KR101111199B1

KR101111199B1 - 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치

Info

Publication number: KR101111199B1
Application number: KR1020090121445A
Authority: KR
Inventors: 신상용
Original assignee: 신상용
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2012-02-22
Also published as: KR20110064729A

Abstract

본 발명에 따른 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치는 태양광을 가스가 주입된 케이싱에 투과하여 이온화 반응을 통해 집전하는 집전장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 집전장치는 상면이 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비되는 중공형상의 케이싱과; 케이싱 내부에 형성된 전자보충부를 포함하며, 전자보충부는 케이싱의 대향되는 양 면을 가로지르는 구조로 배치되어, 케이싱 내부에서 발생되는 전자를 선 전기장을 이용하여 집속하여, 케이싱 외부로 배출하는 전기집속전도선을 포함한다.

본 발명에 따른 태양전지모듈의 집전장치는 전기집속전도선을 활용하여 전자집속을 3차원 공간에서 수행하는 효과가 있다. 또한 전자보충부의 형상을 반원형 요철형상으로 하여 3차원적인 전자 집속(focusing)의 효율을 증대시킨 효과가 있다. 본 발명에 따른 태양전지모듈의 집전장치는 지지판 또는 브릿지를 활용하여 전기집속전도선의 수축 및 이완에 대응하는 효과가 있다.

금속가스이온화, 집전장치, 태양전지모듈

Description

금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치{CURRENT COLLECTOR OF SOLAR CELL MODULE USING METAL GAS IONIZATION}

본 발명은 집전장치에 관한 것이다. 구체적으로는 금속가스 이온화 반응을 이용하여 집전하는 태양전지모듈의 집전장치에 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 다중 접합(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 가격 상승에 따른 부담이 지속적으로 제기되었다.

이에 본 출원인은 저렴한 가스의 이온화 반응을 통한 광전변환을 고안하게 되었다. 또한, 가스의 이온화 반응에 의해 발생되는 전자를 보다 효율적으로 집속하는 것에 대하여 고안을 하게 되었다.

본 발명에 따른 태양전지모듈의 집전장치 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.

첫째, 선 전기장(Line Electric Field)의 강력한 전기장 밀도를 이용하여 Na가스의 이온화 반응을 통해 발생되는 전자를 3차원적으로 집속(Focusing)하고자 한다.

둘째, 종래기술이 평면적으로 전자집속을 수행한 것에 비하여, 본 발명은 전기집속전도선의 3차원 공간에서 전자를 집속하고자 한다.

셋째, 전자를 집속하는 3차원 공간을 보다 효과적으로 활용하기 위하여, 전자보충부 표면에 형상을 부여하고자 한다.

넷째, 전자집속을 위한 전기집속전도선의 수축/이완에 효율적으로 대응하고자 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 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치는 태양광을 가스가 주입된 케이싱에 투과하여 이온화 반응을 통해 집전하는 집전장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 집전장치는 상면이 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비되는 중공형상의 케이싱과; 케이싱 내부에 형성된 전자보충부를 포함한다.

본 발명에 따른 전자보충부는 케이싱의 대향되는 양 면을 가로지르는 구조로 배치되어, 케이싱 내부에서 발생되는 전자를 선 전기장을 이용하여 집속하여, 케이싱 외부로 배출하는 전기집속전도선을 포함한다.

본 발명에 따른 케이싱의 측면은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전자보충부는 아래로 함몰된 각 요부가 병렬 배치되고, 철부는 각 요부가 상호 접촉되는 부분으로 이루어진 요철부로 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 요철부의 요부의 단면 형상은 반원 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전기집속전도선은 요부의 원심 위치에서 요부의 길이 방향으로 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치에 있어서, 철부간을 연결하는 절연 브릿지가 형성되고, 전기집속전도선은 절연 브릿지 위에 놓이는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전자보충부는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지며, 선택된 소재는 양극산화처리(anodizing)가 된 것이 바람직하 다.

본 발명에 따른 전기집속전도선은 스테인리스스틸, 구리(Cu) 또는 은(Ag) 중 어느 하나의 것으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치에 있어서, 전자보충부는 케이싱 내면과 이격되어 있고, 이격된 공간에는 탄성체에 의해 케이싱 내면과 이동가능하게 배치되는 지지판이 각각 구비되고, 탄성체는 일단이 케이싱 내면에 체결되고, 타단이 지지판에 체결되며, 전기집속전도선의 양 단은 지지판과 각각 결합되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 집전장치; 일 측에 구비된 고온부가 상기 집전장치의 케이싱 하면과 열 접촉 되도록 배치되는 열전소자; 및 열전소자의 타 측에 구비된 저온부와 열접촉하도록 배치되는 방열부재를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 태양전지모듈의 집전장치에 관하여 구체적으로 설명하겠다.

본 발명에 따른 태양전지모듈의 집전장치는 태양광을 가스가 주입된 케이싱에 투과하여 이온화 반응을 통해 발생되는 전자를 집전하는 집전장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이 케이싱(100), 전자보충부(200) 및 전기집속전도선(300)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 케이싱(100)은 빛이 투과되는 상면(110)이 투명 또는 반투명 소재로 구비된다. 또한 내부는 중공형상으로 구비된다. 실시예에 따라 상면(110) 뿐 아니라 측면(130)부를 투명 또는 반투명 소재로 구비하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 전자보충부(200)는 케이싱(100)의 내부에 형성된다. 일반적으로는 하면(120)에 인접하여 형성되는 실시예(도 1 참조)가 될 것이다. 그러나 케이싱(100)의 상면(110) 또는 측면(130)에 인접하게 형성되는 실시예도 가능하며, 케이싱(100) 내부의 대략 중앙에 형성되는 실시예도 가능하다.

본 발명에 따른 집전장치는 케이싱(100)의 상면(110) 뿐 아니라 측면(130)을 통해서도 태양광이 내부로 투과되는 실시예도 가능하다. 이러한 실시예에 따른 케이싱(100)의 측면은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 케이싱(100) 내부에 봉입되는 가스는 원소 주기율표상의 1족 원소인 알칼리 금속(alkali metal)이 바람직하며, 나트륨(Na)가스가 더욱 바람직하 다.

나트륨(Na) 가스를 예를 들어, 본 발명에 따른 집전장치의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.

케이싱(100) 내부로 투과된 태양광 자외선의 광자(photon)에 의해 케이싱(100) 내부에서 나트륨(Na) 가스의 이온화 반응이 진행되며, 이온화 반응에 의해 발생된 자유전자(음전하)는 (+)극인 전기집속전도선(300)을 통해 외부로 배출되면서 전기를 집전하게 된다.

이 경우, (+)극인 전기집속전도선(300)을 통해 외부로 배출된 자유전자의 개수만큼 (-)극인 전자보충부(200)를 통해 전자(e^-)가 케이싱(100) 내부로 공급된다. 케이싱(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 무한대로 연속 순환된다. 따라서 태양광이 투사되면 계속하여 전기를 집적할 수 있는 것이다.

또한, 케이싱(100) 내부는 태양광의 복사열에 의해 내부온도가 상승하게 된다. 본 발명에 따른 전자보충부(200)는 이러한 복사열을 최대한 흡수하기 위한 형상을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전자보충부(200)는 아래로 함몰된 각 요부(211)가 병렬 배치되고, 철부(212)는 각 요부(211)가 상호 접촉되는 부분으로 이루어진 요철부(210)로 구비되어 전자보충부(200)의 면적이 최대로 증가되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 요철부(210)의 요부(211)의 모양을 반원(半圓; half circle) 모양이 반복배치된 형상으로 하고 요부(211)는 전기적 극성을 (-)극으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우 반원과 반원이 만나는 부분이 철부가 될 것이다.

이러한 반원형 요철구조는 (+)극을 갖는 전기집속전도선(300)으로 전기장이 매우 높은 밀도로 집속(도 3)되어 있으므로, Na gas에서 이온화되어 나온 전자(e^-)가 3차원적으로 강력하게 집속(focusing)될 수 있는 구조로서 바람직하다.

본 발명에 따른 요철부(210)의 요부(211)의 일 실시예로서, 요부(211)의 단면 형상은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 반원 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 실시예의 경우, 전기집속전도선(300)은 요부(211)의 원심 위치(도 2 및 도 3 참조)에서 요부(211)의 길이 방향(도 1 참조)으로 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전자보충부(200)는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 알루미늄(Al)이 일반적인 실시예로 사용될 수 있다.

선택된 소재는 양극산화처리(anodizing)가 되는 것이 바람직하다. 나아가 형성된 양극산화피막에는 흑색처리(black anodizing)를 하는 것이 바람직하다.

이러한 구조에 의해, 흑색처리를 한 전자보충부(200)는 복사열을 최대한 흡수할 수 있는 구조를 구비하게 된다. 이에 따라 종래 반도체계 태양전지에서 이온 화가 반도체의 표면에서만 발생된 것에 비하여, 케이싱(100) 내부의 열과 자외선의 복합효과에 의해, 나트륨(Na)가스는 3차원 공간에서 보다 효율적으로 이온화될 수 있다.

알루미늄(Al)을 예를 들어 다시 설명하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 전자보충부(200)는 (-)극으로써, 알루미늄(Al)으로 이루어져 있다. 알루미늄(Al)은 양극산화처리를 통해 안정적인 산화피막을 형성하고 있다. 알루미늄(Al)은 케이싱(100) 내부로 음이온(e^-)을 공급하게 되며, 공급된 음이온(e^-)은 나트륨 양이온(Na⁺)과 반응하여 나트륨 원소(Na)를 재 생성하게 된다. 재 생성된 나트륨 원소는 다시 광자에 의해 이온화 반응이 진행되면서 자유전자(e^-)를 생성하게 되며, 생성된 자유전자(e^-)는 (+)극인 전기전도체로 이동하게 되는 사이클이 반복된다.

한편, 이온화된 전자가 집속되는 전기집속전도선(300)은 전기전도체인 소재는 모두 적용가능하다. 다만, 이온화된 물질(예로, Na⁺)과 상호작용을 하지 않는 소재가 보다 바람직하다. 본 발명에서는 전기집속전도선(300)의 스테인리스스틸, 구리(Cu) 또는 은(Ag)을 바람직한 일 실시예로 제시하고 있다. 또한 전기집속전도선(300)은 단 층의 선 배열이 아니라 북수 층도 가능하나, 본 명세서에서는 단층을 제시하고 있다.

전기집속전도선(300)은 케이싱(100)의 대향되는 양 측면(130)을 가로지르는 구조로 배치되어 있으며, 케이싱(100) 내부 온도가 상승하는 등의 상황에 따라 수 축과 이완을 하게 될 것이다. 만약 전기집속전도선(300)의 길이가 긴 경우에는, 전기집속전도선(300)이 이완되면 전기집속전도선(300)이 전자보충부(200)의 바닥과 접촉하게 되어, 전기적 단락이 발생될 것이다.

이를 방지하기 위하여 본 발명에 따른 집전장치는 2가지의 실시예를 제시한다.

제1 실시예는 절연 브릿지를 이용하는 실시예이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전자보충부(200)의 철부(212)간을 연결하는 브릿지(420)를 배치한다. 이 경우 브릿지(420)의 일 측은 전자보충부(200)의 철부(212)와 접촉되기 때문에 브릿지(420)의 소재는 절연성 소재 내지 절연 처리가 됨이 바람직하다.

이러한 절연 브릿지(420) 위에 전기집속전도선(300)을 올려 놓으면 전기집속전도선(300)이 이완되어도 절연 브릿지(420)로 인해 전자보충부(200)의 요부(211) 면 등에 접촉되는 것을 방지하게 된다. 절연 브릿지(420)는 적절한 복수개가 배치되는 것이 바람직하다.

제2 실시예는 지지판을 이용하는 실시예이다. 본 실시예에 따른 전자보충부(200)는 케이싱(100) 내면과 이격되어 있다. 도 4 에서는 케이싱(100)의 좌우 양 측면(130)의 내면과 전자보충부(200)가 이격된 실시예를 제시한다.

이격된 공간에는 탄성체(410)에 의해 케이싱(100) 내면과 이동가능하게 배치되는 지지판(400)이 각각 구비된다. 탄성체로는 용수철 형상 등이 일반적으로 사용될 수 있으며, 소정의 탄성력이 부여된다.

이러한 탄성체(410)는 일단이 케이싱(100)의 내면에 체결되고, 타단이 지지 판(400)에 체결된다. 그리고 전기집속전도선(300)의 양 단은 지지판(400)과 각각 결합되게 된다.

전기집속전도선(300)이 이완되지 않은 상태에서는, 탄성체(410)에 의해 전기집속전도선(300)이 늘어날 정도는 아닌 탄성력이 가해진다. 그런데 만약 전기집속전도선(300)이 이완되어 축 늘어지는 상황이 되면, 탄성체(410)의 탄성력에 의해 전기집속전도선(300)이 늘어난 정도에 대응하여 지지판(400)이 케이싱의 내면으로 이동된다. 이러한 구조에 의해 전기집속전도선(300)이 이완되더라도 전자보충부(200)의 바닥면에 접촉되지 않게 하는 작용을 한다.

한편, 본 발명에 따른 집전장치는 도 5에 도시된 바와 같이, 열전소자(20)와 방열부재(30)를 포함하여 구성되는 태양전지모듈로 사용될 수 있다.

구체적으로 본 발명에 따른 다양한 실시예의 집전장치의 케이싱 하면(120)과 열접촉되도록 열전소자(20)의 고온부(21)를 배치하는 것이 바람직하다. 열전소자(20)의 타 측인 저온부(22)는 방열부재(30)와 열접촉하도록 배치되는 것이 바람직하다.

이러한 태양전지모듈은 열전소자(20)에 의해 집전장치의 케이싱(100) 하면(120)과의 온도차이를 전기적 에너지로 변환하는 역할을 하게 된다.

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 집전장치의 내부를 나타낸 개념도이고,

도 2는 본 발명에 따른 요철부에 절연 브릿지가 형성되는 것을 나타내는 개념도이고,

도 3은 본 발명에 따른 집전장치의 전기장 밀도와 요철부를 나타내는 개념도이고,

도 4는 본 발명에 따른 집전장치에 이동가능한 지지판이 구비된 것을 나타내는 평면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 집전장치를 활용한 태양전지모듈의 일 실시예를 나타내는 정단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 케이싱 110 : 상면

120 : 하면 130 : 측면

200 : 전자보충부 210 : 요철부

211 : 요부 212 : 철부

220 : 브릿지 300 : 전기집속전도선

400 : 지지판 410 : 탄성체

10 : 집전장치 20 : 열전소자

21 : 고온부 22 : 저온부

30 : 방열부재 31 : 접면

32 : 방열핀

Claims

태양광을 가스가 주입된 케이싱에 투과하여 이온화 반응을 통해 집전하는 집전장치로서,

상면은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비되는 중공형상의 케이싱과; 상기 케이싱 내부에 형성된 전자보충부를 포함하며,

상기 전자보충부는 상기 케이싱의 대향되는 양 면을 가로지르는 구조로 배치되어, 케이싱 내부에서 발생되는 전자를 선 전기장을 이용하여 집속하여, 케이싱 외부로 배출하는 전기집속전도선을 포함하고,

상기 전자보충부는 아래로 함몰된 각 요부가 병렬 배치되고, 철부는 각 요부가 상호 접촉되는 부분으로 이루어진 요철부로 구비되는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치.
제1항에 있어서,

상기 케이싱의 측면은 빛이 투과되는 투명 또는 반투명 소재로 구비되는 것을 특징으로 하는 금속가스이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 요철부의 요부의 단면 형상은 반원 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치.
제4항에 있어서,

상기 전기집속전도선은 요부의 원심 위치에서 요부의 길이 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치.
제1항에 있어서,

상기 철부간을 연결하는 절연 브릿지가 형성되고, 상기 전기집속전도선은 상기 절연 브릿지 위에 놓이는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치.
제1항에 있어서,

상기 전자보충부는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf) 및 니오븀(Nb)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지며, 상기 선택된 소재는 양극산화처리(anodizing)가 된 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치.
제1항에 있어서,

상기 전기집속전도선은 스테인리스스틸, 구리(Cu) 또는 은(Ag) 중 어느 하나의 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치.
제1항에 있어서,

상기 전자보충부는 케이싱 내면과 이격되어 있고,

상기 이격된 공간에는 탄성체에 의해 케이싱 내면과 이동가능하게 배치되는 지지판이 각각 구비되고,

상기 탄성체는 일단이 케이싱 내면에 체결되고, 타단이 지지판에 체결되며,

상기 전기집속전도선의 양 단은 상기 지지판과 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈의 집전장치.
제1항, 제2항 및 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 집전장치;

일 측에 구비된 고온부가 상기 집전장치의 케이싱 하면과 열 접촉 되도록 배치되는 열전소자; 및

열전소자의 타 측에 구비된 저온부와 열접촉하도록 배치되는 방열부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속가스 이온화를 이용한 태양전지모듈.