[논문]고집광 태양광 모듈용 냉각 장치의 열성능에 대한 수치 해석적 연구

도규형; 김태훈; 한용식

doi:10.7836/kses.2015.35.1.001

고집광 태양광 모듈용 냉각 장치의 열성능에 대한 수치 해석적 연구
Numerical Investigation on the Thermal Performance of a Cooling Device for a CPV Module 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.35 no.1, 2015년, pp.1 - 8

도규형 (한국기계연구원) , 김태훈 (한국기계연구원) , 한용식 (한국기계연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, the effects of the heat spreader thickness and the heat sink size on the thermal performance of a cooling device for a concentrating photovoltaic (CPV) module were numerically investigated. Numerical simulation was conducted by using the simulation tool ICEPAK, commercial software based on the finite volume method. Numerical results were validated by comparing the existing experimental data. The thermal performance of a cooling device, which consisted of a heat spreader and a natural convective heat sink, was evaluated with varying the heat spreader thickness and the heat sink size. The geometric configuration of the natural convective heat sink, such as the fin height, the fin spacing, and the fin thickness, was optimized by using the existing correlation. The numerical results showed that the thermal performance of the cooling device increased as the heat spreader thickness or the heat sink size increased. Also, it was found that the spreading thermal resistance plays an important role in the thermal performance of the cooling device which has the localized heat source.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 자연대류 히트싱크 (Natural convective heat sink)와 열분산기 (Heat spreader)로 구성된 CPV 모듈용 냉각 장치의 열분산기 두께 및 히트싱크 크기가 열성능에 미치는 영향을 수치 해석적으로 조사하고자 한다. 또한, 냉각장치의 열성능을 만족하는 동시에 무게를 최소화하기 위한 최적화된 열분산기 두께 및 히트싱크 크기의 조합을 결정하고자 한다.
따라서, 본 연구에서는 자연대류 히트싱크 (Natural convective heat sink)와 열분산기 (Heat spreader)로 구성된 CPV 모듈용 냉각 장치의 열분산기 두께 및 히트싱크 크기가 열성능에 미치는 영향을 수치 해석적으로 조사하고자 한다. 또한, 냉각장치의 열성능을 만족하는 동시에 무게를 최소화하기 위한 최적화된 열분산기 두께 및 히트싱크 크기의 조합을 결정하고자 한다.
본 연구에서는 열분산기의 두께 변화가 CPV 모듈용 냉각장치의 열성능에 미치는 영향을 조사하고자 하였다.
본 연구에서는 자연대류 히트싱크와 열분산기로 구성된 CPV 모듈용 냉각장치의 열분산기 두께 및 히트싱크 크기가 열성능에 미치는 영향을 수치 해석적 방법을 이용하여 수행하였다. 수치 해석은 상용 코드인 ICEPAK을 이용하였으며, 격자수 변화에 따른 해석결과의 정확도를 확인하기 위하여 Grid test를 수행하였다.
본 연구에서는 자연대류 히트싱크와 열분산기로 구성된 CPV 모듈용 냉각장치의 열분산기 두께 및 히트싱크 크기가 열성능에 미치는 영향을 조사하기 위하여 수치 해석적 방법을 적용하였다. 해석은 상용 코드인 ICEPAK(ANSYS Inc.
본 연구에서는 히트싱크의 크기 변화가 CPV 모듈용 냉각장치의 열성능에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. Fig.

가설 설정

3은 본 연구에서 수행한 수치 해석의 계산영역 및 경계조건을 나타내고 있다. 상부면 및 하부면의 경계조건의 경우, 운동 방정식에 대해서는 대기압 조건을, 에너지 방정식에 대해서는 대기온도 조건을 각각 사용하였으며 대기온도 T_amb는 20℃로 가정하였다. 측면의 경계조건의 경우, 운동방정식에 대해서는 No slip 조건을, 에너지방정식에 대해서는 단열조건을 각각 사용하였다.
본 연구에서는 자연대류 히트싱크와 열분산기로 구성된 CPV 모듈용 냉각장치의 열분산기 두께 및 히트싱크 크기가 열성능에 미치는 영향을 조사하기 위하여 수치 해석적 방법을 적용하였다. 해석은 상용 코드인 ICEPAK(ANSYS Inc.)을 이용하여 수행하였으며 다음의 가정을 사용하였다.

제안 방법

수치 해석은 상용 코드인 ICEPAK을 이용하였으며, 격자수 변화에 따른 해석결과의 정확도를 확인하기 위하여 Grid test를 수행하였다. 또한, 기존 실험결과와의 비교를 통하여 수치 해석 결과의 타당성을 검증하였다. 발열량과 대기온도를 17W, 20 ℃로 각각 고정 하고 열분산기 두께를 2mm - 10mm, 히트싱크 크기를 38×38 mm² - 224×224mm²으로 각각 변화시키면서 냉각장치의 열성능을 평가하였다.
발열량과 대기온도를 17W, 20 ℃로 각각 고정 하고 열분산기 두께를 2mm - 10mm, 히트싱크 크기를 38×38 mm2 - 224×224mm2으로 각각 변화시키면서 냉각장치의 열성능을 평가하였다.
열분산기 두께 및 히트싱크 크기가 CPV 모듈용 냉각장치의 열성능에 미치는 영향을 조사하기에 앞서, 자연대류 히트싱크의 내부 형상을 결정하여야 한다. 본 연구에서는 기존에 개발된 상관식을 이용하여 최적화된 내부 형상을 결정하였다. 자연대류 히트싱크의 방열량은 식(2)로부터 계산할 수 있다.
본 연구에서는 자연대류 히트싱크 내부 형상을 결정하기 위하여, 발열량과 대기온도가 각각 Qin=17W, Tamb=20oC인 경우에 대하여 휜 두께 및 높이를 각각 1mm, 25mm로 고정한 상태에서 열저항 Rth가 최소가 되는 휜 간격 s를 식(2) - 식(4)를 이용하여 계산하였다. Table 2는 히트싱크 베이스 단면적 변화에 따른 최적화된 휜 간격을 나타내고 있으며, 결과로부터 AHS 가 증가함에 따라 열저항이 최소화되는 휜 간격이 증가함을 알 수 있다.
수치 해석은 냉각장치가 수직으로 설치된 경우를 기준으로 발열량과 대기온도를 Q_in= 17W, T_amb=20℃로 고정한 후, 2.3절에서 결정된 내부 형상을 가지는 자연대류 히트싱크의 베이스 단면적 A_HS와 열분산기의 두께 t를 변화시키면서 수행하였다. 수치 해석에 사용된 냉각장치의 형상은 Table 3과 같다.
27%의 차이를 보였다. 위의 결과로부터 자연대류 히트싱크의 내부 형상을 H=25mm, tfin= 1mm, s=8.25mm로 결정하였다.

대상 데이터

또한, 격자수 변화에 따른 수치 해석 결과의 정확도를 확인하기 위하여, Grid test를 수행하였다. Grid test를 위해, Table 3에 나타난 냉각장치 형상중 Case 20의 형상을 사용하였으며, 격자수를 636,328에 1,960,796로 변화시키며 수치 해석을 수행하였다. Table 4는 Grid test 결과를 나타내고 있다.
Metal PCB의 크기는 34mm×52mm×1.1 mm이며 알루미늄 합금(k=167W/mK)이 주 재료이다.
본 연구에서 개발하고자 하는 CPV 모듈은 Fig. 1과 같이 PV Cell, Metal PCB, 냉각 장치, 집광 장치 (Primary/Secondary lens)로 구성된다. PV Cell의 발열량을 계산하기 위해서는 직달일조강도, 집광장치의 광효율, PV Cell의 변환효율 및 AR (Anti-reflective) coating layer의 반사율 등을 고려하여야 하며, 식(1)로부터 계산된다.
본 연구에서 설계된 Primary lens 면적은 224×224mm2이고 Primary/Secondary lens의 광효율은 각각 75%, 80%이다.
본 연구에서 해석하고자 하는 CPV 모듈용 냉각장치는 Metal PCB, 열분산기, 그리고 자연대류 히트싱크로 구성된다(Fig. 2 참조). Metal PCB의 크기는 34mm×52mm×1.

데이터처리

수치 해석에 사용된 냉각장치의 형상은 Table 3과 같다. 또한, 격자수 변화에 따른 수치 해석 결과의 정확도를 확인하기 위하여, Grid test를 수행하였다. Grid test를 위해, Table 3에 나타난 냉각장치 형상중 Case 20의 형상을 사용하였으며, 격자수를 636,328에 1,960,796로 변화시키며 수치 해석을 수행하였다.
본 연구에서 수행한 수치 해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여, 기존 실험결과⁴⁾와의 비교를 수행하였다.
본 연구에서는 자연대류 히트싱크와 열분산기로 구성된 CPV 모듈용 냉각장치의 열분산기 두께 및 히트싱크 크기가 열성능에 미치는 영향을 수치 해석적 방법을 이용하여 수행하였다. 수치 해석은 상용 코드인 ICEPAK을 이용하였으며, 격자수 변화에 따른 해석결과의 정확도를 확인하기 위하여 Grid test를 수행하였다. 또한, 기존 실험결과와의 비교를 통하여 수치 해석 결과의 타당성을 검증하였다.

이론/모형

식2)의 Nu_base는 Bar-Cohen et al.⁵⁾이 제시한 수직방향에 대한 식을 사용하였고, Nu_fin 은 Kim et al.⁶⁾ 이 개발한 상관식을 적용하였으며 각각 식(3), 식(4)와 같다.
발열량과 대기온도를 17W, 20 ℃로 각각 고정 하고 열분산기 두께를 2mm - 10mm, 히트싱크 크기를 38×38 mm² - 224×224mm²으로 각각 변화시키면서 냉각장치의 열성능을 평가하였다. 히트싱크의 내부형상은 기존 연구자들에 의해 개발된 상관식을 이용하여 최적화하였다. 해석결과로부터 히트싱크의 크기를 증가시키는 것이 최대 온도차 감소 측면에서는 이점을 가지지만, 온도 균일도를 향상 측면에서 항상 유리하지 않다는 것을 확인하였으며, CPV 모듈과 같이 국부적인 발열부가 존재하는 경우, 분산 열저항이 냉각장치의 열성능에 큰 영향을 미침을 확인하였다.

성능/효과

4는 히트싱크를 부착하지 않은 상태에서 3mm 두께의 열분산기를 적용할 경우, 열입력량 변화에 따른 대기온도 기준 최대 온도차와 열분산기 후면의 최대 온도차를 비교한 그래프를 나타내고 있다. Fig. 4의 결과로부터 기존의 실험결과와 수치 해석 결과가 최대 오차 7.5% 이내로 잘 일치함을 알 수 있다. 이 결과로부터, 본 연구에서 구한 수치 해석 결과가 타당함을 보였다.
히트싱크를 부착하지 않을 경우 발열부에서 발생하는 국부 열유속이 열분산기에서 충분히 분산되지 못하여 S값이 크게 나타나지만, 히트싱크를 부착할 경우 부착된 부분의 유효 열전달 계수가 증가하여 S값이 감소하게 된다. 따라서 히트 싱크의 크기를 지속적으로 증가시키는 것이 최대온도차 감소 측면에서는 이점을 가지지만, 온도 균일도를 향상 측면에서 항상 유리하지 않음을 알 수 있다.
일반적으로, 분산 열저항 (Spreading thermal resistance)은 열분산기의 열전도도가 증가할수록 두께가 증가할수록 감소한다⁷⁾. 따라서, 발열부 주변에 국부적으로 열전달계수를 증가시키면, PV셀의 최대온도 저감 효과와 온도균일도 향상 효과를 동시에 얻을 수 있을 것으로 예상할 수 있다.
⁴⁾는 열분산기의 두께가 감소할수록 PV Cell의 최대온도가 증가하며 온도균일도가 저하됨을 실험적으로 보였다. 따라서, 발열부 주변의 열전달계수를 국부적으로 증가시키면, PV 셀의 최대온도를 저감하는 동시에 온도 균일도를 향상시킬 것으로 예상할 수 있다. 자연대류 히트싱크의 경우, 히트싱크 베이스 및 휜 두께 그리고 휜 높이를 각각 10mm, 1mm, 25mm로 고정한 후 히트싱크 베이스 단면적 A_HS 를 변화시켰다.
Table 2는 히트싱크 베이스 단면적 변화에 따른 최적화된 휜 간격을 나타내고 있으며, 결과로부터 AHS 가 증가함에 따라 열저항이 최소화되는 휜 간격이 증가함을 알 수 있다. 또한 휜 간격이 최적값 (s=sopt)일 경우와 s=8.25mm 일 경우에 대해 열저항을 비교한 결과, AHS 변화에 따라 최대 3.27%의 차이를 보였다. 위의 결과로부터 자연대류 히트싱크의 내부 형상을 H=25mm, tfin= 1mm, s=8.
02℃ 이내임을 확인하였다. 또한, 격자수가 1,089,540 이상이면 계산영역으로 유입되는 공기유량의 변화량뿐만 아니라 유입/유출되는 공기유량 차이가 동일함을 확인하였다. 이를 바탕으로, 격자수를 1,089,540으로 결정하여 수치 해석을 수행하였다.
본 연구에서 설계된 Primary lens 면적은 224×224mm²이고 Primary/Secondary lens의 광효율은 각각 75%, 80%이다. 본 연구에서 고려한 PV Cell은 Spectrolab의 CDO-100 모델이며²⁾ , 집광비 500배에서 작동온도가 25℃ 조건에서는 PV Cell의 변환효율이 36.7%이지만 작동온도가 90℃ 조건에서는 32.5%로 크게 감소하게 된다. 냉각시스템 설계사양인 대기온도 대비 온도차 40℃에서의 PV Cell 변환효율은 약 35%이다.
자연대류 문제를 수치적 방법으로 해석할 때, 계산영역의 크기 선정이 해석결과의 정확도에 크게 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 냉각장치의 폭, 높이, 그리고 길이방향에 따른 계산영역의 크기를 증가시키면서 수치 해석을 수행하였으며, 계산영역의 크기가 폭, 높이, 길이방향으로 각각 5L, 9L, 5L 이상이면 해석 결과에 차이가 없음을 확인하였다. 따라서, x, y, z 방향에 따른 계산 영역의 크기는 각각 5L, 9L, 5L로 결정하였다.
5는 히트싱크를 부착하지 않은 상태에서 열분산기의 두께 변화에 따른 열분산기 후면의 온도 분포를 나타내고 있다. 수치 해석 결과로부터 열분산기의 두께가 감소할수록 PV 셀의 최대온도가 증가하며, 온도균일도 역시 저하됨을 알 수 있다. 이는 발열부에서 발생하는 국부 열유속이 열분산기에서 충분히 분산되지 못하여 열분산기 후면의 열전달면적을 효율적으로 사용 못하기 때문이다.
수치해석 결과로부터, 설계사양인 대기온도 대비 최대 온도차조건 (ΔTcell≤40oC, Rth≤2.35K/W)과 온도균일도 조건을 만족하면서 무게를 최소화하기 위한 최적화된 열분산기 두께 및 히트싱크 크기의 조합은 각각 2.1mm와 75×75mm2임을 확인하였다.
5% 이내로 잘 일치함을 알 수 있다. 이 결과로부터, 본 연구에서 구한 수치 해석 결과가 타당함을 보였다.
7은 A_HS 및 t 변화에 따른 대기온도 기준 최대 온도차와 열분산기 후면의 평균온도차에 대한 그래프를 보여주고 있다. 해석결과로부터 열분산기의 두께가 증가할수록, 히트싱크의 크기가 증가할수록 최대온도차는 감소함을 알 수 있다. 열분산기의 두께가 2mm일 경우, 히트싱크 크기가 112×112mm²인 구간까지 증가시키면 최대온도차 값이 급격히 감소하다가 히트싱크 크기를 더 증가시키면 서서히 감소한다.
히트싱크의 내부형상은 기존 연구자들에 의해 개발된 상관식을 이용하여 최적화하였다. 해석결과로부터 히트싱크의 크기를 증가시키는 것이 최대 온도차 감소 측면에서는 이점을 가지지만, 온도 균일도를 향상 측면에서 항상 유리하지 않다는 것을 확인하였으며, CPV 모듈과 같이 국부적인 발열부가 존재하는 경우, 분산 열저항이 냉각장치의 열성능에 큰 영향을 미침을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 에너지를 효율적으로 사용하기 위해서 고집광 태양광 발전에 필수적으로 필요한 기술은?	그러나 흡수된 태양광 에너지 중 전기에너지로 변환되지 못한 나머지는 열에너지로 방출되며, 이 열에너지를 효과적으로 방열하지 못할 경우 PV Cell의 작동온도를 상승시켜 발전효율 및 시스템 수명을 감소시키게 된다. 따라서 고집광 태양광 발전 시스템의 효율을 향상키고 장기적인 신뢰성 저하를 최소화하기 위해서는 냉각 기술이 필수적이라 할 수 있다. 또한 고집광 태양광 발전 시스템의 경우, 직달일사를 받기 위해 태양을 정밀하게 추적하기 위한 트랙킹 시스템이 반드시 필요하며, 시스템 통합 효율 향상을 위해 PV Cell, 1차/2차 집광장치, 냉각 장치 등으로 구성되는 CPV 모듈의 무게를 줄여 트랙킹 시스템 구동 동력의 최소화가 요구되고 있는 실정이다.
	고집광 태양광 발전에서 열에너지 관리가 중요한 이유는 무엇인가?	특히, III-V족 화합물 반도체 PV Cell을 사용하는 고집광 태양광 발전 (Concentrating Photovoltaic, CPV) 모듈의 경우, 흡수된 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 변환효율 (Conversion efficiency)이 35%-39% 로 높아 최근 각광을 받고 있다1). 그러나 흡수된 태양광 에너지 중 전기에너지로 변환되지 못한 나머지는 열에너지로 방출되며, 이 열에너지를 효과적으로 방열하지 못할 경우 PV Cell의 작동온도를 상승시켜 발전효율 및 시스템 수명을 감소시키게 된다. 따라서 고집광 태양광 발전 시스템의 효율을 향상키고 장기적인 신뢰성 저하를 최소화하기 위해서는 냉각 기술이 필수적이라 할 수 있다.
	III-V족 화합물 반도체 PV Cell을 사용하는 고집광 태양광 발전이 최근 각광 받는 이유는 무엇인가?	많은 연구자들이 태양광 발전 시스템의 효율 및 신뢰성 향상을 위해 지속적인 연구를 수행하여왔다. 특히, III-V족 화합물 반도체 PV Cell을 사용하는 고집광 태양광 발전 (Concentrating Photovoltaic, CPV) 모듈의 경우, 흡수된 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 변환효율 (Conversion efficiency)이 35%-39% 로 높아 최근 각광을 받고 있다1). 그러나 흡수된 태양광 에너지 중 전기에너지로 변환되지 못한 나머지는 열에너지로 방출되며, 이 열에너지를 효과적으로 방열하지 못할 경우 PV Cell의 작동온도를 상승시켜 발전효율 및 시스템 수명을 감소시키게 된다.

참고문헌 (7)

Zubi, G., Bernal-Agustin, J. L., Fracastoro, G. V. High concentration photovoltaic systems applying III-V cells, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 13, 2009, pp. 2645-2652.

상세보기
www.spectrolab.com/DataSheets/TerCel/C1MJ_CDO-100.pdf
Kumar, B., Baskara Pandian, T., Sreekiran, E., Narayanan, S., Benefit of Dual Layer Silicon Nitride Anti-reflection Coating, Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Orlando, 2005, pp. 1205-1208.
Do, K. H., Han, Y. H., Choi, B. I., Kim, M. B., Experimental Investigation on the Thermal Performance of a Heat Spreader Module for the CPV Cooling, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 31., No. 4. 2011, pp. 95-102.

원문보기 상세보기
Bar-Cohen, A., Iyengar, M., Kraus, A. D., Design of optimum plate-fin natural convective heat sinks, J. Electron. Packag., Vol. 125, No. 2, 2003, pp. 208-216.

상세보기
Kim, T. H., Kim, D. K., Do, K. H., Correlation for the fin Nusselt number of natural convective heat sinks with vertically oriented plate-fins, Heat Mass Transfer, Vol. 49, No. 3, 2013, pp. 413-425.

상세보기
Vermeersch, B., De May, G., Dependency of thermal spreading resistance on convective heat transfer coefficient, Microelectronics Reliability, Vol. 48, 2008, pp. 734-738.

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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].

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