KR102232231B1 - 태양광 패널용 반사판. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 패널에 적용되는 반사판으로서 양면 수광형 태양전지모듈의 배면에 위치하며 태양전지모듈을 통과해서 입사되는 태양광을 상기 양면 수광형 태양전지모듈의 배면으로 반사시키는 반사판이며, 상기 반사판은 기판, 상기 기판 상에 적층되는 반사층, 상기 반사층 상에 적층되는 난반사층으로 이루어지며, 상기 난반사층은 중공형 실리카 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양광 패널용 반사판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 양면형 태양광 패널의 배면에 태양광을 조사하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 태양광 패널용 반사판에 관한 것이다.
양면형 태양광 패널은 양면 수광형 태양전지모듈을 적용하여 태양광 패널의 전면 및 배면에서 전기를 생산할 수 있으므로 발전 효율이 높은 점에서 널리 사용되고 있다.
이러한 양면형 태양광 패널이 설치된 태양광 발전 시스템은 도 1에서와 같은 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 양면 수광형 태양전지 모듈을 지면의 상부에 경사지게 배열하고, 프레임으로 상기 양면 수광형 태양전지모듈을 지지하도록 구성된다. 또한, 상기 양면 수광형 태양전지 모듈은 일정한 간격을 두고 배치되기 때문에 태양광은 상기 양면 수광형 태양전지모듈 사이의 이격 공간을 통해 지면까지 조사될 수 있고, 일부는 태양광 패널의 주변을 통해 지면까지 조사될 수 있다.
이러한 태양광 패널의 설치구조에서 지면에 설치된 반사판은 입사된 태양광을 효율적으로 반사하여 상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 배면에 조사해야 한다.
이와 같은 태양전지 모듈용 반사판으로 대한민국 공개특허공보 10-2014-0125448호에서는 반사판의 내사성 및 내후성을 높일 수 있도록 반사층의 상부에 규소 및 유기물을 함유하는 보호층을 형성함으로써 반사판의 성능을 향상시키고 있다. 이러한 기술을 적용하면 반사판의 내구성을 향상시킬 수는 있으나, 태양광의 반사 효율을 향상시키기에는 한계가 있다.
또한, 대한민국 공개특허공보 10-2020-0100320호에서는 수성용 페인트와 산화티타늄으로 구성된 반사층을 적용하거나, 상기 반사층의 표면에 유리구슬을 깔아 난반사를 일으키거나, 반사층을 2층으로 구성하여 반사효율을 향상시키고자 하고 있으나, 이러한 방법을 적용하더라도 태양광의 입사 각도가 변하면서 반사율이 가변되기 때문에 전체적인 태양광 발전 효율을 향상시킬 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술을 감안하여 안출된 것으로, 입사각이 가변하는 태양광을 지속적으로 반사하여 양면 수광형 태양전지모듈의 배면에 조사되는 광량을 높이고 이를 통해 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 구성된 태양광 패널용 반사판을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 태양광 패널용 반사판은 양면 수광형 태양전지모듈의 배면에 위치하며 태양전지모듈을 통과해서 입사되는 태양광을 상기 양면 수광형 태양전지모듈의 배면으로 반사시키도록 구성되는 것으로서, 상기 반사판은 기판, 상기 기판 상에 적층되는 반사층, 상기 반사층 상에 적층되는 난반사층으로 이루어지며, 상기 난반사층은 중공형 실리카 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 중공형 실리카 입자는 입자 크기가 1 내지 3㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 난반사층은 우레탄아크릴 수지, 아크릴 단량체, 실란 커플링제, 중공형 실리카 입자를 포함하는 수지 조성물로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 패널용 반사판은 입사각이 가변하는 태양광을 지속적으로 반사하여 양면 수광형 태양전지모듈의 배면에 조사되는 광량을 높이고 이를 통해 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 반사판이 적용되는 태양광 발전 시스템의 구조를 도시한 예시도이다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 태양광 패널용 반사판은 도 1에서 예시한 것과 같이 양면 수광형 태양전지모듈이 일정 간격으로 이격되게 설치되어 태양전지모듈을 통과하여 태양광이 입사되는 형태의 태양광 발전 시스템에 적용되는 것이다.
즉, 상기 양면 수광형 태양전지모듈의 배면에 위치하며 태양전지모듈을 통과해서 입사되는 태양광을 상기 양면 수광형 태양전지모듈의 배면으로 반사시키도록 구성되는 것인데, 상기 반사판의 효율을 향상시키기 위하여 상기 반사판은 기판, 상기 기판 상에 적층되는 반사층, 상기 반사층 상에 적층되는 난반사층으로 이루어지도록 하고 있다. 특히, 상기 난반사층은 중공형 실리카 입자를 포함함으로써 난반사를 일으켜 태양광의 입사각이 가변하는 환경에서도 지속적으로 반사광을 상기 양면 수광형 태양전지모듈의 배면에 조사할 수 있도록 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 기판 및 반사층은 통상적으로 반사판에 사용되는 것을 적용할 수 있다.
상기 기판으로는 강판, 플라스틱 시트, 세라믹 시트, 유리판 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 반사판의 설치장소나 용도에 따라 적절히 선택할 수 있다. 또한, 만곡 가공이 가능하도록 강판이나 플라스틱 시트를 사용할 수 있는데, 이 경우 가공성을 고려하여 10㎜ 이하, 바람직하게는 5㎜ 이하의 두께로 이루어진 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사층은 반사 효율을 고려하여 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 금속 재질로는 알루미늄(Al), 은(Ag)을 들 수 있다. 상기 반사층은 상기 기판의 표면에 증착법, 스퍼터링법, 전기도금법, 용융도금법, 무전해도금법과 같은 통상의 방법으로 적층하여 형성할 수 있다.
일 실시예에서 상기 반사층은 유리판 표면에 Al을 증착하여 구성할 수 있다. 또한, Al 시트를 접착제 또는 열 라미네이트에 의해 접착할 수도 있다.
상기 반사층의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 상기 기판의 표면 조도의 영향을 억제하고, 반사율을 향상시키기 위하여 1 내지 10㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 난반사층은 상기 반사층의 표면에 형성되는 것으로서, 수지 조성물을 도포하는 방법으로 형성할 수 있으며, 상기 수지 조성물은 중공형 실리카를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 중공형 실리카는 반사 방지막의 성분으로 널리 사용되고 있으며 상기 중공형 실리카를 적용하여 굴절율을 낮추는 효과를 얻고 있다. 이러한 예로는 대한민국 공개특허공보 10-2019-0043516호, 대한민국 등록특허공보 10-2105118호 등에서 반사 방지 필름의 저굴절층에 적용되는 중공형 실리카를 들 수 있는데, 상기 중공형 실리카는 1.50 내지 3.50 g/㎤의 밀도를 가지며, 이를 적용함으로써 380㎚ 내지 780㎚의 가시 광선 파장대 영역에서 0.7% 이하의 평균 반사율을 달성하고 있다. 이는 본 발명에서 반사율을 높이고자 하는 목적과는 반대되는 개념의 것인데, 이는 상기 중공형 실리카가 300㎚ 이하의 나노입자이기 때문이다. 즉, 중공형 실리카 입자가 적절한 크기를 가지는 경우에는 렌즈와 같은 굴절 효과를 일으키므로 난반사를 일으킬 수 있게 된다.
본 발명에서는 이러한 중공형 실리카의 특징을 이용하여 입자 크기가 1 내지 3㎛인 중공형 실리카를 제조하고 이를 난반사층에 적용함으로써 종래의 반사판에 비해 반사 효율을 향상시키는 효과를 달성하고 있다.
이러한 중공형 실리카의 제조방법은 Korean Chem. Eng. Res., 53(1), 78-82 (2015) 등과 같은 문헌자료에 공지된 것인데, 본 발명에서는 상기 중공형 실리카를 제조하기 위하여 문헌자료에 개시된 유기주형을 이용한 공정을 통해 중공형 실리카를 제조하고 있다.
이를 구체적으로 설명하면, 일 실시예에서 상기 중공형 실리카를 제조하기 위하여 폴리스티렌 비드를 이용하고 있다.
1.8㎛ 크기의 폴리스티렌 비드(Spherotech)를 증류수에 분산하여 폴리스티렌 비드의 콜로이드 용액을 제조한 후, 여기에 테트라오르소실리케이트(tetraorthosilicate, OCI) 및 촉매로서 염산(HCl, 37%, Sigma)을 첨가하였다. 여기에 암모니아(ammonium hydroxide, 25%, OCI)를 적하하여 pH를 조절하고 80℃로 가열하여 2시간 동안 반응시켜 폴리스티렌 비드의 표면에 실리카가 형성되도록 하였다. 이후 고형분을 회수하고 에탄올-물 용매에 분산시킨 후 수열반응기에 투입하여 12시간 동안 수열반응을 하였다. 수열반응을 마친 분말을 세척하고 건조하여 D50이 2.0㎛인 중공형 실리카 입자를 제조하였다.
상기 반사층을 구성하는 금속의 표면에 안정적으로 도포되어 피막을 형성할 수 있도록 상기 수지 조성물로 카르복실기 관능기를 함유하는 아크릴계 수지 및 에폭시계 가교제, 실란 커플링제, 중공형 실리카 입자를 포함하는 수지 조성물을 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 상기 카르복실기 관능기를 함유하는 아크릴계 수지 100 중량부에 대하여, 상기 에폭시계 가교제를 1 내지 10 중량부를 함유하는 경우 금속 재질의 도막 상에 도포할 때 접착력이 우수한 것으로 나타났다.
상기 에폭시계 가교제는 고분자 사이에서 가교 역할을 하기 때문에 특히 카르복실기 관능기를 함유하는 아크릴계 수지에 대하여 기계적 강도를 증가시키고 화학적 안정성을 부여할 수 있게 된다.
또한, 상기 실란 커플링제로는 통상적인 실란 커플링제를 사용할 수 있으나, 상기 실란 커플링제는 일반적인 입자 크기보다 큰 중공형 실리카를 난반사층 내에서 안정화시킬 수 있도록 할 필요가 있으므로, 이를 고려하여 본 발명에서는 변성 실란 커플링제를 사용하고 있다. 상기 변성 실란 커플링제로는 에폭시 변성 실란 커플링제를 들 수 있는데, 상기 에폭시 변성 실란 커플링제를 사용함으로써 통상의 실란 커플링제를 사용할 때보다 난반사층의 내구성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이때, 상기 에폭시 변성 실란 커플링제는 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란을 가수분해한 후 비스페놀 A형 에폭시 수지를 첨가하여 반응시킴으로써 실리콘 중간체 양말단에 에폭시기가 결합되는 반응을 통해 제조할 수 있다.
예를 들어, 카르복실기 관능기를 함유하는 아크릴계 수지 100 중량부, 에폭시계 가교제를 6 중량부, 실란 커플링제 12 중량부, 중공형 실리카 입자 150 중량부로 이루어진 수지 조성물을 Al 반사층에 평균 20㎛의 두께로 도포할 때, 상기 실란 커플링제로 시판되는 실란 커플링제(GPTMS, Shinetsu)를 사용했을 때와 상기 에폭시 변성 실란 커플링제를 사용했을 때를 대비하면, KS M ISO 4892-3에 따른 내후성 시험에서 전자는 정반사율의 저하가 11%였으나, 후자의 경우 정반사율의 저하가 3%에 불과해 내후성이 크게 향상되는 결과를 얻었다.
또한, 상기 실란 커플링제는 아크릴계 수지 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부의 범위에서 함유되는 것이 바람직한데, 상기 실란 커플링제의 함량이 너무 적으면 중공형 실리카 입자의 안정성이 저하되어 난반사 효율이 저하될 수 있고, 너무 많으면 도막 형성 후 도막의 안정성이 낮아 균열이나 박리가 발생할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 상기 중공형 실리카는 아크릴계 수지 100 중량부에 대하여 100 내지 200 중량부의 함량으로 함유될 수 있다. 본 발명에서는 다량의 중공형 실리카가 함유된 수지 조성물을 사용하여 난반사층을 형성하기 때문에 상기 중공형 실리카의 안정화를 위하여 상기 수지 조성물의 성분 및 함량을 최적화해야 할 필요가 있다.
상기 수지 조성물을 이용하여 형성된 난반사층은 1 내지 100㎛, 바람직하게는 5 내지 50㎛의 두께로 도포될 수 있다. 이는 중공형 실리카의 크기와 균일한 분포를 고려하여 적절히 조절될 수 있으며, 난반사층의 두께가 너무 두꺼우면 도막의 내구성이 저하될 수 있으나, 너무 얇아도 반사 효율을 높일 수 없으므로 상기 범위 내에서 적절한 두께도 도포하여 난반사층을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 반사판을 적용했을 때의 태양광 패널의 발전 효율을 측정한 결과, 본 발명의 반사판을 적용하는 경우 ASTM E903에 따라 측정한 총 태양광 반사율(TSR)은 32.35%로서 이산화티탄(TiO2)을 함유하는 수성 도료로 난반사층을 형성한 반사판의 TSR 19.25%, 직경 0.5㎜의 유리구슬을 표면에 도포한 반사판의 TSR 20.05%에 비해 현저히 높은 반사율을 나타내었다.
또한, 중공형 실리카 입자에 의한 반사율 증가의 효과를 확인하기 위하여 반사판의 난반사층을 형성할 때 2㎛ 크기의 중공형 실리카 입자를 적용한 경우 TSR이 32.35%인 것에 대하여 통상의 나노입자인 200㎚ 크기의 중공형 실리카 입자를 적용하면 TSR이 10.15%로 낮아져 중공형 실리카 입자의 크기에 의해 저굴절율의 재료가 난반사 특성을 나타내는 재료로 바뀔 수 있음을 확인할 수 있었다.
이와 같은 반사판에 대한 시험 결과로부터 본 발명의 반사판을 적용하면 양면 수광형 태양전지모듈을 적용한 태양광 발전 시스템에서 태양광 반사 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
Claims (3)
- 양면 수광형 태양전지모듈의 배면에 위치하며 태양전지모듈을 통과해서 입사되는 태양광을 상기 양면 수광형 태양전지모듈의 배면으로 반사시키는 반사판에 있어서,
상기 반사판은 기판, 상기 기판 상에 적층되는 반사층, 상기 반사층 상에 적층되는 난반사층으로 이루어지며,
상기 난반사층은 카르복실기 관능기를 함유하는 아크릴계 수지 100 중량부, 에폭시계 가교제 1 내지 10 중량부, 실란 커플링제 10 내지 20 중량부, 입자 크기가 1 내지 3㎛인 중공형 실리카 입자 100 내지 200 중량부를 포함하는 수지 조성물로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 패널용 반사판. - 삭제
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