KR101468010B1 - 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치 - Google Patents

집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1, 2차 반사경을 이용하여 태양광을 선택적으로 집광하여 효율적인 태양광 발전을 수행하는 집광형 태양광 발전장치에 설치되어, 2차 반사경에서 반사되는 태양광 전체를 다수개의 태양전지로 분배하고 안내하는 광 분배장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치는, 다수개의 태양전지셀이 실장되어 있는 기판 전면에 설치되어, 2차 반사경으로부터 집광되어 평행광으로 입사되는 태양광을 태양전지셀로 분할하는 광 분배장치에 있어서, 전면은 2차 반사경 방향을 향하고, 후면은 태양전지셀에 접촉되며, 내면이 정사각뿔대 형상으로 형성되는 수광 하우징; 상기 수광 하우징 내면에 설치되며, 상기 수광 하우징 내부로 입사되는 태양광을 4개의 조사 영역으로 동일하게 분할하는 내부 분할 지그;를 포함하는 것이 바람직하다.

Description

집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치{THE DEVICE FOR SEPARATING LIGHT}
본 발명은 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1, 2차 반사경을 이용하여 태양광을 선택적으로 집광하여 효율적인 태양광 발전을 수행하는 집광형 태양광 발전장치에 설치되어, 2차 반사경에서 반사되는 태양광 전체를 다수개의 태양전지로 분배하고 안내하는 광 분배장치에 관한 것이다.
최근 지구와 인류는 과도한 화석연료 사용으로 인한 지구 온난화를 필두로한 기후 변화와 환경오염 문제를 해결해야 하는 절체절명의 위기에 처해있다. 이러한 문제의 핵심에는 에너지 문제가 위치해 있고, 에너지 문제를 해결하지 않고서는 전술한 문제들의 근본적인 해결은 어렵다고 보아야 한다.
따라서 현재 세계 각국은 저마다 온실가스를 배출하지 않고 환경을 오염시키지 않는 신재생에너지, 예를 들어 태양광 발전, 풍력 발전, 지열 발전, 조력 발전, 파력 발전 등의 개발 및 보급에 국가적인 명운을 걸고 나서고 있다. 이러한 신재생 에너지 중에서 전세계적으로 가장 많이 사용되고 보급된 것은 단연 태양에너지 활용 분야이다.
이러한 태양광 발전은 크게 평판형 태양전지를 활용하는 방안과 집광형 태양광 발전 방안이 있다. 평판형 태양전지는 다시 결정형 태양전지와 박막형 태양전지로 나뉘는데, 현재 가장 많이 활용되고 보급되어 있는 태양전지는 대부분 결정형 태양전지이다. 현재 전세계 각국은 평판형 태양전지를 이용한 태양광 발전의 연구개발, 보급 및 설치에 많은 역량을 쏟고 있으며, 특히, 평판형 태양전지의 발전효율을 높이는데 많은 연구 역량을 투여하고 있다. 그런데 평판형 태양전지는 그 이론적 발전 효율이 20% 정도로 한계가 있으며, 실제 발전 효율은 발전 중의 셀 온도 상승 등 다양한 문제로 인하여 15% 정도의 효율만이 달성되는 문제가 있다.
한편 평판형 태양광 발전보다 높은 발전효율을 달성할 수 있는 집광형 태양광발전에 대해서도 세계 각국에서 연구개발에 나서고 있으며, 일부 상용화 수준에도 도달하고 있다. 그런데 집광형 태양광 발전은 태양광을 집광하여 발전에 이용하므로, 셀의 냉각에 평판형 태양광 발전보다 더 큰 어려움이 발생하는 상황이다.
따라서 태양전지셀이 최적의 상태에서 발전을 수행하여 셀 자체가 보유하고 있는 발전 효율이 달성될 수 있도록 발전 여견을 조성할 수 있는 발전시스템과 태양에너지 중 많은 부분을 차지하는 열에너지를 동시에 획득할 수 있는 기술의 개발이 절실하게 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 1, 2차 반사경을 이용하여 태양광을 선택적으로 집광하여 효율적인 태양광 발전을 수행하는 집광형 태양광 발전장치에 설치되어, 2차 반사경에서 반사되는 태양광 전체를 다수개의 태양전지로 분배하고 안내하는 광 분배장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치는, 다수개의 태양전지셀이 실장되어 있는 기판 전면에 설치되어, 2차 반사경으로부터 집광되어 평행광으로 입사되는 태양광을 태양전지셀로 분할하는 광 분배장치에 있어서, 전면은 2차 반사경 방향을 향하고, 후면은 태양전지셀에 접촉되며, 내면이 정사각뿔대 형상으로 형성되는 수광 하우징; 상기 수광 하우징 내면에 설치되며, 상기 수광 하우징 내부로 입사되는 태양광을 4개의 조사 영역으로 동일하게 분할하는 내부 분할 지그;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 내부 분할 지그는, 상기 수광 하우징과 일체로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편 본 발명에서 상기 내부 분할 지그는, 상기 수광 하우징과 분리되어 별개로 구비되며, 상기 수광 하우징에 억지기움 방식으로 결합되는 구조를 가질 수도 있다.
또한 본 발명에서 상기 내부 분할 지그는 태양광이 입사되는 전면부는 날카로운 면 구조를 가지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 내부 분할 지그 중앙에는, 연결부가 관통하는 관통공이 형성되는 것이 바람직하다.
한편 본 발명에 따른 광 분배장치에서, 수광 하우징 내면 및 상기 내부 분할 지그의 표면은 반사막이 코팅되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광 분배장치는 제조와 조립이 용이하며, 집광형 태양광 발전장치에 있어서, 다수개의 발전소자에 정확하게 집광된 태양광을 분배하여 안내할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양광 발전장치의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양광 발전장치의 구조를 도시하는 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양광 발전장치에서 이루어지는 광경로의 변화를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 분배장치의 구조를 도시하는 분리 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 분배장치의 결합 상태를 도시하는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 다른 광 분배장치와 연결부가 결합된 상태를 도시하는 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 집광형 태양광 발전장치(1)는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 1차 반사경(10), 2차 반사경(20), 발전부(30), 광 분배장치(100), 냉각부(50), 열매체 가열부(60) 및 연결부(70)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 1차 반사경(10)은, 자연 상태에서 입사되는 태양광을 1차 집광하는 구성요소로서, 전체적으로 포물선 거울 구조 또는 오목 거울 구조를 가진다. 그리고 상기 1차 반사경(10)에는 중앙 영역에 발전부(30) 등을 설치하기 위한 통공(12)이 형성되고, 전면은 안정적이고 용이한 설치 및 충분한 강도를 확보하기 위하여 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 사각틀 형상을 가지는 것이 바람직하다. 따라서 상기 1차 반사경(10)에 의하여 1차 집광된 태양광은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1차 반사경(10) 전방 특정한 지점에 초점을 이루면서 집광된다.
본 실시예에서 상기 1차 반사경(10)은, 경량으로 제조할 수 있으며, 정밀한 광학 형상의 성형이 용이한 내열성 플라스틱으로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 1차 반사경(10)은 시중에서 쉽게 입수할 수 있으며, 열에 변형되지 않는 내열성 플라스틱 소재로 이루어질 수 있으며, 사출 성형 방법으로 대량생산할 수 있는 구조를 가진다.
특히, 본 실시예에 따른 1차 반사경(10)에는, 상기 냉각부(50)가 체결되는데, 이를 위하여 너트 삽입 상태에서 사출하여, 상기 냉각부(50)를 단순한 볼트 체결로 결합시킬 수 있는 구조를 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 1차 반사경의 외측면에는 도 2에 도시된 바와 같이, 다수개의 돌출턱(14)이 일정한 길이로 형성된다. 이 돌출턱(14)은 부품의 이동 과정에서 상기 1차 반사경 다수개를 적층하여 이동할 수 있도록 한다. 적층하여 이동하는 과정에서 상기 1차 반사경의 내면 즉, 광학적 반사 코팅막이 형성되어 있는 부분이 손상되지 않아야 하므로, 상기 돌출턱(14)이 이웃한 1차 반사경과의 접촉을 방지하여 보호하는 것이다.
그리고 상기 1차 반사경(10)의 내면에는 태양광의 완벽한 반사를 위하여 반사 코팅막이 증착되는 것이 바람직하며, 상기 반사 코팅막의 증착은 물리적 증기 증착법(Physical Vapor Deposition) 방법 들을 활용하여 이루어질 수 있다.
다음으로 상기 2차 반사경(20)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)의 전방에 설치되며, 상기 1차 반사경(10)에 의하여 집광되는 태양광 중 발전에 기여하는 파장의 빛을 2차 집광하여 상기 통공(12) 방향으로 반사하는 구성요소이다. 따라서 상기 2차 반사경(20)은 전체적으로 볼록 거울 형상을 가지며, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)에 의하여 집광되는 태양광의 초점 거리 이내에 설치된다.
그리고 상기 2차 반사경(20)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 단면적 크기가 상기 통공(12)의 크기보다 작게 형성되는 것이, 상기 1차 반사경(10)으로 입사되는 태양광을 가리는 면적이 작아서 바람직하다. 실제로 상기 2차 반사경(20)의 크기가 상기 통공(12)의 크기와 동일하거나 작게 형성되면, 1차 반사경(10) 중에서 태양광을 반사하는 영역에 입사되는 태양광을 2차 반사경(20)이 전혀 가리지 않으므로 태양광 집광 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
또한 상기 2차 반사경(20)에는 상기 1차 반사경(10)에 의하여 집광된 태양광 중에서 발전에 기여하는 파장의 빛만을 상기 통공(12) 방향으로 반사하고, 발전에 기여하지 않는 파장의 빛(주로 장파장 대역의 빛)은 반사하지 않고 그대로 흡수할 수 있도록 빔스플리팅(beam splitting) 코팅막이 형성되는 것이 바람직하다. 이 빔스플리팅 코팅막은 이미 알려진 물질을 사용할 수 있으며, 분할하고자 하는 광의 파장 대역에 따라 물질의 종류나 비율이 달라질 수 있다.
이렇게 상기 2차 반사경(20)에 빔스플리팅 코팅막이 형성되면, 상기 발전부(30) 방향으로 발전에 기여하지 않고 온도만 상승시키는 파장대역의 빛을 원천적으로 보내지 않으므로, 발전부가 불필요하게 고온으로 가열되지 않는 장점이 있다. 한편 상기 2차 반사경(20)에 의하여 흡수된 발전 비기여 파장의 빛은 후술하는 열매체 가열부(60)를 가열하여 열에너지 획득하는 데에 활용된다.
또한 본 실시예에서 상기 2차 반사경(20)의 중앙에는 후술하는 연결부(70)의 설치를 위하여 관통공이 형성될 수 있다.
다음으로 상기 발전부(30)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 통공(12)에 설치되어 상기 2차 반사경(20)에 의하여 2차 집광된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 구성요소이다. 상기 발전부(30)에는 1개의 태양전지셀이 설치될 수도 있지만, 발전 효율을 극대화하기 위하여 다수개의 태양전지셀(32)이 설치되는 것이 바람직하다. 여기에서 사용되는 태양전지셀(32)은 상용적으로 구매할 수 있는 트리플 정션 셀(triple junction cell)이 사용될 수 있다.
구체적으로 상기 발전부(30)는 상기 태양전지셀(32) 다수개가 일정 간격 이격되어 실장되어 있는 인쇄회로기판으로 이루어질 수 있으며, 후술하는 냉각부(50)에 결합되어 설치된다. 그리고 상기 발전부(30)에도 후술하는 연결부(70)의 설치를 위하여 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙에 관통공(34)이 형성되며, 상기 태양전셀(32)들은 이 관통공(34)을 피하여 설치된다.
다음으로 상기 광 분배장치(100)는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 발전부(30) 전방에 설치되며, 상기 2차 반사경(20)에 의하여 2차 집광된 태양광을 상기 태양전지셀 별(32)로 안내하는 구성요소이다. 상기 발전부(30)에 다수개의 태양전지 셀(32)이 설치되는 경우에는 다수개의 태양전지 셀이 일정간격 이격되어 설치되므로, 2차 집광된 태양광이 정확하게 태양전지 셀에만 조사되도록 해야 효율 저하기 발생하지 않는다.
2차 집광된 태양광이 태양전지셀이 아닌 다른 부분에 조사되는 것은 발전 효율을 급격히 저하시키는 원인이 된다. 따라서 상기 광 분배장치(100)는 상기 발전부(30) 전면에 설치되어 상기 2차 반사경(20)에 의해 반사 집광되어 입사되는 태양광 전체가 태양전지셀(32)로 향하도록 안내하는 것이다.
이를 위하여 상기 광 분배장치(100)는 상기 2차 반사경(20)에서 반사되는 빛의 광 경로 상에 설치되어, 평행광으로 입사되는 빛을 태양전지셀(32) 방향으로 약간 모아주는 역할을 하는 광학 구조로 구성될 수 있다.
구체적으로 상기 광 분배장치(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 수광 하우징(110)과 내부 분할 지그(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 먼저 상기 수광 하우징(110)은 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 전면은 2차 반사경(20) 방향을 향하고, 후면은 태양전지셀(32)에 접촉되며, 내면이 정사각뿔대 형상으로 형성되는 구조를 가진다.
그리고 상기 수광 하우징(110)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 수광 하우징(110)을 냉각부(50)에 체결하기 위한 체결부(112)가 형성된다. 상기 체결부(112)를 이용하여 상기 수광 하우징(110)은 상기 발전부(30)을 완벽하게 감싼 상태에서 냉각부(50)에 체결된다. 또한 상기 수광 하우징(110) 내면에는 후술하는 내부 분할 지그(120)의 삽입을 위한 삽입홈(114)이 형성된다. 상기 삽입홈(114)는 상기 내부 분할 지그(120)가 억지끼움 방식에 의하여 견고하게 삽입될 수 있는 형상과 크기를 가진다.
다음으로 상기 내부 분할 지그(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 수광 하우징(110) 내면에 설치되며, 상기 수광 하우징(110) 내부로 입사되는 태양광을 4개의 조사 영역으로 동일하게 분할하는 구성요소이다. 따라서 상기 내부 분할 지그(120)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 분할날개(122)가 방사형으로 형성된다. 물론 상기 내부 분할 지그(120)는 이렇게 분리형 구조가 아니라, 상기 수광 하우징(110)과 일체로 형성될 수도 있다.
그리고 이렇게 상기 내부 분할 지그(120)가 별개로 형성되는 경우에는, 전술한 바와 같이, 상기 내부 분할 지그(120)가 상기 수광 하우징(110)에 억지끼움 방식으로 결합되는 것이 바람직하다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 분할 날개(122)가 상기 삽입홈(114)에 삽입되어 결합된다.
또한 본 실시예에 따른 상기 내부 분할 지그(120)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분할 날개(122)의 전면 즉, 태양광이 입사되는 전면부는 날카로운 면 구조를 가지는 것이 입사되는 태양광의 손실을 최소화할 수 있어서 바람직하다.
한편 본 실시예에서 상기 내부 분할 지그(120) 중앙에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 연결부(70)가 관통하는 관통공(124)이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 관통공(124)를 통하여 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 연결부(70)가 관통하여 설치되며, 상기 연결부(70)가 움직이지 않고, 고정되도록 한다. 따라서 상기 관통공(124)의 크기는 상기 연결부(70)가 밀착된 상태에서 삽입될 수 있는 크기를 가지는 것이 바람직하다.
또한 본 실시예에서, 상기 수광 하우징(110) 내면 및 상기 내부 분할 지그(120)의 표면은 반사막이 코팅되는 것이 바람직하다. 이렇게 반사막이 코팅되는 경우에는 상기 2차 반사경(20)에서 반사되어 입사되는 모든 태양광을 태양전지셀(32) 방향으로 반사하여 발전효율을 극대화할 수 있기 때문이다. 따라서 상기 수광 하우징(110)과 내부 분할 지그(120)를 다이캐스팅 방법 등으로 먼저 성형한 후에, 그 표면에 코팅막을 형성하는 2단계 공정을 거칠 수 있다.
다음으로 상기 냉각부(50)는, 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 발전부(30)의 후면에 결합되어 설치되며, 상기 발전부(30)를 냉각시키는 구성요소이다. 본 실시예에서는 상기 냉각부(50)는 일반적으로 사용되는 자연 공냉식 냉각판 구조를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 냉각부(50)에는 상기 발전부(30)와 광 분배장치(100)가 결합되어 설치되고, 상기 냉각부(50)는 다시 상기 1차 반사경(10)의 배면에 결합되어 설치된다. 이때 상기 광 분배장치(100)는 상기 1차 반사경(10)에 형성되어 있는 통공(12)을 관통하여 설치된다.
본 실시예에서 상기 냉각부(50)는 알루미늄 소재와 같은 열전도성이 우수한 금속 소재로 이루어질 수 있으며, 다이캐스팅 방법으로 다양한 형상을 가지도록 대량 생산될 수 있다.
다음으로 상기 열매체 가열부(60)는, 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 2차 반사경(20) 후측에 결합되어 설치되며, 상기 2차 반사경(20)에 의하여 흡수되는 태양광의 열을 흡수하여 열매체를 가열하는 구성요소이다. 전술한 바와 같이, 본 실시예에서 상기 2차 반사경(20)은 발전에 기여하는 단파장 대역의 빛은 상기 발전부(30) 방향으로 반사하고, 발전에 기여하지 않고 주로 열을 발생하는 장파장 대역의 빛은 흡수하게 되는데, 이렇게 흡수되는 장파장 대역의 빛을 상기 열매체 가열부(60)가 흡수하여 내부에 채워진 열매체를 가열하는 것이다.
전술한 바와 같이, 상기 2차 반사경(20)에 의하여 흡수되는 빛은 장파장 대역의 빛이므로, 대부분 열을 많이 발생시키는 빛이다. 따라서 상기 열매체 흡수부(60)는 많은 열을 흡수하여 상기 열매체를 단시간에 고온으로 가열할 수 있다.
구체적으로 상기 열매체 흡수부(60)는 내부에 일정한 공간을 가져서 일정량의 열매체가 채워질 수 있는 구조를 가지며, 전방에는 상기 연결부(70)가 삽입될 수 있도록 관통공이 형성되는 구조를 가진다. 그리고 본 실시예에서 상기 열매체 흡수부(60)는 상기 2차 반사경(20)의 외측을 감싸는 구조로 상기 2차 반사경(20)과 결합되어 고정된다.
다음으로 상기 연결부(70)는, 상기 냉각부(50), 발전부(30) 및 2차 반사경(20)을 수직으로 관통하여 설치되며, 상기 2차 반사경(20) 및 열매체 가열부(60)를 상기 냉각부(50)에 고정시키고 상기 열매체 가열부(60)에 열매체를 순환 공급하는 구성요소이다. 즉, 상기 연결부(70)는 상기 2차 반사경(20)과 열매체 가열부(60)를 냉각부(50)에 고정하는 역할과 상기 열매체 가열부(60)에 열매체를 공급하고 회수하는 역할을 동시에 수행하는 것이다.
구체적으로 상기 연결부(70)는 원통형 관으로 형성되며, 중앙은 분할판이 형성되어 내부 공간이 길이방향으로 이등분된 구조를 가진다. 그리고 이 연결부(70)의 일단은 상기 2차 반사경(20)의 관통공을 관통하여 상기 열매체 가열부(60)에 결합되며, 타단은 상기 냉각부(50)를 관통하여 열매체 공급/회수부(80)와 결합된다.
이때 본 실시예에서 상기 2차 반사경(20)의 중앙 영역은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)에서 반사되는 빛을 2 ~ 7°정도로 확산시키는 구조를 가지고, 상기 중앙 영역을 제외한 나머지 영역은 상기 1차 반사경(10)에서 반사되는 빛을 평행광으로 집광하여 상기 발전부(30) 방향으로 반사하는 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이는 2차 반사경(20)의 중앙 영역에서 반사된 빛이 상기 연결부(70)에 조사되어 발전효율이 저하되거나 불필요하게 연결부(70)를 가열하는 현상을 방지하기 위함이다.
1 : 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양광 발전장치
10 : 1차 반사경 20 : 2차 반사경
30 : 발전부 40 : 태양광 안내부
50 : 냉각부 60 : 열매체 가열부
70 : 연결부 80 : 열매체 공급/회수부
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 광 분배장치
110 : 수광 하우징 120 : 내부 분할 지그

Claims (6)

  1. 다수개의 태양전지셀이 실장되어 있는 기판 전면에 설치되어, 2차 반사경으로부터 집광되어 평행광으로 입사되는 태양광을 태양전지셀로 분할하는 광 분배장치에 있어서,
    전면은 2차 반사경 방향을 향하고, 후면은 태양전지셀에 접촉되며, 내면이 정사각뿔대 형상으로 형성되는 수광 하우징;
    상기 수광 하우징 내면에 설치되며, 상기 수광 하우징 내부로 입사되는 태양광을 4개의 조사 영역으로 동일하게 분할하는 내부 분할 지그;를 포함하며,
    상기 내부 분할 지그는,
    상기 수광 하우징과 분리되어 별개로 구비되며, 상기 수광 하우징에 억지기움 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 내부 분할 지그는,
    태양광이 입사되는 전면부는 날카로운 면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 내부 분할 지그 중앙에는,
    연결부가 관통하는 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치.
  6. 제1항에 있어서,
    수광 하우징 내면 및 상기 내부 분할 지그의 표면은 반사막이 코팅되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치.
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