KR101339179B1 - 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치 - Google Patents
구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화합물 반도체 계열의 태양전지 셀을 적용하여 건물일체형 태양전지모듈 장치에 관한 것으로서 구형렌즈를 이용하여 태양광을 집광하고 집광된 태양광을 태양전지 셀에 수직 조사할 수 있도록 초점영역을 확보함과 동시에 태양전지 모듈 장치를 건물의 수직 벽면에 부착하여 건축물 일체형 태양광 발전시스템을 구현하고 집광형 태양전지의 동작을 원활히 하여 발전 성능을 유지시키는 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치에 관한 것이다.
본 발명을 통해 건축물의 외관에 구형렌즈를 구성한 집광형 태양전지 모듈장치를 부착하는 형태를 제공함으로써, 발전 성능을 일정하게 유지시키는 효과를 제공하게 된다.
본 발명을 통해 건축물의 외관에 구형렌즈를 구성한 집광형 태양전지 모듈장치를 부착하는 형태를 제공함으로써, 발전 성능을 일정하게 유지시키는 효과를 제공하게 된다.
Description
본 발명은 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화합물 반도체 계열의 태양전지 셀을 적용하여 건물일체형 태양전지모듈 장치에 관한 것으로서 구형렌즈를 이용하여 태양광을 집광하고 집광된 태양광을 태양전지 셀에 수직 조사할 수 있도록 초점영역을 확보함과 동시에 태양전지 모듈 장치를 건물의 수직 벽면에 부착하여 건축물 일체형 태양광 발전시스템을 구현하고 집광형 태양전지의 동작을 원활히 하여 발전 성능을 유지시키는 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치에 관한 것이다.
태양전지산업의 시작은 1839년 E.Becquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltaic effect)를 발견하고 1870년대 H. Hertz의 Se의 광전효과 연구이후 효율 1 ~ 2%의 Se cell이 개발되어 사진기의 노출계에 사용하였고, 1956년에 고순도 단결정 실리콘 제조 방법이 개발되어 Bell 연구소에서 최초로 4% 효율의 단결정실리콘 태양전지를 제작하였다. 최근까지 태양전지 기술 개발 방향은 발전 단가를 낮추는 저가형 태양전지 개발 연구와 변환 효율을 높이는 고효율 태양전지 개발 연구가 병행하여 진행되고 있다.
태양전지 변환 효율 향상을 위한 연구는 현재는 물질 합성과 적층 구조 등을 이용하여 광흡수 대역을 넓혀 변환 효율을 높이는 데 주력하고 있으며 에너지변환시스템의 특성상 고효율 및 고집적화된 소재의 개발과 장수명 및 높은 안정성을 확보한 발전시스템의 지향은 미래에너지원으로서의 생존여부와 직결되는 기술동향이다.
현재의 태양전지기술은 대부분이 낮은 가격의 실리콘 태양전지기술에 집중되어 있으나 실리콘 태양전지는 열적성능이 좋지 않고 수직하중에 약한 점 등의 단점 또한 존재한다.
열적성능이 약한 실리콘 태양전지모듈을 대체하여 사막지역이나 적설이 많은 지역에서는 구조적으로 견고하고 열적성능이 우수하고 구조적으로 강고한 집광형 태양전지모듈은 사막지역이나 고온지역에서 발전특성이 우수하여 신재생에너지 산업에 적용할 수 있다.
집광형 태양전지는 단결정실리콘 태양전지의 열적 에너지효율을 높이기 위해 빛의 흡수대역을 확장시켜 광흡수율을 높이는 구조로 다중접합구조의 태양전지를 주로 이용한다.
집광형 태양광 발전시스템은 조사되는 태양광을 렌즈나 거울 등의 형태를 이용하여 넓은 면적에 입사되는 태양광을 작은 면적의 태양전지에 빛을 모으는 집광구조이며 집광형 태양전지는 가격이 저렴한 플라스틱 렌즈나 알루미늄 코팅 거울을 사용함으로써 집광도가 높을수록 제조 단가가 비싼 태양전지의 면적을 줄일 수 있어 태양전지 모듈 제조 단가를 대폭 줄일 수 있다.
집광형 태양전지는 1970년대 초반부터 연구가 시작되었지만 실리콘 계열의 태양전지는 열화현상 때문에 최대 전기생산 효율이 18% 이하이므로 되도록 소량 사용하는 박막형이나, 실리콘 재료가 필요 없는 화합물 계열의 태양전지 개발을 추진하여 상당한 기술개발이 이루어진 상태이다.
화합물 계열 태양전지는 원재료 자원이 무한하며 실험실 측정효율 42%에 달하며 III-V 화합물 반도체 태양전지의 집광률이 200배 이상에서 효율이 증가하고 500배 이후에는 고집광으로 인해 많은 전류가 발생하여 전극에 저항이 발생하여 효율이 감소되고 현재 III-V족 화합물 반도체 태양전지는 미국 SpectroLab과 엠코어사에 의해서 2007년도부터 대량 판매가 개시되어 화합물 반도체 태양전지를 이용한 국산 모듈 개발이 절실히 필요한 시점이며 상업용 모듈을 설계 제작하여 6개월 이상의 테스트기간이 요구되기 때문에 신속한 기술개발이 필요하다.
최근에 미국, 일본, EU, 호주 등의 선진 태양광발전 기업들은 경쟁적으로 화합물 반도체 태양전지를 이용한 집광형 태양광발전 상용제품을 출시하고 있으며 고집광 태양광발전 시스템에서는 태양전지의 크기가 1㎠ 이하인 III-V 족 화합물을 주로 이용하는 기술적인 추세에 있다.
태양전지모듈은 유지보수가 적고 공해 및 재료의 부식이 적어 건축물의 외피 마감재료로 대체 가능하다.
건물의 외부를 구성하는 요소로 통합된 태양광 발전시스템은 전력생산이라는 본래의 기능에 건물의 외피재료로서의 새로운 기능을 추가함으로서 태양광발전 시스템의 설치에 드는 비용을 절감, 부지확보를 통한 경제성을 확보할 수 있는 장점도 있다.
PV 모듈을 건축에 일체화하여 적용할 수 있는 건물 구성요소는 커튼월, 천장, 차양, PV 지붕타일, 투명 태양광발전 창호 등 그 적용은 매우 다양하며 건축 구성재료서 PV모듈은 건자재화방법, 결선 및 결합방법을 포함한 시공기술, 표준모듈설계방법, 안정성, 단열성능, 풍하중, 수밀성 및 기밀성, 방화성, 내구성, 유지관리성, 건축법규의 충족여부등 실용화 보급을 위해 건축적 접근이 필요하다.
또한, 이러한 신재생에너지 적용기술을 토대로 향후 친환경 건축물 인증제도에 대한 대책이 필요하다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 BIPV 시스템(건축물 일체형 태양광발전시스템)의 태양전지는 실리콘계열 태양전지모듈을 중심으로 이루어지고 있으나 법선 입사가 어려워 반사판을 채택하거나 플랙서블 실리콘 태양전지, 또는 염료감응태양전지나 박막형 전지등을 이용한 투명형태로 제작하게 되므로 효율이 일반적인 설치방법보다 매우 낮게 나타나서 실질적인 성능을 기대하기 어려운 실정이다.
일부 실리콘계열의 태양전지가 BIPV 시스템에 적용됨에 있어서 효율은 6~7% 정도이며 반사판을 이용한 저집광의 적용에 있어서도 10%이내이므로 BIPV시스템만의 큰 장점을 부각시키기 어려운 점이 있으므로 BIPV 시스템의 활성화와 미래는 효율의 상승에 따라 그 역할이 결정될 수 있다.
또한, 집광형 태양전지모듈은 빛에너지를 확보하기 위해 법선 방향으로 입사되는 빛에너지를 이용해야 하므로 태양위치 추적기와 함께 인티그레이션되어 이용되는 방법이 일반적이다.
본 발명에서는 집광형 태양광발전에 반드시 적용되어야 하는 태양위치 추적기가 필요없도록 광학적 방법을 동원하여 건축물 일체형 태양전지모듈 장치에 집광형 태양전지를 적용하여 해결하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 메탈PCB가 형성되어 있는 알루미늄하우징의 경사면을 30도로 형성하여 해당 면에 수십 밀리미터에서 수백 밀리미터 크기의 구형렌즈를 적용하도록 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여,
본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치는,
구형렌즈(201)와,
상기 구형렌즈를 안착시키기 위한 공간을 형성하고 있으며, 경사면에 메탈PCB가 형성되어 있는 알루미늄하우징(202)과,
상기 구형렌즈의 일부를 고정시키기 위한 홈이 형성되어 있으며, 해당 홈의 끝단에 태양전지셀이 결합되는 반사판(205)과,
상기 알루미늄하우징의 경사면(204)에 형성되는 메탈PCB(206)와,
상기 메탈PCB의 상면에 형성되는 태양전지셀(203)로 구성되는 구형렌즈결합형태양전지모듈(200)이 수직으로 배열되어 있는 모듈지지단(300);을 포함하여 구성되어 본 발명의 과제를 해결하게 된다.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치는,
건축물의 외관에 구형렌즈를 구성한 집광형 태양전지 모듈장치를 부착하는 형태를 제공함으로써, 발전 성능을 일정하게 유지시키는 효과를 제공하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 굴절율에 따라 빛의 입사각과 굴절각의 특성에 따른 구형렌즈의 초점영역을 설명하고자 하는 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 알루미늄하우징 내부에 위치한 구형렌즈와 반사판 및 메탈PCB, 집광형 태양전지셀의 구조를 나타낸 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 구형렌즈와 하우징구조를 어셈블리하여 모듈화한 외형도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 2개 이상의 집광형 태양전지셀을 연결하여 경사각의 변동을 흡수하고 셀의 보호와 시스템의 안정화를 위해 바이패스 및 블로킹다이오드를 부착한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 단일구면으로 입사하는 태양광선의 추적에 따른 광선 추적 이미지를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 구형렌즈의 초점영역과 유효초점 거리를 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 집광형 모듈의 설계를 위해 방위각을 보정하기 위한 반사판의 구조도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 태양의 궤도 분석을 위한 북위 38도에서의 선차트이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 알루미늄하우징 내부에 위치한 구형렌즈와 반사판 및 메탈PCB, 집광형 태양전지셀의 구조를 나타낸 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 구형렌즈와 하우징구조를 어셈블리하여 모듈화한 외형도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 2개 이상의 집광형 태양전지셀을 연결하여 경사각의 변동을 흡수하고 셀의 보호와 시스템의 안정화를 위해 바이패스 및 블로킹다이오드를 부착한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 단일구면으로 입사하는 태양광선의 추적에 따른 광선 추적 이미지를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 구형렌즈의 초점영역과 유효초점 거리를 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 집광형 모듈의 설계를 위해 방위각을 보정하기 위한 반사판의 구조도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 태양의 궤도 분석을 위한 북위 38도에서의 선차트이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치는,
구형렌즈(201)와,
상기 구형렌즈를 안착시키기 위한 공간을 형성하고 있으며, 경사면에 메탈PCB가 형성되어 있는 알루미늄하우징(202)과,
상기 구형렌즈의 일부를 고정시키기 위한 홈이 형성되어 있으며, 해당 홈의 끝단에 태양전지셀이 결합되는 반사판(205)과,
상기 알루미늄하우징의 경사면(204)에 형성되는 메탈PCB(206)와,
상기 메탈PCB의 상면에 형성되는 태양전지셀(203)로 구성되는 구형렌즈결합형태양전지모듈(200)이 수직으로 배열되어 있는 모듈지지단(300);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 모듈지지단(300)은,
건물 외곽의 수직 벽면에 결합되어 태양빛의 일사량을 획득하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 알루미늄하우징(202)에,
구형렌즈를 안착시킬 경우에, 수직방향 45°와 수평방향 90°의 입사조건이 되도록 설치 구성하여 태양의 경사각과 방위각이 시간에 따라 변동되는 조건에서도 태양빛의 유효일사량을 일정하게 획득할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 반사판(205)의 홈은,
제1경사면(205a)과,
제1경사면의 일측과 연이어 형성되는 수평면(205c)과,
상기 수평면의 일측과 연이어 형성되는 제2경사면(205b)으로 구성되되,
상기 제1경사면과 제2경사면 사이각을 90°로 형성시켜 태양빛이 일일동안 시간의 흐름에 따라 방위각이 변동되는 것과 상관없이 일사량을 획득할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 알루미늄하우징의 경사면(204)은,
계절에 따른 태양의 경사각 변동에 따라 태양빛의 수직입사를 위해 30°각도로 형성시키며, 30°각도에서 수직의 변동분인 15°의 변동을 적절히 입사시키기 위해 두 개 이상의 태양전지셀(203)을 메탈PCB의 상면에 직렬 또는 병렬 연결하여 경사각의 차이를 보정하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의한 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 굴절율에 따라 빛의 입사각과 굴절각의 특성에 따른 구형렌즈의 초점영역을 설명하고자 하는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 2개 이상의 집광형 태양전지셀을 연결하여 경사각의 변동을 흡수하고 셀의 보호와 시스템의 안정화를 위해 바이패스 및 블로킹다이오드를 부착한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 단일구면으로 입사하는 태양광선의 추적에 따른 광선 추적 이미지를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 구형렌즈의 초점영역과 유효초점 거리를 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 태양의 궤도 분석을 위한 북위 38도에서의 선차트이다.
현재, InGaP/GaAs 이종접합 텐덤 셀 에피 설계 및 성장기술에 대해서는 독일, 미국, 일본, 대만 등의 태양광발전 선도기업 및 연구기관에서 기존 화합물반도체를 활용한 광소자 기술을 확보 박막 제조 기술 발굴 및 상용화 진행 중에 있다.
현재 집광형 태양전지셀 중에서 가장 높은 효율과 안정성을 확립하고 있는 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지는 터널 정션 기술을 이용하여 다양한 흡수대역을 가지는 태양전지를 모노리딕하게 적층할 수 있어 단일 접합 구조대신 다중접합 tandem 구조의 태양전지 구성된다.
탠덤구조의 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지는 서로 다른 밴드갭을 갖는 물질을 MOCVD를 사용하여 에피 성장하는 기술로 만들며 적층하여 태양광의 대부분의 스펙트럼을 효율적으로 사용하는 것이 가능하기 때문에 50%이상이 초고효율 태양전지를 개발할 수 있는 가능성이 크고 집광형 태양전지 모듈화과정에서도 높은 효율을 발생시키고 이를 전기에너지로 변환이 가능하므로 적은 면적으로도 고집광 태양전지모듈의 제작이 가능하다.
Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지가 높은 효율을 가질 수 있는 이유는 다중접합 탠덤 셀 구조를 갖고 있기 때문이며 가장 밴드갭이 큰 물질을 맨 위에 적층하고 중간밴드갭을 갖는 물질을 가운데, 그리고 가장 밴드갭이 작은 물질이 맨 아래에 위치한다.
이 경우 맨 위의 셀에서 태양광의 짧은 파장 부분(밴드 갭 에너지보다 큰 부분)의 스펙트럼을 흡수하고 나서 그 다음에 중간 밴드갭을 갖는 물질이 중간 파장부분의 스펙트럼을 흡수하고 마지막으로 가장 짧은 밴드갭 물질이 나머지 스펙트럼을 흡수하여 태양광의 전체 스펙트럼을 여러 부분으로 나누어 효율적으로 사용할 수 있다.
일사(Solar Irradiation, 단위: W)는 태양으로부터 유입되는 복사에너지 중 적외선의 단위면적당 열량을 나타내는 것으로서 태양 일사량에 발광효율(lm/W)를 곱하여 태양으로부터 유입되는 광량을 계산해 낼 수 있다.
일사는 태양으로부터 직접유입되는 직달일사량과 천공으로부터 유입되는 천공일사량으로 구분한다.
연직면 직달일사량은 복사가 태양에서 지구 대기권외에 도달해 대기를 투과하여 직접 지표에 도달한 것을 직달일사라고 한다.
이 일사량은 대기 중의 수중기와 먼지, 태양고도와 수조면의 각도 등에 의해 영향을 받는다. (도 5 ~ 도 6 참조)
여기서 A는 Air Mass=0 일 때 지표면 연직면 일사량 , B는 대기권의 흡수를 고려한 계수, α는 태양 고도각 [°]이다.
본 발명에서는 구형 집광렌즈의 굴절률에 따른 포커스 영역을 계산하고 수직면에 설치될 경우에 대한 위치선정과 셀의 직병렬 어레이구성 등을 통해서 수직면상의 셀의 배치에 대한 약점을 해소하고 고효율 태양광발전 모듈의 제작기술에 반영함으로서 최적의 설계를 수행한다.
도 1과 같이, 구형 집광렌즈에 입사되는 임의의 태양광선을 n1이라 하고 입사각을 θ1이라 할 때, 수학식(2)과 같다.
렌즈는 유리의 경우 고굴절률은 1.70이상, 초고굴절율이 1.80이상이며 플라스틱렌즈의 경우는 고굴절률이 1.60이상, 초고굴절률은 1.65이상이며 비중은 유리의 초고굴절률의 종류가 3.4~4.6에 비해 1.2~1.5정도로 낮아 상대적으로 매우 가벼운 소재이다.
광선추적(Ray tracing)을 통해 구형렌즈를 통과한 태양광선의 경로 확보, 단일 구면으로 입사하는 광선을 추적하는 광선추적을 수행하면 도 6에서와 같이 값은 μ1 은 음수, μ0, t0, r1, n0, n1 을 기지량으로 할 때, 태양광선이 경계면과 만나는 높이 y1과 입사각(ψ0), 굴절각(ψ1) 그리고 경계면에서부터 광선이 광축과 만나는 점(M')까지의 거리 t1과 광선과 광축이 이루는 각 μ1 을 확보할 수 있으며 입사각(ψ0)를 구하는 방법은 삼각형 MTC에서 sin 법칙을 이용하여 수학식(3)와 같다.
입사하는 태양광선과 광축이 이루는 경사각(μ0)을 알면 경계면에 대한 입사각(ψ0)을 구할 수 있으며, 또한 굴절각(ψ1)은 경계면에서 스넬의 법칙을 이용하여 수학식(4)과 같이 구할 수 있다.
이때, 태양광선이 광축과 만나는 각(μ1 )은 수학식(5)와 같이, 삼각형 MTM'에서 세 각을 더하여 얻는다.
입사된 태양광선이 광축과 만나는 점과 경계면 사이의 거리 t1은 수학식(6)와 같이, 삼각형 TCM'에서 구한다.
또한, y1 은 수학식(7)과 같이 구한다.
구형렌즈에 입사되는 태양광선을 추적하여 한 점에서 나온 광선이 광축의 어느 부분에 닿는지를 정확하게 추적 가능하며, 이렇게 추적된 태양광선은 렌즈를 통해 정확하게 집광형 태양전지의 셀에 도달한다.
구면의 렌즈를 통과한 광선들이 모두 한 점에서 모이지 못하는 수차(aberration)를 구형의 렌즈 설계를 통해 극복한다.
유리렌즈의 굴절률은 일반적으로 중굴절의 경우 1.6이상, 비중은 3, 플라스틱의 경우 1.55, 비중은 1.2~1.5이며 속도는 30~40으로 유사하므로 가격과 비중을 고려하여 적절한 소재를 적용하여 설계해야 한다.
광학용 PMMA(Poly Methyl Meth Acrylate)는 가격이 1,600천원/Ton, 굴절률 1.5. 투명도 0.95 이상으로 구형 집광렌즈를 설계하기에 적합한 소재로 알려져 있지만, 스크레치에 취약하고 내구성이 약해 코팅이나 글래스 보호 등의 접촉면에 대한 보호장치가 별도로 필요하다.
본 발명에서 적용된 집광형 렌즈인 구형렌즈의 주요 특성 중에 BFL은 유효 초점거리인 EFL에서 구형렌즈의 끝단에서 초점까지의 거리를 의미하고 그 식은 수학식(8)과 같다.
여기서, n은 물질의 굴절율이고 D는 구형렌즈의 직경, d는 입사광의 직경을 의미한다.
본 발명의 수직벽면용 구형 집광렌즈(Sphericalness Concentration Lens)는 고투과율소재의 압축 플라스틱(PMMA)을 적용한 태양광발전용 구형 집광렌즈를 통해 집광배율 120X 배율이상의 구형 렌즈(Sphericalness lens), 광선추적을 통해 투과된 태양광의 경로를 추적하여 완전한 포컬에어리어의 확립하고 투과율 85% 이상, 굴절률 1.5이상의 집광용 렌즈 기술과 추적기없는(Solar trackerless) 고정 수직면에서 일사량 변위각 대응이 년평균 3시간 이상 모듈 구조 설계를 하여야 한다.
본 발명에서는 도 8에서 선차트를 통해 분석한 바와 같이 경사각은 28°~76° 범위 내에서 태양의 궤적이 이루어지므로 경사각의 변동범위에서만 집광할 수 있도록 집광형 태양전지 셀을 직렬 연결하여 상하배열을 이루도록 하게 된다.
본 발명에서는 5.5×6.5mm 셀을 3개를 수직배열하여 수직으로 16.5mm를 확보하였다.
또한, 구형렌즈의 직경이 50mm 인 경우에 33%의 수직방향의 범위를 확보하고 있으므로 충분히 수직입사를 유도할 수 있는 구조이다.
또한, 방위각은 일출시간과 일몰시간을 고려하고 실질적으로 태양빛 에너지의 유효발생이 시작되는 시간을 고려할 때 겨울철과 여름철의 일조시간은 차이가 발생한다.
도 8의 선차트를 통해 분석해볼 때, 하지 때 최대 120°, 동지 때, 최대 60°의 방위각이 발생된다.
유효발전량을 고려할 때, 그 각도는 더욱 작아서 남중고도 위치에서 발생하는 에너지의 70%에 이르는 위치의 에너지를 발현시키는 위치를 고려할 때 45°이므로 방위각의 위치는 90°의 범위에서 동작하도록 한다면 추적형 시스템 대비 성능은 적절하다.
종합하면 본 발명의 도 8의 선차트를 통해 분석한 결과 경사각 48°, 방위각 90°범위의 태양빛의 에너지를 전기에너지로 변환하고자 할 때 추적기가 필요없이 건축물 일체형 집광형 태양전지모듈을 적용할 수 있다.
집광형 태양전지모듈의 리시버 설계기술은 방열설계기술과 구조안정화 설계로 구분된다.
집광형 태양전지의 방열설계는 기존의 PCB 재료로 널리 사용된 에폭시 수지, FR-4 기판은 방열적으로 접촉온도 80℃이상에서 열적 대응의 한계를 갖는다.
CPV의 방열설계는 열적에너지의 분산을 통해 발전효율을 증가시키고 모듈의 안정성과 수명을 확보하기 위해 필수적인 요소이다.
열적 성능이 Hot spot에 집중되므로 이에 대응하기 위해 신속하게 열을 배출할 수 있는 구조가 필요하며 재료는 구리나 알루미늄과 같은 열전도율이 우수한 재료가 사용되어야 한다.
따라서, 구형렌즈를 안착시키기 위한 공간을 형성하고 있으며, 경사면에 메탈PCB가 형성되어 있는 알루미늄하우징(202)을 구성하게 된다.
AM 1.5 조건에서 집광배율 100X 고배율에서 태양전지 접촉점 80℃ 이하의 동작온도를 유지하도록 해야 하며, 이를 위해 집광형 전지에 적합한 히트싱크 또는 히트파이프를 적용한 방열구조 확보가 필요하다.
또한, 메탈 PCB(Printed circuit board)기반 방열배선 및 아트워크 배선설계로 내부저항을 최소화와 최적배치기술이 요구되며 계절의 변화 및 온도의 변화에 따른 수축과 팽창에 따른 물리적 특성을 고려하여 이에 적합한 실링구조 확보를 위한 EVA sheet laminating 기술로 습윤피해 억제 및 장수명보장이 필요한 기술이다.
본 발명에서는 절곡, 절삭, 용접 등의 가공이 용이하고 상대적으로 가격이 저렴한 알루미늄소재를 이용한 하우징 설계를 적용한다.
또한, 기존의 PCB 재료로 널리 사용된 에폭시 수지, FR-4 기판은 방열적으로 접촉온도 80℃이상에서 열적 대응의 한계를 갖는다.
집광형 태양전지 모듈의 경우 최대 120℃정도로 메탈베이스 기판을 적용하여 방열 및 프레임구조를 확립하고자 한다.
Metal PCB(206)은 알루미늄 베이스(열전도율 k=204W/m℃, r=2707kg/㎥)와 두께는 0.5~1.5mm, 동박두께 1oz(35um)~2oz(70um)를 적용하고 절연체는 에폭시 수지를 사용한다.
절연층의 두께가 낮을수록 열 방산성이 좋아지지만 내전압성이 낮아지기 때문에 80um~100um의 절연층 두께를 적용함이 적절한 설계이다.
집광형 태양전지모듈의 전기적 구조는 각각의 셀은 도 4에 도시한 바와 같이, 바이패스 다이오드(402)를 설치하여 태양전지 셀의 부정합 손실을 억제하거나 전력분산의 초과의 결과에 의한 셀의 파손, hot spot formation을 막는다. 블로킹다이오드(401)는 병렬 연결된 스트링에서의 초과전류를 억제하는 역할을 하며 다이오드의 설치는 전압강하에 의한 손실과 그늘효과에 대한 부정합을 고려하여 설치해야 한다.
한편, 도 4의 도면 부호 '403'은 집광형 태양전지셀의 기호이며, '404'는 모듈의 + 단자이며, '405'는 모듈의 - 단자를 나타낸다.
본 발명에서는 고효율 Ⅲ-V화합물 태양전지 셀을 적용하여 수직면상에서 발전효율 23%이상 고효율 CPV 모듈을 제작하기 위해 시트저항을 고려한 광대역 최적 전극 패턴 설계 및 고열에도 효율이 증가할 수 있는 셀 배치구조 설계하고, 내부배선 및 연결의 저내부저항 설계를 통한 고효율을 보장하기 위해 세라믹 서브마운트(cell on the ceramic substrate)를 이용한 Ag 포일 웰딩 및 핫스팟 해소기술을 적용하고 광대역 흡수를 위한 무반사 코팅 설계기술을 적용한다.
본 발명에 따라 추적기 없는 집광형 태양전지모듈은 굴절률 2에 가까운 고굴절률 렌즈를 확보해야만 focal area의 오차가 적어진다.
현실적으로 굴절률 1.5정도의 PMMA를 적용하는 경우는 focal area의 mismatch를 고려하여 병렬회로를 구성하기 위한 셀 수를 조정하여 구성해야 한다.
Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지는 각 단위 셀 당 전압이 1.5~2.5V의 개방전압을 가지므로 일반적으로 독립형 전원에서 적용되는 12V 이상의 출력전압을 확보하기 위해서는 5 ~ 6개 이상의 병렬연결이 요구된다.
태양전지모듈이 부분적으로 그늘이 발생할 때, 그늘 효과를 최소화시키기 위한 방법 중의 하나는 스트링의 직렬연결에서 하나의 모듈을 적용하고 접속함에서 바이패스 다이오드를 사용하는 방법이다.
바이패스 다이오드는 전류가 그늘속의 셀의 주변을 흘러가도록 하므로 모듈전체의 전압강하를 감소시킬 수 있으며 블로킹다이오드는 병렬 연결된 스트링에서의 초과전류를 억제하는 역할을 하며 다이오드의 설치는 전압강하에 의한 손실과 그늘효과에 대한 부정합을 고려하여 설치해야 한다.
집광형 태양전지모듈의 어셈블리는 실리콘 태양전지와 어셈블리 공정이 유사하나 습도에 대한 관리가 필수적이다.
특히, 국내 환경에서는 여름철과 겨울철의 온도차가 크게 발생하고 호우의 발생과 같은 외기환경의 차이로 인해 설계공정에서 이에 대한 대책이 반드시 필요하다.
이를 위해 질소를 충진하는 방법을 이용하기도 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 알루미늄하우징 내부에 위치한 구형렌즈와 반사판 및 메탈PCB, 집광형 태양전지셀의 구조를 나타낸 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 구형렌즈와 하우징구조를 어셈블리하여 모듈화한 외형도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치의 집광형 모듈의 설계를 위해 방위각을 보정하기 위한 반사판의 구조도이다.
다음은 구체적인 구성에 대하여 설명하도록 하겠다.
즉, 본 발명인 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치는,
구형렌즈(201)와,
상기 구형렌즈를 안착시키기 위한 공간을 형성하고 있으며, 경사면에 메탈PCB가 형성되어 있는 알루미늄하우징(202)과,
상기 구형렌즈의 일부를 고정시키기 위한 홈이 형성되어 있으며, 해당 홈의 끝단에 태양전지셀이 결합되는 반사판(205)과,
상기 알루미늄하우징의 경사면(204)에 형성되는 메탈PCB(206)와,
상기 메탈PCB의 상면에 형성되는 태양전지셀(203)로 구성되는 구형렌즈결합형태양전지모듈(200)이 수직으로 배열되어 있는 모듈지지단(300);을 포함하여 구성되게 된다.
상기 알루미늄하우징(202)은 도 2와 같은 
형상을 가지게 되며, 경사면에 구형렌즈를 안착시키게 된다.
또한, 반사판(205)은 구형렌즈의 일부를 고정시키기 위한 홈이 형성되어 있으며, 해당 홈의 끝단에 태양전지셀이 결합되는 구조를 가지게 된다.
또한, 알루미늄하우징의 경사면(204)에 메탈PCB(206)를 형성하게 되고, 메탈PCB의 상면에 형성되는 태양전지셀(203)을 구성하고 있는 구형렌즈결합형태양전지모듈(200)을 한 개로 여러 개가 수직으로 배열된 모듈지지단(300)을 건물 외곽의 수직 벽면에 결합시켜 태양빛의 일사량을 지속적으로 획득하게 되는 것이다.
상기 알루미늄하우징(202)에 구형렌즈를 안착시킬 경우에, 수직방향 45°와 수평방향 90°의 입사조건이 되도록 설치 구성하여 태양의 경사각과 방위각이 시간에 따라 변동되는 조건에서도 태양빛의 유효일사량을 일정하게 획득할 수 있도록 도 2와 같이 형성하게 된다.
또한, 알루미늄하우징의 경사면(204)은 계절에 따른 태양의 경사각 변동에 따라 태양빛의 수직입사를 위해 30°각도로 형성시키며, 30°각도에서 수직의 변동분인 15°의 변동을 적절히 입사시키기 위해 두 개 이상의 태양전지셀(203)을 메탈PCB의 상면에 직렬 또는 병렬 연결하여 경사각의 차이를 보정하게 된다.
이렇게 한 개의 모듈을 도 3과 같이, 다수 개로 연결하여 모듈지지단으로 구성하게 되고, 외부보호막(302)을 형성한 후 건물의 외곽에 수직으로 결합시키면 되는 것이다.
한편, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 반사판(205)의 홈은,
제1경사면(205a)과,
제1경사면의 일측과 연이어 형성되는 수평면(205c)과,
상기 수평면의 일측과 연이어 형성되는 제2경사면(205b)으로 구성되되,
상기 제1경사면과 제2경사면 사이각(δ)을 90°로 형성시켜 태양빛이 일일 동안 시간의 흐름에 따라 방위각이 변동되는 것과 상관없이 일사량을 획득할 수 있도록 하게 구성하게 된다.
상기와 같은 구성을 통해 건축물의 외관에 구형렌즈를 구성한 집광형 태양전지 모듈장치를 부착하는 형태를 제공함으로써, 발전 성능을 일정하게 유지시키는 효과를 제공하게 된다.
상기와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101 : 입사각
102 : 기준각
103 : 구형렌즈
104 : n2 굴절률상의 매질
105 : 2r 렌즈
106 : 초점영역
107 : 집광형 태양전지셀
201 : 구형렌즈
202 : 알루미늄하우징
203 : 태양전지셀
204 : 경사면
205 : 반사판
206 : 메탈PCB
300 : 모듈지지단
302 : 외부보호막
102 : 기준각
103 : 구형렌즈
104 : n2 굴절률상의 매질
105 : 2r 렌즈
106 : 초점영역
107 : 집광형 태양전지셀
201 : 구형렌즈
202 : 알루미늄하우징
203 : 태양전지셀
204 : 경사면
205 : 반사판
206 : 메탈PCB
300 : 모듈지지단
302 : 외부보호막
Claims (5)
- 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치에 있어서,
구형렌즈(201)와,
상기 구형렌즈를 안착시키기 위한 공간을 형성하고 있으며, 경사면에 메탈PCB가 형성되어 있는 알루미늄하우징(202)과,
상기 구형렌즈의 일부를 고정시키기 위한 홈이 형성되어 있으며, 해당 홈의 끝단에 태양전지셀이 결합되는 반사판(205)과,
상기 알루미늄하우징의 경사면(204)에 형성되는 메탈PCB(206)와,
상기 메탈PCB의 상면에 형성되는 태양전지셀(203)로 구성되는 구형렌즈결합형태양전지모듈(200)이 수직으로 배열되어 있는 모듈지지단(300);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 모듈지지단(300)은,
건물 외곽의 수직 벽면에 결합되어 태양빛의 일사량을 획득하는 것을 특징으로 하는 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 알루미늄하우징(202)에,
구형렌즈를 안착시킬 경우에, 수직방향 45°와 수평방향 90°의 입사조건이 되도록 설치 구성하여 태양의 경사각과 방위각이 시간에 따라 변동되는 조건에서도 태양빛의 유효일사량을 일정하게 획득할 수 있는 것을 특징으로 하는 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 반사판(205)의 홈은,
제1경사면(205a)과,
제1경사면의 일측과 연이어 형성되는 수평면(205c)과,
상기 수평면의 일측과 연이어 형성되는 제2경사면(205b)으로 구성되되,
상기 제1경사면과 제2경사면 사이각을 90°로 형성시켜 태양빛이 일일동안 시간의 흐름에 따라 방위각이 변동되는 것과 상관없이 일사량을 획득할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치.
- 제 1항에 있어서,
알루미늄하우징의 경사면(204)은,
계절에 따른 태양의 경사각 변동에 따라 태양빛의 수직입사를 위해 30°각도로 형성시키며, 30°각도에서 수직의 변동분인 15°의 변동을 적절히 입사시키기 위해 두 개 이상의 태양전지셀(203)을 메탈PCB의 상면에 직렬 또는 병렬 연결하여 경사각의 차이를 보정하는 것을 특징으로 하는 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130017246A KR101339179B1 (ko) | 2013-02-19 | 2013-02-19 | 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020130017246A KR101339179B1 (ko) | 2013-02-19 | 2013-02-19 | 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치 |
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| KR101339179B1 true KR101339179B1 (ko) | 2013-12-10 |
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ID=49987789
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| KR1020130017246A KR101339179B1 (ko) | 2013-02-19 | 2013-02-19 | 구형렌즈를 이용한 수직 벽면용 집광형 태양전지 모듈장치 |
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| KR (1) | KR101339179B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000082829A (ja) | 1998-09-04 | 2000-03-21 | Dowa Mining Co Ltd | 受光方法及び受光装置並びに受発光装置 |
| JP2000132123A (ja) | 1998-10-27 | 2000-05-12 | Avix Inc | 透明ガラス外壁の内側に外に向けた巨大画面ディスプレイを装備した高層建築物 |
| KR100880683B1 (ko) | 2007-08-27 | 2009-02-02 | 주식회사 엔에스넷 | 태양광 집광 시스템 |
| KR20110025248A (ko) * | 2009-09-04 | 2011-03-10 | 오태길 | 태양에너지를 이용한 조형물 |
-
2013
- 2013-02-19 KR KR1020130017246A patent/KR101339179B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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