KR102260654B1 - 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치 - Google Patents

집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치 Download PDF

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강영호
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Abstract

고정집광식 태양광 발전 장치가 개시된다.
일정한 길이를 갖는 실린더 형상으로서, 1.1~10.0에 해당하는 굴절률을 갖는 적어도 한 종류 이상의 소재로 구성되되, 외주면을 통해 입사한 태양광이 내부 전반사에 의해 길이방향을 따라 진행하여 집광되는 하면과, 상기 하면에 대향되는 단부에 형성된 상면으로 구분되는 기둥형 집광 구조물; 및 상기 집광 구조물의 하면에 면접하여, 집광된 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양광 패널을 포함하며, 상기 집광 구조물의 길이방향을 기준방향이라 정의할 때, 입사하는 태양광의 상기 기준방향에 대한 성분벡터는, 상기 집광 구조물의 상면에서 하면을 향하는 것을 특징으로 하며, 상기 태양광은, 직사광선이며, 상기 집광구조물은 외주면을 통해 입사한 태양광이 집광구조물의 표면을 통해 집광구조물 내부의 상부에서 하부로 나선형(helix)으로 진행될 수 있는 원기둥 또는 단면적이 타원 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치를 제공한다.

Description

집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치{Fixed-structure equipment for concentrating solar light for photovoltaic energy generation}
본 발명은 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정한 위치에 고정설치되어 계절에 상관없이 태양광 집광기능을 수행하는 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치에 관한 것이다.
최근 석유, 석탄을 비롯한 기존 에너지원의 가격상승과 지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소 배출 규제 등과 같은 에너지, 환경문제가 전 세계적인 문제로 부각됨에 따라 가장 유망한 재생에너지 기술의 하나로 태양전지가 주목 받고 있다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 그 구성 물질에 따라 실리콘 또는 화합물 반도체 기반의 무기물 태양전지, 유기물 태양전지 및 염료감응 태양전지로 구분할 수 있다.
이러한 태양전지는 필요에 따라 직ㆍ병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광 모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array)형태로 구성하여 설치하게 된다.
태양광 발전 시스템에서 일반적으로 사용되는 태양전지 모듈은 2차원 평판 모듈이며, 수광량은 이러한 모듈의 면적에 비례한다. 따라서, 발전량을 증가시키기 위해서는 모듈의 면적을 늘리는 것이 필요하다. 그러나, 모듈의
수평면적을 늘리는 것은 설치 공간의 한계로 인해 일정한 제약이 따르며, 태양광 발전 시스템의 설치 비용 및 유지ㆍ관리 비용은 모듈의 면적에 비례하여 증가하므로 발전단가를 높이는 요인으로 작용하게 된다.
이러한 공간적 제한을 극복하기 위해, 태양광을 렌즈 등을 통해 1차적으로 집광한 후 태양전지 모듈로 이루어진 수광부에 조사하는 방식의 집광형 태양전지가 도입되었다.
집광형 태양전지는 다른 태양전지에 비해서 좁은 면적에 설치가 가능하고, 집광된 빛의 면적 크기로 태양전지의 크기를 줄여서 사용해서 큰 일률로 발전할 수 있는 등의 장점으로 태양전지 발전 비용을 줄이는 장점이 있다. 그런데 집광을 위해 렌즈를 사용해야 하고, 렌즈에 의해 집광된 빛의 위치가 태양의 위치에 따라 움직여서 태양전지 수광부와 집광된 빛의 위치가 어긋나는 문제가 발생하기 때문에 집광형 태양전지로 발전하기 위해서는 솔라 트랙커(solar tracker) 장치를 사용하여 태양의 위치를 따라서 태양전지와 렌즈의 방향을 조절하는 방향으로 발전을 해야 한다. 그런데 솔라 트랙커는 기계적 장치이고 실외에서 장기간 지속적으로 움직여야 하는 장비이므로 제작비용이 비싸고 수명이 짧은 단점이 있어 집광형 태양전지를 사용하는 발전 방식의 비용을 증가시키는 단점이 있다.
국내 등록특허공보 제10-1218931호 국내 등록특허공보 제10-1046230호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
태양의 고도변화에도 안정적인 집광이 이루어지는, 발전효율이 향상된 고정집광식 태양광 발전 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은, 계절에 따른 태양의 고도변화를 고려하여 안정적인 집광을 가능하게 하는, 발전효율이 향상된 고정집광식 태양광 발전 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한 본 발명의 특징은 다음과 같다.
일정한 길이를 갖는 실린더 형상으로서, 1.1~10.0에 해당하는 굴절률을 갖는 적어도 한 종류 이상의 소재로 구성되되, 외주면을 통해 입사한 태양광이 내부 전반사에 의해 길이방향을 따라 진행하여 집광되는 하면과, 상기 하면에 대향되는 단부에 형성된 상면으로 구분되는 기둥형 집광 구조물; 및 상기 집광 구조물의 하면에 면접하여, 집광된 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양광 패널을 포함하며, 상기 집광 구조물의 길이방향을 기준방향이라 정의할 때, 입사하는 태양광의 상기 기준방향에 대한 성분벡터는, 상기 집광 구조물의 상면에서 하면을 향하는 것을 특징으로 하며, 상기 태양광은, 직사광선이며, 상기 집광구조물은 외주면을 통해 입사한 태양광이 집광구조물의 표면을 통해 집광구조물 내부의 상부에서 하부로 나선형(helix)으로 진행될 수 있는 원기둥 또는 단면적이 타원 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치를 제공한다.
삭제
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바람직하게는, 상기 집광 구조물은, 상면과 하면의 직경이 동일하고, 상기 직경과 길이의 비는, 1 대 1 내지 1000인 것을 특징으로 한다.
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한편, 상기 집광 구조물은, 상면과 하면을 연결하는 최단경로가 곡선인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집광 구조물은, 하면에서 상면으로 점차 단면적이 넓어지며, 상기 최단경로는 일정한 곡률로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집광 구조물은, 복수 개가 공통점유영역을 형성하며 결착되어 한 몸체를 이루되, 각각의 상면이 서로 다른 방향을 향하고, 하나의 하면을 점유하는 것을 특징으로 하며, 상기 공통점유영역은, 상기 하면으로부터 연장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양광 패널은 집광 구조물의 내부에 삽입되어 한 몸체를 이루는 구조인 것을 특징으로 한다.
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이상에서 설명한 바와 같이, 일정한 곡률을 갖되 수광부에서 멀어지는 방향으로 점차 단면적이 증가하는 본 발명의 집광 구조물에 따르면, 태양의 고도변화에도 안정적인 집광효율을 나타냄으로써 평균 집광비를 향상시키는 효과를 제공한다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치의 작용원리를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물의 집광 가능성을 보이기 위해 사용된 전산모사 방식을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물의 굴절률에 따른 집광효율을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물의 길이-직경비에 따른 집광효율을 도시한 것이다.
도 5는 태양광 조사방향에 대해 일정한 곡률로 휘어진 집광 구조물의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 집광 구조물을 곡률을 달리하여 도시한 것이다.
도 7은 도 6의 집광 구조물의 태양광 조사 방향에 대한 상대적인 회전운동을 도시한 것이다.
도 8은 도 6의 집광 구조물의 곡률에 따른 집광효율을 도시한 것이다.
도 9는 도 8의 결과를 나타낸 표이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물의 길이방향에 대한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물의 상면 면적을 달리하여 도시한 것이다.
도 12는 도 11의 집광 구조물의 사용상태도이다.
도 13은 도 11의 집광 구조물의 사용상태도이다.
도 14는 도 11의 집광 구조물의 상면 면적에 따른 집광효율을 도시한 것이다.
도 15는 도 11의 집광 구조물을 포함하는 고정집광형 태양광 발전 장치의 사용상태도이다.
도 16은 도 15의 고정집광형 태양광 발전 장치의 방위각 및 고도에 따른 집광효율을 도시한 것이다.
도 17은 도 11의 집광 구조물이 포함된 3뿔 구조물의 사용상태를 도시한 것이다.
도 18은 도 12와 도 17의 집광 구조물에 의한 집광효율을 각각 비교한 것이다.
도 19는 도 12와 도 17의 집광 구조물에 의한 집광효율을 계절을 달리하여 각각 비교한 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대한 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하 도면에 따라서 논리적으로 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치의 작용원리를 도시한 것이다.
도 1을 참조할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치는, 집광 구조물(100) 및 태양광 패널(200)을 포함한다.
집광 구조물(100)은, 일정한 길이를 갖는 실린더 형상으로서 상면과 하면으로 구분될 수 있다. 하면은 외부에서 입사된 태양광이 집광되는 수광부를 이루고, 상면은 하면에 대향되는 단부에 형성된다.
여기서 실린더 형상은, 일정한 직경을 갖는 원통, 단면적이 길이에 따라 변화하는 수렴형 또는 발산형 원통 및 원뿔을 포함하는 의미이며, 원통에 한하지 않고, 그 단면적이 타원형이거나 다각형인 경우까지 통칭하는 것으로 이해되어야 한다.
보다 구체적으로, 태양광은 집광 구조물(100)의 표면을 통해 내부로 입사한 후, 전반사에 의해 내부에서 나선을 그리며 집광 구조물(100)의 길이방향을 따라 진행한다.
하면은 상면보다 지표면에 가깝게 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 설치구조 하에서, 집광 구조물(100)로 입사한 태양광은 내부를 따라 진행하며 하면에 집광될 수 있을 것이다.
보다 구체적으로는, 집광 구조물(100)의 길이방향을 기준방향이라 정의할 때, 집광 구조물(100)의 외주면으로 입사하는 직사광선의 기준방향에 대한 성분벡터는 상면에서 하면을 향하는 방향이 된다.
집광 구조물(100)은, 내부 전반사가 반복적으로 발생함으로써 외부로 유실되는 태양광을 현저히 줄일 수 있도록, 일정한 범위 내의 굴절률을 갖는 단일 소재로 구성될 수 있다. 상기 소재의 굴절률은 1.1~10.0 사이에서 결정될 수 있다. 다만, 굴절률이 2.5를 넘어서게 되는 경우 집광효율이 감소하는 경우가 존재하는 바, 바람직하게는 1.1~2.5에 해당하는 굴절률을 가진 소재로 집광 구조물(100)을 제작할 수 있다. 더욱 적절하게는 1.2 내지 1.3 범위 내의 굴절률을 갖는 소재를 이용할 수 있다. 일반적으로 단일 소재가 사용되나, 필요에 따라 적어도 둘 이상의 서로 다른 굴절률을 갖는 소재로 복수개의 영역을 형성하는 것도 통상의 기술자에게 가능할 것이다. 또한 집광 구조물 안에 양자점 물질, 형광물질 등과 같은 광변환 물질을 복합소재로 포함하는 것도 가능할 것이다. 또한, 집광 구조물을 유연한 소재로 제작하고 외부에 태양의 위치에 의해 자동으로 변형되는 소재를 덧붙여 집광 구조물이 태양의 위치에 따라 집광에 유리한 구조물로 형태를 바꾸는 굴광성을 가지는 구조물로 구성하는 것도 가능할 것이다.
태양광 패널(200)은, 태양에너지를 전기에너지로 변환하며, 집광 구조물(100)의 하면에 집광된 태양광을 높은 효율로 변환할 수 있도록 하면의 아래에 인접하여 설치된다. 집광 구조물(100)의 하면과 태양광 패널(200) 사이에 특정 소재로 층을 형성하는 것도 통상의 기술자가 변경적용 가능한 범위 내라 할 것이다.
집광 구조물에서 태양광 패널이 체결되는 하면에, 구조적인 변형을 가할 수 있다. 집광 구조물의 내부를 따라 진행하는 태양광이 특정 각도(브루스터 앵글)로 하면에 입사할 때, 전부반사가 일어남으로써 태양광 패널에 집광되는 빛이 손실되는 현상을 줄이기 위함이다.
태양광 패널은, 집광 구조물의 하면에 인접하여 결착되거나 하면과 면접하여 설치되는 것이 일반적이나, 집광 구조물 내부에 삽입되어 한 몸체를 이루는 구조도 가능하다. 이 경우 태양광 패널은 집광 구조물의 한 단면을 이룰 수 있다.
고정집광식 태양광 발전 장치의 집광 효율은, 외부적으로 태양의 고도 변화에 따른 평균집광비에 의해, 내부적으로 집광 구조물(100)의 굴절률, 형상 또는 배치형태 등에 따라 결정된다. 최적의 집광 효율을 갖는 집광 구조물(100)을 설계하기 위해, 태양의 고도변화를 고려한 평균집광비를 기준으로 실험을 수행하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물(100)의 집광 가능성을 보이기 위해 사용된 전산모사 방식을 도시한 것이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물(100)의 굴절률에 따른 집광효율을 도시한 것이다.
실험은 도 2와 같은 조건 하에서 수행하였다. 즉, 빛의 조사방향을 일정하게 유지한 채, 집광 구조물(100)의 상대적인 회전운동을 통해 태양의 고도변화를 충분히 반영하고자 하였다.
밑면의 지름이 2um이고 높이가 10um인 원기둥 구조물을 디자인 하였고, 원기둥의 밑면에 및의 세기를 모니터하는 센서를 위치시켰다. 이어서 태양의 위치 변화를 모사하기 위하여 원기둥과 센서의 위치를 그림에 보인 것처럼 변화시키면서 전산모사의 결과로 센서에 측정되는 빛의 세기를 기록하였다. 이 때, 원기동의 굴절률을 변화시켜 가면서 가장 빛이 잘 모이는 굴절률을 찾아보았다. 전산모사에 사용한 빛의 파장은 녹색에 해당하는 550 nm 였으며, 빛의 파장에 따라 굴절률은 달라지지 않는다고 전산모사에서 가정하였다.
도 3에서, 다양한 각도(세로축)와 다양한 원기둥 구조물의 굴절률(가로축)에서 나타난 집광비(원기둥이 있을 경우에 측정된 빛의 세기/원기둥이 없을 경우에 측정된 빛의 세기)를 오른쪽에 보인 색의 척도를 사용하여 그래프로 나타내었다.
본 전산모사의 결과는 원기둥의 굴절률 1.25에서 평균 집광비가 가장 높다는 것을 나타내었고, 이후의 전산모사에서는 원기둥 구조물의 굴절률을 1.25로 고정하여 사용하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물(100)의 직경-길이비에 따른 집광효율을 도시한 것이다.
도 4에서, 각 도표의 가로축은 구조물의 태양광에 대하여 이루는 각도를 표시하고, 세로축은 센서에 측정된 빛의 세기를 표시한다. 검은색으로 표시된 데이터는 구조물이 없는 경우를 표시하고, 빨간색으로 표시된 데이터는 구조물이 있는 경우에 센서에 측정된 빛의 세기를 표시한다.
직경-길이 비율이 1:10일 때, 집광비는 1.985 배로, 가장 우수함을 확인할 수 있다. 여기서, 직경은 집광 구조물(100)의 길이방향에 수직한 단면에 대한 직경을 의미하며, 집광 구조물(100)의 길이에 따라 그 단면의 직경이 상이한 경우에는, 집광 구조물(100)의 가장 작은 직경이라 정의하기로 한다.
도 5는 태양광 조사방향에 대해 일정한 곡률로 휘어진 집광 구조물(100)의 일 실시예를 도시한 것이다. 도 6은 도 5의 집광 구조물(100)을 곡률을 달리하여 도시한 것이다. 도 7은 도 6의 집광 구조물(100)의 태양광 조사 방향에 대한 상대적인 회전운동을 도시한 것이다. 도 8은 도 6의 집광 구조물(100)의 곡률에 따른 집광효율을 도시한 것이다. 도 9는 도 8의 결과를 나타낸 표이다.
도 5 내지 도 9를 참조할 때, 집광 구조물(100)은 일정한 곡률을 갖도록 휘어진 형상일 수 있다. 즉, 태양광 모듈이 구비되는 하면을 기준으로, 상면의 방향이 하면의 방향과 일정한 경사를 이루도록 배치될 수 있다. 반드시 곡률이 일정한 형상일 필요는 없으며, 상면과 하면을 연결하는 최단경로가 곡선형인 경우도 포함할 수 있다. 다만 원의 일부를 이루도록 일정한 곡률반경을 가지는 것이 보다 바람직할 것이다.
실험을 통해, 곡률반경을 달리하며, 평균 집광비를 측정하였다. 도 7에 나타난 바와 같이, 집광 구조물(100)을 하면을 중심으로 회전시키며 일정한 방향으로 태양광을 조사하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 집광 구조물(100)이, 집광 구조물(100)의 곡률반지름과 동일한 반지름을 갖는 원의 일부를 구성한다고 할 때, 원의 중심으로부터 상면과 하면까지 각각 연장되는 선분간의 각도를 라디안으로 나타냄으로써, 집광 구조물(100)의 휘어진 정도를 수치화 할 수 있다.
이 때, 각각 서로 다른 곡률반지름을 갖는 집광 구조물(100)로부터 도출되는 라디안 값을 0.1부터 1.5까지의 범위 내로 정하고, 평균 집광비를 측정하는 실험을 수행하였다. 집광 구조물(100)의 굴절률은 1.25로, 직경-길이비는 1:10을 유지하였다.
도 9를 참조할 때, 라디안 값이 0.8인 집광 구조물(100)이 가장 높은 평균집광비인 약 2.616 임을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로는, 0.1 라디안부터 집광비는 서서히 증가하다 0.8을 지나면서 급격히 감소하여 1.5에서는 가장 낮은 값을 보인다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물(100)의 길이방향에 대한 단면도이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정집광형 태양광 발전 장치에 포함된 집광 구조물(100)의 상면 면적을 달리하여 도시한 것이다. 도 12는 도 11의 집광 구조물(100)의 사용상태도이다. 도 13은 도 11의 집광 구조물(100)의 사용상태도이다. 도 14는 도 11의 집광 구조물(100)의 상면 면적에 따른 집광효율을 도시한 것이다. 도 15는 도 11의 집광 구조물(100)을 포함하는 고정집광형 태양광 발전 장치의 사용상태도이다. 도 16은 도 15의 고정집광형 태양광 발전 장치의 방위각 및 고도에 따른 집광효율을 도시한 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 의할 때, 집광 구조물(100)은 그 길이방향에 수직한 단면이, 하면에서 상면으로 점차 넓어지는 형태일 수 있다. 도 10을 참조할 때, 집광 구조물(100)의 단면적 증가율은 균일할 수 있다. 실험은 균일하게 확장되는 단면적을 가진 집광 구조물(100) 모델로 진행되었다.
보다 구체적으로는, 집광 구조물(100)이 곡률을 가지지 않고 기둥형으로 형성된 경우에, 그 단면적은 선형적으로 비례하여 증가하는 형태일 수 있다.
또한 집광 구조물(100)이 일정한 곡률로 휘어진 경우에, 하면을 지나는 평면과 상면을 지나는 평면이 이루는 각도를 a라 하고, 이 a를 5등분하는 4개의 평면을 가정한다. 이들 각각의 평면들이 집광 구조물(100)을 점유하는 영역들의 직경은, 각각의 평면이 ‘하면을 지나는 평면’과 이루는 각에 선형적으로 비례하여 증가한다. 즉, 집광 구조물(100)이 휘어진 경우이든, 휘어지지 않은 경우이든, 그 단면적은 하면에서 상면으로 갈수록 선형적으로 비례하여 증가하는 구조일 수 있다.
도 14에서는 최적의 집광효율을 갖는 집광 구조물(100)을 디자인하고자 단면적 증가율을 달리하며 효율을 측정하였다. 하면의 직경과 집광 구조물(100)의 길이를 일정하게 하고, 상면의 직경을 변경함으로써 단면적이 증가율을 조절하였다. 도 14에 나타난 시작점 지름은 하면의 직경으로, 끝점 지름은 상면의 직경으로 이해될 수 있을 것이다.
도 14를 참조하면, 집광 구조물(100)의 단면적 증가율이 클수록 집광효율이 증가함을 확인하였다. 보다 구체적으로는, 상면과 하면의 직경이 1:9인 경우에는 평균 집광비가 약 5로, 상면과 하면의 직경이 같을 때(약1.7)에 비해 약 3배의 차이가 있음을 확인하였다.
도 15 및 도 16을 참조할 때, 집광 구조물(100)의 휘어진 방향이 정남향을 향하도록 배치한 경우, 방위각과 고도에 따라 집광비에 차이가 있음을 확인할 수 있다.
도 17은 도 11의 집광 구조물(100)로 구성된 3뿔 구조물의 사용상태를 도시한 것이다. 도 18은 도 12의 집광 구조물(100)과 도 17의 3뿔 구조물에 의한 집광효율을 각각 비교한 것이다. 도 19는 도 12와 도 17의 3뿔 구조물에 의한 집광효율을 계절을 달리하여 각각 비교한 것이다.
하면에서 상면으로 점차 단면적의 직경이 증가하며, 일정한 곡률(바람직하게는 0.8라디안)을 가지고, 굴절률이 1.25인 원뿔형 집광 구조물 3개를 결합하여 3뿔 구조물을 만들 수 있다.
이때 3뿔 구조물은 하나의 하면을 공유하며, 각각의 상면은 서로 다른 방향을 향한다. 3뿔 구조물에서 중앙의 원뿔형 집광 구조물의 상면이 정남쪽(북쪽을 기준으로 방위각 180도)을 향할 때, 양 옆의 원뿔형 집광 구조물은 각각 120도, 240도의 방위각을 가질 수 있다.
또한 0.8라디안일 때, 중앙의 원뿔형 집광 구조물의 상면이 향하는 방향은 지면에 대해 44.2도 일 수 있고, 이 때 양 옆에 구비된 원뿔형 집광 구조물의 상면이 향하는 방향은 지면에 대해 각각 34.2도 일 수 있다. 이러한 배치구조는, 양 옆의 원뿔형 집광 구조물을 일부 (약 10도) 기울임으로써 형성된다. 이러한 배치각도는, 3뿔 구조물이 설치되는 지역의 위도나 경도에 따라 변경할 수 있다. 위 전산모사는 위도 35.15, 경도 126.92인 지역을 기준으로 수행되었다.
도 18 및 도 19를 참조할 때, 3뿔 구조물이 하나의 원뿔형 집광 구조물에 비해, 더 넓은 방위각과 고도로부터 태양광을 집광할 수 있고, 최대 집광비 또한 8.04배로 더 높은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 3뿔 구조물을 사용하였을 때, 계절의 변화를 고려한 평균 집광 효율이 더 뛰어남을 알 수 있다.
이하는 본 발명의 기술적 특징을 포함하는 구성들을 개시한 것이다.
일정한 길이를 갖는 실린더 형상으로서, 1.1~10.0에 해당하는 굴절률을 갖는 적어도 한 종류 이상의 소재로 구성되되, 외주면을 통해 입사한 태양광이 내부 전반사에 의해 길이방향을 따라 진행하여 집광되는 하면과, 상기 하면에 대향되는 단부에 형성된 상면으로 구분되는 기둥형 집광 구조물; 및 상기 집광 구조물의 하면에 면접하여, 집광된 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양광 패널을 포함한다.
바람직하게는, 상기 집광 구조물의 길이방향을 기준방향이라 정의할 때, 입사하는 태양광의 상기 기준방향에 대한 성분벡터는, 상기 집광 구조물의 상면에서 하면을 향하는 것을 특징으로 하며, 상기 태양광은, 직사광선인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집광 구조물은, 굴절률이 1.25인 소재로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 집광 구조물은, 상면과 하면의 직경이 동일하고, 상기 직경과 길이의 비는, 1 대 1 내지 1000인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집광 구조물은, 상기 직경과 상기 길이의 비가, 1 대 10인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 집광 구조물은, 상면과 하면을 연결하는 최단경로가 곡선인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집광 구조물은, 하면에서 상면으로 점차 단면적이 넓어지며, 상기 최단경로는 일정한 곡률로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집광 구조물은, 복수 개가 공통점유영역을 형성하며 결착되어 한 몸체를 이루되, 각각의 상면이 서로 다른 방향을 향하고, 하나의 하면을 점유하는 것을 특징으로 하며, 상기 공통점유영역은, 상기 하면으로부터 연장되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 집광 구조물은, 상기 하면으로부터 일정한 높이에서 분기되어, 세 개의 상면을 형성하되, 상면과 하면을 연결하는 최단경로가 곡선을 이루고, 하면에서 상면으로 점차 단면적이 넓어지며, 상기 최단경로는 일정한 곡률로 정의되는 것을 특징으로 한다.
한편, 일정한 길이를 갖는 실린더 형상으로서, 1.1~10.0에 해당하는 굴절률을 갖는 적어도 한 종류 이상의 소재로 구성되되, 외주면을 통해 입사한 태양광이 내부 전반사에 의해 길이방향을 따라 진행하여 집광되는 하면과, 상기 하면에 대향되는 단부에 형성된 상면으로 구분되는 기둥형 집광 구조물을 포함하며, 상기 집광 구조물은, 상면과 하면을 연결하는 최단경로가 곡선이며, 하면에서 상면으로 점차 단면적이 넓어지고, 상기 최단경로는 일정한 곡률로 정의되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 집광 구조물은, 복수 개가 공통점유영역을 형성하며 결착되어 한 몸체를 이루되, 각각의 상면이 서로 다른 방향을 향하고, 하나의 하면을 점유하는 것을 특징으로 하며, 상기 공통점유영역은, 상기 하면으로부터 연장되는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명은 상술한 내용에서 본 발명의 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
집광 구조물 100
태양광 패널 200

Claims (12)

  1. 일정한 길이를 갖는 실린더 형상으로서, 1.1~10.0에 해당하는 굴절률을 갖는 적어도 한 종류 이상의 소재로 구성되되, 외주면을 통해 입사한 태양광이 내부 전반사에 의해 길이방향을 따라 진행하여 집광되는 하면과, 상기 하면에 대향되는 단부에 형성된 상면으로 구분되는 기둥형 집광 구조물; 및 상기 집광 구조물의 하면에 면접하여, 집광된 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양광 패널을 포함하며,
    상기 집광 구조물의 길이방향을 기준방향이라 정의할 때,
    입사하는 태양광의 상기 기준방향에 대한 성분벡터는, 상기 집광 구조물의 상면에서 하면을 향하는 것을 특징으로 하며,
    상기 태양광은, 직사광선이며,
    상기 집광구조물은 외주면을 통해 입사한 태양광이 집광구조물의 표면을 통해 집광구조물 내부의 상부에서 하부로 나선형(helix)으로 진행될 수 있는 원기둥 또는 단면적이 타원 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집광 구조물은,
    상면과 하면의 직경이 동일하고, 상기 직경과 길이의 비는, 1 대 1 내지 1000인 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집광 구조물은,
    하면에서 상면으로 점차 단면적이 넓어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 집광구조물은,
    상면과 하면을 연결하는 최단경로가 곡선인 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 집광 구조물은,
    복수 개가 공통점유영역을 형성하며 결착되어 한 몸체를 이루되, 각각의 상면이 서로 다른 방향을 향하고, 하나의 하면을 점유하는 것을 특징으로 하며,
    상기 공통점유영역은,
    상기 하면으로부터 연장되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양전지 발전용 고정식 태양광 집광장치.

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004186334A (ja) 2002-12-02 2004-07-02 Sharp Corp 太陽電池、および太陽電池用集光素子とその製造方法
KR101110465B1 (ko) * 2010-10-04 2012-02-24 희성전자 주식회사 태양광 집광 장치
JP2013529769A (ja) 2010-06-10 2013-07-22 シン， ユ ビン 円筒状集光装置が具備された太陽位置追跡装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101499973B1 (ko) * 2008-10-30 2015-03-19 엘지이노텍 주식회사 태양광 발전 장치 및 집광장치
KR101046230B1 (ko) 2010-05-20 2011-07-07 신유현 기둥형 집광장치를 구비한 태양광 발전 장치
KR101218931B1 (ko) 2011-04-11 2013-01-21 성균관대학교산학협력단 기둥형 태양전지를 포함하는 3차원 태양전지 모듈

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004186334A (ja) 2002-12-02 2004-07-02 Sharp Corp 太陽電池、および太陽電池用集光素子とその製造方法
JP2013529769A (ja) 2010-06-10 2013-07-22 シン， ユ ビン 円筒状集光装置が具備された太陽位置追跡装置
KR101110465B1 (ko) * 2010-10-04 2012-02-24 희성전자 주식회사 태양광 집광 장치

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