KR20070006499A - 태양광 발전용 집광유닛 및 그를 구비한 태양 추적장치 - Google Patents

태양광 발전용 집광유닛 및 그를 구비한 태양 추적장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전용 집광유닛 및 그를 구비한 태양 추적장치에 관한 것이다.
집광형 태양광 발전에 구비되며 태양광을 흡수해 전기를 생산하기 위한 태양광 발전용 집광유닛에 있어서, 태양광을 집광하는 집광부, 집광부에 의해 집광된 태양광을 흡수하여 전기를 발생하는 솔라셀을 직렬 또는 병렬로 배열한 태양전지 모듈, 태양전지 모듈에 축적되는 열을 냉각하기 위한 발열판 및 상기 집광부와 상기 태양전지 모듈 간의 간격을 유지 및 지지하기 위한 골격구조인 프레임을 포함하되, 상기 솔라셀을 복수개의 셀로 분할하여 전극에서 발생하는 주울(Joule) 열을 감소시킨 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 집광유닛을 제공한다.
본 발명에 의하면, 집광판과 태양 추적 장치를 이용하여 동일한 면적의 태양전지 모듈로 입사하는 태양광량을 늘려 발전량은 증대시키면서, 솔라셀을 다수개로 분할함으로 인해 솔라셀에 형성된 전극의 길이가 단축되고 저항이 감소하여 발열을 억제하고, 태양전지 모듈 저면에 위치한 발열판으로 발열함으로써 이중으로 냉각하여 태양전지 모듈의 효율을 증대시키는 효과가 있다.
발열판, 솔라셀, 집광렌즈, 태양광, 태양전지

Description

태양광 발전용 집광유닛 및 그를 구비한 태양 추적장치{Solar Focusing Unit for Solar Power Plant and Solar Tracking Apparatus Having The Same}
도 1은 종래의 집광유닛 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 집광유닛의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 집광유닛의 단면도,
도 4는 태양 추적장치에 본 발명에 따른 집광 모듈을 장착한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 솔라셀의 평면도,
도 6은 본 발명에 따른 태양광 발전용 집광유닛을 사용했을 때의 발전 효과를 도시한 막대그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 집광유닛 110: 집광렌즈
115: 제 1 집광부 120: 제 2 집광부
130: 솔라셀 140: 태양전지 모듈
160: 프레임 165: 발열판
200: 집광판 210: 개구(開口)
330: 경사면 350: 경사면
400: 태양 추적장치 410: 센서
420: 콘트롤 박스 430: 구동부
440: 태양 추적장치 프레임 450: 집광 모듈
550: 전선 570: 전극
530: 서브셀
본 발명은 태양광 집광유닛에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 태양광을 이용한 집광형 태양광 발전설비 중 태양전지 모듈의 수직 상부에는 렌즈를 설치하지 않음으로써 태양광의 손실을 줄여 집광 성능을 향상시키고, 증가한 광량으로 인한 온도 상승을 억제하여 효율을 높이는 태양광 발전용 집광유닛에 관한 것이다.
인류는 화석에너지의 고갈로 인해 화석에너지를 대체할 새로운 에너지 자원을 개발하고 있으며, 대체에너지 중에서도 무공해이면서 무한하게 사용할 수 있는 태양광 에너지 분야에 큰 관심을 가지고 있다. 태양광 발전은 발전 부위가 반도체 소자이고 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 없으며, 태양전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고 발전 시스템을 반자동화 또는 자동화시키기에 용이하며, 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한, 태양광 발전은 대규모 발전 설비를 필요로 하지 않고 소규모 발전이 가능하기 때문에 가정용으로도 설치 사용할 수 있다.
도 1은 종래의 집광유닛의 사시도이다.
일반적으로 집광형 태양광 발전설비 중 집광유닛(100)은, 태양광을 집광하는 집광렌즈(110), 집광된 태양광을 흡수하여 전기로 전환하는 솔라셀(Solar Cell: 130), 솔라셀(130)을 직렬 또는 병렬로 연결한 태양전지 모듈(140), 집광렌즈(110)와 태양전지 모듈(140)의 간격을 유지하고 지지하는 구조의 프레임(160), 집광된 태양광으로 인해 온도가 상승된 태양전지 모듈(140)을 냉각하는 발열판(165)을 포함한다.
태양광은 광전효과를 이용하는 솔라셀(130)에 의해 전기에너지로 전환된다. 솔라셀(130)의 기본 원리는 반도체 PN 접합으로 구성된 솔라셀(130)에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자, 정공 쌍이 생겨나고, 전자와 정공이 이동하여 N 층과 P 층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다. 이러한 솔라셀(130)은 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양전지 모듈(140)을 제작한다.
이러한 태양전지 모듈(140)로 입사되는 태양광의 양을 증가시켜 태양전지 모듈(140)의 효율을 높이기 위해서 태양광을 태양전지 모듈(140)로 집중시켜 조사하는 집광렌즈(110)를 이용한 집광유닛(100)이 사용된다.
집광렌즈(110)는 광 투과성이 높은 투명한 재질로 구성되고 태양전지 모듈(140)은 집광렌즈(110)와 일정한 간격을 유지하고 지지하도록 제작된 프레임(160)에 장착되며, 프레임(160)의 상부에는 집광렌즈(110)를 장착하고 하부에는 태양전지 모듈(140)을 장착한다.
집광렌즈(110)의 형태는 태양전지 모듈(140)보다 폭 방향의 길이가 더 긴 형 태로, 태양전지 모듈(140)의 수직 상부의 제 1 집광부(115)는 볼록렌즈 형태로 구성되어 있고, 제 1 집광부(115) 좌우측의 제 2 집광부(120)는 태양전지 모듈(140)의 좌우측으로 입사하는 태양광을 태양전지 모듈(140)로 입사하도록 굴절시켜 태양전지 모듈(140)로 입사하는 태양광의 양을 증가시킨다. 제 2 집광부(120)는 집광렌즈(110)의 중심축으로부터 거리가 멀어질수록 굴절각을 크게 하여 태양전지 모듈(140)로 태양광이 입사하도록 한 형상이다.
집광렌즈(110)에 의해 집광된 태양광이 태양전지 모듈(140)로 집중됨으로 인해 태양전지 모듈(140)에는 열이 많이 축적된다. 이러한 열을 발산하여 냉각시키기 위해 알루미늄 재질의 발열판(165)을 태양전지 모듈(140)의 저면에 부착한다.
집광렌즈(110)는 태양전지 모듈(140) 상부에 태양전지 모듈(140)보다 큰 면적으로 설치되어 태양광을 받을 수 있는 태양전지 모듈(140)의 수직 상부에는 볼록 렌즈 형상의 제 1 집광부(115)가 설치되어 있다. 따라서 렌즈의 투과율에 따른 태양광의 손실이 발생할 뿐만 아니라 집광렌즈(110)가 대형화되어 제작 공정이 복잡해지고 설치가 난해하여 제작 단가가 올라간다. 태양전지 모듈(140)의 수직 상부 렌즈의 대부분은 고배율의 두꺼운 볼록 렌즈의 형태로 구성되어 있기 때문에 첫째, 렌즈의 크기와 무게로 인해 집광유닛으로 사용하기 어려운 단점이 있어 태양 추적장치에 장착하여 사용하기 힘들고, 둘째, 집광렌즈(110)의 광 투과율, 빛의 흡수율, 빛 반사율, 산란현상에 의해 태양광의 손실이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 고가인 솔라셀(130)의 면적을 늘려 출력량을 늘리기보다는 저가인 집광부를 부가하여 솔라셀(130)의 수광 면적당 입사 광량을 증가시켜 단위 출력당 시 스템 가격을 저하하는 데 목적을 두고 연구와 개발을 하는 데 있어서, 현재의 솔라셀(130)은 단위 면적당 태양광의 입사량과 발전 전류가 대폭 증가함으로 인해 종래의 솔라셀(130)을 사용할 경우 솔라셀(130)의 온도가 상승하고, 솔라셀(130)의 온도 상승에 따라 솔라셀(130)의 발전 효율이 저하하며 솔라셀(130)의 수명이 감소하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 태양광을 이용한 집광형 태양광 발전설비 중 태양전지 모듈의 수직 상부에는 렌즈를 설치하지 않음으로써 태양광의 손실을 줄여 집광 성능을 향상시키고, 증가한 광량으로 인한 온도 상승을 억제하여 효율을 높이는 태양광 발전용 집광유닛을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 집광형 태양광 발전에 구비되며 태양광을 흡수해 전기를 생산하기 위한 태양광 발전용 집광유닛에 있어서, 태양광을 집광하는 집광부, 집광부에 의해 집광된 태양광을 흡수하여 전기를 발생하는 솔라셀을 직렬 또는 병렬로 배열한 태양전지 모듈, 태양전지 모듈에 축적되는 열을 냉각하기 위한 발열판 및 집광부와 태양전지 모듈 간의 간격을 유지 및 지지하기 위한 골격구조인 프레임을 포함하되, 솔라셀을 복수개의 서브셀로 분할하여 전극에서 발생하는 주울(Joule) 열을 감소시킨 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 집광유닛을 제공한다.
또한, 입사하는 태양광의 각도가 항상 수직하도록 유지하는 태양광 발전기용 태양 추적장치에 있어서, 태양광 발전용 집광유닛을 복수개 배열한 집광 모듈, 태양의 위치를 감지하는 센서, 센서로부터 정보를 수신하고, 수신한 정보에 따라 전기신호를 출력하는 콘트롤 박스, 콘트롤 박스에서 출력한 전기신호를 수신하여 집광 모듈을 구동하는 구동부 및 집광 모듈, 센서, 콘트롤 박스 및 구동부를 지지하는 태양 추적장치 프레임을 포함하되, 집광 모듈의 집광부는 광투과성이 높은 투명한 재질로 구성되어 솔라셀이 다수 설치된 태양전지 모듈의 수직 상부 좌우측에 위치하도록 고정되어 있으며, 좌우측 사이에는 태양광을 태양전지 모듈로 직접 입사시키기 위한 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 태양 추적장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 집광유닛의 사시도이다.
도 2에서 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 집광유닛은, 복수개의 솔라셀(130)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 긴 널빤지 형태이며 태양광을 흡수해 전기를 발생하는 역할을 하는 태양전지 모듈(140), 태양전지 모듈(140)과 같은 길이로 태 양전지 모듈(140)의 상부 좌우측에 구비되고 태양광을 솔라셀(130)에 집중시키는 집광판(200), 집광된 태양광으로 인해 열 발생이 높은 태양전지 모듈을 냉각시켜주는 발열판(165), 태양전지 모듈(140)과 집광판(200)의 간격을 유지하고 지지하는 프레임(160)으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 집광유닛의 집광판(200)은 광 투과도가 높은 투명한 재질이고 태양전지 모듈(140)의 상부 좌우측 프레임(260)에 설치되어, 태양전지 모듈(140)의 좌우측으로 입사하는 태양광을 굴절시켜 태양전지 모듈(140)로 입사하도록 하여, 태양전지 모듈(140)로 입사하는 태양광량을 증가시킨다. 좌우측 집광판(200)의 사이에는 솔라셀(130)의 폭과 유사한 폭을 가진 개구(開口: 210)가 형성되어 있다. 개구(210)를 통과한 태양광은 아무런 장애나 굴절 없이 솔라셀(130)에 입사한다.
도 3은 본 발명에 따른 집광유닛(100)에 태양광이 입사하는 상태를 도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 집광판(200)의 형상은 태양전지 모듈(140)의 길이 방향으로 복수개의 경사면(330)이 연속적으로 형성되고, 경사면(330)은 태양전지 모듈(140)의 중심으로부터 멀어질수록 경사각(350)을 크게 하여 태양광을 태양전지 모듈(140)로 집속하도록 한다.
태양광이 집광유닛(100)과 수직하게 입사하는 경우, 개구(210)를 통과한 태양광은 직접 태양전지 모듈(140)에 도달하게 되고, 태양전지 모듈(140)의 상부에 설치한 집광판(200)이 개구(210)의 좌우로 입사하는 태양광을 정확하게 태양전지 모듈(140)로 집광하여 효율이 최대가 된다. 다만, 태양광 발전용 집광유닛(100)이 설치된 곳의 위도, 경도, 날짜, 및 시간에 따른 태양의 위치가 모두 다르기 때문에 집광유닛(100)의 수광 능력을 항상 최대로 유지하기 위한 장치가 필요하다.
도 4는 태양 추적장치에 본 발명에 따른 집광 모듈을 장착한 사시도이다.
태양광이 집광 모듈(450)에 항상 수직으로 입사하도록 하기 위해서 태양 추적장치(400)를 적용한 모습이다.
집광 모듈(450)은 필요한 전력 생산량에 따라 집광유닛(100)을 연결한 것으로, 태양 추적장치(400)는 집광 모듈(450)과 태양광이 항상 수직하도록 집광유닛(100)을 이동하도록 하여 태양광을 최적의 조건으로 수광할 수 있도록 위치시키는 장치이다. 태양 추적장치(400)를 사용하면 집광 효율을 30 ~ 60 % 정도 높일 수 있다.
태양 추적장치(400)는 크게 두가지 방식으로 구분된다. 첫째는 태양 추적장치(400)가 설치된 위도, 경도, 현재 날짜 및 시간을 입력하면 태양 추적장치(400)에 탑재된 프로그램이 위도, 경도, 현재 날짜 및 시간에 따른 정확한 태양의 방위각 및 고도를 결정하여 태양 추적장치(400)의 구동부로 신호를 보내어 집광 모듈(450)을 구동하는 방식이고, 둘째는 반구 형상의 부재에 복수의 광센서를 장착하여 광센서 중 가장 많은 태양광량이 측정되는 방향으로 집광 모듈(450)을 구동하는 방식이다.
입사하는 태양광의 각도가 태양광을 수집하는 태양전지 모듈의 표면과 항상 수직하도록 유지하는 태양 추적장치(400)는 태양의 위치를 감지하는 센서(410)와, 센서(410)에서 입력받은 정보를 구동부(430)로 출력하는 콘트롤 박스(420), 집광유닛을 복수개 연결한 집광 모듈(450), 전기를 콘트롤 박스(420)에서 출력한 전기신호에 따라 집광 모듈(450)을 움직이는 구동부(430), 센서(410)와 콘트롤 박스(420), 구동부(430) 및 집광 모듈(450)을 지지하는 태양 추적장치 프레임(440)을 포함하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 솔라셀의 평면도이다.
전극(570)과 전선(550)은 솔라셀(130)에서 생성된 전류를 축전지(미도시) 등의 외부장치로 전달하는 역할을 한다.
개구(210)를 통하여 태양전지 모듈(140)에 직접 입사하는 태양광뿐만 아니라 태양전지 모듈(140) 좌우측으로 지나가는 태양광도 집광판(200)에 의해 굴절되어 태양전지 모듈(140)에 입사한다. 입사하는 광량이 증가할수록 태양전지 모듈(140)의 발전량이 향상되어 전류의 세기가 커지는 반면에 태양전지 모듈(140)의 온도 상승은 발전량의 한계를 가져오는 모순점이 있다. 도선에 전류가 흐를 때 발열량은 전류의 제곱에 비례한다. 따라서 전류의 증가는 태양전지 모듈(140)의 온도를 상승시킨다. 따라서 전류의 증가에 따른 온도상승으로 인한 태양전지 모듈(140)의 효율 저하가 일어난다. 태양전지 모듈(140)의 효율을 극대화하기 위해서는 입사하는 광량을 증가시켜 증가한 광량으로 인해 솔라셀(130) 내부에 흐르는 전류의 세기를 증가시키는 한편 태양전지 모듈(140)을 냉각시켜야 한다.
한편, 전극(570)의 저항값은 전극(570)의 길이에 비례하고 전극(570)의 단면적에 반비례한다. 따라서 종래의 태양전지 모듈(140)의 솔라셀(130)을 도 5에서 도 시한 바와 같이 종래의 솔라셀(130)을 복수개로 분할함으로써 솔라셀(130)에 형성된 전극(미도시)의 길이를 1/2 또는 1/4 등으로 줄임으로써 서브셀(530) 내부의 저항을 감소시킬 수 있고, 결과적으로 저항에 의한 발열을 억제하여 태양전지 모듈(140)의 효율을 향상시키고 서브셀(530)의 수명을 연장시킨다.
도 6은 본 발명에 따른 태양광 발전용 집광유닛을 사용했을 때의 발전 효과를 도시한 막대그래프이다.
610은 집광부가 없는 종래의 태양전지 모듈의 발전량을 나타내는 막대, 620은 본 발명에 따른 태양광 발전용 집광판을 이용한 집광유닛의 발전량을 나타내는 막대, 630은 종래의 집광렌즈를 이용한 집광유닛의 발전량을 나타내는 막대이다.
가로축의 숫자는 날짜를 나타내고 세로축의 수치는 전기 생산량을 나타낸다.
도 6에 도시한 바와 같이 집광판 또는 집광렌즈의 유무에 따라 약 3배의 효율차이가 있으며 종래의 집광렌즈를 이용한 집광유닛보다 본 발명에 따른 집광유닛의 발전 성능이 우수한 것을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 집광판과 태양 추적 장치를 이용하여 동일한 면적의 솔라셀로 입사하는 태양광량을 늘려 발전량은 증대시키는 한편, 증가한 태양광량으로 늘어난 발전량에 의해 발생하는 열은 솔라셀을 다수개로 분할함으로 인해 서브셀에 형성된 전극의 길이가 단축되고 저항이 감소하여 발열을 억제하고, 서브셀 저면에 위치한 발열판으로 발열함으로써 이중으로 냉각하여 서브셀의 효율을 증대시키는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 집광형 태양광 발전에 구비되며 태양광을 흡수해 전기를 생산하기 위한 태양광 발전용 집광유닛에 있어서,
    상기 태양광을 집광하는 집광부;
    상기 집광부에 의해 집광된 태양광을 흡수하여 전기를 발생하는 솔라셀을 직렬 또는 병렬로 배열한 태양전지 모듈;
    상기 태양전지 모듈에 축적되는 열을 냉각하기 위한 발열판; 및
    상기 집광부와 상기 태양전지 모듈 간의 간격을 유지 및 지지하기 위한 골격구조인 프레임을 포함하되,
    상기 솔라셀을 복수개의 셀로 분할하여 전극에서 발생하는 주울(Joule) 열을 감소시킨 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 집광유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광부는 광투과성이 높은 투명한 재질로 구성되어 상기 태양전지 모듈의 수직 상부 좌우측에 위치하도록 상기 프레임에 고정되어 있으며, 상기 좌우측에 설치된 상기 집광부 사이에는 상기 태양광을 상기 태양전지 모듈로 직접 입사시키기 위한 개구(開口)가 형성되어 있는 집광판인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 집광유닛.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 집광판의 윗면에는 복수개의 경사면이 연속적으로 형성되어 상기 태양광을 굴절시키고, 상기 개구의 중심으로부터 멀어질수록 상기 경사면의 경사각이 커지는 집광판인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 집광유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광부는 광투과성이 높은 투명한 재질로 구성되어 상기 태양전지 모듈의 수직 상부에 위치하도록 상기 프레임에 고정되어 있으며, 상기 집광부의 단면 중앙에는 볼록렌즈의 형상인 제 1 집광부가 구비되어 있고, 상기 제 1 집광부의 좌우측에는 복수개의 경사면이 연속적으로 형성되어 상기 태양광을 굴절시키고, 상기 제 1 집광부의 중심으로부터 멀어질수록 상기 경사면의 경사각이 커지는 제 2 집광부를 구비한 집광렌즈인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 집광유닛.
  5. 입사하는 태양광의 각도가 항상 수직하도록 유지하는 태양광 발전기용 태양 추적장치에 있어서,
    태양광 발전용 집광유닛을 복수개 배열한 집광 모듈;
    태양의 위치를 감지하는 센서;
    상기 센서로부터 정보를 수신하고, 수신한 상기 정보에 따라 전기신호를 출력하는 콘트롤 박스;
    상기 콘트롤 박스에서 출력한 전기신호를 수신하여 상기 집광 모듈을 구동하 는 구동부; 및
    상기 집광 모듈, 상기 센서, 상기 콘트롤 박스 및 상기 구동부를 지지하는 태양 추적장치 프레임을 포함하되,
    상기 집광 모듈의 집광부는 광투과성이 높은 투명한 재질로 구성되어 솔라셀이 다수 설치된 태양전지 모듈의 수직 상부 좌우측에 위치하도록 고정되어 있으며, 상기 좌우측 사이에는 상기 태양광을 상기 태양전지 모듈로 직접 입사시키기 위한 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 태양 추적장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 집광유닛의 윗면에는 복수개의 경사면이 연속적으로 형성되어 상기 태양광을 굴절시키고, 상기 개구의 중심으로부터 멀어질수록 상기 경사면의 경사각이 커지는 집광판인 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 태양 추적장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 솔라셀을 복수개의 서브셀로 분할하여 전극에서 발생하는 주울(Joule) 열을 감소시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전용 태양 추적장치.
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