KR101132567B1 - 태양광 집광 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지와, 상기 태양전지에 상기 태양광을 집광하는 렌즈와, 상기 렌즈로부터 집광된 상기 태양광을 전반사하여 하면을 통해 상기 태양전지에 조사하는 라이트 파이프를 구비하는 태양광 집광 장치에 있어서, 상기 라이트 파이프의 상면에 결합되어, 태양광으로부터 열에너지를 차단하고, 상기 집광된 태양광을 통과시키는 열차단 필터; 상기 라이트 파이프의 하면과 결합되어, 상기 라이트 파이프에서 출사된 태양광의 광에너지를 상기 태양전지에 균일하게 분포시키는 광안정 필터; 및 상기 광안정 필터와 상기 태양전지 사이에 위치하여, 상기 광안정 필터로부터 출사되는 태양광을 상기 태양전지에 집광하는 집광렌즈;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 태양광 집광 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 태양광을 집광하는 장치에 관한 것으로서, 특히, 태양광을 이용한 발전 시스템이나 채광 시스템에 사용되는 태양광 집광 장치에 있어서 집광기를 통해 집광되는 태양광의 열에너지를 차단하고, 태양광의 광에너지를 태양전지와 같은 광전소자나 채광부에 균일한 분포로 전달하여, 광전에너지 변환효율을 향상시킴과 아울러 채광효율을 향상시킬 수 있는 태양광 집광 장치에 관한 것이다.
오늘날 국제적인 환경 문제와 에너지 문제를 해결하기 위하여 세계의 각 국에서는 대체 에너지에 대한 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 대체 에너지에 대한 관심이 고조되고 있는 이유는 최근의 국제적인 유가급등 문제와 장래의 국제적인 에너지 확보를 위한 분쟁과 긴밀한 관련성이 있다고 하겠다.
에너지 문제나 환경 문제 해결을 위한 대체 에너지 중, 특히 태양에너지는 에너지원이 무한하고 무공해하다는 측면에서 더욱 각광을 받고 있다. 태양에너지는 주로 유럽이 일조 건이 좋지만 우리나라 또한 일조 건이 상당히 좋은 편이므로 태양에너지 활용은 대단히 유용한 에너지 활용 방안으로 간주되고 있다. 따라서 태양광 발전 시스템은 최근 환경 및 화석에너지 고갈 및 유가 급등 등의 문제와 맞물려 세계 여러 나라에서 육성하고 있는 대체 에너지 산업에 일조할 수 있는 매우 중요한 기술이다.
전술한 태양에너지의 활용에 대한 종래의 기술은 크게 태양광을 이용한 발전 형태와 태양열을 이용한 온수 형태로 구분할 수 있다. 태양열을 이용한 수온 가열은 태양열을 집열하여 물을 데우는 형태로 열에너지의 변환없이 열에너지로서 활용되는 형태이나, 태양광 발전은 광에너지를 전기에너지로 변환하는 형태로서, 선진국 및 국내에서도 상당한 연구가 진행되어 상용화되어 있으며, 현재 효율 향상이나 고품질 쪽으로 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 태양광 발전에 사용되는 태양에너지 집광기(Solar Concentrator)로 초기에는 평판형(Flat Plate type) 집광기가 주로 사용되었다. 그러나 평판형 집광기는 전기 또는 열에너지로 변환하는 효율이 대단히 낮아 이용에 한계가 있었다. 따라서 태양에너지의 전기에너지로의 변환효율을 높이며 동시에 용도에 따라 다양하게 적용하기 위하여 파라볼릭 트루프(Parabolic trough), 파라볼릭 접시(Parabolic dish), 프레넬(Fresnel) 렌즈 등의 입체형 집광기가 이용되고 있다. 입체형 집광기는 광학장치(렌즈 또는 반사경)를 이용하여 장치의 개구면에 입사하는 태양의 복사에너지를 보다 작은 면적의 출사면(수광면)에 고 밀도의 에너지로 집광하여 생성되는 전기의 출력을 대폭 높임으로써 장치의 효율(성능)을 향상시키는 동시에 집광기의 종류와 설계에 따라 평판형 장치보다 장치의 단가도 줄일 수 있다.
그러나 입체형 집광기(이하, ‘집광기’라 함)를 사용할 경우에도 여러 가지 해소하여야 할 문제점이 있다. 예로서, 사용하는 자재의 특성과 용도에 따라 집광기가 잘 조화되어야 하는데, 결정질 규소(Si) 태양전지 표면에 고밀도의 태양 복사에너지를 조사하여 태양전지의 출력을 높일 수 있으나, 동시에 태양전지가 흡수한 복사에너지의 대부분은 전기로 변환되지 않고 잉여에너지가 태양전지의 온도를 상승시켜 태양광 발전 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
태양전지의 일반적인 전기적, 열적 특성을 살펴보면, 태양전지의 일반적인 전기적, 열적 특성은 태양에너지의 조사밀도를 정하여주는 집광비[C=광학면의 개구면 면적/수광면(태양전지) 면적]에 거의 비례하여 출력(주로 전류)이 증가하며, 태양전지의 온도에 비례하여 출력(주로 전압)이 감소된다. 즉, 태양전지는 일반적으로 저온일수록 효율이 상승한다(단 비결정질 태양전지는 예외). 이 경우, 태양전지를 냉각시켜야 하는데, 집광기를 적용할 경우 장치의 설계에는 특히 집광비(Concentration ratio)에 따라 적절한 냉각장치가 수반되어야 한다.
일반적으로 저 집광비(저 밀도 에너지)인 경우 냉각장치는 간단한 수동형(Passive) 장치(예: 자연통풍)를 이용할 수 있으며, 고 집광형인 경우 일종의 강제적인(Forced, Active) 냉각수단을 사용한다. 즉, 강제통풍을 사용하거나 또는 냉각 핀(Cooling Fin)의 구조를 태양전지의 배면에 접촉시키고 내부공간에 작동매체(예로서, 공기, 물 등)가 흐르게 하여 태양전지의 온도를 하강시킨다. 집광비가 높을수록 태양전지의 온도가 높아지며 따라서 냉각시키는 매체의 온도도 동일한 유속일 경우 상승한다. 이와 같이 가열된 온도의 냉각매체는 난방 또는 뜨거운 온수를 미리 가열하는 수단으로 사용되거나 또는 직접 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 태양전지가 고온으로 가열될 때 태양광 발전의 효율이 상당히 떨어지기 때문에 태양전지의 효율을 충분히 증가시킬 수 없는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여 한국등록특허공보 제10-0252687호(이하, ‘선행기술 1’이라 함)에서는 “태양광을 장파장과 단파장으로 분리함에 의해서 발전 및 가열을 하기 위한 혼성 태양광 집광기”가 제안되었다. 상기 선행기술 1의 혼성 집광기에서, 태양광은 두 부분으로 분리되는데, 그 중의 하나는 태양전지에 의해서 전기를 발생시키기에 적절한 파장(주로 가시영역 및 가시영역보다 짧은 파장 혹은 바람직하게는 9000Å 보다 짧은 파장, 이하, ‘단파장광’이라 함)이고, 다른 하나는 가열에 적절한 파장(적외선광, 이하, ‘장파장광’이라 함)이다.
상기 선행기술 1의 혼성 집광기는 태양광을 장파장광과 단파장광으로 분리하기 위한 분리 장치로서, 단파장광을 반사하고 장파장광을 투과하는 반투과 거울이 사용된다. 상기 혼성 집광기는 태양광에서의 단파장을 반사하고 집광하며 태양광의 장파장광을 투과시키기 위한 제1 반사집광 거울과, 상기 제1 반사집광 거울에 의해서 반사되고 집광된 단파장광의 집광지점에 배치된 태양전지와, 투과된 장파장광을 반사하고 집광하기 위한 제2 반사집광 거울과, 상기 제2 반사집광 거울에 의해서 반사되고 집광된 장파장광의 집광지점에 배치된 흡열관을 구비하며, 상기 태양전지, 상기 제1 반사집광 거울, 상기 흡열관 및 제2 반사집광 거울이 상기 순서로 태양으로부터 멀어지는 방향으로 배열된다.
그러나 상술한 바와 같이, 상기 선행기술 1의 혼성 집광기는 태양전지의 온도를 낮추기 위하여 입사되는 태양광을 장파장과 단파장으로 나누기 위한 추가적인 구성요소들과 이들을 위한 부가적인 구조가 새롭게 준비되어야 하는 문제뿐만 아니라, 태양전지가 고온으로 가열되는 경우에 감소하게 되는 효율을 복구하는 것일 뿐 실질적인 태양광 발전 효율의 증가는 얻을 수 없는 한계가 있다.
한편, PCT 국제출원공개공보 제2003/034506호(이하, ‘선행기술 2’이라 함)에는 높은 가변율과, 설치, 유지 및 제어의 보급이 개선된 소형 태양전지 설비와, 제조 및 원금회수에 대하여 향상된 경제성을 제공할 수 있는 “태양 전기 발전기”가 개시되어 있다. 상기 선행기술 2의 태양 전기 발전기는, 높은 집적도(예로서, 약 400개)로 광학 초점이 맞춰지고, 통합 수냉각 방식에 의해 고효율로 유지되는 집광된 태양 광전기 변환이 사용된다.
그러나 상기 선행기술 2의 태양 전기 발전기는 증가하는 온도에 반비례하여 태양전지의 발전 효율이 감소하는 문제점을 줄이기 위하여 수냉식 냉각기를 사용하므로, 수냉식 냉각기를 위한 복잡한 구조를 부가적으로 구비하여야 하는 문제점이 있다. 특히, 상기 선행기술2의 태양 전지 발전기에 사용되는 수냉식 냉각기는 상기 태양 전지 발전기가 태양의 고도 변화에 따라 축선을 중심으로 회전하도록 설계되어 있으므로, 상기 태양 전지 발전기가 회전하는 중에도 수냉식 냉각기의 기능을 충실히 수행할 수 있도록 추가적인 구조를 고려하여야 하는 문제점이 있다.
또한, 입체형 집광기를 사용할 경우, 출사면(수광면)을 통해 태양전지에 전달되는 집광된 에너지의 분포가 불균일하여 태양광 발전 효율을 저하시키는 문제점도 해결해야 할 과제이다. 태양열 이용 장치에서도 흡열면에 분포되는 태양에너지가 균일할수록 흡열효율이 높아진다.
집광기는 일정한 면적(개구면)에 입사하는 태양에너지가 보다 작은 면적의 출구면(수광면 또는 흡열면)에 농축된 밀도의 동일한 양의 에너지를 조사시켜 태양전지의 출력 또는 효율을 높이거나 고온의 열에너지를 생성하는 광학장치(렌즈 또는 반사경)로 구성된다. 집광기의 개구면과 출구면과의 비율을 기하학적 집속비(C)로 정의하면, 개구면에 입사하는 광선이 모두(100%) 출구면에 도달하는 입사각의 한계를 입사한계각(± θc)이라 칭한다. 그러나 집광기에서 출구면에 도달하는 에너지의 분포가 균일하지 못하여(M자 또는 δ-함수 모형) 특히 태양전지 장치에 응용하기에는 한계가 있다.
즉, 태양전지는 수광된 에너지의 분포에 따라 효율(Fill Factor)이 변하며, 균일한 분포인 경우 최대의 출력을 나타내므로, 에너지 균일화가 매우 중요하다. 국부적인 조사(Hot spot)는 역류현상이 나타남으로써 태양전지를 파손시키거나 또는 수명을 단축시킨다.
전술한 바와 같이, 태양광 발전을 위한 많은 연구와 선행된 기술들이 있으나, 대부분의 기술들이 태양전지의 구조, 태양열 집열판의 구조, 태양 위치 추적을 위한 트래킹 시스템 등에 편중되어 있으므로, 일단 집광기를 통해 입사된 태양광이 손실 없이 최대의 효율로 태양전지에 전달되도록 태양전지에 도달하는 에너지를 균일하게 분포시켜 태양광 발전 효율을 높이기 위한 방안이 요구된다.
아울러, 태양전지의 온도를 낮추기 위해 종전에 사용되는 공랭식 또는 수냉식 냉각수단의 구조가 복잡하고 설치가 까다로우므로, 설치와 조작이 간편하고 태양전지의 온도를 효율적으로 낮추어 태양광 발전 효율을 높일 수 있는 방안이 요구된다.
한편, 태양광 발전 시스템과 결합된 장치의 일예로 발광다이오드(LED: Lighting Emitting Diode, 이하 'LED'라 칭하기로 함) 조명 장치가 대표적이며, 이러한 LED 가로등은 태양광이 존재하는 주간에는 태양광 발전 시스템이 태양광 발전을 수행하여 전기 에너지를 충전하고, 야간에는 태양광 발전 시스템이 발전한 전기 에너지를 이용하여 빛을 조사한다.
그러나, 이러한 일반적인 태양광 발전 시스템과 결합된 장치들은, 태양광 발전 시스템이 태양광 발전을 수행하여 전기 에너지를 충전하고, 상기 충전한 전기 에너지를 이용할 뿐, 실질적으로 태양광 발전 시스템과 동시에 태양광을 이용하는 장치들이 제안되지 않았다. 다시 말해, 태양광 발전 시스템과 상호 독립적인 상태에서 태양광은 태양광 발전 시스템의 태양광 발전에만 이용될 뿐, 태양광 발전 시스템과 상호 유기적으로 태양광을 이용할 수 있는 구체적인 장치가 제안되지 않았으며, 아울러, 친환경적이고 무한한 태양광의 이용을 극대화할 수 있는 장치가 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은 집광된 태양에너지에서 태양열을 차단하고 태양광을 균일하게 분포시킴으로써, 태양광 발전 효율을 높일 수 있는 태양광 집광 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 집광된 태양에너지에서 태양열을 차단하고 태양광을 균일하게 분포시켜 태양광 발전 효율을 높일 수 있는 열차단 및 광안정 구조를 패키지화함으로써, 구조가 간단하고 설치 및 조작이 간편한 태양광 집광 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 집광된 태양광을 손실 없이 태양전지에 균일하게 조사함으로써 태양광 발전 효율을 최대화할 수 있는 태양광 집광 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 태양광 발전 시스템과 유기적으로 태양광을 이용하여 채광하는 채광 장치의 채광효율을 높일 수 있는 태양광 집광 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 입사되는 태양광의 광량에 따라 태양광의 이용 효율을 극대화하여 친환경적이고 무한한 태양광의 이용 효율을 향상시키는 태양광 발전 시스템을 이용한 채광 장치의 채광효율을 높일 수 있는 태양광 집광 장치를 제공하는데 있다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 태양광 발전 시스템과 유기적으로 태양광을 이용함에 따라 태양광 발전 시스템의 이용 효율 및 경제성을 보다 향상시키는 태양광 발전 시스템을 이용하는 채광 장치를 위한 태양광 집광 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 집광 장치는, 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지와, 상기 태양전지에 상기 태양광을 집광하는 렌즈와, 상기 렌즈로부터 집광된 상기 태양광을 전반사하여 하면을 통해 상기 태양전지에 조사하는 라이트 파이프를 구비하는 태양광 집광 장치에 있어서, 상기 라이트 파이프의 상면에 결합되어, 태양광으로부터 열에너지를 차단하고, 상기 집광된 태양광을 통과시키는 열차단 필터; 상기 라이트 파이프의 하면과 결합되어, 상기 라이트 파이프에서 출사된 태양광의 광에너지를 상기 태양전지에 균일하게 분포시키는 광안정 필터; 및 상기 광안정 필터와 상기 태양전지 사이에 위치하여, 상기 광안정 필터로부터 출사되는 태양광을 상기 태양전지에 집광하는 보조 집광렌즈;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 태양광 집광 장치를 제공한다.
이때, 상기 라이트 파이프는, 상기 상면보다 상기 하면의 직경이 더 큰 형태를 가짐을 특징으로 하며, 상기 광안정 필터는, 상기 라이트 파이프에서 출사된 태양광의 횡파와 종파의 비율을 균일하게 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보조 집광렌즈는, 상기 광안정 필터의 하면과 결합되어, 상기 광안정 필터로부터 출사되는 모든 태양광이 상기 태양전지에 조사되도록 상기 태양광을 소정 초점거리로 집광시키는 볼록렌즈임을 특징으로 한다.
또는, 상기 보조 집광렌즈는, 상기 광안정 필터의 하면과 결합되어, 상기 광안정 필터로부터 출사되어 상기 태양전지에 조사되는 태양광이 상기 태양전지의 일부에 조사되도록 소정 초점거리를 갖는 볼록렌즈를 중앙부에 형성하고, 상기 태양전지의 외부로 조사되는 태양광이 상기 태양전지의 나머지 부분에 조사되도록 상기 볼록렌즈에 외접하여 상기 초점거리와 다른 초점거리를 갖는 오복렌즈를 형성한 다중렌즈임을 특징으로 한다.
또는, 상기 보조 집광렌즈는, 상기 태양전지에 외접되어, 상기 태양전지의 외부로 조사되는 태양광을 반사시키는 오목거울과, 상기 광안정 필터의 하면과 결합되어, 상기 광안정 필터로부터 출사되어 상기 태양전지에 조사되는 태양광이 상기 태양전지의 일부에 조사되도록 소정 초점거리를 갖는 볼록렌즈를 중앙부에 형성하고, 상기 볼록렌즈에 외접하여 상기 광안정 필터로부터 출사되는 태양광은 통과시키고 상기 오목거울로부터 반사된 태양광은 상기 태양전지의 나머지 부분에 조사되도록 반사시키는 이중거울을 형성한 혼합렌즈임을 특징으로 한다.
또는, 상기 보조 집광렌즈는, 상기 태양전지에 외접되어, 상기 태양전지의 외부로 조사되는 태양광을 반사시키는 오목거울과, 상기 광안정 필터의 하면과 결합되어, 상기 광안정 필터로부터 출사되는 태양광은 통과시키고, 상기 오목거울로부터 반사되어 입사되는 태양광은 상기 태양전지에 조사되도록 반사시키는 이중거울임을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 태양광 발전 시스템에서 집광된 태양에너지에서 태양열을 차단함으로써 태양전지의 발전 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 태양광 발전 시스템에서 집광된 태양에너지에서 태양열을 차단하여 태양전지의 온도를 효율적으로 낮춤으로써 태양전지의 냉각장치와 대비하여 그 구조가 간단하고 설치와 조작이 간편한 장점이 있다. 이에 따라 제조비용을 줄일 수 있으며 유지 및 보수가 용이한 이점이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 태양광 발전 시스템에서 집광된 태양에너지를 태양전지에 균일하게 분포시킴으로써 태양광 발전 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 집광된 태양에너지에서 태양열을 차단하고 태양광을 균일하게 분포시켜 태양광 발전 효율을 높일 수 있는 열차단 및 광안정 구조를 패키지화할 수 있는 이점이 있다. 이에 따라, 태양광 발전 시스템의 효율을 안정적이고 균일하게 유지할 수 있으며, 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다.
뿐만 아니라, 열차단 및 광안정의 효과를 달성하기 위한 구조가 간단하여 제조비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 집광된 태양광을 손실 없이 태양전지에 균일하게 조사함으로써 태양광 발전 효율을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 입사되는 태양광의 광량에 따라 태양광의 이용 효율을 극대화하여 친환경적이고 무한한 태양광의 이용 효율을 향상시키며, 태양광 발전 시스템의 이용 효율 및 경제성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 태양광을 이용한 태양광 발전 및 실내에 자연 채광을 동시에 수행함으로써, 태양광의 낭비없이 태양광을 최대한 이용하며, 실내에 친환경적인 자연 채광을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치를 적용한 태양열 발전 시스템의 단면도,
도 2는 태양광의 내부반사 경로를 도시한 본 발명의 실시예에 따른 열차단 및 광안정 패키지의 측단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제 1 집광수단이 구비된 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치의 측단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제 2 집광수단이 구비된 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치의 측단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제 3 집광수단이 구비된 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치의 측단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제 4 집광수단이 구비된 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치의 측단면도.
도 2는 태양광의 내부반사 경로를 도시한 본 발명의 실시예에 따른 열차단 및 광안정 패키지의 측단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제 1 집광수단이 구비된 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치의 측단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제 2 집광수단이 구비된 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치의 측단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제 3 집광수단이 구비된 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치의 측단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제 4 집광수단이 구비된 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치의 측단면도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 태양광 발전 시스템에서 집광된 태양에너지에서 태양열을 차단함으로써 태양광 발전 효율을 높이기 위하여, 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지와 상기 태양전지에 상기 태양광을 집광하는 렌즈를 구비하는 태양광 발전 시스템에 있어서, 상기 렌즈로부터 집광된 태양광으로부터 열에너지를 차단하고, 상기 집광된 태양광을 통과시키는 열차단 필터를 라이트 파이프의 상면에 결합시킨다.
또한, 본 발명은 태양광 발전 시스템에서 집광된 태양광을 태양전지에 균일하게 분포시킴으로써 태양광 발전 효율을 높이기 위하여, 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지와 상기 태양전지에 상기 태양광을 집광하는 렌즈를 구비하는 태양광 발전 시스템에 있어서, 상기 라이트 파이프에서 출사된 태양광의 광에너지를 균일하게 분포시키는 광안정 필터를 상기 라이트 파이프의 하면과 광학적으로 결합시킨다.
또한, 본 발명은 집광된 태양에너지에서 태양열을 차단하고 태양광을 균일하게 분포시켜 태양광 발전 효율을 높이기 위하여, 상기 열차단 필터에 의해 구현되는 열차단 구조와, 상기 광안정 필터에 의해 구현되는 광안정 구조를 상기 라이트 파이프와 패키지화함으로써 구조가 간단하고 설치 및 조작이 간편한 태양광 집광 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 집광된 태양광을 손실 없이 태양전지에 균일하게 조사함으로써 태양광 발전 효율을 최대화하기 위하여, 상기 열차단 필터에 의해 구현되는 열차단 구조와, 상기 광안정 필터에 의해 구현되는 광안정 구조 및 렌즈 및 거울에 의하여 집광하는 구조를 패키지화함으로써 구조가 간단하고 설치 및 조작이 간편하며, 집광효율이 최대로 향상된 태양광 집광 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 태양광 발전 시스템을 이용한 채광 시스템에 있어서, 태양광 발전 시스템과 채광 장치가 태양광을 유기적으로 이용하도록 태양광을 집광하고, 집광된 태양광의 광량에 따라 태양광을 이용한 태양광 발전 및 채광을 동시에 수행할 수 있도록 태양광을 효율적으로 집광할 수 있는 태양광 집광 장치를 제공한다.
여기서, 상기 ‘라이트 파이프(Light Pipe)’는 시간 간격에 따라 발생하는 목적치로부터 입사각의 작은 편향을 보정하기 위하여 사용된다. 좀 더 일반적으로 말하면, 라이트 파이프는 광학적 복사(방사)에 대하여 서로 다른 환경들의 혼재를 허용하지 않으면서 하나의 환경에서 다른 하나의 환경으로 전달하는데 사용된다. 라이트 파이프는 물질, 전송, 분광, 파면왜곡 및 임의의 환경에 대한 저항을 고려하여 선택된다.
라이트 파이프는 전반사각 조건을 만들어 내부반사에 의하여 입사된 태양광선들을 혼합하고 혼합된 태양광선들을 연결된 태양전지에 충돌시킨다. 이런 방식은 광선원뿔의 입사방향이 목적방향으로부터 상당한 각도만큼 이탈되더라도 전체적인 방사흐름이 태양전지에 도달할 수 있도록 하는 것으로, ‘라이트 가이드(Light Guide)', '빔 균질기(Beam Homogenizer)', 윈도우(Window) 등으로도 불린다. 후술할 본 발명의 실시예에서 도면과 함께 상세히 언급되는 라이트 파이프는, 정방형의 수평단면을 가지며 상면보다 하면의 직경이 더 큰 형태를 가지나, 직육면체 또는 원기둥 형태를 가질 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 발전 시스템에 적용된 열차단 및 광안정 패키지 형태의 태양광 집광 장치를 상세히 설명한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치를 적용한 태양열 발전 시스템의 단면도로서, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 태양광 집광 장치가 적용된 태양열 발전 시스템은 집광렌즈(110)를 통해 태양광을 상기 집광기(10)의 내부에 위치한 열차단 및 광안정 패키지(120)에 집광시키고, 상기 열차단 및 광안정 패키지(120)는 내부반사를 통해 입사된 태양광을 전반사시켜 태양전지(130)에 충돌시킨다. 추가적으로, 상기 태양전지(130)의 하부에는 승온되는 태양전지(130)를 냉각하기 위한 냉각부(140)가 형성될 수 있다. 상기 냉각부(140)는 상기 태양전지(130)의 승온을 외부로 방출할 수 있도록 대기와 접촉되는 면적을 최대화하는 형태로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 냉각부(140)로 상기 태양전지(130)의 승온을 더욱 효율적으로 전달하기 위하여 상기 냉각부(140)와 상기 태양전지(130)의 사이에 흡열판(미도시함)을 추가적으로 구비할 수 있다.
도 2는 태양광의 내부반사 경로를 도시한 본 발명의 실시예에 따른 열차단 및 광안정 패키지의 측단면도로서, 도시된 바와 같이 상기 열차단 및 광안정 패키지(120)는 상기 집광렌즈(110)로부터 집광된 태양광으로부터 열에너지를 차단하고 상기 집광된 태양광을 통과시키는 열차단 필터(122)와, 상기 열차단 필터(122)와 광학적으로 결합된 상면(입사면)을 통해 입사된 상기 태양광을 전반사하여 하면(출사면)을 통해 상기 태양전지(130)에 조사하는 라이트 파이프(124) 및 상기 라이트 파이프(124)의 출사면과 광학적으로 결합되어, 상기 라이트 파이프(124)에서 출사된 태양광의 광에너지를 상기 태양전지(130)에 균일하게 분포시키는 광안정 필터(126)로 구성된다. 상기 광안정 필터(126)는 상기 집광렌즈(110)로부터 집광되는 태양광이 갖는 광에너지의 가우시안 분포 특성을 안정적이고 일정한 정방형 분포 특성을 갖도록 변환시킴으로서, 입사광의 초과 플럭스 밀도(Excess flux density)로 인한 상기 태양전지(130)의 열응력(Thermal Stress)의 발생 및 파괴를 방지한다.
상기 열차단 필터(122) 및 상기 광안정 필터(126)와 상기 라이트 파이프(124)의 광학적 결합은 접착경계를 통과하는 태양광의 특성이 서로 다른 구성요소의 접착에 의해 변경되지 않는 결합을 말한다. 상기 열차단 필터(122)는 상기 라이트 파이프(124)의 입사면에 핫미러(Hot mirror) 물질을 코팅 또는 증착함으로써 형성되어 상기 라이트 파이프(124)와 광학적 결합을 이룰 수 있으며, 상기 광안정 필터(126)는 상기 라이트 파이프(124)에서 출사된 태양광의 횡파와 종파의 비율을 균일하게 변화시키는 물질을 상기 라이트 파이프(124)의 출사면에 코팅 또는 증착함으로써 형성된다.
상기 집광렌즈(110)를 통해 입사되는 태양광은 가능한 한 작은 초점 영역을 이루며 상기 열차단 필터(122)가 형성된 상기 라이트 파이프(124)의 입사면을 통해 입사된다. 상기 집광렌즈(110)는 태양광을 약 8000suns의 집광도로 집광시키며, 상기 라이트 파이프(124)의 입사면에 형성하는 초점영역은 수 밀리미터 정도의 크기이다. 상기 라이트 파이프(124)는 입사면에 원형점(초점)을 형성하는 고비균등 집광 태양 복사 플럭스의 사각 출구면 무손실 재분배 및 무손실 편광을 제공한다. 상기 라이트 파이프(124)의 출구면은 상기 태양전지(130)보다 약 30% 더 넓은 면적을 갖는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 상기 열차단 필터(122), 상기 라이트 파이프(124) 및 상기 광안정 필터(126)가 광학적 결합에 의해 결합된 열차단 및 열안정 패키지(120)를 이용한 태양광 집광 장치를 태양열 발전 시스템에 적용함으로써, 제조, 설치 및 조작이 간단하고 유지 및 보수가 간편한 고효율 태양열 발전 시스템을 제공한다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 라이트 파이프(124)의 입사면에 초점영역을 형성하며 입사되는 태양광은 상기 열차단 필터(122)에서 대부분의 열에너지가 차단된 전자 흐름을 갖는다. 상기 열차단 필터(122)를 통과한 태양광은 상기 라이트 파이프(124)의 내부에서 전반사되어 출사면을 통해 출사면에 광학적으로 결합된 광안정 필터(126)을 통과하여 상기 태양전지(130)에 충돌한다. 도 3의 점선은 상기 라이트 파이프(124)의 내부에서 전반사되어 출사되는 반사광(L2)을 나타낸 것이고, 실선은 상기 라이트 파이프(124)의 내부에서 반사 없이 출사되는 직사광(L1)을 나타낸 것이다.
상기 라이트 파이프(124)에 입사되는 태양광은 일반적으로 평행 단색광(Parallel Monochromatic Rays)으로서, 자연광과 같이 편광되어 있지 않은 빛이 다른 매질의 경계면에서 반사 또는 복굴절 매질을 투과하는 경우에 편광될 수 있다. 즉, 상기 라이트 파이프(124)에 입사되는 태양광은 내부반사를 통해 편광된다. 편광되어 있지 않은 빛이 굴절률 n1인 매질에서 굴절률 n2인 매질로 입사하는 경우에 입사각이 브루스터각(θB: Brewster’s angle)이 되면 반사된 빛은 편광된다. 브루스터각을 편광각이라고도 한다. 편광각을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
θB = tan-1 n2/n1
반사된 빛은 직선편광이 되고, 편광의 방향은 두 매질의 경계면에 평행한 방향이 된다. 하지만 경계면에 평행인 방향은 무수히 많으므로 일반적으로는 입사면을 기준으로 편광의 방향을 말한다. 입사광과 반사광의 진행경로를 포함하면서 경계면에 수직인 평면을 입사면(Plane of incidence)라고 하는데 브루스터각으로 입사하여 반사된 빛은 경계면에 평행한 방향 중에서 입사면에 수직인 방향으로 편광된다. 라이트 파이프(124)는 광파이프를 이루는 매질과 대기의 굴절률의 차이에 의해 입사면으로 입사된 태양광이 라이트 파이프(124) 내부에서 전반사되어 출사면으로 모두 출사된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반사광(L2)은 상기 라이트 파이프(124)의 내부반사로 인해 편광된 것으로서 S편광과 P편광이 대략 80:20의 비율로 이루어진다. 이러한 태양광의 고르지 못한 편광비율은 상기 태양전지(130)에 입사되는 입사광의 초과 플럭스 밀도(Excess flux density)를 유발함으로써 상기 태양전지(130)의 열응력(Thermal Stress)을 발생시키고 심한 경우 태양전지(130)가 파괴될 수 있다. 따라서 상기 광안정 필터(126)는 상기 라이트 파이프(124)의 출사면을 통해 출사되는 태양광의 편광비율을 50:50의 비율로 필터링함으로써 상기 태양전지(130)에 균질한 태양광이 충돌하도록 한다. 이에 따라 상기 태양전지(130)의 광전변환 효율이 0.75W에서 4.0W로 향상된다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 집광수단들을 부가적으로 구비한 열차단 및 광안정 장치를 포함하는 태양광 집광 장치에서, 태양전지에 태양광을 최대로 집광하기 위한 집광방법을 상세히 설명한다. 도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제 1 내지 제 4 집광수단이 구비된 열차단 및 광안정 패키지를 포함하는 태양광 집광 장치의 측단면도를 보인 것이다.
먼저, 도 3은 상기 열차단 필터(122)의 상면에 제1보조렌즈(150)를 추가로 구비하여 추가적으로 집광효율을 향상시킴과 아울러, 상기 광안정 필터(124)의 하면에 제2보조렌즈(160)를 추가로 구비하여 상기 태양전지(130)의 태양광 입사면적의 한계로 인하여 손실되던 태양광을 모두 상기 태양전지(130)에 조사되도록 한다. 상기 제2보조렌즈(160)는 볼록렌즈의 형태로 구현됨이 바람직하다.
이에 따라, 상기 라이트 파이프(124)를 통해 전달되는 집광된 태양광을 상기 태양전지(130)에 모두 입사되도록 함으로써 태양광 발전효율을 최대화할 수 있다.
도 4는 상기 열차단 필터(122)의 상면에 제1보조렌즈(150)를 추가로 구비하여 추가적으로 집광효율을 향상시킴과 아울러, 상기 광안정 필터(124)의 하면에 제3보조렌즈(170)를 추가로 구비하여 상기 태양전지(130)의 태양광 입사면적의 한계로 인하여 손실되던 태양광을 모두 상기 태양전지(130)에 조사되도록 한다. 상기 제3보조렌즈(170)는 중앙에는 볼록렌즈와 상기 볼록렌즈와 외접하여 형성되는 오목렌즈로 이루어진 다중렌즈이다. 상기 다중렌즈의 볼록렌즈는 상기 광안정 필터(126)로부터 출사되어 상기 태양전지(130)에 조사되는 태양광이 상기 태양전지(130)의 일부에 고르게 조사되도록 제1초점거리를 가지며, 상기 볼록렌즈와 외접하는 오목렌즈는 상기 태양전지(130)의 외부로 조사되는 태양광이 상기 태양전지(130)의 나머지 부분에 상기 볼록렌즈에 의한 조사와 고르게 조사되도록 제2초점거리를 갖는다.
이에 따라, 상기 라이트 파이프(124)를 통해 전달되는 집광된 태양광을 상기 태양전지(130)에 모두 입사되도록 함으로써 태양광 발전효율을 최대화할 수 있다.
도 5는 상기 열차단 필터(122)의 상면에 제1보조렌즈(150)를 추가로 구비하여 추가적으로 집광효율을 향상시킴과 아울러, 상기 광안정 필터(124)의 하면에 제4보조렌즈(182)와 상기 태양전지(130)에 외접하는 반사거울들(184, 186)을 포함하는 집광광학부(180)를 추가로 구비하여 상기 태양전지(130)의 태양광 입사면적의 한계로 인하여 손실되던 태양광을 모두 상기 태양전지(130)에 조사되도록 한다. 상기 제4보조렌즈(182)는 중앙에는 볼록렌즈와 상기 볼록렌즈와 외접하여 형성되는 오목이중거울로 이루어진 혼합렌즈이다. 상기 혼합렌즈의 볼록렌즈는 상기 광안정 필터(126)로부터 출사되어 상기 태양전지(130)에 조사되는 태양광이 상기 태양전지(130)의 일부에 고르게 조사되도록 제1초점거리를 가지며, 상기 볼록렌즈와 외접하는 오목이중거울은 상기 광안정 필터(126)로부터 출사되는 태양광은 통과시키고 상기 반사거울들(184, 186)로부터 반사된 태양광은 상기 태양전지(130)의 나머지 부분에 조사되도록 반사시킨다. 상기 오목이중거울의 반사면은 반사되는 태양광이 상기 태양전지(130)의 나머지 부분에 상기 볼록렌즈에 의한 조사와 고르게 조사되도록 제2초점거리를 갖는다.
이에 따라, 상기 라이트 파이프(124)를 통해 전달되는 집광된 태양광을 상기 태양전지(130)에 모두 입사되도록 함으로써 태양광 발전효율을 최대화할 수 있다.
도 6은 상기 열차단 필터(122)의 상면에 제1보조렌즈(150)를 추가로 구비하여 추가적으로 집광효율을 향상시킴과 아울러, 상기 광안정 필터(124)의 하면에 제5보조렌즈(192)와 상기 태양전지(130)에 외접하는 반사거울들(194, 196)을 포함하는 집광광학부(190)를 추가로 구비하여 상기 태양전지(130)의 태양광 입사면적의 한계로 인하여 손실되던 태양광을 모두 상기 태양전지(130)에 조사되도록 한다. 상기 제5보조렌즈(192)는 오목이중거울로서, 상기 광안정 필터(126)로부터 출사되는 태양광은 통과시키고, 상기 반사거울들(194, 196)로부터 반사되어 입사되는 태양광은 상기 태양전지(130)에 조사되도록 반사시킨다.
이에 따라, 상기 라이트 파이프(124)를 통해 전달되는 집광된 태양광을 상기 태양전지(130)에 모두 입사되도록 함으로써 태양광 발전효율을 최대화할 수 있다.
상술한 도 3 내지 도 6의 다양한 실시예들에서 상기 열차단 필터(122)의 상면에 추가적인 집광효율을 향상시키기 위해 추가로 구비되는 제1보조렌즈(150)는 상기 집광렌즈(110)의 집광비에 따라 생략가능하다.
또한, 본 발명에 따른 태양광 집광 장치의 다른 적용예로서, 본 발명의 태양광 집광 장치는 태양광 채광 시스템에 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 집광 장치는 태양광 발전 시스템을 비롯한 태양광 채광 시스템과 같은 다양한 실시예들로부터 집광된 태양광을 손실 없이 태양전지 또는 채광부에 균일하게 조사함으로써 태양광의 집광효율을 높여 태양전지의 발전효율 및 채광시스템의 채광효율을 최대로 향상시킨다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.
Claims (7)
- 삭제
- 삭제
- 태양광을 집광하는 집광렌즈와, 상기 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지와, 상기 집광렌즈로부터 집광된 상기 태양광을 전반사하여 하면을 통해 상기 태양전지에 조사하는 라이트 파이프와, 상기 라이트 파이프의 상면에 결합되어, 태양광으로부터 열에너지를 차단하고, 상기 집광된 태양광을 통과시키는 열차단 필터와, 상기 라이트 파이프의 하면과 결합되어, 상기 라이트 파이프에서 출사된 태양광의 광에너지를 상기 태양전지에 균일하게 분포시키는 광안정 필터를 구비하는 태양광 집광 장치에 있어서,
상기 광안정 필터와 상기 태양전지 사이에 위치하여, 상기 광안정 필터로부터 출사되는 모든 태양광이 상기 태양전지에 조사되도록 상기 태양광을 소정 초점거리로 집광시키는 볼록렌즈를 보조 집광렌즈;로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
- 태양광을 집광하는 집광렌즈와, 상기 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지와, 상기 집광렌즈로부터 집광된 상기 태양광을 전반사하여 하면을 통해 상기 태양전지에 조사하는 라이트 파이프와, 상기 라이트 파이프의 상면에 결합되어, 태양광으로부터 열에너지를 차단하고, 상기 집광된 태양광을 통과시키는 열차단 필터와, 상기 라이트 파이프의 하면과 결합되어, 상기 라이트 파이프에서 출사된 태양광의 광에너지를 상기 태양전지에 균일하게 분포시키는 광안정 필터를 구비하는 태양광 집광 장치에 있어서,
상기 광안정 필터와 상기 태양전지 사이에 위치하여, 상기 광안정 필터로부터 출사되는 모든 태양광이 상기 태양전지에 조사되도록 상기 태양광을 소정 초점거리로 집광시키는 보조 집광렌즈;를 더 구비하되, 상기 보조 집광렌즈는,
상기 광안정 필터와 상기 태양전지 사이에 위치하여, 상기 광안정 필터로부터 출사되어 상기 태양전지에 조사되는 태양광이 상기 태양전지의 일부에 조사되도록 소정 초점거리를 갖는 볼록렌즈를 중앙부에 형성하고, 상기 태양전지의 외부로 조사되는 태양광이 상기 태양전지의 나머지 부분에 조사되도록 상기 볼록렌즈에 외접하여 상기 초점거리와 다른 초점거리를 갖는 오복렌즈를 형성한 다중렌즈 인 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
- 태양광을 집광하는 집광렌즈와, 상기 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지와, 상기 집광렌즈로부터 집광된 상기 태양광을 전반사하여 하면을 통해 상기 태양전지에 조사하는 라이트 파이프와, 상기 라이트 파이프의 상면에 결합되어, 태양광으로부터 열에너지를 차단하고, 상기 집광된 태양광을 통과시키는 열차단 필터와, 상기 라이트 파이프의 하면과 결합되어, 상기 라이트 파이프에서 출사된 태양광의 광에너지를 상기 태양전지에 균일하게 분포시키는 광안정 필터를 구비하는 태양광 집광 장치에 있어서,
상기 광안정 필터와 상기 태양전지 사이에 위치하여, 상기 광안정 필터로부터 출사되는 모든 태양광이 상기 태양전지에 조사되도록 상기 태양광을 소정 초점거리로 집광시키는 보조 집광렌즈;를 더 구비하되, 상기 보조 집광렌즈는,
상기 태양전지에 외접하여 상기 태양전지의 외부로 조사되는 태양광을 반사시키는 오목거울 및
상기 광안정 필터와 상기 태양전지의 사이에 위치하여 상기 광안정 필터로부터 출사되어 상기 태양전지에 조사되는 태양광이 상기 태양전지에 조사되도록 소정 초점거리를 갖는 볼록렌즈를 중앙부에 형성하고, 상기 볼록렌즈에 외접하여 상기 광안정 필터로부터 출사되는 태양광은 통과시키고 상기 오목거울로부터 반사된 태양광은 상기 태양전지에 조사되도록 반사시키는 이중거울을 형성한 혼합렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
- 태양광을 집광하는 집광렌즈와, 상기 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지와, 상기 집광렌즈로부터 집광된 상기 태양광을 전반사하여 하면을 통해 상기 태양전지에 조사하는 라이트 파이프와, 상기 라이트 파이프의 상면에 결합되어, 태양광으로부터 열에너지를 차단하고, 상기 집광된 태양광을 통과시키는 열차단 필터와, 상기 라이트 파이프의 하면과 결합되어, 상기 라이트 파이프에서 출사된 태양광의 광에너지를 상기 태양전지에 균일하게 분포시키는 광안정 필터를 구비하는 태양광 집광 장치에 있어서,
상기 광안정 필터와 상기 태양전지 사이에 위치하여, 상기 광안정 필터로부터 출사되는 모든 태양광이 상기 태양전지에 조사되도록 상기 태양광을 소정 초점거리로 집광시키는 보조 집광렌즈;를 더 구비하되, 상기 보조 집광렌즈는,
상기 태양전지에 외접하여 상기 태양전지의 외부로 조사되는 태양광을 반사시키는 오목거울 및
상기 광안정 필터와 상기 태양전지의 사이에 위치하여 상기 광안정 필터로부터 출사되는 태양광은 통과시키고, 상기 오목거울로부터 반사되어 입사되는 태양광은 상기 태양전지에 조사되도록 반사시키는 이중거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
- 제 3항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집광렌즈와 상기 열차단 필터 사이에 위치하여, 상기 집광렌즈로부터 집광되는 태양광을 추가로 집광시키는 2차 집광렌즈;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
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