KR19990072127A - 사출성형된 봉입물을 갖는 광기전성 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료(전지 주위에 환경적 씰을 형성시킴)내에 봉입된 하나 이상의 광기전성 전지를 포함하는 광기전성 모듈에 관한다. 광기전성 전지(들)은 전면 및 후면 및 주변부를 형성하는 가장자리를 갖는 광기전성 패널내에 합체되고 또한 외부 전기적 연결을 하는 수단을 포함한다, 패널을 봉입하는 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료는 지붕널, 벽돌, 케이스 또는 상자와 같은 유용한 구조물을 생성시킬 수 있을 것이다.
Description
광기전성 에너지 전환, 태양광선을 전기로 직접 전환시키는 것은 오랜 우주적 에너지원이었다. 그러나 이것은 전통적으로 너무 비싸서 원거리가 아니고서는 지구에서 실시할 수 없었었다. 하기종래의 핵력 생성의 환경적인 결과에 대한 인식과 염려가 커지고 수입원유 의존성을 감소하고자 하는 것으로 실제적이고 적용가능한 재생가능한 에너지 기술에 대한 필요가 증가하여 왔다. 종래의 연료와 경쟁할만한 저가 실용 PV 기술을 개발하고 상업화하는데 최초로 성공하는 나라는 세계적인 에너지 혁명의 선두에 서게 될 것이며 경제적인 결과가 엄청날 것이다.
1993년 PV 모듈의 세계적인 선적은 대략 60MW였는데 이것은 약 300만불 달러 가치에 달하는 것이었으며 밸런스 시스템을 포함하여 총 600만불 되는 시장이었다. 미국 회사는 이 시장의 약 약 20%의 지분을 가졌었다. 미국 에너지국(DOE)에 따르면 종래 공급원으로부터의 에너지를 사용하는 것과 관련된 환경적인 충돌의 증대된 인식과 더불어 새로운 전기 발생 커패시티에 대한 필요성 때문에 PV는 유틸리티 및 다른 최종 전기 사용자에게 점점 중요한 역할을 하게 될 것이다. U.S. 유틸리티만해도 새로운 커패시티에 대한 필요는 1990년대에 600MW이고 유틸리티 회사의 삼분의 2이상에 대해서는 연간 100MW 미만이 추가적으로 필요하다. PV시장의 모듈 특성이 이것을 이러한 용도에 이상적으로 적당하게 하며 U.S.유틸리티 시장에서만해도 PV에 대한 DOE 추정치는 1990년대 누적 파워 설치의 900MW이다. 라틴 아메리카, 아시아 및 아프리카에도 원거리 파워 제품에 대하여 또한 많은 기회가 있으며 국제원조 미국지부(USAID)는 1990-2010년 사이에 개발도상국에서만도 파워생성 시스템 시장은 9천백4십억불에 달할 것으로 전망하고 있다. 파워 디스트리뷰트식은 이들 많은 나라에서 가장 바람직한 전기 생성 방식이어서 PV 시스템을 매우 매혹적으로 만든다. DOE 추정에 따르면 1990년대에 이들 국가들에서 누적 요구치는 500MW이다. 이것은 미국이 무시할 수 없는 거대한 수출 시장이다.
수백만 달러 PV 시장을 다루기 위하여, 필수적인 요구사항은 PV 모듈의 가격을 1와트당 4-5달러에서 1달러 미만으로 낮추는 것이다. 이러한 시도는 비용, 모듈 효율성 및 안정성을 포함한 현안을 다루는 혁신적 제조 기술을 개발하는 PV 공업에 의하여 감당될 능동적인 R&D에 의하여 맞추어질 수 있다.
지난 3년동안 PV의 가격을 감소시키기 위한 다수의 상이한 접근들이 추구되어 왔다. PV의 가격을 효과적으로 하고 실행가능한 대체 에너지원으로 수용하기 위하여 다음 주요 요구사항이 충족될 필요가 있다:(1)낮은 원료 비용, (2)양호한 안정성과 고효율, (3)수율이 높은 저가 제조 공정 및 (4)환경적인 안정성. PV를 대규모 지표 적용에 수용하기 위하여 이러한 모든 요구조건이 충족될 필요가 있음을 지적하는 것이 중요하다.
광기전성 모듈의 비용을 감소시킬 수 있는 한 분야는 광기전성 모듈을 봉입하고 프레임하는 것이다. 광기전성 패널의 제작 및 프레임하는 기존 방법은 수년에 걸쳐 태양 전지 기술을 현저히 향상시켜 왔으나 이러한 패널의 제조 및 라미네이션을 단순화하고 광기전성 패널을 보호하는 보다 완벽한 씰 및 더 강한 모듈을 제공하는 것이 필요하여왔다. 예를들어 라미네이션 단걔는 이전에는 상당한 노동력 소모를 요하였고 이전에 패널 후부를 보호하기 위하여 사용된 금속 지지 시트는 누전으로 광기전성 전지를 축전지로 만들었다.
한 전형적인 라미네이션/모듈-형성 방법의 구체적인 예는 그 내용이 본원에 합체되어 있는 Nath 등의 미국 특허 제4,773,944호에 기술되어 있다. Nath 등은 일단 광기전성 전지를 제작한 다음 경중량 지속성의 용이하게 제조가능한 저급 라미네이트 재료층을 그 위에 라미네이팅하는 것에 대하여 기술하고 있다. 저급 라미네이트는 또한 아연도금된 강철 또는 플라스틱과 같은 기타의 재료일 수 있을 것이나 일반적으로 알루미늄이다. 저급 라미네이트는 혹독한 환경조건을 견딜 수 있어야 하고 여러 가지 형태로 제조가능하며 제조된 형태를 견고하게 유지할 수 있어야 한다. 저급 라미네이트 상부 상에 이성분 전기 재료층(예를들어 에틸 비닐 아세테이트(EVA)와 같은 유동성 유기 수지)을 증착시킨다.
유동성 유기 수지층의 증착 후 광기전성 전지 및 유기 수지 사이에 재료를 절연시키는 중간층을 도포하여 광기전성 전지에 의하여 광생성된 전류로부터 저급 라미네이트를 전기적으로 더 절연시킨다. 유동성 유기 수지층 상에 증착된 중간 절연 재료층은 TEDLAR(DuPont Corp.의 등록상표명임)일 수 있다.
중간 절연재료층의 위에 제2의 유동성 유기 수지층을 증착시킨다. 제2의 유동성 유기 수지층은 또한 에틸 비닐 아세테이트(EVA)일 수 있고 상기 수지는 접착제로서 사용되어 중간층과 광기전성 전지의 하부면을 결합시키는 반면 앞서 도포된 유동성 유기 수지층은 접착제로 사용되어 저급 라미네이트와 중간층을 결합시킨다. 최종적으로 광기전성 전지는 상기 유기 수지의 상부에 위치한다.
봉입 절차를 완전히 하기 위하여 이후 유동성 유기 수지층(즉 EVA)을 광기전성 전지의 상부면에 증착시키는 것이 필요하다. 최종적으로 EVA의 최상층에 비교적 경질이고, 내구성이 있으며, 유연하고 임의로 투명한 재료층을 증착시킨다. 비교적 경질의 내구성 있는 층은 TEDLAR일 수 있다.
상술한 바와 같은 라미네이션 공정을 완성한 후, 라미네이팅된 광기전성 모듈을 특정 용도로 사용하기 적당한 형태 및 크기로 제조하는 것이 필수적인 것으로 남아있다. 따라서 라미네이팅된 모듈은 평면 시트로 커트되고 이것은 이후 원주의 가장자리 부분을 구부려서 직사각형 평행파이프와 같은 3차원적인 입체형태로 제조될 수 있다. 상기 모듈이 확실하게 직사각형 3차원 형태를 유지하도록 운주 가장자리 부분(가장자리 부분 또는 외곽부는 모듈 평면으로부터 90°각도로 달려있음)은 이의 네모서리에서 박힌다.
이들 모듈은 유용하나 그 용도는 제한되어 있고 이들을 제조하는 방법은 재료 및 가공 양쪽 모두 고가이다.
광기전성 전지를 보호하는 덜 집약적인 방법이 1980년대 후반에 개발되었다. 이 방법은 반응성 사출성형법을 이용하여 중합체 봉입물을 광기전성 전지 주위에 주조시킨다. 이러한 중합체 보입제는 환경으로부터 광기전성 전지를 보호하는 환경적 보호막으로서 및 광기전성 전지의 기계적인 지지물로서 작용한다. RIM 봉입된 모듈 및 이러한 모듈을 제조하는 방법은 그 내용이 본원에 참고문헌으로 합체되어 있는 Anderson 등에 특허허여된 미국 특허 제4,830,038호 및 제5,008,062호에 기술되어 있다.
즉 반응물의 혼합은 혼합 헤드에서 일어나고 주형내 주입후 계속된다. 주형은 부품을 조형하고 반응물을 주형 공동에 향하게 하며 반응물의 흐름의 방향을 잡아주고 열을 제거함으로써 성형공정에 의하여 얻어지는 반응 온도를 조절한다.
이러한 방법은 선행기술 방법에 더 적용가능하나 피니쉬된 광기전성 패널의 가격을 현저한 정도로 감소시킨다고는 할 수 없다. 이것은 중합체 봉입물을 제조하는데 필요한 반응성 화학물질의 가격이 고가라는 것에 기인한다. 예를들어 시판 RIM 폴리우레탄 중합체 전구체는 이소시아네이트, 폴리올, 증량제, 촉매 및 발포제를 베이스로 한다. 증량제는 통상적으로 글리콜 또는 아민 또는 혹종의 둘의 조합물이다. 일반적으로 고가이면서 이들 다수의 화학물질은 또한 매우 위험하고 심지어 독성이다.
그러나 Anderson등은 이것이 사출성형된 봉입물을 광기전성 전지 주위에 형성시킬 수 있는 유일한 방법이라고 주장한다. Anderson은 다음과 같은 이유를 들었다:
RIM 방법은 저온(200℉ 미만)에서 주입된 액체 중합체 전구체의 반응으로부터 생성된 열경화성 중합체여서 고온 사출성형 기법을 사용할 경우 일어날 수도 있는 박막 재료의 열 손상을 막아주므로 광기전성 패널을 봉입하는데 중요하다.
그러나 본 발명가들은 Anderson등이 생각한 것과 달리 종래의 사출성형법(즉 비반응성 사출성형법)을 사용하여 손상없이 광기전성 전지를 봉입할 수 있음을 발견하였다.
발명의 요약
본 발명은 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료(이로써 전지 주위에 환경적인 씰을 형성함)내에 봉입된 하나 이상의 광기전성 전지를 포함하는 광기전성 모듈로 이루어진다. 광기전성 전지(들)는 전면과 후면 및 주변부 형성 가장자리를 갖는 광기전성 패널내로 합체되며 또한 광기전성 전지와 외부적으로 전기적으로 연결하는 수단을 포함한다.
바람직하게는 전지(들)은 단일, 2개 직렬 또는 3개 직렬 PIN 접합 박막 무정질 실리콘 전지와 같은 박막 무정질 실리콘 전지이다. 광기전성 패널을 봉입하는 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료는 바람직하게는 약 500℉ 미만의 온도에서 사출성형될 수 있고 청정 ABS 재료와 같은 청정, 빛투과 중합체 재료이다. 바란다면 빛을 투과하지 않는 면에 인접하고 광기전성 패널을 봉입하는 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료 부분은 착색된 안료를 포함할 수 있다.
패널을 봉입하는 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료는 지붕널, 벽돌, 케이스 또는 상자와 같은 유용한 구조물로 제조될 수 있을 것이다.
본 발명은 일반적으로 광기전성 모듈 더 구체적으로는 반응되지 않은 사출성형된 중합체 재료에 의하여 봉입된 모듈에 관한다. 봉입물은 사용할 때 원소들로부터 광기전성 전지를 보호하는 환경적인 보호막 및 기계적인 지지물 및 보호물로서 작용한다.
도1은 본 발명의 중합체 봉입된 광기전성 패널의 도식이다(실제 크기 아님).
본 발명은 중합체 봉입된 광기전성 모듈, 더 구체적으로는 반응되지 않는 사출성형된 중합체 봉입된 광기전성 모듈에 관한다. 도1과 관련하여, 봉입된 광기전성 모듈(1)은 광기전성 패널(2) 및 광기전성 패널(2)을 봉입하고 있는 반응되지 않는 청정 빛투과 중합체 재료(3)를 포함한다.
중합체 재료(3)는 광기전성 패널(2) 주위에 환경 및 기계적 마모로부터 이것을 보호하는 반응되지 않는 사출성형된 봉입물을 형성시킨다. 또한 중합체 봉입물(3)은 견고성이 요구될 때 광기전성 패널(2)의 지지물로서 작용한다. 그러나 몇몇의 최종 사용 목적에서 유연성이 더 바람직할 수 있을 것이다. 이러한 경우 중합체 봉입물(3)은 요구되는 유연성을 허용힐 수 있도록 충분히 얇을 수 있을 것이다.
광기전성 패널(2)은 바람직하게는 표준 무정질 실리콘 패널인데 이것은 업계에 공지되어 있다. 이러한 패널은 하나 이상의 광기전성 전지로부터 제조된다. 광기전성 전지(들)은 일반적으로 스테인레스 스틸 웹과 같은 내열성 기판 상에 PIN형 무정질 실리콘 광기전성 전지를 증착시켜 제조한다. 광기전성 전지(들)은 단일 PIN 접합일 수 있거나 또는 2개 또는 3개의 직렬전지(들)일 수 있을 것이다. 이들 각각은 업계에 널리 공지되어 있으며 본원에서 더 논의할 필요는 없다.
광기전성 패널(2)은 일반적으로 앞, 빛투과 면(즉 여기에 광기전성 전지가 증착됨) 및 후면(빛불투과) 및 주변부를 형성하는 가장자리로 기술될 수 있다.
중합체 봉입물(3)은 어디나 청정(빛투과)할 수도 있고 또는 광기전성 패널의 뒷면(빛불투과) 상에 안료를 가할 수도 있을 것이다. 육안상 아름다움을 요하는 몇몇 용도에서는 안료의 부가가 유용할 수 있을 것이다.
이러한 한가지 예는 후면(빛불투과) 상의 와이어 및 연결부를 미관상 숨길 필요가 있는 경우이다. 즉 일반적인 광기전성 패널의 와이어 및 연결부는 후면 상에 있으므로 패널의 후부를 덮는 중합체 재료에 안료를 가하여 이들을 시야에서 숨기면서 앞면의 청정 중합체는 빛이 광기전성 전지(들)에 도달할 수 있게 한다. 또한 중합체 재료내 둘 이상의 구멍(도시하지 않음)은 광기전성 모듈(1)과 외부적으로 전기적으로 연결하게 할 것임을 주지하여야 한다.
중합체 봉입물(3)의 후면에 안료를 칠하는 것이 유용한 또다른 사용용도는 패널 뒤의 배경을 시야로부터 숨기는 것이 바람직할 경우이다. 이것은 예를들어 패널을 지붕얹기, 판자붙이기, 벽널하기등과 같은 건축 용도로 사용하는 경우이다.
봉입된 광기전성 모듈(1)을 제조하는 것은 비교적 간단하다. 미리 제조한 광기전성 패널(2)( 및 전지 사이에 요구되는 혹종의 연결부)를 주형내에 위치시킨다. 패널은 후방 플레이트 또는 필요할 경우 주형내의 기타 지지 구조물 상에 위치시킬 수 있을 것이다. 외부 전기 연결 개구부를 형성하는 성형 삽입물을 또한 가할 수 있을 것이다. 봉입물(3)은 용융된 중합체 재료로부터 사출성형된다. 봉입물(3)은 단일 단계 또는 다단계로 성형될 수 있을 것이다. 패널 후부상의 중합체에 안료를 가할 경우 봉입물(3)의 앞부분 및 뒷부분을 별개로 성형하는 것이 가장 쉬울 것이다.
본원에 기술된 중합체 재료는 청정 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체믈(ABS) 물질이다. 그러나 사용할 수 있는 혹종의 중합체의 점도는 광기전성 패널(2) 주위에 사출성형될 수 있을 정도로 충분히 낮다(약 500℉ 미만의 온도에서). 기타 도포가능한 중합체는 카보네이트, 아크릴, 아크릴로니트릴, 스티렌, 아크릴레이트, 부타디엔, 비닐 등을 포함한다.
또, 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료로 봉입하기 전에 중합체 재료층은 광기전성 패널의 빛투과면에 라미네이팅시킬 수 있을 것이다. 이 물질은 패널에 봉입물 중합체를 결합시키는 것을 도와서 패널 및 봉입물의 탈라미네이팅에 의하여 야기되는 광학적인 탈커플링을 피할 수 있다. 광학적인 탈커플링은 광기전성 패널의 에너지 출력을 유도할 수 있으므로 가능한한 피하여야 한다. 이러한 광학적 탈커플링을 유도하는데 다수의 중합체 재료가 유용할 수 있을지라도 바람직한 재료는 에틸 비닐 아세테이트(EVA) 이다.
내열성 스테인레스 스틸 기판 상에 증착된 표준 3접합 직렬 PIN형 무정질 실리콘 광기전성 전지로부터 제조한 패널을 사출주형내에 위치시켰다. 핀을 주형에 삽입하여, 피니쉬된 모듈과의 전기적인 연결을 위한 성형된 제품의 후부에 전기적 연결 개구부를 남겨두었다. 이후 청정 ABS 재료를 주형내로 주입시켜 광기전성 패널을 봉입하였다. 주입기 노즐 온도는 472℉로 고정하였다. 2.5초동안 1000psi에서 주입을 시작하여 주형을 80%까지 채웠다. 이후 주형을 100% 채우기 위하여 압력을 1.5초동안 3500psi로 증가시켰다. 이후 압력을 3000psi로 감소시키고 2.0초동안 유지하여 모든 작은 모양이 채워지도록 하였다. 이후 주입압을 끊고 성형품을 주형에서 50초동안 경화되도록 정치하였다. 이후 성형된 패널을 분리하여 실온으로 냉각시켰다.
성형된 광기전성 모듈의 전기적 특성을 봉입전에 광기전성 패널의 특성과 비교하였다. 모듈이 전기적 특성의 손실없이 만들어질 수 있음이 밝혀졌다. 즉 최기의 봉입되지 않은 광기전성 패널 및 최종 봉입된 광기전성 모듈의 비교는 개방 회로 전압, 짧은 회로 전류 및 12볼트의 전류가 일정하게 남아있음을 보여주었다.
따라서, 본 발명의 반응되지 않는 사출성형된 광기전성 모듈은 상업적, 공업적 및 소비자 용으로 대단히 촉망됨을 명백히 알 수 있다. 특히 이들은 집약전원이 유용한 혹종 용도의 건축 재료로서 유용할 수 있을 것이다. 구체적인 용도는 지붕, 휴대용 플라스틱 봉입된 장치내에 전원 통합하기 및 혹종의 기타 용도와 같은 건축 재료를 포함하는데 물리적 구조 및 전원 생성을 제공하는 것이 유용하다. 구체적으로 유용한 구조는 지붕널, 벽돌, 케이스 또는 상자를 포함한다.
본원에 기재된 내용은 본 발명을 완전히 기술할 목적으로 기술된 상세한 구체예의 형태로 나타내었으며 이러한 상세한 설명은 청구범위에서 정의된 본 발명의 진정한 영역을 제한하는 것으로 해석되어서는 안됨을 이해할 것이다.
Claims (13)
- 전면 및 후면 및 주변부를 형성하는 가장자리를 갖는 광기전성 패널 및 패널 전면의 투과 방사선을 전기적 에너지로 전환할 수 있는 하나 이상의 광기전성 전지 및 상기 패널을 봉입하고 주위에 환경적인 씰을 형성시키는 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료를 포함하는 광기전성 모듈.
- 제1항에 있어서, 패널이 상기 하나 이상의 광기전성 전지와 외부 전기적 연결을 시켜주는 수단을 추가로 포함하는 광기전성 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 광기전성 전지가 박막 무정질 실리콘 전지를 포함하는 광기전성 모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 광기전성 전지가 싱글 PIN 접합 박막 무정질 실리콘 전지인 광기전성 모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 광기전성 전지가 직렬 2중 PIN 접합 박막 무정질 실리콘 전지인 광기전성 모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 광기전성 전지가 3중 PIN 접합 박막 무정질 실리콘 전지인 광기전성 모듈.
- 제1항에 있어서, 광기전성 패널을 봉입하는 상기 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료가 약 500℉ 미만의 온도에서 사출성형될 수 있는 광기전성 모듈.
- 제7항에 있어서, 광기전성 패널을 봉입하는 상기 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료가 청정 빛투과성 중합체 재료인 광기전성 모듈.
- 제7항에 있어서, 광기전성 패널을 봉입하는 상기 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료가 청정 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 재료를 포함하는 광기전성 모듈.
- 제7항에 있어서, 광기전성 패널을 봉입하고 이의 빛불투과면에 입접하는 상기 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료 부분이 착색된 안료를 포함하는 광기전성 모듈.
- 제1항에 있어서, 중합체 재료층을 상기 광기전성 패널의 앞에 라미네이트시키고 상기 라미네이트된 중합체 재료가 상기 광기전성 패널의 광학적 커플링을 돕고 상기 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료가 상기 패널을 봉입하는 광기전성 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 패널을 봉입하는 상기 반응되지 않는 사출성형된 중합체 재료가 유용한 구조를 형성하는 광기전성 모듈.
- 제12항에 있어서, 상기 유용한 구조가 지붕널, 벽돌, 케이스 및 상자로 이루어지는 그룹에서 선택되는 광기전성 모듈.
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