KR100967380B1 - 태양광 집광 장치 및 그를 이용한 태양광 발전 시스템 - Google Patents

태양광 집광 장치 및 그를 이용한 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 집광 장치 및 그를 이용한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명에서는 일정 면적의 태양전지 장착 하우징(110)이 구성된다. 그리고 상기 태양전지 장착 하우징(110) 내에는 편상형상의 복수의 태양전지 기판(120)이 배열 안착된다. 이때 태양광의 직사성분 및 다중반사 성분을 포함한 반사성분을 모두 흡수하도록 상기 태양전지 기판(120)과 이웃하는 태양전지 기판은 쐐기형 구조로 상호 연결되어 구성된다. 또는 태양전지 장착 하우징(110)의 바닥면에 쐐기 모양의 안착부(160)를 형성하여 쐐기 형상으로 연결된 태양전지 기판을 그대로 안착시킬 수 있는 하우징(110)이 제공된다. 이와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 설치 면적을 확대하지 않고서도 집광 면적 및 효과가 향상되고, 또 태양광의 직사성분 및 다중반사 성분을 포함한 반사성분을 모두 흡수할 수 있어 에너지 효율이 극대화되는 이점이 있다.
태양전지, 집광장치

Description

태양광 집광 장치 및 그를 이용한 태양광 발전 시스템{SOLAR LIGHT COLLECTING APPARATUS AND SOLAR POWER GENERATION SYSTEM USING THE MULTIPLE REFLECTION EFFECT}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 특히 태양광의 직사 및 반사성분 대부분을 태양전지를 이용하여 집광하고, 발전하도록 한 태양광 집광 장치 및 그를 이용한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
국제적인 지구환경 문제, 국민 생활수준의 향상으로 인한 전력소비량 증대 및 전력산업의 구조개편 등 국내외의 다변화에 대응하여 선진국은 물론 국내에서도 대체에너지 즉, 신 에너지 개발에 박차를 가하고 있다. 대체 에너지는 예를 들어, 태양광발전, 풍력발전, 연료전지발전, 바이오, 폐기물, 태양열발전, 소형 열병합발전 등을 말할 수 있다.
그 중 태양광을 에너지원으로 하는 태양광 발전은 효율을 향상시키기 위해 개발중이거나, 일부는 이미 실용화되고 있는 실정이다.
태양광 발전의 대표적인 예가 태양전지를 사용하는 것이다.
태양전지는 광기전력(Photovoltaic effect) 현상을 응용하여 태양의 빛 에너 지를 전기적 에너지로 바꾸는 에너지 변환소자이다. 태양전지는 기판 표면에 빛이 입사하면 내부에서 전자와 정공이 발생하고, 발생한 전하들은 'P'극,'N'극으로 이동함에 따라 그 'P'극과 'N'극 사이에 전위차, 즉 광기전력이 발생하게 된다.
이러한 태양전지는 기판 표면에 입사된 빛을 얼마나 효율적으로 흡수할 수 있는가에 따라 그 효율이 결정된다.
일반적으로 태양전지의 기판 표면이 평평하면, 입사된 빛의 일부는 흡수 및 굴절되고 나머지 일부는 반사를 하기 때문에, 태양전지의 빛 흡수 부위에 광 흡수 현상이 비효율적으로 나타났다.
그래서 태양광을 효과적으로 집광하여 발전할 수 있는 장치 등이 많이 제안되고 있다.
이러한 태양광을 집광하는 장치의 일 예로, 2001년 11월 03일자에 '태양광집광 발전장치'의 명칭으로 출원하여 2002년 2월 8일자로 공개된 선행기술(특2002-0011353)이 있다.
상기 선행기술은 'V'자 형상의 고정틀 중심부에 평판으로 태양전지 기판을 배열하고, 그 고정틀 양측면에는 반사체를 경사지게 구성하여, 태양전지가 태양광을 집광하도록 하고 있다.
이렇게 하면 반사체로 입사되는 빛은 다중 반사되어 태양전지 기판으로 다시 입사되게 되기 때문에 태양전지 기판이 평판으로 구성된 경우보다 태양전지의 집광 효율이 향상되게 된다.
그러나 선행기술은 집광장치의 구조가 복잡하였다.
즉 선행기술의 도1 내지 도3에 도시된 집광장치를 살펴보면, 사각 틀 내부에 반사체와 태양전지를 고정하기 위한 고정틀이 구비되고, 또 상기 고정틀 사이에 형성되는 수직 지지체와, 상기 수직 지지체 상측에는 완충제가 형성된다. 그리고 상기 반사체, 태양전지 고정틀을 지지할 수 있는 수평 지지체, 및 전체를 고정 지지하는 외부틀이 제공되는 구조를 보인다.
이러한 구조의 집광장치는, 제작이 번거로울 뿐만 아니라, 내부 구성의 고정틀이나 수직 지지체, 수평지지체가 외부 요인에 의해 제 기능을 다하지 못할 경우 이를 복구하는데도 적지않은 시간과 비용이 소요된다.
또 태양전지의 집광 효율을 향상시키기 위해 태양전지 기판 양측으로 반사체를 구성하고 있지만, 장시간 사용시 상기 반사체 표면에 이물질 등이 묻게 되면 반사 효율이 저하되는 문제가 있다.
그리고 반사체를 별도 구성하지 않고 스테인레스와 같은 재질로 고정틀을 구성하여 반사 효율을 제공할 수 있다고 기재되어 있지만, 이 역시 반사 효율이 저하될 수 있는 문제가 있다.
더욱이, 반사체는 태양광을 반사시켜 태양전지 측으로 유도하는 기능을 제공하고 있기 때문에, 반사체 자체가 태양광을 흡수하는 기능은 없고, 또 반사각이 조금이라도 틀어지게 되는 경우 원하는 만큼의 태양광 집광 효과를 얻을 수 없다.
한편, 태양전지 기판 표면을 표면 처리하여 태양광의 흡수율을 향상시키는 기술도 제안되고 있다. 그러나 이 경우는 표면처리 공정을 실시해야 하기 때문에 전체적으로 제조 비용이 증가하는 문제가 발생하고, 그 공정 또한 복잡하다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양전지 기판의 배열 구조를 개선하여 간단한 구조로 태양광의 집광 효율을 향상시키도록 하는 태양광 집광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 태양광 집광 구조를 이용하여 발전 효율을 향상시키도록 하는 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 태양광을 집광하는 집광소자; 그리고, 상기 집광소자가 적어도 둘 이상 구비되는 하우징;을 포함하고, 상기 태양광의 직사성분 및 다중반사 성분을 포함한 반사성분을 모두 흡수하도록 상기 집광소자는 이웃하는 적어도 하나의 집광소자와 쐐기형 구조로 상호 연결되며, 상기 이웃하는 집광소자에 다른 집광소자가 쐐기형 구조로 계속하여 상호 연결 구성된다.
삭제
그리고 어느 하나의 집광소자와 다른 하나의 집광소자는, 서로 동일한 크기로 구성되거나, 다른 크기로 구성될 수 있다.
그리고 상기 집광소자는 태양전지인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 태양광을 집광하는 적어도 두 개의 집광소자 가 구비되되, 상기 태양광의 직사성분 및 다중반사 성분을 포함한 반사성분이 모두 흡수되도록 쐐기형 구조로 연결되는 상기 집광소자가 그대로 장착되도록 쐐기 형상의 바닥면이 형성된 하우징을 포함하여 구성된다.
상기 하우징의 제일 상부에는 반구형의 집광유리가 더 포함되어 구성되는 것이 좋다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상술한 구성으로 이루어진 태양광 집광 장치; 그리고, 상기 집광소자를 이용하여 발전된 전력을 충전하거나 또는 소정 부하에 공급하는 발전장치를 포함하여 구성되는 태양광 발전시스템이 제공된다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 태양광 집광 장치 및 그를 이용한 태양광 발전 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 태양전지 장착 하우징에 'V' 패턴으로 소정 각도를 이루면서 태양전지가 연속하여 장착되거나, 또는 태양전지 장착 하우징의 바닥면에 태양전지가 연속하여 'V' 패턴으로 소정 각도를 이루면서 장착되도록 안착부가 마련되어 있기 때문에, 간단하게 태양광을 효율적으로 집광할 수 있는 집광 장치를 제공하는 효과가 있다.
이러한 집광 장치는 종래 집광 장치와 비교하더라도 설치 면적을 확대하지 않고서도 집광 표면적 및 효율을 더 향상시킬 수 있다. 그리고 집광 장치에는 태양전지 기판만을 이용하기 때문에, 태양광의 직사성분 및 다중 반사성분을 대부분 흡 수 가능하여 흡수 효율을 향상시킨다.
특히, 설치 면적이 제한적인 태양광 자동차, 건물 표면에 설치되는 태양광 발전장치 등에 효과적이다.
또 본 발명은 2개의 태양전지 기판을 결합할 때 크기와 기울기를 다르게 하여 결합하고, 이러한 결합 구조를 연속 배열하여, 특히 일조량이 많은 시간대에 보다 상대적으로 큰 태양전기 기판이 태양을 향하도록 설계가 가능하기 때문에, 태양광을 충분히 집광할 수 있다. 이는 종래 태양 위치를 추적하면서 태양광 모듈의 위치를 변경하여 태양광을 집광하는 시스템에 비하여 보다 저렴하면서도 효과적으로 태양광을 흡수할 수 있다.
이에 따라 종래 집광 장치에 비해 전력 생산을 더 증대시킬 수 있는 기대가 있다.
이하, 본 발명에 의한 태양광 집광 장치 및 그를 이용한 태양광 발전 시스템을 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시 예를 참조하여 상세하게 설명한다.
도1에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광 집광 장치를 보인 사시도가 도시되어 있고, 도2에는 도1의 정면도가 도시되어 있다.
태양광을 집광하는 집광소자로서 태양전지가 제공된다. 상기 태양전지는 통상 실리콘 소재이고, p-n 접합의 구조로 이루어지며, 태양광이 태양전지 내부로 흡수가 잘되도록 하기 위해 표면에 반사방지막(AR Layer)이 형성되고, 또 실리콘 내 부에서 만들어진 전기를 외부로 끌어내기 위한 상부전극 및 하부전극으로 구성된다. 이러한 태양전지 구조는 이미 공지 공용의 기술로서, 본 실시 예에서는 상세 설명은 생략하기로 한다.
도1 및 도2를 보면, 태양광 집광 장치(100)는, 크게 태양광 집광 하우징(이하 '하우징'이라 약칭함)(110)이 구비되고, 그 내부에 태양전지 기판(120)이 복 수개 배열되는 패턴으로 이루어진다.
상기 태양전지 기판(120)은, 소정 두께를 갖는 편상형으로서 동일한 크기를 갖는 이웃하는 태양전지 기판과 쐐기형 구조가 되도록 'V'자 형태로 연결되어 상기 하우징(110)내에 장착된다. 이때 태양전지 기판(120)는 태양광의 직사성분과 다중반사 성분을 포함한 반사성분이 모두 흡수할 수 있는 각도를 유지하는 것이 바람직하다. 이에 이웃하는 태양전지 기판과의 각도는 약 45°를 유지하는 것이 좋다. 그러나 반드시 이 각도를 유지하지 않아도 된다. 예컨대 태양의 위치, 하우징(110) 구조에 따라 상기 태양광의 직사성분과 다중반사 성분을 포함한 반사성분이 모두 흡수할 수 있는 다른 각도가 실험에 의해 주어질 수 있기 때문이다.
이런 구조에 따라 상기 하우징(110)의 바닥면과 상기 태양전지 기판(120)과의 사이는 공간부(130)가 형성되게 된다. 상기 공간부(130)가 형성되어 있어도 상기 태양전지 기판(120) 상호간이 서로 지지하는 구조로서 상기 하우징(110) 내에 고정되어 설치된다.
그리고, 상기 태양전지 기판(120)들의 결합은 소정 접착제에 의해 접착하거나, 또는 볼트 등과 같은 체결수단을 이용할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 하나의 태양전지 기판과 다른 태양전지 기판을 쐐기형 구조로 직접 결합하는 것을 설명하고 있으나, 쐐기형 구조로 미리 제조된 태양전지 기판을 제공할 수도 있다.
이와 같은 태양광 집광장치(100)에서 태양광이 효과적으로 집광되는 상태를 도2의 측면도를 참조하여 설명하기로 한다. 실시 예 설명에서는 태양전지 기판(120)을 첫 번째 태양전지 기판(122)과 두 번째 태양전지 기판(124)으로 나누어서 설명한다.
도2에서와 같이 태양광이 첫 번째 태양전지 기판(122)으로 입사된다.
그러면 첫 번째 태양전지 기판(122)은 그 특성상 입사된 태양광을 한번에 모두 흡수하지 못한다. 결국 태양광이 입사되면, 입사된 빛의 일부는 첫 번째 태양전지 기판(122)에 1차 흡수되고('a' 상태), 나머지 일부는 이웃하는 두 번째 태양전지 기판(124)으로 반사하게 된다('b' 상태).
두 번째 태양전지 기판(124)은 상기 반사된 태양광을 인가받는다. 그리고 그 두 번째 태양전지 기판(124)에서도 태양광의 일부는 흡수하고('c' 상태), 또 일부는 다시 첫 번째 태양전지 기판(122)으로 반사하게 된다('d'상태).
마찬가지로 첫 번째 태양전지 기판(122)도 두 번째 태양전지 기판(124)으로부터 다시 반사된 태양광 중 일부는 흡수하고('e' 상태), 일부는 다시 반사시킨다('f' 상태).
이와 같이 태양전지 기판(120)은 쐐기형 구조로 연결된 이웃하는 태양전지 기판과 태양광을 흡수 및 반사하는 과정을 반복적으로 수행하게 되고, 따라서 태양 광을 모두 흡수할 수 있게 된다.
다시 말해, 태양전지 기판(120)은 태양광을 흡수하는 집광부의 기능과 반사판의 기능을 함께 수행하여, 상기 태양광의 직사성분 및 다중반사 성분을 포함한 반사성분 모두를 흡수하는 것이다.
한편, 도1 및 도2에서는 태양전지 기판(122)(124)이 크기가 갖고 쐐기형 구조로서 서로 대칭되게 구성되어 있지만, 이웃하는 태양전지 기판과 그 크기를 다르게 하고, 또 비 대칭되게 구성할 수도 있다. 이러한 구조가 도3에 도시되어 있다.
도3에는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양광 집광 장치의 정면도가 도시되어 있다.
도3을 살펴보면, 하나의 태양전지 기판(122)과 이웃하는 태양전지 기판(124)의 길이(l, l')가 다름을 알 수 있다. 이는 전체적인 크기도 다르다는 것이다. 또 상기 태양전지 기판(122)(124)이 쐐기형 구조로 연결되고 있지만 도2의 대칭 구조가 아니고 비 대칭 구조로 구성된다.
이와 같이 집광장치를 구성하게 되면, 태양의 위치 등에 따라 고정된 집광장치를 사용하더라도 태양광을 더 효과적으로 집광할 수 있는 바, 이를 설명한다.
태양광 집광장치(100)는 고정 설치된다. 그리고 태양의 위치는 시간에 따라 변하게 된다. 태양의 위치에 따라 상기 태양광 집광장치(100)의 태양전지 기판(122)(124)에 입사되는 태양광의 입사량은 차이가 있다.
예를 들어, 도3에서 첫 번째 태양전지 기판(122)에는 태양이 'B'지점에 위치하여 그 방향으로부터 태양광이 대부분 입사되고, 두 번째 태양전지 기판(124)에는 태양이 'A'지점에 위치하여 그 방향으로부터 태양광이 대부분 입사된다고 가정한다. 또 하루 중 태양이 떠 있는 시간이 'A' 지점에는 '8시간', 'B' 지점에는 '6시간' 이라고 가정한다.
그러면, 'A'지점에서 태양광을 입사받는 두 번째 태양전지 기판(124)이 'B'지점에서 태양광을 입사받는 첫 번째 태양전지 기판(122)보다 전체적으로 면적이 더 크게 구성하는 것이 효율적일 수 있다.
즉 상기와 같이 태양전지 기판(122)(124)이 구성된 상태에서 태양광을 보다 오랜 시간 입사받을 수 있는 방향에 위치하는 두 번째 태양전지 기판(124)의 크기를 상대적으로 더 크게 함으로써, 태양전지 기판(122)(124)이 설치되는 하우징(110)의 설치 면적을 확대하지 않더라도, 태양광 집광 효율을 더 향상시킬 수 있다.
다음, 도4는 하우징의 다른 실시 예를 도시하고 있는 구조도이다.
도4를 보면 상기 하우징(110)의 바닥면에는 태양전지 기판(120)이 바로 안착되도록 안착부(160)가 형성된다. 상기 안착부(160)는 앞서 설명한 쐐기구조로 서로 결합된 태양전지 기판이 그대로 장착가능하도록 쐐기 형상으로 형성되어, 상기 바닥면과 일체 형성된다.
그러면, 안착부(160)의 표면에 태양전지 기판(120)을 쉽게 안착시킬 수 있다. 이때 태양전지 기판(120)에는 전력을 전달할 수 있는 배선이 연결되어야 함은 당연하다. 이와 같이 하우징(110)의 바닥면에 쐐기 형상의 안착부(160)가 형성되게 되면, 충격/진동 등의 외부 요인에 의해서 태양광 집광장치(100)에 충격이 가해지더라도 태양전지 기판(120)을 보다 견고하게 지지할 수 있다.
한편, 상술한 예에서 태양광 집광장치(100)의 하우징(110)의 상부에 반구형의 집광유리(도면 미도시)가 더 구성될 수 있다. 그러면 태양광의 집광 효율이 한층 더 향상될 수 있다. 상기 집광유리는 태양광의 집광이 최대한 이루어질 수 있는 구조 및 색상을 가지는 것이 바람직하다.
또 이러한 태양광 집광장치(100)에 발전장치를 연결 구성하게 되면, 종래 발전 시스템보다 효율이 향상된 태양광 발전시스템을 제공할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광 집광 장치를 보인 사시도.
도2는 도1의 정면도.
도3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양광 집광 장치의 정면도.
도4는 본 발명에서 제공되는 태양광 집광하우징의 다른 실시 예 사시도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 태양광 집광 하우징 120 : 태양전지 기판
130 : 공간부

Claims (7)

  1. 태양광을 집광하는 집광소자; 그리고,
    상기 집광소자가 적어도 둘 이상 구비되는 하우징;을 포함하고,
    상기 태양광의 직사성분 및 다중반사 성분을 포함한 반사성분을 모두 흡수하도록 상기 집광소자는 이웃하는 적어도 하나의 집광소자와 쐐기형 구조로 상호 연결되며, 상기 이웃하는 집광소자에 다른 집광소자가 쐐기형 구조로 계속하여 상호 연결 구성됨을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    어느 하나의 집광소자와 다른 하나의 집광소자는,
    서로 동일한 크기로 구성되거나,
    다른 크기로 구성됨을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 집광소자는 태양전지임을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
  5. 태양광을 집광하는 적어도 두 개의 집광소자가 구비되되,
    상기 태양광의 직사성분 및 다중반사 성분을 포함한 반사성분이 모두 흡수되도록 쐐기형 구조로 연결되는 상기 집광소자가 그대로 장착되도록 쐐기 형상의 바닥면이 형성된 하우징을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 하우징의 제일 상부에 반구형의 집광유리가 더 포함되어 구성됨을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
  7. 제1항 또는 제5항으로 이루어진 태양광 집광 장치; 그리고,
    상기 집광소자를 이용하여 발전된 전력을 충전하거나 또는 소정 부하에 공급하는 발전장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 태양광 발전시스템.
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