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*학생: 시스템 설계, 시뮬레이션, 제작 및 통합 수행
 
*학생: 시스템 설계, 시뮬레이션, 제작 및 통합 수행
  
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=== 관련 기술의 현황 ===
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===관련 기술의 현황===
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==== 가. State of art ====
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====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
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PV 패널 효율은 작동 온도와 반비례하며, 온도 1°C 상승 시 효율은 약 0.45~0.5% 감소한다. 또한 태양 복사 에너지의 80% 이상이 폐열로 전환되어 패널 온도가 상승하고, 이는 상당한 전력 손실로 이어진다.
 
  
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===== 1. 자연 냉각(Passive Cooling) 기술 =====
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* 전 세계적인 기술현황
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자연 냉각은 외부 에너지 입력 없이 자연적 열전달 현상에 의존하며, 단순성·저비용·높은 신뢰성이 장점이다.
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** PV 패널 효율은 작동 온도와 반비례하며, 온도 1°C 상승 시 효율이 약 0.45~0.5% 감소한다.
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** 태양 복사 에너지의 80% 이상이 폐열로 전환되어 패널 온도가 상승하고, 이는 전력 손실로 이어진다.
  
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====== 1.1. 공기 냉각(자연 대류) ======
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** '''1) 자연 냉각(Passive Cooling) 기술'''
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* '''개념''': 방열판이나 핀을 이용해 패널 후면의 공기 흐름을 강화하여 열 방출 표면적을 증대하는 방식.
+
*** '''1.1 공기 냉각(자연 대류)'''
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* '''성능''': 알루미늄 방열판 사용 시(일사량 800 W/m²) 효율이 9% 상대적으로 증가했으며, 구멍 뚫린 핀 적용으로 패널 온도를 85.3°C → 72.8°C로 감소.
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**** 개념: 방열판/핀을 이용해 후면 공기 흐름을 강화하여 열 방출 표면적을 증대
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* '''단점''': 열전달률이 낮아 효과가 제한적이며, 채널 설계가 부적절하면 열이 갇혀 온도가 5~6°C 상승하는 역효과가 발생할 수 있음.
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**** 성능: 알루미늄 방열판(일사량 800 W/m²) 적용 시 상대 효율 9% 증가, 핀 구조로 패널 온도 85.3°C → 72.8°C 감소
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**** 한계: 낮은 열전달률로 효과가 제한적이며, 채널 설계가 부적절하면 온도 5~6°C 상승 등 역효과 가능
  
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====== 1.2. 수랭식(자연 순환) ======
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*** '''1.2 수랭식(자연 순환)'''
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* '''개념''': 펌프 없이 물의 높은 열용량을 활용하는 방식으로, 열사이펀(Thermosyphon)과 침수(Immersion) 방식이 있음.
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**** 개념: 펌프 없이 물의 높은 열용량을 활용(열사이펀/침수)
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* '''성능''': 열사이펀 시스템은 상대 효율 19% 증가, 침수 방식은 4 cm 깊이에서 상대 효율 11% 향상.
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**** 성능: 열사이펀 상대 효율 19% 증가, 침수 방식(4 cm) 상대 효율 11% 향상
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* '''단점''': 침수 시 재료 성능 저하, 생물 부착(biofouling), 광학적 손실이 발생할 수 있으며, 열사이펀은 부피가 크고 반응이 느림.
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**** 한계: 침수 시 재료 성능 저하·생물부착(biofouling)·광학 손실 우려, 열사이펀은 부피가 크고 반응이 느림
  
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====== 1.3. 상변화 물질(PCM) ======
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*** '''1.3 상변화 물질(PCM)'''
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* '''개념''': 패널 후면의 PCM이 상변화 과정에서 잠열을 흡수하여 온도를 일정하게 유지.
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**** 개념: PCM이 상변화 잠열을 흡수해 온도 완충
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* '''성능''': 파라핀 왁스 사용 시 패널 온도를 최대 10.26°C 낮춰 효율을 3.73% 증가. 가동식 셔터 결합 시 온도 22°C 감소 및 효율 9%까지 향상.
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**** 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
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* '''단점''': 낮은 열전도도로 열 흡수율이 제한되며, 야간 재응고가 불충분하면 다음 날 냉각 성능이 급격히 저하될 수 있음.
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**** 한계: 낮은 열전도도, 야간 재응고 불충분 시 다음 날 성능 급락
  
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===== 2. 강제 냉각(Active Cooling) 기술 =====
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** '''2) 강제 냉각(Active Cooling) 기술'''
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강제 냉각은 펌프·팬 등 외부 동력을 사용해 더 강력하고 제어 가능한 냉각을 제공하지만, 시스템 복잡성과 기생 에너지 손실이 단점이다.
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*** 공통: 펌프/팬 등 외부 동력을 사용해 냉각은 강력하지만, 시스템 복잡성과 기생 에너지 손실이 단점
  
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====== 2.1. 공기 냉각(강제 대류) ======
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*** '''2.1 공기 냉각(강제 대류)'''
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* '''개념''': 팬을 사용해 패널 표면/후면에 고속 공기 흐름을 강제로 형성.
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**** 성능: 팬 기반 후면 냉각 시 온도 약 15°C 감소 및 효율 약 2% 증가
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* '''성능''': 후면 냉각 시 온도 약 15°C 감소 및 효율 약 2% 증가. 지열로 사전 냉각된 공기 사용 시 전력 출력 20% 향상.
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**** 확장: 지열로 사전 냉각된 공기 사용 시 전력 출력 20% 향상
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* '''단점''': 비용·소음·유지보수 부담이 발생하고, 팬의 에너지 소비가 순 전력 이득을 감소시킴.
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**** 한계: 비용·소음·유지보수 부담, 팬 소비전력으로 순이득 감소
  
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====== 2.2. 수랭식(강제 순환) ======
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*** '''2.2 수랭식(강제 순환/분사)'''
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* '''개념''': 물을 펌핑해 채널을 통해 흐르게 하거나, 표면에 직접 분사하여 냉각.
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**** 성능: 후면 채널 순환 시 온도 10°C 저감 및 절대 효율 2.8% 증가, 전면 분사 시 전력 9~22% 향상 가능
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* '''성능''': 후면 채널 순환 시 온도 10°C 감소 및 절대 효율 2.8% 증가. 전면 분사 시 전력 출력 9~22% 향상 가능.
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**** 한계: 초기 투자비·펌프 에너지 소비·물 소비량 문제, 경수 사용 시 미네랄 침전(광학 손실) 우려
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* '''단점''': 초기 투자비가 높고 펌프 에너지 소비가 크며, 물 소비량(특히 건조 기후)이 문제. 경수 사용 시 미네랄 침전으로 광학적 손실 우려.
 
  
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====== 2.3. 나노유체 냉각 ======
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*** '''2.3 나노유체 냉각'''
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* '''개념''': 나노 입자를 유체에 분산시켜 열전도도를 높인 공학 유체를 냉각에 활용.
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**** 개념: 나노입자 분산 유체로 열전도도 향상
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* '''성능''': 3% 실리카-물 나노유체로 전기 효율 9.2% → 11% 증가. Al₂O₃-물 나노유체는 79°C → 35°C로 낮춰 전력을 50% 증가시켰다고 보고됨.
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**** 성능: 3% 실리카-물 나노유체는 전기 효율 9.2% → 11% 증가, Al₂O₃-물 나노유체는 79°C → 35°C로 저감하며 전력 50% 증가 보고
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* '''단점''': 높은 비용, 장기 안정성·환경 영향 우려, 마이크로채널 막힘 가능성 등 상용화 한계.
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**** 한계: 비용, 장기 안정성/환경영향 우려, 마이크로채널 막힘 가능성
  
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===== 3. 수상 태양광(FPV) 시스템 =====
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** '''3) 수상 태양광(FPV) 시스템'''
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FPV 시스템은 수체의 자연 냉각 효과로 육상 시스템 대비 초기 열적 이점을 가지며, 이는 복합적인 열전달 메커니즘의 결과이다.
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*** '''3.1 수체의 자연 냉각 효과'''
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**** 수체의 큰 열 질량이 방열판처럼 작용하며 대류·증발로 자연 냉각
  
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====== 3.1. 수체의 자연 냉각 효과 ======
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*** '''3.2 성능 향상 및 사례'''
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거대한 수체의 열 질량은 방열판 역할을 하며, 대류 및 증발을 통해 패널을 자연적으로 냉각한다.
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**** 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
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**** 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
  
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====== 3.2. FPV 설비의 성능 향상 및 사례 ======
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*** '''3.3 액티브 수랭식 FPV 시스템 시사점'''
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* '''기본 성능''': 육상 대비 FPV 패널 평균 온도는 네덜란드에서 3.2°C, 싱가포르에서 14.5°C 더 낮았고, 연간 에너지 생산량이 각각 3%, 6% 증가. 다른 연구에서는 FPV가 육상보다 11% 높은 발전 효율을 보임.
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**** 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
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* '''액티브 쿨링 적용''': 일본 사례에서 10분 간격 물 분사로 패널 온도 최대 25°C 하강.
 
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* '''방열판 결합''': 후면 알루미늄 방열판을 물과 접촉시켜 일사량에 따라 전력/효율 3.61%~14.55% 증가.
 
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* '''부분 침수 방식''': 10% 침수 시 일반 FPV 대비 11% 더 효율적이며, 풍속이 더해지면 20.28%까지 상승. 후면 핀 부착 + 20% 침수 시 전기 효율 24.02% 보고.
 
−
* '''물 증발 억제''': 수면의 17%를 덮으면 증발량 30% 감소, 거의 완전히 덮으면 60% 감소율이 보고됨.
 
  
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====== 3.3. 액티브 수랭식 FPV 시스템에 대한 시사점 ======
+
** '''냉각기술 비교(요약)'''
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FPV는 자연 냉각이라는 강력한 기반 위에서 시작하므로, 강제 수랭 적용 시 효과가 극대화될 수 있다. 비교적 안정적인 온도의 냉각수를 무제한으로 활용할 수 있어, 특히 고온 기후에서 기존 냉각 방식 대비 성능 향상 잠재력이 크다.
+
{| class="wikitable" style="text-align:center;"
−
 
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! 냉각 방식 !! 세부 기술 !! 온도 강하 !! 효율/전력 증가 !! 장점 !! 단점
−
{| class="wikitable" style="width:100%;"
 
−
! 냉각 방식
 
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! 세부 기술
 
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! 온도 강하
 
−
! 효율/전력 증가
 
−
! 장점
 
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! 단점
 
 
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| 자연 공랭식
+
| 자연 공랭식 || 방열판/핀 || 10.6% 감소, 12.5°C 감소 || 9% 상대 효율 증가, 14.5% 효율 증가 || 단순·저렴, 신뢰성 높음 || 효과 제한, 설계 오류 시 역효과
−
| 방열판 / 핀
 
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| • 10.6% 감소<br/>• 12.5°C 감소
 
−
| • 9% 상대 효율 증가<br/>• 14.5% 효율 증가
 
−
| • 단순하고 저렴함<br/>• 가동 부품 없어 신뢰성 높음
 
−
| • 냉각 효과 제한적<br/>• 잘못된 설계 시 역효과 발생 가능
 
 
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| 자연 수랭식
+
| 자연 수랭식 || 열사이펀/침수 || 패널 온도 30°C 유지 || 19%/11% 상대 효율 증가 || 펌핑 불필요, 효과적 || 광학 손실/재료 저하, 부피 큼
−
| 열사이펀 / 침수
 
−
| • 패널 온도 30°C로 유지
 
−
| • 19% 상대 효율 증가<br/>• 11% 상대 효율 증가
 
−
| • 자연 공랭식보다 효과적<br/>• 펌핑 에너지 불필요
 
−
| • 광학적 손실·재료 성능 저하 위험<br/>• 시스템 부피가 큼
 
 
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−
| 상변화 물질(PCM)
+
| PCM || 후면 PCM 층 || 10.26°C/22°C 감소 || 3.73% 증가, 최대 9% 개선 || 저장밀도 높음, 안정화 || 열전도도 낮음, 재응고 이슈
−
| 후면 PCM 층
 
−
| • 10.26°C 감소<br/>• 22°C 감소
 
−
| • 3.73% 효율 증가<br/>• 최대 9% 효율 개선
 
−
| • 높은 열에너지 저장 밀도<br/>• 장시간 온도 안정화
 
−
| • 낮은 열전도도<br/>• 야간 재응고 불충분 시 성능 저하
 
 
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| 수상 태양광(FPV)
+
| FPV || 수체 냉각 || 3.2~14.5°C 감소 || 연 3~6% 생산량 증가 || 방열판 효과, 토지 효율 || 초기비용/설치 복잡, 지역 제한
−
| 수체 냉각
 
−
| • 3.2°C ~ 14.5°C 감소
 
−
| • 연간 3% ~ 6% 생산량 증가
 
−
| • 거대한 방열판 활용<br/>• 토지 이용 효율성 증대
 
−
| • 높은 초기 비용 및 설치 복잡성<br/>• 적용 지역 제한
 
 
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−
| 강제 공랭식
+
| 강제 공랭식 || 팬(강제 대류) || 13~15°C 감소 || ~2% 효율 증가, 최대 20% 전력 개선 || 효과적, 냉각재 수급 용이 || 기생손실, 소음/유지보수
−
| 강제 대류(팬)
 
−
| • ~13°C ~ 15°C 감소
 
−
| • ~2% 효율 증가<br/>• 최대 20% 전력 개선
 
−
| • 자연 공랭식보다 효과적<br/>• 용이한 냉각재 수급
 
−
| • 기생 에너지 손실<br/>• 비용·소음·유지보수 부담
 
 
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−
| 강제 수랭식
+
| 강제 수랭식 || 강제 순환/분사 || 10~23°C 감소 || 2.8% 절대 효율 증가, 최대 22% 전력 증가 || 매우 효과적, 세척 부가효과 || 초기비용/에너지 소비, 물 소비
−
| 강제 순환 / 분사
 
−
| • 10°C ~ 23°C 감소
 
−
| • 2.8% 절대 효율 증가<br/>• 최대 22% 전력 증가
 
−
| • 매우 효과적인 냉각 성능<br/>• 패널 세척 부가 효과
 
−
| • 높은 초기 비용 및 에너지 소비<br/>• 많은 물 소비량
 
 
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−
| 나노유체 냉각
+
| 나노유체 || 강제 순환 || 19~44°C 감소 || 1.8% 절대 효율 증가, 최대 50% 전력 증가 보고 || 열전도도 우수 || 비용, 안정성/막힘 우려
−
| 강제 순환
 
−
| • 19°C ~ 44°C 감소
 
−
| • 1.8% 절대 효율 증가<br/>• 최대 50% 전력 증가 보고
 
−
| • 뛰어난 열전도도
 
−
| • 높은 비용<br/>• 장기 안정성 및 막힘 우려
 
 
|}
 
|}
  
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+
* 특허조사 및 특허 전략 분석
−
*특허조사 및 특허 전략 분석
+
** '''(1) 특허조사'''
−
{| class="wikitable" style="text-align:center; width:100%;"
+
{| class="wikitable" style="text-align:center;"
−
! 구분
+
! 구분 !! 특허(국가/번호·연도) !! 핵심 아이디어 !! 장점 !! 단점
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! 특허(국가/번호·연도)
 
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! 핵심 아이디어
 
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! 장점
 
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! 단점
 
 
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| 해외
+
| 해외 || US 10,644,645 B2 (2020) || 부유체 위 PV 부분침수로 수면과 직접 열교환 || 구조 단순, 펌프/유로 없이 냉각, 설치 용이 || 침수율/파랑 조건 성능 변동, 방수 이슈, 생물오염·스케일
−
| US 10,644,645 B2 (2020)
 
−
| 부유체 위 PV를 부착시켜 수면과 직접 열교환
 
−
| 구조 단순, 펌프/유로 없이 냉각, 설치 용이
 
−
| 침수율·파랑 조건에 따른 성능 변동, 모듈/커넥터 방수 이슈, 생물오염·스케일
 
 
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−
| 해외
+
| 해외 || US 2014/0060620 A1 (2014) || 외부 수열원 이용 살수·수막 냉각 || 냉각 효과 큼, 세정+냉각 동시 || 물 소모/부식/스케일, 수질 의존, 바람 영향
−
| US 2014/0060620 A1 (2014)
 
−
| 외부 수원원 이용 살수와 수막으로 패널 냉각
 
−
| 냉각 효과 큼, 세정·냉각 동시에 처리 가능
 
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| 개방계라 물 소모/부식/스케일, 수질 의존, 바람 영향
 
 
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| 국내
+
| 국내 || KR 10-1148020 B1 || 모듈 냉각수 분사로 온도 억제 || 구현 난이도 낮음, 저비용 || 분사 장치 유지보수, 방수 위험, 환경영향 관리 필요
−
| KR 10-1148020 B1
 
−
| 모듈에 냉각수 분사로 온도 억제
 
−
| 구현 난이도 낮음, 저비용
 
−
| 분사 장치 유지보수, 전기·커넥터 방수 위험, 환경 영향
 
 
|-
 
|-
−
| 국내
+
| 국내 || KR 2024-0068338 A || 냉각 기능층 포함 복합 패널로 효율 개선 || 전도 경로 안정 || 제조 복잡/비용↑, 모듈 교체성 저하 가능
−
| KR 2024-0068338 A
 
−
| 냉각 기능층을 포함한 복합 패널로 효율 개선
 
−
| 일체형 구조로 전도 경로 안정
 
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| 모듈 교체성 저하, 제조 복잡·비용 상승, 특정 접촉구성 포설 위험
 
 
|}
 
|}
  
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*기술 로드맵
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** '''(2) 특허 전략(요약)'''
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내용
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*** '''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
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*** '''특허 구매 전략''': 글로벌 FPV 선도사 포트폴리오에서 상용화 필수 라이선스 우선 확보(라이선스-in/특허 인수) + 지역 제한/로열티 구조 명확화
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*** '''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
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* 기술 로드맵
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** '''1) 초기 개념 및 기반 기술(1990년대~2000년대 중반)'''
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*** PV 온도 상승에 따른 효율 저하 인식, 단순 열 제거 중심
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*** 자연 냉각(후면 공간 확보) 기본 설계 + 팬/펌프 기반 기초 공랭·수랭 연구 시작
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*** PV-T(태양광-열 복합) 등장: 폐열을 난방/온수 등으로 활용하려는 동기에서 발전
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** '''2) 기술 정교화 및 다각화(2000년대 중반~2010년대)'''
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*** 자연 대류 최적화(방열판/핀 설계 정교화)
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*** PCM(파라핀 왁스 등) 기반 온도 안정화 기술 부상
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*** FPV 현실화: 2007년경 실증 설치, 2010년 NRG Island는 여름철 5~20% 추가 생산 잠재력 주장
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** '''3) 첨단 기술 및 하이브리드 시스템(2010년대 후반~현재)'''
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*** 나노유체 냉각 등 첨단 소재 기반 고성능화
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*** 복사 냉각(광자 소재로 우주로 복사 방열), IR 필터링(스펙트럼 분할) 등 신개념 기술 등장
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*** FTCC(부유+추적+냉각+집광)처럼 융합형 하이브리드 시스템 고도화
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*** FPV+액티브 분사, 부분침수+핀 등 ‘진화된 FPV’ 설계 확산
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====시장상황에 대한 분석====
 
====시장상황에 대한 분석====

2025년 12월 13일 (토) 01:53 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
  • 8CPV 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 기술현황
    • 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(요약)
냉각 방식 세부 기술 온도 강하 효율/전력 증가 장점 단점
자연 공랭식 방열판/핀 10.6% 감소, 12.5°C 감소 9% 상대 효율 증가, 14.5% 효율 증가 단순·저렴, 신뢰성 높음 효과 제한, 설계 오류 시 역효과
자연 수랭식 열사이펀/침수 패널 온도 30°C 유지 19%/11% 상대 효율 증가 펌핑 불필요, 효과적 광학 손실/재료 저하, 부피 큼
PCM 후면 PCM 층 10.26°C/22°C 감소 3.73% 증가, 최대 9% 개선 저장밀도 높음, 안정화 열전도도 낮음, 재응고 이슈
FPV 수체 냉각 3.2~14.5°C 감소 연 3~6% 생산량 증가 방열판 효과, 토지 효율 초기비용/설치 복잡, 지역 제한
강제 공랭식 팬(강제 대류) 13~15°C 감소 ~2% 효율 증가, 최대 20% 전력 개선 효과적, 냉각재 수급 용이 기생손실, 소음/유지보수
강제 수랭식 강제 순환/분사 10~23°C 감소 2.8% 절대 효율 증가, 최대 22% 전력 증가 매우 효과적, 세척 부가효과 초기비용/에너지 소비, 물 소비
나노유체 강제 순환 19~44°C 감소 1.8% 절대 효율 증가, 최대 50% 전력 증가 보고 열전도도 우수 비용, 안정성/막힘 우려
  • 특허조사 및 특허 전략 분석
    • (1) 특허조사
구분 특허(국가/번호·연도) 핵심 아이디어 장점 단점
해외 US 10,644,645 B2 (2020) 부유체 위 PV 부분침수로 수면과 직접 열교환 구조 단순, 펌프/유로 없이 냉각, 설치 용이 침수율/파랑 조건 성능 변동, 방수 이슈, 생물오염·스케일
해외 US 2014/0060620 A1 (2014) 외부 수열원 이용 살수·수막 냉각 냉각 효과 큼, 세정+냉각 동시 물 소모/부식/스케일, 수질 의존, 바람 영향
국내 KR 10-1148020 B1 모듈 냉각수 분사로 온도 억제 구현 난이도 낮음, 저비용 분사 장치 유지보수, 방수 위험, 환경영향 관리 필요
국내 KR 2024-0068338 A 냉각 기능층 포함 복합 패널로 효율 개선 전도 경로 안정 제조 복잡/비용↑, 모듈 교체성 저하 가능
    • (2) 특허 전략(요약)
      • 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
구분 회사/제품 냉각 방식 온도 효율 특징 사진
표준 부유체형 FPV Ciel & Terre – Hydrelio® 수면 인접 위주 냉각방식 싱가포르/네덜란드 사례에 따르면 E 3~10°C 하락으로, 수익 2~10%p 상승 120px
표준 부유체형 FPV Sungrow FPV – Floating System 공기 대류와 구조적 환경 설계를 통한 냉각방식 적정온도 범위 설계 & 성능 변화 관리(±5% 이내 목표) 120px
직접 접촉/박형 FPV Ocean Sun – Floating PV 모듈을 수면에 직접 접촉시켜 전도·대류 냉각방식 연구에서 수온 영향으로 직접 접촉식은 낮은 작동 온도 120px
추적식(회전) FPV SolarisFloat – Protrevs 수면 인접 자연 냉각 + 태양추적식으로 수광·열환경 최적화 수면 아래의 공기가 냉각된 상태로 육상 대비 낮은 작동온도 유지 120px



  • 마케팅 전략 제시
구분 내용 요약
강점 (Strengths) - 수냉식 냉각을 통한 온도 저감으로 고효율 실현 가능성 상승
- 수상 공간 활용으로 토지 확보 제약 완화
- 신기술 이미지, 차별화된 기술적 경쟁 우위 확보 가능
약점 (Weaknesses) - 초기 투자 비용이 높을 가능성 높음
- 광학 + 냉각 + 구조통합같은 복잡한 설계
- 수상 구조물(부유체) 안정성, 부식, 유지보수 문제
기회 (Opportunities) - 재생에너지 확대 정책 및 보조금 기회
- 토지 자원이 부족한 지역에서의 수상형 발전 관심 증가
- 기후 변화 대응, 탄소 중립 등 ESG 수요 증가
위협 (Threats) - 기존 태양광(PV) 기술의 비용 경쟁력 우위
- 기술 리스크에 대한 시장 불안감
- 규제·허가 문제가 수상 발전 사업에 제약 가능성
구분 내용 요약
제품 (Product) - 수냉식 냉각 기술을 적용해 모듈 온도 상승 억제 및 효율 향상
- 모듈형 설계로 확장성 확보
가격 (Price) - 초기 설치비용은 다소 높으나, 장기적으로 발전 효율 상승과 유지보수 비용 절감으로 경쟁력 확보
- 공공 프로젝트 및 정부 보조금 활용을 통해 비용 부담 완화
시장 (Place) - 토지 부족 지역 및 저수지·댐·강·수로 등 공공 수역 중심 보급
- 정부/지자체 신재생에너지 보급 정책과 연계
- 중동이나 동남아같은 신흥국 시장 진출 가능성
홍보 (Promotion) - 실증 프로젝트 성과 데이터를 바탕으로 신뢰성 확보
- 탄소 절감 및 수자원 증발 억제 효과를 ESG 마케팅 포인트로 강조
- 학회 발표, 전시회, 언론 홍보를 통한 기술 인지도 제고
비교 항목 기존 지상/육상 PV 수상식 FPV
부지 확보/민원 토지 임대·보상 문제 민원 잦음 기존 저수지·저수면 활용 민원 낮음
모듈 온도/냉각 복사열로 인한 고온에 의해 출력 저하 수면 인접 자연 냉각으로 온도 하락 때문에 효율 상승
시공 토목·파일·크레인 부유체·계류·수면 시공
운영/유지보수 패널 청소·제초·경계비용 수면 접근, 수초·수질 관리 필요
환경·사회 토지 생태 영향 수생생태 영향 평가 필요
확장성 대규모 부지 필요 대형 저수지·댐·산단저수지

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

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

섬네일을 만드는 중 오류 발생: 12.5 MP 이상의 파일 용량

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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