KR20070104300A - 태양전지 집속모듈 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광을 집속하여 태양광의 밀도를 증가시키는 광집속광학장치를 평판형 태양전지모듈에 결합시킨 광집속형 태양전지모듈에 관한 것으로 특히 구체화된 태양전지 집속모듈(또는 광집속형 태양전지모듈) 구조에 관한 것이다.

본 발명에 따른 광집속형 태양전지모듈 구조는 태양광을 집속하여 에너지 밀도를 높인 집속광학장치를 평판형 태양전지에 결합한 태양전지 집속모듈에 있어서, 평판형 태양전지는 소정의 폭으로 다수개의 태양전지가 전기적으로 직렬로 연결되어 연속적으로 줄을 이루어 형성되는 태양전지 스트링을 이루고, 다수의 태양전지 스트링이 소정의 폭 만큼 이격되어 열을 이루어 태양전지 모듈을 이루고,

태양전지 모듈의 상부면에 각 태양전지 스트링의 태양전지의 가장자리를 따라 열을 이룬 다수의 반사면으로 된 집속광학장치는 반사면과 반사면이 서로 연결되어 하나의 몸체를 이룬 것을 특징으로 한 태양전지 집속모듈 구조이다.

Description

태양전지 집속모듈 구조 {Concentrating Photovoltaic module Structure}

도 1은 종래의 평판형 태양전지 모듈 구조도

도 2는 태양전지 모듈에 적용되는 집속광학장치 개념도

도 3은 태양전지 모듈/스트링 적층 단면 구조도

도 4는 본 발명에 따른 구조를 갖는 태양전지 집속모듈에 적용되는 태양전지 스트링의 단면도

도 5는 본 발명에 따른 구조를 갖는 태양전지 집속모듈에 적용되는 반사경의 단면도

도 6은 태양전지 스트링과 광집속장치가 결합된 태양전지 집속 모듈 구조 단면도

도 7은 본 발명에 따른 구조를 갖는 2차원 태양전지 집속 모듈 사시도

도 8은 본 발명에 따른 구조로 이루어진 태양전지 집속모듈 설명도

도 9는 도 8에 도시된 태양전지 집속모듈의 입체도

도 10은 본 발명에 따른 구조를 갖는 태양전지 집속모듈에 적용되는 태양전지 모듈의 평면 구조도

도 11은 본 발명에 따른 구조를 갖는 태양전지 집속모듈에 적용되는 광집속장치 입체적 구조도

도 12는 본 발명에 따른 구조를 갖는 태양전지 집속모듈에 적용되는 광집속장치 입체적 구조도

도 13은 본 발명에 따른 구조를 갖는 태양전지 집속모듈의 사시도

도 14는 본 발명에 따른 구조를 갖는 태양전지 집속모듈에 적용되는 광집속장치에 있어 반사경과 반사경의 연결구조도

도 15는 반사면 지지대의 단면도

도 16은 본 발명에 따른 구조를 갖는 태양전지 집속모듈에 적용되는 광집속장치에 있어 반사경과 반사면 지지대의 결합상태 사시도

도 17은 본 발명에 따른 구조를 갖는 태양전지 집속모듈에 있어 광집속장치와 태양전지 모듈의 분해 가능한 결합상태 설명도

도 18 과 도 19 는 본 발명에 있어서 광집속장치와 태양전지 모듈 사이에 틈을 형성시킨 개념도

도 20는 광집속장치와 태양전지 모듈 사이에 틈을 형성시킨 반사경 지지대를 사용한 본 발명에 따른 태양전지 집속모듈의 사시도(a)와 평면도 및 측면도(b)

도 21은 반사경 지지대를 사용한 본 발명에 따른 태양전지 집속모듈의 결합구조 사시도

도 22는 반사경 지지대 사시도

도 23은 본 발명에 따른 구조의 태양전지 집속모듈에 있어 3차원 태양전지 집속모듈에 적용되는 변형된 평판형 태양전지 모듈

도 24는 본 발명에 따른 구조의 태양전지 집속모듈에 있어 3차원 태양전지 집속모듈에 적용되는 집속광학장치

도 25는 본 발명에 따른 구조의 태양전지 집속모듈에 있어 3차원 태양전지 집속모듈의 태양전지 모듈과 광집속장치의 결합위치 설명도

본 발명은 태양광을 집속하여 태양광의 밀도를 증가시키는 광집속광학장치를 평판형 태양전지모듈에 결합시킨 광집속형 태양전지모듈에 관한 것으로 특히 구체화된 태양전지 집속모듈(또는 광집속형 태양전지모듈) 구조에 관한 것이다.

현재 연구 개발되고 있는 집속광학장치는 전통적으로 태양열용으로 반사광학을 이용한 장치가 사용되고, 태양전지용으로 렌즈를 이용한 장치가 적용되고 있다.

결론적으로 반사광학을 이용한 장치나 렌즈를 이용한 장치이거나 구분이 없는 것으로 평가되고 있으나, 반사광학을 이용한 집속광학장치의 장점을 강조한다면

① 비축(사선) 입사광선의 시야(수광도)의 증가

② 집속된 에너지 분포의 균일성

③ 한계 입사각의 범위 확장

④ 산란광의 수광율(밀도)의 증가

⑤ 광학부품 단가의 경제성

⑥ 넓은 오차한계

등의 측면에서 반사광학을 이용한 집속광학장치의 우월성을 비교할 수 있다.

현존 태양전지(Photovoltaic, PV) 모듈(Module)은 일반적으로 평판형 모듈(도 1)로서 반도체(예: Si)의 특성을 이용하여 일정 크기(예: 125㎜ x 125㎜)의 태양전지(PV Cell)를 만들고 이 전지들을 직렬로 연결하여(String 이라 칭함) 요구되는 일정전압을 형성하고 일정 개수의 본 String을 직렬 또는 병렬로 연결하여 요구되는 전압과 전류가 생성되도록 조절하여 일정범위의 전력(=전류 x 접압)을 발생하는 일종의 태양전지 모듈을 형성한다. 1 개 또는 다수개의 단위모듈을 직렬 및 병렬로 연결하여 본 모듈의 전지의 표면에 자연태양의 방사가 조사되면 광전효과에 의하여 요구되는 직류전기가 생성된다. 이와 같이 생성된 직류전력을 직접 사용하거나 또는 인버터(Inverter)를 사용하여 교류전원으로 변환하여 사용한다.

면적이 125㎜ x 125㎜인 결정질 실리콘(Si) 태양전지의 전기적 특성은 표준조건(1.5의 공기질량(Air mass), 1000W/㎡의 일사량 및 25℃의 태양전지 표면온도)에서 개방전압이 약 0.6V, 단락전류가 약 3∼6A이며 최대출력은 태양전지의 효율에 따라 약 2∼3W의 직류전력을 발생한다.

평판형 태양전지 모듈의 효율은 대략 (15±5)％의 영역에 있다. 즉 상술한 표준조건에서 태양전지의 면적이 1㎡인 태양전지 모듈은 약 150±50W의 전력을 생성한다.

현존 평판형 태양전지 모듈은 주로 고가의 반도체 자재로 인하여 고가(예: 결정질 Si 약＄3∼4/W)이다.

대부분의 일반 태양전지 모듈은 Si을 사용하며 태양전지모듈의 단가구성은 반도체 Si전지의 값이 50％이상을 차지하고 있다. 따라서 태양전지의 단가를 줄이 거나 또는 동일한 출력에 대하여 태양전지의 사용면적을 줄일 수 있는 방안이 요구되고 있다.

따라서 종래부터 태양광을 집속하여 광밀도를 증가시키기 위한 광집속장치를 접목시킨 광집속형 태양전지모듈이 제안되고 있다.

상기 광집속형 태양전지 모듈은 사용하는 태양전지 면적에 대하여 생성되는 전기출력이 장치의 집속비(예: ＜10)에 따라 증가하므로 장치의 생산 전기출력당 장치의 설치단가(＄/W)를 많이 줄여준다.

즉 광집속형 태양전지모듈은 평판형 모듈과 동일한 태양전지의 사용면적에 대하여 모듈의 단가를 많이 줄일 수 있다.

집속광학장치의 기능적 기본 목적은 태양에너지의 흐름밀도(Flux density)를 증가시켜 요구되는 에너지로 효율적이고 경제적으로 변환시키도록 하는데 있다. 이러한 장치의 기능을 특성화할 수 있는 지수는 평균 집속인자(또는 집광인자, Concentration factor)이다. 집속비(Concentration ratio, C)는 수광면에 집속된 평균 에너지밀도(Ic)의 수직입사일사량(Is)에 대한 비율(C=Is/Ic)로 정의된다.

집속비의 최대영역은 2차원(선형 초점광학)의 경우 213, 3차원(점 초점광학)의 경우 45,300 이며, 집속비에 비례하여 출력이 증가된다.

예로서 상술한 예와 같이 면적이 1㎡으로 150W의 순간전력을 생성하는 평판형 태양전지에 대하여 집속비가 2 인 집속장치를 적용하면 이론적으로 약 300W의 전력이 생성된다. 그러나 태양전지의 온도 상승과 광학부품에 의한 광손실 제작오차 등으로 인하여 약 15∼25％ 정도의 출력손실이 야기되어 약 240W 의 유효전력이 생성된다.

광집속형(Concentrator) 태양전지 모듈에는 광학 렌즈([도 2(a)]) 또는 반사경([도 2(b)])을 이용하여 태양전지에 조사되는 태양에너지의 밀도를 증가시키는 집속광학장치가 전기출력을 높여주는 수단으로 사용된다.

종래의 광집속형 태영전지 모듈에 관한 개념을 포함한 선행 특허는 미국특허(US) 4069812호(특허권자 ; M.J. O'Neil, 발명의 명칭 ; Solar concentrator and energy collection system, 1978)와 US 4003638호(특허권자 ; R. Winston, 발명의 명칭 : Radiant energy concentration, 1977)가 있는데, 각 각 렌즈형과 반사형 집속광학장치에 대한 원리의 이론적인 개념을 제안하고 있다.

일반적으로 집속광학장치의 사용은 태양전지발전장치의 출력효율을 증대시킬 뿐만 아니라 고가의 반도체 자재비와 같은 설치비용에 관한 외부인자의 영향에 대한 저항을 증가시킴으로서 출력의 경제성과 운영지수를 개량시킨다.

태양열을 이용하여 매체의 고온을 생성시키는 집속광학장치는 많이 소개되어 있다. 그러나 태양광을 이용하여 전기를 생성하는 태양전지모듈에 집속광학장치를 적용한 광집속형 태양전지모듈에 관한 다양한 연구/개발이 진행되고 있으나 아직 상용화가 활성화되어 있지 않다.

본 발명의 목적은 추상적 개념상태에 있는 반사경을 사용하는 집속형 태양전지모듈의 상용화를 도모한 구체적인 설계구조를 제안하고자 한 것으로, 집속형 태양전지 모듈의 설계/제작에 있어서 태양전지 모듈과 태양에너지를 집속하는 집속광 학장치를 결합함에 있어서, 일체형 또는 분리형으로 결합하는 구조를 제안하고자 한다.

본 발명에 따른 광집속형 태양전지모듈 구조는 평판형 태양전지모듈 또는 스트링에 태양에너지를 집속하는 집속광학장치를 결합시킨 구조인데, 집속광학장치는 반사면을 이용하는 반사형 집속광학장치이고, 태양전지모듈은 평판형 태양전지모듈 또는 스트링(String)으로, 각 장치는 각각 독립적으로 제작하여 일체형 또는 분리형으로 결합한 구조를 갖도록 한다.

1) 일체형 태양전지 집속모듈 구조

선정한 광집속형 태양전지모듈 구조(예: 집속비, 2차원/3차원 모형 등)를 위하여 평판형과 유사한 태양전지 스트링(String)을 제작하고 반사면을 이용한 집속광학장치를 제작하여, 상기 2 종의 독립된 개체를 결합하되 결합부위의 가장자리 면을 잘 밀봉(Sealing)하여 외부로부터 환경적 오염이 침투하지 않도록 일종의 밀봉케이스(Sealing cas)를 고용한다.

즉 본 발명에 따른 태양전지 집속모듈 구조는 태양광을 집속하여 에너지 밀도를 높인 집속광학장치를 평판형 태양전지에 결합한 태양전지 집속모듈인 것으로, 평판형 태양전지는 소정의 폭으로 다수개의 태양전지를 연속적으로 전기적으로 직렬로 연결하여 태양전지 스트링을 이루고, 다수의 태양전지 스트링이 소정의 폭 만큼 이격되어 열을 이루고 전기적으로 서로 연결하어 태양전지 모듈을 이루고,

태양전지 모듈의 상부면에 각 태양전지 스트링의 가장자리를 따라 열을 이룬 다수의 반사면으로 형성된 집속광학장치는 각 반사면이 서로 연결되어 하나의 몸체를 이룬 구조이다.

(1) 평판형 태양전지 스트링(String) 구조

(1) 현존 평판형 태양전지 구성 구조

평판형 태양전지 모듈은 일정 개수의 태양전지(PV cell)를 직렬로 연결하여 1 개의 String을 형성하고 저철분 판유리를 기판으로 하여 EVA(Ethylene Vinyl Acetate), 태양전지 String, EVA, Back Sheet(예: TPT(Tedlar-Polyethylene-Tedlar), AI 등)의 순서로 적층하여 라미네이터(Laminator)장치에서 일정온도와 진공압력으로 각 층을 서로 접착시켜 모듈을 제작한다.

이와 같이 적층하는 이유는 Si재질의 태양전지는 습기에 약하며 또한 얇은 층(200∼300㎛)으로 제작되어 있어 깨어지기 쉽기 때문에 태양전지를 보호하기 위함이다.

즉 태양전지 앞 표면의 판유리(저철분)와 배면의 백시트(Back Sheet)로 태양전지의 앞면과 배면을 외부오염의 침입을 방지하며 동시에 앞면의 강화된 판유리는 약 3.3㎜의 두께로 태양광을 투과시키며 태양전지가 깨어지지 않도록 지탱하여 준다. EVA는 각 층간을 접착시키는 일종의 접착제 역할을 한다.

이와 같이 제작된 모듈의 가장자리 부분에서 습기 또는 외부오염(예: 산, 알카리 성분) 등이 스며들지 못하도록 봉함(Sealing; 예: Silicone rubber) 을 하며 동시에 모듈 판이 휘지 않도록 지지하여주는 견고한 프레임(Frame; 알루미늄, 플라스틱 등)으로 구성된다. 이와 같이 형성된 태양전지모듈의 표면은 [도 1]과 같다.

본 발명에 요구되는 모형의 태양전지 모듈을 제작하기 위하여 태양전지의 기본 적층 및 라미네이션(Lamination) 방법은 동일하다. 스트링(String)의 적층 구조는 도 3(a) 또는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 상층으로부터 유리판(또는 Tefzel), EVA; 태양전지, EVA, 백시트(TPT(Tedlar-Polyester- Tedlar), 알루미늄판 또는 유리판 등)의 순서로 적층된 구조를 선택할 수 있다.

도 3(b)에 도시된 태양전지 스트링의 장점은 테프젤필름(Tefzel film) 또는 폴리에스터(Polyester)의 두께를 도 3(a) 구조의 판유리의 두께보다 얇게(∼600㎛) 할 수 있어 집속장치의 출구면에 태양전지 스트링을 더욱 가까이 밀착시킬 수 있어 집속된 광의 손실을 최소화 할 수 있다.

다수개의 태양전지를 직렬로 연결하여 상술한 방법으로 집속형 태양전지모듈을 위한 스트링(String)을 제작할 수 있다.

본 발명의 구조에서 태양전지 스트링(String)의 배면을 알루미늄판(두께: ∼0.5 - 2㎜)을 채용한 이유는 태양전지가 고온으로 운영될 경우 일종의 방열판으로 겸용하기 위함이다.

이 경우 태양전지와 알루미늄판 사이에 전기적으로 접촉이 되지 않도록 전기적으로 부도체이며 동시에 열적으로 도체인 자재(예: Epoxy)를 삽입할 수 있다(도 4).

다수개의 태양전지를 직렬로 연결하여 상술한 방법으로 집속형 태양전지모듈을 위한 스트링(String)을 제작할 수 있다(도 4). 상기 스트링의 적층구조는 도 3 (a) 또는 도 3 (b)에 도시된 구조와 같다.

(2) 2차원 반사경

본 발명에서는 광집속광학장치로 2차원 반사경을 고용하고자 한다. 반사면의 곡면의 궤적은 2차원 곡면 또는 다차원 곡면으로 다양하나(예: 포물선의 구조) 본 명세서에서는 하나의 직선으로 용도에 따라 선정되는 제반 곡면의 궤적을 대표하여 표시하여 설명하기로 한다.

반사경의 구조는 태양전지 스트링(String)과 결합하는 모형에 따라 서로 다른 구조를 설계할 수 있다.(도 5)

도 5 (a)에 도시된 반사면은 1 개의 반사면 부품으로 형성된 일체형 반사면 구조이며, 도 5(b,c)에 도시된 반사면은 2 개의 대칭된 반사면 부품으로 형성된 분리형 반사면 구조이다. 도 5(d)에 도시된 반사면은 도 5(a)의 일체형 반사면 구조에서 제작공정상 어려움이 있을 때 2개의 대칭부품으로 제작하되 태양전지 스트링(String)과 결합한 후 적절한 실링(Sealing) 수단을 적용하여 이루어진 상기 일체형과 분리형 반사면을 절충한 분리된 일체형 반사면 구조이다.

상기 일체형 반사면은 반사면 하단에 태양전지 스트링을 수납할 수 있는 단면이 사각(4角) 공간이 연장된 형태로 양 반사면이 서로 연결된 일체형의 구조로, 경사면 또는 곡면으로 된 반사면의 하단에 연장되어 단면이 사각 주머니 형태로 절곡된 긴 도랑형태를 취하여 태양전지 스트링이 수납되는 공간이 확보되면서 양측 반사면은 태양전지 스트링 수납공간을 통해 연장되어 일체형을 이룬다.

상기 분리형 반사면(도 5(b))은 태양전지 스트링이 반사면 저면에 부착될 수 있는 구조로써 양 반사면이 분리된 형태의 것으로 양측 각 반사면의 하단은 수평으 로 돌출된 조립면이 형성된다. 도 5(c)의 구조는 반사면의 양 하단이 태양전지 스트링의 일렬의 태양전지 가장자리에 위치하여 부착되는 구조이다.

도 5(d)는 분리된 일체형 반사면으로 일체형 반사면과 분리형 반사면을 절충한 구조로 일체형 반사면의 하단 4각 단면으로 절곡된 태양전지 스트링 수납공간의 기저면이 절반으로 절단되어 양 반사면이 분리된 구조를 이룬 것이다.

(3) 태양전지 스트링과 반사면의 결합구조

상술한 태양전지 스트링(String)과 집속광학장치와 결합된 구조는 도 6(a)과 도 6(b)에 도시한 것과 같다.

상기 도 6(a)는 도 5(a)의 일체형 반사면과 태양전지 스트링이 결합된 구조를 도시하고 있고, 도 6(b)는 도 5(b)의 분리형 반사면과 태양전지 스트링이 결합된 구조를 도시하고 있다.

도 6(a)의 결합구조는 도 5(a)에 도시된 일체형 반사면의 긴 도랑형태로 일체형으로 절곡되어 확보된 태양전지 스트링 수납공간에 태양전지 스트링이 삽입된다.

상기 태양전지 스트링의 측면은 밀봉재(예: Silicone rubber)가 접착되어 있다.

도 6(b)의 결합구조는 도 5(b)의 분리형 반사면 구조의 반사면과 도 4구조의 태양전지 스트링(String)이 접하여 있고 반사면의 하부측에 수평으로 돌출된 조립면과 태양전지 스트링의 측면을 밀봉하는 별도의 부품인 "ㄷ" 자형 밀봉 케이스를 삽입하여 반사면과 태양전지 스트링 간의 접촉된 위치를 고정하여 준다. 도 6(c)의 결합구조는 도 5(c)의 반사면 구조의 하단이 일종의 앵글(Angle)모양의 지지대의 일면과 결합하고 본 앵글의 디른 면은 도 6(b)의 구조와 동일하게 태양전지 스트링과 접하여 있어 본질적으로 도 6(b)와 동일한 구조이다.

일체형 반사면 구조를 고용한 모듈의 단면 모형은 6(a)에 도시되고 입체형 모형은 도 7(a)에 도시하였다. 분리형 반사면 구조를 고용한 모듈의 단면 모형은 6(b)에 도시되고 입체형 모형은 도 7(b)에 도시하였다.

본 발명에 따른 집속형 태양전지모듈구조에 있어서 상술한 바와 같이 일체형 또는 분리형 집속광학장치와 태양전지 스트링이 결합된 것을 집속형 단위모듈이라 정의한다.

(4) 광집속형 2차원 태양전지 모듈모형

다수개의 광집속형 단위 태양전지모듈을 배열하고 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결하여 일정 전압과 전기출력을 생성하도록 구성된 하나의 모듈모형은 도 8, 도 9와 같다. 여기에 반사면은 포물선과 같은 곡면을 적용하였다.

2) 분리형 태양전지 집속모듈 구조

분리형 태양전지 집속형 모듈은 평판형 태양전지모듈(도 1)의 구조위에 태양에너지를 고밀도로 집속하는 광집속 광학구조를 접착시켜 도 8 및 도 9와 유사하게 형성된 구조이다. 단 태양전지 모듈의 태양전지 표면이 반사광학구조의 출구면과 서로 대응되도록 각 태양전지 스트링(String)간의 간격이 이격된 모형으로 형성된다. 스트링(String) 간의 이격된 거리는 선정하는 광학장치의 집속비와 구조에 의존된다.

(1) 평판형 태양전지 모듈모형 (분리형 집속모듈을 위한 구조)

도 1에 도시한 평판형 모듈은 10 개의 태양전지(Cell)를 직렬로 연결하여 1개의 String을 형성하고 4개의 String을 직렬로 연결하여 1 개의 단위모듈을 구성하고 있다.

예로서 도 1의 구조에서 집속비가 2인 집속모듈을 설계하려면 태양전지를 도 10과 같이 배열하여 도 1과 동일한 크기의 유사한 평판형 모듈을 구성하되 2개의 스트링(String)만을 사용하여 태양전지의 면적을 반으로 줄인다. 본 모듈의 제반 제작공정은 평판형 모듈의 제작과 동일하다.

(2) 집속형 2차원 반사경 모형 (분리형 집속모듈을 위한 구조)

상기 단위 모듈과 결합될 반사광학장치는 도 2(b)에 도시된 단면의 반사경을 도 11과 같이 구성하되 출구면의 폭은 태양전지 스트링(String)의 폭(2a')과 동일하게 구성하고 개구면의 폭은 태양전지 폭의 2배로 즉 4a'로 하여 장치의 집속비(C)가 2가 되도록 선정하고 동일한 단면에서 본 단면에 수직하게 전술한 String의 길이만큼 연장하여 여물통 모양의 반사경 구조를 형성한다(도 10,도 11).

반사면의 하향 끝단은 도 12에 도시된 바와 같은 형태로 외측으로 절곡하여 구조적으로 안정성을 확보하도록 할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같은 구조로 된 반사면의 경우 반사면의 저면측에 일종의 앵글 또는 삼각형 형태의 반사면 지지대를 받쳐 구조적으로 안정을 꾀한다.

이같은 반사면 지지대는 도 12의 끝단이 절곡된 반사면의 경우에도 사용될 수 있다.

(3) 집속형 2차원 태양전지모듈 모형

2개의 본 단위 반사면 구조(도 11 또는 도 12)를 도 10의 평판형 단위모듈에 결합하되 태양전지의 표면과 반사면 구조의 출구면이 서로 겹칠 수 있는 위치에 놓아 결합한다. 이와 같이 형성된 집속형 2차원 태양전지 모듈은 도 13와 같은 구조의 모형으로 형성된다.

본 광학장치 구조의 단면은 2개의 반사면의 하향 끝단이 태양전지의 폭만큼 이격되어 있고 상단은 개구면 폭으로 2a=2a'*C 만큼 이격외어 서로 대칭으로 대향하고 있다.

(4) 집속형 2차원 태양전지모듈 모형의 변형

다수개의 String 과 결합되는 경우에는 2개의 인접 반사경은 중앙 상위 첨단부위를 서로 연결하여 한 개의 단위 반사경으로 연결된 모형으로 제작할 수 있다(도 14 참조). 이 경우 2 반사면의 상위 부위의 이격된 공간(d)의 폭만큼 반사면 제작상의 절곡반경, 제작오차 등으로 적용할 수 있다.

반사면의 곡면의 궤적을 유지하기 위하여 반사면의 뒷면에 반사면지지대를 부착할 수 있다(도 15). 또한 다수 개의 반사광학 구조의 조합으로 조립된 위치를 고정하기 위하여 조립된 광학구조의 양 측면에 일종의 지지판을 형성할 수 있다(도 16).

3) 힌지 분리형 태양전지 집속모듈

태양전지 모듈은 시간이 흐름에 따라 먼지 비 눈 등 외부환경 조건에 따라 성능이 감소된다. 먼지의 축적 결로현상 산성 또는 알카리성 비 눈에 의한 부품의 부식 등으로 성능이 감소된다. 따라서 때로는 태양전지 모듈을 바람 또는 물로 세척할 필요가 있다. 이러한 경우를 대비하여 태양전지 모듈과 집속광학모듈을 쉽게 분리하여 세척할 수 있도록 집속형 태양전지 모듈의 구조를 고안할 필요가 있다. 즉 평판형 태양전지 모듈과 집속 광학모듈을 예로서 Hinge로 결합하여 열고 닫는 형식의 결합을 고안할 수 있다.

즉 도 17에 도시된 바와 같이 반사면과 반사면이 상단으로 연결되어 하나의 몸체를 이룬 집속광학장치가 태양전지 모듈의 상부에 결함에 있어, 집속광학장치와 태양전지 모듈이 일 측면에서 힌지로 연결되고, 상기 힌지에 대향되는 측면에서 갈고리로 상호 결합하도록 하여 광학장치와 태양전지 모듈이 임의로 분리가 가능한 구조로 하여 태양전지 모듈의 표면에 집적된 이물질을 세척할 수 있도록 한다.

4) 태양전지 모듈 표면과 반사면의 이격구조에 의한 오물 제거용이 방안

설치된 태양전지 모듈(장치)은 먼지, 황사, 비(산성, 알카리성 성분 포함), 새 또는 동물의 분비물 등이 축적되고 오염되어 출력의 감소를 초래한다. 특히 본 집속형 태양전지 모듈이 동서방향으로 설치되었을 경우 구조의 특성상 이러한 오물이 태양전지 표면 및 반사면에 축적된다. 이러한 오염을 일반적으로 자연 또는 인위적인 바람 또는 물로 씻어 낸다. 본 발명에 따른 집속형 모듈의 구조는 다수개의 반사면으로 형성된 구조로 인히여 층층이 턱의 모양으로 구성되어 있어 잘 세척되지 않을 수 있다. 따라서 도 18 내지 도 19에 도시된 바와 같이 태양전지 모듈의 표면과 반사면 구조 사이를 이격시키면 평판형 태양전지 모듈과 반사면 구조 사이에 축적된 오물을 쉽게 제거할 수 있다.

반사면과 태양전지 모듈 표면간의 이격구조는 반사면 지지대의 높이가 반사면의 하단과 태양전지 스트링의 표면 간을 이격할 수 있는 높이로 설계함으로써 달성될 수 있다.(도 20 내지 도 22 참조)

즉 도 22에 도시된 바처럼 반사면 지지대의 하부 측 중앙을 돌출시켜 높이를 조절하여 지지대의 돌출된 중앙에 의하여 지지대의 저면 양측이 태양전지의 표면과 이격된 구조를 취하여 이격된 공간을 통해 태양전지 표면에 축적된 이물질을 세척할 수 있게 한다(도 21 및 도 22참조)

본 발명에 따른 모듈이 남북방향으로 설치된 경우에는 오물이 하향하여 씻겨 나갈 수 있으므로 평판형 모듈과 반사면 구조사이를 반드시 이격시킬 필요는 없다.

3차원 모듈 모형

본 발명에 따른 태양전지 집속모듈을 설명함에 있어서, 상술한 설명은 2차원 여물통형 구조를 갖는 광학집속장치를 근거로 하고 있는데, 본 발명에 따른 태양전지 집속모듈의 권리범위가 이에 국한되는 것은 아니고, 원반형 렌즈를 이용한 광학집속장치 및 3차원 원추곡면의 단면으로 형성되는 원뿔형태의 광학집속장치를 이용한 태양전지 집속모듈을 포함한다.

즉 렌즈 또는 반사경을 사용하는 3차원 원뿔형태는 평판형 구조에서 도 23에 도시하듯이 각 각의 태양전지를 광학장치의 개구면의 폭(2a)만큼 이격시켜 배열하여 평판형 모듈을 구성하고, 도 24에 제시한 3차원 원뿔형 단위 광학장치를 선정하여 본 광학장치의 출구면이 1 개 또는 다수개의 태양전지를 하나의 묶음으로 형성된 평판형 태양전지(PV Cell) 표면에 놓이도록 구성한다(도 25).

태양전지의 배열구조는 부분적으로라도 벌집구조의 Pattern으로 구성하면 소요되는 분포면적을 최소화할 수 있다.

본 발명에 따른 태양전지 집속모둘은 최초로 개념적인 태양전지 집속모듈을 실제적으로 제작 가능한 제품으로 구체화한 것으로 그 제작 공정상의 간편화를 도모함과 동시에 모듈의 경량화, 제품의 신뢰성 향상, 응용의 다양화 및 단가(＄/W)를 줄임으로서 경제적 효과를 부여하고자 한 것으로 아래에 열거한 바와 같은 장점이 있다.

1. 기존의 평판형 태양전지 모듈에서 String의 개수를 고용하는 광학장치의 집속비에 비례하여 줄임으로서 고가의 태양전지의 사용량을 줄여 태양전지모듈의 단가를 20∼30％ 절감할 수 있다.

본 발명에서 태양전지 스트링은 기존의 평판형 모듈의 제조공정과 동일하여 태양전지의 성능 및 신뢰성이 유지되며 고용하는 광학장치는 태양열 이용 부문에서 적용되고 있는 기술로서 신뢰성이 유지된다.

기존의 태양전지 모듈과 집속광학장치를 서로 결합함에 있어 본 발명에서 제시하고 있는 모형은 2 종의 독립된 장치를 구조적으로 또한 기계적으로 결합함으로서 결합된 장치의 특성은 각 장치의 특성에 의존된다.

따라서 스트링 간의 간격을 적정 거리로 이격시킨 평판형 모듈을 고용함으로서 이미 인증된 성능 및 신뢰성을 확보할 수 있으며, 인증된 광학부품을 고용함으로서 광부품의 성능 및 신뢰성이 인증될 수 있으며, 태양전지 모듈과 집속광학모듈 을 지정된 위치에 서로 결합되도록 기계적으로 접목시킴으로서 제조상에 큰 무리가 없어 시스템의 생산 및 조립공정이 간단하며 따라서 생산단가가 줄어든다.

2. 집속광학장치에 의하여 고밀도로 집속된 에너지로 인하여 고온이 발생할 경우 모듈의 배면에 방열판을 독립적으로 쉽게 접착할 수 있어 개량의 간편성을 제공한다.

3. 파손 등에 의한 유지보수의 경우 태양전지모듈과 광학모듈을 쉽게 분리하여 각각 독립적으로 보수하거나 대치할 수 있다.

4. 알루미늄 판을 백시트(Back Sheet)로 고용한 태양전지 모듈은 건물일체형(BIPV, Building Integrated Photovoltaic)에 적용하는 모듈의 열전도의 확률을 높여 주어 더욱 유용하며 또한 태양전지-태양열 혼합 결합장치에 유용하다.

5. 응용에 따라 2차원 3차원 집속모듈이 가능하다.

6. 본 장치는 위치고정형 또는 태양추적형 시스템에도 특별한 개량/변경사항이 없이 적용될 수 있다.

7. 본 발명에 따른 구조의 태양전지 집속모듈은 집속광학장치가 설치됨으로 인하여 먼지 등 오물이 축적되지 않도록 태양전지 모듈 표면에서 집속광학장치가 소정의 높이로 이격시켜 틈을 만들어 오물 등이 제거되도록 하여 제품의 신뢰도를 제고하였다.

Claims (4)

1. 태양광을 집속하여 에너지 밀도를 높인 집속광학장치를 평판형 태양전지에 결합한 태양전지 집속모듈에 있어서, 평판형 태양전지는 소정의 폭으로 다수개의 태양전지가 전기적으로 직렬로 연결되어 연속적으로 줄을 이루어 형성되는 태양전지 스트링을 이루고, 다수의 태양전지 스트링이 소정의 폭 만큼 이격되어 열을 이루어 태양전지 모듈을 이루고,

   태양전지 모듈의 상부면에 각 태양전지 스트링의 태양전지의 가장자리를 따라 열을 이룬 다수의 반사면으로 된 집속광학장치는 반사면과 반사면이 서로 연결되어 하나의 몸체를 이룬 것을 특징으로 한 태양전지 집속모듈 구조
2. 제1항에 있어서, 집속광학장치는 반사면과 반사면이 상단으로 연결되어 하나의 몸체를 이루어 집속광학장치가 태양전지 모듈의 상부에 결함에 있어, 집속광학장치와 태양전지 모듈이 각각 독립되고 분리된 구조이고, 집속광학장치와 태양전지 모듈이 일 측면에서 힌지로 연결되고, 상기 힌지에 대향되는 측면에서 갈고리가 형성되어 상호 결합하도록 하여 광학장치와 태양전지 모듈이 임의로 분리가 가능한 구조로 된 것을 특징으로 한 분리형 태양전지 집속모듈 구조
3. 태양광을 집속하여 에너지 밀도를 높인 집속광학장치를 평판형 태양전지에 결합한 태양전지 집속모듈어 있어서, 평판형 태양전지는 소정의 폭으로 다수개의 태양전지가 연속되어 줄을 이루어 형성된 태양전지 스트링을 하부측으로 이루고, 집속광학장치는 양측 가장자리에서 반사면의 하단이 스트링의 외측으로 수평으로 절곡되어 조립판이 형성되고, 집속광학장치의 양측 가장자리의 상기 조립판과 태양전지 스트링 양측 가장자리 일부를 각각 커버링하며 밀봉하는 단면이 "ㄷ"자 형으로 절곡된 측면덮개가 조립됨으로 인하여 집속광학장치와 태양전지 스트링 일체형으로 결합되고, 일체형으로 결합된 집속광학장치와 태양전지 스트링 복수개가 열을 이루어 정렬되고 서로 전기적으로 연결되어 결합된 것을 특징으로 한 일체형 태양전지 집속모듈 구조
4. 제1항과 제3항에 있어서, 집속광학장치의 반사면 배면을 받치면서 지지하는 반사면 지지대가 형성되며, 상기 반사면 지지대는 반사면의 하단과 태양전지 스트링의 표면 간을 이격할 수 있는 높이로 설계되어 태양전지 모듈의 표면에 쌓인 오물 등이 제거되기 쉬운 구조를 갖도록 한 것을 특징으로 한 태양전지 집속모듈 구조

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