KR20090045474A - 광학시트 부착형 태양광모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학시트 또는 광학필름(100)을 이용하여 태양광모듈(PV Module)에 입사되는 태양광이 수직인 상태가 아닌 경우에도 태양전지(Solar Cell) 표면에 입사되는 태양광을 경사각과 방위각의 변화에 무관하게 항상 수직인 상태로 만들어 줌으로써 태양광모듈의 발전출력 효율을 향상시킬 수 있도록 만든 “광학시트 부착형 태양광모듈(enhanced photovoltaic module with optical sheet)”에 관한 것이다.
본 발명은 태양전지(Solar cell)를 직·병렬 조합으로 구성한 태양광모듈(PV module)의 상부에 프리즘시트(prism-sheet) 및 확산시트(diffusion-sheet)의 조합물을 부착하여, 태양광모듈이 지면과 수직으로 설치 될 수 밖에 없는 건물일체형 외벽 및 창호시스템 발전시설(BIPV : Building Integrated PhotoVoltaic)에서 별도의 설치구조물을 추가하지 않으면서도 설치구조물을 추가한 발전시설과 동일한 발전출력 효율을 얻을 수 있게 한다.
또한 본 발명은 태양광모듈이 지면과 일정각도로 경사지게 고정 설치된 경사고정형 태양광발전시설에서도 최적의 태양광을 수광하기 위하여 태양의 위치를 추적하는 추적형 태양광발전시설과 유사한 발전출력 효율을 별도의 추적 구동시스템 없이도 얻을 수 있게 한다.
태양전지(Solar cell), 태양광모듈(PhotoVoltaic module), 태양광어레이(PV Array), 프리즘시트(prism-sheet), 확산시트(diffusion-sheet) 경사고정형, 단축추적형, 양축추적형, 설치구조물, BIPV(Building Integrated PhotoVoltaic), PVIB(PhotoVoltaic In Building)

Description

광학시트 부착형 태양광모듈{enhanced photovoltaic module with optical sheet}
본 발명은 프리즘시트 부착형 태양광모듈(enhanced phovoltaic module with prismsheet)에 관한 것이다.
종래의 기술은 고정된 태양광 발전시설을 설치함에 있어 최적의 발전출력 효율을 얻을 목적으로 별도의 지지대와 같은 설치구조물 또는 추적시스템을 추가하였다.
그러나 이러한 설치구조물은 추가의 비용과 공간적 제한 사항이 필수적으로 발생되며 태양의 일주 방향을 전자적·기계적으로 추적하여 최적의 발전 효율을 얻을 수 있는 추적형 시스템은 기계적 구동부와 전자적 제어부 등의 시설이 부가되어야 함으로써 이에 따른 추가 비용 및 시설 유지 보수 비용이 발생하게 된다.
본 발명은 이러한 추가비용 및 유지보수 비용이 전혀 발생되지 않으면서 최적의 발전출력 효율을 얻을 수 있는 저비용, 무장애 태양광 발전시설 구축을 목적으로 한다.
태양광모듈(PV Module)은 태양전지의 발전출력을 상용전원으로 변환시킬 수 있는 적당한 전압과 전류를 확보하기 위해 여러 개의 태양전지(Solar cell)를 직·병렬로 구성하고, 설치의 용이성과 외부 충격으로부터의 보호를 목적으로 일정한 프레임으로 마무리한 경고한 형태로 만들어진다.
태양광모듈의 발전출력 효율은 태양광의 입사량에 따라 크게 좌우된다. 태양광모듈 표면에 입사되는 태양광의 경사각(도 2의 θ값)에 따라 100%(30°)~68%(90°)의 발전효율 변화가 발생된다.(경사각 : 대지면과 모듈이 이루는 각. 대지면과 수평일 때 0°, 수직일 때 90°) 또한 동일한 경사각(30°)의 경우에도 방위각(도 3의 ø)에 따라 정남향 100%, 남동?남서 96.2%, 정동 85.3%, 정서 86%, 정북 63.3%의 발전효율이 달라진다.
또한 산업자원부에서는 태양광 발전 시설을 설치할 경우, 방위각(ø)은 정남향을 기준으로 하되 여건이 여의치 않을 경우 정남향±30°으로 유지하고 그림자의 영향을 받지 않는 곳으로 권고하고 있으며, 경사각(θ)은 지역의 여건에 따라 연간 최대 발전량이 가능한 값을 권고하며, 오전 9시에서 오후 3시까지 음영이 발생되지 않는 지역을 권고한 바 있다.
그러나 대부분의 태양광발전 시설에서는 이러한 태양광과 태양전지모듈간의 경사각(θ)과 방위각(ø)에 따른 발전효율 변화에 능동적으로 대처할 수 없는 경사고정형 시설(도 2)이 적용되어있다. 이런 경사고정형 발전 시설은 유지보수 측면에서 추가의 비용이 들지 않는 장점이 있는 반면, 시간의 경과에 따라 태양전지면에 입사되는 태양광의 수평입사각(ø) 변화(도 3)를 충분히 반영할 수가 없어 전체적 인 발전효율이 떨어지는 구조적인 단점을 가지고 있다. 또한 경사고정형 시설에서는 태양광어레이(PV Array)간의 그림자 발생을 방지하기 위해 반드시 최소이격거리(도 5)를 유지해야 하기 때문에 설치공간상의 낭비와 비효율이 발생하게 된다.
전술한 경사고정형 발전시설의 단점을 보완하고, 고가인 태양광모듈의 출력효율을 향상시키기 위한 대안으로 태양의 위치를 추적하는 추적형 태양광발전 장치들이 개발되고 있다.
추적형 시설은 태양광 추적의 방식에 따라 단축형과 양축형으로 구분된다. 단축형은 경사각(θ) 또는 방위각(ø) 중 한 가지만 태양의 일주 방향에 따라 태양광모듈을 회전시키는 방식을 적용한다. 한편 양축형은 경사각(θ)과 방위각(ø) 두 가지를 추적하며 태양광모듈을 회전시키는 방식을 적용한다.
이러한 추적형은 기본적으로 태양과 태양광모듈이 최적의 경사각, 방위각을 이루도록 특별한 기계적·전자적 구동부로 구성되어 있고, 이 구동부는 지속적인 추적결과를 보정하는 제어부의 제어에 의해 움직인다. 그러나 추적형 설비비용이 경사고정형일 경우 300,000원/㎾인데 비하여 단축고정형 1,250,000원/㎾, 양축고정형 2,500,000원/㎾정도 소요된다. 또한 반영구적인 태양광모듈과 달리, 움직이는 구동부와 제어를 담당하는 제어부가 있는 추적형의 경우, 그 구동부의 특성상 필연적으로 발생되는 고장 등의 장애로 인한 발전손실 및 장애방지를 위한 고정적인 시설의 유지비용이 추가로 소요된다.
태앙광과 태양광모듈(PV Module)간의 방위각(ø) 및 경사각(θ)의 변화에 상관없이 항상 태양전지 전면에 수직으로 태양광이 입사되도록 하여 최대의 발전효율을 얻을 수 있도록하는 것, 더불어 태양광모듈 전면에 부분적으로 발생 될 수 있는 그림자에 의해 태양광모듈 전체 출력 효율 저하시키는 문제점을 보완하는 것이 이 기술의 과제이다
본 발명은 태양광발전 시설의 위치가 태양 일주 방향을 능동적으로 추적할 수 없는 고정형 발전시설, 즉 경사고정형, 건물 외벽 고정형, 창문형 및 건축자재의 일부로 응용되는 태양광 발전시설 등에 부가적인 기계적·전자적 추적장비를 부가하지 않고도 추적형 발전시설과 유사한 발전출력효율을 얻는 것을 목적으로 한다.
동일한 면적의 태양광모듈(PV Module)에서 태양 일주 방향에 따라 발전출력 효율이 변동하는 원인을 분석한 결과, 발전출력은 태양전지 전면에 수직으로 입사되는 입사광량에 따라 크게 좌우됨을 종래의 추적형 태양광발전 시설 원리로부터 추론하게 되었다.
이러한 추론을 바탕으로 전술된 목적을 구현하기 위해서는 계절적, 시간적 태양의 일주 방향에 따라 변하는 경사각(θ) 및 방위각(ø)에 상관없이 태양광모듈 전면에 입사되는 태양광을 태양전지 전면에 수직으로 입사되게 할 수 있는 광학적 변환 장치가 필요하게 되었다.
이러한 장치를 본 발명에서는 태양광모듈 제작시 태양전지와 보호용 강화유리 사이에 LCD BLU(Back Light Unit : LCD의 광원을 전면으로 고르게 확산시키는 장치)에서 사용되는 광학적 확산 및 집광 특성이 있는 광학시트 특성으로부터 착안하여 태양광 발전출력 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 태양광모듈을 제시한다.
본 발명은 태양광모듈에 입사되는 태양광의 변화, 즉 태양이 일출에서 남중고도를 거쳐 일몰까지 이동함에 따라 발생되는 광량의 변화에 능동적으로 대응할 수 없는 단점으로 인해 발전출력 효율이 떨어질 수밖에 없는 고정형 태양광발전 시설에 외부의 기계적 부가장치 없이 단순히 태양광모듈 제작시 태양전지 상부에 프리즘시트와 확산시트를 적층 하거나 또는 프리즘시트와 확산시트의 기능이 결합된 복합시트 등의 광학필름을 적층 하는 간단한 과정을 통하여 기존의 태양전지모듈의 출력 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 기존 태양광모듈(200)의 제작 차원에서 공정상에 큰 변화 없이도 간단하게 추가될 수 있어 기존 생산시설에 적용하기 용이하다. 통상적으로 태양광모듈(200)은 태양전지(201)를 보호하기 위해 태양전지(201)뒷면에 강화유리(204)와 백시트(202)를 부착한다. 그리고 광전변환 기능을 담당하는 복수의 태양전지(201)를 직·병렬로 연결하여 일정한 수준의 전압과 전류가 발생되게 한다. 이렇게 구성된 태양전지(201)들을 고정하고 외부 충격으로 부터 보호하기 위해 전면에 매립매체(203)를 둔다. 그리고 최종적으로 강화유리(204)를 부착하고 설치의 용이성과 이동의 편리성을 위해 강재 프레임(205)으로 외곽을 마무리하여 구성한다.
본 발명은 전술한 태양광모듈의 제작과정에서 태양전지(201)와 매립매체(203) 사이에 확산시트(103)와 수평프리즘시트(102), 수직프리즘시트(101)으로 구성된 광학시트(100)를 추가함으로써 구성할 수 있어, 기존의 태양광모듈 제작의 공정에 큰 변화없이 간단하게 구현할 수 있다. 또한 본 발명에서는 광학시트(100)를 전면 강화유리(204)와 매립매체(203) 사이에 추가하는 방안도 함께 제시한다. 즉 본 발명은 태양광모듈 제작 과정에서 광학시트(100)와 매리매체(203) 간의 순서에 관계없이 제작할 수 있음을 제시하며, 기술의 발전으로 광학시트(100)의 구성요소 또한 변화가 될 수 있음을 포함한다.
본 발명은 태양광모듈 전면에서의 방위각(ø) 및 경사각(θ)의 변화와 상관없이 입사된 태양광을 태양전지 전면에 최대의 효율이 얻어지는 수직방향으로 전달함으로써 태양광모듈의 발전출력 효율을 향상시키는 효과가 있으며, 이러한 효과는 전술에서 언급한 확산시트(103)에 의한 빛의 확산과정과 수직·수평 프리즘시트(101, 102)의 집광 및 휘도 상승과정을 거쳐 이루어질 수 있다.
또한 태양광모듈(200) 전면의 일부에 발생 될 수 있는 그림자에 의하여 모듈 내부의 각 태양전지(201)간의 발전출력 부정합에 따른 모듈 전체의 발전효율이 저하되는 단점을 보호할 수 있어, 모듈 면상에 발생 되는 부분 그늘 장애를 완전히 극복할 수 있는 효과가 있다
또한 착안된 사항이 적용된 태양광모듈(도 7)은 모듈 그 자체만으로도 태양광모듈의 발전효율을 태양과의 방위각(ø) 및 경사각(θ)과 무관하게 일정 수준으로 유지하게 하는 효과가 있기 때문에 고정형 태양광 발전시설에서는 설치장소 및 방위각·경사각 선정에 따르는 설계과정 및 시공과정의 노력과 비용을 획기적으로 절감시 킬 수 있으며, 건물 미관상 보조적 설치구조물을 적용하기 어려운 시설에서의 태양광 발전시설 적용을 용이하게 할 수 있다. 더불어 태양의 일주 방향을 추적하며 구동되는 추적형 태양광발전 시설 설치와 유지 보수에 따른 비용을 절감할 수 있고, 도시의 대형건물이나 아파트 등 공동주택에 대한 어떻게 적용할 것인가에 대한 새로운 대안으로 제시되고 있는 건물일체형 태양광시스템(BIPV : Building Integrated PhotoVoltaic System)의 발전 효율에 크게 기여할 수 있다.
본 발명은 고가의 태양전지의 발전효율 향상과 공간적인 한계를 극복하고 태양광 발전의 대중화에 크게 공헌할 수 있다.
① 발명의 구성
본 발명에서는 기존의 태양광모듈(200, 도 6) 제작 공정에 태양전지(201)와 매립 매체(203, Embedding Medium) 사이에 광학시트 또는 광학필름(100)을 새로이 추가하는 구성안(도 7)을 최적안으로 제안한다. 더불어 강화유리(204)와 매립매체(203) 사이에 광학시트 또는 광학필름(100)을 추가하는 방안도 제안한다.
또한 광학시트(100)는 입사된 태양광을 태양전지(201) 전면에 수직으로 집광시키는 기능을 하는 수직 프리즘시트(101)와 수평 프리즘시트(102) 및 확산 기능을 하는 확산시트(103)의 조합으로 구성되며, 기술의 발전으로 확산 및 집광 기능이 향상된 복합시트로 대체될 수도 있다.
② 구성품의 작용
외부의 충격으로부터 보호를 목적으로 태양광모듈 전면에 위치한 강화유리(204)를 통해 입사된 태양광은 매립매체(203)를 투과하여 확산시트(103)에 도달한다. 확산시트(103)는 입사되는 빛을 확산, 산란시키는 역할을 한다. 확산시트는 전체 태양광모듈에서의 광량을 태양광과의 방위각(ø) 및 경사각(θ)에 무관하게 균일하게 하는 기능을 한다. 또한 이런 기능은 태양광모듈 전면에 발생 되는 부분적 그림자에 의해 가려져 발전출력이 현저히 떨어진 태양전지(201)쪽에 태양광을 분산시켜 줌으로써 태양전지 출력의 부분적 부정합을 개선 시키고, 아울러 태양광모듈의 전체적인 발전출력을 향상시키는 기능을 한다.
확산시트 후단에는 수평방향 프리즘시트(102)와 수직방향 프리즘시트(101)를 조합하여 구성시켜 확산시트를 통과한 빛을 태양전지(201) 표면에 집광시킨다. 일단 확산시트를 지나면 광 휘도는 면에 수직한 수평·수직 양 방향으로 확산이 일어 나면서 광량은 급격히 떨어진다.(도 4)
이 광을 다시 집광시켜 광량을 올리고 태양전지 표면에 수직으로 입사시키기 위하여 프리즘시트를 사용한다. 프리즘 시트는 띠 모양(Strip type)의 Micro-prism이 모재(base materials : PET) 상부에 형성된 것으로 거의 수평.수직 두 장을 한 세트로 사용한다. 확산시트에서 나오는 빛을 굴절, 집광시켜 태양전지(201) 표면에서 광량을 상승시킨다.
도 1은 본 고안의 구성 상세도.
도 2는 기존의 경사고정형 및 건물외벽형 태양광모듈의 설치 단면.
도 3은 태양일주에 따른 태양전지 표면과 입사되는 태양광간의 방위각 변화 과정의 개념도.
도 4는 확산시트(103)과 프리즘시트(101, 102)의 기능 설명도.
도 5는. 경사고정형 태양광 발전시설에서 유지되어야 할 태양광어레이 사이의 최소이격거리
도 6은 기존의 태양광모듈 구성도.
도 7은 본 고안에 의해 만들어진 광학시트 부착형 태양광모듈 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100. 고안된 광학시트 또는 광학필름
101. 수직향 프리즘시트
102. 수평향 프리즘시트
103. 확산시트
200. 종래 태양광모듈
201. 태양전지
202. 후면시트(Back Sheet)
203. 매립매체(Embedding Medium)
204. 강화유리
205. 프레임(Frame)

Claims (3)

  1. 태양광모듈 제작시 수광의 효과를 향상시키기 위해서 태양전지 전면에 프리즘시트 및 확산시트로 구성된 광학시트 또는 광학필름을 부착하는 특정 방식의 광학시트 부착형 태양광모듈.
  2. 태양전지 표면에 프리즘시트 및 확산시트로 구성된 광학시트 또는 광학필름을 부착하여 수광 효율을 향상시키는 방식의 광학시트 부착형 태양광모듈.
  3. 빛의 확산과 집광 기능을 수행하는 광학시트 또는 광학필름을 태양광모듈 제작시 사용하는 특정 방식의 광학시트 부착형 태양광모듈.
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