KR101111198B1 - 금속가스이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈은 중공체 내부에 금속 가스가 봉입된 제1 챔버; 일 측에 구비된 고온부가 제1 챔버의 하면과 열 접촉 되도록 배치되는 열전소자; 및 열전소자의 타 측에 구비된 저온부와 열 접촉 되도록 배치되는 방열부재를 포함하며, 제1 챔버의 상면은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비되며, 제1 챔버의 내부에는 상면을 통해 투과된 빛에 의해 가스가 이온화 반응을 함에 따라 발생되는 전자를 집전하는 전자보충부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지모듈은 금속가스의 이온화반응에 의한 집전효과와 열전소자에 의한 집전효과를 함께 가질 수 있는 장점이 있다. 이에 의해 광전효율이 증대하는 효과가 있다. 또한 온실가스에 의한 온실효과를 집전장치에 활용하여 집전효율을 증가시키는 효과가 있다. 그리고 열전소자의 고온부를 방열부재를 사용하여 신속하게 방열함으로써 열전소자의 온도차를 높여 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
금속가스이온화, 열전소자, 태양전지
Description
본 발명은 태양전지모듈에 관한 것이다. 구체적으로는 태양광에 의한 봉입 금속가스의 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈에 관한 것이다.
일반적 의미의 태양전지(solar cell 또는 solar battery)는 태양전지(solar cell, photovoltaic cell)는 햇빛에 노출되었을 때, 그 빛 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 반도체 소자를 의미한다.
이는 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn 접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 발생하는 것을 이용하는 것이다. 따라서 최근 들어서는 태양전지(solar cell)라는 용어보다 태양광발전 전지(photovoltaic cell)라는 용어를 사용하기도 한다.
태양광 발전(PV, Photovoltaic)은 무한정, 무공해의 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 발전방식으로서 태양전지, 태양전지 모듈, 태양전지 패널, 태양전지 어레이(array), 전력변환 장치(PCS : Power Conditioning System), 축전장치 등으로 구성된다.
태양광 발전시스템은 크게 빛을 받아서 전기로 전환해 주는 부분(모듈)과 생산된 전기를 수요에 맞도록 교류로 변환하고 계통에 연결해 주는 부분(PCS)으로 구분된다.
태양전지는 일반적으로 재료별 분류에 따라 실리콘 반도체계열과 비 실리콘 반도체계열로 나뉜다. 실리콘 반도체계열은 단결정 실리콘과 다결정 실리콘의 결정계와, 박막형 실리콘의 비 결정계로 구분된다. 비 실리콘 반도체 계열은 GaAs 등 Ⅲ-Ⅴ족 단결정과, CdTe, CIS 등 Ⅱ-Ⅵ족 다결정으로 구분되는 화합물반도체계와 염료감응형의 유기물계로 구분된다.
종래의 태양전지의 개발은 p형과 n형 반도체 물질을 접합한 단일접합(single junction) 구조, 광 흡수대역이 서로 다른 단일접합 태양전지를 적층함으로써 광흡수 대역을 넓히는 다중접합(multi junction) 구조 및 흡수된 광자의 수에 비례하는 기존 광전변환 매카니즘의 비효율성을 개선하여 흡수되는 광자의 에너지를 활용하는 MEG(Multiple Exciton Generation) 태양전지 등으로 진행되어 왔다.
또한, 최근에는 BIPV 시스템(Building Integrated Photovoltaic System)에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이는 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물외장형 태양광 발전시스템을 의미한다. 즉 태양광에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 것 외에 건물일체형 태양광모듈을 건축물 외장재로 사용하여 건설비용을 줄이고 건물의 가치를 높이는 디자인 요소로도 활용한다는 것이다.
그런데 이러한 반도체 계열의 태양전지는 광전효율 뿐만 아니라 원재료 가격상승에 따른 부담이 지속적으로 제기되었다.
본 발명에 따른 태양전지모듈은 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
첫째, 저렴한 금속가스의 이온화 반응 및 열전소자의 장점을 활용하여 광전효율이 좋은 태양전지를 제공하고자 한다.
둘째, 온실가스에 의한 온실효과를 광전효율 향상에 활용하고자 한다.
셋째, 필요에 따라 종래의 반도체 계열의 태양전지도 부가하여 광전변환효율을 높이고자 한다.
넷째, 방열부재를 활용하여 열전소자의 방열효율을 높이고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈은 중공체 내부에 금속 가스가 봉입된 제1 챔버; 일 측에 구비된 고온부가 제1 챔버의 하면과 열 접촉 되도록 배치되는 열전소자; 및 열전소자의 타 측에 구비된 저온부와 열 접촉 되도록 배치되는 방열부재를 포함하며, 제1 챔버의 상면은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비되며, 제1 챔버의 내부에는 상면을 통해 투과된 빛에 의해 가스가 이온화 반응을 함에 따라 발생되는 전자를 집전하는 전자보충부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈에 있어서, 제1 챔버에 봉입되는 금속 가스는 1족 원소 중 어느 하나의 원소인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈에 있어서, 봉입되는 금속 가스는 나트륨(Na) 원소인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈에 있어서, 전자보충부는 제1 챔버의 대향되는 양 측면을 가로지르는 선분 구조로 배치된 전기집속전도선으로 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈에 있어서, 제1 챔버의 상측에는 중공체 내부에 온실가스가 봉입된 제2 챔버가 적층 배치되며, 제2 챔버의 상면과 하면은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈에 있어서, 제2 챔버에 봉입되는 온실가스는 CO2, CH4, N2O, HFCs, PFCs, HCFC 및 SF6 로 이루어진 가스 군 중 어느 하나의 가스인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈에 있어서, 제2 챔버의 상측에는 광전지(PhotoVoltaic)부재가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈에 있어 서, 제1 챔버의 상측에는 광전지(PhotoVoltaic)부재가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지모듈을 행과 열에 따른 매트릭스 구조로 배치하고, 각 태양전지에서 집전되어 배출되는 전류를 공동으로 집적하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 태양전지모듈은 금속가스의 이온화반응에 의한 집전효과와 열전소자에 의한 집전효과를 함께 가질 수 있는 장점이 있다. 이에 의해 광전효율이 증대하는 효과가 있다.
또한 온실가스에 의한 온실효과를 집전장치에 활용하여 집전효율을 증가시키는 효과가 있다.
그리고 열전소자의 고온부를 방열부재를 사용하여 신속하게 방열함으로써 열전소자의 온도차를 높여 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 태양전지모듈에 관하여 도면을 참조하면서 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 태양전지모듈의 제1 실시예는 가장 기본적인 실시예로서, 제1 챔버(100)와 열전소자(400)을 포함하여 구성된다.
구체적으로 본 발명에 따른 제1 챔버(100)는 중공체 형상으로 이루어지며, 내부에는 소정 원소의 가스가 봉입되어 있다.
본 발명에 따른 제1 챔버(100)의 상면(110)은 빛이 투과되는 소재로 구비되는 것이 바람직하다. 일반적으로 투명 또는 반투명의 다양한 소재로 구비될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 제1 챔버(100)에 봉입되는 금속 가스는 원소 주기율표 상의 1족 원소인 알칼리 금속(alkali metal), 즉 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 류비듐(Rb), 세슘(Cs), 프란슘(Fr) 등이 가능하며, 상대적으로 이온화 에너지가 낮고 일반적으로 사용이 많이 되고 있는 나트륨(Na)가스가 더욱 바람직하다.
이하에서는 Na를 예로 들어 설명한다. Na(나트륨) 원자는 원소주기율표 상의 1족 원소로서, 전자구조는 다음과 같다.
11Na = 1S2 2S2 2P6 3S1
Na의 이온화 반응식 및 이온화에너지는 다음과 같다.
Na = Na+ + e-
E1 = 5.139eV
여기서 이온화에너지(Ionization Energy)는 바닥상태에 있는 원자 또는 분자 에서 1개의 전자를 꺼내어 1개의 양이온과 자유전자로 완전히 분리하는 데 필요한 에너지를 의미한다.
본 발명에 따른 제1 챔버(100)의 상면(110)은 빛이 투과되는 소재로 구비되므로, 외부의 태양광이 제1 챔버(100) 내부로 들어올 수 있다. 제1 챔버(100) 내부에서는 태양광의 에너지를 전달하는 광자(photon)에 의해 Na(나트륨) 가스의 이온화가 진행된다.
일반적으로 사용되는 반도체 태양전지에서는 반도체 표면에서만 광자(photon)에 의한 전자(electron)와 정공(hole)의 쌍(e-h pair)이 생성되는 반응이 진행된다.
반면에 본 발명에 따른 태양전지에서는 광자(photon)에 의한 이온화 반응이 3차원적 공간에서 이루어진다. 따라서 광자와 Na(나트륨)의 상호작용 확률이 매우 커짐에 따라 전류흐름도 증가하게 되어 전류발생량이 증가하게 된다.
본 발명에 따른 제1 챔버(100)는 내부에 전자를 보충하고 열을 집열하는 전자보충부(140)가 구비된다. 바람직하게는 제1 챔버(100)의 하면(120)에 구비된다(도 2 참조). 본 발명에 따른 전자보충부(140)는 제1 챔버(100)의 내부에는 상면(110)을 통해 투과된 빛에 의해 가스가 이온화 반응을 함에 따라 발생되는 전자를 보충한다.
본 발명에 따른 전자보충부(140)는 자유전자 등의 집속을 통한 전기를 집전할 수 있는 다양한 구조로 구비될 수 있다.
전자 보충부(140)의 형상구조에 대한 일 실시예로서, 도 1에서는 연속적인 반원(半圓; half circle) 모양이 반복배치된 요철 형상이 제시된다. 이러한 요철 형상은 표면적을 최대로 하는 동시에 반원의 중심부에 선 전기장(Line electric field)을 이용하여 Na(나트륨) 가스의 이온화로 방출된 전자를 전기집속전도선(141)으로 강력하게 흡수 할 수 있는 구조를 갖는다.
이 경우, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 챔버(100)의 대향되는 양 측면(130)을 가로지르는 구조로 배치된 전기집속전도선(141)으로 구비되는 것이 바람직하다. 종래 기술은 반도체 표면에서만 이온화 반응이 일어났으나, 본 발명은 제1 챔버(100) 내부에서 3차원적으로 이온화 반응이 일어난다. 따라서 제1 챔버(100)의 대향되는 양 측면(130)을 가로지르는 전기집속전도선(141)은 강력한 집속형 선 전기장으로써 보다 많은 전류를 3차원적으로 효과적으로 유도할 수 있게 된다.
태양광의 광자(photon)에 의해 제1 챔버(100) 내부에서 Na의 이온화 반응이 진행되며, 이온화 반응에 의해 발생된 자유전자(음전하)는 (+)극인 전기집속전도선(141)을 통해 외부로 배출되면서 전기를 집전하게 되는 것이다.
(+)극인 전기집속전도선(141)을 통해 외부로 배출된 자유전자의 개수만큼 (-)극인 전자보충부(140)를 통해 전자(e-)가 제1 챔버(100) 내부로 공급된다. 제1 챔버(100) 내부에 있는 Na+ 이온은 새로이 공급된 전자(e-)와 반응하여 중성 Na(gas)로 된다. Na(gas)는 태양광의 광자(photon)에 의한 이온화 반응을 하여 다시 Na+ 이온과 전자(e-)를 생성하는 일련의 반응이 순환 연속된다. 따라서 태양광이 투사되면 계속하여 전기를 집적할 수 있는 것이다.
본 발명에 따른 열전소자(400)에는 고온부(410)와 저온부(420)가 구비되는데, 일측에 구비된 고온부(410)는 제1 챔버(100)의 하면(120)과 열접촉 되도록 배치된다. 타 측에 구비된 저온부(420)는 고온을 신속하게 방열하기 위하여 방열부재(500)와 열접촉 되도록 배치된다.(도 1 참조)
본 발명에 따른 방열부재(500)는 다양한 방식의 방열구조로 구비될 수 있다. 일 실시예로서, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 챔버(100)의 하면(120)과 열접촉되는 접면(510)과 복수의 방열핀(520)으로 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 열전소자(thermoelectric element)는 제베크효과(Seebeck effect)를 이용한 소자이다. 제베크효과는 두 종류의 금속을 고리 모양으로 연결하고, 한쪽 접점을 고온부로 하고, 다른 쪽을 저온부으로 했을 때, 온도차이로 인하여 그 회로에 전류가 생기는 현상을 말한다.
열전소자(400)의 일 측은 제1 챔버(100)의 하면(120)과 열 접촉되는 고온부(410)이고, 타 측은 방열부재(500)와 열 접촉되어 신속하게 방열되는 저온부(420)이다.
실험에 따르면, 제1 챔버(100)와 방열부재(500)의 온도는 다음의 표 1과 같이 계측되었다.
| 계절 | 제1 챔버 | 방열부재 |
| 여름철 | 80℃ ~ 110℃ | 30℃ ~ 35℃ |
| 겨울철 | 50℃ ~ 70℃ | -10℃ ~ 20℃ |
즉 제1 챔버(100)의 하면에 열전소자(400)의 고온부(410)를 열접촉시키고, 타 측인 저온부(420)는 방열부재(500)를 이용하여 냉각을 시키면 그 온도차이만큼 제베크 효과에 의하여 전류가 흐르게 되는 것이다.
특히, 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 겨울철의 경우 온도차이가 더욱 증가되어 제베크 효과에 의한 집전율이 증대될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 태양전지모듈은 이와 같이 제1 챔버(100)의 가스 이온화 반응에 의한 집전과 열전소자(400)에 의한 집전을 함께 활용하는 것을 기술적인 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지모듈은 광전효율을 증대시키기 위하여 온실효과를 활용하는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지모듈은 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 제1 챔버(100) 위에 제2 챔버(200)가 추가로 적층배치되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따른 제2 챔버(200)는 중공 형상으로서 내부에 온실가스가 봉입된다. 또한 제2 챔버(200)의 상면(210)과 하면(220)은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비된다. 상면(210)은 태양광을 제2 챔버(200) 내부로 투과시키는 역할을 하고, 하면(220)은 투과된 태양광을 아래에 놓인 제1 챔버(100)로 진행시키는 역할을 한다.
온실가스는 지구의 온실효과를 발생시키는 가스를 의미한다. 지구는 태양에서 에너지를 받은 후 다시 에너지를 방출하여 복사평형을 유지한다. 이때 대기 중에 있는 여러 가지 온실기체는 태양에서 오는 짧은 파장의 빛은 잘 흡수하지 않는다. 하지만 지구가 방출하는 긴 파장의 빛을 흡수하여 그 에너지를 대기 중에 묶어 두게 된다. 이렇게 대기 중에 들어온 에너지는 기체 분자의 운동량을 증가시켜 대기의 온도가 상승한다.
본 발명에 따른 제2 챔버(200)에 봉입되는 온실가스는 CO2(이산화탄소), CH4(메탄), N2O(아질산수소), HFCs(수소불화탄소), PFCs(과불화탄소), HCFC(R-22) 냉매가스 및 SF6(육불화황)으로 이루어진 가스 군 중 어느 하나의 가스인 것이 바람직하다.
제2 실시예에서, 제2 챔버(200)에서 온실효과가 발생되면, 결국 제1 챔버(100)의 내부 온도도 증가될 것이다. 제1 챔버(100)의 내부 온도 증가는 제1 챔버(100) 내부에서 진행되는 기체의 이온화반응을 증대시켜 전류발생량을 증대시킨다. 나아가 열전소자(400)의 고온부(410)와 저온부(420)의 온도차이를 보다 증대시켜 전류발생량을 증대시킨다.
한편, 제2 실시예의 응용예으로서, 제2 챔버(200)의 상측에는 종래의 BIPV 시스템에 사용되는 광전지(PhotoVoltaic)부재(300)가 더 구비될 수도 있다.(도 6 참조)
또한, 제1 실시예의 응용예로서, 제1 챔버(100)의 상측에는 종래의 BIPV 시스템에 사용되는 빛을 투과하여 태양광 발전을 할 수 있는 부재인 광전지(PhotoVoltaic)부재(300)가 더 구비될 수도 있다.(도 5 참조)
본 발명에 따른 태양전지모듈은 도 7에 도시된 바와 같이, 여러 실시예에 따른 각각의 태양전지(10)을 행과 열에 따른 매트릭스 구조로 배치하고, 각 태양전지에서 집전되어 배출되는 전류를 공동으로 집적하는 형태로 실시하는 것이 공간대비 광전효율의 면에서 바람직하다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 제1 실시예를 나타내는 개념도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전자보충부를 나타내는 개념도이고,
도 3은 도 2의 평면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 태양전지모듈의 제2 실시예를 나타내는 개념도이고,
도 5는 본 발명에 따른 태양전지모듈의 제1 실시예의 응용예이고,
도 6은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 제2 실시예의 응용예이고,
도 7은 본 발명에 따른 태양전지모듈을 매트릭스 구조로 배치한 것을 나타내는 평면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 제1 챔버 110 : 상면
120 : 하면 130 : 측면
140 : 전자보충부 141 : 전기집속전도선
200 : 제2 챔버 210 : 상면
220 : 하면 300 : 광전지부재
400 : 열전소자 410 : 고온부
420 : 저온부 500 : 방열부재
510 : 접면 520 : 방열핀
Claims (9)
- 중공체 내부에 금속 가스가 봉입된 제1 챔버;일 측에 구비된 고온부가 제1 챔버의 하면과 열 접촉 되도록 배치되는 열전소자; 및열전소자의 타 측에 구비된 저온부와 열 접촉 되도록 배치되는 방열부재를 포함하며,상기 제1 챔버의 상면은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비되며, 상기 제1 챔버의 내부에는 상면을 통해 투과된 빛에 의해 가스가 이온화 반응을 함에 따라 발생되는 전자를 집전하는 전자보충부가 구비되고,상기 제1 챔버에 봉입되는 금속 가스는 1족 원소 중 어느 하나의 원소인 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 봉입되는 금속 가스는 나트륨(Na) 원소인 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈.
- 제1항에 있어서,상기 전자보충부는 상기 제1 챔버의 대향되는 양 측면을 가로지르는 선분 구조로 배치된 전기집속전도선으로 구비되는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈.
- 제1항에 있어서,상기 제1 챔버의 상측에는 중공체 내부에 온실가스가 봉입된 제2 챔버가 적층 배치되며,제2 챔버의 상면과 하면은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비된 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈.
- 제5항에 있어서,상기 제2 챔버에 봉입되는 온실가스는 CO2, CH4, N2O, HFCs, PFCs, HCFC 및 SF6 로 이루어진 가스 군 중 어느 하나의 가스인 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈.
- 제5항에 있어서,상기 제2 챔버의 상측에는 광전지(PhotoVoltaic)부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈.
- 제1항에 있어서,상기 제1 챔버의 상측에는 광전지(PhotoVoltaic)부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈.
- 제1항, 제5항, 제7항 또는 제8항 중 어느 하나의 항에 따른 태양전지모듈을 행과 열에 따른 매트릭스 구조로 배치하고, 각 태양전지에서 집전되어 배출되는 전류를 공동으로 집적하는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화 및 열전소자를 이용한 태양전지모듈.
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