KR101956682B1 - 태양전지 열전 융합소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예는 태양전지 열전 융합소자를 제공한다. 태양전지 열전 융합소자는 열전소자부, 상기 열전소자부 상에 위치하는 열전달층, 상기 열전달층 상에 위치하되, 상기 열전소자부와 전기적으로 직렬연결된 태양전지부 및 상기 열전소자부 및 상기 태양전지부 사이에 전기적으로 연결된 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 태양전지와 대기와의 온도차이가 적은 경우, 스위칭부를 이용하여 태양전지에서 발전한 전류가 열전소자로 흐르는 것을 차단하여 열전 소자 내부에서 전류가 손실되는 문제를 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 열전 융합소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지 및 열전소자를 융합한 융합소자 제작 시에 전류 매칭 문제를 해결한 태양전지 열전 융합소자에 관한 것이다.
태양전지(solar cell)는 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 태양전지는 태양광을 직접 전기로 광전변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다.
태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 반도체층에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
일반적으로 태양전지는 실리콘 태양전지와 박막 태양전지로 구분할 수 있는데, 실리콘 태양전지는 실리콘과 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 CIGS계 화합물을 박막의 형태로 형성하여 제조한 것이다.
한편, 태양전지의 경우, 빛에 의해 태양전지 자체의 온도가 상승될 수 있는데, 일정 수준 이상으로 온도가 상승되는 경우 태양전지의 광전변환효율의 저하를 야기한다.
따라서, 태양전지와 열전소자를 결합하여 태양전지에 인가되는 열이 열전소자에 이용되도록 하는 기술이 연구되고 있다.
열전소자란 냉각이나 가열을 동시에 수행하여야 하는 경우 그리고 열원을 이용한 발전이 필요한 경우에 어디든지 사용할 수 있는 열과 전기의 교환시스템이다.
1821년 독일의 Seebeck은 Cu와 Bi 또는 Bi와 Sb의 양쪽 끝을 연결하고 접합부의 한쪽을 가열한 결과 회로의 가운데에 높은 자침의 방향이 바뀌는 특이한 현상을 발견 하였다.
Seebeck은 이 결과를 Oersted 및 Biot와 Savart의 연구 결과를 바탕으로 온도차에 의해 도체가 자기적으로 분극을 일으킨 결과라고 해석하였고 이 현상은 온도차에 의해 전압 즉, 열기전력(thermoelectromotive force)이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐르기 때문에 일어나는 것으로서 열전발전의 원리이며, Seebeck효과로 불리운다.
이후, 1843년 프랑스의 Peltier는 동일한 형상을 한 두 개의 서로 다른 금속으로 이루어진 회로에 직류전기를 흘리면 한 접합부에서는 흡열이 일어나고 다른 접합부에서는 발열이 일어나며, 전류의 방향을 반대로 하면 흡열과 발열이 반대로 일어나는 현상을 발견하였다.
이전까지는 전선에 전류를 흘리면 Joule 법칙에 의해서 발열만이 일어나는 것으로 생각하였으나, 전혀 기대하지 못했던 현상이 발견되었는데 이 현상은 일종의 heat pumping 현상으로써 전자냉각의 원리이며, Peltier 효과라 한다.
1851년 영국의 Thomson은 Seebeck 효과와 Peltier 효과의 가역성을 열역학적으로 이론화하던 중 온도기울기가 있는 도체에 전류를 흘리면 열역학 제2법칙에 의해 도체내부에서 열이 흡수되거나 또는 열이 발생되는 효과 있을 수 있음을 예측하였는데 이 현상을 Thomson 효과라 하며, 그 이후에 실험적으로 증명이 되어 Seebeck 효과, Peltier 효과와 Thomson 효과를 통틀어 열전 현상이라 한다.
한편, 태양전지와 열전소자를 융합한 융합소자의 경우, 태양의 위치에 따라서 태양광의 세기가 달라짐에 따라 태양전지의 전류값이 달라지는데, 태양전지와 대기와의 온도차이가 적은 경우, 태양전지에서 발전한 전류 일부가 열전 소자 내부에서 손실되는 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 이러한 전류 손실 문제를 해결할 수 있는 태양전지 열전 융합소자를 개발하는 것이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전류 손실 문제를 해결할 수 있는 태양전지 열전 융합소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 태양전지 열전 융합소자를 제공한다. 태양전지 열전 융합소자는 열전소자부, 상기 열전소자부 상에 위치하는 열전달층, 상기 열전달층 상에 위치하되, 상기 열전소자부와 전기적으로 직렬연결된 태양전지부 및 상기 열전소자부 및 상기 태양전지부 사이에 전기적으로 연결된 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위칭부는 바이메탈 스위치인 것을 특징으로 하고, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단은 상기 태양전지부의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제2 단은 상기 열전소자부의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제3 단은 상기 열전소자부의 타단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양전지부와 대기와의 온도차가 소정의 값 이상인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 연결되고, 상기 태양전지부와 대기와의 온도차가 소정의 값 미만인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 차단되고, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제3 단이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전소자부는, 냉각영역을 이루는 제1 기판, 제1 기판 상에 위치하는 하부전극, 하부전극 상에 위치하되, 상호 이격된 p형 열전재료와 n형 열전재료를 포함하는 열전부, 상기 열전부 상에 위치하는 상부전극 및 상기 상부전극 상에 위치하되, 방열영역을 이루는 제2 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전달층은 상기 태양전지부 및 상기 열전소자부에 물리적으로 접함으로써, 상기 태양전지부에서 발생된 열을 상기 열전소자부의 제2 기판에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은 태양전지 열전 융합소자를 제공한다. 이러한 태양전지 열전 융합소자는 태양광모듈, 상기 태양광모듈의 일단에 전기적으로 직렬연결된 열전모듈 및 상기 태양광모듈 및 상기 열전모듈 사이에 전기적으로 연결된 스위칭부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위칭부는 바이메탈 스위치인 것을 특징으로 하고, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단은 상기 태양광모듈의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제2 단은 상기 열전모듈의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제3 단은 상기 열전모듈의 타단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양광모듈과 대기와의 온도차가 소정의 값 이상인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 연결되고, 상기 태양광모듈과 대기와의 온도차가 소정의 값 미만인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 차단되고, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제3 단이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 태양전지 열전 융합소자에서, 태양전지와 대기와의 온도차이가 적은 경우, 스위칭부를 이용하여 태양전지에서 발전한 전류가 열전소자로 흐르는 것을 차단하여 열전 소자 내부에서 전류가 손실되는 문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 분해단면도이다.
도 3은 계절별 시간별 태양광모듈과 대기와의 온도차이 나타낸 그래프들이다.
도 4는 태양광모듈의 시간에 따른 대기와의 온도차를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 개념블록도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭부의 구동 원리를 설명한 동작도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 분해단면도이다.
도 3은 계절별 시간별 태양광모듈과 대기와의 온도차이 나타낸 그래프들이다.
도 4는 태양광모듈의 시간에 따른 대기와의 온도차를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 개념블록도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭부의 구동 원리를 설명한 동작도들이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자는 열전소자부(10) 및 상기 열전소자부(10) 상에 위치하는 태양전지부(30)를 포함할 수 있다. 이때의 태양전지부(10)와 열전소자부(30)는 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 열전 융합소자는 모듈화된 경우도 모두 포함한다. 예를 들어, 태양전지 열전 융합소자는 태양광모듈 및 열전모듈을 포함할 수 있다. 이러한 태양광모듈 및 열전모듈은 경우에 따라 직접 결합된 경우도 있다. 또한, 이때 태양광모듈과 열전모듈은 전기적으로 직렬 연결될 수 도 있다.
따라서, 태양광모듈과 열전모듈이 전기적으로 직렬 연결된 태양전지 열전 융합소자에서, 태양광모듈과 대기와의 온도차이가 적은 경우, 태양광모듈에서 발전한 전류가 열전모듈에서 발전한 전류보다 크기 때문에, 태양광모듈에서 발전한 전류의 일부가 열전모듈 내부에서 손실될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 융합소자의 태양광모듈과 대기와의 온도차이가 적을 때는 태양광모듈에서 열전모듈로의 전류 흐름을 끊어주고 외부 회로로 이동하게 할 수 있도록 태양광모듈과 열전모듈 사이에 전기적으로 연결되는 스위칭부를 추가하였다.
일 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자는 태양광모듈, 상기 태양광모듈의 일단에 전기적으로 직렬 연결된 열전모듈 및 상기 태양광모듈 및 상기 열전모듈 사이에 전기적으로 연결된 스위칭부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 스위칭부는 바이메탈 스위치일 수 있다.
예를 들어, 이러한 바이메탈 스위치의 제1 단은 상기 태양광모듈의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제2 단은 상기 열전모듈의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제3 단은 상기 열전모듈의 타단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 태양광모듈과 대기와의 온도차가 소정의 값 이상인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 태양광모듈과 대기와의 온도차가 소정의 값 미만인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 차단되고, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제3 단이 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 바이메탈 스위치의 구동원리에 대하여는 후술하도록 한다.
따라서, 태양광모듈과 열전모듈이 전기적으로 직렬연결된 태양전지 열전 융합소자에서, 태양광모듈과 대기와의 온도차이가 적은 경우, 태양광모듈에서 발전한 전류가 열전모듈로 흐르는 것을 스위칭부가 차단함으로써, 태양광모듈에서 발전한 전류의 일부가 열전모듈 내부에서 손실되는 문제를 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 분해 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자는 열전소자부(10), 상기 열전소자부(10) 상에 위치하는 열전달층(20), 상기 열전달층(20) 상에 위치하는 태양전지부(30)를 포함할 수 있다.
열전소자부(10)는 냉각영역(cold side)을 이루는 제1 기판(11), 제1 기판(11) 상에 위치하는 하부전극(12), 하부전극 상(12)에 위치하되, 상호 이격된 p형 열전재료(14)와 n형 열전재료(13)를 포함하는 열전부(15), 상기 열전부(15) 상에 위치하는 상부전극(16) 및 상기 상부전극(16) 상에 위치하되, 방열영역(hot side)을 이루는 제2 기판(17)을 포함할 수 있다.
냉각영역(cold side)을 이루는 제1 기판(11)은 통상 절연기판, 예를 들면 알루미나 기판을 사용할 수 있다. 또한, 경우에 따라 제1 기판(11)은 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 다만, 이와 같이 제1 기판(11)을 금속기판으로 형성하는 경우, 제1 기판(11)과 제1 기판(11)에 형성되는 하부 전극(12)과의 사이에 유전체층(미도시)을 더 포함하여 형성됨이 바람직하다.
하부 전극(12)은 제1 기판(11) 상에 위치할 수 있다. 이러한 하부 전극(12)은 경우에 따라 복수의 전극으로 배열될 수 있다. 또한, 예를 들어, 하부 전극(12)은 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
열전부(15)는 하부전극(12) 상에 위치하되, 상호 이격된 p형 열전재료(14)와 n형 열전재료(13)를 포함할 수 있다. 또한, 경우에 따라, p형 열전재료(14)와 n형 열전재료(13)를 복수 개 배치할 수 있다. 또한, 예를 들어, p형 열전재료(14)와 n형 열전재료(13)로 사용되는 재질은 실리콘(Si), 비스무트(Bi), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 망가니즈(Mg), 티타늄(Ti), 수은(Hg), 납(Pb), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 텅스텐(W), 카드뮴(Cd), 철(Fe), 비소(As), 텔루륨(Te), 저마늄(Ge) 등을 이용한 금속화합물 또는 세라믹, 그리고 전도성 폴리머 등 다양한 종류가 존재한다.
상부 전극(16)은 열전부(15) 상에 위치할 수 있다. 이러한 상부 전극(16)은 경우에 따라 복수의 전극으로 배열될 수 있다. 또한, 예를 들어 상부 전극(16)은 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
방열영역(hot side)을 이루는 제2 기판(17)은 상부 전극(16) 상에 위치한다. 제2 기판(17)은 통상 절연기판, 예를 들면 알루미나 기판을 사용할 수 있다. 또한, 경우에 따라 제2 기판(17)은 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 다만, 이와 같이 제2 기판(17)을 금속기판으로 형성하는 경우, 제2 기판(17)과 제2 기판(17)에 형성되는 상부 전극(16)과의 사이에 유전체층(미도시)을 더 포함하여 형성됨이 바람직하다.
열전달층(20)는 열전소자부(10) 상에 위치할 수 있다. 열전달층(20)은 태양전지부(30) 및 상기 열전소자부(10)에 물리적으로 접함으로써, 상기 태양전지부(30)에서 발생된 열을 상기 열전소자부(10)의 제2 기판(17)에 전달하는 것을 특징으로 한다. 한편 경우에 따라 이러한 열전달층(20)은 태양전지부(30) 및 열전소자부(10) 중 어느 한쪽에만 물리적으로 접할 수도 있다.
따라서, 열전달층(20)은 열을 효과적으로 전달하기 위하여 열전도율이 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 열전달층(210) 물질로 은 또는 구리를 사용할 수 있다. 또한 이러한 열전달층(210)은 경우에 따라 태양전지부(30)의 전극역할을 할 수도 있다.
태양전지부(30)는 열전달층(20) 상에 위치할 수 있다. 태양전지부(30)는 공지된 다양한 태양전지를 이용할 수 있다. 예를 들어, 태양전지부(30)는 실리콘 태양전지일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 태양전지부(30)는 결정질 실리콘 웨이퍼(C-Si wafer)가 광흡수층(31)이고, 이러한 광흡수층(31) 하부에 후면 P+ field(back-suface p+ field, BSF)층(32)이 위치하고, 이러한 BSF층(32) 하부에 패시베이션층(Passivation layer)(33)이 위치할 수 있다.
BSF층(32)은 소수 캐리어(광생성 전자)가 재결합되는 것을 막는 역할을 한다. 예를 들어, BSF층은 Al을 포함할 수 있다.
또한, 패시베이션층(33)은 예를 들어 산화 알루미늄 박막으로 전하의 손실을 최소화하는 역할을 할 수 있다.
또한, 이때의 광흡수층(31)이 p-type 실리콘인 경우, p-n접합을 형성하기 위하영 광흡수층(31) 상에 n+ 영역층(n+ region)(34) 및 반사방지(Anti-reflection coating, ARC)층(35)이 위치할 수 있다.
또한, 전면 컨택층(37)은 반사방지층(35) 상에 패턴화되어 위치할 수 있고, 후면 컨택층(36)은 BSF층(32) 하부에 위치하되 패시베이션층 사이로 노출되어 위치할 수 있다.
따라서, 필드(field)에서 이러한 태양전지 열전 융합소자를 구동시킬 경우, 태양광을 받아 태양전지부(30)를 구동하게 되며, 이때 태양전지부(30) 자체의 온도가 상승될 수 있다. 이 경우 태양전지부(30)에 접하거나 인접하여 있는 열전소자부(10)의 제2 기판(17)은 태양전지부(30)로부터 열을 전달받게 되고, 태양전지부(30)로부터 열을 전달받은 열전소자부(10)의 제2 기판(17)과 대기와 접하는 열전소자부(10)의 제1 기판(11)은 온도차이가 발생하여 열전소자부(10)가 발전할 수 있다.
이 때, 경우에 따라, 필드(field)에서 태양전지 열전 융합소자를 작동시킬 경우, 태양전지부(30)와 대기와의 온도차가 소정 값 미만인 경우, 태양전지부(30)에서 발생하는 전류값(IPV)이 열전소자부(10)에서 발생하는 전류값(ITEG)보다 크기 때문에, 태양전지부(30)에서 발전한 전류 일부가 열전소자부(10) 내부에서 손실될 수 있다. 즉, 여분의 전류로 인해 펠티에(Peltier) 효과를 내기 때문에 열전소자가 냉각소자로 변하면서 에너지를 소모하게 된다.
이러한 전류손실 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 열전소자부(10) 및 상기 태양전지부(30) 사이에 전기적으로 연결된 스위칭부(도 5의 40)를 포함하였다.
예를 들어, 이러한 스위칭부(도 5의 40)는 바이메탈 스위치인 것을 특징으로 하고, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단은 상기 태양전지부의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제2 단은 상기 열전소자부의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제3 단은 상기 열전소자부의 타단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 태양전지부(30)와 대기와의 온도차가 소정의 값 이상인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 태양전지부(30)와 대기와의 온도차가 소정의 값 미만인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 차단되고, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제3 단이 전기적으로 연결될 수 있다.
또 다른 예를 들어, 만일 열전달층(21)이 태양전지부(30)의 전극역할을 할 경우, 바이메탈 스위치의 제1 단을 열전달층(210)과 전기적으로 연결되고, 바이메탈 스위치의 제2 단은 상기 열전소자부의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제3 단은 상기 열전소자부의 타단에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3은 계절별 시간별 태양광모듈과 대기와의 온도차이를 나타낸 그래프들이다.
도 3을 참조하면, 계절별(겨울, 봄, 여름 및 가을) 태양광모듈(PV 모듈)과 대기와의 온도차이를 측정하였다. 그 결과, 시간에 따라 태양광모듈과 대기와의 온도차가 변화하는 것을 알 수 있다.
특히, 새벽에서 오전 10시까지 및 오후 4시 이후에는 태양광모듈의 온도와 대기와의 온도차이가 적음을 알 수 있다.
도 4는 태양광모듈의 시간에 따른 대기와의 온도차를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 태양전지 열전 융합소자의 경우, 오전 10시 내지 오후 4시의 경우, 태양전지에서 발생하는 전류값(IPV)보다 열전소자에서 발생하는 전류값(ITEG)이 크기 때문에 태양전지에서 발전한 전류가 열전소자에서 손실 없이 전달될 수 있다.
그러나, 새벽에서 오전 8시의 경우, 태양전지에서 발생하는 전류값(IPV)이 열전소자에서 발생하는 전류값(ITEG)보다 크기 때문에, 태양전지에서 발전한 전류 일부가 열전 소자 내부에서 손실될 수 있다. 즉, 여분의 전류로 인해 열전소자가 냉각소자로 변하면서 에너지를 소모하게 된다.
따라서, 태양전지 열전 융합소자의 경우, 융합소자의 태양전지와 대기와의 온도차이가 적을 때는 태양전지에서 발생하는 전기가 열전소자로 가서 Peltier효과를 내기 때문에 열전소자는 발전을 하는 것이 아니라 에너지를 소모하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 개념블록도이다.
도 5를 참조하면, 태양전지부(30)와 열전소자부(10)는 전기적으로 직렬연결된다. 그리고 태양전지부(30)와 열전소자부(10) 사이에 스위칭부(40)가 전기적으로 연결된다.
이때의 스위칭부(40)은 예를 들어, 바이메탈 스위치일 수 있다. 따라서, 스위칭부(40)가 바이메탈 스위치인 것을 예로 설명한다.
따라서, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단(41)은 상기 태양전지부의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제2 단(42)은 상기 열전소자부의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제3 단(43)은 상기 열전소자부의 타단에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 예를 들어, 이러한 바이메탈 스위치는 태양전지부에 인접하여 위치시킬 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭부의 구동 원리를 설명한 동작도들이다.
도 6을 참조하면, 이때의 스위칭부는 바이메탈 스위치이다. 일반적으로 물질은 온도가 올라가면서 팽창하게 된다. 이때 열팽창계수가 다른 두 물질을 붙이면, 한쪽으로 휜다. 이는 열팽창계수가 큰 쪽이 더 크게 팽창하기 때문에 열팽창계수가 작은 물질 쪽으로 휘게 될 것이다.
이러한 원리를 이용하여 열팽창계수가 다른 두 물질을 접합시킨 바이메탈을 제1 단(41)에 물리적으로 연결하고, 이러한 바이메탈을 제3 단(43)에 접촉하여 제1 단(41)과 제3 단(43)이 전기적으로 연결될 수 있도록 설정할 수 있다.
이때의 바이메탈은 제1금속(44)과 제2금속(45)을 접합시킨 구조일 수 있고, 제3 단(43)에 접촉하는 제1 금속(44)은 제2 금속(45)보다 열팽창계수가 큰 물질을 설정할 수 있다.
도 7을 참조하면, 온도가 올라가게 되면, 열팽창계수의 차이에 의해 바이메탈은 제2 금속(45) 방향으로 휘게 될 것이고, 이때 바이메탈은 제3 단(43)과는 떨어지게 되고, 제2 단(42)과 접촉하게 된다. 따라서, 제1 단(41)이 제2 단(42)과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 태양전지 열전 융합소자에서, 태양전지와 대기와의 온도차이가 적은 경우, 스위칭부를 이용하여 태양전지에서 발전한 전류가 열전소자로 흐르는 것을 차단하여 열전 소자 내부에서 전류가 손실되는 문제를 방지할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 열전소자부 11: 제1 기판
12: 하부전극 13: n형 열전재료
14: p형 열전재료 15: 열전부
16: 상부전극 17: 제2 기판
20: 열전달층 30: 태양전지부
31: 광흡수층 32: BSF층
33: 패시베이션층 34: n+ 영역층
35: 반사방지층 36: 후면 컨택층
37: 전면 컨택층 40: 스위칭부
41: 제1 단 42: 제2 단
43: 제3 단 44: 제1 금속
44: 제2 금속
12: 하부전극 13: n형 열전재료
14: p형 열전재료 15: 열전부
16: 상부전극 17: 제2 기판
20: 열전달층 30: 태양전지부
31: 광흡수층 32: BSF층
33: 패시베이션층 34: n+ 영역층
35: 반사방지층 36: 후면 컨택층
37: 전면 컨택층 40: 스위칭부
41: 제1 단 42: 제2 단
43: 제3 단 44: 제1 금속
44: 제2 금속
Claims (8)
- 열전소자부;
상기 열전소자부 상에 위치하는 열전달층;
상기 열전달층 상에 위치하되, 상기 열전소자부와 전기적으로 직렬연결된 태양전지부; 및
상기 열전소자부 및 상기 태양전지부 사이에 전기적으로 연결된 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 스위칭부는 바이메탈 스위치인 것을 특징으로 하고,
상기 바이메탈 스위치의 제1 단은 상기 태양전지부의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제2 단은 상기 열전소자부의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제3 단은 상기 열전소자부의 타단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하고,
상기 태양전지부와 대기와의 온도차가 소정의 값 이상인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 연결되고,
상기 태양전지부와 대기와의 온도차가 소정의 값 미만인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 차단되고, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제3 단이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하고,
상기 태양전지부와 대기와의 온도차가 소정의 값 미만인 경우, 상기 바이메탈 스위치에 의해 상기 태양전지부에서 발전한 전류가 상기 열전소자부로 흐르는 것을 차단하여 상기 태양전지부에서 발전한 전류 일부가 상기 열전소자부 내부에서 손실되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자. - 삭제
- 삭제
- 제1항 있어서,
상기 열전소자부는,
냉각영역을 이루는 제1 기판;
제1 기판 상에 위치하는 하부전극;
하부전극 상에 위치하되, 상호 이격된 p형 열전재료와 n형 열전재료를 포함하는 열전부;
상기 열전부 상에 위치하는 상부전극; 및
상기 상부전극 상에 위치하되, 방열영역을 이루는 제2 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자. - 제1항 있어서,
상기 열전달층은 상기 태양전지부 및 상기 열전소자부에 물리적으로 접함으로써, 상기 태양전지부에서 발생된 열을 상기 열전소자부의 제2 기판에 전달하는 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자. - 태양광모듈;
상기 태양광모듈의 일단에 전기적으로 직렬연결된 열전모듈; 및
상기 태양광모듈 및 상기 열전모듈 사이에 전기적으로 연결된 스위칭부를 포함하고,
상기 스위칭부는 바이메탈 스위치인 것을 특징으로 하고,
상기 바이메탈 스위치의 제1 단은 상기 태양광모듈의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제2 단은 상기 열전모듈의 일단에 전기적으로 연결되고, 상기 바이메탈 스위치의 제3 단은 상기 열전모듈의 타단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는
상기 태양광모듈과 대기와의 온도차가 소정의 값 이상인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 연결되고,
상기 태양광모듈과 대기와의 온도차가 소정의 값 미만인 경우, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제2 단이 전기적으로 차단되고, 상기 바이메탈 스위치의 제1 단과 상기 바이메탈 스위치의 제3 단이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하고,
상기 태양광모듈과 대기와의 온도차가 소정의 값 미만인 경우, 상기 바이메탈 스위치에 의해 상기 태양광모듈에서 발전한 전류가 상기 열전모듈로 흐르는 것을 차단하여 상기 태양광모듈에서 발전한 전류 일부가 상기 열전모듈 내부에서 손실되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자. - 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170173661A KR101956682B1 (ko) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 태양전지 열전 융합소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170173661A KR101956682B1 (ko) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 태양전지 열전 융합소자 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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