KR101620406B1 - 태양전지셀이 수직으로 병렬 배치된 고효율 태양전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 2개의 태양전지셀을 접합하여 집광면이 서로 대향되도록 다수의 접합된 태양전지셀을 지지대에 수직으로 병렬 배치하고, 상기 접합된 태양전지셀(S) 사이 간격(G)의 지지대 상면에는 태양광을 반사시켜 상기 태양전지셀로 유도하는 반사거울이 설치된 것을 특징으로 하는 고효율 태양전지 모듈이며, 협소한 장소에서도 설치 가능하고, 수직 병렬 설치구조이므로 많은 수의 셀을 설치할 수 있어 전기에너지 생산능력이 우수하며, 유리, 렌즈, 프리즘 등 다양한 설계구조에 의해 태양광의 사용 효율을 높일 수 있다.

태양전지, 모듈, 고효율, 수직, 배치, 구조

Description

태양전지셀이 수직으로 병렬 배치된 고효율 태양전지 모듈{HIGH EFFICIENT SOLAR MODULE WITH SOLAR CELLS ARRANGED PERPENDICULARLY WITH PARALLEL STRUCTURE}

본 발명은 고효율 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수직으로 구비되는 태양전지셀과 셀 사이로 태양광을 흡수하거나 반사거울을 이용해 태양전지셀로 유도하여 태양광의 사용효율을 높인 고효율 태양전지 모듈에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 최근에는 에너지 의존도가 가장 높은 화력발전의 경우에는 화석연료의 고갈, 에너지 수입 의존도 증가, 기후변화협약의 온실가스 배출규제 의무화 등의 문제들로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있는 실정이다.

이에따라 태양광 발전 시스템은 기계적인 진동과 소음이 없을 뿐만 아니라 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있어 이미 신재생에너지의 큰 축으로 자리잡고 있다.

이러한 태양광 발전은 반도체 접합으로 이루어진 태양전지셀에 태양광이 조 사되면 태양광에 의한 광기전력 효과(photovoltaic effect)로 기전력이 발생하게 되며, 기전력에 의해 발생되는 전기에너지를 축전지에 축전하거나 필요한 부하에 따라 적합하게 사용하게 된다.

태양광 발전의 기본원리는 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 PN 접합으로 구성된 태양전지셀(solar cell)에 태양광이 입사될 때, 태양전지셀(11)의 내부에서 전자-정공 쌍이 여기되고, 분리된 전자와 정공이 이동되어 N층(11a)과 P층(11b)을 각각 음극과 양극으로 대전시키는 광기전력 효과를 발생시키는 것이다. 이때, 태양전지셀(11)의 N층(11a)과 P층(11b)을 외부부하(13)에 접속하게 되면 태양전지셀(11)에서 발생된 전류가 외부부하(13)로 흐르게 된다.

그런데, 태양전지셀(11)은 하나의 발전량이 약 1.5W 정도로 작기 때문에 필요한 단위용량으로 복수의 태양전지셀(11)을 연결시킨 태양전지 모듈을 만들어 사용하고 있다.

일반적인 태양전지 모듈은 도 2에 도시된 바와 같이, 지지판(15)에 필요한 용량에 따라 다수의 태양전지셀(11)을 수평으로 배치한 형태로 구성되어 있다. 이러한 태양전지 모듈을 구성하는 지지판(15)은 일사량이 최대가 되는 위치에 설치되어 발전량을 증대시키며 필요에 따라서는 태양의 위치에 따라 지지판(15)을 움직여서 태양광이 항상 태양전지셀(11)에 수직으로 입사되도록 할 수 있다.

그런데 종래의 태양전지 모듈은 태양광의 흡수를 최적화하기 위해 태양전지셀을 지면으로부터 수평으로 설치하거나, 수평 설치가 곤란한 경우에는 지면으로부터 경사지게 설치해 왔다. 그러나, 이러한 종래의 태양전지 모듈은 태양광의 에너 지 밀도가 낮아, 일정 전력을 얻기 위해서는 태양전지 모듈을 다량 사용해야 하므로 설치장소에 제한이 있었다.

게다가, 태양전지 모듈은 자연환경에 노출되어 있기 때문에 그 표면이 파손되는 일이 빈번히 발생되었으며, 이로 인해 교체비용이 추가되고, 에너지 전환 효율이 급격하게 저하되는 문제가 있었다.

또한, 태양광은 태양전지셀 사이의 기판에 반사되는 산란광의 양도 많기 때문에 이러한 산란광에 포함된 태양 에너지를 흡수하여 태양전지셀에 공급할 필요가 있다.

나아가, 태양광의 흡수량을 높이기 위해서는 태양전지 모듈의 방향이 남향으로 되어야 하는 제한이 있어, 설치장소나 공간상 제약이 많았다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 협소한 장소에서도 설치 가능하고, 전기에너지 생산능력이 우수하며, 태양광의 사용 효율이 높은 태양전지 모듈을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명은 2개의 태양전지셀을 접합하여 집광면이 서로 대향되도록 다수의 접합된 태양전지셀(S)을 지지대에 수직으로 병렬 배치하고, 상기 접합된 태양전지셀(S) 사이 간격(G)의 지지대 상면에는 태양광을 반사시켜 상기 태양전지셀로 유도하는 반사거울이 설치된 것을 특징으로 하는 고효율 태양전지 모듈을 제공한다.

이때, 상기 다수의 태양전지셀의 상부 또는 집광면에 셀보호 유리를 설치한 것에도 그 특징이 있다.

여기서, 상기 다수의 태양전지셀의 상부에 볼록렌즈, 오목렌즈, 프리즘에서 선택된 어느 하나를 다수 설치한 고효율 태양전지 모듈을 제공할 수도 있다.

또한, 상기 접합된 태양전지셀(S)간의 간격(G)은 상기 태양전지셀 높이(H)의 0.1 ~ 0.5의 길이를 갖는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명은 협소한 장소에도 설치 가능하고, 수직 병렬 설치구조이므로 많은 수의 셀을 설치할 수 있어 전기에너지 생산능력이 우수하며, 태양전지셀을 외력으로부터 보호하여 내구성을 향상시키고, 유리, 렌즈, 프리즘 등 다양한 설계구조에 의해 태양광의 각도에 관계없이 많은 태양광을 태양전지셀로 유도하여 태양광의 흡수 효율을 높일 수 있는 우수한 효과를 제공한다.

이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 개별 셀보호 유리가 적용된 태양전지 모듈의 구성도, 도 4는 본 발명에 의한 공통 셀보호 유리가 적용된 태양전지 모듈의 구성도, 도 5는 본 발명에 의한 공통 셀보호 볼록렌즈가 적용된 태양전지 모듈의 구성도, 도 6은 본 발명에 의한 공통 셀보호 오목렌즈가 적용된 태양전지 모듈의 구성도, 도 7은 본 발명에 의한 공통 셀보호 프리즘이 적용된 태양전지 모듈의 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지 모듈은 2개의 태양전지셀(11)이 접합되고, 이와같이 "접합된 태양전지셀"(S)은 집광면이 서로 대향되도록 마주보며 설치되고, 태양전지셀의 지지대(15)에 수직으로 병렬 배치된다. 이처럼 수직 병렬 구조이므로 협소한 장소에도 설치 가능하고, 많은 수의 셀을 설치할 수 있어 전기에너지 생산능력이 우수하다.

그리고, 접합된 태양전지셀(S) 사이의 간격(G)마다 태양광을 반사시켜 그 반사된 태양광을 태양전지셀(11)로 유도하하여 태양광을 집속시키는는 반사거울(20)이 설치된다. 상기 반사거울(20)에 의하여 태양광(10)이 2차 반사되면서 보다 많은 태양광이 태양전지셀(11)에 도달하게 되므로 전기에너지 생산량이 증가하게 된다.

또한, 본 발명의 태양전지 모듈은 상부가 개구되어 태양광(10)을 직접 받아들여지는 구조를 가지면서도 상기 접합된 태양전지셀(S)의 집광면측에 개별적으로 셀보호 유리(30)가 각각 부착되어 태양전지셀을 외부로 부터 보호한다. 이 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 셀보호 유리(30)를 태양전지셀의 집광면에 개별적으로 설치하지 않고, 태양전지셀의 상부를 모두 덮을 수 있는 1개의 공통 셀보호 유리(35)가 설치될 수도 있다. 이러한 공통 셀보호 유리(35)는 상기 개별 셀보호 유리(30)를 설치했을 때 보다 태양전지 모듈의 무게를 상당히 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

한편, 종래에는 태양광을 흡수하는 태양전지 모듈의 방향이 남향이어야 한다는 제한이 있었지만, 본 발명에서는 태양전지셀 보호수단으로서 볼록렌즈(40), 오목렌즈(41), 프리즘(50) 중에서 선택된 어느 하나를 다수 설치함에 의하여 외부로부터 태양전지셀을 보호함과 동시에 입사된 태양광을 산란시키거나 굴절시켜 태양전지셀로 유도함으로써 태양광의 각도와 상관없이 많은 태양광을 흡수하여 에너지 생산능력을 향상시킬 수 있다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지 모듈은 태양전지셀의 상부에 셀보호 볼록렌즈(40)가 설치될 수도 있다. 이 때, 상기 볼록렌즈(40)는 초점거리내에서는 초점에 태양광을 집속하나, 초점거리를 초과하게 되면 다시 산란하게 된다. 다만, 상기 초점 부근에는 태양광이 집속되기 때문에 고온의 열이 발생하지만, 본 발명의 태양전지셀들은 수직으로 입설되어 있기 때문에 대부분 볼록렌즈의 초점거리 밖에 위치해 있게 된다. 결국 볼록렌즈(40)를 통광해 초점을 지나 산란된 태양광은 접합된 태양전지셀(S)의 집광면에서 흡수되어 고효율의 전기에너지를 생산하게 된다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지 모듈은 태양전지셀의 상부에 셀보호 오목렌즈(41)가 설치될 수도 있다. 이 때, 상기 오목렌즈(41)는 태양광을 산란시키게 되며, 따라서, 접합된 태양전지셀(S) 사이의 공간의 하부까지 깊이 조사될 수 있어 집광효율이 높아지게 된다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지 모듈은 태양전지셀의 상부에 셀보호 프리즘(50)이 설치될 수도 있다. 상기 프리즘(50)은 빛을 굴절시켜 반사거울(20)을 경유하지 않고 태양전지셀(11)로 태양광을 유도하게 된다. 반사거울(20)을 경유하여 유도되는 것 보다는 직접 태양전지셀(11)로 유도되는 것이 집속 효율이 좋기 때문이다. 이와 같은 프리즘은 태양전지 모듈의 설치장소 등을 고려하여 삼각기둥, 사각뿔, 원뿔, 반구형, 구형의 프리즘 중 선택되는 어느 하나이거나 또는 둘 이상을 조합하여 구성할 수 있다. 특히 둘 이상을 조합하는 경우에는 태양광의 입사각과 상관없이 입사한 태양광이 최대한 굴절되어 태양전지셀에 유도될 수 있도록 배치해야 한다.

한편, 접합된 태양전지셀(S)간의 간격(G)은 되도록이면 많은 태양광(10)이 태양전지셀 사이의 공간의 하부까지 깊이 조사될 수 있도록 도 3에 도시된 태양전지셀(16)의 높이(H)에 따라 설정되어야 한다. 따라서, 상기 간격(G)은 상기 태양전지셀 높이(H)의 0.1 ~ 0.5의 길이를 갖는 것이 바람직한데, 0.5를 초과하는 경우에는 넓은 간격으로 인해 태양전지의 집적도 효과가 감소하고, 0.1 미만인 경우에는 접합된 태양전지셀(S) 사이의 공간의 하부까지 태양광이 깊숙히 조사되지 못하여 집광효율이 낮아지고, 설치 비용이 과다해 지기 때문이다.

도 1은 일반적인 태양광발전의 기본원리를 나타낸 구성도.

도 2는 종래의 태양전지 모듈의 형태를 도시한 사시도.

도 3은 본 발명에 의한 개별 셀보호 유리가 적용된 태양전지 모듈의 구성도.

도 4는 본 발명에 의한 공통 셀보호 유리가 적용된 태양전지 모듈의 구성도.

도 5는 본 발명에 의한 공통 셀보호 볼록렌즈가 적용된 태양전지 모듈의 구성도.

도 6은 본 발명에 의한 공통 셀보호 오목렌즈가 적용된 태양전지 모듈의 구성도.

도 7은 본 발명에 의한 공통 셀보호 프리즘이 적용된 태양전지 모듈의구성도.

*도면의 주요부호에 관한 설명*

10. 태양광 11. 태양전지셀

11a. N층 11b. P층

13. 외부부하 15. 지지대

20. 반사거울 30. 셀보호 유리

35. 공통 셀보호 유리 40. 볼록렌즈

41. 오목렌즈 50. 프리즘

S. 접합된 태양전지셀 G. 간격

H. 태양전지셀 높이 F. 초점

Claims (4)

1. 2개의 태양전지셀을 접합하여 집광면이 서로 대향되도록 다수의 접합된 태양전지셀을 지지대에 수직으로 병렬 배치하고,

   상기 접합된 태양전지셀 사이 간격(G)의 지지대 상면에는 태양광을 반사시켜 상기 태양전지셀로 유도하는 반사거울이 설치되며,

   상기 다수의 태양전지셀의 상부에는 오목렌즈 형상의 셀보호 수단이 설치되어 상기 셀보호 수단을 통과하는 태양광은 산란되어 상기 태양전지셀에 도달하고,

   상기 접합된 태양전지셀 간의 간격(G)은 상기 태양전지셀 높이(H)에 대해 0.1~0.5 배의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 고효율 태양전지 모듈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 태양전지셀의 집광면에 셀보호 유리를 설치한 것을 특징으로 하는, 고효율 태양전지 모듈.
3. 2개의 태양전지셀을 접합하여 집광면이 서로 대향되도록 다수의 접합된 태양전지셀을 지지대에 수직으로 병렬 배치하고,

   상기 접합된 태양전지셀 사이 간격(G)의 지지대 상면에는 태양광을 반사시켜 상기 태양전지셀로 유도하는 반사거울이 설치되며,

   상기 다수의 태양전지셀의 상부에는 프리즘 형상의 셀보호 수단이 설치되어 상기 셀보호 수단을 통과하는 태양광은 굴절되어 상기 태양전지셀에 도달하고,

   상기 접합된 태양전지셀 간의 간격(G)은 상기 태양전지셀 높이(H)에 대해 0.1~0.5 배의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 고효율 태양전지 모듈.
4. 제3항에 있어서,

   상기 다수의 태양전지셀의 집광면에 셀보호 유리를 설치한 것을 특징으로 하는, 고효율 태양전지 모듈.

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