KR102371831B1 - 집광형 태양광발전시스템용 내부반사형 집광렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집광형 태양광발전시스템의 내부반사형 집광렌즈에 관한 것으로서, 집광렌즈와, 고효율 화합물 반도체 태양전지셀과, 방열부와, 리시버와, 태양위치추적부를 포함하는 집광형 태양광 발전시스템에 구성되는 집광렌즈로서, 상기 집광렌즈는 태양광을 집광하기 위한 프라이머리 렌즈와, 상기 프라이머리 렌즈에 의해 집광된 빛을 상기 태양전지셀이 안착된 상기 리시버에 전달하는 세컨더리 렌즈를 포함하며, 상기 세컨더리 렌즈는 2개의 포물면이 겹치는 구조를 갖는 내부반사형 포물면 렌즈이고, 상기 내부반사형 포물면 렌즈는 내부에 중공이 형성된 중공구조의 내부반사형 포물면 렌즈이고, 상기 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부는 중앙부가 개구된 중공구조이고, 상기 중공의 중앙부 주변은 프레넬 렌즈 형상으로 형성되어, 집광형 태양광발전시스템에서 태양광을 집광하고 빛의 고른 확산을 위한 집광렌즈로 기능하는 세컨더리 렌즈로서 투과에 의한 빛의 손실을 막고 효율적인 집광을 할 수 있고, 태양광 추적기의 오차를 보상하고 집광된 빛의 오차를 보정함으로써 고정밀 추적장치에 대한 부담을 경감하고 안정적인 시스템을 구축할 수 있다.

Description

집광형 태양광발전시스템용 내부반사형 집광렌즈{Hollowness compound parabolic concentrator lens for the CPV syste}

본 발명은 내부반사형 집광렌즈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 집광형 태양광발전시스템에서 태양광을 집광하고 빛의 고른 확산을 위한 집광렌즈로 기능하는 세컨더리 렌즈로서 투과에 의한 빛의 손실을 막고 효율적인 집광을 위한 내부반사형 집광렌즈에 관한 것이다.

태양광발전은 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 발전방식으로, 다른 발전방식에 비해 운전과 유지보수가 용이하고 연료의 공급 없이 수 십년간 사용이 가능 할 뿐만 아니라, 수요나 지형에 맞게 설계 및 설치할 수 있으므로 간접적인 송배전 설치에 따른 경제적 손실을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한, 태양광발전은 환경을 크게 해치지 않으면서 환경오염도 유발하지 않는 장점으로 무한한 태양에너지를 이용한다는 측면에서 지구환경파괴와 대기오염 등을 유발하는 화석연료를 이용한 종래의 발전방식을 대체하기 위한 수단으로 점점 부상되고 있는 실정이다.

그러나, 태양광발전은 기존 발전방식에 비해 발전단가가 비교적 높고, 에너지 밀도가 희박하여 일정한 전력을 이용하기 위해서는 넓은 면적의 태양전지모듈을 설치할 장소가 필요하며, 외부 기상조건에 많은 영향을 받으며 생산되는 전기가 직류여서 일반적으로 사용하는 교류로 변환하기 위한 전력변환기가 필요한 단점이 있다.

이러한 태양광 발전시스템은 태양광이 태양전지모듈에 집광되는 정도에 따라 발전효율에 매우 큰 차이가 발생하게 되는데, 이러한 태양의 집광효율을 향상시키기 위한 하나의 방안으로 태양전지모듈을 추적식으로 구성하여 태양의 이동에 따라 태양전지모듈이 움직이도록 구성하고, 또 다른 방안으로 넓은 표면적에 수광되는 태양광을 한 곳으로 집중시켜 발전효율을 향상시키기 위한 집광형 태양전지모듈이 이용되고 있다.

집광형 태양광발전시스템(CPV, Concentrating Photovoltaic System)은 집광구조, 온도제어 그리고 BOS단가의 분산효과를 통한 최대성능을 발휘할 수 있는 모듈의 설계가 필요하다.

실리콘 태양전지 모듈과 달리 렌즈나 반사판과 같은 광학장치를 적용한 집광형태양광발전 시스템은 값비싼 태양전지 셀이나 모듈의 면적을 줄여 면적대비 발전효율을 높이는데 기술적인 지향점이 있어 고효율 고집적의 발전방향에 적합한 태양광발전 시스템의 발전방향과 일치하는 장점이 있다.

집광형 태양전지 모듈은 유리렌즈의 무게나 두께를 프레넬렌즈 형상가공을 통해 고분자화합물은 PMMA 소재나 PC 소재의 고투과율 소재를 사용하여 200∼500배율까지 높은 배율을 통해 태양전지 효율을 극대화함으로서 셀의 비중을 낮추고 면적대비 발전효율을 높일 수 있어 실리콘태양전지의 기술적인 대안으로 관심 받고 있다.

집광형 태양광발전시스템은 태양위치추적기가 필수적이며 집광을 위한 태양과의 수직배열이 필요하다. 이를 위하여, 종래의 집광형 태양광발전시스템은, ±1° 이내의 높은 태양위치 추적오차를 위한 정밀추적기가 부착되어야 하는 단점이 있다.

또한, 태양위치 추적방식에는 천문계산의 의한 방식과 센서 및 영상을 이용한 방식, 그리고 두 방식을 함께 이용하는 복합형 방식이 이용되고 있다. 현재 다양한 연구를 통해 발표된 태양위치 추적장치의 정밀도는 방위각과 고도각으로 표시되는 태양위치에서, 0.2°~ 0.0003°의 오차 범위 내의 계산 정확도를 갖는 알고리즘이 발표되고 있다. 그러나 실제 적용에서는 추적장치의 동작 주기에 의한 동작 최적화, 샘플링시간과 동작지령시간 간의 오차, 기계구조의 백래쉬에 의한 오차등의 다양한 손실에 의해 오차가 발생하는데, 이러한 추적기의 고장이나 추적실패에 따라 집광형 태양광발전시스템의 효율이 저하된다고 하는 문제점이 있다.

한국특허 10-1455349(유도반사경이 적용된 집광형 태양전지모듈 장치)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 집광형 태양광발전시스템에서 태양광을 집광하고 빛의 고른 확산을 위한 집광렌즈로 기능하는 세컨더리 렌즈로서 투과에 의한 빛의 손실을 막고 효율적인 집광을 할 수 있고, 태양광 추적기의 오차를 보상하고 집광된 빛의 오차를 보정함으로써 고정밀 추적장치에 대한 부담을 경감하고 안정적인 시스템을 구축할 수 있는 내부반사형 집광렌즈를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 집광형 태양광발전시스템용 내부반사형 집광렌즈는, 집광렌즈와, 고효율 화합물 반도체 태양전지셀과, 방열부와, 리시버와, 태양위치추적부를 포함하는 집광형 태양광 발전시스템에 구성되는 집광렌즈로서, 상기 집광렌즈는 태양광을 집광하기 위한 프라이머리 렌즈와, 상기 프라이머리 렌즈에 의해 집광된 빛을 상기 태양전지셀이 안착된 상기 리시버에 전달하는 세컨더리 렌즈를 포함하며, 상기 세컨더리 렌즈는 2개의 포물면이 겹치는 구조를 갖는 내부반사형 포물면 렌즈이고, 상기 내부반사형 포물면 렌즈는 내부에 중공이 형성된 중공구조의 내부반사형 포물면 렌즈인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 내부반사형 포물면 렌즈의 내부의 중공부는 2개의 포물면을 가지는 중공부인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부는 중앙부가 개구된 중공구조이고, 상기 중공의 중앙부 주변은 프레넬 렌즈 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부의 프레넬 렌즈의 깍인면의 각도 α는 다음 식으로 나타내어지는 것을 특징으로 한다.

(여기서, d는 렌즈의 중심부로부터 깍인면의 중심부까지의 거리, f는 초점거리를 의미한다)

여기서, 상기 내부반사형 포물면 렌즈의 허용수광각은 25°이고, 유리 재질로 형성되어 프레스 가공되는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가지는 본 발명의 집광형 태양광발전시스템용 내부반사형 집광렌즈에 의하면, 집광형태양광발전시스템의 실리콘 태양전지에 대한 경쟁력을 확보할 수 있는 기술적 기반을 확보할 수 있다.

첫째로, 기존의 집광형 태양광발전시스템은 고배율 광학시스템이 장수명, 안정화에 대한 필수적인 기술요소이므로 본 발명을 통해서 이러한 문제점을 극복할 수 있다.

둘째로 고효율화를 통해 광학 디바이스에 의한 손실을 저감시켜 고효율화 시스템을 구현할 수 있다.

셋째로, 추적기오차를 보상함으로서 고정밀추적장치에 대한 부담을 경감함으로서 안정된 시스템을 구축할 수 있다. 세컨더리렌즈는 프라이머리렌즈에서 집광된 빛의 오차를 보정하는 역할을 수행함으로서 추적장치의 동작시간 간격을 확대하거나 추적기의 백래쉬와 같은 기계적인 오차를 보정하는 중요한 역할을 수행함으로서 시스템의 고성능화를 확립할 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 집광형 태양광 발전시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래기술의 내부반사형 포물면 렌즈른 나타내는 도면이다.
도 3은 종래기술의 내부반사형 포물면 렌즈를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 내부반사형 포물면 렌즈를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부의 프레넬 렌즈형상을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부 및 이를 이용한 집광을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 집광형 태양광발전시스템용 내부반사형 집광렌즈에 대하여 실시예로써 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 내부반사형 집광렌즈(10)는 집광형 태양광발전시스템에 적용되는 세컨더리 렌즈인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 내부반사형 집광렌즈가 적용되는 집광형 태양광 발전시스템은 종래의 집광형 태양광 발전시스템과 일정 부분 유사한 구조를 갖는다.

일반적으로 집광형 태양광 발전시스템은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 집광렌즈(100, 101)와, 고효율 화합물 반도체 태양전지셀(102)과, 방열부(104)와, 리시버(103)와, 태양위치추적부(도시하지 않음)를 포함한다.

집광형태양광발전시스템은 일반적으로 고효율의 태양전지에 비구면렌즈의 대표적인 형태인 프레넬렌즈(Fresnel lens)를 이용하여 태양빛을 수 십배에서 수 백배까지 집광하여 전기에너지를 발생시키는 시스템으로서, 상기 집광렌즈는, 프라이머리 렌즈(100)와 세컨더리 렌즈(101)를 포함한다.

상기 프라이머리 렌즈(100)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 태양빛을 집광하기 위해서는 비구면렌즈의 대표적인 형태인 프레넬렌즈가 주로 활용된다.

또한, 반사경과 같은 빛을 모으는 구조와 더불어 태양전지 셀로 정확히 빛을 모아주고 빛의 고른 확산을 위한 집광렌즈로 역할을 수행하는 세컨더리 렌즈가 필요하다.

또한, 집광형 태양광 발전시스템은, 태양의 집광효율을 향상시키기 위한 하나의 방안으로 태양전지모듈을 추적식으로 구성하여 태양의 이동에 따라 태양전지모듈이 움직이도록 하기 위하여, 태양빛의 수직입사가 가능하도록 하는 태양위치 추적장치가 포함된다.

또한, 집광형 태양전지모듈은 집광으로 인한 고온발생으로 인해 히트씽크와 같은 방열부(104)의 구조를 갖는다.

집광형 태양광발전시스템은 집광구조로서, 프라이머리 렌즈와 세컨더리 렌즈를 포함하는 구조로 이루어지며, 프라이머리 렌즈로는 일반적으로 고분자계열의 비구면 렌즈나 프리넬렌즈와 같은 경량소재가 주로 사용되고 있으나, 일부에서는 프리즘이나 구형렌즈를 사용하여 집광성능을 향상시킬 수 있도록 하는 기술도 접목되고 있다.

이와 같은 구조의 집광형 태양전지모듈은 기본적으로 프라이머리 렌즈의 광학적 특성상 태양전지와의 사이에 일정한 초점거리를 유지하기 때문에 태양전지와 집광렌즈 사이가 비어 있는 구조로 이루어지고, 무게가 경량이면서 가공성이 우수하며 경제적 측면에서 다른 재료보다 우수한 알루미늄 프레임을 이용하여 일체로 조립된다.

또한, 태양전지와 집광렌즈 사이의 빈 공간부에는 불활성가스인 질소를 충전하여 집광형 태양전지모듈의 내외부 온도차에 의한 결로현상을 방지할 수 있도록 구성되며, 태양전지의 표면에는 소자의 보호를 위해 광학 실리콘을 도포하여 태양전지의 셀을 보호하도록 구성되며, 프레임인 알루미늄 소재는 아르곤 용접을 통해 실링이 유지되는 결합구조로 이루어진다. 집광형 태양전지모듈은 알루미늄 프레임 높이가 실제 초점거리가 되어 그 초점거리가 짧을수록 모듈의 부피가 작아지는 장점이 있고, 프레임의 두께가 두꺼울수록 태양전지 모듈의 내구성과 강도는 증가하나 비용과 무게가 상승하는 단점이 있어 그 최적화가 필요하다.

한편, 본 발명의 내부반사형 집광렌즈(10)는 내부반사형 포물면 렌즈로서 복합형 포물형 집광기이며 일정한 각도의 수광각을 갖는 효율적인 집광을 위해 설계되었다.

일반적으로 내부반사형 포물면 렌즈는 태양빛에너지의 집광, 무선 통신, 의공학 등의 분야에 적용되며 발산광원으로부터 빛을 집광하는 용도의 응용장치에 활용된다. 내부반사형 포물면 렌즈는, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 상하부에 폴리시 면(101a, 101b)을 가지며, 외부면에는 포물면(110)을 갖는다. 상기 내부반사형 포물면 렌즈는, 중심축을 기준으로 양측에 각각 포물선 초점(113a, 113b)을 중심으로 포물선 축(112a, 112b)을 가지는 포물면(111a, 111b)을 포함하며, 2개의 포물면이 겹쳐지는 구조를 갖는다. 이 때, 상기 내부반사형 포물면 렌즈의 허용각은 θa, 입구의 폭은 d1, 리시버측 출구폭은 d2이다.

본 발명의 내부반사형 집광렌즈(10)도 PMMA, 쿼츠, 유리 등의 재료로 이루어지면, 2개의 포물면이 겹치는 구조를 갖는 내부반사형 포물면 렌즈로 구성된다.

상기 내부반사형 집광렌즈(10)는 프레넬 렌즈와 같은 프라이머리렌즈의 렌즈에서 집광한 태양빛을 5배율 이하의 저집광배율을 통해 태양전지셀로 빛을 전달하는 역할을 하며 집광형태양광발전에서 추적기 오차에 의해 발생된 프라이머리렌즈를 통해 집광된 빛을 각도 보정해주는 역할을 수행한다.

도 4는 본 발명에 의한 내부반사형 포물면 렌즈를 나타내는 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 내부반사형 집광렌즈(10)는 외주면에 내부반사형 포물면 렌즈의 포물면(11)을 가지며, 본체부(12)는 여러 방향에서 입사하는 빛을 유선형의 측면에서 반사시키는 것으로 출사단면에 빛을 모을 수 있는 내부반사형 포물면 렌즈 광학소자로 구성되며, 허용수광각은 25°이다. 상기 본체부(12)는 입사각도 25°이하의 평행광이라면, 어느 방향에서 입사해도 효율적으로 출사단면에 빛을 모을 수 있고, 유리의 내부반사를 이용하기 때문에, 렌즈계와 비교하여 구성을 단순화할 수 있다.

상기 본체부(12)의 허용각은 다음 식(1)과 같다.

여기서 Xg는 기하학적집광이고 θ는 허용각을 의미한다. 기하학적인 집광은 입력 면적 Ain과 수광면적 Aout의 비율로 나타내며 식 (2)과 같다.

여기서, 상기 본체부(12)의 소재는 유리 소재로서, 프레스 구형기술을 이용해 고성능과 저각격의 양방향을 구현한 것이다.

본 발명에 의한 상기 내부반사형 집광렌즈(10)는 내부에 중공부(13)가 형성된 중공구조의 내부반사형 포물면 렌즈인 것을 특징으로 한다.

상기 내부반사형 포물면 렌즈의 내부의 상기 중공부(13)의 형상은 상기 외주면(11)과 유사한 2개의 포물면을 가지도록 구성된다.

상기 내부반사형 집광렌즈(10)의 내부에 상기 중공부(13)을 형성함으로써, 내부반사형 포물면 렌즈 하단부의 중심부는 빛의 수직입사를 위해 비어 있는 구조이므로 수직으로 입사한 빛은 빛의 손실없이 프라이머리 렌즈에서 집광된 빛을 바로 태양전지셀에 전달한다. 또한, 수직으로 입사하지 않는 빛은 허용각 25°이내의 입사각 각도로 입사되는 경우는 상기 본체부(12)의 내부반사에 의해 상기 내부반사형 집광렌즈(10)의 하단부로 전달된다.

도 5는 도 4의 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부의 프레넬 렌즈형상을 나타내는 도면, 도 6은 본 발명에 의한 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부 및 이를 이용한 집광을 나타내는 도면이다. 도 5에서, 도면부호 30은 깍인 면(facet)을 나타내고, 31은 드래프트 면(draft facet), 32는 드래프트 앵글(draft angle)을 나타낸다.

도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부는 중앙부가 개구된 중공구조이고, 상기 중공부의 주변(20)은 프레넬 렌즈 형상으로 형성된다. 수직으로 입사하지 않는 빛은 허용각 25°이내의 입사각 각도로 입사되는 경우는 상기 본체부(12)의 내부반사에 의해 상기 내부반사형 집광렌즈(10)의 하단부로 전달되고, 하단부에 전달된 빛은 상기 주변(20)의 프레넬렌즈 구조의 렌즈에 의해 태양전지셀(22)로 입사하도록 유도된다.

내부반사형 포물면 렌즈의 하단부 기하학적 구조상에서 나타난 수치해석상의 관계식은 식 (3), (4)과 같다.

여기서 n은 굴절율, a는 깍인 면(30)의 경사각, I는 굴절된 빛의 경사각, r은 굴절각, f는 초점거리, 그리고 d는 렌즈의 중심부에서부터 깍인면(facet; 30)의 중심부까지의 거리를 의미한다.

굴절의 법칙을 이용하여 굴절률을 정의하면 식(6)와 같다.

α에 대해서 정리하면 식 (7)와 같다.

피타고라스정리를 이용하여 정리하면 식 (8)과 같다.

따라서, 정리하면 식 (9)과 같다.

α에 대해서 정리하면 식 (10)과 같다.

상술한 바와 같이, 식 (10)을 통해 초점거리에 대해 렌즈의 중심부로부터 어느 위치에 있더라도 깍인면(30)의 각도를 계산할 수 있다.

상기 내부반사형 집광렌즈(10)가 중공부를 가지며, 상기 내부반사형 집광렌즈의 하단부에는 중공의 중앙부 주변이 프레넬 렌즈 형상으로 형성되어, 렌즈의 중심부는 중공상태로 빛의 수직입사는 손실없이 통과시켜 태양전지셀에 집광시키고 입사각이 존재하여 렌즈의 벽면에 도달하는 프라이머리렌즈를 통해 집광된 빛은 세컨더리렌즈를 통해 집광된 빛을 태양전지셀로 유도되는 흐름을 나타낸다. 프레넬렌즈의 구조를 통해 세컨더리렌즈에 의해 집광된 빛의 초점은 태양전지셀의 아래쪽에 위치하므로 빛이 고르게 확산되는 효과를 갖도록 한다.

본 실시예는 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서에 포함된 기술적 사상의 범위내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 자명하다.

10 : 내부반사형 집광렌즈
20 : 내부반사형 집광렌즈 하단부 주변
30 : 깍인 면
100 : 프라이머리 렌즈
101 : 세컨더리 렌즈

Claims (5)

1. 집광렌즈와, 고효율 화합물 반도체 태양전지셀과, 방열부와, 리시버와, 태양위치추적부를 포함하는 집광형 태양광 발전시스템에 구성되는 집광렌즈로서,
   상기 집광렌즈는 태양광을 집광하기 위한 프라이머리 렌즈와, 상기 프라이머리 렌즈에 의해 집광된 빛을 상기 태양전지셀이 안착된 상기 리시버에 전달하는 세컨더리 렌즈를 포함하며,
   상기 세컨더리 렌즈는 2개의 포물면이 겹치는 구조를 갖는 내부반사형 포물면 렌즈이고,
   상기 내부반사형 포물면 렌즈는 내부에 중공이 형성된 중공구조의 내부반사형 포물면 렌즈이고,
   상기 내부반사형 포물면 렌즈의 내부의 중공부는 2개의 포물면을 가지는 중공부이고,
   상기 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부는 중앙부가 개구된 중공구조이고,
   상기 중공의 중앙부 주변은 프레넬 렌즈 형상으로 형성되고,
   상기 내부반사형 포물면 렌즈의 하단부의 프레넬 렌즈의 깍인면의 각도 α는 다음 식으로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광발전시스템용 내부반사형 집광렌즈.
   

   

   
   (여기서, d는 렌즈의 중심부로부터 깍인면의 중심부까지의 거리, f는 초점거리를 의미한다)
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 내부반사형 포물면 렌즈의 허용수광각은 25°이고, 유리 재질로 형성되어 프레스 가공되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광발전시스템용 내부반사형 집광렌즈.
   

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