KR101526943B1 - 고효율 태양 에너지 획득 장치 - Google Patents

고효율 태양 에너지 획득 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광을 이용한 발전 장치인 솔라판넬(SOLAR PANEL) 기술의 일종인 멀티 적층 솔라 셀 (MUTI-JUNCTION SOLAR CELL)을 이용하여 태양열과 발전 기전력을 동시에 획득하는 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양에너지 획득 시스템은, 중앙 영역에 통공이 형성되며, 반원통형상을 가져서 입사되는 태양광을 1차 집광하는 1차 반사경; 상기 1차 반사경의 전단에 설치되는 프레임; 상기 프레임의 중앙에 설치되며, 상기 1차 반사경에 의하여 집광된 태양광 중 단파장 영역의 빛을 상기 통공의 후방으로 반사하고 장파장 영역의 빛을 투과하는 빔스플리팅부; 상기 빔스플리팅부에 설치되어, 장파장 영역의 빛을 이용하여 열매체를 가열하는 태양열 이용부; 상기 1차 반사경의 후방에 배치되며, 상기 빔스플리팅부에 의하여 반사되는 단파장 영역의 빛을 이용하여 전기를 발전하는 발전부;를 포함한다.

Description

고효율 태양 에너지 획득 장치{THE APPARATUS FOR UTILIZING THE SOLAR ENERGY}
본 발명은 태양에너지 획득 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광을 이용한 발전 장치인 솔라판넬(SOLAR PANEL) 기술의 일종인 멀티 적층 솔라 셀 (MUTI-JUNCTION SOLAR CELL)을 이용하여 태양열과 발전 기전력을 동시에 획득하는 고효율 태양 에너지 획득 장치에 관한 것이다.
집광 태양광을 이용한 발전은 CPV(Concentrate Photo Voltaic)라고 하고 태양광을 일정 면적에 받아 적층 솔라셀에 집광시켜 발전 기전력을 얻는 방식으로 발전하여 왔다. 그러나 태양광을 집광함으로써 적층 솔라셀에서 고온의 열이 발생하여 발전의 효율이 오히려 떨어지거나 냉각 장치가 필요하게 되었다.
적층 솔라셀의 발전 효율을 유지하기 위해 일반적으로 태양광이 집중되는 반사기 부분에 냉각수를 흐르게 하여 열교환을 하여 획득된 온수를 이용하는 집중광을 이용한 온수 및 발전 모듈인 CPVT(Concentrate Photo-Voltaic & Thermal)의 장치도 개발되어 있으나, 냉각수의 유실이 발생할 경우나 냉각수가 적층 솔라셀의 적정의 온도인 60℃ 이상인 경우 발전 효율의 저하 및 파손을 피할 수가 없는 문제점이 있었다.
또한 자연 태양광을 집광하기 위해 복잡한 태양광 경로를 구성하고, 연속적으로 정확한 태양 추적이 필요하여 발전 전력의 손실이 많은 문제점도 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 태양광의 집광 경로를 단순화하여 태양광을 추적하는 트랙킹 전력을 줄이는 동시에 장치의 제작비용을 절감시키며, 적층 솔라셀에 도달하는 자연 태양광의 발열 파장을 차단하여 집광된 태양광이 적층 솔라셀에서 발전에 기여하는 파장만 도달시켜 저온 발열을 실현하고, 자연 공냉식 방열핀만으로 적층 솔라 셀이 60℃이하로 유지가 가능하여 항상 일정한 발전 효율을 유지하는 태양에너지 획득 장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양에너지 획득 시스템은, 중앙 영역에 통공이 형성되며, 반원통형상을 가져서 입사되는 태양광을 1차 집광하는 1차 반사경; 상기 1차 반사경의 전단에 설치되는 프레임; 상기 프레임의 중앙에 설치되며, 상기 1차 반사경에 의하여 집광된 태양광 중 단파장 영역의 빛을 상기 통공의 후방으로 반사하고 장파장 영역의 빛을 투과하는 빔스플리팅부; 상기 빔스플리팅부에 설치되어, 장파장 영역의 빛을 이용하여 열매체를 가열하는 태양열 이용부; 상기 1차 반사경의 후방에 배치되며, 상기 빔스플리팅부에 의하여 반사되는 단파장 영역의 빛을 이용하여 전기를 발전하는 발전부;를 포함한다.
본 발명에서 상기 빔스플리팅부는, 1.5㎛ 이하의 파장을 가지는 빛을 반사하고, 1.5㎛를 초과하는 파장을 가지는 빛을 흡수하는 것이 바람직하다.
또한 상기 발전부는, 상기 통공에 설치되는 발전 케이스; 상기 발전 케이스의 전면에 설치되는 적층 솔라셀; 상기 발전케이스 후단에 설치되며, 상기 적층 솔라셀을 냉각하는 냉각부;를 포함하는 것이 바람직하다 .
또한 상기 적층 솔라셀 전방에는, 상기 빔스플리팅부에서 반사되는 태양광을 2차 집광하는 2차 집광 렌즈가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 태양열 이용부는, 상기 빔스플리팅부 후면에 설치되며, 일정한 내부 공간을 가져서 내측으로 열매체를 순환시켜 태양열을 흡수하는 것이 바람직하다.
또한 상기 1차 반사경에 결합되어 설치되며, 상기 1차 반사경을 태양 방향으로 구동시키는 태양추적부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양 에너지 획득장치는, 자연 태양광을 이용하여 온수와 발전이 가능한 CPVT장치 중 BEAM SPLITTER의 파장을 CUT-OFF시키는 AR물질을 증착 시켜 열을 발생하는 파장과 발전에 기여하는 파장을 나누어 사용하여 별도의 적층 솔라셀 방열 장치 없이 적층 솔라셀의 표면을 저온으로 유지하여 발전 효율을 유지하고, 열을 발생하는 장파장은 흡수하여 열 교환하는 장치이므로, 태양으로부터 전달되는 모든 에너지를 획득할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 태양 에너지 획득장치는, 태양 움직임을 추적하는 적층 솔라 셀의 집중광을 가로형으로 구성하여 태양추적의 시간 간격을 늘려 과도한 태양추적에 따른 발전 전력 소비량을 최적화 할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 획득 장치의 구조를 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 고효율 태양 에너지 획득장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 반사경(10), 프레임(30), 빔스플리팅부(20), 태양열 이용부(60) 및 발전부(40)를 포함하여 구성된다.
먼저 상기 1차 반사경(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전체적으로 반원통형상을 가지며, 표면에 태양광을 반사하는 반사면이 형성된다. 물론 별도로 반사면을 형성하지 않고, 태양광을 반사하는 특성을 가지는 물질로 구성할 수도 있을 것이다.
그리고 상기 1차 반사경(10)의 곡률은 상기 빔스플리팅부(20) 방향으로 반사된 태양광이 집광되도록 형성한다.
또한 상기 1차 반사경(10)의 중앙에는 길이 방향으로 길게 통공이 형성되며, 상기 통공에는 후술하는 발전부(40)가 설치된다.
다음으로 상기 프레임(30)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전체적으로 사각틀 형상을 가지며, 상기 1차 반사경(10)의 전단에 결합되어 설치된다. 상기 프레임(30)은 상기 1차 반사경(10)의 형상이 변동되지 않도록 유지하고 보호하는 역할을 하며, 후술하는 빔스플리팅부(20)와 태양열 이용부(60)의 설치 공간을 제공하는 역할도 한다.
본 실시예에서 상기 프레임(30)은 상당한 강도를 가지는 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 금속이나 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.
다음으로 상기 빔스플리팅부(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 프레임(30)의 중앙에 상기 1차 반사경(10)과 평행하게 설치된다. 본 실시예에서 상기 빔스플리팅부(20)는, 상기 1차 반사경(10)에 의하여 집광된 태양광 중 단파장 영역의 빛을 상기 통공의 후방으로 반사하고 장파장 영역의 빛을 투과하는 기능을 수행한다. 즉, 상기 빔스플리팅부(20)는 상기 발전부(40) 방향으로 태양광 발전에 기여하는 파장의 태양광만을 선별적으로 반사하고, 태양광 발전에 기여하지 못하는 파장의 태양광은 흡수하여 반사하지 않는 것이다.
이러한 빔스플리팅부(20)의 역할에 의하여 상기 발전부(40)가 비정상적으로 가열되어 발전효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
구체적으로 상기 빔스플리팅부(20)는, 태양광에 대해 흡수성이 높은 흑색으로 내측을 도색하고, 반사 면에는 A/R (Anti- Reflecting) 물질을 증착을 하여 파장 λ=1.5[㎛]를 초과하는 빛을 흡수하고, 1.5㎛ 이하의 파장을 가지는 빛을 반사한다.
다음으로 상기 태양열 이용부(60)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 빔스플리팅부(20) 후방에 설치되어, 흡수되는 장파장 영역의 빛을 이용하여 열매체를 가열하는 구성요소이다. 따라서 본 실시예에 따른 태양 에너지 획득장치(1)에서는 상기 태양열 이용부(60)를 이용하여 태양으로부터 유래되는 열 에너지를 획득할 수 있는 것이다.
본 실시예에서 상기 태양열 이용부(60)는, 다양한 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 빔스플리팅부(20) 후면에 밀착되어 설치되며, 일정한 내부 공간을 가져서 내측으로 열매체를 순환시켜 태양열을 흡수하는 순환관 구조를 가질 수 있다.
다음으로 상기 발전부(40)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)의 후방에 배치되며, 상기 빔스플리팅부(20)에 의하여 반사되는 단파장 영역의 빛을 이용하여 전기를 발전하는 구성요소이다. 이를 위하여 본 실시예에서는 상기 발전부(40)를 발전 케이스(42), 적층 솔라셀(44) 및 냉각부(46)를 포함하여 구성한다.
먼저 상기 발전 케이스(42)는 본 실시예에 따른 발전부(40)의 전체적인 외형을 이루는 구성요소로서, 금속 등으로 이루어지며, 다른 구성요소들이 설치될 수 있는 공간을 구비한다. 또한 상기 발전 케이스(42)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)에 형성되는 통공에 삽입되어 설치된다.
다음으로 상기 적층 솔라셀(44)은 상기 발전 케이스(42)의 전면에 설치되며, 상기 빔스플리팅부(20)에 의하여 반사되어 입사되는 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 구성요소이다. 구체적으로 상기 적층 솔라셀(44)은 2가지 이상의 솔라셀층이 적층되는 구조를 가지며, 서로 다른 파장의 빛을 이용하여 발전을 수행하게 된다. 또한 상기 적층 솔라셀(44)은 하나의 인쇄회로기판에 다수개의 솔라셀이 실장되는 구조를 가질 수 있다.
다음으로 상기 냉각부(46)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 발전 케이스(42) 후단에 설치되며, 상기 적층 솔라셀(44)을 냉각하는 구성요소이다. 본 실시예에서는 상기 빔스플리팅부(20)에 의하여 열에 기여하는 파장대의 빛을 모두 제거하였으므로 상기 발전부(40)에서 발생하는 열이 매우 작은 상황이다. 따라서 상기 냉각부(46)는 통상적인 공냉식 냉각핀 구조를 가질 수 있다.
한편 본 실시예에 따른 고효율 태양에너지 획득장치(1)에는, 2차 집광 렌즈(50)가 더 구비될 수 있다. 상기 2차 집광 렌즈(50)는 상기 적층 솔라셀(44) 전방에 설치되며, 상기 빔스플리팅부(20)에 의하여 반사되는 빛을 2차적으로 집광하여 상기 적층 솔라셀(44)로 조사하는 역할을 한다.
또한 본 실시예에 따른 고효율 태양에너지 획득장치(1)에는, 장치 자체를 태양 방향으로 방향 전환시키는 태양 추적부(도면에 미도시)가 더 구비될 수 있다. 상기 태양 추적부는, 상기 1차 반사경(10)에 결합되어 설치되며, 상기 1차 반사경을 태양 방향으로 회전 구동시키는 매우 단순한 구조를 가질 수 있다. 따라서 상기 태양 추적부는 매우 적은 에너지를 사용하여 긴 시간 간격을 가지고 상기 1차 반사경의 방향을 전환하게 된다.
1 : 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 태양 에너지 획득장치
10 : 1차 반사경 20 : 빔스플리팅부
30 : 프레임 40 : 발전부
50 : 2차 집광 렌즈 60 : 태양열 이용부

Claims (6)

  1. 중앙 영역에 통공이 형성되며, 반원통형상을 가져서 입사되는 태양광을 1차 집광하는 1차 반사경;
    상기 1차 반사경의 전단에 설치되는 프레임;
    상기 프레임의 중앙에 설치되며, 상기 1차 반사경에 의하여 집광된 태양광 중 단파장 영역의 빛을 상기 통공의 후방으로 반사하고 장파장 영역의 빛을 투과하는 빔스플리팅부;
    상기 빔스플리팅부에 설치되어, 장파장 영역의 빛을 이용하여 열매체를 가열하는 태양열 이용부;
    상기 1차 반사경의 후방에 배치되며, 상기 빔스플리팅부에 의하여 반사되는 단파장 영역의 빛을 이용하여 전기를 발전하는 발전부;를 포함하며,
    상기 발전부는,
    상기 통공에 설치되는 발전 케이스;
    상기 발전 케이스의 전면에 설치되는 적층 솔라셀;
    상기 발전케이스 후단에 설치되며, 상기 적층 솔라셀을 냉각하는 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 태양에너지 획득장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빔스플리팅부는,
    1.5㎛ 이하의 파장을 가지는 빛을 반사하고, 1.5㎛를 초과하는 파장을 가지는 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 고효율 태양에너지 획득장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 적층 솔라셀 전방에는,
    상기 빔스플리팅부에서 반사되는 태양광을 2차 집광하는 2차 집광 렌즈가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 태양에너지 획득장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 태양열 이용부는,
    상기 빔스플리팅부 후면에 설치되며, 일정한 내부 공간을 가져서 내측으로 열매체를 순환시켜 태양열을 흡수하는 것을 특징으로 하는 고효율 태양에너지 획득장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차 반사경에 결합되어 설치되며, 상기 1차 반사경을 태양 방향으로 구동시키는 태양추적부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고효율 태양에너지 획득장치.
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