KR101272121B1 - 집광형 태양전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집광형 태양전지모듈(Concentrating Photovoltaic module)에 관한 것으로서, 구체적으로는 태양전지모듈의 두께를 감소시켜 전체적인 부피를 줄일 수 있으며, 태양전지로 입사되는 입사각이 작아지도록 하여 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있으며, 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소의 배치를 최적화함으로써 광 효율을 향상시킬 수 있는 집광형 태양전지모듈에 관한 것이다.

Description

집광형 태양전지모듈{Concentrating Photovoltaic module}
본 발명은 집광형 태양전지모듈(Concentrating Photovoltaic module)에 관한 것으로서, 구체적으로는 태양전지모듈의 두께를 감소시켜 전체적인 부피를 줄일 수 있으며, 태양전지로 입사되는 입사각이 작아지도록 하여 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있으며, 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소의 배치를 최적화함으로써 광 효율을 향상시킬 수 있는 집광형 태양전지모듈에 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 발전장치에 사용되는 태양전지모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 집광형 태양전지모듈은 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지(1), 광을 1차적으로 집광시키는 1차 광학 구성요소(primary optical element)(2), 상기 1차 광학 구성요소(2)로부터 집광된 광을 상기 태양전지(1)로 2차적으로 집광시키는 2차 광학 구성요소(secondary optical element)(3)를 포함한다.
여기서, 상기 2차 광학 구성요소(3)는 1차 광학 구성요소(2)로부터 집광된 광을 태양전지(1)로 2차적으로 집광함에 있어서 1차 광학 구성요소(2)로부터 집광된 광이 태양전지(1)로 균일하게 분배되도록 하는 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행한다.
이러한 집광형 태양전지모듈에 사용되는 다중접합 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 태양전지(1)로 입사되는 광이 균일하게 분배되도록 할 필요가 있으며, 이러한 기능은 1차 광학 구성요소(2)만으로 설계하기가 매우 어려우므로 종래의 집광형 태양전지모듈은 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행하는 2차 구성요소(3)를 포함하여 이루어지는 것이 일반적이다.
또한, 도 1 및 도 2에서 보이는 바와 같이, 태양전지(1)의 효율은 입사각(θ)의 크기에 선형적으로 비례하여 저하되기 때문에, 태양전지(1)의 효율을 극대화시키기 위해서는 태양전지(1)로 입사되는 광이 균일하게 분배되도록 할 뿐만 아니라 태양전지(1)로 입사되는 입사각(θ)이 작아지도록 할 필요가 있다.
그러나, 종래의 집광형 태양전지모듈은 대표적인 1차 광학 구성요소로 사용되는 Fresnel Lens 또는 Mirror 등의 광학적 원리에 의해 적정 초점거리 유지가 필요한데, 이로 인해서 기존 실리콘 태양전지모듈에 비해 모듈의 부피가 5~10배 커지는 문제가 있어 제품의 제조원가 및 방법, 설치, 운영에 있어서 실리콘 태양전지모듈에 비해 불리한 점이 있다. 따라서, 일부 제조사에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 1차 집광장치와 태양전지의 크기를 함께 줄임으로써 최적 효율의 집광비율은 유지하는 동시에 초점거리를 줄이려는 노력을 시도하고 있으나, 이 경우 동일 모듈출력을 위해 사용되는 부품 수의 증가로 인하여 제조비용이 증가하는 문제가 있다.
최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 초점거리를 줄임으로써 두께를 줄일 수 있도록 내부전반사형 프레즈널 렌즈(Total Internal Reflection Fresnel Lens, TIR FL)를 이용한 집광형 태양전지모듈에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이러한 종래기술로 US 2008/0092879 A1(이하, '선행기술'이라 한다)가 개시된다.
도 3은 선행기술에 따른 집광형 태양전지모듈을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 선행기술에 따른 집광형 태양전지모듈은 태양전지(4), TIR FL 타입의 1차 광학 구성요소(5), 1차 광학 구성요소(4)로부터 집광된 광이 태양전지(4)로 집광되도록 굴절시키는 2차 광학 구성요소(6)를 포함한다.
그러나, 도 3에서 보이는 바와 같이, 1차 광학 구성요소(5)에서 전반사되어 2차 광학 구성요소(6)로 입사된 광(7)은 2차 광학 구성요소(6)에서 굴절되어 태양전지(4)로 입사되는 입사각(θ)이 매우 커지게 되어 태양전지(4)의 효율이 저하되는 문제가 있다.
선행기술 : US 2008 / 0092879 A1
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 1차 광학 구성요소의 초점거리를 줄임으로써 태양전지모듈의 두께를 감소시켜 전체적인 부피를 줄일 수 있으면서도 태양전지로 입사되는 입사각이 작아지도록 하여 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 집광형 태양전지모듈을 제공하는 것이다.
또한, 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소의 배치를 최적화함으로써 광의 손실을 최소화시키고 태양전지로 집광되는 광의 균일도를 향상시킴으로써 전체적인 광 효율을 향상시킬 수 있는 집광형 태양전지모듈을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈은 태양전지(photovoltaic cell), 입사된 광을 1차적으로 집광시키는 1차 광학 구성요소(primary optical element) 및 상기 1차 광학 구성요소로부터 집광된 광을 상기 태양전지로 2차적으로 집광시키는 2차 광학 구성요소(secondary optical element)를 포함하는 집광형 태양전지모듈에 있어서, 상기 1차 광학 구성요소는 평면상 사각형의 형상을 가지며, 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시켜 상기 2차 광학 구성요소의 측면으로 출광시키는 주변부가 구비되며, 상기 2차 광학 구성요소는 상기 1차 광학 구성요소에 대응하도록 평면상 사각형의 형상으로 이루어져 상기 측면으로 입사된 광을 상기 태양전지로 집광시키며, 평면상 상기 1차 광학 구성요소의 어느 하나의 모서리부로 입사되어 중심방향으로 반사 또는 전반사되어 출광된 광이 상기 2차 광학 구성요소의 어느 하나의 일면의 측면으로 입사되도록 상기 1차 광학 구성요소와 소정각도 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에서의 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈은 상기 2차 광학 구성요소는 상기 1차 광학 구성요소에 대응하도록 평면상 사각형의 형상으로 이루어져 상기 측면으로 입사된 광을 상기 태양전지로 집광시키며, 평면상 서로 인접하는 2개의 면이 상기 1차 광학 구성요소의 어느 일면에 마주하도록 상기 2차 광학 구성요소와 소정각도 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 측면에서의 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈은 상기 1차 광학 구성요소는 평면상 적어도 사각형 이상의 다각형 형상을 가지며, 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시켜 상기 2차 광학 구성요소의 측면으로 출광시키는 주변부가 구비되며, 상기 2차 광학 구성요소는 상기 1차 광학 구성요소에 대응하도록 평면상 상기 1차 광학 구성요소와 동일한 다각형 형상으로 이루어져 상기 측면으로 입사된 광을 상기 태양전지로 집광시키며, 평면상 상기 1차 광학 구성요소의 어느 하나의 모서리부로 입사되어 중심방향으로 반사 또는 전반사되어 출광된 광이 상기 2차 광학 구성요소의 어느 하나의 일면의 측면으로 입사되도록 상기 1차 광학 구성요소와 소정각도 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 1차 광학 구성요소의 주변부로 입사된 광이 중심방향으로 편향되어 2차 광학 구성요소의 측면으로 입사되도록 함으로써 태양전지모듈의 두께를 줄여 전체적인 부피를 줄일 수 있으며, 2차 광학 구성요소의 측면으로 입사된 광이 2차 광학 구성요소의 상면에서 반사 또는 전반사되어 태양전지로 입사되는 입사각이 작아지도록 함으로써 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소를 평면상 소정각도 어긋나게 배치함으로써 광 손실을 줄이고 태양전지로 집광되는 광의 균일도를 향상시킬 수 있으며 그에 따라 전체적인 광 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 집광형 태양전지모듈을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 2는 태양전지의 효율과 태양전지로 입사되는 태양광의 입사각과의 관계를 나타내는 도표이고,
도 3은 선행기술에 따른 집광형 태양전지모듈을 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈을 나타내는 도면이고,
도 5 내지 도 8은 본 발명의 2차 광학 구성요소의 일실시 예들을 나타내는 도면이고,
도 9 및 도 10은 측면과 함몰부의 내측면이 이루는 각이 하방으로 갈수록 커지도록 구비된 실시 예들을 나타내는 도면이고,
도 11은 본 발명에 따른 2차 광학 구성요소의 다른 실시 예를 나타내는 도면이고,
도 12는 본 발명에 따른 2차 광학 구성요소의 또 다른 실시 예를 나타내는 도면이고,
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양전지모듈을 나타내는 도면이고,
도 14는 본 발명의 일실시 예에 따른 태양전지모듈의 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소의 배치 형태에 대한 일실시 예를 나타내는 평면도이고,
도 15는 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소의 배치 형태에 대한 다른 실시 예를 나타내는 평면도이고,
도 16은 도 14에 따른 태양전지모듈의 균일도를 나타내는 도표이고,
도 17은 도 15에 따른 태양전지모듈의 균일도를 나타내는 도표이고,
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양전지모듈의 평면도이다.
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, 첨부 도면에서, 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이며, 따라서 본 발명은 첨부도면에 도시된 상대적인 크기나 두께에 의해 제한되지 않는다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(10)은 태양전지(photovoltaic cell)(12), 입사된 광을 1차적으로 집광시키는 1차 광학 구성요소(primary optical element)(20) 및 상기 1차 광학 구성요소(20)로부터 집광된 광을 상기 태양전지(12)로 2차적으로 집광시키는 2차 광학 구성요소(secondary optical element)(30)를 포함한다.
상기 태양전지(12)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 1차 광학 구성요소(20)는 태양전지(12) 상부에 위치하며, 상기 1차 광학 구성요소(20)에는 입사된 광을 집광시키는 중심부(21)와, 입사된 광이 중심방향으로 편향되어(deflecting) 출광되도록 반사 또는 전반사시키는 주변부(22)가 구비될 수 있다.
상기 중심부(21)는 2차 광학 구성요소(30)의 상부에 위치하며, 상기 중심부(21)에는 광이 입사되는 입사면(23)과, 상기 입사면(23)으로 입사된 광이 출사되는 출사면(24)이 구비될 수 있으며, 상기 출사면(24)은 입사된 광이 2차 광학 구성요소(30)의 상면에 집광될 수 있도록 구면 또는 비구면으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 보이는 바와 같이, 상기 출사면(24)은 굴절에 의해 광을 집광시킬 수 있도록 아래로 볼록한 비구면 형태로 구비될 수 있다. 또한, 도 4에는 입사된 광을 집광하는 기능이 출사면(24)에서 이루어지도록 출사면(24)이 아래로 볼록한 형태로 구비된 것이 도시되지만, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 광을 집광시키기 위한 기능이 입사면(23)에서도 이루어질 수 있도록 상기 입사면(23)과 출사면(24)은 다양한 형태로 구비될 수 있다.
상기 주변부(22)는 중심부(21)를 둘러싸는 부위로서, 입사된 광을 중심방향으로 편향되도록 출광시켜 출광된 광이 2차 광학 구성요소(30)의 측면으로 입사될 수 있도록 구비될 수 있다. 즉, 상기 주변부(22)는 대략 수직으로 입사된 수직광을 반사 또는 전반사시켜 중심방향으로 편향되도록 하여 2차 광학 구성요소(30)의 측면으로 입사될 수 있도록 구비될 수 있으며, 상기 주변부(22)의 가장자리부분의 하단은 2차 광학 구성요소(30)보다 아래에 위치할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 태양전지(12)보다 아래에 위치할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(10)에 의하면 1차 광학 구성요소(20)의 초점거리를 줄일 수 있으며 그에 따라 모듈(10)의 두께를 줄여 전체적인 부피를 감소시킬 수 있게 된다.
상기 주변부(22)에는 광이 입사되는 입사면(25)과, 상기 입사면(25)으로 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시키는 적어도 하나 이상의 반사면(26)과, 상기 반사면(26)에서 반사 또는 전반사된 광이 출사되는 출사면(27)이 구비될 수 있다. 상기 반사면(26)은 입사면(25)으로 입사된 광이 전반사되도록 광학적으로 설계될 수도 있으며, 반사되도록 반사코팅되어 이루어질 수도 있다. 또한, 도 4에서 보이는 바와 같이, 상기 입사면(25), 반사면(26) 및 출사면(27)은 서로 대응되도록 즉, 하나의 입사면(25)으로 입사된 광은 하나의 반사면(26)에서 반사 또는 전반사되며, 상기 반사면(26)에서 반사 또는 전반사된 광은 하나의 출사면(27)으로 출사되도록 구비될 수 있다. 또한, 도 4에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 1차 광학 구성요소(20)는 대략 우산 형태의 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 주변부(22)의 상부와 하부는 불연속적인 면으로 구비될 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(10)은 상기 1차 광학 구성요소(20)의 구체적인 구성 및 형상에 의해 한정되지 않으며, 상기 1차 광학 구성요소(20)는 일반적인 내부전반사형 프레즈널 렌즈(Total Internal Reflection Fresnel Lens, TIR FL) 형태로 구비될 수 있으며, 이러한 1차 광학 구성요소(20)의 다양한 형태는 선행기술(US 2008/0092879 A1)에 상세히 기재되므로, 본 명세서에서는 그에대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 2차 광학 구성요소(30)는 1차 광학 구성요소(20)와 태양전지(12) 사이에 구비되어 1차 광학 구성요소(20)로부터 집광된 태양광을 태양전지(12)로 2차적으로 집광하는 구성으로서, 1차 광학 구성요소(20)로부터 집광된 광이 태양전지(12)로 균일하게 분배하는(uniform light distribution) 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행한다.
또한, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(10)에 있어서, 상기 2차 광학 구성요소(30)는 1차 광학 구성요소(20)의 주변부(22)로부터 중심방향으로 편향되어 출광된 광을 태양전지(12)로 반사 또는 전반사시키며, 특히 태양전지(12)로 입사되는 입사각이 작아지도록 반사 또는 전반사시키도록 구비될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(10)은 선행기술과 비교하여 더욱 모듈(10)의 두께를 줄일 수 있는 효과가 있다. 상세히 설명하면, 도 3에서 보이는 바와 같이, 선행기술에 따른 태양전지모듈은 1차 광학 구성요소(5)의 끝단에서 전반사된 광이 2차 광학 구성요소(6)를 향해 편향됨에 있어서 구조상 1차 광학 구성요소(5)에서 전반사된 광은 중심방향을 향하면서도 하방으로만 출광되어야 하며, 1차 광학 구성요소(5)의 끝단의 위치는 2차 광학 구성요소(6)보다 위에 위치하여야 한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 태양전지모듈(10)은 1차 광학 구성요소(20)에서 전반사된 광은 다시 2차 광학 구성요소(30)의 측면으로 입사되어 전반사됨으로써 태양전지(12)로 집광될 수 있기 때문에, 도 4에서 보이는 바와 같이 주변부(22)의 가장자리 부위에서 전반사되는 광(S1)은 중심방향을 향해 상방으로 편향되어 출광되어도 2차 광학 구성요소(30)의 측면으로 입사되어 전반사됨으로써 태양전지(12)로 집광될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 태양전지모듈(10)은 그만큼 1차 광학 구성요소(20)의 초점거리를 더욱 줄일 수 있으며, 1차 광학 구성요소(20)의 주변부(22)의 가장자리 부분이 2차 광학 구성요소(30)보다 아래에 위치할 수 있기 때문에, 태양전지모듈(10)의 전체적인 두께와 부피도 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 2차 광학 구성요소(30)의 구체적인 구성 및 다양한 실시 예에 대하여 상세히 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 2차 광학 구성요소(30)는 1차 광학 구성요소(20)의 중심부(21)로부터 집광된 광(S4)이 입사되는 상면(32)과, 주변부(22)로부터 중심방향을 향해 편향되어 출광된 광(S1,S2,S3)이 입사되는 측면(34)을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상면(32)은 직접 입사되는 광은 굴절시키고 상기 측면(34)으로부터 입사된 광은 전반사시키도록 구비될 수 있으며, 상기 측면(34)은 주변부(22)로부터 출광되어 입사된 광은 굴절시키고 상기 상면(32)에서 굴절된 광과 전반사된 광은 전반사시키도록 구비될 수 있다.
상기 상면(32)에 직접 입사되는 광은 중심부(21)로부터 집광되어 입사된 광뿐만 아니라 주변부(22)로부터 편향되어 입사된 광도 포함될 수 있는데, 본 발명에 따른 태양전지모듈(10)에 있어서 주변부(22)로부터 중심방향으로 편향되어 출광된 광은 측면(34)으로 입사되는 것이 바람직하지만, 광학 설계상 중심부(21)와 인접한 주변부(22)의 소정부위로부터 중심방향으로 편향되어 출광된 광은 상기 상면(32)에 직접 입사될 수도 있으며, 이와 같이 주변부(22)로부터 편향된 광이 측면(34)으로 입사되지 않고 상면(32)으로 입사되는 경우에는 상면(32)에서 굴절된 후 측면(34)에서 전반사되면서 입사각이 작아진 상태로 태양전지(12)로 집광될 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 태양전지모듈(10)에 있어서, 주변부(22)로부터 중심방향으로 편향되어 출광된 광 중 대부분은 측면(34)으로 입사되어 상면(32)에서 전반사된 후 입사각이 작아진 상태로 태양전지(12)로 집광되지만, 주변부(22)로부터 출광된 광 중 일부는 상면(32)으로 직접 입사될 수도 있으며, 본 발명은 그에 한정되지 않는다 할 것이다.
바람직하게, 상기 상면(32)에는 직접 입사된 광은 굴절시키며 측면(34)으로부터 입사된 광은 전반시키도록 중심부에 함몰부(dent)(40)가 형성될 수 있다. 여기서, '함몰(dent)' 이라는 용어는 사전적으로 눌려서 옴폭 들어간 곳을 의미하지만, 본 발명에 있어서 상기 함몰부(dent)(40)는 그에 한정하지 않으며 홈도 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
이와 같이, 상기 상면(32)에 함몰부(40)가 형성되면, 측면(34)으로부터 입사된 광은 상기 함몰부(40)의 내측면(42)에 전반사되어 태양전지(12)로 집광될 수 있으며, 상기 함몰부(40)의 내측면(42)과 저면(44) 즉, 상기 함몰부(40)의 내면(46)으로 직접 입사된 광은 굴절되어 태양전지(12)로 집광될 수 있다.
한편, 상기 함몰부(40)의 내면(46)은 내측면(42)과 저면(44)이 불연속적으로 이어짐으로써 명확하게 구별되게 형성될 수도 있지만, 도 4에서 보이는 바와 같이 상기 함몰부(40)의 단면이 구면, 포물선 또는 파라볼릭 등과 같은 곡선으로 이루어져 내측면(42)과 저면(44)이 연속적인 면으로 형성될 수도 있으며, 따라서 측면(34)으로부터 입사된 광은 상기 함몰부(40)의 내측면(42)에서 전반사된다고 말할 수도 있으며, 또는 상기 함몰부(40)의 내면(46)에서 전반사된다고도 말할 수도 있을 것이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 2차 광학 구성요소의 일실시 예들을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6에서 보이는 바와 같이, 상기 2차 광학 구성요소(30)는 상면(32) 전체가 함몰형성되는 함몰부(40)로 형성될 수도 있으며, 도 7 및 도 8에서 보이는 바와 같이, 상기 상면(32)에는 대략 중심부에 형성되는 함몰부(40)와, 상기 함몰부(40)와 측면(34)을 연결하는 연결면(33)이 구비될 수도 있다. 상기 함몰부(40)는 직접 입사되는 광은 굴절시키고 측면(34)으로부터 입사되어 굴절된 광은 전반사시키며, 상기 연결면(33)은 직접 입사되는 광을 굴절시킨다.
또한, 도 5 및 도 7에서 보이는 바와 같이, 상기 함몰부(40)의 단면은 구면, 포물선 또는 파라볼릭 등과 같은 곡선으로 이루어져 내면(46)이 내측면(42)과 저면(44)으로 명확하게 구분되지 않는 연속적인 면으로 형성될 수도 있으며, 도 6 및 도 8에서 보이는 바와 같이, 상기 함몰부(40)의 단면은 직선으로 플랫(flat)하게 이루어져 내면(46)이 내측면(42)과 저면(44)으로 명확하게 구분되는 불연속적인 면으로 형성될 수도 있다.
한편, 도 5 내지 도 8에는 상기 2차 광학 구성요소(30)의 단면이 사각형인 것이 도시되지만, 본 발명은 그에 한정하지 않으며 상기 2차 광학 구성요소(30)의 단면은 삼각형, 그 이상의 다각형 또는 원형으로도 이루어질 수 있으며, 특히 그 단면의 크기가 높이방향으로 변화되는 형상 예를들어, 측면(34)이 테어퍼(taper)진 형상 또는 오목하거나 볼록한 형상으로도 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 측면(34)으로부터 입사된 광이 함몰부(40)의 내면(46) 또는 내측면(42)에서 전반사되어 태양전지(12)로 입사되는 입사각(θ)이 작아질 수 있도록 상기 함몰부(40)의 내면(46) 또는 내측면(42)과 측면(34)이 이루는 각은 하방으로 갈수록 커지도록 구비될 수 있다.
도 9 및 도 10은 측면(34)과 함몰부의 내측면(42)이 이루는 각이 하방으로 갈수록 커지도록 구비된 실시 예들을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 9에는 측면(34)과 함몰부의 내측면(42)이 이루는 각이 하방으로 갈수록 커지도록 구비된 하나의 실시 예로서, 상기 측면(34)은 직선으로 플랫(flat)하게 이루어지도록 대략 수직하게 이루어지며, 상기 함몰부(40)의 내측면(42)은 하방으로 만곡되어 이루어진 것이 도시된다.
도 9에서 보이는 바와 같이, 상기 측면(34)이 대략 수직하게 이루어지고, 상기 내측면(42)이 하방으로 만곡되면, 상기 측면(34)과 내측면(42)이 이루는 각은 하방으로 갈수록 커질 수 있음을 알 수 있다(θ1＜θ2). 그리고, 이와 같이 측면(34)과 내측면(42)이 이루는 각이 하방으로 갈수록 커지면 주변부(22)로부터 편향되어 측면(34)으로 입사된 광이 상기 내측면(42)에 전반사됨에 따라 태양전지(12)로 입사되는 입사각(θ)이 작아질 수 있다.
상세히 설명하면, 도 9에서 보이는 바와 같이, 주변부(22)로부터 편향되어 입사되는 광은 측면(34)으로 대략 상방으로 입사되는 광(S1)과, 대략 수평하게 입사되는 광(S2)과, 대략 하방으로 입사되는 광(S3)으로 나뉘어질 수 있는데, 상방으로 입사되는 광(S1)은 주로 주변부(22)의 외측 부분으로부터 편향되어 입사된 광으로서 측면(34)에서 굴절되어 대략 내측면(42)의 하부에서 전반사되게 되며, 수평하게 입사되는 광(S2)은 주로 주변부(22)의 중간부분으로부터 편향되어 입사된 광으로서 대략 내측면(42)의 중간부분에서 전반사되게 되며, 하방으로 입사되는 광(S3)은 주로 주변부(22)의 내측 부분으로부터 편향되어 입사된 광으로서 측면(34)에서 굴절되어 대략 내측면(42)의 상부에서 전반사되게 된다.
따라서, 주변부(22)로부터 편향되어 측면(34)으로 입사되는 광 중 하방으로 입사되는 광(S3)은 내측면(42)의 상부에서, 상방으로 입사되는 광(S1)은 내측면(42)의 하부에서 전반사되게 되므로, 전반사된 후 태양전지(12)로 입사되는 입사각(θ)이 작아지도록 하기 위해서는 특히 대략 상방으로 입사되어 내측면(42)의 하부에 전반사되는 광(S1)의 입사각(θ)이 작아지도록 할 필요가 있으며, 이는 도 9에서 보이는 바와 같이 측면(34)이 대략 수직하게 이루어지고 내측면(42)이 하방으로 만곡된 것과 같이 측면(34)과 내측면(42)이 이루는 각이 하방으로 갈수록 커지도록 구비됨에 의해 가능해질 수 있다.
도 10은 측면(34)과 함몰부의 내측면(42)이 이루는 각이 하방으로 갈수록 커지도록 구비된 다른 하나의 실시 예들을 나타내는 도면으로서, 도 10에는 상기 측면(34)은 직선으로 플랫(flat)하게 이루어지는 경사진 직선으로 이루어지며, 상기 함몰부(40)의 내측면(42)은 하방으로 만곡되어 이루어진 것이 도시된다.
상기 측면(34)과 함몰부의 내측면(42)이 이루는 각이 하방으로 갈수록 커지도록 구비된 일 형태로는 도 9 및 도 10에서 도시된 형태 외에도 다양한 형태로 구현 가능하며, 바람직한 형태로는, 도 9에서 보이는 바와 같이, 상기 측면(34)은 직선으로 플랫(flat)하게 이루어지도록 대략 수직하게 이루어지며, 상기 함몰부(40)의 내측면(42)은 하방으로 만곡되어 이루어진 것이라 할 수 있다.
또한, 광학 설계와 제조 측면에서는 측면(34)의 형태와 무관하게 상기 함몰부(40)의 내측면(42)이 하방으로 만곡된 형태를 가지는 것이 바람직하며, 따라서 도 5 및 도 7에서 보이는 바와 같이, 상기 함몰부(40)의 단면은 구면, 포물선 또는 파라볼릭 등과 같은 곡선으로 이루어져 내면(46)이 내측면(42)과 저면(44)으로 명확하게 구분되지 않는 연속적인 면으로 형성되는 것이 바람직하다 할 것이다.
또한, 도 5에는 상면(32) 전체가 함몰형성되는 함몰부(40)로 이루어져 대략 크라운(crown) 형상을 가지는 2차 광학 구성요소(30)의 일실시 예가 도시되는데, 도 5에 도시된 2차 광학 구성요소(30)의 일실시 예가 상면(32)에 함몰부(40)가 형성된 바람직한 일실시 예 중 하나라 할 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 2차 광학 구성요소의 다른 실시 예를 나타내는 도면이다. 다만, 본 실시 예에 따른 2차 광학 구성요소(30)는 상기 실시 예들과 비교하여 측면(34)에 돌기부(50)가 더 구비된다는 차이만이 있으므로, 다른 구성요소에 대한 도면부호와 상세한 설명은 상기 실시 예들에서의 도면부호와 상세한 설명을 원용한다.
도 11을 참조하면, 본 실시 예에 따른 2차 광학 구성요소(30)는 측면(34)에 상방으로 돌출되는 돌기부(50)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 돌기부(50)는 주변부(22)로부터 편향되어 출광된 광 중 구조적으로 상면(32)에 구비된 함몰부(40)의 내측면(42)으로 입사되기 어려운 광(S5)(예를 들어, 주변부(22)의 가장자리부분으로부터 편향되어 출광된 광)을 별도로 반사 또는 전반사시켜 태양전지(12)로 입사각(θ)이 작아지도록 하여 집광시키기 위한 구성으로서, 상기 주변부(22)로부터 출광된 광이 입사되는 외측면(52)과, 상기 외측면(52)으로부터 입사되어 굴절된 광을 입사각(θ)이 작아지도록 태양전지(12)로 반사 또는 전반사시키는 내측면(54)으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 내측면(54)은 외측면(52)으로 입사된 광을 전반사시키도록 광학적으로 설계될 수도 있으며, 반사시키도록 반사코팅될 수도 있다.
따라서, 설계자는 1차 광학 구성요소(20)의 주변부(22)를 광학적으로 설계함에 있어서, 주변부(22)의 가장자리부분으로부터 출광되는 광과 같이 주변부(22)로부터 편향되어 출광된 광 중 일부를 2차 광학 구성요소(30)의 상면(32)으로 입사시키기가 곤란한 경우에는 2차 광학 구성요소(30)의 측면(34)에 별도의 돌기부(50)를 구비하면 되기 때문에, 본 실시 예에 따른 태양전지모듈(10)은 그러한 광학설계 상의 편의성을 제공하는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 태양전지모듈은 주변부(22)로부터 편향되어 출광된 모든 광이 측면(34)에 구비된 돌기부(50)에서 전반사되도록 구비될 수도 있다. 이 경우, 2차 광학 구성요소(30)의 상면(32)에는 함몰부(40)가 구비되지 않을 수 있으며, 상기 상면(32)은 직접 입사된 광만을 굴절시키는 기능만을 수행하게 할 수도 있다.
도 12는 본 발명에 따른 2차 광학 구성요소의 또 다른 실시 예를 나타내는 도면이다. 다만, 본 실시 예에 따른 2차 광학 구성요소(30)는 상기 실시 예들과 비교하여 함몰부(40)의 내측면(42)에 반사코팅 된다는 점만이 상이하므로, 다른 구성요소에 대한 도면부호와 상세한 설명은 상기 실시 예들에서의 도면부호와 상세한 설명을 원용한다.
도 12를 참조하면, 본 실시 예에 따른 2차 광학 구성요소(30)는 상면(32)에 형성된 함몰부(40)의 내측면(42)에 측면(34)으로 입사된 광이 반사되도록 고반사율 물질로 반사코팅되는 반사면(47)이 형성될 수 있으며, 이 경우 중심부(21)로부터 집광되어 상면(32)으로 직접 입사된 광은 바로 함몰부(40)의 저면(44)으로 출사되어 태양전지(12)로 집광되거나, 또는 상기 반사면(47)에 적어도 한번 이상 반사되다가 상기 저면(44)으로 출사되어 태양전지(12)로 집광될 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양전지모듈을 나타내는 도면이다. 다만, 본 실시 예에 따른 태양전지모듈(60)은 상기 실시 예들과 비교하여 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소가 일체로 형성된다는 점에 차이가 있으므로, 다른 구성요소에 대한 도면부호와 상세한 설명은 상기 실시 예들에서의 도면부호와 상세한 설명을 원용한다.
도 13을 참조하면, 본 실시 예에 따른 태양전지모듈(60)은 2차 광학 구성요소(70)가 1차 광학 구성요소(20)와 일체로(one body) 형성될 수 있다.
즉, 상기 2차 광학 구성요소(70)는 1차 광학 구성요소(20)의 중심부(21)로부터 하방으로 연장되어 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 2차 광학 구성요소(70)의 측면(72)에는 상방으로 돌출되는 돌기부(74)가 소정간격으로 다수개 구비될 수 있으며, 상기 돌기부(74)는 주변부(22)로부터 출광되는 광이 입사되는 외측면(76)과, 상기 외측면(76)으로부터 입사되어 굴절된 광을 반사 또는 전반사시키는 내측면(78)으로 이루어질 수 있으며, 상기 내측면(78)은 외측면(76)으로 입사된 광을 전반사시키도록 광학적으로 설계될 수도 있으며, 반사시키도록 반사코팅될 수도 있다.
한편, 이와 같이 상기 1차 광학 구성요소(20)와 2차 광학 구성요소(70)가 일체로(one body) 형성됨에 있어서, 상기 1차 광학 구성요소(20)와 2차 광학 구성요소(70)는 광의 투과율이 우수한 투명 물질로 일체로(in a body) 형성됨이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지모듈에 있어서 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소의 바람직한 배치 형태에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 상기 실시 예들에서 설명된 구성과 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 상기 실시 예에서의 설명을 원용하기로 하며, 동일한 구성에 대한 도면부호는 상기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 부호를 사용한다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일실시 예에 따른 태양전지모듈을 나타내는 평면도로서, 도 14는 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소가 평면상 서로 일치된 상태로 배치된 것을 나타내는 평면도이고, 도 15는 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소가 평면상 소정각도 어긋난 상태로 배치된 것을 나타내는 평면도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 태양전지모듈(100)은 평면상 사각형의 형상을 가지는 1차 광학 구성요소(110)와, 상기 1차 광학 구성요소(110)에 대응하도록 평면상 사각형의 형상을 가지는 2차 광학 구성요소(120)를 포함한다.
상기 1차 광학 구성요소(110)에는 사각형 평면의 대략 중심 부위로 입사된 광을 2차 광학 구성요소(120)의 상면(32)으로 집광시키는 중심부(21)와, 사각형 평면의 대략 주변 부위로 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시켜 2차 광학 구성요소(120)의 측면(34)으로 출광시키는 주변부(22)가 구비될 수 있다. 또한 상기 주변부(22)에는 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시켜 2차 광학 구성요소(120)의 측면(34)으로 출광시키도록 구비되는 원형패턴(112)이 평면상 소정간격으로 다수개 형성될 수 있다.
상기 2차 광학 구성요소(120)는 1차 광학 구성요소(110)로부터 입사된 광을 태양전지(12)로 집광시키도록 구비되는데, 상기 상면(32)은 중심부(21)로부터 집광된 광과 같이 직접 입사된 광은 굴절시키고 측면(34)으로부터 입사된 광은 전반사시키도록 구비될 수 있으며, 상기 측면(34)은 주변부(22)로부터 출광되어 직접 입사된 광은 굴절시키고 상면(32)에서 굴절된 광과 전반사된 광은 전반사시키도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 상면(32)에는 직접 입사되는 광은 굴절시키고 측면(34)으로부터 입사된 광은 전반사시키도록 대략 중심부에 형성되는 함몰부(dent)(40)가 구비될 수 있다.
한편, 도 14 및 도 15에서 보이는 바와 같이, 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)가 평면상 서로 대응하는 사각형의 형상으로 이루어지는 경우에 상기 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)는, 도 14에서 보이는 바와 같이 평면상 서로 일치되게 배치될 수도 있으며, 도 15에서 보이는 바와 같이 소정각도(3) 어긋나게 배치될 수도 있다.
여기서, 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)가 평면상 서로 일치되게 배치된다 함은, 도 14에서 보이는 바와 같이, 2차 광학 구성요소(120)가 평면상 어느 하나의 일면이 1차 광학 구성요소(110)의 어느 하나의 일면에 마주하며, 어느 하나의 꼭지점이 1차 광학 구성요소(110)의 어느 하나의 꼭지점에 마주하도록 배치된다고도 말할 수 있다.
또한, 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)가 평면상 서로 소정각도(3) 어긋나게 배치된다 함은, 도 15에서 보이는 바와 같이, 2차 광학 구성요소(120)가 평면상 서로 인접하는 2개의 면이 1차 광학 구성요소(110)의 어느 하나의 일면에 마주하도록 배치된다고도 말할 수 있으며, 또는 어느 하나의 꼭지점이 1차 광학 구성요소(110)의 어느 하나의 일면에 마주하도록 배치된다고도 말할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(100)은 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)가 평면상 서로 대응하는 사각형의 형상으로 이루어지는 경우에 도 14에서와 같이 평면상 서로 일치되게 배치되는 것 보다는 도 15에서와 같이 평면상 서로 소정각도(3) 어긋나게 배치되는 것이 전체적인 광 효율을 향상시킬 수 있어서 바람직하다.
본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(100)에 있어서 전체적인 광 효율을 향상시키기 위해서는 1차 광학 구성요소(110)의 평면상 입사되는 광을 2차 광학 구성요소(120)를 통해 태양전지(12)로 집광시키는 과정에서의 광 손실을 최소화시켜야 하며, 태양전지(12)로 균일하게 집광시킬 수 있어야 한다. 그리고 이를 위해서는 1차 광학 구성요소(110)로 입사된 광이 손실없이 2차 광학 구성요소(120)로 입사되도록 하여야 하며, 2차 광학 구성요소(120)로 입사되는 입사각(4)이 평면상 수직에 가까워지도록 할 필요가 있다. 특히, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(100)과 같이 1차 광학 구성요소(110)의 주변부(22)로 입사된 광이 2차 광학 구성요소(120)의 측면(34)으로 입사되도록 하는 경우에는 더욱 그러하다. 따라서 전체적인 광 효율을 향상시키기기 위해서는 1차 광학 구성요소(110)로부터 2차 광학 구성요소(120)로 입사되는 과정에서의 광 손실을 최소화시킬 수 있으며 평면상 2차 광학 구성요소(120)로 입사되는 입사각(4)이 수직에 가까워지도록 할 수 있는 최적화된 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)의 배치 형태가 요구된다.
또한, 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)의 최적화된 배치 형태를 위해서 고려해야 할 사항은 1차 광학 구성요소(110)의 모서리부(114)로 입사된 광(S6)이 손실없이 그리고 평면상 수직으로 2차 광학 구성요소(120)로 입사되도록 하여야 한다는 점이다. 왜냐하면, 도 14 및 도 15에서 보이는 바와 같이, 모서리부(114)를 제외한 부분(중심부(21)와 이에 인접한 주변부(22))으로부터 2차 광학 구성요소(120)로 입사되는 광(S7)은 모든 방향(360°)에서 이루어지므로 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)의 배치 형태와 무관하게 거의 동일하게 입사될 수 있기 때문이다. 여기서, 모서리부(114)로 입사된 광(S6)이라 함은, 도 14 및 도 15에서 보이는 바와 같이, 1차 광학 구성요소(110)의 주변부(22)에 다수개의 원형패턴(112)이 구비되는 경우에 상기 원형패턴(112) 중 내접원을 이루는 원형패턴(116)을 제외한 원형패턴(118)으로 입사된 광이라 말할 수 있다.
따라서 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)의 최적화된 배치 형태는 모서리부(114)로 입사된 광(S6)이 손실없이 그리고 평면상 거의 수직하게 2차 광학 구성요소(120)로 입사될 수 있도록 2차 광학 구성요소(120)의 어느 하나의 일면의 측면으로 입사되도록 배치하는 것이며, 이는 도 15에서 보이는 바와 같이 2차 광학 구성요소(120)가 1차 광학 구성요소(110)와 소정각도(3) 어긋나게 배치되는 것에 의해 가능해질 수 있다. 도 14와 도 15를 비교하면 이를 더욱 명확히 알 수 있는데, 도 15의 경우가 도 14의 경우와 같이 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)가 서로 어긋남이 없이 거의 일치되게 배치되어 모서리부(114)로 입사된 광(S6)이 평면상 2차 광학 구성요소(120)의 어느 하나의 꼭지점을 기준으로 인접한 2개의 면의 측면으로 입사되는 경우보다, 모서리부(114)로 입사된 거의 모든 광(S6)의 입사각(4)이 더욱 수직에 가까워질 수 있음을 알 수 있으며, 이와 같이 거의 수직으로 입사되면 광 손실을 최소화시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(100)에 있어서 전체적인 광 효율을 향상시키기 위해서는 1차 광학 구성요소(110)의 어느 하나의 모서리부(114)로 입사되어 중심방향으로 반사 또는 전반사되어 출광된 광(S6)이 2차 광학 구성요소의 어느 하나의 일면의 측면으로 입사되도록 2차 광학 구성요소(120)가 1차 광학 구성요소(110)와 소정각도(3) 어긋나게 배치되는 것이 바람직하다 할 것이다. 특히, 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)가 사각 평면 형상을 가지는 경우에는 2차 광학 구성요소(120)는 1차 광학 구성요소(110)와 대략 45° 어긋나게 배치되는 것이 바람직하다 할 것이다.
한편, 도 14에 따른 집광형 태양전지모듈과 도 15에 따른 집광형 태양전지모듈의 광 효율 및 균일도를 비교 실험한 결과를 표로 나타내면 다음과 같다.
k=-1, r=2.95
광효율(Φout/Φin) 균일도 지수
도 14의 경우 0.7297 0.3023
도 15의 경우 0.7425 0.0762
표 1은 도 14의 경우와 도 15의 경우의 광 효율 및 균일도 비교결과를 나타내는 것으로서, 상기 표 1에 나타난 결과는 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)의 구체적인 구성을 동일하게 한 상태에서 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)의 배치 형태만을 달리하여 나타난 결과이다. 여기서, k값과 r값은 2차 광학 구성요소(120)의 상면(32)에 구비된 함몰부(40)의 형상을 정의하는 값으로서, k값은 함몰부(40) 형상의 코닉(conic) 상수 값이며, r값은 함몰부(40) 형상의 곡률반지름 값이다.
또한, 광효율(Φout/Φin)은 입사된 광량(flux)에 대한 출사된 광량의 비로서, Φin 은 1차 광학 구성요소(110)의 평면으로 입사된 광량(flux)을 나타내며, Φout 은 2차 광학 구성요소(120)의 밑면에 도달된 광량(flux)을 나타낸다. 따라서 광효율 값이 클수록 광 효율이 향상되었음을 의미하며, 이는 1차 광학 구성요소(110)로 입사된 광이 태양전지(12)로 집광되는 과정에서의 광 손실이 감소되었음을 의미한다.
또한, 균일도 지수는 2차 광학 구성요소(120)의 밑면에 도달한 광이 얼마나 균일하게 분포하는 지를 나타내는 지수로서, 균일도 지수 값이 작을수록 태양전지(12)로 보다 균일하게 집광되었음을 의미한다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 도 14의 경우보다 도 15의 경우가 광 효율은 대략 2% 향상되었으며, 균일도 지수는 대략 5배 향상되었음을 알 수 있다. 특히, 2차 광학 구성요소(120)의 밑면에 도달한 광의 분포 즉, 균일도를 도표로 나타내면 도 16 및 도 17과 같다. 도 16은 도 14의 경우를 나타내는 도표이며, 도 17은 도 15의 경우를 나타내는 도표이다. 도 16 및 도 17에서 명확히 알 수 있는 바와 같이, 도 15와 같이 배치되는 경우가 도 14와 같이 배치되는 경우보다 2차 광학 구성요소(120)의 밑면으로 보다 균일하게 광이 도달할 수 있음을 알 수 있으며, 이는 태양전지(12)로 보다 균일하게 집광됨을 의미하므로 태양전지(12)의 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명자는 표 1에서와 같은 함몰부(40)의 형상(k=-1, r=2.95) 외에도 다양한 형상에 대해서도 동일한 실험을 하였으나 표 1과 비교하여 구체적인 수치만 차이가 있었을 뿐 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
즉, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈에 있어서 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)를 서로 소정각도(1) 어긋나게 배치하는 것이 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)의 구체적인 형상 및 함몰부(40)의 구제적인 형상에 무관하게 전체적인 광 효율을 향상시킬 수 있으며, 태양전지(12)로 보다 균일하게 집광되게 하여 태양전지(12)의 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다고 할 것이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양전지모듈의 평면도를 나타내는 도면으로서, 1차 광학 구성요소와 2차 광학 구성요소의 평면상 형상이 육각형으로 이루어진 것을 나타내는 도면이다.
도 18에서 보이는 바와 같이, 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)의 바람직한 배치 형태는 평면상 4각형의 형상에만 한정되는 것은 아니며, 오각형 및 육각형과 같이 적어도 사각형 이상의 다각형에 적용될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 1차 광학 구성요소(110)와 2차 광학 구성요소(120)가 평면상 서로 대응하는 적어도 사각형 이상의 다각형 형상으로 이루어지는 경우에 있어서, 2차 광학 구성요소(120)는 평면상 1차 광학 구성요소(110)의 어느 하나의 모서리부(114)로 입사되어 중심방향으로 반사 또는 전반사되어 출광된 광(S6)이 2차 광학 구성요소(120)의 어느 하나의 일면의 측면으로 입사되도록 1차 광학 구성요소(110)와 소정각도(3) 어긋나게 배치되는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 1차 광학 구성요소의 주변부에서 중심방향으로 편향되어 출광된 광이 2차 광학 구성요소의 측면으로 입사되도록 한 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.
본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 기존의 집광형 태양전지모듈의 본질적인 문제인 부피를 대폭 줄일 수 있음과 동시에 광 효율 및 태양전지의 효율을 더욱 극대화시킬 수 있는 것으로서, 집광형 태양전지모듈의 활성화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
10 : 집광형 태양전지모듈 12 : 태양전지
20 : 1차 광학 구성요소 30 : 2차 광학 구성요소
40 : 함몰부(dent) 50 : 돌기부

Claims (8)

  1. 태양전지(photovoltaic cell), 입사된 광을 1차적으로 집광시키는 1차 광학 구성요소(primary optical element) 및 상기 1차 광학 구성요소로부터 집광된 광을 상기 태양전지로 2차적으로 집광시키는 2차 광학 구성요소(secondary optical element)를 포함하는 집광형 태양전지모듈에 있어서,
    상기 1차 광학 구성요소는 평면상 사각형의 형상을 가지며, 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시켜 상기 2차 광학 구성요소의 측면으로 출광시키는 주변부가 구비되며,
    상기 2차 광학 구성요소는 상기 1차 광학 구성요소에 대응하도록 평면상 사각형의 형상으로 이루어져 상기 측면으로 입사된 광을 상기 태양전지로 집광시키며, 평면상 상기 1차 광학 구성요소의 어느 하나의 모서리부로 입사되어 중심방향으로 반사 또는 전반사되어 출광된 광이 상기 2차 광학 구성요소의 어느 하나의 일면의 측면으로 입사되도록 상기 1차 광학 구성요소와 소정각도 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 광학 구성요소는 평면상 상기 1차 광학 구성요소와 45° 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 광학 구성요소에는 입사된 광을 상기 2차 광학 구성요소의 상면으로 집광시키는 중심부가 구비되고,
    상기 상면은 직접 입사된 광은 굴절시키고 상기 측면으로부터 입사된 광은 전반사시키도록 구비되며, 상기 측면은 상기 1차 광학 구성요소로부터 중심방향으로 편향되어 입사된 광은 굴절시키고 상기 상면에서 굴절된 광과 전반사된 광은 전반사시키도록 구비되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상면에는 직접 입사되는 광은 굴절시키고 상기 측면으로부터 입사된 광은 전반사시키도록 중심부에 형성되는 함몰부(dent)가 구비되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 주변부에는 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시켜 상기 2차 광학 구성요소의 측면으로 출광시키도록 평면상 소정간격으로 다수개 형성되는 원형패턴이 구비되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 1차 광학 구성요소의 모서리부로 입사된 광은 상기 다수개의 원형패턴 중 내접원 외의 원형패턴으로 입사된 광인 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  7. 태양전지(photovoltaic cell), 입사된 광을 1차적으로 집광시키는 1차 광학 구성요소(primary optical element) 및 상기 1차 광학 구성요소로부터 집광된 광을 상기 태양전지로 2차적으로 집광시키는 2차 광학 구성요소(secondary optical element)를 포함하는 집광형 태양전지모듈에 있어서,
    상기 1차 광학 구성요소는 평면상 사각형의 형상을 가지며, 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시켜 상기 2차 광학 구성요소의 측면으로 출광시키는 주변부가 구비되며,
    상기 2차 광학 구성요소는 상기 1차 광학 구성요소에 대응하도록 평면상 사각형의 형상으로 이루어져 상기 측면으로 입사된 광을 상기 태양전지로 집광시키며, 평면상 서로 인접하는 2개의 면이 상기 1차 광학 구성요소의 어느 일면에 마주하도록 상기 2차 광학 구성요소와 소정각도 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  8. 태양전지(photovoltaic cell), 입사된 광을 1차적으로 집광시키는 1차 광학 구성요소(primary optical element) 및 상기 1차 광학 구성요소로부터 집광된 광을 상기 태양전지로 2차적으로 집광시키는 2차 광학 구성요소(secondary optical element)를 포함하는 집광형 태양전지모듈에 있어서,
    상기 1차 광학 구성요소는 평면상 적어도 사각형 이상의 다각형 형상을 가지며, 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시켜 상기 2차 광학 구성요소의 측면으로 출광시키는 주변부가 구비되며,
    상기 2차 광학 구성요소는 상기 1차 광학 구성요소에 대응하도록 평면상 상기 1차 광학 구성요소와 동일한 다각형 형상으로 이루어져 상기 측면으로 입사된 광을 상기 태양전지로 집광시키며, 평면상 상기 1차 광학 구성요소의 어느 하나의 모서리부로 입사되어 중심방향으로 반사 또는 전반사되어 출광된 광이 상기 2차 광학 구성요소의 어느 하나의 일면의 측면으로 입사되도록 상기 1차 광학 구성요소와 소정각도 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.

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