KR101438130B1 - 집광형 태양전지모듈 - Google Patents

집광형 태양전지모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR101438130B1
KR101438130B1 KR1020130025348A KR20130025348A KR101438130B1 KR 101438130 B1 KR101438130 B1 KR 101438130B1 KR 1020130025348 A KR1020130025348 A KR 1020130025348A KR 20130025348 A KR20130025348 A KR 20130025348A KR 101438130 B1 KR101438130 B1 KR 101438130B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
solar cell
incident
optical component
total reflection
Prior art date
Application number
KR1020130025348A
Other languages
English (en)
Inventor
김성빈
김장균
김병욱
박찬규
Original Assignee
(주)애니캐스팅
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)애니캐스팅 filed Critical (주)애니캐스팅
Priority to KR1020130025348A priority Critical patent/KR101438130B1/ko
Priority to PCT/KR2013/002427 priority patent/WO2014137020A1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101438130B1 publication Critical patent/KR101438130B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0547—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

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 있는 집광형 태양전지모듈에 관한 것이다. 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 태양전지(solar cell); 입사된 광을 집광시키는 중심부와, 입사된 광이 중심방향으로 편향되어 출광되도록 반사 또는 전반사시키는 주변부를 구비하는 1차광학구성요소(primary optical element); 및 상기 중심부에서 집광된 광이 입사되는 상면과, 상기 상면으로 입사된 광을 내부전반사에 의해 상기 태양전지로 집광하는 측면을 구비하는 2차광학구성요소(secondary optical element);를 포함하고, 상기 상면에는 상기 주변부에서 출광된 광을 전반사시켜 상기 태양전지로 집광하는 전반사부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

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 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(solar cell)(1), 광을 1차적으로 집광시키는 1차광학구성요소(primary optical element)(2), 1차광학구성요소(2)로부터 집광된 광을 태양전지(1)로 2차적으로 집광시키는 2차광학구성요소(secondary optical element)(3)를 포함한다.
2차광학구성요소(3)는 1차광학구성요소(2)로부터 집광된 광을 태양전지(1)로 2차적으로 집광함에 있어서 1차광학구성요소(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 1차광학구성요소(2)만으로 설계하기가 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 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.
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 1차광학구성요소(5), 1차광학구성요소(4)로부터 집광된 광이 태양전지(4)로 집광되도록 굴절시키는 2차광학구성요소(6)를 포함한다.
그러나, 도 3에서 보이는 바와 같이, 1차광학구성요소(5)에서 전반사되어 2차광학구성요소(6)로 입사된 광(7)은 2차광학구성요소(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 1차광학구성요소의 초점거리를 줄임으로써 태양전지모듈의 두께를 감소시켜 전체적인 부피를 줄일 수 있으면서도 태양전지로 입사되는 입사각이 작아지도록 하여 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있는 집광형 태양전지모듈을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 태양전지(solar cell); 입사된 광을 집광시키는 중심부와, 입사된 광이 중심방향으로 편향되어 출광되도록 반사 또는 전반사시키는 주변부를 구비하는 1차광학구성요소(primary optical element); 및 상기 중심부에서 집광된 광이 입사되는 상면과, 상기 상면으로 입사된 광을 내부전반사에 의해 상기 태양전지로 집광하는 측면을 구비하는 2차광학구성요소(secondary optical element);를 포함하고, 상기 상면에는 상기 주변부에서 출광된 광을 전반사시켜 상기 태양전지로 집광하는 전반사부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 전반사부는 상기 중심부에서 집광된 광은 굴절시키고 상기 주변부에서 출광되어 상기 측면을 통해 입사된 광은 전반사시키도록 상기 상면에 함몰형성된 홈의 형태로 구비될 수 있으며, 이 경우 상기 측면은, 상기 주변부에서 출광된 광이 상기 홈의 내측면에서 전반사되도록 상기 주변부에서 출광되어 입사되는 광을 상기 홈의 내측면으로 굴절시키는 굴절면; 상기 중심부에서 집광되어 상기 상면으로 입사된 광과 상기 홈의 내측면에서 전반사된 광을 내부전반사에 의해 상기 태양전지로 집광하는 전반사면; 및 상기 굴절면과 상기 전반사면을 연결하도록 상기 굴절면으로부터 내측으로 단차지는 단차면;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 또한 상기 홈의 단면은 하방으로 볼록한 곡면으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전반사부는 상기 중심부에서 집광되어 입사된 광은 굴절시키고, 상기 주변부에서 출광되어 입사된 광은 반대면에서 전반사되도록 상기 상면에 돌출형성된 돌출부의 형태로도 구비될 수 있으며, 이 경우 상기 돌출부의 단면은 상방으로 볼록한 곡면으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 2차광학구성요소의 상면에 구비된 전반사부가 1차광학구성요소의 주변부에서 중심방향으로 편향되어 출광된 광을 전반사시켜 태양전지로 입사되는 입사각이 작아진 상태로 집광시킴으로써, 태양전지모듈의 두께를 더욱 줄일 수 있으면서도 태양전지의 효율을 극대화시킬 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 발명의 일실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈을 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 전반사부의 일실시 예를 나타내는 도면이고,
도 6 내지 도 9는 도 5에 따른 2차광학구성요소의 다양한 형태에 대한 실시 예들을 설명하기 위한 도면이고,
도 10 및 도 11은 도 5에 따른 2차광학구성요소의 또 다른 형태에 대한 실시예를 나타내는 도면이고,
도 12 및 도 13은 도 5에 따른 전반사부의 다른 실시예를 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, 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(solar cell)(12), 입사된 광을 1차적으로 집광시키는 1차광학구성요소(primary optical element)(20) 및 1차광학구성요소(20)로부터 집광된 광을 태양전지(12)로 2차적으로 집광시키는 2차광학구성요소(secondary optical element)(30)를 포함한다.
태양전지(12)는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 구성으로서, 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 다중접합 태양전지(multi-junction solar cell)가 사용될 수 있다.
1차광학구성요소(20)는 입사된 광을 집광시키는 중심부(21)와, 입사된 광이 중심방향으로 편향되어(deflecting) 출광되도록 반사 또는 전반사시키는 주변부(22)를 포함한다.
중심부(21)는 광이 입사되는 입사면(23)과, 입사면(23)으로 입사된 광이 출사되는 출사면(24)을 포함할 수 있으며, 출사면(24)은 입사된 광이 2차광학구성요소(30)의 상면에 집광될 수 있도록 구면 또는 비구면으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 보이는 바와 같이, 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)에서 이루어질 수 있도록 입사면(23)과 출사면(24)은 다양한 형태로 구비될 수 있다. 또한, 중심부(21)는 입사된 광을 2차광학구성요소(30)의 상면으로 집광하는 프레넬 렌즈 형상으로도 구비될 수 있다.
주변부(22)는 중심부(21)를 둘러싸는 부위로서, 입사된 광을 반사 또는 전반사시켜 중심방향으로 편향되어 출광시키는 구성이며, 주변부(22)의 가장자리부분의 하단은 2차광학구성요소(30)보다 아래에 위치할 수 있으며, 경우에 따라서는 태양전지(12)보다 아래에 위치할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(10)에 의하면 1차광학구성요소(20)의 초점거리를 줄일 수 있으며 그에 따라 모듈(10)의 두께를 줄여 전체적인 부피를 감소시킬 수 있게 된다.
주변부(22)에는 광이 입사되는 입사면(25)과, 입사면(25)으로 입사된 광을 중심방향으로 반사 또는 전반사시키는 적어도 하나 이상의 반사면(26)과, 반사면(26)에서 반사 또는 전반사된 광이 출사되는 출사면(27)이 구비될 수 있다. 반사면(26)은 입사면(25)으로 입사된 광이 전반사되도록 광학적으로 설계될 수도 있으며, 반사되도록 반사코팅되어 이루어질 수도 있다. 또한, 도 4에서 보이는 바와 같이, 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 수도 있다. 또한, 도 4에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 1차광학구성요소(20)는 대략 우산 형태의 형상으로 이루어질 수 있으며, 주변부(22)의 상부와 하부는 불연속적인 면으로 구비될 수 있다.
다만 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈(10)은 1차광학구성요소(20)의 구체적인 구성 및 형상에 의해 한정되지 않으며, 1차광학구성요소(20)는 일반적인 내부전반사형 프레즈널 렌즈(Total Internal Reflection Fresnel Lens, TIR FL) 형태로 구비될 수 있으며, 이러한 1차광학구성요소(20)의 다양한 형태는 선행기술(US 2008/0092879 A1)에 상세히 기재되므로, 본 명세서에서는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
2차광학구성요소(30)는 1차광학구성요소(20)와 태양전지(12) 사이에 구비되어 1차광학구성요소(20)로부터 집광된 태양광을 태양전지(12)로 2차적으로 집광하는 구성으로서, 중심부(21)에서 집광된 광이 입사되는 상면(32)과, 상면(32)으로 입사된 광을 내부전반사에 의해 태양전지(12)로 집광하는 측면(34)과, 2차광학구성요소(30) 내부로 입사된 광이 태양전지(12)로 출사하도록 태양전지(12)의 크기와 형상에 대응하는 크기와 형상을 가지는 저면(31)을 포함한다. 이러한 구성을 가지는 2차광학구성요소(30)는 1차광학구성요소(20)로부터 집광된 광을 태양전지(12)로 균일하게 분배하는(uniform light distribution) 균질기(homogenizer)로서의 기능을 수행하게 된다.
또한, 2차광학구성요소(30)의 상면(32)에는 1차광학구성요소(20)의 주변부(22)로부터 중심방향으로 편향되어 출광된 광을 전반사시켜 태양전지(12)로 집광하는 전반사부(100)가 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 1차광학구성요소(5)의 끝단에서 전반사된 광이 2차광학구성요소(6)를 향해 편향됨에 있어서 구조상 1차광학구성요소(5)에서 전반사된 광은 중심방향을 향하면서도 하방으로만 출광되어야 하며, 1차광학구성요소(5)의 끝단의 위치는 2차광학구성요소(6)보다 위에 위치하여야 한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 태양전지모듈(10)은 1차광학구성요소(20)의 주변부(22)에서 반사 또는 전반사되어 중심방향으로 편향된 광은 2차광학구성요소(30)의 상면(32)에 구비된 전반사부(100)에 의해 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 전반사부(100)에 의해 전반사됨으로써 태양전지(12)로 집광될 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 태양전지모듈(10)은 그만큼 1차광학구성요소(20)의 초점거리를 더욱 줄일 수 있으며, 1차광학구성요소(20)의 주변부(22)의 가장자리 부분이 2차광학구성요소(30)보다 아래에 위치할 수 있기 때문에, 태양전지모듈(10)의 전체적인 두께와 부피도 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 이와 같이 주변부(22)에서 출광된 광이 2차광학구성요소(30)의 상면(32)에 구비된 전반사부(100)에서 전반사되도록 하면, 입사각이 작아진 상태로 태양전지(12)로 집광될 수 있으며, 따라서 태양전지(12)의 효율을 극대화시킬 수 있는 효과도 가지게 된다.
이하, 본 발명에 따른 전반사부(100)의 구체적인 구성 및 다양한 실시 예와, 이러한 전반사부(100)가 상면(32)에 구비된 2차광학구성요소(30)의 구체적인 구성 및 다양한 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 전반사부의 일실시 예를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 전반사부(100)는 1차광학구성요소(20)의 중심부(21)에서 집광된 광(S4)은 굴절시키고, 주변부(22)에서 출광되어 2차광학구성요소(30)의 측면(34)을 통해 입사된 광(S1,S2,S3)은 전반사시키도록 2차광학구성요소(30)의 상면(32)에 함몰형성된 홈(40)의 형태로 구비될 수 있다.
이와 같이, 전반사부(100)가 2차광학구성요소(30)의 상면(32)에 함몰형성되는 홈(40)의 형태로 구비되는 경우에는, 2차광학구성요소(30)의 측면(34)은 1차광학구성요소(20)의 주변부(22)로부터 출광되어 직접 입사된 광(S1,S2,S3)은 홈(40)으로 굴절시키고, 중심부(21)에서 상면(32)으로 입사하여 굴절된 광(S4)과 홈(40)에서 전반사된 광(S1,S2,S3)은 전반사시키도록 구비될 수 있다.
상면(32)으로 직접 입사되는 광에는 중심부(21)로부터 집광되어 입사된 광뿐만 아니라 주변부(22)로부터 편향되어 입사된 광도 포함될 수 있는데, 본 실시 예에 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 상면(32)으로 직접 입사할 수도 있으며, 이와 같이 주변부(22)로부터 편향된 광이 측면(34)으로 입사되지 않고 상면(32)으로 입사하는 경우에는 상면(32)에서 굴절된 후 측면(34)에서 전반사되면서 입사각이 작아진 상태로 태양전지(12)로 집광될 수 있게 된다. 따라서, 본 실시 예에 따른 태양전지모듈(10)에 있어서, 주변부(22)로부터 중심방향으로 편향되어 출광된 광 중 대부분은 측면(34)으로 입사되어 상면(32)에서 전반사된 후 입사각(θ)이 작아진 상태로 태양전지(12)로 집광되지만, 주변부(22)로부터 출광된 광 중 일부는 상면(32)으로 직접 입사할 수도 있으며, 본 발명은 그에 한정되지 않는다 할 것이다.
또한, 본 실시 예와 같이, 전반사부(100)가 상면(32)에 함몰형성된 홈(40)의 형태로 구비되면, 1차광학구성요소(20)의 주변부(22)에서 출광되어 측면(34)을 통해 홈(40)으로 입사된 광은 홈(40)의 내측면(42)에서 전반사되어 태양전지(12)로 집광될 수 있으며, 홈(40)의 내측면(42)과 저면(44) 즉, 홈(40)의 내면(46)으로 직접 입사된 광은 굴절되어 태양전지(12)로 집광될 수 있게 된다.
도 6 내지 도 9는 도 5에 따른 2차광학구성요소의 다양한 형태에 대한 실시 예들을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7에서 보이는 바와 같이, 2차광학구성요소(30)의 상면(32)은 전체가 함몰형성되는 홈(40)으로 형성될 수도 있으며, 도 8 및 도 9에서 보이는 바와 같이, 상면(32)에는 대략 중심부에 형성되는 홈(40)과, 홈(40)과 측면(34)을 연결하는 연결면(33)이 구비될 수도 있다. 홈(40)은 직접 입사되는 광은 굴절시키고 측면(34)을 통해 입사된 광은 전반사시키며, 연결면(33)은 직접 입사되는 광을 굴절시킨다.
또한, 도 6 및 도 8에서 보이는 바와 같이, 홈(40)의 단면은 하방으로 볼록한 곡면, 예를들어 구면, 포물선 또는 파라볼릭 등과 같은 곡면으로 이루어져 내면(46)이 내측면(42)과 저면(44)으로 명확하게 구분되지 않는 연속적인 면으로 형성될 수도 있으며, 도 7 및 도 9에서 보이는 바와 같이, 홈(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 6 내지 도 9에는 2차광학구성요소(30)의 단면이 사각형인 것이 도시되지만, 본 발명은 그에 한정하지 않으며 2차광학구성요소(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. 다만, 2차광학구성요소(30)의 저면(31)은 태양전지(12)의 크기와 형상에 대응하도록 이루어짐이 바람직하다.
측면(34)을 통해 입사된 광을 전반사시키도록 구비되어야 하는 홈(40)의 광학적 측면에서는 측면(34)의 형태와 무관하게 홈(40)의 내측면(42)은 단면상 하방으로 볼록한 곡면의 형태로 이루어지는 것이 바람직하며, 따라서 도 6 및 도 8에서 보이는 바와 같이, 홈(40)의 단면은 구면, 포물선 또는 파라볼릭 등과 같은 하방으로 볼록한 곡면으로 이루어져 내면(46)이 내측면(42)과 저면(44)으로 명확하게 구분되지 않는 연속적인 면으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 도 6에는 상면(32) 전체가 함몰형성되는 홈(40)으로 이루어져 대략 크라운(crown) 형상을 가지는 2차광학구성요소(30)의 일실시 예가 도시되는데, 1차광학구성요소(20)의 주변부(22)에서 출광되어 측면(34)을 통해 입사된 광을 전반사시키기 위한 전반사부(100)의 영역확보 측면에서는 도 6에 도시된 2차광학구성요소(30)의 형태 즉, 상면(32) 전체에 홈(40)이 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 도 6에서 보이는 바와 같이, 전반사부(100)가 상면(32) 전체에 함몰형성된 홈(40)으로 구비되는 경우에는 그러한 형태의 2차광학구성요소(30)를 제조하기가 용이하지 않다는 문제가 있다.
상세히 설명하면, 2차광학구성요소(20)는 태양전지모듈(10) 내부의 온도가 매우 높기 때문에 글라스성형으로 제조됨이 바람직한데, 글라스 사출물의 경우에는 플라스틱 사출물보다 점도가 높기 때문에, 도 6에서 보이는 바와 같이, 전반사부(100)가 상면(32) 전체에 함몰형성되는 홈(40)의 형태로 구비되는 경우에 생기는 모서리부에서의 뾰족한 부분(41) 성형이 용이하지 않다는 문제가 발생하게 된다. 그렇다고 제조를 용이하게 하기 위하여 도 8에서 보이는 바와 같이, 상면(32)이 홈(40)과 연결면(33)으로 이루어지도록 하는 것은, 전반사부(100)의 영역확보가 어려워져 바람직하지 않다. 전반사부(100)인 홈(40)의 영역이 넓어지면 넓어질수록 그만큼 1차광학구성요소(20)의 주변부(22)에서 출광되어 측면(34)을 통해 입사된 광을 전반사시킬 수 있는 영역이 넓어지게 되어 바람직하지만, 도 8에서와 같이 상면(32)이 홈(40)과 연결면(33)으로 이루어지도록 하면 그만큼 전반사부(100)의 영역이 좁아지기 때문이다.
이하 전반사부(100)인 홈(40)의 영역을 확보할 수 있으면서도 제조가 용이한 2차광학구성요소(30)의 또 다른 형태에 대한 실시 예를 도 10 및 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.
도 10은 도 5에 따른 2차광학구성요소의 또 다른 형태에 대한 실시예를 나타내는 사시도이고, 도 11은 도 10에 따른 2차광학구성요소의 수직단면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 실시 예에 따른 2차광학구성요소(110)의 측면(112)은 1차광학구성요소(20)의 주변부(22)에서 출광된 광(S1,S2,S3)이 홈(40)의 내측면(42)에서 전반사되도록 상기 광(S1,S2,S3)을 홈(40)의 내측면(42)으로 굴절시키는 굴절면(114)과, 1차광학구성요소(20)의 중심부(21)에서 집광되어 상면(32)으로 입사된 광(S4)과 홈(40)의 내측면(42)에서 전반사된 광(S1,S2,S3)을 내부전반사에 의해 태양전지(12)로 집광하는 전반사면(116)과, 굴절면(112)과 전반사면(116)을 연결하도록 굴절면(112)으로부터 내측으로 단차지는 단차면(118)을 포함한다.
즉, 본 실시 예에 따른 2차광학구성요소(110)는 제조를 용이하게 하기 위하여 상면(32)에 홈(40)과 연결면(33)을 구비하면서도 전반사부(100)인 홈(40) 영역을 확보하기 위하여 측면(112)의 상부를 외측으로 연장시켜 상면(32)의 크기를 크게 한 것이며, 또한 이 경우 외측으로 연장된 측면(112)을 주변부(22)에서 출광된 광(S1,S2,S3)을 홈(40)의 내측면(42)으로 굴절시키는 굴절면(114)으로 구비한 것이며, 또한 저면(31)의 크기는 태양전지(12)의 크기에 대응하는 크기로 이루어질 수 있도록 내측으로 단차져 굴절면(114)과 전반사면(1164)을 연결하는 단차면(118)을 구비한 것이다.
따라서, 이러한 구성을 가지는 본 실시 예에 따른 2차광학구성요소(110)에 의하면, 상면(32)에 홈(40)과 연결면(33)을 구비함으로써 글라스성형으로 제조가 가능해질 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라 홈(40)의 영역도 확보할 수 있다는 효과가 있게 된다.
또한, 도 9에서 보이는 바와 같이, 이러한 구성을 가지는 본 실시 예에 따른 2차광학구성요소(110)는 측면(112) 상부가 외측으로 연장된 형태로 이루어지게 되므로 대략 나사머리를 가지는 나사 형상을 가지게 된다.
한편, 상면(32)의 크기를 크게 하여 상면(32)에 홈(40)과 연결면(33)을 구비하면서도 홈(40)의 영역을 확보한다는 측면에서, 단차면(118) 없이 측면(112)이 아래로 갈수록 내측으로 기울어지도록 하여 결국 저면(31)에서는 태양전지(12)의 크기에 대응하도록 구비될 수도 있지만, 이 경우 전반사면(116)이 상면(32)으로 입사된 광(S4)과 홈(40)의 내측면(420에서 전반사된 광(S1,S2,S3)을 동시에 내부전반사시키도록 광학 설계하는 것이 어려워지는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 상면(32)의 크기를 크게 하여 상면(32)에 홈(40)과 연결면(33)을 구비하면서도 홈(40)의 영역을 확보하기 위해서는, 본 실시 예에 따른 2차광학구성요소(110)와 같이, 측면(112)에 단차면(118)이 구비되는 것이 바람직하다 할 것이다.
도 12 및 도 13은 도 5에 따른 전반사부의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 실시 예에 따른 전반사부(100)는 1차광학구성요소(20)의 중심부(21)에서 집광되어 입사된 광(S4)은 굴절시키고, 주변부(22)에서 출광되어 입사된 광(S1,S2,S3)은 반대면(52)에서 전반사되도록 2차광학구성요(30)의 상면(32)에 돌출형성된 돌출부(50)의 형태로 구비될 수 있다.
이와 같이, 전반사부(100)가 상면(32)에 돌출형성되는 돌출부(50)의 형태로 구비되는 경우에는, 주변부(22)에서 출광된 광(S1,S2,S3)은 상기 실시 예들에서와 달리 2차광학구성요소(30)의 측면(34)이 아니라 돌출부(50)의 일면(54)으로 입사하게 되며, 이와 같이 돌출부(50)의 일면(54)으로 입사한 광(S1,S2,S3)은 반대면(52)에서 전반사되어 태양전지(12)로 입사각이 작아진 상태로 집광될 수 있게 된다.
또한, 전반사부(100)가 홈(40)의 형태로 구비되는 경우와 같이, 전반사부(100)가 돌출부(50)의 형태로 구비되는 경우에도, 도 12에서 보이는 바와 같이, 상면(32)은 전체가 돌출형성되는 돌출부(50)로 이루어질 수도 있으며, 또는 도 13에서 보이는 바와 같이, 상면(32)에는 돌출부(50)와 연결면(33)이 구비될 수도 있다. 또한, 돌출부(50)는 주변부(22)에서 출광되어 돌출부(50)의 일면(54)으로 입사된 광을 반대면(52)에서 전반사시켜야 하는 광학적 측면에서 단면상 상방으로 볼록한 곡면의 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 집광형 태양전지모듈은 2차광학구성요소의 상면에 구비된 전반사부가 1차광학구성요소의 주변부에서 중심방향으로 편향되어 출광된 광을 전반사시켜 태양전지로 입사되는 입사각이 작아진 상태로 집광시킴으로써 태양전지모듈의 두께를 더욱 줄일 수 있으면서도 태양전지의 효율을 극대화시킬 수 있도록 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.
10 : 집광형 태양전지모듈 12 : 태양전지
20 : 1차광학구성요소 30,110 : 2차광학구성요소
32 : 상면 34,112 : 측면
40 : 홈 50 : 돌출부
100 : 전반사부

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 태양전지(solar cell);
    입사된 광을 집광시키는 중심부와, 입사된 광이 중심방향으로 편향되어 출광되도록 반사 또는 전반사시키는 주변부를 구비하는 1차광학구성요소(primary optical element); 및
    상기 중심부에서 집광된 광이 입사되는 상면과, 상기 상면으로 입사된 광을 내부전반사에 의해 상기 태양전지로 집광하는 측면을 구비하는 2차광학구성요소(secondary optical element);를 포함하고,
    상기 상면에는 상기 주변부에서 출광된 광을 전반사시켜 상기 태양전지로 집광하는 전반사부가 구비되고,
    상기 전반사부는 상기 중심부에서 집광된 광은 굴절시키고 상기 주변부에서 출광되어 상기 측면을 통해 입사된 광은 전반사시키도록 상기 상면에 함몰형성된 홈의 형태로 구비되고,
    상기 측면은,
    상기 주변부에서 출광된 광이 상기 홈의 내측면에서 전반사되도록 상기 주변부에서 출광되어 입사되는 광을 상기 홈의 내측면으로 굴절시키는 굴절면;
    상기 중심부에서 집광되어 상기 상면으로 입사된 광과 상기 홈의 내측면에서 전반사된 광을 내부전반사에 의해 상기 태양전지로 집광하는 전반사면; 및
    상기 굴절면과 상기 전반사면을 연결하도록 상기 굴절면으로부터 내측으로 단차지는 단차면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 홈의 단면은 하방으로 볼록한 곡면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  5. 태양전지(solar cell);
    입사된 광을 집광시키는 중심부와, 입사된 광이 중심방향으로 편향되어 출광되도록 반사 또는 전반사시키는 주변부를 구비하는 1차광학구성요소(primary optical element); 및
    상기 중심부에서 집광된 광이 입사되는 상면과, 상기 상면으로 입사된 광을 내부전반사에 의해 상기 태양전지로 집광하는 측면을 구비하는 2차광학구성요소(secondary optical element);를 포함하고,
    상기 상면에는 상기 주변부에서 출광된 광을 전반사시켜 상기 태양전지로 집광하는 전반사부가 구비되고,
    상기 전반사부는 상기 중심부에서 집광되어 입사된 광은 굴절시키고, 상기 주변부에서 출광되어 입사된 광은 반대면에서 전반사되도록 상기 상면에 돌출형성된 돌출부의 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 구비되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 돌출부의 단면은 상방으로 볼록한 곡면인 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지모듈.
KR1020130025348A 2013-03-08 2013-03-08 집광형 태양전지모듈 KR101438130B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130025348A KR101438130B1 (ko) 2013-03-08 2013-03-08 집광형 태양전지모듈
PCT/KR2013/002427 WO2014137020A1 (ko) 2013-03-08 2013-03-22 집광형 태양전지모듈

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130025348A KR101438130B1 (ko) 2013-03-08 2013-03-08 집광형 태양전지모듈

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101438130B1 true KR101438130B1 (ko) 2014-09-16

Family

ID=51491522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130025348A KR101438130B1 (ko) 2013-03-08 2013-03-08 집광형 태양전지모듈

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101438130B1 (ko)
WO (1) WO2014137020A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160112150A (ko) 2015-03-18 2016-09-28 한국과학기술연구원 광전 열전 융합 발전소자 및 그 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007201109A (ja) 2006-01-25 2007-08-09 Daido Steel Co Ltd 集光型太陽光発電ユニットおよびその柱状光学ガラス部材
KR20110098910A (ko) * 2008-11-14 2011-09-02 밴드갭 엔지니어링, 인크. 나노 구조 소자
KR20130010375A (ko) * 2011-07-18 2013-01-28 (주)애니캐스팅 집광형 태양광 발전 장치
KR20130035519A (ko) * 2011-09-30 2013-04-09 (주)애니캐스팅 집광형 태양전지모듈

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4986875B2 (ja) * 2008-02-01 2012-07-25 シャープ株式会社 太陽電池、および集光型太陽光発電モジュール
US9086227B2 (en) * 2008-09-26 2015-07-21 Industrial Technology Research Institute Method and system for light collection and light energy converting apparatus
JP2012248776A (ja) * 2011-05-31 2012-12-13 Dainippon Printing Co Ltd 集光素子及び太陽電池システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007201109A (ja) 2006-01-25 2007-08-09 Daido Steel Co Ltd 集光型太陽光発電ユニットおよびその柱状光学ガラス部材
KR20110098910A (ko) * 2008-11-14 2011-09-02 밴드갭 엔지니어링, 인크. 나노 구조 소자
KR20130010375A (ko) * 2011-07-18 2013-01-28 (주)애니캐스팅 집광형 태양광 발전 장치
KR20130035519A (ko) * 2011-09-30 2013-04-09 (주)애니캐스팅 집광형 태양전지모듈

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160112150A (ko) 2015-03-18 2016-09-28 한국과학기술연구원 광전 열전 융합 발전소자 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014137020A1 (ko) 2014-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8944642B2 (en) Light assembly
US9520520B2 (en) Focusing solar light guide module
US20100319773A1 (en) Optics for Concentrated Photovoltaic Cell
US20130104984A1 (en) Monolithic photovoltaic solar concentrator
CN1971948A (zh) 用于太阳能光电发电机的使用叠加原理的日光会聚透镜、工序以及装置
KR101289341B1 (ko) 집광형 태양전지모듈
KR101437900B1 (ko) 집광형 태양전지모듈
KR100933213B1 (ko) 태양광 발전용 집광 렌즈
KR101118443B1 (ko) 집광형 태양전지모듈
KR101207852B1 (ko) 평판형 고집광 태양전지 모듈 및 이를 이용한 태양광 트랙커
KR101438130B1 (ko) 집광형 태양전지모듈
JPWO2012160994A1 (ja) 集光型太陽電池及びその製造方法
US20120298178A1 (en) Photovoltaic system for efficient solar radiation collection and solar panel incorporating same
JP2014010251A (ja) 二次レンズ、太陽電池実装体、集光型太陽光発電装置、および集光型太陽光発電モジュール
KR20130085132A (ko) 태양광 발전용 프레넬 렌즈 - 광가이드 복합형 집광 렌즈 장치
KR101272121B1 (ko) 집광형 태양전지모듈
CN111725342A (zh) 高吸收率的光伏组件
KR101251581B1 (ko) 집광형 태양광 발전 장치
CN103809227A (zh) 短焦距薄型菲涅尔透镜
KR101437909B1 (ko) 캐리어 보호기능을 갖는 2차 광학 구성요소 및 이를 구비하는 집광형 태양전지모듈
KR101295040B1 (ko) 광가이드 집광형 태양광 발전장치
KR101357200B1 (ko) 박형 집광형 태양전지모듈
KR101213768B1 (ko) 태양광발전장치
KR101851138B1 (ko) 단일 광학계를 이용한 집광형 태양전지모듈
US20140048134A1 (en) Concentrator solar receiver with improved homogenizer

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee