KR20180024411A - 태양광열 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 기술은 태양광열 모듈 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 구체적인 예에 따르면, 유체 터널이 삽입된 지그의 상하방향으로의 가압력 및 열에 의해 집열판과 태양전지층이 투명절연시트 재질의 접착제에 의해 고정되므로 기존의 EVA가 제거되어 태양전지층과 집열판간의 간격이 조정될 뿐만 아니라, 글라스층을 통과한 태양에너지가 태양전지층의 셀 사이를 통과하여 직접 집열판에 전달되므로 태양전지층과 집열판의 열 저항성을 감소할 수 있고, 이에 태양전지층과 집열판 간의 열전도율을 향상시킬 수 있으며, 기존의 복잡한 복수의 EVA 공정에 제거되므로 PVT 모듈의 제조 공정을 간소화할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 태양광열 모듈 및 그 제조방법 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지층 하부면에 투명 절연재질의 접착제로 집열판이 결합된 태양광열 모듈을 제작함에 있어, 태양전지층과 집열판 간의 열저항성을 감소하고 제조 공정을 간소화할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
화석연료를 대체하는 대체 에너지원으로서 태양광, 태양열, 지열 등을 이용하는 추세가 증가하고 있다. 태양광을 이용하기 위해 태양전지를 사용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 광전지(PV: Photo Voltaic) 모듈이 사용되고 있다.
그런데 PV 모듈은 태양으로부터 유입되는 태양열 및 태양전지에서 전기를 변환하면서 발생하는 열에 의해 PV 모듈의 온도가 상승하고 이로 인해 태양전지 효율이 떨어지는 문제가 있다.
이 문제를 해결하는 방법 중 하나로서 PV 모듈의 뒷면에 집열모듈을 결합한 태양광열(PVT: Photo Voltaic Thermal) 모듈이 최근 이용되고 있다. PVT 모듈은 PV 모듈에서 발생되는 열을 집열모듈이 집열하여 이 집열모듈 내를 통과하는 열매체와 열교환함으로써 PV 모듈의 온도 상승을 막고 집열모듈에서 열교환된 열을 재사용할 수 있는 이점이 있다.
이와 관련하여 도 1은 종래의 일반적인 PVT 모듈(10)을 단면을 도식적으로 나타낸다. 도면을 참조하면 일반적인 PVT 모듈(10)은 최상부의 글래스층(1)과 그 아래의 태양전지층(3)으로 구성된 PV 모듈, 및 금속성의 집열판(5)과 열교환층(7) 및 단열층(8)으로 구성된 집열모듈이 결합되어 있다. 이때 태양전지층(3)과 집열판(5)이 예컨대 접착제나 기계적 접합구조에 의해 결합되어 PV 모듈과 집열모듈이 결합되어 있다. 열교환층(7)은 일반적으로 집열판(5) 하부에 부착되고 액체나 기체의 열교환 매체가 흐를 수 있는 파이프(9)가 매설되어 있다. 이러한 구조에서, 태양전지층(3)에서 발생한 열이 집열판(5)을 거쳐 열교환층(7)으로 전달되어 열교환층(7)의 파이프(9)를 흐르는 열매체와 열교환함으로써 PVT 모듈이 냉각된다.
그런데 이러한 PVT 모듈은 기존의 PV 모듈과 집열 모듈을 단순 열전도 구리스로 결합한 구조이므로, 접착의 견고성 및 복잡한 제조 공정의 단점이 존재하였다.
또한 기존의 태양광모듈은 글래스층(1)과 태양전지층(PV: 3) 사이와 대양전지층(3)과 집열판(5) 사이 각각에 마련된 불투명한 백시트(4)를 이용하여 태양전지층(3)과 집열층(5)이 접착되므로, 태양전지층(3)의 셀과 셀 사이의 공간으로 인해 집열판(5)의 집열량이 떨어지는 문제점이 존재하였다.
또한 기존의 글래스층(1)과 태양전지층(3), 태양전지층(3)과 백시트(4), 백시트(4)와 집열판(5) 각각에 사이에 EVA 필름을 형성한 후 라미네이트 공정을 이용하여 각 층을 접합하므로, 태양전지층의 각 셀 사이에 EVA 필름이 삽입되므로 태양전지층(3)과 집열판(5) 간의 간격이 넓어짐에 따라 태양전지층과 집열판 간의 열저항성이 커지고 이에 열전도율이 낮아지는 한계에 도달하였다.
이에 본 발명은, 기존의 라이네이팅을 이용한 태양전지층과 집열판 사이에 태양전지층과 집열판의 간격을 줄이고, 글래스층을 통과한 태양에너지를 집열판에 집열판에 직접 전달함에 따라 태양전지층과 집열판 간의 열저항성을 감소하여 열전도율을 근본적으로 향상시킬 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 유체 터널이 삽입된 지그를 상하 방향으로 가압하여 집열판과 태양전지층을 투명 절연 시트를 통해 접합함에 따라 태양전지층과 집열판과의 접합성 및 내구성을 향상시킬 수 있고, 태양전지층의 태양전지층과 집열판의 사이의 간격 조정으로 인해 태양전지층과 집열판 간의 열 저하성을 감소하여 열전도성을 향상시킬 수 있는 태양광열 모듈 및 그 제조방법을 제공하고자 함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 과제는,
글래스층의 하부에 설치된 태양전지층을 포함하여 글래스층을 통과한 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지모듈;
상기 태양전지층의 저면에 설치되는 접착제;
상기 접착제의 저면에 설치되는 금속성 집열판으로 구비되어 상기 태양전지모듈에서 발생된 열을 집열하는 집열모듈; 및
상기 집열모듈의 열을 복수의 유체 터널의 유체에 전달하여 상기 집열판의 열을 유체로 열교환하는 단열층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 태양전지모듈과 집열모듈은 유체 터널이 삽입된 지그를 설치하고 설치된 지그의 상하측 방향으로의 가압으로 상기 접합제에 의거하여 접합되도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 접착제는, 글래스층을 통과한 태양에너지를 태양전지층의 셀 사이를 통과하여 집열판에 직접 전달하는 투명 절연 시트로 구비될 수 있다.
이러한 장치를 이용한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양광 모듈 제조 방법은,
태양전지층에서 글래스층을 통과한 태양에너지를 전기에너지로 변환 시 발생한 열을 집열판에 의거하여 집열하고 집열된 열에 대해 유체 터널의 유체와의 열교환을 수행하는 태양광모듈의 제조방법에 있어서,
상기 유체 터널의 상부에 집열판, 접착제, 및 상기 태양전지층을 순차 적층하고,
상기 유체 터널이 삽입된 지그를 설치한 후 설치된 지그를 상하 방향으로 가압하여 집열판과 태양전지층을 접착제로 접착하며,
상기 지그를 제거한 후 단열층을 형성하며,
태양전지층의 상부에 소정간격으로 두고 태양광을 통과하는 글래스층을 설치하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 접착제는, 글래스층을 통과한 태양에너지를 태양전지층의 셀 사이를 통과하여 집열판에 직접 전달하는 투명 절연 시트로 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면 유체 터널이 삽입된 지그의 상하방향으로의 가압력 및 열에 의해 집열판과 태양전지층이 투명절연시트 재질의 접착제에 의해 고정되므로, 기존의 EVA가 제거되어 태양전지층과 집열판간의 간격이 조정될 뿐만 아니라 글라스층을 통과한 태양에너지가 태양전지층의 셀 사이를 통과하여 직접 집열판에 전달되므로, 태양전지층과 집열판의 열 저항성을 감소할 수 있고, 이에 태양전지층과 집열판 간의 열전도율을 향상시킬 수 있는 효과를 얻는다.
그리고, 본 발명에 의하면, 기존의 복수의 EVA 공정에 따른 복잡한 PVT 모듈의 제조 공정을 간소화할 수 있는 이점을 가진다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일반적인 태양광모듈의 단면을 보인 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광모듈의 단면을 보인 도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양광모듈 제조 과정을 보인 흐름도이다.
도 1은 일반적인 태양광모듈의 단면을 보인 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광모듈의 단면을 보인 도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양광모듈 제조 과정을 보인 흐름도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "위" (또는 "아래", "오른쪽", 또는 "왼쪽")에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소의 위(또는 아래, 오른쪽, 또는 왼쪽)에 직접 위치될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한 본 명세서에서 구성요소간의 위치 관계를 설명하기 위해 사용되는 '상부(위)', '하부(아래)', '좌측', '우측', '전면', '후면' 등의 표현은 절대적 기준으로서의 방향이나 위치를 의미하지 않으며, 각 도면을 참조하여 본 발명을 설명할 때 해당 도면을 기준으로 설명의 편의를 위해 사용되는 상대적 표현이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한 본 발명에서 PVT 모듈과 태양광열 모듈은 동일한 모듈로서, 혼용하여 사용할 수 있으며, 태양광, 태양에너지, 및 태양복사광선은 동일한 명칭으로써 혼용하여 사용할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 당업자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광열 시스템 및 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 PVT 모듈을 나타낸 도면이고, 도 2를 참조하면 본 발명의 실시 예에 따른 PVT 모듈(S)은 태양전지층(120)을 포함하는 광전지모듈(100)과, 집열판(210)을 포함하는 집열모듈(200)과, 유체 터널(221)을 하나의 하우징 내에 하나의 모듈로 제조할 수 있다.
PVT 모듈(S)의 상측면에 별도의 하우징을 마련된 글래스층(110)를 설치하고, PVT 모듈(S)의 하측면에 유체 터널(221)이 삽입되는 단열층(220)을 설치할 수 있다.
글래스층(110)은 PVT 모듈(S)의 가장 상부에 배치되며 PVT 모듈(S)을 외부로부터 보호하면서 열손실을 감소시키는 역할을 한다. 글래스층(110)은 태양광의 반사를 방지하고 투과율이 높은 재질의 강화유리로 제조되는 것이 일반적이지만 글래스층(110)의 재질은 특정 종류에 한정되지 않는다. 또한, PVT 모듈(S)이 글래스층(110)을 포함하지 않을 수도 있다.
그리고 글래스층(110)과 소정 간격으로 이격된 태양전지층(120)이 마련되며, 태양전지층(130)은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 복수의 태양전지 셀을 포함한다. 각각의 태양전지 셀은 실리콘 태양전지 셀(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지 셀(compound semiconductor solar cell), 적층형 태양전지 셀(tandem solar cell), 염료감응형 또는 CdTe, CIGS형 태양전지셀 등일 수 있으며 본 발명은 특정 종류의 태양전지 셀에 제한되지 않는다.
집열판(210)은 태양전지층(120)의 하부면에 설치되며, 금속성으로 열 전도체로 마련될 수 있으며, 얇은 판상 형태의 구리 또는 알루미늄 등의 금속성 재질로 마련될 수 있고, 태양전지층(120)과 단열층(220) 사이에 개재되어 배치된다. 이때 집열판(210)의 두께는 한정되지 아니하고, 가능하면 최대의 열전도성을 가지는 범위 내에서 얇은 두께를 갖는 것이 바람직할 것이다.
그리고, 태양전지층(120)과 집열판(210) 사이의 접합면은 열전도성이 우수한 접착제(adhesive)(131)를 사용하여 접합한다. 예를 들어 접착제는 실온에서 경화되는 열전도성 실리콘 접착제(Thermally Conductive Ethoxy Cure RTV)를 사용할 수 있다. 이에 접착제(131)로 태양전지층(120)과 집열판(210)을 접합함으로써, 태양전지층(120)에서 발생한 열이 집열판(210)으로 더 효과적으로 전달될 수 있다. 즉, 접착제(131)는 태양전지층(120)과 집열판(210) 사이의 접합을 위해 다양한 재료를 이용할 수 있으나, 본 발명의 실시 예에서는 투명 절연 시트를 이용함이 바람직하다 할 것이다. 즉, 투명 절연 시트는 투명 재질의 절연성 필름 형태로 마련되며 투명 절연 시트를 이용하여 태양전지층(120)과 집열판(210)를 접합하는 일련의 과정은 투명 절연 시트를 이용하여 안테나를 무선 단말에 접합하는 일반적인 공정과 동일 또는 유사하다.
이러한 투명 절연 시트에 의해 글래스층(110)을 통과한 태양에너지가 태양전지층(120)의 셀 사이를 통과하여 직접 집열판(210)에 전달되므로 열전도성이 향상될 수 있게 된다.
또한 기준의 단순한 접합의 기능을 수행하는 EVA 필름을 제거되므로, 태양전지층(120)과 집열판(210) 사이의 간격을 줄일 수 있고, 이에 태양전지층(120)과 집열판(210)의 간의 열전도성을 향상시킬 수 있게 된다.
집열판(210)의 하부면에는 유체가 흐를 수 있는 원통 형상의 유체 터널(221)이 삽입되어 집열판(210)에 의해 집열된 열을 유체 터널(221)의 내부에 흐르는 유체에 전달하여 열교환 기능을 수행할 수 있다.
여기서, 집열판(210) 및 복수개의 유체 터널(221)은 열전도율이 높은 금속성 재질로 마련되며 통상 구리(Cu)로 제작될 수 있다.
그리고 유체 터널(221)이 삽입된 지그가 설치되고 설치된 지그를 상하측 방향으로 가압하여 집열판(210) 및 태양전지층(120)이 접착제(131)에 의해 접합되고, 이 후 지그를 제거한 후 유체 터널(221)을 삽입한 단열층(220)이 마련될 수 있다.
이에 따라 태양전지층(120)과 집열판(210) 간의 간격을 줄일 수 있어 태양전지층(120)과 집열판(210) 간의 열저항성을 줄일 수 있다.
즉 지그를 통해 집열판(210)과 태양전지층(120)이 투명 절연 시트 재질의 접착제(131)에 의해 고정되므로 기존의 EVA 필름을 제거하여 태양전지층(120)과 집열판(210)간의 간격이 조정될 뿐만 아니라, 글라스층(110)을 통과한 태양에너지가 태양전지층(120)의 셀 사이를 통과하여 직접 집열판(210)에 전달되므로 태양전지층(120)과 집열판(210)의 열 저항성을 감소할 수 있고, 기존의 복수의 EVA 공정에 따른 복잡한 PVT 모듈의 제조 공정을 간소화할 수 있게 된다.
이에 따라 태양전지층(120)과 집열판(210) 간의 열전도율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 태양광열 모듈의 제조 과정을 보인 흐름도로서, 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양광열 모듈 제조 방법을 설명한다.
우선, 태양광열 모듈(S)는 하나의 하우징 내에 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 광전지모듈(100)의 저면에 광전지모듈(100)에서 발생된 열을 집열하여 통과하는 열매체와 열교환하는 집열 모듈(200)을 하나의 모듈로서 형성될 수 있다.
이에 하나의 하우징 내에 최상부의 글래스층(110)의 하부에 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지층(120)을 마련하고, 태양전지층(120)의 하부면에 접착제(131)를 통해 금속성의 집열판(210)을 접착한 후 집열판(210)의 하부에 금속성의 유체 터널(220)을 마련할 수 있다(S11, S13, S15).
그리고 집열판(130)의 저면에 유체 터널(220)이 삽입되는 지그를 설치한 후 글래스층(110)과 상측과 지그의 하측면을 소정 크기의 힘과 열로 가압하여 태양전지층(120)과 집열판(210)을 접착제(131)를 통해 접착시킨다(S17, S19).
이 후 지그를 제거한 후 유체 터널(220)이 삽입된 단열층(230)을 설치한다(S21). 이에 글래스층(110)의 태양 에너지는 태양전지층(120)을 통해 전기 에너지로 변환되고 태양전지층(120)에서 생성된 열은 집열판(210)에 의해 집열될 수 있다.
그리고 집열된 열은 유체 터널(221)의 내부에 흐르는 유체로 전달되어 열교환 기능을 수행할 수 있다.
이에 따라, 지그를 통해 집열판(210)과 태양전지층(120)이 투명절연시트 재질의 접착제(131)에 의해 고정되므로, 태양전지층(120)과 집열판(210)간의 간격이 조정될 뿐만 아니라 글라스층(110)을 통과한 태양에너지가 태양전지층(120)의 셀 사이를 통과하여 직접 집열판(210)에 전달되므로, 태양전지층(120)과 집열판(210)의 열 저항성을 감소할 수 있고, 이에 태양전지층(120)과 집열판(210) 간의 열전도율을 향상시킬 수 있다. 또한, 기존의 복수의 EVA 공정에 따른 복잡한 PVT 모듈의 제조 공정을 간소화할 수 있게 된다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
유체 터널이 삽입된 지그의 상하방향으로의 가압력 및 열에 의해 집열판과 태양전지층이 투명절연시트 재질의 접착제에 의해 고정되므로, 기존의 EVA가 제거되어 태양전지층과 집열판간의 간격이 조정될 뿐만 아니라 글라스층을 통과한 태양에너지가 태양전지층의 셀 사이를 통과하여 직접 집열판에 전달되므로, 태양전지층과 집열판의 열 저항성을 감소할 수 있고, 이에 태양전지층과 집열판 간의 열전도율을 향상시킬 수 있고, 기존의 EVA 공정으로 인해 복잡한 제조 공정을 간소화할 수 있는 태양광열 모듈 및 그 제조방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 태양광열 모듈의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.
Claims (5)
- 글래스층의 하부에 설치된 태양전지층을 포함하여 글래스층을 통과한 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지모듈;
상기 태양전지층의 저면에 설치되는 접착제;
상기 접착제의 저면에 설치되는 금속성 집열판으로 구비되어 상기 태양전지모듈에서 발생된 열을 집열하는 집열모듈; 및
상기 집열모듈의 열을 복수의 유체 터널의 유체에 전달하여 상기 집열판의 열을 유체로 열교환하는 단열층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광열 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 태양전지모듈과 집열모듈은
상기 유체 터널이 삽입된 지그를 설치하고 설치된 지그의 상하측 방향으로의 가압으로 상기 접착제에 의거하여 접합되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광열 모듈.
- 제2항에 있어서, 제4항에 있어서, 상기 접착제는,
글래스층을 통과한 태양에너지를 태양전지층의 셀 사이를 통과하여 집열판에 직접 전달하는 투명 절연 시트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광열 모듈.
- 태양전지층에서 글래스층을 통과한 태양에너지를 전기에너지로 변환 시 발생한 열을 집열판에 의거하여 집열하고 집열된 열에 대해 유체 터널의 유체와의 열교환을 수행하는 태양광열 모듈의 제조방법에 있어서,
상기 유체 터널의 상부에 집열판, 접착제, 및 상기 태양전지층을 순차 적층하고,
상기 유체 터널이 삽입된 지그를 설치한 후 설치된 지그를 상하 방향으로 가압 및 열로 집열판과 태양전지층을 접착제로 접착하며,
상기 지그를 제거한 후 단열층을 형성하며,
태양전지층의 상부에 소정간격으로 두고 태양광을 통과하는 글래스층을 설치하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광열 모듈 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 접착제는,
글래스층을 통과한 태양에너지를 태양전지층의 셀 사이를 통과하여 집열판에 직접 전달하는 투명 절연 시트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광열 모듈 제조방법.
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