KR101512060B1 - 태양광 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광을 집광하여 발전효율을 높이면서도 다수개의 태양전지셀에 대하여 동시 발전이 가능하고 태양전지셀을 효과적으로 방열할 수 있는 태양광 발전장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양광 발전장치는, 중앙 영역에 통공이 형성되며, 태양광을 1차 집광하는 오목거울 형상의 1차 반사경; 상기 1차 반사경의 전방에 설치되며, 상기 1차 반사경에 의하여 집광되는 태양광을 2차 집광하여 상기 통공 방향으로 반사하는 2차 반사경; 상기 통공 후방에 설치되어 2차 집광된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 다수개의 태양전지셀을 구비하는 발전부; 상기 통공에 설치되며, 상기 2차 반사경에 의하여 2차 집광된 태양광을 상기 태양전지셀별로 안내하는 태양광 안내부;를 포함한다.

Description

태양광 발전장치{SOLAR POWER GENERATING APPARATUS}

본 발명은 태양광 발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광을 집광하여 발전효율을 높이면서도 다수개의 태양전지셀에 대하여 동시 발전이 가능하고 태양전지셀을 효과적으로 방열할 수 있는 태양광 발전장치에 관한 것이다.

태양 에너지를 이용하여 전기 에너지로 발전을 하는 태양광 장치 중 가장 일반적으로 사용되는 방식 중 하나인 일명 솔라셀(solar cell)이라 명명되는 태양전지는 주로 실리콘 재질을 이용하여 제작이 된 것으로, 가시광선 파장 영역에서의 광전 효과를 이용하여 전기를 발생시키는 원리를 가지고 있다.

Si(실리콘) 소재를 이용한 태양전지는 0.3 um에서 1.1 um 까지의 파장 영역의 파장만을 흡수하는 것으로 연구 결과가 보고되고 있는바, 이러한 파장 영역은 주로 가시광선 대역이고 보다 높은 발전 효과를 기대할 수 있는 적외선 영역대에서는 흡수 효율이 매우 낮다는 문제가 있다.

보다 구체적으로는, 상기 실리콘 재질에 의한 태양전지는 적외선 파장 영역의 태양광은 흡수 효율이 낮을 뿐 아니라 태양 전지 표면 온도를 증가시켜 발전 효율이 감소하게 된다. 다시 말해 태양광이 매우 강한 여름의 낮 시간에는 태양광이 강하여 조도는 높을지언정 오히려 태양전지 표면 온도가 상승하여 발전 효율이 떨어지게 되는 문제가 발생한다.

태양 전지의 소재로서 실리콘(Si) 이외에 다양한 소재가 사용되고, 소재의 특성 별로 흡수가 잘되는 파장 영역대를 가지고 있으나 문제는 각 소재 별로 고유의 흡수 파장 영역을 가지고 있어 태양광의 전반적인 파장 영역을 동시에 사용하기에 큰 애로가 따른다는 것이다.

태양광의 흡수 파장 영역을 확장하기 위한 기술로서, 국내 특허 제 589323호 ‘광 흡수파장대가 확장된 연료 감응 태양전지’의 경우 다공질막에 흡착되는 특정 복합 염료에 의하여 태양전지의 광 흡수파장대를 확장 처리한다고 하고 있으나, 나노 크기의 다공질막을 제작하고 이에 흡착되는 특정 복합 염료를 마련하는데 소요되는 비용 대비 광 흡수영역대 확장 효과가 크지 않고, 가시광선 영역에서 적외선 영역까지 폭넓은 광 흡수영역대를 동시에 해결하기에는 한계가 따른다는 문제가 있다.

한편 태양광을 이용한 발전방식 중 다른 하나는 열전소자를 이용한 태양광 발전 장치이다. 열전소자는 태양광에 의하여 가열이 되는 기판과 냉각부에 의하여 냉각이 되는 기판 사이의 온도 차이에 의하여 제베크(Seebeck) 효과 내지 펠티에(Peltier) 효과, 톰슨(Tomson) 효과를 통해 열전 현상을 발생함으로 열기전력을 창출하는 것을 의미한다.

이러한 열전소자를 이용하여 태양광 발전을 하는 선행기술로서, 국내 특허등록 제 868492호 ‘열전소자가 구비된 태양광 발전장치’, 국내 실용신안등록 제 223071호 ‘태양전지와 열전냉온소자를 이용하는 냉난방장치’, 국내 실용신안등록 제 259618호 ‘태양열 난방장치’와 같은 기술들이 개시되어 있다.

이러한 기술을 살펴보면, 모두 열전소자와 태양전지를 결합시킨 것으로 상술하였듯이 태양전지는 가격 대비 발전 효율이 낮아 열전소자를 결합하였을 경우에 발전 효율을 증강시킬 수 있을지 의문이 들고 더욱이 상기 기술은 열전소자를 태양광 발전 효율 자체를 증가시키기 위한 것이 아니라 태양전지의 과열 현상 내지 냉방으로의 전환을 위하여 사용하고 있는 수준에 그치는 것이다.

예를 들어, 국내 특허등록 제 868492호는 펠티에 효과를 이용하여 태양전지의 과잉된 열을 열전소자를 통해 분산 처리함으로써 태양전지의 열화 문제를 방지할 수 있다고 기술되어 있어 열전소자가 열기전력을 창출하기 위하여 사용되는 것이 아니라 단순히 열 분산 효과를 나타내기 위하여 사용되고 있을 뿐이다.

열전소자를 이용하여 발전을 할 때에는, 가열된 기판 면과 냉각된 기판 면의 온도 차이를 이용하여 발전을 하는 것으로 이해할 수 있다. 일반적으로 열전소자의 가열판과 냉각판의 온도 차이를 300℃ 가량 유지시킬 경우 열전소자의 크기가 예를 들어 50mm × 50mm 일 때 발전용량은 14 watt 정도가 되는 것이 일반적이라 발표된 연구 결과가 있으나 50 watt 이상이 되는 제품이 개발되었다고 러시아 또는 독일에서 보고되고 있다.

하지만, 상기 열전소자의 양 측판의 온도 차이를 확보하기 위하여 가열판의 가열을 위해 히터를 이용한다면 히터에 소요되는 열용량이 더욱 크게 되는 매우 비효율적인 현상이 발생하게 된다. 따라서 열전소자를 통해 보다 의미있고 효율적으로 발전을 하기 위해서는 비용이 소요되지 않는 열원, 즉 폐열 회수발전 내지 온천 열, 지열 등의 제시될 수 있고 특히 환경 친화적이고 반영구적으로 사용 가능한 태양 에너지를 이용하여 가열판의 고온의 온도를 확보할 필요가 따른다.

결국 현재 사용되고 있는 태양광 발전에서는 소자의 과열을 방지하여 효율 하락을 방지하는 기술과 소자에 접합한 파장 영역의 빛을 선택적으로 선별하여 발전 효율을 향상시키는 기술의 개발이 절실하게 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양광을 집광하여 발전효율을 높이면서도 다수개의 태양전지셀에 대하여 동시 발전이 가능하고 태양전지셀을 효과적으로 방열할 수 있는 태양광 발전장치를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 발전장치는, 중앙 영역에 통공이 형성되며, 태양광을 1차 집광하는 오목거울 형상의 1차 반사경; 상기 1차 반사경의 전방에 설치되며, 상기 1차 반사경에 의하여 집광되는 태양광을 2차 집광하여 상기 통공 방향으로 반사하는 2차 반사경; 상기 통공 후방에 설치되어 2차 집광된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 다수개의 태양전지셀을 구비하는 발전부; 상기 통공에 설치되며, 상기 2차 반사경에 의하여 2차 집광된 태양광을 상기 태양전지셀별로 안내하는 태양광 안내부;를 포함한다.

그리고 상기 태양광 안내부는, 상기 1차 반사경 내면에서 상기 2차 반사경 방향으로 피라미드 형상으로 돌출되어 형성되며, 상기 다수개의 태양전지셀 별로 태양광을 안내하는 광 안내통인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 광 안내통에는, 그 내면에 코팅되어 형성되며, 입사되는 광을 모두 반사하는 반사면이 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 태양광 중 열적인 기여도가 높은 장파장 대역의 빛을 제거하여 태양전지셀에 조사하므로 집광형 태양광 발전장치임에도 불구하고 다수개의 태양전지셀을 설치하고 동시에 발전을 할 수 있다는 장점이 있다.

또한 광안내부를 이용하여 2차 집광된 태양광을 전혀 손실없이 태양전지셀에 집중적으로 조사하여 발전 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지셀과 방열판을 도시하는 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분할 집광 수단의 구조를 도시하는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 태양광 발전장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 반사경(10), 2차 반사경(20), 발전부(30) 및 태양광 안내부(40)를 포함하여 구성된다.

먼저 1차 반사경(10)은 중앙 영역에 통공이 형성되며, 태양광을 1차 집광하는 오목거울 형상의 구성요소이다. 상기 1차 반사경(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전체적으로 오목 거울 형상을 가지며, 전방 중앙에 입사된 태양광을 1차 집광한다. 이때 상기 1차 반사경(10)의 초점 영역에 후술하는 2차 반사경(20)이 위치된다. 그리고 상기 1차 반사경(10)의 중앙 영역에는 통공이 형성되는데, 이 통공에는 후술하는 발전부(30)와 광 안내부(40)가 설치된다.

한편 상기 1차 반사경(10)의 후면 중 상기 통공의 주변으로는 도 1에 도시된 바와 같이, 후술하는 방열판(33)과의 밀착을 위한 방열판 밀착부(11)가 형성된다. 상기 방열판 밀착부(11)는 곡면으로 이루어진 1차 반사경(10)의 다른 부분과 달리 평면으로 이루어지며, 방열판(33)의 고정을 위한 고정수단 삽입공(12)과 밀폐링(50)의 장착을 위한 밀폐링 삽입홈(13) 등이 형성될 수 있다.

상기 고정수단 삽입공(12)은 원을 이루면서 다수개가 일정간격 이격되어 형성되며, 내면에 나사면이 형성된다. 또한 상기 밀폐링 삽입홈(13)은 상기 고정수단 삽입공(12)의 형성된 내측으로 원형으로 형성된다.

다음으로 상기 2차 반사경(20)은 상기 1차 반사경(10)의 전방에 설치되며, 상기 1차 반사경(10)에 의하여 집광되는 태양광을 2차 집광하여 상기 통공 방향으로 반사하는 구성요소이다. 상기 2차 반사경(20)은 전술한 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)에 의하여 집광된 태양광의 초점 영역에 설치되며, 상기 1차 반사경(10)에 의하여 1차 집광된 태양광을 2차 집광하여 상기 통공 방향으로 보낸다. 상기 2차 반사경(20)은 전체적으로 볼록 거울 형상을 가지며, 그 표면에 빔스플릿팅 코팅면이 형성될 수도 있다. 상기 빔스플릿팅 코팅면은 장파장 영역의 태양광은 투과하고, 단파장 영역의 태양광은 반사하여 통공 방향으로 보낸다.

다음으로 상기 발전부(30)는 상기 통공 후방에 설치되어 2차 집광된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 다수개의 태양전지셀(31)을 구비하는 구성요소이다. 구체적으로 상기 발전부(30)는 다수개의 태양전지셀(31)과 상기 다수개의 태양전지셀(31)이 고정되어 설치되는 인쇄회로기판(32) 및 방열판(33)으로 구성된다. 그리고 상기 인쇄회로 기판(32)의 표면 중 상기 태양전지셀(31)이 고정되는 영역을 제외한 영역에는 역류 방지용 다이오드(34) 등 다른 구성요소들이 설치된다.

그리고 본 실시예에서는 상기 다수개의 태양전지셀(31)이 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 일정한 간격 이격되어 설치된다. 본 실시예에서는 집광형이지만, 태양광 중 열을 발생시키는 영역인 장파장 영역의 빛을 빔스플릿팅 코팅면에 의하여 제거하고 상기 태양전지셀에는 단파장 영역의 빛만이 조사되므로, 다수개의 태양전지셀(31)을 사용할 수 있는 것이다. 따라서 본 실시예에서는 다른 집광형 태양광 발전장치와 달리 다수개의 태양전지셀을 사용하여 효율적인 태양광 발전을 할 수 있는 것이다.

한편 본 실시예에서 상기 인쇄회로기판(32)은 전기가 전도되지 않는 세라믹 기판으로 이루어지는 것이 바람직하다.

다음으로 상기 방열판(33)은 상기 인쇄회로기판(32)의 후면에 부착되고, 상기 태양전지셀(31)의 열을 전달받아 방열하며, 상기 1차 반사경(10) 후단부에 고정되는 구성요소이다. 상기 방열판(33)의 중앙 영역에는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 인쇄회로기판(32)의 후면이 삽입될 수 있는 크기의 기판 배면 삽입홈(35)이 형성되며, 상기 방열판(33)의 후면에는 효율적인 방열을 위하여 방열핀(36)들이 형성된다.

한편 상기 방열판(33)은 전술한 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)의 방열판 밀착부(11)에 밀착된 상태로 고정된다. 특히, 별도의 고정수단(60) 예를 들어 볼트와 같은 것에 의하여 상기 방열판 밀착부(11)에 고정된다.

이때, 상기 방열판(33)과 상기 방열판 밀착부(11) 사이에는 원형의 밀폐링(50)이 더 구비되어 내측에 설치되는 태양전지셀(31)과 인쇄회로기판(32) 등을 보호하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 밀폐링(50)은 상기 방열판(33)의 내면 및 상기 방열판 밀착부(11)에 형성되어 있는 삽입홈(13)에 일부가 삽입되어 위치 이동이 방지되는 것이 바람직하다.

한편 상기 방열판(33)에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 인쇄회로기판(32)에서 인출되는 전선 통과공(37)이 상기 방열판을 두께 방향으로 관통하여 형성되며, 상기 전선 통과공(37)에 인접하게 전선 인입홈(38)이 형성될 수도 있다. 이렇게 상기 방열판(33)을 관통하여 전선 통과공(37)과 전선 인입홈(38)이 형성되면, 상기 태양전지셀(31)에서 생성된 전기를 인출하는 전선이 내부의 밀폐성을 깨지 않고 안정적으로 외부로 인출될 수 있는 장점이 있다.

다음으로 상기 광 안내부(40)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 통공에 설치되며, 상기 2차 반사경(20)에 의하여 2차 집광된 태양광을 상기 다수개의 태양전지셀(31)별로 안내하는 구성요소이다. 상기 태양광 안내부(40)에 의하여 상기 1, 2차 반사경(10, 20)을 통하여 집광된 태양광은 다른 영역으로 일체 유출되지 않고 오직 태양전지셀(31)로만 조사된다. 따라서 발전 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

구체적으로 상기 태양광 안내부(40)는 2가지 형태로 구성될 수 있다. 먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)의 통공에 설치되되, 상기 1차 반사경(10) 내면에서 상기 2차 반사경(20) 방향으로 피라미드 형상으로 돌출되어 형성되는 광 안내통(41)인 것이다. 이렇게 광 안내통으로 형성되는 경우 상기 다수개의 태양전지(31)셀 별로 태양광을 안내할 수 있도록 상기 다수개의 태양전지셀(31)과 동일한 수롤 분할된 다수개의 광 안내통(41)이 구비된다.

그리고 상기 각 광 안내통(41)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 2차 반사경(20) 방형의 개구부는 그 직경이 최대로 형성되어 상기 2차 반사경(20)에 의하여 집광된 모든 태양광을 수용할 수 있어야 한다. 상기 상기 광 안내통(41)의 후단은 상기 인쇄회로기판(32)의 전면에 밀착되어 설치된다. 그리고 상기 광 안내통(41)의 기판측 개구부는 상기 태양전지셀(31)의 크기와 동일한 크기로 형성된다. 따라서 상기 광 안내통(41)에 의하여 안내된 빛은 상기 태양전지셀(31)에만 조사된다.

또한 상기 광 안내통(41)의 내면에는 반사면(42)이 더 형성되는 것이 바람직하다. 이 반사면(42)은 입삽되는 광을 모두 반사하여 종국적으로 상기 태양전지셀(31)로 안내하는 것이다.

한편 상기 다수개의 광 안내통 사이의 공간은 상기 기판의 전면과 밀착되는데, 상기 광안내통(41)의 후면 중 광 안내통을 형성하는 최소한의 두께를 제외한 나머지 부분은 도 1에 도시된 바와 같이, 음각으로 패여서 공간부(43)가 형성된다. 따라서 상기 역류 방지용 다이오드(34) 등이 상기 인쇄회로기판(32) 전면에 설치되어도 상기 광 안내통(41)과 간섭되지 않는 장점이 있다.

다음으로 다른 실시예에 따른 태양광 안내부는 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 분할 집광 수단(40a)으로 구성될 수 있다. 상기 분할 집광 수단(40a)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)과 2차 반사경(20) 사이에 배치되며, 상기 2차 집광된 태양광을 상기 다수개의 태양전지셀 별(31)로 분할 집광하는 구성요소이다. 구체적으로 상기 분할 집광 수단(40a)은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 다수개의 태양전지셀(31)에 대응되게 배치되는 FEL(Fly Eye Lens, 41a)과, 상기 FEL을 상기 1차 반사경에 설치되는 설치부(42a)로 구성될 수 있다.

이때 상기 각 FEL(41a)에 의하여 집광되는 태양광은 상기 태양전지셀(31)에만 조사되도록 상기 FEL(41a)의 설치위치가 조정되어야 한다.

10 : 1차 반사경 20 : 2차 반사경
30 : 발전부 40 : 태양광 안내부

Claims (3)

1. 중앙 영역에 통공이 형성되며, 태양광을 1차 집광하는 오목거울 형상의 1차 반사경;
   상기 1차 반사경의 전방에 설치되며, 상기 1차 반사경에 의하여 집광되는 태양광을 2차 집광하여 상기 통공 방향으로 반사하는 2차 반사경;
   상기 통공 후방에 설치되어 2차 집광된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 다수개의 태양전지셀을 구비하는 발전부;
   상기 통공에 설치되며, 상기 2차 반사경에 의하여 2차 집광된 태양광을 상기 태양전지셀별로 안내하는 태양광 안내부;를 포함하며,
   상기 태양광 안내부는,
   상기 다수개의 태양전지셀 별로 태양광을 안내하는 다수개의 광 안내통으로 구성되며, 상기 광 안내통은 단면 형상이 상기 1차 반사경 내면에서 상기 2차 반사경 방향으로 갈수록 직경이 크게 형성되는 피라미드 형상인 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 광 안내통에는,
   그 내면에 코팅되어 형성되며, 입사되는 광을 모두 반사하는 반사면이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.

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