KR20110090824A - 다중 광전지(ｐｖ) 태양광 패널 및 열 효율 - Google Patents

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KR20110090824A
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아미 엘라자리
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티.오.유 밀레니엄 일렉트닉 리미티드
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Abstract

본 발명의 태양광 패널은 태양 전지의 배열물, 냉각 장치, 및 태양 전지를 냉각 핀에 열적으로 연결하는 열 접착제(thermal glue)를 포함한다. 전체를 프레임 및 지지물에 밀봉할 수 있다. 열 접착제는 실리콘 크림, 또는 실리콘 크림과 금속 입자의 혼합물일 수 있다.

Description

다중 광전지(ＰＶ) 태양광 패널 및 열 효율{MULTI SOLAR PHOTOVOLTAIC (PV) PANEL AND THERMAL EFFICIENCY}
본 발명은 일반적으로 태양 에너지의 용도에 관한 것이며, 더욱 특히 다중 태양광 패널로 공지된 광전지를 사용하는 태양 에너지의 전기 및 열 에너지로의 전환에 관한 것이다. 더욱 특히, 그러나 비배제적으로, 본 발명은 태양 전지와 관련된 열 효율 이슈, 및 광전지 태양광 패널의 범위에서의 이 이슈에 대한 해결책에 관한 것이다.
태양 에너지의 열 또는 전기 에너지로의 전환은 광전지 배열물(array), 태양 에너지의 수동 흡수기, 태양로 등과 같은 시스템을 이용할 수 있다. 이들 시스템은 태양 에너지의 열 및 전기 에너지로의 동시 전환에 대해서도 제안하였다. 그러나, 이들 시스템은 태양 전지 아래에 장착된 평판형 집열기 또는 밀봉된 태양열 집열기 동봉물과 같은 제작하기 복잡한 장치를 이용한다.
전기 및 태양 에너지 양쪽을 동시에 생산하는 시스템을 다중 태양광 시스템이라고 지칭한다.
현재, 태양 에너지 시장의 큰 발전과 함께, 여전히 태양 에너지를 열 및 전기 에너지로 전환시키기 위한 간단하고 신뢰성 있으며 저렴한 시스템에 대한 수요가 존재한다.
PV/T(광전지/열) 급탕 시스템(domestic system)은 시스템에서 발생하는 열을 양호하게 이용할 수 있다. 예컨대 커버가 있는 것 또는 없는 것, 물 또는 공기 유형 등 다양한 유형이 사용 가능하다. 도 5는 PV 패널의 냉각에 물 및 공기 양쪽을 사용하는 본 출원인에 의한 종래의 제안을 도시한다. 생성된 에너지를 빌딩의 급탕 온수 생성(DHW) 및 방 가열에, 그리고 또한 산업적 용도 및 열병합 발전을 이용하여 열로부터 전기를 생성하는 데에 사용할 수 있다. PV 패널의 냉각으로 시스템의 전기 출력이 개선 가능해진다. 또한, 패널은 빌딩의 정면 또는 지붕에 통합할 수 있다.
도 5에 도시된 제안은 단일 집적 시스템을 이용하여 태양 에너지를 동시에 열 에너지 및 전기 에너지로 전환할 수 있게 하는 열병합 발전 태양 장치이다. 이 시스템은 하기를 결합하여 형성된 태양 에너지 수거 장치이다:
1. 광의 가시광 스펙트럼을 수집할 수 있는 PV 모듈: 이는 임의의 상업적 기술을 기초로 한 모듈일 수 있다.
2. 스펙트럼의 가시광선 및 자외선 측을 수집하고, 전기를 생성하는 PV 전지를 냉각시키고, 빌딩의 열 에너지 제어에 사용 가능한 열을 생성하는 집열기인 태양 PV/열 시스템. 광전지 (PV)/집열기는 빌딩을 둘러싸고 물/기류를 제공하며 열을 포획하여 절연 탱크에 저장하며 열을 살이 있는 환경의 열 제어에 사용 가능하게 하는, 살아 있는 피부로서의 역할을 하는 빌딩 정면을 제공하는 정면 지붕 기와 패널을 제공하는 데에 사용될 수 있으며, 동시에 물의 흐름에 의해 냉각된 PV 전지는 급탕 용도를 위한 더 높은 전기를 생성시킨다.
3. 패널 및 타일과 같은 구조적 빌딩 부재. 이 시스템은 예컨대 빌딩의 커버 지붕 또는 벽이 되는 구조적 역할을 이행하기에 충분히 강하게 설계된다.
집열기에서, 급탕 온수(DHW) 편평 판형 그릴 패널이 가장 높은 태양열 복사선에 노출될 수 있고, PV 모듈의 후방에 위치할 수 있으며, 빌딩의 지붕의 개방 표면에 통합될 수 있다. 패널은 임의의 필요한 전력 부품과 완전히 통합될 수 있다.
이 시스템은 PV 패널 및 전지와 태양 냉각 장치의 통합을 포함하는데, 이는 단일 장치를 이용하여 전기와 열을 동시에 생성시키기 위해 태양 에너지를 이용하게 할 수 있다. 물이 PV 패널 후면 상의 그릴 내 파이프에 흘러서 PV 전지를 냉각시키고, 이에 따라 이의 상대적 효율을 증가시키면서 동시에 급탕(또는 드물게는 산업적) 용도를 위한 열을 수집한다.
또한, 이 시스템은 다른 장점을 제공한다. 2개의 장치, 즉 PV 시스템 및 열 시스템을 연결함으로써, PV 전지의 작동 온도를 감소시켜 특히 전지의 기계적 구조의 열 응력과 관련된 작동 수명 및 전기 효율을 증가시킬 수 있다. 사실, 이 시스템은 PV 전지 너머에 적당한 물 및 공기의 순환을 가능하게 하여, 전지의 효율을 개선시키고, 종래의 태양-열 부재와 똑같이 열을 수집한다.
그럼에도 불구하고, 상기 기재한 구조와 관련하여 열 전달 이슈가 발생한다. 이들은 본 발명의 구체예에 의해 해결된다.
발명의 개요
태양 전지를 열 냉각 장치(cooling arrangement)에 부착시키는 데에 열 접착제(thermal glue)를 사용할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면,
태양 전지의 배열물;
냉각 핀을 포함하는 냉각 장치; 및
태양 전지를 냉각 핀에 열적으로 연결하는 열 접착제
를 포함하는 태양광 패널이 제공된다.
일구체예에서, 열 접착제는 실리콘 크림을 포함한다.
일구체예에서, 열 접착제는 금속 입자를 함유한다.
일구체예에서, 금속 입자는 아연 분말을 포함한다.
일구체예에서, 금속 입자는 아연 분진을 포함한다.
일구체예에서, 금속 입자는 구리 줄밥(filing)을 포함한다.
일구체예에서, 열 접착제는 냉각 핀과 태양 전지 사이의 부정확한 정렬과 관계 없이, 냉각 핀과 태양 전지 사이에 열 평형을 제공한다.
구체예는 열 접착제에 대해 냉각 장치를 압착하기 위한 지지 구조물(backing structure)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 실리콘 크림 및 거기에 혼합된 금속 입자를 포함하는 조성물이 제공된다.
일구체예에서, 금속 입자는 아연을 포함한다.
일구체예에서, 금속 입자는 아연 분말을 포함한다.
일구체예에서, 금속 입자는 아연 분진을 포함한다.
일구체예에서, 금속 입자는 구리를 포함한다.
일구체예에서, 금속 입자는 구리 줄밥을 포함한다.
일구체예에서, 금속 입자는 조성물의 10 내지 50 중량%를 구성한다.
일구체예에서, 금속 입자는 실질적으로 조성물의 30 중량%를 구성한다.
일구체예에서, 물질은 열 전도도가 0.9 이상, 바람직하게는 0.99이다.
본 발명의 제3 측면에 따르면,
태양 전지의 배열물을 제공하는 단계;
냉각 장치를 제공하는 단계; 및
열 접착제를 사용하여 상기 냉각 장치를 상기 태양 전지에 부착시키는 단계
를 포함하는 태양광 패널의 제조 방법이 제공된다.
구체예는
PV 프레임을 제공하는 단계; 및
상기 프레임 뒤에 지지물(backing)을 고정시켜 상기 열 접착제 및 상기 태양 전지의 배열물에 대해 상기 냉각 장치를 압착하는 단계
를 추가로 포함할 수 있다.
구체예에서, 냉각 장치는 상기 태양 전지의 배열물과의 열 평형을 설정하기 위한 핀을 포함하는 물 또는 액체 냉각 그릴을 포함하며, 상기 태양 전지를 향한 상기 그릴의 표면에 상기 열 접착제를 바른다.
구체예는 냉각 장치를 지지물에 밀착시키기 위해 알루미늄 지지체 구조물을 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체예는 격리(isolaton) 중합체로 냉각 구조물을 덮는 단계를 수반할 수 있다.
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속한 분야의 당업자가 보통 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 제공된 재료, 방법 및 예는 단지 예시적인 것으로서, 한정하려 하는 것이 아니다.
용어 "예시적인"은 본 명세서에서 "예, 경우 또는 예시로서 작용하는"을 의미하는 것으로 사용딘다. "예시적인"으로서 기재된 임의의 구체예는 반드시 다른 구체예에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 간주되고 및/또는 다른 구체예로부터의 특징의 삽입을 배제하는 것은 아니다.
용어 "임의로"는 본 명세서에서 "일부 구체예에서 제공되며 다른 구체예에서는 제공되지 않음"을 의미한다. 본 발명의 특정 구체예는 이러한 특징이 충돌하지 않는 한, 복수의 "임의의" 특징을 포함할 수 있다.
본 발명을 본 명세서에서 첨부 도면을 참고로 하여 단지 예로서 설명한다. 이제 도면에 대한 상세한 특정 참조 부호는, 나타낸 특정의 것이 예시적인 것이고, 단지 본 발명의 바람직한 구체예를 예시적으로 논의할 목적이며, 가장 유용하다고 여겨지는 것을 제공하고 본 발명의 원리 및 개념 측면의 설명을 용이하게 이해시키기 위해 제공된 것임을 강조한다. 이러한 측면에서, 본 발명을 기초적으로 이해하기 위해 필요한 것보다 더욱 상세하게 본 발명의 구조적 상세를 보여주려는 시도는 없었으며, 도면을 이용한 설명이 본 발명의 몇 가지 형태를 어떻게 실제로 구체화할 수 있는지 당업자를 이해시킬 것이다.
도면에서,
도 1은 태양광 패널/전지의 배열물이 냉각 장치에 열적으로 연결된 본 발명의 구체예에 따른 제1 장치를 도시하는 간략도이고;
도 2는 지지물 및 프레임과 함께 유지된 도 1의 장치를 도시하는 간략도이고;
도 3은 도 1의 구체예에 대해 열 접착제로서 사용할 수 있는 물질을 도시하며;
도 4는 본 발명의 구체예에 따른 태양광 패널의 조립 또는 제조 공정을 도시하며;
도 5는 본 발명의 구체예가 적용될 수 있는 태양광 패널의 종래의 제안을 도시하고;
도 6은 본 발명의 구체예에 의해 해결되는 이슈인 태양 전지의 온도 특징을 도시하는 그래프이며;
도 7은 태양 전지 내 온도에 대한 출력 전압의 음의 효율을 도시하는 간단한 그래프이고;
도 8 내지 12는 본 발명의 구체예와 관련된 제 1 시나리오에서의 열 전달의 모델을 도시하는 간략도이며;
도 13 내지 20은 본 발명의 구체예와 관련된 제2 시나리오에서의 열 전달의 모델을 도시하는 간략도이다.
본 발명의 구체예는 일반적으로 태양 에너지의 용도에 관한 것이며, 더욱 특히 태양 에너지의 전기 및 열 에너지로의 전환에 관한 것이다. 더욱 특히, 그러나 비배제0적으로, 본 발명은 태양 전지와 관련된 열 효율 이슈, 및 태양광 패널의 범위에서의 이 이슈에 대한 해결책에 관한 것이다.
태양광 패널은 태양 전지의 배열물, 냉각 장치, 및 태양 전지를 냉각 핀에 열적으로 연결하는 열 접착제를 포함한다. 전체를 존재하는 PV 프레임 및 지지물 내에 밀봉할 수 있다. 열 접착제는 실리콘 크림, 또는 실리콘 크림과 금속 입자의 혼합물일 수 있다.
본 발명에 따른 장치 및 방법의 원리 및 작동은 첨부 도면 및 설명을 참고로 하면 더 잘 이해될 수 있다.
1 이상의 본 발명의 구체예를 설명하기 전에, 본 발명은 그 응용에 있어 하기 설명에 기재되거나 또는 도면에 예시된 부품의 배열 및 구성의 상세에 한정되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명에는 다른 구체예가 가능하거나 또는 다양한 방식으로 본 발명을 실시 또는 수행할 수 있다. 또한, 본 발명에 이용되는 전문어 및 용어법은 설명을 목적으로 한 것으로서, 한정으로서 간주되어서는 안 됨을 이해해야 한다.
이제 본 발명의 제1 구체예에 따른 태양광 패널(10)을 도시하는 도 1을 참고로 한다. 패널은 태양 전지의 배열물(12), 그릴 형태의 냉각 장치(14), 및 태양 전지를 냉각 핀에 열적으로 연결하는 역할을 하는 열 접착제(16)를 포함한다.
열 접착제는 이제까지 열 싱크를 트랜지스터에 부착하는 데에 사용되었고 태양광 패널에는 사용되지 않았던 물질인 실리콘 크림을 포함하거나 또는 이로 구성될 수 있다. 대신에, 태양광 패널에서는, 효율을 유지 하기 위해 태양 전지로부터 열을 전달할 필요가 덜 인식되며, 이는 기계적 연결에 의해 일반적으로 이행되었다.
열 접착제, 특히 실리콘 크림을 주성분으로 하는 열 접착제는 열 평형을 제공하는 데에 있어서 기계적 연결보다 훨씬 양호하다.
일구체예에서, 열 접착제는 금속 입자를 함유한다. 금속 입자는 이의 열 전도도를 고려하여 선택할 수 있으며, 실리콘에 대한 증점제로서 제공된다. 태양광 패널에 사용되는 실리콘 크림의 양은 트랜지스터에 열 싱크를 피팅(fitting)하는 데에 사용되는 것보다 상당히 많으므로, 비용을 절감하기 위해서도 증점제는 유용함을 이해할 것이다.
적절한 금속 입자는 아연 분말 및 구리 줄밥을 포함한다.
냉각 장치는 냉각 핀을 포함할 수 있다. 냉각 핀은 냉각 유체로서 물 또는 공기 또는 양쪽을 사용하기 위해 물 파이프 또는 공기 파이프에 연장되는 것이 유용할 수 있다. 그 다음, 데워진 공기 또는 물을 사용할 수 있다.
열 접착제는 냉각 핀과 태양 전지 사이의 정확 또는 부정확한 정렬과 관계 없이 냉각 핀과 태양 전지 사이에 열 평형을 제공하여 구성을 더 용이하게 만든다.
이제 도 2를 참조하면, 지지 구조물(18)이 오른쪽만이 명확하게 도시된 프레임(20)에 의해 제 위치에 유지된다. 지지물은 냉각 장치(14)에 대해 압착되어, 이에 의해 열 접착제(16) 및 태양 전지의 배열물(12)에 대해 냉각 장치를 압착하여 열 전도도를 증가시킨다.
실리콘 크림은 부드러운 상태로 유지되며 건조되지 않아서, 도 2의 구조물이 작용시에 용이하게 해체될 수 있다.
이제 열 접착제의 제공에 사용할 수 있는 조성물을 도시하는 도 3을 참고로 한다. 태양 전지의 배열물(12)과 냉각 장치(14) 사이에 펼치기 위한 열 접착제로서 사용할 수 있는 다량의 조성물(30)이 도시되어 있다. 다량의 열 접착제는 점선으로 표시된 금속 입자(34)를 함유하는 실리콘 크림 매트릭스(32)를 포함한다. 금속 입자는 상기 논의한 바의 아연 분말 또는 구리 줄밥일 수 있다.
금속 입자는 조성물의 10 내지 50 중량%를 구성할 수 있으며, 더욱 특히 열 접착제의 30 중량% 이하를 구성할 수 있다.
대안적으로, 금속 입자는 조성물의 10 내지 50 부피%를 구성할 수 있으며, 더욱 특히 열 접착제의 30 부피% 이하를 구성할 수 있다. 조성물은 0.9를 초과하는 열 전도도를 특징으로 할 수 있으며, 더욱 특히 0.99를 초과하는 열 전도도를 특징으로 할 수 있다.
이제 태양광 패널의 제조 방법을 도시하는 플로 차트인 도 4를 참고로 한다. 상기 방법은 태양 전지의 배열물을 제공하는 단계, 냉각 장치를 제공하는 단계, 및 열 접착제를 사용하여 냉각 장치를 태양 전지에 부착하는 단계를 포함한다.
냉각 장치 뒤쪽에 지지물을 피팅하고 열 접착제와 태양 전지의 배열물에 대해 냉각 장치를 압착하기 위해 프레임이 제공될 수 있다.
구체예를 이제 더욱 상세하게 설명한다.
사용시, 광전지는 태양에의 노출로 인해 뜨거워진다. 설계 온도에서라도, 전지는 효율이 겨우 14%여서, 나머지 에너지가 간단히 열을 추가한다.
도 5의 제안은 전지의 냉각에 파이프를 사용한다. 물이 가열되어, 전지가 이의 설계 온도에서 유지되므로 전지가 더욱 효율적이 될 뿐 아니라 부산물로서의 유리 온수가 유용해진다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명의 구체예는 더욱 효과적으로 열 에너지를 수용하고 전지를 냉각시키기 위해 열 접착제를 사용하여 냉각 핀을 전지에 접착시키는 단계를 포함한다.
소위 급탕 온수 제조용 집열기인 표준 광전지 패널을 사용할 수 있다. 집열기는 통상적인 두께가 8 내지 10 cm이고, 집열기 전체 구조로는 매우 무거우며, 냉각 핀에 열 접착제를 위치시킨 후 구조물 내에 광전지를 추가한다.
그러나, 본 발명의 구체예는 두께를 4 또는 5 cm 감소시킬 수 있다. DHW 패널의 전체 플랫폼을 사용하는 대신, 냉각 장치, 통상적으로 냉각 핀의 그릴을 뺄 수 있다. 그 다음, 열 접착제를 바르고, 그릴을 삽입한 후, 지지물을 추가하여 PV 패널 프레임에 장치를 피팅할 수 있다. 더 양호한 열 전도도의 측면에서 달성을 이룰 수 있으며, 임의의 경우에 플랫폼 없는 패널은 약 1/2 중량으로 더 가벼워서, 중량이 통상적으로 40 kg 대신에 20 kg 나갈 수 있다. 정상 PV의 외관으로 건축적 미가 개선된다. 감소된 부피 및 중량으로 인해 설치가 더욱 용이해져서, BIPV 빌딩 집적 PV가 얻어진다.
개선점으로서, 광전지가 그릴 위에 연속층을 형성할 수 있다.
열 접착제는 열 전도도가 99%인 특별한 실리콘 크림일 수 있다. 일반적으로 구리 핀이 항상 전지에 정확하게 위치될 수 있는 것이 아니기 때문에 전도도가 개선될 수 있다. 과거에는 정확하게 정렬시키려고 하는 데에 큰 노력이 들었지만, 이는 실제로는 거의 달성되지 않는다. 효율은 구리와 물 시스템 사이에 열 평형을 필요로 하고, 실리콘 크림은 정확한 정렬을 필요로 하지 않고 이러한 열 평형에 접근 가능하게 한다. 실리콘 크림은 종래 기술에서는 열 싱크의 부착에 사용되었다. 아연 분말을 열 접착제에 첨가하여 이를 더 두껍게 하고 열 전달을 도울 수 있다. 구리 줄밥은 대안이다. 적절한 비율은 아연 분말 30%이다.
알루미늄 지지물 뒤쪽의 빔(beam)이 그릴 쪽으로 지지물을 밀고 더 양호한 열 피팅을 위해 프레임에 대해 전지 상의 그릴을 밀착시키는 역할을 할 수 있다. 실리콘 크림은 크림 상태로 유지될 것이다. 각각의 빔은 그릴 또는 프레임 상에 빔을 고정시키기 위한 스크류 세트를 구비할 수 있다. 알루미늄 오메가 부재도 사용할 수 있다.
결과적으로 종래 기술보다 더 저렴하고 덜 무거운 최종 구조물이 된다.
구조물은 수관을 포함할 수 있으며, 또한 공기관도 임의이다. 차가운 공기를 일단부에서 추가하여 전체 냉각을 개선시키고 가열을 위한 배기를 제공할 수 있다.
유닛이 지붕 비탈에 놓일 경우, 뜨거운 공기가 겨울에는 집에 진입할 수 있지만, 여름에는 대류에 의해 유도되어 동일한 파이프가 집 지붕으로부터 뜨거운 공기를 빼내는 것을 도울 수 있다.
이제 태양 전지에 대한 온도의 효과를 도시하는 그래프인 도 6을 참고로 한다. 햇볕이 최고일 때, 모듈 온도는 80 내지 90℃까지 증가할 수 있다. 통상적으로, 고품질 모듈은 약 -25V/℃/전지의 온도 계수를 갖는다. 70℃에서, 36개 전지 모듈은 배터리를 충분히 충전시킬 수 있어야 한다. 보호 다이오드를 대부분의 시스템에서 모듈과 직렬로 연결하기 때문에, 이 다이오드를 통한 전압 하강도 고려해야 한다. 상이한 온도에서의 단일 전지의 I/V 곡선은 출력 전압이 온도를 어떻게 감소시키는지를 보여준다. 모듈 품질의 감소에 따라 온도 계수가 증가한다. 25℃에서 (STC) 36개의 전지 모듈은 21.96V의 개방 회로 전압을 가질 수 있다. 70℃에서 이는 17.91V가 될 것이다. 인도에서, 일부 (국내 제조) 모듈의 온도 게수는 매우 높아서, 일부 상황에서는 HVDF 지점까지 배터리를 충전할 수 없다. 단일 전지의 개방 회로 전압 Voc가 70℃에서 1℃당 0.4V 하강할 경우, 총 모듈은 겨우 14.4V를 제공한다. 차단 다이오드도 고려할 경우, 실제 최대 충전 전압을 14.0V이다. 배터리는 절대 완전히 충전되지 않기 때문에, 이는 배터리의 수명 감소의 원인이 된다. 동일한 것을 격자 연결 인버터에 적용할 수 있는데, 전압 하강이 고온에서 인버터의 낮은 입력 전압을 감소시킬 수 있다.
도 7에서, 개방 회로의 온도 계수는 매 10℃에 대해 3.26%이다. 도 8은 전압이 온도 증가에 따라 감소되면서 전류가 약간 증가함을 보여준다. 전압 및 전류의 생성을 시험할 경우, 전압 계수가 더 크다. 따라서, 최대 전력 지점에서의 모듈 전력은 4.35%/10℃ 감소한다.
하기에서, 본 발명자들은 내장된 광전지(PV)로부터 전력을 생성하고 PV 전지 아래에 위치한 흡수기 판에 결합된 관을 통과하는 유체 스트림에 열을 제공하는 이중 목적을 갖는 글레이징 미처리(un-glazed) PVT(PV 열) 태양열 집열기를 설계하였다. 모델을 도 8에 도시한다. 유체 스트림으로 배출된 폐기 열은 하기의 2 가지 이유에서 유용하다; 1) 이는 PV 전지를 냉각시켜 더 높은 전력 전환 효율을 가능하게 하고, 2) 이는 다수의 가능한 저등급 온도 용도를 위한, 예컨대 세정 및 샤워용 온수, 공간 가열, 공기 조절 물 탈염을 위한, 그리고 심지어 열병합 발전에 의해 전기를 제공하기 위한 열의 공급원을 제공한다.
도 8의 모델은 전지 온도 및 또한 입사 태양열 복사에 대한 PV 전지의 효율에 관한 1차 인자에 의존한다. 전지는 최대 전력 지점 조건에서 작동할 것으로 예상된다.
이 집열기의 열 모델은 문헌(Chapter 6 of classic “Solar Engineering of Thermal Processes" textbook by Duffie and Beckman)에 제시된 알고리즘에 의존한다.
명명법
β - 집열기 표면의 기울기,
Figure pat00001
- 효율, θ - 입사각, ρ - 지면(ground) 반사율, τα- 태양열 집열기에 대한 투과율-흡수율 곱, ε - 집열기의 상부 표면(PV 표면)의 복사율, σ - 슈테판-볼츠만 상수, λ - 흡수기 판의 두께, Area - 태양열 집열기의 면적(상부); 이는 총 면적 또는 순 면적일 수 있지만, 제공된 손실 계수 및 PV 전력 전환 계수와 일치해야 함, b0 - 입사각 변경 인자(modifier) 승수, Cp - PV/T 집열기를 통해 흐르는 유체의 비열, CB - 흡수기 판과 결합된 관 사이의 컨덕턴스, D tube - 관의 직경, FR - 집열기 열 제거 인자, Gt - 집열기 표면에 입사하는 총 태양열 복사(빔+산란), hfluid - 내부 유체 열 전달 계수, hinner - 집열기 뒤쪽으로부터 공기로의 열 전달 계수, houter - 집열기 상부(PV 표면)로부터 대기로의 열 전달 계수, hrad - 집열기 상부(PV 표면)로부터 하늘로의 복사 열 전달 계수, IAM - 입사각 변경 인자, k - 판 재료의 열 전도도, L - 흐름 방향을 따르는 집열기의 길이, m& - 태양열 집열기를 통한 유체의 유속, Ntubes - 집열기를 통해 유체를 운반하는 동일한 관의 수, Power - 전기 에너지가 PV 전지에 의해 생성되는 속도, Qloss,top,conv - 대류를 통해 집열기의 상부로부터 대기로 에너지가 손실되는 속도, Qloss,top,rad - 복사를 통해 집열기의 상부로부터 하늘로 에너지가 손실되는 속도, Qloss,back - 집열기 뒤쪽을 통해 대기로 에너지가 손실되는 속도, Qfluid - 집열기에 의해 유동 스트림에 에너지가 추가되는 속도, 이 용어는 또한 집열기 뒤쪽을 통해 유체 스트림으로부터 손실되는 에너지를 포함함, Qabsorbed - 집열기 판에 의해 에너지가 흡수되는 순 속도(PV 전력 생성은 포함하지 않음), Qu - 집열기에 의해 유동 스트림에 에너지가 추가되는 속도, q'fin - 집열기의 단위 길이당 핀 베이스(fin base)로의 열 전달량, q'fluid - 집열기의 단위 길이당 유체 스트림의 열 전달량, q'u - 집열기의 단위 길이당 유체 스트림의 열 전달량, Rt - PV 전지로부터 흡수기 판으로의 열 전달에 대한 저항, Rb - 집열기의 뒤쪽을 통한 흡수기로부터의 열 전달에 대한 저항, R1 - PV 전지와 흡수기 사이에서 재료에 의해 전달된 열 전달에 대한 저항, R2 - 흡수기 판과 집열기의 뒤쪽 표면 사이에서 재료에 의해 제공된 열 전달에 대한 저항, S - 순 흡수 태양열 복사량(총 흡수량-PV 전력 생성량), Tabs - 흡수기 판 온도, Tamb - 상부 표면으로부터의 대류 손실에 대한 주위 온도, Tback - 바닥 표면으로부터의 대류 손실에 대한 환경 온도, Tfluid - 태양열 집열기를 통해 흐르는 유체의 혼합 평균 온도(bulk temperature), Tfluid,in - 태양열 집열기로 흐르는 유체의 온도, Tfluid,out - 태양열 집열기로부터 나와 흐르는 유체의 온도, Tfluid - 국소 유체 온도, TPV - PV 전지 온도, Tsky - 장파 복사 계산을 위한 하늘 온도, T - 평균 온도, W - 집열기 내 인접 유체 관 사이의 폭(x 방향), Width - 집열기의 폭, XCell Temp - 전지 온도의 함수로서의 PV 전지 효율에 대한 승수, XNS - (열적으로) 직렬로 연결된 집열기를 계수하기 위한 승수, XRadiation - 입사 복사량의 함수로서의 PV 전지 효율에 대한 승수, y - 집열기를 통한 흐름의 방향을 지시하는 변수, b - 빔 복사량, d - 산란 복사량, g - 지면, G - 복사량, h - 전체적으로 수평, n - 정상 입사, nominal - 기준 조건을 지칭, PV - 광전지, s - 하늘 산란, t - 총계(빔+ 산란)
도 9를 참고하면, 표면을 따르는 임의의 지점에서의 집열기 표면(PV 전지) 상의 에너지 균형(표면을 따르는 전도는 무시함)은 하기 관계를 나타낸다:
수학식 2:
Figure pat00002
이 관계를 도 10에 개략적으로 나타낸다:
수학식 3:
Figure pat00003
S는 순 흡수 태양열 복사량으로서, 흡수된 태양열 복사량-PV 전력 생성량에 대한 값이다. 비정상(off-normal) 태양열 복사 효과를 고려하면, 정상 입사시 투과율-흡수율 곱을 하기 기준에 의해 승하여 다른 입사각에서의 투과율-흡수율을 얻는다. 이 조건을 입사각 변경 인자(IAM)로 지칭한다:
수학식 4:
Figure pat00004
여기서,
수학식 5:
Figure pat00005
하늘 및 산란 복사량 양쪽에 대한 입사각 변경 인자는 산란 복사량에 대한 것과 동일한 투과율을 제공하는 빔 복사량에 대한 등가의 입사각을 정의하여 결정한다(Duffie and Beckman). 하늘 산란 및 지면 반사 복사량에 대한 유효 각은 하기와 같다:
수학식 6:
Figure pat00006
수학식 7:
Figure pat00007
이 정의 S를 이용하여, 수학식 1로부터 S, 순 흡수 태양열 복사량을 하기와 같이 결정할 수 있다:
수학식 8:
Figure pat00008
PV 전지의 효율은 전지 온도와 입사 태양열 복사량의 함수이다.
수학식 9, 10 및 11을 하기에 순서대로 나타낸다:
수학식 9:
Figure pat00009
수학식 10:
Figure pat00010
수학식 11:
Figure pat00011
도 11에 도시된 에너지 균형을 관 영역으로부터 판을 따르는 임의의 지점에서 흡수기 판을 따르는 상이한 크기의 영역에 대해 취할 수 있으며, 이는 하기 관계를 나타낼 수 있다(판은 얇고 전도성 재료로부터 제조되었다고 가정):
수학식 12:
Figure pat00012
여기서,
수학식 13:
Figure pat00013
이는 2개의 인접한 관의 중앙점 사이의 흡수기 판 영역이 핀으로서 작용할 경우 생기는 종래의 핀 문제이다. TPV에 대해 수학식 1을 풀고 수학식 12에 대입하여, 흡수기 판을 따르는 온도 분포(x 방향)에 대한 하기 미분 수학식 14를 도출한다:
수학식 14:
Figure pat00014
여기서,
수학식 15:
Figure pat00015
수학식 14를 하기 수학식 16으로 다시 쓸 수 있다:
수학식 16:
Figure pat00016
여기서,
수학식 17:
Figure pat00017
수학식 18:
Figure pat00018
수학식 16을 풀면, 하기 수학식 19가 도출된다:
수학식 19:
Figure pat00019
수학식 19는 x 방향에서의 판을 따르는 온도 분포를 정의하며, 여기서 x=0은 2개의 인접한 관 사이의 중앙점이고, x=(W-Dtube)/2는 핀의 베이스이다. 상수 C1 및 C2 밝히기 위해, 본 발명자는 조건을 적용할 필요가 있다. 이 문제를 위해, 본 발명자들은 2개의 인접한 관 사이의 중앙점(x=0)에서의 대칭으로부터의, 그리고 x=(W-Dtube)/2에서의 공지된 기저 온도(Tb)로부터의 경계 조건을 보유하고 있다:
수학식 20:
Figure pat00020
수학식 21:
Figure pat00021
본 발명자들의 경계 조건을 적용하여 C1 및 C2를 풀어, 본 발명자들은 하기를 밝혔다:
수학식 22:
Figure pat00022
수학식 23:
Figure pat00023
C1 및 C2를 수학식 19에 대입한 후, 수학식 17을 적용하여, 기저 온도의 함수로서의 판을 따르는 온도 분포에 대한 식을 도출한다:
수학식 24:
Figure pat00024
여기서,
수학식 25:
Figure pat00025
핀을 따르는 공지된 온도 분포(수학식 24)를 이용하여, 핀으로부터 기저에 전도된 에너지를 계산할 수 있다:
수학식 26:
Figure pat00026
흡수기의 기저[비핀(non-fin)] 영역에 대한 에너지 균형을 도 12에 도시하며, 이는 하기와 같이 나타낸다:
수학식 27:
Figure pat00027
유체에 대한 유용 에너지 증가를 또한 기저 온도의 함수로서 표현할 수 있다:
수학식 28:
Figure pat00028
유체 온도의 함수로서의 집열기 유용 에너지 증가에 대한 식은 수학식 1, 26 및 28로부터의 조건에 대입하고 재정렬하여 도출할 수 있다:
수학식 29:
Figure pat00029
여기서,
수학식 30:
Figure pat00030
수학식 31:
Figure pat00031
수학식 32:
Figure pat00032
(y 방향으로의) 집열기를 통해 이동하는 유체의 상이한 영역 주위에서 취한 에너지 균형을 하기와 같이 기재할 수 있다:
수학식 33:
Figure pat00033
수학식 29를 수학식 33에 대입하여 하기를 밝혔다:
수학식 34:
Figure pat00034
이 수학식을 0에서 y까지 적분하여 하기를 밝혔다:
수학식 35:
Figure pat00035
y=L로 하면, 유체 출구 온도에 대해 풀 수 있다:
수학식 36:
Figure pat00036
집열기 유용 에너지 증가를 이제 계산할 수 있다:
수학식 37:
Figure pat00037
또한, 단위 길이당 집열기 유용 에너지 증가는 하기와 같이 계산할 수 있다:
수학식 38:
Figure pat00038
평균 유체 온도는 유체 온도를 y에 대해 적분하고 흐름 길이로 나눠서 밝힐 수 있다:
수학식 39:
Figure pat00039
수학식 35 및 39를 사용하여 미분 수학식을 풀어 다음을 밝혔다. 하기 수학식 40으로부터 밝혀진 평균 유체 온도, 및 수학식 38로부터 밝혀진 단위 길이당 집열기 유용 에너지 증가를 이용하여, 평균 기저 온도를 수학식 28로부터 구할 수 있다. 구한 평균 기저 온도를 이용하여, 수학식 24를 적용하여 흡수기(핀 영역) 전체의 온도 분포를 밝힐 수 있다:
수학식 40:
Figure pat00040
그 다음, 핀의 폭에 대해 핀 온도 함수를 적분하고 핀 폭으로 나누어 평균 핀 온도를 구할 수 있다:
수학식 41:
Figure pat00041
수학식 42:
Figure pat00042
그 다음, 평균 기저 온도 및 평균 핀 온도를 면적 가중치를 주어 평균 흡수기 온도를 밝힐 수 있다:
수학식 43:
Figure pat00043
그 다음, 평균 PV 표면 온도(PV T)를 수학식 1로부터 밝힐 수 있다. S가 평균 PV 표면 온도의 함수이므로, 이러한 세트의 수학식에 대한 해결은 반복 접근을 필요로 한다.
1. PV 표면 온도에 대한 값을 추정하라.
2. 수학식 3을 이용하여 복사 열 전달 계수를 계산하라.
3. 수학식 9 및 10을 이용하여 PV 효율을 계산하라.
4. 수학식 8을 이용하여 순 흡수 태양열 복사량을 계산하라.
5. 수학식 36을 이용하여 유체 출구 온도를, 그리고 수학식 40을 이용하여 평균 유체 온도를 계산하라.
6. 수학식 38을 이용하여 단위 길이당 집열기 유용 에너지 증가를 계산하라.
7. 수학식 28로부터 평균 기저 온도를 계산하라.
8. 수학식 42로부터 평균 핀 온도를 계산하라.
9. 수학식 43으로부터 평균 흡수기 온도를 계산하라.
10. 수학식 1을 이용하여 평균 PV 표면 온도를 계산하고, 수렴에 도달할 때까지 상기 단계 2 내지 9를 반복하라.
얻어진 수렴을 이용하여, Duffie and Beckman으로부터의 수학식 6.9.3을 이용하여 집열기로부터의 전체 손실 계수(UL)를 밝힐 수 있다:
수학식 44:
Figure pat00044
마지막으로, 계산된 집열기 전체 손실 계수를 이용하여, Duffie and Beckman의 수학식 6.7.6으로부터 집열기 열 제거 인자를 계산할 수 있다:
수학식 45:
Figure pat00045
수렴된 PV 전지 온도를 이용하여, PV 전력을 계산할 수 있다:
수학식 46:
Figure pat00046
그 다음, 집열기에 대한 나머지 관련 열 전달을 하기와 같이 계산할 수 있다:
수학식 47:
Figure pat00047
수학식 48:
Figure pat00048
수학식 49:
Figure pat00049
수학식 50:
Figure pat00050
수학식 51:
Figure pat00051
그 다음, 집열기 표면 상의 에너지 균형은 하기와 같다:
수학식 52:
Figure pat00052
전체 집열기 상의 에너지 균형은 또한 하기와 같이 기재할 수 있다:
수학식 53:
Figure pat00053
Figure pat00054
Figure pat00055
Figure pat00056
하기는 내장된 광전지(PV)로부터 전력을 생성하고 흡수 PV 표면 아래를 통과하는 물 스트림 및 공기에 열을 제공하는 이중 목적을 갖는 글레이징 미처리 태양열 집열기를 설계한다. 공기 스트림으로 배출된 폐기 열은 하기의 2 가지 이유에서 유용하다; 1) 이는 PV 전지를 냉각시켜 더 높은 전력 전환 효율을 가능하게 하고, 2) 이는 방 공기의 가열을 비롯한 다수의 가능한 저등급 온도 용도를 위한 열의 공급원을 제공한다. 이 모델은 집열기의 후방 상에 구역 공기의 온도를 제공할 수 있고 가능할 경우 후방 복사량 계산에 대한 복사 온도의 견적을 제공할 수 있는(표면 온도가 이용 가능하지 않을 경우, 방 공기 온도를 복사 온도의 적절한 견적으로서 사용할 수 있음) 간단한 빌딩 모델로 작동시키고자 한다.
모델은 2 가지 비정상 태양열 복사 효과의 취급 방법 사이에서 사용자가 선택하도록 한다. 모델은 전지 온도를 규정하는 데 대한 3 가지 옵션을 사용자에게 제공하고, 입사 태양열 복사는 PV 효율에 영향을 미친다. 전지는 이의 최대 전력 지점 조건에서 작동할 것으로 추정되는데, 이는 전압 및 전류가 모델에 의해 계산되지 않음을 의미한다.
이 집열기의 열 모델은 종래의 문헌("Solar Engineering of Thermal Processes" textbook by Duffie and Beckman)에 제시된 알고리즘에 의존한다. 모델을 도 13에 도시한다.
명명법
β - 집열기 표면의 기울기, fluid - 채널을 통해 흐르는 유체의 속도,
Figure pat00057
- 효율, θ - 태양열 복사의 입사각, ρg - 지면 반사율, ρfluid - 흐름 채널 내 유체의 밀도, τα - 태양열 집열기에 대한 투과율-흡수율 곱, ε back - (구역을 향한) 집열기의 뒤쪽 표면의 복사율, ε cover - (하늘을 향한) 집열기의 커버 표면의 복사율, ε1 - 공기 채널의 상부 표면의 바닥측의 복사율, ε2 - 공기 채널의 하부 표면의 상부측의 복사율, σ - 슈테판-볼츠만 상수, νfluid - 흐름 채널 내 유체의 속도, ΔT plates - 흐름 채널을 한정하는 판 사이의 온도 차이, Area - 태양열 집열기의 면적(상부); 이는 총 면적 또는 순 면적일 수 있지만, 제공된 손실 계수 및 PV 전력 전환 계수와 일치해야 함, b0 - 입사각 변경 인자 승수, Cp fluid - 흐름 채널 내 유체의 비열, Dh - 흐름 채널의 수력 직경, EffG - 입사 태양열 복사량의 함수로서의 PV 효율에 대한 변경 인자, EffT - 전지 온도의 함수로서의 PV 효율에 대한 변경 인자, g - 중력으로 인한 가속, GbT - 경사진 커버 표면 상의 입사 빔 복사량, Gd - 경사진 커버 표면 상의 입사 하늘 산란 복사량, Gh - 수평 산란 복사량, Gref - 표준 PV 효율이 제공된 기준 태양열 복사량, GT - 집열기 표면 상의 총 입사 태양열 복사량, hconv,back - 집열기 뒤쪽으로부터 구역 공기로의 대류 열 전달 계수, hconv,top - 커버 표면의 상부로부터 주위 공기로의 대류 열 전달 계수, hfluid - 유체 채널 내 유체로부터 흐름 채널의 벽으로의 열 전달 계수(평균 유체 온도에서 평가됨), hrad,1-2 - 공기 채널의 상부 표면으로부터 공기 채널의 바닥 표면으로의 1차화 복사 열 전달 계수, hrad,back - 집열기의 뒤쪽으로부터 복사 온도 구역으로의 복사 열 전달 계수, hrad,top - 커버 표면의 상부로부터 하늘로의 복사 열 전달 계수, IAM - 입사각 변경 인자, kcover - 커버 재료의 열 전도도, kfluid - 흐름 채널 내 유체의 열 전도도, L - 흐름 방향을 따르는 집열기의 길이, m - 채널을 따르는 유체의 유속, Nu - 흐름 채널 내 유체에 대한 누셀트 수(Nusselt number), Pr - 흐름 채널 내 유체에 대한 프란틀 수(Prandtl number), qu'' - 단위 면적당 집열기에 의해 흐름 스트림에 에너지가 추가되는 순 속도, Qabsorbed - 집열기에 의해 에너지가 흡수되는 속도, Qloss,top,conv - 대류를 통해 커버로부터 주위에 에너지가 손실되는 속도, Qloss,top,rad - 복사를 통해 커버로부터 하늘에 에너지가 손실되는 속도, Qloss,back,conv - 대류를 통해 구역에 에너지가 손실되는 속도, Qloss,back,rad - 복사를 통해 집열기 뒤쪽으로부터 구역에 에너지가 손실되는 속도, Qu - 집열기에 의해 흐름 스트림에 에너지가 추가되는 순 속도, Ra - 채널 내 유체의 레이라이트 수(Rayleigh number), Re - 채널을 통해 흐르는 유체의 레이놀즈 수(Reynolds number), R1 - 커버 표면의 상부로부터 PV 전지로의 열 전달에 대한 저항(통상적으로 커버 재료의 저항), R2 - PV 전지의 표면으로부터 흐름 채널의 상부 표면으로의 열 전달에 대한 저항, R3 - 흐름 채널의 하부 표면으로부터 집열기의 후방으로의 열 전달에 대한 저항, S - 흡수 태양열 복사량-임의의 PV 전력 생성량, Slope - 수평(수직=90)으로부터의 흐름 채널의 기울기, Spacing - 흐름 채널을 한정하는 판 사이의 간격, T1 - 상부 공기 채널 표면의 온도, T2 - 하부 공기 채널 표면의 온도, T3 - 집열기의 뒤쪽 표면(구역 공기/집열기 계면)의 온도, Tamb - 커버 표면으로부터의 대류 손실에 대한 주위 온도, Tback - 집열기 뒤의 공기(구역 공기)의 온도, Tback,rad - 후방 복사 열 전달을 위한 집열기 뒤의 주변의 온도, Tcover - 투명 커버 재료의 외부 표면의 온도, Tfluid - 태양열 집열기를 통해 흐르는 유체의 국소 온도, Tfluid,in - 태양열 집열기로 흐르는 유체의 온도, Tfluid,out - 태양열 집열기로부터 나와 흐르는 유체의 온도, TPV - PV 전지의 흡수 표면의 온도, Tref - 표준 PV 효율이 제공되는 기준 온도, Tsky - 커버 표면으로부터의 복사 손실에 대한 하늘 온도, THcover - 커버 재료의 두께, Tpaltes - 흐름 채널을 한정하는 판의 평균 온도, Tfluid - 평균 유체 온도, W - 집열기의 폭, XCell Temp - 전지 온도의 함수로서의 PV 전지 효율에 대한 승수, XRadiation - 입사 복사량의 함수로서의 PV 전지 효율에 대한 승수, y - 집열기를 통한 흐름의 방향을 나타내는 변수(y=L은 집열기 출구)
첨자
b - 빔 복사량, d - 산란 복사량, g - 지면, G - 복사량, h - 총 수평, n - 정상 입사, nominal - 기준 조건을 지칭, PV - 광전지, s - 하늘 산란, t - 총계(빔+산란)
수학적 설명:
표면을 따르는 임의의 지점에서의 커버 표면 상의 에너지 균형을 도 14에 도시하며, 이는 하기 관계를 나타낸다:
수학식 1:
Figure pat00058
여기서,
수학식 2:
Figure pat00059
수학식 3:
Figure pat00060
표면을 따르는 임의의 지점에서의 PV 표면(흡수 표면) 상의 에너지 균형을 도 15에 도시하고, 도 16에 더욱 상세히 도시하며, 이는 하기 관계를 나타낸다:
수학식 4:
Figure pat00061
S는 흡수된 태양열 복사량-임의의 PV 전력 생성량이다. 비정상 태양열 복사 효과를 계수하기 위해, 정상 입사에서의 투과율-흡수율 곱을 하기 기준에 의해 승하여 다른 입사각에서의 투과율-흡수율을 얻는다. 이 기준을 입사각 변경 인자(IAM)로 지칭한다.
수학식 5:
Figure pat00062
이 모델은 사용자가 입사각 변경 인자의 계산에 2 가지 상이한 모드를 사용하게 한다. 모드 1에서, 사용자는 정상 입사에서의 IAM 뿐 아니라 투과율-흡수율 곱을 계산하는 데에 사용되는 1차 입사각 변경 인자 상수(b0)를 제공한다.
수학식 6:
Figure pat00063
모드 2에서, 사용자는 커버 재료에 관한 변수 뿐 아니라 PV 표면의 흡수율을 이해하고, 모델은 정상 입사에서 투과율-흡수율 곱을 계산하는 데에 TALF 서브루틴(subroutine)(TRNSYS 매뉴얼의 섹션 3.4.3을 지칭함)을 사용한다.
하늘 및 산란 복사량 양쪽에 대한 입사각 변경 인자는 산란 복사량에 대한 것과 동일한 투과율을 제공하는 빔 복사량에 대한 등가의 입사각을 정의하여 결정한다(Duffie and Beckman). 하늘 산란 및 지면 반사 복사선에 대한 유효 각은 하기와 같다:
수학식 7:
Figure pat00064
수학식 8:
Figure pat00065
PV 전지의 효율은 통상적으로 전지 온도 및 입사 태양열 복사량의 함수이다. 이 모델은 사용자로 하여금 3 가지 PV 효율 모드 중 하나를 선택하게 한다. 제1 모드에서, 사용자는 기준 조건에서 PV 효율을 이해하고, 기준 조건을 제공하고, 또한 효율에 대한 1차 변경 인자를 제공한다. 그 다음, 효율을 하기와 같이 계산한다:
수학식 9:
Figure pat00066
여기서,
수학식 10:
Figure pat00067
수학식 11:
Figure pat00068
제2 모드에서, 사용자는 전지 온도 및 입사 태양열 복사량의 함수로서의 PV 전지의 효율을 담은 데이터 파일을 제공해야 한다.
수학식 12:
Figure pat00069
제3 모드에서, 사용자는 모델에 입력으로서의 효율을 제공한다(임의의 부분 세트의 변수의 함수로서의 효율을 계산하기 위해 큰 유연성을 제공함):
수학식 13:
Figure pat00070
이 정의 S를 이용하여, 수학식 4로부터의 순 흡수 태양열 복사량을 하기 수학식 14로서 결정할 수 있다:
수학식 14:
Figure pat00071
표면을 따르는 임의의 지점에서의 상부 공기 채널 표면 상의 에너지 균형은 도 17에서와 같이 하기 관계를 나타낸다:
수학식 15:
Figure pat00072
임의의 지점에서의 집열기를 통해 흐르는 공기 상의 에너지 균형은 도 18에 도시된 바와 같이 하기 관계를 나타낸다:
수학식 16:
Figure pat00073
표면을 따르는 임의의 지점에서의 하부 공기 채널 표면 상의 에너지 균형은 도 19에 도시된 바와 같이 하기 관계를 나타낸다:
수학식 17:
Figure pat00074
여기서,
수학식 18:
Figure pat00075
표면을 따르는 임의의 지점에서의 뒤쪽 집열기 표면 상의 에너지 균형을 도 20에 도시한다.
수학식 19:
Figure pat00076
수학식 20:
Figure pat00077
국소 유체 온도의 함수로서의 집열기 유용 에너지 증가에 대한 6개의 에너지 균형 수학식(수학식 1, 4, 15, 16, 17 및 19)을 풀어, 하기를 밝혔다:
수학식 21:
Figure pat00078
여기서,
수학식 22:
Figure pat00079
수학식 23:
Figure pat00080
수학식 24:
Figure pat00081
수학식 25:
Figure pat00082
수학식 26:
Figure pat00083
상기 식은 공기로부터 공기 채널의 상부 및 하부 표면으로의 대류 계수가 동일하다고 추정하였음을 알 것이다.
유체 대류 상관 관계는 흐름 채널을 통해 흐르는 유체의 레이놀즈 수를 기준으로 한다:
수학식 27:
Figure pat00084
여기서, 수력 직경은 흐름 채널의 단면적을 흐름 채널의 주변 길이로 나눈 값으로서 계산된다.
레이놀즈 수가 0일 경우(채널을 통한 흐름 없음), 누셀트 수는 자연 대류 열 전달 상관 관계를 기준으로 한다(모든 온도는 켈빈 온도임):
수학식 28:
Figure pat00085
여기서,
수학식 29:
Figure pat00086
수학식 30:
Figure pat00087
채널을 통한 흐름이 층류일 경우(레이놀즈 수<2,300), 일정한 표면 온도 열 전달 상관 관계를 이용한다:
수학식 31:
Figure pat00088
채널을 통한 흐름이 난류(레이놀즈 수>2,300)일 경우, 디투스 뵐터(Dittus Boelter) 열 전달 상관 관계를 이용한다:
수학식 32:
Figure pat00089
수학식 32에서의 누승 지수(n)를 가열(판이 유체보다 따뜻함)에 대해 0.4로 설정하고, 냉각(판이 유체보다 차가움)에 대해 0.3으로 설정한다.
그 다음, 누셀트 수의 이해로부터 유체 대류 계수를 계산할 수 있다:
수학식 33:
Figure pat00090
(y 방향으로) 집열기를 통해 이동하는 유체의 차등 영역(differential section) 주위에서 취한 에너지 균형을 하기와 같이 기재할 수 있다:
수학식 34:
Figure pat00091
수학식 21을 수학식 34에 대입하여, 하기를 밝혔다:
수학식 35:
Figure pat00092
여기서,
수학식 36:
Figure pat00093
수학식 37:
Figure pat00094
a 및 b가 y 방향을 따르는 집열기 내 위치와 관계없다고 가정시, 수학식 35를 0에서 y까지 적분하여 국소 온도를 해결하 수 있다:
수학식 38:
Figure pat00095
y=L라고 하면, 집열기 출구 온도를 하기와 같이 계산할 수 있다:
수학식 39:
Figure pat00096
평균 유체 온도는 y에 대해 유체 온도를 적분하고 흐름 길이로 나누어서 얻을 수 있다(Duffie and Beckman의 수학식 6.9.1):
수학식 40:
Figure pat00097
수학식 38 및 40을 이용하여 미분 수학식을 풀어 하기를 밝혔다:
수학식 41:
Figure pat00098
수학식 39를 이용하고, 집열기 유체 입구 온도를 알면, 집열기 유용 에너지 증가를 하기와 같이 밝힐 수 있다:
수학식 42:
Figure pat00099
다양한 집열기 표면에 대해 6개의 에너지 균형 수학식(수학식 1, 4, 15, 16, 17 및 19)을 이용하여, 평균 유체 온도의 함수로서의 상부 공기 채널 평균 표면 온도 및 다른 공지된 수량에 대한 식을 도출할 수 있다:
수학식 43:
Figure pat00100
다양한 집열기 표면에 대해 6개의 에너지 균형 수학식(수학식 1, 4, 15, 16, 17 및 19)을 이용하여, 상부 공기 채널 평균 표면 온도의 함수로서의 하부 공기 채널 평균 표면 온도, 평균 유체 온도 및 다른 공지된 수량에 대한 식을 도출할 수 있다:
수학식 44:
Figure pat00101
다양한 집열기 표면에 대한 6개의 에너지 균형 수학식을 재차 이용하여, 하부 공기 채널 평균 표면 온도의 함수로서의 집열기 뒤쪽 표면 온도 및 다른 공지된 수량에 대한 식을 도출할 수 있다:
수학식 45:
Figure pat00102
동일한 접근법을 이용하여, 공지된 변수의 함수로서 PV 온도(흡수 표면)에 대한 식을 도출할 수 있다:
수학식 46:
Figure pat00103
마지막으로, 공지된 변수의 함수로서 커버 표면 온도에 대한 식을 도출할 수 있다:
수학식 47:
Figure pat00104
그러나, S가 PV 온도(및 이에 따른 유체 온도)의 함수이고 복사 열 전달 계수가 표면 온도의 함수이며 유체 대류 계수가 또한 온도 의존적이므로, 이러한 세트의 수학식에 대한 해결은 반복 접근을 필요로 한다. 반복 접근을 하기에 요약한다:
1. 평균 유체 온도, 평균 PV 전지 온도, 평균 뒤쪽 표면 온도, 평균 커버 온도 및 평균 공기 채널 표면 온도에 대한 값을 추정하라.
2. 수학식 2, 18 및 20을 이용하여 복사 열 전달 계수를 계산하라.
3. 수학식 9 내지 14를 이용하여 PV 전지 효율 및 S를 계산하라.
4. 수학식 27 내지 33을 이용하여 유체 열 전달 계수를 계산하라.
5. 수학식 39를 이용하여 유체 출구 온도를 계산하고 수학식 41을 이용하여 평균 유체 온도를 계산하라.
6. 수학식 43 내지 47을 이용하여 평균 표면 온도를 계산하라.
7. 수렴에 도달할 때까지 단계 2 내지 6을 반복하라.
그 다음, 집열기에 대한 나머지 관련 열 전달을 하기와 같이 계산한다:
수학식 48:
Figure pat00105
수학식 49:
Figure pat00106
수학식 50:
Figure pat00107
수학식 51:
Figure pat00108
수학식 52:
Figure pat00109
수학식 53:
Figure pat00110
이들 정의를 적절하게 이용하여, 집열기 주위의 에너지 균형을 하기와 같이 기재할 수 있다:
수학식 54:
Figure pat00111
Figure pat00112
Figure pat00113
Figure pat00114
Figure pat00115
Figure pat00116
명확함을 위해 각각의 구체예의 맥락에서 기재된 본 발명의 특정 특징도 단일 구체예와 조합하여 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 역으로, 간단함을 위해 단일 구체예의 맥락에서 기재된 본 발명의 다양한 특징도 개별적으로 또는 임의의 적절한 보조 조합으로 제공될 수 있다.
본 발명을 이의 특정 구체예와 함께 설명하였지만, 다수의 대안, 변형 및 변경이 가능함이 당업자에게는 명백하다. 따라서, 청구 범위의 사상 및 넓은 범위에 들어가는 모든 이러한 대안, 변형 및 변경을 포함시키고자 한다. 본 명세서에 언급된 모든 공개물, 특허 및 특허 출원을, 각각 개별 공개물, 특허 또는 특허 출원을 특정하게 그리고 개별적으로 본 명세서에서 참고로 인용한다고 나타낸 것과 동일한 정도로, 본 명세서에 그 전체를 참고로 인용한다. 또한, 본원에서의 임의의 참고 문헌에 대한 기재 또는 확인을, 이러한 참고 문헌을 본 발명의 종래의 기술로서 이용 가능하다고 인정하는 것으로 해석하여서는 안 된다.

Claims (23)

  1. 태양 전지의 배열물(array);
    냉각 핀을 포함하는 냉각 장치(cooling arrangement); 및
    상기 태양 전지를 상기 냉각 핀에 열적으로 연결하는 열 접착제(thermal glue)를 포함하는 태양광 패널.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 접착제는 실리콘 크림을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열 접착제는 금속 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널.
  4. 제3항에 있어서, 금속 입자는 아연 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널.
  5. 제3항에 있어서, 금속 입자는 아연 분진을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널.
  6. 제3항에 있어서, 금속 입자는 구리 줄밥(filing)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열 접착제는 상기 냉각 핀과 상기 태양 전지 사이의 부정확한 정렬과 관계없이, 상기 냉각 핀과 상기 태양 전지 사이에 열 평형을 제공하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열 접착제에 대해 상기 냉각 장치를 압착하기 위한 지지 구조물(backing structure)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널.
  9. 실리콘 크림 및 거기에 혼합된 금속 입자를 포함하는 조성물.
  10. 제9항에 있어서, 상기 금속 입자는 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  11. 제9항에 있어서, 상기 금속 입자는 아연 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  12. 제9항에 있어서, 상기 금속 입자는 아연 분진을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  13. 제9항에 있어서, 상기 금속 입자는 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  14. 제9항에 있어서, 상기 금속 입자는 구리 줄밥을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  15. 제9항에 있어서, 상기 금속 입자는 상기 조성물의 10 내지 50 중량%를 구성하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  16. 제15항에 있어서, 상기 금속 입자는 실질적으로 상기 조성물의 30 중량%를 구성하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  17. 제15항에 있어서, 열 전도도가 0.9 이상인 것을 특징으로 하는 조성물.
  18. 제15항에 있어서, 열 전도도가 0.99 이상인 것을 특징으로 하는 조성물.
  19. 태양 전지의 배열물을 제공하는 단계;
    냉각 장치를 제공하는 단계; 및
    열 접착제를 사용하여 상기 냉각 장치를 상기 태양 전지에 부착시키는 단계
    를 포함하는 태양광 패널의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    PV 프레임을 제공하는 단계; 및
    상기 프레임 뒤에 지지물(backing)을 고정시켜 상기 열 접착제 및 상기 태양 전지의 배열물에 대해 상기 냉각 장치를 압착하는 단계
    를 포함하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 냉각 장치는 상기 태양 전지의 배열물과의 열 평형을 설정하기 위한 핀을 포함하는 물 또는 액체 냉각 그릴을 포함하며, 상기 태양 전지를 향한 상기 그릴의 표면에 상기 열 접착제를 바르는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제20항에 있어서, 냉각 장치를 지지물에 밀착시키기 위해 알루미늄 지지체 구조물을 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 격리(isolaton) 중합체로 냉각 구조물을 덮는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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