온도에 따른 집광형 태양전지의 성능에 관한 실험적 연구
신재혁*,이승신*,김상민*부준홍**
*한국항공대학교 대학원,
**한국항공대학교 공과대학 항공우주 및 기계공학부,교신저자(jhboo@kau.ac.kr)
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Shin,JaeHyuk*,Yi,SeungShin*,Kim,SangMin*,Boo,JoonHong**
*GraduateSchoolofKoreaAerospaceUniversity,
**Dept.ofAerospaceandMechanicalEngineering,KoreaAerospaceUniversity,jhboo@kau.ac.kr (correspondingauthor)
Abstract
An experimentalstudy was conducted to investigate the performance ofa concentrating photovoltaic cell (CPV)againsttemperature.Itisknow thatahighefficiency ofaCPV can beachievedonly withpropercell temperature as wellas high concentration ratio (CR).This study is concerned with appropriate cooling condition foraliquid-convection coolerforthebestperformanceofaspecificCPV.A seriesofexperiments was conducted in a range of cell temperatures as a result of varying cooling conditions, while the concentration ratiowas390and thesolarirradiation flux washigherthan 900W/㎡ in outdoorenvironment. TheCPV hadaplanardimensionof10by 10mm.A Fresnellenswasusedasaconcentrator,ofwhichthe dimensionwas221mm(W)X 221mm(L)X 3mm(t)andthetransmissivitywasknowntobe0.8.Thecooler wasattachedtothebottom sideoftheCPV andhadacontactareaof21mm(W)X 26mm(L),which was identicaltothesizeofthebaseplateoftheCPV. Thecoolanttemperaturewascontrolledby an isothermal bath and theflow ratewascontrolled and measured by a flowmeter.Theexperimentalresultsshowed that the average of power efficiency of the CPV decreased from 28.6 % to 24.7 % as the celltemperature increased from 36℃ to 97℃.An appropriatecooling method ofa CPV mightincreasethepowerconversion efficiency by about4% forthe same concentration ratio.Discussion is included from the viewpointofthe combinedefficiencyinadditiontothepowerefficiency.
Keywords:집광형 태양전지(ConcentratingPhotovoltaiccell),프레넬 렌즈(Fresnellens),셀 온도(celltemperature), 집광비(concentrationratio),전기변환효율(powerefficiency)
한국태양에너지학회
VOL. 32, NO.1, 2012.3.29~30 대구EXCO기 호 설 명 :집광비 :유효면적() :집광형 태양전지의 면적 ( ) :집광형 태양전지 출력 (W) :집광형 태양전지 전압 (V) :집광형 태양전지 전류 (A) ″ :조사율(W/㎡) :집광기조사량(W) :냉각수 회수열(W) :냉각수 유량(kg/s) :냉각수 비열(kJ/kg∙K) :냉각수 입구온도(℃) :냉각수 출구온도(℃) :전기변환효율(%) :냉각수 열회수율(%) :복합 효율(%) :프레넬 렌즈 투과율 1.서 론 일반적으로 결정질 실리콘 태양전지는 재 질의 특성상 온도가 상승함에 따라 출력감소 및 모듈의 수명을 단축시키고 전기변환효율 이 감소하는 특성을 가진다.1)김대현 등2)의 연구에서는 PV 모듈의 표면냉각을 통해 온 도를 조절함으로써 출력상승을 확인하였다. 이러한 태양전지의 특성을 미루어볼 때 태양 을 집광을 하여 태양전지에 적용시켰을 때 냉각과정은 필수적인 요소라고 할 수 있다. 결정질 실리콘 태양전지는 집광이 가능하기 는 하나 실리콘은 간접천이형 반도체이므로 온도에 상당히 민감하기 때문에 20배 미만의 저집광에만 이용 가능하며,집광비가 상승한 다고 해도 전기변환효율 상승 폭이 적고,일 정 집광비 이상에서는 전기변환효율의 상승 에 한계가 있거나 역효과가 발생할 수 있다. 한편 집광형 태양전지 (CPV,Concentrating
PhotovoltaicCell)는 보통 III-V 족 화합물을 사용한 다중접합형 (Multi-junction type)으 로 고온특성이 우수하여 온도 안정성 및 신 뢰성이 좋고 집광을 함에 따라 전기변환효율 이 상승하는 특성을 가지고 있다.또한,제품 에 따라 차이는 있으나 고집광시(보통 100배 이상 500배 범위)전기변환효율이 최고 40 %에 근접하는 제품들이 개발되어 있기 때문 에 집광형 태양전지는 고배율 집광이 가능한 태양광발전 시스템 산업 분야에 적합하다고 할 수 있다.3) 한편,고집광을 위해서는 여러 형태의 집광 기가 가능하지만,그중에서 비용이 저렴하고 가벼운 프레넬 렌즈(Fresnellens)가 많이 이 용되는데 David etal.4)에서는 집광형 태양 전지에 이용되는 프레넬 렌즈의 종류와 광학 특성,내구성에 관한 연구를 진행하였다.또 한,국내에서도 고집광 태양광 발전을 위한 프레넬 렌즈에 대한 설계와 제작과 관련된 연구가 진행되었다.5)정경열 등6)의 연구에 서는 집광형 태양전지에 프레넬 렌즈를 적용 하여 야외 성능시험을 하였으나 설계치 보다 출력이 15%에 그친다는 것만을 확인하였다. 지상의 태양 일사조건하에서 1SUN의 경 우 태양조사밀도는 0.1 W/cm2이지만 400 SUN의 경우는 40W/cm2로서 매우 높은 열 밀도를 갖게된다.본 연구에서는 프레넬 렌 즈를 이용하여 고집광을 하는 환경에서 냉각 기가 부착된 CPV의 셀 온도에 따른 전기변 환효율의 정량적 성능변화를 파악하고자 하 였다.본 연구의 결과는 향후 적절한 냉각 성 능을 보장할 수 있는 다양한 냉각 수단의 개 발에 응용될 수 있을 것이다. 2.실험장치 및 실험 방법 2.1냉각기 제작 CPV의 온도제어를 위해 냉각기는 필수적 이지만,여기에는 매우 다양한 선택의여지가 있다.그러나 본 연구에서는 CPV의 냉각성
능을 정량적으로 측정 가능한 형태로서 가장 간단하고 제작이 용이한 액체 대류식 냉각기 를 제작하여 사용하였으며,그 제원은 표 1 과 같다.제작된 냉각기를 세라믹 재질의 CPV 기판에 결합하기 위해서는 비전도성의 아크릴 수지를 사용하여 가공한 보조 결합물 을 사용하였다.냉각기의 상세 구조와 열전 대가 부착된 위치는 그림 1에 나타내었다. 냉각기 본체 재질 구리(copper) 평면 크기(가로 X 세로) 31㎜ X 26㎜ 열교환 면적 21㎜ X 25.5㎜ 높이 8㎜ 벽두께 1㎜ 표 1.냉각기의 제원 그림 1.(a)냉각기의 정면도,(b)냉각기의 측면도 및 열전대의 위치 2.2집광 렌즈의 제원 및 설치 본 실험에서 집광기로 이용한 프레넬렌즈 의 제원은 다음 표 2와 같다.프레넬렌즈를 거치하는 프레임은 알루미늄 프로파일로 제 작하였다.이때,결합하면서 가려지는 렌즈의 면적을 제외하고 실질적으로 집광에 사용되 는 렌즈의 면적을 유효면적이라 하였다. 재질 PMMA 렌즈의 총 면적 235mm X 235mm 유효 면적() 221mm X 221mm GroovePitch 0.5mm 렌즈 두께 3± 0.5mm 초점거리 182mm 유효 초점거리 162mm 집광비 390 투과율() 0.8 표 2.프레넬 렌즈의 제원 또한,초점거리는 프레넬렌즈에 의해서 태 양이 집광이 될 때 집광되는 상의 면적이 최 소가 되는 위치를 나타낸다.유효 초점거리 는 본 실험에 사용된 CPV의 면적( )에 집광된 상이 분포하도록 인위적으로 조절된 거리를 의미하며,렌즈에 대해 알려진 초점 거리보다 약 20mm 작게 결정되었다.집광 비(CR,ConcentrationRatio)는 통상적 정의 에 의해 집광형 태양전지의 면적 대비 유효 면적으로 산정하였으며 식 (1)과 같다. (1) 2.3실험장치의 구성 및 실험 방법 프레넬렌즈 및 냉각기와 조합된 CPV 실험 모듈을 태양추적장치에 마운팅하여 실험을 수행하였다.전체 실험장치 개략도는 그림 2 에 나타내었다. 본 실험에 사용된 태양추적장치의 추적 정 밀도는 제작사 자료에 의하면 ±0.2~1˚ 이며, 본 실험 중에 나안으로 집광된 상을 관찰하 였을 때 CPV의 중심과 일치하며 그 상의 범 위도 가시적으로 CPV 표면 범위에 맺히는 것을 확인하여 검증하였다. CPV 냉각기에 가능한 일정한 온도의 냉각 수가 유입되도록 항온조를 사용하였으며,항 온조의 제어온도는 20℃로 고정시켰다.냉각 수로는 물을 사용하였다.항온조의 온도 정 확도와 균일성은 ±0.1℃이었다.항온조에서
그림 2.실험장치 구성 개략도 냉각기로 이어지는 실리콘 튜브 관로에서의 열출입 등으로 인해,주위 온도가 항온조 설 정 온도보다 높을 때는 냉각기 입구에서의 냉각수 온도가 설정 온도보다 높았으나,냉 각열량산정에는 냉각수 입출구의 온도차와 유량이 이용되므로 입구 온도 자체를 일정하 게 유지할 필요는 없었다.그러나 항온조는 실험의 편의상 냉각수가 회수한 열량을 방출 하고 일정 범위로 유지시켜주는 역할을 담당 하였다. 냉각의 강도를 조절하기 위해서는 측정오 차가 4% 이내인 유량계를 이용하여 유량을 5cc/min에서 200cc/min범위에서 조절함으 로써 집광형 태양전지의 셀 온도를 제어 할 수 있도록 하였다. CPV의 셀 온도 측정은 열화상카메라를 이 용하여 표면 온도를 측정하였다.이는 셀 주 변에 열전대 등 다른 측정방법을 사용하는 것이 복사를 방해하거나 영향을 주기 때문이 었다.본 실험에 사용된 집광형 태양전지의 제원 상 사용 가능온도 범위는 -40℃에서 100℃이하이나,최고 180℃까지는 열적으로 견딜 수 있다고 알려져 있다.그러나 안전상 셀 온도가 100℃이상이 되지 않는 범위에서 실험하였다. 태양조사율의 측정은 정확도가 ±5%인 solar powermeter를 이용하였고 전류 및 전압의 측정은 멀티미터를 이용하였다.멀티미터의 전압측정 오차는 0.025%,전류측정 오차는 0.15%였다. 냉각수의 입구 및 출구의 온도는 측정오차 가 0.4%인 K-type열전대를 이용하였다.또 한,CPV와 냉각기가 결합된 부분과 냉각수 가 유입되는 부분의 실리콘 호스는 단열재를 이용하여 각각 단열 처리를 하여 열손실을 최소화 하였다. 본 실험은 청명한 날 오후에 진행되었고 조 사율은 평균 951.3W/㎡ ,최고 조사율 981 W/㎡,최저 조사율 906.1W/㎡을 기록하였 다.각 유량 값마다 3회 이상 반복 측정을 하여 평균을 내었다. 3.실험결과 집광기 조사량은 다음의 식(2)를 이용하여 산정하였다.집광기 조사량이란 집광비를 고 려하여 집광형 태양전지에 입사되는 열량을 의미한다. ∙ ″∙∙ (2) 여기서 은 집광비,″ 는 solarpower meter로 측정된 태양조사율,는 집광형 태양전지의 면적,은 프레넬렌즈의 투과율 이다.CPV로부터의 전기 출력은 멀티미터를 이용하여 측정한 전류,전압을 식 (3)에 이용 하여 산정하였다.. 3) 열전대로 측정한 냉각수 입,출구 온도를 이용하여 냉각수 열회수열을 구하는데 관련 된 식을 식 (4)에 나타내었다. (4)
조사율 (W/㎡) 집광기 조사량 (W) 유량 (cc/min) 전압 (V) 전류 (A) 냉각수 입구온도 (℃) 냉각수 출구온도 (℃) 실외 온도 (℃) 셀 온도 (℃) 출력 (W) 냉각수 회수 열량 (W) 열 회수율 (%) 전기 변환 효율 (%) 복합효 율 (%) 970.3 36.9 200.0 3.0 3.5 22.3 23.5 9.7 35.8 10.5 16.2 44.0 28.6 72.6 966.6 36.7 100.0 3.0 3.5 24.6 26.8 9.7 38.0 10.4 15.3 41.6 28.2 69.8 958.3 36.4 40.0 3.0 3.4 27.3 33.9 7.0 43.6 10.1 18.3 50.3 27.7 77.9 955.1 36.3 20.0 2.9 3.4 31.2 43.5 6.0 56.2 9.9 16.9 46.6 27.2 73.8 938.6 35.7 10.0 2.8 3.3 51.5 70.1 6.0 80.2 9.3 12.7 35.8 26.1 61.9 918.8 34.9 5.0 2.7 3.2 71.9 88.5 5.0 96.7 8.6 5.6 16.2 24.7 40.9 표 3.실험 결과 자료 요약 식(2)와 식(3)을 이용하여 전기변환 효율을 구할 수 있고,식(2)와 식(4)를 이용하여 냉 각수의 열회수율을 계산할 수 있다.전기변 환효율과 냉각수의 열회수율을 각각 식(5)와 식(6)에 나타내었다. × (5) × (6) 셀 온도에 따른 집광형 태양전지의 전기변 환효율을 도식화하면 그림 3과 같다.평균 조사율 970.3W/㎡,집광비 390의 조건에서 냉각수 유량이 200 cc/min일 때 셀 온도는 평균 35.8℃이고 전기변환효율은 평균 28.6 %이었다.또한 동일한 집광비 조건에서,조 사율 918.8W/㎡,그리고 냉각수 유량이 가 장 낮은 5cc/min일 때 셀 온도는 평균 96. 7℃이고 전기변환 효율은 24.7%이었다.두 경우의 조사율이 정확히 같지는 않으나,셀 온도가 약 60℃ 상승하면 전기변환 효율은 약 4% 감소하는 것을 알 수 있다. 냉각수 열회수율은 냉각기의 성능을 판단 할 수 있는 적절한 인자로 고려할 수 있을 것이다.셀 온도에 따른 냉각수 열회수율을 그림 3에 나타내었다.셀 온도가 증가함에 따라서 냉각수 열회수율이 감소하는 추세를 확인할 수 있다.여기서 냉각수의 유량이 200,100,40,10,5cc/min으로 적어짐에 따 라서 냉각수의 입,출구 온도 차이가 커져야 할 것으로 예상했으나,유량이 적은 경우는 그렇지 않게 나타났다.이는 냉각수의 유량 이 적으면 유체로 냉각되는 양보다 CPV 측 의 고온부로부터 열전도에 의한 영향이 컸기 때문으로 사료된다. 태양에너지로부터의 전기 생산 외에 회수 된 열에너지를 이용할 수 있는 경우에는 냉 각수 회수율과 전기변환 효율을 합하여 복합 효율을 식 (7)과 같이 정의할 수 있다. (7) 작동온도에 따른 복합효율의 변화를 그림 3 에 나타내었다.전체 에너지의 활용 차원에 서 일반적으로는 복합효율이 높을수록 유리 하다고 할 수 있으나,목적에 따라 전기변환 효율과 냉각수 회수율이 적절한 배분이 필요 할 것이다.태양열과 전기에너지를 동시에 최대로 이용하고자 한다면 혼합효율이 최대 로 되는 점에 가깝도록 작동조건을 제어하면 될 것이다.이러한 관점에서 그림 3을 참고 하면 셀 온도가 43.6℃ 부근에서 복합효율이 가장 높은데,이때 전기변환효율은 28%,냉 각수 열회수율은 50%로서 복합효율이 78% 로 나타났다.단,전기변환 효율만이 목적이 라면 셀 온도는 낮을수록 유리하다.또한 프 레넬 렌즈의 투과율이 10% 증가한다면 전기 변환 효율은 30%를 넘게 될 것이다.
그림 3.셀 온도에 따른 전기변환 효율,냉각수 열회수율 및 복합효율 4.결 론 본 연구에서 집광비 390의 프레넬 렌즈를 사용한 CPV와 냉각기가 조합된 모듈을 평균 조사율 951.3W/㎡의 조건에서 일련의 실험 을 통하여 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다. 단,이하의 결론들은 본 연구에서 다룬 CPV 와 해당 실험조건의 범위에 한한다는 것을 명시한다. (1)액체식 냉각기를 CPV에 부착하여 정량 적인 냉각성능에 따른 전기변환효율 및 열회수율의 측정과 검토가 가능하였다. (2)CPV의 평균 온도가 약 60℃ 증가하면 평균 전기변환 효율이 약 4% 감소하는 것을 알 수 있다.비록 집광형 태양전지 가 고온특성이 우수하다고 하지만 온도 증가에 따른 효율의 감소가 존재하기 때문에 적절한 냉각장치의 적용이 필요 하다고 할 수 있다. (3)전기변환 효율과 더불어 열회수 효율을 고려한 복합효율의 관점에서 CPV 장치 의 용도에 따른 최적 작동조건을 설정 하고 제어한다면 보다 효과적인 운영을 할 수 있을 것이다. 후 기 본 연구는 경기도과학기술진흥원의 연구비 지원으로 수행되었음(과제번호 :2011-05-017) 참 고 문 헌
1.Radziemska,E.,TheEffectofTemperature onthePowerDropinCrystallineSilicon Solarcells,RenewableEnergy28th1-12, 2003. 2.김대현,김동준,표면냉각을 통한 PV 모듈 의 출력 향상에 관한 연구,한국태양에너 지학회논문집,Vol.29,No.6,2009 3.김성일,III-V족 고효율 화합물 반도체 태 양전지 기술개발 동향,전자공학회지,제35 권,6호,2008년 6월.
4.Miller,David C.and Kurtz,Sarah R., Durability ofFresnellenses:A review specifictotheconcentratingphotovoltaic application,Solar Energy Materials & SolarCellsVol.95,pp2037-2068,2011. 5.유광선,신구환,차원호,강성원,김용식, 강기환,고집광 태양광 발전용 프레넬 렌 즈 설계 및 제작,한국태양에너지학회 논 문집,Vol.30,No.2,2011.11. 6.정경열,서현수,강성원,임재우,심상용, 김용환,김용식,박창대,임병주,이후락, 프레넬렌즈를 이용한 III-V족 단위 모듈의 야외 성능시험에 관한 연구,한국마린엔지 니어링학회 논문집,2010.
