KR100622949B1 - 히트파이프와 태양전지 모듈을 이용한 하이브리드태양에너지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지의 방열을 위하여 히트파이프를 이용하여 태양전지의 열화 및 발전효율저하를 방지하며, 히트파이프를 통해 흡수한 열을 다시 열매체 도관의 열매체에 전달함으로써, 태양에너지를 이용하기 위한 하이브리드 태양에너지 장치의 에너지변환율을 극대화할 수 있는 하이브리드 태양에너지 장치에 관한 것으로, 본체프레임 ; 상기 본체프레임의 상부에 마련되며, 태양광을 수광하여 광전변화를 행하는 태양전지 모듈 ; 상기 태양전지 모듈의 비수광면 전체에 대하여 배치되어 상기 태양전지 모듈의 비수광면과 접하는 히트파이프 ; 일단은 상기 본체프레임 외부로부터 열매체가 유입되며 타단은 상기 본체프레임 외부로 열매체가 배출되며, 상기 히트파이프와 접하면서 상기 태양전지 모듈의 비수광면을 가로지르는 열매체 도관 ; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

태양전지, 히트파이프, 열매체, 프레임, 태양광

Description

히트파이프와 태양전지 모듈을 이용한 하이브리드 태양에너지 장치{HYBRID SOLAR ENERGY APPARATUS USING HEAT PIPE AND SOLAR CELL MODULE}

도 1은 종래의 기술에 의한 태양열 집열기의 부분절개 사시도,

도 2는 본 발명에 의한 일 실시예의 부분절개 평면도,

도 3은 도 2의 A-A선 단면도,

도 4는 진동 세관형 히트파이프의 작동 개념도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

101 : 본체프레임 110 : 열매체 도관

120 : 흡열판 130 : 태양전지 모듈

본 발명은 태양에너지를 받아 이를 이용하기 위한 태양에너지 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 태양전지 모듈을 이용하여 태양에너지로부터 전기를 발생시키는 동시에 히트파이프를 통하여 태양전지 모듈로부터 발생되는 열을 열매체 도관 으로 전달하기 위한 하이브리드 태양에너지 장치에 관한 것이다.

환경친화적인 대체에너지로서 태양에너지의 가치는 그 효용성에 있어서 주목받고 있다. 태양에너지는 태양열과 태양광의 이용으로 구분되며, 한때 태양열 에너지의 밀도가 낮은 반면 이를 이용하기 위한 투자비 비율이 놓아 국내에서는 경제성이 없다고 평가되기도 하였지만 이를 극복하기 위한 새로운 기술이 계속 개발중이다.

태양열 집열기는 태양에너지의 열에너지를 모아 열매체에 전달하는 1차 열교환기로서, 평판형, 포물경형, 집광형 등 여러 종류가 있지만 태양열을 이용한 난방 및 급탕용으로는 평판형 집열기가 가장 많이 사용되고 있다.

도 1은 종래의 기술에 의한 태양열 집열기의 부분절개 사시도이다.

본체프레임(1)은 상면에 투명덮개(40)가 마련되어 내부에 마련되는 열매체 도관(10) 등을 외부로부터 격리시키는 한편 투명덮개(40)를 통하여 태양열 에너지를 받아들인다.

본체프레임(1)의 내측 하부에는 흑색으로 도장된 흡열판(20)이 마련된다. 따라서 집열기에 입사된 태양에너지는 투명덮개(40)를 통과한 후 흡열판(20)에 흡수된다.

흡열판(20)의 상면에는 복수의 열매체 도관(10)이 상기 흡열판(20)의 상면과 접하면서 상기 흡열판(20)의 상면을 가로지른다. 따라서 열매체 도관(10)의 열매체는 흡열판(20)에 흡수된 태양에너지를 흡열판(20) 및 열매체 도관(10)의 열전도에 의하여 전달받는다.

한편, 열매체 도관(10)의 일측에는 상기 열매체 도관(10)에 열매체가 유입되기 위한 열매체 유입관(11)이 연설되어 본체프레임(1)의 외측으로 돌출 연장되며, 열매체 도관(10)의 타측에는 상기 열매체 도관(10)의 열매체가 배출되기 위한 열매체 배출관(12)이 연설되어 본체프레임(1)의 외측으로 돌출 연장된다.

또한 본체프레임(1)의 내측의 측면 및/또는 하면에는 보온재(50)가 마련되어 집열기 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 방지한다.

열매체 도관(10)의 열매체는 집열기와 집열기 외부에 마련되는 축열조 사이를 순환하며, 축열조 내부에서 열교환을 통하여 축열조 내부에 저장된 난방수 등으로 열전달하여 가용 집열량으로 저장된다. 한편 경우에 따라서는 열매체 도관(10)의 열매체로서 축열조에 저장된 난방수 등이 이용될 수 있다.

한편, 태양에너지 중 태양광을 이용하기 위한 장치로 태양전지가 널리 알려져 있다.

태양전지는 pn접합을 가진 반도체로서 빛을 받으면 빛과 물질의 상호작용이 일어나 (+)전하와 (-)전하가 발생하고, 그 전하를 외부로 방출함으로써 외부의 부하에 전원을 공급할 수 있다.

태양전지의 종류로는 단결정 실리콘계, 다결정 실리콘계, 비정질 실리콘계 등이 대표적이며, 태양전지는 전원으로 사용가능한 전압을 발생시키기 위하여 다수의 셀 단위의 태양전지를 모아 태양전지 모듈 형태로 사용하며, 보통 몇 장의 모 듈을 모아 하나의 지지대로 장치한 것을 태양전지 어레이라고 한다.

현재 태양전지의 변환효율은 10%~20%에 달하며, 변환효율을 상승시키기 위한 연구가 지속되고 있다.

한편, 태양전지를 이용한 태양에너지의 하이브리드(hybrid) 이용 시스템을 채택한 종래의 기술들이 공개되어 있다.

본 명세서에 일체화된 종래의 기술인 대한민국 등록특허 제10-0287086호 "태양전지가 실장된 집열기 및 패시브 태양장치"는 수광측에 태양광이 통과할 수 있는 창을 구비한 상자를 포함하는 집열기에 있어서, 상기 상자에는 유동성 가열 매체가 상기 상자내로 흘러 들어가는 입구, 상기 가열 매체가 흘러나가는 배출구, 및 상기 상자의 내부를 수광측과 비수광측으로 분할하고 표면 덮개 재료로 덮힌 태양전지를 구비하는 집열판이 설치되어 있고, 상기 집열판은 상기 수광측보다 상기 비수광측이 더 작은 열 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 집열기 및 이를 이용하는 패시브 태양장치에 대하여 공개하고 있다.

본 명세서에 일체화된 종래의 기술인 대한민국 등록특허 제10-0309507호 "태양광발전/축열시스템"은 태양광을 수광받아 광전변환을 행함과 더불어 그 태양열을 집열하기 위한 태양광모듈과, 상기 태양광모듈로부터 집열된 태양열을 그 집열관을 통해 순환되는 열매에 대한 매체의 압축 및 팽창처리에 의해 도입받아 축열을 위해 인가하는 매체사이클수단, 상기 매체사이클수단을 통해 공급받은 태양열을 난방수에 의해 축열하여 소정 사용시간대의 도래에 따라 축열된 난방수를 배출하는 축열 조, 상기 태양광 모듈에 의해 생성되는 태양광에 의한 전원전압을 축전가능하게 정전압변환함과 더불어 상용 AC전원으로부터의 AC전원을 DC변환하는 선택적인 전력변환처리를 수행하는 전력변환부, 상기 전력변환부를 통해 전력변환된 전원전압을 축전하는 축전수단, 상기 태양광모듈의 집열처리에 대한 집열불능시간대와 집열부족시간대에 보조적으로 동작되어 상기 전력변환수단을 통한 상용 AC전원으로부터의 전원전압이나 태양광으로부터 생성된 전원전압에 의해 상기 축열조내의 난방수를 가열하도록 전원제어하는 전원제어수단, 상기 태양광모듈의 집광집열처리와 태양광에 의한 전원전압 또는 상용 AC전원으로부터의 전원전압에 대한 전력변환수단의 선택적 전력변환처리여부를 판정하기 위한 날짜와 시간대를 계수하는 캘린더계수수단, 상기 캘린더계수수단에 의해 계수된 날짜 및 시간대의 계수치와 실외온도 및 상기 축열조내의 수온의 감지치에 기초하여 집광/집열의 가능시간대와 불능시간대 및 부족시간대에 따라, 상기 매체 사이클수단의 축열공급을 위한 순환처리와 상기 전력변환부의 선택적인 전력변환처리 및 상기 전원제어수단의 축열조내에 저장된 저장수의 가열처리를 위한 전원제어처리상태를 총괄적으로 제어하는 제어수단에 대하여 공개하고 있다.

이러한 종래의 기술들은 태양전지로부터 발생되는 열을 유동매체에 열전달하는 것에 관하여 공개하고 있으나, 태양전지 자체의 온도 상승을 적극적으로 차단하기 위한 적극적인 수단에 관하여 언급하지 않고 있다.

일반적으로 태양전지를 실외에서 사용할 때 태양광의 입사에 의하여 태양전지의 온도가 상승하며, 태양전지의 온도가 올라가면 태양전지의 출력이 낮아지는 것이 일반적이다.

또한 태양전지는 그 온도가 일정 이상 올라가게 되는 경우 태양전지의 열화(비정질 실리콘 태양전지의 경우, 최초 1년 이내에 열화가 일어나고 그 후 안정화되나, 20년간 사용에 대하여 30%이상 열화한다)가 발생한다.

따라서 태양전지는 온도 상승에 따른 열화와 발전출력저하의 약점을 가진다.

따라서 본 발명은 태양전지의 방열을 위하여 히트파이프를 이용하여 태양전지의 열화 및 발전효율저하를 방지하고자 한다.

또한 본 발명은 히트파이프를 이용하여 태양전지의 열화 및 발전효율저하를 방지할 뿐만 아니라, 히트파이프를 통해 흡수한 열을 다시 열매체 도관의 열매체에 전달함으로써, 태양에너지를 이용하기 위한 하이브리드 태양에너지 장치의 에너지변환율을 극대화할 수 있는 하이브리드 태양에너지 장치를 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 본체프레임 ; 상기 본체프레임의 상부에 마련되며, 태양광을 수광하여 광전변화를 행하는 태양전지 모듈 ; 상기 태양전지 모듈의 비수광면 전체에 대하여 배치되어 상기 태양전지 모듈의 비수광면과 접하는 히트파이프 ; 일단은 상기 본체프레임 외부로부터 열매체가 유입되며 타단은 상기 본체프레임 외부로 열매체가 배출되며, 상기 히트파이프와 접하면서 상기 태양전지 모듈의 비수광면을 가로지르는 열매체 도관 ; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 본체프레임의 내측 하부에 마련되어, 상면이 상기 히트파이프와 접하는 흡열판 ; 이 부가되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 히트파이프는 진동 세관형 히트파이프인 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 열매체 도관의 양 측부에는 오목한 히트파이프 삽입홈이 형성되며, 상기 히트파이프는 상기 히트파이프 삽입홈과 접하면서 사행되는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 일 실시예의 부분절개 평면도이며, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다.

본체프레임(101)은 그 내부에 태양전지 모듈(130), 열매체 도관(110), 히트파이프(150), 흡열판(120)이 마련된다.

본체프레임(101)의 상면에 마련되는 유리 등의 투명덮개(140)는, 본체프레임(101)의 내부에 마련된 주요 장치들을 기후 등으로부터 보호하는 한편 태양광의 손실율을 최소화(약 5%~15%)하면서 태양전지 모듈(130)에 태양광이 입사되도록 한다. 실시예에 따라서는 투명덮개(140) 없이 태양전지 모듈(130)이 본체프 레임(101)의 최상면에 마련되도록 하여 태양전지 모듈(130)이 덮개의 역할을 수행하도록 할 수 있다.

투명덮개(140)를 통과한 태양광은 태양전지 모듈(130)의 수광면에 입사된다.

태양전지 모듈(130)은 수광된 태양광으로 인하여 광전변환을 수행하며, 광전변환을 통해 생성된 전기는 케이블 커넥터 또는 이와 유사한 것을 통하여 외부로 전달되며, 전달된 전기는 부하에 직접 이용되거나 축전지 등에 저장된 후 이용될 수 있다.

태양전지 모듈(130)의 하면, 즉 태양전지 모듈(130)의 비수광면에는 히트파이프(150) 및 열매체 도관(110)이 마련된다.

본 실시예의 히트파이프(150)는 진동 세관형 히트파이프를 적용하였다.

히트파이프(150)는 태양전지 모듈(130)의 비수광면 전체로부터 열을 흡수하기 위하여 태양전지 모듈(130)의 비수광면 전체에 걸쳐 태양전지 모듈(130)의 비수광면과 접하면서 사행(蛇行)된다.

한편, 열매체 도관(110) 또한 태양전지 모듈(130)의 비수광면과 접하면서 태양전지 모듈(130)의 비수광면을 가로지른다.

또한 열매체 도관(110)은 양쪽 측부에 오목한 히트파이프 삽입홈(110a)이 형성되며, 히트파이프(150)는 사행되면서 굽어지는 부위가 상기 히트파이프 삽입홈(110a)에 접하게 된다. 따라서 히트파이프 삽입홈(110a)에 의하여 히트파이프(150)와 열매체 도관(110)의 열전달 면적을 보다 많이 확보할 수 있게 된다.

상기 히트파이프 삽입홈(110a)이 이루는 곡률은 히트파이프(150)의 외경이 이루는 곡률과 일치하는 것이 바람직하다.

열매체 도관(110)을 통과하는 열매체는 본 실시예의 경우 난방수로 상정하였지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

도 4는 진동 세관형 히트파이프의 작동 개념도이다.

진동 세관형 히트파이프는 윅(wick)에 의한 증발부로의 작동액 환원 없이, 유체의 진동에 의하여 열을 수송하는 열전달 기구로서, 도 4와 같이 세관을 사행(serpentine)시킨 밀폐 구조로서, 세관을 진공 상태로 만든 후 임의의 비율로 작동유체를 충전시킨 매우 단순한 구조로 되어 있다.

기본적인 작동은 작동액 및 증기포의 불규칙적인 루프내 순환 또는 축방향 진동에 의한 것이며, 가열부에 주어진 열량 만큼의 핵비등을 일으키고, 핵비등에 의해 발생된 기포는 합쳐진 후 기액 슬러그류(slug flow)의 형태로 된다. 슬러그류는 압력파를 발생시킴과 동시에 축방향 진동을 동반하는 유동으로 되어 순환하고, 증기의 기포가 대류 열전달과 잠열 수송을 하며, 이러한 작동을 위하여는 세관형 튜브의 내경이 충분히 작아야 된다.

일반적으로 히트파이프는 밀폐된 용기내에 작동유체를 주입한 후 진공배기한 것으로 작동유체의 증발과 응축에 의하여 별도의 외부동력없이 열을 전달하는 기구로서, 통상적으로 사용되는 히트파이프의 경우 증발부로부터 응축부로의 기체의 이동은 압력차에 의하여 발생하며, 응축부에서 증발부로의 이동은 용기내에 형성된 다공성 윅을 이용한다.

히트파이프의 특수한 형태로서, 서모사이폰(thermosyphon)은 별도의 윅구조 를 가지지 않으면서 중력에 의하여 액체가 증발부로 이동하는 구조이며, 서모사이폰은 반드시 수직의 형태로 설치되어야 한다.

이와 같이 일반적인 히트파이프 내지 서모사이폰과는 달리 진동 세관형 히트파이프는 충분히 작은 내경으로 인한 표면장력과 축방향 진동에 의한 순환운동을 이용하므로 그 길이에 있어서 거의 제한이 없다.

본 실시예의 진동 세관형 히트파이프는 작동유체로서의 R-22(클로로디플루오르메탄)를 동관에 내체적비 30%로 충전하여 사용하였으며, 동관의 외경은 4mm이며, 동관의 내경은 2.6mm이다.

진동 세관형 히트파이프와 일반 동의 전도율을 비교하였을 때, 진동 세관형 히트파이프는 일반 동보다 약 2,000배 이상 빠른 것으로 나타난다.

히트파이프(150)와 열매체 도관(110)의 하부에는 흡열판(120)이 마련된다.

흡열판(120)은 히트파이프(150) 및 열매체 도관(110)과 접하며, 따라서 본체프레임(101) 내의 온도 상승으로 인한 열량은 흡열판(120)에 흡수되며, 흡열판(120)에 흡수된 열은 히트파이프(150)를 거쳐 열매체 도관(110)에 전달되거나 혹은 직접 열매체 도관(110)에 전달된다.

한편, 히트파이프(150)와 히트파이프 삽입홈(110a) 사이, 히트파이프(150)와 흡열판(120) 사이 등의 접촉부분은 열전달면적을 보다 많이 확보하고 충분한 구조적 안정성을 유지하기 위하여 납땜 등의 방법으로 결합시키는 것이 바람직하다.

본체프레임(101) 내측의 측면 및/또는 하면에는 보온재가 마련되어 본 태양에너지 장치로부터 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

따라서 태양광의 입사에 의하여 태양전지의 온도가 상승하면, 히트파이프 및 흡열판이 그 열을 흡수하여 열매체 도관의 열매체에 전달하게 된다.

상기의 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 당업자에 의하여 다양하게 변경 내지 조정될 수 있다. 이러한 변경 내지 조정이 본 발명의 기술적 사상을 이용한다면 이는 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

따라서 본 발명은 태양전지의 온도 상승에 따른 열화와 발전출력저하를 방지하여, 태양전지의 효율적인 발전출력을 장기간 보장할 수 있다.

또한 본 발명은 열매체 도관의 열매체가 흡수하는 열량을 극대화시킴으로써 태양에너지 장치의 에너지 변환효율을 극대화할 수 있다.

또한 본 발명은 열매체 도관이 보다 빠르고 보다 많은 양의 열을 전달받음으로써, 열매체의 단위부피당 흡열량을 높일 수 있으므로 종래의 기술에 비하여 보다 적은 숫자의 열매체 도관이 필요하게 된다.

따라서 본 발명은 열매체 도관의 숫자가 감소함으로써 열매체 도관으로 인한 유체의 압력손실이 감소하며, 이로 인하여 열매체의 자연순환속도 등이 증가되며, 결과적으로 태양에너지 장치의 열회수 효율이 상승하게 된다.

Claims (4)

1. 본체프레임 ;

   상기 본체프레임의 상부에 마련되며, 태양광을 수광하여 광전변화를 행하는 태양전지 모듈 ;

   상기 태양전지 모듈의 비수광면 전체에 대하여 배치되어 상기 태양전지 모듈의 비수광면과 접하는 히트파이프 ;

   일단은 상기 본체프레임 외부로부터 열매체가 유입되며 타단은 상기 본체프레임 외부로 열매체가 배출되며, 상기 히트파이프와 접하면서 상기 태양전지 모듈의 비수광면을 가로지르는 열매체 도관 ;

   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프와 태양전지 모듈을 이용한 하이브리드 태양에너지 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 본체프레임의 내측 하부에 마련되어, 상면이 상기 히트파이프와 접하는 흡열판 ; 이 부가되는 것을 특징으로 하는 히트파이프와 태양전지 모듈을 이용한 하이브리드 태양에너지 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 열매체 도관의 양 측부에는 오목한 히트파이프 삽입홈이 형성되며, 상기 히트파이프는 상기 히트파이프 삽입홈과 접하면서 사행되는 것을 특징으로 하는 히트파이프와 태양전지 모듈을 이용한 하이브리드 태양에너지 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 히트파이프는 진동 세관형 히트파이프인 것을 특징으로 하는 히트파이프와 태양전지 모듈을 이용한 하이브리드 태양에너지 장치.

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