KR200419531Y1

KR200419531Y1 - 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광렌즈 및 집광장치

Info

Publication number: KR200419531Y1
Application number: KR2020060011794U
Authority: KR
Inventors: 이진근; 유광선
Original assignee: 대한테크렌(주)
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2006-05-02
Publication date: 2006-06-20

Abstract

본 고안은 태양전지의 집광면에 태양광을 집광하기 위한 태양광 발전용 집광방법과 그 방법에 직접 사용되는 집광렌즈 및 집광장치를 제공한다. 본 고안에 따른 집광방법은, 태양광 발전장치에 구비된 태양전지의 집광면에 태양광을 집광하는 방법에 있어서, 상기 태양전지의 상방에 집광면과 평행하게 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈가 형성된 집광렌즈를 구비하고; 상기 다수개의 단위렌즈 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 본 고안은 종래와는 달리 태양전지의 성능을 최상으로 유지할 수 있는 효과를 가진다.

태양전지, 집광면, 단위렌즈, 투광부

Description

중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광렌즈 및 집광장치{SUNBEAMS CONCENTRATION LENS AND APPARATUS FOR SOLAR PHOTOVOLTAIC GENERATOR USING CONCEPT OF SUPERPOSITION}

도 1은 본 고안의 제1 실시예를 보인 사시도.

도 2는 도 1의 저면도.

도 3은 도 2의 A-A선 단면도.

도 4는 태양전지의 집광면에서 측정한 조도를 보인 그래프.

도 5는 본 고안의 제2 실시예를 보인 사시도.

도 6은 본 고안의 제3 실시예를 보인 단면도.

도 7은 종래 집광렌즈의 일 예를 보인 것으로,

도 7a는 평면도.

도 7b는 측면도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 태양전지 11 : 집광면

20 : 집광렌즈 21 : 단위렌즈

210 : 투광부 211 : 프레넬 렌즈

211a : 굴절턱

본 고안은 태양광 발전용 집광장치 및 그 장치에 사용되는 렌즈에 관한 것이다.

일반적으로 태양광 발전이란, PN접합 반도체로 구성되어 태양광의 조사시 자유전자를 발생시켜 전기를 유도하는 태양전지(solar cell)를 이용하여 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 말한다.

태양광 발전장치에는 태양광을 집광하여 태양전지의 집광면에 조사하는 집광렌즈 또는 집광반사경 등의 집광수단이 사용되는데, 상기 집광수단의 광집적도(光集積度) 및 조도(照度)의 균일성은 발전설비의 에너지효율과 직결된다. 그러나, 종래의 집광수단은 광학면의 연속적인 변화를 이용하기 때문에 태양전지의 집광면에서 조도의 균일성을 유지하기가 매우 어려운 문제점이 있다.

도 5는 종래 집광렌즈의 일 예를 보인 것으로, 도 5a는 평면도이고, 도 5b는 측면도이다. 도시된 집광렌즈(30)는 일반 볼록렌즈와는 달리 평판형으로 제작되는 프레넬 렌즈(Frensnel Lens)로서, 일측면에 동심원의 형상으로 다수의 굴절턱(31)이 형성되어 입사된 빛을 중앙으로 포커싱할 수 있도록 구성되어 있다.

이에 따라, 렌즈에 입사된 태양광은 굴절턱(31)에 의해 굴절되어, 중앙에 배치된 태양전지(10)의 집광면(11)으로 집광된다. 그러나, 상기와 같은 종래의 집광렌즈는 광학면의 연속적인 변화를 이용하여 태양광을 포커싱하는 방식으로, 태양 전지의 집광면에 포커싱된 빛은 중앙에서 멀어질수록 조도가 저하되는 특성을 보임으로써, 조도(照度)의 균일성을 확보할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 발전용량에 따라 집광렌즈의 대형화가 불가피한데, 종래의 집광렌즈는 광학면이 연속적으로 형성됨으로써 제작이 매우 곤란한 문제점이 있었다.

한편, 태양광 발전에 사용되는 태양전지는 고전압을 발생시키기 위해 다수개의 단위전지를 직렬 혹은 병렬로 연결하여 구성되는데, 상기 단위전지 중에서 광조사량이 작은 단위전지에 의해 그 성능이 결정된다.

따라서, 상기한 바와 같이 집광면에서의 조도가 균일하지 못한 종래의 집광렌즈를 사용하게 되면, 상대적으로 조도가 낮은 곳에 배치된 단위전지에 의해 태양전지 전체의 성능이 저하되는 문제점이 발생된다.

이에, 본 고안은 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 집광면의 전범위에 걸쳐 균일한 조도로 빛을 집광할 수 있도록 한 태양광 발전용 집광렌즈와 그 렌즈를 사용한 집광장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 이루기 위한 본 고안에 따른 태양광 집광장치는, 태양전지의 상방에 집광면과 평행하게 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈가 형성된 집광렌즈를 구비하고; 상기 다수개의 단위렌즈 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 고안에 따른 태양광 집광렌즈의 일 양상은, 태양전지의 상방에 집광면과 평행하게 평판형으로 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈를 포함하여 구성되고; 상기 다수개의 단위렌즈는 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하는 것을 특징으로 한다.

상기 단위렌즈의 일 양상은, 하나의 비굴절형 투광부와, 일면에 다수개의 굴절턱이 형성된 다수개의 프레넬 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 투광부를 상기 집광면의 수직 상방에 설치하고, 상기 프레넬 렌즈는 필요에 따라 상기 투광부의 주위를 둘러싸거나 양측 방향으로 연장되게 설치할 수 있다.

한편, 상기 프레넬 렌즈의 굴절턱은 상기 투광부의 중앙을 향하는 직선에 대하여 수직을 이루도록 일정한 간격으로 형성되고, 상기 굴절턱의 경사각은 각 프레넬 렌즈 별로 상기 투광부에서 멀어질수록 감소되게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 고안에 따른 태양광 집광렌즈의 다른 양상은, 태양전지에 형성된 집광면의 상방에 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈를 포함하여 구성되고; 상기 단위렌즈는, 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하되, 상기 집광면의 수직 상방에 평행하게 설치되는 하나의 비굴절형 투광부와, 상기 투광부의 양측에 각각 일정한 경사각을 갖도록 하향으로 연장되는 다수개의 프레넬 렌즈로 구성되며; 상기 프레넬 렌즈의 경사각은 상기 투광부를 기준으로 10~20도의 범위로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 고안에 따른 태양광 집광장치의 일 양상은, 일측에 집광면이 형성된 태양전지; 상기 태양전지의 상방에 상기 집광면과 평행하게 평판형으로 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈로 구성되는 집광렌즈; 및 상기 집광렌즈의 위치를 고정하는 프레임을 포함하여 구성되며; 상기 다수개의 단위렌즈는 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하는 것을 특징으로 한다.

본 고안에 따른 태양광 집광장치의 다른 양상은, 일측에 집광면이 형성된 태양전지와, 상기 집광면의 상방에 설치되며 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈로 이루어진 집광렌즈와, 상기 집광렌즈의 위치를 고정하는 프레임을 포함하여 구성되고; 상기 단위렌즈는, 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하되, 상기 집광면의 수직 상방에 평행하게 설치되는 하나의 비굴절형 투광부와, 상기 투광부의 양측에 각각 일정한 경사각 을 갖도록 하향으로 연장되는 다수개의 프레넬 렌즈(211)로 구성되며; 상기 프레넬 렌즈의 경사각은 상기 투광부를 기준으로 10~20도의 범위로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 고안의 양상은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 바람직한 실시예를 통해 당업자가 본 고안을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 고안의 제1 실시예를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 저면도이며, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 집광렌즈(20)는 태양전지(10)에 형성된 집광면(11)의 상방에 평행하게 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈(21)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는 총 81개(9 ×9)의 단위렌즈를 연결하여 구성하였다.

이때, 단위렌즈(21)는 각각에 입사된 태양광을 태양전지(10)의 집광면(11)에 조사할 수 있도록 구성된다. 따라서, 집광면(11)의 면적과 대응되는 면적의 태양광을 단위렌즈(21)의 갯수 만큼 상기 집광면에 중첩되도록 조사할 수 있으므로, 종래에 비하여 광집적도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 태양광의 집광이 종래의 포커싱방식이 아닌 중첩방식에 의해 이루어짐으로써, 집광면(11)의 전범위에 걸쳐 균일한 조도를 얻을 수 있게 된다.

본 실시예에서는 단위렌즈(21)가 집광렌즈(20)의 중심부에 위치되는 하나의 비굴절형 투광부(210)와, 상기 투광부의 주위를 둘러싸도록 배치되며 일면에 다수 개의 굴절턱(211a)이 형성된 다수개의 프레넬 렌즈(211)로 구성된다.

이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이 투광부(210)에 입사된 태양광은 그대로 투과되어 태양전지(10)의 집광면(11)에 조사되며, 프레넬 렌즈(211)에 입사된 태양광은 각각 굴절턱(211a)에 의해 일정 각도로 굴절되어 상기 집광면에 조사된다.

이때, 도 2에 도시된 바와 같이 각각의 프레넬 렌즈(211)에 형성된 굴절턱(211a)은 투광부(210)의 중앙을 향하는 직선에 대하여 수직을 이루도록 일정한 간격으로 형성되고, 상기 굴절턱의 경사각(θ)은 각 프레넬 렌즈 별로 상기 투광부에서 멀어질수록 감소되게 형성된다.

도 4는 태양전지의 집광면에서 측정한 조도를 보인 그래프이다. 도시된 그래프 중 (a)는 집광면의 가로방향에서 측정한 조도를 보인 것이고, (b)는 대각선방향에서 측정한 조도를 보인 것이다.

그래프에 도시된 선도의 평탄부를 볼 때, 본 고안에 따른 집광렌즈를 사용시 태양광이 집광면의 전 범위에 걸쳐 균일한 조도로 입사되는 것을 한눈에 인지할 수 있다. 즉 선도의 평탄부 범위내에 태양전지를 설치하면 조도의 균일성은 물론 높은 광집적도를 얻을 수 있게 된다.

도 5는 본 고안의 제2 실시예를 보인 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 집광렌즈(20)는 투광부(210)가 집광면(11)의 수직 상방에 설치되고, 프레넬 렌즈(211)는 상기 투광부의 양측 방향으로 연장되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 1에 도시된 집광렌즈는 프레넬 렌즈가 투광부의 주위를 둘러싸도록 구비됨으로써, 태양전지를 여러개 설치시 그 간격을 좁힐 수 없는 문제점이 있는데 반하여, 본 실시예의 집광렌즈는 막대형으로 구성되어 태양전지(10)를 연이어 설치할 수 있으므로 한정된 공간에 더욱 많은 갯수의 태양전지를 설치할 수 있는 잇점이 있다.

도 6은 본 고안의 제3 실시예를 보인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 집광렌즈(20)는 상술한 제2 실시예에서 투광부(210)의 양측에 연장된 프레넬 렌즈(211)의 경사각(α)이 10~20도의 범위에서 일정한 기울기로 하향으로 경사지게 형성된다.

위와 같이 프레넬 렌즈 자체를 평면이 아닌 특정한 각도로 설치하면 태양광의 수광범위가 확장됨은 물론 빛의 산란을 감소시켜줌으로써 집광효율이 향상된다.

이상에서는 본 고안에 따른 집광렌즈의 구성 및 작용을 설명하였으며, 이를 바탕으로 본 고안에 따른 태양광 집광방법을 설명하면 다음과 같다.

태양전지(10)에 형성된 집광면(11)의 수직 상방에 평판형으로 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈(21)가 형성된 집광렌즈(20)를 구비하고, 상기 단위렌즈 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상술한 바와 같이 각각의 단위렌즈에 입사된 태양광을 굴절시켜 태양전지의 집광면에 조사되도록 함으로써, 집광면의 면적과 대응되는 면적의 태양광을 단위렌즈의 갯수 만큼 상기 집광면에 중첩되도록 조사하는 방법이다.

한편, 본 고안의 집광방법에 직접 사용되는 집광장치는 본 고안의 집광렌즈 를 사용하여 손쉽게 구성할 수 있다. 상기 집광장치의 일 실시예는, 일측에 집광면(11)이 형성된 태양전지(10)와, 상기 집광면의 수직 상방에 평판형으로 설치되는 본 고안의 집광렌즈(20)와, 상기 집광렌즈의 위치를 고정하는 프레임(미도시)으로 구성된다.

상술한 바와 같이 본 고안은 태양전지의 집광면에 그 면적과 대응되는 범위의 빛을 중첩되게 집광함으로써, 상기 집광면의 전범위에 걸쳐 균일한 조도로 빛을 조사할 수 있으므로, 종래와는 달리 태양전지의 성능을 최상으로 유지할 수 있는 효과를 가진다.

한편, 본 고안은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 고안의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

태양전지의 상방에 평판형으로 설치되며, 적어도 상기 태양전지의 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈를 포함하여 구성되고;

상기 다수개의 단위렌즈는 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하도록 하나의 비굴절형 투광부와, 일면에 다수개의 굴절턱이 형성된 다수개의 프레넬 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광렌즈.
제1항에 있어서,

상기 투광부는 상기 집광면의 수직 상방에 설치되고, 상기 프레넬 렌즈는 상기 투광부의 주위를 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광렌즈.
제2항에 있어서,

상기 투광부는 상기 집광면의 수직 상방에 설치되고, 상기 프레넬 렌즈는 상기 투광부의 양측 방향으로 연장되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광렌즈.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 프레넬 렌즈의 굴절턱은 상기 투광부의 중앙을 향하는 직선에 대하여 수직을 이루도록 형성되고, 상기 굴절턱의 경사각(θ)은 각 프레넬 렌즈 별로 상기 투광부에서 멀어질수록 감소되게 형성되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광렌즈.
태양전지에 형성된 집광면의 상방에 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈를 포함하여 구성되고;

상기 단위렌즈는, 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하되, 상기 집광면의 수직 상방에 평행하게 설치되는 하나의 비굴절형 투광부와, 상기 투광부의 양측에 각각 일정한 경사각을 갖도록 하향으로 연장되는 다수개의 프레넬 렌즈로 구성되며;

상기 프레넬 렌즈의 경사각은 상기 투광부를 기준으로 10~20도의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광렌즈.
태양광 발전장치에 구비된 태양전지의 집광면에 태양광을 집광하는 장치에 있어서,

상기 태양전지의 상방에 상기 집광면과 평행하게 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈가 형성된 집광렌즈를 구비하고;

상기 다수개의 단위렌즈 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광장치.
일측에 집광면이 형성된 태양전지;

상기 태양전지의 상방에 상기 집광면과 평행하게 평판형으로 설치되며, 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈로 구성되는 집광렌즈; 및

상기 집광렌즈의 위치를 고정하는 프레임을 포함하여 구성되며;

상기 다수개의 단위렌즈는 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하되,

상기 다수개의 단위렌즈는 하나의 비굴절형 투광부와, 일면에 다수개의 굴절턱이 형성된 다수개의 프레넬 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광장치.
제7항에 있어서,

상기 투광부는 상기 집광면의 수직 상방에 설치되고, 상기 프레넬 렌즈는 상기 투광부의 주위를 둘러싸도록 설치되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광장치.
제7항에 있어서,

상기 투광부는 상기 집광면의 수직 상방에 설치되고, 상기 프레넬 렌즈는 상기 투광부의 양측 방향으로 연장되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광장치.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 프레넬 렌즈의 굴절턱은 상기 투광부의 중앙을 향하는 직선에 대하여 수직을 이루도록 일정한 간격으로 형성되고, 상기 굴절턱의 경사각(θ)은 각 프레넬 렌즈 별로 상기 투광부에서 멀어질수록 감소되게 형성되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광장치.
일측에 집광면이 형성된 태양전지와, 상기 집광면의 상방에 설치되며 적어도 상기 집광면의 면적에 대응되는 면적을 갖는 다수개의 단위렌즈로 이루어진 집광렌즈와, 상기 집광렌즈의 위치를 고정하는 프레임을 포함하여 구성되고;

상기 단위렌즈는, 각각에 입사된 태양광을 상기 집광면에 중첩되도록 조사하여 집광하되, 상기 집광면의 수직 상방에 평행하게 설치되는 하나의 비굴절형 투광부와, 상기 투광부의 양측에 각각 일정한 경사각을 갖도록 하향으로 연장되는 다수개의 프레넬 렌즈로 구성되며;

상기 프레넬 렌즈의 경사각은 상기 투광부를 기준으로 10~20도의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 중첩개념을 이용한 태양광 발전용 집광장치.