KR20180136820A - 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치 및 이를 포함하는 태양광 어레이 - Google Patents

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Abstract

경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치가 개시된다. 본 발명에 따른 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치는, 태양전지판을 포함하는 상기 태양광 모듈이 설치 대상면으로부터 임의 거리 이격되도록 지지하며 상부와 하부에 개구가 형성된 지지부 및 태양광 모듈과의 사이에 상부 및 하부 개구를 입구와 출구로 하는 공기유동채널이 형성되도록 상기 지지부에 태양광 모듈과 이격 설치되는 백 플레이트(Back plate)를 포함하되, 태양광 모듈과 백 플레이트 사이의 공기유동채널이 벤츄리 관 구조를 이루도록 지지부에 백 플레이트가 경사지게 설치되어 별도의 동력장치 사용 없이도 태양광 모듈에 대한 효율적인 냉각을 도모할 수 있다.

Description

경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치 및 이를 포함하는 태양광 어레이{Cooling apparatus of photovoltaic module using inclined back plate and solar array containing the same}
본 발명은 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치에 관한 것으로, 특히 자연대류 현상을 이용하여 태양광 모듈을 냉각시키는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치 및 이를 포함하는 태양광 어레이에 관한 것이다.
일반적으로 태양에너지를 이용하는 방법은 크게 태양열을 이용하는 방법과 태양광을 이용하는 방법으로 구분될 수 있다. 태양열을 이용하는 방법은 태양에 의해 데워진 물 등을 이용하여 난방 및 발전을 하는 방법이며, 태양광을 이용하는 방법은 태양의 빛을 이용하여 전기를 발생시키는 방법으로 통상 태양광 발전이라고 한다.
태양에너지를 이용하는 방법 중에서도 태양의 빛을 이용하여 전기를 생산하는 태양광 발전에는 실리콘 결정 위에 n형 도핑을 하여 p-n접합시킨 태양전지(Solar cell)가 사용되며, 태양전지에 태양광이 조사되면 빛 에너지에 의해 전자-정공에 의한 기전력이 발생하게 되는 광기전력 효과(Photovoltaic effect)에 의해 전기가 발생된다.
태양전지(Solar cell)는 태양 빛을 이용해 전기를 일으키는 최소 단위이고, 적절한 전압과 전류를 얻기 위하여 태양전지를 다수 개 직병렬로 연결하고 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 충진재 및 유리 등과 함께 압축하여 모듈 형태로 제작한 것을 태양광 모듈(Photovoltaic module)이라 한다. 그리고 태양광 모듈을 일정하게 배열한 것을 태양광 어레이(solar array)라 한다.
한편, 태양광 발전 시스템에 사용되는 태양광 모듈의 효율은 현재 주류를 이루고 있는 다결정 실리콘 소재의 경우, 약 16 ~ 18%의 범위로서 태양광 발전의 경제성을 결정짓는 가장 중요한 요인이다. 이러한 발전효율을 지속적으로 향상시키기 위해서는 다양한 장치를 통한 유지, 보수가 반드시 요구된다.
그러나 태양전지, 태양광 모듈 및 태양광 어레이 등은 태양광 집광에 의한 온도 상승으로 1℃ 상승 시 약 0.5%의 출력저하가 발생하여 발전효율이 저하되는 문제가 있다. 이로 인해 태양광 모듈에 의한 발전량은 집광량이 최대인 여름보다 봄, 가을에 최고치를 갖는다. 일사량이 많은 여름의 경우 태양광 모듈의 과열로 인해 발전효율이 최대치 대비 20~30% 정도 떨어지기 때문이다.
즉 태양전지는 온도와 출력 전압이 반비례하는 특성이 있으며, 때문에 온도가 상승할수록 전압이 낮아져 발전출력이 저하된다. 이로 인해 봄, 가을에 비해 일사량이 많은 더운 여름철에 발전출력이 오히려 저하되는 것이며, 이러한 문제 해결을 위해 태양광 모듈을 냉각시키는 장치에 대한 연구와 개발이 최근 활발하게 진행되고 있다.
지금까지 알려진 태양광 모듈 냉각 기술에는 크게 3가지 형태가 있다. 구체적으로는, 냉각수를 이용하는 액체 냉각방식과, 외부 공기를 장치 내부로 강제로 끌어 들여 냉각을 도모하는 강제 대류방식, 그리고 외부 풍속과 풍향을 이용하여 외부 공기를 자연스럽게 장치 내부로 유입시켜 냉각을 도모하는 자연 대류방식이 있다.
한국특허공개 제2011-0053610호에 개시된 기술은 태양광 모듈에 물을 직접 분사하여 냉각시키는 기술로서, 태양광 모듈 냉각 기술 중 상기 액체 냉각방식에 해당된다. 이러한 액체 냉각방식은 통풍을 통해 냉각을 도모하는 상기 대류방식에 비해 온도 저감 효율이 높고, 외부 풍속이나 풍향 등의 영향으로부터 자유롭다는 장점이 있다.
그러나 시설이 복잡해 초기투자비용이 높고, 자연풍을 이용한 자연 대류방식에 비해 현저히 많은 유지관리비가 요구되며, 추가 에너지(펌프 구동 및 분사장치 구동에 필요한 전기에너지)의 사용으로 인해 에너지 효율 측면에서 불합리한 단점이 있으며, 특히 부식 및 동파 등 유지관리에 각별한 주의가 요구되고 시공이 어렵다는 단점이 있다.
한국특허공개 제2013-0077305호에 기재된 기술은 강제 대류식 냉각장치의 대표적인 일례이다. 이는 태양광 모듈 배면의 쉬라우드에 설치된 시로코팬(송풍팬)을 통해 외부 공기를 쉬라우드 내부로 강제 도입하여 냉각을 도모하는 기술로서, 자연 대류방식(자연 통풍)에 비해 높은 온도 저감 효율과 외부 풍속과 풍향에 상대적으로 영향을 덜 받는다는 장점이 있다.
그러나 송풍팬이 내장됨에 따라 장치의 전체적인 부피가 커서 설치 대상부 환경에 따라 설치에 제약이 따르는 문제가 있으며, 마찬가지로 추가 에너지(팬 구동에 필요한 전기에너지)의 사용으로 인해 에너지 효율 측면에서 불합리한 단점이 있고, 유지관리비가 발생하며, 특히 자연 대류방식에 비해 태양광 시스템과의 통합에 어려움이 수반되는 단점이 있다.
한편, 자연 대류방식은 외부 공기를 장치 내부로 유입시켜 냉각을 도모하기 때문에, 별도의 유지관리비가 발생하지 않고, 시스템 구축에 소요되는 초기투자 비용이 낮다는 장점이 있다. 또한 추가 에너지 사용이 없어 에너지 효율 측면에서 합리적이며, 강제 대류방식에 비해 태양광 시스템과의 통합에도 유리하다.
그러나 종래의 자연 대류방식의 경우 강제 대류방식이나 액체 냉각방식에 비해 외부 환경의 영향을 많이 받는다는 단점이 있다. 즉 풍속 및 풍향에 따라 온도 저감 효율이 큰 폭으로 변동되고, 낮은 공기유량으로 인하여 안정적이고 효율적인 냉각을 기대하기 어렵다는 단점이 있어 이에 대한 개선이 시급한 실정이다.
한국특허공개 제2011-0053610호(공개일 2011. 05. 24) 한국특허공개 제2013-0077305호(공개일 2013. 07. 09)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 별도의 동력이 필요 없는 자연 대류방식으로 경제적이면서, 종래의 단순 유입식 자연 대류방식 냉각장치에 비해 안정적이고 효율 높은 냉각성능을 발휘할 수 있는 저비용 고효율의 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치 및 이를 포함하는 태양광 어레이를 제공하고자 하는 것이다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 실시 예에 따르면,
태양광을 이용하여 발전하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치로서,
태양전지판을 포함하는 상기 태양광 모듈이 설치 대상면으로부터 임의 거리 이격되도록 지지하며, 상부와 하부에 개구가 형성된 지지부; 및
상기 태양광 모듈과의 사이에 상기 상부 및 하부 개구를 입구와 출구로 하는 공기유동채널이 형성되도록 상기 지지부에 태양광 모듈과 이격 설치되는 백 플레이트(Back plate);를 포함하며,
태양광 모듈과 백 플레이트 사이의 상기 공기유동채널이 벤츄리 관 구조를 이루도록 상기 지지부에 백 플레이트가 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치를 제공한다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 실시 예에 따르면,
태양광을 이용하여 발전하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치로서,
태양전지판을 포함하는 상기 태양광 모듈이 설치 대상면으로부터 임의 거리 이격되도록 지지하며, 상부에 개구가 형성된 지지부;
상기 상부 개구를 출구로 하고 지지부 하단부와의 사이에 설치 대상면을 향하여 개방된 개구를 입구로 하는 공기유동채널이 상기 태양광 모듈과의 사이에 형성되도록 상기 지지부에 태양광 모듈과 이격 설치되는 백 플레이트(Back plate);를 포함하며,
태양광 모듈과 백 플레이트 사이의 상기 공기유동채널이 벤츄리 관 구조를 이루도록 상기 지지부에 백 플레이트가 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예 및 다른 실시 예에 따른 냉각장치는, 상기 공기유동채널 내 자연대류에 의한 공기 유동을 유도하기 위해 공기유동채널의 상기 출구에 설치되는 대류열전달 유발 유도날개를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 대류열전달 유발 유도날개의 표면이 집열면이 되고, 집열면에 열이 집중됨에 따른 온도 상승에 의한 자연대류 현상으로 상기 공기유동채널 내 더운 공기가 출구를 통해 밖으로 배출되고 외부 공기가 입구를 통해 공기유동채널로 지속적으로 유입되는 순환형 공기유동이 발생되어 별도의 동력장치 사용 없이도 태양광 모듈에 대한 효율적인 냉각을 도모할 수 있다.
바람직하게는, 상기 대류열전달 유발 유도날개가 지지부에 착탈 가능하게 부착될 수 있으며, 이 경우 설치 환경에 따라 그에 맞는 크기를 적절히 선택하여 부착할 수 있고, 교체가 필요한 경우 새로운 것으로 쉽게 교체할 수 있다.
또한, 설치 대상면의 경사각이나 설치 대상면에 대한 태양광의 방위각 등의 설치 환경에 따라 최적의 대류열전달 유발을 유도할 수 있는 각도로 상기 유도날개의 각도를 자유롭게 조정할 수 있도록, 상기 지지부에 대류열전달 유발 유도날개가 각도 조절 가능하게 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예 및 다른 실시 예에 적용된 상기 백 플레이트는, 태양에너지를 흡수할 수 있는 흑색 계열의 내열성 합성수지 또는 태양광 모듈과 마주하는 면에 흑색 계열의 도료가 도포된 비금속 또는 금속재질의 판상체일 수 있다.
이와는 다르게, 상기 백 플레이트는 입사된 태양에너지를 다시 상기 태양광 모듈로 반사시킬 수 있도록 태양광 모듈과 마주하는 면에 빛 반사면을 형성한 비금속 또는 금속재질의 판상체일 수 있으며, 이 경우 상기 태양광 모듈의 태양전지판은 태양을 향하는 면 및 반대편 면 모두에 태양전지(Solar cell)가 배치된 양면형으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 지지부는 바람직하게, 태양광 모듈과 백 플레이트 사이의 양 측면부를 폐쇄하도록 구비되는 좌, 우 한 쌍의 측벽부와, 상기 측벽부를 상호 연결하며, 공기유동채널의 입구와 출구가 되는 상기 개구가 형성된 상단 벽부 및 하단 벽부를 포함하는 구성일 수 있다.
이때, 상기 상단 벽부와 하단 벽부의 개구는 격판부에 의해 둘 이상으로 구획될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 적용된 상기 지지부는, 태양광 모듈과 백 플레이트 사이의 양 측면부를 폐쇄하도록 구비되는 좌, 우 한 쌍의 측벽부와, 상기 측벽부를 상호 연결하며 공기유동채널의 출구가 되는 상기 개구가 형성된 상단 벽부와, 상기 측벽부를 상호 연결하며, 백 플레이트와의 사이에 공기유동채널의 입구가 되는 상기 개구를 형성하도록 구비되는 하단 벽부 및 상기 측벽부와 상단 벽부, 그리고 하단 벽부로 구성된 지지 프레임이 설치 대상면으로부터 이격되도록 지지하는 지지부재를 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우에도 역시, 상기 상단 벽부의 개구는 격판부에 의해 둘 이상으로 구획되도록 구성함이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시 예 및 다른 실시 예에 따른 냉각장치는, 상기 공기유동채널의 출구 측에 설치되며, 상기 출구 측 공기의 유동과 경사진 축선을 중심으로 하는 공기 유입구와 공기 배출구를 가지는 이젝터(Ejector) 구조의 공기배출유도수단;을 더 포함할 수 있다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이웃하는 면이 서로 연접하도록 가로, 세로로 배열되는 복수의 태양광 모듈과, 각 태양광 모듈에 설치되는 상기한 일 실시 예 및 다른 실시 예에 따른 태양광 모듈 냉각장치를 포함하는 태양광 어레이를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 자연 대류방식으로 별도의 동력장치 사용(추가 에너지 사용)을 배제할 수 있으며, 따라서 유지관리비가 발생하지 않아 경제적이고, 벤츄리 관 구조의 공기유동채널에 의하여 자연대류 현상이 촉진되어 종래의 단순 유입식 자연 대류방식 냉각장치에 비해 안정적이고 효율 높은 냉각성능이 발휘될 수 있다.
또한, 자연 대류방식이기 때문에 장치 수명이 길고 구성이 단순하여 시스템 구축에 소요되는 초기투자 비용이 낮다는 장점이 있으며, 태양광 발전 시스템 구축 시 설치 환경에 크게 구애됨이 없이 태양광 모듈과 함께 적용 가능한 장점이 있다. 그리고 태양광 발전 시스템과의 통합에 있어서도 유리하다는 장점이 있다.
더욱이, 대류열전달 유발 유도날개를 부착시킨 실시 예의 경우, 유도날개의 표면에 열이 집중됨에 따른 온도 상승으로 자연대류 현상이 더욱 촉진되어 공기유동채널 내 더운 공기가 빠르게 출구를 통해 밖으로 배출되며, 이에 따른 내부 압력 강하로 외부 공기가 입구를 통해 자연스럽게 유입됨으로써 더욱 안정적이고 효율 높은 냉각성능이 발휘될 수 있다.
도 1은 태양광 모듈로부터 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 모듈 냉각장치가 분리된 모습을 도시한 분해 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 태양광 모듈에 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각장치가 결합된 모습을 도시한 결합 사시도.
도 3은 도 2의 태양광 모듈 냉각장치를 A-A선 방향에서 바라본 절단면도.
도 4는 도 2의 태양광 모듈 냉각장치를 B-B선 방향에서 바라본 절단면도.
도 5는 태양광 모듈 냉각장치에 적용되는 상기 유도날개의 바람직한 실시 예를 예시한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양광 모듈 냉각장치의 절단면도.
도 7은 본 발명에 따른 태양광 모듈 냉각장치의 또 다른 실시 예시한 개념도.
도 8a와 8b, 도 9a와 9b는 본 발명의 다른 측면에 따른 태양광 어레이를 도시한 도면.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하거나 간단히 기술하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로, 제안된 형태로 본 발명이 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다. 또한 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있음을 밝혀둔다.
또한 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
도 1은 태양광 모듈로부터 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 모듈 냉각장치가 분리된 모습을 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 태양광 모듈에 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각장치가 결합된 모습을 도시한 결합 사시도이다. 그리고 도 3과 도 4는 도 2의 태양광 모듈 냉각장치를 A-A선 및 B-B선 방향에서 바라본 절단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 모듈(10) 냉각장치는 태양광 모듈(10)을 지지하는 지지부(22)를 포함한다. 태양광 모듈(10)은 태양전지(Solar cell)들의 집합체인 판상의 태양전지판(12)을 충진재(13) 및 유리(14) 등과 함께 적층 성형시킨 모듈 형태로 제작될 수 있으며, 상기 지지부(22)에 의해 태양광 모듈(10)은 설치 대상면으로부터 임의 거리 이격될 수 있다.
지지부(22)는 태양광 모듈(10)을 설치 대상면으로부터 임의 거리 이격시켜 지지하는 역할과 함께, 태양광 모듈(10)과 설치 대상면 사이에 공기가 유동할 수 있는 소정의 공간(공기유동채널, 24)을 형성시키는 역할을 한다. 지지부(22)는 도면의 예시와 같이 상부와 하부에 개구(223, 225)가 형성된 사각형의 프레임 형태로 제공될 수 있으나 사각형 모양으로 한정되는 것은 아니다.
일 실시 예에 적용된 지지부(22)는, 태양광 모듈(10)과 후술하게 될 백 플레이트(26) 사이의 양 측면부를 폐쇄하도록 구비되는 좌, 우 한 쌍의 측벽부(221)와, 측벽부(221)을 상호 연결하며 상기 백 플레이트(26)에 의해 태양광 모듈(10)과의 사이로 형성되는 공기유동채널(24)의 입구와 출구가 되는 상기 개구(223, 225)가 형성된 상단 벽부(222) 및 하단 벽부(224)를 포함할 수 있다.
상단 벽부(222)와 하단 벽부(224)의 상기 개구(223, 225)는 도 1 및 3의 예시와 같이, 격판부(226)에 의해 둘 이상으로 구획될 수도 있으며, 필요에 따라 상단 벽부(222)와 하단 벽부(224)에 형성된 상기 격판부(226) 사이를 격판 부재(미도시)로 연결하여 공기유동채널(24)을 공기유동 방향으로 구획함으로써 공기의 유동특성을 향상시키는 방안이 고려될 수도 있다.
지지부(22)에는 태양광 모듈(10)과 거리를 두고 소정 각도 경사진 배치를 이루도록 상기 백 플레이트(Back plate, 26)가 설치된다. 이로 인해 백 플레이트(26)와 상기 태양광 모듈(10) 사이에 상기 상부 및 하부 개구(223, 225)를 출구와 입구로 하며, 상기 입구에서 출구로 갈수록 통로 면적이 좁아지는 벤츄리 관 구조의 공기유동채널(24)이 형성된다.
벤츄리 관 구조의 공기유동채널(24)로 인하여, 입구(225)를 통해 유입된 공기는 공기유동채널(24)을 따라 출구(223) 측으로 갈수록 점차 유속이 빨라지는 유동특성을 가지게 되어 공기유동채널(24) 내 공기 흐름이 촉진될 수 있다. 즉 벤츄리 관 구조로부터 발현되는 공기의 유동특성으로 인하여 공기유동채널(24) 내 공기 흐름이 촉진되어 냉각효율이 증대될 수 있다.
백 플레이트(26)는 태양에너지를 흡수할 수 있는 흑색 계열의 내열성 합성수지 또는 태양광 모듈(10)과 마주하는 면에 흑색 계열의 도료가 도포된 비금속 또는 금속재질의 판상체일 수 있다. 이 경우 백 플레이트(26)에 흡수된 열(태양열)에 의한 굴뚝효과(Chimney effect)로 인하여 공기유동채널(24) 내 자연대류, 즉 공기 유동을 촉진시킬 수 있다.
백 플레이트(26)는 입사된 태양에너지를 다시 태양광 모듈(10)로 반사시킬 수 있도록 태양광 모듈(10)과 마주하는 면에 빛 반사면을 형성한 비금속(예컨대, 플라스틱 표면(280)에 Al foil을 입힌 구조) 또는 금속재질(예컨대, 알루미늄 재질)의 판상체일 수도 있다. 이는 태양전지가 양면형인 경우 유용한 방안으로, 빛 재반사를 통해 발전 효율을 증대시키는 효과(Zero depth concentrator)가 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 모듈(10) 냉각장치는 또한, 상기 공기유동채널(24)의 출구에 설치되는 대류열전달 유발 유도날개(28)(이하 '유도날개'라 약칭 한다)를 더 포함할 수 있다.
유도날개(28)는 공기유동채널(24) 내 공기 유동을 더욱 촉진시켜 냉각 효율을 증대시키는 역할을 한다. 집열면으로서 기능하는 유도날개(28)의 표면(280)에 열이 집중됨에 따른 온도 상승으로 상승기류가 발생하며, 이로 인해 공기유동채널(24) 내 더운 공기는 출구를 통해 밖으로 빠져나가고 외부 공기는 입구를 통해 공기유동채널(24)로 지속적으로 유입되는 순환형 공기유동이 발생된다.
즉 유도날개(28)의 표면(280)에 열이 집중됨에 따른 굴뚝효과(Chimney effect)로 인하여 공기유동채널(24) 내 공기 유동이 더욱 촉진되며, 이에 따라 공기유동채널(24) 내 공기는 상기 출구를 통해 빠른 속도로 외부로 빠져나가게 되고, 공기가 빠져나감으로써 발생하는 압력차이로 인하여 외부 공기는 입구를 통해 공기유동채널(24)로 신속하게 유입될 수 있다.
결과적으로, 유도날개(28)에 의해 유발되는 대류 열전달(Convection heat transfer)에 의하여 태양광 모듈(10)을 냉각시키는 공기유량을 발생시킬 수 있다. 다시 말해 종래의 단순 유입식 자연대류 방식의 냉각장치에 비해 보다 안정적이고 효율 높은 냉각성능이 지속적으로 발휘될 수 있다
유도날개(28)는 바람직하게, 흑색 계열의 내열성 합성수지 또는 태양광이 입사되는 표면(상기 집열면)에 흑색 계열의 도료가 도포된 비금속 또는 금속재질의 얇은 판상체일 수 있으며, 태양광의 방위각 등 설치 환경에 따라 그에 맞는 크기를 적절히 선택하여 부착할 수 있도록 지지부(22)에 착탈식으로 결합되는 형태로 구성될 수도 있다.
도 5는 태양광 모듈 냉각장치에 적용되는 상기 유도날개의 바람직한 실시 예를 예시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 유도날개(28)는 설치 환경에 따라 각도를 적절히 조절할 수 있도록 지지부(22)에 부착될 수 있다. 이 경우 설치 대상면의 경사각이나 설치 대상면에 대한 태양광의 방위각, 고도 등 설치 환경에 따라 최적의 대류열전달 유발을 유도할 수 있는 각도로 상기 유도날개(28)의 각도를 자유롭게 조정할 수 있어 냉각의 효율성을 더욱 증대시킬 수 있다.
유도날개(28)의 각도 조절은 도면 예시와 같이, 유도날개(28)의 일측 가장자리 및 이에 대응되는 지지부(22)의 일측에 각각, 서로 맞물릴 수 있도록 결합요부(290)와 결합돌부(292)를 형성한 한 쌍의 연결구(29)를 포함하는 힌지구조를 통해 구현될 수 있으며, 이때 결합요부(290)의 내면과 결합돌부(292)의 외면에는 삼각형 톱니 모양의 세레이션(Serration) 구조가 적용될 수 있다.
물론, 도 5에 예시된 형태로 국한되는 것은 아니며, 유도날개의 각도를 자유롭게 조절할 수 있는 구성이면 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 힌지구조와 같이 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 선택할 수 있는 공지된 다양한 각도조절 수단으로 대체 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양광 모듈 냉각장치의 절단면도이다
본 발명의 다른 실시 예의 경우, 공기가 유입되는 입구 위치와 지지부의 일부 구성이 다른 점을 제외하고 전술한 일 실시 예에 따른 냉각장치와 동일하다. 따라서 이하에서는 전술한 일 실시 예에 따른 냉각장치와 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하고, 다른 부분에 대해서만 간단히 살펴보기로 한다.
도 6을 참조하면, 태양광 모듈(10)이 설치 대상면으로부터 임의 거리 이격되도록 지지하는 지지부(22)는 상부에 개구(223)가 형성된다. 상기 개구(223)를 출구로 하고 지지부(22) 하단부와의 사이에 설치 대상면을 향하여 개방된 개구(225)를 입구로 하는 벤츄리 관 구조의 공기유동채널(24)이 상기 태양광 모듈(10)과의 사이에 형성되도록 상기 지지부(22)에 백 플레이트(26)가 경사지게 설치된다.
지지부(22)는 좌, 우 한 쌍의 측벽부(221)와, 측벽부(221)을 상호 연결하며 공기유동채널(24)의 출구가 되는 상기 개구(223)가 형성된 상단 벽부(222)와, 측벽부(221)를 상호 연결하며 태양광 모듈(10)과의 사이에 공기유동채널(24)의 입구가 되는 상기 개구(225)를 형성하도록 구비되는 하단 벽부(224)로 구성된 지지 프레임(220)을 포함한다.
공기유동채널(24)의 입구가 되는 상기 개구(225)는 백 플레이트(26)를 측벽부(221)에 비해 상대적으로 짧게 구성하거나, 하단 벽부(224)와 인접한 백 플레이트(26)의 하단 일부를 개구(225)에 대응되는 크기로 절단 또는 백 플레이트(26)의 하단 일부를 슬롯 형태로 절개하여 형성하는 방법 등 다양한 방법이 고려될 수 있다.
지지부(22)는 또한 상기 지지 프레임(220)을 설치 대상면으로부터 부양된 상태로 지지하는 지지부재(228)를 포함한다. 지지부재(228)는 예컨대, 앵커 볼트나 막대형 폴(Pole)을 비롯해 지지 프레임(220)을 설치 대상면으로부터 이격시켜 지지할 수 있는 공지된 모든 형태의 막대형 축 또는 관을 포함할 수 있으며, 상기 측벽부(221)가 설치 대상면을 향해 연장되어 상기 지지부재를 일체로 포함하도록 된 구성일 수도 있다.
이와 같은 구성에 의하면 전술한 일 실시 예와는 다르게, 백 플레이트(26) 역시 설치 대상면으로부터 이격되고, 공기가 유동할 수 있는 공간이 태양광 모듈(10)과 백 플레이트(26) 사이의 공기유동채널(24) 외에 백 플레이트(26)와 설치 대상면 사이에 하나 더 형성된다.
즉 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 백 플레이트(26)를 사이에 두고 위, 아래로 공기유동공간을 형성시킨 구성을 이룸으로써, 태양광 모듈(10)에 대해 냉각작용을 하는 공기 유량을 더욱 많이 확보할 수 있다. 결과적으로, 공기가 접촉하는 면이 증대되어 태양광 모듈(10) 전반에 걸쳐 보다 균일하고 안정적인 냉각성능이 발휘될 수 있다.
특히, 공기유동채널(24)의 입구가 되는 개구(225)를 백 플레이트(26)와 설치 대상면 사이의 공간과 연통되도록 설치함으로써, 상대적으로 낮은 온도의 공기가 공기유동채널(24)로 유입될 수 있다.
또한, 여러 개의 태양광 모듈(10) 및 냉각장치(20)를 세로 방향으로 길게 연접 배열시킨 형태로 어레이(1)를 구성할 경우, 백 플레이트(26)와 설치 대상면 사이로 형성되는 공기유동공간을 따라 공기가 이동하여 상대적으로 위쪽에 위치한 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치까지 공기가 원활하게 공급될 수 있어(이후 도 9 참조) 원활한 복수의 태양광 모듈(10) 전반에 걸쳐 고른 냉각이 구현될 수 있다.
바람직하게는, 전술한 일 실시 예와 마찬가지로, 백 플레이트(26) 자체를 흑색 계열의 판상체로 구성하거나, 설치 대상면과 마주하는 백 플레이트(26)의 면에도 흑색 계열의 도료가 도포되도록 구성하여, 백 플레이트(26)의 배면에 흡수된 열(태양열)에 의한 굴뚝효과(Chimney effect)로 인하여 백 플레이트(26)와 설치 대상면 사이의 공간에도 공기 유동이 촉진되도록 할 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 태양광 모듈 냉각장치의 또 다른 실시 예로서, 본 발명에 따른 태양광 모듈 냉각장치는 공기배출유도수단(30)을 포함하는 형태로 구성될 수도 있다.
공기배출유도수단(30)은 바람직하게, 상기 공기유동채널(24)의 출구 측에 설치될 수 있으며, 상기 출구 측 공기의 유동과 경사진 축선을 중심으로 하는 공기 유입구(302)와 공기 배출구(304)를 가지는 이젝터(Ejector) 구조일 수 있다.
본 실시 예에 따른 냉각장치의 출구 측이 설치 대상면, 예컨대 지붕의 정점부에 위치하도록 설치될 경우 공기배출유도수단(30)은 도 7의 (a)의 예시와 같이 수평방향으로 설치하는 것이 바람직하며, 설치 대상면 중간에 냉각장치의 출구가 위치하는 경우라면 인접 상부에 위치하게 될 태양광 모듈과의 간섭 등을 고려하여 도 7의 (b)와 같이, 태양광 모듈(10)의 길이방향과 일치하는 방향으로 공기 유입구(302)와 공기 배출구(304)가 형성되도록 구성할 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 공기배출유도수단(30)의 상기 공기 유입구(302)로 유입되고 공기 배출구(304)로 이동하는 외부 공기의 흐름에 의한 이젝터 원리(공기유동채널의 출구 측에 압력강하가 발생하고 그에 따라 공기유동채널 내 공기가 강제 흡인되는 원리)로 인해 별도의 동력장치 사용 없이도 공기유동채널(24) 내 공기 유동성이 증대될 수 있다.
한편, 도 8과 도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 태양광 어레이를 도시한 도면으로서, 도 8a, 8b는 전술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 모듈 및 냉각장치들로 구성되는 태양광 어레이의 바람직한 일 실시 예이며, 도 9a, 도 9b는 본 발명의 다른 실시 예에 적용된 태양광모듈 및 냉각장치들로 구성되는 태양광 어레이의 다른 실시 예를 예시한 도면이다.
도 8a, 도 8b 및 도 9a, 도 9b에 예시된 바와 같이, 본 발명의 다른 측면에 따른 태양광 어레이(1)는, 설치 대상면 위에 이웃하는 면이 서로 연접하도록 배열되는 복수의 태양광 모듈(10)과, 각각의 태양광 모듈(10)에 대응하여 그 하부에 설치되는 상기한 일 실시 예 또는 다른 실시 예에 따른 태양광 모듈 냉각장치(20)들로 구성될 수 있다.
도면에는 다수의 태양광 모듈(10) 및 그 냉각장치의 특정 배열에 대해서만 예시하고 있으나, 가로 방향으로만 길게 배치시키거나 세로 방향으로만 길게 배치시킨 배열 등 설치 대상면의 크기나 형상, 각도, 태양에 대한 방위각 및 고도 등에 따라 다양한 변경이 있을 수 있으므로 예시된 배열 형태로 국한되는 것은 아니다.
이상에서와 같은 본 발명에 따르면, 자연 대류방식으로 별도의 동력장치 사용(추가 에너지 사용)을 배제할 수 있으며, 따라서 유지관리비가 발생하지 않아 경제적이고, 벤츄리 관 구조의 공기유동채널에 의하여 자연대류 현상이 촉진되어 종래의 단순 유입식 자연 대류방식 냉각장치에 비해 안정적이고 효율 높은 냉각성능이 발휘될 수 있다.
또한, 자연 대류방식이기 때문에 장치 수명이 길고 구성이 단순하여 시스템 구축에 소요되는 초기투자 비용이 낮다는 장점이 있으며, 태양광 발전 시스템 구축 시 설치 환경에 크게 구애됨이 없이 태양광 모듈과 함께 적용 가능한 장점이 있다. 그리고 태양광 발전 시스템과의 통합에 있어서도 유리하다는 장점이 있다.
더욱이, 대류열전달 유발 유도날개를 부착시킨 실시 예의 경우, 유도날개의 표면에 열이 집중됨에 따른 온도 상승으로 자연대류 현상이 더욱 촉진되어 공기유동채널 내 더운 공기가 빠르게 출구를 통해 밖으로 배출되며, 이에 따른 내부 압력 강하로 외부 공기가 입구를 통해 자연스럽게 유입됨으로써 더욱 안정적이고 효율 높은 냉각성능이 발휘될 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1 : 태양광 어레이(Solar array) 10 : 태양광 모듈
20 : 냉각장치 22A, 22B : 지지부
24 : 공기유동채널 26 : 백플레이트
28 : 대류열전달 유발 유도날개 29 : 연결구
30 : 공기배출유도수단
221 : 측벽부 222 : 상단 벽부
223 : 개구(공기유동채널 출구) 224 : 하단 벽부
225 : 개구(공기유동채널 입구) 226 : 격판부
228 : 지지부재
280 : 열전달 유도날개 표면(집열면)
290 : 결합 요부 292 : 결합 돌부

Claims (13)

  1. 태양광을 이용하여 발전하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치로서,
    태양전지판(12)을 포함하는 상기 태양광 모듈(10)이 설치 대상면으로부터 임의 거리 이격되도록 지지하며, 상부와 하부에 개구(223, 225)가 형성된 지지부(22A); 및
    상기 태양광 모듈(10)과의 사이에 상기 상부 및 하부 개구(223, 225)를 입구와 출구로 하는 공기유동채널(24)이 형성되도록 상기 지지부(22A)에 태양광 모듈(10)과 이격 설치되는 백 플레이트(Back plate, 26);를 포함하며,
    태양광 모듈(10)과 백 플레이트(26) 사이의 상기 공기유동채널(24)이 벤츄리 관 구조를 이루도록 상기 지지부(22A)에 백 플레이트(26)가 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  2. 태양광을 이용하여 발전하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치로서,
    태양전지판(12)을 포함하는 상기 태양광 모듈(10)이 설치 대상면으로부터 임의 거리 이격되도록 지지하며, 상부에 개구(223)가 형성된 지지부(22B);
    상기 상부 개구(223)를 출구로 하고 지지부(22B) 하단부와의 사이에 설치 대상면을 향하여 개방된 개구(225)를 입구로 하는 공기유동채널(24)이 상기 태양광 모듈(10)과의 사이에 형성되도록 상기 지지부(22)에 태양광 모듈(10)과 이격 설치되는 백 플레이트(Back plate, 26);를 포함하며,
    태양광 모듈(10)과 백 플레이트(26) 사이의 상기 공기유동채널(24)이 벤츄리 관 구조를 이루도록 상기 지지부(22B)에 백 플레이트(26)가 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공기유동채널(24) 내 자연대류에 의한 공기 유동을 유도하기 위해 공기유동채널(24)의 출구(223)에 설치되는 대류열전달 유발 유도날개(28);를 더 포함하며,
    상기 대류열전달 유발 유도날개(28)의 표면(280)이 집열면이 되고, 집열면에 열이 집중됨에 따른 온도 상승에 의한 자연대류 현상으로 상기 공기유동채널(24) 내 더운 공기가 출구를 통해 밖으로 배출되고 외부 공기가 입구를 통해 공기유동채널(24)로 지속적으로 유입되는 순환형 공기유동이 발생되는 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 대류열전달 유발 유도날개(28)가 지지부(22)에 착탈 가능하게 부착된 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 지지부(22)에 대하여 대류열전달 유발 유도날개(28)의 각도가 조절되는 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 백 플레이트(26)는 태양에너지를 흡수할 수 있는 흑색 계열의 내열성 합성수지 또는 태양광 모듈(10)과 마주하는 면에 흑색 계열의 도료가 도포된 비금속 또는 금속재질의 판상체인 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 태양광 모듈(10)의 태양전지판(12)은 태양을 향하는 면 및 반대편 면 모두에 태양전지(Solar cell)가 배치된 양면형 태양전지판이며,
    상기 백 플레이트(26)는 입사된 태양에너지를 다시 상기 태양광 모듈(10)로 반사시킬 수 있도록 태양광 모듈(10)과 마주하는 면에 빛 반사면을 형성한 비금속 또는 금속재질의 판상체인 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부(22A)는,
    태양광 모듈(10)과 백 플레이트(26) 사이의 양 측면부를 폐쇄하도록 구비되는 좌, 우 한 쌍의 측벽부(221)와;
    상기 측벽부(221)을 상호 연결하며, 공기유동채널(24)의 입구와 출구가 되는 상기 개구(223, 225)가 형성된 상단 벽부(222) 및 하단 벽부(224);로 구성된 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 상단 벽부(222)와 하단 벽부(224)의 개구(223, 225)가 격판부(226)에 의해 둘 이상으로 구획된 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지부(22)는,
    태양광 모듈(10)과 백 플레이트(26) 사이의 양 측면부를 폐쇄하도록 구비되는 좌, 우 한 쌍의 측벽부(221)와;
    상기 측벽부(221)을 상호 연결하며, 공기유동채널(24)의 출구가 되는 상기 개구(223)가 형성된 상단 벽부(222)와;
    상기 측벽부(221)을 상호 연결하며, 백 플레이트(26)와의 사이에 공기유동채널(24)의 입구가 되는 상기 개구(225)를 형성하도록 구비되는 하단 벽부(224); 및
    상기 측벽부(221)와 상단 벽부(222), 그리고 하단 벽부(224)로 구성된 지지 프레임(220)이 설치 대상면으로부터 이격되도록 지지하는 지지부재(228);로 구성된 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 상단 벽부(222)의 개구(223)가 격판부(226)에 의해 둘 이상으로 구획된 것을 특징으로 하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공기유동채널(24)의 출구 측에 설치되며, 상기 출구 측 공기의 유동과 경사진 축선을 중심으로 하는 공기 유입구(302)와 공기 배출구(304)를 가지는 이젝터(Ejector) 구조의 공기배출유도수단(30);을 더 포함하는 경사진 백 플레이트를 이용한 태양광 모듈의 냉각장치.
  13. 이웃하는 면이 서로 연접하도록 배열되는 복수의 태양광 모듈(10)과, 각 태양광 모듈(10)에 설치되는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 태양광 모듈 냉각장치(20)를 포함하는 태양광 어레이.
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