KR101647627B1 - 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈 - Google Patents

초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반사경에 의해 태양광이 일초점으로 집광되는 지점에 태양광을 흡수하여 전기에너지를 생산하는 태양전지모듈이 정확하게 위치되어 최적의 태양광 발전을 이루어질 수 있도록 태양전지모듈의 수평, 수직 이동을 가능하게 하는 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈은 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트 상측에 고정 설치되어 입사되는 태양광이 일초점으로 집광 가능하게 상부면이 오목한 형상으로 형성되는 반사경과, 상기 반사경의 상부에 이격 위치되어 상기 반사경에 의해 일초점으로 집광되는 태양광을 전기에너지로 변환 가능하게 하는 태양전지모듈 및 상기 태양전지모듈이 상기 반사경에 의해 태양광이 일초점으로 집광되는 지점에 위치될 수 있도록 상기 태양전지모듈을 수평, 수직 이동 가능하게 지지하는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈 {Referect-typed High Concentrative Photovoltaic Solar Power Modules Having Ultra Light Weight -High Effiency}
본 발명은 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반사경에 의해 태양광이 일초점으로 집광되는 지점에 태양광을 흡수하여 전기에너지를 생산하는 태양전지모듈이 정확하게 위치되어 최적의 태양광 발전을 이루어질 수 있도록 태양전지모듈의 수평, 수직 이동을 가능하게 하는 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈에 관한 것이다.
일반적으로 태양광발전은 태양빛을 전기에너지로 전환시키는 발전방식이며, 태양전지, 축전지 및 전력변환장치를 포함하여 이루어지며, P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 태양전지에 태양빛이 조사되면, 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 태양전지에 정공(hole)과 전자(electron)가 발생하고, 이때 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위차가 발생하면 전류가 흐르게 된다.
이러한 태양광발전은 반영구적으로 활용할 수 있고 태양전지를 사용함으로 유지 보수가 간편하며 무공해, 무진장의 태양에너지원을 사용하는 점 등으로 미래의 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
하지만 종래의 태양광발전 시스템에서는 직접 광을 받는 실리콘 방식의 태양전지를 많이 사용하고 있는데, 이러한 방식은 전기적 효율이 12 내지 14% 정도이기 때문에 충분한 발전을 위해서는 발전 면적이 비교적 넓어야 한다.
이에 따라 일반 주택 등에는 태양광발전 시스템을 설치하더라도 낮은 발전력으로 인한 효용성이 떨어지는 문제점이 있었고, 태양광이 직접 조사될 수 있는 장소에 태양전지판이 설치되어야 하는 공간적인 제약이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 대한민국 공개특허 제 10-2014-0120423호에는 "일체형 태양광 발전장치"를 개시하며, 베이스; 상기 베이스 상측에 고정되고, 위쪽으로 오목한 반사경 형태로 이루어지는 집광기; 및 상기 집광기 상측에 고정되고, 상기 집광기에 의해 집광된 빛을 전기에너지로 전환시키도록 이루어지는 태양전지모듈을 포함하고, 상기 태양전지모듈은 하측을 향하여 관통공이 형성된 하우징; 및 상기 관통공과 대응된 위치에서 상기 하우징 내부에 수용되어 고정되고, 상기 집광기를 향하는 태양전지를 포함하도록 하고 있으며, 이에 의하면 태양광의 집광이 이루어지는 집광기와 전기에너지가 변환되는 태양전지모듈이 일체로 형성되도록 함으로써, 집광되는 빛의 이동에 따른 에너지손실을 최소화하고 전기에너지의 전송이 용이하며, 태양전지가 하우징 내부에 구비되고 집광되는 빛이 태양전지에만 집중되도록 함으로써 태양전지모듈을 구성하는 전기 소자 등이 불필요하게 가열되는 것을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
다만, 이러한 종래의 태양광 발전장치는 태양전지모듈이 고정프레임에 고정 설치되어 집광기에 의해 태양광이 일초점으로 반사되는 정확한 지점에 태양전지모듈이 위치되지 못하면 태양광이 태양전지모듈에 전달되는 과정에서 막대한 에너지 손실이 있을 수 있으며, 태양전지모듈의 설치가 매우 제한적이므로 이에 대한 개선이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 반사경에 의해 태양광이 일초점으로 집광되는 지점에 태양광을 흡수하여 전기에너지를 생산하는 태양전지모듈이 정확하게 위치되어 최적의 태양광 발전을 이루어질 수 있도록 태양전지모듈의 수평, 수직 이동을 가능하게 하는 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈을 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적은 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트 상측에 고정 설치되어 입사되는 태양광이 일초점으로 집광 가능하게 상부면이 오목한 형상으로 형성되는 반사경과, 상기 반사경의 상부에 이격 위치되어 상기 반사경에 의해 일초점으로 집광되는 태양광을 전기에너지로 변환 가능하게 하는 태양전지모듈 및 상기 태양전지모듈이 상기 반사경에 의해 태양광이 일초점으로 집광되는 지점에 위치될 수 있도록 상기 태양전지모듈을 수평, 수직 이동 가능하게 지지하는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 발람직한 특징에 따르면, 반사경은 직경이 15 내지 30 cm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발람직한 특징에 따르면, 상기 태양전지모듈은 상기 지지부와 결합될 수 있도록 일측에 고정부재가 일체로 돌출 형성된 하우징과, 상기 하우징의 하단부에 고정 위치되어 상기 반사경에 의해 집광되는 태양광을 고밀도로 집광시키는 집광렌즈와, 상기 하우징 내부에 장착되어 상기 집광렌즈를 통해 고밀도로 집광된 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 고정부재는 볼트가 관통되어 조임력에 의해 상기 지지부에 지지될 수 있도록 내측면에 나사산이 형성된 제1 고정홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 지지부는 상기 베이스 플레이트의 중앙에 수직 방향으로 고정 설치되는 지지대와, 상기 지지대의 상부에서 수직 이동 가능하게 위치되어 상기 태양전지모듈의 높이를 조절하는 수직 이동부재와, 상기 수직 이동부재의 사방 외측에 위치되어 상기 태양전지모듈의 수평 이동을 가능하게 하는 수평 이동부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 수직 이동부재는 볼트가 관통되어 조임력에 의해 상기 지지대에 고정될 수 있도록 내측면에 나사산이 형성된 제2 고정홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈에 의하면, 반사경에 의해 태양광이 일초점으로 집광되는 지점에 태양전지모듈이 위치될 수 있도록 태양전지모듈의 수평, 수직 이동을 가능하게 하는 지지부가 구비되는 구조를 가짐에 따라, 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 태양광이 집중되어 집광되는 빛의 이동에 따른 에너지 손실을 최소화하며, 고효율적인 태양광 발전을 가능하게 하는 동시에 조립성이 용이하여 부품의 교체 및 보수가 간편한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈의 분해 사시도.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈의 작동도.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
용어‘고집광 태양광 발전모듈’은 렌즈 또는 반사경과 같은 광학계를 사용하여 오백배 이상의 높은 배율로 태양광을 집광시킨 후, 작은 면적을 갖는 반도체 태양전지 셀에 입사시켜 발전하는 태양광 발전모듈을 의미하며, 반도체 태양전지셀은 예를 들어 고효율의 III-V족 화합물로 이루어질 수 있다.
용어‘반사형’이라 함은, 고집광태양광 발전모듈의 광수집 장치가 프레넬(fresnel) 렌즈를 이용한 렌즈형이 아닌 파라볼릭 반사경을 이용한 반사형을 의미한다.
용어‘초경량’은 기존의 반사형 고집광 태양광발전모듈의 무게 대비 약 30% 이하, 약 40% 이하, 또는 약 50% 이하로 경량화된 것을 의미한다. 예를 들어 종래 70W 생산용 반사형 고집광 태양광 발전모듈의 무게가 최소 5~10 kg이고 기본 280W 생산용 모듈의 경우 최소단위 20kg을 초과한다. 반면에, 본 발명에 따른 태양광 발전모듈의 경우 70W 생산용은 이의 50%에도 미치지 않는 1~3 kg에 불과하고, 280W 생산용의 경우에도 무게가 10kg을 넘지 않는다.
용어‘고효율’은 기존의 실리콘 태양전지, 박막 태양전지 등 태양광 발전 시스템들 대비 태양광 발전효율이 약 30% 이상 향상된 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈(1)은 베이스 플레이트(10)와, 베이스 플레이트(10) 상측에 고정 설치되어 입사되는 태양광이 일초점으로 집광 가능하게 상부면이 오목한 형상으로 형성되는 반사경(20)과, 반사경(20)의 상부에 이격 위치되어 반사경(20)에 의해 일초점으로 집광되는 태양광을 전기에너지로 변환 가능하게 하는 태양전지모듈(30) 및 태양전지모듈(30)이 반사경(20)에 의해 태양광이 일초점으로 집광되는 지점에 위치될 수 있도록 태양전지모듈(30)을 수평, 수직 이동 가능하게 지지하는 지지부(40)를 포함하여 이루어진다.
이하에는 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈(1)의 구성 부재 및 그 연결 관계에 대해 설명하면 다음과 같다.
여기서, 베이스 플레이트(10)는 소정의 두께를 갖는 평평한 판재 형태로 이루어져 추후에 설명될 반사경(20)을 포함한 구성 부재들이 고정 가능하게 설치되는 역할을 하는 것으로 비록 도시되진 않았지만, 본 발명에 따른 태양광 발전모듈(1)의 안정적인 설치를 위해 하단부에는 설치기둥이 일체로 형성될 수 있다.
전술한 베이스 플레이트(10)의 상부면에는 다수개, 바람직하게는 4개의 반사경(20)이 고정 설치되는데, 이 반사경(20)은 태양광이 상부 표면으로 입사되면 입사된 태양광을 상향으로 반사시켜 추후에 설명될 태양전지모듈(30)에 일초점으로 집광시키는 역할을 한다.
종래의 고집광 태양광 발전에서는 대형 미러를 이용함으로써 경제성이 낮고 핸들링이 어려워 일초점화된 반사각을 갖기 어렵기 때문에 본 발명에서는 전술한 반사경(20)의 크기가 바람직하게 15cm 내지 30cm의 사이에서 콤팩트한 사이즈로 형성됨으로써 경제적이면서도 우수한 성능을 발휘할 수 있는 장점이 있다.
이와 같은 전술한 반사경(20)은 표면으로 입사된 태양광이 일초점으로 집광될 수 있도록 상부면은 오목한 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
종래 거울(mirror)은 거대한 리시버 모듈과 함께 사용되고 파라볼릭 형태로 적용되어 고비용으로 경제성이 크게 떨어지기 때문에, 본 발명에서의 반사경(20)은 저비용으로 경량화와 효율을 달성하기 위하여 니켈 또는 크롬이 코팅된 ABS수지(acrylonitrile-butadiene-styrene resin)의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 다만, 집광효율을 높이기 위해 경우에 따라 반사경(20)중 일부에 거울을 배치하거나, 거울 코팅층을 형성할 수도 있다.
그리고 전술한 반사경(20)의 중앙 상부에는 추후에 설명될 지지부(40)에 의해 이격 위치되는 태양전지모듈(30)이 구비되는데, 이 태양전지모듈(30)은 전술한 반사경(20)의 반사에 의해 일초점으로 집광되는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 역할을 하는 것으로, 크게 하우징(31), 집광렌즈(32), 태양전지(33)로 이루어진다.
이를 좀더 구체적으로 설명하면, 전술한 하우징(31)은 내부에 태양전지(33)를 장착시키며, 장착된 태양전지(33)가 전술한 반사경(20)의 이격된 상부, 즉 전술한 반사경(20)의 반사력에 의해 일초점으로 집광되는 지점에 위치될 수 있도록 추후에 설명될 지지부(40)의 수평 이동부재(43)와 고정 결합된다.
이때 전술한 하우징(31)의 일측에는 별도의 볼트(B) 조임력에 의해 수평 이동부재(43)와 고정 결합될 수 있도록 내측에 나사산을 갖는 제1 고정홈(31b)이 형성된 고정부재(31a)가 일체로 돌출 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 전술한 집광렌즈(32)는 전술한 하우징(31)의 하단부에 고정 설치되어 전술한 반사경(20)에 의해 집광되는 태양광을 태양전지(33)의 영역으로만 조사될 수 있도록 고밀도로 집광시켜 태양전지(33)의 태양광 에너지 손실을 최소화시키며, 최적의 효율로 전기에너지의 생산을 가능하게 한다. 이때 집광렌즈(32)는 파손 및 손상되는 것을 방지하기 위해 집광렌즈(32)의 하단부에는 태양광이 투과되는 보호캡(32a) 결합되는 것이 바람직하다.
전술한 보호캡(32a)은 고온에 견딜 수 있도록 내열성 코팅을 수행할 수 있으며, 이때 내열성 코팅은 예를 들어 실리콘 수지, 또는 산화 지르코늄 또는 금속 콜로이달졸 등의 무기성분을 포함한 코팅제가 도포되는 것일 수 있다.
또한, 보호캡(32a)의 내부에는 공기 흐름에 의한 공냉(air cooling) 방식이 도입됨으로써, 집광렌즈(32)의 과열을 방지할 수 있으며, 이러한 공냉 구조는 예를 들어 팬에 의해 외기를 냉각풍으로서 도입하여 집광렌즈(32)를 냉각하고, 열을 빼앗아 온풍으로 된 냉각풍을 외부로 배출하는 구조일 수 있다. 또 다른 예에서, 공냉 구조는 알루미늄을 이용한 열전달 플레이트, 히트 파이프, 및 열교환 부재를 포함하여 구성될 수 있다.
아울러 전술한 태양전지(33)는 전술한 하우징(31)의 내부에 장착되되, 하측을 향하도록 설치되어 반사경(20)에 의해 일초점으로 집광되는 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 반도체로서, 이와 같은 태양전지(33)는 종래 기술에 따른 태양전지(33)와 동일한 것으로 하여 중복되는 명세서의 설명은 생략하기로 한다.
한편, 전술한 베이스 플레이트(10)의 중앙에는 지지부(40)가 고정 설치되는데, 이 지지부(40)는 전술한 반사경(20)에 의해 태양광이 일초점으로 반사되는 초점위치에 전술한 태양전지모듈(30)이 위치될 수 있도록 전술한 태양전지모듈(30)을 수평, 수직 이동 가능하게 지지한다.
이와 같은 전술한 지지부(40)는 전술한 반사경(20)의 크기 및 곡률반경 등을 고려하여 태양광이 태양전지모듈(30)의 태양전지(33) 이외의 영역으로 반사될 경우, 전술한 태양전지모듈(30)의 좌,우 거리 및 높이를 조절할 수 있도록 지지대(41), 수직 이동부재(42), 수평 이동부재(43)로 이루어진다.
이를 좀더 구체적으로 설명하면, 전술한 지지대(41)는 베이스 플레이트(10)의 상부면 중앙에서 별도의 볼트(B)에 의해 결합 또는 분리 가능하게 고정 설치된다. 이때 전술한 지지대(41)의 상부는 +자 형상으로 가이드부재(41a)가 돌출 형성되는데 이 가이드부재(41a)가 형성된 길이 만큼 수직 이동부재(42)의 수직 이동이 가능하다.
전술한 수직 이동부재(42)는 별도의 볼트(B) 조임력에 의해 전술한 지지대(41)의 상부에서 상,하 방향으로 이동 가능하게 결합되어 전술한 태양전지모듈(30)의 높이 조절을 가능하게 한다. 이때 수직 이동부재(42)는 중앙에는 전술한 가이드부재(41a)에 대응되는 +자 형상을 갖는 관통홈(42a)이 형성되는 것이 바람직하며, 별도의 볼트(B)의 조임력으로 전술한 지지대(41)에 고정될 수 있도록 제2 고정홈(42b)이 사방으로 형성되되, 제2 고정홈(42b)의 내측에는 나사산이 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 전술한 수평 이동부재(43)는 일정한 길이를 갖는 봉의 형태로 전술한 수직 이동부재(42)의 외측 사방에 위치되어 전술한 태양전지모듈(30)의 하우징(31) 일측에 형성된 고정부재(31a)에 삽탈 가능하게 결합된다. 이때 수평 이동부재(42)는 전술한 하우징(31)의 고정부재(31a)의 내측에서 수평 이동이 가능하며, 고정부재(31a)의 외측에 형성된 제1 고정홈(31b)을 관통하는 별도의 볼트(B) 조임력에 의해 고정된다.
1: 태양광 발전모듈 10: 베이스 플레이트
20: 반사경 30: 태양전지모듈
31: 하우징 32: 집광렌즈
33: 태양전지 40: 지지부
41: 지지대 42: 수직 이동부재
43: 수평 이동부재 B: 볼트

Claims (6)

  1. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상측에 고정 설치되어 입사되는 태양광이 일초점으로 집광 가능하게 상부면이 오목한 형상으로 형성되며 직경이 15 내지 30 cm인 반사경;
    상기 반사경의 상부에 이격 위치되어 상기 반사경에 의해 일초점으로 집광되는 태양광을 전기에너지로 변환 가능하게 하는 것으로, 지지부와 결합될 수 있도록 일측에 고정부재가 일체로 돌출 형성된 하우징과, 상기 하우징의 하단부에 고정 위치되어 상기 반사경에 의해 집광되는 태양광을 고밀도로 집광시키는 집광렌즈와, 상기 하우징 내부에 장착되어 상기 집광렌즈를 통해 고밀도로 집광된 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지를 포함하는 태양전지모듈; 및
    상기 태양전지모듈이 상기 반사경에 의해 태양광이 일초점으로 집광되는 지점에 위치될 수 있도록 상기 태양전지모듈을 수평, 수직 이동 가능하게 지지하는 지지부; 및 를 포함하며
    상기 지지부는
    상기 베이스 플레이트의 중앙에 수직 방향으로 고정 설치되는 지지대와,
    상기 지지대의 상부에서 수직 이동 가능하게 위치되어 상기 태양전지모듈의 높이를 조절하는 수직 이동부재와,
    상기 수직 이동부재의 사방 외측에 위치되어 상기 태양전지모듈의 수평 이동을 가능하게 하는 수평 이동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정부재는 볼트가 관통되어 조임력에 의해 상기 지지부에 지지될 수 있도록 내측면에 나사산이 형성된 제1 고정홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 수직 이동부재는 볼트가 관통되어 조임력에 의해 상기 지지대에 고정될 수 있도록 내측면에 나사산이 형성된 제2 고정홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 초경량 고효율 반사형 고집광 태양광 발전모듈.
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