KR101456630B1 - 태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈, 특히 건물일체형 태양광발전 모듈의 냉각용 장치에 관한 것으로, 건물 외벽 및 상기 건물 외벽과 미리 정한 길이만큼 이격되어 설치된 태양전지 모듈 사이의 공간에 기류를 발생시키는 송풍기 조립체로서, 상기 송풍기 조립체는 서로 연결된 선형의 공기배출구가 사각형의 개구부를 둘러싸는 형태의 관창(nozzle)부 및 상기 관창부를 통과하는 공기 흐름을 발생시키는 수단과 일 단말이 연결되고 상기 관창과 타 단말이 연결된 공기 흐름관을 포함하고, 상기 관창부는 상기 공기 흐름관과 연결된 내부 통로, 상기 내부 통로로부터 상기 공기 흐름을 받아들여 외부로 방출하는 상기 공기 배출구, 및 상기 공기 배출구에 인접하여 위치하는 코안다 표면(Coanda surface)을 포함하고, 상기 개구부는 상기 공간의 상기 태양전지 모듈과 직교하는 단면이고, 상기 개구부를 둘러싸는 상기 공기 배출구는 상기 공기 흐름을 상기 코안다 표면으로 유도하는 태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체이며, 공기 흐름을 사각형으로 형성된 개구부 주변의 공기 배출구를 통해 빠른 속도로 빠져 나가게 함과 베르누이 효과와 코안다 효과에 의해 개구부를 둘러싼 공기 배출구의 빠른 공기가 흐르는 방향으로 외부 공기가 함께 흘러 들어와 공기 흐름이 증폭되어 냉각효과가 뛰어날 뿐 아니라, 공기 흐름의 동력원을 따로 두지 않고도 빌딩 환풍 장치에 연결하여 에너지를 절감할 수 있다.

Description

태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체 {Fan for solar cell module cooling}
본 발명은 태양전지 모듈, 특히 건물일체형 태양광발전 모듈의 냉각용 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베르누이 원리와 코안다 원리를 이용하여 냉각 효율을 높이고 건물환기용 송풍시설을 활용하여 에너지를 절약할 수 있는 태양전지 모듈 냉각용 송풍기에 관한 것이다.
산업혁명이후 화석연료 사용으로 발생하는 이산화탄소 등 온실가스의 영향으로 지구 온난화 현상이 계속되고 있으며 최근 들어 그 속도가 더욱 빨라진다는 우려가 제기되고 있다. 따라서 화석자원을 대체할 수 있는 태양광, 태양열, 풍력, 조력 발전 등 무공해 청정에너지 자원들에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 태양광은 많이 사용해도 고갈되지 않고, 환경오염이 없으며, 지역에 관계없이 태양광이 도달하는 곳이면 어디서나 사용가능한 자원이라는 장점을 가지므로, 가장 활발하게 연구가 진행되는 자원이다.
태양광을 에너지 자원으로 사용하는 태양광 발전은 반도체 소자인 태양전지의 광기전력 효과를 이용하여 태양광을 전기에너지로 변환하고, 변환된 전기에너지를 사용하는 것으로서, 태양전지 모듈은 태양전지의 가장 기본 소자인 셀(Cell)을 여러 개 연결시켜 1장의 패키지로 만든 제품으로 태양전지판(Solar Panel)이라고도 부른다. 이러한 태양전지판을 건축물의 지붕, 천정의 채광창, 파사드 등의 건물외관 소재로 사용하는 BIPV(Building Integrated PhotoVoltaics)는 태양광 발전으로 생산한 전력을 건물에 공급할 수 있기 때문에 송전 인프라 요구사항이 완화될 뿐 아니라, 송전 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
BIPV 시스템을 효율적으로 건물에 적용하기 위해서는 시스템의 효율에 영향을 주는 요소를 분석하여 시스템 설계 시 이에 대한 고려가 필요하다. PV모듈이 건축 재료로 통합되면서 대두되는 문제 중 하나가 모듈의 온도이다. BIPV시스템은 PV모듈이 건물에 부착되는 형태이어서 태양열과 벽체의 전도열에 의해 일반 PV 시스템에 비해 모듈 온도가 크게 상승하는 단점을 가지고 있다.
태양전지의 변환효율은 태양전지의 최대출력을 발전면적(태양전지 면적)과 규정된 시험조건에서 측정한 입사 조사강도(Incidence Irradiance)의 곱으로 나눈 값을 백분율로 나타낸 것으로, 최대출력은 전류-전압 특성에서 전류와 전압의 곱이 최대인 점에서 태양전지의 출력값이다. 태양전지의 출력은 태양광의 입사 조사강도에 비례하며, 주변 온도와는 반비례하고, 태양전지와 태양과의 입사각도가 90도에서 벗어날수록 줄어든다. 따라서, 온도가 증가하면 태양전지의 출력이 감소하고 변환효율도 감소한다. 일반적으로 모듈온도는 25℃(STC, Standard Test Condition)에서 1℃상승할 때 마다 약 0.5% 정도의 효율을 감소시키는 특성을 가지고 있다.
대한민국 공개특허 제 2013-0007069호는“태양광 발전 시스템의 냉각 및 세정장치”에 관한 것으로, 태양전지 모듈의 냉각을 위하여 태양광 패널 양쪽에 가이드레일을 설치하여 레일을 움직이며 물을 분사하여 패널을 냉각시키는 시스템을 개시한다.
하지만 상기 시스템은 건물일체형 태양광 발전모듈을 건물 측벽에 설치할 경우 적용 가능성이 낮고 분사되는 물이 증발하면서 생기는 오염 등의 문제가 있다. 무엇보다 태양전지의 효율 자체가 높지 않은 상황에서, 효율저하 방지를 위해 냉각수 분사를 위한 전력을 소비하게 되면 효율저하 방지로 상실하지 않은 전력량보다 더 많은 전력을 소비해야 하는 문제가 발생한다. 따라서, 별도의 에너지를 사용하지 않거나 최소한의 에너지만 사용하면서 태양전지 모듈을 냉각하기 위한 장치를 개발할 필요가 있다.
대한민국 공개특허 제 2013-0007069호
본원은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 추가에너지 투입이 없거나 최소화한 상태에서 태양전지 모듈을 냉각하기 위한 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 송풍기 조립체는 공기 흐름의 동력원을 따로 두지 않고도 빌딩 환풍 장치에 연결하여, 공기 흐름을 사각형으로 형성된 개구부 주변의 공기 배출구를 통해 빠른 속도로 빠져 나가게 함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 건물 외벽 및 상기 건물 외벽과 미리 정한 길이만큼 이격되어 설치된 태양전지 모듈 사이의 공간에 기류를 발생시키는 송풍기 조립체로서, 상기 송풍기 조립체는 서로 연결된 선형의 공기배출구가 사각형의 개구부를 둘러싸는 형태의 관창(nozzle)부 및 상기 관창부를 통과하는 공기 흐름을 발생시키는 수단과 일 단말이 연결되고 상기 관창과 타 단말이 연결된 공기 흐름관을 포함하고, 상기 관창부는 상기 공기 흐름관과 연결된 내부 통로, 상기 내부 통로로부터 상기 공기 흐름을 받아들여 외부로 방출하는 상기 공기 배출구, 및 상기 공기 배출구에 인접하여 위치하는 코안다 표면(Coanda surface)을 포함하고, 상기 개구부는 상기 공간의 상기 태양전지 모듈과 직교하는 단면이고, 상기 개구부를 둘러싸는 상기 공기 배출구는 상기 공기 흐름을 상기 코안다 표면으로 유도하는, 태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 공기 흐름관은 건물 환기용 송풍장치와 연결되는 형상을 가지는, 태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 송풍기 조립체는 상기 공기 흐름관에 연결되는, 모터로 구동되는 송풍장치를 더 포함하는, 태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 관창은 상기 내부 통로 및 상기 공기 배출구를 형성하는 하나 이상의 벽면을 포함하고, 상기 하나 이상의 벽면은 상기 공기 배출구를 형성하는 서로 마주보는 면을 포함하는, 태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 태양전지 모듈은 건물일체형 태양광발전 모듈인, 태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체를 제공한다.
본 발명의 송풍기 조립체는 공기 흐름을 사각형으로 형성된 개구부 주변의 공기 배출구를 통해 빠른 속도로 빠져 나가게 함과 동시에 공기 배출구와 인접한 위치에 코안다 표면을 형성함으로써, 베르누이 효과와 코안다 효과에 의해 개구부를 둘러싼 공기 배출구의 빠른 공기가 흐르는 방향으로 외부 공기가 함께 흘러 들어와 공기 흐름이 증폭되어 냉각효과가 뛰어날 뿐 아니라, 공기 흐름의 동력원을 따로 두지 않고도 빌딩 환풍 장치에 연결하여 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 송풍기 조립체 중 관창부의 정면도이다.
도 2는 송풍기 조립체 중 관창부의 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A’를 따라 절단한 송풍기 조립체의 부분 단면도이다.
도 4는 도 2의 B부분의 부분 측단면도이다.
도 5는 건물 외벽에 태양전지 모듈과 송풍기 조립체를 장착하였을 때의 개요도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
여기서, 본원의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 건물 외벽 및 상기 건물 외벽과 미리 정한 길이만큼 이격되어 설치된 태양전지 모듈 사이의 공간에 기류를 발생시키는 송풍기 조립체로서, 도 1과 2에 나타낸 바와 같이, 상기 송풍기 조립체는 서로 연결된 선형의 공기배출구(4)가 사각형의 개구부를 둘러싸는 형태의 관창(nozzle)부(2) 및 상기 관창부(1)를 통과하는 공기 흐름을 발생시키는 수단과 일 단말이 연결되고 상기 관창과 타 단말이 연결된 공기 흐름관을 포함하며, 본 발명의 일 구현예에서 상기 공기 흐름관은 건물 환기용 송풍장치와 연결되는 형상을 가진다. 도 3과 도4를 참조하면 상기 관창부는 상기 공기 흐름관과 연결된 내부 통로(5), 상기 내부 통로(5)로부터 상기 공기 흐름을 받아들여 외부로 방출하는 상기 공기 배출구(4), 및 상기 공기 배출구(4)에 인접하여 위치하는 코안다 표면(Coanda surface)(3)을 포함하고, 상기 개구부(2)를 둘러싸는 상기 공기 배출구(4)는 상기 공기 흐름을 상기 코안다 표면(3)으로 유도한다. 코안다 표면(3)은 상기 공기 배출구(4)에서 나와 코안다 표면(3)으로 유도된 일차 공기 흐름이 코안다 효과와 베르누이 원리에 의해 증폭되도록 구성된다.
본 발명에서 코안다 효과란, 유체가 만곡부의 표면을 흐를 때 그 표면에 흡착되는 경향(효과)을 나타내는데, 예를 들어 설명하면, 수도꼭지에서 물이 나오게 하고 흐르는 수돗물에 유리막대를 가까이 대면 수돗물이 유리막대 주위로 흐르면서 유리막대가 수돗물 방향으로 움직이는 것을 느끼게 된다. 이와 같이, 유동이 곡면을 따라서 흐르는 현상을 코안다 효과(coanda effect)라 부르며, 이는 유체의 점성에 의한 것이다. 점성은 쉽게 말하면 끈적끈적한 성질을 나타내는 것으로서, 물의 점성 때문에 수돗물이 유리주위를 따라서 흐르게 된다. 유리막대 때문에 물이 왼쪽으로 방향이 바뀌었다고 할 때, 수직으로 흐르던 수돗물에 오른쪽에서 왼쪽방향으로 작용하는 힘이 수돗물에 작용하였으며(뉴턴의 제 1법칙), 유리막대는 수돗물에 작용하는 힘과 크기는 같고 방향이 반대인 힘(뉴턴의 제 3법칙)이 작용하여 유리막대는 왼쪽에서 오른쪽으로 힘이 작용하는 것을 유리막대를 잡고 있는 손을 통하여 느낄 수 있다.
또한, 본 발명에서 베르누이 원리는 흐르는 유체가 단면적이 큰 곳과 작은 곳을 흐를 때, 단면적이 큰 곳은 유체의 흐름이 느리고 압력은 높으며, 단면적이 작은 곳은 유체의 흐름이 빠르고 압력은 낮으며, 이와 같이 속도와 압력이 일정한 관계를 갖는 원리이다. 베르누이 방정식을 들어 상세히 설명하면,
Figure 112013093578673-pat00001
Figure 112013093578673-pat00002
여기서
Figure 112013093578673-pat00003
은 동압력(dynamic pressure)이라 부른다. 베르누이 방정식을 실제로 쓸 때, 유선상의 유동에서
Figure 112013093578673-pat00004
는 유체의 밀도이며 압축하지 않았다는 것을 가정으로 한 것이고,
Figure 112013093578673-pat00005
는 중력가속도, 같은 높이의 유체인 경우 높이
Figure 112013093578673-pat00006
도 일정하므로
Figure 112013093578673-pat00007
는 고려하지 않아도 될 만큼 작거나 0인 경우가 많다. 그러면 다음의 형태로 식이 변형 되는데,
Figure 112013093578673-pat00008
여기서
Figure 112013093578673-pat00009
는 전압력(total pressure)이라 부르며,
Figure 112013093578673-pat00010
는 전압력 및 동압력과 구별하기 위하여 정압력(static pressure)이라 부르는 경우가 많다. 또한, 보통 그냥 "압력"이라 하면 정압력을 지칭하는 경우가 많다. 따라서 단순화된 베르누이 방정식은 다음과 같이 요약될 수 있다.
정압력 + 동압력 = 전압력
즉, 베르누이 방정식은 "유선 상에서의 전압력은 일정하다"는 말로 해석될 수 있다. 또한 만약 그 유동이 한 곳에서 출발하였다면, "그 유동 내의 모든 점에서의 전압력은 일정하다"고 할 수 있으며, 이는 속력과 압력은 반비례한다는 것을 알 수 있다.
상기 공기 배출구(4)에서 나온 일차 공기 흐름이 코안다 효과에 의해 코안다 표면(3)에 흡착되어 표면을 따라 흐르며 관창부(1)에서 베르누이 원리로 인해 공기 흐름이 증폭된다. 이차 공기 흐름이 관창부(1)의 외부 에지 주위에서 공기의 유입에 의해 발생되며, 상기 이차 공기 흐름은 개구부(2)를 통과하여 흐르고, 개구부(2)에서 이차 공기 흐름은 일차 공기 흐름과 결합하여 송풍기 조립체 전면으로 방출되며 태양전지 모듈(6)의 후면을 냉각한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 관창은 상기 내부 통로(5) 및 상기 공기 배출구(4)를 형성하는 하나 이상의 벽면을 포함하고, 상기 하나 이상의 벽면은 상기 공기 배출구(4)를 형성하는 서로 마주보는 면을 포함한다. 또한, 상기 관창부(1)는 공기 배출구(4)가 있는 하단이 상단보다 두텁고 공기 배출구(4)가 관창부(1)의 하단에 선형으로 배치되어 있으며, 도 5에 나타낸 바와 같이 건물 외벽(7) 및 상기 건물 외벽(7)과 미리 정한 길이만큼 이격되어 설치된 태양전지 모듈(6) 사이의 공간의 태양전지 모듈(6)과 직교하는 단면에 위치하며, 상기 태양전지 모듈(6)은 건물일체형 태양광 발전 모듈이다.
본 발명에서 건물일체형 태양광 발전 모듈은 건물일체형 태양광 발전시스템(Building Integrated Photovoltaic System, BIPV System)에 활용되는데, 여기서 BIPV 시스템이란 건물의 지붕 및 입면에 외벽마감재 대신 PV모듈로 건축물 외피 마감 재료를 대체하는 시스템이다. BIPV 시스템은 태양광에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 것 외에 건축물의 외장재로 사용하여 건설비용을 줄이고 건물의 가치를 높이는 디자인요소로도 쓰인다.
본 발명의 또 다른 양태에서 상기 태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체는 상기 공기 흐름관에 연결되는, 모터로 구동되는 송풍장치를 더 포함한다. 모터가 가동이 되면 건물 환기용 송풍장치와 연결될 수 있는 형상을 가진 상기 공기 흐름관으로부터 공기가 송풍기 조립체내로 흡입된다. 공기는 내부 통로(5)를 통과하여 서로 반대 방향으로 나아가는 두개의 공기 흐름으로 나눠진다. 공기 흐름은 공기 배출구(4)에 들어갈 때 수축되고, 상기 공기 배출구(4)의 출구에서 또한 수축된다. 공기 흐름은 일차 공기 흐름으로서 상기 공기 배출구(4)를 통하여 빠져나온다. 일차 공기 흐름의 방출은 공기 흐름관에서 저압 영역이 생기게 하여, 송풍기 조립체 내로 추가적인 공기가 흡입되는 효과를 가져 온다. 상기 모터의 작동으로 많은 양의 공기 흐름이 관창부(1)를 통하여 방출된다. 상기 공기 배출구(4)에서 나온 일차 공기 흐름이 코안다 효과에 의해 코안다 표면(3)에 흡착되어 표면을 따라 흐르며 비행기 날개 형태인 관창부(1)에서 베르누이 효과로 인해 공기 흐름이 증폭된다. 이차 공기 흐름이 관창부(1)의 외부 에지 주위에서 공기의 유입에 의해 발생되며, 상기 이차 공기 흐름은 개구부(2)를 통과하여 흐르고, 개구부(2)에서 이차 공기 흐름은 일차 공기 흐름과 결합하여 송풍기 조립체 전면으로 방출되며 태양전지 모듈(6)의 후면을 냉각한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 관창은 상기 내부 통로(5) 및 상기 공기 배출구(4)를 형성하는 하나 이상의 벽면을 포함하고, 상기 하나 이상의 벽면은 상기 공기 배출구(4)를 형성하는 서로 마주보는 면을 포함한다. 또한, 상기 관창부(1)는 공기 배출구(4)가 있는 하단이 상단보다 두텁고 공기 배출구(4)가 관창부(1)의 하단에 선형으로 배치되어 있으며, 도 5에 나타낸 바와 같이 건물 외벽(7) 및 상기 건물 외벽(7)과 미리 정한 길이만큼 이격되어 설치된 태양전지 모듈(6) 사이의 공간의 태양전지 모듈(6)과 직교하는 단면에 위치하며, 상기 태양전지 모듈(6)은 건물일체형 태양광 발전 모듈이다.
상기 송풍기 조립체가 장착된 태양전지 모듈(6)은 빌딩에 설치할 시 복수 개를 적층 가능하고 공기의 흡입을 위한 최하층부와 공기의 배기를 위한 최상층부는 위아래로 뚫려있으며, 태양전지 모듈(6)과 건물 외벽(7) 사이의 공기는 상기 송풍기 조립체에 의하여 적층된 태양전지 모듈의 최하단에서 흡입되어 모듈을 냉각시킨 후 적층된 태양전지 모듈의 최상단으로 배출된다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
1. 관창(nozzle)부
2. 개구부
3. 코안다 표면
4. 공기 배출구
5. 내부 통로
6. 태양전지 모듈
7. 건물 외벽

Claims (5)

  1. 건물 외벽 및 상기 건물 외벽과 미리 정한 길이만큼 이격되어 설치된 태양전지 모듈 사이의 공간에 기류를 발생시키는 송풍기 조립체로서,
    상기 송풍기 조립체는 서로 연결된 선형의 공기배출구가 사각형의 개구부를 둘러싸는 형태의 관창(nozzle)부 및 상기 관창부를 통과하는 공기 흐름을 발생시키는 수단과 일 단말이 연결되고 상기 관창과 타 단말이 연결된 공기 흐름관을 포함하고,
    상기 관창부는 상기 공기 흐름관과 연결된 내부 통로, 상기 내부 통로로부터 상기 공기 흐름을 받아들여 외부로 방출하는 상기 공기 배출구, 및 상기 공기 배출구에 인접하여 위치하는 코안다 표면(Coanda surface)을 포함하고,
    상기 개구부는 상기 공간의 상기 태양전지 모듈과 직교하는 단면이고, 상기 개구부를 둘러싸는 상기 공기 배출구는 상기 공기 흐름을 상기 코안다 표면으로 유도하는,
    태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공기 흐름관은 건물 환기용 송풍장치와 연결되는 형상을 가지는,
    태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 송풍기 조립체는 상기 공기 흐름관에 연결되는, 모터로 구동되는 송풍장치를 더 포함하는,
    태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 관창은 상기 내부 통로 및 상기 공기 배출구를 형성하는 하나 이상의 벽면을 포함하고, 상기 하나 이상의 벽면은 상기 공기 배출구를 형성하는 서로 마주보는 면을 포함하는,
    태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈은 건물일체형 태양광발전 모듈인,
    태양전지 모듈 냉각용 송풍기 조립체.

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001271793A (ja) * 2000-03-27 2001-10-05 Sanyo Electric Co Ltd 冷却ファン
JP4602248B2 (ja) * 2003-02-03 2010-12-22 株式会社キャップ 高温ガス送風用ファン

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