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문제 정의
- 1 에 나타낸 것과 같이 알파, 베타, 감마 타입으로 분류된다. 본 연구에서는 고온부와 냉각부가 일렬로 배치되어 있어 구조가 매우 간단하고 설계 변경이 용이한 베타 타입 스털링기관을 이용하여 태양광 모듈의 과열을 방지하기 새로운 공랭형 냉각 시스템을 개발하고 이에 대한 냉각 성능을 평가하였다.
제안 방법
- (1) 태양광 모듈의 과열 방지를 위한 새로운 개념의 공랭형 스털링기관 냉각 시스템을 개발하였다.
- 온도센서와 DC 모터 제어회로의 입력전원으로 메인보드의 5V 전압을 사용하였다. 220 Ω 의 저항과 D227 트랜지스터, RL104 다이오드를 사용하여 미리 설정해둔 온도가 되면 트랜지스터가 개폐되어 DC 모터에 전류를 흘려 보내 플라이휠을 구동시키도록 하였다. 스털링기관은 초기 구동 이후에는 플라이휠의 관성과 태양열 만으로 스스로 회전하므로 불필요한 전력 낭비를 피하기 위해 전압 인가 후 5 초 후에는 전류를 차단하도록 설정하였다.
- 7 은 실험 장치 구성 및 실험 조건을 나타낸 것이다. 냉각장치가 전혀 없는 상태(Without Cooling), 냉각핀만 부착한 경우(Cooling Fin Only) 및 냉각핀과 스털링기관 냉각팬을 모두 적용한 경우(Cooling Fin + Forced Air)에 대하여 각각 성능 실험을 수행하였다. 자연광 상태에서 태양이 지속적으로 내리쬐는 환경을 모사하기 위해 할로겐 램프와 스털링기관 고온부와의 거리를 매우 근접시켜 고온부의 온도가 450℃ 로 유지될 수 있도록 하였다.
- 태양광 모듈의 효율을 극대화하기 위해서는 모듈 면적 전체에 대하여 냉각이 가능한 균일하게 이루어지도록 해야 한다. 따라서 냉각팬이 회전할 때 발생하는 강제 대류를 태양광 모듈의 전체 면적에 골고루 순환시켜 방열 효과를 높이기 위해 모듈 후면에 S-자 형태의 에어가이드(Air Guide)를 설치하였다. 또한 냉각성능을 극대화 하기 위해 Fig.
- 하지만 스털링기관은 다른 외연 기관과 마찬가지로 자력 시동이 불가능 하기 때문에 초기 시동을 위해서는 모터를 강제적으로 회전시켜 플라이휠을 구동시켜주어야 한다. 따라서 모터 제어를 통해 지정된 온도에서 스털링기관의 크랭크인을 자동화하기 위해 DC 모터(HC315MG-011), 메인보드(Arduino Module) 및 온도 센서(DS18S20, K-Type)를 사용하여 자동 제어 모듈을 구성하였다. 태양광 모듈의 표면에 부착된 온도 센서로부터 출력되는 가변 전압 값은 메인보드를 통해 DS18S20 센서의 온도 값으로 변환하여 출력된다.
- 자연광 상태에서 태양이 지속적으로 내리쬐는 환경을 모사하기 위해 할로겐 램프와 스털링기관 고온부와의 거리를 매우 근접시켜 고온부의 온도가 450℃ 로 유지될 수 있도록 하였다. 또한 정상상태의 모듈 표면 온도가 여름철의 태양광 모듈의 표면 온도에 해당하는 약 70℃ 가 되도록 할로겐 램프와 태양광 모듈의 거리를 조절하였다. 램프를 켜고 모듈의 온도가 정상상태에 도달할 때까지 모듈 후면의 온도와 전압출력 값을 적당한 시간 간격마다 측정하였다.
- 또한 정상상태의 모듈 표면 온도가 여름철의 태양광 모듈의 표면 온도에 해당하는 약 70℃ 가 되도록 할로겐 램프와 태양광 모듈의 거리를 조절하였다. 램프를 켜고 모듈의 온도가 정상상태에 도달할 때까지 모듈 후면의 온도와 전압출력 값을 적당한 시간 간격마다 측정하였다. 에어가이드를 통해 강제대류가 이동할 때의 냉각 효과는 출구 쪽으로 갈수록 작아지므로 입구, 중간 및 출구부의 온도를 모두 측정하여 이에 대한 평균값을 대표온도로 하였다.
- 모듈의 출력 전압 감소 경향을 비교적 빠른 시간에 파악하기 위해 실험 온도를 실제 사용온도 보다 높은 조건으로 설정하였고 온도 변화에 따라 출력 전압이 감소되는 경향을 파악하기 위해 실험 온도를 세 가지 조건(100℃, 150℃ 및 200℃)으로 달리하였다. 램프와 램프 아래에 놓인 태양광 모듈 간의 거리를 적절히 변경하여 온도 조건을 맞추었고 실험 중 외부 온도변화가 출력 전압에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 환경 챔버(Chamber)를 구성하여 실험하였다. 가속 실험에 소요된 시간은 약 3700 분으로 실험 중 열화 시간의 증가에 따른 출력 전압의 변화를 기록하였다.
- 9 에서와 같이 크기가 작은 모듈을 선정하여 실험하였다. 모듈의 출력 전압 감소 경향을 비교적 빠른 시간에 파악하기 위해 실험 온도를 실제 사용온도 보다 높은 조건으로 설정하였고 온도 변화에 따라 출력 전압이 감소되는 경향을 파악하기 위해 실험 온도를 세 가지 조건(100℃, 150℃ 및 200℃)으로 달리하였다. 램프와 램프 아래에 놓인 태양광 모듈 간의 거리를 적절히 변경하여 온도 조건을 맞추었고 실험 중 외부 온도변화가 출력 전압에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 환경 챔버(Chamber)를 구성하여 실험하였다.
- 새로운 냉각시스템 적용에 따른 냉각 효과가 태양광 모듈의 수명 연장에 미치는 효과를 알아보기 위해 인공 조명을 이용한 가속 열화 시험을 실시하였다. 태양광 모듈의 전면적이 동일한 온도가 되도록 하기 위하여 Fig.
- 220 Ω 의 저항과 D227 트랜지스터, RL104 다이오드를 사용하여 미리 설정해둔 온도가 되면 트랜지스터가 개폐되어 DC 모터에 전류를 흘려 보내 플라이휠을 구동시키도록 하였다. 스털링기관은 초기 구동 이후에는 플라이휠의 관성과 태양열 만으로 스스로 회전하므로 불필요한 전력 낭비를 피하기 위해 전압 인가 후 5 초 후에는 전류를 차단하도록 설정하였다. 이러한 기능을 구현하기 위한 자동 제어 모듈의 개략도를 Fig.
- 2는 스털링기관을 이용한 냉각팬과 태양광 모듈을 결합한 새로운 개념의 태양광 발전 시스템의 개념 설계안이다. 스털링기관을 장착할 수 있도록 태양광 모듈의 한 쪽 모서리 부를 연장하고 효과적으로 열을 모으기 위해 집광판을 설치하였다. 본 연구에 사용된 스털링기관을 Fig.
- 램프를 켜고 모듈의 온도가 정상상태에 도달할 때까지 모듈 후면의 온도와 전압출력 값을 적당한 시간 간격마다 측정하였다. 에어가이드를 통해 강제대류가 이동할 때의 냉각 효과는 출구 쪽으로 갈수록 작아지므로 입구, 중간 및 출구부의 온도를 모두 측정하여 이에 대한 평균값을 대표온도로 하였다.
- 냉각장치가 전혀 없는 상태(Without Cooling), 냉각핀만 부착한 경우(Cooling Fin Only) 및 냉각핀과 스털링기관 냉각팬을 모두 적용한 경우(Cooling Fin + Forced Air)에 대하여 각각 성능 실험을 수행하였다. 자연광 상태에서 태양이 지속적으로 내리쬐는 환경을 모사하기 위해 할로겐 램프와 스털링기관 고온부와의 거리를 매우 근접시켜 고온부의 온도가 450℃ 로 유지될 수 있도록 하였다. 또한 정상상태의 모듈 표면 온도가 여름철의 태양광 모듈의 표면 온도에 해당하는 약 70℃ 가 되도록 할로겐 램프와 태양광 모듈의 거리를 조절하였다.
- 자연광 상태에서는 태양광 모듈의 출력 전압이 일기 변화에 민감하게 반응하므로 실내에 할로겐 램프를 이용한 실험 장치를 구성하여 스털링기관 냉각시스템의 방열 성능을 평가하였다. Fig.
대상 데이터
- 스털링기관을 장착할 수 있도록 태양광 모듈의 한 쪽 모서리 부를 연장하고 효과적으로 열을 모으기 위해 집광판을 설치하였다. 본 연구에 사용된 스털링기관을 Fig. 3에 나타내었다. 집광판 거울(Condenser Lens)에 의해 집중된 열이 스털링기관의 고온부의 흡열고리(Hot Spot)를 가열하면 고온부 내의 공기가 가열되고 냉각부와의 압력차가 발생하여 피스톤이 왕복 직선 운동을 하게 된다.
- 새로운 냉각시스템 적용에 따른 냉각 효과가 태양광 모듈의 수명 연장에 미치는 효과를 알아보기 위해 인공 조명을 이용한 가속 열화 시험을 실시하였다. 태양광 모듈의 전면적이 동일한 온도가 되도록 하기 위하여 Fig. 9 에서와 같이 크기가 작은 모듈을 선정하여 실험하였다. 모듈의 출력 전압 감소 경향을 비교적 빠른 시간에 파악하기 위해 실험 온도를 실제 사용온도 보다 높은 조건으로 설정하였고 온도 변화에 따라 출력 전압이 감소되는 경향을 파악하기 위해 실험 온도를 세 가지 조건(100℃, 150℃ 및 200℃)으로 달리하였다.
성능/효과
- (2) 하절기 온도를 모사한 냉각 성능 시험 결과 태양광 모듈에 본 냉각 시스템을 적용하면 기존 태양광 모듈에 비하여 모듈의 표면온도를 12℃ 가량 낮추어 전압출력이 25% 정도 향상된다.
- (3) 태양광 모듈의 표면온도를 100℃, 150℃ 및 200℃ 로 한 가속 열화시험 결과 온도가 높을수록 정상 상태에서의 출력 전압이 낮고 가열 직후에 급격히 낮아진 전압은 이후 일정하게 유지되는 경향을 나타낸다.
- 냉각핀을 부착한 경우에는 일반 모듈에 비해 온도는 느리게 상승하였으나 최고 온도는 큰 차이가 없었다. 본 연구에서 개발한 냉각시스템을 적용한 경우의 모듈의 최고 온도는 51℃ 로 냉각을 하지 않는 조건에 비해 17.6% 더 낮아지고 그로 인해 전압 출력 또한 약 25% 증가되는 것으로 나타났다. 여름철 태양광 모듈의 온도는 80℃~90℃ 까지도 상승할 수 있으며 따라서 냉각핀과 스털링기관을 이용한 새로운 공랭 시스템을 적용할 경우 과열에 따른 태양광 모듈의 열화 현상을 효과적으로 방지할 수 있을 것이다.
후속연구
- 하지만 높은 온도일 수록 정상상태의 출력 전압은 낮으므로 장시간 사용 시 온도별 출력감소 누적량의 차이는 시간이 길어질수록 점점 커질 것이다. 향후 보다 장시간에 대한 추가적인 실험을 통해 모듈의 표면 온도가 태양광 모듈의 수명에 미치는 영향을 분석함으로써 본 연구를 통해 제안된 새로운 냉각시스템의 도입에 따른 정량적인 수명연장 효과를 확인할 예정이다.
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