Ⅰ.서론

우리나라는 4계절의 기후가 비교적 뚜렷한 기상 형태를 갖고 있으나 여름철에는 높은 외부 온도에 의해 태양광 모듈의 표면 온도는 타 계절에 비해 매우 높은 편으로 태양광발전 성능에 따른 효율 저하가 발생하고 있다. 태양전지(CELL)는 여름철에 일사량이 많아 태양광 모듈의 표면 온도가 상승한다. 국내에서 사용 중인 실리콘 태양전지판의 경우 제작 사양이 -0.5에서 0.05℃ 한계에서 최대출력을 낼 수 있도록 설계되어있어 온도 1℃ 상승 시 0.45~0.55%의 출력이 감소한다^[1].

결과적으로 태양광발전은 태양전지(CELL)의 특성상 태양광 모듈의 표면 온도상승에 따라 출력이 떨어지게 된다. 출력 저하는 태양광발전의 효율을 떨어뜨리며 효율이 떨어지면 최종적으로 태양광발전의 발전량에 따른 전력 판매 수익이 감소하는 결과를 낳는다. 따라서 태양광발전의 출력을 향상하기 위해서는 태양광 모듈의 외기온도를 낮출 수 있도록 냉각장치를 통해 태양광 모듈의 효율을 높일 수 있는 여러 제품이 연구 및 개발되고 있다^[2].

대표적인 방식으로 태양광 모듈의 표면 온도, 외부 온도 등을 센서를 통해 파악하고 냉각수의 온도 및 압력, 풍속을 센서를 통해 파악한 후 제어부를 통해 강제적으로 냉각수를 분사하는 방식이다. 그러나 이러한 방식은 비용이 많이 드는 단점을 가지고 있다. 물을 여유롭게 쓸 수 있는 곳에서만 가능한 환경적 제한, 태양광 모듈 표면에 오염된 물질의 세척으로 주변 지역의 환경오염, 물의 성분 중 미네랄의 영향으로 인한 백화현상(물때)으로 인한 발전량 저하, 등의 추가 문제점을 가지고 있다.

본 논문에서는 기존 제품의 문제점을 개선하고자 온도검출 센서를 통해 설정된 온도 이상으로 식별 시 태양광 모듈 하부(또는 주변)에 냉각 공기를 분사시키는 방식을 연구방안으로 제안한다. 추가로 손실된 태양에너지를 활용하여 발전량을 증가시키며 냉각 공기를 통한 냉각기능을 적용함으로써 발전량을 더욱 증대시킬 수 있도록 하였다.

Ⅱ. 냉각장치를 이용한 기존의 태양광발전 장치

그림 1은 스프링클러를 사용한 냉각장치로 태양광 모듈에 물을 분사하여 태양전지를 냉각시킴으로써 생산효율을 향상시킨다. 현재 개발 보급된 태양전지(CELL)의 작동 온도에 반비례하여 효율이 낮아지는 특성을 가진다. 또한, 태양광 모듈에 직접 냉각수를 분사하여 모듈의 표면 온도를 냉각시키는 방식으로 먼지, 꽃가루, 오염물질 등을 추가로 제거할 수 있는 특징을 가지고 있다.

그림 1. 스프링클러를 이용한 태양광 모듈 냉각장치

Fig. 1. Photovoltaic module cooling device using sprinkler

그림 2는 냉각장치(스프링클러) & 자연 상태 시 태양광발전 생산량 비교 데이터로 태양광 모듈의 표면 온도상승에 따라 출이 떨어지고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과로 태양광발전의 출력을 향상하 위해 태양광 모듈의 외기온도를 낮출 수 있는 주변 냉각장치로 스프링클러를 일반적으로 많이 보급된 상황이다.

그림 2. 냉각장치(스프링클러)&자연 상태 시 태양광발전 생산량

Fig. 2. Cooling device(spring sprinkler) & natueal state of photovoltaic power output

그러나 이러한 시스템은 다른 냉각시스템보다 설치 및 비용이 많이 드는 단점을 가지고 있다. 물을 여유롭게 쓸 수 있는 곳에서만 가능한 환경적 제한, 태양광 모듈 표면에 오염된 물질의 세척으로 주변 지역의 환경오염, 물의 성분 중 미네랄의 영향으로 인한 백화현상(물때)으로 인한 발전량 저하, 스프링클러 동작을 위한 헤드의 길이 및 구조상 음영에 따른 효율 저하 등의 추가 문제점도 가지고 있다.

수상 태양광발전시스템은(그림 3) 호수, 바다 등의 수면 위에 설치하는 방식으로 육상과 비교하면 수상은 주위 온도가 낮아 태양광 모듈 온도에 따른 발전량을 올릴 수 있는 장점이 있다. 그러나 가장 큰 문제점으로 수면위에 태양광 모듈을 띄우기 위해 특수 제작된 부유체를 설치하는 등 육상보다 건설비가 2~3배 높다. 또한, 수상 태양광발전 장치 설치로 인한 녹조현상, 조류배설물이 쌓인 태양광 모듈 세척으로 인한 수질오염 등 환경오염의 문제점이 부각되고 있는 상황이다^[3~5].

그림 3. 수상 태양광발전시스템

Fig. 3. Floating photovoltaic power system

이러한 문제점들을 기반으로 본 연구를 통해 스프링클러를 사용한 냉각시스템의 문제점을 개선하기 위해 공기압축기를 이용하여 냉각 공기, 외부 공기로 태양광 모듈을 냉각시켜주는 방식으로 구조가 단순하며 기존 시스템보다 설치비용에 대한 경제성 효과를 가질 수 있도록 제안하였다. 또한, 기존 제품과 달리 냉각기능뿐만 아니라 회전하는 반사판을 이용해서 태양에너지(일사량)의 손실을 줄임으로써 전체적인 발전량(효율)을 최대화할 수 있도록 하였다.

Ⅲ. 태양광 모듈 냉각장치를 이용한 제안된 태양광발전 장치

1. 태양광 모듈 냉각장치

본 논문에서 연구한 냉각장치를 이용한 태양광발전 장치는 손실된 태양에너지를 활용하는 것으로 회전 반사판에 일차적으로 입사되는 태양에너지(일사량)가 여러 각도로 반사가 되어 다시 태양광 모듈에 이차적으로 입사될 수 있다. 반대로 태양광 모듈에 의해 직접 반사되는 태양에너지(일사량)는 회전 반사판을 통해 태양광 모듈에 다시 입사하는 구조로 이루어져 발전효율을 최대화할 수 있는 구조로 제안 및 설계하였다.

또한, 태양광 모듈은 주변 온도에 의해 태양에너지를 기에너지로 변환할 수 있는 발전량에 영향을 끼치는 특성으로 표면 온도가 1℃ 상승 시 발전량의 효율이 약 0.5% 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 따라서 온도가 높아짐에 따라 발전효율이 감소하는 것을 방지하기 위해서 본 논문에서는 추가로 공랭을 적용한 냉각장치 기능을 가지는 태양광발전 장치를 제안한다.

기존 태양광발전 장치에 적용된 수냉식 냉각장치는

1) 물이 부족한 지역에서의 물 부족

2) 냉각장치를 운영하기 위한 기타 경제성 비용 발생

3) 누수 발생 시 생기는 태양광발전시스템의 전기적 고장 및 화재 발생

4) 온도가 낮은 한겨울에는 동결로 인한 태양광 모듈의 발전량 저하

등의 문제점을 가지고 있다.

이러한 기존 제품의 문제점을 개선하고자 온도검출 센서를 통해 설정된 온도 이상으로 식별 시 태양광 모듈 하부(또는 주변)에 냉각 공기를 분사시키는 구조로 설계하였다. 따라서 제안한 손실된 태양에너지를 활용하여 발전량을 증가시키며 추가로 냉각장치를 적용함으로써 발전량을 더욱 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

2. 태양광 모듈 냉각장치를 이용한 제안된 태양광발전 장치

발전효율을 향상하기 위해 냉각장치 기능을 이용한 태양광발전시스템은 태양광 모듈의 발전손실을 줄이기 위해일차적으로 태양광 모듈로부터 반사되어 나가는 태양에너지(일사량)를 회전 반사판을 통해 다시 모듈에 입사시키고, 이차적으로 회전 반사판에 의해서 여러 각도로 반사된 태양에너지(일사량)를 모듈에 입사될 수 있는 구조로 되어있다.

따라서 반사되어 나가는 손실된 태양에너지(일사량)를 다시 활용함으로써 발전량을 높일 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한, 태양광 모듈의 표면 온도 증가에 따른 발전량 저하를 개선하기 위해 냉각장치 기능을 추가로 가지는 구조로 이루어졌다. 기존 냉각장 치들의 문제점 보완, 경제성 향상, 오염물질로 인한 환경오염 방지, 추가 제반 시설 요구로 인한 공간적 문제 해결 등을 고려하여온도 센서와 공기압축기를 이용한 공랭식 구조를 적용하였다.

태양광 모듈 주변에 설치된 온도 센서를 통해 설정된 기준온도 이상 시 공기압축기에서 외부 공기를 흡입하기 위해 솔레노이드 밸브가 열리면서 외부 공기, 냉각 공기를 태양광 모듈로 송풍시키는 구조로 태양광 모듈의 표면 온도를 낮춤으로써 발전량을 추가로 높일 수 있는 특징을 가지고 있다.

태양광발전 장치의 발전량(효율)을 최대화하고 기존제품의 문제점을 개선하기 위해 손실된 태양에너지(일사량)를 다시 활용하고 냉각장치를 통한 태양광 모듈의 표면 온도를 낮춰주는 두 가지 방식을 적용하였으며 최종적으로 발전된 전기에너지를 2차 전지에 저장 및 활용할 수 있는 구조로 설계하였다.

또한, 3개의 온도검출 센서와 솔레노이드 밸브를 적용하여 태양광 모듈의 냉각제어를 각각 제어할 수 있는 구조로 선택적/동시적 냉각제어가 가능한 특징을 가지고 있다.