KR100893508B1 - 열전소자와 솔라셀을 이용한 복합 발전장치 - Google Patents

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Abstract

태양을 이용한 발전장치의 효율을 증대시키기 위하여 태양광과 태양열을 모두 이용할 수 있는 구조를 갖는 복합 발전장치를 제공한다. 그 장치는 빛에 의하여 전기를 발생하는 솔라셀과 빛을 수렴하는 집열렌즈를 포함하는 제1 기판을 포함한다. 또한 제1 기판과 일정한 간격만큼 떨어져 배치되어 집열렌즈를 통하여 수렴된 빛에 의해 열이 발생하는 집열판 및 집열판에서 집열렌즈의 대응하는 면에 부착되어 열을 전기로 변환하는 열전소자를 포함한다.
태양발전, 솔라셀, 집열렌즈, 집열판, 열전소자

Description

열전소자와 솔라셀을 이용한 복합 발전장치{Complex generator using thermoelectric element and solar cell for solar generator of electric power}
본 발명은 열전소자를 이용한 복합 발전장치에 관한 것으로, 특히 열전반도체를 이용하여 태양광과 그에 의한 열을 모두 이용하는 복합 발전장치에 관한 것이다.
태양을 이용하는 발전장치는 크게 태양광을 이용하는 발전장치와 태양열을 이용하는 발전장치로 구분할 수 있다. 태양광을 이용한 발전장치는 광전효과를 기대할 수 있는 화합물반도체인 GaAs, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 등으로 제조된 태양전지(solar cell; 솔라셀)를 이용하는 방식이다. 구체적으로, 솔라셀을 가능한 넓은 면적에 배열하여 광전효과를 통하여 발전을 행하고 있다. 이러한 태양광 발전장치는 설비비가 적고 또한 설치가 용이하나, 대면적을 필요로 하고 광전변환효율이 매우 낮다는 단점이 있다. 현재 태양광 발전의 효율을 증대시키기 위하여 재료의 개선에 노력을 기울이고 있다. 즉, 빛에 의한 전기적인 변환효율을 향상시키려는 연구가 다양하게 진행되고 있다. 또한 종래의 솔라셀은 예컨대 직사광선을 통해서 얻어지는 열은 활용하지 않고 그대로 버려지고 있다.
한편, 종래의 태양열을 이용하는 발전장치는 집열된 열이 외부로 손실되는 열량을 최소로 하여, 외부의 발전 또는 난방설비에 이용하기 위해 열의 전달이 용이하도록 구조를 갖도록 개선되고 있다. 그런데 종래의 태양열 발전장치는 태양열에 의해 직접적으로 전력을 얻을 수 있는 구조가 아니다. 즉, 물이나 기타 재료를 데우고 이를 이용해 2차적으로 발전을 하거나 또는 난방 설비에 직접 이용하고 있어 설비가 크고 효율이 대체적으로 낮은 단점을 가지고 있다.
종래의 태양열 발전장치는 집열을 통해 물을 끓이고 이를 이용한 터빈 방식의 발전이므로 설비가 크고 시설비가 많이 들고 효율 또한 5% 미만으로 저효율 설비이다. 효율의 증대를 위해 반구형의 반사경을 이용하여 태양열을 집광하여 고온/고열량을 낼 수 있는 설비가 개발되고 있다. 하지만 위의 설비도 태양열만을 이용하여 발전장치로 활용하기에는 미흡한 점이 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양을 이용한 발전장치의 효율을 증대시키기 위하여 태양광과 태양열을 모두 이용할 수 있는 구조를 갖는 복합 발전장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 복합 발전장치는 빛에 의하여 전기를 발생하는 솔라셀과 빛을 수렴하는 집열렌즈를 포함하는 제1 기판을 포함한다. 또한 상기 제1 기판과 일정한 간격만큼 떨어져 배치되어, 상기 집열렌즈를 통 하여 수렴된 빛에 의해 열이 발생하는 집열판 및 상기 집열판에서 집열렌즈의 대응하는 면에 부착되어 열을 전기로 변환하는 열전소자를 포함한다. 태양광 집열부는 솔라셀을 제외한 태양열 집열렌즈가 고르게 배열된 부분이다. 이때, 태양열 집열렌즈는 미세한 렌즈가 마이크로 어레이(array)되어 있어 집열된 열을 열전소자, 예컨대 열전반도체로 고르게 전달할 수 있도록 한다. 열전소자는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 반도체소자로, 열전소자를 이용한 태양열 발전장치는 집열된 열이 열전소자를 가열하는 면에 고르게 전달되는 것이 바람직하다. 이에 따라, Cu, Al 등과 같이 열전도가 좋은 재료로 이루어진 집열판의 아래에 열전소자를 배치한다.
본 발명에 있어서, 상기 집열렌즈는 미세한 렌즈가 다수 개 배열된 다중초점렌즈일 수 있다. 상기 제1 기판에 있어서, 복수개의 상기 집열렌즈는 상기 제1 기판에 독립적으로 배치되고, 상기 집열렌즈를 제외한 상기 제1 기판 상에 솔라셀을 배치할 수 있다. 이때, 상기 솔라셀 상에 별도의 집광렌즈를 더 장착할 수 있다. 또한 상기 제1 기판은 상기 솔라셀 상에 별도의 집광렌즈가 부착된 부분과 상기 집열렌즈가 서로 인접하도록 조합되어 상기 제1 기판에 분산되어 배치될 수 있다.
본 발명의 바람직한 복합 발전장치에 있어서, 상기 집열판은 상기 집열렌즈 방향에 따라 돌기가 형성될 수 있다. 이때, 상기 돌기는 표면방향에 따라 일정한 반경을 이루거나 반경이 점진적으로 변하는 것일 수 있다.
본 발명의 복합 발전장치는 태양광 발전을 통한 광-전기 변환 효율과 태양열 발전을 통한 열-전기 변환효율을 모두 활용함으로써, 약 15% 이상의 전기에너지 변환효율을 획득할 수 있다. 또한, 솔라셀과 집열렌즈의 배열을 다양하게 함으로써, 상기 변환효율을 증대시킬 수 있다. 나아가, 열을 생성하는 집열판에 돌기를 형성함으로 열전소자로 전달되는 온도구배를 일정하게 하여 안정된 전기에너지를 생성할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는 태양 발전의 두 가지 측면인 태양광과 태양열을 동시에 이용하여 발전할 수 있는 복합 발전장치를 제공한다. 즉, 본 발명의 실시예에 의하면, 태양광 발전을 통한 광-전기 변환 효율과 태양열 발전을 통한 열-전기 변환효율을 모두 활용하여 약 15% 이상의 전기에너지 변환효율을 획득할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 복합 발전장치는 태양열과 태양광의 상호간의 전기변환 능력을 동시에 이용할 수 있는 장치를 말한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 복합 발전장치의 전체적인 구조를 설명하기 위한 사시도이다. 도 2는 도 1의 전체적인 구조 중에서 트래커 장치(30)를 제외한 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 복합 발전장치는 크게 세 부분으로 구별된다. 즉, 먼저 태양광을 흡수할 수 있도록 외부에 노출되어 있으며, 태양광 발전을 위한 솔라셀(110)과 빛을 수렴시키기 위한 집열렌즈(120)를 구비하는 태양광 집열부(10)가 있다. 다시 말해, 솔라셀(110)과 집열렌즈(120)는 제1 판(130)에 배치된다. 제1 판(130)은 투명한 소재로 이루어지며, 이는 추후에서 설명되겠지만 집열렌즈(120)와 솔라셀(110)이 조합되어 이루어진다. 여기서, 집열렌즈(120)는 빛을 수렴하는 볼록렌즈가 바람직하다. 태양광 집열부(10)의 솔라셀(110)에서는 전기에너지(W1)를 얻을 수 있다. 따라서 태양광 집열부(10)는 솔라셀(110)을 이용한 태양광 발전을 하는 것과 동시에 집열렌즈(120)를 통해 고온의 열이 열전소자(220)로 전달되도록 한다.
태양광 집열부(10)에서 집열된 열을 전기에너지로의 변환을 위한 열전소자(220)를 구비한 태양열 발전부(20)는 태양광 집열부(10)와 일정한 간격만큼 떨어져 설치된다. 태양열 발전부(20)는 제2 기판(211) 상에 돌기(212)가 형성된 집열판(210)과, 집열판(210)에 접속되어 열을 전기로 변환시키는 열전소자(220) 및 손실된 열을 외부로 방출하기 위한 방열판(240)이 순차적으로 접속된 구조를 가진다. 태양광 발전부(20)의 열전소자(220)에서는 전기에너지(W2)를 얻을 수 있다.
즉, 태양열 발전부(20)는 집열렌즈(120)를 통과한 빛을 열로 변화시켜, 열전소자(220)의 상에 고온의 열이 고르게 분포될 수 있도록 돌기(212) 처리된 집열판(210)을 포함한다. 또한, 열전소자(220)와 방열판(240)은 제3 기판(230)에 의해 분리되면서 결합된다. 열전소자(220)는 집열판(210)과 제3 기판(230)의 온도차로 인한 제벡효과(Seebeck effect)에 의해 전기에너지(W2)를 얻을 수 있다. 이때, 태양열 발전부(20)에서 손실된 열은 방열판(240)을 통하여 외부로 배출된다.
마지막으로, 태양광 집열부(10)와 태양광 발전부(20)를 태양의 위치에 따라 그 위치를 변화시킬 수 있는 트래커 장치부(30)가 도시된 바와 같이 설치된다. 트래커 장치부(30)는 태양의 위치에 따라 최적의 환경을 구현할 수 있는 태양위치 감별 기능을 갖추고 있다. 구체적으로, 트래킹 장치부(30)는 내부에는 외부의 전극(도시하지 않음)으로부터 연결된 전선으로 발생된 전력을 수집할 수 있는 전력수집기(310)와, 트래커 장치부(30)를 제어하기 위한 회로를 포함하는 제어기(320) 및 직류전력을 교류전력으로 변환하고 안정된 전력을 보낼 수 있는 변환기(330)가 포함될 수 있다. 상세하게 도시하지는 않았지만, 발전된 전력을 안정적으로 모을 수 있는 전기장치들, 예컨대 발전된 전력을 안정적으로 저장/수송할 수 있는 기기들을 필요에 따라 더 부가할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 얻어지는 전력은 솔라셀(110)에 의한 전기에너지(W1)와 열전소자(220)에 의한 전기에너지(W2)를 합한 것이다. 이에 따라, 태양광 또는 태양열을 별도로 이용하는 종래의 발전장치에 비해 확보되는 전기에너지를 크게 증가시킬 수 있다. 즉, 종래에는 솔라셀(110) 또는 열전소자(220) 각각에서 단독으로 태양광을 활용하였으나, 본 발명의 실시예에서는 솔라셀(110)과 열전소자(220)를 동시에 이용하여 더 많은 전기에너지를 얻을 수 있다. 한편, 열전소자(220)는 순간적으로 고온을 발생하여 많은 에너지를 얻을 수 있는 장치이므로, 집열을 통하여 순간적인 고온의 생성이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 복합 발전장치를 구성하는 집열부(10)와 발전부(20)의 주요 구성요소에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 의한 태양광 집열부(10)를 나타낸 사시도이고, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 실시예에 의한 태양광 집열부(10)의 배열을 다양하게 변형한 사시도들이다. 설명의 편의를 위하여 각각의 태양광 집열부(10)의 일부를 확대하여 단면도로 나타내었다. 복합 발전장치의 전체적인 구조는 도 1을 참조하기로 한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양광 집열부(10)에는 제1 기판(130) 내에 솔라셀(110)에 의해 서로 분리되도록 독립되어 배치된 집열렌즈(120)와, 집열렌즈(120) 이외의 제1 기판(130) 상에는 솔라셀(110)이 위치한다. 솔라셀(110)은 n형과 p형의 반도체를 투명한 제1 기판(130), 예를 들어 유리에 코팅한 것이며, 집열렌즈(120)는 태양광의 집열을 위한 것이다. 이때, 집열렌즈(120)는 일반적인 볼록렌즈가 하나로 이루어진 형태로 사용할 수 있으나, 보다 효율적인 집열을 위해 작은 볼록렌즈(122)를 골고루 배열한 렌즈복합체가 바람직하다. 따라서 본 발명의 실시예에 의한 집열렌즈(120)는 미세한 볼록렌즈(122)와 같은 렌즈가 제1 기판(130)에 무수하게 배열됨으로써, 열을 전달받는 집열판(210)에서 광범위하게 고온의 열을 수집할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 변형된 본 발명의 집열부(10)는 제1 기판(130) 내에 솔라셀(110)에 의해 서로 분리되도록 독립되어 배열된 집열렌즈(120)가 있고, 집열렌즈(120) 이외의 부분은 솔라셀(110)과 별도의 집광렌즈(112)를 포함한다. 이때, 솔라셀(110)은 마이크로 렌즈(126)의 하부에는 배치되지 않고, 별도의 집광렌즈(112)의 하부에 배치된다. 즉, 솔라셀(110) 상에 집광렌즈(112)를 부착하여 각각의 솔라셀(110)의 광전 변환효율을 향상시킬 수 있다. 솔라셀(110)과 집광렌즈(112) 사이의 간격은 상기 광전 변환효율을 고려하여 정할 수 있다.
이때, 솔라셀(110)이 배치되지 않은 마이크로 렌즈(126)는 도 3a에서 설명한 집열렌즈의 역할을 한다. 이와 같이 솔라셀 및 렌즈들을 배열하는 방법은 분산 배치방식이라고 한다. 상기 각각의 렌즈(112, 126)의 크기, 개수 및 배열 방법은 본 발명의 복합 발전장치의 구조나 응용에 따라 달라질 수 있다.
도 3c를 참조하면, 집열부(10)는 제1 기판(130) 상에 집광을 위한 마이크로 렌즈(126) 그리고 제1 기판(130)을 사이에 두고 마이크로렌즈(126)에 대응하여 솔라셀(110)이 부착되어 있다. 또한, 상기 구조는 그루브(groove; 132)에 의해 복수개의 부분으로 구분될 수 있다. 이때, 솔라셀(110)을 제외한 부분은 집열을 위한 곳이다. 도면에서는 그루부(groove)에 의해 사각형 형상으로 구분되는 것을 나타내었으나, 경우에 따라 다른 형태로 구분할 수 있다. 나아가, 도면에서는 구분된 형상이 동일한 모양을 갖으나, 경우에 따라 구분된 형상이 달라질 수 있다. 예컨대 집열부(10)의 안쪽 부분은 크게 하고, 바깥쪽 부분은 작게 구분할 수 있다.
도 3c를 참조한 본 발명의 집열부(10)는 태양광이 솔라셀(110)을 통과할 때 에너지가 감소하여 열전소자(220)의 태양열의 집속이 적어질 수 있다. 하지만, 집열부(10)의 전체에 걸쳐 태양열 및 태양광을 동시에 사용할 수 있으므로 전체 전기적 에너지(W1+W2)를 증대할 수 있다. 나아가, 위에서 설명한 바와 같이 마이크로 렌즈(126)의 배열을 조절함으로써, 다양한 응용이 가능하다는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 태양열 발전부(20)에 적용되는 집열판(210)을 나타낸 사시도이다. 설명의 편의를 위하여 집열판(210)의 일부를 확대하여 단면도로 나타내었다. 복합 발전장치의 전체적인 구조는 도 1을 참조하기로 한다.
도 4를 참조하면, 발전부(20)의 집열판(210)은 제2 기판(211) 상에 엠보싱된 형태로 돌출된 돌기(212)를 포함한다. 제2 기판(211)과 돌기(212)는 일체형인 것이 바람직하며, 경우에 따라 제2 기판(211)과 돌기(212)는 각각 분리된 상태에서 접합하여 형성될 수도 있다. 집열판(210)은 열전달이 우수한 물질, 예컨대 구리일 수 있다. 또한, 엠보싱된 형태의 돌기는 일정한 반경을 가지는 구의 일부일 수 있으며, 반경을 점진적으로 달리하는 타원형 구의 일부일 수도 있다. 돌기(212)의 크기는 모두 일정하게 할 수도 있고, 집열렌즈(120)와 열전소자(220)와의 관계를 고려하여 부분적으로 달리할 수 있다. 따라서 돌기(212)의 개수나 크기는 본 발명의 복합 발전장치의 형태나 응용목적에 따라 정할 수 있다.
돌기(212)의 꼭대기 부분은 일정한 깊이만큼 패여 있는 수광집중부(도시 안됨)를 둘 수 있다. 수광집중부는 집열렌즈(120)를 통하여 입사되는 빛을 확률적으로 많이 포획하고자 하기 위함이다. 본 발명의 돌기(212)는 돌기(212)에 입사된 빛에 의한 열이 일정한 온도구배를 가지고 확산되도록 하는 역할을 한다. 즉, 돌기(212)의 표면에 발생한 열은 하부의 열전소자(220)에 일정한 온도를 부여한다. 이에 따라, 열전소자(220)는 안정된 전기에너지(W2)를 생성할 수 있다. 특히, 수광집중부를 두는 경우에는, 수광집중부의 폭이나 깊이를 조절하여 효율적인 온도구배를 설계할 수 있다.
본 발명의 복합 발전장치는 소규모의 휴대용 태양열 발전장치 뿐만 아니라 대용량의 태양발전 설비에도 동시에 적용할 수 있다. 본 발명의 장치를 이용하면, 무공해 에너지 자원인 태양을 활용을 저해하는 요소인 고비용 저효율 장벽을 극복할 수 있다. 따라서 본 발명의 복합 발전장치는 향후 심각한 환경문제를 개선하기 위한 무공해 에너지 개발기술로서 의의가 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 복합 발전장치의 전체적인 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 전체적인 구조 중에서 트래커 장치를 제외한 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a는 본 발명에 의한 태양광 집열부를 나타낸 사시도이고, 도 3b 및 도 3c는 본 발명에 의한 태양광 집열부의 배열을 다양하게 변형한 사시도들이다.
도 4는 본 발명에 의한 태양열 발전부에 적용되는 집열판을 나타낸 사시도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10; 태양광 집열부 20; 태양열 발전부
30; 트래커 장치부 110; 솔라셀
120; 집열렌즈 210; 집열판
220; 열전소자 240; 방열판

Claims (8)

  1. 빛에 의하여 전기를 발생하는 솔라셀과 빛을 수렴하는 집열렌즈를 포함하는 제1 기판;
    상기 제1 기판과 일정한 간격만큼 떨어져 배치되어, 상기 집열렌즈를 통하여 수렴된 빛에 의해 발생하는 열이 고르게 분포될 수 있도록 돌기가 형성된 집열판; 및
    상기 집열판에서 집열렌즈의 대응하는 면에 부착되어 열을 전기로 변환하는 열전소자를 포함하는 열전소자와 솔라셀을 이용한 복합 발전장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 집열렌즈는 미세한 렌즈가 다수가 배열된 다중초점렌즈인 것을 특징으로 하는 열전소자와 솔라셀을 이용한 복합 발전장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판에 있어서,
    복수개의 상기 집열렌즈는 상기 솔라셀에 의해 서로 분리되도록 상기 제1 기판에 독립적으로 배치되고, 상기 집열렌즈를 제외한 상기 제1 기판 상에 솔라셀을 배치하는 것을 특징으로 하는 열전소자와 솔라셀을 이용한 복합 발전장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 솔라셀 상에 별도의 집광렌즈를 더 장착하는 것을 특징으로 하는 열전소자와 솔라셀을 이용한 복합 발전장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판은 상기 솔라셀 상에 별도의 집광렌즈가 부착된 부분과 상기 집열렌즈가 서로 인접하도록 조합되어 상기 제1 기판에 분산되어 배치되는 것을 특징으로 하는 열전소자와 솔라셀을 이용한 복합 발전장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 돌기는 표면방향에 따라 일정한 반경을 가지는 구의 일부이거나 반경이 점진적으로 변하는 타원형의 구의 일부인 것을 특징으로 하는 열전소자와 솔라셀을 이용한 복합 발전장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 돌기의 꼭대기 부분은 소정의 깊이만큼 패어진 수광집중부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자와 솔라셀을 이용한 복합 발전장치.
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