[논문]3kW급 옥외형 태양광 인버터의 효율개선을 위한 냉각시스템 연구

김민석; 박의종; 김용재; 오보석

doi:10.13067/jkiecs.201.9.5.617

3kW급 옥외형 태양광 인버터의 효율개선을 위한 냉각시스템 연구
A Study on Cooling System for Efficiency Improvements of 3kW Outdoor Type Photovoltaic Inverter 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.9 no.5, 2014년, pp.617 - 624

김민석 (조선대학교 전기공학과) , 박의종 (조선대학교 전기공학과) , 김용재 (조선대학교 전기공학과) , 오보석 (이루산업 부설연구소)

초록
AI-Helper

최근 태양광 발전 산업에서 가격매입제도가 도입되면서 주목받고 있는 태양광 인버터는 대부분 개방형 통풍구조로 인해 기후변화에 유연하게 대응하지 못하고 설치환경에 따라 이상동작이 발생하여 효율 및 수명이 감소하는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하고자 외부환경에 영향을 받지 않도록 밀폐형 구조를 사용하고 계절별 온도에 따른 변화에 쉽게 대응하도록 새로운 냉각시스템을 부착한 친환경 태양광 인버터를 개발하고자 한다. 또한 냉각시스템의 소비전력을 최소화 하기위해 인버터 내부에 부착한 냉각시스템의 최적 구간을 도출하고 사용 냉각장치의 개수를 결정하여 인버터 효율을 향상시키고자한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, photovoltaic inverter is received attention in photovoltaic with introduction of feed-in tariff. However, this inverter has problems such as inability to respond flexible at climate change due to its opening, and decrease of efficiency and lifetime due to its abnormal operation. To solve the problem, we desire to develop the eco-inverter which has a temperature control to respond easily on the change of temperature, and use the sealed structure not to affect the environment. In addition, we derive the optimal position of cooling system which is placed inside of inverter to minimize the power consumption, and proposed the effective measure to improve the efficient of inverter by deciding the number of cooling system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 사용 환경에 따른 이상동작을 방지하고자 밀폐형 구조를 채택하고 태양광 인버터의 외함에 열전소자를 부착한 냉각시스템을 사용하여 온도조건에 구애받지 않는 친환경 태양광 인버터를 제안하고자한다. 또한 냉각시스템의 소비전력을 최소화 하기위해 태양광 인버터 내부에 부착한 새로운 냉각시스템의 최적 구간 도출 및 냉각장치의 사용 개수를 결정하여 인버터의 효율을 향상시키고자 한다.
따라서 본 논문에서는 사용 환경에 따른 이상동작을 방지하고자 밀폐형 구조를 채택하고 태양광 인버터의 외함에 열전소자를 부착한 냉각시스템을 사용하여 온도조건에 구애받지 않는 친환경 태양광 인버터를 제안하고자한다. 또한 냉각시스템의 소비전력을 최소화 하기위해 태양광 인버터 내부에 부착한 새로운 냉각시스템의 최적 구간 도출 및 냉각장치의 사용 개수를 결정하여 인버터의 효율을 향상시키고자 한다.
본 논문에서는 냉각 Fan에 열전소자를 부착한 냉각시스템을 이용하여 온도에 따른 효율감소를 개선할 수 있는 친환경 태양광 인버터를 제안하였다.
식 (3) 에서 열전소자에 걸리는 전압은 저항과 Seebeck효과에 의한 전압강하의 합으로 표시되고, 일정전압을 걸어 전력을 공급할 경우 접점온도차가 증가할수록 상대적으로 전류량이 감소하게 된다. 이러한 열전 이론을 바탕으로 태양광 인버터의 냉각장치에 열전소자를 접목하여 계절에 따른 온도 변화에 대응할 수 있도록 친환경 태양광 인버터를 열 유동 해석프로그램을 통해 모델링 하고자한다.
따라서 그림 3과 같이 기존의 옥외형 태양광 인버터에 외함을 구성하고 측면에 냉각시스템을 부착하고자 한다. 이를 통해 계절에 따른 온도 조건에 구애받지 않으면서 냉각시스템을 통해 항상 효율을 일정하게 유지하고자 한다. 온도제어장치가 부착된 외함의 제원은 표 1과 같다.

가설 설정

해석조건은 태양광 인버터의 효율이 가장 많이 감소하는 여름철이라 하고 냉각효과에 대한 적정 예상기준 온도는 평균 60°C로 가정하였다.
해석조건은 효율이 가장 많이 감소하는 여름철이라 가정하고 내부온도는 70°C, 열전소자 흡열부 온도는 20°C, Flow rate는 30cfm, Head pressure는 10N/m2로 하였다.

제안 방법

Double Side Fan(이하 DSF)의 해석을 위해 열전소자를 부착한 냉각 Fan의 위치는 Z축 방향으로 250mm-390mm까지 변수를 설정하였다. 나머지 해석 조건은 SSF와 동일하게 설정하여 해석을 수행하였다.
해석조건은 효율이 가장 많이 감소하는 여름철이라 가정하고 내부온도는 70°C, 열전소자 흡열부 온도는 20°C, Flow rate는 30cfm, Head pressure는 10N/m²로 하였다. 그림 4는 밀폐형 구조와 개방형 구조의 냉각효과를 비교한 그래프로총 100s 동안 온도의 변화를 과도해석을 통해 수행하였다. 개방형 구조와 밀폐형 구조는 60°C까지 비슷한 냉각효과를 가지지만 45°C 이하로 냉각될수록 밀폐형 구조가 개방형 구조에 비해 냉각효과가 뛰어남을 알 수 있었다.
이에 가장 큰 영향을 미치는 요소인 IGBT, Capacitors 등의 발열소자를 중심으로 주요 발열영역을 지정하고 온도 및 기구적 풍량 분포를 확인하였다. 또한 그림 5와 같이 Z축 방향으로 냉각시스템을 외함 측면에 부착하여 위치 및 개수를 조절할 수 있게 변수를 설정 하였고 분석이 필요한 발열 영역을 선정하여 태양광 인버터 외함의 온도 분포를 확인하였다.
그 결과 염분, 고습도, 수적, 빙설 등 사용 환경에 의한 이상동작 발생으로 수명이 감소하는 문제점을 해결할 수 있고 개방형 구조에 비해 냉각효과가 우수한 밀폐형 구조로 선정하였다. 또한 냉각장치의 소비전력을 최소화하기 위해 냉각 Fan의 사용 개수 및 적정 위치에 대한 해석을 수행하였다. 열 유동해석 프로그램을 사용하여 120s 동안 과도해석을 수행한 결과 SSF-350mm, SDF-330mm일 때 적정 예상기준온도인 60°C 이하의 냉각효과를 나타냈다.
새로운 냉각시스템을 부착한 태양광 인버터의 적용에 적합성을 판별하고자 앞서 제시한 SSF-350mm과 SDF-330mm의 냉각효과를 비교하였다. 그림 7과 같이 SSF-350mm는 주요 발열영역의 소자를 집중 냉각할 경우 충분한 냉각효과를 보이고 있고, SDF-330mm는 그림 8과 같이 발열영역 전체가 60°C 이하로 냉각되어 내함 전체의 냉각효과가 우수하다.
열전소자를 부착한 냉각 Fan의 위치는 냉각 Fan의 정중앙을 기준으로 하였을 때 Z축 방향으로 310mm-380mm까지 변수를 설정하여 해석을 수행하였다. 해석조건은 태양광 인버터의 효율이 가장 많이 감소하는 여름철이라 하고 냉각효과에 대한 적정 예상기준 온도는 평균 60°C로 가정하였다.
외함을 구성하기에 앞서 인버터 외함의 냉각방식에 따른 특성을 확인하고자 밀폐형, 개방형 둘로 나누어 비교분석하였다. 그 결과 염분, 고습도, 수적, 빙설 등 사용 환경에 의한 이상동작 발생으로 수명이 감소하는 문제점을 해결할 수 있고 개방형 구조에 비해 냉각효과가 우수한 밀폐형 구조로 선정하였다.
태양광 인버터는 계절별 온도 변화에 따라 강한 열의 작용으로 인해 효율이 급격하게 감소하게 된다. 이에 가장 큰 영향을 미치는 요소인 IGBT, Capacitors 등의 발열소자를 중심으로 주요 발열영역을 지정하고 온도 및 기구적 풍량 분포를 확인하였다. 또한 그림 5와 같이 Z축 방향으로 냉각시스템을 외함 측면에 부착하여 위치 및 개수를 조절할 수 있게 변수를 설정 하였고 분석이 필요한 발열 영역을 선정하여 태양광 인버터 외함의 온도 분포를 확인하였다.
태양광 인버터는 냉각방식에 따라 냉각효과가 다르므로 밀폐형, 개방형 구조로 나누어 냉각효과에 대한 열 해석을 수행하였다[7]. 해석조건은 효율이 가장 많이 감소하는 여름철이라 가정하고 내부온도는 70°C, 열전소자 흡열부 온도는 20°C, Flow rate는 30cfm, Head pressure는 10N/m²로 하였다.

대상 데이터

태양광 인버터의 열유동 성능을 파악하기 위해 Ansys Design-Modeler를 사용하여 3D 모델을 구성 하였다. 해석 영역은 외함과 주위공기와의 열전달을 고려하기 위해 외함을 포함하는 영역으로 선정하였고 경계조건은 표 2와 같이 설정하였다. 해석격자는 격자의 생성시간 및 품질을 높이고자 육면체 비정렬 격자(Hexa Unstructured Mesh)를 사용하여 Element수는 421,449, Node수는 433,508로 하여 해석을 수행하였다.
해석 영역은 외함과 주위공기와의 열전달을 고려하기 위해 외함을 포함하는 영역으로 선정하였고 경계조건은 표 2와 같이 설정하였다. 해석격자는 격자의 생성시간 및 품질을 높이고자 육면체 비정렬 격자(Hexa Unstructured Mesh)를 사용하여 Element수는 421,449, Node수는 433,508로 하여 해석을 수행하였다.

이론/모형

태양광 인버터의 열유동 성능을 파악하기 위해 Ansys Design-Modeler를 사용하여 3D 모델을 구성 하였다. 해석 영역은 외함과 주위공기와의 열전달을 고려하기 위해 외함을 포함하는 영역으로 선정하였고 경계조건은 표 2와 같이 설정하였다.

성능/효과

120s의 시간 동안 과도해석을 수행한 결과 적정 예상 기준온도인 60°C 이하로 냉각효과를 보인 모델은 SDF-330mm이었고 나머지 모델은 태양광 인버터의 내부에 설치되어 있는 소자들의 영향으로 인해 냉각에 대한 효율성이 감소함을 확인하였다.
개방형 구조와 밀폐형 구조는 60°C까지 비슷한 냉각효과를 가지지만 45°C 이하로 냉각될수록 밀폐형 구조가 개방형 구조에 비해 냉각효과가 뛰어남을 알 수 있었다.
외함을 구성하기에 앞서 인버터 외함의 냉각방식에 따른 특성을 확인하고자 밀폐형, 개방형 둘로 나누어 비교분석하였다. 그 결과 염분, 고습도, 수적, 빙설 등 사용 환경에 의한 이상동작 발생으로 수명이 감소하는 문제점을 해결할 수 있고 개방형 구조에 비해 냉각효과가 우수한 밀폐형 구조로 선정하였다. 또한 냉각장치의 소비전력을 최소화하기 위해 냉각 Fan의 사용 개수 및 적정 위치에 대한 해석을 수행하였다.
하지만 SDF330mm는 한 부분에 집중적으로 냉각되어 소자의 수명저하에 밀접한 영향을 미치고, 두 개의 냉각시스템을 사용해야 하므로 소비전력 및 제작비용이 상승하게 된다. 따라서 한 개의 냉각시스템만 사용하였을 때 효율 감소에 주원인인 주요 발열영역에 대한 소자의 집중적인 냉각효과가 충분함을 확인하였고 냉각 Fan의 정중앙을 기준으로 하였을 때 Z축 방향으로 350mm인 구간에서 냉각효과가 가장 우수함을 확인하였다.
열 유동해석 프로그램을 사용하여 120s 동안 과도해석을 수행한 결과 SSF-350mm, SDF-330mm일 때 적정 예상기준온도인 60°C 이하의 냉각효과를 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전소자는 어떻게 구성되는가?	일반적으로 열전소자는 그림 1과 같이 두 개의 세라믹 Plate와 그 사이의 P-type 및 N-type 소자로 이루어지며 반도체 소자들은 전기적으로는 직렬, 열적으로는 병렬의 특성을 나타낸다. N-type 소자에 (+)방향 직류전류가 흐르면 P-type 부분에서 N-type 부분으로 전자들이 이동하며 Cold side는 열을 흡수하면서 온도가 감소한다.
	태양광 인버터가 강한 열로 인해 수명과 효율이 급감하게 되는 이유는?	최근 태양광 발전 산업에서 가격매입제도가 도입되면서 크게 주목받고 있는 태양광 인버터는 그 자체로 효율이 높지만 고온에서는 민감하게 반응하며, 특히 태양광 발전 시스템은 태양이 강하게 내리쬐는 낮 시간과 여름철에 사용이 집중되기 때문에 태양광 인버터는 강한 열로 인해 수명 및 효율이 급감하게 된다[3-4]. 이러한 온도관리 시스템의 일환으로 개방형 통풍구를 사용한 태양광 인버터가 제작되고 있지만 이와 같은 개방 구조는 염분, 고습도, 수적, 빙설 등 외부환경에 따라 이상동작의 발생 확률이 증가하게 된다.
	본 연구에서 태양광 인버터의 냉각효과에 대한 열 해석 조건을 어떻게 설정하였는가?	태양광 인버터는 냉각방식에 따라 냉각효과가 다르므로 밀폐형, 개방형 구조로 나누어 냉각효과에 대한 열 해석을 수행하였다[7]. 해석조건은 효율이 가장 많이 감소하는 여름철이라 가정하고 내부온도는 70°C, 열전소자 흡열부 온도는 20°C, Flow rate는 30cfm, Head pressure는 10N/m2로 하였다. 그림 4는 밀폐형 구조와 개방형 구조의 냉각효과를 비교한 그래프로총 100s 동안 온도의 변화를 과도해석을 통해 수행하였다.

참고문헌 (7)

Y. Ko, "The consideration trend of photovoltaic system and its application to the smart grid," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 1, 2011, pp. 305-308.
J. Ko, E. Jeon, B. Cho, and S. Hong, "Photovoltatic system for the efficient management and performance analysis of MCU implementation," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 1, 2011, pp. 409-411.
C.-S. Kown, "Maximum efficiency point tracking algorithm for improving efficiency of photovoltaic power generating system," Master's Thesis, Hanbat University, 2012.
J.-H. Kim, B.-G. Yu, J.-H. So, K.-O. Lee, and G.-J. Yu, "A study of korean efficiency of PV PCS," J. of the Korea Solar Energy Society, vol. 29, no. 2, 2009, pp. 356-360.
Y.-J. Kim, Y.-C. Bae, and K.-H. Kim, "The design of protection circuit of invert of driver for motor control," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 1, 2013, pp. 172-174.
S. Kim, C. Hong, J. Park, S. Lee, and S. Ryoo, "The optimal design of heat sink for 4kW photovoltaic inverter by using thermal and fluid simulation," J. of Korea Society for Computational Fluids Engineering, vol. 2013, no. 5, 2013, pp. 248-254.
C. Mock, S. Ryoo, S. Kim, S. Ann, J. Jun, C. Hong, S. Na, and K. Kim, "A comparative evaluation between computaional and experimental heat fluid dynamics for 1.5 MVA high voltage inverter system," J. of Korea Society for Computational Fluids Engineering, vol. 2012, no. 5, 2012, pp. 87-92.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증