KR101357200B1 - 박형 집광형 태양전지모듈 - Google Patents

박형 집광형 태양전지모듈 Download PDF

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박찬규
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(주)애니캐스팅
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Abstract

본 발명은 박형 집광형 태양전지모듈에 관한 것으로서, 구체적으로는 모듈의 두께를 현저히 줄일 수 있는 1차광학구성요소(primary optical element)가 서로 결합하여 어레이를 이루도록 하여 전체적인 두께가 매우 얇게 이루어질 수 있는 박형 집광형 태양전지모듈에 관한 것이다. 본 발명에 따른 박형 집광형 태양전지모듈은 베이스플레이트; 태양전지(solar cell)가 구비되는 캐리어(carrier); 상기 베이스플레이트 상부에 구비되며, 입사된 광을 1차적으로 집광하는 다수의 1차광학구성요소(Primary Optical Element)가 서로 결합하여 어레이를 이루는 1차광학구성요소 어레이; 상기 베이스플레이트 상부에 구비되며, 상부에 상기 캐리어가 소정간격으로 복수개 구비되는 캐리어프레임(carrier frame); 및 상기 태양전지 상부에 구비되어 상기 1차광학구성요소로부터 1차적으로 집광된 광을 상기 태양전지로 2차적으로 집광하는 2차 광학구성요소(Primary Optical Element);를 포함하고, 상기 1차광학구성요소는 입사된 광을 상기 2차광학구성요소로 1차적으로 집광하는 렌즈부와, 상기 렌즈부의 테두리로부터 하방으로 연장되어 인접하는 상기 1차광학구성요소와 결합하는 측면부를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

박형 집광형 태양전지모듈{THIN CONCENTRATOR PHOTOVOLTAIC MODULE}
본 발명은 박형 집광형 태양전지모듈에 관한 것으로서, 구체적으로는 모듈의 두께를 현저히 줄일 수 있는 1차광학구성요소(primary optical element)가 서로 결합하여 어레이를 이루도록 하여 전체적인 두께가 매우 얇게 이루어질 수 있는 박형 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 1차렌즈(2), 1차렌즈(2)로부터 집광된 광을 태양전지(1)로 2차적으로 집광시키는 2차렌즈(3)를 포함한다.
이러한 집광형 태양전지모듈에 사용되는 다중접합 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 태양전지(1)로 입사되는 광이 균일하게 분배되도록 할 필요가 있으며, 이러한 기능은 1차렌즈(2)만으로 설계하기가 매우 어려우므로 종래의 집광형 태양전지모듈은 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행하는 2차렌즈(3)가 구비됨이 일반적이다.
그러나, 종래의 집광형 태양전지모듈은 대표적인 1차광학구성요소로 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.
또한 도 1에는 도시되지 않지만 종래의 집광형 태양전지모듈은 태양전지(1)가 구비되는 베이스플레이트와 1차렌즈(2)를 지지하는 지지플레이트가 구비되어야 한다는 점에서 전체적인 구성이 복잡하다는 문제가 있으며, 또한 이러한 하부플레이트와 지지플레이트를 별도로 조립하여야 한다는 점에서 전체적인 조립이 복잡해진다는 문제가 있다.
한편, 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.
또한 집광형 태양전지모듈에 주로 사용되는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 태양전지는 열에 의해 그 효율이 급격하게 저하되므로, 집광형 태양전지모듈에는 태양전지에서 발생하는 열을 방열시키기 위한 방열장치가 구비됨이 일반적이다. 그러나 종래의 집광형 태양전지모듈에 구비되는 방열모듈은 방열핀이 상하부에 돌출된 구조를 가지므로 구조가 복잡하고 부피를 많이 차지하며, 또한 모듈에 별도로 조립시켜야 하는 문제가 있다.
본 발명은 모듈의 두께를 현저히 줄일 수 있는 1차광학구성요소(primary optical element)가 서로 결합하여 어레이를 이루도록 하여 전체적인 두께를 매우 얇게 할 수 있는 박형 집광형 태양전지모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은 서로 결합하여 어레이를 이루는 1차광학구성요소를 지지하기 위한 지지프레임을 베이스플레이트와 별도로 구비하여 조립할 필요가 없어서 전체적인 구성과 조립을 간단히 할 수 있는 박형 집광형 태양전지모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은 태양전지에서 발생한 열을 방열시키기 위한 히트파이프를 매우 얇은 두께로 이루어지는 모듈에 쉽게 조립하여 일체화시킬 수 있는 박형 집광형 태양전지모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은 태양전지로 입사하는 광의 입사각을 작게 함으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 박형 집광형 태양전지모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 박형 집광형 태양전지모듈은 베이스플레이트; 태양전지(solar cell)가 구비되는 캐리어(carrier); 상기 베이스플레이트 상부에 구비되며, 입사된 광을 1차적으로 집광하는 다수의 1차광학구성요소(Primary Optical Element)가 서로 결합하여 어레이를 이루는 1차광학구성요소 어레이; 상기 베이스플레이트 상부에 구비되며, 상부에 상기 캐리어가 소정간격으로 복수개 구비되는 캐리어프레임(carrier frame); 및 상기 태양전지 상부에 구비되어 상기 1차광학구성요소로부터 1차적으로 집광된 광을 상기 태양전지로 2차적으로 집광하는 2차 광학구성요소(Primary Optical Element);를 포함하고, 상기 1차광학구성요소는 입사된 광을 상기 2차광학구성요소로 1차적으로 집광하는 렌즈부와, 상기 렌즈부의 테두리로부터 하방으로 연장되어 인접하는 상기 1차광학구성요소와 결합하는 측면부를 포함하여 이루어질 수 있다.
다른 측면에서의 본 발명에 따른 박형 집광형 태양전지모듈은 태양전지(solar cell)가 구비되는 캐리어(carrier); 상기 캐리어가 소정간격으로 복수개 구비되는 캐리어프레임(carrier frame); 상기 캐리어프레임 상부에 구비되어 입사된 광을 1차적으로 집광하는 다수의 1차광학구성요소(Primary Optical Element)가 서로 결합하여 어레이를 이루는 1차광학구성요소 어레이; 및 상기 태양전지 상부에 구비되어 상기 1차광학구성요소로부터 1차적으로 집광된 광을 상기 태양전지로 2차적으로 집광시키는 2차 광학구성요소(Primary Optical Element);를 포함하고, 상기 1차광학구성요소에는 입사된 광을 상기 2차광학구성요소로 1차적으로 집광하는 렌즈부와, 상기 렌즈부의 테두리로부터 하방으로 연장되는 측면부가 구비되고, 상기 측면부 중 상기 캐리어프레임의 길이방향으로 마주하는 한 쌍의 측면부에는 인접하는 상기 1차광학구성요소와 결합하는 어레이결합부가 구비되고, 상기 한 쌍의 측면부와 다른 방향으로 마주하는 다른 한 쌍의 측면부에는 상기 캐리어프레임에 결합하는 프레임결합부가 구비될 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 박형 집광형 태양전지모듈은 모듈의 두께를 현저히 줄일 수 있는 1차광학구성요소를 서로 결합시켜 어레이를 이루도록 함으로써, 모듈의 전체적인 두께를 매우 얇게 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 렌즈부와 측면부로 이루어지는 1차광학구성요소를 일체성형(one-body molding)으로 제조하여 서로 결합시킴으로써 어레이를 구성할 수 있기 때문에 1차광학구성요소 어레이를 지지하는 별도의 지지플레이트가 필요 없으며, 그에 따라 전체적인 구조 및 조립이 간단해 질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박형 집광형 태양전지모듈은 복수의 캐리어를 베이스플레이트에 각각 별도로 고정할 필요없이 캐리어프레임만을 베이스플레이트에 조립하면 되므로, 전체적인 조립이 매우 간단하고 쉽게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박형 집광형 태양전지모듈은 강성(stiffness)을 가지는 구조로 이루어지는 베이스플레이트에 쉽게 조립하여 일체화시킬 수 있는 캐리어프레임 내부에 태양전지에서 발생한 열을 방열시키기 위한 히트파이프를 구비시킴으로써, 히트파이프를 매우 얇은 두께로 이루어지는 모듈에 쉽게 조립하여 일체화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박형 집광형 태양전지모듈은 베이스플레이트 상부에 베이스플레이트의 길이방향으로 길게 베이스플레이트와 직접 접촉하도록 결합하며, 상부에 베이스플레이트의 길이방향으로 배열되는 캐리어가 구비되는 캐리어프레임 내부에 히트파이프(62)를 구비시킴으로써, 방열효과를 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박형 집광형 태양전지모듈은 1차광학구성요소의 주변부로 입사된 광이 중심방향으로 편향되어 2차광학구성요소으로 입사되도록 함으로써 모듈의 두께를 현저히 줄여 전체적인 부피를 줄일 수 있으며, 2차광학구성요소로 입사된 광을 입사각이 작아지도록 하여 태양전지로 집광함으로써 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 선행기술에 따른 집광형 태양광 발전 시스템을 나타내는 도면이고,
도 2는 태양전지의 효율과 태양전지로 입사되는 태양광의 입사각과의 관계를 나타내는 도표이고,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈을 나타내는 사시도이고,
도 4는 도 3에 따른 집광형 태양전지모듈 패널의 가로방향의 부분 수직단면도이고,
도 5는 도 3에 따른 집광형 태양전지모듈 패널의 세로방향의 부분 수직단면도이고,
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 캐리어프레임을 나타내는 사시도이고,
도 7은 캐리어프레임을 베이스플레이트에 결합고정시키기 위한 일실시 예를 나타내는 도면이고,
도 8은 도 5에 따른 1차광학구성요소의 평면도이고,
도 9는 본 발명에 따른 렌즈부와 2차광학구성요소의 작용을 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박형 집광형 태양전지모듈을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
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.
또한, 첨부 도면에서 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이며, 따라서 본 발명은 첨부도면에 도시된 상대적인 크기나 두께에 의해 제한되지 않는다.
한편, 본 명세서에서 '세로방향' 및 '가로방향'과 같은 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향을 기준으로 구성들간의 관계를 설명하기 위하여 사용될 수 있으며, 본 발명은 그러한 용어에 의해 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 박형 집광형 태양전지모듈을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 모듈의 가로방향의 부분 수직단면도이고, 도 5는 도 3에 따른 모듈의 세로방향의 부분 수직단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 박형(slim) 집광형 태양전지모듈(10)은 베이스플레이트(20), 상부에 태양전지(solar cell)(11)가 구비되는 캐리어(carrier)(12), 베이스플레이트(20) 상부에 구비되며 입사된 광을 1차적으로 집광하는 다수의 1차광학구성요소(Primary Optical Element)(30)가 서로 결합하여 어레이를 이루는 1차광학구성요소 어레이(40), 베이스플레이트(20)에 구비되며 상부에 캐리어(12)가 소정간격으로 복수개 구비되는 캐리어프레임(carrier frame)(60), 태양전지(11) 상부에 구비되어 1차광학구성요소(30)로부터 1차적으로 집광된 광을 태양전지(11)로 2차적으로 집광하는 2차광학구성요소(Primary Optical Element)(50)를 포함하여 이루어질 수 있다.
태양전지(11)는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 구성으로서, 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 태양전지(multi-junction solar cell)가 사용될 수 있으며, 캐리어(12)는 회로기판 위에 다른 부품들과 함께 태양전지(11)가 실장된 형태로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적으로 사용하는 리시버(receiver)일 수도 있다. 즉, 본 발명에 있어서 캐리어(12)는 회로기판 위에 태양전지(11)가 구비된 구성으로서, 그 실시형태는 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 리시버를 포괄하는 용어로 사용한다. 또한, 캐리어(12)는 케리어프레임(60)에 소정간격으로 다수개 구비되며, 캐리어(12)에는 커넥터가 구비되어 이러한 커넥터가 전선(wire)에 의해 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결됨으로써, 다수의 캐리어(12)는 서로 연결될 수 있다.
1차광학구성요소(30)는 입사된 광을 2차광학구성요소(50)로 1차적으로 집광하는 렌즈부(31)와, 렌즈부(31)의 테두리로부터 하방으로 연장되어 인접하는 다른 1차광학구성요소(50)와 결합하는 측면부(32)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 모듈(10)은 이와 같이 각각의 1차광학구성요소(30)에 렌즈부(31)와 함께 측면부(32)를 구비하여 다른 1차광학구성요소(30)와 결합하여 어레이(40)를 이룰 수 있도록 한 것이다.
1차광학구성요소어레이(40)는 1차광학구성요소(30)가 가로방향으로 배열되는 가로방향어레이(41)와, 1차광학구성요소(30)가 세로방향으로 배열되는 세로방향어레이(42)로 이루어질 수 있으며, 세로방향어레이(42)는 가로방향어레이(41)보다 길게 이루어질 수 있다.
또한 각각의 1차광학구성요소는(30)는 각각의 캐리어(12)를 둘러싼 상태로 베이스플레이트(20)에 결합하여 고정되며, 입사된 광을 둘러싼 캐리어(12) 상부에 구비된 2차광학구성요소(50)로 1차적으로 집광한다.
렌즈부(31)에는 입사된 광을 집광하는 중심부(311)와, 입사된 광이 중심방향으로 편향되어 출광되도록 전반사 또는 반사시키는 주변부(312)가 구비될 수 있으며, 이러한 구성에 의하면 모듈(10)의 두께를 현저히 감소시켜 전체적인 부피를 줄일 수 있게 된다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
베이스플레이트(20)는 가로방향으로 돌출형성되는 돌출리브(21)가 소정간격으로 구비되어 캐리어프레임(60)이 안착하는 안착부(22)를 형성하며, 캐리어프레임(60)은 안착부(22)에 안착되도록 가로방향으로 길게 이루어지고, 캐리어프레임(60)의 상부에는 캐리어(12) 중 가로방향으로 배열되는 복수의 캐리어(12)가 구비되는 수용홈(61)이 가로방향으로 길게 구비될 수 있다.
베이스플레이트(20)의 하부에는 외부와 접촉하는 면적이 넓어지게 하여 태양전지(11)에서 발생하는 열이 외부로 원활하게 배출되도록 함과 동시에 베이스플레이트(20)의 강성(stiffness)을 향상시키는 방열리브(23)가 돌출형성될 수 있다.
또한 베이스플레이트(20)는 세로방향으로 배열되어 결합하는 다수의 조각(piece)플레이트(24)로 이루어질 수 있으며, 이 경우 모듈(10)은 모듈의 전체적인 강성향상을 위하여 다수의 조각플레이트(24) 각각이 나사 결합하는 세로플레이트(25)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
세로플레이트(25)에는 세로방향으로 길게 이루어지면서도 자체로 강성(stiffness)을 가지도록 하기 위하여 외측면에 돌출형성되는 리브(26)가 구비될 수 있으며, 이러한 리브(26)에 의하면 강성향상뿐만 아니라 외부와의 접촉면적을 증가시켜 모듈 내부의 열을 외부로 원활하게 배출시킬 수 있게 된다.
베이스플레이트(20)와 세로플레이트(25)는 가벼우면서도 자체적인 강성을 가지는 열전도율이 우수한 알루미늄 재질로 이루어짐이 바람직하고, 또한 압출성형에 의해 일체로 제조됨이 바람직하다. 이를 위해, 베이스플레이트(20)의 돌출리브(21), 안착부(22) 및 방열리브(23)는 압출성형으로 한번에 제조될 수 있도록 세로방향 단면이 일정한 상태로 가로방향으로 길게 형성될 수 있으며, 세로플레이트(25)의 리브(26) 또한 압출성형으로 한번에 제조될 수 있도록 가로방향 단면이 일정한 상태로 세로방향으로 길게 형성될 수 있다. 그러면 상기와 같은 단면을 가지는 베이스플레이트(20)와 세로플레이트(25)를 압출성형으로 한번에 제조한 후 필요한 만큼 잘라 조립하면 되므로 편리하다.
한편, 1차광학구성요소(30)의 측면부(32) 중 가로방향으로 마주하는 한 쌍의 측면부(321)에는 인접하는 다른 1차광학구성요소(30)와 결합하는 어레이결합부(33)가 구비되고, 측면부(32) 중 세로방향으로 마주하는 다른 한 쌍의 측면부(322)는 베이스플레이트(20)에 형성된 돌출리브(21)에 지지될 수 있도록 짧게 이루어질 수 있으며, 어레이결합부(33)에는 인접하는 다른 1차광학구성요소(30)의 어레이결합부(33)와 결합시 실링재가 충진되는 실링공간(34)이 형성될 수 있다.
상기 어레이결합부(33)는 외측으로 단차져 하방으로 연장되는 양각단차부(331)와 내측으로 단차져 하방으로 연장되는 음각단차부(332)로 이루어지고, 가로방향어레이(41)는 가로방향으로 배열되는 1차광학구성요소(30) 중 어느 하나의 1차광학구성요소(30)의 양각단차부(331)와 인접하는 다른 하나의 1차광학구성요소(30)의 음각단차부(332)가 서로 결합하여 이루어질 수 있다. 이때 실링공간(34)은 음각단차부(332)가 양각단차부(331)보다 베이스플레이트(20)로부터 높은 곳에 위치함으로써 형성될 수 있다.
또한, 측면부(32)에는 소정간격으로 다수개 구비되는 캐리어(12)를 연결하는 전선(13)이 통과하는 통로부(35)가 구비될 수 있다. 통로부(35)는 측면부(32) 하단에 홈의 형태로 구비될 수도 있으며, 소정 위치에 홀의 형태로 구비될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 1차광학구성요소(30)는 광의 투과율이 우수한 투명한 물질로 한번에 일체성형(one-body molding)되는 것이 바람직하며, 광의 투과율이 우수한 투명한 물질로는 유리, 아크릴(Methylmethacrylate), PMMA(Polymethylmethacrylate), PC(Polycarbonate), PET(Poly Ethylen Terephthalate) 등이 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 캐리어프레임을 나타내는 사시도이고, 도 7은 캐리어프레임을 베이스플레이트에 결합고정시키기 위한 일실시 예를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7에서 보이는 바와 같이, 캐리어프레임(60)은 길이방향으로 길게 이루어질 수 있으며, 상부에는 가로방향으로 배열되는 복수의 캐리어(12)가 길이방향으로 일렬로 배열되어 구비되는 수용홈(61)이 길이방향으로 길게 형성될 수 있다. 그러면 캐리어(12)는 상부에 태양전지(11)가 구비된 채로 실리콘 등의 실링재에 의해 캐리어프레임(60)의 수용홈(61)에 소정간격으로 부착되어 결합될 수 있다.
캐리어프레임(60)은 태양전지(11)에서 발생한 열을 효과적으로 방열시킬 수 있도록 하기 위하여 베이스플레이트(30)와 마찬가지로 가벼우면서도 자체적인 강성을 가지는 열전도율이 우수한 알루미늄 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 이와 같이 캐리어프레임(60)이 베이스플레이트(20)와 동일한 금속재질로 이루어지는 경우에 캐리어프레임(60)을 베이스플레이트(20) 상부에 결합고정시키기 위한 별도의 구성이 필요하다. 그러나, 캐리어프레임(60)을 별도의 나사 등을 이용하여 베이스플레이트(20) 상부에 결합고정시키면 그 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 조립과정이 복잡해지는 문제가 발생하게 된다.
따라서 본 발명의 일실시 예에 따른 모듈(10)은 베이스플레이트(20)의 안착부(22)에 안착된 캐리어프레임(60)을 탈부착에 의하여 쉽게 고정할 수 있는 탄성부재(70)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
도 7에서 보이는 바와 같이, 탄성부재(70)는 안착부(22)의 폭보다 길게 이루어진 와이어 형태로 이루어질 수 있으며, 안착부(22)를 형성하는 돌출리브(21)에는 와이어 형태의 탄성부재(70)의 양 끝단(71)이 끼움되는 끼움홈(211)이 구비될 수 있다. 그러면 안착부(22)에 캐리어프레임(60)을 안착시킨 상태에서 탄성부재(70)의 양 끝단을 끼움홈(211)에 끼운 후 탄성부재(70)의 길이부(72)가 아래로 향하게 하면 길이부(72)가 캐리어프레임(60)의 상면을 압착하게 됨에 따라 캐리어프레임(60)은 별도의 고정부재 없이도 견고하게 고정될 수 있게 된다.
캐리어프레임(60)은 가로방향으로 배열되는 복수의 캐리어(12)를 베이스플레이트(20)에 결합시키기 용이하도록 하기 위한 것으로서, 그 형태는 다양한 형태로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 태양전지(11)에서 발생하는 열을 방열시킬 수 있는 히트파이프(62)가 내부에 구비될 수 있다. 이와 같이, 캐리어프레임(60) 내부에 히트파이프(62)를 구비시키면 히트파이프(62)를 모듈(10)에 쉽게 조립하여 일체화시킬 수 있을 뿐만 아니라 방열효과를 극대화시킬 수 있게 된다.
히트파이프(62)는 폐루프 형상을 가질 수 있으며, 히트파이프(62)에는 냉매물이 수용될 수 있으며, 태양전지(11)에서 발생한 열에 의해 냉매가 증발하는 증발부와 증발된 냉매가 응축하는 응축부가 구비될 수 있다, 다만, 이러한 히트파이프(62)에 대한 상세한 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 실시할 수 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 본 발명은 히트파이프(62)의 구체적인 구성에 의해 한정하지 않는다.
본 발명에 따른 모듈(10)은 가로방향으로 배열되는 복수의 캐리어(12)를 베이스플레이트(20)에 결합시키기 용이하도록 하기 위하여 캐리어프레임(60)을 구비하며, 이러한 캐리어프레임(60)을 베이스플레이트(20)에 쉽게 결합시킬 수 있도록 탄성부재(70)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 본 발명에 따른 모듈(10)은 베이스플레이트(20)에 쉽게 결합할 수 있는 캐리어프레임(60) 내부에 태양전지(11)에서 발생하는 열을 방열시키기 위한 히트파이프(heat pipe)(62)를 구비시킴으로써, 히트파이프(62)를 모듈(10)에 쉽게 조립시켜 일체화시킬 수 있도록 한 것이다. 그리고, 이와 같이 히트파이프(62)를 캐리어프레임(60) 내부에 구비시키면 방열효과를 극대화시킬 수 있게 된다.
캐리어프레임(60)은 베이스플레이트(20) 상부에 가로방향으로 길게 베이스플레이트(20)와 직접 접촉하도록 결합하며, 캐리어프레임(60)의 상부에는 가로방향으로 배열되는 복수의 캐리어(12)가 구비되기 때문에, 캐리어프레임(60) 내부에 히트파이프(62)를 구비시키면, 가로방향으로 배열되는 복수의 캐리어(12)에서 발생한 열은 모듈(10) 내부로 전달되기 전에 신속하게 히트파이프(62)를 통해 가로방향으로 균일하게 전달될 수 있으며, 이와 같이 가로방향으로 균일하게 전달된 열은 베이스플레이트(20)를 통해 외부로 방열될 수 있게 된다. 또한, 이와 같이 베이스플레이트(20)로 전달된 열은 베이스플레이트(20)의 하부에 형성된 방열돌기(23)에 의해 더욱 효과적으로 외부로 방열될 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 1차광학구성요소의 평면도이다.
도 8을 참조하면, 1차광학구성요소(30)의 렌즈부(31)는 수평단면상 중심부(311)를 기준으로 동심원을 이루는 패턴이 구비될 수 있으며, 그에 따라 주변부(312)의 외측 즉, 대략 4각형 형상을 가지는 수평단면의 모서리부(313)에는 동심원의 일부를 이루는 패턴이 구비되게 된다.
또한 렌즈부(31)는 중심부(311)로부터 주변부(312)로 갈수록 높이가 낮아지는 아치형의 형상으로 이루어질 수 있으며, 수직단면상 중심부(311)로부터 주변부(312)로 갈수록 높이가 낮아지는 계단형의 형상으로 이루어질 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 렌즈부와 2차광학구성요소의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 렌즈부(31)는 태양전지(12) 상부에 위치하며, 렌즈부(31)에는 입사된 광을 집광시키는 중심부(311)와, 입사된 광이 중심방향으로 편향되어(deflecting) 출광되도록 반사 또는 전반사시키는 주변부(312)가 구비될 수 있다.
중심부(311)는 2차광학구성요소(50)의 상부에 위치하며, 중심부(311)에는 광이 입사되는 입사면(314)과, 입사면(314)으로 입사된 광이 출사되는 출사면(315)이 구비될 수 있으며, 출사면(315)은 입사된 광이 2차광학구성요소(50)의 상면에 집광될 수 있도록 구면 또는 비구면으로 구비될 수 있다.
주변부(312)는 중심부(311)를 둘러싸는 부위로서, 입사된 광을 중심방향으로 편향되도록 출광시켜 출광된 광이 2차광학구성요소(50)의 측면으로 입사될 수 있도록 구비될 수 있다. 즉, 주변부(312)는 대략 수직으로 입사된 수직광을 반사 또는 전반사시켜 중심방향으로 편향되도록 하여 2차광학구성요소(50)의 측면으로 입사될 수 있도록 구비될 수 있으며, 주변부(312)의 가장자리부분 예를 들어, 모서리부(313)의 하단은 2차광학구성요소(50)보다 아래에 위치할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(10)에 의하면 1차광학구성요소(30)의 초점거리를 줄일 수 있으며 그에 따라 모듈(10)의 두께를 현저히 줄여 전체적인 부피를 감소시킬 수 있게 된다.
주변부(312)에는 광이 입사되는 입사면(316)과, 입사면(316)으로 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시키는 적어도 하나 이상의 반사면(317)과, 반사면(317)에서 반사 또는 전반사된 광이 출사되는 출사면(318)이 구비될 수 있다. 반사면(317)은 입사면(316)으로 입사된 광이 전반사되도록 광학적으로 설계될 수도 있으며, 반사되도록 반사 코팅되어 이루어질 수도 있다. 다만 본 발명에 따른 모듈(10)은 렌즈부(31)의 구체적인 구성 및 형상에 의해 한정되지 않으며, 렌즈부(31)는 일반적인 내부전반사형 프레넬 렌즈(Total Internal Reflection Fresnel Lens, TIR FL) 형태로 구비될 수 있다.
2차광학구성요소(50)는 1차광학구성요소(30)와 태양전지(12) 사이에 구비되어 1차광학구성요소(30)의 렌즈부(31)로부터 집광된 태양광을 태양전지(12)로 2차적으로 집광하는 구성으로서, 렌즈부(31)로부터 집광된 광이 태양전지(12)로 균일하게 분배하는(uniform light distribution) 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행한다.
또한, 본 발명에 따른 모듈(10)에 있어서, 2차광학구성요소(50)는 렌즈부(31)의 주변부(312)로부터 중심방향으로 편향되어 출광된 광을 태양전지(12)로 반사 또는 전반사시키며, 특히 태양전지(12)로 입사되는 입사각이 작아지도록 반사 또는 전반사시키도록 구비될 수 있다.
상세히, 본 발명의 일실시 예에 따른 2차광학구성요소(50)는 렌즈부(31)의 중심부(311)로부터 집광된 광(S4)이 입사되는 상면(51)과, 주변부(312)로부터 중심방향을 향해 편향되어 출광된 광(S1,S2,S3)이 입사되는 측면(52)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상면(51)은 직접 입사되는 광은 굴절시키고 측면(52)으로부터 입사된 광은 전반사시키도록 구비될 수 있으며, 측면(52)은 주변부(312)로부터 출광되어 입사된 광은 굴절시키고 상면(51)에서 굴절된 광과 전반사된 광은 전반사시키도록 구비될 수 있다.
상면(51)에는 직접 입사된 광은 굴절시키며 측면(52)으로부터 입사된 광은 전반시키도록 중심부에 함몰부(dent)(53)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 사용한다. 이와 같이 상면(51)에 함몰부(53)가 형성되면, 측면(52)으로부터 입사된 광은 함몰부(53)의 내측면(54)에 전반사되어 태양전지(12)로 입사각이 작아진 상태로 집광될 수 있으며, 함몰부(53)의 내측면(54)과 저면(55) 즉, 함몰부(53)의 내면(56)으로 직접 입사된 광은 굴절되어 태양전지(12)로 집광될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박형 집광형 태양전지모듈을 나타내는 단면도이다. 다만 본 실시 예에서 상기 실시 예에서와 동일한 구성에 대한 도면부호는 동일한 부호를 사용하며, 그에 대한 상세한 설명은 상기 실시 예에서의 설명을 원용한다.
도 10을 참조하면, 본 실시 예에 따른 모듈(100)은 태양전지(11), 캐리어(12), 캐리어프레임(60), 캐리어프레임(60) 상부에 구비되어 입사된 광을 1차적으로 집광하는 다수의 1차광학구성요소(110)가 서로 결합하여 어레이를 이루는 1차광학구성요소어레이(40), 2차광학구성요소(50)를 포함한다.
즉, 본 실시 예에 따른 모듈(100)은 상기 실시 예에 따른 모듈(10)과 달리 베이스플레이트(20)를 포함하지 않으며, 1차광학구성요소(30)가 직접 캐리어프레임(60)에 결합됨으로써 어레이(40)를 이루는 구성이다. 이와 같은 구성에 의하면 더욱 두께를 줄일 수 있어서 전체적인 모듈의 부피를 더욱 작게 할 수 있으며, 방열효과는 더욱 극대화시킬 수 있다.
1차광학구성요소(110)에는 입사된 광을 2차광학구성요소(50)로 1차적으로 집광하는 렌즈부(31)와, 렌즈부(31)의 테두리로부터 하방으로 연장되는 측면부(112)가 구비되고, 측면부(112) 중 캐리어프레임의 길이방향으로 마주하는 한 쌍의 측면부에는 인접하는 1차광학구성요소(110)와 결합하는 어레이결합부가 구비되고, 상기 한 쌍의 측면부와 다른 방향으로 마주하는 다른 한 쌍의 측면부(114)에는 캐리어프레임(60)에 결합하는 프레임결합부(116)이 구비될 수 있다. 여기서, 어레이결합부에 대한 설명은 상기 실시 예에서의 어레이결합부(33)에 대한 설명을 원용하기로 하며, 도 10에서 보이는 바와 같이 프레임결합부(116)는 얇은 두께로 이루어지는 캐리어프레임(60)이 끼워지는 끼움홈의 형태로 구비될 수 있으며, 다만 본 발명은 프레임결합부(116)의 구체적인 형상에 한정하지 않는다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 모듈의 두께를 현저히 줄일 수 있는 1차광학구성요소(primary optical element)가 서로 결합하여 어레이를 이루도록 하여 전체적인 두께가 매우 얇게 이루어질 수 있는 박형 집광형 태양전지모듈에 관한 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 : 박형 집광형 태양전지모듈 11 : 태양전지
12 : 캐리어 20 : 베이스플레이트
25 : 세로플레이트 30 : 1차광학구성요소
40 : 1차광학구성요소 어레이 50 : 2차광학구성요소
60 : 캐리어프레임 70 : 탄성부재

Claims (20)

  1. 베이스플레이트;
    태양전지(solar cell)가 구비되는 캐리어(carrier);
    상기 베이스플레이트 상부에 구비되며, 입사된 광을 1차적으로 집광하는 다수의 1차광학구성요소(Primary Optical Element)가 서로 결합하여 어레이를 이루는 1차광학구성요소 어레이;
    상기 베이스플레이트 상부에 구비되며, 상부에 상기 캐리어가 소정간격으로 복수개 구비되는 캐리어프레임(carrier frame); 및
    상기 태양전지 상부에 구비되어 상기 1차광학구성요소로부터 1차적으로 집광된 광을 상기 태양전지로 2차적으로 집광하는 2차 광학구성요소(Primary Optical Element);를 포함하고,
    상기 1차광학구성요소는 입사된 광을 상기 2차광학구성요소로 1차적으로 집광하는 렌즈부와, 상기 렌즈부의 테두리로부터 하방으로 연장되어 인접하는 상기 1차광학구성요소와 결합하는 측면부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차광학구성요소 어레이는 상기 1차광학구성요소가 가로방향으로 배열되는 가로방향어레이와, 상기 1차광학구성요소가 세로방향으로 배열되는 세로방향어레이로 이루어지며,
    상기 베이스플레이트는 가로방향으로 돌출형성되는 돌출리브가 소정간격으로 구비되어 상기 캐리어프레임이 안착하는 안착부를 형성하며,
    상기 캐리어프레임은 상기 안착부에 안착되도록 가로방향으로 길게 이루어지고, 상기 캐리어프레임의 상부에는 상기 캐리어 중 가로방향으로 배열되는 복수의 캐리어가 구비되는 수용홈이 가로방향으로 길게 구비되는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 박형 집광형 태양전지모듈은 상기 안착부에 안착된 상기 캐리어프레임을 고정하는 탄성부재를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 베이스플레이트는 세로방향으로 배열되어 결합하는 다수의 조각(piece)플레이트로 이루어지고,
    상기 박형 집광형 태양전지모듈은 상기 다수의 조각베이스플레이트 각각이 나사 결합하는 세로플레이트를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 세로플레이트의 외측면에는 방열리브가 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 1차광학구성요소의 측면부 중 가로방향으로 마주하는 한 쌍의 측면부에는 인접하는 다른 1차광학구성요소와 결합하는 어레이결합부가 구비되고, 상기 측면부 중 세로방향으로 마주하는 다른 한 쌍의 측면부는 상기 베이스플레이트에 형성된 돌출리브에 지지되는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 어레이결합부에는 인접하는 다른 1차광학구성요소의 어레이결합부와 결합시 실링재가 충진되는 실링공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 어레이결합부는 외측으로 단차져 하방으로 연장되는 양각단차부와, 내측으로 단차져 하방으로 연장되는 음각단차부를 포함하고,
    상기 가로방향어레이는 상기 가로방향으로 배열되는 1차광학구성요소 중 어느 하나의 1차광학구성요소의 양각단차부와 인접하는 다른 하나의 1차광학구성요소의 음각단차부가 서로 결합하여 이루어지며, 상기 실링공간은 상기 음각단차부가 상기 양각단차부보다 상기 베이스플레이트로부터 높은 곳에 위치하여 형성되는 공간인 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어프레임은 내부에 구비되는 히트파이프(heat pipe)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캐리어프레임은 길이방향으로 길게 이루어지고, 상기 캐리어프레임의 상부에는 상기 캐리어가 소정간격으로 상기 캐리어프레임의 길이방향으로 일렬로 배열되어 구비되고, 상기 베이스플레이트 하부에는 방열리브가 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 측면부에는 상기 캐리어를 전선으로 연결하기 위한 통로부가 구비되는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차광학구성요소는 수평단면상 4각형의 형상으로 이루어지고, 상기 렌즈부는 상기 1차광학구성요소의 중심을 기준으로 동심원을 이루는 패턴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈부는 상기 1차광학구성요소의 중심부로부터 주변부로 갈수록 높이가 낮아지는 아치형의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈부는 수직단면상 상기 1차광학구성요소의 중심부로부터 주변부로 갈수록 높이가 낮아지는 계단형의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈부에는 입사된 광을 집광시키는 중심부와, 입사된 광이 중심방향으로 편향되어 출광되도록 전반사 또는 반사시키는 주변부가 구비되고,
    상기 중심부에는 광이 입사되는 입사면과, 상기 입사면으로 입사된 광이 출사되는 구면 또는 비구면으로 이루어지는 출사면이 구비되고,
    상기 주변부에는 광이 입사되는 입사면과, 상기 입사면으로 입사된 광을 중심방향으로 전반사 또는 반사시키는 적어도 하나 이상의 반사면과, 상기 반사면에서 전반사 또는 반사된 광이 출사되는 출사면이 구비되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈부는 입사된 광을 집광시키는 중심부와, 입사된 광을 중심방향으로 편향되어 출광되도록 전반사 또는 반사시키는 주변부가 구비되고,
    상기 2차광학구성요소에는 상기 중심부로부터 집광된 광이 입사되는 상면과, 상기 주변부로부터 출광된 광이 입사되는 측면이 구비되고,
    상기 상면은 직접 입사되는 광은 굴절시키고 상기 측면으로부터 입사된 광은 전반사시키도록 구비되며, 상기 측면은 직접 입사되는 광은 굴절시키고 상기 상면에서 굴절된 광과 전반사된 광은 전반사 시키도록 구비되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 상면에는 직접 입사되는 광은 굴절시키고 상기 측면으로부터 입사된 광은 전반사 시키도록 함몰형성되는 함몰부(dent)가 구비되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  18. 태양전지(solar cell)가 구비되는 캐리어(carrier);
    상기 캐리어가 소정간격으로 복수개 구비되는 캐리어프레임(carrier frame);
    상기 캐리어프레임 상부에 구비되어 입사된 광을 1차적으로 집광하는 다수의 1차광학구성요소(Primary Optical Element)가 서로 결합하여 어레이를 이루는 1차광학구성요소 어레이; 및
    상기 태양전지 상부에 구비되어 상기 1차광학구성요소로부터 1차적으로 집광된 광을 상기 태양전지로 2차적으로 집광시키는 2차 광학구성요소(Primary Optical Element);를 포함하고,
    상기 1차광학구성요소에는 입사된 광을 상기 2차광학구성요소로 1차적으로 집광하는 렌즈부와, 상기 렌즈부의 테두리로부터 하방으로 연장되는 측면부가 구비되고,
    상기 측면부 중 상기 캐리어프레임의 길이방향으로 마주하는 한 쌍의 측면부에는 인접하는 상기 1차광학구성요소와 결합하는 어레이결합부가 구비되고, 상기 한 쌍의 측면부와 다른 방향으로 마주하는 다른 한 쌍의 측면부에는 상기 캐리어프레임에 결합하는 프레임결합부가 구비되는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 캐리어프레임은 내부에 구비되는 히트파이프(heat pipe)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 캐리어프레임은 길이방향으로 길게 이루어지고, 상기 캐리어프레임의 상부에는 상기 캐리어가 상기 캐리어프레임의 길이방향으로 일렬로 배열되어 구비되는 수용홈이 길이방향으로 길게 구비되는 것을 특징으로 하는 박형 집광형 태양전지모듈.
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