태양광 패널 적용 탄소소재의 방열 효율 향상에 관한 연구 :A Study on the Efficiency Improvement of Dissipating Carbon Materials with Solar Panel

박헌수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박헌수 (전주대학교, 전주대학교 대학원)

지도교수: 박헌수

발행연도: 2020

저작권: 전주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수47

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

태양광 패널 적용 탄소소재의 방열 효율 향상에 관한 연구

박헌수 탄소융합공학과 2020.01 학위논문

2019

태양광 패널 적용 방열용 탄소소재의 제조 및 열전달 수치해석

박헌수 , 강철희 , 김홍건 한국기계가공학회지 2019.12 학술저널

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세계 에너지 동향은 친환경에너지, 화석연료감축이라는 목표를 향해 나아가고 있다. 신재생에너지원 가운데 태양광 발전은 가장 깨끗한 에너지원중의 하나이며, 발전 원가 또한 매년 기술발전을 통해 낮아지고 있는 추세이다.
본 논문에서는 기존 태양광 Panel에서 사용하고 있는 태양광 Panel Back Sheet를 대체하여 방열 탄소 소재를 사용하여 태양광 Panel 출력 저하 요인을 해결하고자 하였다.
태양광 Panel에서 발생되는 열을 효과적으로 방출하고 기존 금속재료의 산화부식의 문제점을 개선한 탄소복합 소재를 이용하여 태양광 Panel Back Sheet에 부착하는 방열 소재를 제조하고, 이에 따른 열전도도 분석과 탄소 소재 적용 시 발생되는 온도 영향을 열전달 수치해석으로 분석하였다.
탄소복합소재(Carbon Composite)를 이용한 방열 소재는 산화그래핀(Graphene Oxide), 그라파이트(Graphite), 탄소부직포(NWF)등으로 탄소함유량에 따라서 성분이 다른 시험편 및 탄소 잉크를 적용하여 제조하였다. 다양한 비율로 제조된 탄소복합소재(Carbon Composite)를 시험하였으며, 그 중 탄소잉크(Carbon Ink)와 탄소복합소재(Carbon Composite)가 포함된 탄소부직포(NWF) 시험편이 열전도율이 가장 높은 값을 나타내었다.
또한 SEM시험분석도 실시하였는데, SEM분석 결과, 탄소잉크 함침면의 경우 태양광 Panel Back Sheet와 직접적으로 닿는 면으로서 기공이 거의 발생하지 않아서, 태양광 Panel Back Sheet의 소재에 발생되는 열에 대한 열전도도(Thermal Conductivity)가 해당 소재로 활발하게 이루어지는 것으로 판단된다.
SEM분석결과, 탄소복합재의 단면(Cross-Sectional)이미지 관찰에서는 100의 깊이까지 탄소잉크에 함침 되어 있는 것을 확인하였는데, 이는 나머지 함침이 되지 않은 면이 대기 중에 노출되어지는 표면적이 넓어 열 방출에 있어서는 유리한 것으로 판단되었다.
결론적으로 태양광 Panel 설계에 태양광 Panel 물성값을 적용하여 열전달 수치해석 방열 소재 두께에 따라서는 온도 차이를 보이지는 않았으나 탄소복합소재 혼합비율 적용에 영향을 받아 태양광 Panel 표면에서 최대 2℃의 온도저감 효과를 보였으며, 이는 약 1%의 태양광발전(Photovoltaic Generation) 효율 증가를 나타낸다. 이런 이유로 탄소소재의 적용에 따라 태양광 Panel 표면에서 온도 저감 효과를 볼 수 있었다.

The global energy trend is moving toward the goal of eco-friendly energy and fossil fuel reduction. Among the renewable energy sources currently used, solar power is one of the cleanest energy sources, and the cost of power generation is also decreasing every year through technological development.
During the photovoltaic power generation, part of the light energy is converted into thermal energy to increase the temperature of the solar cell panel. As the cell temperature of the panel increases by 1°C, the photovoltaic power generation output decrease of 0.45% occurs. Conventionally, in order to solve this phenomenon, the solar panel is directly cooled by spraying high pressure water using a sprinkler, or a metal heat sink is attached to the solar panel to cool by air cooling. However, the sprinkler method requires a separate facility and has to be sprayed at regular intervals. In the case of a mountain area or a place away from the city center, the supply of cooling water is not smooth and the refraction of light by the water film causes power generation efficiency. In addition, the metal heat sink has a high heat conductivity and has excellent heat dissipation characteristics.
However, the metal heat sink has a problem of deteriorating performance due to oxidation, due to moisture, and air due to long exposure to the external environment and eventually losing its original function as a heat sink.
Therefore, recently, carbon composite materials having excellent thermal conductivity, electrical conductivity, mechanical properties, and growth conditions can realize very nice materials as a coating agent and have a wide surface area.
In this study, in order to solve the factor of lowering the photovoltaic power generation output of the solar panel by replacing the existing method, low reactivity such as Graphite, Graphene oxide, Carbon (NWF;Non-Woven-Fabric), Carbon Ink, and so on can effectively remove the heat generated from the solar cell.
Using carbon materials resistant to scratches, bending, etc., various types of Carbon composites will be manufactured and thermal conductivity will be analyzed. Through numerical analysis of heat transfer using ANSYS program, we analyze the temperature generated in solar cell according to the thickness of heat radiation material to be applied and predict the role of efficiency improvement as heat dissipating material.

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 태양광발전의 개요 및 탄소 복합재 2
1.3 연구 목표 18
제 2 장 이론적 배경 19
2.1 3D Modeling 및 전산 해석 19
2.2 열전달 이론 26
2.3 열전달해석 방정식 29
제 3 장 실 험 45
3.1 태양광 Module 3D Model별 수치 해석 45
3.2 태양광 Module 3D Model별 수치 해석 고찰 56
3.3 열전도도 실험 계획 60
제 4 장 결 과 및 분 석 68
4.1 탄소 복합재의 열전도율 측정 68
4.2 SEM을 통한 표면 관찰 86
4.3 수치 해석 결과 및 분석 89
제 5 장 결 론 93

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