KR101034246B1 - 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치 - Google Patents

고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치 Download PDF

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김태훈
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Abstract

본 발명은 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치에 관한 것으로서, 박막히터, 상기 박막히터로부터 열을 전달받아 외부로 방출하는 히트싱크, 상기 히트싱크가 회전가능하도록 지지하는 지지부, 상기 지지부에 결합하여 상기 히트싱크의 회전각도를 조절하는 각도조절부로 이루어지는 각도조절장치를 포함하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치에 관한 것이다.

Description

고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치{A PERFORMANCE TEST FACILITY OF A COOLING SYSTEM FOR A CONCENTRATING PHOTOVOLTAIC MODULE}
본 발명은 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광학적 집광장치, 태양광 셀, 태양 추적 시스템의 설계나 제작 없이 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템의 성능을 평가할 수 있는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치에 관한 것이다.
집광형 태양전지(CPV : concentrating photovoltaic) 기술은 집광장치를 이용하여 넓은 면적에 조사되는 태양광을 셀에 집중시켜 발전하는 방식으로서, 태양광 에너지 산업의 빠른 성장으로 인해 야기된 원자재 공급 부족 및 가격 상승 문제의 대안으로 주목받고 있다.
집광형 태양전지 모듈은 전체 시스템 가격에서 높은 비중을 차지하고 있는 태양광 셀의 가격 비중을 낮춤으로서 태양광 발전 단가를 기존의 실리콘 태양전지와 비교하여 획기적으로 낮출 수 있는 장점을 갖는다.
이러한 집광 시스템에서 가장 중요한 이슈는 태양광의 집광률을 높이는 것이다. 태양광을 집광하여 필요한 태양광 셀의 면적을 줄임으로써 에너지 변환효율을 극대화시키는 것이 목표이기 때문이다.
다만 집광률이 수백배에 이르도록 한 고집광 시스템의 경우 태양광 셀의 온도가 상승하는 것에 대한 대책이 필요하다. 현재까지 개발된 집광형 태양전지의 에너지 변환효율은 약 40%에 불과하므로 집광된 태양에너지 중 나머지 약 60% 정도는 열에너지의 형태로 변환되어 태양광 셀의 온도를 증가시키기 때문이다. 태양광 셀은 온도 증가에 따라 변환효율이 저하되는 특성을 보인다. 또한 온도의 상승은 태양광 셀에 손상을 입힘으로써 고집광 태양광 모듈의 장기적인 성능저하를 유발시킬 수도 있다.
따라서 고집광 태양광 모듈의 발전효율 향상 및 신뢰성 증대를 위해서는 태양광 셀의 온도 상승에 대한 대책으로서 고성능의 냉각시스템을 이용한 방열설계가 필수적인 과제라고 할 것이고, 그 전제로서 냉각시스템의 성능평가가 이루어져야 한다.
이러한 냉각시스템의 성능 평가는 고집광 태양광 모듈의 작동환경과 동일한 조건에서 이루어지는 것이 바람직하다. 도 1은 집광형 태양광 모듈의 작동 메카니즘을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 집광형 태양광 모듈은 포물면 거울(parabolic mirror)과 같은 반사형(reflective) 광학적 집광장치(10) 또는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)와 같은 굴절형(refractive) 광학적 집광장치(10)와 상기 광학적 집광장치(10)에 의해 집광된 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양광 셀(solar cell)(20)을 필요로 한다. 또한 집광형 태양광 모듈에서는 집광형 광학계를 통과한 태양광이 태양광 셀에 집중되도록 초점을 맞추는 것이 중요하므로 광학계가 항상 태양을 향하도록 유지하여 좁은 면적의 태양광 셀에 초점이 맞춰지도록 하는 이축 태양 추적 시스템(two-axis tracking system)(30)을 필요로 한다. 이러한 태양 추적 시스템은 집광도가 커질수록 더욱 정밀한 정확도를 가지는 것이 요구된다.
종래 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템의 성능 평가를 위해서는 이러한 광학적 집광장치, 태양광 셀 및 태양 추적 시스템을 모두 설계 및 제작 완료한 상태에서 냉각시스템의 성능을 측정해야하는 어려움이 있었다.
본 발명은 광학적 집광장치, 태양광 셀, 태양 추적 시스템의 설계 및 제작 없이 냉각시스템의 성능을 평가할 수 있는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가 장치는 박막히터와, 상기 박막히터로부터 열을 전달받아 외부로 방출하는 히트싱크 및 상기 히트싱크가 회전가능하도록 지지하는 지지부와 상기 지지부에 결합하여 상기 히트싱크의 회전각도를 조절하는 각도조절부로 이루어지는 각도조절장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 박막히터가 고집광 태양광 모듈에 사용되는 집광장치의 집광비 및 태양광 셀의 발전효율의 변화에 따른 태양광 셀의 발열량을 공급하도록 상기 박막히터에 인가되는 전압을 조절하는 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 히트싱크는 상기 박막히터로부터 열을 전달받는 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트에 결합되어 열을 외부로 방출하는 방열핀을 포함하고, 상기 베이스 플레이트의 적어도 일면에는 상기 방열핀의 일단이 결합될 수 있는 복수의 결합홈이 형성되며, 상기 방열핀은 상기 결합홈에 결합되는 일단이 상기 결합홈에 대응되는 형상으로 형성되고 상기 결합홈에 끼웠다 뺄 수 있도록 구비되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 결합홈에 대응되는 형상으로 형성되어 상기 방열핀이 상기 결합홈에 결합되지 않는 경우 상기 결합홈에 끼워지는 마감핀이 구비되는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 히트싱크의 열전도도 변화에 따른 냉각성능의 변화를 측정하기 위해 상기 박막히터의 발열량을 분산시키고 상기 히트싱크의 열전도도를 변화시킬 수 있도록 상기 베이스 플레이트에 결합하는 열분산기를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방열핀과 상기 마감핀을 상기 베이스 플레이트에 견고하게 결합시키기 위해 상기 베이스 플레이트는 결합홈이 형성된 면과 이웃하고 결합홈의 길이방향으로 마주보고 있는 두 면에 고정편이 결합할 수 있는 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부의 형상과 대응되는 형상으로 형성되어 상기 함몰부에 결합되는 고정편에 의해 상기 결합홈에 결합된 방열핀 및 마감핀이 고정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 각도조절부는 동일한 축 상에 배치되며 일단이 상기 히트싱크에 결합되고 타단이 상기 지지부에 형성된 홈에 배치되어 상기 히트싱크가 회전가능하도록 하는 한 쌍의 지지대와, 상기 지지대 중 어느 하나에 축결합되고 원주방향을 따라 일정 간격으로 각도조절홀이 형성된 각도조절판과, 상기 지지부에 형성된 홀을 관통하여 상기 각도조절홀에 결합될 수 있는 돌출부를 구비하여 상기 각도조절판을 고정시키는 각도조절판고정장치 및 상기 지지부의 홈에 결합하고 상기 지지대를 가압함으로써 상기 지지대를 고정시키는 지지대고정장치를 포함하는 것을 바람직하다.
본 발명에 따르면 광학적 집광장치, 태양광 셀, 태양 추적 시스템의 설계 및 제작 없이 고집광 태양광 모듈의 태양광 셀의 발열량을 모사하여 공급하는 박막히터와 박막히터면의 법선과 지면이 이루는 각이 태양의 위치 변화에 따른 태양의 고도를 나타내도록 하는 각도조절장치에 의하여 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템의 성능을 평가할 수 있다.
또한, 박막히터를 통해 고집광 태양광 모듈에 사용되는 집광장치의 집광비 및 태양광 셀의 발전효율의 변화에 따른 태양광 셀의 발열량을 모사하여 공급할 수 있다.
또한, 각도조절장치를 통해 박막히터면의 법선과 지면이 이루는 각이 태양의 위치 변화에 따른 태양의 고도를 나타내도록 할 수 있다.
또한, 히트싱크 전체를 추가제작하지 않고 길이와 두께를 다양화한 방열핀, 마감핀, 두께를 다양화한 열분산기만을 추가제작함으로써 결합되는 방열핀의 길이, 두께, 간격 및 히트싱크의 열전도도를 변화시킨 다양한 형상의 히트싱크의 냉각성능을 평가할 수 있다.
또한, 히트싱크가 기준 면적을 갖는 경우 결합되는 방열핀의 길이, 두께, 간격 그리고 방열핀이 결합되는 히트싱크 몸체의 두께 변화에 의한 열전도도의 변화와 히트싱크의 냉각성능이 갖는 상관관계를 알아낼 수 있다.
아울러, 고정편에 의해 방열핀과 마감핀이 베이스 플레이트에 견고하게 결합될 수 있다.
도 1은 집광형 태양광 모듈의 작동 메카니즘을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치의 박막히터의 사시도이다.
도 4는 도 2의 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치의 각도조절장치의 결합 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 냉각시스템 성능평가장치를 이용하여 냉각성능을 평가할 수 있는 히트싱크의 결합상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 냉각시스템 성능평가장치를 이용하여 히트싱크의 냉각성능을 평가하는 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치의 사시도이고, 도 3은 도 2의 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치의 박막히터의 사시도이며, 도 4는 도 2의 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치의 각도조절장치의 결합 상태를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템 성능평가장치를 이용하여 냉각성능을 평가할 수 있는 히트싱크의 결합 상태를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면 본 실시예에 따른 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치(100)는 박막히터(200)와, 히트싱크(300)와, 각도조절장치(400)를 포함한다.
본 실시예에 따른 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치의 박막히터(200)는 열선(210)과 보호재(220)로 구성된다. 열선(210)은 금속 재질로 형성되고, 보호재(220)는 세라믹, 폴리이미드와 같이 내열성이 우수한 무기 또는 유기고분자화합물 재질로 형성된다.
박막히터(200)는 고집광 태양광 모듈의 구성요소인 광학적 집광장치와 태양광 셀의 역할을 대체한다. 태양광 셀에 집중되는 고발열량을 모사하기 위하여 초소형 고열유속 박막히터가 사용된다. 본 실시예에서는 5㎜×5㎜ 또는 10㎜×10㎜의 면적을 갖는다.
도 5를 참조하면 히트싱크(300)는 박막히터(200)의 표면에 접하며 상기 베이스 플레이트(310)에 결합하여 상기 박막히터(200) 발열량을 분산시키는 열분산기(340), 상기 열분산기(340)로부터 열을 전달받는 베이스 플레이트(310), 상기 베이스 플레이트(310)에 결합되어 상기 히트싱크(300)가 대기와 접하는 표면적을 넓힘으로써 열을 외부로 방출하는 방열핀(320)을 포함한다.
베이스 플레이트(310)는 베이스 플레이트(310)와 열분산기(340)가 결합하고 있는 면의 맞은편 면에 방열핀(320)의 일단이 결합될 수 있는 복수의 결합홈(311)이 형성되며, 방열핀(320)은 결합홈(311)에 결합되는 일단이 결합홈(311)에 대응되는 형상으로 형성되어 결합홈(311)에 끼웠다 뺄 수 있도록 구비되고, 결합홈(311)에 대응되는 형상으로 형성되고 상기 방열핀(320)이 상기 결합홈(311)에 결합되지 않는 경우 결합홈(311)에 끼워지는 마감핀(330)을 구비한다.
열분산기(340)는 베이스 플레이트(310)와 동일한 재질로 구성되어 베이스 플레이트(310)와 함께 방열핀(320)이 결합하고 있는 히트싱크(300)의 몸체를 구성한다.
또한 베이스 플레이트(310)는 베이스 플레이트(310)의 결합홈(311)이 형성된 면과 이웃하고 결합홈(311)의 길이방향으로 마주보고 있는 두 면에 함몰부(312)가 형성되고, 함몰부(312)의 형상과 대응되는 형상으로 형성되어 함몰부(312)에 결합되는 고정편(313)을 포함한다. 베이스 플레이트(310)에 방열핀(320)과 마감핀(330)이 결합된 상태에서 고정편(313)을 함몰부(312)에 결합시킴으로써 방열핀(320) 및 마감핀(330)이 빠지지 않도록 고정할 수 있다.
이 때 고정편(313)과 베이스 플레이트(310)의 결합은 나사결합을 사용하였으나, 이외에도 볼트너트결합이나 자석 등 고정편(313)이 고정되면서 탈착이 가능하도록 설계된 결합수단이 사용가능하다.
본 실시예에 따른 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치의 각도조절장치(400)는 상기 히트싱크(300)를 회전가능하도록 지지하는 지지부(410)와 상기 지지부(410)에 설치되어 상기 히트싱크(300)의 회전각도를 조절하는 각도조절부(420)로 이루어진다.
상기 각도조절부(420)는 동일한 축 상에 배치되며 일단이 상기 히트싱크(300)에 결합되고 타단이 상기 지지부(410)에 형성된 홈에 배치되어 상기 히트싱크(300)가 회전가능하도록 하는 한 쌍의 지지대(421)와 상기 지지대(421) 중 어느 하나에 축결합되고 원주방향을 따라 일정 간격으로 각도조절홀(422)이 형성된 각도조절판(423)과 상기 지지부(410)에 형성된 홀을 관통하여 상기 각도조절홀(422)에 결합될 수 있는 돌출부를 구비하여 상기 각도조절판(423)을 고정시키는 각도조절판고정장치(424) 및 상기 지지부(410)의 홈에 결합하고 상기 지지대(421)를 가압함으로써 상기 지지대(421)를 고정시키는 지지대고정장치(425)를 포함한다.
본 실시예에서 상기 각도조절홀(422)은 5°간격으로 형성하였으나, 보다 정밀하게 각도를 조절하고자 하는 경우 상기 각도조절홀(422)이 배치되는 반경을 넓힘으로써 각도조절홀(422)을 보다 좁은 간격으로 형성할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 제시된 각도조절부(420)의 형태 이외에도 각도조절부(420)는 상기 지지대(421)에 고정결합된 제1톱니바퀴와, 상기 제1톱니바퀴와 맞물리고 지지부(410)에 회전축이 고정 가능한 제2톱니바퀴로 구성되도록 하여 제2톱니바퀴를 회전시켜 연속적인 각도변환이 가능하도록 설계할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치의 동작을 설명한다.
고집광 태양광 모듈은 광학적 집광장치를 이용하여 태양광을 집광하고, 집광한 빛을 초소형 태양광 셀(1㎠ 이하)에 조사한다. 태양광 셀에 흡수된 태양 에너지는 태양광 셀의 효율에 따라 일부는 전기에너지로 변환되고, 나머지는 열에너지로 변환되어 태양광 셀에 집중되는 발열량으로 나타나게 된다. 이 과정에서 고집광 태양광 모듈은 광학적 집광장치의 집광비(concentration ratio)와 태양광 셀의 발전효율에 따라 태양광 셀에 집중되는 발열량이 변화한다.
박막히터(200)는 일정한 저항을 가지므로 인가되는 전압에 따라 박막히터(200)의 발열량이 조절될 수 있다. 제어부는 박막히터(200)의 인가전압을 조절함으로써 상기 박막히터가 실제 고집광 태양광 모듈의 태양광 셀이 나타내는 발열량을 공급하도록 제어한다. 광학적 집광장치 및 태양광 셀의 제작 없이도 집광비 및 셀의 발전효율 변화에 따른 태양광 셀의 발열량 변화를 박막히터(200)가 모사하여 공급하도록 한다.
또한, 실제 고집광 태양광 모듈은 이축 태양 추적 장치(two-axis tracking system)에 의해 태양의 방향을 따라 집광장치를 수평 및 수직 방향으로 회전시킴으로써 집광면이 항상 태양을 향하도록 한다. 이 중 수직 방향의 회전은 집광면의 법선과 지면이 이루는 각도가 태양의 고도를 나타내도록 움직인다. 히트싱크는 집광면과 평행하게 설치된 태양광 셀의 표면에 접하고 있으므로 결국 태양의 고도가 변화함에 따라 히트싱크가 지면과 이루는 각도가 변화하게 된다.
자연대류 방식에 의해 시스템을 냉각시키는 고집광 태양광 모듈의 경우 히트싱크면이 지면에 대해 얼마나 기울어져있는지에 따라 냉각성능의 차이가 발생한다. 따라서 자연대류 방식에 의한 냉각시스템의 성능을 평가하려면 태양의 고도 변화로 인한 히트싱크의 수직각도 변화를 고려해야만 한다.
각도조절장치(400)는 자연대류 방식에 의한 냉각시스템에서 태양의 고도 변화에 따른 냉각시스템의 수직각도 변화를 모사하는 역할을 한다. 상기 박막히터(200)면의 법선과 지면이 이루는 각이 태양의 고도를 나타내도록 상기 각도조절부(420)의 회전 각도를 조절함으로써 태양의 위치 변화에 따른 히트싱크(300)의 냉각성능 변화를 평가할 수 있다.
본 발명에서 제시된 히트싱크(300)의 방열핀(320)은 다양한 길이를 갖는 것과 결합홈(311)에 결합되는 영역을 이외의 부분이 다양한 두께를 갖는 것이 제작되어 구비된다. 결합홈(311)에 다양한 형태의 방열핀(320)을 교체해가면서 결합시키고, 결합홈(311)에 방열핀(320)이 결합하지 않는 경우 마감핀(330)을 결합시킴으로써 방열핀(320)의 길이, 두께 및 방열핀(320) 사이의 간격을 서로 다르게 한 여러 형태의 히트싱크(300)를 제작할 수 있다.
또한, 박막히터(200)의 발열량을 분산시키는 열분산기(340)는 다양한 두께를 갖는 것으로 제작된다. 열분산기(340)는 베이스 플레이트(310)와 동일한 재질로 구성되어 베이스 플레이트(310)와 함께 방열핀(320)이 결합되는 히트싱크(300)의 몸체부를 형성한다. 박막히터(200)의 발열량은 열분산기(340)와 베이스 플레이트(310)를 통해 분산되므로 열분산기(340)의 결합에 의해 히트싱크(300) 전체의 열전도도가 변화된다. 다양한 두께를 갖는 열분산기(340)를 결합시킴으로써 다양한 열전도도를 갖는 히트싱크(300)를 제작할 수 있다.
따라서 다양한 길이, 두께를 갖는 방열핀(320)과 마감핀(330) 및 다양한 두께를 갖는 열분산기(340)만을 추가제작하는 것으로 히트싱크(300)의 방열핀(320) 구조 및 열전도도를 달리할 수 있으므로 히트싱크(300) 전체를 새롭게 추가제작하는데 드는 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치(100)를 이용하여 본 발명에서 제시된 히트싱크(300)의 냉각성능을 평가하는 방법을 간략하게 설명한다.
도 6을 참조하면 히트싱크(300)의 냉각성능 평가방법은 상기 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치(100)를 준비하는 단계(S100)와, 박막히터(200)에 전압을 인가하는 단계(S200)와, 박막히터(200)와 대기의 온도차 및 박막히터(200)에 인가되는 전력을 감지하는 단계(S300)와, 열저항(R_th)을 측정하는 단계와(S400), 상기 히트싱크(300)의 회전각도를 변화시키는 단계(S410), 상기 방열핀(320)의 길이를 변화시키는 단계(S420), 상기 방열핀(320)의 두께를 변화시키는 단계(S430), 상기 방열핀(320)의 간격을 변화시키는 단계(S440), 상기 열분산기(340)의 두께를 변화시키는 단계(S450)를 포함한다.
상기 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치(100)를 준비하는 단계(S100)에서는 박막히터(200)와, 상기 박막히터(200)로부터 열을 전달받아 외부로 방출하는 히트싱크(300)와, 상기 히트싱크(300)가 회전가능하도록 지지하는 지지부(410) 및 상기 지지부(410)에 결합하여 상기 히트싱크(300)의 회전각도를 조절하는 각도조절부(420)로 이루어지는 각도조절장치(400)를 포함하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치(100)를 준비한다.
여기서 히트싱크(300)는 상기 박막히터로(200)부터 열을 전달받는 베이스 플레이트(310), 상기 베이스 플레이트(310)에 결합되어 열을 외부로 방출하는 방열핀(320)을 포함하고, 상기 베이스 플레이트(310)의 적어도 일면에는 상기 방열핀(320)의 일단이 결합될 수 있는 복수의 결합홈(311)이 형성되고, 상기 방열핀(320)은 상기 결합홈(311)에 결합되는 일단이 상기 결합홈(311)에 대응되는 형상으로 형성되어 상기 결합홈(311)에 끼웠다 뺄 수 있도록 구비되며, 상기 결합홈(311)에 대응되는 형상으로 형성되고 상기 방열핀(320)이 상기 결합홈(311)에 결합되지 않는 경우 상기 결합홈(311)에 끼워지는 마감핀(330)을 구비한다. 또한 상기 베이스 플레이트(310)에 결합되고 상기 박막히터(200)의 발열량을 분산시키는 열분산기(340)를 포함한다.
상기 박막히터(200)에 전압을 인가하는 단계(S200)에서는 제어부에 의해 박막히터(200)의 인가전압을 조절함으로써 상기 박막히터가 실제 고집광 태양광 모듈의 태양광 셀이 나타내는 발열량을 공급하도록 제어한다
상기 박막히터(200)와 대기의 온도차 및 박막히터(200)에 인가되는 전력을 감지하는 단계(S300)에서는 박막히터(200)의 최대온도 발생지점인 박막히터(200) 중심부의 온도(T_max)와 대기의 온도(T_amb)의 차이(DT_max), 박막히터(200)에 인가되는 전력(Q_in)을 측정한다.
상기 박막히터(200)와 대기의 온도차(DT_max)는 열전대(thermo couple)를 이용하여 측정할 수 있고, 박막히터(200)에 인가되는 전력(Q_in)은 DC Power Supply를 이용하여 박막히터(200)에 인가되는 전압과 이에 따른 전류 값을 계측함으로써 측정할 수 있다.
상기 측정된 상기 박막히터(200)와 대기의 온도차(DT_max) 및 상기 박막히터(200)에 인가되는 전력(Q_in)을 이용하여 열저항(R_th)을 측정하는 단계(S400)에서는 앞선 측정값을 이용하여 상기 히트싱크(300)의 열저항(R_th)를 계산한다. 히트싱크(300)의 열저항(R_th)는 아래와 같은 식을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112010016294085-pat00001
[℃/W] 단위로 주어지는 열저항(R_th)은 히트싱크의 냉각성능을 나타낸다. 열저항(R_th) 값이 작을수록 단위 전력에 의한 온도변화가 작고, 따라서 냉각시스템의 냉각효율이 높다는 것을 말한다.
상기 히트싱크(300)의 회전각도를 변화시키는 단계(S410)에서는 각도조절장치(400)를 이용하여 상기 히트싱크(300)의 수직 방향의 회전 각도를 조절한다. 회전 각도를 순차적으로 변화시킴으로써 태양의 위치 변화에 따른 히트싱크(300)의 냉각성능 변화를 측정할 수 있다.
상기 방열핀(320)의 길이를 변화시키는 단계(S420)에서는 히트싱크에(300) 길이를 달리하는 방열핀(320)을 결합시킨다. 방열핀(320)의 길이를 순차적으로 변화시킴으로써 결합되는 방열핀(320)의 길이 변화에 따른 히트싱크(300)의 냉각성능 변화를 측정할 수 있다.
상기 방열핀(320)의 두께를 변화시키는 단계(S430)에서는 히트싱크에(300) 두께를 달리하는 방열핀(320)을 결합시킨다. 방열핀(320)의 두께를 순차적으로 변화시킴으로써 결합되는 방열핀(320)의 두께 변화에 따른 히트싱크(300)의 냉각성능 변화를 측정할 수 있다.
상기 방열핀(320)의 간격을 변화시키는 단계(S440)에서는 결합홈(311)에 일정 간격으로 방열핀(320)을 결합시키고 방열핀(320)이 결합되지 않은 결합홈(311)에 마감핀(330)을 결합시킨다. 방열핀(320) 사이의 간격을 순차적으로 변화시킴으로써 방열핀(320)의 간격 변화에 따른 히트싱크(300)의 냉각성능 변화를 측정할 수 있다.
상기 베이스 플레이트(310)에 결합된 열분산기(340)의 두께를 변화시키는 단계(S450)에서는 베이스 플레이트(310)에 두께를 달리하는 열분산기(340)를 결합시킨다. 방열핀(320)이 결합하는 히트싱크(300)의 몸체 두께를 순차적으로 변화시킨 히트싱크(300)를 제작할 수 있다. 열원의 발열량은 열분산기(340)와 베이스 플레이트(310)를 통해 분산되므로 열분산기(340)의 결합에 의해 히트싱크(300) 전체의 열전도도가 변화된다. 결국 열분산기(340)의 두께를 순차적으로 변화시킴으로써 열전도도 변화에 따른 히트싱크(300)의 냉각성능 변화를 측정할 수 있다.
히트싱크(300)의 구조를 변화시키는 과정에서 히트싱크(300)의 면적은 일정하게 유지된다. 히트싱크의 수직각도, 방열핀(320)의 길이, 두께, 간격 및 히트싱크(300)의 열전도도를 순차적으로 변화시키면서 냉각성능을 측정하면 기준 면적을 갖는 히트싱크(300)에서 방열핀(320)의 구조 변화 및 베이스 플레이트(310)의 두께 변화가 냉각성능에 미치는 영향을 알 수 있다. 이를 이용하면 기준 면적에 대하여 가장 효율적인 냉각성능을 나타내는 구조를 갖도록 히트싱크(300)의 냉각성능을 최적화시킬 수 있다.
10 : 집광형 태양광 모듈의 프레넬 렌즈
20 : 태양광 셀
30 : 이축 태양 추적 장치
100 : 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치
200 : 박막히터 210 : 열선 220 : 보호재
300 : 히트싱크
310 : 베이스 플레이트
311 : 결합홈 312 : 함몰부 313 : 고정편
320 : 방열핀
330 : 마감핀
340 : 열분산기
400 : 각도조절장치
410 : 지지부
420 : 각도조절부
421 : 지지대 422 : 각도조절홀 423 : 각도조절판
424 : 각도조절판고정장치 425 : 지지대고정장치
T_max : 박막히터 중심부의 온도 T_amb : 대기의 온도
DT_max : 박막히터 중심부의 온도와 대기의 온도의 차이
Q_in : 박막히터에 인가되는 전력 R_th : 열저항
S100 : 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치를 준비하는 단계
S200 : 박막히터와 대기의 온도차 및 박막히터에 인가되는 전력을 감지하는 단계
S300 : 박막히터에 전압을 인가하는 단계
S400 : 측정된 상기 박막히터와 대기의 온도차 및 상기 박막히터에 인가되는 전력을 이용하여 열저항을 측정하는 단계
S410 : 히트싱크의 회전각도를 변화시키는 단계
S420 : 방열핀의 길이를 변화시키는 단계
S430 : 방열핀의 두께를 변화시키는 단계
S440 : 방열핀의 간격을 변화시키는 단계
S450 : 베이스 플레이트에 결합된 열분산기의 두께를 변화시키는 단계

Claims (8)

  1. 박막히터와;
    상기 박막히터로부터 열을 전달받아 외부로 방출하는 히트싱크; 및
    상기 히트싱크가 회전가능하도록 지지하는 지지부, 상기 지지부에 결합하여 상기 히트싱크의 회전각도를 조절하는 각도조절부로 이루어지는 각도조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막히터가 고집광 태양광 모듈에 사용되는 집광장치의 집광비 및 태양광 셀의 발전효율의 변화에 따른 태양광 셀의 발열량을 공급하도록 상기 박막히터에 인가되는 전압을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크는 상기 박막히터로부터 열을 전달받는 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트에 결합되어 열을 외부로 방출하는 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 적어도 일면에는 상기 방열핀의 일단이 결합될 수 있는 복수의 결합홈이 형성되고,
    상기 방열핀은 상기 결합홈에 결합되는 일단이 상기 결합홈에 대응되는 형상으로 형성되어 상기 결합홈에 끼웠다 뺄 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 결합홈에 대응되는 형상으로 형성되고 상기 방열핀이 상기 결합홈에 결합되지 않는 경우 상기 결합홈에 끼워지는 마감핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 결합홈이 형성된 면과 이웃하고 결합홈의 길이방향으로 마주보고 있는 두 면에는 고정편이 결합할 수 있는 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부의 형상과 대응되는 형상으로 형성되어 상기 함몰부에 결합되는 고정편에 의해 상기 결합홈에 결합된 방열핀 및 마감핀이 고정되는 것을 특징으로 하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트에 결합되고 상기 박막히터의 발열량을 분산시키는 열분산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 각도조절부는,
    동일한 축 상에 배치되며 일단이 상기 히트싱크에 결합되고 타단이 상기 지지부에 형성된 홈에 배치되어 상기 히트싱크가 회전가능하도록 하는 한 쌍의 지지대와;
    상기 지지대 중 어느 하나에 축결합되고 원주방향을 따라 일정 간격으로 각도조절홀이 형성된 각도조절판과;
    상기 지지부에 형성된 홀을 관통하여 상기 각도조절홀에 결합될 수 있는 돌출부를 구비하여 상기 각도조절판을 고정시키는 각도조절판고정장치; 및
    상기 지지부의 홈에 결합하고 상기 지지대를 가압함으로써 상기 지지대를 고정시키는 지지대고정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 고집광 태양광 모듈용 냉각시스템 성능평가 장치.
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