KR100976583B1 - 태양광 발전장치 - Google Patents

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KR100976583B1
KR100976583B1 KR1020100010014A KR20100010014A KR100976583B1 KR 100976583 B1 KR100976583 B1 KR 100976583B1 KR 1020100010014 A KR1020100010014 A KR 1020100010014A KR 20100010014 A KR20100010014 A KR 20100010014A KR 100976583 B1 KR100976583 B1 KR 100976583B1
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photovoltaic device
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송호석
장대훈
오귀동
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솔라비토(주)
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Abstract

태양광 발전장치가 개시된다. 창틀 형태의 프레임; 및 상기 프레임에 설치되는 발전모듈을 포함하고, 상기 발전모듈은 입사되는 빛을 이용하여 전기를 생성하며, 태양광이 상기 프레임의 복수의 면에 부착되는 태양광패널과, 상기 태양광패널에 설치되며, 상기 태양광패널로 입사되는 태양광의 파장을 변환시키는 코팅막을 포함하는 태양광 발전장치는, 건축물의 창틀 형태로 설치되므로, 설치공간을 별도로 요구하지 않아, 토지사용문제 및 이를 위한 제반 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 태양광 발전시 지면으로부터 유입되는 열기가 태양광 발전모듈로 전달될 우려가 없다.

Description

태양광 발전장치 {SOLAR VOLTAIC GENERATOR}
본 발명은 태양광 발전장치에 관한 것이다.
화석연료를 연소하여 전기를 생산하는 발전장치는 발전과정에서 이산화탄소를 배출하고 있다. 발전과정에서 발생한 이산화탄소는 오존층을 파괴시키고, 온난화를 진행시키는 요인이 되고 있다. 전 세계적으로 이산화탄소의 배출을 억제하기 위한 규제가 시행되고 있어 이산화탄소의 배출이 없는 새로운 발전장치의 개발이 계속적으로 요구되고 있다. 이산화탄소의 배출을 줄일 수 있는 발전장치로, 태양 등의 청정에너지를 이용하는 발전장치의 개발이 계속적으로 이루어지고 있다.
일례로 태양광 발전장치는 옥상에 설치되는 경우가 있다. 그러나 옥상에는 환풍장치 또는 정원 등이 형성되는 경우가 많아 실질적으로 태양광 발전장치의 설치에 제약이 따른다. 이와 달리, 토지를 터파기하여 설치공간을 마련하고 태양광 발전장치를 설치하기도 하는데, 태양광 발전장치를 설치하기 위해 넓은 면적의 토지를 구매하고, 토지를 터파기하여 태양광 발전장치를 설치할 수 있는 설치공간을 마련하여야 하기 때문에, 부수적인 비용이 많이 요구되고 있는 실정이다.
즉, 태양광 발전장치를 넓은 면적에 설치하기 위해서는 막대한 토지의 사용으로 인하여 토지의 구입에 있어 많은 제약이 있고, 토지의 구입 또는 보상 등으로 인해 비용이 많이 소요되는 문제가 있으며, 대규모로 발전시설을 설치하기 위해서는 주변 주민들의 협조를 이끌어내야 하는 어려움이 있다.
또한, 일반적인 태양광 발전장치는 지주를 안정적으로 설치하기 위해 지반을 다져야 하며, 지주를 설치할 수 있도록 콘크리트 등으로 지반공사를 해야 하므로 이러한 기반조성비용 등에 의해 초기 설치비가 증가하는 요인이 되고 있다.
또한, 육상에 설치되는 태양광 발전장치는 태양광을 받아 전기를 발전하는 과정에서 막대한 열량의 열기가 발생되며, 태양광 발전장치가 설치된 토지로부터도 열기가 전달되고 있다. 이와 같이 태양광 발전장치로 전달된 열은 태양전지모듈의 성능을 저하시키고, 고장을 일으키는 원인이 되고 있으며, 태양광 발전장치의 발전효율을 저하시킬 우려가 있다.
일반적인 태양광 발전장치는 입사된 태양광에 의해 전기를 발생시키기는 하지만, 가시광선 만을 에너지로 전환하고 적외선 및 자외선은 이용할 수 없었으므로, 태양광을 비효율적으로 이용할 우려가 있다.
본 발명의 실시예는 건축물에 형성하여 별도의 설치공간을 필요로 하지 않아, 설치공간 및 설치비용을 줄일 수 있는 태양광 발전장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 태양광을 더 많은 에너지로 전환할 수 있는 태양광 발전장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 창틀 형태의 프레임; 및 상기 프레임에 설치되는 발전모듈을 포함하고, 상기 발전모듈은 입사되는 빛을 이용하여 전기를 생성하며, 태양광이 상기 프레임의 복수의 면에 부착되는 태양광패널과, 상기 태양광패널에 설치되며, 상기 태양광패널로 입사되는 태양광의 파장을 변환시키는 코팅막을 포함하는 태양광 발전장치가 제공된다.
여기서, 상기 발전모듈은 태양광이 입사되지 않는 측면을 제외하고 상기 프레임에 마련될 수 있다.
여기서, 상기 코팅막은, 적외선을 가시광선으로 변환시키는 업컨버젼 물질과 자외선을 가시광선으로 변환시키는 다운컨버젼 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 코팅막은 입사된 태양광의 반사율을 낮추며, 태양광패널의 노출되는 색을 조절할 수 있도록 무반사코팅(anti reflect coating)층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 프레임은 금속재질 또는 내열성 플라스틱을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 발전모듈에는 전기부하를 방지하도록 바이패스 다이오드가 더 포함될 수 있고, 상기 태양광패널은 하나 이상의 태양광셀을 포함하여 이루어지고, 상기 태양광셀은 하나 이상의 그룹으로 형성되며, 상기 바이패스 다이오드는 상기 태양광셀의 그룹 수와 대응하여 마련되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
본 발명의 실시예에 따르면, 적은 수의 태양광패널을 사용하면서, 많은 에너지를 발생시킬 수 있으므로 자재비를 절감할 수 있음은 물론, 에너지 생산의 효율성이 상승될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 건축물의 창틀 형태로 설치되므로 설치공간을 별도로 요구하지 않아, 설치공간을 절약할 수 있으며 토지사용문제 및 이를 위한 제반 비용을 절감할 수 있다. 게다가, 건축물의 창틀 형태로 이루어질 수 있으므로, 설치장소의 외관을 손상시키지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 태양광 발전시 지면으로부터 유입되는 열기가 태양광 발전모듈로 전달될 우려가 없어, 태양광 발전장치의 고장 발생이 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 태양광을 더 많은 에너지로 전환할 수 있어, 태양광을 고효율적으로 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 A를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치의 전류 흐름을 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 A를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하여 설명하도록 한다.
태양광 발전장치(100)는 프레임(110) 및 발전모듈(120)을 포함할 수 있다. 발전모듈(120)은 태양광패널(121)과 코팅막(123)을 포함할 수 있다.
창틀 형태의 프레임(110)은 가로부재(113)와 세로부재(111)를 포함하여 창틀로 이용될 수 있다. 프레임(110)의 내측면에는 유리가 설치되어 창틀로 이용될 수 있다. 프레임(110)은 건물의 구조체를 형성할 수 있다. 건물의 측벽을 프레임(110)으로 형성할 수 있다. 일 예로, 건물일체형 태양광발전(building integrated photovoltaic System;BIPV)에 적용될 수 있다.
프레임(110)은 발전모듈(120)이 발전 중에 발열이 발생하여 프레임(110)이 변형되는 것을 방지할 수 있도록 금속재질 또는 내열성 플라스틱을 포함하여 이루어질 수 있다. 금속재질의 경우 알루미늄 등의 경금속이 이용될 수 있다.
발전모듈(120)은 프레임(110)의 복수의 면에 설치될 수 있다. 일 예로, 가로부재(113)와 세로부재(111)의 복수의 면에 설치될 수 있다. 이와 같이, 태양광 발전장치(100)가 건축물의 창틀 형태로 설치되므로, 설치공간을 별도로 요구하지 않아, 설치공간을 절약할 수 있으며 토지사용문제 및 이를 위한 제반 비용을 절감할 수 있다.
발전모듈(120)로 입사되는 광이 적을 경우 발전모듈(120)의 효율은 떨어질 수 있으므로, 발전모듈(120)은 최저 비용으로 최대의 효과를 발생시킬 수 있기 위해 태양광이 직접 입사되는 프레임(110)의 부분에 마련될 수 있다. 발전모듈(120)은 태양광이 입사되지 않는 면을 제외하고 프레임(110)에 마련될 수 있다. 일 예로, 태양광이 건물의 전면으로 입사되는 방향으로 프레임(110)이 배치되는 경우, 발전모듈(120)은 프레임(110)의 외측 둘레면에서 좌측, 상측 및 우측에 마련될 수 있다. 발전모듈(120)은 프레임(110)의 내측 둘레면에서 좌측, 하측 및 우측에 마련될 수 있다. 발전모듈(120)은 프레임의 앞면에 마련될 수 있다. 이와 달리, 도면에 도시하지는 않았으나, 건물의 천장 및 벽재가 유리 등의 광투과성의 물질로 이루어지는 경우, 태양광은 프레임(110)의 후면으로 입사될 수 있으며, 발전모듈(120)은 프레임(110)의 후면에 마련될 수도 있음은 물론이다.
그리고 발전모듈은 태양광패널(121)과 코팅막(123)을 포함할 수 있다.
태양광패널(121)은 입사되는 빛을 이용하여 전기를 생성하며, 태양광셀(121)이 프레임(110)의 복수의 면에 부착될 수 있다. 태양광패널(121)은 하나 이상의 태양광셀(photovoltaic cell; 122; 도 3 참조)이 서로 연결된 집합체일수 있다.
태양광셀(122)은 스페리칼 셀(spherical cell), 박막 셀, 결정질 셀, 더블 글라스 모듈 일 수 있다. 이는 일 실시예에 불과하며 평면형상으로 제작되는 형태의 태양광셀은 모두 적용 가능할 수 있다. 태양광 셀(122)은 태양광이 조사되면 전자의 이동이 일어나 전류가 흐름에 따라 전기에너지를 생성하게 된다. 태양광셀(122)은 반도체층을 포함할 수 있다. 일 예로, 반도체층은 P형, I형, N형 반도체층이 순서대로 적층된 PIN구조로 형성될 수 있다.
태양광패널(121)에는 전극단자(미도시)가 설치될 수 있다. 전극단자에는 외부와 연결되는 전원선(미도시)이 설치되며, 전원선을 통해 태양광패널(121)에서 생산된 전기를 외부의 전기 소요처로 전달하거나 축전지 등에 저장할 수 있다.
일반적인 태양광 발전장치는 입사된 태양광에 의해 전기를 발생시키기는 하지만, 가시광선 만을 에너지로 전환하고 적외선 및 자외선은 이용할 수 없었으므로, 태양광을 비효율적으로 이용하였다.
태양광을 더 많은 에너지로 전환하여 효율적으로 이용하기 위하여, 태양광패널(121)에 코팅막(123)이 설치될 수 있다. 코팅막(123)은 태양광패널(121)로 입사되는 태양광의 파장을 변환시킬 수 있다. 코팅막(123)은 적외선을 가시광선으로 변환시키는 업컨버젼 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 업컨버젼 물질은 가시광선의 파장에 비하여 긴 적외선 영역의 파장을 단축시켜 가시광선 영역으로 변환시킨다. 일 예로, 업컨버젼 물질은 www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0904792106에 공지된 논문명칭'Non-blinking and photostable upconverted luminecence from single lanthanide-doped nanocrystals'에 기재된 NaYF4일 수 있다. 이러한, 업컨버젼 물질에 의해 950 내지 980nm의 여기(excited)파장에서, 500nm 내지 560nm 이거나 660 내지 690nm의 파장으로 변환될 수 있다.
일반적으로 업컨버젼 물질의 경우, 공개번호 10-2007-0002394 의 외부공진구조를 갖는 업컨버젼 광섬유 레이저 및 미국 등록번호 5946093의 입자 탐지 시스템 및 업컨버젼 레이저를 이용한 방법(Particle detection system and method employing an upconversion laser) 등에서 기술되고 있으며, 이들은 레이저용이나 분석용 센서 등에 활용되고 있을 뿐이다.
여기다가, 코팅막(123)은 자외선을 가시광선으로 변환시키는 다운컨버젼 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 다운컨버젼 물질은 가시광선의 파장에 비하여 짧은 자외선 영역의 파장을 연장시켜 가시광선 영역으로 변환시킨다. 본 실시예에서는 코팅막(123)이 업컨버젼 물질을 포함할 수 있고, 여기다가 다운컨버젼 물질을 더 포함할 수 있는 경우로 설명하였다. 그러나 이와 달리, 코팅막(123)은 다운컨버젼 물질만을 포함하여 이루어질 수도 있음은 물론이다.
그리고 도시되지는 않았으나, 코팅막(123)은 입사된 태양광의 반사율을 낮추며, 태양광패널의 노출되는 색을 조절할 수 있도록 무반사코팅(anti reflect coating)층을 더 포함할 수 있다.
참고로, 코팅막(123)은 태양광셀(122)의 전면에 마련될 수 있으므로, 태양광발전장치(100)는 건축물의 외벽에 설치되는 경우가 많은 반면, 태양광셀(122)은 주로 흑색계열이므로, 태양광셀(122)의 전면에 배치되는 코팅막(123)이 다양한 색상을 갖도록 함으로써, 태양광발전장치가 건축물의 외벽의 색상과 조화를 이루도록 할 수 있다.
태양광패널(121)은 그림자가 지면, 태양광패널(121)은 전기 부하가 발생된다. 그림자 등에 의해 차광된 태양광패널(121)에서는 전류가 발생되지 않고, 차광된 태양광패널(121)은 차광되지 않은 태양광패널(121)에서 생성된 전류를 사용한다. 전압의 방향은 차광된 태양광패널(121)에서 역전된다. 차광되지 않은 태양광패널(121)의 전류는 차광된 태양광패널(121)을 통해 흐른다. 이럴 경우, 전류 흐름은 열로 전환된다. 이 때, 열점이 발생하여 태양광패널(121)이 손상될 우려가 있다.
이를 방지하기 위해, 발전모듈에는 전기부하를 방지하도록 바이패스 다이오드(125)가 더 포함될 수 있다. 바이패스 다이오드(125)는 음영에 따른 태양광 입사를 제어하여 태양광패널(121)의 손상을 방지할 수 있다.
즉, 열점이 확산되는 것을 방지하기 위해, 전류는 바이패스 다이오드(125)를 통해 태양광패널(121)을 거쳐 부하로 흐르게 된다. 바이패스 다이오드(125)는 태양광패널(121)에 걸쳐 높은 전압이 역 바이어스 방향으로 바이어스 되지 않도록 한다.
바이패스 다이오드(125)는 태양광패널(121)에 연결될 수 있다. 태양광패널(121)에 연결된 후 바이패스 다이오드(125)를 커버하여 손상을 방지하도록 실리콘으로 봉인될 수도 있다.
태양광패널(121)과 바이패스 다이오드(125)를 통해 흐르는 전류에 대하여 아래에서 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하여 설명하도록 한다.
태양광셀(122)은 하나 이상의 그룹으로 형성될 수 있으며, 바이패스 다이오드(125)는 태양광셀(122)의 그룹 수와 대응하여 마련될 수 있다. 도면에서는 일 예로, 3개의 태양광셀(122) 그룹과, 각 태양광셀(122) 그룹에 대응하여 하나의 바이패스 다이오드(125a, 125b)가 마련되어 있다. 이는 설명의 편의를 위해 태양광셀(122)의 수를 3개로 한 것이며, 이에 한정되지 않음은 물론이다.
태양광패널(121)로 광이 모두 입사될 경우, 왼쪽 태양광패널(121a)에서 저항선을 거쳐 오른쪽 태양광패널(121b)을 통해 다시 왼쪽 태양광패널(121a)로 전류가 흐르게 된다.
그리고 오른쪽 태양광패널(121b)이 차광될 경우, 전류는 차광되지 않은 왼쪽 태양광패널(121a)에서 저항선을 거치고 오른쪽 바이패스 다이오드(125b)를 거쳐 다시 왼쪽 태양광패널(121a)로 흐를 수 있다.
그리고 왼쪽 태양광패널(121a)이 차광될 경우, 전류는 오른쪽 태양광패널(121b)에서 왼쪽 바이패스 다이오드(125a)를 거치고 저항선을 거쳐 다시 왼쪽 태양광패널(121a)로 흐를 수 있다.
이러한 바이패스 다이오드(125)에 의해 열점이 확산되는 것이 방지될 수 있으므로, 태양광패널(121)의 수명을 연장할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
100: 태양광 발전장치 110: 프레임
120: 발전모듈 121: 태양광패널
123: 코팅막 125: 바이패스 다이오드

Claims (6)

  1. 건물의 측벽에 설치되며, 가로부재와 세로부재를 포함하는 창틀 형태의 프레임; 및
    상기 프레임에 설치되는 발전모듈을 포함하고,
    상기 발전모듈은 입사되는 빛을 이용하여 전기를 생성하며, 태양광셀이 상기 가로부재 및 상기 세로부재에 부착되는 태양광패널을 포함하는 태양광 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전모듈은 태양광이 입사되지 않는 면을 제외하고 상기 가로부재 및 상기 세로부재의 복수의 면에 마련되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발전모듈은,
    상기 태양광패널에 설치되며, 상기 태양광패널로 입사되는 태양광의 파장을 변환시키는 코팅막을 더 포함하고,
    상기 코팅막은, 적외선을 가시광선으로 변환시키는 업컨버젼 물질을 포함하며, 자외선을 가시광선으로 변환시키는 다운컨버젼 물질을 선택적으로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코팅막은 입사된 태양광의 반사율을 낮추며, 상기 태양광패널의 노출되는 색을 조절할 수 있도록 무반사코팅(anti reflect coating)층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프레임은 금속재질 또는 내열성 플라스틱을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발전모듈에는 전기부하를 방지하도록 바이패스 다이오드가 더 포함되고,
    상기 태양광패널은 하나 이상의 태양광셀을 포함하여 이루어지고, 상기 태양광셀은 하나 이상의 그룹으로 형성되며,
    상기 바이패스 다이오드는 상기 태양광셀의 그룹 수와 대응하여 마련되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
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