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2025년 12월 13일 (토) 05:17 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 수상 수랭식 태양광 발전 체계

영문 : Floating Watercooled Photovoltaic Pannel System

과제 팀명

Floalight

지도교수

황면중 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 우**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 정**

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 정**

서울시립대학교 기계정보공학과 20XXXXX0** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 본 과제는 기존 태양광 발전의 낮은 발전 밀도와 부지 확보의 한계, 그리고 집속형 태양전지(CPV)에서 발생하는 열 관리 문제를 동시에 해결하기 위해 수상 수랭식 CPV 발전 시스템을 개발하는 데 목적이 있습니다. 저수지 수면 및 심층수를 활용한 수냉식 냉각 방식을 적용하여 모듈의 온도 상승을 억제하고 발전 효율을 향상시키며, 모듈형 설계와 태양 추적·진동 제어 기술을 접목해 안정적이고 확장 가능한 수상 발전 시스템을 구현하고자 합니다. 이를 통해 토지 부족과 산림 훼손 문제를 완화하고, 재생에너지의 효율적 활용과 지속가능한 발전 가능성을 높이는 기술적 대안을 제시합니다.

개발 과제의 배경

기후변화로 인한 환경 문제가 심각해짐에 따라 탄소배출을 최소화하는 신재생에너지의 중요성이 더욱 주목받고 있습니다. 신재생에너지원에는 태양광, 태양열, 풍력, 지열 등이 있으며, 이 중 태양광 발전은 모듈 생산 단가의 지속적인 하락과 무한한 태양에너지 자원이라는 장점을 바탕으로 가장 널리 상용화되고 있습니다. 실제로 태양광 발전용 PV 모듈의 단가는 지난 10년간 약 90% 하락하였으며[1], 전 세계 태양광 누적 설치 용량은 2023년 말 약 1.6 TW, 2024년 말에는 2.2 TW 이상으로 증가하였습니다. 특히 전 세계적으로 2024년 한 해 동안만 신규 설치된 PV 시스템 용량이 약 600 GW에 달했습니다[2].

그러나 태양광 발전에는 다음과 같은 제약이 존재합니다. 첫째, 단위 면적당 발전 밀도의 한계입니다. 화력·원자력 발전소가 수백 MW~수 GW를 비교적 작은 부지에서 생산하는 데 비해, 태양광 발전은 효율과 일사량 조건에도 불구하고 같은 규모의 전력을 생산하기 위해 훨씬 넓은 면적을 필요로 합니다. 예를 들어, 일반 태양광 발전은 약 5 MW의 출력을 내기 위해 약 10 헥타르의 부지가 필요한 것으로 보고되었습니다[3]. 둘째, 이러한 대규모 부지 확보 과정에서 농지나 주거지를 제외하면 설치 가능한 지면이 제한적이며, 그 결과 산림 훼손이 발생하는 사례가 보고되고 있습니다[4].

이러한 한계를 극복하기 위해 집속 태양전지(Concentrated Photovoltaics, CPV)가 주목받고 있습니다. 일반 상업용 실리콘 PV 모듈의 효율이 약 17~22% 수준인 데 비해, CPV는 시험 조건 하에서 약 33~46%의 셀 효율을 기록한 바 있습니다[5]. 그러나 CPV는 집속에 따른 열 발생으로 인해 모듈 온도가 상승하면 효율이 저하되므로 냉각 장치가 필수적입니다. 특히 일반 실리콘 PV 모듈의 경우 셀 온도가 1 °C 상승할 때 발전 효율이 약 0.52 % 감소하는 것으로 알려져 있으며[6], 따라서 CPV에서는 열 관리가 더욱 중요합니다.

이와 같은 문제를 동시에 해결할 수 있는 방법으로 수상 CPV 시스템이 제안됩니다. 한국의 경우 저수지·호수·관개 수로 등 수상 수역을 활용한 부유식 태양광(Floating PV)의 기술적 가능성이 크며, 전국 수상 PV 잠재 용량은 약 9.7 GW로 추정됩니다. 만약 저수지 면적의 10%를 수상 PV로 활용할 경우 연간 발전량은 약 2,932 GWh, CO₂ 감축량은 약 1,294,450 톤/년에 이를 것으로 분석되었습니다[7]. 수상에 발전 설비를 설치하면 토지 부족 문제를 해소할 수 있고, 수면을 활용한 수냉식 냉각을 통해 CPV 모듈의 효율 저하를 방지하여 발전 성능을 극대화할 수 있습니다. 또한 수면 차폐 효과로 증발을 줄여 수자원 관리 측면에서도 긍정적인 효과를 기대할 수 있습니다.

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

개발 과제의 목표 및 내용

목표

수상 수랭식 CPV 발전기를 사용한 발전용 가용면적 확보 및 발전 효율 향상

1. 한국 저수지 표층 수온(여름철 20~30 °C)을 활용하여 수냉식 CPV 모듈의 온도 유지.
2. 심층수 활용 시 더욱 극적인 냉각 효과 기대.
3. 예상 발전 효율: 기존 대비 약 x % 상승 (실험을 통해 산출 예정).

모듈형 설계

1. 각 FPV-CPV 모듈: 약 1 m². 모듈형 설계를 통한 대용량 발전 가능성 확보

시스템 안정성 및 추적 성능 확보

1. 수상 CPV 시스템의 효율 향상을 위한 수냉식 냉각 장치 최적화
2. 부유체 구조 해석을 통해 수면 진동 및 구조 안정성 확보
3. 수면 진동 상쇄 및 태양 추적 제어장치 개발

도구 및 장비

CAE 프로그램

• StarCCM+: 열유체 시뮬레이션

• ANSYS: 하중 및 모달 해석

실험 및 제작 장비

• CPV 모듈 (소형 상용 모듈 구매 또는 PV 모듈로 에뮬레이션)

• 전력 측정 장치, 온도 측정 장치

• 열관리 시스템용 파이프, 펌프 등 부품

• 제어용 모터, 수면 위 방향 제어 장치

수행 절차 및 일정

• 9월: 목표선정 및 자료조사

• 10월 상반기: 수면부유식 태양광 패널 구조 설계, 열관리 시스템 설계

• 10월 하반기: 모듈 제작

• 11월 상반기: 발전량 및 발열량 측정, 태양 추적 및 진동 제어 시스템 구상

• 11월 하반기: 시스템 통합, 효율 개선 측정, 태양 추적 기능 완성

• 12월: 최종 시스템 완성 및 성과보고

역할 분담

• 지도교수: 자세 제어 관련 동역학적 제어 자문

• 기업: 열관리 시스템 및 수냉 시스템 관련 자문

• 학생: 시스템 설계, 시뮬레이션, 제작 및 통합 수행

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술 현황

• PV 패널 효율은 작동 온도와 반비례하며, 온도 1°C 상승 시 효율이 약 0.45~0.5% 감소한다.
• 태양 복사 에너지의 80% 이상이 폐열로 전환되어 패널 온도가 상승하고, 이는 전력 손실로 이어진다.

1) 자연 냉각(Passive Cooling) 기술

1.1 공기 냉각(자연 대류)

• 개념: 방열판/핀을 이용해 후면 공기 흐름을 강화하여 열 방출 표면적을 증대
• 성능: 알루미늄 방열판(일사량 800 W/m²) 적용 시 상대 효율 9% 증가, 핀 구조로 패널 온도 85.3°C → 72.8°C 감소
• 한계: 낮은 열전달률로 효과가 제한적이며, 채널 설계가 부적절하면 온도 5~6°C 상승 등 역효과 가능

1.2 수랭식(자연 순환)

• 개념: 펌프 없이 물의 높은 열용량을 활용(열사이펀/침수)
• 성능: 열사이펀 상대 효율 19% 증가, 침수 방식(4 cm) 상대 효율 11% 향상
• 한계: 침수 시 재료 성능 저하·생물부착(biofouling)·광학 손실 우려, 열사이펀은 부피가 크고 반응이 느림

1.3 상변화 물질(PCM)

• 개념: PCM이 상변화 잠열을 흡수해 온도 완충
• 성능: 파라핀 왁스 적용 시 최대 10.26°C 온도 저감 및 효율 3.73% 증가, 가동식 셔터 결합 시 22°C 저감 및 효율 최대 9% 향상
• 한계: 낮은 열전도도, 야간 재응고 불충분 시 다음 날 성능 급락

2) 강제 냉각(Active Cooling) 기술

공통: 펌프/팬 등 외부 동력을 사용해 냉각은 강력하지만, 시스템 복잡성과 기생 에너지 손실이 단점

2.1 공기 냉각(강제 대류)

• 성능: 팬 기반 후면 냉각 시 온도 약 15°C 감소 및 효율 약 2% 증가
• 확장: 지열로 사전 냉각된 공기 사용 시 전력 출력 20% 향상
• 한계: 비용·소음·유지보수 부담, 팬 소비전력으로 순이득 감소

2.2 수랭식(강제 순환/분사)

• 성능: 후면 채널 순환 시 온도 10°C 저감 및 절대 효율 2.8% 증가, 전면 분사 시 전력 9~22% 향상 가능
• 한계: 초기 투자비·펌프 에너지 소비·물 소비량 문제, 경수 사용 시 미네랄 침전(광학 손실) 우려

2.3 나노유체 냉각

• 개념: 나노입자 분산 유체로 열전도도 향상
• 성능: 3% 실리카-물 나노유체는 전기 효율 9.2% → 11% 증가, Al₂O₃-물 나노유체는 79°C → 35°C로 저감하며 전력 50% 증가 보고
• 한계: 비용, 장기 안정성/환경영향 우려, 마이크로채널 막힘 가능성

3) 수상 태양광(FPV) 시스템

3.1 수체의 자연 냉각 효과

• 수체의 큰 열 질량이 방열판처럼 작용하며 대류·증발로 자연 냉각

3.2 성능 향상 및 사례

• 기본 성능: 육상 대비 평균 패널 온도는 네덜란드 3.2°C↓, 싱가포르 14.5°C↓ → 연간 에너지 생산량 각각 3%, 6% 증가
• 추가 결과: 다른 연구에서 FPV가 육상 대비 11% 높은 발전 효율 보고
• 액티브 쿨링: 일본 사례에서 10분 간격 물 분사로 패널 온도 최대 25°C 하강
• 방열판 결합: 후면 알루미늄 방열판-수체 접촉 시 전력/효율 3.61~14.55% 증가
• 부분 침수: 10% 침수 시 일반 FPV 대비 11% 더 효율적, 풍속 결합 시 20.28%까지 상승; 핀+20% 침수 시 전기 효율 24.02%
• 증발 억제: 수면 17% 차폐 시 증발량 30% 감소, 거의 완전 차폐 시 60% 감소 보고

3.3 액티브 수랭식 FPV 시스템 시사점

• FPV는 자연 냉각 기반이 강해 강제 수랭 적용 시 효과가 극대화될 수 있으며, 안정적 온도의 냉각수를 활용할 수 있어 고온 기후에서 성능 향상 잠재력이 큼

냉각기술 비교

특허조사 및 특허 전략 분석

(1) 특허조사

(2) 특허 전략

• 특허 개발 전략: 밀폐 유로형 수냉, 부분침수율·핀·유로폭·유량·심층수 제어 등 핵심기술 중심으로 원천특허 선점 + 독립/종속항 설계로 권리범위 확장 + 실증·시뮬레이션 기반 정량지표(ΔT, 효율, 펌프전력 비 등) 반영
• 특허 구매 전략: 글로벌 FPV 선도사 포트폴리오에서 상용화 필수 라이선스 우선 확보(라이선스-in/특허 인수) + 지역 제한/로열티 구조 명확화
• 상호 라이선스 전략: FPV 구조 선도사와 냉각·제어 특허를 교환매물로 상호 라이선스 + 해외 진출 시 현지 기업/기관과 공동계약 및 발명 공유 조항으로 리스크 완화

기술 로드맵

1) 초기 개념 및 기반 기술(1990년대~2000년대 중반)

• PV 온도 상승에 따른 효율 저하 인식, 단순 열 제거 중심
• 자연 냉각(후면 공간 확보) 기본 설계 + 팬/펌프 기반 기초 공랭·수랭 연구 시작
• PV-T(태양광-열 복합) 등장: 폐열을 난방/온수 등으로 활용하려는 동기에서 발전

2) 기술 정교화 및 다각화(2000년대 중반~2010년대)

• 자연 대류 최적화(방열판/핀 설계 정교화)
• PCM(파라핀 왁스 등) 기반 온도 안정화 기술 부상
• FPV 현실화: 2007년경 실증 설치, 2010년 NRG Island는 여름철 5~20% 추가 생산 잠재력 주장

3) 첨단 기술 및 하이브리드 시스템(2010년대 후반~현재)

• 나노유체 냉각 등 첨단 소재 기반 고성능화
• 복사 냉각(광자 소재로 우주로 복사 방열), IR 필터링(스펙트럼 분할) 등 신개념 기술 등장
• FTCC(부유+추적+냉각+집광)처럼 융합형 하이브리드 시스템 고도화
• FPV+액티브 분사, 부분침수+핀 등 ‘진화된 FPV’ 설계 확산

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

발전 효율 향상: 수냉식 열관리로 기준 대비 효율 +5% 이상 달성(실증 목표)

열관리 성능 확보: 부하 운전 시 셀 온도 상승 ≤10 °C로 억제하여 CPV 효율 저하 최소화

수상 운전 안정성: 정상 풍·파랑 조건에서 구조 파손 없음을 해석·수조 실험으로 검증

모듈식 확장성: ≈1 m² 단위 모듈 기반으로 수면 면적에 따라 용량 선형 확장 가능

현장 적응형 냉각 옵션: 여름 표층수(20–30 °C) 기본, 필요 시 심층수 활용로 추가 냉각 이득 기대

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

토지 제약 해소 및 산림훼손 완화

수면을 활용해 지상 부지 수요를 낮춰 대규모 부지확보 문제를 해결하고 태양광 발전소 설치 때문에 발생하는 산림훼손을 줄일 수 있습니다.

국내 수상 에너지 잠재력 활용

국내 저수지·호수·관개수로 기반 수상 PV 잠재 용량 ≈9.7 GW로 추정되며, 저수지 면적의 10% 활용 시 연 2,932 GWh 발전·연 1,294,450 tCO₂ 감축 효과가 예상됩니다. 본 과제의 수냉식 CPV를 결합하면 고효율 운전으로 해당 잠재 전력·감축량의 질적 향상에 기여할 수 있습니다.

산업·정책 연계 효과

재생에너지 확대 정책과 연계한 저수지 기반 분산형 발전 모델을 제시하여 공공수역의 활용가치를 높이고, 수면 차폐에 따른 증발 감소에 의한 수자원 관리 보조 효과도 기대할 수 있습니다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

수행 절차 및 일정

• 9월: 목표선정 및 자료조사
• 10월 상반기: 수면부유식 태양광 패널 구조 설계, 열관리 시스템 설계
• 10월 하반기: 모듈 제작
• 11월 상반기: 발전량 및 발열량 측정, 태양 추적 및 진동 제어 시스템 구상
• 11월 하반기: 시스템 통합, 효율 개선 측정, 태양 추적 기능 완성
• 12월: 최종 시스템 완성 및 성과보고

구성원 및 추진체계

구성원 및 추진 체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

본 프로젝트의 성공적인 설계를 위해 우선적으로 충족해야 할 제품 요구사항을 위와 같이 정의하였습니다. 요구사항은 문헌 조사, 사용자 인터뷰, 현장 여건 분석을 통해 수집하였고, 실현 가능성과 영향도를 고려하여 필수(D) 및 희망(W)로 구분하였습니다. 또한 요구사항의 중요도에 따라 각각 대, 중, 소로 등급을 나누어 세부화하였습니다. 여름 한계조건의 기준은 논문을 참고하여 성능을 정량화하였습니다.

그 결과 열성능과 수상 안정부문이 가장 중요 요구사항임을 확인했습니다. 경제성과 시공성은 중요도가 다른 요구사항에 비해 다소 낮아 병행하여 유지하는 것으로 처리하는 것이 가장 최선이라 생각합니다.

목적 계통도

본 장의 목적 계통도는 개발 대상인 수냉식 수상 태양에너지 발전 시스템의 설계 목표를 체계화하기 위해 작성하였습니다. 상위 목표를 네 개의 대분류(안정성·기능/성능·경제성·편의성)로 나누고, 각 분류를 다시 세부 목적의 부분집합으로 배열하였습니다.

품질의 집(House of Quality, HOQ)

본 연구에서는 고객 요구(What)와 기술 특성(How) 간의 연계성을 정량화하여 개발 우선순위를 도출하기 위해 품질의 집(House of Quality)을 작성하였습니다. 도표는 좌측의 고객 요구와 상단의 기술 특성을 중앙 행렬로 연결하고, 상단 지붕에서 기술 특성 간 상관관계를 제시함으로써 설계 방향을 한눈에 파악할 수 있도록 구성하였습니다.

고객 요구(What) 및 중요도

사용 환경(여름 일사, 수상 설치), 성능(효율·냉각), 안전·확장성, 경제성 등 8개 항목을 정리하였으며, 각 항목의 중요도는 1~5점 척도로 부여하였습니다. (5점: 필수·영향 매우 큼, 1점: 영향 작음)

기술 특성(How)

ΔT/열교환, 냉각 유량, 펌프 전력, 추적 정확도·범위, 구조 안전율, 질량, 인터페이스 표준화, 부식/방수, 전력생산단가, 운영비용 등 10개 기술 항목을 정의하였습니다. 각 항목은 이후 측정 가능한 지표와 목표치로 연결됩니다.

What–How 관계

고객 요구가 특정 기술 특성에 의해 어느 정도 충족되는지를 9/3/1 점수로 표기하였습니다(9=강한 관계, 3=중간, 1=약함). 점수는 서로 간의 차이를 줄 수 있는 값으로 결정하였습니다.

How–How 상관성

기술 특성들 간의 시너지 또는 충돌을 10/8/4/2/0/–2 척도로 표현하였습니다(10=강한 시너지, –2=강한 부정, 4=상관관계 없음). 예를 들어 ‘유량↑’는 ‘펌프 전력↑’과 부정의 상관을 가질 수 있으며, ‘인터페이스 표준화’는 ‘시공성’과 정(+) 상관을 가질 수 있습니다.

경쟁 평가

자사 개념안과 경쟁 대안의 현재 성과를 1~5점으로 비교하여, 목표 수준과의 간극을 확인하였습니다. 이 평가는 우선 추진해야 할 기술 항목을 현실적으로 가늠하는 보조 척도로 사용하였습니다.

배치 우선순위

각 기술 특성의 우선순위 점수는 계산 결과 아래와 같이 나타났습니다.

본 HOQ 결과, 열관리(ΔT/유량/펌프), 냉각 유량, 구조적 안정성 항목의 우선순위가 상대적으로 높게 산출되었습니다. 반면 펌프 전력과 전력 생산단가는 비교적 낮은 우선 순위를 보입니다. 지붕 분석에서는 ‘유량–펌프 전력’, ‘열교환면적–질량’과 같은 부정 상관이 확인되어, 설계 한계값을 사전에 설정하여 관리하도록 하였습니다.

설계 사양

설계사양123

본 시스템의 설계사양은 그림과 같이 기능별 원칙을 명확히 하여 도출하였습니다. 먼저 냉각 모듈은 누수·오염 위험을 최소화하기 위해 폐루프 수랭 방식만 사용하며, 직접 취수 방식은 허용하지 않겠습니다. 전원/제어는 신뢰성과 안전을 확보하기 위해 시중에서 검증된 전원 제어 모듈만 적용하고, 임의 개조는 지양하겠습니다. 유체 순환/펌프는 내구성과 호환성 확보를 위해 비 규격 샤프트 사용 및 펌프 개조를 금지합니다. 구조체/부력 프레임은 재료 선정 완료 후 도면에 따라 직접 제작하며, 제작 전후 치수 및 강도를 확인하여 안전 기준을 충족하겠습니다. 재료/코팅은 해수 환경에 적합한 플라스틱/알루미늄 등 경량 재료를 사용하고, 코팅 수명 3년 이상을 목표로 방수 부식 성능을 확보하겠습니다. 마지막으로 표준 부품은 밸브·커넥터 등 시판 표준품만 사용하며, 비규격·현장 임의 가공 부품은 사용을 지양하겠습니다. 이러한 원칙을 통해 설계의 일관성과 제작·운영 단계의 신뢰성을 동시에 확보하고, 추후 시험·검증 계획과 연계하여 사양 충족 여부를 체계적으로 확인하겠습니다.

그래프

본 그래프는 8개 설계 사양 변수의 중요도를 5~1로 평가한 뒤 합계 1.0으로 정규화 하여 가중치 분포를 나타낸 것입니다. 해석 결과 여름 기준 온도 차 유지, 기존 대비 효율 +5%p, 구조 안정성 확보가 동일한 최상위 우선순위로 도출되어 성능·안전의 핵심 목표로 선행 확보가 필요합니다. 그 다음으로는 모듈 기준 선형 확장 가능이 위치하여 초기 성능 확보 직후 인터페이스 표준화와 함께 동결하는 것이 타당합니다. 중간 가중치에 해당하는 부식·오염 저감과 유지보수 비용은 장기 운용비에 미치는 영향이 커 핵심 성능 달성과 병행하여 최적화하겠습니다. 상대적으로 낮은 가중치의 설치/회수 4인 4시간과 제품 가격(≤100만 원)은 한계 값을 설정해 일정·예산 리스크를 통제하는 방식으로 관리하겠습니다.

종합하면, 초기 자원은 ΔT·효율·안전(1~3번)과 확장성(4번)에 집중하고, 부식·방수와 유지비(6·8번)는 병행하면서 최적화하고, 시공성·가격(5·7번)은 현재 기준치 유지로 관리하는 전략이 본 프로젝트의 목표 달성에 가장 합리적이라고 판단합니다.

개념설계안

개념설계안 제1안

제 1안

위 아이디어는 폐루프 수랭식 PV 입니다. 펌프가 좌측 고무 호스를 통해 냉각수를 상부로 올리면, 상부 매니폴드에서 유체가 분기되어 PV 패널 뒷면에 부착된 여러 개의 알루미늄 사각 파이프 채널로 고르게 유입됩니다. 냉각수는 각 채널을 따라 상→하 병렬 흐름으로 이동하며 셀에서 발생한 열을 흡수한 뒤 하부 매니폴드에 집합되고, 이어서 우측 배관을 통해 수중 열교환기로 들어가 수면과 열교환을 한 후 다시 펌프로 반환되어 밀폐 루프를 형성합니다. :contentReference[oaicite:0]{index=0}

위 아이디어는 채널 다중화로 온도 분포 균일하며 구조 단순·정비 용이하고 오염가능성이 적습니다.

개념설계안 제2안

제 2안

위 아이디어는 폐루프 수랭식 원 채널 PV 냉각입니다. 펌프가 좌측 고무 호스를 통해 냉각수를 상부로 올리면 상부 매니폴드에서 유체가 분산되어 PV 패널 뒷면의 원채널로 유입됩니다. 냉각수는 채널 내부를 가로질러 상→하로 면 흐름을 만들며 패널의 열을 흡수한 뒤 하부 매니폴드에 모여 배관을 따라 수중 열교환기로 이동합니다. 수면과 열교환을 마친 냉각수는 다시 펌프로 복귀하여 완전 밀폐 루프를 형성합니다. 이 아이디어의 경우 다관식 대비 누설 포인트가 적고 조립이 단순하고 패널 후면을 균일 면냉각하여 온도 분포 편차를 줄일 수 있습니다.

개념설계안 제3안

제 3안

위 아이디어는 부분 침수형 방식의 폐루프 수랭식 PV 냉각입니다. 펌프가 좌측 고무 호스를 통해 냉각수를 상부로 올리면, 상부 매니폴드에서 유체가 다수의 알루미늄 사각 파이프 채널로 균등 분배됩니다. 각 튜브는 중간부터 하단까지 수면과 직접 접촉되도록 배치되어 외측으로는 물에 의한 열교환이 일어나고, 내부 냉각수는 상→하로 하강하면서 열을 흡수한 뒤 하부 매니폴드/수중 열교환기로 모입니다. 이후 배관을 따라 펌프로 복귀하여 완전 밀폐 루프가 형성됩니다. 이 아이디어는 수면과 직접 접촉하기 때문에 열교환 면적을 크게 확보할 수 있어 성능은 가장 좋게 나타날 것으로 예측합니다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

냉각시스템 성능과 전산유체역학 해석

모델 및 해석 scheme

태양 복사를 받는 전지판의 냉각장치 유무에 따른 온도 분포 변화를 알아보기 위하여 CFD 해석을 이용하였다. 알루미늄 방열 파이프와 PV 패널을 단순화한 CAD 형상을 기반으로 하였고, 초기조건 온도 설정 후 일정량의 열복사를 수직 아래로 가하여 태양열에 의한 가열을 모사하였다. grey thermal radiation 모델을 통해 주위 환경과의 복사 열전달 또한 구현하였다.

주변 공기에 의한 대류 냉각을 구현하기 위해 해석 공간을 조성하였고 Boussinesq 부력 모델을 통해 온도차에 의한 자연 대류를 나타내었다. 공기 도메인은 정상상태의 난류유동 모델을 사용하였다.

격자

격자

Thin mesh를 이용한 PV 패널과 알루미늄 방열 파이프 격자 생성

초기조건/경계조건 초기조건은 대기와 고체부분 35도씨, 냉각수 부분 온도 28도씨로 해서 여름철 환경을 나타내었고, 태양복사모델을 통하여 1000 W/m2의 복사에너지를 수직방향으로 조사하여 시스템에 열에너지를 공급하였다. 방열파이프 하단부분은 물에 잠기는 효과를 나타내기 위해, 28도씨의 대류 열전달로 가정하였고 대류 열전달계수는 50 W/m2K로 보수적으로 설정하였다.

결과 먼저 냉각장치를 설치하지 않은, PV 패널에 대기에 의한 자연 대류만이 작용하는 상황에서 패널 표면 온도 변화를 테스트하였다. 대기에 의한 자연대류 효과가 나타나서 온도가 과열되지는 않았다. 특히 경사진 형태가 공기 순환을 자연스럽게 하여 냉각 효과를 증폭시키는 효과가 있어 최고 온도가 56도로 양호하게 나타났다. 다만 그 온도를 더 낮추어 최고 효율로 운전할 수 있는 개선 가능성이 충분히 존재한다고 본다. 경계층효과로 인해 하단부 온도가 상단부에 비해 더 낮게 나타난다. 알루미늄 방열 파이프를 설치하여 PV 패널의 표면적을 늘린 상황에서 패널 표면 온도를 테스트하였다. 방열파이프에 의한 표면적 증가 효과와, 수중 침수 부분에 의한 전도 냉각 효과에 의해 최고 온도가 48.9도로 하강하였다. 설치한 냉각 장치에 0.02 kg/s 유량(72L/h)의 냉각수를 흘려 보내어 패널 표면 온도를 테스트하였다. 표면 최고 온도를 34.8도로 낮추어 냉각효과가 분명하다. 설치한 냉각 장치에 0.05 kg/s 유량(180L/h)의 냉각수를 흘려 보내어 패널 표면 온도를 테스트하였다. 33.2도 표면 온도를 보인다. 중앙부분에 방열파이프 설치가 누락된 부분에서 냉각이 잘 되지 않고, 유량이 증가한다고 이것이 변화하지는 않는다.

지지대 구조 해석 본 프로젝트는 수상 태양광이므로 크게 태양광부분의 열처리 유동해석과 외부 압력과 힘을 받는 지지대의 구조해석으로 분류할 수 있다. 본 부분에서는 지지대 부분의 구조해석을 Ansys 2024 R2 프로그램을 활용하여 시뮬레이션을 하였다.

이론적 배경 수상태양광은 대부분이 파랑이 비교적 잠잠한 바다나 내해 혹은 호수에 설치하는 것이 대부분이다. 따라서 본 시뮬레이션에서는 『2 MW급 수상태양광 발전 설비의 전체 모듈 해석을 통한 구조 안전성 평가』라는 한국태양에너지학회의 논문에 나와있는 조건을 활용하여 구조해석을 진행하였다. 본 논문에서는 크게 풍하중과 파랑&조류를 하중입력으로 설정하였다. 풍하중의 경우 최대 풍속 45m/s조건에서 패널이 받는 풍압 데이터 중 최대 풍압인 1,425 Pa를 적용하였다. 파랑 조류 하중의 경우 파 스펙트럼은 Jonswap으로 하고 최대 파고 1 m, 파주기 15 s로 설정하였고 조류 유속은 0.5 m/s로 설정하였다. JONSWAP(Joint North Sea Wave Project) 스펙트럼은 북해 관측(1968–1970)으로 정립된 바람에 의해 생성·발달 중인 풍파의 1차원 파랑 에너지 스펙트럼 모델이다.

구조해석 시뮬레이션 Ansys 2024 R2 프로그램을 활용하여 먼저 본 하중데이터를 기반으로 간단한 위상최적화를 통해 지지대의 형상을 결정하고 결정된 지지대를 기반으로 구조해석을 진행하여 다양한 시뮬레이션 데이터를 도출한다. Ansys의 위상최적화의 경우 정적하중만을 입력데이터로 가지므로 파랑 하중의 경우 이를 정적하중으로 변환해야 한다. 위의 논문의 조건들을 활용하여 정적하중으로 변환하면 다음과 같은 결과가 나타난다.

<math>P(z,t)=\rho ga e^{(kz)}\cos(\omega t+\phi)</math>에서 <math>z=0</math>일 때 <math>\rho ga = 1025 \times 9.81 \times 0.5 \approx 5027.6\ \mathrm{Pa}</math>가 최댓값으로 나타난다.

이후 위의 정적 하중과 수랭 부품의 무게와 풍압을 계산하여 위상최적화를 진행한다. 먼저 위상최적화 적용 영역은 아래 파란 영역이다. (회색은 태양광 패널) 위상 최적화시 제외영역(반드시 보존하는 영역)을 설정한 뒤 강성이 최대로 하고 10%의 질량만을 남기도록 목표를 설정하였다. 위상최적화 결과를 참고하여 지지대를 설계하였고, 논문에서 차용한 데이터를 기반으로 구조해석을 진행하였다.

구조해석 결과 먼저 전체 변형량(Total Deformation)은 해석결과 최대 변형값이 0.076853 mm로 나타났으며 이는 기존 길이대비 약 0.016%의 변형이 일어났으므로 무시가능한 정도의 변형이다. 응력의 경우 최대응력이 약 25.336 MPa로 관찰되었다. 일반적인 알루미늄의 항복강도가 약 150~240 MPa인 것을 고려하면 최소한의 안전율로 계산해도 6 이상이다. 최소 수명은 4000시간이 넘고 최대 손상도는 0.005에 불과하며 최소 안전계수도 3이 넘는 것으로 나타나, 시뮬레이션 결과를 종합하면 지지대 설계의 구조적 안정성은 매우 안전하다고 평가할 수 있다.

상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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