KR100999513B1 - 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치 - Google Patents

태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치는 태양전지가 실장된 태양전지 리시버와 상기 태양전지 리시버의 하부에 설치한 제1히트싱크를 구비한 복수의 태양전지 모듈과, 상기 태양전지 모듈에 인접하게 설치한 열전발전소자와, 상기 태양전지 모듈 쪽에 일단을 연결하고, 타단을 상기 열전발전소자 쪽에 연결하는 히트파이프를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치에 따르면, 히트파이프를 이용하여 태양전지 모듈을 냉각함으로써 태양전지 모듈의 광전변환 효율이 저하되는 것을 방지하고, 복수의 태양전지 모듈에서 발생한 열을 집열할 수 있어 열전발전소자의 열의 전기에너지로의 변환효율을 증대시킬 수 있다.

Description

태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치{HYBRID GENERATOR USING SOLAR RAY AND HEAT}
본 발명은 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광을 이용하여 발전하는 태양전지 모듈 및 태양열을 이용하여 발전하는 열전발전소자를 구비하고, 히트파이프를 이용하여 상기 태양전지 모듈의 냉각 및 상기 태양전지 모듈에서 발생한 열을 열전발전소자로 전달하여 발전효율을 증대시키는 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치에 관한 것이다.
태양에너지를 이용하는 발전은 태양광을 이용하는 발전장치와 태양열을 이용하는 발전장치로 구분할 수 있다.
태양광을 이용하는 발전장치는 광전효과를 이용하여 태양의 광에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 태양전지(solar cell)를 이용하는 방식으로, 태양전지가 실장되는 태양전지 리시버와, 상기 태양전지의 상부에 렌즈를 설치하여 태양광을 상기 태양전지에 집광하는 구조이다.
태양열을 이용하는 발전장치는 태양의 열에너지를 집열하여 물이나 기타 재료를 데우고 이를 이용하여 2차적으로 발전을 하는 방식이다.
태양열을 이용하는 발전은 태양열을 직접 이용하여 전기를 얻는 구조가 아니므로 2차적으로 발전을 위한 설비가 필요하여 시설비가 많이 드는 문제점이 있다.
반면에 태양전지를 이용하는 발전은 설치가 용이하고 설비비가 적게 드는 이점이 있으나, 현재 실용화된 태양전지의 경우 입사된 태양광에 대하여 광전변환 효율이 40%이내이고 나머지는 대부분 열에너지로 변환된다. 따라서 발전과정에서 태양전지에 상당한 열이 발생하고, 발생한 열로 인하여 태양전지의 내부에 흐르는 전류의 저항값이 증가되므로 발전효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 발생한 열 역시 활용되지 못하고 그대로 버려지는 문제점도 있다.
본 출원인은 상기와 같은 문제점들을 해결하고 태양광과 태양열을 함께 이용하여 발전하는 방안으로서, 대한민국 특허출원 제10-2010-0038546호에 게시된 발명을 제안한 바 있다.
도 3은 대한민국 특허출원 제10-2010-0038546호에 게시된 발명의 일시시예이다.
도 3에는 태양전지를 이용하여 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하고 태양전지(10)에 인접하게 설치한 열전발전소자(30)의 제벡(Seebeck) 효과를 이용하여 태양전지에서 발생하는 열, 즉 태양열을 전기에너지로 변환시켜 발전효율을 증대시키는 복합발전장치의 구성이 나타나 있다. 미설명부호 40은 집광기, 50은 지지체, 60은 히트싱크, 70은 방열핀, 20은 태양전지 리시버이다.
그런데 상기 대한민국 특허출원 제10-2010-0038546호에 게시된 발명은 태양전지, 태양전지 리시버, 히트싱크 등을 포함하는 태양전지 모듈에 열전발전소자가 포함되어 구성되는데, 하나의 태양전지에서 발생하는 열량으로 열전발전소자를 이용하여 발전하는 경우 발전량이 적어서 경제성을 확보하기가 쉽지 않으며, 각각의 태양전지에 대응되는 열전발전소자를 설치해야하므로 제조공정이 복잡하고 제조단가가 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 태양전지를 구비한 복수의 태양전지 모듈을 이용하여 광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광을 이용한 발전을 하고, 태양전지에서 발생하는 열은 상기 태양전지 모듈에 인접하게 설치한 열전발전소자로 모아서 제벡(Seebeck) 효과를 이용하는 태양열을 이용한 발전을 하는 복합발전장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한 히트파이프를 이용하여 태양전지 모듈을 냉각하고 복수의 태양전지 모듈에서 발생한 열을 열전발전소자로 전달하여 발전효율을 증대시키는 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치는, 태양전지가 실장된 태양전지 리시버와 상기 태양전지 리시버의 하부에 설치한 제1히트싱크를 구비한 복수의 태양전지 모듈과 상기 태양전지 모듈에 인접하게 설치한 열전발전소자와 상기 태양전지 모듈 쪽에 일단을 연결하고 타단을 상기 열전발전소자 쪽에 연결하는 히트파이프를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 열전발전소자의 상부에는 상기 히트파이프가 결합하는 흡열부재를 더 설치할 수 있다.
바람직하게는, 상기 열전발전소자의 하부에는 제2히트싱크를 설치할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 열전발전소자의 하부에는 냉각팬을 더 설치하고, 상기 냉각팬을 제어하는 제어부를 구비할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제2히트싱크의 하부에는 방열핀을 더 설치할 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치에 따르면, 히트파이프를 이용하여 태양전지 모듈을 냉각할 수 있어 태양전지 모듈의 광전변환 효율이 저하되는 것을 방지하는 효과가 있다.
또한, 히트파이프를 이용하여 복수의 태양전지에서 발생한 열을 열전발전소자로 집열할 수 있어, 열전 발전소자의 발전 효율을 증대시키고 장치 전체의 제조를 단순화하며, 제조비용을 절감하는 효과가 있다.
또한, 히트파이프를 이용하여 복수의 태양전지에서 발생한 열을 열전발전소자에 집열할 수 있어, 태양전지 모듈에서 발생한 열을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치의 작동상태를 나타내는 사시도.
도 3은 대한민국 특허출원 제10-2010-0038546호에 게시된 태양에너지를 이용한 복합발전장치를 나타내는 개략도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치의 작동상태를 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치는 복수의 태양전지 모듈(100)과, 열전발전소자(300)와, 히트파이프(heat pipe)(200)를 포함할 수 있다.
본 발명에서 태양전지 모듈(100)은 태양전지(110)와, 상기 태양전지(110)가 실장된 태양전지 리시버(120)와, 상기 태양전지 리시버(120)의 하부에 설치한 제1히트싱크(130)와, 상기 제1히트싱크(130)의 하면에 설치한 제1방열핀(140)을 구비하는 것으로 정의한다. 또한, 도 2에서 도시한 바와 같이 태양전지 모듈(100)은 태양전지(110)의 상부에 집광을 위한 렌즈(160)를 포함한 집광기(150)를 설치한다.
태양전지(110)는 실리콘 태양전지 및 화합물 반도체 태양전지를 사용할 수 있다. 여기서 태양전지(110)는 태양의 광에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 한다.
태양전지 리시버(receiver)(120)의 상부에 태양전지(110)를 실장한다. 태양전지(110)는 통상의 본딩수단을 통해 태양전지 리시버(120)의 표면에 구비된 전도성 회로와 전기적으로 연결한다. 태양전지 리시버(120)는 태양전지(110)를 지지하고 태양전지(110)에서 발생한 전기를 외부회로에 공급하는 역할을 한다.
한편, 태양전지(110)를 이용하여 광에너지를 전기에너지로 변환하는 과정에서 태양전지(110)의 내부온도가 상승하게 되는데, 태양전지(110)의 발전효율을 최적화하기 위해서는 태양전지(110) 내부의 온도가 일정온도(예를 들면 약 100℃ 이하)로 유지되어야 한다. 따라서 태양전지 리시버(120)를 열전도성이 좋은 물질을 사용하여 태양전지(110)에서 발생한 열을 제1히트싱크(130)로 전달하여야 한다.
제1히트싱크(130)는 태양전지 리시버(120)의 하부에 설치한다. 제1히트싱크(130)는 태양전지(110)에서 발생하여 태양전지 리시버(120)로 전달된 열을 외부로 방출하는 방열판 역할을 한다.
제1히트싱크(130)의 하면에는 제1방열핀(140)을 사용자의 필요에 따라 선택적으로 설치할 수 있다. 제1방열핀(140)은 제1히트싱크(130)에 전달된 열을 용이하게 외부로 방출하는 역할을 한다. 태양전지(110) 및 태양전지 리시버(120)에서 순차로 전달된 열은 제1히트싱크(130) 및 제1방열핀(140)을 거쳐 외부로 방출된다.
히트파이프(200)는 태양전지 모듈(100) 쪽에 일단을 연결하고 타단을 후술할 열전발전소자(300) 쪽에 연결한다. 여기서 히트파이프(200)는 태양전지(110)에서 발생하고 제1히트싱크(130) 및/또는 제1방열핀(140)을 통하여 순차로 전달된 열을 후술할 열전발전소자(300)로 전달함으로써 태양전지 모듈(100)을 냉각하는 역할을 한다.
히트파이프(200)는 태양전지 모듈(100) 쪽에 연결한 일단이 태양전지 모듈(100)에서 발생한 열을 흡수하는 냉각부가 되고, 열전발전소자(300) 쪽에 연결한 타단이 태양전지 모듈(100)에서 흡수한 열을 방출하는 발열부가 된다.
히트파이프(200)는 브레이징 등의 용접이나 솔더링 등의 접합 방법으로 태양전지 모듈(100) 및 열전발전소자(300) 쪽에 연결할 수 있다.
히트파이프(200)는 파이프 연결체로 파이프 내부에 휘발성 작동 유체를 넣어 진공상태로 밀봉한 것으로 냉각부를 통하여 열을 공급받으면 내부의 작동 유체의 상변화를 통해 증기 형태로 열을 발열부로 이동시켜 방출하도록 하는 것이다. 이러한 히트파이프의 종류와 구성 및 효과는 공지의 것이므로, 본 발명에서는 더 이상의 상세한 설명을 생략한다.
열전발전소자(300)는 태양전지 모듈(100)에 인접하게 설치할 수 있다. 열전발전소자(300)는 전극(330)과, 전극(330)에 의해 통전되고 π형으로 직렬로 연결한 복수의 P형 열전반도체(310) 및 N형 열전반도체(320)를 포함한다. 열전발전소자(300)는 후술할 흡열부재(400) 및 제2히트싱크(500)와의 사이에 각각 절연층(340)을 형성한다. 작업자는 필요에 따라 복수의 열전발전소자(300)를 집적 또는 수평으로 설치할 수 있다. 열전발전소자(300)는 태양전지(110)를 이용하여 발전하는 과정에서 발생하는 열을 제벡 효과를 이용하여 열기전력(전류)을 발생시키는 역할을 한다.
여기서, 열전발전소자(300)는 히트파이프(200)의 발열부에 연결되는 일단이 고온부가 되고, 타단이 저온부가 된다. 이때, 발생하는 전류의 양을 극대화하기 위하여 열전발전소자(300)의 고온부와 저온부의 온도차를 크게 하여야 한다.
또한, 열전발전소자(300)의 상부에는 히트파이프(200)와 결합하는 흡열부재(400)를 더 설치할 수 있다. 여기서 흡열부재(400)는 흡열판 등으로 구성할 수 있다.
흡열부재(400)는 복수의 태양전지 모듈(100)에 연결된 히트파이프(200)의 냉각부에 전달된 열을 하나의 흡열판에 다량으로 집열하는 역할을 한다. 따라서 작업자는 흡열판의 온도를 제어함으로써 태양전지 모듈(100)에서 발생한 열을 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 열전발전소자(300)를 흡열부재(400)의 저면부에 복수개 설치함으로써 히트파이프(200)를 통하여 전달되는 열을 최대한 활용하여 전류의 발생량을 극대화시킬 수 있다.
또한, 열전발전소자(300)의 하부에는 제2히트싱크(500)를 설치할 수 있다. 제2히트싱크(500)는 히트파이프(200)의 발열부에서 전달된 열을 외부로 방출하고, 열전발전소자(300)의 저온부를 냉각하여 상기 열전발전소자(300)의 고온부와 저온부의 온도차를 크게 하여 발전효율을 증대시키기 위함이다.
또한, 제2히트싱크(500)의 하부에는 제2방열핀(600)을 설치할 수 있다. 제2방열핀(600)은 제2히트싱크(500)에 전달된 열을 더욱 용이하게 외부로 방출하는 역할을 한다.
또한, 제2히트싱크(500) 및/또는 제2방열핀(600)의 하부에는 냉각팬(700)을 더 설치할 수 있다. 상기 냉각팬(700)은 제2히트싱크(500) 및/또는 제2방열핀(600)의 열기를 발산시키는 역할을 한다.
이때, 제어부(800)를 통하여 흡열부재(400)의 온도를 측정하고 흡열부재(400)의 온도가 일정온도(예를 들면, 약 80℃) 이하가 되도록 한다. 이러한 온도의 제어는 냉각팬(700)의 작동을 온/오프 시켜 제2히트싱크(500)에서의 방열량을 제어함으로써 달성할 수 있다.
또한, 알루미늄, 구리, 금, 은 및 이를 조합한 재질 등 열전도율이 높은 재질을 사용하여 제1 및 제2히트싱크(130)(500), 제1 및 제2방열핀(140)(600), 흡열부재(400)를 제작하는 경우, 태양전지(110) 및 태양전지 리시버(120)에서 순차로 전달된 열을 제1 및 제2히트싱크(130)(500) 그리고 제1 및 제2방열핀(140)(600)을 통하여 외부로 신속히 방출할 수 있고, 히트파이프(200)에 의해 복수의 태양전지 모듈(100)에서 전달되는 열을 흡열부재(400)에 집열하기 용이하여 열전발전소자(300)의 고온부와 저온부의 온도차를 크게 할 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
도 2에서 도시한 바와 같이 집광기(150)에 의하여 태양광이 태양전지(110)에 집광되면 태양전지(110)는 광에너지를 전기에너지로 변환한다. 이 때 태양전지(110)에서는 발열이 일어나는데, 복수의 태양전지(110)에서 발생한 열은 각각의 태양전지 모듈 쪽에 연결된 히트파이프(200)의 흡열부에서 흡열되고 열전발전소자(300) 쪽에 연결된 히트파이프(200)의 발열부로 전도된다.
열전발전소자(300) 쪽에 연결된 히트파이프(200)의 발열부로부터 발열된 열은 열전발전소자(300) 쪽의 흡열부재를 가열함으로써 열전발전소자(300)의 고온부 온도가 상승하게 된다.
이에 따라 열전발전소자(300)는 고온부와 저온부 사이에 온도차가 발생하고 이 온도차를 이용하여 제벡효과에 의한 발전을 할 수 있게 된다.
열전발전소자(300)는 고온부와 저온부의 온도차가 클수록 발전효율이 증가하므로 열전발전소자(300)의 하부는 제2히트싱크(500), 제2방열핀(600) 및 냉각팬(700) 등을 이용하여 열을 외부로 신속히 발산시키게 된다.
한편 태양전지(100)와 열전발전소자(300)의 에너지 변환효율을 극대화하기 위하여 히트파이프(200)에 의하여 태양전지(100)가 적정 온도 이하가 되고, 열전발전소자(300)의 고온부 온도는 가능한 높일 수 있도록 제어부(800)에 의하여 히트파이프(200)의 열전도량을 조절하여 최적화하게 된다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 태양전지 모듈 110: 태양전지
120: 태양전지 리시버 130: 제1히트싱크
140: 제1방열핀 150: 집광기
160: 렌즈 200: 히트파이프
300: 열전발전소자 310: P형 열전반도체
320: N형 열전반도체 330: 전극
340: 절연층 400: 흡열부재
500: 제2히트싱크 600: 제2방열핀
700: 냉각팬 800: 제어부

Claims (5)

  1. 태양전지가 실장된 태양전지 리시버와, 상기 태양전지 리시버의 하부에 설치한 제1히트싱크를 구비한 복수의 태양전지 모듈;
    상기 복수의 태양전지 모듈에 인접하게 설치한 열전발전소자; 및
    상기 복수의 태양전지 모듈 쪽에 냉각부가 되는 일단을 각각 연결하여 상기 복수의 태양전지 모듈에서 발생한 열을 흡수하고, 상기 열전발전소자 쪽에 발열부가 되는 타단을 연결하여 상기 복수의 태양전지 모듈에서 흡수한 열을 상기 열전발전소자로 전달하는 히트파이프를 포함하는 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전발전소자의 상부에는 상기 히트파이프가 결합하는 흡열부재를 더 설치한 것을 특징으로 하는 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전발전소자의 하부에는 제2히트싱크를 설치한 것을 특징으로 하는 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2히트싱크의 하부에는 냉각팬을 더 설치하고,
    상기 냉각팬을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제2히트싱크의 하부에는 방열핀을 더 설치한 것을 특징으로 하는 태양광 및 태양열을 이용한 복합발전장치.
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