KR102223799B1 - 평면형 및 파라볼릭형 반사체와 광혼합체로 구성된 집광형 태양전지 모듈 - Google Patents

평면형 및 파라볼릭형 반사체와 광혼합체로 구성된 집광형 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집광형 태양전지 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 태양전지와 먼거리의 광은 평면형 반사체를 통해 집광하고 가까운 거리의 광은 파라볼릭형 반사체로 집광하여 파장변환 광혼합체를 통해 태양전지로 광이 전달되게 함으로써 발전효율을 매우 향상시킬 수 있는 집광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.

Description

평면형 및 파라볼릭형 반사체와 광혼합체로 구성된 집광형 태양전지 모듈{Concentrated type photovoltaic module}
본 발명은 집광형 태양전지 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 태양전지와 먼거리의 광은 평면형 반사체를 통해 집광하고 가까운 거리의 광은 파라볼릭형 반사체로 집광하여 파장변환 광혼합체를 통해 태양전지로 광이 전달되게 함으로써 발전효율을 매우 향상시킬 수 있는 집광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양광발전은 발전기의 도움없이 태양전지를 이용하여 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식이다.
최근 반도체의 효율향상에 따라 태양광 발전에 대한 관심이 증가하고 있는 가운데 태양광을 효율적으로 집광하여 발전효율을 향상시키기 위한 노력이 있다.
한국 공개 특허 제10-2009-0015019호는 태양전지의 표면에 더 많은 빛을 모으기 위하여 입사광의 각도에 따라 태양전지 패널의 각도를 변화시키는 태양 집광 패널 기술이 개시되어 있다.
이 종래의 태양 집광 패널은 태양을 바라보도록 패널이 회동하므로 발전효율을 향상시킬 수는 있으나 태양광의 입사 방향을 검출하고 패널을 회동시키는 동력기구가 별도로 필요한 단점이 있다.
또한, 한국 등록 특허 제10-1092428호에는 파라볼릭형 미러를 이용하여 태양광을 집광할 수 있는 집광기의 기술이 개시되어 있다.
그러나 이 종래의 집광기 기술은 파라볼릭형 미러에 입사되는 광과 반사되는 광의 광 경로가 서로 중첩되어 광 손실이 발생함에 따라 집광의 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 태양광을 집광하는 과정 중에 광 반사 횟수를 최소화하여 광 손실을 줄임으로써 발전효율을 향상시킬 수 있는 집광형 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 자외선을 가시광 대역으로 변환하여 집광해 줌으로써 발전효율을 더욱 향상시킬 수 있는 집광형 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 태양광이 입사되면 전기를 생산하는 태양전지; 상기 태양전지의 측방을 둘러싸며 구비되며, 태양광을 상기 태양전지의 광 입사면으로 반사시켜 집광하며, 수직 단면 모서리가 곡선인 파라볼릭형 반사체; 및 상기 태양전지의 광 입사면과 소정거리 이격되어 설치되며, 태양광을 상기 광 입사면으로 반사시켜 집광하며 수직 단면 모서리가 직선인 평면형 반사체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 평면형 반사체는 뿔의 방향이 상기 광 입사면을 향하도록 배치된 원뿔형 또는 각뿔형의 반사체로써, 뿔 부위는 제거되어 광 전달 통로를 가지며, 내측면에 반사된 광이 상기 광 전달 통로를 거쳐 상기 광 입사면으로 전달된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 평면형 반사체는 직경 또는 폭이 서로 다른 복수의 평면형 반사체로 구비되고, 상기 평면형 반사체들의 수평 단면 중심은 각각 상기 광 입사면의 중심을 지나는 수직선과 일치하도록 배치된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 태양전지는 직접천이형 태양 전지이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 태양전지의 광입사면에는 자외선 대역의 파장을 가시광 대역의 파장으로 변환시키는 파장변환 광혼합체가 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 파장변환 광혼합체는 400nm 이하의 대역을 450nm 내지 750nm 대역으로 파장변환시키는 가시광선 대역 투광성 형광물질이 포함된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 가시광선 대역 투광성 형광물질은 Zn2SiO4:Eu,Tb, Zn2SiO4:Ce,Li, SrTiO3:Al,Pr 또는 Zn2TiO4:Mn,Dy 일 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 평면형 반사체는 수직방향 높이가 상기 태양전지의 가로방향 길이(이하, ‘단위 길이’라 함)의 2배 내지 4배 사이의 특정 높이를 갖고, 평면 방향으로 최대 폭은 상기 단위 길이의 20배를 초과하지 않고, 수직 방향 최대 높이는 상기 단위 길이보다 적어도 10배의 길이를 가지며, 상기 파라볼릭형 반사체의 수직 방향 최대 높이는 상기 단위길이의 2.5배를 초과하지 않고, 최대 내경은 상기 단위길이보다 적어도 5배를 가지며, 상기 파장변환 광혼합체는 수직 방향 최대 높이가 상기 단위 길이보다 적어도 1.5배의 길이를 갖는다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 태양전지의 하부에는 열을 전기로 전환하는 전소자(펠티에 소자)가 더 구비될 수 있고, 상기 태양전지 자체가 상기 열전소자로 대체될 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 집광형 태양전지 모듈에 의하면, 태양전지와 먼거리의 광은 평면형 반사체를 통해 집광시키고 가까운 거리의 광은 파라볼릭형 반사체로 집광시켜 집광효율을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 집광형 태양전지 모듈에 의하면, 파장변환 광혼합체를 이용하여 태양전지에서 이용하지 못하는 자외선 대역을 광을 가시광 대역으로 변환하여 발전에 이용할 수 있으므로 발전효율을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 집광형 태양전지 모듈에 의하면, 반사체들로 입사되는 광과 반사된 광이 서로 중첩되지 않고, 한 번의 광 반사를 통해 집광이 가능하므로 광손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양전지 모듈의 수직 단면을 바라본 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양전지 모듈의 평면형 반사체의 예시도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집광형 태양전지 모듈의 평면형 반사체의 예시도이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양전지 모듈의 수직 단면을 바라본 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양전지 모듈의 평면형 반사체의 예시를 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양전지 모듈(100)은 태양전지(110), 파라볼릭형 반사체(120), 및 평면형 반사체(130)을 포함하여 이루어지며, 파장변환 광혼합체(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 태양전지(110)는 태양광(10)이 입사되면 전기를 생산하는 전지이다.
본 발명에서는 상기 태양전지(110)로써 직접 입사된 태양광에 의해 전력을 생산하여 효율이 우수한 직접천이형 태양전지(Ⅲ-Ⅴ족, 칼코게나이드형)를 이용하는 것이 바람직하며 Si나 DSSC(염료감응형태양전지)는 제외된다.
상기 파라볼릭형 반사체(120)는 상기 태양전지(110)의 측방을 둘러싸며 구비되고, 상기 태양전지(110)의 가까운 위치의 광을 반사시켜 상기 태양전지(110)로 집광해 준다.
또한, 상기 파라볼릭형 반사체(120)는 오목한 그릇형상으로 수직단면(121)이 곡선이다.
또한, 상기 파라볼릭형 반사체(120)는 상기 태양전지(110)의 광 입사면 중앙부분에 태양광을 집광시킨다.
상기 평면형 반사체(130)는 상기 태양전지(110)의 광 입사면과 소정거리 이격되어 설치되며, 상기 태양전지(110)와 먼 거리의 광을 상기 태양전지(110)로 반사시켜 집광되게 한다.
또한, 상기 평면형 반사체(130)는 상기 태양전지(110)의 광 입사면 외곽부분에 태양광이 집광되게 한다.
또한, 상기 평면형 반사체(130)에서 평면의 의미는 원뿔과 같이 측면이 곡면이라도 수직단면(131)이 직선인 면을 갖는 반사체를 의미한다.
또한, 상기 평면형 반사체(130)는 도 2에 도시한 바와 같이 뿔의 방향이 상기 광입사면을 향하도록 배치된 원뿔 형상으로 제작될 수 있으며, 뿔 부위는 제어되어 중앙에 광 전달 통로를 가진다.
또한, 상기 평면형 반사체(130)의 내측면에서 반사된 태양광은 다른 반사면에 부딧치지 않고 직접 상기 태양전지(110)로 입사된다.
즉, 상기 평면형 반사체(130)는 상기 평면형 반사체(130)로 입사되는 광과 반사되는 광이 서로 중첩되지 않고 최소한의 경로(단 한 번의 반사 경로)로 상기 태양전지(110)로 입사되게 하므로 광 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 평면형 반사체(130)는 직경(r1,r2)이 서로 다른 복수의 평면형 반사체들(130a,130b,...,130n)이 평면상에서 서로 겹쳐져 구성될 수 있다.
또한, 상기 평면형 반사체들(130a,130b,...,130n)은 수평 단면 중심(c1)이 서로 일치하도록 직경이 가장 작은 평면형 반사체(130)를 중심으로 직경이 큰 순으로 서로 이격되어 평면상에서 겹쳐지게 배치된다.
또한, 상기 평면형 반사체들(130a,130b,...,130n)의 수평 단면 중심(c1)은 상기 태양전지(110)의 중심을 지나는 수직선(c)과 일치된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양전지 모듈(100)은 상기 태전지(110) 인근의 광은 상기 파라볼릭형 반사체(120)로 집광하고, 원거리의 광은 상기 평면형 반사체(130)로 집광하여 광의 집광 효율을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 3은 상기 평면형 반사체(130)의 다른 실시예를 보여주는 것으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면형 반사체(150)는 수평단면이 원형이 아닌 사각형 형태로 제작된 반사체이다. 즉, 원뿔형이 아닌 사각뿔에서 뿔 부위가 제거된 형태이다.
그러나 수평단면이 사각형뿐만 아니라 삼각형 등 다양한 다각 뿔 형태로 제작이 가능하다.
상기 파장변환 광혼합체(140)는 상기 태양전지(110)의 광 입사면 상에 구비되며, 가시광 대역의 광은 투과시켜 상기 태양전지(110)로 입사되게 하고, 자외선 영역의 광은 가시광 대역으로 변환하여 상기 태양전지(110)로 입사되게 한다.
또한, 상기 파장변환 광혼합체(140)는 400nm이하의 자외선 대역의 광을 450nm 내지 750nm의 가시광 대역으로 파장변환하는 가시광선 투과형 형광물질을 포함한다.
예를 들면, 상기 가시광선 투과형 형광물질은 Zn2SiO4:Eu,Tb, Zn2SiO4:Ce,Li, SrTiO3:Al,Pr 또는 Zn2TiO4:Mn,Dy 일 수 있다.
즉, 상기 파장변환 광혼합체(140)는 가시광을 집광하는 기본적인 역할뿐만아니라 태양전지에서 발전에 이용하지 못하는 자외선 대역의 광을 가시광으로 파장변환하여 태양전지의 효율을 향상시키는 역할을 수행한다.
또한, 상기 파장변환 광혼합체(140)는 반구형이나 하면은 사각형이고 상부는 반구형인 사각 반구형으로 제작될 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나 상기 태양전지(110)의 하면에는 열교환기나 열전소자(펠티에 소자)를 부착하여 상기 태양전지(110)를 냉각할 수 있고, 흡수된 열원은 온수가 추가 전력 생산에 이용될 수 있다.
또한, 상기 태양전지(110) 자체가 상기 열전소자로 대체될 수 있다.
한편, 상기 평면형 반사체들(130a,130b,...,130n)는 각각 수직방향 높이(h1)가 상기 태양전지(110)의 가로방향 길이(l)(이하, ‘단위 길이’라 함)의 2배 내지 4배 사이의 특정 높이를 갖는다. 바람직하게는 3배일 수 있다. 이 범위를 벗어날 경우 상기 평면형 반사체들(130a,130b,...,130n)에서 반사된 광들이 서로 중첩현상이 발생하여 광손실이 발생한다.
또한, 상기 평면형 반사체(130)의 평면 방향으로 최대 폭(w1)은 상기 단위 길이(l)의 20배를 초과하지 않고, 상기 태양전지(110)의 하면에서 수직 방향 최대 높이(h2)는 상기 단위 길이(l)보다 적어도 10배의 길이를 가지는 것이 바람직하다. 이 범위를 벗어 날 경우 상기 평면형 반사체(130)에서 반사된 광이 상기 파라볼릭형 반사체(120)의 외곽으로 반사시켜 집광이 발생하지 않으며, 최 내측의 평면형 반사체(130a)의 폭이 좁아 광이 중첩되기 쉽고, 기구적 구현이 어려운 문제점이 있으며, 전체적으로 상기 평면형 반사체(130)의 높이가 낮아져 상기 파라볼릭형 반사체(120)와의 위상관계가 구현되지 않는다.
또한, 상기 파라볼릭형 반사체(120)의 수직 방향 최대 높이는 상기 단위길이(l)의 2.5배를 초과하지 않고, 최대 내경(w2)은 상기 단위길이(l)보다 적어도 5배를 갖는다. 이 범위를 벗어날 경우 상기 평면형 반사체(130)에서 반사된 광을 수광하지 못하고, 수직방향으로 입사되는 광을 수광하지 못한다.
또한, 상기 파장변환 광혼합체(140)는 수직 방향 최대 높이(h4)가 상기 단위 길이(l)보다 적어도 1.5배인 것이 바람직하다. 그 이유는 이 길이보다 작을 경우 상기 평면형 반사체(130)에서 입사되는 광을 수광하지 못하기 때문이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:집광형 태양전지 모듈 110:태양전지
120:파라볼릭형 반사체 130:평면형 반사체
140:파장변환 광혼합체

Claims (10)

  1. 태양광이 입사되면 전기를 생산하는 태양전지;
    상기 태양전지의 측방을 둘러싸며 구비되며, 태양광을 상기 태양전지의 광 입사면으로 반사시켜 집광하며, 수직 단면 모서리가 곡선인 파라볼릭형 반사체; 및
    상기 태양전지의 광 입사면과 소정거리 이격되어 설치되며, 태양광을 상기 광 입사면으로 반사시켜 집광하며 수직 단면 모서리가 직선인 평면형 반사체;를 포함하고,
    상기 태양전지는 직접천이형 태양 전지이고,
    상기 태양전지의 광입사면에는 파장변환 광혼합체가 구비되고, 상기 파라볼릭형 반사체 및 상기 평면형 반사체에서 반사된 광은 상기 파장변환 광혼합체를 투과하여 상기 태양전지로 입사되며,
    상기 파장변환 광혼합체는 가시광 대역의 광은 투과시켜 상기 태양전지로 입사되게 하고, 자외선 대역의 파장은 가시광 대역의 파장으로 변환시시켜 상기 태양전지로 입사되게 하며,
    상기 평면형 반사체는 수직방향 높이가 상기 태양전지의 가로방향 길이(이하, ‘단위 길이’라 함)의 2배 내지 4배 사이의 특정 높이를 갖고, 평면 방향으로 최대 폭은 상기 단위 길이의 20배를 초과하지 않고, 수직 방향 최대 높이는 상기 단위 길이보다 적어도 10배의 길이를 가지며,
    상기 파라볼릭형 반사체의 수직 방향 최대 높이는 상기 단위길이의 2.5배를 초과하지 않고, 최대 내경은 상기 단위길이보다 적어도 5배를 가지며,
    상기 파장변환 광혼합체는 수직 방향 최대 높이가 상기 단위 길이보다 적어도 1.5배인 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면형 반사체는 뿔의 방향이 상기 광 입사면을 향하도록 배치된 원뿔형 또는 각뿔형의 반사체로써, 뿔 부위는 제거되어 광 전달 통로를 가지며, 내측면에 반사된 광이 상기 광 전달 통로를 거쳐 상기 광 입사면으로 전달되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 평면형 반사체는 직경 또는 폭이 서로 다른 복수의 평면형 반사체로 구비되고, 상기 평면형 반사체들의 수평 단면 중심은 각각 상기 광 입사면의 중심을 지나는 수직선과 일치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장변환 광혼합체는 400nm 이하의 대역을 450nm 내지 750nm 대역으로 파장변환시키는 가시광선 대역 투광성 형광물질이 포함되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가시광선 대역 투광성 형광물질은 Zn2SiO4:Eu,Tb, Zn2SiO4:Ce,Li, SrTiO3:Al,Pr 또는 Zn2TiO4:Mn,Dy 인 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지의 하부에는 열을 전기로 전환하는 열전소자(펠티에 소자)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 모듈.
  10. 삭제
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