KR20060047745A

KR20060047745A - 열 흡수패널이 부착된 태양전지 모듈

Info

Publication number: KR20060047745A
Application number: KR1020050037781A
Authority: KR
Inventors: 백운
Original assignee: 백운
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2006-05-18
Also published as: KR100860202B1

Abstract

본 발명은 햇빛을 이용한 발전시스템의 태양전지모듈에 관한 것으로, 다수의 태양전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 만든 것을 일명 태양전지모듈이라 하며, 이 태양전지모듈에 햇빛을 쪼이면 태양열로 인하여 태양전지의 배면(背面)에 는 고온이 발생하는데, 종래 태양전지모듈의 경우 이 열로 인한 발전효율이 저하하는 원인이 되어져 왔다.

본 발명의 태양전지모듈은 이러한 문제점을 태양전지 배면(背面)에 열전소자와 열 흡수패널을 부착하여 태양전지 내부온도를 낮춰 내부전기저항 값을 낮추는 효과와, 버려지던 폐열을 흡수하여 태양에너지를 효율적으로 활용하는 특징의 열 흡수패널이 부착된 태양전지 모듈이다.

태양전지, 열전소자, 열 흡수패널, 태양전지모듈

Description

열 흡수패널이 부착된 태양전지 모듈{Solar Module Attach With Absorb Heat Panel}

도 1은 본 발명에 따른 태양전지 배면(背面)에 열전소자와 열 흡수패널을 부착하여 제작한 일 예를 도시한 구성도이며,

도 2는 종래의 태양전지모듈의 구성도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

101, 201: 태양전지모듈 함체 102: 단열재(도면에서 사선표시부분)

103, 203: 투명유리 104: 열전달부재 105: 열전소자

106, 206: 태양전지 107, 207: 태양전지 고정 판(board)

108: 열 흡수패널 109, 209: 태양전지 출력단

110: 열전소자 출력단 111: 퇴수밸브 112: 입수밸브

113: 열교환순환모터 114: 탱크순환모터 115: 역류방지기

117: 온수출구 118: 마이크로프로세서 유닛

119: 외부탱크(external tank) 120: 내부탱크(internal tank)

121: 태양전지 배면 온도감지기 122: 열 흡수패널 온도감지기

123, 124: 외부탱크 수위감지기 125, 126: 내부탱크 수위감지기

127: 외부탱크 수온감지기 128: 내부탱크 수온감지기

본 발명은 햇빛을 이용한 발전시스템의 태양전지모듈에 관한 것으로, 다수의 태양전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 만든 것을 일명 태양전지모듈이라 하며, 이 태양전지모듈의 표면에 햇빛을 비춰 전기를 생산하는 발전시스템의 태양전지모듈 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 태양전지는 무한정, 무공해 에너지로서, 기본원리는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 구조로 태양전지 표면에 햇빛을 받게 되면 광에너지에 의한 전자와 정공이 생겨나고, 전자와 정공이 이동하여 전류가 흐르게 되는 광전효과에 의하여 전기가 발생하게 되는데, 이 태양전지를 직렬 또는 병렬로 상호연결하여 일정한 구조물에 넣어 태양전지가 충격에 견딜 수 있도록 한 태양전지모듈을 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 과정이 있다.

종래의 태양전지모듈에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이 태양전지(206)를 직, 병렬로 연결구성된 태양전지를 고정 판(207)에 부착하여 보호용 함체(201)에 넣어 투명유리(203)로 덮어 제작하며 태양전지의 상면과 배면에 전기 출력단자(209)에 부하를 연결하여 사용하게 되는 것이다.

하지만, 이와 같은 종래의 태양전지모듈은 다음과 같은 문제점이 있다.

태양에너지에는 빛과 열 에너지로 대분할 수 있는데, 종래의 태양전지모듈에 서는 상술한 광전효과와 같이 빛 에너지만으로 전기를 생산하게 되는데, 열 에너지는 사용하지 못하여 그대로 낭비요소가 있으며, 이 열 에너지는 태양전지 내부에 흐르는 전류의 저항값을 상승시켜 전력손실을 초래하는 문제점이 있다.

앞에 설명한 바와 같이 종래의 태양전지모듈은 햇빛에 의하여 전기도 발생하지만 태양전지 배면(背面)에서는 상당한 열도 발생하여 태양전지 내부저항이 증가하는 관계로 전력손실이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 개선하고자 태양전지 배면(背面)에 열 흡수패널을 부착하고 이 열 흡수패널에 열전달매체인 물 등을 순환케 하여, 햇빛에 의하여 태양전지에서 발생한 태양열도 흡수하고, 태양전기에너지도 변환하는 이중의 효과를 얻으며, 특히, 태양전지 배면과 열 흡수패널 사이에 열전소자를 삽입하여 열교환과정의 온도차를 열전소자로 전기에너지를 변환함으로써 더 많은 전기 에너지를 얻을 수 있도록 하였다. 그리하여, 태양전지 내부저항값을 낮추어 태양전지에서 발생하는 전력손실을 최소화하고 발전효율을 극대화하는데 목적이 있다.

본 발명에 따른 열 흡수패널이 부착된 태양전지모듈은, 크게 태양전지(106), 열전소자(105), 열 흡수패널(108)을 포함하는 태양전지모듈 함체(101)와, 마이크로프로세서 유닛(118), 온수보관탱크(119)를 더 포함하여 구성된다.

도 1을 참조하여 각 구성요소의 특성과 결합관계를 설명한다.

태양전지(106)는 열전달 특성이 좋은 알루미늄판이나 동판으로 된 태양전지 고정 판(107) 위에 열전달매개물체(예 Thermal Compound, Thermal Pad 등)를 바르거나 붙이고 그 위에 태양전지 셀(cell)을 직렬 또는 병렬로 다수개를 조합하여 밀착한다. 이는 태양전지에서 발생한 열을 빠르게 열 흡수패널(108)에 전달하기 위함이다.

열전소자(105)는 Seebeck의 원리로 양 단면에 열(온도)의 차이를 주면 소자(P형반도체, N형반도체) 내부의 carrier가 이동하면서 기전력이 발생하는 현상으로, 본 발명에서는 태양전지 고정 판(107) 바닥 측을 발열체로 하고, 열 흡수패널(108) 윗면 측을 냉각체로 하여 그 사이에 열전소자를 삽입한다. 그리하여, 이 양단(태양전지와 열 흡수패널) 간의 온도차를 이용하여 발전하는 것이다. 그런데 이 열전소자는 양단 간의 간격(두께)이 3~4mm정도이고 면적이 약160,000㎟가 한계로 양단의 면적을 무한정으로 크게 하지 못하는 문제점이 있다. 그러나 발열체와 냉각체는 면적이 커야 효율을 높이기에 유리하다. 따라서, 발열체와 냉각체의 서로 마주하는 면적을 넓히려면 발열체와 냉각체를 확실하게 격리를 하지 않고는 좋은 발전효율을 기대할 수 없다. 본 발명에서는 열전소자 양 단면에 열전달특성이 좋은 열전달부재(104)를 부착하여 발열체와 냉각체간 충분히 단열(斷熱)할 수 있는 간격을 확보하고, 그 사이에 단열재(102)를 부착하여 발열체와 냉각체사이를 격리하고 발전효율을 높이고 있다.

열 흡수패널(108)은 열전달 특성이 좋은 알루미늄이나 동판이고, 상기 태양전지 고정 판(107) 크기 정도이며, 수평으로 놓인 윗면과 바닥면의 모서리에 수직으로 접합 되는 좌, 우, 앞, 뒷면으로 된 직육면체 상자로 상자 내부에 열전달매체 (본 발명에서 실시한 예에서는 열전달매체를 물을 사용하였으며, 이하, 물로 통칭하여 설명한다.)를 순환케 하든가 본 실시한 예와 같이 열전달 특성이 좋은 중공관(예 동관)에 물 등을 순환모터로 순환시켜 태양전지 배면에서 발생하는 열을 흡수하도록 구성되었다.

태양전지모듈 함체(101)는 상기 태양전지(106)가 부착된 태양전지 고정 판(107)과 열 흡수패널(108) 그리고, 그 사이에 삽입한 열전소자(105)로 구성된, 열 흡수패널이 부착된 태양전지모듈을 외부충격으로부터 보호하며 보온재로 감싸져 있고 태양전지 쪽은 햇빛이 잘 투과되도록 투명유리로 만들어진 직육면체의 함체이며, 열 흡수패널에 냉수가 들어가는 입구와 열교환이 이루어져 온수가 나오는 출구도 구비하고 있으며, 태양전지에서 발생한 전기 출력단과 열전소자에서 발생한 전기 출력단도 함체 밖으로 구비됨은 당연하다.

마이크로프로세서 유닛(118)은 입력부, 표시부, CPU, 저장부, 출력부로 구성되어 외부로부터 즉, 태양전지 배면 온도감지기(121), 열 흡수패널 온도감지기(122), 외부탱크 수위(물 높이)감지기(123,124), 내부탱크 수위감지기(125,126), 외부탱크 수온감지기(127), 내부탱크 수온감지기(128)에서 감지된 신호를 입력부에서 받아 저장부에 저장된 프로그램에 따라 프로세싱하여 표시부에 제어 현황을 표시하고 출력부를 통하여 퇴수밸브(111), 입수밸브(112), 탱크순환모터(114), 열교환순환모터(113)등을 제어하여 발전효율을 극대화 하고 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만 각종순환모터와 밸브들의 작동범위를 미리 정의된 프로그램에만 의존하지 않고 사용자가 임의로 변경 설정하도록 구현함도 바람직하여 입력부에 키패 드를 추가하여 표시부를 보면서 작동범위(예 입력부에 입력되는 각종 수온및 수위값에따라 퇴수밸브, 입수밸브, 탱크순환모터, 열교환순환모터의 작동되는)를 설정할 수 있도록 구성된다.

온수보관탱크는 크기가 다른 탱크 2개로 작은 탱크를 큰 탱크 내부 중간에 넣어 고정한 외부탱크(119)와 내부탱크(120)로 구성되며 외부탱크에 수온감지기(127)로 감지하다 적정온도에 도달하면 외부탱크와 내부탱크를 중공관으로 연결한 탱크순환모터(114)를 이용하여 내부탱크로 펌핑을 하는데, 이는, 입수밸브를 열었을때 냉수와 덥혀진 온수가 섞이는 것을 방지하고 적정온도의 온수를 일정량 항시 보관하기 위함이다. 그리고 열 흡수패널 입구 측과 외부탱크 사이는 중공관으로 연결되었으며 그 사이에 입수밸브(112)를 병렬(T 커넥터로 연결)로 연결하여 냉수를 보충하도록 구성된다. 특히, 입수밸브(112)와 외부탱크사이에는 역류방지기(115)를 직렬(끊어 연결)로 연결하여 입수밸브를 열었을때 냉수가 외부탱크로 바로 유입되는 것을 방지하고 있다. 또한, 열 흡수패널 출구 측과 외부탱크사이도 중공관으로 연결되었으며 그사이에 병렬로 퇴수밸브(114)를 연결하여 겨울철 혹한으로 인한 열 흡수패널이 동파되는 것을 방지하며 퇴수밸브와 외부탱크사이에는 열교환순환모터(113)를 직렬로 연결하여 태양열로 데워지는 열전달매체를 순환하도록 구성되어있다.

여기서, 사용된 재료(예 단열재, 태양전지 고정 판, 열 흡수패널 등)는 통상 사용하는 재료를 기재하였을 뿐이며 이러한 예에 결코 한정되는 것은 아니고, 단열재와 보온재는 열을 차단하는 재료이며, 태양전지 고정 판과 열 흡수패널 등은 열 전달특성이 좋은 재료이면 사용이 가능하다.

그리고 투명유리는 유리와 유리사이에 가스가 밀봉된 이중유리로 사용됨이 바람직하며, 태양전지모듈 함체(101), 온수보관용 외부탱크(119), 열 흡수패널(108), 탱크(119)와 패널(108) 사이를 잇는 중공관 등은 열효율을 높이기 위하여 보온재(保溫材)로 보온함은 당연하다.

또, 온수보관탱크 외부탱크와 내부탱크에 사용된 수위감지기는 도면에는 상한선과 하한선만을 표시하고 있지만 이는 시각적으로 이해를 돕기위하여 그렇게 작성되었을 뿐이며 실시예를 든단면, 부레가 뜨고 가라앉을 때 부레의 움직임을 측정하여 탱크내 물 높낮이를 실시간으로 측정할 수 있다. 그러나 이러한 예에 한정되는 것은 아니고 물의 높낮이를 실시간으로 측정하여 전기신호로 변환할 수 있으면 사용이 가능하다.

이상, 구성요소의 결합관계와 특징을 상세히 설명하였으나,

이하, 바람직한 실시한 예를 통하여 이해를 돕고자 구성요소의 결합관계를 간략하게 더 설명하면서 동작과정을 설명한다.

본 발명의 열 흡수패널이 부착된 태양전지모듈은 태양전지 셀을 조합하여 부착한 열전달특성이 좋은 태양전지 고정 판과 열 흡수패널사이에 열전소자를 삽입한다, 그리고 태양전지 배면과 열 흡수패널에 온도감지기를 부착하여 이 온도감지기에서 감지된 신호를 마이크로프로세서 유닛(118)의 입력부로 받아들여 저장부에 저장된 프로그램에 따라 CPU로 프로세싱하여 출력부로 순환모터와 입수밸브등을 제어함으로써, 열 흡수패널에 냉수를 순환케하여 태양전지 배면에서 발생된 열을 흡수 하고 흡수하는 과정에서 열전소자를 이용 발전도하여 태양에너지를 효과적으로 흡수하도록 구성되었으며, 상기 과정을 수행하기 위해서는 상기 설명과 같이 열 흡수패널에 물을 순환케하는 순환모터, 온수보관탱크 등이 더추가로 구성된다.

상기 구성에 의하여 동작을 설명하면, 먼저, 태양빛으로 태양전지 출력단(109)에서 전기도 발생하지만 태양전지 배면에서 열이 발생하고, 태양전지 배면과 열 흡수패널사이에 온도차로 인하여 열전소자에서도 출력단(110)으로 전기를 발생한다. 이때, 마이크로프로세서 유닛은 열 흡수패널 온도감지기(122)와 태양전지 배면 온도감지기(121)의 온도를 실시간 감지하면서 열교환순환모터(113)로 열 흡수패널에 흐르는 냉수를 적절히 제어하여 태양전지 고정 판 과 열 흡수패널간의 온도차를 유지시키면서 열전소자로 전기도 충분히 발생시키고 열도 흡수하여 외부탱크(119)에 온수를 보관하고, 외부탱크 수온감지기(127)로 감지하다 적정온도로 상승하면 탱크순환모터(114)로 외부탱크의 온수를 내부탱크(120)로 펌핑하고, 입수밸브(112)를 열어 냉수를 다시 열 흡수패널로 입수시키는 작동과정을 반복하면서 발열 측인 태양전지 배면과 냉각 측인 열 흡수패널간의 온도차를 유지하여 열전소자로 발전도하고 온수도 얻는 방식으로 구성된 열 흡수패널이 부착된 태양전지모듈이다.

또한, 혹한으로 태양열을 얻지 못하는 겨울철은 태양전지 배면 온도감지기(121)의 온도가 급격히 떨어지면 마이크로프로세서유닛 입력부로 감지되고 CPU로 프로세싱하여 출력부로 퇴수밸브(111)를 작동시켜 열 흡수패널의 물을 배출하여 동파를 방지하도록 구성되었다.

본 발명은 햇빛에 의한 발전시 태양전지에서 발생하는 전기에너지와 열에너지를 동시에 흡수하여 효율을 극대화하며, 또한, 태양전지 내부저항을 낮추므로 내부에서 발생하는 전력손실을 줄여 발전효율도 최대화할 수 있다.

Claims

태양전지, 열전소자, 열 흡수패널를 포함한 태양전지모듈 함체와, 마이크로프로세서 유닛, 온수보관탱크를 더 포함하여 구성된 태양광발전시스템의 태양전지모듈에 있어서,

태양전지 고정 판(107)위에 열전달매개물체를 붙이고 그 위에 태양전지 셀을 직렬 또는 병렬로 다수개를 조합하여 밀착한 태양전지(106)와; 상기 태양전지 고정 판(107) 크기 정도이며, 수평으로 놓인 윗면과 바닥면의 모서리에 수직으로 접합되는 좌, 우, 앞, 뒷면으로 된 직육면체 상자로 상자내부에 열전달매체를 순환시켜 열을 흡수하는 열 흡수패널(108)과; 열전소자(105) 양단면에 열전달부재(104)를 부착해서 상기 태양전지 고정 판(107)과 열 흡수패널(108)사이에 삽입한 열 흡수패널이 부착된 태양전지모듈을 외부충격으로부터 보호하며 태양전지 쪽은 투명유리로 만들어진 직육면체의 태양전지모듈 함체(101)와; 입력부, 표시부, CPU, 저장부, 출력부로 구성된 마이크로프로세서 유닛(118)과; 온수보관통과 열 흡수패널 입구 쪽을 중공관으로 연결하되, T형 커넥터로 입수밸브(112)를 병렬로 추가하고, 또한, 온수보관탱크와 열 흡수패널 출구 쪽을 중공관으로 연결하되, 중공관을 끊고 열교환순환모터(113)를 직렬로 연결하여, 태양열로 뜨거워진 태양전지 배면(背面)에 열전달매체를 순환케하여 열도 흡수하고 태양전지와 열전소자에서 전기를 출력하도록 구성한 열 흡수패널이 부착된 태양전지모듈.
청구항 1에 있어서,

태양전지 배면 온도감지기(121), 열 흡수패널 온도감지기(122), 내부탱크 수온감지기(128), 외부탱크 수온감지기(127), 내부탱크 수위감지기(125, 126), 외부탱크 수위감지기(123, 124)로 감지하여 입력부로 받아들여 저장부에 저장된 프로그램에따라 CPU로 프로세싱하여 표시부에 표시부에 표시하고, 퇴수밸브(111), 입수밸브(112), 열교환순환모터(113), 탱크순환모터(114)를 출력부로 제어하도록 구성되었으며, 특히, 각종 밸브 및 순환모터의 동작범위 설정값을 사용자가 임의로 설정할 수 있도록 입력부에 키패드가 추가된 마이크로프로세서 유닛(118)으로 구성된 열 흡수패널이 부착된 태양전지모듈.
청구항 1에 있어서,

상기 온수보관탱크는 내부탱크(120)를 외부탱크(119) 내부 중간에 넣어 고정하고, 외부탱크 수온감지기(127)로 감지하다 적정온도에 도달하면 외부탱크와 내부탱크를 중공관으로 연결한 탱크순환모터(114)를 이용하여 내부탱크로 펌핑하도록 구성된 열 흡수패널이 부착된 태양전지모듈.