KR101189668B1

KR101189668B1 - 고효율의 집광 패널 및 이를 포함하는 집광형 태양광 발전 모듈

Info

Publication number: KR101189668B1
Application number: KR1020110001650A
Authority: KR
Inventors: 김성빈
Original assignee: (주)애니캐스팅
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2012-10-10
Also published as: KR20120080291A

Abstract

태양광 집광형 발전 모듈이 개시된다. 상기 태양광 집광형 발전 모듈은, 태양전지와; 상기 태양전지 측으로 태양광을 광 가이드 방식으로 유도하는 집광 패널을 포함하며, 상기 집광 패널은 다수의 나노 패턴이 형성된 파장 분리면을 포함한다. 상기 다수의 나노 패턴은 폭과 간격이 모두 1000nm 미만으로 정해지며, 상기 다수의 나노 패턴에 의해 가시광을 포함하는 특정 파장 범위의 광이 회절되어 상기 집광 패널 내에 트랩된다.

Description

고효율의 집광 패널 및 이를 포함하는 집광형 태양광 발전 모듈{HIGH EFFICIENCY LIGHT CONCENTRATING PANNEL AND CONCENTRATING TYPE PHOTO VOLATIC MODULE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 집광형 태양광 발전 모듈에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 유용한 파장 범위의 광을 모아 태양전지로 유도하는데 적합한 고효율의 집광 패널 및 이를 이용하는 집광형 태양광 발전 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 태양광 발전 모듈은 태양전지(solar cell)를 이용하여 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 태양전지는 크게 실리콘 반도체를 재료로 사용하는 것과 화합물 반도체를 재료로 사용하는 하는 것으로 나눌 수 있다.

실리콘 반도체 태양전지는 최근까지도 가장 많이 이용되고 있지만, 단속적이고 복잡한 공정을 거쳐 제조되므로 경제성이 떨어지고 효율 향상에 있어서도 한계에 다다른 것으로 알려져 있다.

기존 실리콘 반도체 태양전지의 대안으로 셀 크기를 크게 줄인 III-V족 화합물 반도체를 재료로 하는 태양전지가 개발되었다. III-V족 화합물 반도체 태양전지를 이용하는 태양광 발전 모듈은 태양광을 작은 크기의 태양전지로 모으기 위해 집광수단을 필요로 한다. 통상의 태양광 발전 모듈은 프레넬 렌즈와 같은 렌즈를 집광수단으로 이용하며, 태양전지는 렌즈를 통과한 광이 집중되는 위치에 배치된다.

그러나, 위와 같은 태양광 발전 모듈은 시간 또는 계절의 변화에 따라 렌즈를 통과하는 태양광 양의 차이가 너무 많고, 대부분의 시간대에서, 태양광을 활용할 수 없다는 문제점이 있다. 이러한 문제점의 해결책으로 태양을 추적하여 효율을 높이기 위한 추적 시스템(tracking system)이 추가로 이용되지만, 이는 태양광 발전 모듈의 경제성을 떨어뜨린다.

또한, 기존의 태양광 발전 모듈은 태양열에 의해 태양전지의 온도가 과도하게 높게 상승되는 고온 현상의 문제점이 있다. 고온 현상은 태양전지의 성능 및 수명에 치명적인 악영향을 끼친다. 이러한 고온 현상을 줄이기 위해서는 별도의 냉각장치가 추가로 요구되며, 냉각장치의 추가 설치는 태양광 발전 모듈의 제작 비용을 증가시킨다. 고온 현상은 태양광 성분 중 장파장의 적외선에 의해 주로 초래된다.

효율을 높이고 설치 공간을 줄일 목적으로 렌즈 대신에 광 가이드를 집광수단으로 이용하는 집광형 태양광 발전 모듈이 종래에 개발된 바 있다. 종래기술에 있어서, 광 가이드의 하부면에는 광의 유도를 돕도록 수십 내지 수백 마이크로미터 크기의 프리즘 패턴이 형성된다. 그러나, 종래기술의 태양광 발전 모듈은 효율 면에 있어서 여전히 개선의 여지가 많고, 태양광을 파장 분리함 없이 태양전지로 유도하여 발전에 이용하므로, 태양전지의 고온 현상은 여전하였다.

따라서, 본 발명이 해결하려는 하나의 과제는 가시광을 포함하는 유용한 파장 범위의 광만을 태양전지로 유도할 수 있는 고효율의 태양광 집광 패널을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 가시광을 포함하는 유용한 파장 범위의 광만을 태양전지로 유도할 수 있는 고효율 태양광 집광 패널을 이용함으로써, 태양전지의 고온현상을 억제할 수 있고 태양광 추적장치의 이용을 생략 또는 줄이면서도, 발전 효율을 높일 수 있는 집광형 태양광 발전 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 태양광 집광형 발전 모듈은, 태양전지와, 상기 태양전지 측으로 태양광을 광 가이드 방식으로 유도하는 집광 패널을 포함하며, 상기 집광 패널은 다수의 나노 패턴이 형성된 파장 분리면을 포함한다.

본 명세서의 상세한 설명 및 특허청구범위에서, '나노 크기'는 1㎛ 미만, 즉, 1000nm 미만의 크기로 정의한다.

바람직하게는, 상기 다수의 나노 패턴은 폭과 간격이 모두 1000nm 미만으로 정해지며, 상기 다수의 나노 패턴에 의해 가시광을 포함하는 특정 파장 범위의 광이 회절되어 상기 집광 패널 내에 트랩된다.

바람직하게는, 상기 집광 패널은, 태양광의 입사면과 상기 파장 분리면이 상면과 저면에 각각 제공된 투명의 상부 패널 부재와, 상기 상부 패널 부재와 밀접 또는 근접하게 배치되며, 저면이 태양광의 내부 전반사면으로 제공되는 투명의 하부 패널 부재를 포함한다. 상기 하부 패널 부재의 상면에도 다수의 나노 패턴이 형성될 수 있다.

상기 상부 패널 부재의 상면이 태양광의 다른 내부 전반사면으로 제공될 수 있으며, 대안적으로, 상기 하부 패널 부재의 상면이 태양광의 다른 내부 전반사면으로 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 상부 패널 부재와 상기 하부 패널 부재 사이의 틈을 밀봉하는 밀봉 구조가 추가로 제공될 수 있다. 이 밀봉 구조는 상부 패널 부재와 상기 하부 패널 부재와 별도로 제공되는 밀봉재일 수 있으며, 대안적으로, 상기 상부 패널 부재와 상기 하부 패널 부재 사이의 틈을 밀봉할 수 있는 다양한 구조, 예컨대, 상기 상부 패널 부재 및/또는 상기 하부 패널 부재에 일체로 형성되어, 체결, 맞물림 또는 억지 끼움 등의 방식으로 상기 틈을 밀봉하는 구조 등이 상기 밀봉 구조로 이용될 수 있을 것이다.

바람직하게는, 상기 다수의 나노 패턴은 원형 또는 다각형으로 이루어진 다수의 궤적(trace)을 형성하며, 상기 다수의 궤적 중 하나의 궤적에 인접하는 특정 영역에 광 출사홀이 형성되며, 상기 태양전지는 상기 광 출사홀에 인접하도록 배치된다. 이때, 상기 광 출사홀은 상기 다수의 궤적 중 가장 중앙에 위치하는 가장 작은 크기의 궤적에 인접하여 위치되는 것이 선호된다.

본 명세서에 있어서, 용어 '광 출사홀'은 일반적인 구멍의 형태를 반드시 가질 필요는 없으며, 광 출사면이 형성된 구멍은 물론이고, 광 출사면이 형성된 에지도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

상기 광 출사홀 부근에 다른 구조물 없이 태양전지만이 배치될 수 있으며, 대안적으로, 상기 광 출사홀의 직하에 집광 렌즈 또는 반사형 집광기가 추가로 더 배치되고, 상기 집광 렌즈 또는 상기 반사형 집광기의 직하에 상기 태양전지가 배치될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 집광 패널은 투명 패널 부재를 포함하며, 상기 투명 패널 부재의 일면에 상기 다수의 나노 패턴이 형성된다. 이때, 상기 다수의 나노 패턴은 투명 플라스틱의 사출 성형에 의해 형성된 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 집광 패널은 상기 다수의 나노 패턴에 의한 회절에 의해 태양광의 파장을 분리하며, 회절 및 파장 분리된 태양광을 전반사에 의해 광 가이드 방식으로 유도한다.

본 발명의 다른 측면에 따라 태양광을 광 가이드 방식으로 유도하는 태양광 집광 패널이 제공된다. 이 태양광 집광 패널은, 태양광을 파장 분리하는 파장 분리면과; 상기 파장 분리면에 의해 파장 분리된 광을 상기 집광 패널의 특정 영역으로 유도하기 위한 광 유도면을 포함하며, 상기 파장 분리면은 다수의 나노 패턴을 포함한다.상기 다수의 나노 패턴은 폭과 간격이 모두 1000nm 미만인 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 태양광 집광 패널은, 태양광의 입사면이 상면에 제공된 투명의 상부 패널 부재와, 상기 상부 패널 부재와 밀접 또는 근접하게 배치되는 투명의 하부 패널 부재를 포함하며, 상기 파장 분리면은 상기 상부 패널 부재의 저면에 형성된다. 이때, 상기 내부 전반사면은 상기 하부 패널 부재의 저면과, 상기 하부 패널 부재의 상면 또는 상기 상부 패널 부재의 상면에 제공되는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 다수의 나노 패턴은 원형 또는 다각형으로 이루어진 다수의 궤적(trace)을 형성하며, 상기 다수의 궤적 중 하나의 궤적에 인접하는 특정 영역에 광 출사홀이 형성되며, 상기 태양전지는 상기 광 출사홀에 인접하도록 배치된다.

바람직하게는, 상기 집광 패널은 투명 패널 부재를 포함하며, 상기 투명 패널 부재의 일면에 상기 다수의 나노 패턴이 형성된다. 이때, 상기 다수의 나노 패턴은 투명 플라스틱의 사출 성형에 의해 형성된다.

바람직하게는, 상기 파장 분리면은 상기 다수의 나노 패턴에 의해 태양광을 회절시키고, 상기 광 유도면은 전반사에 의해 파장 분리된 태양광을 상기 특정 영역으로 유도한다.

일 실시예에 따라, 상기 다수의 나노 패턴은 다른 나노 패턴과 형상, 크기 또는 간격이 다른 하나 이상의 나노 패턴을 포함할 수 있으며, 대안적으로, 상기 다수의 나노 패턴은 형상, 크기 또는 간격이 전체적으로 일정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 가시광을 포함하는 유용한 파장 범위의 광만을 태양전지로 유도할 수 있는 고효율 태양광 집광 패널을 이용함으로써, 태양전지의 고온현상을 억제할 수 있고 태양광 추적장치의 이용을 생략 또는 줄이면서도, 발전 효율을 높이는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양광 발전 모듈을 도시한 평면도.
도 2는 도 1의 I-I를 따라 취해진 태양광 발전 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 따라 태양광 발전에 이용될 수 있는 타겟 파장 범위를 설명하기 위한 도면.
도 4는 다수의 나노 패턴에 의한 파장 분리가 이루어지는 현상을 설명하기 위한 도면.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 명에 적용 가능한 나노 패턴의 다른 변형된 형태를 보여주는 도면들.
도 6은 본 발명의 다른 실시예 따른 집광형 태양광 발전 모듈을 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 발전 모듈을 도시한 단면도.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 변형된 실시예들을 도시한 단면도.
도 10은 앞에서 설명된 것과 같은 태양광 발전 모듈을 근접 배치시켜 하나의 통합된 태양광 발전 장치를 구성할 때 손실 영역이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면.
도 11 내지 도 13은 도 10에 도시된 것과 같은 손실 영역을 없애기 위한 다양한 실시 형태를 설명하기 위한 도면들.
도 14는 나노 패턴의 형상, 간격, 크기에 대한 정의를 설명하기 위한 도면.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양광 발전 모듈을 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 I-I를 따라 취해진 단면도이다. 도 1 및 도 2에서 나노 패턴들이 이해의 편의를 위해 과장되어 크게 도시되어 있음에 유의한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 집광형 태양광 발전 모듈(1)은 태양전지(2)와 집광 패널(3)을 포함한다. 상기 집광 패널(3)은 투명의 상부 패널 부재(32)와 투명의 하부 패널 부재(34)를 포함한다. 상부 패널 부재(32)와 하부 패널 부재(34)는 서로 평행하며, 서로에 대해 밀접하게 또는 근접하게 배치된다. 본 실시예에서, 상기 상부 패널 부재(32)와 상기 하부 패널 부재(34) 사이에는 공기층이 제공될 수 있다. 밀봉재(35)가 집광 패널(3)의 외측면에 설치되어 상기 상부 패널 부재(32)와 상기 하부 패널 부재(34) 사이의 틈을 밀봉한다. 상기 상부 패널 부재(32)와 상기 하부 패널 부재(34)는 PMMA(Polymethylmethacrylate)와 같은 투명 플라스틱 수지를 사출 성형하여 제작된다.

상기 집광 패널(30)의 중심 하부에는 광 출사 홀(3a)이 형성되고, 상기 광 출사 홀(3a)의 내부 또는 직하에 태양전지(2)가 배치되어 있다. 도면에서는 상기 광 출사 홀(3a)이 하부 패널 부재(34)에만 형성되지만, 상기 광 출사 홀(3a)이 상부 패널 부재(32)까지 연장될 수 있다.

상기 태양전지(2)는 화합물 반도체로 만들어져서, 실리콘 반도체로 이루어진 태양전지에 비해 훨씬 작은 크기를 갖는다. 상기 태양전지(2)는 갈륨 아세나이드 계열 또는 갈륨 질화물 계열을 기반으로 하는 III-V족 화합물 반도체를 에피 성장시켜 제조될 수 있다.

상기 집광 패널(3)은 태양광의 입사면(32a)과, 다수의 나노 패턴(322)들이 형성된 파장 분리면(32b)을 포함하며, 상기 입사면(32a)은 상기 상부 패널 부재(32)의 상면에 제공되고, 상기 파장 분리면(32b)은 적어도 상기 상부 패널 부재(32)의 저면에 제공된다. 상기 상부 패널 부재(32)의 상면에 입사되어 상기 집광 패널(3) 내로 들어온 태양광은 내부 전반사를 거치면서 상기 집광 패널(3)을 트래블하여 상기 광 출사 홀(3a)을 통해 태양전지(2)로 유도된다.

전술한 파장 분리면(32b)의 나노 패턴(322)들은, 상부 패널 부재(32)의 저면, 즉, 파장 분리면(32b)에 형성되어, 태양광을 회절시키는 것에 의해, 태양광의 파장을 분리한다. 나노 패턴들에 의해 파장 분리되고 큰 회절각으로 회절된 광들이 공기층을 지나 하부 패널 부재(34)에 들어간다. 본 실시예에 있어서, 상기 하부 패널 부재(34)의 상면에도 다수의 나노 패턴(342)들이 형성된다. 태양광의 거의 대부분은 대략 수평파로 입사되지만, 나노 패턴(322)에 의해 회절된 유용한 광은 회절각 만큼 꺽여 상기 집광 패널(3)을 트래블 할 수 있는 상태가 된다. 따라서, 상기 유용한 광은 집광 패널(3) 내에서 내부 전반사 과정을 거치면서 이동할 수 있게 된다. 여기에서, 상기 유용한 광은 가시광을 포함하며, 더 나아가서는 근적외선 파장 영역의 전자기파를 포함한다. 적외선 영역의 전자기파, 특히, 2500nm 이상의 적외선은 파장이 클수록 많은 열을 수반하므로 태양전지(2)의 고온 현상을 초래하는 원인이 된다.

가시광을 포함하는 대략 1800nm 이하의 광, 더 바람직하게는, 1000nm 이하의 광은 회절에 의해 집광 패널(3) 내에 트랩되는 반면, 장파장의 적외선은 회절 현상을 거의 일으키기 않고 집광 패널(3)의 상부 패널 부재(32)와 하부 패널 부재(34)를 투과하여 집광 패널(3)의 밖으로 나간다.

나노 패턴(322)은 태양광을 회절시키는 슬릿으로 설명될 수 있다. 회절 슬릿과 관련하여서는, young의 간섭 실험에 의해 잘 알려져 있다. 가시광 영역의 파장 또는 근적외선의 적어도 일부 파장은 하나의 나노 패턴(322)을 하나의 슬릿으로 인식하여, 그 슬릿을 통하여 진행함으로써 회절이 이루어진다. 반면, 파장이 큰 전자기파는, 나노 패턴(322)을 인식하지 못하거나 또는 2개 이상의 슬릿을 하나의 슬릿으로 인식하므로, 회절 현상을 일으키지 않는다.

회절 현상이 없는 경우, 장파장의 전자기파는 입사 각도로부터 큰 각도 변화 없이 진행하므로, 집광 패널(3) 내에 트랩되지 않는다. 위의 조건을 만족하기 위해서는, 나노 패턴(322)들 각각의 폭이 나노 크기를 가져야 함은 물론이고, 이웃하는 나노 패턴(322)들 사이의 간격 또한 나노 크기를 가져야 할 것이다.

본 실시예에서, 집광 패널(3) 내에 트랩된 광은 상부 패널 부재(32)의 상면과 하부 패널 부재(34)의 저면에서 내부 전반사를 일으키면서 태양전지(2)를 향해 진행한다. 원활한 광 유도를 통한 광 손실의 최소화를 위해, 다수의 나노 패턴(322, 342)들은 서로 크기가 다른 동심원들로 이루어지며, 이에 의해, 다수의 동심원 궤적을 형성한다. 상기 동심원들의 중앙, 즉, 가장 작은 동심원의 궤적에 인접하도록 전술한 것과 같은 광 출사 홀(3a)과 태양전지(2)가 위치한다. 도 2에 입사된 태양광이 집광 패널(3) 내에서 태양전지(2)로 이동하는 광의 경로를 화살표로 개략적으로 나타내었다.

본 실시예에 있어서, 파장 분리를 위한 상부 나노 패턴(322)들 각각의 폭과 이웃하는 나노 패턴(322)들 사이의 간격은 1000nm 미만 파장으로 설계된다. 따라서, 유용한 가시광 및 근적외선 적어도 일부는 회절 현상 및 내부 전반사에 의해 광 가이드 패널(30) 내에 트랩된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 높은 열을 수반하는 장파장의 적외선은 실제로는 나노 패턴이 있는 면을 일반 평면과 같게 인식하여 집광 패널(3)을 투과해 밖으로 방출된다. 따라서, 나노 패턴(322)들의 크기와 간격을 적절히 설계하는 것에 의해 태양광 발전에 이용되는 광의 타겟 파장 범위를 선택할 수 있다.

한편, 태양광 성분 중 자외선도 적외선과 마찬가지로 분리하여 버릴 필요가 있는데, 본 실시예에 따르면, 집광 패널(3)의 상부 패널 부재(32)가 자외선을 차단하는 플라스틱 수지로 이루어지므로, 태양광의 입사 과정에서 원치 않는 자외선을 그 자체로 차단할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 태양광은 대략 375nm 미만의 자외선과, 대략 375 nm~755nm의 가시광과, 755nm를 초과하는 적외선을 포함한다. 적외선은 755nm~2500nm의 근적외선 및 2500nm를 초과하는 원적외선을 포함한다. 그러나, 자외선, 가시광, 적외선 등을 파장에 의해 구분하는 기준은 조금씩 다를 수 있다는 점에 유의한다.

도시된 바와 같이, 가시광 파장 영역의 광 세기가 가장 큼을 알 수 있다. 본 실시예에서는, 가시광 파장 영역과 근적외선 파장 영역 일부의 광을 태양전지의 발전에 이용하도록 분리한다. 도 3에서 태양 발전에 이용하고자 하는 타겟 파장 범위가 A와 B 사이로 정해진다. 타겟 파장 범위의 하한치 A는 대략 자외선 파장과 가시광 파장 사이의 경계에 있으며 자외선을 반사하는 플라스틱 수지를 집광 패널의 패널 부재 재료로 이용함으로써 얻을 수 있다. 타겟 파장 범위의 상한치 B는 적외선 영역 내에 있으며 집광 패널의 파장 분리면에 형성된 회절 패턴의 폭과 간격을 나노 크기, 즉, 1000nm 미만에서 적절히 정함으로써, 장파장의 적외선을 집광 패널(3) 외부로 분리해낼 수 있다.

도 4를 참조하여 나노 패턴에 의한 파장 분리가 일어나는 원리에 대해 간단하게 설명하면 다음과 같다.

각 나노 패턴(322)의 폭 a는 나노 크기를 가지며, 나노 패턴(322)들 사이의 간격 d 또한 나노 크기를 갖는다. 이때, 간격 d는 격자 상수이다. 나노 패턴(322)들이 형성된 투명의 플라스틱 패널에 파장 λ의 평행 광선이 입사된다고 보면, 광선은 회절에 의해 나노 패턴(322)이 형성된 파장 분리면의 법선과 θ의 각을 이루는 방향으로 진행한다. 파장 분리면의 반대편에 young의 간섭실험에서와 같은 스크린을 두는 경우, 두 나노 패턴(322, 322)을 통과한 소정 파장의 광선이 회절하여 겹쳐서 진행하여, 스크린에 도달할 때 위상 차이에 보강 간섭과 소멸 간섭이 일어나서, 밝고 어두운 무늬가 발생한다. 보강 간섭시와 소멸 간섭시 d와 θ와의 관계는 아래와 같다.

보강간섭: dsinθ=nλ (n=0, 1, 2, …)

소멸간섭: dsinθ=(n+

)λ (n=0, 1, 2, …)

앞에서 언급한 바와 같이, 회절은 파장 λ가 나노 패턴(322)의 폭 a보다 작아질수록 더 크게 일어난다. 그리고, 위의 관계식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 간격 d를 줄일수록 θ는 커지고, 파장 분리가 더 많이 일어난다.

위에서 회절은 파장 λ가 나노 패턴(322)의 폭 a보다 작아질수록 더 크게 일어난다고 하였다. 그러나, 나노 패턴(322) 사이의 간격 d가 나노 크기로 작으면, 장파장의 적외선은 패턴이 없는 면일 때와 같은 양상으로 그 면을 통과하게 된다. 이해의 편의를 위해, 나노 패턴(322)들 각각을 통해 적외선과 가시광선이 통과하고 있는 상태에서 나노 패턴(322)들 사이의 간격 d를 무한하게 감소시킨다고 가정하면, 결국에는 나노 패턴(322)이 없는 면이 될 것이며, 적외선과 가시광선은 회절 없이 그 면을 통과할 것이다. 그러나, 나노 패턴(322)이 완전히 없어지기 전 특정 간격 d에서는, 가시광선이 나노 패턴(322)에 의해 회절을 일으키는데 반해, 적외선은 나노 패턴(322)이 없을 때와 마찬가지로 회절을 일으키지 않고 상기 면을 투과할 것이다.

위와 같은 원리로, 나노 패턴을 이용하면, 태양광으로부터 가시광, 더 나아가서는 근적외선의 적어도 일부를 분리하여 집광 패널(3; 도 1 참조)에 트랩할 수있으며, 높은 열을 수반하는 장파장의 전자기파, 특히, 적외선을 회절 없이 내보낼 수 있다. 나노 패턴(322)의 폭 a과 나노 패턴(322)들 사이의 간격 d의 사이의 비를 적절히 결정함으로써 태양광이 파장 분리되는 정도와 투과하여 내버리고자 하는 광선 또는 전자기파의 파장 범위를 선택할 수 있을 것이다.

파장 분리를 위한 나노 패턴(322)의 기하학적 형상을 조절함으로써, 광선의 회절각이나 회절에 의한 보강 간섭 등을 조절할 수 있다. 도 5의 (a) 및 (b)는 나노 패턴의 다른 변형된 형태를 보여주는 도면들로서, 도 5의 (a)는 깊이가 다른 제1 단(322a)과 제2 단(322b)을 포함하는 계단 구조의 나노 패턴(322)을 보여준다. 도한, 도 5의 (b)에 도시된 나노 패턴(322)은 도 5의 (a)에 도시된 구조를 변형한 것으로서, 가성선으로 표시된 계단구조를 사선으로 이어, 경사면(322c)을 포함하는 프리즘 구조로 나노 패턴(322)을 변경한 것이다. 경사면(322c) 파장 분리된 광에 방향성을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예 따른 집광형 태양광 발전 모듈을 도시한 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예예 따른 태양광 발전 모듈은 태양전지(2)에 광을 내부 전반사에 의해 유도하는 집광 패널(3)을 포함하되, 상기 집광 패널(3)은 파장 분리를 위한 다수의 나노 패턴(322)들이 형성된 상부 패널 부재(32)를 포함하되, 그와 결합된 하부 패널 부재(32)에는 나노 패턴이 형성되지 않는다. 상기 하부 패널 부재(34')는, 장파장의 적외선을 투과하여 내보내는 역할과, 단독으로, 또는, 상기 상부 패널 부재(32)와 함께 집광 패널(3)에 트랩된 광을 내부 전반사에 의해 태양전지(2)로 유도하는 역할을 한다.

본 실시예에 있어서, 하부 패널 부재(32)는 상면과 저면 모두가 내부 전반사면의 역할을 하도록 제공된다. 그러나, 앞선 실시예에서와 같이, 상부 패널 부재(32)의 상면과 하부 패널 부재(34')의 저면이 내부 전반사면의 역할을 할수도 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 발전 모듈을 도시한 단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양광 발전 모듈은, 앞선 실시예들에서 설명된 하부 패널 부재가 생략된 채, 파장 분리를 위한 나노 패턴들(322')이 저면에 형성된 하나의 투명 패널 부재(32')가 집광 패널을 구성한다. 이때, 나노 패턴들(322')들은 투과 회절 격자가 아닌 반사 회절 격자로서의 역할을 한다. 앞선 실시예들과 마찬가지로, 태양전지(2)는 집광 패널을 구성하는 투명 패널(32')의 중앙 직하에 배치된다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 변형된 실시예들을 도시한 단면도이다.

도 8에 도시된 태양광 발전 모듈(1)은 집광 패널(3)의 직하에 프레넬 렌즈와 같은 집광 렌즈(4)가 배치되고, 집광 렌즈(4)의 직하에 태양전지(2)가 배치된다. 집광 렌즈(4)는 집광 패널(3)의 중심, 즉, 나노 패턴들의 동심원 중심 부근에 위치하다. 집광 패널(3) 내에서 광 가이드 방식으로 집광 패널(3)의 중심 홀까지 유도되어 출사된 광이 집광 렌즈(4)를 통과하여 태양전지(2)로 모아진다.

도 9에 도시된 태양광 발전 모듈(1)은 집광 패널(3)의 직하에 CPC(Compound Parabolic Concentrator)와 같은 반사형 집광기(4')가 배치되고, 반사형 집광기(4')의 직하에 태양전지(2)가 배치된다. 반사형 집광기(4')는 집광 패널(3)의 중심, 즉, 나노 패턴들의 동심원 중심 부근에 위치하다. 집광 패널(3) 내에서 광 가이드 방식으로 집광 패널(3)의 중심 홀까지 유도되어 출사된 광이 반사형 집광기(4')를 통과하여 태양전지(2)로 모아진다.

도 10은 앞에서 설명된 것과 같은 태양광 발전 모듈을 근접 배치시켜 하나의 통합된 태양광 발전 장치를 구성한 예를 보여준다.

도 10을 참조하면, 원 궤적의 나노 패턴들을 포함하는 대략 사각형의 집광 패널들(3)이 측면끼리 인접하도록 최대한 근접 배치되어 있다. 이때, 최외곽 동심원의 나노 패턴 주변에는 나노 패턴을 형성하기 어려워서 손실 영역(LA)이 발생할 우려가 있다.

도 11 내지 도 13은 손실 영역을 없애기 위한 다양한 구조를 보여준다.

먼저, 도 11의 (a), (b) 및 (c)를 참조하여, 나노 패턴(322)의 궤적 및 집광 패널(3)의 형상을 삼각형, 사각형 및 육각형으로 하고, 집광 패널들(322)들을 측면끼리 마주하게 배열하면, 전술한 것과 같은 손실 영역을 없앨 수 있다. 삼각형, 사각형 및 육각형 외에도 다른 다각형의 궤적 및 집광 패널 형상을 이용할 수도 있을 것이다.

도 12를 참조하면, 사각형 집광 패널(3)에 동심원 궤적의 나노 패턴(322)들을 앞선 실시예에서와 같게 형성하되, 최외곽의 동심원 궤적의 나노 패턴(322) 바깥쪽에는 원호형의 나노 패턴(324)들을 추가로 더 형성하여, 전술한 것과 같은 손실 영역을 없앤다.

도 13을 참조하면, 사각형 집광 패널(3)에 동심원 궤적의 나노 패턴(322)들을 앞선 실시예에서와 같게 형성하되, 최외곽 동심원 궤적의 나노 패턴(322) 바깥쪽에는 2개 내지 4개의 집광 패널(3)이 모이는 집광 패널(3)의 꼭지점 부근을 향해 태양광을 집광하는 별도의 나노 패턴(325)들을 추가로 더 형성하여, 전술한 것과 같은 손실 영역을 최소화한다. 이 경우, 상기 꼭지점 부근에 추가로 태양전지를 더 설치할 수 있다.

한편, 파장 분리면에 형성된 다수의 나노 패턴들 각각의 형상, 크기 및 피치가 태양광의 회절(특히, 회절각), 태양광의 파장 분리 정도, 파장 분리된 태양광의 진행 방향, 유용한 광선의 트랩 효율, 무용한 광선(또는, 전자기파)의 제거 효율 등을 조절하는데 있어서 중요한 설계 인자들로 이용된다. 더 나아가, 나노 패턴의 형상과 크기를 적절히 설계하는 것에 의해, 나노 패턴이 형성된 파장 분리면을 특정 파장 범위의 광에 대하여 투과 회절 격자로 이용할 수 있으며, 반사 회절 격자로 이용할 수도 있다.

도 14는 나노 패턴의 형상, 크기 및 간격에 대한 정의를 설명하기 위한 도면이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 나노 패턴의 크기는 나노 패턴의 폭(a), 높이(b), 그리고, 종횡비(aspect ratio)(b/a)에 의해 정의된다. 특히, 종횡비는, 다른 인자들과 함께 나노 패턴의 형상도 규정할 수 있는 것으로서, 나노 패턴을 설계함에 있어서 매우 중요한 인자이다. 파장 분리면에 나노 패턴을 적용함에 있어서, 상기 나노 패턴의 종횡비는 대략 1 이상, 바람직하게는, 2 이상, 가장 바람직하게는, 3~7이다. 한편, 나노 패턴의 형상은 도 14의 (a) 및 (b)에 보여지는 횡단면 형상 뿐만 아니라, 종단면 형상에 의해서도 정의되며, 이와 같이 정의되는 나노 패턴은 반구형, 원기둥형, 다각 기둥형, 원뿔형, 다각뿔형 등 다양한 기하학적 형상일 수 있다.

하나의 파장 분리면에 형성된 다수의 나노 패턴들을 일정 크기, 일정 형상 및 일정 간격(즉, 피치)로 설계할 수도 있지만, 상기 다수의 나노 패턴들 중 적어도 하나의 나노 패턴이 다른 나노 패턴과 다른 크기, 다른 형상 및/또는 다른 간격을 갖도록 설계하는 것이 더 바람직할 것이다.

한편, 앞선 실시예에서 설명된 것과 같은 집광 패널을 그대로 투과한 장파장의 전자기파는 온도가 높은 태양열 에너지를 수반한다. 도시하지는 않았지만, 이러한 태양열 에너지를 회수하여 이용하기 위한 태양열 회수장비를 추가로 설치하는 것도 고려될 수 있을 것이다.

1: 태양광 집광형 발전 모듈 2: 태양전지
3, 3': 집광 패널 32, 34, 32, 34': 패널 부재
322, 342, 324, 325: 나노 패턴 4: 렌즈
4': 반사형 집광기

Claims

태양전지; 및
상기 태양전지 측으로 태양광을 광 가이드 방식으로 유도하는 집광 패널을 포함하며,
상기 집광 패널은 다수의 나노 패턴이 형성된 파장 분리면을 포함하며,
상기 다수의 나노 패턴은 원형 또는 다각형으로 이루어진 다수의 궤적(trace)을 형성하며, 상기 다수의 궤적 중 하나의 궤적에 인접하는 특정 영역에 광 출사홀이 형성되며, 상기 태양전지는 상기 광 출사홀에 인접하도록 배치된 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 다수의 나노 패턴은 폭과 간격이 모두 1000nm 미만으로 정해지며, 상기 다수의 나노 패턴에 의해 가시광을 포함하는 특정 파장 범위의 광이 회절되어 상기 집광 패널 내에 트랩되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 집광 패널은,
태양광의 입사면과 상기 파장 분리면이 상면과 저면에 각각 제공된 투명의 상부 패널 부재와,
상기 상부 패널 부재와 밀접 또는 근접하게 배치되며, 저면이 태양광의 내부 전반사면으로 제공되는 투명의 하부 패널 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
청구항 3에 있어서, 상기 하부 패널 부재의 상면에는 다수의 나노 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
청구항 3에 있어서, 상기 상부 패널 부재의 상면이 태양광의 다른 내부 전반사면으로 제공되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
청구항 3에 있어서, 상기 하부 패널 부재의 상면이 태양광의 다른 내부 전반사면으로 제공되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
청구항 3에 있어서, 상기 상부 패널 부재와 상기 하부 패널 부재 사이의 틈을 밀봉하는 밀봉구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 광 출사홀의 직하에 배치된 집광 렌즈 또는 반사형 집광기를 더 포함하고, 상기 집광 렌즈 또는 상기 반사형 집광기의 직하에 상기 태양전지가 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 집광 패널은 투명 패널 부재를 포함하며, 상기 투명 패널 부재의 일면에 상기 다수의 나노 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
청구항 10에 있어서, 상기 다수의 나노 패턴은 투명 플라스틱의 사출 성형에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 집광 패널은 상기 다수의 나노 패턴에 의한 회절에 의해 태양광의 파장을 분리하며, 회절 및 파장 분리된 태양광을 전반사에 의해 광 가이드 방식으로 유도하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광형 발전 모듈.
태양광을 광 가이드 방식으로 유도하는 태양광 집광 패널에 있어서,
태양광을 파장 분리하는 파장 분리면; 및
상기 파장 분리면에 의해 파장 분리된 광을 상기 집광 패널의 특정 영역으로 유도하기 위한 광 유도면을 포함하며,
상기 파장 분리면은 다수의 나노 패턴을 포함하며,
상기 다수의 나노 패턴은 원형 또는 다각형으로 이루어진 다수의 궤적(trace)을 형성하며, 상기 다수의 궤적 중 하나의 궤적에 인접하는 특정 영역에 광 출사홀이 형성되며, 상기 광 출사홀에 인접하도록 태양전지가 배치된 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.
청구항 13에 있어서, 상기 다수의 나노 패턴은 폭과 간격이 모두 1000nm 미만인 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.
청구항 13에 있어서, 상기 태양광 집광 패널은, 태양광의 입사면이 상면에 제공된 투명의 상부 패널 부재와, 상기 상부 패널 부재와 밀접 또는 근접하게 배치되는 투명의 하부 패널 부재를 포함하며, 상기 파장 분리면은 상기 상부 패널 부재의 저면에 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.
청구항 15에 있어서, 상기 광 유도면은 상기 하부 패널 부재의 저면과, 상기 하부 패널 부재의 상면 또는 상기 상부 패널 부재의 상면에 제공되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.
청구항 15에 있어서, 상기 상부 패널 부재와 상기 하부 패널 부재 사이의 틈을 밀봉하는 밀봉구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.
삭제
청구항 13에 있어서, 상기 집광 패널은 투명 패널 부재를 포함하며, 상기 투명 패널 부재의 일면에 상기 다수의 나노 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.
청구항 19에 있어서, 상기 다수의 나노 패턴은 투명 플라스틱의 사출 성형에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.
청구항 13에 있어서, 상기 파장 분리면은 상기 다수의 나노 패턴에 의해 태양광을 회절시키고, 상기 광 유도면은 전반사에 의해 파장 분리된 태양광을 상기 특정 영역으로 유도하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.
청구항 13에 있어서, 상기 다수의 나노 패턴은 다른 나노 패턴과 형상, 크기 또는 간격이 다른 하나 이상의 나노 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.
청구항 13에 있어서, 상기 다수의 나노 패턴은 형상, 크기 또는 간격이 전체적으로 일정한 것을 특징으로 하는 태양광 집광 패널.