KR100755505B1 - 태양전지-태양열에너지 병합장치 - Google Patents

태양전지-태양열에너지 병합장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100755505B1
KR100755505B1 KR1020050057228A KR20050057228A KR100755505B1 KR 100755505 B1 KR100755505 B1 KR 100755505B1 KR 1020050057228 A KR1020050057228 A KR 1020050057228A KR 20050057228 A KR20050057228 A KR 20050057228A KR 100755505 B1 KR100755505 B1 KR 100755505B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solar
cooling
solar cell
endothermic
heat
Prior art date
Application number
KR1020050057228A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20070001632A (ko
Inventor
황우성
Original Assignee
황우성
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 황우성 filed Critical 황우성
Priority to KR1020050057228A priority Critical patent/KR100755505B1/ko
Publication of KR20070001632A publication Critical patent/KR20070001632A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100755505B1 publication Critical patent/KR100755505B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/60—Thermal-PV hybrids

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 태양광을 이용하는 태양 발전기와 태양열을 이용하는 태양열 집열기를 서로 결합하여 태양에너지를 이용하여 전력과 보다 높은 온도의 열매체를 동시에 생성할 수 있는 태양광-태양열에너지 병합장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양광-태양열에너지 결합장치는 태양전지 표면에 집속된 태양에너지가 고르게 분포되는 수광밀도 균일화 CPC 장치와 또한 입사된 태양열 에너지가 흡열면에 고르게 분포되고 열손실을 대폭 감소하는 장화형 집속기를 이용한 장치로서, MCPC(110)의 수광면에 태양전지(120)를 설치한 태양광 발전부(100)와, 장화형 집속기(210)의 수광면에 흡열매체가 흐르는 흡열도관(220)이 설치된 태양열 집열부(200)가 교호적으로 설치되어, 태양에너지에 의한 전기와 고온수를 동시에 얻을 수 있도록 구성하고;태양광 발전부(100)의 태양전지(120)의 저면에 설치되어 태양전지(110)를 냉각시키는 냉각매체가 흐르는 냉각도관(150)에서 가온된 냉각매체를, 태양열 집열기(200)의 흡열도관(220)으로 유입시켜 재차 가온될 수 있도록 한 것이다.

Description

태양전지-태양열에너지 병합장치{Photovoltaic-Thermal Energy Cogeneration System}
도 1은 태양전지의 전기적 특성 그래프
도 2는 태양전지의 온도변화에 따른 전기적 특성변화 그래프
도 3은 태양전지에 조사되는 에너지 밀도의 불균일성에 의한 특성변화 그래프
도 4는 기본 CPC의 단면도
도 5는 변형된 복합포물면 집속기(MCPC)의 단면도
도 6은 장화형 집속기의 단면도
도 7(a), 도 7(b), 도 7(c)는 장화형 집속기를 이용한 태양열집열부와 MCPC 집속기를 이용한 태양광발전부를 교호적으로 배치한 모형의 단면도
도 8은 냉각수단이 구비된 MCPC 집속기를 이용한 태양광발전부의 단면도
도 9는 태양광발전부를 구성하는 다른 실시예 MPCP의 단면도
도 10은 냉각수단이 구비된 태양광발전부의 단면도
도 11(a), 도 11(b), 도 11(c), 도 11(d)는 본 발명에 따른 태양광-태양열 에너지 병합장치에 있어서 냉각도관 및 흡열도관의 배관구성도.
***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***
I : 태양전지의 전류
V : 태양전지의 전압
K'K : 반사면의 하단 양 끝단 점, 태양전지의 폭
D'D : 절곡된 반사면 의 밑면, 열전도 패드의 폭
100: 태양광 발전부
110: MCPC(변형된 복합포물면집속기)
120: 태양전지 130: 열전도패드
140: 흡열판 150: 냉각도관
160: 단열블록 111: 반사판
112: 투명커버
200: 태양열집열부 210: 장화형집속기
220: 흡열도관
본 발명은 태양광을 이용하여 전기에너지를 효율적으로 생성할 수 있는 태양 발전기와 태양열을 이용하여 열에너지를 효율적으로 생성할 수 있는 태양열 집열기를 서로 결합하여 태양에너지로부터 전력과 고온의 열을 동시에 생성할 수 있는 태양광-태양열에너지 병합장치(Photovoltaic-Thermal Energy Cogeneration System)에 관한 것이다.
일반적으로 태양에너지 집속기(집광기)는 평판형(Flat Plate)을 사용하고 있다. 그러나 평판형 집속기는 전기 또는 열에너지로 변환하는 효율이 대단히 낮아 이용에 한계가 있다. 따라서 태양에너지를 전기에너지 또는 열에너지로의 변환효율을 높이며 동시에 용도에 따라 다양하게 적용하기 위하여 집속장치[Concentrator; (예) Parabolic trough, Parabolic dish, 프레넬렌즈(Fresnel lenz) 등]가 이용되고 있다.
집속기는 광학장치(렌즈 또는 반사경)를 이용하여 장치의 개구면에 입사하는 태양에너지를 보다 작은 면적의 출구면(수광면 또는 흡열면)에 고 밀도의 에너지로 집속하여 생성되는 전기의 출력을 대폭 높이거나 또는 높은 온도의 열에너지가 생성되어 장치의 효율(성능)을 향상시키는 장치이다. 동시에 집속장치 종류와 설계에 따라 평판형 장치보다 장치의 단가도 줄일 수 있다.
그러나 집속기를 사용할 경우에도 여러 가지 해소하여야 할 문제점이 있다. 예로서, 출구면(수광면 또는 흡열면)에 분포되는 집속된 에너지의 분포가 불균일하여 효율을 저하시킨다.
또한 사용하는 자재의 특성과 용도에 따라 집속장치가 잘 조화되어야 한다. 예로서, 결정질 Si 태양전지 표면에 고밀도의 태양에너지를 조사(照射)하여 전지의 출력을 높일 수 있으나, 동시에 태양전지가 흡수한 태양에너지의 대부분은 전기로 변환되지 않고 잉여에너지가 태양전지의 온도를 상승시켜 효율을 저하시킨다. 이 경우, 태양전지를 냉각시켜야 한다.
집속기를 고용할 경우 장치의 설계에는 특히 집속비(Concentration ratio)]에 따라 적절한 냉각장치가 수반되어야 한다. 저 집속비(저 밀도 에너지)인 경우 냉각장치는 간단한 수동형(Passive) 장치(예: 자연통풍)를 이용할 수 있으며, 고 집속형인 경우 일종의 강제적인(Forced, Active) 냉각수단을 사용하여야 한다. 즉, 강제통풍을 사용하거나 또는 냉각 핀(Cooling Fin) 구조를 태양전지의 배면에 접촉시키고, 상기 냉각 핀 구조의 내부공간에 작동매체(예: 공기, 물 등)가 흐르게 하여 태양전지의 온도를 하강시킬 수 있다([도 8]). 집속비가 높을수록 태양전지의 온도가 높아지며 따라서 냉각시키는 매체의 온도도 동일한 유속일 경우 상승한다.
이와 같이 가열된 온도의 냉각매체는 난방 또는 뜨거운 온수를 미리 가열하는 (Preheating) 수단으로 사용되거나 또는 직접 사용할 수 있다. 따라서 일반 태양전지장치의 변환된 고안으로 태양전지 모듈의 열을 흡수하는 장치와 결합하여 전기와 열을 동시에 생성하여 사용할 수 있는 태양전지-태양열 병합장치(Combined Photovoltaic-Thermal System)를 구상할 수 있다.
태양전지-태양열 병합장치는 고 밀도의 태양에너지의 조사로 인하여 가열되는 태양전지에서 특수한 냉각장치를 통하여 고온의 열을 흡수하고 승온된 (냉각)매체를 직접 필요한 용도에 사용하는 것이 보편적인 개념이다.
태양전지-태양열 병합장치의 큰 장점은 본 장치의 종합된 총 효율이다. 즉 이러한 장치의 총 효율(ηtot)은 전기적 변환효율(ηel)과 열 변환 효율(ηth)의 합으로 정의된 증가된 효율이다.
ηtot=ηel + ηth
또한 총 효율(출력) 대비 설치면적의 축소, 설치단가의 감소 등의 장점이 있다. 그러나 이러한 태양전지-태양열 병합장치의 열효율은 전기에너지의 추출로 정격 태양열 집열기만큼 높지는 않다. 또한 대부분의 응용에 있어서 전기에너지의 생산이 강조되고 있어 이에 따르는 설계변수는 열 이용 쪽에서는 수동적이다.
태양광-태양열에너지 결합하는 개념의 장치는 최근에 개발에 박차를 가하고 있으며 참고로 선행특허는 미국특허US 6,675,580호, 미국특허US 6,295,818가 있고,
공지된 선행 논문은, “엠. 브로그렌”박사의 웁살라대학 박사학위논문(2004)인“포물형 반사경을 이용한 저 집속비 태양에너지장치의 광학효율”(M. Brogren, "Optical Efficiency of Low-Concentrating Solar Energy Systems with Parabolic Reflectors“, Uppsala University, Ph.D. Thesis, 2004)과 “제이. 에스. 컨벤트리”박사의 호주국립대학 박사학위논문(2004)인 “태양에너지 집속형 태양전지/태양열 집열기”(,J. S. Conventry, "A Solar Concentrating Photovoltaic/Thermal Collector", Australlian National University, Ph.D. Thesis, 2004) 등이 있다.
* 태양전지의 일반적인 전기적, 열적 특성
태양전지(예: Si cell)의 일반적인 전기적, 열적 특성은 태양에너지가 조사되는 밀도를 정하여주는 집속비[C=광학면의 개구면 면적/수광면(태양전지) 면적]에 거의 비례하여 출력(주로 전류)이 증가하며(도 1 참조), 태양전지의 온도에 비례하여 출력(주로 전압)이 감소된다(도 2 참조). 즉 태양전지는 일반적으로 저온일수록 효율이 상승한다. 단 비결정질 태양전지는 예외이다.
* 에너지 균일화의 필요성
태양전지는 또한 수광된 에너지의 분포에 따라 효율(Fill Factor)이 변하며, 균일한 분포인 경우 최대의 출력을 나타낸다. 국부적인 조사(Hot spot)는 역류현상이 나타나거나 전지를 파손시키거나 또는 수명을 단축시킨다(도 3참조). 태양열이용 장치에서도 흡열면에 분포되는 태양에너지가 균일할수록 흡열효율이 높아진다.
* 집속기
집속기는 일정한 면적(개구면)에 입사하는 태양에너지가 보다 작은 면적의 출구면(수광면 또는 흡열면)에 농축된 밀도의 동일한 량의 에너지를 조사(照射)시켜 태양전지의 출력 또는 효율을 높이거나 고온의 열에너지를 생성하는 광학장치(렌즈 또는 반사경)로 구성된다. 다양한 종류의 집속장치가 소개되어 있으나 복합포물면 집속기(Compound Parabolic Concentrator, 이하 CPC라 칭함)가 가장 이상적인 집속장치(도 4참조)로 증명되었으며 다양하게 응용되고 있다.
상술한 개구면과 출구면과의 비율을 기하학적 집속비(C)로 정의하며, 개구면에 입사하는 광선이 모두(100%) 출구면에 도달하는 입사각의 한계를 입사한계각(± θc)이라 칭한다. CPC의 경우, C=1/sinθc (2차원인 경우) 또는 C=1/sin2θc (3차원인 경우)로 정의되며, 주어진 θc값에 대하여 다른 종류의 집속기(예: Parabolic trough 또는 Dish)보다 최대의 C값을 제공한다. 그러나 이러한 CPC의 이용은 출구면에 도달하는 에너지의 분포가 균일하지 못하여(M자 또는 δ-함수 모형) 특히 태양전지 장치에 응용하기에는 한계가 있다. 따라서 일반적으로 프레넬렌즈(Fresnel lenz) 또는 포물면경을 이용하여 태양에너지를 집속하고 태양을 추적하여 균일한 에너지 분포를 구한다. 대부분의 2차원 집속기는 태양을 추적할 수도 있고 안 할 수도 있으며, 3차원인 경우 태양을 추적하여야 한다.
집속기는 기울어진 지축(23.5°)과 자전 및 공전으로 인한 태양의 고도의 변화로 2차원 집속장치인 경우 집속비가 약 4 이하이면 태양을 추적하지 않아도 되며 설계에 따라 평판형 집속기와 같이 위치 고정형으로 설치할 수 있다.
** MCPC(Modified CPC)의 특성 (출원번호 제2004-44638호)
상술한 기본 CPC의 출구면에 에너지 분포의 불균일성 문제를 실질적으로 해소한 변형된 CPC(Modified CPC, 이하 MCPC라 칭함)를 본 출원인이 국내특허출원 제2004-44638호의 청구항 1로 제안한 바 있다.
상기 MCPC는 태양광발전장치에 효율적으로 응용할 수 있으며, 특히 저 집속비의 위치 고정형으로 설계할 수 있는 장치이다. 출구면에 평판형 흡열장치 또는 원통형 흡열장치 등으로 대치하여 효율적인 집열장치로 응용될 수 있다(도 5참조).
** 장화(Boots)형 집열기의 특성
기존 평판형 집열기는 고온에서 열손실이 크며 따라서 운영온도가 40-80℃ 영역에 있다. 진공관 집열기는 대류에 의한 열손실을 거의 제거하여 고온에서 장치의 효율이 높으며 운영온도는 80-120℃의 영역에 이른다. 그러나 진공관 집열기의 단위면적당 공급단가는 평판형 집열기보다 훨씬 고가이며(종류에 따라 2~3.5배) 또한 외부의 충격에 약하다.
장화형 집속기(도 6)는 상기 MCPC를 이용하여 흡열면에 균일한 에너지가 분 포되게 하고, 동시에 흡열면이 지면을 향하게 하여 대류에 의한 열손실을 억제하고 또한 흡열면 주위에 대류의 정체공간이 형성되어 장치의 효율을 대폭 상승시키는 집속기로써 본 출원인이 선출원한 국내특허출원 제2004-44638호의 청구항 2로 제안한 바 있다.
본 발명의 목적은 MCPC를 이용하여 태양광을 집속하여 전기에너지로 변환시키는 태양전지장치와 장화형 집속장치를 이용하여 태양광을 집속하여 태양열을 얻는 태양열 집열장치를 함께 구비하여 태양에너지를 효율적으로 이용하도록 하고자 하고, 태양전지장치에 있어서 태양전지의 냉각은 필수적인 바 냉각매체로 태양전지를 냉각하고 열을 흡수한 냉각매체를 태양열 집열장치의 흡열매체로 이용하도록 하여 열에너지의 효용성을 높이고자 하는 것이다.
도 7(a)에 도시된 바처럼 본 발명에 따른 태양광-태양열에너지 병합장치는 태양광을 집광하여 전기에너지를 발생시키는 태양광발전부(100)과 태양열을 집속하여 열에너지를 수집하는 태양열집열부(200)가 상호 교대로 배치하여 구성된다.
상기 태양광발전부(100)는 도 8에 도시된 바 처럼 태양광을 집광시키는 수광밀도 균일화 복합포물면 집속기(110; 본 출원인의 선출원발명 10-2004-444368의 청구항1의 발명, 이하 MCPC라 함)와 상기 MCPC(110)의 수광면에 설치된 태양전지(120)와 태양전지(120)의 저면에 부착되어 열을 전도하는 열전도 패드(130)과 상기 열전도 패드의 저면에 형성된 흡열판(140)과 흡열판(140)의 열을 흡수하는 냉각매 체가 흐르는 냉각도관(150)과 상기 냉각도관(150)을 감싸고 열의 방출을 막는 단열블록(160)으로 구성된다.
상기 MCPC(110)의 긴 포물면으로 된 반사판(111)은 알미늄재로 형성하되 반사판을 상기 태양전지(120)과 열전도 패드(130)를 수납한 구조로 연장하여 형성하고, MCPC(110)의 개구부는 유리와 같은 투명판으로 된 투명커버(112)가 형성되어 있다.
상기 태양열집열부(200)는 수광면이 지면을 향하도록 배치되는 장화형 수광밀도 균일화 복합포물면 집속장치(210; 본 출원인의 선출원발명 10-2004-444368의 청구항 2의 발명, 이하 장화형 집속기라 함)와 상기 장화형 집속기(210)의 수광면에 배관된 흡열매체가 흐르는 흡열도관(220)으로 구성된다.
상술한 바와 같은 구성부분으로 이루어진 본 발명에 따른 태양광-태양열에너지 병합장치의 특징은 상기한 바처럼 태양광발전부(100)와 태양열집열부(200)가 상호 교대로 배치되어 형성되는 것과, 태양광발전부(100)의 냉각매체가 흐르는 냉각도관(150)과 태양열집열부(200)의 흡열도관(220)이 서로 연결되어 있다는데 특징이 있다.
즉 태양광발전부(100)의 냉각도관(150)을 흐르는 냉각매체는 수광면에 위치하는 태양전지(120)의 승온(昇溫)에 따른 기능저하를 막기 위하여 태양전지(120)를 냉각시키고 냉각매체가 승온되는데 이렇게 온도가 상승한 냉각매체를 태양열집열부(200)의 흡열도관(220)으로 보내어 흡열매체로 이용하도록 하므로써 장치의 에너지효율을 높고자 함에 특징이 있는 것이다.
본 발명에 따른 태양광-태양에너지 병합장치는 태양광을 집광하여 전기에너지를 발생하는 태양광발전부(100, 도 5참조)를 태양열을 집속하여 열에너지를 발생시키는 태양열집열부(200, 도 6참조)와 구조 사이의 공간에 위치하여 한 개의 결합된 구조(도 7참조)로 장치를 형성하고,
태양광발전부(100)의 승온되는 태양전지(120)의 하부에 냉각하기 위한 수단의 냉각도관(150)를 배치하고, 냉각도관(150)의 내부에 흐르는 냉각매체{예: 공기, 물, 물-글리콜(Glycol) 혼합물 등}가 태양전지(120)의 열을 흡수하여 승온되고, 승온된 냉각매체를 고온의 열을 생성하고자 하는 태양열집열부(200)의 흡열도관(220)으로 보내어 장화형 집속장치(210)에 의하여 흡수된 태양열에 의하여 가열되어 더욱 높은 온도의 열매체로 변환되는 구조로 형성된다.
따라서 본 발명에 따른 태양광-태양에너지 병합장치는 태양전지(120)와 결합된 MCPC(110), 태양전지(120)와 접착되어 태양전지(120)를 냉각시키는 냉각도관(150)으로 이루어진 태양광발전부(100)와 상기 냉각도관(150)에서 승온된 냉각매체를 입수하여 가온된 상기 냉각매체 즉 흡열매체가 흐르는 흡열도관(220)과 상기 흡열도관을 흡열매체를 더욱 가열하는 장화형 집속장치(210)로 이루어진 태양열집열부(200)로 구성된다.
<집속장치>
MCPC(110)는 저 집속비(<5)로 입사한계각 이내의 모든 각도에서 입사하는 광선이 출구면에 실질적으로 균일하게 분포되도록 특수광학 장치를 사용하여 태양전지의 효율을 많이 높여준다.
장화형 집속기(210)는 흡열면이 지면을 향하여 있어 대류에 의한 열손실을 억제하여 열손실 문제를 해결하였으며 또한 상기 MCPC(110)와 같은 구조의 수광밀도 균일화 복합포물면 집속장치를 주 반사경으로 고용하여 흡열면에 집속된 에너지가 균일하게 분포되어 흡열효율을 대폭 증가시킨다.
상기 2 종류의 집속장치(110과 210)는 도 7(a)에 도시된 바 처럼 단위장치내에 각 각 1개의 모듈장치로 서로 교호적으로 구성되거나, 또는 도 7(b) 도 7(c)에 도시된 바 처럼 도전기의 출력과 이용하고자하는 열에너지의 용량과의 비율에 따라 각 집속기의 단위모듈의 혼합비율을 조절하여 구성할 수 있다.
<냉각수단>
태양전지의 온도를 냉각시키기 위한 냉각수단은 다음 2가지 형태로 구상할 수 있다.
(1) 수동형 자연냉각
태양전지(120)를 반사면의 하부 끝단부분(K,K')을 연장하여 도 9와 같이 네모꼴 K'D'KD의 형태로 절곡하여 반사면 구조를 A'K'D'DKB 모형으로 만들고 태양전지(120)와 반사판(111)의 하단면(D'D) 사이에 전기절연체의 열전도 패드(130)를 삽입하여 전기적 전도를 차단하고 열에너지만을 열전도 패드(130)를 통하여 반사판(111)에 전도되어 방사되게 한다. 따라서 고온의 태양전지의 열은 열전도 패드(130)로 전도되고 또한 저온의 알루미늄 반사판(111)으로 전도되어 태양전지(120)의 온도가 떨어지게 된다.
(2) 냉각장치를 통한 강제냉각
태양전지-태양열 장치는 태양전지의 온도를 최저로 유지하기 위하여 통풍 또는 냉각매체를 사용하는 강제 냉각도관(150)를 사용할 수 있다.
이 경우 냉각 휜(Fin)의 구조를 태양전지(150)의 하부 면에 접촉시키고 휜구조의 내부공간에 형성된 도관(導管)을 통하여 냉각매체(예: 공기, 물 등)가 흐르게 하여 태양전지(120)의 온도를 하강시킬 수 있다.
도 8의 구조는 도 9의 구조에서 알루미늄판으로 된 반사판(111)(반사면의 연장으로 형성된 바닥면)의 하부면(D'D)에 냉각매체(예: 물, 공기) 통로인 냉각도관(120)이 접착되어 형성된 구조이다. 상기 냉각도관(120)의 주위에서 외부로부터 열을 흡수하거나 또는 외부로 방출되는 열의 손실을 최소화하기 위하여 일종의 절연물질(예:Polyester, Polyisocyanurate)로 덮은 단열블록(160)을 형성시킨다. 저온의 냉각매체를 냉각도관(120)에 연속적으로 공급하면 알루미늄판으로 된 반사판(111)에 전도되고 반사판(111)은 태양전지(120)에서 방출되는 열을 흡수하여 태양전지(120)의 온도는 하강되고 동시에 냉각도관(150)의 냉각매체는 가열되어 승온된 매체로 태양열집열부(200)의 흡열도관(220)으로 유입된다.
상기 태양전지(120)의 냉각구조에 있어서 반사판(111)의 하부면(D'D)를 제거하고 열전도 패드(130)에 직접 부착할 수 있다. 이 경우 반사판(111)에 의한 냉각 기능은 상실되나 태양전지(120)와 냉각수단간의 경계면이 줄어들어 열전도 효율을 높일 수 있다(도 10참조)
<냉각-가열 연결회로>
태양전지-태양열 집열기 혼합장치에 있어서 태양전지(120)의 냉각수단인 냉 각도관(150)과 장화형 집속장치(210)에서 수집된 태양열을 흡수하는 흡열도관(220)의 연결수단이 중요하다.
상기 연결수단은 태양전지(120)의 온도를 먼저 최하의 균일한 온도로 유지할 수 있도록 고려하여야 한다. 냉각도관(150)을 통하여 배출된 매체는 집열도관(220)를 통하여 고온의 매체로 변환되어 저장탱크 또는 적절한 용도에 수송된다.
따라서 냉각도관(150)과 흡열도관(220)을 연결함에 다양한 실시예가 있을 수 있는데, 도 11(a)에서부터 도 11(d)와 같이 다양한 구성을 할 수 있는 것이다.
태양광발전부(100)의 냉각도관(150)은 도 11a내지 도 11d에 도시된 바와 같이 직렬 또는 병렬로 배관할 수 있다.
도 11(a)는 다수의 개별냉각관(150-1, 150-2,....,150-n)으로 구성된 냉각도관(150)과 다수의 개별 흡열관(120-1, 120-2, .....,120-n)으로 구성된 흡열도관(220)을 순차적으로 연결하여 지그재그 상으로 배열하되 냉각도관(150)의 일 측 단부인 냉각매체의 최종출구와 흡열도관(220)의 일측단부인 흡열매체의 입구가 연결된 직렬배관이고,
도 11(b)는 냉각도관(150)은 개별 냉각관(150-1, 150-2,....,150-n)의 각 입수구와 각 출수구를 냉각매체분배관(150-s)과 냉각매체수집관(120-c)로 연결하여 사다리 형태의 병렬배관하고, 흡열도관(220)은 다수의 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)을 지그재그 상으로 직렬배관하여 냉각도관(150)의 출구와 흡열도관(220)의 입구를 연결한 구조이고,
도 11(c)는 각 개별 냉각관(150-1, 150-2,....,150-n)에 냉각매체를 개별적 으로 분배하여 보내기 위한 냉각매체분배관(150-s)을 포함하여 병렬배관의 냉각도관(150)을 구성하고, 각 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)의 각 출구를 승온된 흡열매체를 모아 수집하는 흡열매체수집관(220-c)으로 연결하여 병렬배관의 흡열도관(220)를 구성하고, 각 개별 냉각관(150-1, 150-2,....,150-n)의 출구는 대응되는 각 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)의 입구와 연결하고 각 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)의 출구가 상기 흡열매체수집관(220-c)로 연결한 구조이며,
도 11(d)는 각 개별 냉각관(150-1, 150-2,....,150-n)에 냉각매체를 개별적으로 분배하는 냉각매체분배관(150-s)과 각 개별 냉각관(150-1, 150-2,......
,150-n)으로부터 나오는 냉각매체를 수집하는 냉각매체수집관(150-c)를 구성함으로써 사다리꼴의 병렬배관으로 된 냉각배관(150)을 구성하고, 각 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)의 각 입구를 흡열매체분배관(220-s)로 연결하고 각 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)의 각 출구를 흡열매체수집관(220-c)으로 연결하여 가열된 흡열매체를 수집하도록 구성한 병렬배관의 흡열배관(220)을 구성한 구조이다.
상기 직렬배관은 냉각매체 또는 흡열매체의 진행경로가 병렬회로보다 길어 온도의 분포가 불균형적이다.
따라서 태양전지(110)의 균일한 온도 분포를 위하여서는 비교적 짧은 길이의 경로로 냉각도관(150)을 병렬로 배관하는 것이 효율적인 냉각 수단이다(도 11(b)와 도 11(d)).
냉각도관(150)의 직렬배관은 태양전지(110)의 온도가 과히 높지 않거나 또는 비교적 빠른 속도의 매체가 흐르거나 아주 짧은 경로를 흐를 때 유용할 수 있다.([11(a) 및 도11(b)).
탱양열집열부(200)의 흡열도관(220)도 직렬 또는 병렬로 배관될 수 있다.
흡열도관(220)의 직렬연결은 흡열매체가 가열되는 진행경로가 길어 출구에 고온의 흡열매체를 생성할 수 있고(도 11(a)), 병렬배관은 비교적 낮은 온도이나 거의 동일한 온도의 흡열매체를 대량으로 동시에 생성할 수 있다.
태양열집열부(200)의 흡열도관(220)이 병렬로 연결될 경우 냉각도관(150)을 구성하는 각 개별 냉각관(150-1, 150-2,....,150-n)과 흡열도관(220)을 구성하는 각 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)을 직렬로 연결하고 각 각의 작동매체 도관의 입구와 출구를 병렬로 연결하여 효율적인 열을 취득할 수 있으며 장치도 비교적 단순하여 진다(도 11(c)). 이 경우 태양전지는 비교적 고르게 냉각되며 또한 거의 동일한 온도의 많은 량의 매체를 생성할 수 있다.
태양전지-태양열 병합장치는 이하 열거된 장점을 갖는다.
1. 기본적으로 태양전지를 냉각도관으로 냉각하므로 태양전지의 효율을 높여준다.
2. 태양광발전부(100)의 태양전지 모듈에서 태양전지를 냉각하고 승온된 냉각매체를 태양열 집열부(200)의 흡열매체로 공급하므로 집열효율을 높이며, 동시에 장화형 집속기(210)로 구성된 집열모듈의 총 유효면적을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
3. 주어진 설치면적에 대하여 전기 에너지와 열에너지를 동시에 생성할 수 있어 설치면적의 효용성을 높인다.
4. 전기에너지와 열에너지를 동시에 생산하므로 장치의 총 출력에 대한 효율이 높다 (총 에너지 생산량=전기에너지+열에너지).
5. 따라서 장치의 단가 및 설치단가를 줄여 준다.
6. 특히 본 발명에 따른 장치는 위치 고정형으로 태양을 추적하지 않으므로 응용의 폭이 넓다 {건물일체형 태양광발전시스템(BIPV:Building Integrated Photovoltaics) 등}.
7. 냉각매체 또는 흡열매체의 행로를 자유롭게 직렬 및 병렬로 연결할 수 있어 용도에 따라 열에너지를 유용하게 사용하도록 장치를 설계할 수 있다.
8. 장화형 집속기(210)의 유효 개구면 면적을 증가시켜 태양열집열부(200)의 단위면적당 출력을 높이며 단가를 감소시킬 수 있다.
9. 장화형 집속기(210)는 태양열집열부에 적용되나 전기 및 가열된 공기와 액체를 동시에 생성할 수 있어 응용이 다양화 된 것을 본 발명의 보호범위에서 제외하는 것이 아니다.
10. MCPC(110)도 장화형 집속기(210)와 같이 태양전지 주변의 더운 공기를 유사한 방법으로 추출할 수 있다. 그러나 장화형 집속기(210)의 경우보다는 효율성이 낮다.
11. 냉각매체로 공기만을 사용하여 용도에 따라 응용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 태양전지 표면에 집속된 태양 에너지가 고르게 분포되는 수광밀도 균일화 CPC 장치와 또한 입사된 태양열 에너지가 흡열면에 고르게 분포되고 열손실을 대폭 감소하는 장화형 집속장치에 있어서,
    MCPC(110)의 수광면에 태양전지(120)를 설치한 태양광 발전부(100)와, 장화형 집속장치(210)의 수광면에 흡열매체가 흐르는 흡열도관(220)이 설치된 태양열 집열부(200)가 교호적으로 설치되어, 태양에너지에 의한 전기와 고온수를 동시에 얻을 수 있도록 구성하고;
    태양광 발전부(100)의 태양전지(120)의 저면에 설치되어 태양전지(110)를 냉각시키는 냉각매체가 흐르는 냉각도관(150)에서 승온된 냉각매체를, 태양열 집열기(200)의 흡열도관(220)으로 유입시켜 재차 승온될 수 있도록 한 태양전지-태양열 병합장치.
  2. 제1항에 있어서, 태양광발전부(100)는 태양광을 집속시키는 MCPC(110)와 상기 MCPC(110)의 수광면에 설치된 태양전지(120)와 태양전지(120)의 저면에 부착되어 열을 전도하는 열전도 패드(130)와 상기 열전도 패드의 저면에 형성된 흡열판(140)과 흡열판(140)의 열을 흡수하는 냉각매체가 흐르는 냉각도관(150)과 상기 냉각도관(150)을 감싸고 열의 방출을 막는 단열블록(160)으로 구성되고, 상기 MCPC(110)의 반사판(111)은 알미늄으로 형성하되 반사판을 상기 태양전지(120)와 열전도 패드(130)를 수납한 구조로 연장하여 형성하고, MCPC(110)의 개구부는 유리와 같은 투명판으로 된 투명커버(112)가 형성된 태양전지-태양열 병합장치.
  3. 제1항에 있어서, 냉각도관(150)은 다수의 개별냉각관(150-1, 150-2,....,150-n)으로 구성되는 것으로;
    각 개별 냉각관(150-1, 150-2,....,150-n)이 순차적으로 지그재그상으로 배열 연결하여 직렬배관하거나;
    각 개별 냉각관(150-1, 150-2,....,150-n)에 냉각매체를 개별적으로 분배하는 냉각매체분배관(150-s)과 각 개별 냉각관(150-1, 150-2,......
    ,150-n)으로부터 나오는 냉각매체를 수집하는 냉각매체수집관(150-c)를 구성함으로써 병렬배관으로 된 태양전지-태양열 병합장치.
  4. 제1항에 있어서, 흡열도관(220)은 다수의 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)으로 구성된 것으로;
    다수의 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)이 이 순차적으로 지그재그상으로 배열 연결하여 직렬배관하거나;
    각 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)의 각 입구를 흡열매체분배관(220-s)로 연결하고 각 개별 흡열관(220-1, 220-2, .....,220-n)의 각 출구를 흡열매체수집관(220-c)으로 연결하여 가열된 흡열매체를 수집하도록 구성한 병렬배관으로 된 태양전지-태양열 병합장치.
KR1020050057228A 2005-06-29 2005-06-29 태양전지-태양열에너지 병합장치 KR100755505B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050057228A KR100755505B1 (ko) 2005-06-29 2005-06-29 태양전지-태양열에너지 병합장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050057228A KR100755505B1 (ko) 2005-06-29 2005-06-29 태양전지-태양열에너지 병합장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070001632A KR20070001632A (ko) 2007-01-04
KR100755505B1 true KR100755505B1 (ko) 2007-09-04

Family

ID=37868992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050057228A KR100755505B1 (ko) 2005-06-29 2005-06-29 태양전지-태양열에너지 병합장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100755505B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101074942B1 (ko) 2011-03-11 2011-10-18 최홍덕 진공관형 염료감응태양전지
KR101145925B1 (ko) 2011-02-07 2012-05-15 엘지전자 주식회사 태양광 열 복합 모듈

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101026684B1 (ko) * 2009-08-19 2011-04-07 (주)신우디엔시 태양광 발전장치
KR101720651B1 (ko) * 2016-08-19 2017-03-28 한국광기술원 곡면 태양광 셀을 이용한 집광형 태양광 발전 시스템
KR101893269B1 (ko) * 2016-12-21 2018-10-04 한국전력공사 태양광 태양열 리시버와, 집광형 태양광 에너지 변환 시스템 및 그 방법
KR102208571B1 (ko) * 2018-12-20 2021-01-27 한국광기술원 충진율 조절 가능한 태양광 발전장치, 방법 및 시스템

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010107884A (ko) * 2001-11-10 2001-12-07 한영재 태양전지태양열보일러태양광발전에사용될집열집광방법
KR20050106164A (ko) * 2004-05-04 2005-11-09 부경대학교 산학협력단 히트파이프와 태양전지 모듈을 이용한 하이브리드태양에너지 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010107884A (ko) * 2001-11-10 2001-12-07 한영재 태양전지태양열보일러태양광발전에사용될집열집광방법
KR20050106164A (ko) * 2004-05-04 2005-11-09 부경대학교 산학협력단 히트파이프와 태양전지 모듈을 이용한 하이브리드태양에너지 장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
국내 공개특허 10-2001-0107884호
국내 공개특허 10-2005-0106164호

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101145925B1 (ko) 2011-02-07 2012-05-15 엘지전자 주식회사 태양광 열 복합 모듈
KR101074942B1 (ko) 2011-03-11 2011-10-18 최홍덕 진공관형 염료감응태양전지

Also Published As

Publication number Publication date
KR20070001632A (ko) 2007-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2013520785A (ja) 集中型太陽光発電及び熱システム
KR100848809B1 (ko) 태양열과 태양광을 이용한 복합발전용 입체모듈 및 이를이용한 복합발전방법
TWI487127B (zh) 太陽能電池模組
KR100755505B1 (ko) 태양전지-태양열에너지 병합장치
JPS5997457A (ja) 太陽エネルギ−利用装置
CN107221996A (zh) 一种基于太阳能温差发电的供电系统
KR101997761B1 (ko) 집광형 및 평판형 하이브리드 태양전지를 이용한 태양광 및 태양열 복합발전시스템 및 발전방법
CN102957345A (zh) 高倍聚光光伏发电供热系统
KR100904666B1 (ko) 열전소자를 이용한 태양광 발전 장치
KR20130115550A (ko) 응집태양광 광열복합 발전모듈 및 그 발전기
CN113871505A (zh) 一种基于相变蓄热与辐射制冷的反射式聚光光伏系统
CN101814870B (zh) 太阳能槽式温差发电装置
CN201479052U (zh) 跟踪聚光太阳能的光电光热联合产生装置
WO2012076847A1 (en) Solar energy apparatus with a combined photovoltaic and thermal power generation system
KR101237306B1 (ko) 태양에너지 변환장치에 적용되는 광전지 모듈 냉각장치
WO2023216617A1 (zh) 分光吸收集热组件、光伏热电联供系统及电能存储系统
KR102290847B1 (ko) 태양에너지 수집장치
CN207320145U (zh) 一种布置有双面光伏电池片的聚光光伏光热组件及阵列
CN202918219U (zh) 高倍聚光光伏发电供热系统
CN106160650A (zh) 一种热管式聚光光伏光热一体化热电联产装置
CN202977491U (zh) 一种槽式复合抛物面聚光发电组件
KR20120056648A (ko) 태양전지와 열전소자를 이용한 온수 가열 기능을 갖는 발전 시스템
CN202996871U (zh) 一种聚光反射式光伏模组的发电、供热联产装置
KR102023697B1 (ko) 태양광 에너지를 이용한 복합발전을 위한 태양광 패널 구조
CN101796353B (zh) 聚焦太阳辐射的电子波的无线电波反射器以及使用电子波的蓄热单元

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20110830

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120829

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee