KR101083788B1 - 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쏠라 셀과 금속 소재인 백시트 사이에 열변형 온도가 높은 폴리비닐부티랄(Polyvinyl Butyral) 필름을 사용하여 절연 특성이 우수한 소재인 절연필름을 적층한 구조의 태양광 발전용 모듈에 관한 것으로, 쏠라 셀과 백시트의 접촉에 의해 발생하는 쇼트(short) 현상을 차단하여 모듈의 파손을 예방하고, 부가적으로 백시트의 표면에 피막층 또는 세라믹 코팅층을 형성시켜 모듈 내에서 발생하는 내부 열의 방열효과를 높임으로써, 태양광 발전 효율을 더욱 높인 것이 장점이다. 또한, 본 발명은 태양광 발전용 모듈에서 셀(cell)과 유리기판 또는 금속 백시트를 접합하여 완충작용을 하기 위한 필름으로 사용하는 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 필름은 열 변형 온도가 낮아(60~80℃) 사막과 같은 고온 지역에서는 사용할 수 없는 문제점을 개선하고자 EVA 필름 대체용으로 열 변형 온도가 높은(100~120℃) 폴리비닐부티랄(PVB, Polyvinyl Butyral) 필름을 사용함으로써, 태양광의 일사량이 높은 고온지역인 사막에 설치시에도 태양광 발전용 모듈의 내구성이 높인 것이 장점이다.
Description
본 발명은 쏠라 셀과 금속 소재인 백시트 사이에 열변형 온도가 높은 폴리비닐부티랄(Polyvinyl Butyral) 필름을 사용하고, 절연 특성이 우수한 소재인 절연필름을 적층한 구조의 태양광 발전용 모듈로써, 쏠라 셀과 백시트의 접촉에 의해 발생하는 쇼트(short) 현상을 차단하여 모듈의 파손을 예방하고, 특히 사막과 같은 고온지역에서 사용시에도 높은 열 변형 특성에 의해 내구성이 우수한 것을 특징으로 하는 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈에 관한 것이다.
태양광 발전시스템은 청정 에너지로서 미래의 에너지원으로 각광을 받으며 세계적인 주요국들의 과학발전으로 인한 산업연계와 맞물리며 성장 발전하고 있는 기술분야이다.
통상적인 태양광 발전시설은 일조량이 높은 지역과 밀접하게 연계시켜 실시되어지고 있는 산업분야로서, 일조량이 최고조가 되는 계절에 태양광 발전량이 높아야 하지만 실제로는 도 1에 도시된 바와 같이 일조량이 최고조에 달하는 6월보다 일조량은 적지만 대기의 기온이 선선한 4월과 11월에 태양광의 평균 발전량이 높고, 그리고 대기의 기온이 가장 높은 8월에 태양광 발전용 모듈의 표면온도가 대략 60~80℃의 높은 온도를 유지할 경우에는 태양광 평균 발전 효율이 12% 수준으로 떨어진다. 이와 같은 사실은 태양광 발전용 모듈의 표면온도에 따른 발전량 혹은 효율이 단결정 폴리실리콘이나 또는 다결정 실리콘 태양광 모듈에 의한 큰 영향을 받지 아니하며, 태양광 발전용 모듈 자체 및 주변기기에서 발생하는 열에 의해 발전효율이 저하된다.
따라서, 본 출원인은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 방안으로 도 2에 도시된 바와 같이 기판(10), 전면 EVA(20), 쏠라 셀(30), 후면 EVA(40) 및 피막층이 형성된 방열시트(60)의 순으로 적층된 구조의 피막층이 형성된 방열시트(60)를 구비한 태양광 발전용 모듈을 각각 개발하여 종래의 태양광 발전용 모듈의 방열 특성을 개선시킨 기술을 개발하여 국내 등록특허 제0999460호로 피막층이 형성된 방열시트를 구비한 태양광 발전용 모듈을 특허등록시킨 바가 있다.
상기와 같은 태양광 발전용 모듈은 도 2에 도시된 바와 같이 쏠라 셀(30)과 방열시트(60) 사이에 적층된 EVA(ethylene vinyl acetate)가 가교제의 역할만 할 뿐 쏠라 셀(30)과 금속 소재인 방열시트(60)의 접촉에 의해 발생하는 쇼트(short) 현상을 제대로 차단하지 못해 누전의 발생 등으로 인해 불량률의 발생이 높은 문제점들이 있었다.
본 발명자는 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위한 방안으로 쏠라 셀과 금속 소재인 백시트 사이에 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 필름을 사용하여 절연 특성이 우수한 소재인 절연필름을 적층시킨 구조의 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈을 국내 특허출원 제2011-49557호로 특허출원한 바 있다.
한편, 일반적으로 태양광 발전용 모듈은 사막과 같은 고온 지역에 설치할 경우 발전효율이 높으므로 사업성이 있음에도 불구하고, 상기와 같은 특허의 경우에는 셀과 유리기판 또는 금속 백시트를 접합하여 완충작용을 하기 위한 필름으로 열변형 온도가 낮은 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 필름을 사용함에 따라 특히 사막과 같은 고온지역에서는 EVA 필름이 쉽게 열변형되어 태양광 발전용 모듈의 내구성이 저하되는 문제점이 발생할 우려가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 방안으로, 본 발명자가 개발하여 이미 특허등록시킨 바 있는 국내 등록특허 제0999460호의 태양광 발전용 모듈의 구조를 개선하여, 쏠라 셀(cell)과 금속 소재인 백시트 사이에 절연 특성이 우수한 소재인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 절연필름을 적층시킴으로써, 쏠라 셀과 백시트의 접촉에 의해 발생하는 쇼트(short) 현상을 차단하여 모듈의 파손을 예방하고, 태양광 발전효율을 높인 것을 특징으로 하는 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈을 제공함을 과제로 한다
그리고 본 발명은 본 출원인이 선출원한 국내 특허출원 제2011-49557호의 태양광 발전용 모듈에서 셀(cell)과 유리기판 또는 금속 백시트를 접합하여 완충작용을 하기 위한 필름으로 사용하는 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 필름은 열 변형 온도가 60~80℃이므로 사막과 같은 고온 지역에서는 사용할 수 없는 문제점을 개선하고자 EVA 필름 대체용으로 열 변형 온도가 100~120℃인 폴리비닐부티랄(PVB, Polyvinyl Butyral) 필름을 사용함으로써, 태양광의 일사량이 높은 고온지역인 사막에 설치시에도 태양광 발전용 모듈의 내구성이 높은 것을 특징으로 하는 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈을 제공함을 다른 과제로 한다.
또한 본 발명에 따른 태양광 발전용 모듈의 백시트 표면에 피막층 또는 세라믹 코팅층을 형성시켜 모듈 내에서 발생하는 내부 열의 방열효과를 높임으로써, 태양광 발전 효율을 높인 것이 특징으로 하는 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈을 제공함을 또 다른 과제로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 태양광 발전용 모듈에 있어서,
상기 태양광 발전용 모듈은 기판(10), 상부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(20), 쏠라 셀(30), 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(40), 절연필름(50), 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(60) 및 백시트(70)의 순으로 적층되는 구조인 것을 특징으로 하는 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈을 과제 해결 수단으로 한다.
상기 절연필름(50)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 폴리이미드(PI), 폴리에테르술폰(PES) 중에서 1 종을 선택하여 사용하고,
상기 백시트(70)는 알루미늄, 동, 황동, 강판, 스테인리스 금속 박판 중에서 1 종을 선택하여 사용하며,
상기 백시트(70)는 표면에 피막층 또는 세라믹 코팅층 또는 내열도료 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기의 과제 해결 수단에 의한 본 발명은 태양광 발전용 모듈의 라미네이팅 구조에서 쏠라 셀(cell)과 금속 소재인 백시트 사이에 절연 특성이 우수한 소재인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 절연필름을 적층시킴으로써, 쏠라 셀과 백시트의 접촉에 의해 발생하는 쇼트(short) 현상을 차단하여 모듈의 파손을 예방하고, 부가적으로 백시트의 표면에 피막층 또는 세라믹 코팅층을 형성시켜 모듈 내에서 발생하는 내부 열의 방열효과를 높임으로써, 태양광 발전 효율을 더욱 높인 것이 장점이다. 또한, 본 발명은 태양광 발전용 모듈에서 셀(cell)과 유리기판 또는 금속 백시트를 접합하여 완충작용을 하기 위한 필름으로 사용하는 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 필름은 열 변형 온도가 낮아(60~80℃) 사막과 같은 고온 지역에서는 사용할 수 없는 문제점을 개선하고자 EVA 필름 대체용으로 열 변형 온도가 높은(100~120℃) 폴리비닐부티랄(PVB, Polyvinyl Butyral) 필름을 사용함으로써, 태양광의 일사량이 높은 고온지역인 사막에 설치시에도 태양광 발전용 모듈의 내구성이 높인 것이 장점이다.
도 1은 통상적인 태양광 발전용 모듈에 의해 월별 일조량에 따른 태양광 발전량을 나타낸 그래프이고,
도 2는 종래의 태양광 발전용 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전용 모듈 구조로서, 쏠라 셀과 백시트 사이에 절연필름이 적층된 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명에 태양광 발전용 모듈의 방열효과를 측정하기 위한 설비를 찍은 사진이며,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전용 모듈의 열 변형 측정 후의 상태를 찍은 사진이고,
도 5b는 본 발명의 실시예와 대비되는 비교예에 따른 태양광 발전용 모듈의 열 변형 측정 후의 상태를 찍은 사진이며,
도 6a는 본 발명에 따른 태양광 발전용 모듈의 발전량을 측정하기 위하여 태양광 발전용 모듈을 설치한 상태를 찍은 사진이고,
도 6b는 본 발명에 따른 태양광 발전용 모듈의 발전량을 측정하기 위하여 설치한 테스트장비를 찍은 사진에 관한 것이다.
도 2는 종래의 태양광 발전용 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전용 모듈 구조로서, 쏠라 셀과 백시트 사이에 절연필름이 적층된 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명에 태양광 발전용 모듈의 방열효과를 측정하기 위한 설비를 찍은 사진이며,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전용 모듈의 열 변형 측정 후의 상태를 찍은 사진이고,
도 5b는 본 발명의 실시예와 대비되는 비교예에 따른 태양광 발전용 모듈의 열 변형 측정 후의 상태를 찍은 사진이며,
도 6a는 본 발명에 따른 태양광 발전용 모듈의 발전량을 측정하기 위하여 태양광 발전용 모듈을 설치한 상태를 찍은 사진이고,
도 6b는 본 발명에 따른 태양광 발전용 모듈의 발전량을 측정하기 위하여 설치한 테스트장비를 찍은 사진에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세한 설명에서 일반적인 태양광 발전용 모듈의 제조분야 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 언급은 간략히 하거나 생략하였다.
본 발명은 종래의 태양광 발전용 모듈에서 쏠라 셀과 백시트의 접촉에 의해 발생하는 쇼트(short) 현상의 문제점을 개선한 것으로, 쏠라 셀과 백시트 사이에 절연 특성이 우수한 소재인 절연필름을 적층하여 금속소재인 백시트가 쏠라 셀과의 접촉에 의해 발생하는 쇼트(short) 현상을 차단하고, 쏠라 셀과 유리기판 또는 금속 백시트를 접합하여 완충작용을 하기 위한 필름으로 열 변형 온도가 높은(100~120℃) 폴리비닐부티랄(PVB, Polyvinyl Butyral) 필름을 사용하여 고온지역인 사막에 설치시에도 태양광 발전용 모듈의 내구성을 높임으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
그리고 본 발명은 백시트의 표면에 피막층 또는 세라믹 코팅층 또는 내열도료 코팅층을 형성시켜 모듈 내에서 발생하는 내부 열의 방열효과를 높임으로써, 태양광 발전 효율을 높인 것이 특징이다.
이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면인 도 3을 중심으로 상세히 설명하면 아래 내용과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈은 도 4에 도시된 바와 같이, 태양광 발전용 모듈에 있어서,
상기 태양광 발전용 모듈은 기판(10), 상부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(20), 쏠라 셀(30), 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(40), 절연필름(50), 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(60) 및 백시트(70)의 순으로 적층되는 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 통상적인 종래의 태양광 발전용 모듈과 같이, 상기에서 열거한 종류의 각 적층소재들을 한꺼번에 진공 열압착(열접착) 방법을 사용하여 제조한다.
참고로 본 발명에 따른 태양광 발전용 모듈에서 사용하는 각 부품소재들은 통상적으로 기존의 태양광 발전용 모듈에서 사용하는 소재와 동일한 소재를 사용하며, 태양광 발전용 모듈을 구성하는 각 부분품들을 간략히 설명하면 아래의 내용과 같다.
본 발명에서 기판(10)은 내부의 쏠라 셀(30)에 태양광을 입사시키고, 쏠라 셀(30)을 보호하기 위한 판으로, 투명 또는 반투명 강화 기판 또는 합성수지 기판을 사용하는 것이 바람직하며, 통상적으로 유리 기판(10)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
그리고 상부, 중간 및 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(20)(40)(60)는 쏠라 셀(30)과 접합되는 부품인 기판(10)과 절연필름(50) 및 백시트(70)를 접착시키는 접착제 용도뿐만 아니라 각 층을 완충시켜 쏠라 셀(30)의 파손을 방지하는 완충재로서 보호층의 역할을 한다. 본 발명에서 사용하는 폴리비닐부티랄(PVB) 필름은 열 변형온도가 100~120℃로 높기 때문에 사막과 같은 고온지역에 설치시에도 변형이 되지 않는 장점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양광 발전용 모듈은 각 층을 구성하고 있는 소재의 두께, 즉 기판(10), 상부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(20), 쏠라 셀(30), 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(40), 절연필름(50) 및 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(60), 백시트(70)의 두께가 각각 1~5 mm, 0.1~2 mm, 0.15~0.3 mm, 0.1~2 mm, 10~100um 및 0.1~2 mm, 0.1~2mm 인 것이 바람직하며, 각 소재의 두께는 상기에서 설명한 두께에만 반드시 한정되지 아니하고, 소비자의 요구나 또는 제조자의 필요에 따라 적절히 조정되어 질 수 있다.
그리고 쏠라 셀(30)은 빛을 전기로 변환하는 기능을 수행하는 반도체 소자로서, 최소단위를 셀(Cell)이라고 하며, 보통 한 개의 셀(Cell)로부터 나오는 전압이 0.5~0.6V로 매우 작으므로 여러 개를 직렬로 연결하여 수V에서 수백V 이상의 전압을 얻을 수 있도록 패널형태로 제작한 것을 모듈이라고 하며, 이 모듈을 여러 개로 이어서 용도에 맞게 설치한 것을 어레이라고 한다.
또한 절연필름(50)은 쏠라 셀(30)과 백시트(70) 사이에 적층되는 필름으로 쏠라 셀(30)과 절연필름(50)을 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(40)를 사용하여 접착시키고, 절연필름(50)과 백시트(70)를 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(60)를 사용하여 접착시킨다. 따라서, 쏠라 셀(30)과 백시트(70) 사이에 절연필름(50)이 적층됨으로써, 전기전도성이 우수한 금속 소재인 백시트(70)와 쏠라 셀(30)의 접촉을 완전 차단함으로서, 백시트에 의해 발생하는 쇼트(short) 현상을 완전 차단할 수 있다.
절연필름(50)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(polytrimethylene terephthalate, PTT), 폴리에테르 에테르케톤(polyether etherketone, PEEK), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에테르술폰(polyether sulfone, PES) 중에서 1 종을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 절연필름(50)의 두께는 10~100 ㎛인 것이 바람직하며, 절연필름의 두께가 상기에서 한정한 범위 미만이 될 경우에는 외부에서 충격이 가해질 경우 필름이 쉽게 파손되어 쇼트(short) 현상이 발생할 우려가 있고, 절연필름의 두께가 상기에서 한정한 범위를 초과할 경우에는 필름의 두께가 두꺼워서 모듈 내에서 발생하는 열의 방출을 방해하여 방열효과가 저하할 우려가 있다.
상기 절연필름의 두께는 상기에서 설명한 두께에만 반드시 한정되지 아니하고, 소비자의 요구나 또는 제조자의 필요에 따라 적절히 조정되어 질 수 있다.
그리고 백시트(70)는 태양광 발전용 모듈을 보호하는 역할과 함께 모듈 내에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열기능을 하는 수단으로 금속성 소재를 사용한다. 구체적인 금속소재로는 알루미늄, 동, 황동, 강판, 스테인리스 금속 박판 중에서 1 종을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 백시트(70)는 한쪽 면(72) 또는 양쪽 면(71, 72)에 피막층 또는 세라믹 코팅층코팅층 또는 내열도료 코팅층을 형성시킴으로써, 방열효과를 더욱 향상시킨 것이 특징이다.
상기 백시트(70)의 두께는 0.1~2 mm인 것이 바람직하다. 백시트의 두께가 상기에서 한정한 범위 미만이 될 경우에는 모듈 내에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열기능이 저하할 우려가 있고, 백시트의 두께가 상기에서 한정한 범위를 초과할 경우에는 백시트의 두께에 비례하여 방열효율은 현저히 더 이상 향상되지는 않는다.
상기 피막층은 본 발명자가 이미 특허 등록받은 바 있는 국내 등록특허 제0999460호의 피막층 형성방법과 동일한 방법인 양극산화법, 화성피막법 또는 도금법과 같은 통상적인 표면처리법 중에서 한 가지 방법을 선택하여 형성시킨다.
표면처리법의 가장 대표적인 방법은 양극산화법이며, 양극산화법을 통해 백시트 금속의 표면에 산화막이 형성이 되어져 일종의 세라믹 박막이 형성이 되어지고, 이러한 표면의 변화는 피막층의 내부에 형성된 미세입자 혹은 형성된 피막의 결정성혹은 성분에 의해 모재의 열전도률, 방사율과 같은 열적 효과와의 차이가 발생하게 되고 이러한 열적 차이는 열의 흐름을 일정한 방향으로 흐르게 함으로 결과적으로 최적의 방열조건을 만들 수 있는 장점이 있다.
화성피막법은 일반적으로 금속의 표면에 화성피막처리를 하여 금속의 표면을 세라믹화하는 표면처리법으로 인산염피막과 크로메이트 피막이 있다. 인산염 피막처리법은 두께의 조절이 가능하고 도장성이 우수하며, 내부식성이 뛰어나고 미려한 표면을 가지게 하는 것을 장점으로 찾을 수 있다. 또한 금속 표면의 화성처리의 가장 대표적인 것이 크로메이트 피막처리법이 있으며, 이외에도 무기질의 화성처리 피막법에 의해 금속 표면의 세라믹화를 통해 방열효과가 우수하게 나타날 수 있는 장점이 있다.
또한 도금법은 금속표면에 다른 금속 혹은 동종 금속, 합금 등을 코팅할 때 가장 많이 사용되어지는 표면처리법으로, 도금방법은 무전해도금, 전해도금, 스트라이크도금, 용사코팅법, 진공증착법, 열증착법, 스프레이도금법, 이종·동종금속도금법 등이 있다. 이러한 도금법은 모두 표면에 이종금속의 접합을 통해서 표면을 처리함으로 방사율을 극대화시킬 수 있다. 따라서 원하는 방사율이 조절이 가능함으로 백시트를 사용함에도 적합하다.
그리고 본 발명에 따른 백시트의 피막층은 레이저를 이용한 표면 세공법, 조도 활용법, 이종금속 접합법과 같은 물리적 방법 중에서 한 가지를 선택하여 피막층을 형성시킬 수도 있다.
본 발명에서 백시트의 피막층의 두께는 양극산화법의 경우에는 2~100 ㎛, 화성피막법의 경우에는 20~1000㎛, 도금법의 경우에는 10~50 ㎛의 피막층을 형성시키는 것이 바람직하며, 상기 피막층의 두께는 상기의 범위 내에 반드시 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 적절히 조정되어 질 수도 있다.
또한 세라믹 피막층은 본 발명자가 이미 특허 등록받은 바 있는 국내 등록특허 제962642호의 세라믹 소재와 동일한 소재인 알루미나, 산화티탄, 지르코니아, 산화금속과 같은 금속 세라믹 소재와 유기실란, 무기실란, 실란커플링제, CNT, 그라핀과 같은 비금속 세라믹 소재 중에서 한 가지 또는 그 이상을 선택하여 형성시킨다.
상기 세라믹 소재는 기본적으로 금속 산화물만을 주로 활용하고, 그리고 금속 산화물과 함께 비금속 무기코팅제를 일부 혼합시켜 코팅할 경우에는 300℃정도의 고온에서 견딜 수 있는 우레탄이나 폴리이미드 같은 내열 합성수지를 사용하기도 한다. 본 발명에서 사용하는 세라믹 조성물은 특정 성분 및 성분비를 갖는 조성물에만 반드시 한정하지 않고 제조자의 필요나 또는 소비자의 요구에 따라 적절히 조정되어질 수 있다.
세라믹 코팅층의 두께는 방열시트의 내구성, 내부식성, 내습성 등의 물성을 증가시킬 수 있을 정도의 두께로서 5~100 ㎛인 것이 바람직하며, 세라믹 코팅층의 두께는 상기의 범위 내에 반드시 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 적절히 조정되어질 수도 있다.
그리고 내열도료 코팅층은 내열성이 있는 도료, 즉 실리콘 폴리에스테르도료, 내열유기도료 등을 사용하여 코팅층을 형성시킬 수 있다. 상기 내열도료 코팅층의 두께는 50±10 ㎛인 것이 바람직하다.
상기와 같은 부분품들로 이루어진 기존의 태양광 발전용 모듈은 상기 부분품들을 적층시킨 다음 통상적인 방법에 의해 라미네이터(Laminator)에 의해 진공 압착시킨 다음 태양광 발전용 모듈의 테두리는 통상적인 방법에 의해 알루미늄 등으로 마감처리하여 외부의 충격에도 충분히 견디고, 방수성을 가질 수 있도록 제조한다.
이하 본 발명에 따른 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈을 하기의 실시예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 하기의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니다.
1. 태양광 발전용 모듈의 제작
(실시예 1) : 피막층 형성 백시트가 구비된 모듈의 제작
유리기판(10), 상부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(20), 쏠라 셀(30), 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(40), PET 절연필름(50), 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(60) 및 백시트(70)의 순으로 적층시킨 구조로서, 백시트(70)는 피막층을 형성시켜 200 Watt급 모듈을 제작하였다.
그리고 상기 실시예 1의 모듈에서 유리기판(10), 상부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(20), 쏠라 셀(30), 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(40), PET 절연필름(50), 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(60) 및 백시트(70)의 두께는 각각 2±0.1 mm, 0.2 mm, 0.2±0.05 mm, 0.2 mm, 25 ㎛, 0.2 mm, 및 0.3±0.1 mm이었다.
또한 상기 실시예 1에서 사용한 백시트 소재는 알루미늄 박막이고, 백시트의 양쪽 면에 형성시킨 피막층의 두께는 양극산화법의 경우에는 50±0 , 화성피막법의 경우에는 500±50 ㎛, 크로메이트처리법의 경우에는 20±5 ㎛, 동 도금법의 경우에는 20±5 ㎛의 피막층을 각각 형성시켰다.
(실시예 2) : 세라믹 코팅층 형성 백시트가 구비된 모듈의 제작
유리기판(10), 상부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(20), 쏠라 셀(30), 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(40), PET 절연필름(50), 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(60) 및 백시트(70)의 순으로 적층시킨 구조로서, 백시트(70)는 세라믹 코팅층을 형성시켜 200 Watt급 모듈을 제작하였다.
상기 모듈을 구성하고 있는 각 층의 두께는 상기 실시예 1에서 설명한 바와 같으며, 본 실시예 2에서 사용한 백시트 소재는 알루미늄 박막이고, 백시트의 양쪽 면에 형성시킨 세라믹 코팅층의 두께는 20±10 ㎛이다.
그리고 상기 실시예 2의 세라믹 코팅층은 알루미나, 산화티탄, 지르코니아 등과 같은 금속산화물인 세라믹코팅층, CNT 코팅층 및 Si 코팅층으로 각각 구분하여 3가지 종류의 코팅층을 형성시켰다
상기에서 세라믹코팅은 (주)더몰론코리아에서 특허 등록받은 제10-0871877호에서 사용한 세라믹 코팅제를 사용하여 스프레이 코팅방법으로 세라믹코팅처리를 하고 20~30분간 80℃이상의 열처리를 통하여 코팅층을 형성시켰다. 그리고 CNT 코팅은 자체의 부착력이 없음으로 인해서 에폭시 바인더와 혼합하여 스프레이방법으로 코팅처리를 하였으며 본 실시예 2에서 사용된 CNT 5~30%의 기존에 분산된 시료를 활용 코팅처리한 후 80℃이상에서 건조시켜 코팅층을 형성시켰다. 또한 Si코팅은 일반적으로 자체가 바인더 역할 겸 코팅제의 역할을 하는 것으로써 스프레이방법에 의해 코팅층을 형성시켰다.
(실시예 3) : 내열도료 코팅층 형성 백시트가 구비된 모듈의 제작
상기 실시예 1과 동일한 구조를 갖는 200 Watt급 모듈을 제작하되, 백시트(70)는 내열성이 있는 실리콘 폴리에스테르도료 코팅층을 형성시켜 200 Watt급 모듈을 제작하였다. 상기 내열도료 코팅층의 두께는 50±10 ㎛이다.
(비교예 1) : 기본 구조의 모듈의 제작
유리기판(10), 상부 EVA 필름(20), 쏠라 셀(30), 하부 EVA 필름(40) 및 백시트(70)의 순으로 적층시킨 구조의 모듈을 제작하되, 본 비교예 1에서 사용한 백시트의 소재는 피막층 또는 세라믹 코팅층이 형성되지 않은 알루미늄 박막을 사용하여 200 Watt급 모듈을 제작하였다.
그리고 비교예 1의 모듈의 각 적층소재의 두께는 상기 실시예에서 한정한 두께와 동일한 조건의 두께를 적용시켰다. 상부 EVA 필름(20)과 하부 EVA 필름(40)은 상기 실시예의 폴리비닐부티랄(PVB) 필름층의 두께와 동일한 두께를 적용시켰다.
(비교예 2) : 절연필름이 적층된 모듈의 제작
실시예 1, 2, 3의 모듈 구조와 동일한 구조로서, 유리기판(10), 상부 EVA(20), 쏠라 셀(30), 중간 EVA 필름(40), PET 절연필름(50), 하부 EVA 필름(60) 및 백시트(70)의 순으로 적층시킨 구조의 모듈을 제작하되, 본 비교예 2에서 사용한 백시트의 소재는 피막층 또는 세라믹 코팅층이 형성되지 않은 알루미늄 박막을 사용하여 200 Watt급 모듈을 제작하였다.
그리고 비교예 1의 모듈의 각 적층소재의 두께는 상기 실시예에서 한정한 두께와 동일한 조건의 두께를 적용시켰다. 상부 EVA 필름(20)과 하부 EVA 필름(40)은 상기 실시예의 폴리비닐부티랄(PVB) 필름층의 두께와 동일한 두께를 적용시켰다.
2. 태양광 발전용 모듈의 방열효과 측정설비
측정설비는 본 출원인이 선출원한 국내 특허출원 제2011-49557호에서 사용한 측정설비와 동일한 설비로써, 도 4의 사진에 나타난 바와 같이 태양광 발전용 모듈의 방열효과를 측정하기 위한 설비는 본 출원인이 자체 제작한 설비이며, 아크릴 챔버 내에 두 개의 태양광 발전용 모듈을 설치하고, 아크릴 챔버의 표면온도를 측정하는 표면 측정 온도계와 아크릴 챔버 내부의 온도를 측정하는 챔버 내부측정 온도계 및 두 개의 태양광 발전용 모듈의 표면의 온도를 각각 측정할 수 있도록 한 센스부착형 온도측정기를 구비한 설비를 사용하였다.
참고로, 도 4는 방열효과를 측정하기 위한 설비를 찍은 사진이다.
상기와 같은 구조를 갖는 태양광 발전용 모듈의 방열효과 측정설비는 도 4의 사진에 나타난 바와 같은 구조를 갖는 설비로서, 태양광 모듈 효율 장치를 이용하여 발전량 및 전압, 전류를 동시에 측정할 수 있도록 되어져 있으며 내부온도 조절이 가능하도록 설계되어 있으며, 본 발명에서 사용한 측정설비는 실험수준의 표면온도 측정설비이다.
3. 태양광 발전용 모듈의 방열효과 측정
상기 1에서 한정한 구조를 갖는 태양광발전용 모듈인 비교예 1, 2를 대조 모듈로 하고, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 태양광발전용 모듈의 표면온도를 2011년 5월 중 맑은 날을 선택하여 10 일간씩 주간(9시부터 5시까지)에 상기 2의 측정설비를 이용하여 측정한 다음 대조 모듈에 대한 상대적인 온도 차이에 의해 방열효과를 환산한 평균값의 결과는 아래 [표 1]의 내용과 같다.
| 구분 | 실시예 | 비교예 | 비고 | |||
| 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | ||
| a) 양극산화법 | -14~-19 | - | - | 쇼트(short) 현상에 의한 모듈의 불량으로 인해 실험 불가 |
-6~-11 | 모듈기준온도 25 ~ 90 |
| b) 인산화성피막법 | -11~-15 | - | - | |||
| c) 크로메이트처리법 | -9~-12 | - | - | |||
| d) 동 도금법 | -9~-15 | - | - | |||
| e) 세라믹 코팅 | - | -15~-20 | - | |||
| f) CNT 코팅 | - | -13~-16 | - | |||
| g) Si 코팅 | - | -12~-15 | - | |||
| h) 내열도료 코팅 | - | - | -10~-13 | |||
상기 [표 1]의 내용에 의하면, 실시예 1, 2, 3의 모듈 경우 모두 비교예 2의 모듈에 비해 대체로 방열효과가 우수한 것으로 나타났다. 그리고 비교예 1의 모듈은 쏠라 셀(30)과 백시트(70) 사이에 절연필름(50)을 적층시키지 않음에 따라 금속소재인 알루미늄 박막의 백시트(70)와 쏠라 셀(30)의 접촉에 의해 쇼트(short) 현상이 발생하여 방열효과를 측정할 수 없었다.
또한 실시예 1, 2, 3의 방열효과를 대비하여보면, 실시예 2의 모듈과 같이 백시트의 표면에 세라믹 코팅층, CNT 코팅층 및 Si 코팅층을 형성시킨 모듈이 실시예 1의 모듈과 같이 백시트의 표면에 피막층을 형성시킨 모듈과 실시예 3의 내열도료 코팅층을 형성시킨 모듈에 비해 방열효과가 다소 우수한 것을 알 수 있었다.
그리고 실시예 1 모듈의 경우 양극산화법에 의한 피막층의 두께가 화성피막법에 의한 피막층의 두께보다 1/10 정도 얇음에도 불구하고, 양극산화법에 의해 피막층을 형성시킨 모듈이 화성피막법에 의해 피막층을 형성시킨 모듈보다 방열효과가 더 좋은 것으로 확인되었다. 이와 같은 사실로서 표면의 금속을 산화시킴에 의해서 형성된 산화피막이 일반적인 화성피막으로 이루어진 화합물형 피막에 비하여 방열 효과가 우수하며, 도금법에 의해 형성된 피막층은 양극산화법이나 인산화성피막법에 의해 형성시킨 피막층보다 방열효과가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
그리고 실시예 2 모듈의 경우에는 세라믹 코팅층을 형성시킨 모듈이 CNT 코팅층을 형성시킨 모듈이나 또는 Si 코팅층을 형성시킨 모듈에 비해 방열효과가 더욱 우수함을 알 수 있었다.
4. 태양광 발전용 모듈의 열변형 측정
가열건조기 내에 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1, 2의 태양광 발전용 모듈을 90℃의 온도에서 2시간 유지한 다음 태양광 발전용 모듈의 접합상태를 확인하였다.
상기 건조기의 온도는 사막의 한낮기온이 최고 58~60℃이지만, 태양광 발전용 모듈에 태양열이 가해질 경우 모듈의 가열에 의해 모듈 내의 최고온도가 90℃ 이상 상승하는 것을 고려하여 한정한 값이다.
실시예 1, 2, 3의 태양광 발전용 모듈은 도 5a에 도시된 사진에 나타난 바와 같이 각 층의 접합상태가 양호하지만, 비교예 1, 2의 태양광 발전용 모듈은 도 5b에 도시된 사진에 나타난 바와 같이 EVA 필름층에 변형이 된 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 실시예 1, 2, 3의 태양광 발전용 모듈은 사막과 같이 고온지역에도 적용할 수 있음이 확인되었다.
5. 태양광 발전용 모듈의 방열효과에 따른 발전량의 측정
도 6의 사진에 나타난 바와 같이 200 Watt급 태양광 발전용 모듈의 발전량을 측정하기 위한 설비는 본 출원인이 자체 제작한 설비로서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 이동식 거치대 위에 두 개의 태양광 발전용 모듈을 설치하고, 도 6b에 도시된 바와같이 각각의 태양광모듈에서 발생되는 발전량을 직류전력측정기를 부착하여 발전량을 측정하였다.
본 발명에 따른 실시예 1, 2, 3 및 비교예 2의 태양광 발전용 모듈을 고정식으로 장착하여 2011년 5월 중 방열효과에 따른 일 평균 발전량을 측정한 결과는 아래 [표 2]의 내용과 같다.
| 구분 | 실시예 | 비교예 | ||
| 1 | 2 | 3 | 2 | |
| 고정식 모듈 | 10.25 | 10.78 | 10.45 | 9.45 |
상기 [표 2]에서 확인된 바와 같이 실시예 1, 2, 3의 모듈은 모두 비교예 2의 모듈에 비해 발전량이 높은 것이 확인되었고, 실시예 2의모듈이 실시예 1, 2의 모듈에 비해 발전량이 더욱 높은 것을 알 수 있었다.
상기의 실시예에서 확인되는 바와 같이 비교예 1의 모듈과 같이 절연필름을 사용하지 않은 모듈의 경우에는 백시트(70)와 쏠라 셀(30)의 접촉에 의해 쇼트(short) 현상이 발생하여 태양광 발전이 불가능하였으며, 또한 비교예 2의 모듈은 백시트(70)와 쏠라 셀(30) 사이에 절연필름(50)을 적층시켰지만, 백시트(70)의 표면에 피막층 또는 세라믹 코팅층을 형성시키지 않음에 따라 실시예 1, 2의 모듈에 비해 발전량이 적음이 확인되었다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈을 상기한 설명 및 첨부한 도면에 따라 설명하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
10 : 기판 20 : 상부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름
30 : 쏠라 셀 40 : 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름
50 : 절연필름 60 : 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름
70 : 백시트 71, 72 : 피막층 또는 세라믹 코팅층
30 : 쏠라 셀 40 : 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름
50 : 절연필름 60 : 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름
70 : 백시트 71, 72 : 피막층 또는 세라믹 코팅층
Claims (4)
- 태양광 발전용 모듈에 있어서,
상기 태양광 발전용 모듈은 기판(10), 상부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(20), 쏠라 셀(30), 중간 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(40), 절연필름(50), 하부 폴리비닐부티랄(PVB) 필름(60) 및 백시트(70)의 순으로 적층되는 구조이고,
상기 절연필름(50)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 폴리이미드(PI), 폴리에테르술폰(PES) 중에서 1 종을 선택하여 사용하며,
상기 백시트(70)는 알루미늄, 동, 황동, 강판, 스테인리스 금속 박판 중에서 1 종을 선택하여 사용하되,
상기 백시트(70)는 한쪽 면(72) 또는 양쪽 면(71, 72)의 표면에 피막층 또는 세라믹 코팅층 또는 내열도료 코팅층이 형성되고,
상기 피막층은 양극산화법, 화성피막법 또는 도금법과 같은 통상적인 표면처리법 중에서 한 가지 방법을 선택하여 형성시키고,
상기 세라믹 코팅층은 알루미나, 산화티탄, 지르코니아, 산화금속과 같은 금속 세라믹 소재와 유기실란, 무기실란, 실란커플링제, CNT, 그라핀과 같은 비금속 세라믹 소재 중에서 한 가지 또는 그 이상을 선택하여 형성시키며,
상기 내열도료 코팅층은 실리콘 폴리에스테르도료 또는 내열유기도료를 사용하여 코팅층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈. - 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020110060172A KR101083788B1 (ko) | 2011-06-21 | 2011-06-21 | 절연 특성이 개선된 태양광 발전용 모듈 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110017266A1 (en) * | 2009-07-24 | 2011-01-27 | Farrell James F | Thin film photovoltaic module having a lamination layer for enhanced reflection and photovoltaic output |
-
2011
- 2011-06-21 KR KR1020110060172A patent/KR101083788B1/ko active IP Right Grant
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