Trans. Korean Soc. Mech. Eng. C, Vol. 2, No. 1, pp. 57~63, 2014 57
<응용기술논문> ISSN 2288-3991(Online)
태양광 모듈의 과열 방지용 공랭형 스털링기관 냉각 시스템 개발
§김형은*· 박찬우*· 추진경*· 금동엽*· 박실로*· 김정민**†· 김대진*†
* 안동대학교 기계공학과, ** 안동대학교 기계자동차공학과
Development of a New Air Cooling System Utilizing the Stirling Engine for Preventing Solar Cell from Overheating
Hyoungeun Kim*, Chanwoo Park*, Jinkyung Chu*, Dongyeop Keum*, Silro Park*, Jeongmin Kim**† and Daejin Kim*†
* Dept. of Mechanical Engineering, Andong Nat’l Univ.
** Dept. of Mechanical Automotive Engineering, Andong Nat’l Univ.
(Received February 28, 2014 ; Revised March 27, 2014 ; Accepted March 27, 2014)
1. 서 론
에너지 위기를 극복하기 위해서는 에너지 절약뿐만 아니라 에너지 손실을 최소화하기 위한 대체 에너지원의 개발이 절실히 요구되고 있다.( 1 ~3 ) 대체 에너지원에는 다양한 종류가 있지만, 청정하고 반영구적인 태양에너지에 대한 활용이 오랜 기간 널리 각광을 받아왔다.(1) 태양에너지는 크게 태양광 에너지와 태양열 에너지로 나눌 수 있다. 그 중 태양광 발전은 2010 년 기준 전 세계적으로 설치용량 7 GW 이상 보급되었으며 최근에는 국내에서도 정부와 산업계의 주도하에 대대적인 보급 확산을 위한 투자가 진행되고 있다.( 4 ) 이러한 경향에 맞춰 태양광 모듈의 출력 효율을 향상시키기 위한 다양한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 태양광 발전의 효율 저하 원인으로는 크게 과열, 오염, 적설의 세 가지가 있다. 태양광 모듈의 온도가 45℃ 이상으로 증가하면 효율이 낮아져 발전 출력량이 저하된다.
Key Words: Stirling Engine(스털링 엔진), Solar Cell(태양 전지), Cooling System(냉각 시스템)
초록: 태양광 모듈의 과열을 방지하여 효율을 향상시키기 위해 스털링기관을 이용한 새로운 공랭식 냉 각 시스템을 개발하였다. 베타 타입 스털링기관에 냉각팬을 연결하고 태양광 모듈의 뒷면에 반원형의 에어가이드를 부착함으로써 스털링기관 작동에 의해 발생된 강제대류가 에어가이드를 따라 이동하면서 태양광 모듈의 후면을 냉각하는 방식이다. 할로겐 조명을 활용한 하절기 모사 성능 평가 실험 결과 본 연구를 통해 개발된 새로운 냉각시스템을 적용할 경우 태양광 모듈의 온도가 냉각을 적용하지 않은 경 우에 비해 약 12℃ 낮아지고 출력 전압은 약 25% 향상되었다.
Abstract: In this paper new air-cooling system utilizing Stirling engine was proposed for improving efficiency in solar photovoltaic power generation. The solar cell plate was equipped with semi-circular channel for air flow on the backside. Beta-type Stirling engine was installed on the plate and its flywheel was connected to a motor fan by a transmission belt. A forced convective air flow for heat radiation was generated by the operation of the self-starting Stirling engine. The performance tests for power generation of solar cell with or without the proposed air-cooling system were conducted under halogen lamp. From the experimental results, it was found that decline in output voltage of the solar cell with proposed cooling system was 25% less than that of the solar cell without cooling system.
§ 이 논문은 제3회 전국 학생 설계 경진대회(2013. 11. 9., 서울대) 수상 내용을 토대로 한 논문임
† Corresponding Author, [email protected], [email protected]
Ⓒ 2014 The Korean Society of Mechanical Engineers
Fig. 1 Alpha(a), Beta(b), Gamma(c)-Type Stirling engine(6)
또한, 태양 전지의 재질 특성상 70℃ 이상의 고온 발생은 모듈 수명 단축의 원인이 된다.(5) 따라서, 태양광 모듈의 과열 방지를 위한 방열 설계가 중요하다. 현재 주로 수냉각 방식이 이용되고 있지만 설치 및 유지 비용이 많이 들고 겨울철에는 이용하기 어려운 단점이 있다. 따라서 보다 효율적이고 경제적인 냉각 방식의 개발이 요구되고 있다. 한편, 스털링기관을 이용한 발전은 태양열 에너지를 이용한 발전 방식 중 주된 방식에 해당한다. 열기관에는 일반적으로 스털링, 브레이턴 및 랭킨 사이클이 있지만, 최고 작동온도에 대한 각 사이클 기관의 정미 열효율을 비교하면 스털링기관이 가장 유리한 것으로 알려져 있다.(2) 스털링기관은 구조가 단순하고 가열부와 냉각부의 온도 차이만으로 작동하는 친환경 기관으로 그 구조와 작동원리에 따라 Fig. 1 에 나타낸 것과 같이 알파, 베타, 감마 타입으로 분류 된다. 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.
2. 설 계
2.1 에어가이드 및 스털링 냉각팬 설계
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 효과적으 로 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. 피스톤의 왕복 직선운동은 크랭크축을 통해 회전운동으로 변환되어 플라이휠(Flywheel)을 회전시키며 플라이휠이 회전하면 풀리로 연결된 모터 축이 회전하면서 냉각팬을 회전시키는 방식이다. 이때 풀리와 모터 축 간 에 기어비를 적용하여 냉각팬이 플라이휠의 회전 수보다 빠르게 회전할 수 있도록 하였다. 태양광 모듈 의 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 냉각성능 을 극대화 하기 위해 Fig. 4와 같이 에어가이드 내부에 에폭시 본드를 이용하여 냉각핀을 부착하였다. Fig.
5는 완성된 최종 시작품으로 배관의 재질은 금속을 사용하였고 모듈의 대부분을 냉각할 수 있도록 배관 의 간격을 최소화하였다.
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Fig. 3 Beta type Stirling engine with cooling fan
Fig. 4 Solar cell module with cooling fin Fig. 2 Design of solar cell module with air cooling system
powerd by stirling engine(6)
Fig. 5 Experimental prototype, (a) backside of solar cell plate, (b) controller part
2.2 스털링기관 초기 구동용 자동 제어 시스템 설계
태양광 모듈의 과열을 효과적으로 방지하기 위해서는 모듈의 온도가 일정 수준 이상이 되었을 때 스털링기관을 구동시켜 냉각팬을 통한 강제 대류를 발생시켜야 한다. 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
Fig. 6 A schematic of motor control system using commercial Arduino mainboard
전압 값은 메인보드를 통해 DS18S20 센서의 온도 값으로 변환하여 출력된다. 이때 매 2 초마다 온도 값 을 갱신하도록 설정하였다. 온도센서와 DC 모터 제어회로의 입력전원으로 메인보드의 5V 전압을 사용하 였다. 220 Ω 의 저항과 D227 트랜지스터, RL104 다이오드를 사용하여 미리 설정해둔 온도가 되면 트랜지 스터가 개폐되어 DC 모터에 전류를 흘려 보내 플라이휠을 구동시키도록 하였다. 스털링기관은 초기 구 동 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 모 듈의 개략도를 Fig. 6 에 도시하였다.
3. 방열 성능 실험
자연광 상태에서는 태양광 모듈의 출력 전압이 일기 변화에 민감하게 반응하므로 실내에 할로겐 램프 를 이용한 실험 장치를 구성하여 스털링기관 냉각시스템의 방열 성능을 평가하였다. Fig. 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 할 로겐 램프와 스털링기관 고온부와의 거리를 매우 근접시켜 고온부의 온도가 450oC 로 유지될 수 있도록 하였다. 또한 정상상태의 모듈 표면 온도가 여름철의 태양광 모듈의 표면 온도에 해당하는 약 70oC 가 되도록 할로겐 램프와 태양광 모듈의 거리를 조절하였다. 램프를 켜고 모듈의 온도가 정상상태에 도달 할 때까지 모듈 후면의 온도와 전압출력 값을 적당한 시간 간격마다 측정하였다. 에어가이드를 통해 강 제대류가 이동할 때의 냉각 효과는 출구 쪽으로 갈수록 작아지므로 입구, 중간 및 출구부의 온도를 모 두 측정하여 이에 대한 평균값을 대표온도로 하였다.
Fig. 8 은 세 가지 서로 다른 조건에 대한 방열 성능 실험의 결과로 Fig. 8 의 (a)와 (b)는 각각 가열 시 간의 증가에 따른 모듈 후면의 평균 온도와 출력 전압의 변화를 나타내고 있다. 일반 태양광 모듈의 정 상 상태 최고 온도는 63oC 로 측정되었다. 냉각핀을 부착한 경우에는 일반 모듈에 비해 온도는 느리게 상승하였으나 최고 온도는 큰 차이가 없었다. 본 연구에서 개발한 냉각시스템을 적용한 경우의 모듈의 최고 온도는 51oC 로 냉각을 하지 않는 조건에 비해 17.6% 더 낮아지고 그로 인해 전압 출력 또한 약 25% 증가되는 것으로 나타났다. 여름철 태양광 모듈의 온도는 80oC~90oC 까지도 상승할 수 있으며 따라 서 냉각핀과 스털링기관을 이용한 새로운 공랭 시스템을 적용할 경우 과열에 따른 태양광 모듈의 열화 현상을 효과적으로 방지할 수 있을 것이다.
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Fig. 7 Experimental setup for performance test under the halogen lamp and three types of test conditions
Fig. 8 Variation in (a) surface temperature and (b) output voltage of solar cell with respect to time during the performance test under the halogen lamp
4. 가속 열화 시험
새로운 냉각시스템 적용에 따른 냉각 효과가 태양광 모듈의 수명 연장에 미치는 효과를 알아보기 위 해 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 경향
Fig. 9 Experimental setup for accelerated life test under the halogen lamp
Fig. 10 Experimental setup for accelerated life test under halogen lamp
을 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(100oC, 150oC 및 200oC)으로 달리하였다. 램프와 램프 아래에 놓인 태양광 모듈 간의 거리를 적절히 변경하여 온도 조건 을 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 증 가에 따른 출력 전압의 변화를 기록하였다.
Fig. 10 은 온도별 가속 실험 결과를 나타낸 것으로 시간에 따른 출력 전압의 변화를 보여주고 있다.
실험 온도가 높을수록 초기 전압강하는 더욱 크게 일어난다. 이후 출력 전압은 일정하게 유지되는 경향 을 보이고 있다. 따라서 약 3700 분의 실험 시간으로는 실험 전 예상했던 출력전압의 감소경향은 확인 하기 어려웠다. 하지만 높은 온도일 수록 정상상태의 출력 전압은 낮으므로 장시간 사용 시 온도별 출 력감소 누적량의 차이는 시간이 길어질수록 점점 커질 것이다. 향후 보다 장시간에 대한 추가적인 실험 을 통해 모듈의 표면 온도가 태양광 모듈의 수명에 미치는 영향을 분석함으로써 본 연구를 통해 제안된 새로운 냉각시스템의 도입에 따른 정량적인 수명연장 효과를 확인할 예정이다.
5. 결 론
(1) 태양광 모듈의 과열 방지를 위한 새로운 개념의 공랭형 스털링기관 냉각 시스템을 개발하였다.
(2) 하절기 온도를 모사한 냉각 성능 시험 결과 태양광 모듈에 본 냉각 시스템을 적용하면 기존 태양 광 모듈에 비하여 모듈의 표면온도를 12oC 가량 낮추어 전압출력이 25% 정도 향상된다.
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(3) 태양광 모듈의 표면온도를 100oC, 150oC 및 200oC 로 한 가속 열화시험 결과 온도가 높을수록 정상 상태에서의 출력 전압이 낮고 가열 직후에 급격히 낮아진 전압은 이후 일정하게 유지되는 경향을 나타 낸다.
후 기
이 논문은 2013 년도 정부(교육부)의 재원으로 한국과학창의재단(대학생 창의융합형 연구과제 지원사 업)의 지원을 받아 수행된 연구임.
참고문헌 (References)
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(7) http://magicalmachines.weebly.com/the-stirling-cycle-engine.html
