최근 몇 년 동안 태양광 패널의 보급이 급증하면서 저는 태양광(PV) 시장의 성장 속도에 깊은 인상을 받았습니다. 다음 보고서에서 프라운호퍼 ISE 에 따르면 2014년부터 2024년까지 전 세계 태양광 설치량은 연평균 성장률(CAGR) 271%에 달하는 것으로 나타났습니다. 보다 효율적인 태양 에너지 활용을 추구하는 것이 강력하고 부인할 수 없는 트렌드가 된 것은 분명합니다.
저는 업무를 수행하면서 현대의 태양광 발전 시스템이 더 이상 전력 생산에만 사용되지 않는다는 사실도 알게 되었습니다. 산업 단지, 농업용 온실, 상업용 건물에서 전기와 열 에너지를 모두 필요로 하는 사용자가 점점 더 많아지고 있습니다. 그 결과, 단일 시스템을 통해 전기와 열을 동시에 생산하여 각 태양열 패널의 가치를 극대화하는 태양열 발전(PVT) 시스템으로 전환하는 프로젝트가 늘어나고 있습니다.
하지만 전기와 열의 '이중 출력'을 진정으로 달성하려면 냉각 시스템의 성능이 뒷받침되어야 합니다. 바로 이 점에서 PVT 액체 냉각판 열교환기가 필수적입니다. PV 모듈의 온도를 관리하면서 2차 활용을 위해 열을 효율적으로 전달해야 합니다.
제 경험에 비추어 볼 때 PVT 열교환기 설계는 결코 간단하지 않습니다. 흐름 채널의 라우팅, 재료 선택, 압력 강하 제어가 모두 전체 시스템 효율에 영향을 미칩니다. 제조 방법도 마찬가지로 중요합니다. 예를 들어, 스탬핑 공정을 사용하거나 표준화된 대량 생산에 적합한 압출 냉각판 구조를 선택하는 경우가 많습니다. 모든 세부 사항이 최종 시스템 성능에 영향을 미칩니다.
PVT 액체 냉각판을 설계할 때 가장 먼저 결정해야 할 것 중 하나는 유로 레이아웃입니다. 이는 '물이 어디로 가는가'의 문제처럼 들릴 수 있지만 열 교환 효율, 온도 분포 및 시스템 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 제 경험에 따르면 유로 설계는 일반적으로 몇 가지 핵심 영역에서 시작됩니다:
각기 다른 조건에 적합한 몇 가지 일반적인 모양이 있습니다:
U자형 채널: 간단한 구조, 낮은 저항 - 열 부하가 낮거나 열 관리 요구가 덜 까다로운 시스템에 이상적입니다.
S자형 채널: 더 긴 경로와 더 균일한 열 전달 - 엄격한 온도 제어가 필요한 애플리케이션에 적합합니다.
뱀 모양 또는 평행 지점 디자인: 압력 강하를 관리 가능한 수준으로 유지하면서 열 전달을 향상시키므로 중대형 PVT 냉각판에 더 적합합니다.
올바른 구조를 선택하려면 플레이트 크기, 열 부하 분포, 냉각 시스템의 전체 유량 요구 사항을 고려해야 합니다.
일반적으로 초기 설계 단계에서 열 및 흐름 시뮬레이션을 실행하여 잠재적인 문제를 파악합니다.
예를 들어, 저희 프로젝트 중 하나는 처음에 표준 직선형 S자형 채널을 사용했습니다. 하지만 시뮬레이션 결과 중간 부분의 냉각이 불충분하고 열 축적이 뚜렷하게 나타났습니다. 평행한 뱀 모양 레이아웃으로 재설계한 후 플레이트 전체의 온도 차이가 12°C에서 5°C로 감소하여 열 전달 효율이 크게 개선되었습니다.
이러한 개선 사항은 육안으로 보이지 않는 경우가 많기 때문에 시뮬레이션은 매우 유용한 설계 도구입니다.
궁극적으로 디자인은 제조가 가능해야 합니다. 즉, 흐름 채널 구조가 생산 능력과 일치해야 합니다:
직선형 또는 S자형 채널은 압출 공정에 더 적합합니다. 압출 냉각판을 한 번에 형성할 수 있어 균일한 채널과 높은 효율을 제공합니다.
복잡한 곡선이나 비대칭 구조는 스탬핑 + 브레이징과 더 잘 호환됩니다. 이 접근 방식을 사용하면 우수한 밀봉 성능을 유지하면서 설계 유연성을 높일 수 있습니다.
디자인이 제조 공정과 일치하지 않으면 최종 제품이 너무 비싸거나 생산하기 어렵거나 일관성과 신뢰성이 부족할 수 있습니다.
흐름 채널의 모양 외에도 이러한 채널의 레이아웃도 PVT 액체 냉각판의 성능에 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 열 균일성은 시스템이 열을 균일하고 빠르게 제거할 수 있는지 여부에 따라 크게 달라집니다. 국부적인 과열은 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 PV 셀의 수명을 단축시킬 수 있습니다.
실제 디자인에서는 보통 다음과 같은 것부터 살펴봅니다:
열 부하 분포: 패널이 고르지 않은 햇빛을 받으면 채널의 간격이 균일하지 않아야 합니다. 대신 채널 밀도를 조정하여 열이 가장 높은 곳에 냉각을 집중시킵니다.
입구 및 출구 배치: 이는 흐름 패턴에 직접적인 영향을 미칩니다. 배치가 잘못되면 일부 영역에서 접촉 시간이 충분하지 않아 앞쪽은 너무 시원하게 유지되고 뒤쪽은 과열될 수 있습니다.
● 채널 길이 및 압력 강하: 균일한 냉각을 위해 더 긴 경로가 필요할 수 있지만 시스템 저항이 증가합니다. 일부 프로젝트의 경우, 열 제거 균형을 유지하면서 압력을 줄이기 위해 병렬 분기로 전환합니다.
기존 단일 채널 설계로 인해 플레이트 전체에 8°C의 온도 차이가 발생했던 사례가 기억에 남습니다. 동일한 길이의 듀얼 병렬 채널로 재설계하여 그 차이를 3.5°C로 낮추고 전체 열 효율을 약 12%까지 개선했습니다. 이러한 결과는 특히 주변 온도가 높은 환경에서 두드러졌습니다.
결국 PVT 열교환기의 레이아웃은 냉각 성능뿐만 아니라 장기적인 시스템 안정성과 효과적인 열 회수에 관한 것입니다. 모든 설계 결정은 지속적인 결과를 가져옵니다.
종종 과소평가되지만 중요하다고 생각되는 소재와 제조에 대해서도 이야기해 보겠습니다. 냉각판의 성능은 처음부터 올바른 재료와 방법을 선택했는지에 따라 좌우되는 경우가 많습니다.
저희는 주로 알루미늄 합금을 사용하는데, 그럴 만한 이유가 있습니다. 열전도율이 뛰어나고 가공하기 쉬우며 비용 효율성이 높기 때문입니다. 가장 일반적인 두 가지 선택은 다음과 같습니다:
3003 알루미늄 합금: 연성 및 내식성이 우수합니다. 스탬핑 및 브레이징에 이상적입니다. H12 템퍼의 열전도율은 약 162W/m-K입니다.
6061 알루미늄 합금: 강도가 높고 열전도율이 약 167W/m-K로 약간 더 높습니다. 특히 하중을 견디거나 설치 강도가 필요한 압출 냉각판 구조에 가장 적합합니다.
물론 소재를 선택하는 것은 첫 번째 단계에 불과합니다. 진정한 과제는 올바른 제조 공정과 결합하는 것입니다. 각 채널 유형에는 적합한 방법이 필요합니다:
비교적 균일한 직선형 채널의 경우 압출이 이상적입니다. 효율적이고 안정적이며 확장 가능한 생산에 적합합니다.
복잡한 다중 분기 또는 비대칭 흐름 경로의 경우 스탬핑 + 브레이징을 사용하는 것이 좋습니다. 이 프로세스는 복잡한 채널 레이아웃에 유연성을 제공하고 고급 열 관리 요구 사항을 충족합니다.
PVT 냉각판이 실제 조건에서 잘 작동하는지 여부는 이러한 재료 및 제조 결정에 따라 크게 달라집니다. 디자인만 잘 그리는 것이 아니라 모든 세부 사항까지 제대로 제작해야 합니다.
많은 내용을 다루었지만, 사실 PVT 액체 냉각판 설계를 위한 단일 템플릿은 존재하지 않습니다. 각 프로젝트마다 환경 조건, 열원, 공간적 제약이 다릅니다. 그렇기 때문에 채널 설계는 실제 작업 조건에 맞게 조정해야 합니다.
제가 실제로 경험한 바에 따르면 흐름 방향이나 밀도를 조금만 조정해도 큰 차이를 만들 수 있습니다. 예를 들어, 고열 영역에서 유체 접촉 면적을 늘리거나 배출구에서 압력 분포를 최적화하는 등 이러한 작은 조정만으로도 열 추출을 크게 개선할 수 있습니다.
채널 설계가 열 분포에 더 가깝게 정렬될수록 열 교환 효율이 높아지고 온도 변동이 낮아지며 시스템이 더 안정적으로 작동합니다. 바로 여기에서 맞춤형 설계가 그 진가를 발휘합니다.
돌이켜보면 훌륭한 PVT 냉각판은 단순히 사양만 좋다고 해서 되는 것이 아닙니다. 사려 깊은 설계, 엄선된 재료, 실용적인 제조의 결과물입니다. 채널부터 레이아웃, 소재, 공정에 이르기까지 모든 것이 실제 적용에 최적화되어야 합니다. 템플릿을 복사하는 것이 아니라 절충점을 찾고, 세부 사항을 조정하고, 가장 적합한 것을 찾아냅니다. 이러한 아이디어가 여러분만의 PVT 시스템을 설계할 때 유용한 인사이트를 얻을 수 있기를 바랍니다.
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