KR20230025217A - Cooling unit for application in solar panels and use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling unit and its use for solar panel applications.
전체 에너지 소비 중 건물이 차지하는 비율은 30-50%로 가장 큰 수준이며, 이산화탄소 배출량도 상응하게 지배적이다. 건물 부문의 에너지 소비패턴을 개선하기 위해 제로에너지빌딩이 개발되었으며, 신재생에너지를 생산하여 건물 에너지 부하의 일부를 충당한다. 신재생에너지원 중 건물에 가장 많이 사용되는 것은 태양에너지이며, 태양전지를 이용하여 전기의 형태로 수확한다. 대부분의 태양전지는 온도에 민감하여, 복사열로 인해 온도가 상승하면 효율이 급격하게 감소한다. Buildings account for the largest share of total energy consumption, at 30-50%, and CO2 emissions are correspondingly dominant. To improve energy consumption patterns in the building sector, zero-energy buildings have been developed, generating renewable energy to cover part of the building's energy load. Among renewable energy sources, solar energy is the most used in buildings, and it is harvested in the form of electricity using solar cells. Most solar cells are sensitive to temperature, and when the temperature rises due to radiant heat, the efficiency decreases rapidly.
이로 인해 태양전지의 온도를 일정하게 유지하고 안정적인 발전을 수행하기 위해 냉각수단이 개발되었으며 대표적으로 공기 자연대류, 공기 강제대류, 액체 냉각, 상변화물질(PCM; phase change material), 히트 파이프, 열전냉각(Thermoelectric cooling)이 주로 사용되어 왔다.As a result, cooling means have been developed to keep the temperature of the solar cell constant and to perform stable power generation. Representatively, air natural convection, air forced convection, liquid cooling, phase change material (PCM), heat pipe, and thermoelectric Thermoelectric cooling has been mainly used.
공기 자연대류의 경우 패널의 온도가 상승하면 밀도 차로 인해 공기의 유동이 생겨 냉각된다. 냉각에 소모되는 에너지는 없으나 냉각효과가 미미하다. 공기 강제 대류의 경우 팬(fan) 등을 이용하여 공기를 순환시키는 방식으로, 구동력(driving force)공급에 에너지가 소모되고 소음이 발생하지만 자연대류보다는 냉각효과가 뛰어나다. 액체 냉각의 경우 액체를 PV 패널에 순환시켜 냉각하는 것으로 냉각 성능이 가장 뛰어나지만, 에너지 소모가 크고 경제성이 낮다. 일정온도에서 상변화하는 물질을 PV 패널에 부착하고, 복사열이 상변화에 소모되기 때문에 패널의 온도상승을 저지하는 상변화물질 적용 방식의 경우, 물질의 가격이 비싸고, 독성을 가지거나, 태양 전지를 부식시키거나, 인화를 유발시키는 등의 문제점이 존재한다. 히트 파이프 방식은 가열되면 히트파이프 내에서 냉매가 대류하면서 열을 전달하는 방식으로 저렴하지만, 열전달 성능이 낮고 외기조건에 영향을 크게 받는다. 열전냉각 방식은 전기가 공급되면 온도차가 생기는 원리로 냉각하는 방식으로, 구축비용과 에너지 소모가 크다는 점에서 상용화되지 못하였다는 난점이 존재한다.In the case of air natural convection, when the temperature of the panel rises, air flow occurs due to the density difference and cools it. No energy is consumed for cooling, but the cooling effect is insignificant. In the case of forced air convection, air is circulated using a fan, etc., energy is consumed and noise is generated in supplying driving force, but the cooling effect is superior to natural convection. In the case of liquid cooling, liquid is circulated through the PV panel for cooling, and the cooling performance is the best, but energy consumption is high and economical efficiency is low. In the case of applying a phase change material that prevents the temperature rise of the panel by attaching a material that undergoes phase change at a certain temperature to the PV panel and radiant heat is consumed for the phase change, the material is expensive, toxic, or a solar cell. There are problems such as corroding or causing ignition. The heat pipe method transfers heat while the refrigerant convects within the heat pipe when heated, and is inexpensive, but has low heat transfer performance and is greatly affected by external conditions. The thermoelectric cooling method is a method of cooling on the principle that a temperature difference is generated when electricity is supplied, and there is a difficulty that it has not been commercialized in that construction cost and energy consumption are high.
정리하자면, 태양광 패널의 효율을 향상시키려면 냉각유닛을 결합한 형태로 사용하여야 하지만, 종래 널리 알려진 냉각기술은 효율적으로 열을 제거할 수 없거나 경제성이 낮다는 등의 단점이 존재하여 종래의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 태양광 패널의 냉각 기술이 요구되는 실정이다.In summary, in order to improve the efficiency of a solar panel, a cooling unit must be used in a combined form, but conventionally well-known cooling technologies have disadvantages such as inability to efficiently remove heat or low economic feasibility, thereby solving the conventional problems. There is a need for a new solar panel cooling technology that can solve the problem.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한In order to solve the above problems
본 발명의 일 실시예는One embodiment of the present invention
태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛으로서,As a cooling unit for application to solar panels,
상기 냉각 유닛은 다공성층; 및 The cooling unit may include a porous layer; and
다공성 층의 일면에 적용된 고체결정층을 포함하고,Including a solid crystal layer applied to one side of the porous layer,
상기 다공성층은 용매에 의해 포화되고,The porous layer is saturated with a solvent,
상기 용매는 고체결정층과 용해시 흡열반응이 진행되는 것인, 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛을 제공한다.The solvent provides a cooling unit for application to a solar panel, in which an endothermic reaction proceeds when dissolved with the solid crystal layer.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한In order to solve the above problems
본 발명의 다른 일 실시예는Another embodiment of the present invention
상기 냉각 유닛이 후면에 적용된 태양광 패널로서,As a solar panel to which the cooling unit is applied to the rear side,
냉각 유닛이 적용될 때 다공성층이 태양광 패널과 맞닿는 것인, 태양광 패널을 제공한다.A solar panel is provided wherein the porous layer is in contact with the solar panel when the cooling unit is applied.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한In order to solve the above problems
본 발명의 또 다른 일 실시예는Another embodiment of the present invention
다공성층이 후면에 적용된 태양광 패널로서,A solar panel with a porous layer applied to the back side,
상기 다공성층은 태양광 패널과 맞닿는 다공성층의 일면의 반대면에 고체결정층이 적용되고,The porous layer is a solid crystal layer is applied to the opposite side of one side of the porous layer in contact with the solar panel,
상기 다공성층은 용매에 의해 포화되고,The porous layer is saturated with a solvent,
상기 용매는 고체결정층과 용해시 흡열반응이 진행되는 것인, 태양광 패널을 제공한다.The solvent provides a solar panel in which an endothermic reaction proceeds when dissolved with the solid crystal layer.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems that are not mentioned will become clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.
본 발명의 실시예에 따른 냉각 유닛은 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛으로서,A cooling unit according to an embodiment of the present invention is a cooling unit for application to a solar panel,
상기 냉각 유닛은 다공성층; 및 The cooling unit may include a porous layer; and
다공성 층의 일면에 적용된 고체결정층을 포함하고,Including a solid crystal layer applied to one side of the porous layer,
상기 다공성층은 용매에 의해 포화되고,The porous layer is saturated with a solvent,
상기 용매는 고체결정층과 용해시 흡열반응이 진행되는 것일 수 있다.The solvent may be one in which an endothermic reaction proceeds when dissolved with the solid crystal layer.
상기 냉각유닛의 태양광 패널 냉각 원리를 하기에 상세히 설명한다.The solar panel cooling principle of the cooling unit will be described in detail below.
상기 냉각유닛에 포함되는 용매를 포화(saturation)시켜 놓고, 흡열 반응을 유도하는 고체결정층 결정을 표면에 적용한다. 다공성물질은 대체로 낮은 온도에서 많은 양의 용매를 흡착하고, 고온에서는 용매를 탈착하는 성질을 가지고 있다. 반면 고체결정층을 이루는 물질의 용해도는 온도가 상승함에 따라 증가한다.After saturating the solvent contained in the cooling unit, a solid crystal layer that induces an endothermic reaction is applied to the surface. Porous materials generally have the property of adsorbing a large amount of solvent at a low temperature and desorbing the solvent at a high temperature. On the other hand, the solubility of materials constituting the solid crystal layer increases as the temperature rises.
따라서, 태양 광량이 증가하는 낮에는 다공성층에 용매가 포화되어 있으며, 고체결정층이 다공성층의 표면에 적용되어 있는 상태일 때, 복사열이 공급되면 태양광 패널의 온도가 상승하고, 이는 다공성층에 포화된 용매의 탈착을 유도한다. 이 때, 복사열이 용매를 탈착시키는 데에 사용하여 패널의 온도상승이 저지된다. 발생한 액체는 고체결정층을 일부 용해시키고, 흡열하며 주위의 온도를 떨어뜨린다. 온도가 상승하면 다공성물질은 액체를 탈착시키고, 액체의 용제에 대한 용해도는 높아져 흡열반응이 유도된다.Therefore, during the day when the amount of sunlight increases, the porous layer is saturated with the solvent, and when the solid crystal layer is applied to the surface of the porous layer, the temperature of the solar panel rises when radiant heat is supplied, which causes the porous layer to induces desorption of the saturated solvent. At this time, radiant heat is used to desorb the solvent, preventing the panel from rising in temperature. The generated liquid partially dissolves the solid crystal layer, absorbs heat, and lowers the surrounding temperature. When the temperature rises, the porous material desorbs the liquid, and the solubility of the liquid in the solvent increases, leading to an endothermic reaction.
반면, 태양광의 공급이 없는 밤에는 온도가 낮아짐에 따라 용매의 용해도가 낮아져 용해된 고체결정층을 이루는 물질이 고체 결정으로 석출된다. 다공성층은 액체를 다시 흡착하며 쿨링유닛을 다시 사용할 수 있어 가역적인 냉각이 가능하다.On the other hand, at night when sunlight is not supplied, the solubility of the solvent decreases as the temperature decreases, and the material constituting the dissolved solid crystal layer is precipitated as solid crystals. The porous layer adsorbs the liquid again and the cooling unit can be used again, enabling reversible cooling.
상기 구동원리에 의해 다공성층은 대체로 낮은 온도에서 많은 양의 용매를 흡착하고, 고온에서는 용매를 탈착하는 성질을 갖는 다공성 물질을 활용하는 것이 바람직하다. 상기 다공성층을 이루는 다공성 물질의 일 예시로, 제올라이트 구조체, 금속 유기 골격 구조체(MOF), 이소레티큘러 MOF(IRMOF) 구조체, UiO, 제올라이트-이미다졸레이트 골격체(ZiF) 등이 사용될 수 있다. According to the driving principle, it is preferable to use a porous material having a property of adsorbing a large amount of solvent at a low temperature and desorbing the solvent at a high temperature. As an example of the porous material constituting the porous layer, a zeolite structure, a metal organic framework (MOF), an isoreticular MOF (IRMOF) structure, UiO, a zeolite-imidazolate framework (ZiF), and the like may be used.
보다 상세한 상기 다공성층을 이루는 물질의 예시는 하기와 같다:Examples of materials constituting the porous layer in more detail are as follows:
제올라이트 13X, 제올라이트 5A, 제올라이트 3A, 제올라이트 Y, SAPO-34, SSZ-14, MOF-5, MOF-74, MOF-99, MOF-177, MOF-235, MOF-253, IRMOF-1, IRMOF-16, UiO-66, UiO-67, UiO-68, MiL-53, MiL-88, MiL-100, MiL-101, LiC-1, ZIF-8 및 ZIF-90으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상이나 이에 제한되는 것은 아니며, 본 냉각 유닛에 사용되기에 적절한 임의의 다공성 물질이 사용되어도 무방하다.Zeolite 13X, Zeolite 5A, Zeolite 3A, Zeolite Y, SAPO-34, SSZ-14, MOF-5, MOF-74, MOF-99, MOF-177, MOF-235, MOF-253, IRMOF-1, IRMOF- At least one selected from the group consisting of 16, UiO-66, UiO-67, UiO-68, MiL-53, MiL-88, MiL-100, MiL-101, LiC-1, ZIF-8 and ZIF-90 However, it is not limited thereto, and any porous material suitable for use in this cooling unit may be used.
상기 고체결정층은 수산화바륨, 염화암모늄, 염화티오닐, 염화칼륨 및 탄산나트륨으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어진 것일 수 있으나 어느 하나 이상이나 이에 제한되는 것은 아니며, 본 냉각 유닛에 사용되기에 적절한 임의의 물질이 고체결정층을 이루어도 무방하다.The solid crystal layer may be made of any one or more selected from the group consisting of barium hydroxide, ammonium chloride, thionyl chloride, potassium chloride and sodium carbonate, but is not limited to any one or more, and is suitable for use in this cooling unit. Any material may form a solid crystal layer.
상기 고체결정층이 수산화바륨으로 이루어질 때, 용매는 염화암모늄이고,When the solid crystal layer is made of barium hydroxide, the solvent is ammonium chloride,
고체결정층이 염화암모늄, 염화칼륨 또는 이들의 조합으로 이루어질 때, 용매는 물이고,When the solid crystal layer is made of ammonium chloride, potassium chloride or a combination thereof, the solvent is water,
고체결정층이 염화티오닐로 이루어질 때, 용매는 황산코발트7수화물이고When the solid crystal layer is made of thionyl chloride, the solvent is cobalt sulfate heptahydrate and
고체결정층이 탄산나트륨으로 이루어질 때, 용매는 에타노산인 것일 수 있으나, 용매가 이에 한정되는 것은 아니며, 구동원리에 부합하는 임의의 다른 용매가 사용될 수 있다.When the solid crystal layer is made of sodium carbonate, the solvent may be ethanoic acid, but the solvent is not limited thereto, and any other solvent compatible with the driving principle may be used.
상기 다공성층에 포화된 용매는 The solvent saturated in the porous layer is
태양광 패널의 온도 상승에 의해 다공성층으로부터 탈착된 후 고체결정층을 용해하는 것일 수 있다.It may be to dissolve the solid crystal layer after being detached from the porous layer by the temperature rise of the solar panel.
상기 다공성층은 0.1 내지 2 mm의 두께로 적용된 형태를 갖는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The porous layer preferably has a shape applied to a thickness of 0.1 to 2 mm, but is not limited thereto.
상기 용매는 다공성층의 질량의 0.18 내지 0.21배로 첨가되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 바람직한 용매의 첨가량의 일예시는 다공성층의 질량의 0.191배로 첨가하는 것이다. 용매량이 상기 범위에 미달하는 경우 다공성층 또는 고체결정층으로부터 용매의 탈착이 용이하지 아니하여 흡열반응이 필요한 만큼 일어나지 않을 수 있으며, 용매량이 상기범위를 초과하는 경우에도 다공성층 또는 고체결정층이 포화되어 용매의 흡착 또는 탈착이 용이하지 아니할 수 있다.The solvent is preferably added in an amount of 0.18 to 0.21 times the mass of the porous layer, but is not limited thereto. An example of a more preferable addition amount of the solvent is to add 0.191 times the mass of the porous layer. When the amount of solvent is less than the above range, desorption of the solvent from the porous layer or the solid crystal layer may not be easy, so that an endothermic reaction may not occur as much as necessary, and even when the amount of solvent exceeds the above range, the porous layer or the solid crystal layer is saturated. Therefore, adsorption or desorption of the solvent may not be easy.
상기 고체결정층은 용매 질량의 4.5 내지 5.4배가 되도록 적용되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 바람직한 고체결정층의 질량의 일예시는 용매 질량의 4.5 내지 5.4배로 적용하는 것이다.The solid crystal layer is preferably applied to be 4.5 to 5.4 times the mass of the solvent, but is not limited thereto. An example of a more preferred mass of the solid crystal layer is 4.5 to 5.4 times the mass of the solvent.
상기 냉각 유닛이 적용될 수 있는 태양광 패널은 태양광 패널의 물리적 구조가 허락하는, 통상의 기술자들에게 널리 알려진 임의의 태양광 패널이 사용될 수 있으며, 본 발명에서 사용된 어떠한 용어도 냉각 유닛이 적용될 수 있는 태양광 패널의 범주를 제한하지 아니한다.As the solar panel to which the cooling unit can be applied, any solar panel widely known to those skilled in the art that is allowed by the physical structure of the solar panel can be used, and any terms used in the present invention are not applicable to the cooling unit. It does not limit the category of solar panels that can be used.
뿐만 아니라, 상기 냉각 유닛의 태양광 패널에 대한 적용 방식이나 고체결정층의 다공성층에 대한 적용 방식은 코팅, 도포, 접착 등 태양광 패널에 대한 냉각 유닛의 성능을 보장하기 위해 이 분야 통상의 기술자들이 사용할 수 있는 임의의 적용 방식이 제한없이 사용될 수 있다.In addition, the method of applying the cooling unit to the solar panel or the method of applying the solid crystal layer to the porous layer is a method of coating, coating, bonding, etc. to ensure the performance of the cooling unit for the solar panel. Any application method that can be used by them can be used without limitation.
본 발명에서는 또한 상기 냉각 유닛이 후면에 적용된 태양광 패널로서, 각 유닛이 적용될 때 다공성층이 태양광 패널과 맞닿는 것인, 태양광 패널을 제공한다.The present invention also provides a solar panel wherein the cooling unit is applied to the rear surface, wherein the porous layer is in contact with the solar panel when each unit is applied.
상기 냉각 유닛이 후면에 적용된 태양광 패널의 구체적인 구조의 일 예시를 도 1에 나타내었다. 태양광 패널이 태양광을 받는 데에 방해가 되지 않도록 태양광을 받는 태양광 패널의 후면에 다공성층이 적용되었다. 각 유닛이 태양광 패널에 적용될 때 다공성층이 태양광 패널과 맞닿도록 적용되었다.An example of a specific structure of a solar panel to which the cooling unit is applied to the rear surface is shown in FIG. 1 . A porous layer is applied to the back of the solar panel that receives sunlight so that the solar panel does not interfere with receiving sunlight. When each unit is applied to the solar panel, the porous layer is applied so that it touches the solar panel.
한편, 본 발명에서는 상기 냉각유닛이 적용된 태양광 패널의 일 실시예로서Meanwhile, in the present invention, as an embodiment of a solar panel to which the cooling unit is applied,
다공성층이 후면에 적용된 태양광 패널로서,A solar panel with a porous layer applied to the back side,
상기 다공성층은 태양광 패널과 맞닿는 다공성층의 일면의 반대면에 고체결정층이 적용되고,The porous layer is a solid crystal layer is applied to the opposite side of one side of the porous layer in contact with the solar panel,
상기 다공성층은 용매에 의해 포화되고,The porous layer is saturated with a solvent,
상기 용매는 고체결정층과 용해시 흡열반응이 진행되는 것인, 태양광 패널을 제공한다. 상기 냉각 유닛을 표현하기 위해 사용된 용어와 중복된 용어는 특별한 언급이 없는 한 동일하게 정의되거나 같은 의미를 갖는다.The solvent provides a solar panel in which an endothermic reaction proceeds when dissolved with the solid crystal layer. Terms and overlapping terms used to express the cooling unit are defined identically or have the same meaning unless otherwise specified.
상기 다공성층은 제올라이트 13X, 제올라이트 5A, 제올라이트 3A, 제올라이트 Y, SAPO-34, SSZ-14, MOF-5, MOF-74, MOF-99, MOF-177, MOF-235, MOF-253, IRMOF-1, IRMOF-16, UiO-66, UiO-67, UiO-68, MiL-53, MiL-88, MiL-100, MiL-101, LiC-1, ZIF-8 및 ZIF-90으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상이나 이에 제한되는 것은 아니며, 본 냉각 유닛에 사용되기에 적절한 임의의 다공성 층이 사용되어도 무방하다.The porous layer is
상기 고체결정층은 수산화바륨, 염화암모늄, 염화티오닐, 염화칼륨 및 탄산나트륨으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어진 것일 수 있으나 어느 하나 이상이나 이에 제한되는 것은 아니며, 본 냉각 유닛에 사용되기에 적절한 임의의 물질이 고체결정층을 이루어도 무방하다.The solid crystal layer may be made of any one or more selected from the group consisting of barium hydroxide, ammonium chloride, thionyl chloride, potassium chloride and sodium carbonate, but is not limited to any one or more, and is suitable for use in this cooling unit. Any material may form a solid crystal layer.
상기 고체결정층이 수산화바륨으로 이루어질 때, 용매는 염화암모늄이고,When the solid crystal layer is made of barium hydroxide, the solvent is ammonium chloride,
고체결정층이 염화암모늄, 염화칼륨 또는 이들의 조합으로 이루어질 때, 용매는 물이고,When the solid crystal layer is made of ammonium chloride, potassium chloride or a combination thereof, the solvent is water,
고체결정층이 염화티오닐로 이루어질 때, 용매는 황산코발트7수화물이고When the solid crystal layer is made of thionyl chloride, the solvent is cobalt sulfate heptahydrate and
고체결정층이 탄산나트륨으로 이루어질 때, 용매는 에타노산인 것일 수 있으나, 용매가 이에 한정되는 것은 아니며, 구동원리에 부합하는 임의의 다른 용매가 사용될 수 있다.When the solid crystal layer is made of sodium carbonate, the solvent may be ethanoic acid, but the solvent is not limited thereto, and any other solvent compatible with the driving principle may be used.
상기 다공성층에 포화된 용매는 The solvent saturated in the porous layer is
태양광 패널의 온도 상승에 의해 다공성층으로부터 탈착된 후 고체결정층을 용해시키거나, The solid crystal layer is dissolved after being detached from the porous layer by the temperature rise of the solar panel,
태양광 패널의 온도 하락시에 용해된 고체결정층이 재결정화된 후 용매가 다공성층과 흡착하는 것일 수 있다.When the temperature of the solar panel decreases, the solid crystal layer dissolved therein may be recrystallized and then the solvent adsorbs to the porous layer.
동시에, 상기 다공성층에 포화된 용매는 At the same time, the solvent saturated in the porous layer
태양광 패널의 온도 상승에 의해 다공성층으로부터 탈착된 후 고체결정층을 용해시키고, After being detached from the porous layer by the temperature rise of the solar panel, the solid crystal layer is dissolved,
태양광 패널의 온도 하락시에 용해된 고체결정층이 재결정화된 후 용매가 다공성층과 흡착하는 것일 수 있다.When the temperature of the solar panel decreases, the solid crystal layer dissolved therein may be recrystallized and then the solvent adsorbs to the porous layer.
상기 다공성층은 2 mm 미만의 두께로 적용된 형태를 갖는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The porous layer preferably has a form applied to a thickness of less than 2 mm, but is not limited thereto.
상기 용매는 다공성층의 질량의 0.191배로 첨가하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. The solvent is preferably added in an amount of 0.191 times the mass of the porous layer, but is not limited thereto.
상기 고체결정층은 용매 질량의 4.93배로 적용되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The solid crystal layer is preferably applied in an amount of 4.93 times the mass of the solvent, but is not limited thereto.
본 발명의 냉각 유닛은 다공성물질 및 다공성물질에 적용된 고체결정층 간의 가역적인 용매 흡착 및/또는 탈착 과정을 통해 주위의 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 본 발명의 냉각 유닛은 구축비용이 낮고 유지보수가 필요 없으며 구동에 에너지 소모가 필요 없음에도 불구하고 냉각성능이 월등히 뛰어나다.The cooling unit of the present invention can lower the ambient temperature through a reversible solvent adsorption and/or desorption process between the porous material and the solid crystal layer applied to the porous material. Therefore, the cooling unit of the present invention has excellent cooling performance despite low construction cost, no maintenance, and no energy consumption for driving.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
도 1은 냉각 유닛이 후면에 적용된 태양광 패널의 구체적인 구조의 일 예시를 나타낸 개략도이다.
도 2는 온도에 따른 제올라이트 13X의 용매 흡수 능력을 비교한 것이다.
도 3은 냉각능력을 분석하기 위해 사용된 실험 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 물이 포화된 제올라이트 13X에 열을 가했을 때의 현상을 분석한 결과이다.
도 5는 질산암모늄 결정과 물을 분산시킨 형태에서의 냉각성능을 검토한 것이다.
도 6은 물이 포화된 제올라이트 13X에 열을 가했을 때의 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 질산암모늄 결정과 물을 분산시킨 형태에서의 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에서 제조한 본 발명의 냉각 유닛에서의 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 1의 냉각 유닛의 가역적인 냉각 성능을 분석한 것이다.
도 10은 온도 변화에 따른 용매 이동 과정을 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 1 is a schematic diagram showing an example of a specific structure of a solar panel to which a cooling unit is applied to a rear surface thereof.
Figure 2 compares the solvent absorption ability of
3 is a schematic diagram of an experimental device used to analyze cooling capacity.
4 is a result of analyzing a phenomenon when heat is applied to
5 is a review of the cooling performance in the form of dispersing ammonium nitrate crystals and water.
6 shows the temperature change when heat is applied to
Figure 7 shows the temperature change in the form of dispersing ammonium nitrate crystals and water.
Figure 8 shows the temperature change in the cooling unit of the present invention manufactured in Example 1.
9 is an analysis of reversible cooling performance of the cooling unit of Example 1.
10 shows the result of observing the solvent movement process according to the temperature change.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following examples. This embodiment is provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes of elements in the figures are exaggerated to emphasize clearer description.
실시예Example
실시예 1. 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛의 제작Example 1. Fabrication of a cooling unit for application to a solar panel
태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛을 제작하였다. 다공성물질로는 제올라이트 13X, 흡열 용제-용매 쌍으로는 NH4NO3 및 H2O를 사용하였다. 제올라이트 13X는 20 °C에서 물 흡착 성능이 10 mmol/g에 달하고, 70 °C 에서의 흡착성능은 3 mmol/g 수준이었다. 반면 이론적으로 NH4NO3의 용해도는 20 °C 에서 1 g, 70 °C 에서 5 g 수준이었다. 이론적인 흡착 성능과 용해 과정에서의 형성 엔탈피를 고려하여 이론적 용해도와 흡열량이 현저히 뛰어날 것으로 예측되는 투입량을 계산하였다.A cooling unit for application to a solar panel was fabricated.
구체적으로, 제올라이트 13X 23.46g에 대하여 물 4.48g을 투입하여 포화시킨 후, 일면에 NH4NO3 22.05g을 결정화하여 고체결정층을 형성시켰다. 이때 투입된 제올라이트 13X: H2O: NH4NO3의 질량비는 1:0.191:0.94 였다.Specifically, 23.46 g of
실시예 2. 온도 변화에 따른 다공성 물질의 용매 흡착능력 분석Example 2. Analysis of solvent adsorption capacity of porous materials according to temperature change
다공성물질의 액체 흡착-탈착, 용제의 용해현상은 가역적인 과정이다. 따라서, 상기 실시예 1에서 제조한 냉각 유닛의 경우, 온도가 상승하면 제올라이트 13X에서 용매가 탈착되고, 탈착된 용매는 NH4NO3를 용해시켜 흡열하며 주위의 온도를 낮출 것으로 기대하였다. 온도 변화에 따른 다공성 물질의 용매 흡착능력을 분석하기 위해, 온도별로 용매 흡수 과정 분석기 (Micromertics, Flex)를 이용하여 제올라이트 13X의 H2O 흡착성능을 측정하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 분석 결과 상대압과 무관하게 40°C에서 물의 흡착량은 20°C의 물의 흡착량보다 감소하였음을 확인하였다.Liquid adsorption-desorption of porous materials and dissolution of solvents are reversible processes. Therefore, in the case of the cooling unit prepared in Example 1, when the temperature rises, the solvent is desorbed from the
실시예 3. 다공성층의 냉각능력 분석Example 3. Analysis of cooling capacity of porous layer
상기 실시예 1의 냉각 유닛에서 고체결정층을 도포하지 않아 물이 포화된 다공성층만 존재하는 상태에서 이를 가열판(알루미늄판, 100 mm * 100 mm 및 두께 10 mm) 위에 올려둔 후 열을 가하였다. 구체적으로, 가열판으로서 에 50W에 일정한 열을 가하였으며 가열판 측면은 모두 단열이 되도록 설계하였다. 온도계는 가열판에 부착하여 온도를 측정하였다. 상세한 실험 장치의 구조를 도 3에 나타내었으며, 상기 온도 변화를 분석한 결과를 도 4에 나타내었다. 가열판의 온도는 200 °C 로 유지되었으며, 일정한 열을 가했을 때 제올라이트 13X의 물이 재생되는 현상을 관찰할 수 있었다. 물이 완전히 재생된 하단부 영역은 열흡수가 불가능하여 가열판과 온도(150 °C)가 유사한 것을 확인하였다. 반면 물이 재생되는 영역에서는 온도(약 30 °C)를 낮게 유지하여, 물 탈착을 이용한 냉각이 구현되었음을 확인하였다. In the cooling unit of Example 1, the solid crystal layer was not applied, so that only the porous layer saturated with water was present, it was placed on a heating plate (aluminum plate, 100 mm * 100 mm and thickness 10 mm), and then heat was applied. . Specifically, constant heat was applied to 50W as a heating plate, and all sides of the heating plate were designed to be adiabatic. A thermometer was attached to the heating plate to measure the temperature. The structure of the detailed experimental device is shown in FIG. 3, and the result of analyzing the temperature change is shown in FIG. The temperature of the heating plate was maintained at 200 °C, and when constant heat was applied, water regeneration of
실시예 3. 고체결정층의 냉각능력 분석Example 3. Analysis of the cooling capacity of the solid crystal layer
상기 실시예 2에서와 동일한 실험조건으로 물을 분산시킨 질산암모늄 고체결정층을 가열판 위에 올려둔 후 열을 가했을 때의 현상을 분석한 결과를 도 5에 나타내었다. 가열판에서 일정한 열이 공급되면, 하단부에서는 온도가 상승하여 질산암모늄이 용해되었다. 이 과정에서 흡열에너지가 발생하여 주위의 온도를 낮추었 다. 반응기 내부 온도는 30 °C 정도에서 유지되었으며 흡열반응을 이용한 냉각이 실현가능함을 확인하였다.5 shows the results of analyzing the phenomenon when heat was applied after placing the solid crystalline layer of ammonium nitrate in which water was dispersed on a heating plate under the same experimental conditions as in Example 2. When constant heat is supplied from the heating plate, the temperature rises at the lower part so that ammonium nitrate is dissolved. In this process, endothermic energy is generated and the temperature of the surroundings is lowered. The temperature inside the reactor was maintained at about 30 °C, and it was confirmed that cooling using an endothermic reaction was feasible.
실시예 4. 잠열냉각 및 흡열냉각 성능 평가Example 4. Latent cooling and endothermic cooling performance evaluation
상기 실시예 2를 통해 확인한 제올라이트 13X와 물을 이용한 냉각 효과는 잠열냉각이었고, 상기 실시예 3을 통해 확인한 질산암모늄과 물을 이용한 냉각 효과는 흡열 냉각이었다. 보다 상세한 분석을 위해 실시예 2와 실시예 3에서 시간에 따른 온도변화를 각각 도 6 및 도 7에 나타내었으며, 가열판 상단에 제올라이트 13X, 질산암모늄 및 물을 모두 적용하였을 때의 시간에 따른 온도변화를 도 8에 나타내었다.The cooling
도 6에서의 온도의 변동(fluctuation)은 반복 실험에도 불구하고 관찰되어 잠열 냉각에 따른 것으로 추정되었다. 도 7에서의 흡열 반응을 이용한 냉각방식의 경우 45 °C 근방에서 온도가 1-2°C 가량 급격하게 떨어지는 현상이 발생하는데, 이는 특정 온도에서 용해의 변이점임을 추론할 수 있었다. 한편, 도 8에서는 흡열냉각과 잠열냉각이 모두 이루어짐에 따라 시간당 온도 변화의 기울기가 가장 낮음을 확인하였다.Fluctuations in temperature in FIG. 6 were observed despite repeated experiments and were assumed to be due to latent cooling. In the case of the cooling method using the endothermic reaction in FIG. 7, a phenomenon in which the temperature drops rapidly by 1-2 °C around 45 °C occurs, and it can be inferred that this is a transition point of dissolution at a specific temperature. Meanwhile, in FIG. 8 , it was confirmed that the slope of the temperature change per hour was the lowest as both endothermic cooling and latent cooling were performed.
실시예 1의 냉각 유닛에 적용되는 냉각 효과는 자연대류, 강제대류, 잠열냉각, 흡열냉각이 존재할 수 있으며, 구체적인 냉각 효과에 대한 설명을 하기 표 1에 설명하였다.The cooling effect applied to the cooling unit of Example 1 may include natural convection, forced convection, latent cooling, and endothermic cooling, and detailed cooling effects are described in Table 1 below.
실시예 1에서 제조한 본 발명의 냉각 유닛은 열에너지 공급밀도가 태양에너지보다 훨씬 높은 상태에서 실험하였음에도, 시간당 온도 상승 기울기가 훨씬 낮은 모습을 확인할 수 있었는데, 이는 냉각유닛의 열방출 능력이 훨씬 뛰어났기 때문인 것으로 보인다. 자연대류, 강제대류, 잠열냉각, 흡열냉각이 모두 적용되기 때문인 것으로 추론된다. Although the cooling unit of the present invention prepared in Example 1 was tested in a state where the heat energy supply density was much higher than that of solar energy, it was confirmed that the temperature rise gradient per hour was much lower, which is because the heat dissipation ability of the cooling unit was much better. It seems to be because It is inferred that this is because natural convection, forced convection, latent cooling, and endothermic cooling are all applied.
시간당 온도 상승폭으로 그 외 경우를 계산해 본 결과 [질산암모늄/물을 이용한 흡열 냉각] > [제올라이트 13X/물을 이용한 잠열 냉각] > [강제 대류 냉각] > [자연 대류 냉각] 순으로 냉각효과가 있음을 확인할 수 있었다.As a result of calculating the temperature increase per hour for other cases, the cooling effect is in the order of [Endothermic cooling using ammonium nitrate/water] > [Latent heat
실시예 5. 냉각 유닛의 가역적 냉각 성능 효과 분석Example 5. Analysis of reversible cooling performance effect of cooling unit
실시예 1의 냉각 유닛의 가역적인 냉각 성능을 분석하기 위하여 가열판의 온도를 50 °C로 가열하였다가 상온으로 냉각시키기를 반복하여 냉각 유닛의 온도 변화 기울기를 측정하고 그 결과를 도 9에 나타내었다. 그 결과 반복 실험에도 불구하고 동일한 냉각 성능을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 제올라이트 13X 상면에서 질산암모늄을 도포시켰을 때 형성된 결정층을 도 10에 나타내었다. 50 °C에서 제올라이트 13X로부터 물이 탈착되고, 물이 질산암모늄을 용해시키는 모습을 육안으로 확인할 수 있었다.In order to analyze the reversible cooling performance of the cooling unit of Example 1, the temperature of the heating plate was heated to 50 ° C and cooled to room temperature repeatedly to measure the temperature change slope of the cooling unit, and the results are shown in FIG. . As a result, the same cooling performance was confirmed despite repeated experiments. Specifically, the crystal layer formed when ammonium nitrate was applied on the upper surface of
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구 범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The above detailed description is illustrative of the present invention. In addition, the foregoing is intended to illustrate and describe preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments. That is, changes or modifications are possible within the scope of the concept of the invention disclosed in this specification, within the scope equivalent to the written disclosure and / or within the scope of skill or knowledge in the art. The written embodiment describes the best state for implementing the technical idea of the present invention, and various changes required in the specific application field and use of the present invention are also possible. Therefore, the above detailed description of the invention is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. Also, the appended claims should be construed to cover other embodiments as well.
Claims (13)
상기 냉각 유닛은 다공성층; 및
다공성 층의 일면에 적용된 고체결정층을 포함하고,
상기 다공성층은 용매에 의해 포화되고,
상기 용매는 고체결정층과 용해시 흡열반응이 진행되는 것인, 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛.
As a cooling unit for application to solar panels,
The cooling unit may include a porous layer; and
Including a solid crystal layer applied to one side of the porous layer,
The porous layer is saturated with a solvent,
The cooling unit for application to a solar panel, wherein the solvent undergoes an endothermic reaction when dissolved with the solid crystal layer.
상기 다공성층은 제올라이트 13X, 제올라이트 5A, 제올라이트 3A, 제올라이트 Y, SAPO-34, SSZ-14, MOF-5, MOF-74, MOF-99, MOF-177, MOF-235, MOF-253, IRMOF-1, IRMOF-16, UiO-66, UiO-67, UiO-68, MiL-53, MiL-88, MiL-100, MiL-101, LiC-1, ZIF-8 및 ZIF-90으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어진 것인, 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛.
According to claim 1,
The porous layer is zeolite 13X, zeolite 5A, zeolite 3A, zeolite Y, SAPO-34, SSZ-14, MOF-5, MOF-74, MOF-99, MOF-177, MOF-235, MOF-253, IRMOF- 1, selected from the group consisting of IRMOF-16, UiO-66, UiO-67, UiO-68, MiL-53, MiL-88, MiL-100, MiL-101, LiC-1, ZIF-8 and ZIF-90 A cooling unit for application to a solar panel, consisting of any one or more of which is.
상기 고체결정층은 수산화바륨, 염화암모늄, 염화티오닐, 염화칼륨, 질산암모늄 및 탄산나트륨으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어진 것인, 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛.
According to claim 1,
The solid crystal layer is made of at least one selected from the group consisting of barium hydroxide, ammonium chloride, thionyl chloride, potassium chloride, ammonium nitrate and sodium carbonate, a cooling unit for application to a solar panel.
고체결정층이 수산화바륨으로 이루어질 때, 용매는 염화암모늄이고,
고체결정층이 염화암모늄, 염화칼륨, 및 질산암모늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어질 때, 용매는 물이고,
고체결정층이 염화티오닐로 이루어질 때, 용매는 황산코발트7수화물이고
고체결정층이 탄산나트륨으로 이루어질 때, 용매는 에타노산인 것인, 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛.
According to claim 3,
When the solid crystal layer is made of barium hydroxide, the solvent is ammonium chloride,
When the solid crystal layer is made of at least one selected from the group consisting of ammonium chloride, potassium chloride, and ammonium nitrate, the solvent is water,
When the solid crystal layer is made of thionyl chloride, the solvent is cobalt sulfate heptahydrate and
A cooling unit for application to a solar panel, wherein when the solid crystal layer is made of sodium carbonate, the solvent is ethanoic acid.
상기 다공성층에 포화된 용매는
태양광 패널의 온도 상승에 의해 다공성층으로부터 탈착된 후 고체결정층을 용해시키거나,
태양광 패널의 온도 하락에 의해 태양광 패널의 온도 상승시에 고체결정층과 혼합된 용매가 고체결정층으로부터 탈착된 후 다공성층과 흡착하는 것인, 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛.
According to claim 1,
The solvent saturated in the porous layer is
The solid crystal layer is dissolved after being detached from the porous layer by the temperature rise of the solar panel,
A cooling unit for application to a solar panel, in which the solvent mixed with the solid crystal layer is desorbed from the solid crystal layer when the temperature of the solar panel rises due to the temperature drop of the solar panel and then adsorbed to the porous layer.
상기 다공성층은 0.1 내지 2.0 mm의 두께를 갖는 것인, 태양광 패널에 적용하기 위한 냉각 유닛.
According to claim 1,
The cooling unit for application to a solar panel, wherein the porous layer has a thickness of 0.1 to 2.0 mm.
냉각 유닛이 적용될 때 다공성층이 태양광 패널의 후면에 적용되는 것인, 태양광 패널.
A solar panel to which the cooling unit of any one of claims 1 to 6 is applied to the rear side,
wherein a porous layer is applied to the back side of the solar panel when the cooling unit is applied.
상기 다공성층은 태양광 패널의 후면에 적용되는 다공성층의 일면의 반대면에 고체결정층이 적용되고,
상기 다공성층은 용매에 의해 포화되고,
상기 용매는 고체결정층과 용해시 흡열반응이 진행되는 것인, 태양광 패널.
A solar panel with a porous layer applied to the back side,
The porous layer is a solid crystal layer is applied to the opposite side of one side of the porous layer applied to the rear surface of the solar panel,
The porous layer is saturated with a solvent,
The solar panel, wherein the solvent undergoes an endothermic reaction when dissolved with the solid crystal layer.
상기 다공성층은 제올라이트 13X, 제올라이트 5A, 제올라이트 3A, 제올라이트 Y, SAPO-34, SSZ-14, MOF-5, MOF-74, MOF-99, MOF-177, MOF-235, MOF-253, IRMOF-1, IRMOF-16, UiO-66, UiO-67, UiO-68, MiL-53, MiL-88, MiL-100, MiL-101, LiC-1, ZIF-8 및 ZIF-90으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어진 것인, 태양광 패널:
According to claim 8,
The porous layer is zeolite 13X, zeolite 5A, zeolite 3A, zeolite Y, SAPO-34, SSZ-14, MOF-5, MOF-74, MOF-99, MOF-177, MOF-235, MOF-253, IRMOF- 1, selected from the group consisting of IRMOF-16, UiO-66, UiO-67, UiO-68, MiL-53, MiL-88, MiL-100, MiL-101, LiC-1, ZIF-8 and ZIF-90 A solar panel consisting of any one or more of:
상기 고체결정층은 수산화바륨, 염화암모늄, 염화티오닐, 염화칼륨, 질산암모늄 및 탄산나트륨으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어진 것인, 태양광 패널.
According to claim 8,
The solid crystal layer is made of at least one selected from the group consisting of barium hydroxide, ammonium chloride, thionyl chloride, potassium chloride, ammonium nitrate and sodium carbonate, the solar panel.
고체결정층이 수산화바륨으로 이루어질 때, 용매는 염화암모늄이고,
고체결정층이 염화암모늄, 염화칼륨, 및 질산암모늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어질 때, 용매는 물이고,
고체결정층이 염화티오닐로 이루어질 때, 용매는 황산코발트7수화물이고
고체결정층이 탄산나트륨으로 이루어질 때, 용매는 에타노산인 것인, 태양광 패널.
According to claim 10,
When the solid crystal layer is made of barium hydroxide, the solvent is ammonium chloride,
When the solid crystal layer is made of at least one selected from the group consisting of ammonium chloride, potassium chloride, and ammonium nitrate, the solvent is water,
When the solid crystal layer is made of thionyl chloride, the solvent is cobalt sulfate heptahydrate and
When the solid crystal layer is made of sodium carbonate, the solvent is ethanoic acid, a solar panel.
상기 다공성층에 포화된 용매는
태양광 패널의 온도 상승에 의해 다공성층으로부터 탈착된 후 고체결정층을 용해시키거나,
태양광 패널의 온도 하락에 의해 태양광 패널의 온도 상승시에 고체결정층과 혼합된 용매가 고체결정층으로부터 탈착된 후 다공성층과 흡착하는 것인, 태양광 패널.
According to claim 8,
The solvent saturated in the porous layer is
The solid crystal layer is dissolved after being detached from the porous layer by the temperature rise of the solar panel,
When the temperature of the solar panel rises due to the temperature drop of the solar panel, the solvent mixed with the solid crystal layer is desorbed from the solid crystal layer and then adsorbed to the porous layer.
상기 다공성층은 0.1 내지 2.0 mm의 두께를 갖는 것인, 태양광 패널. According to claim 8,
The porous layer has a thickness of 0.1 to 2.0 mm, the solar panel.
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|---|---|---|---|
| KR1020210107474A KR102586302B1 (en) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | Cooling unit for application in solar panels and use thereof |
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|---|---|---|---|
| KR1020210107474A KR102586302B1 (en) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | Cooling unit for application in solar panels and use thereof |
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- 2022-08-10 WO PCT/KR2022/011897 patent/WO2023018205A1/en unknown
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Also Published As
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