[논문]태양광 패널 적용 방열용 탄소소재의 제조 및 열전달 수치해석

박헌수; 강철희; 김홍건

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.12.082

[국내논문] 태양광 패널 적용 방열용 탄소소재의 제조 및 열전달 수치해석
Numerical Analysis of Heat Transfer and Fabrication of Carbon Material for Heat Dissipation in Solar Panel 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.12, 2019년, pp.82 - 90

박헌수 (전주대학교 탄소융합공학과) , 강철희 (전주대학교 기계공학과) , 김홍건 (전주대학교 기계자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This analysis demonstrates the effective removal of heat generated from a solar panel's output degradation factor solar cells (the solar panel's output deterioration factor), and solves the problems of oxidation and corrosion in existing metal heat sinks. The heat-dissipating test specimen was prepared using carbon materials; then, its thermal conductivity and its effectiveness in reducing temperatures were studied using heat transfer numerical analysis. As a result, the test specimen of the 30g/㎡ basis weight containing 80% of carbon fiber impregnated with carbon ink showed the highest thermal conductivity 6.96 W/(m K). This is because the surface that directly contacted the solar panel had almost no pores, and the conduction of heat to the panels appeared to be active. In addition, a large surface area was exposed to the atmosphere, which is considered advantageous in heat dissipation. Finally, numerical analysis confirmed the temperature reduction effectiveness of 2.18℃ in a solar panel and 1.08℃ in a solar cell, depending on the application of heat dissipating materials.

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AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 논문에서는 기존의 방법을 대체하여 태양광 패널의 출력 저하 요인을 해결하고자 태양전지에서 발생되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록 그라파이트, 산화그래핀, 탄소부직포, 탄소잉크와 같은 반응성이 낮고 마모, 긁힘, 구부러짐 등에 강한 탄소소재를 이용하여 다양한 형태의 복합재를 제조하고 이에 대한 열전도율을 분석하고자 한다.
또한, 태양광 패널의 설계 및 측정된 열전도율 값을 적용하여 ANSYS 프로그램을 이용한 열전달 수치해석을 진행함으로써 적용하고자 하는 방열 소재의 두께에 따라 태양광 셀에 발생되는 온도를 분석하여 방열소재로서 효율 향상에 대한 역할을 예측하고자 한다.
본 논문은 태양광 패널의 출력저하 요인인 태양 전지에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하고 기존의 금속 히트싱크의 산화부식의 문제점을 대체하고자 탄소소재를 이용하여 방열소재를 제조하고 이에 대한 열전도도 분석과 소재 적용 시 발생되는 온도저감 효과를 연전달 수치해석으로 분석하였다.

제안 방법

산화그래핀(Graphene Oxide)은 통상적인 Modified Hummer’s Method[9]를 참고하여 합성하였으며 10g의 K2S2O8와 10g의 P2O5를 50ml의 황산용액에 첨가하고 90℃에서 24시간동안 교반하여 완전 용해시켰다.
산화그래핀은 원심분리기를 이용해 수집되었고 염산과 이차증류수를 이용하여 수차례 세척하였으며 산화그래핀 파우더는 3일 동안 동결 건조하였다. 또한, 산화그래핀과 그라파이트를 6:4의 질량비로 하여 사슬구조를 유지하기 위하여 Vitamin C를 첨가하고 음파분쇄기로 1시간동안 처리하여 균질한 분산액을 얻었다.
최종적으로 분산액을 90℃에서 2시간동안 교반함으로써 Paste를 얻고 이를 태양광 패널의 가장 하단에 위치하는 TBS(Tedlar Back Sheet) 위에 Drop-Wise 방식으로 첨가하여 오븐에서 50℃ 24시간 동안 건조한 뒤 50mm✕50mm 사이즈로 샘플링하여 1종의 시험편을 제조하였다^[9-11] .
탄소 부직포에 사용된 소재는 길이 6mm의 직경 8um의 분산용 사이징 처리가 된 Carbon Fiber와 길이 4mm 직경 10um의 유기소재인 PE(Polyethylene)이고 두 소재의 바인딩 역할을 수행하는 점증제는 Xanthangum을 사용하였다. 이는 습식방법으로 제조하였으며 탄소섬유와 PE섬유를 각각 증류수에 1차 분산을 하고 Xanthangum은 교반기를 사용하여 50℃의 온도조건에서 600rpm의 속도로 5시간 동안 완전 분산을 시켰다.
또한, 분산된 탄소섬유, PE, Xantahngaum을 혼합한 형태에서 2차 분산을 진행하였으며 습식 초지기 장치 내부에 이를 유입시켜 0.8bar의 진공압을 유지시킨 상태에서 70Mesh의 조밀 원형망에 진공압을 해제시켜 걸러지도록 하고 이를 24시간동안 대기조건에서 건조시킨 뒤 프레스를 이용하여 10분 간 60MPa의 압력조건으로 압착시켜 50mm✕50mm 사이즈로 샘플링 하였다.
앞서 제조한 산화그래핀과 그라파이트로 제조된 솔루션과 카본잉크를 혼합하여 교반 작업을 진행하여 Paste 형태로 제조하였으며 이를 TBS위에 Drop-Wise 방식으로 첨가하여 오븐에서 50℃ 24시간 조건으로 건조를 하고 1종의 시험편을 제조하였다^[12-14] .
또한, 카본잉크를 탄소섬유 함유 80%와 평량 30g/m²으로 제조된 탄소부직포에 Bar Coating 방법으로 한쪽 면을 함침 시킨 뒤 오븐에서 40℃, 24시간의 조건으로 건조하여 탄소복합재를 제조하였다.
SEM(Scanning Electron Microscope) 측정의 경우 대한민국 COXEM Co., Ltd의 CS-200TA 모델로 분석을 진행하여 형태 배열에 대한 분석 및 시험편의 제조성을 확인하였으며 최대 5000배까지 측정하였으며 함침된 단면과 시험편의 절단면에 대하여 분석하였다.
열전도도 시험 측정을 통해 가장 높은 값을 나타 낸 탄소잉크가 함침된 탄소부직포의 열전도율 값(6.83W/m • K)을 방열용 탄소복합재로 적용하여 태양광 패널의 열전달 수치해석을 진행하고자 3D 설계 프로그램인 CATIA를 이용하여 모델링하였다.
태양광 패널의 내부 소재의 각각의 온도 특성을 파악하고자 Layer를 구분하였으며 EVA Film, 태양광 셀, TBS의 경우 실제 제품의 열전도도 측정값을 적용하였으며 자동 격자 메쉬 조건으로 설정하였다.
이를 통해 각 탄소잉크가 함유된 탄소부직포의 적용의 유무 및 두께 변화에 따른 모델들의 패널 전체의 평균 열 유속과 태양광 셀에서 발생하는 열 유속량에 대하여 분석하였으며 각 모델의 Layer에서 측정되는 온도 및 태양광 셀의 온도 변화 분석을 진행하였다.

대상 데이터

탄소 부직포에 사용된 소재는 길이 6mm의 직경 8um의 분산용 사이징 처리가 된 Carbon Fiber와 길이 4mm 직경 10um의 유기소재인 PE(Polyethylene)이고 두 소재의 바인딩 역할을 수행하는 점증제는 Xanthangum을 사용하였다. 이는 습식방법으로 제조하였으며 탄소섬유와 PE섬유를 각각 증류수에 1차 분산을 하고 Xanthangum은 교반기를 사용하여 50℃의 온도조건에서 600rpm의 속도로 5시간 동안 완전 분산을 시켰다.
이때의 시험편은 Carbon Fiber와 PE가 5:5비율로 평량 30g/m², 60g/m², 90g/m²의 시험편과 8:2 비율의 평량 30g/m² 시험편 총 4종을 제조하였다.
, Ltd.의 TPS-2500S 모델로 측정하였으며 ISO22007 규격에 의거하여 진행하였고 측정방식의 경우 Thin Film형태를 고려하여 Slab Type으로 진행하였으며 사용된 센서는 7577, 5465이다.

성능/효과

Probing Depth는 15mm, 측정시간은 샘플에 따라 10~20sec를 적용하였으며 Temperature Increase값과 Temperature Difference값이 안정적으로 나타나 결과의 신뢰성이 우수하다고 판단하였다.
또한, 탄소부직포 중 열전도율이 가장 높게 나타난 탄소섬유 함량 80%의 평량 30g/m2의 시험편의 경우 탄소잉크를 함침시킨 뒤 6.83W/m • K로 기존보다 4.26W/m • K가량 높게 나타났다.
열전도도가 가장 높게 나타난 탄소잉크 적용 탄소 부직포 샘플에 대하여 SEM을 통해 표면을 관찰하였으며 함침면의 경우 TBS와 직접적으로 닿는 면으로서 기공이 적으며 Cross-Sectional 이미지를 통해 약 100um 깊이까지 함침이 되어있는 것을 확인하였다.
해석 결과, 태양광 패널의 전체 평균 열 유속의 경우 방열용 탄소복합재가 없는 경우 115.87W/m²에서 두께 1mm 적용 시 최대 578.74W/m²로 두께 변화에 따라 점차적으로 증가하였으며 이 중 태양광 셀의 경우 함침된 탄소부직포가 없을 경우는 1642W/m²로 두께 0.1mm을 적용하여도 3488W/m²로 크게 증가하여 두께 1.0mm에서 최대 6718W/m²의 결과값을 나타냈다.
이는 방열용 탄소복합재의 유무와 두께 변화에 따라 방열효과가 발생함으로써 태양광 패널의 전체 열 유속에 대한 영향을 끼치며 특히, 태양광 셀의 높은 열전도도에 의하여 가장 크게 열 유속의 변화가 발생함을 알 수 있었다.
1. 탄소소재를 이용한 방열 소재 제조의 경우 산화그래핀과 그라파이트, 탄소부직포의 평량과 탄소의 함유량에 따른 시험편 및 탄소 잉크를 적용하여 제조하였으며 최종적으로 탄소잉크가 함침 된 탄소섬유 함유80%, 평량 30g/m2 탄소부직포 시험편이 열전도도 6.96W/m•K로 가장 높은 값을 나타냈다.
태양광 패널의 각각의 Layer의 온도 변화에 대한 해석 결과, 방열용 탄소복합재의 유무에 따라 Layer 1에서 Layer 4로 갈수록 점차적으로 온도하락 폭이 증가하였으나 두께에 따른 변화는 0.2℃ 이내의 근소 한 차이를 보였으며 패널 내에서 방열용 탄소복합재 가 없는 경우와 두께 1mm를 적용할 경우 TBS(Layer 4) 소재가 최대 2.18℃의 온도 차이를 나타냈다.
또한, 실제 태양광의 출력에 영향을 끼치는 태양광 셀 부분에 대한 온도의 해석 결과, 태양광 패널의 전체 온도와 유사하게 방열용 탄소복합재의 두께 변화에 따른 경향은 크지 않았으며 방열용 탄소복 합재가 없을 시 79.40℃, 두께 1mm 적용 시 78.32℃ 로 1.08℃의 온도 차이를 보여 약 0.486% 가량의 태양광의 효율 증가를 보일 것으로 판단된다.
2. SEM분석 결과, 함침면의 경우 TBS와 직접적으로 닿는 면으로서 기공이 거의 발생하지 않아 TBS의 소재에 발생되는 열에 대한 전도가 해당 소재로 활발하게 이루어지는 것으로 판단되며 Cross-Sectional 이미지를 통해 약 100um의 깊이까지 함침이 되어 있는 것을 확인하였는데 이는 나머지 함침이 되지 않은 면이 대기중에 노출되어지는 표면적이 상대적으로 넓어 열 방출에 있어서는 유리한 것으로 판단된다.
3. 최종 선정된 방열 소재를 태양광 패널의 설계에 물성값을 적용하여 열전달 수치해석을 진행하였으며 방열소재의 두께에 따라서는 큰 온도 차이를 보이지는 않았으나 소재의 적용 유무에 따라 Solar Cell에서 최대 1.08℃의 차이값을 보였으며 이는 약 0.486%의 효율 증가를 나타낸다. 또한, 태양광 패널의 TBS에서는 최대 2.
486%의 효율 증가를 나타낸다. 또한, 태양광 패널의 TBS에서는 최대 2.18℃의 온도차이를 보여 전반적으로 태양광 셀을 비롯한 태양광 패널 전체에 온도 저감 효과를 볼 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 태양광 발전 과정에 있어 출력저하 현상이 발생되는 과정은 어떻습니까?	일반적으로 태양광 발전 과정에서 빛 에너지의 일부는 열에너지로 바뀌어 태양전지의 패널의 온도를 증가시키게 되며 패널의 셀 온도가 1℃가 증가할수록 0.45%의 출력저하 현상이 발생하게 된다.
	전도(Conduction)란 무엇입니까?	전도는 상대적으로 에너지를 많이 가진 입자에서 에너지를 적게 가진 인접한 입자로 입자간의 상호 작용에 의해 에너지가 전달되는 현상이며 이는 고체, 액체, 기체에서 모두 발생하게 되고 액체와 기체에서는 불규칙적으로 운동하는 분자들의 충돌 (Collision)과 확산(Diffusion)에 의해 발생하게 된다.

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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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