KR101380267B1 - 태양광 발전장치용 냉각시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 발전장치용 냉각시스템에 관한 것으로서, 지면을 지지하는 프레임(10)에 비스듬하게 설치되는 태양광모듈(20)의 배면으로 물안개를 분무하는 분무부(30)와; 분무부(30)와 연결된 호스(45)로 물을 고압으로 압송하는 펌프(50)와; 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)를 측정하여 대응되는 측정온도신호를 발생하는 온도측정부(60)와; 온도측정부(60)에서 측정된 태양광모듈(20)의 현재 온도에 연동하여 펌프(50)를 작동시키기 위한 작동신호(S)를 발생하는 작동신호발생부(80);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 발전장치용 냉각시스템{COOLING SYSTEM FOR PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION APPARATUS}
본 발명은 태양광 발전장치용 냉각시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광모듈을 효과적으로 냉각시켜 발전효율을 극대화시킬 수 있는 태양광 발전장치용 냉각시스템에 관한 것이다.
태양광발전은, 태양광을 전기에너지로 직접 변환시키는 발전방식으로, 화석연료의 고갈과 화석 연료의 연소시 발생하는 오염 물질로 인하여 새로운 에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 태양광 발전장치는, 다수의 전지셀로 이루어진 태양광모듈이 직렬 또는 병렬로 연결됨으로써 구현된다.
그런데 태양광모듈은, 온도 상승시 발전효율이 저하되는데, 통상적으로 1℃ 상승 시 약 0.5%의 발전효율이 저하된다. 따라서 태양광모듈의 발전량은 태양광 집광량이 최대인 여름보다 봄, 가을에 최고치를 갖는다. 즉, 여름에는 일사량이 많아 태양광 모듈이 과열되므로 최대치 대비 20~30%의 발전효율이 저하되기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술이 특허공개번호 10-2011-00253610호(태양광 발전설비의 효율향상장치)에 개시되어 있다.
도 1은 종래 태양광 발전장치용 냉각장치를 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와 같이, 종래 태양광 발전장치의 냉각장치는, 태양광모듈(1)의 상단에 설치되는 물을 분사하는 분사수단(2)과, 태양광 모듈(1)의 하단에 설치되며 태양광 모듈(1)의 표면유리를 따라 흐르는 용수를 집수할 수 있도록 상부가 개방되는 물받이(3)와, 물받이(3)에서 집수된 용수를 여과하는 여과부(4)와, 여과부(3)에서 여과된 용수를 저장하는 저수조(5)와, 저수조(5)에 저장된 물을 분사수단(2)으로 압송하는 펌프(6)를 포함하여 이루어진다. 이러한 구성에 의하여, 분사수단(2)에서 분사되는 물은 태양광모듈(1)의 표면을 따라 흐르면서 태양광모듈(1)을 냉각시키고, 이후 물받이(3)는 태양광모듈(1)에서 흐르는 물을 집수한 후 여과부(4)를 거쳐 저수조(5)로 보낸다. 그리고 펌프(6)는 저수조(5)에 저수된 물을 분사수단(2)으로 압송하여 상기한 동작을 반복하게 된다.
그런데 상기한 냉각장치의 경우, 태양광모듈(1)의 표면 전체로 물을 흐르게 하기 위하여 많은 양의 물이 필요하였으며, 이를 위하여 많은 물을 공급하기 위한 복잡한 배관구조가 요구되었다.
또한 태양광모듈(1)의 표면으로 물을 흘려 냉각시키기 때문에, 공기중의 이물질이 물에 의하여 태양광모듈(1)의 표면에 들어붙게 되어 결과적으로 집속되는 태양광량을 감소시키고, 이에 따라 발전효율이 저하된다라는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 태양광모듈을 냉각시키는데 소모되는 물의 양을 최소화할 수 있고, 물받이나 물을 공급하기 위한 복잡한 배관구조를 채용하지 않음으로써 설치비를 줄일 수 있는 태양광 발전장치용 냉각시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 태양광모듈의 배면을 냉각시킴으로써, 태양광모듈 전면 표면에 이물질이 늘어붙는 것을 근본적으로 방지할 수 있는 태양광 발전장치용 냉각시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양광 발전장치용 냉각시스템은, 지면을 지지하는 프레임(10)에 비스듬하게 설치되는 태양광모듈(20)에 적용되는 것으로서, 상기 태양광모듈(20)의 배면으로 물안개를 분무하는 분무부(30); 상기 분무부(30)와 연결된 호스(45)로 물을 고압으로 압송하는 펌프(50); 상기 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)를 측정하여 대응되는 측정온도신호를 발생하는 온도측정부(60); 및 상기 온도측정부(60)에서 측정된 태양광모듈(20)의 현재 온도에 연동하여 상기 펌프(50)를 작동시키기 위한 작동신호(S)를 발생하는 작동신호발생부(80);를 포함하고;
상기 분무부(30)는, 상기 호스(45)와 연통되는 노즐본체(31)와, 상기 노즐본체(31)에 설치되며 상기 노즐본체(31)의 중공(31a)을 통하여 공급되는 물을 나선방향으로 회전시키기 위하여 전면에 나선형의 그루브(32a)가 형성된 와류발생부(32)와, 상기 와류발생부(32)를 감싸며 상기 노즐본체(31)와 결합되는 캡(33)과, 상기 캡(33)에 형성된 노즐(34)을 포함하는 것;을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 태양광모듈(20)에서 생산되는 현재 전력량(P1)을 측정하여 대응되는 측정전력신호를 발생하는 전력측정부(70)를 더 포함하고; 상기 작동신호발생부(80)는 상기 온도측정부(60)에서 측정된 태양광모듈(20)의 현재 온도와. 상기 전력측정부(70)에서 측정된 현재 전력량에 연동하여 상기 펌프(50)를 작동시키기 위한 작동신호(S)를 발생한다.
본 발명에 있어서, 상기 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)가 기준온도(T0) 보다 높은 상태에서, 상기 태양광모듈(20)에서 생산되는 전력량(P1)이 기준전력량(P0) 보다 작을 경우, 상기 작동신호발생부(80)는 상기 작동신호(S)를 발생한다.
본 발명에 있어서, 상기 분무부(30)에서 분무되는 물안개를 상기 태양광모듈(20)의 배면 전체로 확산 이송하기 위한 확산이송부(40)를 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 프레임(10)은 상기 확산이송부(40)를 상기 태양광모듈(20)의 후방측에서 지지하기 위한 서브프레임(15)이 설치되고, 상기 서브프레임(15)에는 상기 확산이송부(40)를 회전 가능하게 지지하기 위한 힌지지지단(16)이 설치된다.
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본 발명에 따르면, 태양광모듈을 냉각시키는데 소모되는 물의 양을 최소화할 수 있고, 물받이나 물을 공급하기 위한 복잡한 배관구조를 채용하지 않음으로써 설치비를 줄일 수 있다.
또한 양광모듈의 배면을 냉각시킴으로써, 태양광모듈 전면 표면에 이물질이 늘어붙는 것을 근본적으로 방지할 수 있으며, 이에 따라 이물질에 의하여 태양광 집속량이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 태양광 발전장치용 냉각장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전장치용 냉각시스템을 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 2의 태양광모듈의 배면으로 물안개를 분무하는 분무부 및 확산이송부의 설치관계를 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 2의 태양광 발전장치용 냉각시스템의 구성을 블록도로 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 3의 분무부를 발췌하여 도시한 단면도,
도 6은 도 4의 전력측정부의 구성을 블록도로 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명에 따른 태양광 발전장치용 냉각시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전장치용 냉각시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2의 태양광모듈의 배면으로 물안개를 분무하는 분무부 및 확산이송부의 설치관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 2의 태양광 발전장치용 냉각시스템의 구성을 블록도로 설명하기 위한 도면이다. 또 도 5는 도 3의 분무부를 발췌하여 도시한 단면도이고, 도 6은 도 4의 전력측정부의 구성을 블록도로 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 발전장치용 냉각시스템은, 지면을 지지하는 프레임(10)에 비스듬하게 설치되는 태양광모듈(20)에 적용되는 것으로서, 태양광모듈(20)의 배면으로 물안개를 분무하는 분무부(30)와; 분무부(30)에서 분무되는 물안개를 태양광모듈(20) 배면 전체로 확산 이송하기 위한 확산이송부(40)와; 분무부(30)와 연결된 호스(45)로 물을 고압으로 압송하는 펌프(50)와; 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)를 측정하여 대응되는 측정온도신호를 발생하는 온도측정부(60)와; 태양광모듈(20)에서 생산되는 현재 전력량(P1)을 측정하여 대응되는 측정전력신호를 발생하는 전력측정부(70); 온도측정부(60)에서 측정된 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)와. 전력측정부(70)에서 측정된 현재 전력량(P1)에 연동하여 펌프(50) 및/또는 확산이송부(40)를 작동시키기 위한 작동신호(S)를 발생하는 작동신호발생부(80)와; 펌프(40)로 공급되는 물이 저장된 저장탱크(90)와; 상기한 태양광모듈(20), 펌프(50), 온도측정부(60), 전력측정부(70), 작동신호발생부(80)와 유기적으로 연결된 제어부(C);를 포함한다.
상기한 태양광모듈(20), 분무부(30), 확산이송부(40) 등은 태양광발전 용량에 따라 다수개를 채용할 수 있으며, 본 실시예에서는 용이한 설명을 위하여 한개의 태양광모듈(20) 및 관련된 분무부(30), 확산이송부(40)를 예로 들어 설명한다.
프레임(10)은 태양광모듈(20)을 비스듬하게 지지하며, 상기한 확산이송부(40)를 지지한다. 이때 프레임(10)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 확산이송부(40)를 태양광모듈(20)의 후방측에서 지지하기 위한 서브프레임(15)이 설치되고, 서브프레임(15)에는 확산이송부(40)를 회전 가능하게 지지하기 위한 힌지지지단(16)이 설치되어 있다. 이러한 힌지지지단(16)에 의하여 태양광모듈(20)의 후방에서 배면을 향하는 확산이송부(40)의 경사각도를 가변할 수 있으며, 태양광모듈(20)의 경사각도에 따라 확산이송부(40)의 경사각도를 가변할 수 있는 것이다. 이에 따라 계절이나 위치에 따라 태양광모듈(20)의 경사각도를 다르게 설치하더라도, 힌지지지단(16)에 의하여 확산이송부(50)의 각도를 가변할 수 있으므로 물안개를 태양광모듈(20)의 배면 전체로 분무할 수 있다.
태양광모듈(20)은 다수개의 전지셀로 이루어진 태양전지패널을 테두리프레임이 지지함으로써 구현된다. 이러한 다수의 태양광모듈(20)에서 생산되는 전력은 접속단자함(미도시)으로 집속된다.
분무부(30)는 태양광모듈(20)의 후방측에 설치되어 그 태양광모듈(20)의 배면으로 호스(45)를 통하여 유입되는 물을 물안개 상태로 분무한다. 이러한 분무부(30)는 도 5에 도시된 바와 같이 호스(45)와 연통되는 노즐본체(31)와, 노즐본체(31)에 설치되며 노즐본체(31)의 중공(31a)을 통하여 공급되는 물을 나선방향으로 회전시키기 위하여 전면에 나선형의 그루브(32a)가 형성된 와류발생부(32)와, 와류발생부(32)를 감싸며 노즐본체(31)와 결합되는 캡(33)과, 캡(33)에 형성된 노즐(34)을 포함한다. 이러한 구조에 의하여 노즐본체(31)를 통하여 공급되는 물은 와류발생부(32)에서 와류된 후 노즐(34)을 통하여 강하게 분사됨으로써, 물안개 형태로 분무된다. 이러한 분무부(30)는 확산이송부(40)에 설치되는 것이 바람직하다.
확산이송부(40)는, 분무부(30)에서 분무되는 물안개를 태양광모듈 전체면으로 확산시켜 도달하게 하기 위한 것이다.
분무부(30)에서 분무되는 물안개는 무게를 가지기 때문에 분무된 후 낙하한다. 따라서 분무부(30)를 태양광모듈(20)의 배면측을 향하게 설치하더라고. 물안개는 태양광모듈(20) 배면의 일부분에만 분무되어 태양광모듈의 일부분만을 냉각시키게 된다. 즉 분무부(30)에서 분무되는 물안개는 태양광모듈(20)의 배면 일부에만 도달하여 일부분만 냉각시킬 수 있는 것이며, 이에 따라 온도상승에 의한 발전효율이 나빠지는 것을 방지하기가 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 분무부(30)에서 분무되는 물안개에 운동에너지를 인가함으로써 물안개가 태양광모듈(20)의 배면 전체에 도달하게 하기 위한 확산이송부(40)를 채용하는 것이다. 이러한 확산이송부(40)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 모터가 내장된 것으로서 서브프레임(15)의 힌지지지단(16)에 회전 가능하게 지지되는 몸체(41)와, 몸체(41)에 설치되는 팬(42)으로 구성된다. 확산이송부(40)에 있어 팬(42)은 태양광모듈(20) 측으로 공기흐름을 발생하여 물안개에 확산시켜 이송시킨다.
펌프(50)는 고압의 물을 호스(45)를 통하여 분무부(30)로 공급하기 위한 것이다.
온도측정부(60)는, 태양광모듈(20)의 특정 부분, 예를 들면 태양전지패널에 설치되어 태양전지패널의 현재 온도(T1)를 측정하여 대응되는 측정온도신호를 발생한다.
전력측정부(70)는, 태양광모듈(20)의 접속단자함(미도시)을 통하여 입력되는 현재의 전력량(P1)을 측정하여 대응되는 측정전력신호를 발생한다. 이러한 전력측정부(70)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 전압검지부(71)와, 전류검지부(72)와, 아날로그/디지털 변환부(73)와, 디지털필터(74)를 포함하여 구현된다.
전압검지부(71)는, 태양광모듈(20)에서 출력되는 전압을 검지하되 태양광모듈의 +와 - 단자의 출력 전압을 후술할 아날로그/디지털 변환부(73)에 인가할 수 있는 전압으로 분압하여 출력함으로써 정밀한 전압 측정이 이루어질 수 있도록 한다. 전류검지부(72)는, 태양광모듈(20)에서 출력되는 전류를 검지하는 것으로서, 공지의 자계회로와 홀센서로 구성된다. 아날로그/디지털 변환부(73)는 측정된 전압 및 전류값을 아날로그신호에서 디지털신호로 변환하여 출력한다. 디지털필터(74)는, 아날로그/디지털 변환부(73)에 의해 변환된 디지털신호로부터 노이즈를 제거하여 원하는 디지털값을 추출한다. 이렇게 추출된 디지털값은 전력신호가 된다.
상기한 전력측정부(70)는 태양광모듈(20)의 온도변화에 따라 그 태양광모듈(20)에서 생산되는 전력의 변화량을 측정한다.
작동신호발생부(80)는, 온도측정부(60)에서 측정된 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)와. 전력측정부(70)에서 측정된 현재 전력량(P1)에 연동하여 펌프(50) 및/또는 확산이송부(40)를 작동시키기 위한 것이다.
이러한 작동신호발생부(80)의 작동관계를 표로 표시하면 다음과 같다.

현재 온도(T1) 현재 전력량(P1) 작동신호(S)
 비고
기준 온도(T0) 기준 전력량(P0)
야간 T1 < T0 P1 < P0 × -
주간
 T1 > T0 P1 < P0 × -
T1 > T0 P1 > P0 ○ 확산이송부(40) 및 펌프 작동
T1 ; 태양광모듈(20)의 현재 온도
T0 ; 발전효율이 본격적으로 감소하기 시작하는 태양광모듈(20)의 기준온도
P1 ; 태양광모듈(20)에서 생산되는 현재 전력량
P0 ; 태양광모듈(20)이 기준온도 이하에서 생산할 수 있는 기준 전력량
펌프(50) 및 확산이송부(40)를 작동시키기 위한 작동신호(S)는 현재 온도(T1)와 현재 전력량(P1)에 연동되어 발생되며, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
(1) 야간에 태양광모듈(20)에서 전력이 생산되지 않을 경우, 작동신호발생부(80)는 작동신호(S)를 발생하지 않는다. 즉 야간에는 태양광모듈(20)에서 전력이 생산되지 않는 것이 정상이다.
(2) 주간에 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)가 기준온도(T0) 보다 작은 상태에서 태양광모듈(20)에서 생산되는 전력량(P1)이 기준전력량(P0) 보다 작을 경우, 작동신호발생부(80)는 작동신호를 발생하지 않는다. 이 경우, 태양광모듈(20)의 전력생산량이 작은 이유는 온도와는 무관하기 때문에, 확산이송부(40) 및 펌프(50)를 작동시킬 필요가 없다.
(3) 주간에 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)가 기준온도(T0) 보다 높은 상태에서, 태양광모듈(20)에서 생산되는 전력량(P1)이 기준 전력량(P0) 보다 작을 경우, 작동신호발생부(80)는 작동신호를 발생한다. 이 경우, 태양광모듈(20)의 전력생산량이 작은 이유가 태양광모듈(20)의 온도와 연관이 있다라는 것이기 때문에, 확산이송부(40) 및 펌프(50)를 작동시켜 태양광모듈(20)을 냉각시킨다. 즉 확산이송부(40) 및 펌프(50)를 작동시키기 위한 작동신호는, 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)가 기준온도(T0) 보다 높아지고, 생산되는 현재 전력량(P1)이 기준 전력량(P0) 보다 작을 때 발생되는 것이다.
저장탱크(90)는, 분무부(30)로 공급하기 위한 물이 저장되는 곳이다. 통상 태양광발전장치는 외지에 설치되는 경우가 빈번하므로, 상수도관을 태양광발전장치 근처까지 연장하기가 어려울 수 있다. 이 경우, 별도의 저장탱크(90)를 두어 분무부(30)로 물을 공급한다. 이때 저장탱크(90)는 지하 10m 이상 깊이에 묻어 외부 온도의 영향에도 항상 20℃ 이하를 유지하게 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 물을 물안개형태로 분무하는 분무부(30)와, 물안개를 태양광모듈(20) 배면으로 확산시켜 이송시키는 확산이송부(40)를 채용함으로써, 태양광모듈(20) 전체를 냉각시킬 수 있어 냉각효율을 극대화할 있고, 이 과정에서 소모되는 물의 양을 최소화할 수 있어 물사용량을 최소화할 수 있다. 특히, 소모되는 물의 양이 많이 작지 않아 내직경이 작고 가요성 재질을 가지는 호스(45)를 이용할 수 있어, 복잡한 배관구조를 채용하지 않아도 되며, 이에 따라 설치비를 줄일 수 있다.
또한 물안개가 태양광모듈(20)의 배면으로 분무됨으로서 태양광모듈(20) 전면 표면에 이물질이 늘어붙는 것을 근본적으로 방지할 수 있으며, 이에 따라 이물질에 의하여 태양광 집속량이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10 ... 프레임 15 ... 서브프레임
16 ... 힌지지지단 20 ... 태양광모듈
30 ... 분무부 31 ... 노즐본체
32 ... 와류발생부 33 ... 캡
34 ... 노즐 40 ... 확산이송부
45 ... 호스 50 ... 펌프
60 ... 온도측정부 70 ... 전력측정부
71 ... 전압검지부 72 ... 전류검지부
73 ... 아날로그/디지털 변환부 74 ... 디지털필터
80 ... 작동신호발생부 90 ... 저장탱크

Claims (6)

  1. 지면을 지지하는 프레임(10)에 비스듬하게 설치되는 태양광모듈(20)에 적용되는 것으로서,
    상기 태양광모듈(20)의 배면으로 물안개를 분무하는 분무부(30);
    상기 분무부(30)와 연결된 호스(45)로 물을 고압으로 압송하는 펌프(50);
    상기 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)를 측정하여 대응되는 측정온도신호를 발생하는 온도측정부(60); 및
    상기 온도측정부(60)에서 측정된 태양광모듈(20)의 현재 온도에 연동하여 상기 펌프(50)를 작동시키기 위한 작동신호(S)를 발생하는 작동신호발생부(80);를 포함하고;
    상기 분무부(30)는, 상기 호스(45)와 연통되는 노즐본체(31)와, 상기 노즐본체(31)에 설치되며 상기 노즐본체(31)의 중공(31a)을 통하여 공급되는 물을 나선방향으로 회전시키기 위하여 전면에 나선형의 그루브(32a)가 형성된 와류발생부(32)와, 상기 와류발생부(32)를 감싸며 상기 노즐본체(31)와 결합되는 캡(33)과, 상기 캡(33)에 형성된 노즐(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치용 냉각시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양광모듈(20)에서 생산되는 현재 전력량(P1)을 측정하여 대응되는 측정전력신호를 발생하는 전력측정부(70)를 더 포함하고;
    상기 작동신호발생부(80)는 상기 온도측정부(60)에서 측정된 태양광모듈(20)의 현재 온도와. 상기 전력측정부(70)에서 측정된 현재 전력량에 연동하여 상기 펌프(50)를 작동시키기 위한 작동신호(S)를 발생하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치용 냉각시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 태양광모듈(20)의 현재 온도(T1)가 기준온도(T0) 보다 높은 상태에서, 상기 태양광모듈(20)에서 생산되는 전력량(P1)이 기준전력량(P0) 보다 작을 경우, 상기 작동신호발생부(80)는 상기 작동신호(S)를 발생하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치용 냉각시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분무부(30)에서 분무되는 물안개를 상기 태양광모듈(20)의 배면 전체로 확산 이송하기 위한 확산이송부(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치용 냉각시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프레임(10)은 상기 확산이송부(40)를 상기 태양광모듈(20)의 후방측에서 지지하기 위한 서브프레임(15)이 설치되고,
    상기 서브프레임(15)에는 상기 확산이송부(40)를 회전 가능하게 지지하기 위한 힌지지지단(16)이 설치된 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치용 냉각시스템.
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