KR20110079251A - Solar radiation and air convection heat transfer module - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A solar radiation and convection heat transfer module is provided to induce higher electricity generation efficiency by lowering an average driving temperature of a photovoltaic generation module caused by improved cooling effect. CONSTITUTION: A heat dissipation plate(300) and an air cooling fin are installed at a backside of a photovoltaic generation module(200). The heat dissipation plate(300) has the same heat transfer rate as that of the air cooling fin or has the heat transfer rate different from that of the air cooling fin. A cross sectional shape of the air cooling fin is rectangular, polygonal or cylindrical.

Description

대기와 대류 열전달 방열 태양광 모듈{Solar radiation and air convection heat transfer module}Solar radiation and air convection heat transfer module

본 발명은 태양광 발전 모듈(200)의 과열로 인한 발전량 감소를 막기 위해 태양광 발전 모듈(200)의 방열을 향상시키기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 태양광 발전 모듈(200) 후면에 공랭핀(400)을 설치하여 대기와의 열교환을 강화한 것을 특징으로 하는 구조를 제공한다.The present invention relates to a device for improving the heat dissipation of the photovoltaic module 200 in order to prevent a decrease in power generation due to overheating of the photovoltaic module 200, in particular an air-cooled fin ( 400) to provide a structure characterized in that the heat exchange with the atmosphere is strengthened.

태양광 발전이란, 태양 빛을 솔라셀 또는 태양광 모듈(200)에 집광시켜 전기를 발생시키는 것을 말한다. 태양광 모듈(200)은 태양광 전지의 집합체로 태양광 모듈(200)이 모여서 태양광 어레이를 이루며, 일반형, 창호형, 추적형, 하이브리드형등이 존재한다. 이러한 태양광 모듈(200)을 이용한 태양광 발전 원리는 광기전력 효과를 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 모듈(200)에 입사되었을 때, p형 반도체의 전도대의 전자가 입사된 광에너지에 의해 가전자대로 여기되고, 이렇기 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공쌍를 형성하게 되며, 이렇게 발생된 전자-정공쌍 중 전자는 p-n 접합 사이에 존재하는 전기장에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다.Photovoltaic power generation refers to the generation of electricity by condensing solar light on a solar cell or photovoltaic module 200. The photovoltaic module 200 is a collection of photovoltaic cells, the photovoltaic module 200 is gathered to form a photovoltaic array, and there are a general type, a window type, a tracking type, a hybrid type, and the like. The principle of photovoltaic power generation using the photovoltaic module 200 uses the photovoltaic effect. The generation of electromotive force is called the photovoltaic effect. For example, when light is incident on the photovoltaic module 200 from the outside, electrons in the conduction band of the p-type semiconductor are excited as valence bands by the incident light energy. The electron-hole pairs are formed, and the electrons in the electron-hole pairs thus generated are transferred to the n-type semiconductor by an electric field existing between pn junctions to supply current to the outside.

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 여타풍력이나 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.Unlike conventional energy sources based on fossil raw materials, solar energy is a clean energy source that does not cause the risks of greenhouse gas emissions, noise, and environmental degradation that cause global warming. There is no worry. The amount of solar energy available is 2,890 times the world's annual energy requirement as of 2005, and its location is free to install and low in maintenance cost unlike other wind and sea water. In addition, due to cost reduction and efficiency improvement due to technological innovation, the cost of power generation has decreased by more than one-third as of 2008 compared to the early 1990s, and the cost of power generation is expected to decrease further due to the development of technologies such as thin-film solar cells. Therefore, in Korea, where the scarce resources exist, there has been a great deal of movement to actively accept in terms of resource security.

온도가 상승할수록 태양광 셀의 효율은 감소하는 것은 1960년대 미국 프린스턴 대학의 위속키와 라파포트의 연구를 필두로 이미 여러 연구자들을 통해 확인되었다. 온도 상승으로 인한 태양광 셀의 발전효율의 감소는 기전력의 감소에 기인한다. 따라서 하절기와 같은 일사량이 많은 환경조건에서 발전효율을 유지하려면 태양광 발전 모듈(200)의 냉각이 반드시 필요하다.The decrease in solar cell efficiency with increasing temperature has been confirmed by several researchers, beginning with the work of Wiki and Raphaport at Princeton University in the 1960s. The decrease in power generation efficiency of photovoltaic cells due to temperature rise is due to the decrease in electromotive force. Therefore, cooling of the photovoltaic module 200 is necessary to maintain the power generation efficiency in a large amount of solar radiation such as summer.

현재 일반적으로 쓰이는 태양광 발전 모듈(200)의 효율은 약 15~16%의 값의 범위를 갖는다. 발전효율은 태양광 발전의 경제성을 결정짓는 가장 중요한 요인으로써, 지속적인 발전효율의 유지는 필수적이다. 또한 과열은 태양광전지의 수명을 단축시키는 요인이 되기도 하므로 냉각장치는 매우 필수적이라고 하겠다.Efficiency of the currently used photovoltaic module 200 has a value in the range of about 15 to 16%. Power generation efficiency is the most important factor in determining the economic feasibility of photovoltaic power generation, and it is essential to maintain continuous power generation efficiency. In addition, the cooling device is very essential because overheating can also shorten the life of the solar cell.

또한 태양광 발전의 특성상, 태양광 발전량은 계절별 집광량과 평균온도에 따라 변동성을 갖는다. 태양광 집광량이 최대인 하절기에 과다 일사량에 의한 태양광 모듈(200) 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.태양광 모듈(200) 내부로 냉매를 순환시키거나 또는 태양광 모듈(200) 내부의 공간에 냉매의 기화열을 이용하여 냉각을 수행하는 장치를 제시하였다.In addition, due to the characteristics of photovoltaic power generation, the amount of photovoltaic power generation varies according to seasonal concentration and average temperature. In the summer when the maximum amount of solar light is collected, overheating of the photovoltaic module 200 due to excessive solar radiation causes a decrease in power generation efficiency of 5 to 15% compared to the maximum value. Is observed. In the summer, when electricity demand is high, the problem of decreasing the amount of solar power generation can be seen as a major obstacle to distributed renewable energy-driven power demand policy. The refrigerant is circulated inside the solar module 200 or An apparatus for performing cooling using a vaporization heat of a refrigerant in a space inside the module 200 has been presented.

JP 62-303164, (HITACHI LTD)1989.6.9 ,JP 62-303164, (HITACHI LTD) 1989.6.9,

JP 10-321890 (HITACH CHEM CO LTD)1998.12.4JP 10-321890 (HITACH CHEM CO LTD)

종래의 태양광 모듈(200) 냉각 기술은 냉매를 순환시키거나 태양광 모듈(200) 내부의 공간에 냉매를 저장함으로써 냉매를 이용한 냉각효과를 기대했다. 그러나 냉매를 이용하는 경우에는 태양광 모듈(200)이 누설을 막을 수 있는 구조여야한다. 냉매는 대체로 환경에 유해한 경우가 많으므로 친환경 발전장치인 태양광 발전의 취지에도 정면으로 위배 된다고 볼 수 있다. 특히 계절변화에 따라 일사량이 많은 때에는 태양광 모듈(200)의 온도가 40~50℃ 이상 가열되고,동절기에는 영하로 내려가는 등 온도차에 의한 설비의 열변형은 냉매의 누설을 야기할 수 있는 위험성을 내포하고 있다. 태양광 설비는 십수년 이상의 장기운전을 요구하므로 내구성에서 문제가 있으면 곤란하다. 더군다나 대면적을 요구하는 발전특성상, 추후 수명이 다하여 태양광 모듈(200)을 폐기 또는 재활용시 발생할 수 있는 다량의 냉매는 처리비용이 발생할 여지가 크다. 또한 냉매는 일반적으로 부식성을 갖고 있으므로 이러한 냉매에 견디는 표면처리를 한 구조는 단가상승을 가져올 수 밖에 없다.Conventional photovoltaic module 200 cooling technology expected a cooling effect using the refrigerant by circulating the refrigerant or by storing the refrigerant in the space inside the photovoltaic module 200. However, when the refrigerant is used, the solar module 200 should have a structure capable of preventing leakage. Since refrigerants are often harmful to the environment, they can be said to violate the purpose of solar power generation, an eco-friendly power generation device. In particular, when there is a large amount of insolation due to seasonal changes, the temperature of the solar module 200 is heated to 40 to 50 ° C. or more, and in the winter, the thermal deformation of the equipment due to the temperature difference may cause leakage of refrigerant. It is implicated. Since solar installations require long term operation of more than a few decades, it is difficult if there is a problem in durability. Furthermore, due to the power generation characteristics requiring a large area, a large amount of refrigerant that may occur when the solar module 200 is disposed or recycled after the end of its lifetime has a high processing cost. In addition, since the refrigerant is generally corrosive, the surface-treated structure that withstands such a refrigerant has a price increase.

따라서 냉매를 사용하지 않으면서 열교환 효율이 높은 구조의 냉각장치가 절실히 요구된다. 실제 태양광 발전소 현장에서 냉각을 위해 수냉방식과 함께 고려하는 것이 풍량, 즉 공랭방식이다. 수냉방식의 경우, 발생오수의 처리와 수냉장치 작동여부를 판단하는 능동적인 제어장치가 필요하지만, 본 발명장치는 그러한 복잡한 설비가 필요하지 않다. 또한 풍량이 클 경우, 수랭방식은 물분사 방향 조절에 어려 움을 겪지만, 공랭식의 경우 냉각효과가 풍량에 비례한다.Therefore, there is an urgent need for a cooling device having a high heat exchange efficiency without using a refrigerant. It is the air volume, or air-cooling, that is considered along with the water cooling system for cooling in the actual solar power plant site. In the case of the water cooling method, an active control device for treating the generated wastewater and determining whether the water cooling device is operated is required, but the present invention device does not require such complicated equipment. In addition, when the air volume is large, the water cooling method is difficult to control the water spray direction, but in the case of the air-cooling method, the cooling effect is proportional to the air volume.

그러나 기존의 설비들은 단순히 태양광 모듈(200)을 펼쳐 나열해 놓은 구조에 불과하며, 특히 공랭방식의 경우, 태풍이나 돌풍에 의해 태양광 모듈(200)이 손상될 수 있으므로, 이에 대한 고려를 하지 못하고 있는 실정이다. 태양광 발전에 있어서 바람이라는 환경요인은 모듈(200)을 손상시킬 수 있는 불안정 환경 요소로 취급되었으나, 사실은 냉각을 위한 더없이 좋은 무료 자원임에 적당한 풍량도 중요한 입지요소로 시각을 달리할 필요가 있다고 판단된다.However, the existing facilities are merely a structure in which the solar modules 200 are unfolded and arranged. In particular, in the case of the air cooling method, the solar module 200 may be damaged by a typhoon or a gust, so no consideration is given to this. I can't do it. In the solar power generation, environmental factors such as wind have been treated as unstable environmental factors that can damage the module 200, but in fact, it is a good free resource for cooling, and the proper amount of air is also an important location factor. I think that.

상기 언급한 태양광 발전 모듈(200)의 과열로 인한 발전 효율저하 문제를 개선하기 위해서, 본 발명은 태양광 발전 모듈(200) 후면에 방열판(300)과 공랭핀(400)을 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(200) 냉각 장치를 제공한다.In order to improve the power generation efficiency degradation problem due to overheating of the above-mentioned photovoltaic module 200, the present invention is characterized in that the heat sink 300 and the air-cooled fin 400 in the rear of the photovoltaic module 200 It provides a solar power module 200 cooling device.

본 발명은 상기 방열판(300)과 공랭핀(400)에 있어서 서로 열전달율이 같은 재질 또는 서로 열전달율이 다른 재질을 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(200) 냉각 장치를 제공한다.The present invention provides a photovoltaic module 200 cooling device, characterized in that the heat sink 300 and the air-cooled fin 400 has a material having the same heat transfer rate or a different heat transfer rate.

본 발명은 상기 공랭핀(400)에 있어서 공랭핀(400)이 그 단면의 형상이 직사각형 또는 다각형 또는 원통형인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(200) 냉각장치를 제공한다.본 발명은 상기 공랭핀(400)에 있어서 단면적이 변화하거나 또는 일정한 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(200) 냉각장치를 제공한다.본 발명은 상기 공랭핀(400)에 있어서 그 배치가 일렬로 정렬되어 있거나, 서로 엇갈린인 것 을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(200) 냉각장치를 제공한다.본 발명은 상기 공랭핀(400)에 있어서 그 배치가 무작위인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 모듈(200) 냉각장치를 제공한다.The present invention provides a cooling apparatus for a solar power module 200, characterized in that the air-cooled fin 400 in the air-cooled fin 400, the cross-sectional shape is rectangular, polygonal or cylindrical. Provided is a solar cell module 200 cooling device, characterized in that the cross-sectional area of the fin 400 is varied or constant. The present invention provides that the air-cooled fin 400 is arranged in a row or aligned with each other. Provided is a solar cell module 200 cooling device characterized in that the staggered. The present invention provides a solar cell module 200 cooling device characterized in that the arrangement is random in the air cooling fin (400). to provide.

본 발명장치를 통해서 기존의 태양광 발전 모듈(200)에 비해 강화된 냉각효과를 기대할 수 있다. 강화된 냉각효과로 인해 태양광 발전 모듈(200)의 평균 운전 온도가 하강함으로써 좀더 높은 발전효율을 유도할 수 있을 것이다.Through the present invention can be expected to enhance the cooling effect compared to the conventional photovoltaic module 200. Due to the enhanced cooling effect, the average operating temperature of the photovoltaic module 200 may be lowered to induce higher power generation efficiency.

또한 공랭식은 상대적으로 간단한 구조를 갖고, 작동부가 부재하므로 장기적인 운전에도 높은 항상성과 견고한 내구성을 갖는다.In addition, the air-cooled type has a relatively simple structure, and since there is no moving part, it has high homeostasis and solid durability even in long-term operation.

또한 본 발명장치가 제시한 구조는 대기의 복사 열전달과 대류 열전달을 강화할 수 있는 핀 구조로 형성되어 있어서 방열효과는 극대화하면서 동시에 풍압의 영향을 줄일 수 있다. 또한 부수적으로 태양광 발전 모듈(200)에 지지체 역할을 함으로써 향상된 정역학적 구조를 제공할 수 있다.In addition, the structure proposed by the apparatus of the present invention is formed in a fin structure that can enhance radiant heat transfer and convective heat transfer in the atmosphere, thereby maximizing a heat dissipation effect and at the same time reducing the influence of wind pressure. In addition, it can additionally provide an improved hydrostatic structure by acting as a support for the photovoltaic module 200.

덧붙여 본 발명장치가 제안한 태양광 발전 모듈(200)에 바람을 고려한 공랭효과에 대한 주목은 향후 태양광 발전의 입지선정에도 중요한 환경 고려 요소로 자리잡을 것으로 기대된다.In addition, attention to the air-cooling effect considering the wind in the photovoltaic module 200 proposed by the present invention is expected to become an important environmental consideration factor in the location selection of photovoltaic power generation in the future.

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 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.DETAILED DESCRIPTION A detailed description of preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. In the following, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

전도된 열량은 공랭핀(400)을 통해 대기중으로 대류와 복사 열전달을 통해 방출되어 진다. 이 때 핀튜를 통해 대기중으로 방열되는 열량은 공랭핀(400)의 단면적과 재질의 열전달률, 그리고 공랭핀(400)과 대기의 온도차에 의해 결정된다.The conducted heat is released through convection and radiant heat transfer into the atmosphere through air cooling fins 400. At this time, the amount of heat radiated to the air through the pintu is determined by the cross-sectional area of the air-cooled fin 400 and the heat transfer rate of the material, and the temperature difference between the air-cooled fin 400 and the atmosphere.

공랭핀(400)의 배치는 방열효율을 극대화하기 위해 정렬된 연속되는 공랭핀(400)의 배치와 또는 엇갈린 공랭핀(400)의 배치 또는 직사각형 형상의 공랭핀(400)의 모습을 갖을 수 있다. 상기 공랭핀(400) 구조는 표면적을 극대화하여 열전달율을 강화하고, 반면 공랭핀(400)과 냉각판이 없는 일반 태양광 발전 모듈(200) 구조보다 풍압에 의한 스트레스에 대해 상대적으로 강하다.The arrangement of the air-cooled fin 400 may have the arrangement of the continuous air-cooled fins 400 aligned to maximize the heat dissipation efficiency or the arrangement of the staggered air-cooled fins 400 or the rectangular air-cooled fins 400. . The air-cooled fin 400 structure to maximize the surface area to enhance the heat transfer rate, while the air-cooled fin 400 and the cooling plate is relatively stronger than the stress caused by the wind pressure than the general photovoltaic module 200 structure.

도 1은 본 발명장치(정렬된 핀 배치)와 태양광 발전 모듈(200)(10)을 함께 나타낸 측면도Figure 1 is a side view showing the present invention device (aligned pin arrangement) and the photovoltaic module 200, 10 together

Claims (1)

태양광 발전 모듈(200) 후면에 방열판(300)과 공랭핀(400) 또는 공랭핀(400)과;A heat sink 300 and an air cooling fin 400 or an air cooling fin 400 at the rear of the solar power module 200; 서로 열전달율이 같은 재질 또는 서로 열전달율이 다른 재질과;A material having the same heat transfer rate or a material having a different heat transfer rate; 상기 공랭핀(400)이 그 단면의 형상이 직사각형 또는 다각형 또는 원통형인 것을 특징으로 하는 대기와 대류 열전달 방열 태양광 모듈(200)Atmospheric and convective heat transfer heat dissipation photovoltaic module (200), characterized in that the air cooled fin (400) has a rectangular, polygonal or cylindrical shape in cross section.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019165505A1 (en) * 2018-02-27 2019-09-06 Newsouth Innovations Pty Limited Apparatus for cooling a photovoltaic module

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