KR100244419B1 - 태양 에너지 시스템 - Google Patents

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윌리엄이. 혼
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리카드 켈리
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Abstract

태양 에너지 시스템은 제1차 집광기(12), 복수의 광전지(26)를 가진 수광기( 14)와 이 수광기(14) 주위에 있는 프리필터(12)를 포함하고 있다. 프리필터는 광전지(26)에 대하여 대역 밖에 있는 소정의 방사선을 흡수하고 냉각 유체용 도관(28)을 포함한다. 수광기 상의 전지는 각각의 전지가 동일한 태양 에너지 선속(16)을 수광하도록 배치된다. 수광기는 광전지를 과열로부터 보호하기 위해 상 변화 물질을 포함할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
태양 에너지 시스템
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 광 전지를 사용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 시스템에 관한 것이다.
[발명의 배경]
광 전지는 종종 태양 에너지 시스템에서 가장 값비싼 부품이다. 결과적으로, 태양 에너지 시스템을 제조하기 위한 종래의 접근법으로 예를 들어, 집광되지 않은 태양 광선에서 동작하도록 설계된 형태의 다결정 박막 전지와 같은 다량의 저렴한 전지를 사용하여 왔다. 그러나, 이러한 접근법은 매우 낮은 변환율을 가지며 경제적이지 못하였다. 태양 에너지 시스템에 대한 제2의 더욱 효율적인 접근법은 GaAs/GaSb 전지와 같은 비교적 고성능(및 고가)의 광 전지에 태양 에너지를 집광시키기 위해 집광기를 사용하였다.
불행하게도, 집광기의 사용으로 여러 가지 새로운 문제점이 발견되고 있다. 예를 들어, 실제로 공지된 모든 광 전지는 온도의 증가에 따라 더 비효율적으로 동작하였다. 집광기의 사용으로, 전지가 고온에서 동작하게 되어 시스템 효율을 저하시키게 된다. 이것은 비용과 변환 효율 간의 균형을 어렵게 하였다.
집광기 설계가 갖는 다른 문제점은 집광기의 초점에서의 조도계(illumin ation field)는 대개 그 강도가 매우 세고 불균일하다는 점이다. 강한 광계(light field)의 일부 영역이 도체와 기하학적 전지를 상호 접속하기 위해 요구되는 것이 중요해지기 때문에 상기 강도는 모든 입사 태양 광선의 이용을 어렵게 한다. 그 결과, 고가의 광 전지의 사용을 어렵게 한다. 또한, 강한 광 영역에 의해 발생된 높은 전류가 전지 상에서 강 접촉 그리드 라인을 요구하고 도체들의 상호 접속을 요구한다. 조도의 불균일성으로 개개의 광 전지에서 상이한 온도, 전류 및 전압이 발생하게 된다. 부수적으로, 냉각제가 감소되거나 과열점이 집광기 내의 결함(flaw)에 의해 형성되는 경우에 집광기 장치 내의 전지는 신속히 열 손상을 받게 된다.
직렬 광 전지(tandem photovoltaic cell)는 태양 에너지 시스템에서 변환 효율을 증가시키도록 개발되어 왔다. 직렬 전지에서, 제1차 전지를 통과하는 태양 방사는 제1차 전지의 영역에서와 다른 파장 흡수 영역을 갖는 제2차 전지로 입사된다. 그러므로, 제2차 전지는 제1차 전지에 의해 변환되지 않는 방사의 일부를 이용할 수 있으며, 이에 따라 전체 변환 효율을 증가시킨다. 그러나, 일반적으로 제2차 전지는 제1차 전지만큼 비용이 많이 들지만, 제1차 전지에 의해 발생된 전기량의 일부분(예를 들어, 30%)만을 발생시킨다. 따라서, 직렬 설계에서 단위 비용당 발생되는 전기 에너지는 흔히 매우 낮다.
변화 효율을 증가시키기 위한 종래의 다른 시도는 태양 에너지 시스템에서 전기로 변환되지 않는 다량의 입사 태양 에너지가 열로 나타나는 사실에 관한 것이다. 따라서, 전기 및 열 에너지 출력 모두를 발생시키는 소위 동시 발생 시설에서 이러한 열의 일부를 사용할 수 있도록 시도되어 왔다. 그러나, 동시 발생 시스템은 기본적인 설계의 문제점을 나타내고 있다. 이러한 문제점은 광 전지가 변환 효율을 최대화시키기 위해 가능한 하 저온에서 동작되어야 한다는 사실에 기인한다. 그러나, 열 에너지는 열 에너지 시스템의 열역학적 효율을 최대화시키기 위해 가능한 한 고온에서 전달되어야 한다.
상기에서 대두되는 요구 사항을 만족시키기 위한 종래의 한가지 접근법은 작은 렌즈들의 배열을 포함하는 초점 시스템을 분포시켜 왔는데, 여기에서 각각의 렌즈는 각각의 초점에서 광 전지를 갖고 있다. 그러나, 이러한 시스템은 전형적으로 비교적 낮은 집광도를 가지며 단일 중앙 수광기(central receiver)를 사용하는 설계보다 큰 전지 영역을 요구한다. 또한, 직렬 전지가 효율을 상승시키는데 사용될 때, 직렬 스택의 후방 전지들은 전체 비용을 배가시키는 한편 전기 출력을 소량 증가시킨다.
[발명의 개요]
상술한 문제점들은 본 발명의 태양 에너지 시스템에 의해 대체로 극복된다. 양호한 일실시예에서, 시스템은 광전지 수단 및 프리필터링(prefiltering) 수단을 포함한다. 광전지 수단은 활성 영역 및 한 쌍의 전극을 포함하고, 파장의 응답 대역내의 활성 영역에서 입사하는 전자기 방사선을 흡수한다. 흡수된 전자기 방사선의 일부는 전극들 간의 전위차로 변환된다.
프리필터링 수단은 프리필터링 대역 내에서 프리필터링 수단에 입사하는 전자기 방사선의 상당 부분을 흡수하기 위한 수단을 포함한다. 프리필터링 대역의 최소한의 부분이 광전지 수단의 응답 대역의 외부에 놓여 있으나, 입사 태양 에너지의 태양 대역 내에는 있지 않다, 태양 에너지가 광전지 수단이 활성 영역을 내리쬐기 위해 프리필터링 수단을 통해 통과해야만 하도록 광전지 수단 및 프리필터링 수단이 배치된다. 따라서, 응답 대역 외부의 일부 태양 에너지는 프리필터링 수단에 의해 흡수되나 광 전지 수단에 입사되지 않는다. 대역 에너지의 일부를 제거함으로써, 프리필터링 수단은 보다 저온에서 광 전지 수단을 동작하게 함에 따라 변환 효율을 증가시키게 된다.
양호한 제2실시예에서, 본 발명의 태양 에너지 시스템은 제1차 집광기 수단 및 수광기를 포함한다. 집광기 수단은 입사 태양 에너지를 수광하고 그것을 초점을 향해 집속시킨다. 수광기는 대체로 초점에 배치되어 있고, 각각의 광전지가 집광기 수단으로부터 거의 동일한 태양 에너지 선속(단위 면적당 에너지)을 수광하도록 배치된 복수의 광전지를 포함한다. 양호한 실시예에서, 광전지는 다수의 링으로 배열된다. 각 링의 광전지가 모든 링에 공통하는 중심축으로 일정한 반경에 존재하고 광전지의 활성 표면은 중심축과 떨어져 외부를 행해 접해 있다.
다른 양상에 있어서, 본 발명은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 광전지 모듈을 제공한다. 이 모듈은 비교적 큰 제1표면과 비교적 작은 제2표면을 가지 기판을 갖고 있다. 제1광전지는 제1표면에 장착되고 제1응답 대역을 갖는다. 이 모듈은 태양 에너지가 제1광전지의 활성 영역으로 입사되도록 배치된다. 제1 광전지보다 대체로 작은 제2광전지가 기판의 제2표면에 장착된다. 이 기판은 제1 광전지에 의해 기판으로 전송된 태양 에너지의 일부분이 제2광전지의 활성 영역으로 유도되도록 형성된다. 제2광전지의 보다 작은 영역 때문에, 단위 전지 면적당 비용은 종래의 직렬 설계보다 적게 든다.
본 발명의 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은 상(phase) 변화 물질을 포함하는 태양 에너지 시스템용 수광기를 제공한다. 상 변화 물질은 그것이 광전지의 정상 동작 온도 범위 보다 높으나 광전지가 열 손상을 입을 온도보다 낮은 온도에서 상을 변화(예를 들어, 용융)시키도록 선택된다. 상 변화 불질은 광전지가 냉각제 손실에 의해 손상될 가능성을 저하시킨다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 집광기를 포함하는 태양 에너지 시스템을 예시한 도면이다.
제2도는 수광기의 양호한 실시예를 설명한 도면이다.
제3도는 프리필터링을 예시한 그래프이다.
제4도는 수광기의 단면도이다.
제5도는 광전지의 평면도이다.
제6도는 단일 링 내의 광전지를 도시한 사시도이다.
제7도는 광전지를 배치시키기 위한 기술을 예시한 그래프이다.
제8도는 전지의 장착을 서명하는 부분 단면도이다.
제9도는 2개의 전지 모듈에 대한 개략 단면도이다.
제10도는 3개의 전지 모듈에 대한 개략 단면도이다.
제11도는 수광기 내의 다중 전지 모듈의 배치를 도시한 부분 단면도이다.
제12도는 양호한 제2 수광기 설계의 개략 단면도이다.
[발명의 상세한 설명]
도 1 내지 도 7은 본 발명의 태양 에너지 시스템의 양호한 제1실시예에 대한 구성 및 동작을 도시하고 있다. 먼저, 도 1을 참조하면, 전체 시스템은 제1차 집광기(12) 및 수광기(14)를 포함하고 있다. 집광기는 초점에 배치된 수광기(14)와 함께 3차원 포물선 형상을 갖는다. 집광기는 광선(16)으로 표시되는 입사 태양 에너지를 수광하고 이 에너지가 수광기(14)에 집중되도록 태양 에너지를 반사한다. 수광기는 태양 에너지의 일부분을 전기 에너지 및 열 에너지로 변환한다. 열 에너지는 대기 온도 이상으로 가열된 유체 형태이다.
수광기(14)의 양호한 실시예가 도 2 에 보다 상세히 도시되어 있다. 수광기는 디스크형 베이스(20) 및 반구형 프리필터(24)를 포함하고 있다. 베이스(20)의 한 표면(도2의 하부표면)은 복수의 광전지 (26)가 장착되는 톱니형 장착 표면(24)를 포함한다. 톱니 및 광전지의 특정 배열은 이하에 더욱 상세하게 설명된다. 프리필터(22)는 실질적으로 광전지를 둘러싸고 있어서 집광기로부터의 태양 방사선[광선(16)으로 표시됨]이 전지를 내리쬐기 전에 프리필터를 통해 통과하여야 한다. 프리필터(22)는 유체가 흐를 수 있는 내부 통로(28)를 포함하는 자켓을 포함한다. 통로(28)는 베이스(20) 내에 형성된 통로(30)와 통해 있다. 베이스 통로(30)는 튜브(34)로써 형성되는 중앙 통로(32)에 의해 차례로 펌프(36)에 결합되며, 이 튜부는 베이스의 중앙으로부터 외향으로 확장된다.
동작시에, 물과 같은 열 전달 유체는 펌프(36)에 의해 튜브(32)내로 주입되고, 이 때 물은 베이스에서 복수의 통로(30)를 통하여 외부로 확산된다. 간략하게 예시하기 위하여 통로(30)가 도 2에 개략적으로 도시된 것임을 알 수 있다. 열 전달 유체는 후에 다시 설명되는 바와 같이, 베이스 및 부착된 광전지를 냉각시키고, 베이스에 의해 입구 온도 이상의 제1온도로 가열된다. 한번 가열된 유체는 프리필터(22) 내의 통로(28)를 통해 흐르고 그렇게 하여 프리필터를 통해 통과하는 태양 방사선(16)의 일부분을 차단한다. 이것은 제1온도 이상의 제2온도로 유체 온도를 상승시킨다. 통로(28)로부터 나오는 두 번 가열된 유체는 시스템의 열 에너지 출력을 형성한다. 예를 들어, 뜨거운 물과 같은 가열된 유체가 직접 사용될 수 있거나 다른 공지된 응용을 위한 열 교환기에 인입될 수 있다.
프리 필터의 중요한 기능은 도 3을 참조하여 설명된다. 이 도면에서, 곡선(40)은 지구 표면에서 태양 에너지의 스펙트럼, 즉 태양 조사량을 나타낸다. 태양 스펙트럼은 약 0.3 미크론에서 상부(단파장) 차단부를 갖고, 적외선으로 연장되는 길고 큰 부분을 갖는다. 곡선(42)은 통상의 갈륨 비소 광전지의 상대 응답을 나타내고 있다. 응답 곡선(42)은 약0.3 미크론에서 단파장 한계부(46)와 약 0.9 미크론에 서 장파장 한계부(48)를 갖는다. 태양 스펙트럼(40) 및 응답 곡선(42)의 비교는 갈륨 비소 전지가 태양 에너지 시스템용으로 양호하다는 것을 예시하고 있다. 그러나, 다른 형태의 광전지도 본 발명을 실현하는데 사용될 수 있다.
곡선(50)은 도 2의 프리필터(22)를 통해 흐르는 물과 같은 0.4 인치 두께의 수막에 대한 흡수도(%)를 예시하고 있다. 곡선(50)이 응답 대역(44)의 장파장 한계부(48)에 아주 근접한 단파장 한계부(54)를 갖는 프리필터링 대역(52) 내에 놓여 있음을 알게 된다. 곡선(50)으로 표시된 프리필터링의 목적은 이러한 방사선이 광전지에 도달하지 않고 응답 대역(44) 외부에 놓인 태양 방사선의 가능한 많은 양을 제거하려는 것이다. 도 3에서 곡선(56)은 곡선(50)으로 표시된 흡수도를 태양 스펙트럼(40)으로 곱한 결과를 나타내고 있다. 그러므로, 형성된 영역(58)은 0.4인치( 0.4 * 2.54 cm)수막을 포함하는 프리필터에 의한 태양 스펙트럼으로부터 제거된 에너지를 나타내고 있다.
프리필터는 태양 스펙트럼으로부터 "대역의 외부" 적외선 에너지를 제거함으로써 수광기의 성능을 향상시키다. 프리필터링 대역(52)은 거의 응답 대역(44)의 외부에 놓여 있기 때문에, 제거된 에너지는 광전지가 전기로 변환될 수 없는 에너지를 나타낸다. 전반적으로 갈륨 비소 광전지는 입사 태양 광선 에너지의 약 20 %를 전기로 변환시킬 수 있다. 이는 80 %의 에너지가 수광기에서 열로 나타나도록 둔다. 그러나 입사 태양 에너지의 약 40 %가 갈륨 비소 응답 대역 밖에 있다. 이상적인 경우, 이 모든 에너지는 프리필터링에 의해 제거되고 입사 태양 에너지의 40 %만이 수광기에서 열로 나타난다. 그러므로, 수광기에서 발생된 열의 50 %까지의 감소(80% 내지 40%)가 달성될 수 있다. 이러한 감소는 전지 동작 온도보다 상당히 낮게 되어 변환 효율을 증가시킨다. 실리콘 전지와 같은 다른 형태의 광전지가 이와 유사하게 실행될 수 있다. 일반적으로, 프리필터의 대역 외 에너지의 흡수도가 쇼트-아메리카 케이지-시리즈 글라스(Schott-America KG-Series glass)와 같은 적외선 흡수 유리로부터 프리필터 재킷을 구성하여 향상될 수 있다.
프리필터는 동시 발생 광전지용으로 특히 유용하다. 특히, 광전지의 열 부하의 완화 이외에 프리필터는 저온 및 효과적인 전기 변환을 용이하게 함과 동시에 2단계 열 제거 시스템이 (대기에 대하여) 약 2배의 전지 동작 온도에서 가열된 유체를 전달할 수 있게 한다.
도 4 내지 도 8은 광전지가 장착되는 베이스(20)의 양호한 실시예를 보다 상세히 설명한 도면이다. 디스크형 베이스는 도 4에 단면으로 도시되어 있으며 중심축(60)에 대하여 대칭이다. 수광기는 광전지(26)가 장착되는 일련의 장착면[62(i)]을 포함하고, 이 장착면은 도 4에 수직으로 배향되어 있다. 각각의 장착면은 반경 Ri에서 축(60)을 둘러싸는 높이 h의 원통형 쉘 형태를 갖는다. 상이한 장착면은 모두 상이한 반경 Ri를 가지나 동일한 높이 h를 갖는다. 이 장착면은 제1차 집광기에 의해 수광기 쪽으로 반사된 인입 태양 방사선(16)에 거의 평행한 방향으로 위치한 면(64)를 접속함으로써 다른 장착면과 합류된다. 따라서, 접속면은 임의의 방사선 인입을 방해하지 않으며, 이러한 방사선 모두는 장착면 중의 한 장착면에 부딪치게 된다. 그러나, 태양 디스크의 유한 각 크기 뿐 만 아니라 제1차 집광기의 불완전성을 고려하면, 소량의 방사선은 사실상 접속면을 내리쬘 것이다. 따라서, 접속면이 반사 물질로 피복될 수 있으므로 접속면을 내리쬐는 소정의 방사선이 인접 접속면 상으로 반사된다.
복수의 광전지(26)는 각각의 장착면에 장착되어 장착면을 완전히 덮는다. 도5에 도시된 바와 같이 한 양호한 실시예에서 각각의 광전지(26)는 몸체(70)의 일측의 대부분을 덮는 높이 h의 활성 영역(72)을 갖는 장방형 몸체(70) 및 활성 영역에 인접하여 형성된 한 쌍의 전극(74)을 포함한다. 광전지는 활성 영역 상에 입사하는 태양 에너지의 일부분을 전극들 간의 전위차로 변환시킨다. 도 6에 도시된 바와 같이 소정 장착면[62(i)]에 장착되는 광전지(26)는 수광기 베이스의 중심축(60)으로부터 멀리 외부로 향한 활성면(72)과 반경 Ri의 링을 형성한다. 이 설계는 표준 크기의 광전지의 사용을 허용한다. 다음에 상세히 후술되는 바와 같이, 전지(26)는 활성 영역(72)이 장착면을 완전히 덮도록 장착면[62(i)] 상에 배치되고 전지 수용 전극(74)의 일부분이 베이스(20) 내의 슬롯에 수용된다. 이러한 배치는 수광기의 유효한 활성영역을 최대화한다.
장착면[62(i)]의 상대 위치는 동일한 에너지 선속이 모든 장착면 상의 광전지 상에 부딪치도록 양호하게 선택된다. 적절한 장착면 위치 결정 방법이 도 7에 도시되어 있는데, 이 경우 프리필터(예를 들어, 반구형 프리필터)가 집광기로부터의 인입 광선을 만곡시키지 않는다. 이 도면에서, 참조 번호(80)는 X-Y 좌표계의 원점 0에서 집광기 중심으로 포물선 형태를 갖는 것으로 가정되는 제1차 집광기를 나타내고 있다. 이 예를 위하여, X-Y 평면에서 제1차 집광기의 형태는 다음과 같다.
y=0.05x2(1)
수광기(82)는 좌표(0, 5)에서 포물선의 초점에 중심을 두고 있다. 참조 번호(62i)는 장착면 또는 등가적으로, 장착면에 고정될 전지의 활성 영역을 나타내고 있다.
제1차 집광기의 표면은 일련의 환형(annular) 영역으로 분리되어 있고, 인접 환형 영역들의 경계는 X 좌표 X1, .... , Xi , Xi+1, .... 에 있는데, 여기에서 X1는 제1차 집광기의 최외 모서리이다. 소정의 장착면 상의 전지는 소정의 환형 링에 의해 수광기 쪽으로 반사된 모든 태양 방사선을 차단하도록 배열된다. 따라서 도 7에서 장착면[62(i)]상의 광전지는 좌표 Xi, Yi 에서의 원(88)과 좌표 Xi+1, Yi+1에서의 원(90) 사이로 연장되는 링[86(i)]으로부터 반사되는 태양 방사선을 차단하도록 배열된다. 라인(92)은 수광기(82)와 원(88) 사이에 구성되고, 라이(94)은 수광기(82)와 원(90) 사이에 구성된다. 각각의 장착 링이 단위 영역 당 동일한 태양 방사선 량을 수광하도록 링[86(i)]에 대응하는 장착면의 반경은 Ri이고, 정착링의 베이스의 수직 위치는 Vi에 있으며 모든 장착링에 대해 반경 Ri와 수직 위치 Vi의 세트를 발견하는 것이 요구된다.
링[86(i)] 의해 차단되는 태양 에너지 영역은 다음과 같고,
방사선을 차단하는 광전지의 대응 영역은 다음과 같고,
Ap 대 Apv의 비는 소정의 적당한 집광기 계수 C에서 일정하게 유지될 수 있다. 그러므로,
다시 쓰면, 다음과 같다.
h에 대한 제2방정식은 라인(92 및 94)의 방정식을 결정함으로써, 장착면[ 62(i)]의 상부 및 하부의 Y 좌표를 결정하도록 값 x = Ri 로 치환함으로써, 그리고 이러한 Y 좌표들 간의 차를 h와 같도록 설정함으로써 계산된다. 이것은
식(5) 및 식(6)은 제1차 집광기 상의 일련의 환형 영역[86(i)]로부터 반사된 에너지를 일정한 집광 계수 C에서 차단하게 될 수광기에서의 원통형 대역의 반경 Ri를 결정하도록 높이 h 상수를 유지하여 반복적으로 풀 수 있다. 이 반경을 랭의 수직 위치 Vi를 결정하도록 대응하는 라인(94)에 대한 식에 삽입될 수 있다. 집광기 계수 500에 대한 결과로써의 수광기 형태가 도 4에 도시되어 있다. 이러한 방식으로 결정되는 전지의 배치는 광전지의 영역을 최소화시키고 집광기 시스템에서 광전지에 의해 좌우되는 가장 난해한 문제점들 중의 한 문제점, 즉 전지의 불균일한 조사를 해결한다.
수광기 설계의 다른 양호한 양상들이 도 8에 예시되어 있다. 최대 효율을 제공하게 위해, 광전지를 전기적으로 접속하기 위한 기술은 소정의 인입 방사선을 방해하지 않거나 달리 사용되지 않는 전지의 소정의 활성 영역을 유발하지 않는 것이다. 이것은 활성 영역(72)이 수광기 몸체(20)내에 형성되는 리세스(100) 내에 배치된 전극(74)으로 인입 방사선(16)을 수광하기 위해 각 장착면(62) 상에 광전지(26)를 장착함으로써 달성될 수 있다. 한 쌍의 와이어(104)가 전극에 접속 되고, 수광기 몸체 외부의 전기 전압 신호를 적당한 유용 회로로 유도한다.
도 8은 본 발명의 2가지 부수적인 양호한 양상을 예시하고 있다. 슬롯(110)이 수광기 몸체(88)내에 형성되어서 슬롯(110) 내의 내부 단부가 장착면(62) 뒤에 배치된다. 플러그(112)는 도시된 위치에서 슬롯(110)내에 배치된다. 플러그(112)는 베이스(20)와 같은 동일한 물질(예를 들어, 구리)로 형성되고 고온 은납 등으로 적소에 배치된다. 플러그(112)상의 슬롯부를 상 변화 물질(114), 예를 들어, 인듐 주석합금으로 충진된다. 플러그(112)아래의 슬롯부(110)는 도 2에 개략적으로 도시된 냉각 통로(30)와 같은 냉각 유체용 통로(116)를 형성한다.
상 변화 물질(114)은 수광기의 과열로부터 보호한다. 광전지의 정상 동작 온도 범위 이상이고 광전지 물질에 대한 열 손상 임계치 이하인 온도에서 상 전이를 행하도록 상 변화 물질이 선택된다. 그러므로, 온도가 상 전이 온도로 상기 정상 동작 범위를 상승시킬 때, 상기 변화 물질이 변화하여 상 변화가 종료될 때까지 열을 흡수하고 그동안 일정 온도로 수광기를 유지한다. 일반적으로, 대부분의 종래의 상 변화 물질은 원하는 온도 범위 내의 용융점을 갖는다. 갈륨 비소 태양 전지에서, 통상 최대 동작 온도는 85℃이고, 일반적인 열 손상 임계 온도는 350℃이다. 따라서, 양호한 상 변화 물질은 이 범위에서 용융점을 갖는 인듐 주석 합금과 같은 물질일 것이다.
광전지(26) 바로 뒤의 통로(116)의 위치는 열이 전도되어야 하는 거리를 최소화한다. 전지(26)로부터 냉각 통로(116)까지 구리 베이스(20)을 통한 열 도전 통로가 3.85 w/cm의 열도전율과 함쎄 0.1 인치(0.1x2.54cm)이고, 냉각 유체의 열전달 계수가 3 ft/sec에서 흐르는 물에 대해 6000 BTU/hr-ft2이면, 전지와 유체 간의 최대 온도 차는 3.8 ℃이다.
냉각 시스템의 유압 설계의 주된 고려 사항으로, 유체의 체적은 적당한 온도 상승과 함께 과열로부터 벗어나기에 충분하고, 유속은 요구되는 전지 동작 온도를 유지하기에 충분히 낮은 박막 열 전달 계수를 발생시키는데 적합하고 수광기의 강도는 유체 펌프에 의해 발생되는 압력과 유체의 온도 상승에 의해 발생되는 정수압의 결합을 포함하기에 적합하다는 것이다. 가정된 입력 온도 30℃이상의 유체에 대한 온도 상승은 전기 부하가 없는 상태(최악의 상태)의 가정으로 계산된다. 계산결과는 23,360 w의 열 부하, 150℃의 배출온도 동안 120℃의 요구되는 온도 상승 및 분당 0.718 갤론의 유량이다. 유속은 냉각제 채널 크기 및 유동 체적에 의해 결정된다. 그러나, 이 속도는 박막 열 전달 계수 요구에 의해 부과된 제한성도 만족 시켜야 한다. 상술한 바와 같이, 3 ft/sec의 유속은 열 전달 요구를 만족시킨다. 통로(116)의 단면이 0.5cm일 경우, 통로의 요구되는 높이는 약 1cm로 결정될 수 있다. 150℃의 물에 의해 발생된 유압은 약 26psi이다. 분당 0.718 갤론의 유량에서 펌핑 압력 강하는 정수압(hydrostatic pressure)보다 훨씬 낮다. 구리 벽 0.1인치(0.1x2.54 cm)두께는 이러한 압력을 쉽게 견딜 수 있다.
진술한 바와 같이, 직렬 태양 전지는 태양 대 전기 변환 처리의 효율을 증가 시키기 위해 사용되었다. 직렬 전지 설계에서 제1차 전지는 입사 태양 에너지를 차단하고 입사 태양 에너지의 일부를 전기로 변환한다. 태양 에너지의 일부분은 제1차 전지에서 열을 발생시키는 전기로 변환되지 않는다. 그러나, 제2비변환 부분은 제1차 전지를 통해 전송되고 제1차 전지의 것과 상이한 응답 대역을 갖는 제2차 전지에 내리쬔다. 제2차 전지는 제1차 전지가 응답하지 않는 태양 스페트럼의 부분으로부터 전기를 발생시키기 위해 사용된다.
직렬 전지 설계의 기본적인 문제점은 이중의 전지 영역을 요구하는 것이나 제2차 전지는 통상 제1차 전지에 의해 발생된 전기 에너지의 약 30% 까지 만을 발생시킨다. 따라서, 비용은 약 2배가 되는 반면에, 출력에서는 약 30 % 증가할 뿐이다. 도 9내지 도 11은 이러한 문제점을 극복하는 광전지 모듈의 양호한 실시예를 도시하고 있다. 먼저 도 9를 참조하면, 양호한 제1전지 모듈은 한 쌍의 비교적 큰 표면(122 및 124) 및 비교적 작은 표면(126 및 128)을 가지 쐐기형 기판(120)을 포함한다. 큰 표면(122 및 124)은 평행하지 않으며, 서로에 대하여 작은 각(예를 들어, 10°)으로 배향되어 있다.
제1광전지(130)는 표면(122) 상에 형성되고, 제2차 광전지(132)는 표면(126)상에 형성된다.
제1 및 제2광전지는 상이한 응답 대역을 갖도록 양호하게 설계된다. 예를 들어, 기판(120)은 갈륨 비소를 포함할 수 있고, 제1차 전지(130)는 갈륨 비소 광전지를 포함할 수 있으며 제2전지(132)는 실리콘, GaSb, Ge 또는 GaInAs 광전지를 포함할 수 있다.
도 9에서 도시된 전지 모듈은 태양 방사선(140)이 제1전지(130)에 입사되도록 배치된다. 제1전지에 대해 대역 밖에 있는 입사 태양 방사선의 대부분은 제1 전지를 통해 기판(120)내로 전송된다. 기판(122와 124)사이의 각 때문에, 전송된 방사선(142)이 표면(126)을 향해 표면(122 및 124)사이에서 앞뒤로 반사된다. 표면 (126)에서, 기판을 통과하는 방사선은 제2차 전지(132)를 내리쬐고, 이러한 방사선의 일부분은 저기로 변환된다. 비교적 큰 영역의 제1전지에 의해 전송된 방사선이 훨씬 더 작은 제2전지 상으로 집광되므로, 기판(120)은 집광기로서 효과적으로 작용한다. 제1전지에 의해 전송된 방사선이 기판(124)를 통해 빠져나가지 못하게 하기 위해 갈륨 비소와 같이 비교적 고굴절률 물질로 기판(120)을 제조하고, 표면(1 24) 상에 반사 표면을 배치시키는 것이 바람직하다. 일반적으로, 도 9의 모듈에서 제2전지(132)의 영역이 제1전지의 영역에서보다 10-150배 작을 수 있다.
양호한 제2실시예의 다중 전지 모듈이 도 10에 도시되어 있다. 이 실시예는 비교적 큰 표면(142 및 144)과 비교적 작은 표면(146 및 148)을 가진 기판(140)을 포함하고 있다. 전지(150)와 표면(142) 사이에 위치한 전지(152)와 함께 제1 전지(150) 및 제2전지(152)는 표면(142) 상에 형성된다. 보다 작은 제2전지(154)가 표면(146) 상에 형성된다. 3개의 전지는 모두 서로 다른 응답 대역을 갖고 있다. 예를 들어, 기판(140)은 실리콘을 포함하고 제1전지는 갈륨 비소를 포함하며 제1 전지(152)는 실리콘을 포함하고 제2전지(154)는 GaSb, Ge 또는 GaInAs를 포함할 수 있다. 이 설계에서, 제1전지(GaAs)는 약 0.9 미크론보다 긴 에너지를 전송하고 제2 전지(Si)는 0.9 내지 1.1 미크론 대역에서 에너지를 흡수하고 변환하며, 약 1.1 미크론보다 긴 에너지를 전송한다. 제2 전지(154)는 1.1 미크론보다 긴 영역에서 적어도 부분적으로 응답 대역을 갖는다.
도 9 및 도 10의 모듈에서, 고굴절률 기판의 사용으로 입사 방사선에서 각 변이에 내성이 강한 모듈을 이룰 것이다. 예를 들어, 갈륨 비소 기판에 대하여, 입사 방사선이 표준에서 60도 까지 변화하고, 기판 내에 여전히 포획되어 있을 수 있다. 보다 놓은 집광 계수를 원하면, 쐐기 대신에 원추 프리즘이 사용될 수도 있다.
도 11은 도 9 및 도 10에 도시된 것과 같은 전지 모듈이 도 4에 도시된 형태의 수광기에 어떻게 통합될 수 있는지를 예시하고 있다, 수광기 몸체(160)는 부수적인 커트백(cut-back) 또는 리세스가 각 장착 표면 내에 형성되는 것을 제외한 도 4의 형태인데, 이 리세스는 전지 모듈의 제1전지(164)가 도 4의 설계에서 광전지(2 6)와 동일한 위치를 점유하도록 전지 모듈(12)을 수용하기 위한 형태이다. 전체 수광기는 도 1 내지 도 8과 관련하여 상술한 것과 유사한 방식으로 동작한다.
수광기의 다른 양호한 실시예가 도 12에 도시되어 있다. 도 2의 실시예에서와 같이, 수광기는 디스크형 베이스(170) 및 프리필터(172)를 포함한다. 광전지는 도 4에 도시된 것과 유사한 방식으로 베이스(170)에 장착된다. 그러나, 이 설계에서, 프리필터(162)는 비구형(nonspherical shape)의 고형 쉘(174)을 포함한다. 베이스(170)는 투명한 상부 표면(178)을 가진 밀봉부(176) 내에 장착되어 있다. 밀봉부(176) 아래의 장착 블록(180)은 냉각 유체가 펌핑되는 통로(182)를 포함한다. 통로(182)는 도관(184)을 경유하여 쉘(174)과 밀봉부(176) 사이의 체적(190)과 통해 있다. 그러므로, 도 2의 설계에서와 같이, 냉각 유체는 먼저 베이스(170)을 냉각하고 프리필터를 통과하는데, 여기에서 대역 밖 인입 방사선의 소정 부분을 직접 흡수한다. 그러나, 도 12의 설계에서, 프리필터는 집속 렌즈로서 작용하여 인입 태양 방사선(192)을 더 집광한다. 이 경우, 제공된 집속은 냉각 유체의 굴절률의 함수이다. 따라서, 이설계에서 집광을 증가 시키기 위하여 일반적으로 실리콘기 오일이나 광물성 오일과 같은 고굴절률 유체를 사용하는 것이 바람직하다. 2차 집광 렌즈로서 작용하기 위한 프리필터의 사용으로, 고가의 1차 집광기의 요구 조건을 경감하여 시스템의 비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예에 대하여 예시 및 설명하였으나, 당업자에 의해 여러 가지로 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 특허 청구의 범위를 참조하여 결정될 수 있다.

Claims (14)

  1. 태양 대역 내의 파장을 가진 전자기 방사선을 포함하는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 태양 에너지 시스템에 있어서, 자신에 입사되는 태양 에너지를 반사시켜 그 반사된 에너지를 자신의 초점에 집속시키기 위한 태양 집광 기(solar concentrator)와, 상기 집광기의 초점에 근사하게 배치되고, 활성 영역, 한 쌍의 전극, 및 태양 대역이 일부분을 포함하는 파장의 응답 대역 내의 상기 활성 영역에 입사하는 전자기 방사선을 흡수하기 위함과 동시에, 그 흡수된 전자기 방사선의 일부를 전극들 간의 전위차로 변환하기 위한 수단을 구비한 광전지 수단을 포함하는 태양 에너지 수광기와; 파장의 프리필터링 대역(prefiltering band)내의 상기 프리필터링 수단으로 입사하는 전작기 방사선의 상당 부분을 흡수하기 위한 수단을 포함하는 프리필터링 수단으로서, 상기 프리필터링 수단은 상기 광전지 수단과 이격되어 있고 자신을 통하여 광전지 수단으로 통해 있는 태양 집광기로부터 집속된 태양 에너지를 더 집속 시키도록 구성된 도관을 포함하되, 상기 프리필터링 대역의 상당 부분이 응답 대역 밖에 그 리고 태양 대역 내에 놓여 있고, 상당 부분의 태양 에너지가 상기 광전지 수단의 활성 영역에 가해지게 하기 위해 상기 도관을 반드시 통과하도록 상기 광전지 수단 및 도관이 배치되어, 상기 응답 대역 밖의 태양 에너지의 상당 부분이 상기 프리필터링 수단에 의해 흡수되고 상기 광전지 수단에는 입사되지 않도록 구성되어 있는 상기 프리필터링 수단; 및 상기 광전지 수단이 장착되어 있고 내부에 형성된 통로가 유체 상태로 상기 도관과 통해 있어, 상기 유체가 상기 통로와 상기 도관을 통하여 연속적으로 이동하며 상기 광전지 수단에 직접 접촉하게 되지 않게 되는 열 전도 베이스 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 시스템.
  2. 제1항에 있어서 상기 프리필터링 수단이 상기 도관 및 상기 베이스 소자 내의 통로를 통하여 유체를 연속적으로 펌핑하기 위한 수단을 포함하고, 상기 태양 에너지의 상기 상단 부분이 상기 도관과 상기 광전지 수단의 활성 영역에 가해지게 하기 위해 상기 도관에 포함된 상기 유체를 반드시 통과시키도록 상기 도관이 배치되는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 응답 대역이 단파장 한계와 장파장 한계 사이로 연장되어 있고, 상기 프리필터링 수단이 태양 대역 내에 놓여 있고 장파장 한계보다 긴 파장을 갖는 전자기 방사선의 상당 부분을 흡수하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도관 수단이 반구형이고, 상기 광전지 수단이 상기 반구형의 중심에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 시스템.
  5. 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 태양 에너지 시스템에 있어서, 입사 태양 에너지를 수광하여 상기 태양 에너지를 초점을 향해 집속시키기 위한 제1 집광기 수단; 및 상기 초점에 배치되어 있고, 베이스 소자 및 그 위에 배열된 다수의 광전지를 포함하는 수광기를 포함하되, 여기서 상기 각각의 광전지는 활성 영역, 한 쌍의 전극, 및 상기 활성 영역에 입사하는 전자기 방사선을 흡수하여 그 흡수된 전자기 방사선의 일부를 상기 전극들 간의 전위차로 변환하기 위한 수단을 포함하며, 상기 광전지는 상기 베이스 소자 내에서 한정된 다수의 동심 링형(co ncentric ring-like) 표면상에 나란히 배치되고, 상기 링형 표면들은 중심축에 대하여 상이한 직경을 갖는 상태에서 각각의 링형 표면상의 광전지가 상기 제1차 집광기 상의 상이한 환형 영역에 의해 집속되는 태양 에너지를 수광하도록 배치되며, 각각의 광전지가 상기와 같이 배치되어 제1차 집광기 수단으로부터 거의 동일한 태양 에너지 선속을 수광하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 각각의 링형 표면 상의 광전지가 중심축으로부터 일정한 반경 Ri에 위치하며, 각각의 광전지의 활성 표면이 중심축과 떨어져 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 모든 광전지 및 모든 링이 상기 중심축을 따라 측정된 것과 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1차 집광기 상의 상이한 환형 영역이 상호 인접하여 있는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 모든 광전지는 광전지들이 전자기 방사선을 상기 전위차로 변환시킬 수 있는 공통 응답 대역을 갖고 있고, 상기 태양 에너지는 태양 대역 내의 파장을 갖는 전자기 방사선을 포함하며, 상기 시스템은 상기 프리필터링 수단에 입사하는 전자기 장사선의 상당 부분을 파장의 프리필터링 대역 내로 흡수하기 위한 수단을 구비한 프리필터링 수단을 더 포함하고, 상기 프리필터링 대역의 일부분의 상기 응답 대역의 밖에 및 태양 대역 내에 놓여 있으며, 태양 에너지의 일부분이 상기 광전지의 활성 영역에 가해지게 하기 위해 상기 필터링 수단을 반드시 통과하도록 상기 수광기 및 프리필터링 수단이 배치되어서, 상기 응답 대역 밖의 소정의 태양 에너지가 상기 프리필터링 수단에 의해 흡수되고 광전지 상에 입사되지 않는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 시스템.
  10. 태양 대역 내의 파장을 갖는 전자기 방사선을 포함하는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 광전지 모듈에 있어서, 제1표면 및 제2표면을 갖되, 상기 제1표면이 상기 제2표면보다 크게 되어 있는 기판과, 상기 기판의 상기 제1표면에 장착되고, 제1활성 영역, 한 쌍의 제1전극, 및 상기 제1활성 영역에 입사하는 전자기 방사선을 파장의 제1응답 대역 내로 흡수하고, 그 흡수된 전자기 방사선의 일부를 상기 제1전극들 간의 전위차로 변환하기 위한 제1수단을 포함하되, 상기 응답 대역이 상기 태양 대역의 일부분을 포함하고, 태양 에너지가 제1활성 영역에 입사하도록 상기 모듈이 배치되어 상기 제1응답 대역 밖의 태양 에너지의 일부분이 제1광전지를 통해 상기 기판 내로 전송되는 상기 제1광전지; 및 상기 기판의 상기 제2표면에 장착되고, 제2활성 영역, 한 쌍의 제2전극, 및 상기 제2활성 영역에 입사하는 전자기 방사선을 상기 제1응답 영역과 상이한 파장의 제2응답 대역 내로 흡수하고 그 흡수된 전자기 방사선의 일부를 제2전극들 간의 전위차로 변환하기 위한 제2전극 수단을 포함하되, 상기 제2 답 대역이 상기 태양 대역의 일부분을 포함하고, 제3광전지의 활성 영역이 상기 제1광전지의 활성 영역보다 실질적으로 작은 상기 제2광전지를 포함하되, 상기 기판은 상기 제1광전지를 통하여 상기 기판 내로 전송된 상기 제1응답 대역의 밖의 태양 에너지가 상기 제2광전지의 활성 영역으로 기판 내에서 전체적으로 내부 반사되도록 하는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1광전지가 상기 제1표면에 장착된 내부 광전지 및 상기 내부 광전지에 장착된 외부 광전지를 포함하고, 상기 외부 및 내부 광전지가 상이한 응답 대역을 갖는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
  12. 제10항에 있어서, 상기 기판이 대향하여 평행하지 않으면 비교적 긴 한 쌍의 표면과 상기 2개의 긴 표면을 연결하는 비교적 짧은 1개 이상의 표면을 갖고 있는 쐐기형 몸체(wedge-shaped body)를 포함하고, 상기 제1표면이 비교적 긴 표면들 중의 한 표면을 포함하며, 상기 제2 표면이 비교적 짧은 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
  13. 제1항에 있어서, 상기 열 전도 베이스 소자의 대략 중간 지점에서 이 소자에 직각으로 상기 통로로 연장되는 유체 인입 도관을 포함하고, 상기 프리필터링 도관이 상기 통로의 대향 단부로부터 유체가 시스템에서 빠져나가는 상기 유체 인입 도관의 바로 인접부까지 연장되며, 상기 프리필터링 도관이 반구형인 것을 특징으로 하는 태양 전지 시스템.
  14. 태양 에너지를 전기 에너지 및 가열된 유체 형태로의 열 에너지로 변환시키기 위한 동시 발생(co-generation) 방법에 있어서, 태양 집광기에 입사하는 태양 에너지를 반사시키고 그 반사된 태양 에너지를 상기 집광기의 초범에 집속시키기 위한 상기 태양 집광기를 제공하는 단계와; 상기 집광기의 대략 초점에 배치되고, 내부에 통로가 형성되어 있는 열 전도 베이스와, 전자기 방사선을 흡수하고 그 흡수된 전자기 방사선의 일부를 전기 에너지로 변환시키기 위한 수단을 구비하여 상기 베이스에 장착되는 광전지 수단을 포함하는 수광기를 제공하는 단계; 및 유체가 상기 광전지 수단에 직접 접촉함이 없이 상기 광전지 수단에 가해지기 전에 태양 에너지가 도관 내의 유체를 통과하도록 위치된 도관 및 상기 통로를 통하여 상기 유체를 연속적으로 펌핑하는 단계를 포함하되, 상기 도관이 상기 태양 집광기로부터 집속된 태양 에너지를 상기 광전지 수단으로더 집속시키도록 구성되고, 이에 따라, 유체가 상기 통로를 통하여 이동하는 동안에는 상기 베이스로부터 열 에너지를 흡수하고 도관을 통하여 이동하는 동안에는 태양 에너지로부터 열 에너지를 흡수하여, 상기 유체는 동시 작업을 수행하기 위해 상기 도관으로부터의 유출시 광전지 수단의 온도보다 2배 정도의 충분한 온도에 있게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
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