KR20090119647A - 광기전력 모듈용 판형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 모듈(10)을 냉각 또는 가열하기 위해 태양광 모듈(10) 후면에 열매체가 흐를 수 있는 채널(21)이 형성된 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)을 부착하는 것을 특징으로 하는 구조를 제공한다.

최근 태양광 모듈(10)은 대면적화, 무인화, 건물 집적화의 추세를 보이며 확산일로에 있다. 그런데, 태양광 모듈(10)의 온도상승은 태양광 모듈(10)의 발전 출력을 하강시킨다. 또한 동절기 강설로 인해 태양광 모듈(10) 표면에 적설상태가 방치되면 태양광 모듈(10)의 발전 출력이 하강한다.

태양광 모듈(10)의 출력 저하를 야기하는 상기 문제점들을 해결하기 위해서 본 발명은 태양광 모듈(10) 후면에 열매체가 흐를 수 있는 채널(21)이 형성된 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)를 부착하여 태양광 모듈(10)로부터 강화된 열전달을 유도하는 구조를 제공한다. 이 때 열매체를 공급하기 위하여, 펌프(30)를 이용하거나 또는 수도압을 이용하는 방법을 제공한다. 태양광 모듈(10)의 온도 측정값에 따라 제어기에서 전기적 신호가 발생하여, 냉수가 상기 채널(21)이 형성된 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)를 통과하면서 태양광 모듈(10)로의 열전달을 발생시킨다. 또한 동절기 강설로 인한 적설시, 열매체로 온수를 사용함으로써 태양광 모듈(10) 표면의 제설작용을 수행할 수 있다.

기존의 핀튜브를 이용해 태양광 모듈(10)의 냉각을 유도하는 방식에 비해 본 발명은 기하학적으로 평판형 성상을 갖는 태양광 모듈(10) 표면 전체에 대해 상 대적으로 균일한 열전달 효과를 높일 수 있는 평판형 열교환 장치를 제공한다. 또한 본 발명은 단위 체적당 표면적이 높아서 열전달 효과가 강화된 채널(21)이 형성된 판형 구조체를 제공함으로써, 기존의 방식에 비해 우수한 열전달 효과를 기대할 수 있다.

태양광, 채널, 열전달, 냉각, 제설

Description

광기전력 모듈용 판형 열교환기{Plate Heat exchanger for photovoltaic module}

본 발명은 태양광 모듈을 냉각 또는 가열하기 위해 태양광 모듈 후면에 열매체가 흐를 수 있는 채널이 형성된 판을 부착하는 것을 특징으로 하는 구조를 제공한다.

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 이룬다. 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 전도대(conduction band)의 전 자(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 활발히 일어나고 있다.

온도가 상승할수록 태양광 셀{photovoltaic solar cell}의 효율은 감소하는 것은 1960년대 미국 프린스턴 대학의 위속키{Joseph J. Wysocki}와 라파포트{Paul Rappaport}의 연구를 필두로 이미 여러 연구자들을 통해 확인되었다. 온도 상승으로 인한 태양광 셀의 발전효율의 감소는 기전력{O.C.V(open circuit voltage)}의 감소에 기인한다. 따라서 하절기와 같은 일사량이 많은 환경조건에서 발전효율을 높게 유지하려면 태양광 발전 모듈의 냉각이 반드시 필요하다. [문헌 1] Joseph J.W., Paul R. Effect of Temperature on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 1959, J. of Applied Physics Vol.31,571-578.

현재 일반적으로 쓰이는 태양광 발전 모듈의 효율은 약 15~16%의 값의 범위를 갖는다. 발전효율은 태양광 발전의 경제성을 결정짓는 가장 중요한 요인으로써, 시간에 따른 출력감소 요인을 제거하여 지속적인 발전효율의 유지가 필수적이다.

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. 전력수요가 많은 하절기에 오히려 태양광 발전량이 감소하는 문제는 분산발전 위주의 신재생 에너지 이용 전력수요정책에 큰 걸림돌이라고 볼 수 있다.

또한 동절기 강설로 인한 태양과 모듈 표면의 적설상태가 방치되면, 적설상태가 유지되는 동안에는 태양광 발전이 어렵다.

이러한 상기 문제점들에 대응하기 위해 태양광 모듈의 냉각과 제설에 관련된 태양광 모듈 관리 기술들이 종래에 제시된 바 있다. 태양광 모듈의 냉각을 위해 태양광 모듈의 후면에 냉매가 흐르는 핀튜브를 장착시켜는 방식과 태양광 모듈 후면에 냉매를 넣고 온도변화에 따라 증발과 응축을 반복하며 태양광 모듈을 냉각하는 방식이 있다. [문헌 2]JP 1998321890, (HITACHI CHEM CO LTD) 1998.12.4, [문헌 3] JP 1989148037, (HITACHI LTD), 1989.6.9. 또 다른 방식의 종래의 기술로써 태 양광 모듈 상부에서 물을 흘려주는 방식을 꼽을 수 있다. [문헌 3] DE10028093 (MUELLER FRIEDRICH UDO) 2001.12.13. [문헌 4] JP59150484 (TOKYO SHIBAURA ELECTRIC CO) 1984.8.28, [문헌 5] KR20-2007-0001305 (김경숙, 김인찬) 2007.12.20.

종래의 태양광 모듈을 냉각하거나 또는 제설하는 태양광 모듈 관리에 관련된 기술들을 살펴보면, 몇 가지 문제점이 상존한다. 우선, 물 이외의 냉매를 사용할 경우는 냉매에 의한 추가적인 환경파괴와 비용발생 문제를 야기한다. 대면적을 요구하는 태양광 발전의 경우, 다량의 냉매 사용이 불가피하므로 냉매의 누설 또는 폐기시에 발생할 수 있는 냉매 처리 문제는 간과할 수 없다. 또한 핀 튜브를 이용해 태양광 모듈을 냉각시키는 기술의 경우, 핀 튜브는 열전달을 강화할 수 있으나, 평판 대면적의 특성을 갖는 태양광 모듈의 기하학적 특성상 핀 튜브는 적당하지 않다. 마지막으로 기존의 태양광 모듈 냉각 기술들은 태양광 모듈의 냉각에만 초점을 맞추어 제설작용을 할 수 없다.

상기 언급한 문제들을 개선하기 위해, 본 발명은 태양광 모듈 후면에 열매체가 흐를 수 있는 채널이 형성된 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)를 부착하는 것을 특징으로 하는 구조를 제공한다.

상기 열매체가 흐를 수 있는 채널이 형성된 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)의 면적은 상기 태양광 모듈(10)의 면적 이하로 설정하여 일정한 면적을 갖는 여러 장의 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)가 다양한 면적의 태양광 모듈(10)에 대해 설치가 가능하게 한다.

도 4를 참조하여 설명하면, 태양광 모듈(10)의 온도를 측정한 열전대(42)의 측정값이 설정치 이상 상승하면 제어기(40)에서 전기신호가 발생하여 펌프(30)를 가동시켜 저장소(32)에 있던 냉수가 연결관(31)을 통해 태양광 모듈(10) 후면에 위치한 채널이 형성된 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)내 채널(21)로 흘러 들어간다.

도 4를 참조하여 설명하면, 태양광 모듈(10) 표면의 적설을 육안으로 확인시, 제어 스위치(41)에서 발생한 전기신호에 의해 온수 밸브(37)가 열려서 온수가 저장소(32)로 흘러들어가서 저장소(32)내의 물의 온도를 측정한 열전대(43)의 측정치가 설정치 이상으로 상승하도록 한다.

도 4를 참조하여 설명하면, 태양광 모듈(10) 표면의 적설을 육안으로 확인시, 제어 스위치(41)에서 발생한 전기신호에 의해 펌프(30)가 작동하여 설정치 온도 이상을 갖는 저장소(32)내의 온수가 연결관(31)을 통해 태양광 모듈(10) 후면에 위치한 채널이 형성된 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)내 채널(21)로 흘러 들어간다.

도 4를 참조하여 설명하면, 저장소(32)내의 수위가 일정 수위 이상 되면 저장소(32)로부터 물을 배출시켜서 저장소(32)의 수위를 유지한다.

도 5를 참조하여 설명하면, 태양광 모듈(10)의 온도를 측정한 열전대(42)의 측정값이 설정치 이상 상승하면 제어기(40)에서 전기신호가 발생하여 냉수 밸브(36)가 열려서 냉수가 연결관(31)을 통해 태양광 모듈(10) 후면에 위치한 채널이 형성된 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)내 채널(21)로 흘러 들어간다.

도 5를 참조하여 설명하면, 태양광 모듈(10) 표면의 적설을 육안으로 확인 시, 제어 스위치(41)에서 발생한 전기신호에 의해 온수 밸브(37)가 열려서 온수가 연결관(31)을 통해 태양광 모듈(10) 후면에 위치한 채널(21)이 형성된 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)내 채널(21)로 흘러 들어간다.

도 5를 참조하여 설명하면, 태양광 모듈(10) 후면의 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)를 통과한 물이 재사용될 수 있도록 회수되어 설치 건물 또는 설치 사이트내 사용처로 공급될 수 있도록 한다.

본 발명장치는 종래의 기술에 비해 체적당 표면적이 큰 채널구조를 갖기 때문에 열전달 효과가 우수하다. 또한 본 발명장치의 형상은 평판형이기 때문에 단면이 원형인 기존의 핀튜브보다 태양광 모듈(10)에 대한 열전달 효과가 뛰어나다. 본 발명이 제공하는 여러 장의 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)를 나열하여 설치하면 다양한 면적의 태양광 모듈(10)에 열전달을 수행할 수 있다. 따라서 각각의 특정 면적을 갖는 태양광 모듈에 맞추어 핀튜브를 설치해야 하는 종래 기술보다 설치비용이 저렴하다. 또한 본 발명이 제공하는 방법은 열매체로써 온수를 사용함으로써 냉각기능만을 갖는 종래 기술에 비해 태양광 모듈(10) 표면의 제설이 가능하다.

물 이외의 냉매를 사용하는 종래 기술에 비해 친환경적이고, 처리비용이 들지 않으며, 본 발명장치가 제공하는 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)를 지난 물은 재사용할 수 있으므로 에너지 절약과 비용측면에서 매우 효과적이다.

종래 살수방식의 태양광 모듈(10)의 냉각은 물 낭비가 심하고 살수 후 오수 처리가 어렵다. 태양광 모듈(10)이 건물에 일체화 되가는 추세에 따라 살수에 비해 본 발명장치는 효과적인 냉각과 물회수 측면에서 유리하다.

본 발명장치는 태양광 모듈의 온도를 측정하여, 냉각 또는 제설이 필요한 상황에 따라 태양광 모듈에 대한 무인관리 시스템을 제공한다. 본 발명을 통해 십수년 이상 외부환경에서 발전출력을 유지해야 하는 태양광 발전에 있어서 효율저하를 경제적으로 방지하여, 태양광 발전의 수익성 재고와 이를 통한 태양광 발전의 보급확산에 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

이하 본 발명의 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 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)을 태양광 모듈(10)과 함께 나타낸 모습은 도 1에서 나타내고 있는 바와 같다. 도 1은 본 발명장치와 태양광 모듈(10)을 함께 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 발명장치와 태양광 모듈(10)을 함께 나타낸 분해도이다. 도 3은 본 발명장치를 나타낸 사시도이다. 상기 도 1을 참조하면, 태양광 모듈(10)의 후면에 본 발명장치가 제공하는 열매체가 흐르는 채널(21)이 형성된 판형 열교환기(20)가 설치된다. 집광에 의해 태양광 모듈(10)의 온도가 설정치 이상 상승하면 열전대(42)의 측정값을 제어기(40)가 판단하여 펌프(30)를 작동시키거나, 밸브(36)을 열어서 채널(21)로 냉수가 흐르게 한다. 채널(21)내 흐르는 냉수는 태양광 모듈(10)의 열량을 빼앗아 냉각작용을 일으킨다. 상기 도 2를 참조하면 본 발명장치가 제공하는 열매체가 흐를 수 있는 채널(21)이 형성된 판형 열교환기(20)는 태양광 모듈(10)의 면적에 비해 같거나 작은 면적으로 제작되어, 여러 장의 판형 열교환기(20)를 설치함으로써 다양한 크기의 태양광 모듈(10)의 열교환에 적합하다. 상기 도 3을 참조하면, 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)는 열매체가 흐를 수 있는 다수의 채널(21)로 이루어져 있다.

본 발명이 제공하는 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20)에 열매체를 공급하는데 있어서, 저장소(32)와 펌프(30)를 이용하는 경우와 수도압을 이용하는 경우로 두 가지 방법을 제시한다.

도 4는 본 발명장치가 물을 공급하는 저장소(32)와 전기신호에 의해 구동되는 펌프(30)와 연결된 경우를 나타낸 개념도이다. 도 4를 참조하면, 태양광 모듈(10)에 설치된 열전대(42)의 측정값이 설정치 이상으로 상승하면 제어기(40)에서 전기신호가 발생하여 펌프(30)를 가동하여 저장소(32)에 있는 냉수를 채널(21)내로 흐르게 한다. 태양광 모듈(10)의 적설시 제어 스위치(41)를 조작하여 펌프(30)를 가동해 저장소(32)내 온수를 채널(21)내로 공급한다. 채널(21)을 지난 물은 다시 저장소로 모여서 일정 수위가 넘으면 배수관(33)을 통해 배출되게 된다. 저장소(32)에 설치된 열전대(43)의 측정값을 통해 제어기(40)에서 전기신호를 보내 필 요한 온수와 냉수를 밸브(36,37)를 여닫아 저장소(32)로 공급한다.

도 5는 본 발명장치가 설치 건물 또는 설치 사이트내 냉수/온수 수도관과 연결된 경우를 나타낸 개념도이다. 도 5를 참조하면, 상기 동작과 마찬가지로 냉수와 온수를 제어기(40)의 전기 신호를 통해 밸브(36,37)를 개폐하여 공급할 수 있다. 이 경우, 채널(21)을 통과한 물은 태양광 모듈(10)과의 열교환 이후, 건물이나 사이트의 용수처로 공급되어 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명장치와 태양광 모듈(10)을 함께 나타낸 사시도이다.

도 2는 본 발명장치와 태양광 모듈(10)을 함께 나타낸 분해도이다.

도 3은 본 발명장치를 나타낸 사시도이다.

도 4는 본 발명장치가 물을 공급하는 저장소(32)와 전기신호에 의해 구동되는 펌프(30)와 연결된 경우를 나타낸 개념도이다.

도 5는 본 발명장치가 설치 건물 또는 설치 사이트 내 냉수/온수 수도관과 연결된 경우를 나타낸 개념도이다.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 태양광 모듈{solar photovoltaic module}

11: 태양광 모듈 지지대{solar photovoltaic module supporter}

20: 열전달용 채널판{channeled plate for heat transfer}

21: 채널{channel}

30: 펌프{pump}

31: 연결관{connecting pipe}

32: 저장소{reservoir}

33: 배수관{outlet}

34: 냉수 유입관{cold water inlet}

35: 온수 유입관{hot water inlet}

36: 냉수 밸브{cold water valve}

37: 온수 밸브{hot water valve}

40: 제어기{controller}

41: 제어 스위치{control switch}

42: 태양광 모듈 측정 열전대{thermocouple for PV module}

43: 저장소 측정 열전대{thermocouple for reservoir}

Claims (7)

1. 열매체가 흐를 수 있는 하나 또는 하나 이상의 채널(21)이 형성되어 있는 판형 구조물이 태양광 모듈(10) 후면에 설치되어 열교환을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20).
2. 제 1항에 있어서,

   태양광 모듈(10)의 온도가 설정치 이상으로 상승하면,

   태양광 모듈(10)에 설치한 열전대(42)의 측정값이 설정치 이상 상승하게 되어, 제어기(40)로부터 전기신호가 발생하여,

   밸브(36)를 열거나, 펌프(30)를 작동시켜, 상기 채널(21)을 통해 냉수를 흘려보내는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20).
3. 제 1항에 있어서,

   태양광 모듈(10)의 적설시,

   밸브(36)을 열거나, 펌프(30)를 작동시켜, 상기 채널(21)을 통해 온수를

   흘려보내는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20).
4. 제 1항에 있어서,

   상기 판형 구조물의 태양광 모듈(10) 후면과의 접촉 면적이 태양광 모듈(10) 후면의 전체 면적의 이하이고,

   여러 장의 판형 구조물을 연결하여 설치할 수 있고,

   태양광 모듈 지지대(11)에 연결하거나 또는 태양광 모듈(10) 후면에 직접 설치할 수 있는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20).
5. 제 1항에 있어서,

   채널(21)을 통과한 물을

   저장소(32)에 저장한 이후 또는 저장소(32)에 저장하지 아니하고 바로

   설치 건물이나 사이트에서 사용할 수 있도록 배관한 것을

   특징으로 하는 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20).
6. 제 1항에 있어서,

   상기 채널(21)로 열매체를 흘려보내는데 있어서,

   제어기(40)를 통한 자동제어방식 또는 조작자의 임의적인 판단에 의한 수동제어 를

   필요에 따라 택일하여 선택할 수 있도록 한

   것을 특징으로 하는 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20).
7. 제 1항에 있어서,

   저장소(32)내의 수위가 일정 수위 이상 되면 저장소(32)로부터 물을 배출(33)시켜서 저장소(32)의 수위를 유지하는 것을 특징으로 하는 광기전력 모듈용 판형 열교환기(20).

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