 얄루미늄으로 제작할 수 있다.

상기 태양열 제습냉방 시스템(600)에 의한 제습 냉방은 예를 들어, 제습로터, 현열로터, 가열코일, 증발식 냉각기로 이루어질 수 있으며, 태양열을 이용하여 가열코일을 가열함으로써, 이를 재생열원으로 사용한다. 이때, 태양열의 안정적인 공급을 위해서는 축열조가 필요하며, 이러한 태양열 제습냉방 시스템(600)이 도 7에 도시되어 있다.

태양열 제습냉방 시스템(600)은 태양에너지로부터 획득된 에너지를 축열조에 저장하여 이를 하절기에는 제습냉방기의 가열코일의 재생열원으로 사용하고, 동절기에는 난방용으로 직접 사용할 수 있다.

한편, 태양열 제습냉방 시스템(600)의 효율식은 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서, 는 상기 이중투과체 유닛(300)의 내, 외측 각 투과체(310, 320)의 투과흡수율이고, a₁은 1차 열손실 계수이며, a₂는 2차 열손실 계수로서, 각각 0.7555, 2.3670, 0.02070이다. 또한, t_m은 상기 평판형 태양열 집열기 조립체(500) 입출구의 평균온도이고, t_a는 외기온도이며, G[W/m² ]는 일사량이다.

상기 평판형 태양열 집열기 조립체(500)가 적용된 태양열 제습냉방 시스템(600)은 성능시험 결과 대 부분의 집열운전에서 평판형 태양열 집열기 조립체(500)의 입구온도가 700℃이상이었음에도 불구하고, 평균 집열효율은 40.3%를 나타내었다. 따라서 태양열을 열원으로 하는 냉방기에 700℃ 온수를 지속적으로 생산하고 공급할 수 있다는 것을 확인하였다.

아래의 표 1에 태양열 제습냉방 시스템(600)의 사용결과를 나타냈으며， 70℃이상의 온수가 안정적으로 공급될때 냉방능력(Qcool)은 증가하고 소비전력 (Qelec)은 0.6 kW 감소하는 것을 확인하였다.

[표 1]

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.