KR102250829B1 - 하이브리드 태양전지 모듈의 제조 - Google Patents

Abstract

사각형의 비집광형 태양전지셀;
복수 개의 상기 비집광형 태양전지셀이 일정한 간격을 둔 격자형태로 배치되는 셀지지 패널;
상기 셀지지 패널에 배치된 상기 비집광형 태양전지셀의 모서리들의 연장선이 모이는 지점에 설치되어 태양광에 의해 발전하는 복수 개의 집광형 태양전지유닛; 및
복수 개의 상기 집광형 태양전지유닛의 상부에 위치되어 집광형 태양전지유닛으로 빛을 집광시키는 집광렌즈부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 모듈

Description

하이브리드 태양전지 모듈의 제조{MANUFACTURING OF HYBRID PHOTOBOLTAIC CELL MODULE}

본 발명은 태양전지 모듈의 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비집광형 태양광 셀들과 집광형 셀들을 함께 하나의 모듈에 제조함으로써 날씨의 맑음과 흐림에 관계없이 발전을 할 수 있는 하이브리드 태양전지 모듈의 제조에 관한 것이다.

일반적으로, 태양전지는 태양광에 의해 발전하는 장치로서, 평판형태로 형성되어 전면적으로 태양광을 발전하는 비집광형 태양전지와 렌즈와 같은 집광장치에 의해 집광된 태양광에 의해 발전하는 집광형 태양전지로 구분된다.

비집광형 태양전지 중에서는 Si 태양전지가 가장 많이 사용되며, 효율은 20% 정도로 많이 개선되었다. 집광형 태양전지로 많이 사용하는 삼중접합 태양전지는 Ge 기판을 이용하고 하부 전지로서 Ge p-n 접합, 그 위에 버퍼층, 터널 접합으로서 GaAs p-n 접합, 중간 전지 GaAs p-n 접합, 터널접합으로서 GaAs p-n 접합, 상부 전지로서 InGaP p-n 접합, AlInP 적층 순서로 형성한다.

이러한 삼중접합 태양전지는 최근 효율이 40%를 초과할 정도로 개선되었다. 그러나 집광형 태양전지는 흐린 날씨에는 발전량이 Si 비집광형 태양전지에도 미치지 못하는 문제점이 있다. 즉 흐린 날씨에는 직달일사량(DNI: Direct Normal Irradiation)이 낮기 때문에 삼중접합 태양전지의 효율이 낮게 된다. 그리고 비집광형 태양전지는 평판에 복수 개를 배열하여 설치하지만, 집광형 태양전지는 빛을 집광할 수 있는 집광장치가 발전소자의 전방에 위치되어야 하기 때문에 둘은 함께 설치하기 난해한 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해 하이브리드 태양전지가 제시되었다. 이러한 하이브리드 태양전지는 집광형 태양전지를 비집광형 태양전지에 매몰하는 형태로 설치되어 집광형과 비집광형 태양전지 모두에 의해 발전을 수행하는 발전효율을 향상시킬 수 있었다. 하지만 비집광형 태양전지에 집광형 태양전지를 매몰시키기 위해 비집광형 태양전지를 식각해야 하기 때문에 비집광형 태양전지의 파손이 발생할 뿐만 아니라, 비집광형 태양전지의 절취로 인한 비집광형 태양전지의 발전효율이 하락되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 등록특허공보 제10-1685178호 비집광형 태양전지에서는 도 1과 같이 모서리가 절취된 태양전지 셀(100)들을 격자형태로 배치한 모듈 패널을 사용하고, 이러한 패널에서 격자 형태로 배치된 상기 비집광형 태양전지 셀의 절취된 모서리 부분들이 모여 형성되는 태양전지가 설치되지 않는 영역마다 집광형 태양전지 유닛(110)과 그 상부에 렌즈부(120)을 설치하여, 집광형 및 비집광형 하이브리드 발전을 동시에 하였다.

(0001) 국내등록특허 제10-1685178호 발전효율을 향상시킨 태양전지모듈

도 2는 도 1의 하이브리드 태양광열 전지모듈을 상부에서 내려다 본 평면도이다.

사각 형태의 비집광형 태양전지셀들의 모서리를 절취하여 격자형태로 셀지지 패널에 배치하고, 셀지지 패널에서 일정한 간격을 둔 격자 형태로 배치된 비집광형 태양전지셀들의 절취된 모서리의 연장선들이 모이는 지점 마다 집광형 태양전지셀을 설치한다.

집광형 태양전지셀의 상부에는 빛을 집광시키도록 동심원 형상의 프레넬 렌즈로 이루어진 렌즈부를 구비한다.

그러나 종래기술과 같이 비집광형 태양전지 셀들과 집광형 태양전지 셀들을 배열할 경우에 태양전지 셀들의 전면에 설치된 집광렌즈에 의하여 태양광이 집광형 태양전지셀에 집광되게 되어 상대적으로 비집광형 태양전지셀들에 제공되는 태양광이 적게 되어 발전량이 작아지는 문제점이 있다.

도 3은 도 2의 종래 태양광 전지모듈에서 비집광형 태양전지셀의 변의 크기(a)와 프레넬 렌즈의 직경(c)이 대등하도록 격자형태로 배치한 실시 예이다.

모서리가 절취된 비집광형 태양전지셀 한 개의 면적은 a²-2b² 이다.

통상 a=157mm, b=8.5mm 인 점을 감안하면, 모서리가 절취된 비집광형 태양전지셀 한 개의 면적은 24504.5mm²이다.

한편, 프레넬 렌즈에 가려지지 않는 부분의 면적은 중앙셀(M), 가장자리셀(B), 모서리셀(C)의 크기가 모두 다르며, 중앙셀(M)은 5253.6mm², 가장자리셀(B)은 14897.1mm², 모서리셀(C)은 19700.8mm² 이다.

즉, 중앙셀(M)은 21%, 가장자리셀(B)은 61%, 모서리셀(C)은 80%가 태양광열 발전에 이용된다.

이와 같이 비집광형 태양전지셀 중에서 가장 많은 중앙셀(M)의 태양광이 비치는 면적의 비율이 21%이며, 21% 만이 비집광형 태양전지셀을 이용하여 태양광 발전에 기여하는 문제가 있다.

또한, 중앙셀(M)과 가장자리셀(B)과 모서리셀(C)의 태양광이 비치는 면적이 각기 다르기 때문에 태양전지셀의 위치에 따라서 발전효율이 각기 다르고 전지모듈의 신뢰성 문제를 야기하고 있다.

또한 최근에는 비집광형 태양전지셀들의 모서리를 가능한 적게 절취하여 태양전지셀의 면적을 증가함으로써 효율을 증가하는 추세이기 때문에 더욱더 집광형 태양전지셀을 설치하기 위한 공간을 확보하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 이와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위하여 비집광형 태양전지셀들의 모서리를 식각하지 않으면서도 충분한 간격으로 떨어지게 배치함으로써, 비집광형 태양전지셀들의 모서리의 연장선이 만나는 지점에 충분한 공간을 확보할 수 있고, 따라서 이 공간에 집광형 태양전지 유닛을 설치하고 집광형 태양전지 유닛과 비집광형 태양전지셀들 사이의 간격을 조절하여 충분한 간격으로 떨어지게 배치할 수 있다.

따라서, 집광형 태양전지셀에는 종래기술과 같이 충분한 태양광을 집광하여 공급하면서도, 비집광형 태양전지셀들에 더 많은 태양광이 공급될 수 있게 하여 비집광형 태양전지셀의 발전량을 증가시킨다.

본 발명에 따른 비집광형 태양전지 셀들을 식각하지 않으면서도, 집광형 태양전지셀과 비집광형 태양전지셀이 충분한 간격으로 떨어지게 배치하여 비집광형 태양전지 셀들에 더 많은 태양광이 공급될 수 있게 하여 발전량을 증가시키는 효과가 예상된다.

도 1은 종래 집광형 및 비집광형 하이브리드 전지모듈
도 2는 종래 집광형 및 비집광형 하이브리드 전지모듈의 평면도
도 3은 종래 기술에 따른 하이브리드 태양광 기술의 일 실시예
도 4 내지 도 11은 본 발명에 따른 하이브리드 태양광 기술의 일 실시예

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.

앞서 도 2와 도 3에서 설명한 바와 같이, 종래기술에서는 중앙셀(M)은 21%, 가장자리셀(B)은 61%, 모서리셀(C)은 80%가 태양광열 발전에 이용되며, 중앙셀(M)과 가장자리셀(B)과 모서리셀(C)의 태양광이 비치는 면적이 각기 다르기 때문에 태양전지셀의 위치에 따라서 발전효율이 각기 다르고 전지모듈의 신뢰성 문제를 야기하고 있습니다.

따라서 본 발명은 도 4와 같이 셀지지패널에 배치된 비집광형 태양전지셀 중에서 프레넬 렌즈가 격자 형태로 배치된 영역의 외부에 배치되어 있던 가장자리셀(B)과 모서리셀(C)을 모두 제거하고, 프레넬 렌즈가 격자 형태로 배치된 영역의 내부 중앙에 위치한 비집광형 태양전지셀(M) 만으로 하이브리드 태양광 모듈을 제작한다.

이 때 프레넬 렌즈의 직경(d)은 비집광형 태양전지셀의 변의 크기(a)와 동일하다.(d=a)

이와 같이 모듈을 제작하게 되면 모든 비집광형 태양전지셀을 직접 투과하는 태양광 수광면적이 모두 동일하고, 비집광형 태양전지셀의 발전 효율이 동일하기 때문에 전지모듈의 신뢰성이 향상될 뿐만 아니라, 셀지지패널의 크기와 태양광 전지모듈이 차지하는 면적이 더불어 감소하는 효과도 기대할 수 있게 된다.

도 5에 개시된 본 발명에 따르면 프레넬 렌즈의 직경(d)은 비집광형 태양전지셀의 변의 크기(a)의 2배이다.(d=2a)

그리고 4개의 비집광형 셀이 모여 형성되는 중앙의 빈 공간에 집광형 셀이 한 개씩 배치된다. 이는 프레넬 렌즈의 직경이 집광형 셀에 비하여 2배의 크기이므로, 프레넬 렌즈들이 서로 접촉하는 경계 영역에 빈 공간들이 형성되지만 이곳에는 집광형 셀을 배치할 필요가 없기 때문이다.

이와 같이 프레넬 렌즈를 크게 쓰게 되면 집광 효율이 좋아진다.

이와 같이 모듈을 제작하게 되면 모든 비집광형 태양전지셀의 발전 효율이 동일하기 때문에 전지모듈의 신뢰성이 향상된다.

도 6에 개시된 본 발명에 따르면 프레넬 렌즈의 직경(d)은 비집광형 태양전지셀의 변의 크기(a) 보다는 크고 2배 보다는 작다.(a 〈 d 〈 2a)

그리고 4개의 비집광형 셀이 모여 형성되는 중앙의 빈 공간에 집광형 셀이 한 개씩 배치된다. 이는 프레넬 렌즈의 직경이 집광형 셀에 비하여 크기 때문에, 프레넬 렌즈들이 서로 접촉하는 경계 영역에 빈 공간들이 형성되지만 이곳에는 집광형 셀을 배치할 필요가 없기 때문이다.

이와 같이 모듈을 제작하게 되면 모든 비집광형 태양전지셀의 발전 효율이 동일하기 때문에 전지모듈의 신뢰성이 향상된다.

도 7의 본 발명은 모서리가 절취되지 않은 사각 형태의 비집광형 태양전지셀을 셀지지 패널에서 일정한 간격을 둔 격자 형태로 배치한다.

프레넬 렌즈의 직경(d)은 비집광형 태양전지셀의 변의 크기(a)의 2배이다.(d = 2a)

프레넬 렌즈가 배치되지 않은 빈 공간에 비집광형 태양전지셀이 위치하며, 비집광형 태양전지셀들은 간격 a 로 격자배치된다.

이 때 프레넬 렌즈에 가려지지 않기 때문에 태양광에 비춰지는 비집광형 태양전지셀의 면적은

면적 =

이며, 중앙셀(M)은 0.685a², 가장자리셀(B)은 0.842a², 모서리셀(C)은 0.921a² 이다.

따라서 본 발명의 이러한 기술에서도 종래기술과 같이 비집광형 태양전지셀의 위치에 따라서 태양광의 발전량이 달라, 신뢰성이 문제가 될 수 있다.

도 8은 도 7의 신뢰성의 문제를 해결하기 위하여 도 8의 가장자리셀(B)과 모서리셀(C)을 제거하고 사용하지 않을 수도 있지만, 그 대신에 가장자리셀(B)과 모서리셀(C)의 위치를 조정하여 태양광에 노출되는 면적을 중앙셀(M)과 동일하게 맞춘다.

즉 가장자리셀(B)과 모서리셀(C)을 프레넬 렌즈가 위치한 중앙쪽으로 이동시켜 배치함으로써 중앙셀(M)과 동일하게 0.685a² 의 면적이 태양광에 직접 노출되게 조정을 한다.

이와 같이 조정을 하면 비집광형 셀들의 배치 위치에 관계없이 태양에 노출되는 면적이 같아지므로 발전량이 동일하게 된다.

도 9는 도 8의 본 발명에 따른 실시예에서 가장자리셀(B)과 모서리셀(C)을 제거하고, 중앙셀(M)의 크기(a)가 프레넬 렌즈의 직경(d) 보다 작은 경우이다.

즉, 도 9에서는 a < d < 2a 이며,

프레넬 렌즈의 원과 중복되지 않는 태양전지셀의 면적은

면적 = a² - 4 ×

이며, 태양광에 노출되는 중앙셀의 면적은 21% 보다는 크고, 68.5% 보다는 작게 된다.

도 10은 도 9의 본 발명에 따른 실시예에서 격자형태로 배치된 사각형의 태양전지셀을 제자리에서 90° 회전시켜 마름모 형태로 태양전지셀을 배치한다.

그리고 프레넬 렌즈의 직경(d)을 d =

a 로 한다.

이와 같이 하면, 태양전지셀의 면적 중에서 태양광이 비춰지는 면적의 비율은 42.9%이다.

따라서 중앙에 있는 비집광형 태양전지셀이 태양에 노출되는 면적은 도 9의 41.2% 보다 1.7% 증가하며, 발전량도 역시 증가한다.

도 11의 발명은 홀수 번째 비집광형 태양전지셀과 홀수+1 번째 비집광형 태양전지셀은 간격 s를 갖도록 배치하고, 홀수+1 번째 비집광형 태양전지셀과 홀수+2 번째 비집광형 태양전지셀은 종래기술과 같이 격자형태로 배치한다. 여기서 간격 s는 태양전지셀의 변의 크기(a)보다 같거나 작은 것이 바람직하다.
집광형 태양전지셀은 상기 비집광형 태양전지셀 사이의 간격(s)이 교차하는 지점에 설치되어 프레넬 렌즈를 통과한 태양광을 수광한다.

이 경우에는 비집광형 태양전지셀은 모서리나 가장자리나 중앙의 어느 위치에 있던 관계없이 모두 동일한 면적 부분이 프레넬렌즈에 가려지지 않고 태양광에 노출되기 때문에 발전량이 모두 동일하게 된다.

여기에서 프레넬렌즈의 직경(d)는 a ≤ d ≤ (2a+s) 가 되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 바람직하게는 태양광 모듈의 하부에 태양열을 흡수하는 태양열 흡수판을 부착하여 태양광열 모듈을 구성할 수 있다.

Claims (14)

1. 하부의 셀지지패널에 구비된 집광형 태양전지셀로 빛을 집광시키는 복수개의 프레넬 렌즈;
   상기 프레넬 렌즈로부터 집광된 태양광에 의해 발전하는 복수 개의 집광형 태양전지셀;
   상기 복수개의 프레넬 렌즈 사이의 빈 공간 하부의 셀지지 패널에 격자형태로 배치되어 직접 비치는 태양광에 의해 발전하는 모서리가 절취된 사각형의 비집광형 태양전지셀;
   상기 복수 개의 집광형 및 비집광형 태양전지셀이 배치되는 셀지지 패널;을 포함하며,
   상기 비집광형 태양전지셀을 직접 투과하는 태양광 수광면적이 모두 동일하게 모듈이 제작되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 모듈
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 프레넬 렌즈의 직경(d)과 비집광형 태양전지셀의 변의 크기(a)는 d=a 인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 모듈
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 태양전지 모듈에 태양열 흡수판을 더 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈
   
4. 모서리가 절취된 사각형의 비집광형 태양전지셀;
   복수 개의 상기 비집광형 태양전지셀이 격자형태로 배치되는 셀지지 패널;
   상기 셀지지 패널에 배치된 상기 비집광형 태양전지셀 4개의 모서리들이 모이는 지점에 형성된 빈 공간들 중 홀수 번째 빈 공간에 설치되어 태양광에 의해 발전하는 복수 개의 집광형 태양전지셀; 및 복수 개의 상기 집광형 태양전지셀의 상부에 위치되어 집광형 태양전지셀로 빛을 집광시키는 프레넬 렌즈;를 포함하며,
   상기 비집광형 태양전지셀을 직접 투과하는 태양광 수광면적이 동일하고, 발전 효율이 모두 동일하게 모듈이 제작되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 모듈
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 프레넬 렌즈의 직경(d)과 비집광형 태양전지셀의 변의 크기(a)는 a≤d≤2a인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 모듈
   
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 태양전지 모듈에 태양열 흡수판을 더 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈
   
7. 모서리기 절취되지 않은 사각형의 비집광형 태양전지셀;
   복수 개의 상기 비집광형 태양전지셀이 일정한 간격을 둔 격자형태로 배치되는 셀지지 패널;
   상기 셀지지 패널에 배치된 상기 비집광형 태양전지셀의 모서리들의 연장선이 모이는 지점에 설치되어 태양광에 의해 발전하는 복수 개의 집광형 태양전지셀; 및
   복수 개의 상기 집광형 태양전지셀의 상부에 위치되어 집광형 태양전지셀로 빛을 집광시키는 프레넬 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 모듈
   
8. 제7항에 있어서,
   가장자리셀(B)과 모서리셀(C)을 프레넬 렌즈가 위치한 중앙쪽으로 이동배치하여
   상기 비집광형 태양전지셀이 배치된 위치에 관계없이 태양광에 노출되는 면적이
   중앙셀(M)과 동일하게 되도록 조정하여, 비집광형 태양전지셀의 위치에 관계 없이 발전량이 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 모듈
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 비집광형 태양전지셀은 상기 셀지지 패널의 중앙부에만 배치되고, 상기 셀지지패널의 가장자리부와 모서리부에는 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 모듈
   
10. 삭제
11. 삭제
12. 사각형의 비집광형 태양전지셀;
    복수 개의 상기 비집광형 태양전지셀이 홀수 번째 행과 홀수+1 번째 행사이는 일정한 간격을 갖고, 홀수+1 번째 행과 홀수+2 번째 행사이는 간격 없이 배치되며, 또한 홀수 번째 열과 홀수+1 번째 열 사이는 행에서와 같은 일정한 간격을 갖고, 홀수+1 번째 열과 홀수+2 번째 열 사이는 간격 없이 배치되는 셀지지 패널;
    상기 셀지지 패널에 배치된 상기 비집광형 태양전지셀 사이의 일정한 간격이 교차하는 지점에 설치되어 태양광에 의해 발전하는 복수 개의 집광형 태양전지셀; 및
    복수 개의 상기 집광형 태양전지셀의 상부에 위치되어 집광형 태양전지셀로 빛을 집광시키는 프레넬 렌즈;를 포함하며,
    상기 비집광형 태양전지셀의 홀수 번째 셀과 홀수+1 번째 셀 사이의 일정한 간격(s)과 상기 비집광형 태양전지셀의 변의 크기(a)와 상기 프레넬 렌즈의 직경(d) 사이의 관계는 d≤(2a+s) 인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양전지 모듈
    
13. 삭제
14. 제12항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈에 태양열 흡수판을 더 포함하는 하이브리드 태양전지 모듈
    
    

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