KR101251581B1 - 집광형 태양광 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집광형 태양광 발전(Concentrating Photovoltaic, CPV) 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광을 태양전지로 균일하게 분배시킬 수 있을 뿐만 아니라 태양전지로 입사되는 입사각이 작아지도록 하여 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 2차렌즈(secondary lens)를 포함하는 집광형 태양광 발전 장치에 관한 것이다.

Description

집광형 태양광 발전 장치{Concentrating Photovoltaic device}
본 발명은 집광형 태양광 발전(Concentrating Photovoltaic, CPV) 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광을 태양전지로 균일하게 분배시킬 수 있을 뿐만 아니라 태양전지로 입사되는 입사각이 작아지도록 하여 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 2차렌즈(secondary lens)를 포함하는 집광형 태양광 발전 장치에 관한 것이다.
근래 태양광을 이용한 태양광 발전(Photovoltaic, PV) 장치가 많이 사용되어 지는데, 특히 실리콘 태양전지를 이용한 태양광 발전 장치가 주로 사용된다.
그러나 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 태양전지(multi-junction solar cell)의 비약적인 발전으로 다중접합 태양전지에 저가의 집광장치를 사용하여 태양광을 집중시키는 방식의 집광형 태양광 발전(Concetrating Photovoltaic, CPV) 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
다중접합 태양전지(multi-junction solar cell)는 실리콘 태양전지와 비교하여 높은 에너지 변환 효율을 가지는데, 일반적으로 다중접합 태양전지는 35%가 넘는 에너지 효율을 갖는 반면 실리콘 태양전지는 약 20% 효율을 갖는다. 특히 집광(concentration) 하에서, 현재 일부 다중접합 태양전지는 40%를 넘는 에너지 효율을 갖는다.
도 1은 종래의 집광형 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 집광형 태양광 발전 장치는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지(1), 태양광을 1차적으로 집광시키는 1차렌즈(2), 상기 1차렌즈(2)로부터 집광된 광을 상기 태양전지(1)로 2차적으로 집광시키는 2차렌즈(3)를 포함한다.
여기서, 상기 2차렌즈(3)는 1차렌즈(2)로부터 집광된 광을 태양전지(1)로 2차적으로 집광함에 있어서 1차렌즈(2)로부터 집광된 광이 태양전지(1)로 균일하게 분배되도록 하는 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행한다.
집광형 태양광 발전 장치에 사용되는 다중접합 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 태양전지(1)로 입사되는 태양광이 균일하게 분배되도록 할 필요가 있으며, 이러한 기능은 1차렌즈(2)만으로 설계하기가 매우 어려우므로 종래의 집광형 태양광 발전 장치는 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행하는 2차렌즈(3)를 포함하여 이루어지는 것이 일반적이다.
그러나, 도 1에서 보이는 바와 같이, 종래의 집광형 태양광 발전 장치는 1차렌즈(2)로부터 집광된 태양광이 2차렌즈(3)로 입사되어 측면부에서 전반사되면서 태양전지(1)로 입사되는 입사각(angle of incidence, )이 매우 커지게 되며, 이와 같이 태양전지(1)로 입사되는 입사각()이 커지게 되면 태양전지(1)의 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 이는 도 2에서 보이는 바와 같이 태양전지(1)의 효율은 입사각의 크기에 선형적으로 비례하여 저하되기 때문이다.
따라서, 집광형 태양광 발전 장치에 있어서 태양전지(1)의 효율을 극대화시키기 위해서는 태양전지(1)로 입사되는 태양광이 균일하게 분배되도록 할 뿐만 아니라 태양전지(1)로 입사되는 입사각(θ)이 작아지도록 할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광을 태양전지로 균일하게 분배시킬 수 있을 뿐만 아니라 태양전지로 입사되는 입사각이 작아지도록 하여 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 2차렌즈를 포함하는 집광형 태양광 발전 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 집광형 태양광 발전 장치는 태양광을 1차적으로 집광하는 1차적 광학 구성요소(primary optical element); 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지(solar cell); 상기 1차적 광학 구성요소와 상기 태양전지 사이에 구비되어 상기 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광을 상기 태양전지로 균일하게 분배하는 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행하도록 상기 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광이 입사되는 입사면과, 상기 입사면으로 입사된 태양광이 전반사되는 측면과, 상기 입사면으로 입사된 태양광과 상기 측면에서 전반사된 태양광이 출사되며 상기 입사면보다 작은 폭을 가지는 출사면을 구비하는 2차렌즈(secondary lens); 및 상기 측면에서의 전반사 각도가 커지도록 보정하여 상기 태양전지로 입사되는 입사각을 작게하는 적어도 하나 이상의 전반사면을 가지도록 상기 2차렌즈에 구비되는 전반사각 보정부;를 포함한다.
바람직하게, 상기 전반사각 보정부는 상기 측면에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 내측면을 가지도록 상기 입사면으로부터 소정깊이 형성되는 전반사각 보정홈일 수 있으며, 더 바람직하게 상기 내측면은 상기 2차렌즈의 반대측 측면이 상기 2차렌즈의 중심선을 기준으로 경사진 방향과 반대방향으로 경사지거나, 또는 상기 내측면이 상기 2차렌즈의 반대측 측면과 같은 방향으로 경사진 경우에는 상기 2차렌즈의 중심선을 기준으로상기 2차렌즈의 반대측 측면보다 작게 경사지거나, 또는 상기 내측면은 상기 2차렌즈의 중심선과 평행하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 전반사각 보정홈은 상기 입사면의 중심부에 형성되며, 십자 또는 일자 형상의 단면을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 1차적 광학 구성요소는 상기 2차렌즈의 입사면 중 상기 전반사각 보정홈을 제외한 나머지 영역에 태양광을 집광하도록 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 집광형 태양광 발전 장치는 상기 전반사각 보정홈으로 입사된 태양광이 반사되어 상기 전반사각 보정홈의 저면으로 입사되도록 상기 내측면에 형성되는 반사면을 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전반사각 보정부는 상기 2차렌즈의 측면에 형성되는 그레이팅면으로 이루어지거나, 또는 상기 전반사각 보정부는 상기 측면에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 내측면을 가지도록 상기 입사면으로부터 소정깊이 형성되는 전반사각 보정홈과, 상기 2차렌즈의 측면에 형성되는 그레이팅면을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 집광형 태양광 발전 장치에 의하면, 1차적 광학 구성요소로부터 입사된 태양광의 전반사 횟수를 증가시켜 태양전지로 입사되는 태양광을 더욱 균일하게 분배시킬 수 있으면서도 전반사 각도가 커지도록 보정하여 태양전지로 입사되는 입사각이 작아지도록 할 수 있는 전반사각 보정부가 2차렌즈에 형성되기 때문에 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 집광형 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 2는 태양전지의 효율과 태양전지로 입사되는 태양광의 입사각과의 관계를 나타내는 도표이고,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 4는 도 3에 따른 2차렌즈를 나타내는 도면이고,
도 5 내지 도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 전반사각 보정홈의 다양한 실시 예를 나타내는 도면이고,
도 12는 전반사각 보정홈으로 입사된 태양광이 태양전지로 입사되지 못하고 2차렌즈의 외부로 배출되어 손실되는 경우를 나타내는 도면이고,
도 13은 도 9에 따른 2차렌즈에 대응하는 바람직한 1차적 광학 구성요소의 일실시 예를 나타내는 평면도이고,
도 14는 도 10에 따른 2차렌즈에 대응하는 바람직한 1차적 광학 구성요소의 일실시 예를 나타내는 평면도이고,
도 15는 전반사각 보정홈의 내측면에 반사면이 더 형성된 2차렌즈를 나타내는 도면이고,
도 16 및 도 17은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전반사각 보정부를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예들을 상세히 설명한다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
한편, 본 명세서에서 '반대측'과 같은 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향을 기준으로 구성들간의 관계를 설명하기 위하여 사용될 수 있으며, 본 발명은 그러한 용어에 의해 한정되지 않는다. 마찬가지로, 본 명세서에서 '제1', '제2' 등의 용어가 여러 가지 구성들을 설명하기 위하여 사용될 수 있으며, 본 발명은 그러한 용어에 의해 한정되지 않는다.
한편, '또는/및'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다. 첨부 도면에서, 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이며, 따라서 본 발명은 첨부도면에 도시된 상대적인 크기나 두께에 의해 제한되지 않는다.
본 발명은 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 2차렌즈(secondary lens)를 포함하는 집광형 태양광 발전((Concetrating Photovoltaic, CPV) 장치에 관한 것으로서, 2차렌즈(secondary lens)로 입사된 태양광의 측면에서의 전반사 각도가 커지도록 보정하여 상기 태양전지로 입사되는 입사각을 작게 함으로써 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 전반사각 보정부가 2차렌즈(secondary lens)에 구비되는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 따른 2차렌즈를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양광 발전(CPV) 장치(10)는 1차적 광학 구성요소(primary optical element)(12), 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지(solar cell)(14), 상기 1차적 광학 구성요소(12)와 상기 태양전지(14) 사이에 구비되는 2차렌즈(secondary lens)(20) 및 상기 2차렌즈(20)에 구비되는 전반사각 보정부(30)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양광 발전 장치(10)는 태양전지(14)가 구비되는 리시버(receiver)(16)와, 상기 리시버(16)가 결합되는 베이스플레이트(18)를 더 포함할 수 있다.
상기 1차적 광학 구성요소(12)는 태양광을 1차적으로 집광하는 구성으로서, 다양한 형태의 렌즈가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 프레즈넬 렌즈(Fresnel lens)가 사용될 수 있다.
프레즈넬 렌즈는 볼록렌즈와 같은 집광을 하면서도 두께가 얇은 렌즈로서, 렌즈의 면을 다수개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에 프리즘 작용을 가지게 하여 수차(收差)를 작게 함으로써 두께가 얇으면서도 볼록렌즈와 동일한 기능을 가지도록 구성된 렌즈이다. 따라서 상기 1차적 광학 구성요소(12)를 프레즈넬 렌즈로 사용하면 일반적인 볼록렌즈를 사용하는 경우보다 전체적인 크기를 감소시킬 수 있다.
상기 1차적 광학 구성요소(12)는 베이스플레이트(18)에 결합되는 지지부(11)에 의해 지지되어 집광형 태양광 발전 장치의 상부에 구비될 수 있다, 다만, 본 발명은 상기 지지부(11)의 구체적인 형태나 구성에 의해 한정되지 않으며, 상기 지지부(11)는 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 리시버(16)는 태양전지(14)를 포함하며, 베이스플레이트(18)에 결합되어 고정된다. 상기 리시버(16)는 태양전지(14)가 장착되는 회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 형태의 셀마운트로 이루어질 수도 있으며, 한국공개특허 제10-2010-0135200호에 개시된 바와 같이 태양전지(14) 외에 세라믹 기판, 히트싱크를 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 즉, 본 발명은 상기 리시버(16)의 구체적인 구성에 의해 한정되지 않으며, 상기 리시버(16)는 태양전지(14)가 장착되며 베이스플레이트(18)에 결합 고정되기 위한 어떠한 형태로도 구성될 수 있다.
상기 태양전지(14)는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 구성으로서, 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 태양전지(multi-junction solar cell)가 사용되는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명은 그에 한정하지 않으며 다른 형태의 태양전지가 사용될 수도 있다.
상기 2차렌즈(20)는 1차적 광학 구성요소(12)로부터 집광된 태양광을 태양전지(14)로 2차적으로 집광하는 구성으로서, 특히 1차적 광학 구성요소(12)로부터 집광된 광이 태양전지(14)로 균일하게 분배하는(uniform light distribution) 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행하는 구성이다.
이를 위해, 상기 2차렌즈(20)는 1차적 광학 구성요소(12)로부터 집광된 태양광이 입사되는 입사면(21)과, 상기 입사면(21)으로 입사된 태양광이 전반사되는 측면(22)과, 상기 입사면(21)으로 입사된 태양광과 상기 측면(21)에서 전반사된 태양광이 출사되는 출사면(23)을 구비한다. 즉, 상기 2차렌즈(20)는 입사면(21)으로 입사된 태양광이 측면(22)에서 여러번 전반사되도록 함으로써 태양전지(14)로 태양광이 균일하게 분배되도록 하는 것이다.
한편, 도 4에서 보이는 바와 같이, 상기 2차렌즈(20)는 단면이 위에서 아래로 갈수록 좁아지는 테이퍼(taper) 형상으로 이루어짐이 일반적인데, 이는 1차적 광학 구성요소(12)로부터 집광된 태양광이 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)에서 전반사됨에 따라 태양전지(14)로 집광되도록 하기 위함이며, 특히 2차렌즈(20)의 측면(22)에서 전반사되는 횟수를 증가시킴으로써 태양전지(14)로 입사되는 태양광을 균일하게 분배하기 위함이다.
그러나, 도 1에서 보이는 바와 같이, 상기 2차렌즈(20)가 테이퍼진 형상으로 이루어지면 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)에서 전반사되는 전반사 각도가 아래로 갈수록 작아지게 되고, 그에 따라 태양전지(14)로 출사되는 태양광의 각도 즉, 태앙전지(14)로 입사되는 태양광의 입사각(θ)은 커지는 문제가 발생하는데, 이는 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)이 아래로 갈수록 내측으로 경사지는 형태를 갖기 때문에 나타나는 현상이다. 그리고, 이러한 현상은 태양전지(14)의 효율을 감소시키는 결과를 초래한다.
따라서, 본 발명에 따른 집광형 태양광 발전 장치(10)는 이러한 문제를 해결하기 위하여 1차적 광학 구성요소(12)로부터 집광되어 2차렌즈(20)의 입사면(21)으로 입사된 태양광이 상기 2차렌즈(20)의 츨사면(23)으로 출사될 때에는 태양광의 입사각(θ)이 작아질 수 있도록 하는 전반사각 보정부(30)를 더 포함한다.
상기 전반사각 보정부(30)는 2차렌즈(20) 내에서의 태양광의 전반사 각도가 커지는 방향으로 보정할 수 있도록 적어도 하나 이상의 전반사면을 가지도록 상기 2차렌즈(20)에 구비되는데, 이러한 상기 전반사각 보정부(30)의 작용 및 이를 위한 상기 전반사각 보정부(30)의 다양한 실시 예에 대해서는 후술한다.
한편, 도 4에는 상기 2차렌즈(20)의 형상이 테이퍼(taper)의 형상을 갖는 것이 도시되지만, 본 발명에 있어서 상기 2차렌즈(20)의 형상은 그러한 테이퍼 형상에 한정되지 않는다. 즉, 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)은 테이퍼 형상에 기인한 직선의 형태로 이루어질 수도 있으나, 그에 한정하지 않으며 도 5에서 보이는 바와 같이 곡선의 형태로 이루어질 수도 있다. 그리고 이와 같이 곡선의 측면부를 가지는 2차렌즈(20)의 경우에도 상술한 바와 같은 문제 즉, 태양광의 입사각(θ)이 커지는 문제가 발생한다. 이는 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)이 아래로 갈수록 내측으로 경사지는 형태를 갖기 때문에 나타나는 현상이기도 하지만, 보다 본질적으로는 2차렌즈(20)의 입사면(21)의 폭 보다 출사면(23)의 폭이 작아짐으로써 발생하는 현상이기 때문이다.
따라서, 본 발명에 있어서 상기 2차렌즈(20)는 입사면(21)의 폭 보다 출사면(23)의 폭이 작은 형태를 가지는 것으로 정의할 수 있으며, 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)은 직선 또는/및 곡선의 형태를 가지는 것에 한정되지 않으며, 나아가 상기 2차렌즈(20)의 단면의 형상은 사각형, 삼각형, 그 이상의 다각형 또는 원형으로도 이루어질 수 있으며, 특히 그 단면의 크기 또는/및 형상이 변화되는 형상으로도 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 2차렌즈(20)는 그 단면의 형상에 의해 한정되지 않는다 할 것이며, 보다 본질적으로 상기 2차렌즈(20)는 입사면(21)의 폭 보다 출사면(23)의 폭이 작은 형태를 가지는 것으로 정의할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 반사각 보정부(30)의 작용에 대하여 상세히 설명한다.
도 4에는 상기 전반사각 보정부(30)가 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 내측면(32)을 가지는 전반사각 보정홈(34)의 형태로 이루어진 것이 도시된다. 그러나, 본 발명에 따른 집광형 태양광 발전 장치(10)에 있어서 상기 전반사각 보정부(30)는 전반사각 보정홈(34)에 한정되지 않으며, 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 전반사면을 가지는 어떠한 형태로도 이루어질 수 있다. 다만, 이러한 다양한 형태를 가지는 전반사각 보정부(30)의 다양한 실시 예에 대해서는 후술하기로 하며, 여기서는 도 4를 참조하여 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 내측면(32)을 가지는 홈(34)의 형태로 이루어진 전반사각 보정부(30)를 통해 그 작용에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4에서 보이는 바와 같이, 상기 2차렌즈(20)의 입사면(21)으로 입사된 태양광(S1)이 상기 홈(34)의 내측면(32)에 전반사되는 각도(θ1)는 상기 홈(34)이 구비되지 않았을 경우에 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)에 전반사되는 각도(θ2)보다 큰 것을 알 수 있다.
또한, 상기 2차렌즈(20)의 입사면(21)으로 입사되어 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)에 전반사된 태양광(S2)이 상기 홈(34)의 내측면(32)에 전반사되는 각도(θ3)는 상기 홈(34)이 구비되지 않았을 경우에 상기 2차렌즈(20)의 다른 측면(22)에 전반사되는 각도(θ4)보다 큰 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)에 의하면 2차렌즈(20)의 입사면(21)으로 입사된 태양광은 상기 2차렌즈(20)에 구비된 적어도 하나 이상의 전반사면(32)에 의해 전반사됨으로써 전반사 각도가 커지는 방향으로 보정될 수 있으며, 그에 따라 태양전지(14)로 입사되는 입사각(θ)이 작아지게 되어 태양전지(14)의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)의 다양한 실시 예들에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)가 내측면(32)을 가지는 전반사각 보정홈(34)의 형태로 이루어진 실시 예에 대하여 설명한다.
도 4에서 보이는 바와 같이, 상기 전반사각 보정부(30)는 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 내측면(32)을 가지도록 상기 2차렌즈(20)의 입사면(21)으로부터 소정깊이 형성되는 전반사각 보정홈(34)으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 전반사각 보정홈(34)의 단면은 원형, 삼각형, 사각형 또는 그 이상의 다각형으로 이루어질 수 있으며, 그에 따라 상기 내측면(32)은 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)가 전반사각 보정홈(34)으로 이루어질 경우에 본 발명은 상기 전반사각 보정홈(34)의 단면의 형상에 의해 한정되지 않는다.
또한, 상기 전반사각 보정홈(34)의 단면의 크기 또는/및 깊이는 설계하고자 하는 목적에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명은 상기 전반사각 보정홈(34)의 단면의 크기 또는/및 깊이에 의해 한정되지 않는다.
또한, 도 4에서 보이는 바와 같이, 상기 전반사각 보정홈(34)은 2차렌즈(20)의 중심부에 형성되는 것이 바람직하지만, 본 발명은 그에 한정하는 것은 아니며 2차렌즈(20)의 가장자리에 형성될 수도 있으며, 중심부와 가장자리에 복수개 형성될 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)가 전반사각 보정홈(34)의 행태로 이루어지는 경우에 본 발명은 상기 전반사각 보정홈(34)이 형성되는 위치 및 그 개수에 의해 한정되지 않는다.
한편, 도 4에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)가 전반사각 보정홈(34)의 형태로 이루어지는 경우에는 2차렌즈(20)의 입사면(21)으로 입사된 태양광의 전반사 횟수가 증가함을 알 수 있는데, 이와 같이 전반사 횟수가 증가하게 되면 그만큼 태양전지(14)로 입사되는 태양광이 더욱 균일하게 태양전지(14)로 분배될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)가 전반사각 보정홈(34)의 형태로 이루어지는 경우에는 태양전지(14)로 입사되는 입사각(θ)이 작아질 수 있을 뿐만 아니라 태양전지(14)로 입사되는 태양광이 더욱 균일하게 분배될 수 있어서, 태양전지(14)의 효율을 극대화시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 2차렌즈(20)는 측면(22)이 직선으로 이루어지는 테이퍼 형상으로 이루어질 수도 있지만, 도 5에서 보이는 바와 같이 상기 2차렌즈(20)의 측면이(22)이 곡선으로 이루어질 수도 있음은 상술한 바와 같다.
또한, 도 4에는 상기 전반사각 보정홈(34)의 내측면(32)이 2차렌즈(20)의 중심선(24)과 대략 평행하게 형성된 것이 도시되지만 본 발명은 그에 한정하지 않으며, 상기 전반사각 보정홈(34)의 내측면(32)의 경사는 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)의 경사와 비교하여 다음과 같은 조건을 만족하는 경우에는 본 발명에 따른 전반사각 보정홈(34)의 효과 즉, 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 효과를 기대할 수 있으며, 따라서 상기 전반사각 보정홈(34)의 내측면(32)의 경사는 다음과 같은 조건을 만족하도록 구비되는 것이 바람직하다 할 것이다.
이하 도 6 및 도 7을 참조하여 이러한 조건에 대하여 상세히 설명한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 전반사각 보정홈(34)의 내측면(32)은 서로 마주하는 제1내측면(322)과 제2내측면(324)을 가지며, 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)은 상기 제1내측면(322)과 인접하는 제1측면(222)과, 상기 제2내측면(324)과 인접하는 제2측면(224)을 가진다. 또한, 상기 제1측면(222)은 상기 제2내측면(324)의 반대측에 해당하는 상기 2차렌즈(20)의 반대측 측면(222)이라 정의할 수 있으며, 상기 제2측면(224)은 상기 제1내측면(322)의 반대측에 해당하는 상기 2차렌즈(20)의 반대측 측면(224)라 정의할 수 있다. 또한, 이러한 정의는 상기 전반사각 보정홈(34)의 단면의 형상, 형성 위치에 무관하게 적용될 수 있으며, 상기 전반사각 보정홈(34)이 복수개 형성된 경우에도 각각의 전반사각 보정홈(34)에 적용될 수 있다. 즉, 상기 전반사각 보정홈(34)은 어떠한 형태로 형성되더라도 그 내측면(32)은 서로 마주하는 제1내측면(322)과 제2내측면(324)를 가지며, 이 경우 2차렌즈(20)의 측면(22)은 상기 제1내측면(322)에 인접하며 상기 제2내측면(324)에 반대측에 해당하는 제1측면(222)과, 상기 제2내측면(324)에 인접하며 상기 제1내측면(322)에 반대측에 해당하는 제2측면(224)을 가진다.
한편, 도 6에는 상기 제1내측면(322)이 2차렌즈(20)의 중심선(24)을 기준으로 상기 제2측면(224)과 같은 방향으로 경사지며, 상기 제2내측면(324)이 2차렌즈(20)의 중심선(24)을 기준으로 상기 제1측면(222)과 같은 방향으로 경사진 형태의 전반사각 보정홈(342)이 도시되며, 도 7에는 상기 제1내측면(322)이 제2측면(224)과 다른 방향으로 경사지며 상기 제2내측면(324)이 제1측면(222)과 다른 방향으로 경사진 형태의 전반사각 보정홈(344)이 도시된다.
도 6에서 보이는 바와 같이, 상기 제1내측면(322)이 상기 제2측면(224)과 같은 방향으로 경사진 경우에 상기 제1내측면(322)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ5)는 상기 제2측면(224)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ6)보다 작은 것이 바람직하다. 상기 제1내측면(322)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ5)가 상기 제2측면(224)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ6)와 같거나 큰 경우에는 2차렌즈(20)에 입사된 태양광(S3)이 상기 제1내측면(322)에서 전반사되는 각도(θ7)는 상기 제2측면(224)에서 전반사되는 각도(θ8)와 동일하거나 작아지게 되므로 본 발명에 따른 전반사각 보정홈(34)의 효과 즉, 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 효과를 기대할 수 없기 때문이다.
마찬가지로, 상기 제2내측면(324)이 상기 제1측면(222)과 같은 방향으로 경사진 경우에 상기 제2내측면(324)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ9)는 상기 제1측면(222)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ10)보다 작은 것이 바람직하다. 상기 제2내측면(324)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ9)가 상기 제1측면(222)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ10)와 같거나 큰 경우에는 2차렌즈(20)에 입사된 태양광(S4)이 상기 제2내측면(324)에서 전반사되는 각도(θ11)는 상기 제1측면(222)에서 전반사되는 각도(θ12)와 동일하거나 작아지게 되므로 본 발명에 따른 전반사각 보정홈(34)의 효과 즉, 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 효과를 기대할 수 없기 때문이다.
그러나, 도 7에서 보이는 바와 같이, 상기 제1내측면(322)이 상기 제2측면(224)과 다른 방향으로 경사진 경우에는 상기 제1내측면(322)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ13)와 무관하게 2차렌즈(20)에 입사된 태양광(S5)이 상기 제1내측면(322)에서 전반사되는 각도(θ14)는 상기 제2측면(224)에서 전반사되는 각도(θ15)보다 커지게 되므로 본 발명에 따른 전반사각 보정홈(34)의 효과 즉, 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
마찬가지로, 상기 제2내측면(324)이 상기 제1측면(222)과 다른 방향으로 경사진 경우에는 상기 제2내측면(324)이 중심선(24)을 기준으로 경사진 각도(θ16)와 무관하게 2차렌즈(20)에 입사된 태양광(S6)이 상기 제2내측면(324)에서 전반사되는 각도(θ17)는 상기 제1측면(222)에서 전반사되는 각도(θ18)보다 커지게 되므로 본 발명에 따른 전반사각 보정홈(34)의 효과 즉, 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
따라서, 상기 전반사각 보정홈(34)의 내측면(32)은 상기 2차렌즈(20)의 반대측 측면(22)이 2차렌즈(20)의 중심선(24)을 기준으로 경사진 방향과 반대방향으로 경사지거나, 또는 상기 전반사각 보정홈(34)의 내측면(32)이 2차렌즈(20)의 중심선(24)을 기준으로 상기 2차렌즈(20)의 반대측 측면(22)과 같은 방향으로 경사진 경우에는 상기 반대측 측면(22)보다 작게 경사지는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 바와 같은 상기 전반사각 보정홈(34)의 내측면(32)의 경사 조건은 도 6 및 도 7에서 보이는 바와 같이 2차렌즈(20)가 테이퍼 형상으로 이루어져 측면(22)이 직선으로 이루어지는 경우뿐만 아니라, 도 5에서 보이는 바와 같이 2차렌즈(20)의 측면(22)이 곡선으로 이루어지는 경우에도 적용될 수 있으며, 이 경우 상기 내측면(32)의 경사는 상기 측면(22)의 법선의 경사와 다른 방향으로 경사지거나 또는 동일한 방향으로 경사진 경우에는 상기 법선의 경사보다 작게 경사지는 것이 바람직하다.
또한, 도 8에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)는 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 내측면(32)을 가지며, 2차렌즈(20)의 입사면(21)으로부터 출사면(23)까지 관통되는 관통홀(36)로 이루어질 수도 있다.
다만, 도 8에서 보이는 바와 같이, 상기 전반사각 보정부(30)가 관통홀(36)로 이루어지는 경우에는 2차렌즈(20)의 입사면(21) 가장자리로 입사된 태양광(S7)은 출사면(23)으로 출사될 때까지 다른 가장자리로 전반사됨이 없이 계속 같은 가장자리에서 전반사됨을 알 수 있는데, 이는 태양전지(14)로 입사되는 태양광의 균일성 측면에서 바람직하지 않다 할 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)는 소정깊이를 갖는 전반사각 보정홈(34)의 형태로 이루어져 상기 전반사각 보정홈(34)의 하부에서는 2차렌즈(20)의 측면(22)에서 전반사 될 수 있도록 하여 태양전지(14)로 입사되는 태양광의 균일성을 향상시키는 것이 보다 바람직하다 할 것이다.
도 9 및 도 10은 2차렌즈(20)의 입사면(21)의 평면도로서, 상기 전반사각 보정부(30)가 전반사각 보정홈(34)의 형태로 이루어지는 경우에 있어서 상기 전반사각 보정홈(34)의 단면의 형상과 위치에 대한 바람직한 실시 예를 나타내는 도면이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)가 전반사각 보정홈(34)의 형태로 이루어짐에 있어서 상기 전반사각 보정홈(34)은 단면의 형상 또는/및 그 형성 위치에 의해 한정되지 않지만, 전반사각 보정부(30)가 구비된 2차렌즈(20)를 실제로 제조하기 위한 측면과 상기 전반사각 보정부(30)로 인한 태양전지(14)의 효율 극대화 측면에서는 도 9 및 도 10에서 보이는 바와 같이 상기 전반사각 보정홈(34)의 단면은 십자 또는 일자 형태로 이루어지며, 상기 전반사각 보정홈(34)은 상기 2차렌즈(20)의 입사면(21)의 중심부에 형성되는 것이 바람직하다.
또 다른 실시 예로서, 도 11에서 보이는 바와 같이 상기 전반사각 보정부(30)는 2차렌즈(20)의 입사면(21)의 중심부를 중심으로 소정간격으로 다수개 형성되어 원형의 띠 형상의 단면을 가지는 전반사각 보정홈(34)으로 이루어질 수도 있다.
도 12는 전반사각 보정홈(34)으로 입사된 태양광이 태양전지로 입사되지 못하고 2차렌즈(20)의 외부로 배출되어 손실되는 경우를 나타내는 도면이다.
도 12에서 보이는 바와 같이, 상기 1차적 광학 구성요소(12)로부터 집광되어 2차렌즈(20)의 입사면(21)으로 집광되는 태양광(S8)이 상기 전반사각 보정홈(34)으로 입사되면 태양광은 상기 전반사각 보정홈(34)의 내측면(32)과 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)에서 굴절되어 2차렌즈(20)의 외부로 배출됨으로써 손실이 발생하게 되므로 바람직하지 않다.
따라서, 상기 전반사각 보정부(30)가 2차렌즈(20)의 입사면(21)에 형성되는 전반사각 보정홈(34)으로 이루어지는 경우에는 상기 1차적 광학 구성요소(12)는 상기 입사면(21) 중 상기 전반사각 보정홈(34)을 제외한 나머지 영역에 태양광이 집광되도록 구비되는 것이 바람직하다.
도 13은 도 9에 따른 2차렌즈(20)에 대응하는 바람직한 1차적 광학 구성요소(12)의 일실시 예를 나타내는 평면도이고, 도 14는 도 10에 따른 2차렌즈(20)에 대응하는 바람직한 1차적 광학 구성요소(12)의 일실시 예를 나타내는 평면도이다.
도 9 및 도 13에서 보이는 바와 같이, 상기 전반사각 보정홈(34)의 단면이 십자 형태로 이루어져 2차렌즈(20)의 입사면(21)이 대략 4개의 부분(211,212,213,214)으로 나누어지는 경우에 상기 1차적 광학 구성요소(12)는 상기 4개의 부분(211,212,213,214) 각각으로 태양광을 집광시키는 4개의 집광부(121,122,123,124)가 각각 구비될 수 있다.
또한, 도 10 및 도 14에서 보이는 바와 같이, 상기 전반사각 보정홈(34)의 단면이 일자 형태로 이루어져 2차렌즈(20)의 입사면(21)이 대략 2개의 부분(215,216)으로 나누어지는 경우에 상기 1차적 광학 구성요소(12)는 상기 2개의 부분(215,216) 각각으로 태양광을 집광시키는 2개의 집광부(125,126)가 각각 구비될 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 상기 전반사각 보정홈(34)의 형태는 다양하게 형성될 수 있으며, 본 발명은 상기 전반사각 보정홈(34)의 형태에 의해 한정되지 않으며, 따라서 상기 1차적 광학 구성요소(12)의 구성은 상기 전반사각 보정홈(34)의 형태에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명은 상기 1차적 광학 구성요소(12)의 구성에 의해 한정되지 않는다. 즉, 본 발명에 있어서 상기 1차적 광학 구성요소(12)의 구체적인 구성은 2차렌즈(20)의 입사면(21)에 형성된 전반사각 보정홈(34)의 형태에 따라 달라질 수 있으며, 특히 상기 1차적 광학 구성요소(12)는 상기 전반사각 보정홈(34) 외의 영역으로 태양광이 집광되도록 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 이러한 1차적 구성요소(12)의 구성에 대한 설계는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 적용 및 설계할 수 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 도 15에서 보이는 바와 같이, 상기 전반사각 보정홈(34)의 내측면(32)에는 상기 전반사각 보정홈(34)으로 입사된 태양광(S9)을 반사시키는 반사면(reflective face)(38)이 더 형성될 수도 있다. 그러면, 상기 전반사각 보정홈(34)으로 입사된 태양광은 상기 내측면(32)에 형성된 반사면(38)에 의해 반사되면서 상기 전반사각 보정홈(34)의 저면(39)을 통해 다시 2차렌즈(20)로 입사하게 되므로, 태양광이 외부로 배출되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.
상기 반사면(38)는 알루미늄, 은 등과 같은 고반사율 물질로 이루어진 반사판(reflective plate)이 상기 내측면(32)에 부착됨으로써 구비될 수 있으며, 또는 고반사율 물질로 코팅 또는 증착에 의해 상기 내측면(32)에 형성될 수도 있다.
도 16은 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)의 다른 실시 예를 나타내는 도면으로서, 본 실시 예에서는 전반사각 보정부(30)가 전반사각 보정홈(34)의 형태가 아닌 다른 형태로 이루어진 것이 나타난다.
즉, 도 16에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 전반사각 보정부(40)는 2차렌즈(20)의 측면(22)이 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 다수의 전반사면을 가지는 그레이팅면(42)으로 이루어질 수 있다.
또한, 도 17에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 전반사각 보정부(50)는 상술한 바와 같이 다양한 형태로 이루어지는 전반사각 보정홈(34)과, 상기 2차렌즈(20)의 측면(22)에 형성되는 그레이팅면(42)을 포함하여 이루어질 수도 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 전반사각 보정부(30)는 2차렌즈(20)의 측면(22)에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 적어도 하나 이상의전반사면을 가지도록 2차렌즈(20)에 구비되는 것을 특징으로 하는 것으로서, 그 실시 형태는 다양한 형태로 변경가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 개시된 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경 가능한 모든 형태도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.
10 : 집광형 태양광 발전 장치 12 : 1차적 광학 구성요소
14 : 태양전지 16 : 리시버
18 : 베이스플레이트 20 : 2차 렌즈
30 : 전반사각 보정부 34 : 전반사각 보정홈
42 : 그레이팅 면

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 태양광을 1차적으로 집광하는 1차적 광학 구성요소(primary optical element);
    태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지(solar cell);
    상기 1차적 광학 구성요소와 상기 태양전지 사이에 구비되어 상기 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광을 상기 태양전지로 균일하게 분배하는 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행하도록 상기 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광이 입사되는 입사면과, 상기 입사면으로 입사된 태양광이 전반사되는 측면과, 상기 입사면으로 입사된 태양광과 상기 측면에서 전반사된 태양광이 출사되며 상기 입사면보다 작은 폭을 가지는 출사면을 구비하는 2차렌즈(secondary lens); 및
    상기 측면에서의 전반사 각도가 커지도록 보정하여 상기 태양전지로 입사되는 입사각을 작게하는 적어도 하나 이상의 전반사면을 가지도록 상기 2차렌즈에 구비되는 전반사각 보정부;를 포함하고,
    상기 전반사각 보정부는 상기 측면에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 내측면을 가지도록 상기 입사면으로부터 소정깊이 형성되는 전반사각 보정홈인 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내측면은 상기 2차렌즈의 반대측 측면이 상기 2차렌즈의 중심선을 기준으로 경사진 방향과 반대방향으로 경사지거나 또는 상기 내측면이 상기 2차렌즈의 반대측 측면과 같은 방향으로 경사진 경우에는 상기 2차렌즈의 중심선을 기준으로상기 2차렌즈의 반대측 측면보다 작게 경사지는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 내측면은 상기 2차렌즈의 중심선과 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전반사각 보정홈은 상기 입사면의 중심부에 형성되며, 십자 또는 일자 형상의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 1차적 광학 구성요소는 상기 2차렌즈의 입사면 중 상기 전반사각 보정홈을 제외한 나머지 영역에 태양광을 집광하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전 장치.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전반사각 보정홈으로 입사된 태양광이 반사되어 상기 전반사각 보정홈의 저면으로 입사되도록 상기 내측면에 형성되는 반사면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전 장치.
  8. 태양광을 1차적으로 집광하는 1차적 광학 구성요소(primary optical element);
    태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지(solar cell);
    상기 1차적 광학 구성요소와 상기 태양전지 사이에 구비되어 상기 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광을 상기 태양전지로 균일하게 분배하는 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행하도록 상기 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광이 입사되는 입사면과, 상기 입사면으로 입사된 태양광이 전반사되는 측면과, 상기 입사면으로 입사된 태양광과 상기 측면에서 전반사된 태양광이 출사되며 상기 입사면보다 작은 폭을 가지는 출사면을 구비하는 2차렌즈(secondary lens); 및
    상기 측면에서의 전반사 각도가 커지도록 보정하여 상기 태양전지로 입사되는 입사각을 작게하는 적어도 하나 이상의 전반사면을 가지도록 상기 2차렌즈에 구비되는 전반사각 보정부;를 포함하고,
    상기 전반사각 보정부는 상기 2차렌즈의 측면에 형성되는 그레이팅면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전 장치.
  9. 태양광을 1차적으로 집광하는 1차적 광학 구성요소(primary optical element);
    태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지(solar cell);
    상기 1차적 광학 구성요소와 상기 태양전지 사이에 구비되어 상기 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광을 상기 태양전지로 균일하게 분배하는 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행하도록 상기 1차적 광학 구성요소로부터 집광된 태양광이 입사되는 입사면과, 상기 입사면으로 입사된 태양광이 전반사되는 측면과, 상기 입사면으로 입사된 태양광과 상기 측면에서 전반사된 태양광이 출사되며 상기 입사면보다 작은 폭을 가지는 출사면을 구비하는 2차렌즈(secondary lens); 및
    상기 측면에서의 전반사 각도가 커지도록 보정하여 상기 태양전지로 입사되는 입사각을 작게하는 적어도 하나 이상의 전반사면을 가지도록 상기 2차렌즈에 구비되는 전반사각 보정부;를 포함하고,
    상기 전반사각 보정부는 상기 측면에서의 전반사 각도가 커지도록 보정할 수 있는 내측면을 가지도록 상기 입사면으로부터 소정깊이 형성되는 전반사각 보정홈과, 상기 2차렌즈의 측면에 형성되는 그레이팅면을 포함하는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전 장치.
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