KR20090113702A - The cooling apparatus with air-cooling fins for the solar photovoltaic system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양광 발전 모듈의 과열로 인한 발전량 감소를 막기 위해 태양광 발전 모듈의 방열을 향상시키기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 태양광 발전 모듈 후면에 공랭핀을 설치하여 대기와의 열교환을 강화한 것을 특징으로 하는 구조를 제공한다.The present invention relates to a device for improving the heat dissipation of the photovoltaic module in order to prevent a decrease in the amount of power generation due to overheating of the photovoltaic module. It provides a structure characterized by.
태양광 발전이란, 태양 빛을 솔라셀(Solar Cell) 또는 태양광 모듈(Photovoltaic module)에 집광시켜 전기를 발생시키는 것을 말한다. 태양광 모듈은 태양광 전지(Solar Cell)의 집합체로 태양광 모듈이 모여서 태양광 어레이(Solar Array)를 이루며, 일반형, 창호형, 추적형, 하이브리드형(다른 청정 에너지 발전수단과 병행된 타입)등이 존재한다. 이러한 태양광 모듈을 이용한 태양광 발전 원리는 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용한 것으로, 실리콘 결정 위에 n형 도핑을 하여 p-n접합을 한 태양 전지판에 태양광을 조사하면 광 에너지에 의해 전자-정공에 의한 기전력이 발생하게 되는 것을 광기전력 효과라고 한다. 예컨대, 외부에서 빛이 태양광 모듈에 입사되었을 때, p형 반도체의 전도대(conduction band)의 전자(electron)가 입사된 광에너지에 의해 가전자대(valance band)로 여기되고, 이렇기 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공쌍(EHP:electron hole pair)를 형성하게 되며, 이렇게 발생된 전자-정공쌍 중 전자는 p-n 접합 사이에 존재하는 전기장(electron field)에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다.Photovoltaic power generation refers to the generation of electricity by condensing solar light into a solar cell or a photovoltaic module. Photovoltaic modules are a collection of solar cells that combine solar modules to form a solar array. General type, window type, trace type, and hybrid type (parallel with other clean energy generation means) And the like. The photovoltaic principle using the photovoltaic module is based on the photovoltaic effect. When solar light is irradiated to a pn-junction solar panel with n-type doping on a silicon crystal, it is applied to the electron-hole by the light energy. The electromotive force generated by the photovoltaic effect is called. For example, when light is incident on the photovoltaic module from outside, electrons in the conduction band of the p-type semiconductor are excited to a valence band by the incident light energy. Is an electron-hole pair (EHP) in the p-type semiconductor, and the electrons in the electron-hole pair generated are n-type semiconductors by an electric field existing between pn junctions. It passes to and supplies current to the outside.
태양광은 화석원료를 바탕으로 하는 기존 에너지원과는 달리 지구 온난화를 유발하는 온실가스 배출, 소음, 환경파괴 등의 위험성을 초래하지 않는 청정 에너지원이며 무궁무진한 태양광을 바탕으로하기 때문에 고갈의 염려도 없다. 태양에너지의 이용 가능량은 2005년 기준 전 세계 연간 에너지 소요량의 2,890배이며 입지조건이 여타 풍력이나 해수력과 달리 설치가 자유롭고 유지비용이 저렴하다. 또한 기술혁신에 따른 원가절감과 효율성 제고로 발전단가가 1990년대 초반에 비해 2008년 현재 1/3 이상 발전단가가 하락하였고, 향후 박막형 태양전지 등의 기술개발로 발전단가는 더욱 하락할 것으로 예측된다.따라서 부존자원이 빈약한 우리나라에서는 자원안보의 관점에서도 적극적으로 수용하려는 움직임이 최근 크게 일어나고 있다. Unlike conventional energy sources based on fossil raw materials, solar energy is a clean energy source that does not cause the risks of greenhouse gas emissions, noise, and environmental degradation that cause global warming. There is no worry. The amount of solar energy available is 2,890 times the world's annual energy requirement as of 2005, and its location is free to install and low in maintenance costs, unlike other wind and sea power. In addition, due to cost reduction and efficiency improvement due to technological innovation, the cost of power generation has decreased by more than one-third as of 2008 compared to the early 1990s, and the cost of power generation is expected to decrease further due to the development of technologies such as thin-film solar cells. Therefore, in Korea, where the scarce resources exist, there has been a great deal of movement to actively accept in terms of resource security.
온도가 상승할수록 태양광 셀{photovoltaic solar cell}의 효율은 감소하는 것은 1960년대 미국 프린스턴 대학의 위속키{Joseph J. Wysocki}와 라파포트{Paul Rappaport}의 연구를 필두로 이미 여러 연구자들을 통해 확인되었다. 온도 상승으 로 인한 태양광 셀의 발전효율의 감소는 기전력{O.C.V(open circuit voltage)}의 감소에 기인한다. 따라서 하절기와 같은 일사량이 많은 환경조건에서 발전효율을 유지하려면 태양광 발전 모듈의 냉각이 반드시 필요하다. The decrease in the efficiency of photovoltaic solar cells with increasing temperature has been confirmed by several researchers, starting with the work of Joseph J. Wysocki and Paul Rappaport at Princeton University in the 1960s. It became. The decrease in power generation efficiency of photovoltaic cells due to temperature rise is due to the decrease in electromotive force {O.C.V (open circuit voltage)}. Therefore, in order to maintain the power generation efficiency in a large amount of solar conditions such as summer, cooling of the photovoltaic module is essential.
현재 일반적으로 쓰이는 태양광 발전 모듈의 효율은 약 15~16%의 값의 범위를 갖는다. 발전효율은 태양광 발전의 경제성을 결정짓는 가장 중요한 요인으로써, 지속적인 발전효율의 유지는 필수적이다. 또한 과열은 태양광 전지의 수명을 단축시키는 요인이 되기도 하므로 냉각장치는 매우 필수적이라고 하겠다.Currently, the efficiency of the commonly used photovoltaic module ranges from about 15% to 16%. Power generation efficiency is the most important factor in determining the economic feasibility of photovoltaic power generation, and it is essential to maintain continuous power generation efficiency. In addition, the cooling device is very essential because overheating can also shorten the life of the solar cell.
또한 태양광 발전의 특성상, 태양광 발전량은 계절별 집광량과 평균온도에 따라 변동성을 갖는다. 태양광 집광량이 최대인 하절기에 과다 일사량에 의한 태양광 모듈 과열로 인해 최대치 대비 5~15%의 발전효율 저하가 발생하며, 오히려 태양광 발전량은 하절기 보다는 봄, 가을에 최고치를 갖는 것이 관찰된다. 전력수요가 많은 하절기에 오히려 태양광 발전량이 감소하는 문제는 분산발전 위주의 신재생 에너지 이용 전력수요정책에 큰 걸림돌이라고 볼 수 있다.In addition, due to the characteristics of photovoltaic power generation, the amount of photovoltaic power generation varies according to seasonal concentration and average temperature. In summer, when solar photovoltaic concentration is the highest, overheated photovoltaic module overheating results in 5 ~ 15% reduction in power generation efficiency. On the contrary, it is observed that photovoltaic power generation has the highest value in spring and autumn than in summer. . In the summer, when electricity demand is high, the decline in solar power generation is a major obstacle to the electricity demand policy for renewable energy.
이러한 문제점에 대응하기 위해 일본의 히타치 화학회사에서는 태양광 냉각장치에 대한 기술을 제안한 바 있다. [문헌 1] JP 62-303164, (HITACHI LTD)1989.6.9 ,[문헌 2] JP 10-321890 (HITACH CHEM CO LTD)1998.12.4In order to cope with these problems, Hitachi Chemical Co., Ltd. of Japan has proposed a technology for solar cooling devices. [Document 1] JP 62-303164, (HITACHI LTD) 1989.6.9, [Document 2] JP 10-321890 (HITACH CHEM CO LTD)
태양광 모듈 내부로 냉매를 순환시키거나 또는 태양광 모듈 내부의 공간에 냉매의 기화열을 이용하여 냉각을 수행하는 장치를 제시하였다.An apparatus for circulating a coolant into a photovoltaic module or cooling using a heat of vaporization of a coolant in a space inside the photovoltaic module has been proposed.
종래의 태양광 모듈 냉각 기술은 냉매를 순환시키거나 태양광 모듈 내부의 공간에 냉매를 저장함으로써 냉매를 이용한 냉각효과를 기대했다. 그러나 냉매를 이용하는 경우에는 태양광 모듈이 누설을 막을 수 있는 구조여야 한다. 냉매는 대체로 환경에 유해한 경우가 많으므로 친환경 발전장치인 태양광 발전의 취지에도 정면으로 위배된다고 볼 수 있다. 특히 계절변화에 따라 일사량이 많은 때에는 태양광 모듈의 온도가 40~50℃ 이상 가열되고, 동절기에는 영하로 내려가는 등 온도차에 의한 설비의 열변형은 냉매의 누설을 야기할 수 있는 위험성을 내포하고 있다. 태양광 설비는 십수년 이상의 장기운전을 요구하므로 내구성에서 문제가 있으면 곤란하다. 더군다나 대면적을 요구하는 발전특성상, 추후 수명이 다하여 태양광 모듈을 폐기 또는 재활용시 발생할 수 있는 다량의 냉매는 처리비용이 발생할 여지가 크다. 또한 냉매는 일반적으로 부식성을 갖고 있으므로 이러한 냉매에 견디는 표면처리를 한 구조는 단가상승을 가져올 수 밖에 없다. Conventional solar module cooling technology expected the cooling effect using the refrigerant by circulating the refrigerant or by storing the refrigerant in the space inside the solar module. However, when using a refrigerant should be a structure that can prevent the solar module to leak. Since refrigerants are often harmful to the environment, they can be said to violate the purpose of photovoltaic power generation, an eco-friendly power generation device. In particular, when there is a large amount of insolation due to seasonal changes, the temperature of the solar module is heated to 40 ~ 50 ℃ or higher, and the temperature is lowered to below freezing during the winter so that the thermal deformation of the facility due to the temperature difference may cause leakage of refrigerant. . Since solar installations require long term operation of more than a few decades, it is difficult if there are problems in durability. Furthermore, due to the power generation demanding a large area, a large amount of refrigerant, which may occur when the solar module is disposed or recycled at the end of its lifetime, has a high processing cost. In addition, since the refrigerant is generally corrosive, the surface-treated structure that withstands such a refrigerant has a price increase.
따라서 냉매를 사용하지 않으면서 열교환 효율이 높은 구조의 냉각장치가 절실히 요구된다. 실제 태양광 발전소 현장에서 냉각을 위해 수냉방식과 함께 고려하는 것이 풍량, 즉 공랭방식이다. 수냉방식의 경우, 발생오수의 처리와 수냉장치 작동여부를 판단하는 능동적인 제어장치가 필요하지만, 본 발명장치는 그러한 복잡한 설비가 필요하지 않다. 또한 풍량이 클 경우, 수랭방식은 물분사 방향 조절에 어려움을 겪지만, 공랭식의 경우 냉각효과가 풍량에 비례한다. Therefore, there is an urgent need for a cooling device having a high heat exchange efficiency without using a refrigerant. It is the air volume, or air-cooling, that is considered along with the water cooling system for cooling in the actual solar power plant site. In the case of the water cooling method, an active control device for treating the generated wastewater and determining whether the water cooling device is operated is required, but the present invention device does not require such complicated equipment. In addition, when the air volume is large, the water cooling method has difficulty in controlling the water spray direction, but in the case of the air cooling method, the cooling effect is proportional to the air volume.
그러나 기존의 설비들은 단순히 태양광 모듈을 펼쳐 나열해 놓은 구조에 불과하며, 특히 공랭방식의 경우, 태풍이나 돌풍에 의해 태양광 모듈이 손상될 수 있으므로, 이에 대한 고려를 하지 못하고 있는 실정이다. 태양광 발전에 있어서 바람이라는 환경요인은 모듈을 손상시킬 수 있는 불안정 환경 요소로 취급되었으나, 사실은 냉각을 위한 더없이 좋은 무료 자원임에 적당한 풍량도 중요한 입지요소로 시각을 달리할 필요가 있다고 판단된다.However, existing facilities are merely a structure in which photovoltaic modules are unfolded and arranged. In particular, in the case of air cooling, solar modules may be damaged by a typhoon or a gust, so the situation is not considered. In the photovoltaic power generation, wind is regarded as an unstable environmental factor that can damage the module, but in fact, it is a good free resource for cooling, so it is necessary to change the perspective as an important location factor. .
상기 언급한 태양광 발전 모듈(10)의 과열로 인한 발전 효율저하 문제를 개선하기 위해서, 본 발명은 태양광 발전 모듈(10) 후면에 방열판(31)과 공랭핀(30)을 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(10) 냉각 장치를 제공한다. In order to improve the power generation efficiency degradation problem due to overheating of the above-described
본 발명은 상기 방열판(31)과 공랭핀(30)에 있어서 서로 열전달율이 같은 재질 또는 서로 열전달율이 다른 재질을 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(10) 냉각 장치를 제공한다. The present invention provides a photovoltaic module (10) cooling device, characterized in that the
본 발명은 상기 공랭핀(30)에 있어서 공랭핀(30)이 그 단면의 형상이 직사각형 또는 다각형 또는 원통형인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(10) 냉각장치를 제공한다.The present invention provides a cooling apparatus for a
본 발명은 상기 공랭핀(30)에 있어서 단면적이 변화하거나 또는 일정한 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(10) 냉각장치를 제공한다.The present invention provides a
본 발명은 상기 공랭핀(30)에 있어서 그 배치가 일렬로 정렬{aligned type} 되어 있거나, 서로 엇갈린{staggered type}인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(10) 냉각장치를 제공한다.The present invention provides a photovoltaic module (10) cooling device characterized in that the arrangement in the air-cooled fin (30) is arranged in a line (aligned type) or staggered type (staggered type).
본 발명은 상기 공랭핀(30)에 있어서 그 배치가 무작위(random)인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(10) 냉각장치를 제공한다.The present invention provides a
본 발명장치를 통해서 기존의 태양광 발전 모듈에 비해 강화된 냉각효과를 기대할 수 있다. 강화된 냉각효과로 인해 태양광 발전 모듈의 평균 운전 온도가 하강함으로써 좀더 높은 발전효율을 유도할 수 있을 것이다. Through the present invention can be expected to enhance the cooling effect compared to the conventional photovoltaic module. Due to the enhanced cooling effect, the average operating temperature of the photovoltaic module will decrease, leading to higher power generation efficiency.
또한 공랭식은 상대적으로 간단한 구조를 갖고, 작동부가 부재하므로 장기적인 운전에도 높은 항상성과 견고한 내구성을 갖는다. In addition, the air-cooled type has a relatively simple structure, and since there is no moving part, it has high homeostasis and solid durability even in long-term operation.
또한 본 발명장치가 제시한 구조는 대기의 복사 열전달과 대류 열전달을 강화할 수 있는 핀 구조로 형성되어 있어서 방열효과는 극대화하면서 동시에 풍압의 영향을 줄일 수 있다. 또한 부수적으로 태양광 발전 모듈에 지지체 역할을 함으로써 향상된 정역학적 구조를 제공할 수 있다.In addition, the structure proposed by the apparatus of the present invention is formed in a fin structure that can enhance radiant heat transfer and convective heat transfer in the atmosphere, thereby maximizing a heat dissipation effect and at the same time reducing the influence of wind pressure. In addition, it can additionally provide an improved hydrostatic structure by serving as a support for the photovoltaic module.
덧붙여 본 발명장치가 제안한 태양광 발전 모듈에 바람을 고려한 공랭효과에 대한 주목은 향후 태양광 발전의 입지선정에도 중요한 환경 고려 요소로 자리잡을 것으로 기대된다.In addition, attention to the air-cooling effect considering the wind in the photovoltaic module proposed by the present invention is expected to become an important environmental consideration factor in the location selection of photovoltaic power generation in the future.
이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.DETAILED DESCRIPTION A detailed description of preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. In the following, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명의 실시 예에 따른 공랭핀을 이용한 태양광 발전 모듈 냉각장치의 구성은 도 1에서 나타내고 있는 바와 같다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 발전 모듈과 본 발명장치를 함께 도시한 사시도이다. 도 2는 태양광 발전모듈과 본 발명장치를 함께 도시한 후면도이다. The configuration of a solar cell module cooling apparatus using air cooling fins according to an embodiment of the present invention is as shown in FIG. 1 is a perspective view showing together a photovoltaic module and the present invention device according to a preferred embodiment of the present invention. Figure 2 is a rear view showing the photovoltaic module and the present invention together.
상기 도 1과 도 2를 참조하면, 집광에 의해 대기에 비해 온도가 상승한 태양광 발전 모듈(10)의 열량은 후면에 장착된 냉각판(31)으로 전도열을 통해 이동하게 된다. 전도된 열량은 공랭핀(30)을 통해 대기중으로 대류와 복사 열전달을 통해 방출되어 진다. 이 때 핀튜를 통해 대기중으로 방열되는 열량은 공랭핀(30)의 단면적과 재질의 열전달률, 그리고 공랭핀(30)과 대기의 온도차에 의해 결정된다.1 and 2, the heat amount of the
공랭핀(30)의 배치와 단위 면적당 개수, 재질에 따른 열전달 계수는 기존 연구자들에 의해 실험적으로 조사되어 있어 쉽게 알아낼 수 있다.The heat transfer coefficient according to the arrangement of the air-cooled
도 3은 본 발명장치(정렬된 핀 배치)와 태양광 발전 모듈(10)을 함께 나타낸 측면도이다. 도 4는 본 발명장치(엇갈린 핀 배치)와 태양광 발전 모듈(10)을 함 께 나타낸 후면도이다. 도 5는 본 발명장치(직사각형 핀)와 태양광 발전 모듈(10)을 함께 나타낸 후면도이다.Figure 3 is a side view of the device (aligned pin arrangement) and the
도 3, 도 4 그리고 도 5를 참조하면, 공랭핀(30)의 배치는 방열효율을 극대화하기 위해 정렬된 연속되는 공랭핀(30)의 배치와 또는 엇갈린 공랭핀(30)의 배치 또는 직사각형 형상의 공랭핀(30)의 모습을 갖을 수 있다. 상기 공랭핀(30) 구조는 표면적을 극대화하여 열전달율을 강화하고, 반면 공랭핀(30)과 냉각판(31)이 없는 일반 태양광 발전 모듈(10) 구조보다 풍압에 의한 스트레스에 대해 상대적으로 강하다. 3, 4 and 5, the arrangement of the air-cooled
도 1은 본 발명장치(정렬된 핀 배치)와 태양광 발전 모듈(10)을 함께 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view showing the present invention device (aligned pin arrangement) and the
도 2는 본 발명장치(정렬된 핀 배치)와 태양광 발전 모듈(10)을 함께 나타낸 후면도이다.2 is a rear view of the device (aligned pin arrangement) and the
도 3은 본 발명장치(정렬된 핀 배치)와 태양광 발전 모듈(10)을 함께 나타낸 측면도이다.Figure 3 is a side view of the device (aligned pin arrangement) and the
도 4는 본 발명장치(엇갈린 핀 배치)와 태양광 발전 모듈(10)을 함께 나타낸 후면도이다.Figure 4 is a rear view showing the present invention device (crossed pin arrangement) and the
도 5는 본 발명장치(직사각형 핀)와 태양광 발전 모듈(10)을 함께 나타낸 후면도이다.5 is a rear view showing the present invention device (rectangular pin) and the
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: 태양광 발전 모듈 {solar photovoltaic cell module}10: solar power module {solar photovoltaic cell module}
20: 태양광 발전 모듈 지지대 {solar photovoltaic cell module support}20: solar power module support {solar photovoltaic cell module support}
21: 태양광 발전 모듈 지지판 {solar photovoltaic cell module supporting panel}21: solar photovoltaic cell module supporting panel
30: 공랭핀 {air-cooling fin}30: {air-cooling fin}
31: 방열판 {cooling plate}31: heat sink {cooling plate}
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| KR1020080039568A KR20090113702A (en) | 2008-04-28 | 2008-04-28 | The cooling apparatus with air-cooling fins for the solar photovoltaic system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080039568A KR20090113702A (en) | 2008-04-28 | 2008-04-28 | The cooling apparatus with air-cooling fins for the solar photovoltaic system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020080039568A KR20090113702A (en) | 2008-04-28 | 2008-04-28 | The cooling apparatus with air-cooling fins for the solar photovoltaic system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20090113702A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011142516A1 (en) * | 2010-05-11 | 2011-11-17 | (주)한동테크 | Remotely monitored streetlight system |
-
2008
- 2008-04-28 KR KR1020080039568A patent/KR20090113702A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011142516A1 (en) * | 2010-05-11 | 2011-11-17 | (주)한동테크 | Remotely monitored streetlight system |
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