KR20090011096U - 충돌제트를 이용한 태양광 발전 설비 유지장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 태양광 발전 설비의 발전 효율을 유지시키는 장치에 관한 것으로, 특히 스프링 노즐(30)을 통해 태양광 발전 모듈(10) 표면으로 직접 분사된 물의 충돌제트{impinging jet)를 이용해, 태양광 발전 모듈(10)의 표면에 세척과 냉각 또는 제설을 수행하는 장치에 관한 것이다. 또한 이때 발생한 오수를 태양광 발전 모듈(10) 하단에 위치한 물받이(40)를 이용해 집수하여 처리할 수 있게 하는 구조를 제공한다.

태양광 발전, 충돌제트, 세척, 냉각, 제설, 물받이

Description

충돌제트를 이용한 태양광 발전 설비 유지장치{Apparatus for the maintenance of solar photovoltaic system with impinging jet}

본 고안은 태양광 발전 설비의 발전 효율을 유지시키는 장치에 관한 것으로, 특히 노즐을 통해 태양광 모듈 표면으로 직접 분사된 물의 충돌제트(Impinging Jet)를 이용해, 태양광 모듈의 표면에 세척과 냉각 또는 제설을 수행하는 장치에 관한 것이다.

태양광 발전이란, 태양 빛을 솔라셀(Solar Cell) 또는 태양광 모듈(Photovoltaic module)에 집광시켜 전기를 발생시키는 것을 말한다. 태양광 모듈은 태양광 전지(Solar Cell)의 집합체로 태양광 모듈이 모여서 태양광 어레이(Solar Array)를 이루며, 일반형, 창호형, 추적형, 하이브리드형(다른 청정 에너지 발전수단과 병행된 타입)등이 존재한다. 이러한 태양광 모듈을 이용한 태양광 발전 원리는 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용한 것으로, 실리콘 결정 위에 n형 도핑을 하여 p-n접합을 한 태양 전지판에 태양광을 조사하면 광 에너지에 의해 전자-정공에 의한 기전력이 발생하게 되는 것을 광기전력 효과라고 한다. 예컨대, 외부에서 빛이 태양광 모듈에 입사되었을 때, p형 반도체의 전도 대(conduction band)의 전자(electron)가 입사된 광에너지에 의해 가전자대(valance band)로 여기되고, 이렇기 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공쌍(EHP:electron hole pair)를 형성하게 되며, 이렇게 발생된 전자-정공쌍 중 전자는 p-n 접합 사이에 존재하는 전기장(electron field)에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다.

태양광은 화석원료를 바탕으로 하는 기존 에너지원과는 달리 지구 온난화를 유발하는 온실가스 배출, 소음, 환경파괴 등의 위험성을 초래하지 않는 청정 에너지원이며 무궁무진한 태양광을 바탕으로하기 때문에 고갈의 염려도 없다. 태양에너지의 이용 가능량은 2005년 기준 전 세계 연간 에너지 소요량의 2,890배이며 입지조건이 여타 풍력이나 해수력과 달리 설치가 자유롭고 유지비용이 저렴하다. 또한 기술혁신에 따른 원가절감과 효율성 제고로 발전단가가 1990년대 초반에 비해 2008년 현재 1/3 이상 발전단가가 하락하였고, 향후 박막형 태양전지 등의 기술개발로 발전단가는 더욱 하락할 것으로 예측된다.따라서 부존자원이 빈약한 우리나라에서는 자원안보의 관점에서도 적극적으로 수용하려는 움직임이 최근 크게 일어나고 있다.

태양광 발전기술은 실리콘 소재공정과 태양전지를 만드는 셀, 모듈 제작공정, 태양전원을 교류로 바꾸거나 저장하는 전력계통 관련 기술, 태양광 발전 시스템을 시공하고 유지,보수하는 설치,서비스 기술로 분류된다. 관련기술 세계시장의 규모는 설치,서비스 기술시장이 2005년 기준 44억달러로 39.3%의 비중으로 가장 크지만, 기술 진입 장벽이 낮아서 영업이익률이 상대적으로 작다. 반면 소재시장은 2005년 기준 17억달러로 15.2%의 비중을 차지하지만 영업이익률이 높다. 따라서 태양광 발전설비 설치, 서비스 시장은 자동화, 고효율화 등을 통한 기술개발을 통해 고부가가치화가 절실한 상황이다.

태양광 발전 모듈은 현재 15~16%의 발전효율을 갖는다. 발전효율은 태양광 발전의 발전단가를 결정짓는 가장 중요한 요인으로써, 0.1%의 발전효율 향상을 위한 관련 연구개발 노력이 전세계적으로 치열하게 경주 중이다. 그러나 장기간 외부환경에 노출되는 태양광 발전의 특성상 비산먼지, 대기오염물질, 조류 노폐물 등의 영향으로 태양광 모듈의 표면은 시간이 지남에 따라 오염되어 투명도가 감소하게 되고 이로 인해 발전효율이 무려 10~30% 가량 저하될 수 있다는 연구결과가 보고되었다.

또한 태양광 발전의 특성상, 태양광 발전량은 계절별 집광량과 평균온도에 따라 변동성을 갖는다. 태양광 집광량이 최대인 하절기에 과다 일사량에 의한 태양광 모듈 과열로 인해 최대치 대비 5~15%의 발전효율 저하가 발생하며, 오히려 태양광 발전량은 하절기 보다는 봄, 가을에 최고치를 갖는 것이 관찰된다. 동절기에는 적설로 인한 시간당 집광면적이 감소하여, 태양광 발전량 감소로 이어진다. 따라서 과열방지와 제설은 하절기, 동절기의 태양광 발전량을 향상시키는 매우 중요한 필요조건이다.

동시에 태양광 발전 설비의 추세는 점차 무인화, 대면적화 되어 가고, 공해가 심한 도심의 접근이 어려운 건물 지붕, 정수장, 주차장 지붕과 같은 장소들로 저변이 확산되고 있다. 또한 신재생 에너지의 특성상 수년에서 십수년 이상의 장기적이고 지속적인 관리가 필요하며, 발전효율의 지속적인 유지는 발전 수익과 직결 되는 문제이다. 따라서 이러한 요구에 대응하기 위해 태양광 발전 모듈에 대한 무인 자동화 세척, 냉각 및 제설 장치가 매우 필수적이다.

상기 언급한 태양광 발전 모듈(10)의 효율저하 문제를 개선하기 위해서, 본 고안은 스프링 노즐(30)을 통해 태양광 발전 모듈(10) 표면으로 직접 분사된 물의 충돌제트(Impinging Jet)를 이용해 태양광 모듈(10) 표면의 세척, 냉각 그리고 제설 작용을 수행하는 장치를 제공한다. 또한 본 고안은 수압에 의해 작동하는 스프링 노즐(30)이 물의 분사 방향을 변화시켜 물 제트의 충돌 면적 궤적에 태양광 발전 모듈(10) 표면 면적 전체를 포함시키는 장치를 제공한다. 또한 제설시 작동수로써 온수를 사용하면 제설효과를 더 향상시킬 수 있다.

본 고안은 분사된 물이 세척, 냉각 그리고 제설 작용을 수행하고 난 이후 집수되는 물받이 장치(40)를 제공한다. 또한 여러 장의 태양광 발전 모듈(10)의 집합체(태양광 모듈 어레이)에서는 상기 물받이가 서로 연결되어 물을 집수할 수 있도록 하는 연결된 물받이 장치(40)를 제공한다.

기존의 태양광 설비 유지장치들은 세척과 과열을 막기 위해 태양광 모듈 표면 상으로 브러쉬를 이동시키거나, 태양광 모듈의 상단부에서 물을 흘려보내는 방 법을 채택하였다. 브러쉬를 이동하는 방법은 별도의 구동장치가 필요하며, 이에 따른 전력소비와 장시간 운전에 따르는 기계적인 내구성 문제가 발생한다. 태양광 모듈의 상단부에서 물을 흘려보내는 경우에는 직접 분사하는 방법에 비해 세척효과가 떨어지고, 태양광 모듈의 지면에 대한 설치 각도에 따라 물의 흐름이 달라져서 태양광 모듈 표면의 전체 면적을 세척, 냉각하기 어렵다. 이러한 점은 태양광 모듈이 추적식일 경우, 매우 민감한 문제로 대두된다. 또한 이런 방식은 동절기 제설 기능을 기대하기 어렵다.

최근 냉각 및 세척을 위해 스프링 쿨러를 이용하여 공중으로 물을 높이 비산시켜 태양광 모듈 어레이 표면에 물을 흐르게 하는 방법이 시도되었으나, 제설작용을 기대할 수 없고, 풍량에 의해 성능이 크게 영향을 받으며, 세척보다는 냉각에 초점이 맞추어져 있다는 점에서 기능면에서 다소 열위라고 볼 수 있다.

태양광 모듈의 표면 강화유리를 세척, 냉각에 있어서 물제트 분사를 통한 직접 분사 방식이 간단하면서도 강력하며, 충돌제트의 모멘텀을 이용한 제설효과까지 기대할 수 있어서 기존의 방식들에 비해 우월하다고 볼 수 있다.

특히, 스프링 노즐을 통해 물 제트의 분사방향이 변화하면서 태양광 모듈의 지면에 대한 설치각도에 무관하게 태양광 모듈 표면적 전체에 대한 세척, 냉각 및 제설 작용이 가능하다.

태양광 표면에 물을 분사할 경우, 다량의 오수가 발생하게 되는데, 기존의 장치들은 이것을 그냥 방치해서 배수에 문제가 있었으나, 본 고안은 태양광 모듈 하단에 물받이를 설치, 연결하여 오수의 처리를 용이하게 할 수 있도록 한다. 다수 의 태양광 모듈이 집적된 태양광 모듈 어레이의 경우, 이와 같은 오수 처리량은 비례하여 증가하며, 물받이를 통해 원활히 배수 또는 재활용을 통해 처리할 수 있다.

비용측면에서도 기존 전기구동 설비에 비교하여 물을 이용함으로써 기생전력의 소비가 거의 없고, 설비가 단순화되어 내구성과 설비 유지 비용면에서 유리하다. 구동을 위한 물의 압력은 수도압이나 펌프 등에서 공급이 가능하므로 운전비용은 거의 들지 않는다고 해도 무방하다. 이러한 저렴한 유지비와 초기 설비비, 그리고 이를 통한 태양광 발전 효율의 보전은 수년 또는 십수년 이상의 시간 이후에나 손익분기점에 도달하는 태양광 발전의 특성상, 궁극적으로 태양광 발전 설비의 발전단가를 낮추는 커다란 이점을 제공한다.

이하 본 고안의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 고안의 실시 예에 따른 수압을 이용한 태양광 발전설비 유지장치의 구성은 도 1에서 나타내고 있는 바와 같다. 도 1은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 태양열 발전 모듈과 본 고안장치를 함께 도시한 사시도이다. 도 2는 태양광 발전 모듈과 본 고안장치를 함께 도시한 측면도이다.

상기 도 1과 도 2를 참조하면, 태양광 발전 모듈(10)은 태양광 발전 모듈 틀(11)과 태양광 모듈 외유리판(12)으로 둘러싸여 있다. 태양광 모듈 외유리판(12)은 외기에 노출되어 오염되기 쉬우며, 과도한 태양광 집광시 적정온도 이상으로 과열되어 태양광 발전량의 출력저하가 일어나기 쉽다. 또한 동절기 강설시 적설에 의한 태양광 발전 출력 저하가 발생한다.

태양광 발전 모듈(11)의 표면이 오염되어 광투과도가 저하되는 경우, 노즐 연결관(31)을 통해 공급된 수압을 갖는 물이 스프링 노즐(30)을 통과하여 태양광 모듈 외유리판(12)로 분사된다. 이 때 분사된 물이 형성한 충돌제트는 태양광 모듈 외유리판(12)의 오염물질을 압력과 모멘텀으로 날려버리게 된다.

스프링 노즐(30)은 수압에 의해 분사 방향과 각도가 변하게 되며 태양광 발전 모듈 외유리판(12) 전면을 포함할 수 있도록 설정하여 전체적인 세척작용이 일어날 수 있게 한다. 또 이 때 발생한 오수는 물받이(40)을 통해 집수될 수 있다.

태양광 발전 모듈(10)이 과열되어 태양광 발전효율이 감소할 경우, 세척시와 같은 방법으로 냉각수가 분사되어 증발을 이용한 잠열 방출로 태양광 발전 모듈(10)의 온도를 떨어뜨리게 된다.

태양광 발전 모듈 외유리판(12)에 눈 또는 낙엽이 쌓일 경우, 광투과량이 급속히 저하되어 태양광 발전량이 급감하게 된다. 이 경우에도 세척과 냉각시와 같은 방법으로 스프링 노즐(30)을 통해 물이 충돌제트를 발생시켜 모멘텀에 의한 물리적인 압력으로 태양광 모듈 외유리판(12) 전체에 대해 제설 작업을 수행한다. 또 한 작동수로 온수를 사용함으로써 제설효과를 좀더 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 고안장치를 태양광 모듈 어레이와 함께 나타낸 사시도이다. 상기 도3을 참조하여 설명하면, 태양광 발전소와 같이 태양광 모듈이 어레이 형태로 집적, 나열된 곳에서는 발전효율이 감소하는 상황에 따라 본 고안이 제공하는 세척, 냉각, 제설 작용이 적용될 수 있다. 또한 발생한 상당량의 오수를 물받이(40)을 통해 집수하여 처리할 수 있다.

도 4는 본 고안장치를 통해 분사된 물의 흐름을 나타낸 순서도이다. 상기 도4를 참조하여 설명하면, 물 탱크(50)에 저장된 물은 물 펌프(60)를 통해 노즐 연결관(31)으로 공급된다. 일정 수압을 갖는 물은 스프링 노즐(30)을 통해 각각의 태양광 발전모듈(10) 표면을 향해 충돌제트를 형성한다. 태양광 발전모듈(10)의 표면에서 세척, 냉각 또는 제설을 하고 난 이후의 오수는 물받이(40)를 통해 외부로 배출되게 된다.

도 5는 물 충돌제트의 단면을 도시한 개념도이다. 상기 도 5를 참조하여 설명하면, 충돌제트는 충돌면에서의 발생 모멘텀으로 오염물질과 눈, 낙옆 따위를 불어내는데 매우 적합하며, 열유동 측면에서도 냉각효과가 매우 뛰어나다. 이와 같은 이유로 공구의 절삭이나, 차량의 세척, 건물 외벽 등의 세척에 충돌제트는 매우 유용하게 쓰이고 있다.

도 1은 본 고안장치와 태양광 모듈을 함께 나타낸 사시도이다.

도 2는 본 고안장치를 나타낸 사시도이다.

도 3은 본 고안장치를 태양광 모듈 어레이와 함께 나타낸 사시도이다.

도 4는 본 고안장치를 통해 분사된 물의 흐름을 나타낸 순서도이다.

도 5는 물 충돌제트의 단면을 도시한 개념도이다.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 태양광 발전 모듈 {solar cell module}

11: 태양광 발전 모듈 틀 {solar cell module frame}

12: 태양광 발전 모듈 외유리판 {solar cell module outer glass}

20: 태양광 발전 모듈 지지대 {solar cell module support}

21: 태양광 발전 모듈 지지판 {solar cell module support panel}

30: 스프링 노

즐 {spring nozzle}

31: 노즐 연결관 {Flexible duct for nozzle}

40: 물받이 {Water collector}

50: 물탱크 {water tank}

60: 물펌프 {water pump}

Claims (6)

1. 태양광 모듈 외유리판(12)을 향해 직접 분사된 물 또는 물과 다른 첨가물의 혼합액체의 제트를 이용하여 자동 세척과 냉각 및 제설을 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
2. 제 1항에 있어서,

   수압에 의해 방향과 각도를 변화시키는 스프링 노즐(30)을 이용하여 태양광 모듈 외유리판(13)을 향해 물 또는 물과 다른 첨가물의 혼합액체 제트를 분사시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
3. 제 1항에 있어서,

   태양광 발전 모듈(10)의 표면에 대한 제설시, 스프링 노즐(30)을 통해 온수 또는 물과 다른 첨가물의 혼합액체를 사용하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
4. 제 1항에 있어서,

   스프링 노즐(30)을 통해 분사된 물 또는 물과 다른 첨가물의 혼합액체 제트가 태양광 발전 모듈(10) 표면 전체를 포함하도록 스프링 노즐(30)의 분사 방향과 분사 각도를 설치한 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
5. 태양광 발전 모듈(10)의 표면에 대해 세척, 냉각 및 제설 작용을 하고 난 이후의 오수에 대해 집수할 수 있도록 태양광 발전 모듈(10) 하단에 위치하여 오수가 흐를 수 있도록 한쪽 방향으로 구배를 갖는 물받이(40)를 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 도 3에서와 같이 태양광 발전 모듈(10)이 집적된 태양광 발전 모듈 어레이에서, 각각의 태양광 발전 모듈(10)의 표면에 대해 세척, 냉각 및 제설 작용을 하고 난 이후의 오수를 집수할 수 있도록 각각의 태양광 발전 모듈(10) 하단에 위치하여, 서로 연결되고 오수가 흐를 수 있도록 한쪽 방향으로 구배를 갖는 물받이(40)을 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.

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