KR101078138B1 - Complex Energy Conversion Systems in Solar Cell and method of energy conversion using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 결정계 또는 비정질 반도체로 구성되어 광전 변환반응을 통하여 전기를 공급하는 광전 변환기; 상기 광전 변환기의 배면 상에서 광전 변환기의 표면온도 상승을 억제하고 열을 회수하기 위한 열교환기; 상기 열교환기에서 작동 유체로서 사용되고 승온된 이후 유동 통로를 따라 이동하는 나노유체; 상기 나노유체를 이용하여 온수를 생성하는 온수 공급기; 및 상기 온수 공급기에서 이용된 나노유체를 상기 열교환기에 공급하기 위한 나노유체 공급기를 포함하는 태양전지에서의 복합 에너지 변환 시스템 및 이를 이용한 태양전지에서의 복합 에너지 변환방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 나노유체를 이용하여 태양전지의 표면 온도를 낮춤으로써 전지의 발전효율을 높일 수 있고, 태양전지의 배열을 회수하여 온수를 제공함으로써 태양전지의 이용에 따른 에너지 효율을 극대화할 수 있다.The present invention is composed of a crystalline or amorphous semiconductor photoelectric converter for supplying electricity through a photoelectric conversion reaction; A heat exchanger for suppressing an increase in the surface temperature of the photoelectric converter and recovering heat on the rear surface of the photoelectric converter; A nanofluid that moves along the flow passage after being used as a working fluid in the heat exchanger and warmed up; A hot water supply unit for generating hot water using the nanofluid; And it provides a complex energy conversion system in a solar cell comprising a nanofluid supply for supplying the nanofluid used in the hot water supply to the heat exchanger and a complex energy conversion method in a solar cell using the same. According to the present invention, it is possible to increase the power generation efficiency of the battery by lowering the surface temperature of the solar cell using the nanofluid, and to maximize the energy efficiency according to the use of the solar cell by recovering the arrangement of the solar cell to provide hot water. have.
태양전지, 열교환기, 냉각, 배열회수, 광전 변환 Solar cell, heat exchanger, cooling, heat recovery, photoelectric conversion
Description
본 발명은 태양전지에서의 복합 에너지 변환 시스템 및 이를 이용한 에너지 변환방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광전 변환기를 이용하여 전기를 생산하고, 광전 변환기의 배면 상에 형성된 열을 회수하여 온수를 제공하는 태양전지에서의 복합 에너지 변환 시스템 및 이를 이용한 에너지 변환방법에 관한 것이다.The present invention relates to a complex energy conversion system and a method for energy conversion using the same in a solar cell, and more particularly to produce electricity by using a photoelectric converter, recovering the heat formed on the back of the photoelectric converter to provide hot water The present invention relates to a complex energy conversion system in a solar cell and an energy conversion method using the same.
본 발명은 태양광을 이용하여 전기에너지를 효율적으로 생성할 수 있는 태양 발전기와 태양열을 이용하여 열에너지를 효율적으로 생성할 수 있는 태양열 집열기를 서로 결합하여 태양에너지로부터 전력과 온수를 동시에 생성할 수 있는 태양전지에서의 복합 에너지 변환 시스템 및 이를 이용한 에너지 변환방법에 관한 것이다.The present invention combines a solar generator that can efficiently generate electrical energy using solar light and a solar collector that can efficiently generate thermal energy using solar heat can generate power and hot water simultaneously from solar energy. The present invention relates to a complex energy conversion system in a solar cell and an energy conversion method using the same.
태양전지는 재생 에너지 중에서 가장 에너지원의 크기가 크며, 실현성도 가장 높다. 태양전지를 이용하는 경우 CO2의 염려로부터 자유로워지기 때문에 가장 이 상적인 대체 에너지로 주목받고 있다. 그러나 태양전지에 따른 에너지 생산량 비율이 그리 높지 않은 것은 발전 단가 대비 효율이 낮다는 것이다. 일반적인 폴리실리콘 태양전지 모듈의 경우 현재 약 6%의 효율을 보이는데 이 효율이 7∼8%로 증가하면 15∼30% 정도의 비용 절감을 이룰 수 있게 되는 것이다. 따라서 이러한 태양전지의 효율을 증가시키기 위한 노력들이 진행 중에 있다. Solar cells have the largest energy source among renewables and the highest feasibility. The use of solar cells has attracted attention as the most ideal alternative energy because it is free from CO 2 concerns. However, the reason why the ratio of energy production according to solar cells is not so high is that the efficiency of power generation is low. In general, the polysilicon solar cell module shows an efficiency of about 6%. If the efficiency is increased to 7 to 8%, a cost reduction of about 15 to 30% can be achieved. Therefore, efforts are being made to increase the efficiency of such solar cells.
도 1은 결정계 실리콘 태양전지 및 아몰포스계 실리콘 태양전지의 온도 상승에 따른 효율의 저하를 도시한 그래프이다. 태양전지의 표면 온도가 상승하게 되면 결정계 실리콘 태양전지와 아몰포스계 실리콘 태양전지 모두 전지의 효율이 저하된다는 것을 나타내고 있다. 결정계 실리콘 태양전지가 아몰포스계 실리콘 태양전지보다 효율이 더욱 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있다.1 is a graph showing a decrease in efficiency with increasing temperature of a crystalline silicon solar cell and an amorphous silicon solar cell. When the surface temperature of a solar cell rises, both the crystalline silicon solar cell and the amorphous silicon solar cell show that the efficiency of a battery falls. It can be seen that the crystalline silicon solar cell is more rapidly deteriorated in efficiency than the amorphous silicon solar cell.
결정질 실리콘 태양전지 표면에 고밀도의 태양에너지를 조사하면 태양전지의 출력을 높일 수 있으나, 동시에 태양전지가 흡수한 태양에너지의 대부분은 전기로 변환되지 않고 잉여에너지가 태양전지의 온도를 상승시켜 효율을 저하시킨다. 이러한 경우 전지의 효율 저하를 방지하기 위하여 태양전지를 냉각시켜야 한다. 특히, 집속기를 사용하는 태양전지의 경우 장치의 설계에는 집속비(Concentration ratio)에 따라 적절한 냉각장치가 수반되어야 한다.Irradiation of high density solar energy on the surface of crystalline silicon solar cell can increase the output of the solar cell, but at the same time, most of the solar energy absorbed by the solar cell is not converted to electricity, and surplus energy increases the temperature of the solar cell to improve efficiency. Lowers. In this case, the solar cell should be cooled in order to prevent deterioration of the cell efficiency. In particular, in the case of a solar cell using a concentrator, the design of the device must be accompanied by a suitable cooling device according to the concentration ratio.
저집속비(저밀도 에너지)인 경우 냉각장치는 간단한 수동형(Passive) 장치(예: 자연통풍)를 이용할 수 있으며, 고집속형인 경우 일종의 강제적인(Forced, Active) 냉각수단을 사용하여야 한다. 즉, 강제통풍을 사용하거나 또는 냉각 핀(Cooling Fin)의 구조를 태양전지의 배면에 접촉시키고 Fin 구조의 내부공간에 작동매체(예: 공기, 물 등)가 흐르게 하여 태양전지의 온도를 하강시킬 수 있다. 집속비가 높을수록 태양전지의 온도가 높아지며 따라서 냉각시키는 매체의 온도도 동일한 유속일 경우 상승한다.In the case of low convergence ratio (low density energy), the cooling system may use simple passive devices (eg natural ventilation), and in the case of high concentration type, forced or active cooling means should be used. That is, it is possible to lower the temperature of the solar cell by using forced ventilation or by contacting the structure of the cooling fin with the back of the solar cell and allowing the working medium (eg, air, water, etc.) to flow into the inner space of the fin structure. Can be. The higher the focusing ratio, the higher the temperature of the solar cell, and therefore the temperature of the cooling medium also rises at the same flow rate.
도 2는 종래기술에 따라 광전 변환 모듈의 온도 저감을 위한 방안으로 냉각수를 표면에 직접 분사하는 방법을 도시하고 있다. 도 2는 동서발전 동해화력발전처 개발에서 시행중이나 냉각수 회수 및 냉각수 분사에 따른 입광효율 저하문제 발생이 예상된다는 문제점이 있다.2 illustrates a method of directly spraying cooling water onto a surface of the photoelectric conversion module according to the related art. 2 is in the development of the East-West power plant in East-West power generation, but there is a problem that the problem of light incident efficiency decrease due to the recovery of the coolant and the injection of the coolant is expected.
고밀도의 태양에너지의 조사로 인하여 가열되는 태양전지에서 특수한 냉각장치를 통하여 고온의 열을 흡수하고 승온된 (냉각)매체를 직접 필요한 용도에 사용할 수 있도록 하는 태양전지-태양열 병합장치에 대한 연구가 진행되고 있다. Research on solar cell-solar consolidation device that absorbs high temperature heat through special cooling device in solar cell heated by high density solar energy and makes it possible to use the heated (cooling) medium directly for the necessary use It is becoming.
태양광-태양열 에너지 병합장치는 미국특허 제6,675,580호, 미국특허 제6,295,818호에 공지되어 있고, 선행 논문은,“엠. 브로그렌”박사의 웁살라대학 박사학위논문(2004)인“포물형 반사경을 이용한 저 집속비 태양에너지장치의 광학효율”(M. Brogren, "Optical Efficiency of Low-Concentrating Solar Energy Systems with ParabolicReflectors", Uppsala University, Ph.D. Thesis, 2004)과 “제이. 에스. 컨벤트리”박사의 호주국립대학 박사학위논문(2004)인 “태양에너지 집속형 태양전지/태양열 집열기”(J. S. Conventry, "A Solar Concentrating Photovoltaic/Thermal Collector", Australlian National University, Ph.D. Thesis, 2004) 등이 있다.Photovoltaic-solar energy combining devices are known from US Pat. No. 6,675,580 and US Pat. No. 6,295,818. M. Brogren, "Optical Efficiency of Low-Concentrating Solar Energy Systems with Parabolic Reflectors," Uppsala, Ph.D. University, Ph.D. Thesis, 2004) and “J. s. Dr. Conventry, Ph.D. Dissertation (Australia), "Solar Concentrating Photovoltaic / Thermal Collector", Australlian National University, Ph.D. Thesis, 2004).
이와 같이 태양전지-태양열 에너지를 복합적으로 이용하는 점에 대한 논의는 지속되고 있지만, 태양전지의 효율을 획기적으로 개선하지 못하고 있다는 문제점이 있었다.As such, the discussion on the use of a combination of solar cells and solar thermal energy continues, but there is a problem in that the efficiency of solar cells has not been dramatically improved.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 하나의 에너지원에서 전력과 열을 동시에 발전시키는 에너지 변환 시스템으로서 냉각성능이 우수하여 태양전지의 효율을 극대화하면서 에너지 이용효율을 높이는 태양전지에서의 복합 에너지 변환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention is an energy conversion system that generates power and heat at the same time in one energy source is excellent in cooling performance, maximize the efficiency of the solar cell complex energy in the solar cell to increase the energy utilization efficiency It is an object to provide a conversion system.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 종래의 태양광 발전 시스템에서 전기의 생산효율을 증대시키면서도 전기와 온수를 병합생산하여 경제성을 높일 수 있는 태양전지에서의 복합 에너지 변환방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a complex energy conversion method in a solar cell that can increase the economic efficiency by combining the production of electricity and hot water while increasing the production efficiency of electricity in the conventional solar power system. It is done.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention
결정계 또는 비정질 반도체로 구성되어 광전 변환반응을 통하여 전기를 공급하는 광전 변환기;A photoelectric converter composed of a crystalline system or an amorphous semiconductor and supplying electricity through a photoelectric conversion reaction;
상기 광전 변환기의 배면 상에서 광전 변환기의 표면온도 상승을 억제하고 열을 회수하기 위한 열교환기;A heat exchanger for suppressing an increase in the surface temperature of the photoelectric converter and recovering heat on the rear surface of the photoelectric converter;
상기 열교환기에서 작동 유체로서 사용되고 승온된 이후 유동 통로를 따라 이동하는 나노유체;A nanofluid that moves along the flow passage after being used as a working fluid in the heat exchanger and warmed up;
상기 나노유체를 이용하여 온수를 생성하는 온수 공급기; 및A hot water supply unit for generating hot water using the nanofluid; And
상기 온수 공급기에서 이용된 나노유체를 상기 열교환기에 공급하기 위한 나노유체 공급기를 포함하는 태양전지에서의 복합 에너지 변환 시스템을 제공한다.It provides a complex energy conversion system in a solar cell comprising a nanofluid supply for supplying the nanofluid used in the hot water supply to the heat exchanger.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above another object, the present invention
광전 변환기와 열교환기를 포함하는 태양광 에너지 변환방법에 있어서, In the solar energy conversion method comprising a photoelectric converter and a heat exchanger,
나노유체 공급기로부터 상기 광전 변환기의 배면에 나노유체를 공급하는 단계; Supplying nanofluid to a backside of the photoelectric converter from a nanofluid supply;
상기 광전 변환기의 배면 상에 제공된 유로를 통하여 나노유체가 유동하여 광전 변환기의 표면온도를 저하시키고 열을 회수하는 단계; Nanofluid flows through a flow path provided on the rear surface of the photoelectric converter to lower the surface temperature of the photoelectric converter and recover heat;
상기 열을 회수한 나노유체가 정해진 유로를 따라 온수 공급기로 이동하는 단계; 및Moving the heat-recovered nanofluid to a hot water supply along a predetermined flow path; And
상기 온수 공급기에서 나노유체의 열을 이용하여 온수를 생성하는 단계를 포함하는 태양전지에서의 복합 에너지 변환방법을 제공한다. It provides a complex energy conversion method in a solar cell comprising the step of generating hot water using the heat of the nanofluid in the hot water supply.
본 발명에 따르면, 나노유체를 이용하여 태양전지의 표면 온도를 저하시킴으로써 전지의 발전효율을 높일 수 있고, 태양전지의 배열을 회수하여 온수를 제공함으로써 태양전지의 이용에 따른 에너지 효율을 극대화할 수 있다.According to the present invention, it is possible to increase the power generation efficiency of the battery by lowering the surface temperature of the solar cell using the nanofluid, and to maximize the energy efficiency according to the use of the solar cell by recovering the arrangement of the solar cell to provide hot water. have.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
본 발명은 결정계 또는 비정질 반도체로 구성되어 광전 변환반응을 통하여 전기를 공급하는 광전 변환기; 상기 광전 변환기의 배면 상에서 광전 변환기의 표면온도 상승을 억제하고 열을 회수하기 위한 열교환기; 상기 열교환기에서 작동 유체로서 사용되고 승온된 이후 유동 통로를 따라 이동하는 나노유체; 상기 나노유체 를 이용하여 온수를 생성하는 온수 공급기; 및 상기 온수 공급기에서 이용된 나노유체를 상기 광전 변환기에 공급하기 위한 나노유체 공급기를 포함하는 태양전지에서의 복합 에너지 변환 시스템을 제공한다.The present invention is composed of a crystalline or amorphous semiconductor photoelectric converter for supplying electricity through a photoelectric conversion reaction; A heat exchanger for suppressing an increase in the surface temperature of the photoelectric converter and recovering heat on the rear surface of the photoelectric converter; A nanofluid that moves along the flow passage after being used as a working fluid in the heat exchanger and warmed up; A hot water supply unit for generating hot water using the nanofluid; And a nanofluid supply for supplying the nanofluid used in the hot water supply to the photoelectric converter.
본 발명은 고효율 태양전지를 사용함에 있어 빛의 집중으로 인하여 표면온도가 높아 태양전지의 효율이 저하되는 문제를 해결하기 위하여 열교환기를 설치하여 태양전지를 냉각시키고 열교환기는 열전도도가 우수한 나노유체를 작동유체로서 사용한다. 나노유체를 사용하여 얻은 열을 회수하여 온수를 생성하여 주택이나 빌딩의 난방용 및/또는 온수용 온수로 사용할 수 있다.In order to solve the problem that the surface temperature is high due to the concentration of light in the use of a high efficiency solar cell, the present invention provides a heat exchanger to cool the solar cell, and the heat exchanger operates a nano fluid having excellent thermal conductivity. Use as a fluid. Heat generated by using nanofluids may be recovered to generate hot water and used as heating and / or hot water for a house or building.
태양전지의 표면 온도가 1℃ 증가시 발전량은 0.5% 감소하게 된다. 이러한 태양전지 표면 온도의 증가를 감소시키기 위하여 열교환기를 설치하면 온도가 낮아짐에 따라 발전량을 증가시킬 수 있다. 본 발명에 따른 복합발전 시스템(Cogeneration System)은 광전 변환기의 표면온도를 저감시키고 발전출력을 향상시킬 수 있다. When the surface temperature of the solar cell increases by 1 ° C, the amount of power generation decreases by 0.5%. If the heat exchanger is installed in order to reduce the increase of the surface temperature of the solar cell, the power generation amount may increase as the temperature decreases. Cogeneration system according to the present invention can reduce the surface temperature of the photoelectric converter and improve the power output.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 광전 변환기와 열교환기를 포함하는 태양광 에너지 변환 장치에 있어서, 나노유체 공급기로부터 상기 광전 변환기의 배면에 나노유체를 공급하는 단계; 상기 광전 변환기의 배면 상에 제공된 유로를 통하여 나노유체가 유동하여 광전 변환기의 표면온도를 저하시키고 열을 회수하는 단계; 상기 열을 회수한 나노유체가 정해진 유로를 따라 온수 공급기로 이동하는 단계; 및 상기 온수 공급기에서 나노유체의 열을 이용하여 온수를 생성하는 단계를 포함하는 태양광 에너지 변환 장치의 온도 제어방법을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a solar energy conversion device including a photoelectric converter and a heat exchanger, comprising: supplying a nanofluid to a rear surface of the photoelectric converter from a nanofluid supply; Nanofluid flows through a flow path provided on the rear surface of the photoelectric converter to lower the surface temperature of the photoelectric converter and recover heat; Moving the heat-recovered nanofluid to a hot water supply along a predetermined flow path; And it provides a temperature control method of the solar energy conversion device comprising the step of generating hot water using the heat of the nano-fluid in the hot water supply.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양전지에서의 복합 에너지 변환 장치의 개략도를 도시하고 있다. 3A and 3B show a schematic diagram of a complex energy conversion device in a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 3a를 참고하면, 광전 변환기(100)의 전면에는 강화유리(101)가 설치되고 배면에 배면 시트(103)가 부착된다. 또한 광전 변환기(100)의 측면에는 외장재(102)를 이용하여 광전 변환 장치를 밀봉하고 있다. 강화유리(101)를 통하여 투과된 태양광은 광전 변환기(100)를 통하여 전력을 생산하여 전력 공급기(130)에 공급한다. 태양광의 노출에 따라 광전 변환기(100)의 표면 온도는 상승하고 광전 변환기(100)의 배면에 설치된 열교환기(104)는 광전 변환기(100)의 증가된 온도를 저감시킨다. 열교환기(104)에서 작동유체로 작용하는 나노유체(110)는 승온되고 유동 통로를 따라 이동한다. 이동된 나노유체를 이용하여 온수 공급기(105)에서 온수를 생성한다. 생성된 온수는 주택이나 사무실 등의 온수 또는 난방에 이용하고 온수 공급기(105)에서 온수 생성에 이용된 나노유체(111)는 나노유체 공급기(107)로 이동한다. 나노유체 공급기(107)는 나노유체를 광전 변환기(100)에 공급하는 역할을 수행하고, 나노유체를 강제 순환시키기 위한 펌프(106)가 설치된다. 도 3a에서는 광전 변환기로부터 회수된 열이 나노유체의 형태로 온수 공급기(105)까지 이동되고 상기 온수 공급기(105)에는 물(119)이 공급되어 온수(120)로 전환되어 실내로 공급되는 것을 도시하고 있다.Referring to FIG. 3A, a
도 3b를 참고하면, 광전 변환기(200)의 전면에는 강화유리(201)가 설치되고 배면에 배면 시트(203)가 부착된다. 또한 광전 변환기(200)의 측면에는 외장재(202)를 이용하여 광전 변환 장치를 밀봉하고 있다. 강화유리(201)를 통하여 투 과된 태양광은 광전 변환기(200)를 통하여 전력을 생산하여 전력 공급기(230)에 공급한다. 태양광의 노출에 따라 광전 변환기(200)의 표면의 온도는 상승하고 광전 변환기(200)의 배면에 설치된 열교환기(204)는 광전 변환기(200) 표면의 증가된 온도를 낮춘다. 열교환기(204)에서 작동유체로 작용한 이후 승온된 나노유체(210)는 유동 통로를 따라 이동한다. 이동된 나노유체는 온수 공급기(205)에서 가온되지 않고 공급된 물(219)을 가온하여 온수(220)를 생성한다. 생성된 온수(220)는 주택이나 사무실 등의 온수 또는 난방에 이용된다. 또한 본 발명의 시스템은 광전 변환기(200)에 나노유체를 강제 순환시키기 위한 펌프(206)를 포함한다. 도 3b에서는 나노유체 공급기(207)와 온수 공급기(205)가 일체로 된 일 구현예를 도시하고 있다. 도 3b가 도 3a와 다른 점은 광전 변환기로부터 회수된 열이 나노유체 공급기(207)로 이동되고 온수(220)로 전환되어 원하는 장소로 이동되는 것이다. Referring to FIG. 3B, a
도 4는 본 발명에 따른 광전 변환기 및 열교환기를 포함한 개략도를 도시하고 있다. 도 4를 참고하면, 전지판(100)의 배면에 형성된 열교환기를 통하여 나노유체가 유동한다. 나노유체는 공급구(150)를 통하여 유입되고, 배출구(151)를 통하여 배출되고, 전지판의 배면을 유동하는 동안 전지판의 표면온도를 저하시키고 나노유체는 승온되면서 열교환이 이루어진다. 4 shows a schematic diagram comprising a photoelectric converter and a heat exchanger according to the invention. Referring to FIG. 4, the nanofluid flows through a heat exchanger formed on the rear surface of the
평판형 또는 집광형 광전 변환 모듈 온도 저감을 위하여 배면 시트에 마이크로 열교환기, 히트 파이프식 열교환기, 판형 열교환기, 채널형 열교환기 또는 집열기를 부착하고 이들 열교환기의 열전달 매체로 나노유체를 적용한다.To reduce the temperature of the flat or condensed photoelectric conversion module, attach a micro heat exchanger, a heat pipe type heat exchanger, a plate heat exchanger, a channel heat exchanger, or a heat collector to the back sheet, and apply nanofluid as a heat transfer medium for these heat exchangers. .
마이크로 열교환기는 유체가 마이크로 채널을 통과하며 열교환하는 형태이 며, 마이크로 열교환기는 기존 관형 열교환기의 축소판으로 미세관을 이용하여 열교환한다. 열교환기 자체 크기보다는 두 유체의 열전달 특성을 좌우하는 크기, 즉 마이크로채널, 다공성 채널 등의 마이크로 크기 영역에서 열전달을 하는 모든 열교환 시스템을 포괄적으로 포함하고 있다. 마이크로 열교환기는 제품의 소형 및 경량화를 이룰 수 있고, 사용장소를 다양화할 수 있다.A micro heat exchanger is a type in which fluid is exchanged through a microchannel, and a micro heat exchanger is a miniature version of a conventional tubular heat exchanger. It comprehensively includes all heat exchange systems that conduct heat in micro-sized regions, such as microchannels and porous channels, which dominate the heat transfer characteristics of two fluids rather than the heat exchanger itself. Micro heat exchanger can make the product small and light, and can diversify the place of use.
히트 파이프식 열교환기는 밀폐된 용기 내에서 나노유체를 주입한 후 진공 배기한 것으로 작동 유체의 증발과 응축이 별도의 외부 동력없이 잠열을 이용하여 열을 전달하는 기구이다. 히트 파이프는 잠열에 의한 대량의 열수송이 가능하고, 온도분포가 균일하고 경량이며 구조가 간단하다. 또한 응답성이 빠르고 가열부와 냉각부를 분리하는 것이 가능하고 서모사이폰(thermosyphon)의 경우 한쪽 방향으로만 열을 이용시키는 성질을 갖는다.The heat pipe type heat exchanger is a vacuum exhaust after injecting nanofluid in a sealed container. The heat pipe type heat exchanger transfers heat by using latent heat without any external power. Heat pipes are capable of mass transfer of heat by latent heat, uniform temperature distribution, light weight, and simple structure. In addition, the responsiveness is fast and it is possible to separate the heating portion and the cooling portion, and in the case of thermophony, the heat is used only in one direction.
판형 열교환기는 지지대와 전열판 조립체를 고장력 볼트로 고정한 것으로 전열판 조립체는 양각 형태의 스테인레스판으로 이루어져 있다. 각각의 전열판은 서로 반대 방향의 주름진 형태로 조립되어 두 유체가 대향류로 유동하게 되어 있으며, 가스켓으로 분리되어질 수 있다. 판형 열교환기는 잔열판에 주름이 있어 전열효율이 높고 거의 완전한 대향류 유동이 가능하므로 열교환이 효율적일 뿐만 아니라 온도차이가 1℃까지도 적용이 가능하므로 온도차이가 낮은 경우에도 사용할 수 있고 설치비용이 저렴하고 유지·보수비용이 적게 든다.The plate heat exchanger is a high-strength bolted bolt to the support and the heat exchanger assembly. The heat exchanger assembly consists of an embossed stainless plate. Each heat plate is assembled in a corrugated form in opposite directions so that the two fluids flow in opposite flows and can be separated by a gasket. Plate heat exchanger has wrinkles on residual heat plate, so it has high heat transfer efficiency and almost complete counterflow flow, so it is not only efficient heat exchange but also applicable to temperature difference of 1 ℃, so it can be used even when temperature difference is low and installation cost is low. Low maintenance and repair costs
도 5a 및 도 5b는 광전 변환기의 배면에 배치되는 판형 열교환기 유로 형상을 도시하고 있다. 도 5a를 참고하면, 나노유체는 공급구(150)로부터 공급되고 판 형의 유로(152)를 따라 이동하고 배출구(151)를 통하여 전지판의 외부로 배출된다. 도 5b를 참고하면, 나노유체는 공급구(153)로부터 공급되고 판형의 유로(155)를 따라 이동하고 배출구(154)를 통하여 전지판의 외부로 배출된다. 나노유체가 판형의 유로를 거치는 동안 열교환이 이루어져 전지판 온도는 저하되고 나노유체 자체는 승온되어 외부로 배출되는 것이다.5A and 5B show the shape of a plate heat exchanger flow path disposed on the back of the photoelectric converter. Referring to FIG. 5A, the nanofluid is supplied from the
나노유체는(nanofluids)는 일반 유체에 나노입자(nanoparticle) 또는 나노튜브와 같은 크기의 섬유들을 분산(dispersion), 부유(suspension)시켜서 만든 유체를 의미한다. 나노유체는 Al2O3, CuO, Cu, Pt 및 Au로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 나노 입자로 구성된 것이 바람직하다. 일반적으로 나노유체에 분산된 나노입자의 크기는 10 내지 100nm이고, 바람직하게는 10 내지 50nm이며 나노입자들을 분산, 부유시키는 기술은 크게 물리적 방법과 화학적 방법으로 나눌 수 있다. Nanofluids are fluids made by dispersing and suspending fibers of the same size as nanoparticles or nanotubes in a general fluid. Nanofluid is preferably composed of one or more nanoparticles selected from the group consisting of Al 2 O 3 , CuO, Cu, Pt and Au. In general, the size of the nanoparticles dispersed in the nanofluid is 10 to 100nm, preferably 10 to 50nm, the technique of dispersing and floating the nanoparticles can be largely divided into physical and chemical methods.
물리적 방법은 두 가지로 분류할 수 있으며, 첫 번째 방법은 One Step Method 공정으로 일반 유체 속에 분산, 부유시키고자 하는 물질을 고진공 챔버 속에 기화시키고 기화된 물질이 고진공 챔버 주위를 돌고 있는 일반 유체에 접하면서 나노입자를 형성시킴과 동시에 유체 속에 분산, 부유시키는 기술이다. 두 번째 방법은 Two Step Method 공정으로 나노입자의 제작 단계와 유체 속에 분산, 부유시키는 단계를 분리하여 나노유체를 제작하는 방법이다. The physical methods can be classified into two types. The first method is the One Step Method process, in which a substance to be dispersed and suspended in a general fluid is vaporized in a high vacuum chamber, and the vaporized material is in contact with a general fluid that is around a high vacuum chamber. It is a technology that forms nanoparticles and at the same time disperses and floats in a fluid. The second method is a two-step method, in which nanofluids are manufactured by separating the nanoparticles production steps and the steps of dispersing and floating them in a fluid.
화학적 방법은 나노입자의 표면을 변화시키기 위한 계면활성제를 사용하여 입자들의 분산성을 유지시키거나 유체의 폐하(pH)를 조절하여 나노입자를 분산, 부 유시키는 방법을 의미한다.The chemical method refers to a method of dispersing and suspending nanoparticles by maintaining a dispersibility of the particles using a surfactant to change the surface of the nanoparticles, or by controlling the fluid pH (pH).
나노유체의 열적 특성은 일반유체의 부피에 대한 1% 미만의 소량의 부피비의 나노입자를 일반유체에 첨가하더라도 나노유체의 유효 열전도도가 10% 정도 그리고 대류 열전달 특성이 최대 30%까지 향상된다. 또한 나노유체는 열전도도가 온도 변화에 따라 급격히 상승하고, 이러한 나노유체의 특성은 나노유체의 온도가 증가할수록 열전도도가 증가되어 열전달률을 상승시킬 수 있다는 것을 의미한다.The thermal properties of nanofluids improve the effective thermal conductivity of nanofluids by about 10% and the convective heat transfer characteristics by up to 30% even if a small volume fraction of nanoparticles is added to the general fluid. In addition, the thermal conductivity of the nanofluid increases rapidly with temperature change, and the characteristics of the nanofluid mean that the thermal conductivity increases as the temperature of the nanofluid increases, thereby increasing the heat transfer rate.
또한 나노입자의 크기가 작아질수록 열전도도가 상승한다. 기존의 나노 크기를 가지는 박막의 열전도도가 박막의 두께가 작을수록 열전도도가 작아지는 현상이 있었으나 나노유체의 열적 특성은 이와 반대로 나타난다. 이러한 열적 특성은 나노유체의 임계열 유속이 일반유체의 임계열 유속보다 3배 정도 커진다는 것이다. 상기 나노유체의 특성은 태양 광 에너지 변환 장치의 열교환기에 있어 냉각성능 및 열전달 특성이 우수하기 때문에 나노유체가 작동유체로서 사용되기에 적합하다는 것을 알 수 있다.In addition, the smaller the size of the nanoparticles, the higher the thermal conductivity. The thermal conductivity of conventional thin films with nano size decreased as the thickness of the thin film decreased, but the thermal properties of nanofluids are reversed. This thermal characteristic is that the critical heat flux of nanofluid is about three times larger than the critical heat flux of normal fluid. It is understood that the nanofluid is suitable for use as a working fluid because of its excellent cooling performance and heat transfer characteristics in the heat exchanger of the solar energy converter.
광전 변환기는 평판형 또는 집광형 광전 변환기인 것이 바람직하다. 일반적으로 태양에너지 집광기는 평판형(Flat Plate)을 사용하고 있다. 그러나 평판형 집속기는 전기 또는 열에너지로 변환하는 효율이 대단히 낮아 이용에 한계가 있다. 따라서 태양에너지를 전기에너지 또는 열에너지로의 변환효율을 높이며 동시에 용도에 따라 다양하게 적용하기 위하여 집속기(Concentrator; (예) Parabolic trough, Parabolic dish, Fresnel 렌즈 등)가 이용되고 있다. 집속기는 광학장치(렌즈 또는 반사경)를 이용하여 장치의 개구면에 입사하는 태양에너지를 보다 작은 면적의 출구면(수광면 또는 흡열면)에 고 밀도의 에너지로 집속하여 생성되는 전기의 출력을 대폭 높이거나 또는 높은 온도의 열에너지가 생성되어 장치의 효율(성능)을 향상시키는 장치이다. 동시에 집속장치 종류와 설계에 따라 평판형 장치보다 장치의 단가도 줄일 수 있다.It is preferable that the photoelectric converter is a planar or condensed photoelectric converter. In general, solar collectors use a flat plate. However, the flat plate collector has a very low efficiency of converting into electricity or heat energy, and thus has limitations in use. Therefore, concentrators (e.g., parabolic troughs, parabolic dishes, fresnel lenses, etc.) are used to increase the efficiency of converting solar energy into electric energy or heat energy, and at the same time apply them in various ways. The focusing device uses an optical device (lens or reflector) to focus the solar energy incident on the aperture of the device into a high-density energy output on the smaller exit surface (light-receiving or endothermic). It is a device that generates significantly higher or higher temperature thermal energy to improve the efficiency (performance) of the device. At the same time, depending on the type and design of the focusing device, the unit cost of the device can be reduced.
도 6a 및 도 6b는 각각 필름이 설치된 집광형 광변환 장치 및 핀이 부착된 집광형 광변환 장치를 도시하고 있다. 후면 냉각을 위하여 핀을 부착하고 있으며, 본 발명에서는 나노유체를 열전달 매체로 적용하여 열전달 성능향상을 목적으로 하고 있다.6A and 6B show a light converging photoconversion device in which a film is installed and a light converging light conversion device with fins, respectively. Fins are attached for cooling the rear surface, and in the present invention, nanofluid is applied as a heat transfer medium to improve heat transfer performance.
복합발전시스템(Cogeneration System)은 하나의 에너지원에서 전력과 열을 동시에 발생시키는 종합에너지 시스템이다. 태양광 복합발전 시스템은 태양광 발전시스템에서 생산된 전력을 사용하고 광전 변환 모듈에서 발생된 배열을 회수하여 이용함으로써 에너지 종합 열이용 효율을 높이는 것을 목적으로 하고 있다. 따라서 본 발명은 전기와 열을 병합 생산함으로써 기존 태양광 발전 시스템 대비 경제성을 높일 수 있는 고효율 에너지 이용 기술이다.Cogeneration system is a comprehensive energy system that generates power and heat simultaneously from a single energy source. Photovoltaic power generation system is to increase the efficiency of energy overall heat utilization by using the power generated in the photovoltaic power generation system and recovering and using the arrangement generated in the photoelectric conversion module. Therefore, the present invention is a high-efficiency energy utilization technology that can increase the economics compared to the existing photovoltaic system by combining and producing electricity and heat.
태양광 복합발전 시스템은 통상의 광전 변환 모듈의 배면에 열회수 열교환기를 장착하여 광전 변환 장치의 온도를 저감시키는 것과 동시에 회수된 배열을 활용하는 에너지 활용 기술이다. 따라서 광전 변환 장치의 표면온도 상승을 억제하여 전력생산 장치의 효율을 증가시키는 것과 함께 나노유체를 이용하여 회수된 열을 온수를 생산하는데 재사용하게 함으로써 에너지의 효율적인 활용을 도모한다. Photovoltaic combined cycle power generation system is an energy utilization technology that utilizes the recovered arrangement while reducing the temperature of the photoelectric conversion device by mounting a heat recovery heat exchanger on the back of the conventional photoelectric conversion module. Therefore, the surface temperature of the photoelectric conversion device is suppressed to increase the efficiency of the power production device, and the heat recovered by using the nanofluid can be reused to produce hot water for efficient use of energy.
종래 광전 변환 모듈 냉각용으로 사용되는 냉각수 표면 분사 방식은 냉각수 사용에 따른 수처리 비용 발생, 냉각수 분사에 따른 입광효율 감소 등의 문제점을 야기하므로 배면시트의 열을 회수함으로써 광변환 모듈의 온도를 저감시키는 방법이 효과적이다. 본 발명의 광전 변환 장치는 더욱 신속한 냉각을 필요로 하고 기존의 열전달 매체로는 높은 열전달 성능을 기대하기 어렵기 때문에 이의 해결을 위하여 열전도도가 향상된 나노유체를 열전달 매체로 적용한다.The cooling water surface spraying method used for conventional photoelectric conversion module cooling causes problems such as water treatment cost and cooling efficiency due to cooling water injection, thereby reducing the temperature of the light conversion module by recovering heat from the back sheet. The method is effective. Since the photoelectric conversion device of the present invention requires more rapid cooling and it is difficult to expect high heat transfer performance with a conventional heat transfer medium, a nanofluid with improved thermal conductivity is applied as a heat transfer medium to solve the problem.
광전 변환기에서 공급되는 전력량에 따라 전력을 추가로 공급할 수 있는 보조 전력장치를 더 구비하는 것이 바람직하다. 광전 변환기는 일조량에 따라 생산되는 전력량이 상이할 수 있다. 그러므로 광전 변환기를 독립된 주택이나 빌딩에서 단독으로 사용하는 경우에 계절이나 날씨의 변화에 따라 전력생산에 편차가 발생하게 되고 그러한 경우에도 안정적으로 전기를 공급받을 수 있도록 보조 전력수단을 더 구비하는 것이 필요하다. 따라서 일조량이 풍부한 경우에는 보조 전력수단을 사용하지 않거나 최소화하고, 일조량이 부족한 경우에는 보조 전력수단을 사용하여 광전 변환기를 보조한다.It is preferable to further provide an auxiliary power device that can further supply power in accordance with the amount of power supplied from the photoelectric converter. The photoelectric converter may vary in the amount of power produced according to the amount of sunshine. Therefore, when the photoelectric converter is used alone in an independent house or building, variations in power generation occur due to changes in seasons or weather, and in such a case, it is necessary to further provide auxiliary power means so that electricity can be stably supplied. Do. Therefore, when the amount of sunlight is abundant, the auxiliary power means is not used or minimized. When the amount of sunlight is insufficient, the auxiliary power means is used to assist the photoelectric converter.
온수 공급기는 온수의 온도에 따라 선택적으로 작동하는 보조 열 공급기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 따라서 일조량이 풍부한 경우에는 보조 열 공급기를 사용하지 않거나 최소화하고, 일조량이 부족한 경우에는 보조 열 공급기를 사용하여 나노유체 공급기를 보조한다. 즉 태양 복사량이 많을 때에는 상기 나노유체로부터 온수를 가열하고, 태양 복사량이 적을 때에는 보조 열공급기로부터 온수를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the hot water supply further includes an auxiliary heat supply that operates selectively according to the temperature of the hot water. Therefore, if the amount of sunshine is not used or minimize the auxiliary heat supply, if the amount of sunlight is insufficient to use the auxiliary heat supply to assist the nanofluid supply. That is, when the amount of solar radiation is large, it may further include the step of heating hot water from the nanofluid, and when the amount of solar radiation is small, heating the hot water from the auxiliary heat supply.
도 1은 결정계 실리콘 태양전지 및 아몰포스계 실리콘 태양전지의 온도 상승에 따른 효율의 저하를 도시한 그래프이다. 1 is a graph showing a decrease in efficiency with increasing temperature of a crystalline silicon solar cell and an amorphous silicon solar cell.
도 2는 종래기술에 따라 광전 변환 모듈 표면에 냉각수를 직접 분사하는 방법을 도시하고 있다. 2 illustrates a method of directly injecting cooling water to the surface of a photoelectric conversion module according to the related art.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양광 에너지 변환 장치의 도식도를 나타내고 있다. 3A and 3B show schematic diagrams of a solar energy conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 광전 변환기 및 열교환기를 포함한 개략도를 도시하고 있다.4 shows a schematic diagram comprising a photoelectric converter and a heat exchanger according to the invention.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 백시트 장착용 판형 열교환기 유로 형상을 도시하고 있다.5A and 5B illustrate the shape of a plate heat exchanger flow path for mounting a backsheet according to the present invention.
도 6a는 본 발명의 일 구현예에 따른 집광형 광전 변환 모듈의 개략도를 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 일 구현예에 따른 핀 부착형 집광형 광전 변환 모듈의 개략도를 도시한 것이다.6A illustrates a schematic diagram of a light collecting photoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6B illustrates a schematic diagram of a pinned light collecting photoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention.
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