KR101522044B1 - 태양전지 유니트 - Google Patents

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요시아키 히로세
데츠야 유키
유키노리 미사키
히토미 고미야
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토요 탄소 가부시키가이샤
도쿠리츠교세이호징 고쿠리츠코토센몬갓코키코
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Abstract

열 전달 경로 내에 열 전도율이 낮은 공기의 층이 존재하는 것을 억제함으로써 태양전지 모듈의 열을 충분히 방열하여 태양전지 모듈의 온도 상승을 억제하고, 이 결과 에너지 변환 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있는 태양전지 유니트를 제공하는 것을 목적으로 한다. 태양전지 모듈 (2)과, 이 태양전지 모듈 (2)의 이면에 설치되고 태양전지 모듈 (2)의 방열을 담당하는 방열 부재 (4)를 갖춘 태양전지 유니트이며, 상기 태양전지 모듈 (2)과 방열 부재 (4) 사이에 팽창 흑연을 포함하는 열 전달 시트 (3)를 개재시키고, 또한 이 열 전달 시트 (3)는 태양전지 모듈 (2) 및 상기 방열 부재 (4)에 가압 상태로 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 유니트{SOLAR CELL UNIT}
본 발명은 태양광에 의해 발전하는 태양전지 모듈을 갖춘 태양전지 패널에 관한 것이고, 특히 에너지 변환 효율의 향상을 도모할 수 있는 태양전지 유니트에 관한 것이다.
태양전지 모듈은 일사량에 따라 발전 전력이 증대하지만, 태양전지 모듈 자체의 온도가 상승하면 온도 상승에 비례하여 에너지 변환 효율이 저하한다. 이 때문에 여름철의 일사량이 가장 많은 계절에 태양전지 모듈 자체의 온도 상승에 기인하여 최대 전력을 얻을 수 없다고 하는 문제가 있었다. 이러한 것을 고려하여 이하에 나타내는 태양전지 유니트가 제안되고 있다.
(1) 복수의 태양전지 셀을 유리 기판 상에 전면에 깐 일체화 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈을 유지하는 틀 모양의 홀더와, 알루미늄으로 이루어지고 태양전지 모듈의 이면에 첩착(貼着)된 복수의 냉각핀으로 구성되고, 상기 홀더에는 상기 냉각핀에 통풍할 수 있도록 복수의 통풍구가 각각 형성되어 있는 제안(하기 특허 문헌 1 참조).
(2) 태양전지 모듈과, 알루미늄 합금으로 이루어지고 상기 태양전지 모듈을 유지하는 홀더로 구성되고, 상기 홀더에는 상기 태양전지 모듈을 냉각하는 냉매를 위한 복수의 냉매 유로를 갖는 제안(하기 특허 문헌 2 참조).
특허 문헌 l: 일본 특개 평9-83003호 공보
특허 문헌 2: 일본 특개 2000-114574호 공보
발명이 해결하려고 하는 과제
상기 (1)에 나타내는 냉각핀이나 상기 (2)에 나타내는 냉매 유로가 설치된 홀더는 열 전도율이 높은 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 이루어지므로 태양전지 모듈의 열을 충분히 방열할 수 있다고도 생각되지만, 실제로는 상기 (1)(2)에 나타내는 발명에서는 태양전지 모듈의 열을 충분히 방열할 수는 없다. 이것은 알루미늄 등으로 이루어지는 홀더나 냉각핀(방열 부재)은 그 표면에 섬세한 요철이 존재하기 때문에 미시적으로 보면 태양전지 모듈과 방열 부재가 밀착하고 있지 않고, 이 때문에 도 14에 나타내듯이 태양전지 모듈 (52)과 방열 부재 (54) 사이에 열 전도율이 낮은 공기의 층〔공기의 열 전도율: 0.0241W/(mㆍK)〕(55)이 존재하게 된다. 따라서, 방열 부재 (54)에 열 전도율이 높은 알루미늄, 구리 등을 이용했다고 해도 상기 공기의 층 (55)이 존재함으로써 태양전지 모듈 (52)의 열을 충분히 방열하지 못하여 에너지 변환 효율이 저하한다고 하는 과제를 가지고 있었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 열 전달 경로 내에 열 전도율이 낮은 공기의 층이 존재하는 것을 억제함으로써 태양전지 모듈의 열을 충분히 방열하여 태양전지 모듈의 온도 상승을 억제하고, 이 결과 에너지 변환 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있는 태양전지 유니트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 목적을 달성하기 위해서 태양전지 모듈과, 이 태양전지 모듈의 이면에 설치되고 태양전지 모듈의 방열을 담당하는 방열 수단을 갖춘 태양전지 유니트로서, 상기 태양전지 모듈과 상기 방열 부재 사이에 팽창 흑연을 포함하는 열 전달 시트를 개재시키고, 또한 이 열 전달 시트는 태양전지 모듈 및 상기 방열 수단에 가압 상태로 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 구성과 같이 태양전지 모듈과 방열 수단 사이에 팽창 흑연을 포함하는 열 전달 시트를 개재시켜 두면, 열 전달 시트를 통해 태양전지 모듈의 열을 방열 수단에 전달할 수 있다. 이 경우에 있어서 팽창 흑연을 포함하는 열 전달 시트를 가압 상태에 두면 해당 시트는 변형이 가능하기 때문에, 열 전달 시트와 태양전지 모듈 및 열 전달 시트와 방열 수단의 밀착성이 향상하여 태양전지 모듈과 방열 수단 사이에 열 전도율이 낮은 공기의 층이 존재하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 태양전지 모듈의 열을 충분히 방열 수단에 전달할 수 있으므로 태양전지 모듈의 온도 상승이 억제되고, 이 결과 태양전지 유니트의 에너지 변환 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
상기 방열 수단이 판상을 이루고, 이 방열 수단과 상기 태양전지 모듈의 이면 사이에 상기 열 전달 시트가 협지되는 구조인 것이 바람직하다.
상기 구성이면 태양전지 모듈의 자중(自重)에 의해 열 전달 시트와 태양전지 모듈 및 방열 수단의 밀착성이 향상하므로 간단하고 쉬운 방법으로 상술한 작용 효과가 발휘된다.
상기 방열 수단에서의 열 전달 시트와 접하는 면과는 반대측의 면에 냉각핀이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 구성이면 방열 수단에 형성된 냉각핀의 존재에 의해 태양전지 유니트의 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 방열 수단의 내부에는 냉매를 흘리기 위한 냉매 유로가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 구성이면 냉매 유로를 흐르는 냉매의 존재에 의해 태양전지 유니트의 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
태양전지 모듈과, 이 태양전지 모듈의 이면에 설치되고 태양전지 모듈의 방열을 담당하는 방열 수단을 갖춘 태양전지 유니트로서, 방열 수단으로서 팽창 흑연을 포함하는 열 전달 시트를 이용하고, 또한 이 열 전달 시트는 태양전지 모듈에 가압 상태로 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 방열 수단을 별도로 설치하는 것은 필수의 용건이 아니고, 팽창 흑연을 포함한 열 전달 시트가 방열 수단을 겸용하는 구성이어도 된다. 열 전달 시트는 열용량이 작고, 복사에 의해 방열하는 것이 가능하기 때문이다. 이러한 구성이면 팽창 흑연을 포함하는 열 전달 시트는 알루미늄 등으로 이루어지는 방열 수단에 비해 매우 경량이므로, 태양전지 유니트 자체의 경량화를 도모할 수 있다. 따라서, 태양전지 유니트의 운반시, 부착시에서의 작업성이 향상함과 동시에 태양전지 유니트의 부재(部材) 점수가 적게 되므로 태양전지 유니트의 저비용화를 도모할 수 있다.
단, 열 전달 시트가 태양전지 모듈에 가압 상태로 부착되어 있지 않으면, 열 전달 시트와 태양전지 모듈 사이에 공기의 층이 존재한다. 따라서, 열 전달 시트는 태양전지 모듈에 가압 상태로 부착되어 있거나, 혹은 접착제나 점착제 등에 의해 밀착시킬 필요가 있다.
상기 열 전달 시트에 대한 가압력이 0.5 MPa 이상 10.0 MPa 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이 규제하는 것은 열 전달 시트에 대한 가압력이 0.5 MPa 미만이면, 열 전달 시트의 변형이 불충분하게 되어 열 전달 시트와 태양전지 모듈 혹은 열 전달 시트의 밀착성을 충분히 향상시키지 못하여, 태양전지 모듈과 방열 수단 사이 등에 열 전도율이 낮은 공기의 층이 존재하는 것을 억제할 수 없게 되는 경우가 있다. 이 결과, 태양전지 유니트의 에너지 변환 효율을 충분히 향상시킬 수 없게 되는 경우가 있다. 한편, 10.0 MPa를 넘으면 태양전지 모듈이 파손되는 경우가 있기 때문이다.
상기 열 전달 시트의 부피 밀도가 1.0 Mg/m3 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이 규제하는 것은 열 전달 시트의 부피 밀도가 1.0 Mg/m3를 초과하면 열 전달 시트의 열 전도율이나 강도는 높아지지만 열 전달 시트의 유연성이 저하하기 때문에 열 전달 시트와 태양전지 모듈 혹은 방열 수단의 밀착성이 저하하여 태양전지 모듈의 냉각 효율이 저하하는 경우가 있기 때문이다.
태양전지 모듈과, 이 태양전지 모듈의 이면에 설치되고 태양전지 모듈의 방열을 담당하는 방열 수단을 갖춘 태양전지 유니트로서, 방열 수단으로서 팽창 흑연을 포함한 열 전달 시트를 이용하고, 또한 이 열 전달 시트는 태양전지 모듈에 첩착되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성이면 열 전달 시트를 태양전지 모듈에 첩착하는 것만으로 열 전달 시트에 의한 방열이 가능해지고, 게다가 태양전지 유니트 자체의 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 양자를 첩착할 때 점착제나 접착제를 이용하면 되지만, 이들의 점도가 너무 크면 태양전지 모듈의 요철을 메울 수 없어, 태양전지 모듈과 열 전달 시트 사이에 공기의 층이 생기는 경우가 있으므로, 점도는 1000 Paㆍs 이하인 것이 바람직하다. 또, 점착제나 접착제의 열 전도율이 너무 낮으면 방열성이 불충분하게 되는 경우가 있으므로, 이들의 열 전도율은 0.5W/(mㆍK) 이상인 것이 바람직하다.
상기 열 전달 시트의 부피 밀도가 1.0 Mg/m3 이상 2.0 Mg/m3 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이 규제하는 것은 열 전달 시트의 부피 밀도가 1.0 Mg/m3 미만이면, 열 전달 시트의 열 전도율이 낮아 태양전지 모듈의 냉각 효율이 저하하거나, 열 전달 시트의 강도가 저하하여 열 전달 시트의 부착시에서의 작업성이 저하하거나 하는 경우가 있기 때문이다. 한편, 열 전달 시트의 부피 밀도가 2.0 Mg/m3를 초과하면, 열 전달 시트의 유연성이 저하하는 경우가 있기 때문이다.
상기 열 전달 시트의 두께가 0.1mm 이상 3.0mm 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이 규제하는 것은 열 전달 시트의 두께가 3.0mm를 초과하면, 열 전달 시트의 강도는 높아지지만, 열 전달 시트의 열 전달성이 저하하여 태양전지 모듈의 냉각 효율이 저하하는 경우가 있기 때문이다. 한편, 열 전달 시트의 두께가 0.1mm 미만이면, 열 전달 시트의 열 전달성은 높아지지만, 열 전달 시트의 강도가 저하하여 열 전달 시트 부착시의 작업성이 저하하거나 하는 경우가 있기 때문이다.
발명의 효과
이상 설명한 것처럼, 본 발명에 의하면 열 전달 경로 내에 열 전도율이 낮은 공기의 층이 존재하는 것을 억제함으로써 태양전지 모듈의 열이 충분히 방열되어 태양전지 모듈의 온도 상승이 억제되므로, 태양전지 유니트의 에너지 변환 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있는 뛰어난 효과를 나타낸다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
다음에 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
본 발명의 열 전달 시트는 발열체인 태양전지 모듈을 냉각하기 위해서 사용되는 것이며, 크게 나누어 이하의 구성으로 함으로써 열 저항을 감소시켜 열 전달성의 향상을 도모하는 것을 특징으로 하는 것이다.
(1) 태양전지 모듈과 히트 싱크(heat sink) 등의 방열 부재(방열 수단) 사이에 열 전달 시트가 가압 상태로 배치된다.
(2) 태양전지 모듈의 이면에 방열 부재로서의 열 전달 시트가 첩착된다.
(3) 태양전지 모듈의 이면에 방열 부재로서의 열 전달 시트가 가압 상태로 배치된다.
또한, 상기 열 저항이란 발열체로부터 열의 공급을 받는 부재에 있어서 이간(離間)한 두 지점의 온도차를 발열체의 발열량으로 나눈 값이며, 도 2를 이용하여 설명하면, B점의 온도로부터 C점의 온도를 뺀 값, 즉 B점과 C점의 온도차를 발열체(태양전지 모듈 (2))의 발열량으로 나눈 값에 해당한다.
여기서 상기 (1)~(3)에 나타내는 태양전지 유니트에 대해 각 구성마다 그 내용을 설명한다.
(1)에 나타낸 태양전지 유니트의 구성
해당 구성의 태양전지 유니트에 이용되는 열 전달 시트는 천연 흑연이나 키쉬 흑연 등을 황산이나 질산 등의 액체에 침지시킨 후, 400℃ 이상에서 열처리를 실시함으로써 형성된 팽창 흑연을 시트 상으로 형성한 것이고, 그 두께가 0.1mm 이상 3.0mm 이하, 부피 밀도가 0.3 Mg/m3 이상 1.0 Mg/m3 이하가 되도록 형성된 것이다.
팽창 흑연은 유충상 또는 섬유상을 한 것, 즉 그 축 방향의 길이가 반경 방향의 길이보다 긴 것이며, 예를 들면 그 축 방향의 길이가 1mm 정도, 또한 반경 방향의 길이가 300㎛ 정도인 것이다. 그리고, 본 발명의 열 전달 시트 내부에서는 상기와 같은 팽창 흑연끼리 서로 뒤얽혀 있다.
또한, 본 발명의 열 전달 시트는 상기와 같은 팽창 흑연만으로 형성해도 되지만, 페놀 수지나 고무 성분 등의 바인더가 약간(예를 들면 5% 정도) 혼합되어 있어도 된다. 또한 상기와 같은 팽창 흑연으로부터 본 발명의 열 전달 시트를 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않는다.
여기서, 태양전지 모듈과 히트 싱크 등의 방열 부재 사이에 열 전달 시트를 배치하면 본 발명의 목적을 달성할 수 있지만, 열 전달 시트의 부피 밀도를 규제하면, 본 발명의 목적을 한층 더 달성할 수 있는 것이라고 생각된다. 따라서, 열 전달 시트의 부피 밀도라고 하는 관점으로부터 고찰해 본다.
팽창 흑연으로부터 형성된 팽창 흑연 시트는 부피 밀도의 증가와 함께 면 방향의 열 전도율은 향상하는 한편, 유연성은 저하한다. 이 때문에 팽창 흑연 시트는 그 용도에 따라 그 부피 밀도가 조정되어, 통상 열 전달 시트로서 사용하는 것은 열 전도성을 중시하여 부피 밀도가 높아지도록(예를 들면 1.3 Mg/m3 이상) 구성하는데 비해 벽 등의 단열재나 전자파 차폐재로서 사용하는 것은 부피 밀도가 낮아지도록(예를 들면 1.0 Mg/m3 이하) 구성된다.
따라서, 본 발명의 열 전달 시트에 팽창 흑연 시트를 이용하는 경우에 대해 고려하면, 유연성을 중시하면서 열 전도성도 고려하여 구성하는 것이 바람직하다. 이것은 열 전도성이 부족하면 열 전달 시트 본래의 기능을 충분히 발휘할 수 없기 때문에 태양전지 모듈의 열을 충분히 방열 부재에 전달할 수 없는 한편, 유연성이 부족하면 열 전달 경로 내에 열 전도율이 낮은 공기의 층이 존재하는 것을 억제할 수 없기 때문에 역시 태양전지 모듈의 열을 충분히 방열 부재에 전달할 수 없기 때문이다.
또한, 열 전도성보다 유연성을 중시하는 것은 팽창 흑연 시트의 부피 밀도가 지나치게 작지 않으면(0.3 Mg/m3 미만이 아니면), 두께 방향의 열 전도율이 5W/(mㆍK) 이상이 되어 충분히 본 발명의 목적을 달성할 수 있는데 비해, 상술한 바와 같이 공기의 열 전도율은 지극히 낮아〔0.0241W/(mㆍK)〕 열 전달 경로 내에 공기의 층이 존재하면 열 전달이 현저하게 저해되어 본 발명의 목적을 달성할 수 없기 때문이다.
이상을 고려하면, 열 전달 시트의 부피 밀도를 1.0 Mg/m3 이하(바람직하게는 0.9 Mg/m3 이하, 특히 바람직하게는 0.8 Mg/m3 이하)로 규제함으로써 열 전달 시트의 유연성을 확보할 수 있고, 이것에 의해 요철에 대한 추종성을 부여시켜, 열 전달 경로 내에 공기의 층이 존재하는 것을 억제하는 것이 가능하다. 단, 열 전달 시트의 부피 밀도가 0.3 Mg/m3 미만이 되면, 열 전달 시트의 유연성은 높아지나 열 전달 시트의 면 방향의 열 전도율이 낮아져 태양전지 모듈의 냉각 효율이 저하하거나, 열 전달 시트의 강도가 저하하여 열 전달 시트의 부착시에서의 작업성이 저하하거나 하는 경우가 있다. 따라서, 열 전달 시트의 부피 밀도는 0.3 Mg/m3 이상인 것이 바람직하다.
다음에 열 전달 시트에 대한 가압력이라고 하는 관점으로부터 고찰해 보면, 열 전달 시트에 대한 가압력은 0.3 MPa 이상 10.0 MPa 이하인 것이 바람직하다.
이것은 열 전달 시트에 대한 가압력이 0.3 MPa 미만이면, 열 전달 시트의 변형이 불충분하게 되어 열 전달 시트와 태양전지 모듈, 혹은 열 전달 시트와 방열 부재의 밀착성을 충분히 향상시키지 못하여, 열 전달 경로 내에 열 전도율이 낮은 공기의 층이 존재하는 것을 억제할 수 없게 되는 결과, 태양전지 유니트의 에너지 변환 효율을 충분히 향상시킬 수 없는 경우가 있다. 한편, 10.0 MPa를 초과하면 태양전지 모듈이 파손되는 경우가 있다.
또한, 열 전달 시트의 두께라고 하는 관점으로부터 고찰해 보면, 상기 열 전달 시트의 두께는 0.1mm 이상 3.0mm 이하인 것이 바람직하다.
이것은 열 전달 시트의 두께가 3.0mm를 초과하면, 열 전달 시트의 강도는 높아지지만 열 전달 시트의 열 전달성이 저하하여 태양전지 모듈의 냉각 효율이 저하하는 경우가 있는 한편, 열 전달 시트의 두께가 0.1mm 미만이면, 열 전달 시트의 열 전달성은 높아지지만 열 전달 시트의 강도가 저하하여, 열 전달 시트 부착시의 작업성이 저하하거나 하는 경우가 있기 때문이다.
다음에 (1)에 나타내는 태양전지 유니트의 구성을 도 1~도 3에 근거하여 이하에 설명한다. 또한, 도 1은 태양전지 유니트의 사시도, 도 2는 도 1의 A-A선 화살표에서 본 단면도, 도 3은 계면 부근의 확대 단면도이다. 이들 도 1~도 3에 있어서 1은 태양전지 유니트, 2는 태양전지 모듈, 3은 열 전달 시트, 4는 방열 부재, 5는 형틀이다.
도 1 및 도 2에 나타내듯이 열 전달 시트 (3)는 태양전지 모듈 (2)과 방열 부재 (4) 사이에 끼워진 상태로 배치된다. 그러면 태양전지 모듈 (2)의 자중에 의해서 열 전달 시트 (3)는 태양전지 모듈 (2)과 방열 부재 (4)에 끼워진 상태로 가압되게 된다. 이러한 상태가 되면, 열 전달 시트 (3)는 그 두께가 작아지지만 두께가 작아지는 것에 따라, 열 전달 시트 (3)와 태양전지 모듈 (2) 및 방열 부재 (4)의 밀착성이 향상한다. 그 이유는 열 전달 시트 (3)를 구성하는 팽창 흑연끼리 사이에는 공간이 존재하기 때문에 압축되는 과정에 있어서 열 전달 시트 (3)의 표면에 위치하는 팽창 흑연이 태양전지 모듈 (2)의 표면이나 방열 부재 (4)의 표면에 존재하는 요철 내에 침입하기 때문이다. 또한, 이러한 현상은 팽창 흑연끼리 사이의 공간이 큰, 부피 밀도가 1.0 Mg/m3 이하인 열 전달 시트 (3)를 이용했을 경우에 현저하다.
그리고, 상기와 같은 상태가 되면 도 3에 나타내듯이 태양전지 모듈 (2)과 열 전달 시트 (3) 사이 및 열 전달 시트 (3)와 방열 부재 (4) 사이에 공기의 층이 생기는 것을 억제할 수 있으므로, 열 전달 경로에서의 열 저항이 비약적으로 작아진다. 이 결과, 태양전지 모듈 (2)의 냉각 효율이 높아져 태양전지 모듈 (2)의 온도 상승이 억제되므로, 태양전지 모듈 (2)의 에너지 변환 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 구성이면 열 전달 시트 (3)는 태양전지 모듈 (2)과 방열 부재 (4) 사이에 끼워진 상태로 배치되어 있을 뿐이기 때문에 열 전달 시트 (3)의 교환이 필요했을 경우 용이하게 교환할 수 있다.
또, 상술한 바와 같이 하여 제작한 열 전달 시트 (3)는 면 방향의 열 전도율이 50~200W/(mㆍK) 정도이며, 두께 방향의 열 전도율보다 매우 커지고 있기 때문에 열 전달 시트 (3)의 면 방향에서의 온도 분포를 거의 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 열 전달 시트 (3)나 태양전지 모듈 (2) 및 방열 부재 (4)에 히트 스팟(heat spot)이 형성되는 것을 막는 것이 가능해진다.
또한, 열 전달 시트 (3)를 태양전지 모듈 (2)과 방열 부재 (4) 사이에 끼워진 상태로 배치할 수 있다면, 열 전달 시트 (3)와 방열 부재 (4)가 별체(別體)로 되어 있지 않아도 되고, 예를 들면 접착제 등에 의해서 열 전달 시트 (3)를 방열 부재 (4)에 첩부하여 두어도 된다.
(2)에 나타내는 태양전지 유니트의 구성
상기 (1)의 태양전지 유니트에서 이용한 방열 부재 (4)는 반드시 필수인 것은 아니고, 도 4에 나타내듯이 태양전지 모듈 (2)의 이면에 열 전달 시트 (3)(이 경우에는 방열 부재로서의 기능을 발휘)를 접착제로 첩부함과 동시에 열 전달 시트 (3)의 양단을 형틀 (5)에 첩부하는 구조여도 된다. 이러한 구조이면, 열 전달 시트 (3)로부터의 복사에 의한 열이 대기 중에 방출됨과 아울러 열 전달 시트 (3)로부터 형틀 (5)에 열이 전해져 형틀 (5)로부터도 열이 방출되게 된다. 또한, 열 전달 시트 (3)의 제조 방법은 상기 (1)에 나타내는 태양전지 유니트의 구성의 항에서 나타낸 방법과 같은 방법으로 제작할 수 있다.
여기서, 상기 점착제나 접착제의 점도는 1000 Paㆍs 이하인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 접착제의 점도가 1000 Paㆍs를 초과하면, 태양전지 모듈 (2)의 요철을 점착제나 접착제로 메울 수 없어, 태양전지 모듈 (2)와 열 전달 시트 (3) 사이에 공기의 층이 생기는 경우가 있기 때문이다. 또한, 점착제층이나 접착제층에서의 열 전달성이 떨어지는 것을 억제하기 위하여 이들의 열 전도율은 0.5W/(mㆍK) 이상인 것이 바람직하다. 이러한 점착제나 접착제로는 실리콘 그리스(silicone grease)나 에폭시 수지 등이 예시된다.
또, 열 전달 시트 (3)의 부피 밀도는 1.0 Mg/m3 이상 2.0 Mg/m3 이하인 것이 바람직하다. 이것은 열 전달 시트 (3)의 부피 밀도가 1.0 Mg/m3 미만이 되면, 열 전달 시트 (3)의 열 전도율이 낮아져 태양전지 모듈 (2)의 냉각 효율이 저하하거나, 열 전달 시트 (3)의 강도가 저하하여 열 전달 시트 (3)의 부착시에서의 작업성이 저하하거나 하는 경우가 있기 때문이다. 한편, 열 전달 시트의 부피 밀도가 2.0 Mg/m3를 초과하면, 열 전달 시트의 유연성이 저하하는 경우가 있기 때문이다.
또한, 열 전달 시트 (3)의 두께 관점으로부터 고찰해 보면, 상기 열 전달 시트 (3)의 두께는 0.1mm 이상 3.0mm 이하인 것이 바람직하다. 이것은 상기 (1)에 나타내는 태양전지 유니트의 구성의 항에서 나타낸 이유와 동일한 이유에 의한 것이다.
또한, 열 전달 시트 (3)의 양단은 형틀 (5)에 첩부하는 구조로 한정되는 것이 아니고, 형틀 (5)에 첩부되어 있지 않아도 된다. 예를 들면 태양전지 모듈 (2)의 폭이나 길이와 열 전달 시트 (3)의 폭이나 길이를 동일하게 해 두고, 태양전지 모듈 (2)의 이면에만 열 전달 시트 (3)가 존재하는 구성이어도 된다. 단, 이러한 구성이면 형틀 (5)로부터 열이 방출되지 않기 때문에 열 전달 시트 (3)의 양단을 형틀 (5)에 첩부하는 구조로 하는 쪽이 바람직하다.
(3)에 나타내는 태양전지 유니트의 구성
도 5에 나타내듯이 태양전지 모듈 (2)에 열 전달 시트 (3)를 첩부하는 것이 아니라, 열 전달 시트 (3)의 이면에 배치된 메시 형상 등의 압압 부재 (11)로 열 전달 시트 (3)를 태양전지 모듈 (2)에 가압하는 구성으로 한 것 이외에는 상기 (2)에 나타내는 태양전지 유니트의 구성과 동일한 구성으로 했다. 상기 압압 부재 (11)는 방열 부재 (4)로서 기능하는 것은 아니기 때문에 열 전도율은 높지 않아도 되지만, 열에 의한 변형을 방지하도록 100℃ 정도의 내열성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 열 전달 시트 (3)의 제조 방법은 상기 (1)에 나타내는 태양전지 유니트의 구성의 항에서 나타낸 방법과 동일한 방법으로 제작할 수 있다.
여기서, 열 전달 시트 (3)의 부피 밀도는 0.3 Mg/m3 이상 1.0 Mg/m3 이하(바람직하게는 0.9 Mg/m3 이하, 특히 바람직하게는 0.8 Mg/m3 이하)로 규제하는 것이 바람직하다. 또, 열 전달 시트 (3)에 대한 가압력은 0.5MPa 이상 10.0MPa 이하인 것이 바람직하고, 또한 열 전달 시트 (3)의 두께는 0.1mm 이상 3.0mm 이하인 것이 바람직하다. 이것은 상기 (1)에 나타내는 태양전지 유니트의 구성에서 나타낸 이유와 같은 이유에 의한 것이다.
(그 외의 사항)
(1) 방열 부재 (4)로는 상기의 것으로 한정되는 것이 아니고, 도 6에 나타내듯이 본체부 (4b) 내에 물 등의 냉매를 흘리기 위한 냉매 유로 (6)ㆍㆍㆍ가 설치되어 있는 구조여도 되고, 또 도 7에 나타내듯이 본체부 (4b)에서의 열 전달 시트 (3)와 접하는 면과는 반대측의 면에 냉각핀 (7)ㆍㆍㆍ이 형성되어 있는 구조여도 된다. 이러한 구조이면, 냉각핀 (7)ㆍㆍㆍ 혹은 냉매 유로 (6)ㆍㆍㆍ를 흐르는 냉매의 존재에 의해 태양전지 모듈 (2)의 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있으므로 태양전지 모듈 (2)의 에너지 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
(2) 일반적으로 열 전달 시트 (3)를 재이용하는 것은 드물지만, 재이용도 고려하는 경우에는 이하와 같이 규제하는 것이 바람직하다.
열 전달 시트 (3)를 가압하는 경우에 열 전달 시트 (3)는 하기 (1) 식에 나타내는 압축율이 50% 이상이며, 또한 하기 (2) 식에 나타내는 복원율이 5% 이상이 되도록 조정해 두는 것이 바람직하다. 이러한 구성이면 열 전달 시트 (3)가 복수 회 가압 압축되어도, 압력이 제거된 후에서의 부피 밀도는 1.0 Mg/m3 보다 작은 상태로 유지된다. 따라서, 복수 회 사용한 후에도, 열 전달 시트 (3)가 태양전지 모듈 (2)과 방열 부재 (4)에 낀 상태로 가압되었을 때에 태양전지 모듈 (2)이나 방열 부재 (4)의 밀착성이 높게 유지되기 때문에, 복수 회 사용해도 열 저항을 작게 유지해 둘 수 있어 재이용성을 향상시킬 수 있다.
압축율 (%)=〔(t1-t2)/t1〕×100ㆍㆍㆍ(1)
또한, 상기 (1) 식에 있어서 t1는 예압(0.686 MPa±1%)을 15초간 가한 후의 두께(mm)이며, t2는 전압(全壓)(34.3MPa±1%)을 60초간 가한 후의 두께(mm)이다.
복원율 (%)=〔(t3-t2)/(t1-t2)〕×100ㆍㆍㆍ(2)
또한 상기 (2) 식에 있어서 t1는 예압(0.686 MPa±1%)을 15초간 가한 후의 두께(mm)이며, t2는 전압(34.3MPa±1%)을 60초간 가한 후의 두께(mm)이며, t3는 다시 예압까지 되돌려 60초 경과한 후의 두께이다.
특히, 상기 (1) 식에 나타내는 압축율이 55% 이상이고, 또한 상기 (2) 식에 나타내는 복원율이 6% 이상이 되도록 조정해 두면, 보다 확실히 압력이 제거된 후에서의 부피 밀도를 1.0 Mg/m3 보다 작은 상태, 예를 들면 0.9 Mg/m3 보다 작은 상태로 유지할 수 있어 재이용성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
또한, 열 전달 시트 (3)의 압축율이 50% 미만이면, 태양전지 모듈 (2)이나 방열 부재 (4)의 밀착성이 나빠지기 때문에 바람직하지 않고, 또 복원율이 5% 미만이면, 재이용했을 때에서의 태양전지 모듈 (2)이나 방열 부재 (4)와의 밀착성을 높게 유지하지 못하여 재이용에 대응할 수 없기 때문에 바람직하지 않다.
또, 열 전달 시트 (3)의 부피 밀도가 1.0 Mg/m3 보다 작아도, 태양전지 모듈 (2)의 자중이 큰 경우에는 열 전달 시트 (3)에 가하는 압력이 너무 커져서(구체적으로는 10.0 MPa를 넘으면) 태양전지 모듈이 파손되어 버릴 가능성이 있다.
상기와 같이 부피 밀도가 0.9 Mg/m3 이하인 열 전달 시트 (3)를 사용하고, 또한 열 전달 시트 (3)에 가하는 압력이 1.5 MPa 이하가 되도록 규제하면, 압력이 제거된 후에서의 열 전달 시트 (3)의 부피 밀도를 0.9 Mg/m3 이하 상태로 유지할 수 있어, 태양전지 모듈 (2)과 열 전달 시트 (3) 및 열 전달 시트 (3)와 방열 부재 (4)의 밀착성이 향상하고, 또한 복원성도 유지할 수 있다. 따라서, 열 전달 시트 (3)의 재이용성을 유지하면서 열 전달 시트 (3)와 태양전지 모듈 (2) 및 방열 부재 (4)의 밀착성을 한층 더 높게 함으로써 열 저항을 저하시킬 수 있다.
특히, 부피 밀도가 0.8 Mg/m3 이하인 열 전달 시트 (3)를 사용하고, 또한 열 전달 시트 (3)에 가하는 압력이 1.0 MPa 이하가 되도록 규제하면, 압력이 제거된 후에서의 부피 밀도를 0.8 Mg/m3 이하인 상태로 유지할 수 있어, 열 전달 시트 (3)와 태양전지 모듈 (2) 및 방열 부재 (4)의 밀착성을 한층 더 향상시킬 수 있고, 또한 복원성도 유지할 수 있다.
또한, 태양전지 모듈 (2)의 자중이 작은 경우에는 열 전달 시트 (3)에 가하는 압력이 너무 작아져서(구체적으로는 0.5 MPa 미만이 되면), 태양전지 모듈 (2)과 열 전달 시트 (3) 및 열 전달 시트 (3)와 방열 부재 (4)의 밀착성이 저하하여, 열 저항을 충분히 저하시킬 수 없는 경우도 있을 수 있다. 따라서, 이러한 경우에는 도 8에 나타내듯이 태양전지 모듈 (2), 열 전달 시트 (3) 및 방열 부재 (4)를 협지하는 것과 같은 클램프 (9)를 이용하는 것이 바람직하다.
(3) 태양전지 모듈 (2)과 열 전달 시트 (3) 사이의 절연 처리가 필요한 경우에는 열 전달 시트 (3)의 표면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등으로 이루어지는 절연 시트층을 형성하면 된다.
(4) 열 전달 시트 (3)를 함유하는 황이나 철분 등의 불순물의 총량이 10 ppm 이하, 특히 황이 1 ppm 이하가 되도록 처리해 두면, 열 전달 시트 (3)를 부착한 태양전지 유니트의 열화를 확실히 막을 수 있다.
(5) 열 전달 시트 (3)와 태양전지 모듈 (2) 사이나, 열 전달 시트 (3)와 방열 부재 (4) 사이 또는 이들 양자의 사이에 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 수지 필름을 배치해도 된다. 이러한 구성이면 열 전달 시트 (3)로부터 이탈한 팽창 흑연 등이 열 전달 시트 (3) 주위에 비산하거나 하는 것을 막을 수 있다. 이 경우 사용하는 수지 필름은 두께 방향의 열 전도율이 열 전달 시트 (3)와 동일한 정도이며, 100℃ 정도의 내열성을 가지고 있는 것이면 되고, 특별히 한정되지는 않는다.
[도 l] 본 발명의 태양전지 유니트의 사시도이다.
[도 2] 도 1의 A-A선 화살표에서 본 단면도이다.
[도 3] 본 발명의 태양전지 유니트에서의 태양전지 모듈, 열 전달 시트 및 방열 부재의 계면 부근의 확대 단면도이다.
[도 4] 본 발명의 태양전지 유니트의 변형예를 나타내는 단면도이다.
[도 5] 본 발명의 태양전지 유니트의 다른 변형예를 나타내는 단면도이다.
[도 6] 본 발명의 태양전지 유니트의 또 다른 변형예를 나타내는 단면도이다.
[도 7] 본 발명의 태양전지 유니트의 또 다른 변형예를 나타내는 단면도이다.
[도 8] 본 발명의 태양전지 유니트에 클램프를 배치한 상태를 나타내는 단면도이다.
[도 9] 태양전지 모듈의 정면도이다.
[도 10] 태양전지 모듈의 이면에 스테인레스 판을 첩착했을 때의 배면도이다.
[도 11] 태양전지 모듈의 이면에 첩착된 스테인레스 판에 팽창 흑연 등으로 이루어지는 열 전달 시트 및 알루미늄 판을 추가로 첩착했을 때의 배면도이다.
[도 12] 실험을 실시할 때의 개략 설명도이다.
[도 13] 실시예의 태양전지 모듈과 비교예의 태양전지 모듈에서의 시간과 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
[도 14] 배경 기술의 태양전지 유니트에서의 태양전지 모듈, 열 전달 시트 및 방열 부재의 계면 부근의 확대 단면도이다.
부호의 설명
1 태양전지 유니트
2 태양전지 모듈
3 열 전달 시트
4 방열 부재(방열 수단)
본 발명의 실시예를 도 9~도 11에 기초하여 이하에 설명한다. 도 9는 태양전지 모듈의 정면도, 도 10은 태양전지 모듈의 이면에 스테인레스 판을 첩착했을 때의 배면도, 도 11은 태양전지 모듈의 이면에 첩착된 스테인레스 판에 팽창 흑연 등으로 이루어지는 열 전달 시트 및 알루미늄 판을 추가로 첩착했을 때의 배면도이다.
도 9에 나타내듯이 태양전지 모듈 (1)은 유리판 (15) 사이에 복수의 태양전지 셀 (14)을 균등하게 나란히 배치한 구조를 이루고 있고, 상기 태양전지 셀 (14) 중 일부의 태양전지 셀 (14)에는 열전대 (18a)~(18d)가 부착되어 있다(또한, 열전대 (18a)는 모퉁이부 (30)로부터 거리 L1=l00mm, 거리 L2=25mm의 위치에 배치되어 있고, 또 열전대 (18b)는 모퉁이부 (31)로부터의 거리가 열전대 (18a)와 동일한 위치가 되도록 배치되어 있다.)
상기 태양전지 모듈 (1)의 이면에는 도 10에 나타내듯이 2매의 스테인레스 판(폭 L3=80mm, 길이 L4=115mm, 두께=0.1mm) (20a, 20b)이 도시하지 않은 실리콘 그리스(점도 330 Paㆍs, 열 전도율 0.9W/(mㆍK))에 의해 첩착되어 있고, 또 이들 스테인레스 판 (20a, 20b)에서의 상기 열전대 (18a, 18b)에 대응하는 위치에는 열전대 (18e, 18f)가 부착되어 있다. 또한, 도 11에 나타내듯이 상기 스테인레스 판 (20a, 20b) 중 스테인레스 판 (20a)(도 11에 있어서 좌측에 위치하는 스테인레스 판)에는 팽창 흑연을 포함하는 열 전달 시트(토요 탄소(주)제 흑연 시트 「PF-20 D=2.0」이며, 폭 L5=60mm, 길이 L6=l00mm, 두께=0.2mm, 부피 밀도 2.0 Mg/m3임) (23)가 상기 스테인레스 판 (20a, 20b)을 첩착한 실리콘 그리스와 같은 실리콘 그리스로 첩착되어 있다.
(비교예)
도 11에 나타낸 스테인레스 판 (20a, 20b) 중 스테인레스 판 (20b)(도 11에 있어서 우측에 위치하는 스테인레스 판)에 상기 열 전달 시트 (23)과 동일한 크기 의 알루미늄 판(폭, 길이 및 두께는 상기 실시예의 열 전달 시트와 동일함) (22)을 첩착한 것 이외에는 실시예와 동일한 구성으로 했다.
(실험)
도 12에 나타내듯이 재치대 (31) 상에 상기 열전대 등이 부착된 태양전지 모듈 (1)을 배치함과 동시에, 이 태양전지 모듈 (1)과 소정의 거리(L7=650mm)를 떨어뜨려 재치대 (33) 상에 배치된 조사 수단 (32)를 배치한다. 이 조사 수단 (32)의 광원에는 백열 전구(정격 전압 100V, 정격 소비 전력 450W)를 이용했다.
상기와 같은 실험장치를 이용하여 태양전지 모듈 (1)의 표측(表側)에 빛을 조사하고, 실시예 및 비교예 부분에서의 태양전지 모듈 (1)의 표면 및 이면의 온도를 열전대 (18a)~(18f)에 의해 연속적으로 측정하였다. 그 결과를 도 13에 나타낸다.
도 13으로부터 분명한 바와 같이 표리(表裏) 모두 실시예 편이 비교예보다 2~3℃ 정도 낮은 온도가 되고 있어, 본 발명의 효과가 현저하게 나타나고 있는 것을 알 수 있다.
본 발명은 태양전지 유니트에 사용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 태양전지 모듈과, 이 태양전지 모듈의 이면에 설치되고 태양전지 모듈의 방열을 담당하는 방열 수단을 갖춘 태양전지 유니트로서,
    상기 태양전지 모듈과 상기 방열 수단 사이에 팽창 흑연을 95~100%로 포함하는 열 전달 시트를 개재시키고, 또한 이 열 전달 시트는 태양전지 모듈 및 상기 방열 수단에 가압 상태로 부착되고, 또한, 하기 식으로 나타내어지는 복원율이 5% 이상이 되도록 조정되고,
    태양전지 유니트의 가동 시에 상기 열 전달 시트에 대한 가압력이 0.5 MPa 이상 10.0 MPa 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 유니트.
    복원율 (%)=〔(t3-t2)/(t1-t2)〕×100
    또한, 상기 식에 있어서 t1는 예압(0.686 MPa±1%)을 15초간 가한 후의 두께(mm)이며, t2는 전압(34.3MPa±1%)을 60초간 가한 후의 두께(mm)이며, t3는 다시 예압까지 되돌려 60초 경과한 후의 두께이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열 수단이 판상을 이루고, 이 방열 수단과 상기 태양전지 모듈의 이면 사이에 상기 열 전달 시트가 협지되는 태양전지 유니트.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 방열 수단에서의 열 전달 시트와 접하는 면과는 반대측의 면에 냉각핀이 형성되어 있는 태양전지 유니트.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 방열 수단의 내부에는 냉매를 흘리기 위한 냉매 유로가 설치되어 있는 태양전지 유니트.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열 전달 시트의 부피 밀도가 1.0 Mg/m3 이하인 태양전지 유니트.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열 전달 시트의 두께가 0.1mm 이상 3.0mm 이하인 태양전지 유니트.
  8. 태양전지 모듈과, 이 태양전지 모듈의 이면에 설치되고 태양전지 모듈의 방열을 담당하는 방열 수단을 갖춘 태양전지 유니트로서,
    방열 수단으로서 팽창 흑연을 95~100%로 포함하는 열 전달 시트를 이용하고, 또한 이 열 전달 시트는 태양전지 모듈에 가압 상태로 부착되고, 또한, 하기 식으로 나타내어지는 복원율이 5% 이상이 되도록 조정되고,
    태양전지 유니트의 가동 시에 상기 열 전달 시트에 대한 가압력이 0.5 MPa 이상 10.0 MPa 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 유니트.
    복원율 (%)=〔(t3-t2)/(t1-t2)〕×100
    또한, 상기 식에 있어서 t1는 예압(0.686 MPa±1%)을 15초간 가한 후의 두께(mm)이며, t2는 전압(34.3MPa±1%)을 60초간 가한 후의 두께(mm)이며, t3는 다시 예압까지 되돌려 60초 경과한 후의 두께이다.
  9. 삭제
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 열 전달 시트의 부피 밀도가 1.0 Mg/m3 이하인 태양전지 유니트.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 열 전달 시트의 두께가 0.1mm 이상 3.0mm 이하인 태양전지 유니트.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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