JP2022017597A - 光ファイバを利用した太陽光発電ユニット、及びそれを適用した発電システム - Google Patents

光ファイバを利用した太陽光発電ユニット、及びそれを適用した発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】占有面積を画期的に減らしながらも、発電効率を大きく上昇させることができる太陽光発電ユニット、及びそれを適用する発電システムを提供する。【解決手段】光波を多数の光ファイバ１０２１によって輸送する輸送部１０ｂ、そして輸送部１０ｂからの光ファイバ１０２１によって入射する光波を利用して電気を発生させる発電部１０ａを具備し、発電部１０ａは、ソーラーパネル１０１の光入射面に対面するように、多数の光ファイバ１０２１を、平面状またはシート状に配列させている光ガイド部１０２を具備し、多数光ファイバ１０２１の外周面には、内部進行光波を屈折させ、ソーラーパネル１０１にフォワーディングさせるウィンドウが多数形成されている。【選択図】図１

Description

本発明の１またはそれ以上の実施形態は、光ファイバを利用した太陽光発電ユニット、及びそれを適用した発電システムに係り、具体的には、ＰＯＦ（plastic optical fiber）光ファイバアレイ（array）シート、及びそれに対応するソーラーセル（solar cell）を利用した太陽光発電ユニット、及びそれを適用した発電システムに関する。
無限エネルギー源である太陽光を利用する太陽光発電は、高エネルギーの太陽光が入射する構造物に、ソーラーセルが多数設けられたパネルまたはシートを利用する。そのような太陽光発電システムは、光電変換効率が高くなく、従って、大容量発電のためには、非常に広い設置地域が要求される。
太陽光は、非常に広範囲の波長領域を有しているが、４００～７００ｎｍ範囲の可視光線領域を含む。そのような太陽は、波長帯域別に、強度が一定していない。現在、太陽光発電に普遍的に使用される高純度の結晶シリコン系のソーラーパネルは、５００～８５０ｎｍの波長領域に対してのみ９０％ほど吸収し、それ以外の波長については、効率が低いか、あるいはほとんど吸収することができない。
太陽光発電システムのソーラーパネルユニットは、太陽光をソーラーパネルの平面に直接到逹させ、ソーラーパネルを直接照光させる直下方式と、ソーラーパネルに反射鏡または集光レンズなどを活用する集光方式とに分けられる。建物屋上や地上に設ける太陽光発電施設は、直下方式が主に適用されるが、それは、レンズや鏡を利用する集光方式に比べて効率が落ちる。そのような直下方式の欠点を補う集光方式は、複雑な光学構造、及びそれを支持する構造体を含むことになる。従って、それら従来のソーラーパネルは、製造コスト高くて、また高集光（high condensation of light）によるソーラーパネルの寿命短縮を避けることができない。
本発明が解決しようとする課題は、占有面積を画期的に減らしながらも、発電効率を大きく上昇させることができる太陽光発電ユニット、及びそれを適用する発電システムを含むことである。
本発明が解決しようとする課題は、また、製作コストが少なく、また設置コストが低減された太陽光発電ユニット、及びそれを適用する発電システムを含むことである。
本発明が解決しようとする課題は、また、熱衝撃からソーラーパネルを効果的に保護し、ソーラーパネルの寿命を延ばすことができる太陽光発電ユニット、及びそれを適用する発電システムを含むことである
１またはそれ以上の実施形態によれば、
太陽からの光波を多数の光ファイバ（optical fiber）によって輸送する輸送部と、
前記輸送部からの光ファイバによって入射する光波を利用して電気を発生させる発電部と、を具備し、
前記発電部は、
前記光波によって電気を発生させるソーラーパネルと、
前記ソーラーパネルの光入射面に対面するように、前記多数の光ファイバを、平面状またはシート状に配列させている光ガイド部と、を具備し、
前記ソーラーパネルの光入射面に対向する前記多数の光ファイバの外周面に、内部を進行する光波を屈折させ、前記ソーラーパネルにフォワーディングさせるウィンドウが多数形成されている太陽光発電ユニットが提供される。
１またはそれ以上の実施形態によれば、
多数太陽光発電ユニットの発電部が一つに集積されている多重発電部と、
前記多数太陽光発電ユニットの輸送部が一つに集積されている多重輸送部と、
前記多重輸送部に太陽光を集中させる光学系と、を含み、
前記太陽光発電ユニットは、
太陽からの光波を一方向に輸送する多数の光ファイバを含む光波輸送部と、
前記光波輸送部の光ファイバを介して入射する光波を利用して発電する発電部と、を含み、
前記発電部は、
前記光波によって電気を発生させるソーラーパネルと、
前記ソーラーパネルの光入射面に対面するように、前記多数の光ファイバを、平面状またはシート状に配列させている光ガイド部と、を具備し、
前記多数光ファイバの外周面に、内部を進行する光波を屈折させ、前記ソーラーパネルにフォワーディングさせるウィンドウが多数形成されている太陽光発電システムが提供される。
１またはそれ以上の実施形態によれば、前記光ファイバのうち少なくとも一つは、第１部分及び第２部分を含み、前述の第１部分及び第２部分の一端は、相互連結され、第１部分及び第２部分の他端には、前記光波が入射し、前記光ファイバ上の第１部分及び第２部分には、前記ウィンドウが多数形成されてもいる。
１またはそれ以上の実施形態によれば、前記ソーラーパネルと光ファイバは、任意に設定された距離ｄをおいて相互離隔されている。
１またはそれ以上の実施形態によれば、前記ソーラーパネルと光ファイバは、０．８ｍｍ～１．４ｍｍの距離ｄを置いて相互離隔される。
１またはそれ以上の実施形態によれば、前記光ファイバは、コア、及びコアを覆うクラッドを含み、前記クラッドには、前記ウィンドウが形成されており、前記ウィンドウの底に、前記コアの表面が露出される。
１またはそれ以上の実施形態によれば、前記光ガイド部は、光ファイバを固定する固定プレートをさらに含み、前記固定プレートには、前記光ファイバが挿入される溝型チャンネルが形成される。
１またはそれ以上の実施形態によれば、前記固定プレートは、前記光ファイバからの光波を、前記ソーラーパネルに反射させる反射機能を有することができる。
１またはそれ以上の実施形態によれば、移動性、コスト及び設置面積を顕著に低めながらも、大容量の太陽光発電所及び中小型発電システムを大衆的に普及させることができる。特に、従来の太陽光発電所を設けるとき、小さくない面積を確保するために発生する環境破壊と、周辺環境の変化による寿命低下による管理コストの増大とを革新的に改善することができ、特に、家庭用太陽光電気、敷地確保が困難な地域での太陽光発電、宇宙工学、大型船舶、電気自動車、携帯用電気製品等、幅広い応用分野がある。
一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットを概略的に図示する図面である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットの発電部での光波進行経路を概略的に示す図面である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットにおいて、光ガイド部の概略的構造を示す図面である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットにおいて、固定プレートの部分抜粋図である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットにおいて、固定プレートとソーラーパネルとの結合状態において、光ファイバとソーラーパネルとの離隔状態を例示する断面図である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットにおいて、光ファイバの具体的な構造を例示する図面である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットにおいて、光ファイバを介した光波の進行、及びウィンドウを介した出力について説明する概略的縦断面図である。 一つまたは他の実施形態による光ファイバのウィンドウを介した実際の出光場面を示す写真である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットにおいて、光ファイバのウィンドウを介した光波の出光について説明する光ファイバの抜粋斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図９に図示された光ファイバのウィンドウを介した光波の出光を例示する縦断面図及び横断面図である。 （ａ）は、光ファイバに形成されたウィンドウを介した光波の出力を例示し、（ｂ）は、光ファイバがソーラーパネルに密着されたときの光波の入射形態を示し、（ｃ）は、光ファイバとソーラーパネルとが所定間隔で離隔されたとき、光波の入射形態を例示する図面である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットにおいて、光ガイド部の概略的構造を示す図面である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットにおいて、図１２に図示された固定プレートの部分抜粋図である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットによる、本発明による太陽光発電システムを例示する図面である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットによる本発明による太陽光発電システムを例示する図面である。 一つまたは他の実施形態により、光波輸送部の冷却構造を有する発電システムの上部構造を例示し、図１４及び図１５に例示された発電システムにおいて、光波輸送部の冷却構造を有する発電システムの上部構造を示す図面である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電システムに適用される冷却システムを例示する図面である。 一つまたは他の実施形態による太陽光発電ユニットによる太陽光発電システムを例示する図面である。 図１７及び図１８に図示された発電システムが、大面積の設置空間及び敷地を要求する従来発電システムを代替することを対比して示す図面である。
以下、添付図面を参照し、本発明概念の望ましい実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明概念による実施形態は、さまざまな他の形態にも変形され、本発明概念の範囲は、以下で説明する実施形態によって限定されるものであると解釈されるものではない。本発明概念の実施形態は、当業界で当業者に、本発明概念についてさらに完全に説明するために提供されるものであると解釈されることが望ましい。同一符号は、始終同一要素を意味する。さらに、図面での多様な要素と領域は、概略的に示されている。従って、本発明概念は、添付された図面に示された相対的な大きさや間隔によって制限されるものではない。
第１、第２というような用語は、多様な構成要素についての説明に使用されるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されるものではない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。例えば、本発明概念の権利範囲を外れずに、第１構成要素は、第２構成要素とも命名され、反対に、第２構成要素は、第１構成要素とも命名される。
本明細書で使用された用語は、単に特定実施形態についての説明に使用されたものであり、本発明概念を限定する意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」または「有する」というような表現は、明細書に記載された特徴、個数、段階、動作、構成要素、部分品、またはそれらの組み合わせが存在するということを指定するものであり、１またはそれ以上の他の特徴、個数、動作、構成要素、部分品、またはそれらの組み合わせの存在または付加の可能性をあらかじめ排除するものではないと理解されなければならない。
また、取り立てての定義がない限り、ここに使用される全ての用語は、技術用語と科学用語とを含め、本発明概念が属する技術分野において当業者が共通して理解しているところと同一意味を有する。また、一般的に使用される、事前に定義されているような用語は、関連技術の脈絡において、それらが意味するところと一貫する意味を有すると解釈されなければならず、ここに明示的に定義されていない限り、過度に形式的な意味に解釈されるものではないと理解されるものである。
添付図面において、例えば、製造技術及び／または公差により、図示された形状の変形が予想されることができる。従って、本発明の実施形態は、本明細書に図示された領域の特定形状に制限されるものであると解釈されてはならず、例えば、製造過程でもたらされる形状の変化を含まなければならない。ここに使用される全ての用語「及び／または」は、言及された構成要素のそれぞれ、及び１以上の全ての組み合わせを含む。
図１は、１またはそれ以上の実施形態による太陽光発電ユニット１０を利用する太陽光発電システムを概略的に図示する。
図面において、参照番号１０ａは、光波による電気発生が起こる発電部１０ａを示し、１０ｂは、発電部１０ａに、発電エネルギーである光波を輸送する光ファイバ（optical fiber）を含む光波輸送部１０ｂを示す。
具体的には、発電部１０ａに属する参照番号「１０１」は、ＰＶ（photovoltaics）あるいはＣＩＧＳ（copper indium gallium selenide）系のソーラーパネルあるいはソーラーフィルム（solar panel,solar cell；以下、ソーラーパネルとする）を示し、「１０２」は、前記光波輸送部１０ｂを介して供給された太陽からの光波１をソーラーパネル１０１の光入射面に垂直した方向に注入（inject）または投写（project）する光ガイド部（light wave-guide part）である。前記ソーラーパネル１０１に対応する前記光ガイド部１０２の前面は、ソーラーパネル装着部を示す。そして、光ガイド部１０２の背面には、光ガイド部１０２の後方に進む光波をソーラーパネル１０１側に反射させ、光波１の損失を防止する高反射率、例えば、９５％以上の反射率を有する反射板１０３が設けられ、このとき、反射板１０３は、選択的要素であり、そのような反射機能は、後述する固定プレート１０２２（図３）によっても提供される。
以上で簡略に説明された太陽光発電システムにおいては、平面または曲面の形態に配置される多数の光ファイバを利用して集光された太陽光波を一方向にガイドし、光ファイバに沿って進んだ光波を、進行方向と異なる方向、例えば、進行方向に対してほぼ垂直方向に屈折させる。
図１を参照すれば、前記光ガイド部１０２は、多数並んで配置される光ファイバ１０２１を含み、光ガイド部１０２外部に延長された光ファイバ１０２１の端部が、１つの集まり（束）に集積され、前記光波輸送部１０ｂを具現し、そのような束状の光輸送部１０ｂの先端面に、光波入射部Ａが設けられる。光波入射部Ａは、前記光ファイバ１０２１の断面部が位置する任意平面上に位置するものであり、この部分に、レンズ光学系４０により、太陽からの光波１が、前記光波入射領域に集中される。ここで、前記光波入射部Ａに集中される熱による光ファイバの変形または損傷を防止するための冷却装置が、前記光波入射部Ａが設けられる光ファイバ束周囲にも設けられるが、それについては、後述される。
図２を参照すれば、発電部１０ａに属する光ガイド部１０２は、自発光（self luminescence）ではない外部光（external light source）を利用する面光源（surface light source,surface illuminant）であり、その平面に並んだ方向に入射された光波１を、その平面におよそ垂直した方向に投写または屈折させ、ソーラーパネル１０１に入射させる。そして、光ガイド部１０２の後方に位置した反射板１０３は、光ガイド部１０２の後方に進む光波１を、ソーラーパネル１０１に向けて反射させる。
図１及び図２において、ソーラーパネル１０１、光ガイド部１０２及び反射板１０３は、理解の一助とするために、相互分離された状態に図示されているが、実際は、サンドイッチ状に相互密着される。
前記光ガイド部１０２は、面状光ガイド部１０２のエッジ側面に注入された光波１を、その平面に垂直した方向に出射させる面光源（planar light source）の形態を有するが、図３と図４は、そのような光ガイド部１０２の構造を概略的に示す。
図３及び図４を参考すれば、光ガイド部１０２は、多数並んで配列される多数の光ファイバ１０２１と、それをシート状または平面状に支持する固定プレート１０２２を含む。
固定プレート１０２２は、所定間隔に配置された光ファイバ１０２１を、シート状または面状に維持させるものであり、光ファイバ１０２１と共に、１つの面状またはファイバ状の導光シート（light guide sheet）を形成する。
光ファイバ１０２１は、その表面に紫外線遮断層が形成され、その直径は、０．１ｍｍ～１．５ｍｍほどである。そのような光ファイバ１０２１は、１筋ずつ単方向で並んで配列され、光ファイバ１０２１間の配列間隔は、０．１ｍｍ～０．８ｍｍ以内である。光ファイバ１０２１にコーティングされる紫外線遮断層は、０．０５～０．０９ｍｍ厚を有することができる。そのような光ファイバは、ガラスまたはプラスチックの光ファイバでもある。この光ファイバ１０２１には、内部コアに沿って進む光波を外部に屈折させ、ソーラーパネルにフォワーディングさせる出光部としてのウィンドウまたはプリズム部、あるいはウィンドウが一定間隔に形成されるが、それについては後述する。
プラスチック光ファイバは、高純度アクリルレジン（PMMA:polymethyl methacrylate）からなるコアと、フッ素ポリマー（F-PMMA:fluorine polymethyl methacrylate）から作られた薄クラッド層とを含んでもよい。前記固定プレート１０２２に形成されるチャネル１０２２ｃの深さは、前記光ファイバ１０２１の外周面一部が進入することができるほどの深さ、例えば、０．００６～０．１ｍｍの深さを有することができる。そして、選択的な要素である反射板１０３は、０．１ｍｍ～１．５ｍｍ厚を有することができる。
前記光ファイバ１０２１は、前記固定プレート１０２２に対して、下部側一部が固定されている。そのために、図４及び図５に図示されているように、前記固定プレート１０２２の上面には、前記光ファイバ１０２１が固定される溝またはチャネル１０２２ｃが形成されている。このとき、チャネル１０２２の深さは、光ファイバ１０２１の直径より大きく、従って、光ファイバ１０２１の表面は、チャネル１０２２ｃの開口部の下方に位置する。従って、図５に図示されているように、固定プレート１０２２がソーラーパネル１０１に密着固定されたとき、光ファイバ１０２１の表面は、ソーラーパネル１０１の入射面（図面において底面である）から所定距離ｄを置いて離隔されている。そのように、所定距離ｄを置いて光ファイバ１０２１をソーラーパネル１０１から離隔させることにより、光ファイバ１０２１から、光が入射するソーラーパネル１０１を保護することができる。しかし、他の実施形態によれば、前記光ファイバ１０２１は、前記ソーラーパネル１０１に密着しても良い（ｄ＝０）。
本実施形態においては、四角形の固定プレート１０２２に、多数の光ファイバの一側部分が固定され、その他側部分は、自由に１筋ずつ個別的に延長されている。従って、前記固定プレート１０２２は、基本的に、ソーラーパネル１０１に対応する大きさを有する。
そのような固定プレート１０２２は、前述のような反射板１０３の機能を含んでもよく、従って、固定プレート１０２２は、光ファイバ１０２１を固定するだけではなく、そこからの光波をソーラーパネルに反射させることにより、光利用効率を高めることができる。前記固定プレート１０２２による反射機能は、前記光ファイバ１０２１と固定プレート１０２２材料物質との屈折率差による界面反射（interface reflection）によっても得られ、一方では、前記チャネル１０２２ｃの底に、反射物質層（図示せず）をコーティングすることによっても得られる。そのような反射機能は、現存する多様な技術により、非常に多様にも具現され、従って、反射機能を具現する特定技術により、本発明の技術的範囲を制限するものではない。
一方、他の実施形態によれば、前記固定プレート１０２２は、前記光ファイバ１０２１全体を支持するように拡張された構造を有することができる。
図６、図７に図示されているように、前記光ファイバ１０２１は、コア１０２１ａと、コア１０２１ａを覆い包むクラッド１０２１ｂと、を含む。クラッド１０２１ｂには、ウィンドウＷ１が形成されるが、このウィンドウＷ１は、前記コア１０２１ａに沿って進んだ光波が出光する部分であり、コア内での光波の導波を誘導するクラッドが覆われていない部分である。
そのようなウィンドウＷ１は、前述のような光波出射領域に位置するものであり、ダイヤモンドカッティングなどの機械的加工により、Ｖカットによるスリット形、またはドリリルによって円形に形成しても良い。そのようなウィンドウＷ１は、図７に図示されているように、コア１０２１ａの表面が露出されるように、クラッド１０２１ｂに形成される。そのようなウィンドウＷ１は、コア１０２１ａ内部を進む光波１を、それに垂直方向に出射させるものに、光ファイバ１０２１のクラッド１０２１ｂに、適切な間隔と深さとで多数形成され、それは、設計仕様によっても調節される。
図８は、本発明による光ファイバにおいて、ウィンドウを介した実際の出光場面を示す。
図９は、他の実施形態による光ファイバを示す。図９は、その表面に光波が出射する多数のウィンドウＷ２が一定間隔に形成されている光ファイバ１０２１の抜粋斜視図であり、図１０は、前記光ファイバ１０２１の断面図であり、（ａ）と（ｂ）は、それぞれ前記ウィンドウＷ２の構造を示す縦断面図及び横断面図である。
図９及び図１０に図示されているように、前記光ファイバ１０２１は、コア１０２１ａと、コア１０２１ａを覆い包むクラッド１０２１ｂと、を含む。クラッド１０２１ｂには、その内側のコア１０２１ａに沿って進んだ光波１を、それに垂直方向に出射を許容する出光部としてのウィンドウＷ２が形成される。ウィンドウＷ２は、前述のような化学的な方法、レーザカッティングまたはダイヤモンドカッティングなどによっても形成される。
本実施形態により、前記ウィンドウＷ２は、図１０に図示されているように、コア１０２１ａの表面が露出されるように、クラッド１０２１ｂに形成され、そのようなウィンドウＷ２を加工するとき、コア１０２１ａの表面を損傷させないようにしたり、あるいは損傷を最小化させることが必要である。コア１０２１ａの表面、特に、前記ウィンドウＷ２の内部底に露出されるコア１０２１ａの表面が粗くなれば、この部分での光散乱及び吸収などの否定的な要因による光損失が発生し、それにより、前記ウィンドウＷ２を介した光波の出力が低減してしまう。
図１１は、光ファイバ１０２１が、ソーラーパネル１０１と密着された場合（ｄ＝０）と、離隔された場合（ｄ＞０）とにおいて、光波の入射状態を比較して示す。
図１１の（ａ）は、光ファイバ１０２１のウィンドウＷ１，Ｗ２を介して、光波１が出射されながら拡散する状態を例示する。コアに沿って進んだ光波１が、クラッド１０２１ｂに形成されたウィンドウＷ１，Ｗ２に出合えば、光波１の一部が、ウィンドウＷ１，Ｗ２を介して、ソーラーパネル１０１に出射される。このとき、光波１は、所定の角度θに拡散（ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ）されながら、ソーラーパネル１０１に入射する。実験によれば、前記光波１の拡散は、およそ１７°前後の角度を維持した。そのように、光波１が拡散される状態で、ソーラーパネル１０１が光ファイバ１０２１に密着している場合（ｂ）に比べ、所定距離離隔されている場合（ｃ）、ソーラーパネル１０１に入射する面積（スポットサイズ）が広くなる。それは、（ｂ）の場合、光波１がソーラーパネル１０１に対して狭い面積に入射し、小さい入射領域（スポット）が形成され、（ｃ）の場合、光波１が一定距離ｄを進みながら拡散され、広く拡張された面積で入射することにより、相対的に広い入射領域が形成されるということを意味する。結果として、（ｂ）の場合のように、光ファイバ１０２１がソーラーパネル１０１に密着している場合、そうではない場合（ｃ）に比べ、ソーラーパネル１０１に形成される入射領域での光のピーク強度が非常に高く維持される。
太陽発電が進められながら、高エネルギーの光スポットがパネルに局所的に集中される状態を長期間維持するようになれば、ソーラーパネル１０１に、局所的欠陥、例えば、物性変化またはクラックが生してしまう。従って、そのようなピークによるソーラーパネルの損傷を防止する必要がある場合、ソーラーパネル１０１を保護するためには、光ファイバ１０２１を、ソーラーパネル１０１から所定距離ｄほど離隔させ、ソーラーパネル１０１に対する入射光の入射面積を広げながら、そのピークを低減させる必要がある。そのための多様な実験結果、０．８～１．２ｍｍほど離隔させることにより、適切に入射光強度のピークを低くし、それと同時に、１つのウィンドウＷ１，Ｗ２を介して形成される入射面積（スポットサイズ）をさらに広くすることにより、光電変換効率を高めることができる。
一方、本発明の他の実施例は、光波を、さらに効率的に使用することができる構造を提示する。
図１２及び図１３を参照すれば、固定プレート１０２２のチャネル１０２２ｃに固定される光ファイバ１０２１は、Ｕ字形に曲げられ、光波が進む２つの経路（ｐａｔｈ）を提供する相互並んだ第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とを有する。第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２との同方向の先端部においては、光波１が共に入射する。従って、光ファイバ１０２１の両先端部に入射した光波１は、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とを進み、この過程において、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とに設けられるウィンドウＷ２を介して、ほとんどソーラーパネル１０１に出射することになる。
そのような構造は、光波がある一部分、例えば、第１部分Ｐ１で使用された光波を、他の部分、例えば、第２部分Ｐ２に進行させることにより、さらに多くの光波がソーラーパネルに入射させ、それにより、光波利用効率を上昇させる。
前述のような太陽光発電ユニット１０は、多数集積され、大きい発電容量の発電システムを構築することができる。
図１４は、多数の太陽光発電ユニット１０が、一方向に多数集積（積層）されている構造の多重発電部１０００ａを有する本発明による太陽光発電システム１０００を概略的に図示する。
ソーラーパネル１０１、光ガイド部１０２及び反射板１０３を含む発電ユニットが、多数積層された構造により、多重発電部１０００ａが具現される。このとき、各太陽光発電ユニット１０の光ファイバ１０２１を１つの束にまとめ、１つの多重光波輸送部１０００ｂが具現されて光波輸送部の光ファイバ先端部が１つの任意平面に位置し、光波入射面または入射部Ａを具現する。前記入射部Ａは、前述の通り、１つの束にまとめられた光ファイバ１０２１の断面を、ダイヤモンド湿式研削機によってカットティングした後、研磨剤で鏡面処理（mirror finishing）する。そのような光波入射部Ａには、レンズ光学系４０により、太陽からの光波１が集中される。
本実施形態において、前記レンズ光学系４０は、太陽光波を集中させるための単位レンズ光学系、または多数レンズを含む複合レンズ光学系をいずれも意味するが、特定の光学構造により、本発明の技術的範囲は、制限されるものではない。本発明の一実施形態によれば、前記光波入射部に光波を集中させる単一凸レンズ、または凸レンズアレイなどにる第１レンズ光学系、及び第２レンズ光学系として、太陽光を収斂させる単一フレネルレンズ、またはフレネルレンズアレイのような第２レンズ光学系を含んでもよい。
一方、前述のような本発明による発電システムは、図１５に図示されているように、円柱状にも具現される。
それは、前述のような単位発電システム、すなわち、太陽光発電ユニット１０を、平面上で一方向に積層し、それを丸く巻き、円柱状の発電部が具現された発電システムである。
図１５において、多数の太陽光発電ユニットを具備する発電システム１０００の多重発電部１０００ａは、円柱形であり、そのような円柱形発電部１０００ａは、年輪状またはスパイラル状にロールされている単位発電システム、すなわち、太陽光発電ユニット１０の集成体である。円柱状に集成された太陽発電ユニット１０の全ての光ファイバ１０２１は、一つに集まった状態で、その先端部が１つの円筒形光ファイバ固定部１００３により、１つの束に集積されている光波輸送部１０００ｂの先端部に、前述のような鏡面処理された光波入射面または入射部Ａが設けられる。
図１６は、光波輸送部１０００ｂの冷却構造を有する発電システム１０００の上部構造を図示する。図１６の発電システム１００は、レンズ光学系４０の第１レンズシステム４１と、光波輸送部１０００ｂが固定構造物１００２によって一つに結合されている。前記光波輸送部１０００ｂの下部には、図１４及び図１５に図示された形態の発電部１０００が設けられる。前記光波輸送部１０００ｂの周囲には、クーリングシステム１００１が設けられている。
一方、前記レンズ光学系４０の複数のレンズシステムを具備することができ、本実施形態においては、前述の第１レンズシステム４１と、それに対応する第２レンズシステム４２とを具備する。例えば、前記第１レンズシステム４１は、多数凸レンズによるアレイ、第２レンズシステム４１は、フレネルレンズアレイによっても具現される。
前記光ファイバ固定部１００３は、一定の長さと直径とを有した金属、ガラスまたは陶磁器の材質を有した円筒形構造物であり、鏡面処理される光波入射部Ａにおいて、光ファイバ間のギャップが防水処理される。
前記クーリングシステム１００１は、冷却水循環コイルの構造を有し、それにより、高温の熱エネルギーが集中される光波入射部Ａを含む光ファイバの先端部を冷却させることにより、この部分の温度を５～８０℃の範囲に維持するようにし、高熱による光ファイバの変形あるいは損傷を防止する。他の実施形態によれば、前記クーリングシステム１００１は、多重輸送部の光ファイバまとまり（集積体）１０００ａだけではなく、冷却が必要な他のいかなる要素までにも拡張される。
太陽からの光波を一次集光する第２レンズシステム４２のフレネルレンズアレイは、別途の構造物により、第１レンズシステム４１に対する相対的位置が固定される。
図１７は、１つのキャビネット１００３に、複数の発電部１０００ａが構造として構成されたものであり、図１６に図示されているようなクーリングシステム１００１が設けられた太陽光発電システムを例示する。それは、１０Ｋｗ以下の電力が要求される都市型発電システムを例示し、図１８は、３００Ｋｗ以上の規模を有する大型太陽光発電システムを例示する。
図１８に図示されたシステムには、太陽光発電に必要な全ての要素だけではなく、それを冷却させる設備、そして発電した電気を管理制御するシステムが含まれる。図１７に図示された発電システムも同様であるが、図１８に図示された発電システムは、図１で説明された板状積層構造、すなわち、ソーラーパネル１０１、光ガイド部１０２及び反射板１０３が多重積層されたサンドイッチ構造を有することができる。
前記光学レンズ系に、高温の熱集中を緩和させるために、紫外線（２００ｎｍ～３８０ｎｍ）と可視光線（３８１ｎｍ～６５０ｎｍ）とを反射させ、赤外線（６５１ｎｍ～）を透過させるコールドミラー（cold mirror）を適用することにより、高温による光ファイバの変形または損傷の防止に効果的である。
図１９は、図１７及び図１８に図示された本発明による発電システムを、既存の大面積の設置空間及び敷地を要求する発電システムを代替することができるということを備えて示すイメージである。
以上で説明したように、本発明の実施形態について詳細に記述されたが、本発明が属する技術分野において当業者であるならば、添付された特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲を外れずに、本発明をさまざまに変形して実施することができるであろう。従って、本発明の今後の実施形態の変更は、本発明の技術を外れるものではない。

Claims (7)

  1. 光波を多数の光ファイバによって輸送する輸送部と、
    前記輸送部からの光ファイバによって入射する光波を利用して電気を発生させる発電部と、を具備し、
    前記発電部は、
    前記光波によって電気を発生させるソーラーパネルと、
    前記ソーラーパネルの光入射面に対面するように、前記多数の光ファイバを、平面状またはシート状に配列させている光ガイド部と、を具備し、
    前記ソーラーパネルの光入射面に対向する前記多数の光ファイバの外周面に、内部を進む光波を屈折させ、前記ソーラーパネルにフォワーディングさせるウィンドウが多数形成されており、
    前記ソーラーパネルに対する前記光波の局所的集中によるソーラーパネルの局所的欠陥を防止するように、前記ソーラーパネルと光ファイバは、任意に設定された距離ｄをおいて相互離隔されており、
    前記光ファイバのうち少なくとも一つはＵ字形に曲げられて前記光波が進む２つの経路を提供する相互並んだ第１部分及び第２部分を含み、
    前述の第１部分及び第２部分の同方向の両先端部には前記光波が入射し、
    前記光ファイバ上の第１部分及び第２部分には、前記ウィンドウが多数形成されている太陽光発電ユニット。
  2. 前記ソーラーパネルと光ファイバは、０．８ｍｍ～１．４ｍｍの距離ｄをおいて相互離隔されている請求項１に記載の太陽光発電ユニット。
  3. 前記光ファイバは、コア、及びコアを覆うクラッドを含み、前記クラッドには、前記ウィンドウが形成されており、前記ウィンドウの底に、前記コアの表面が露出されている請求項１に記載の太陽光発電ユニット。
  4. 前記光ガイド部は、光ファイバを固定する固定プレートをさらに含み、
    前記固定プレートには、前記光ファイバが挿入される溝型チャネルが形成されている請求項１に記載の太陽光発電ユニット。
  5. 前記固定プレートは、前記光ファイバからの光波を、前記ソーラーパネルに反射させる反射機能を有する請求項４に記載の太陽光発電ユニット。
  6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の太陽光発電ユニットの多数からなる多数太陽光発電ユニットが一つの集積されている多重発電部と、
    前記多数太陽光発電ユニットの輸送部が一つに集積されている多重輸送部と、
    前記多重輸送部に太陽光を集中させる光学系とを具備する太陽光発電システム。
  7. 光波が入射する光入射部を含む多重輸送部を冷却するクーリングシステムをさらに具備する請求項６に記載の太陽光発電システム。
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