KR101465628B1 - 집광형 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 집광형 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지에서 발생한 열을 효율적으로 대기 중으로 발산시키는 것이 가능한 집광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 집광형 태양전지 모듈은 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함하는 집광 렌즈 어레이 모듈, 상기 집광 렌즈의 하단에 위치하는 태양전지, 상기 태양전지의 하단에 위치하며, 상기 태양전지에서 발생한 열을 제공받는 기판, 상기 기판의 하단에 위치하는 평판형 히트 파이프, 상기 평판형 히트 파이프의 하단에 위치하는 평판형 히트싱크, 상기 집광 렌즈 어레이 모듈을 상기 기판에 고정시키는 집광렌즈 어레이 구조물을 포함한다.
이를 위해 본 발명의 집광형 태양전지 모듈은 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함하는 집광 렌즈 어레이 모듈, 상기 집광 렌즈의 하단에 위치하는 태양전지, 상기 태양전지의 하단에 위치하며, 상기 태양전지에서 발생한 열을 제공받는 기판, 상기 기판의 하단에 위치하는 평판형 히트 파이프, 상기 평판형 히트 파이프의 하단에 위치하는 평판형 히트싱크, 상기 집광 렌즈 어레이 모듈을 상기 기판에 고정시키는 집광렌즈 어레이 구조물을 포함한다.
Description
본 발명은 집광형 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지에서 발생한 열을 효율적으로 대기 중으로 발산시키는 것이 가능한 집광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전장치의 집광유닛은 태양광을 집광하는 집광렌즈, 집광된 태양광을 흡수하여 전기 에너지로 변환시키는 솔라셀, 솔라셀이 직렬 또는 병렬 연결된 태양전지모듈, 집광렌즈와 태양전지모듈을 연결 지지하는 프레임 및 집광된 태양광으로 인해 온도가 상승된 태양전지모듈을 냉각하는 방열수단으로 구성된다.
솔라셀은 실리콘(Si)등의 반도체(semiconductor) 소자로 제조되어, 빛에너지(광자)가 투입되면 전자의 이동이 일어나서 전류가 흐르고 전기가 발생하는 원리를 이용하는 것으로서, 일면이 n(egative)-도체이고, 타측면은 p(ositive)-도체의 규소판으로 된 단결정(monocrystalline), 다결정(polycrystalline), 비결정질(amorphous) 등이 주로 많이 이용되고 있다.
상술한 바와 같은 솔라셀의 집합체인 태양전지모듈은 태양의 광선이 직접적이면서 장시간 주사되는 집광매체로서 특히 강한 태양 볕이 내려쬐는 한여름 대낮의 경우 60℃~70℃ 이상의 상당한 고온이 발생된다. 이러한 고온의 발생은 효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 있을 뿐 아니라 심한 경우 고장이나 파열 및 기능상실 등으로 이어질 수 있는 등의 문제점을 가지고 있다. 이는 계절변화가 뚜렷하고 특히 여름과 겨울사이의 기온차가 최고 30℃~40℃ 이상 크게 나는 국내의 기상특성 등을 감안할 때 이에 대한 적절한 방안의 필요성이 요구되고 있다.
태양전지모듈의 솔라셀은 일정 온도 영역에서만 발전 가동이 이루어지고, 일정온도 이상으로 과열되면 기능이 급격히 저하되거나 제어회로의 가동이 정지되므로 솔라셀의 과열을 냉각 방열하여 일정 온도영역으로 유지하기 위해 방열수단이 장착된다.
도 1은 종래 집광형 태양광 모듈에 도시하고 있다. 이하 도 1을 이용하여 종래 집광형 태양광 모듈에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 1에 의하면, 집광형 태양광 모듈은 집광 렌즈, 태양전지, 기판, 히트 파이프, 연결 부재를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 집광형 태양광 모듈에 포함될 수 있다.
종래의 집광형 태양광 모듈은 원기둥 형태의 히트 파이프(10)를 사용하고 있음을 알 수 있다. 따라서 원기둥 형태의 히트 파이프(10)를 기판(30)에 부착하기 위해서는 별도의 연결 부재(20)를 사용해야 하는 단점을 가지고 있다. 이와 같이 별도의 연결 부재를 이용하여 히트 파이프와 기판을 결합함으로써 집광형 태양광 모듈을 제작하는 제작 단가가 상승하게 된다. 따라서 집광형 태양광 모듈의 제작 단가를 감소시킬 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 제작 단가를 줄일 수 있는 집광형 태양광 모듈을 제작하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 집광형 태양광 모듈을 구성하는 부품 수를 줄일 수 있는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 집광 렌즈의 하단에 태양전지를 효율적으로 정렬시키는 방안을 제안함에 있다.
이를 위해 본 발명의 집광형 태양전지 모듈은 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함하는 집광 렌즈 어레이 모듈, 상기 집광 렌즈의 하단에 위치하는 태양전지, 상기 태양전지의 하단에 위치하는 평판형 히트 파이프, 상기 평판형 히트 파이프의 하단에 위치하는 평판형 히트싱크를 포함한다.
이를 위해 본 발명의 집광형 태양전지 모듈은 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함하는 집광 렌즈 어레이 모듈, 상기 집광 렌즈의 하단에 위치하는 태양전지, 상기 태양전지의 하단에 위치하며, 상기 태양전지에서 발생한 열을 제공받는 기판, 상기 기판의 하단에 위치하는 평판형 히트 파이프, 상기 평판형 히트 파이프의 하단에 위치하는 평판형 히트싱크, 상기 집광 렌즈 어레이 모듈을 상기 기판에 고정시키는 집광렌즈 어레이 구조물을 포함한다.
본 발명에 따른 평판 구조의 히트파이프를 적용함으로써 종래 기술이 가지고 있는 태양전지 셀 모듈과 히트 파이프를 연결하는 연결부재를 별도로 사용하지 않음으로써 집광형 태양전지 모듈을 제작하는 제작 단가를 감소시킬 수 있다. 또한, 평판 구조의 히트 파이프를 사용함으로써 태양전지에서 발생한 열을 효율적으로 대기중으로 발산시킬 수 있는 있다.
또한 본 발명은 평판형 냉각 구조를 사용함으로써 상부의 집광렌즈 어레이 모듈과 하부의 평판형 냉각 구조를 포함한 태양전지 모듈과의 정렬 공정을 간소화함으로써 모듈 제작 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래 집광형 태양광 모듈에 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다.
도 5는 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 평판형 히트파이프를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 집광 렌즈 모듈을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다.
도 5는 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 평판형 히트파이프를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 집광 렌즈 모듈을 도시하고 있다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 2에 의하면, 집광형 태양광 모듈은 집광렌즈, 집광렌즈 어레이 구조물, 태양전지, 패키지 모듈, 기판, 평판형 히트파이프, 평판형 히트싱크를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 집광형 태양광 모듈에 포함될 수 있다.
집광렌즈(101)를 외부로부터 유입되는 태양광을 집광하여 태양전지로 조사한다. 집광렌즈 어레이 구조물(102)은 집광형 태양광 모듈을 지지하는 구조물이다. 태양전지(103)는 집광렌즈로부터 조사된 태양광 또는 집광렌즈를 거치지 않고 조사된 태양광을 이용하여 전력을 생산한다. 패키지 모듈(104)은 상단에 태양전지가 부착되며 태양전지를 기판에 고정시키는 기능을 수행한다.
기판(105)은 상단에 패키지 모듈이 결합되며, 외부로부터 유입된 태양광으로부터 발생되는 열을 발산하는 기능을 수행한다. 평판형 히트파이프(106)는 평판 형태로 구성되며, 내부로 채워져 있는 물질을 이용하여 기판으로부터 전달된 열을 외부 또는 대기로 발산시키는 기능을 수행한다. 본 발명과 관련하여 평판형 히트파이프 내부는 열에 의해 상변화가 일어나는 물질로 채워지는 것이 바람직하다. 즉, 열에 의해 액체 상태에서 기체 상태로 상변화가 일어나는 물질로 평판형 히트파이프 내부를 채우는 것이 바람직하다.
평판형 히트파이프 하단에는 평판형 히트싱크(107)가 결합되며, 평판형 히트싱크(107)는 평판형 히트파이프로부터 전달받은 열을 외부로 발산한다. 이와 같이 본 발명은 평판형태의 히트파이프를 사용함으로써 패키지 모듈 또는 기판과의 결합성을 높이며, 공정을 간소화할 수 있는 장점 있다.
부가하여 본 발명은 평판형 구조를 갖는 히트 파이프를 적용함으로써 종래 기술이 가지고 있는 태양전지 셀 어셈블리 파트와 히트파이프를 연결하는 블록을 적용함으로 생기는 두 개의 열전달 부재를 개선하여 하나의 열전달 부재를 이용하여 태양전지에서 발생하는 열을 발산시킬 수 있는 장점이 있다. 이와 같이 본 발명은 열전달 효율의 증대를 통한 냉각성능 향상과 냉각모듈 제작 및 태양광 모듈 패키징에 있는 우수한 장점을 가지게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 3에 의하면, 집광형 태양광 모듈은 집광렌즈, 집광렌즈 어레이 구조물, 태양전지, 패키지 모듈, 평판형 히트파이프, 평판형 히트싱크를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 집광형 태양광 모듈에 포함될 수 있다.
집광렌즈(101)를 외부로부터 유입되는 태양광을 집광하여 태양전지로 조사한다. 집광렌즈 어레이 구조물(102)은 집광형 태양광 모듈을 지지하는 구조물이다. 태양전지(103)는 집광렌즈로부터 조사된 태양광 또는 집광렌즈를 거치지 않고 조사된 태양광을 이용하여 전력을 생산한다. 패키지 모듈(104)은 상단에 태양전지가 부착되며 태양전지를 평판형 히트파이프에 고정시키는 기능을 수행한다.
평판형 히트파이프(106)는 평판 형태로 구성되며, 내부로 채워져 있는 물질을 이용하여 패키지 모듈로부터 전달된 열을 외부 또는 대기로 발산시키는 기능을 수행한다. 본 발명과 관련하여 평판형 히트파이프 내부는 열에 의해 상변화가 일어나는 물질로 채워지는 것이 바람직하다. 즉, 열에 의해 액체 상태에서 기체 상태로 상변화가 일어나는 물질로 평판형 히트파이프 내부를 채우는 것이 바람직하다.
평판형 히트파이프 하단에는 평판형 히트싱크(107)가 결합되며, 평판형 히트싱크는 평판형 히트파이프로부터 전달받은 열을 외부로 발산한다. 이와 같이 본 발명은 평판형태의 히트파이프를 사용함으로써 패키지 모듈 또는 기판과의 결합성을 높이며, 공정을 간소화할 수 있는 장점 있다.
이와 같이 본 발명은 기판을 제거함으로써 재료비 절감의 효과와 패키징 구조를 단순화할 수 있다. 즉, 평판형 히트파이프의 상단에 직접 패키징 모듈을 접합함으로써 평판형 히트파이프를 통해 바로 태양전지에서 발생한 열을 제거할 수 있다. 또한 본 발명은 열전달 부재의 개수를 줄임으로써 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 이 경우 상단에 형성되어 있는 집광렌즈를 지지하는 지지프레임은 기판이 아닌 평판형 히프파이프 또는 평판형 히트싱크에 형성하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 4에 의하면, 집광형 태양광 모듈은 도 2 또는 도 3과 달리 평판형 히트파이프 및 평판형 히트싱크를 태양전지별로 분리하여 구성한 후 어레이 형태로 부착되는 형태로 제작될 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈을 도시하고 있다. 이하 도 5를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각 구조를 갖는 집광형 태양광 모듈에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 5는 개별 평판형 히트파이프 및 평판형 히트싱크가 태양전지가 부착된 패키지 모듈과 결합할 경우, 패키지 모듈을 평판형 히트 파이프 및 평판형 히트싱크의 중앙에 위치시키는 대신 중앙으로부터 일정거리 이격된 지점에 위치는 경우를 도시하고 있다.
이와 같이 본 발명은 패키지 모듈을 평판형 히트파이프 또는 평판형 히트싱크에 다양한 지점에 위치시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 평판형 히트파이프를 도시하고 있다. 이하 도 6을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 평판형 히트파이프에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
상술한 바와 같이 평판형 히트파이프는 평판 구조를 가지며, 기체-액체 상변화 물질이 내부에 채워진다. 또한 평판형 히트파이프는 금속재질로 구성되며, 알루미늄으로 재작되는 것이 바람직하다.
도 6에 의하면, 평판형 히트파이프는 내벽의 상면 및 하면에 일정한 길이를 갖는 돌출부를 형성하고 있다. 도 6은 사각형 형태의 돌출부(502)를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 돌출부의 형상은 삼각, 사각, 반원형 등 다양한 형태로 제작이 가능하다. 또한 평판형 히트파이프는 일정 길이 단위로 상면과 하면을 연결하는 연결부를 형성하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 집광렌즈 어레이 모듈과 태양전지 모듈을 도시하고 있다. 이하 도 7을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 집광 렌즈 어레이 모듈과 태양전지 모듈에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
집광형 태양전지 모듈은 렌즈를 이용하여 외부로부터 유입된 태양광을 집광하는 집광 렌즈가 필수로 요구된다. 본 발명은 평판형 냉각 구조인 평판형 히트파이프와 평판형 히트싱크를 사용함으로써 상부의 집광렌즈 어레이 모듈과 하부의 평판형 냉각 구조를 포함하는 태양전지 모듈과의 정렬 공정을 간소화함으로써 대량 양산 공정을 통한 생산성 향상에 의한 모듈 제작비용을 감소할 수 있다.
집광형 태양광 모듈을 제작함에 있어 히트파이프를 적용하여 제작되고 있는 기존 기술의 경우 원형의 히트파이프와 그 주변에 구성된 평판형 히트싱크를 사용하는 구조로 되어 있어 집광형 렌즈와 태양전지를 개별로 정렬시켜 제작할 수 밖에 없다. 하지만 본 발명에서는 평판형 구조를 갖는 히프파이프를 적용함으로써 태양전지 모듈을 상부의 집광렌즈 어레이 모듈과 정합이 되는 정해진 정밀한 위치에 본딩을 수행함으로써 개별 셀 정렬을 통한 본딩 공정을 수행하지 않고 자동화 본딩 과정과 모듈 전체 정렬 공정을 통한 집광형 태양광 모듈 제작이 가능하다는 장점이 있다. 또한 도 7에 의하면, 태양전지 모듈 중 두 개만을 상부의 집광렌즈 어레이 모듈을 구성하고 있는 집광렌즈와 정렬하고 그 위치에 고정시킴으로써 나머지 태양전지 모듈을 구성하고 있는 태양전지는 별도의 정렬 공정 없이 집광렌즈 어레이 모듈을 구성하고 있는 집광렌즈와 정렬된다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
101: 집광렌즈 102: 집광렌즈 어레이 구조물
103: 태양전지 104: 패키지 모듈
105: 기판 106: 평판형 히트파이프
107: 평판형 히트싱크
103: 태양전지 104: 패키지 모듈
105: 기판 106: 평판형 히트파이프
107: 평판형 히트싱크
Claims (8)
- 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함하는 집광 렌즈 어레이 모듈;
상기 집광 렌즈의 하단에 위치하는 태양전지;
상기 태양전지의 하단에 위치하는 평판형 히트 파이프;
상기 평판형 히트 파이프의 하단에 위치하는 평판형 히트싱크를 포함하고,
상기 평판형 히트 파이프는 상기 집광 렌즈의 이격 간격과 동일하게 이격시켜 배치되는 상기 태양전지 마다 분리하여 형성되며, 상기 태양전지가 부착된 패키지 모듈을 상기 분리하여 형성된 평판형 히트 파이프의 중앙으로부터 이격되도록 위치시키는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 평판형 히트 파이프의 내부의 상면 또는 하면은 일정 간격으로 돌기부를 형성하고 있음을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
- 제 2항에 있어서, 상기 태양전지의 하단과 상기 평판형 히트 파이프의 상단 사이에는 상기 태양전지에서 발생한 열을 상기 평판형 히트 파이프로 전달하는 평판 형태의 기판을 형성하고 있음을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
- 제 3항에 있어서, 상기 집광 렌즈 어레이 모듈을 상기 평판형 히트 파이프 또는 상기 기판에 고정하는 집광렌즈 어레이 구조물을 포함함을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 평판형 히트 파이프는 알루미늄으로 형성되며, 내부는 온도에 따라 액체에서 기체로 상 변화를 일으키는 재질로 형성되어 있음을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
- 삭제
- 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함하는 집광 렌즈 어레이 모듈;
상기 집광 렌즈의 하단에 위치하는 태양전지;
상기 태양전지의 하단에 위치하며, 상기 태양전지에서 발생한 열을 제공받는 기판;
상기 기판의 하단에 위치하는 평판형 히트 파이프;
상기 평판형 히트 파이프의 하단에 위치하는 평판형 히트싱크;
상기 집광 렌즈 어레이 모듈을 상기 기판에 고정시키는 집광렌즈 어레이 구조물을 포함하고,
상기 평판형 히트 파이프는 상기 집광 렌즈의 이격 간격과 동일하게 이격시켜 배치되는 상기 태양전지 마다 분리하여 형성되며, 상기 태양전지가 부착된 패키지 모듈을 상기 분리하여 형성된 평판형 히트 파이프의 중앙으로부터 이격되도록 위치시키는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
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