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KR101653016B1 - 태양열 수집 시스템 - Google Patents

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KR101653016B1
KR101653016B1 KR1020117016651A KR20117016651A KR101653016B1 KR 101653016 B1 KR101653016 B1 KR 101653016B1 KR 1020117016651 A KR1020117016651 A KR 1020117016651A KR 20117016651 A KR20117016651 A KR 20117016651A KR 101653016 B1 KR101653016 B1 KR 101653016B1
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KR
South Korea
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solar energy
enclosure
heat
thermal
enclosed
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시몬 클리어
미가엘 아델
Original Assignee
티지 엘티디.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 티지 엘티디. filed Critical 티지 엘티디.
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Abstract

태양 복사를 열 에너지로 변환하기 위한 태양 에너지 모듈이 제공된다. 상기 모듈은 태양 복사에 대해서는 투과시키며 열 적외선 복사에 대해서는 낮은 투과율을 가지는 열적으로 절연된 요소, 흡수 요소, 밀봉된 인클로저 및 밀봉된 인클로저의 엔벨로프의 가변 부분을 포함한다. 이 부분은 에워싸인 기체의 온도 변화에 따라 상기 인클로저에 에워싸인 기체에 대한 가용 체적을 변화시키기에 적합하다. 또한, 열적으로 절연된 요소, 흡수면 및 태양 복사를 흡수하기 위한 액체 파이프들, 및 그에 열적으로 결합된 공기 덕트를 포함하는 태양 에너지 모듈이 제공된다. 가열된 액체 및 가열된 공기는 다양한 열 응용들에 대해 사용 가능하다. 축열장치는 흡수면 및 액체 파이프들에 열적으로 결합된다. 공기 덕트는 여러 개의 공기 밸브들을 가지며, 공기 덕트를 통한 공기 유동을 조절하는 제어기와 연계된다. 제어기는, 빌딩을 감시하는 센서, 태양 에너지 모듈을 감시하는 센서, 및 환경 센서와 같은, 여러 소스들로부터의 입력들을 수신하는 최적화된 프로그램에 따라 열 유동을 조절한다.

Description

태양열 수집 시스템{SOLAR THERMAL COLLECTING SYSTEM}
본 발명은 태양 에너지 분야에 관한 것으로, 특히 압력 제어되는 기체 인클로저, 제어되는 공기 덕트, 및 다양한 빌딩 응용들에 태양 에너지를 분배하기 위한 수단을 가진 태양 에너지 모듈에 관한 것이다.
태양 복사에 대해서는 투과시키며 열 적외선 복사에 대해서는 낮은 투과율을 갖는 열적으로 절연된 패널이 모두 클라이어 및 노빅에게 허여된 미국 특허 제4,480,632호, 미국 특허 제4,719,902호, 미국 특허 제4,815,442호, 미국 특허 제4,928,665호 및 미국 특허 제5,167,217호에 기재되어 있다. 소위 투명 절연 재료 또는 열 다이오드라 하는, 열 절연 패널은 그 재료의 광학적 특성들 및 그의 기하학의 결과로서, 태양광 IR 및 가시 파장에 대해 투명하고, 열 IR 후방 복사에 대해 불투명한 합성 재료 또는 유리로 된 허니콤으로 될 수 있다. 동시에, 투명 절연 재료는 상기 허니콤의 얇은 벽들 및 상기 재료의 열적 특성들의 결과로 인한 그의 기하학 및 열전도 억제성 때문에 열대류 억제자이다. 낮은 대류 및 전도로 인한 제한된 에너지 손실 및 열 IR 후방 복사 및 유입하는 태양 복사에 대한 투명도의 이러한 불균형이 열 다이오드를 형성하며 열의 포획 및 다양한 에너지 응용들에 대해 상기 포획된 열의 이용을 가능하게 한다.
열 절연 패널들의 사용은 주위 온도 및 조건들의 더 넓은 범위, 특히 추운 기후들에 걸쳐 에너지 변환 효율을 더 크게 할 수 있다. 그러나, 태양광 모듈의 수명 연장 및 성능 보장을 위해서, 상기 모듈을 밀봉하여 응축 또는 잔여의 화학적 오염의 위험을 소거하도록, 주위 대기로부터 투명 절연 패널 자체 등의, 내측 부품들을 격리할 필요가 있다. 또한, 밀봉된 인클로저는 유닛 내의 주위 기체를, 비활성 기체들 아르곤 및 크립톤의 특성들과 같은, 우수한 열 특성, 낮은 전도 및 대류성의 매체로 대체할 수 있다. 그러나, 절연 패널의 밀봉은 기체 인클로저의 재앙적 파괴의 위험 및 압력 증가에 관련된, 새로운 도전들을 창조하게 된다. 이 위험은, 투명한 절연체에 의해 유발되는 넓은 범위의 온도 변동과 함께, 투명 절연 패널의 포함으로 인한 태양광 패널의 체적 증가에 의해 악화된다.
따라서, 에워싸인 기체의 파라미터들을 제어함이 바람직하다. 또한, 태양광 모듈로부터 다양한 응용들로의 열 유동을 제어함이 바람직하다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 태양광을 열 에너지로 변환하기 위한 태양 에너지 모듈이 제공된다. 상기 모듈은 태양 복사에 대해서는 투과시키며 열 적외선 복사에 대해서는 낮은 투과율을 가지는 열적으로 절연된 요소, 태양 복사를 흡수하는 흡수 요소, 상기 흡수 요소와 연관된 밀봉된 인클로저, 및 밀봉된 인클로저의 엔벨로프의 가변 부분을 포함한다. 이 부분은 에워싸인 기체의 온도 변화에 따라 상기 인클로저에 에워싸인 기체에 대한 가용 체적을 변화시키기에 적합하다. 태양 복사는 상기 열 절연 요소를 관통하여 상기 흡수 요소에 의해 흡수된다. 그 결과, 상기 에워싸인 기체는 가열되며 상기 가변 부분은 가용 체적을 증가시키도록 변화된다. 따라서, 에워싸인 기체의 압력은 구조적으로 견딜 수 있는 한계 내로 유지되며 원칙적으로 외부 환경과 평형으로 되는 압력으로 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 가변 부분은 상기 열 절연 요소 및 흡수 요소를 연결하는 신축 가능한 밀봉 요소이다. 상기 신축 가능한 밀봉 요소의 늘어남은 상기 에워싸인 기체에 대한 가용 체적을 증가시키며, 열적으로 유도된 압력 변동들에 대해 보상하게 된다.
일부 실시예들에서, 상기 밀봉된 기체 인클로저는 고정된 체적의 요소, 팽창 가능한 격실, 및 그 사이의 연결 덕트를 포함한다. 상기 고정된 체적의 요소에 에워싸인 기체의 가열에 따라, 기체는 고정된 체적의 요소에서 팽창 가능한 격실로 유동하며, 에워싸인 기체의 압력을 구조적으로 견딜 수 있는 한계 내로 유지하게 된다.
일부 실시예들에서, 배출구를 가진 유연한 격실은, 그 격실의 외부 엔벨로프가 밀봉된 가스 인클로저의 내부 엔벨로프의 가변 부분으로 되도록, 밀봉된 가스 인클로저 내에 내포되어 있다. 에워싸인 기체를 가열함에 따라, 기체는 압력이 증가하며 유연한 격실에 의해 둘러싸인 체적의 감소를 유도한다. 따라서, 기체가 배출구를 통해 상기 유연한 격실 밖으로 배출되도록 하며, 에워싸인 기체에 대한 가용 체적을 증가시키고 기체 압력을 구조적으로 견딜 수 있는 한계 내로 유지하게 된다.
일부 실시예들에서, 상기 열 절연 요소는 태양 복사에 대한 높은 투과율 및 적외선 열 복사에 대한 낮은 투과율을 가진 구조적 부품을 포함한다. 예시적인 구조적 부품은 여러 개의 투명 인클로저들을 포함하는 절연부, 인클로저 내에 배치된 절연 비드들의 층, 및 기다란 셀들의 어레이이다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 태양 복사를 열 에너지로 변환하기 위한 태양 에너지 모듈이 제공된다. 상기 모듈은 태양 복사에 대해서는 투과시키며 열 적외선 복사에 대해서는 낮은 투과율을 가지는 열적으로 절연된 요소, 흡수면 및 상기 열 절연 요소에 의해 전송된 태양 복사를 흡수하는 액체 파이프들, 및 상기 흡수면 및 액체 파이프들에 열적으로 결합된 공기 덕트를 포함한다. 상기 열 절연 요소는 태양 복사에 대한 높은 투과율 및 적외선 열 복사에 대한 낮은 투과율을 가진 구조적 부품을 포함한다. 태양 복사는 상기 열 절연 요소를 관통하여 상기 흡수면에 의해 흡수되며, 그 후에 액체 파이프들 내의 액체를 가열하며, 공기는 상기 공기 덕트에서 유동한다. 가열된 액체 및 가열된 공기는 다양한 열 응용들에 대해 사용 가능하다.
일부 실시예들에서, 상기 흡수면 및 액체 파이프들에 축열 요소가 열적으로 결합된다.
일부 실시예들에서, 태양 에너지 모듈에 의해 생성된 열은 빌딩의 벽에 열적으로 결합되며, 벽을 가열하면, 그 후에 열을 빌딩의 내측으로 전달한다.
일부 실시예들에서, 공기 덕트는 두 개 이상의 공기 밸브들을 가지며, 공기 덕트를 통한 공기 유동을 조절하기 위한 제어기와 연계된다. 상기 제어기는 최적화 프로그램에 따라 태양 에너지 모듈에서의 열 유동을 조절한다. 상기 최적화 프로그램은 다수의 소스들로부터 입력들을 수신한다. 예시적인 소스들은 빌딩의 파라미터를 감시하는 센서, 태양 에너지 모듈의 파라미터를 감시하는 센서, 환경 센서 및 인간 입력 등이다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 열을 여러 개의 가열 수단에 제공하는 태양 에너지 모듈들로부터 고온 공기 및 고온수를 이용하여 빌딩으로 열을 제공하는 방법이 제공된다. 가열 수단은 공기 덕트 및 축열장치를 포함한다. 가열 수단에서의 열의 유동은 하나 이상의 제어 수단에 의해 조절된다. 상기 방법은 빌딩 내의 하나 이상의 위치들에서 온도를 감시하는 단계, 가열 수단의 온도를 감시하는 단계, 감시된 온도들 및 가열 최적화 타켓들에 따라 가열 플랜을 설계하는 단계 및 가열 플랜의 응용을 위해 제어 수단에 명령하는 단계를 포함한다.
본 발명에서는 압력 제어 기체 인클로저, 제어되는 공기 덕트, 및 다양한 빌딩 응용들에 태양 에너지를 분배하기 위한 수단을 가진 태양 에너지 모듈을 제공한다.
본 발명으로서 간주되는 주된 과제는 특별하게 지적되며 명세서의 결론 부분에서 특징적으로 청구되어 있다. 그러나, 본 발명의 특징 및 장점들과 함께, 시스템 구성 및 작동 방법에 대해서, 이하의 상세한 설명을 참조하여 첨부 도면들을 이해할 때 본 발명을 가장 잘 이해할 수 있을 것이다.
도1은 태양 복사를 전송하기 위한 열적으로 절연된 요소 및 흡수면을 연결하는 신축 가능한 밀봉 요소를 가진 태양 에너지 모듈의 개략도,
도2는 고정된 체적의 요소, 팽창 가능한 격실, 및 그 사이의 연결 덕트를 가진 태양 에너지 모듈의 개략도,
도3은 밀봉된 기체 인클로저 내에 자유 배출구를 갖는 유연한 격실을 포함하는 태양 에너지 모듈의 개략도,
도4a는 열적으로 결합된 공기 덕트를 가진 태양 에너지 모듈의 아이소메트릭 도면,
도4b는 열적으로 결합된 공기 덕트를 가진 태양 에너지 모듈의 단면도,
도5는 흡수면에 열적으로 결합된 축열장치를 가진 태양 에너지 모듈을 나타낸 도면,
도6a는 벽에 열적으로 결합된 태양 에너지 모듈의 아이소메트릭 도면,
도6b는 벽에 열적으로 결합된 태양 에너지 모듈의 단면도,
도7은 에워싸인 기체의 압력을 외부 압력에 비교하기 위한 팽창 알루미늄 백을 가진 태양 에너지 모듈의 단면도,
도8은 액체 상 변화에 의해 열을 전달하는 수단을 가진 태양 에너지 모듈의 개략도,
도9는 다양한 센서들, 공기 밸브들 및 인간 작동자에 연결된 태양 에너지 모듈 제어기의 블럭도, 및
도10은 빌딩에 열을 제공하기 위한 방법의 플로우 챠트이다.
본 발명은 이제 실시예들의 특정 예들을 참조하여 설명될 것이다. 본 발명은 설명되는 실시예들로 제한되지 않음을 이해하기 바란다. 또한, 설명되는 시스템을 핸들링하기 위한 방법들 및 시스템들의 모든 특징이 첨부된 특허 청구의 범위 중 어느 특정의 하나에서 청구된 바와 같은 본 발명을 실행하기 위해 필요한 것은 아님을 이해하기 바란다. 시스템의 여러 가지의 요소들 및 특징들이 본 발명을 완전하게 가능하게 하도록 설명될 것이다. 또한, 본 명세서에서, 방법이 설명 또는 도시된 경우, 그 방법의 단계들은, 하나의 단계가 처음 실행된 다른 것에 의존하게 된다고 명세서에서 명백하게 제시되어 있지 않다면, 임의의 순서 또는 동시에 실행될 수 있다.
본 발명의 여러 개의 실시예들을 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 도면들에 도시된 또는 이하의 설명에서 기재되는 부품들의 구성 및 배열의 상세들로 그의 응용이 제한되지 않음을 이해하기 바란다. 본 발명은 다른 실시예들 또는 여러 가지 방식들로 실시 또는 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한적인 것으로서 간주되지 않음을 이해하기 바란다.
달리 정의되지 않는다면, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 본 명세서의 시스템들, 방법들, 및 예들은 단지 예시적인 것이며 제한하려고 의도하지 않는다.
본 출원의 명세서 및 특허청구의 범위에서, 동사들 "포함한다", "내포한다" 및 "가진다"의 각각, 및 그들의 유사어는, 동사의 대상 또는 대상들이 반드시 동사의 주체 또는 주체들의 부재들, 부품들, 요소들 또는 부분들의 완전한 리스팅으로 될 필요가 없음을 나타내도록 사용된다.
가변 부분을 갖는 밀봉된 가스 인클로저를 가진 태양광 모듈들( 도1 -3)
태양광을 열 에너지로 변환하기 위한 3개의 태양 에너지 모듈들이 도1-3에서 설명된다. 모듈(5)의 개략적인 도면이 도1에 도시되어 있다. 지붕 또는 벽(10) 상에 배치된, 태양광 모듈(5)에 태양 복사가 접근한다. 이 태양 복사는 저철분 유리(low iron glass) 판(15), 열절연 패널(20)을 관통하며, 밀봉 인클로저(22)로 에워싸인 기체 체적으로 진입하여 저배출 유리판(25) 및 흡수 판(30)에 부딪친다. 이어서, 흡수 판(30)은 축적된 열을, 후술하는 바와 같이, 물 파이프들, 축열장치 및 공기 덕트와 같은 다른 요소들로 전달할 수 있다. 저배출(low-E) 유리판(25)은 낮은 적외선 방사율을 가지며, 적외선 파장 범위에서 외부 환경으로의 복사 손실을 감소시키도록 이용된다. 저배출(low-E) 유리의 상업적 예는 필킹톤 K 글라스TM이다. 흡수 판(30)은 스페이서(33)에 의해 벽(10)에서 약간 떨어져 유지된다.
흡수 판(30)은, 여러 해 동안 태양광 에너지 업계에서 알려져 있는, 선택적으로 코팅된 금속 등의, 어두운 불투명 물질로 제조될 수 있다.
열절연 패널(20)은 태양 복사에 대해서는 통과시키는 한편, 열 적외선 복사에 대해서는 낮은 투과율을 가진다. 바람직하게, 층(20)은 모두 클라이어 및 노빅에게 허여된 미국 특허 제4,480,632호, 미국 특허 제4,719,902호, 미국 특허 제4,815,442호, 미국 특허 제4,928,665호 및 미국 특허 제5,167,217호에 기재된 바와 같은 구조적 성분들을 포함한다. 예시적인 구조적 성분들은 여러 개의 투명한 인클로저들을 포함하는 절연체, 인클로저 내에 배치된 절연 비드들의 층, 및 도1에 도시된 기다란 셀들의 어레이 등이다. 미국 특허 제4,480,632호, 미국 특허 제4,719,902호, 미국 특허 제4,815,442호, 미국 특허 제4,928,665호 및 미국 특허 제5,167,217호는 본 명세서에 완전하게 나타낸 것처럼 모든 목적으로 참조되어 포함되어 있다.
투명 절연 재료 또는 열 다이오드라고도 하는, 열절연 패널(20)은, 그 재료의 광학적 특성들 및 그의 구조의 결과로서, 태양광 IR 및 가시 파장들에 대해서는 투명하고, 열 IR 후방 복사에 대해서는 불투명한 합성 재료 또는 유리로 된 허니콤으로 될 수 있다. 동시에, 투명 절연 재료는 상기 허니콤의 얇은 벽들 및 상기 재료의 열적 특성들의 결과로 인한 그의 구조 및 열전도 억제성 때문에 열대류 억제자이다. 낮은 대류 및 전도로 인한 제한된 에너지 손실 및 열 IR 후방 복사 및 유입하는 태양 복사에 대한 투명도의 불균형이 열 다이오드를 형성하며 열의 포획 및 물 가열을 위한 상기 포획된 열의 사용을 가능하게 한다.
통상의 허니콤 재료는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA), 유리 또는 유사한 광학 및 열 전도 특성들을 가진 임의의 다른 재료들로 될 수 있다. 허니콤 구멍들은 투명한 커버(15)와 대향한다.
이러한 허니콤의 일반적인 치수는 직경 3-12mm, 또는 단면이 둥글지 않다면 유사한 치수이며, 벽 두께 0.05-0.2mm, 및 종횡비 3-15이다.
열절연 패널(20)의 사용은 주위 온도 및 조건들의 더 넓은 범위, 특히 추운 기후들에 걸쳐 에너지 변환 효율을 더 크게 할 수 있다. 그러나, 태양광 모듈(5)의 수명 연장 및 성능 보장을 위해서, 상기 모듈을 밀봉하여 응축 또는 잔여의 화학적 오염의 위험을 소거하도록 주위 대기로부터 투명 절연 패널(20) 등의, 내측 부품들을 격리할 필요가 있다. 또한, 밀봉된 인클로저(22)는 유닛 내의 주위 기체를, 아르곤 또는 크립톤 등의, 우수한 열 특성, 낮은 전도 및 대류성의 매체로 대체할 수 있다. 그러나, 패널(20)의 밀봉은 인클로저(22)의 재앙적 파괴의 위험 및 압력 증가에 관련된, 새로운 도전들을 창조하게 된다. 이 위험은, 투명한 절연체에 의해 유발되는 넓은 범위의 온도 변동과 함께, 투명 절연 패널(20)의 포함으로 인한 태양광 패널의 체적 증가에 의해 악화된다.
밀봉된 인클로저(22)는 흡수 패널(30)에 열적으로 결합되며, 그의 엔벨로프에 가변 부분을 가진다. 이 부분은 인클로저(22)로 에워싸인 기체에 대해 이용 가능한 체적을 변화시키기에 적합하다. 도1의 실시예에서, 상기 가변 부분은, 프로파일(40)을 통해, 열절연 패널(20) 및 흡수판(30)을 연결하는 신축 가능한 밀봉 요소(35)이다. 신축 가능한 밀봉 요소가 늘어나면, 열절연 패널(20) 및 흡수판(30) 사이의 거리가 증가하여, 에워싸인 기체의 가용 체적이 증가된다. 흡수 판(30)은 스페이서(33)에 의해 벽(10)에서 약간 떨어져 유지된다.
일부 실시예들에서, 도1에 도시된 바와 같이, 열절연 패널(20)은 기다란 셀들로 형성되며, 그 셀들 위에 테프론 층(28)이 배치된다. 이 층(28)은, 상기 유연한 투명 층의 두 개의 측면들 사이의 압력 차에 의해 층(28)을 국부적으로 늘어나게 할 때, 밀폐된 기체에 대한 가용 체적의 팽창을 가능하게 하며 상기 압력 차를 감소시킨다. 테프론은 유연하지만 넓은 범위의 작동 온도들을 가지는 증기 불투과성 배리어이다. 또한, 충분하게 얇은 경우, 태양광 파장 범위에서 고도로 투명하다.
이제 도2에 나타낸 태양광 모듈(70)을 참조하면, 밀봉된 가스 인클로저는 고정된 체적의 요소(23), 팽창 가능한 격실(75), 및 그 사이의 연결 덕트(80)를 포함한다. 고정된 체적의 요소(23)는 패널(20) 또는 저철분 유리 판(15), low-E 유리 판(15) 및 스페이서(45)에 의해 묶여있다. 고정된 체적의 요소(23)로 에워싸인 기체를 가열함에 따라, 기체는 고정된 체적의 요소(23)에서 팽창 가능한 격실(75)로 유동하며, 구조적으로 견딜 수 있는 한계 내로 에워싸인 기체의 압력을 유지한다.
이제 도3의 태양광 모듈(90)을 참조하면, 자유 배출구(95)를 가진 유연한 격실(95)은, 그 격실(95)의 외부 엔벨로프가 밀봉된 가스 인클로저(24)의 내부 엔벨로프의 가변 부분으로 되도록, 밀봉된 가스 인클로저(24) 내에 내포되어 있다. 에워싸인 기체를 가열함에 따라, 기체는 압력이 증가하며 유연한 격실(95)에 의해 둘러싸인 체적의 감소를 유도한다. 따라서, 기체는 배출구(97)를 통해 유연한 격실(95) 밖으로 배출되며, 에워싸인 기체에 대한 가용 체적을 증가시키며 기체 압력을 구조적으로 견딜 수 있는 한계들 내로 유지하며, 원칙적으로 압력을 외부 환경과 평형으로 되게 할 수 있다.
가열 수단을 가진 태양광 모듈들( 도4 -9)
태양광을 열 에너지로 변환하기 위한 태양광 에너지 모듈(100)이 도4a에 아이소메트릭 도면으로 도4b에 단면도로 도시되어 있다. 모듈(100)은 태양 복사에 대해서는 통과시키며 열 적외선 복사에 대해서는 낮은 투과율을 가진 열절연 요소(20), 태양 복사를 흡수하기 위한 흡수면(30), 흡수면(30)에 열적으로 결합된 물 파이프들(106), 및 흡수면(30) 및 물 파이프들(106)과 직접 열 접촉하는 가열 공기 덕트(110)를 포함한다.
태양광 복사는 열절연 요소(20)를 관통하며 흡수면(30)에 의해 흡수된 후, 물 파이프들(106) 내의 물 및 가열 공기 덕트(110)에서 유동하는 공기를 가열한다. 가열된 물 및 공기는 후술하는 바와 같이 다양한 열 응용들을 위해 사용될 수 있다.
가열 공기 덕트(110) 뒤에 상호 연결된 다른 공기 덕트, 열전달 덕트(115)가 있으며, 덕트들(110,115) 사이에 절연 재료(120)가 존재한다. 열전달 덕트(115)는 모듈(100) 및 벽(10) 사이의 공동 또는 금속 덕트로 될 수 있다. 벽(10) 및 모듈(100) 사이의 둘레는 가열 공기 누출을 방지하도록 밀봉된다.
6개의 공기 밸브들(131,132,133,134,135,136)이 덕트들(110,115) 내의 가열된 공기 유동을 제어하며, 각각의 공기 밸브가 개방되면 공기는 언제나 공기 벤트들(141,142,143,144,145,146)을 통해 유동한다.
다른 모드들에서, 가열 덕트(110)는 외부 세계, 또는 열전달 덕트(115), 또는 빌딩의 내부측을 향해 개방되거나, 또는 공기 통로 전체를 차단할 수 있다. 모듈(100)에 의해 포획된 태양열 에너지는 다른 방식으로 전달되거나, 또는 여러 개의 열 수용체들에 동시에 전달될 수 있다. 또한, 가열 덕트(110)는 모듈(100)의 하부 및 상부 부분들의 공기 밸브들(131,136)이 각각 개방되어, 고온 공기가 자연적인 상향 드래프트에 의해 공기 벤트(146)로 배출되고, 신선한 공기를 공기 벤트(141)를 통해 펌핑한다면 자연 굴뚝으로서 작용하게 된다. 이러한 콜렉터 셧다운 모드에서, 콜렉터(30)는 냉각되어, 에너지가 필요하지 않을 때 과열을 방지한다.
공기 순환에 의한 공간 난방 모드에서, 공기 밸브들(135,132)은 빌딩 내측의 룸들에 대해 개방되며 모든 다른 공기 밸브들은 폐쇄된다. 따라서, 공기 덕트(110)에서의 고온 공기는 공기 벤트(145)를 통해 룸들로 진입되며, 공기 벤트(142)를 통해 공기 덕트(110)로 진입하는 룸들로부터의 차가운 공기로 대체된다. 이와 다르게, 신선한 공기에 의한 공간 난방 모드에서, 밸브들(131,135)이 개방되고 다른 모든 밸브들이 폐쇄된다. 또한, 공기는 밸브들(132,136)을 개방하고 다른 모든 밸브들을 폐쇄함에 의한 자연적인 배기로서 공기 덕트(110)를 이용하여 룸으로부터 추출될 수 있다.
물 가열 모드에서, 콜렉터 판(30)으로부터의 열은 파이프들 내에서 유동하는 가열된 물에 의해, 공간 난방 백 룸들(back rooms) 또는 위생 용도의 고온수 등의, 다른 목적의 사용자에게로 전달된다. 이는 직접적인 공기 및/또는 공간 난방과 동시에 행해질 수 있다.
만일 임의의 주어진 시간에 물 가열만이 필요하다면, 다음 모드들 중 하나가 선택될 수 있다. 물 가열만의 모드에서, 모든 밸브들이 폐쇄되며 덕트(110) 내의 공기는 가두어지며, 열절연을 개선시키며 물 가열 수단으로서의 물 파이프들(106) 및 콜렉터 판(30)의 효율을 향상시키게 된다. 벽 난방 모드에서, 밸브들(133,134)은 개방되는 한편 다른 모든 공기 밸브들은 폐쇄된 채 유지된다. 따라서, 가열 덕트(110) 및 열전달 덕트(115)는 연결되며 고온 공기는 자연 열 사이펀 작용에 의해 두개의 덕트들 내에서 순환되며 따라서 열 에너지는 고온 콜렉터 판(30)에서 열전달 덕트(115)에 인접한 벽(10)으로 전달된다. 벽(10)은 열역학적 축열장치로서 작용하여, 열 전도에 의해 룸으로 열을 전달한다.
패시브 절연 모드에서, 태양 복사가 없을 때에는, 언제나 모든 밸브들이 폐쇄되며 모듈(100)은 패시브 열 절연체로서 작용하며, 빌딩 외측으로의 열 누출을 방지한다.
물 파이프들(106)은 여러 가지 방식들로 사용될 수 있다. 도5의 태양광 모듈(200)은 흡수면(30) 및 물 파이프들(106)과 열 접촉하는 축열장치(205)를 포함한다. 축열장치(205)는 물 또는 임의의 다른 열 보유 유체로 충전된 용기로 될 수 있다. 태양 복사에 의해 가열된 물은 물 파이프들(106)을 통해 유동하며, 축열장치(205) 내의 물을 가열한다. 그 후에, 축열장치(205)에서의 가열된 물은 물 파이프들(106)을 통해 유동하여, 축열장치(205)에 저장된 열 에너지를, 가정 또는 산업용 등의, 최종 사용자에게 전달한다.
축열장치(205)의 후방 측은 폴리우레탄, 미네랄 울 또는 임의의 다른 절연 재료로 된 불투명한 절연체(230)에 의해 빌딩의 외측으로부터 열적으로 절연된다. 또한, 커버(250) 및 밀봉 화합물(220,210)은 절연을 개선시키며, 따라서 축열장치(30)는 차가운 기후에서 동결이 방지된다.
이제 도6a의 아이소메트릭 도면 및 도6b의 단면도를 참조하면, 모듈(300)은 일 측에서 흡수 패널(30)과 열 접촉하며 타 측에서 벽(10)과 열 접촉하는 물 파이프들(106)에 의해 벽(10)을 가열함을 나타내고 있다. 또한, 벽(10)은 열을 벽(10)의 타측으로, 빌딩 내부로 전달한다. 물 파이프(107)는 태양광을 직접 흡수하며 가열된 물은 물 파이프들(106)에 의해 행해지는 바로서의 어떠한 응용에 대해서도 사용될 수 있다.
도7에 태양광 모듈(400)이 제공된다. 이 모듈은 열 절연부(405)에 의해 측면으로, 그리고 물 파이프들(106)의 측면 상에서 열 절연층들(410,420)에 의해 열적으로 절연된다. 절연층들(410,420) 사이에, 팽창 알루미늄 백(415)이 배치된다. 상기 백(415)은 연결용 벤트 파이프(97)를 통해 주위 대기로 개방된다. 따라서, 백(415)은 둘러싸인 기체가 대기압으로 유지되어, 상기 기체 및 대기 사이의 압력 차로 인해 태양광 모듈(400)의 파손을 방지하도록 수축 및 팽창한다.
물 파이프들은, 도8의 개략적인 도면에 도시된 바와 같이, 인클로저의 내측에서 외측으로의 열전달의 방법에 있어서 히트 파이프로 대체 또는 추가된다. 기술이 알려져 있는 바와 같이, 히트 파이프(455)는 뜨겁고 차가운 양 단부들에서 구리 또는 알루미늄 등의 높은 열 전도성을 가진 재료로 된 밀봉된 파이프 또는 튜브로 구성된다. 히트 파이프 증발 체적(460)은 부분적으로 액상이고 부분적으로 기상인 물 또는 에탄올 등의 유체로 소정 압력으로 충전된다. 열은 태양광 모듈에 대해 외측인 히트 파이프 응축 벌브(450)로 히트 파이프(455)에 의해 전달되는 한편, 액체 응축의 잠열과 같은 국부적인 응용으로 열이 방출된다. 다른 상변화 재료들도 유사한 아키텍쳐들에서 사용될 수 있다.
도4-8의 실시예들은 여러 개의 가열 수단들, 공기 덕트(110), 물 파이프들(106), 및 축열장치(205)를 포함하는 한편, 다른 가열 수단들도 마찬가지로 사용될 수 있다. 한편으로, 빌딩 및 그의 거주자들은 다양한 응용, 위생적 용도, 고온 공기 통풍, 바닥 난방, 뒷방 난방, 공기 조화 등을 위해 에너지를 필요로 한다. 바람직한 응용들에서 사용 가능한 가열 수단과 매칭하도록, 도9의 블럭도에 나타낸 바와 같은 태양광 모듈 제어기(500)가 사용된다. 제어기(500)는, 모듈(100) 내측의 여러 위치들에서의 온도를 측정하고, 태양광 모듈(100)에 영향을 미치는 태양 복사 파워를 측정하는 태양광 모듈 센서들(515), 빌딩의 홀들 및 룸들의 온도를 측정하는 빌딩 온도 센서들(520), 및 대기 온도, 및 바람 속도를 측정하는 환경 센서들(525) 등의, 다수의 센서들로부터 데이터를 수신한다. 프로세서(540)는 바람직한 가열 대상들의 우선 리스트를 가진 최적 프로그램에 사용 가능 데이터를 설치한다. 그 후, 프로세서(540)는 적절한 유동 패턴, 또는 가열 수단용 가열 플랜을 디자인하며, 공기 밸브들(131,141,142,143,145,146), 및 물 파이프들(106) 및 축열장치(205)로부터의 고온수의 제어를 위한 펌프들 등의 다른 유동 향상 장치들(510)에 대해 대응하는 명령들을 보낸다.
일부 실시예들에서, 제어기(500)는 작동자 인터페이스(547)를 통해 인간의 작동자(545)에 의해 제어된다.
일부 실시예들에서, 제어기(500)는 공기 밸브들(131-136)과 각각 인터페이스하는 여러 개의 인터페이스들(530,517,522,527), 유동 향상 장치들(510), 태양광 모듈 센서들(515), 빌딩 센서들(520), 및 환경 센서들(525)을 포함한다.
태양광 모듈들을 제어하기 위한 방법 실시예( 도10 )
이제 도10을 참조하면, 여러 개의 가열수단으로 열을 제공하는, 태양광 에너지 모듈들(100)로부터 고온 공기 및 고온수를 이용하여 빌딩으로 열을 제공하는 방법(600)의 플로우챠트를 나타내고 있다. 가열 수단은 공기 덕트(110) 및 축열장치(205)를 포함한다. 가열 수단에서의 열의 유동은 하나 이상의 제어 수단(131-136,510)에 의해 조절된다. 방법(600)은 빌딩 내의 위치들에서 온도를 감시하는 단계(610), 및 가열 수단의 온도를 감시하는 단계(620)를 포함한다. 또한, 방법(600)은 감시된 온도들 및 가열 최적화 타켓들에 따라 가열 플랜을 설계하는 단계(630), 및 가열 플랜의 응용을 위해 제어 수단에 명령하는 단계(640)를 포함한다.
본 발명이 그의 특정 실시예들과 연계하여 설명되었지만, 당업자들에게는 많은 변경들, 개조들 및 변화들이 발생할 수 있음은 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 특허 청구의 범위의 정신 및 광역의 범위에 속하는 이러한 모든 변경들, 개조들 및 변화들을 포괄하고자 의도하고 있다. 특히, 본 발명은 어떤 방식으로든 설명된 예들만으로 제한되지 않는다.
5 : 모듈
10 : 벽
15 : 저철분 유리 판
20 : 열절연 패널
22 : 밀봉 인클로저
24 : 가스 인클로저
25 : 저배출 유리판
28 : 테프론 층
30,45 : 흡수 판
33 : 스페이서
35 : 신축 가능한 밀봉 요소
40 : 프로파일
106 : 물 파이프들
100 : 태양광 모듈
110 : 공기 덕트
205 : 축열장치
500 : 모듈 제어기
515 :태양광 모듈 센서들
520 : 빌딩 온도 센서들
540 : 프로세서

Claims (15)

  1. (a) 태양 복사를 투과시키는 열 절연 요소;
    (b) 밀봉된 인클로저 내부의 에워싸인 기체에 사용가능한 체적을 갖는 밀봉된 인클로저;
    (c) 상기 열 절연 요소를 통해 전송된 태양 복사를 흡수하도록 구성된 흡수 요소로서, 상기 흡수 요소는 상기 밀봉된 인클로저 내부에 존재하고, 상기 흡수 요소는 상기 에워싸인 기체와 열 접촉하는, 흡수 요소;
    (d) 상기 밀봉된 인클로저 내부의 고정된 체적 요소와. 상기 밀봉된 인클로저 외부의 팽창가능한 격실과. 상기 고정된 체적과 상기 팽창가능한 격실 사이에서 상기 에워싸인 기체의 흐름을 허용하도록 구성된 연결 덕트를 포함하는 가변 부분을 포함하고,
    상기 고정된 체적 요소의 상기 에워싸인 기체의 가열시, 상기 고정된 체적 요소로부터 상기 팽창가능한 격실까지 기체가 흐르고, 상기 팽창가능한 격실은 상기 에워싸인 기체에 사용가능한 체적을 증가시키기 위해 변화하고, 상기 밀봉된 인클로저의 내부 온도를 감소시키고, 상기 에워싸인 기체의 압력을 태양 에너지 모듈의 구조적으로 견딜 수 있는 한계 내로 유지하는, 태양 복사를 열 에너지로 변환하기 위한 태양 에너지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉된 인클로저의 압력은 외부 환경 압력과 평형으로 유지되는 태양 에너지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열 절연 요소는 태양 복사에 대해 투과성을 갖는 적어도 하나의 구조적 부품을 포함하고,
    상기 부품은
    (ⅰ) 다수의 투명 인클로저들을 포함하는 절연부;
    (ⅱ) 인클로저 내에 배치된 절연 비드들의 층; 및
    (ⅲ) 기다란 셀들의 어레이
    로 구성된 그룹에서 선택되는 태양 에너지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡수 요소와 열적으로 결합하는, 상기 밀봉된 인클로저 내부의 증발 체적; 및
    태양 에너지 모듈 외부의 응축 벌브를 포함하는 적어도 하나의 히트 파이프를 추가로 포함하고,
    열은 상기 히트 파이프에 의해 상기 증발 체적으로부터 상기 응축 벌브로 전달되어, 태양 에너지 모듈의 내부로부터 상기 밀봉된 인클로저의 외부로 열이 방출되는 태양 에너지 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열 절연 요소는 기다란 셀들을 포함하며, 상기 셀들 위에 유연한 투명 층이 배치되며, 상기 유연한 투명 층의 두 개의 측면들 사이의 압력차는 상기 층을 국부적으로 늘려 상기 압력 차를 감소시키게 되는
    태양 에너지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    (e) 상기 흡수 요소에 열적으로 결합되고 태양 에너지 모듈 내부에 존재하는 축열 요소를 추가로 포함하고,
    상기 흡수 요소에 의해 흡수된 태양 복사로부터의 열은 열 전도를 거쳐 상기 축열 요소에 전달되는
    태양 에너지 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 축열 요소로부터의 열은 상기 축열 요소로부터 최종 사용자 애플리케이션으로 전달되는
    태양 에너지 모듈.
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