조합형 집광기 광전지 설비

본 발명은 태양광 공학, 특히 태양광 에너지를 전기 및 열 에너지로 변환하기 위한 냉각식 양면 광전지(PV) 모듈을 갖는 조합형 광전지 열 집광기 태양광 발전 설비(SPI)에 관한 것이다.

인공 PV 모듈의 냉각 없이, 10,000 W/㎡ 미만의 태양광 에너지의 집광비를 갖는 SPI의 일부인 PV 모듈의 온도는 다음 공식에 의해 정확하게 설명될 수 있다:

T _m = t + 1,25G(T _NOCT - 20) (1)

여기서, t는 주위 온도(℃)이며, T _NOCT 는 PV 모듈의 정상 작동 온도(℃)이며, G는 태양광 집광비이다.

평면 반사판에 설치된 태양광 에너지 집광기를 갖춘 양면 PV 모듈을 기반으로 하는 집광기(SPI)가 공지되어 있다: RU 특허 제 2406043 호 및 Super TRAXLE 5X 집광기(http://www.solar-trackers.com/). 이들 SPI에서, 양면 PV 모듈은 평면 집광기의 초점 면에 설치되며, 이 평면으로부터 G≥3의 집광비로 균일한 햇빛을 수용한다. PV 모듈로부터 열의 제거는 자연 냉각에 의해 수행된다.

이들 SPI의 단점은 PV 모듈의 강력한 가열로 인한 출력 전력이 현저히 감소한다는 점이다. 공식(1)에 따라서, + 30 ℃의 주위 온도에서의 설계 온도(T _m )는 약 100 ℃일 것이다. 결과적으로, 표준 PV 모듈에 대해서 30 % 초과의 전력 출력의 감소가 있고 + 85 ℃에서 최대 보장 작동 온도를 초과할 것이다.

공지된 SunPower C7 Tracker는 G = 7의 태양광 집광비의 값을 갖는 집광기(SPI)이다(http://us.sunpower.com/). 태양광 PV 셀의 배면에서 열을 제거하기 위해서 구리 포일(foil)이 수집기 통로(collector lanes)의 형태로 납땜되며, 구리 포일이 금속 방열기 상에 배치된다.

C7 Tracker의 단점은 다음과 같다:

- 이전의 2 개의 SPI에서 보다 주위 온도에서 더 낮은 전력 강하, 그러나 + 40 ℃ 초과의 주위 온도에서 높은 매개 변수를 제공하는데 여전히 불충분함.

- 양면 PV 모듈은 단면 모듈로 작동하여 전체 효율을 감소시킴.

- 미러 집광기는 원통형이고 아래로 불룩하게 지향되어, 그 내부에 먼지와 습기의 극심한 축적을 초래함.

러시아 특허 제 2,382,953 호는 조합형 태양광 발전소를 개시한다. 양면 PV 셀은 냉각제로 채워진 투명한 창을 갖는 폐쇄된 하우징 내에 설정된다. 이러한 폐쇄 하우징은 열 캐리어가 열 전달 루프를 통해 순환하는 제 2 하우징 내에 끼워 맞춰진다. PV 셀은 집광기로부터 양면에서 햇빛을 수용한다. PV 셀 표면으로부터의 열은 냉각제에 의해 제거되어 순환 회로에서 소비장소로 진행한다.

이러한 SPI는 다음과 같은 단점을 가진다:

- 포물선형 집광기의 사용은 작은 크기의 PV 셀을 가져야 할 필요성을 초래하여, PV 셀을 포물선형 실린더의 초점에 있게 해야 하며, 그렇지 않으면 설치 효율이 급격히 감소된다.

- SPI의 설계에 모순이 있다. 작동 효율을 높이기 위해서, PV 셀의 온도는 가능한 낮아야 하나 PC 셀의 상한 작동 온도를 초과해서는 안 된다. 열 회로의 효과적인 작동을 위해서는 PV 셀 온도를 가능한 한 높게 유지하는 것이 바람직하다.

- SPI의 설계는 매우 복잡하고 고가이다.

본 명세서에 개시되는 바와 같은 본 발명 기술의 적어도 하나의 실시예의 기술적 효과는 평면 미러 집광기로부터 냉각식 양면 PV 모듈에 입사하는 태양광 에너지의 직접 변환의 열 손실을 감소시킬 뿐만 아니라, 양면 PV 모듈로부터 제거되어 포물선형 집광기의 냉각제에 대한 추가의 가열 결과로써 얻어지는 열 에너지를 사용하여 달성되는 생성된 전기 에너지의 양을 증가시키는 것이다.

이 문제를 해결하기 위해서, 액체 냉각 시스템, 평면 미러 집광기, 포물선형 미러 집광기, 루프 내에서 액체를 순환시키기 위한 시스템을 갖는 열교환기, 및 태양광 추적 시스템을 갖는 적어도 하나의 양면 광전지(PV) 모듈을 포함한다. 냉각 시스템은 기능적으로 두 부분으로 나누어진 단일 순환 회로이다. 회로의 제 1 부분은 양면 PV 셀을 갖는 패널의 표면 위의 PV 모듈 내부에 위치되는, 투명 유리 시트로 둘러싸인 용적이다. 회로의 제 2 부분은 포물선형 미러 집광기의 초점을 통과한다.

따라서, 이들 부분에서 냉각제의 기능적 목적은 다를 것이다. PV 모듈 용적의 제 1 부분에서, PV 모듈을 따라서 아래에서 위쪽으로 유동하는 냉각제는 PV 셀로부터의 대류로 인해 열을 제거하여 PV 셀의 온도를 작동 한계 내의 온도(+ 85 ℃ 이하)로 보장한다. 포물선형 집광기를 통과하여, 냉각제가 추가로 가열된 다음에 열교환기로 유입된다. 열교환기 이후에, 냉각제는 순환 시스템을 통해 PV 모듈 용적으로 다시 공급된다. 순환 회로에서 상이한 PV 모듈로부터의 유체에 대한 상호 영향을 방지하기 위해서, 역류 방지 밸브가 각각의 PV 모듈의 출력부에 설치된다.

적어도 하나의 실시예에서, PV 모듈 내부의 냉각 회로의 한 부분은 투명한 유리 시트에 의해 둘러싸인 양면 PV 셀을 갖는 패널의 표면 위에 있는 용적이다. 유리 시트는 PV 셀이 없는 패널의 부분에 있는 구멍을 통해 스페이서에 의해 상호 연결된다.

스페이서 플레이트는 스페이서와 유리 시트 사이의 패널의 양쪽에 위치하여 냉각제 스트림에 의한 PV 셀의 효과적인 냉각을 제공한다. PV 모듈 내로의 냉각제 입력부의 위치는 지표면에 대해 PV 모듈의 최저 지점에 위치되며, 냉각제 출력부는 지표면에 대해 PV 모듈의 최고 지점에 위치된다.

적어도 하나의 실시예에서, 냉각제의 투과 스펙트럼은 PV 모듈 흡수 스펙트럼의 광-활성 부분과 일치하고 400 내지 1200 nm의 범위 내에 놓인다.

적어도 하나의 실시예에서, 태양광 발전 설비는 역류 방지 밸브를 포함하는 액체 냉각 시스템, 평면 미러 집광기, PV 모듈을 통해 냉각 유체를 순환시키기 위한 알루미늄 프레임을 갖는 적어도 하나의 양면 PV 모듈을 포함하며; 프레임의 본체 내부에는 공동을 포함한다. 공동은 PV 모듈의 상부 부분에 있는 출구 채널에 연결되어 냉각 액체가 PV 모듈 패널의 표면으로부터 프레임으로 진입하며, 공동이 또한 입력 채널을 통해 PV 모듈의 하부 부분에 연결되며, 입력 채널과 출력 채널 사이의 거리는 지표면에 대해 적어도 0.5 m가 되어야 하며, 프레임은 프레임의 프로파일이 냉각제에 의해 냉각되는 구역에서 환경과의 최대 열교환을 허용하도록 설계된다.

도 1은 SPI의 등각도이다.
도 2는 SPI의 측면도이다.
도 3은 PV 모듈 정면도 및 PV 모듈 단면도이다.
도 4는 독립 모드로 작동하는 PV 모듈의 정면도 및 독립 모드로 작동하는 PV 모듈의 단면도이다.

전술한 문제점(들)을 해결하기 위해서, 태양광 발전 설비가 본 명세서에 개시된다. 태양광 발전 설비는 역류 방지 밸브를 포함하는 액체 냉각 시스템, 평면 미러 집광기, 포물선형 미러 집광기, 회로 내에 유체 순환 시스템을 갖는 열교환 기 및 태양광 추적 시스템을 갖는 적어도 하나의 양면 PV 모듈을 포함한다.

냉각 시스템은 기능적으로 두 부분으로 나누어진 단일 순환 회로이다. 윤곽의 제 1 부분은 양면 PV 셀을 갖는 패널 표면 위의 PV 모듈 내부에 위치되고 투명한 유리 시트로 둘러싸인 용적이다. 윤곽의 제 2 부분은 포물선형 미러 집광기의 초점을 통과한다.

따라서, 이들 부분에서 냉각제의 기능적 목적은 상이하다. PV 모듈 용적의 제 1 부분에서, PV 모듈을 따라 아래에서 위쪽으로 유동하는 냉각제는 PV 셀로부터의 대류로 인해 열을 제거하여 PV 셀의 온도를 작동 한계 내의 온도(+ 85 ℃ 이하)로 보장한다. 포물선형 집광기를 통과하여, 냉각제가 추가로 가열된 다음에 열교환기로 유입된다. 열교환기 이후에, 냉각제는 순환 시스템을 통해 PV 모듈 용적으로 다시 공급된다. 순환 회로에서 상이한 PV 모듈로부터의 유체에 대한 상호 영향을 방지하기 위해서, 단방향 밸브가 각각의 PV 모듈의 출력부에 설치된다.

SPI의 그러한 구성은 태양광 전기 및 열 에너지를 얻는 효율을 증가시킬 수 있다:

1. 이러한 SPI에서, 양면 PV 모듈은 유효 치수 및 심지어 높은 주위 온도에서조차도 450 W/㎡ 초과의 높은 특정 피크 전력을 가질 수 있다.

2. 제 2 포물선형 미러 집광기는 PV 모듈의 태양광을 모니터하는 동일한 시스템의 도움으로 태양광을 모니터하여 이러한 추적을 수행하기 위한 추가 비용을 필요로 하지 않는다.

SPI는 극 좌표계에서 태양광의 위치를 모니터한다. SPI는 태양광 에너지가 평면 미러(2)의 집광기로부터 대칭으로 양면에서 공급되는 적어도 하나의 양면 액체 냉각식 PV 모듈(1)로 구성된다. PV 모듈로부터 나오는 가열된 냉각제는 파이프 라인(3)으로 진입하며, 냉각제의 일부는 PV 모듈 위에 위치된 포물선형 미러 집광기(4)의 초점에 있음으로써, 냉각제는 태양광 에너지에 의해 추가로 가열된다. 그 후, 냉각제가 냉각되어 열을 방출하고 PV 모듈로 복귀하는 유체 순환 시스템(5)을 갖는 열 교환기로 냉각제가 진입한다. 파이프 라인(3)에서, 각각의 PV 모듈의 출력부에 역류 방지 밸브(6)가 설치되어 상이한 PV 모듈로부터의 유체에 대한 상호 영향을 방지한다.

적어도 하나의 실시예에서, 설비는 냉각제로 채워진 PV 모듈의 용적 중앙에 위치되어 냉각제의 부정적 효과로부터 양면 PV 셀을 보호하는 적어도 두 장의 얇은 투명 필름(17)의 패널(7)을 포함한다. PV 모듈의 용적은 두 장의 얇은 유리 시트(8)에 의해 한정된다.

유체 압력을 보상하고 PV 모듈의 기하학적 치수를 보장하기 위해서, 유리 시트(8)는 PV 셀이 없는 패널 부분에 있는 개구를 통해 스페이서(9)에 의해 상호 연결된다. 유리 시트(8)와 패널(7) 사이에서 스페이서 플레이트(10)는 스페이서(9)들 사이의 양쪽에 설치되어 PV 셀을 효과적으로 냉각시킨다.

PV 모듈용 냉각제 입력부는 최저 지점에 위치될 수 있으며, 냉각제 출력부는 지표면에 대해 PV 모듈의 최고 지점에 위치될 수 있고 도면 번호 11 및 12로 표시된 피팅의 형태로 만들어질 수 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 설비는 PV 모듈 흡수 스펙트럼의 광-활성 부분과 일치하는 냉각제의 투과 스펙트럼을 가질 수 있다. 예를 들어, 그러한 스펙트럼은 400 내지 1200 nm의 범위 내에 있을 수 있다.

SPI는 열의 추출 및 사용 없이 PV 모듈을 냉각하는 독립 모드로 작동할 수 있다. 이러한 실시예에서, 포물선형 집광기 및 유체 순환 시스템을 갖는 열교환 기는 SPI의 구조물로부터 배제된다. 그러한 SPI를 위한 PV 모듈은 공동(16)이 PCM의 알루미늄 프레임(13)에 형성되어, 중력의 작용하에서 PV 모듈 내에서의 냉각제의 운동을 위해 유리들 사이의 PV 모듈의 용적에 대해 밀폐된 순환 회로를 형성한다는 사실을 특징으로 한다.

이러한 실시예에서, 프레임의 형상 및 면적은 PV 모듈의 상부 지점에서 채널(14)을 통해 공동으로 진입하는 액체가 알루미늄 프레임에서 냉각되고, 양면 PV 셀을 갖는 연성 패널이 최대 허용 가능한 작동 온도 위로 가열될 수 없는 온도로 PV 모듈의 하부 지점에 있는 유사한 채널을 통해 PV 모듈의 용적으로 진입하는데 충분한 시간을 갖도록 선택 될 수 있다.

그러한 PV 모듈(도 3)의 구성은 프레임에 냉각제의 입구 및 출구 피팅이 없으며, 팽창 탱크(15)가 냉각제 출구 피팅 대신에 설치될 수 있다는 점을 특징으로 하는데, 냉각제 탱크는 가열-냉각 사이클의 결과로써 액체 용적의 변화를 보상하는데 필요하다. 공동(16)은 PV 모듈(13)의 프레임에 형성되며, 프레임 내의 PV 모듈의 상부 및 하부 지점에서 채널(14)을 통해 공동 내부로 액체가 진입한다. 채널 면적은 PV 모듈 내의 유체 속도에 기초하여 선택될 수 있다.