KR20200011162A - 양면 수광형 태양광 모듈 프레임 및 양면 수광형 태양광 시스템 - Google Patents

양면 수광형 태양광 모듈 프레임 및 양면 수광형 태양광 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양면 수광형 태양광 모듈 프레임 및, 상기 프레임을 적용한 태양광 시스템에 관한 기술로서, 본 발명에서는 프레임의 단면이 종래 "ㄷ"자 형상이 아닌 "H"자 형상을 이룸으로써, 모듈의 후면으로 입사되는 태양광이 프레임의 날개 부분에 의한 그림자로 인해 발전 효율이 떨어지는 문제점을 해결한다.

Description

양면 수광형 태양광 모듈 프레임 및 양면 수광형 태양광 시스템{Bifacial Solar Module Frame and System}
본 발명은 양면 수광형 태양광 모듈 프레임 및 상기 프레임을 적용한 양면 수광형 태양광 시스템에 관한 기술로서, 특히, 본 발명은 프레임에 의한 모듈 후면의 그림자 효과를 최소화할 수 있는 기술에 관한 것이다.
신재생 에너지의 부상은 온실가스 감축 노력, 에너지 안보, 기술진보로 인한 경제성 회복 등과 신재생 에너지를 적극 장려하는 정부의 정책과 맞물려 그 요구가 나날이 증가하고 있다. 이런 신재생 에너지 확대 기조에 힘입어 태양광 발전이 각광받고 있지만, 한편으로는 주민 수용성 문제로 인하여 태양광 발전을 위한 토지 확보가 어려운 것이 현재 실정이다. 이를 해결하기 위하여 공간을 적절히 사용하거나 사용되지 않는 부지를 적극 이용하는 것이 태양광 시장이 한 단계 더 발전하기 위하여 노력이 꼭 필요하다.
실리콘 태양전지의 경우 이론적인 최대 효율에 가까워지면서 더 이상 효율을 올리는 것이 매우 어렵기 때문에 최근 연구 결과를 보면 효율의 향상이 거의 이뤄지지 않고 있다. 하지만, 양면 수광형 태양광 모듈의 경우 태양광 모듈의 양면을 이용하여 발전하게 되면서 기존 단면 수광형 태양광 모듈 대비 발전량이 최대 20% 이상 증가하기 때문에 앞으로 시장 전망이 매우 밝다.
도 1은 단면 수광형 태양광 모듈과 양면 수광형 태양광 모듈의 발전량 비교 그래프(출처 : Siyu Guo, Timothy Michael Walsh, Marius Peters: Vertically mounted bifacial photovoltaic modules: A global analysis, Energy, 61 (2013) 447-454.)로서, 양면 수광형 태양광 모듈의 경우 기존의 태양전지/모듈과 달리 앞뒤 양면 모두 발전하는 큰 장점을 가지고 있음을 알 수 있다.
하지만, 태양빛이 직접 입사되는 전면과 달리 후면의 경우 바닥에서 반사되는 빛에 의한 발전을 하게 되므로 바닥 조건에 따라 발전량 차이가 크다. 특히, 양면 수광형 태양광 모듈의 특성상 후면부(뒷면)의 출력을 높이기 위해서 최대한 그림자가 생기는 것을 방지하는 것이 중요하다. 하지만, 기존의 일반적인 단면 수광형 모듈에 사용되고 있는 알루미늄 프레임을 그대로 양면 수광형 태양광 모듈에 적용할 경우, 프레임의 날개라고 일컫는 부분으로 인하여 후면부에 그림자가 생기고 이로 인해 효율 저하가 발생한다. 그래서 프레임이 없는(frameless) 태양광 모듈 역시 제조되기는 하지만, 프레임리스 태양광 모듈의 경우 비용과 무게가 증가하게 되고, 더욱이 양면수광형 모듈의 큰 장점인 수직 설치가 어려워지는 단점이 있다.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 태양광 모듈의 사진들이다. 기존 단면 태양광 모듈의 경우 모듈 전면에서만 발전이 되기 때문에 정션박스(Junction box)가 후면에 부착되어 있고, 프레임과 거치대, 고정하는 클램프(clamp) 등이 후면부 가림은 고려하지 않고, 전면부만 가리지 않도록 디자인되었지만, 양면 수광형 태양광 모듈의 경우는 전면뿐만 아니라 후면 역시 발전을 하므로, 후면 가림현상을 최소화하도록 정션박스, 프레임, 거치대 등 모든 디자인이 변경되어야 한다.
도 2a와 같이, 양면수광형 모듈을 수직으로 설치할 때, 거치대(rack)를 모듈 후면에 위치하도록 설계하면, 모듈 후면에 그림자가 발생하거나 직접적으로 빛의 입사를 막아 발전량이 떨어질 수 있다.
도 2b와 같이, 경사형 거치대 빔이 모듈 후면을 직접 가리지 않도록, 중앙이 비어있는 네모 형태 구조로 변경해 그림자 생성 및 빛가림을 손쉽게 방지할 수 있다. 하지만, 모듈을 수직으로 설치하게 되면 기존의 클램프로는 강풍과 외부 충격에 버틸 정도로 모듈을 고정하는 것이 어려운 단점이 있다.
도 2c와 같이, 최근에는 정션박스에 의한 후면 가림을 최소화하기 위하여 후면에 있던 정션박스를 셀을 가리지 않게 박스(box) 타입 대신 펜슬(pencil) 타입으로 변경하여 모듈의 가장자리에 부착한 제품도 출시되기 시작했다. 하지만, 정션박스를 옮긴 이러한 모듈에서도 여전히 프레임으로 인한 발전 출력이 감소하는 것을 확인하였다.
도 3a(전면) 및 3b(후면)는 종래 양면 수광형 태양광 모듈에서 프레임의 날개 부분에 의해 가려지는 모듈의 출력 저하를 확인하기 위하여 전류-전압 특성 실험 결과이다. 도 3b와 같이, 후면의 출력 테스트(IV measurement) 그래프에서는 킹크(kink) 형태의 전류감소가 생기는데 이는 프레임의 날개로 인해 생기는 것으로 확인되었다. 실험과정은 전면부를 프레임의 날개 크기와 동일하게 검은 테이프로 붙여서 테스트를 진행했을 때 테이프를 붙이기 전에 생기지 않던 킹크가 생기는 것을 통해 확인하였다. 양면 수광형 태양전지를 수직으로 설치했을 때, 태양의 남중고도가 높은 정오에 프레임에 의해 생성되는 그림자는 더욱 클 것이며 이는 발전 저하를 초래한다. 모듈 한 장의 출력 저하는 작게 느껴 질 수 있지만, 수백 혹은 수천 장의 모듈에서 일정 시간의 발전량이 감소하는 것은 경제성 측면에서 손실이 매우 크게 나타난다.
도 4a 및 4b는 종래 전형적인 양면 수광형 태양광 모듈의 단면도 및 전면도이다. 기존의 디자인은 프레임이 후면으로부터의 모듈 충격을 보호하기 위하여 'ㄷ' 형태에 가깝게 모듈을 감싸고 있는 형태로 백시트(backsheet)와 프레임 사이에 2~3 cm 이격이 있었다. 양면 수광형 태양전지의 경우 수직으로 설치 했을 때 오전과 오후에는 발전이 잘 되지만 구조상 정오에 발전량이 감소하게 되는데 이때 "ㄷ" 자 형상의 프레임의 경우 프레임 그림자로 인해 발전량이 더욱 감소하게 된다.
특허등록 제10-1854452호 특허등록 제10-1045320호
본 발명은 양면 수광형 태양광 모듈 신규한 프레임을 제안함으로써, 프레임에 의한 그림자 효과를 최소화할 수 있는 신규한 구조의 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 프레임과 거치대를 포함하는 양면 수광형 태양광 시스템에서, 발전 효율이 높을 뿐만 아니라, 모듈이 거치대에 견고하게 고정 설치될 수 있는 양면 수광형 태양광 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 양면 수광형 태양광 모듈 프레임에 있어서, 상부프레임, 하부프레임, 우측프레임 및 좌측프레임을 포함하여 격자 형상으로 제조되되, 상기 상부프레임 및 하부프레임은 단면이 "H"자인 것을 특징으로 하는 양면 수광형 태양광 모듈용 프레임을 제공한다.
특히, 상기 우측프레임 및 좌측프레임도 단면이 "H"자일 수 있다.
특히, 상기 프레임에 셀과 백시트를 포함하는 복합시트가 결합되는 경우, 백시트와 프레임 사이의 이격이 없는 것이 바람직하다.
특히, 상기 상부프레임 및 하부프레임은 각각 전면수직부, 후면수직부 및 수평부를 포함하여 이루어지되, 상기 수평부는 상기 전면수직부와 후면수직부의 수직 길이 중간에서 연결되어 단면이 "H"를 이루는 것이 바람직하다.
특히, 상기 프레임의 테두리(상부프레임, 하부프레임, 우측프레임 및 좌측프레임)에는 전후 방향으로 관통하는 볼트홀이 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 프레임 및 상기 프레임이 내부에 끼움결합되도록 중공부를 갖는 거치대를 포함하는 양면수광형 태양광 시스템을 제공한다.
특히, 상기 중공부에는 상기 프레임의 H자 단면이 끼움결합되도록 대응되는 홈을 갖는 것이 바람직하다.
특히, 상기 프레임은 볼트홀이 구비되어 있어, 볼트를 통해 프레임이 거치대에 결합되는 것이 바람직하다.
본 발명의 양면 수광형 태양광 모듈 프레임은 전면과 후면 사이의 폭이 줄어들도록 함으로써, 후면 쪽으로 프레임의 그림자에 의한 후면 태양광 발전 효율 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 종래 "ㄷ"자 단면의 프레임 대신 "H"자 단면의 프레임을 적용함으로써, 전면 및 후면 사이의 폭이 넓어져 그 사이로 통상의 볼트를 통해 거치대와 결합되도록 할 뿐만 아니라, "H"자 단면 구조로 인해 전면 및 후면 사이의 폭이 좁더라도 프레임 전체의 강도를 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 통상의 볼트를 이용하여 프레임과 거치대를 결합할 수 있다.
도 1은 단면 수광형 태양광 모듈과 양면 수광형 태양광 모듈의 발전량 비교 그래프(출처 : Siyu Guo, Timothy Michael Walsh, Marius Peters: Vertically mounted bifacial photovoltaic modules: A global analysis, Energy, 61 (2013) 447-454.)이다.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 태양광 모듈의 사진들이다.
도 3a(전면) 및 3b(후면)는 종래 양면 수광형 태양광 모듈에서 프레임의 날개 부분에 의해 가려지는 모듈의 출력 저하를 확인하기 위하여 전류-전압 특성 실험 결과이다.
도 4a 및 4b는 종래 전형적인 양면 수광형 태양광 모듈의 단면도 및 전면도이다.
도 5a는 본 발명의 프레임(100)의 사시도이며, 도 5b는 A-A' 단면도이며, 도 5c는 셀 등이 결합된 상태에서의 전면도이다.
도 6a 내지 6c는 각각 종래 프레임(100')과 본 발명의 프레임(100)의 구조를 비교하기 단면 비교도, 평면 비교도 및 절단면 비교도이다.
도 7은 본 발명의 프레임(100)과 거치대(200)가 결합된 태양광 발전 시스템(1000)의 단면도이다.
본 발명은 "양면 수광형 태양광 모듈용 프레임"에 관한 기술로서, 이하 편의상 약칭하여 "프레임"이라 칭하기로 한다. 본 발명에서 "모듈"은 다수의 셀을 중심으로 양측에 글라스, EVA, backsheet가 적층된 적층시트와 상기 적층시트의 사각형 테두리를 지지하는 프레임을 포함한 것을 의미하며, "태양광 시스템"은 상기 다수의 모듈을 거치대에 거치한 상태를 의미한다.
이하에서는 도면을 참고하면서 본 발명에 대하여 설명하기로 한다.
도 5a는 본 발명의 프레임(100)의 사시도이며, 도 5b는 A-A' 단면도이며, 도 5c는 셀 등이 결합된 상태에서의 전면도이다.
도 5a 내지 도 5c를 참고하면서 본 발면의 프레임(100)에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 프레임(100)은 가운데가 중공 상태인 사각형 액자 형상으로서, 상기 중공을 통해 셀이 외부로 노출된다. 프레임(100)은, 상부프레임(10), 하부프레임(20), 우측프레임(30) 및 좌측프레임(40)이 직각으로 결합되어 액자 형상의 테두리를 이루며, 테두리 내부는 비어 있어, 셀이 태양광을 받게 된다. 본 발명의 프레임(100)은 최소한 상부프레임(10) 및 하부프레임(20)은 그 단면이 종래 "ㄷ"자 형상이 아닌 "H"자 형상인 것을 특징으로 한다. 수직으로 세워지는 본 발명의 프레임(100)의 특성상, 좌우측프레임(30, 40)은 빛가림 현상이 미미하므로, "H"자 단면이 아닌 종래와 마찬가지로 사각형 바 구조일 수 있으나, 경우에 따라 우측프레임(30) 및 좌측프레임(40)도 90도 회전하여 사용하는 경우 상부프레임과 하부프레임으로 사용되므로 우측프레임(30) 및 좌측프레임(40)도 "H"자 단면 형상을 가질 수 있다.
이하에서는 설명의 편의상 상부프레임(10) 및 하부프레임(20)만이 단면이 "H"자 형상인 실시예를 들어 설명하기로 한다. 또한, 상부프레임(10)과 하부프레임(20)은 180도 회전하면 그 역할이 바뀌므로 동일한 구조이므로, 상부프레임(10)을 위주로 설명하기로 한다.
도 5b의 단면도를 참고하면, 본 발명의 프레임(100)에서 상부프레임(10)은 모듈의 전면 및 후면에 수직으로 위치하는 전면수직부(11) 및 후면수직부(12)가 이격되어 있으며 상기 전면수직부(11)와 후면수직부(12)의 수직 길이 중간 정도에서 수평으로 연결하는 수평부(13)를 포함하여 이루어지되, 수평부(13)의 상하길이가 전면수직부(11) 및 후면수직부(12)의 길이보다 짧아 상부프레임(10)의 단면이 대략적으로 "H"자 형상을 이룬다.
본 발명에서는 전면수직부(11)와 후면수직부(12) 사이에 이격공간(14)에 글라스/EVA/셀/EVA/백시트의 적층시트 상부가 끼움결합되며, 적층시트의 끼움결합 후 백시트와 프레임(100) 사이의 이격 공간이 남지 않도록 전면수직부(11)와 후면수직부(12) 사이의 거리를 짧게 함으로써 백시트와 프레임 사이의 이격 공간을 없앴다. 만일 백시트와 프레임(100) 사이의 이격 거리만을 작게 하면 프레임(100)이 너무 얇아지기 때문에 모듈을 단단하게 잡아주기 어렵고, 쉽게 구부러지거나 충격에 약하다. 본 발명에서는 이러한 강도 문제를 해결하기 위하여 전술한 바와 같이 단면이 "H"자를 이루도록 하였다. 따라서 본 발명에서는 모듈과 맞닿는 부분을 두껍게 디자인하여 쉽게 구부러지지 않게 하고, 두꺼워진 부분에 구멍을 뚫어 거치대와 체결을 더욱 쉽게 할 수 있게 하였다. 본 발명에서는 모듈을 전면에서 바라보았을 때, 프레임이 넓어 지면서 전체적인 크기가 커지게 된다.
또한, 본 발명의 프레임(100)에서는 전면수직부(11), 후면수직부(12) 및 이를 연결하는 수평부(13)를 관통하는 볼트홀(15)이 관통 설치되어 있어, 거치대(200, 도 7 참조)와의 볼트 결합이 가능하도록 하였다.
한편, 본 발명의 하부프레임(20)은 상부프레임(10)과 동일한 구조로서, 상부프레임(10)과 마찬가지로, 전면수직부(21)와 후면수직부(22)의 수직 중간 정도에서 연결하는 수평부(23)를 포함하여 전체적으로 단면이 "H'자 형상이며, 추후 거치대와의 볼트 결합이 가능하도록 볼트홀(25)이 구비된다.
또한, 우측프레임(30) 및 좌측프레임(40) 역시 추후 거치대와의 볼트 결합이 가능하도록 각각 볼트홀(35, 45)이 이격 설치된다. 또한 우측프레임(30) 및 좌측프레임(40)은 프레임(100) 전체를 90° 회전하여 사용하는 경우 상부프레임 및 하부프레임의 역할을 하게 되므로 전술한 상부프레임(10) 및 하부프레임(20)과 같이 "H"자형 단면 구조를 가질 수 있다.
도 6a 내지 6c는 각각 종래 프레임(100')과 본 발명의 프레임(100)의 구조를 비교하기 단면 비교도, 평면 비교도 및 상부 일부 절단면 비교도이다.
도 6a를 참고하면, 본 발명에서는 종래 프레임(100')과는 달리 후면으로 2~3cm의 이격되지 않고 바로 백시트와 프레임(100), 구체적으로는 후면수직부(12, 22)와 백시트가 접촉되며 그만큼 후면측 상부프레임에서의 그림자로 인한 빛가림이 적어지므로 태양발전효율이 높아진다.
도 6b를 참고하면, 본 발명에서는 종래 "ㄷ"자 단면 형상의 프레임(100')과는 달리 전면과 후면 사이의 폭은 줄어드는 대신에 상하부 방향의 길이가 늘어나기 때문에 볼트홀(15, 25, 35, 45)를 구비할 수 있는 여유 공간을 가진다.
도 6c는 종래의 프레임과 본 발명의 프레임이 각각 "ㄷ"자, "H"자 단면임을 보여주고 있다.
도 7은 본 발명의 프레임(100)과 거치대(200)가 결합된 태양광 발전 시스템(1000)의 단면도로서, 거치대(200)의 내부에는 프레임(100)이 밀착 끼움 결합하도록 대응되는 단면 구조를 가져야 하는데, 예를 들어, 거치대(200)에는 상부프레임(10)의 전면수직부(11)와 후면수직부(12) 중 수평부(13)에 비해 돌출된 부분을 삽입하기 위한 끼움홈(210)을 가진다. 또한, 거치대(200)에는 하부프레임(20)의 돌출된 수직부분을 삽입하기 위한 끼움홈(210)을 갖는다. 거치대(200)는 다단 구조로서 다단으로 프레임(100)이 고정되므로, 중간 단에 있는 거치대(200) 부분은 동시에 상하 또는 좌우로 2개의 프레임(100)이 결합되도록, 도 7의 단면도와 같이 대칭 구조로 2개의 프레임(100)이 동시에 결합되도록 삽입공간을 갖는다.
본 발명의 프레임은 폭이 더 넓어진 만큼 구멍을 만들기 용이하기 때문에 그 구멍을 이용하여 거치대와 더 쉽고 강하게 결착할 수 있으므로 수직형에 더 적합하다. 또한, 도 7과 같이, 본 발명에서는 전용 클램프가 아닌 볼트(300)와 너트(310) 만으로 쉽게 프레임(100)과 거치대(200)의 결속이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 모듈 프레임과 거치대를 우리가 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 창호처럼 디자인하였기 때문에 모듈을 여러 개 연결하는 어레이(array) 형태로 설치할 경우 모듈과 프레임을 결착하는 방식은 옆에서 모듈을 슬라이딩 도어처럼 밀어 넣는 방식으로 모듈을 넣고 볼트를 체결하면 된다. 거치대에 레일을 설치한다면 모듈을 설치하는 것이 더욱 용이할 것이다. 상황에 따라 모듈을 거치대의 옆면에서 넣는 것이 여의치 않을 경우 거치대의 가로 막대를 체결하는 방식으로 디자인하여 위에서 모듈을 넣고 프레임의 가로 막대를 체결하고 모듈을 다시 넣는 방식으로 쉽게 시공이 가능하다.
10 : 상부프레임 11 , 21 : 전면수직부
12, 22 : 후면수직부 13. 23 : 수평부
14, 24 : 이격공간 15, 25, 35, 45 :볼트홀
30 : 우측프레임 40 : 좌측프레임
100 : 본 발명의 프레임 100' : 종래의 프레임
200 : 거치대

Claims (8)

  1. 양면 수광형 태양광 모듈용 프레임에 있어서,
    상부프레임, 하부프레임, 우측프레임 및 좌측프레임을 포함하는 내부가 빈 격자 형상으로 제조되되,
    상기 상부프레임 및 하부프레임은 단면이 "H"자인, 양면 수광형 태양광 모듈 프레임.
  2. 제1항에서, 상기 우측프레임 및 좌측프레임도 단면이 "H"자인, 양면 수광형 태양광 모듈 프레임.
  3. 제1항에서, 상기 프레임에 셀과 백시트를 포함하는 복합시트가 결합되는 경우, 백시트와 프레임 사이의 이격이 없는, 양면 수광형 태양광 모듈 프레임.
  4. 제1항에서, 상기 상부프레임 및 하부프레임은 각각 전면수직부, 후면수직부 및 수평부를 포함하여 이루어지되, 상기 수평부는 상기 전면수직부와 후면수직부의 수직 길이 중간에서 연결되어 단면이 "H"를 이루는, 양면 수광형 태양광 모듈 프레임.
  5. 제1항에서, 상기 프레임의 테두리에는 프레임을 관통하는 볼트홀이 구비되는, 양면 수광형 태양광 모듈 프레임.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항의 프레임, 및 상기 프레임이 내부에 끼움결합되도록 중공부를 갖는 거치대를 포함하는 양면수광형 태양광 시스템.
  7. 제6항에서, 상기 거치대의 중공부에는 상기 프레임의 H자 단면이 끼움결합되도록 대응되는 홈을 갖는, 양면수광형 태양광 시스템.
  8. 제6항에서, 상기 프레임은 볼트홀이 구비되어 있어 볼트를 통해 프레임이 거치대에 결합되는, 양면수광형 태양광 시스템.
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