KR20090099370A - 씨스루형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지셀의 간격을 넓혀 개구율을 높여 실내로의 채광량을 높일 수 있고 집광 렌즈를 이용하여 더 많은 빛을 태양전지셀로 집광하여 발전 효율을 상승시킬 수 있는 씨스루형 태양전지에 관한 것이다. 본 발명은 외부에서 조사되는 태양광을 전기에너지로 변환하는 복수개의 태양전지셀이 소정의 간격으로 이격되게 설치되고 태양전지셀간의 이격 공간으로 태양광이 투과될 수 있도록 한 씨스루형 태양전지로서, 태양전지셀(130)의 전면으로 설치되는 보호 유리(110); 태양전지셀(130)이 고정되는 백시트(140); 및 보호 유리(110) 상에 형성되어 태양광을 집광하는 집광 렌즈(120)를 포함하고, 집광 렌즈(120)는 태양전지셀 각각에 대응하도록 형성되며 개구율을 높여 실내로의 채광량을 높일 수 있고 집광 렌즈를 이용하여 더 많은 빛을 태양전지셀로 집광하여 발전 효율을 상승시킬 수 있다.
태양전지, 씨스루형 태양전지, 집광렌즈
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 건물의 외장재로 사용된 태양전지셀의 간격을 넓혀 개구율을 높임으로써 실내로의 채광량을 높일 수 있고, 집광 렌즈를 이용하여 더 많은 빛을 태양전지셀로 집광함으로써 발전 효율을 상승시킬 수 있는 씨스루형 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는, 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지의 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성되고, 이러한 전자와 정공의 쌍에서 pn 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동함으로써 전력을 생산한다.
태양광을 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 태양 전지의 전력 생산 성능은 일반적으로 빛 에너지가 전기 에너지로 변환되는 효율을 측정하며, 그 값은 태양 전지의 전기 출력의 입사 광량에 대한 비이며, 보통 %로 나타낸다.
태양전지는 석탄이나 석유와 같은 화석연료를 사용하지 않고, 무공해이며 무한대의 에너지원인 태양열을 이용하므로 미래의 새로운 대체 에너지원으로서 각광을 받고 있으며, 태양전지는 지상 또는 건물의 옥상, 테라스 등에 설치하여 사용할 수 있도록 하는 단일 모듈 구조로 형성되어 있다.
이러한 태양전지의 일 예의 구성이 대한민국 특허출원 2000-8032호에 기재되어 있다.
도 1a 는 상기한 기술에 기재되어 있는 태양전지의 구성을 나타내는 정면도이고, 도 1b는 도 1a의 I-I 선의 부분 단면도로서, 태양전지(1)는 전면에 설치되어 태양전지 셀을 보호하기 위한 판재 형상의 보호유리(2)와, 입사되는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 출력하는 태양전지셀(3), 태양전지셀(3)의 상부와 하부에 부착되어 셀을 고정하는 EVA수지 계열의 고정판(4) 및 백시트(5)가 차례로 적층되어 형성된 구조를 이루고 있다.
그리고, 각각의 태양전지셀(3)은 도선(5)으로 연결되어 있다.
이러한 태양전지의 설치를 위해서는 많은 공간을 필요로 하기 때문에 많은 대지를 필요로 하는 문제점이 있었고, 넓은 대지에 태양전지를 설치하여도 정작 전원을 필요로 하는 곳으로 전력을 전송하는 도중 도선의 저항 등에 의해 전원이 소모되었다. 만약 건축물 등에서 필요로 하는 전력을 공급하기 위해 사용되는 태양전지라면 건축물의 외부 공간 즉, 벽과 창문 등에 설치하여 발생된 전원을 필요한 곳에 바로 공급하는 것이 바람직하다.
그러나, 상기와 같은 종래의 태양전지(1)는 구성요소의 하나인 백시트(5)가 불투명한 소재로 이루어져 있기 때문에 태양전지가 전체적으로 불투명하여 채광을 할 수 없어 건축물 외장재 특히 창문 등에 사용할 수 없었다.
또한, 발전 효율을 향상시키기 위한 방법으로 태양전지셀의 측면을 밀착하여 배치되어 있기 때문에 빛이 투과할 수 없어 건축물 외장재로 사용하기에 부적합했었던 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 태양전지의 투명 재질의 백시트를 사용하고 태양전지셀간의 간격을 넓혀 외부의 빛이 투과할 수 있도록 함으로써, 태양전지를 건축물의 외장재로 사용함과 동시에, 건축물에서 사용되는 발전 전력을 얻을 수 있도록 태양전지를 겸용으로 사용할 수 있는 씨스루(see-through)형 태양 전지가 개시되었다.
씨스루형 태양 전지는 외부에서 조사되는 태양광을 이용하여 건축 시설 내부에서 사용되는 전력을 충당하는 한편, 소정의 태양광 또는 주위의 광선이 통과될 수 있도록 하여 실내의 공기를 가열하여 실온을 상승시키고 나머지는 건축물 구조체에 축열된 후 실내 공기의 온도가 상승되도록 하여 난방 부하를 저감시킨다. 또한, 실내로 투사되는 태양광은 실내 거주자에게 쾌적함을 선사하여 주거 환경을 개선하는 효과를 갖는다.
건물의 외장재로서 사용되는 씨스루형 태양전지의 일 예가 대한민국 특허출원 2005-109691호에 개시되어 있다.
도 2는 상기한 기술에 개시되어 있는 씨스루형 태양전지의 설치 상태의 일 예를 나타내는 사시도로서, 창문에 설치되어 있는 씨스루형 태양전지를 도시하고 있다.
도면에 도시되어 있는 바와 같이, 씨스루형 태양전지(10)는 태양전지셀(2) 간의 이격 공간이 커서 이격 공간을 통하여 태양광이 자유롭게 투과할 수 있도록 형성되어 있음을 알 수 있다.
여기서, 태양전지셀(2) 간의 이격 공간이 커서 투과되는 태양광이 많을 때는 개구율이 높다고 표현하고, 반대의 경우에는 개구율이 낮다고 표현한다.
따라서, 태양전지의 개구율은 태양전지 전체 면적의 20~40%일 때가 가장 바람직하다. 개구율이 20% 미만일 경우에는 태양전지셀(2)의 개수가 많다는 것을 의미하며, 이런 경우에는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 전력발생률은 양호하지만, 채광 효과가 떨어져 실내 채광효과가 불량하며, 그로 인해 다수의 실내등을 필요로 하게 되어 전력소모가 증가한다는 단점이 있다.
그리고, 개구율이 40%를 초과하였을 경우에는 채광 효과는 양호하지만, 태양전지의 전체면적이 작아 발전효율이 떨어지는 단점이 있다. 이와 같은 발전효율과 채광 효과를 고려하여 태양전지의 전체 면적에 대하여 태양광 투과면적은 20~40%일 때가 가장 양호하다.
이와 같이 개구율과 채광 효과를 높이면 발전 효율이 저하되고, 발전 효율을 높이면 개구율과 채광 효과가 저하되므로 발전 효율을 상승시키고 동시에 개구율과 채광 효과를 높이기 위한 연구가 필요하였다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 건축물 외장재로도 사용할 수 있도록 씨스루형 태양전지의 개구율을 높이고 태양전지를 구성하는 태양전지셀로 태양광의 집광량을 향상시킬 수 있도록 태양전지 표면에 다수 의 집광 렌즈를 형성함으로써 발전 효율을 상승시킬 수 있도록 한 씨스루형 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 씨스루형 태양전지는, 외부에서 조사되는 태양광을 전기에너지로 변환하는 복수개의 태양전지셀이 소정의 간격으로 이격되게 설치되고 상기 태양전지셀간의 이격 공간으로 태양광이 투과될 수 있도록 한 씨스루형 태양전지로서, 상기 태양전지셀의 전면으로 설치되는 보호 유리; 상기 태양전지셀이 고정되는 백시트; 및 상기 보호 유리 상에 형성되어 태양광을 집광하는 집광 렌즈를 포함하고, 상기 집광 렌즈는 상기 태양전지셀 각각에 대응하는 것을 특징으로 한다.
상기 보호 유리와 상기 태양전지셀의 이격 공간의 공기를 순환시키는 순환팬을 더 포함할 수 있다.
상기 집광 렌즈의 초점 거리는 상기 보호 유리의 두께 및 상기 보호 유리와 상기 태양전지셀의 이격 거리를 합한 값과 동일하거나 그 이상일 수 있다.
상기 집광 렌즈는 상기 태양전지셀의 면적보다 넓게 형성될 수 있다.
상기 집광 렌즈는 잉크 제트 방식에 의해 형성될 수 있다.
상기 집광 렌즈는 주물 성형 방식에 의해 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 태양전지셀간의 간격을 넓혀 태양전지의 개구율을 높임으로써 건축물 외장재 특히 창문 등에 사용하였을 때 외부 빛의 실내 유입량을 높여 실내 거주자에게 쾌적함을 선사하여 주거 환경을 개선하는 효과를 갖는다.
또한, 태양전지의 전면에는 태양전지셀로 태양광을 집광할 수 있도록 태양전지셀보다 넓은 면적을 갖는 집광 렌즈를 설치하여 좁은 면적의 태양전지셀에 의한 발전 효율이 증가되도록 하는 효과를 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 의한 씨스루형 태양전지의 일 실시예의 구성을 나타내는 단면도로서, 입사되는 태양광 에너지를 소정의 전기 에너지로 변환하여 출력하는 태양전지셀(130)이 백시트(140)에 일정한 간격으로 설치되어 있고, 태양전지셀(130)의 전면으로는 외부의 물리적 영향으로부터 태양전지셀(130)을 보호하기 위한 보호 유리(110)가 설치되어 있으며, 보호 유리(110)의 전면으로는 태양전지셀(130)과 동일 갯수로 형성되어 각각의 태양전지셀(130)에 대응하는 집광 렌즈(120)가 형성되어 있음을 알 수 있다.
여기서, 태양전지셀(130)은 20 내지 40%의 개구율을 얻을 수 있는 간격으로 설정되어 설치되는 것이 바람직하다. 따라서, 20 내지 40%의 개구율을 얻을 수 있다면 태양전지셀(130)의 이격 간격은 특정한 수치로 한정되지 않는다.
집광 렌즈(120)는 외부에서 조사되는 태양광을 집광하여 태양전지셀(130)로 유도하기 때문에 태양전지셀(130)의 면적보다 크게 형성하여 가능한 많은 태양광이 태양전지셀(130)로 집광할 수 있도록 하고, 이에 따라 태양전지셀(130) 간의 이격 간격은 커지도록 하여 개구율이 높아질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
따라서, 씨스루형 태양전지의 개구율은 20~40%일 때가 가장 바람직하므로, 태양전지셀(130)의 간격은 커지도록 하지만, 태양전지셀로 태양광을 집광하여 유도하는 집광 렌즈의 전체 면적 즉, 태양전지로 입사되는 태양광 중 태양광 발전에 사용되는 태양광을 받아들이는 면적을 태양전지 전체면적의 60~80%로 하면 가장 바람직한 씨스루형 태양전지의 개구율인 20~40% 보다 높은 개구율을 얻을 수 있고, 개구율이 20~40% 인 태양전지보다 높은 발전 효율을 얻을 수 있다.
태양전지셀(130)의 정면 형상은 원형, 사각형 또는 팔각형으로 형성될 수 있고, 그 이외에도 여러 형상으로 형성될 수 있다.
태양전지셀(130)이 원형, 팔각형 등으로 형성되어 있는 경우에는 집광 렌즈(120)가 원형으로 형성되어도 무방하다.
또한, 집광 렌즈(120)는 태양전지셀(130) 보다 넓은 면적을 갖도록 형성되어 있고, 집광 렌즈(120)는 볼록 렌즈의 형상을 갖고 있기 때문에 태양광을 집광하여 태양전지셀(130)로 유도할 수 있어, 태양전지셀(130)은 그 면적이 협소하여도 집광 렌즈(120)의 면적에 해당하는 태양전지셀의 발전 효율을 나타낼 수 있다. 그러나, 태양은 일출부터 일몰까지 소정의 궤도를 따라 일주 운동을 하기 때문에 이를 감안하여 태양전지셀(130)의 면적을 지나치게 협소하지 않게 설정하는 것이 바람직하다.
그리고, 태양전지셀(130)로 태양광이 집광되어 발전이 이루어지는 동안 태양전지셀의 온도가 상승되면 발전 효율이 저하되므로, 태양 전지의 냉각을 위해 태양 전지셀(130)과 보호 유리(110) 사이에는 소정의 간격으로 이격되어 공기가 순환될 수 있어야 하며, 공기의 순환을 용이하게 하기 위해 태양 전지의 일측으로는 태양전지셀(130)과 보호 유리(110) 사이의 공기 순환을 도와주는 환기팬이 설치될 수 있다.
또한, 태양광을 집광하는 집광 렌즈(120)는 볼록 렌즈의 단면 구조를 갖고 있으므로 소정의 초점 거리를 갖게 되고, 이에 따라 보다 효율적인 집광을 위해 집광 렌즈(120)의 초점 거리는 태양전지셀(130)과 보호 유리(110) 사이의 공간을 고려하여 태양전지셀(130)과 보호 유리(110)의 이격 거리 및 보호 유리(110)의 두께를 합한 값과 동일하거나 그 이상으로 형성되어야 한다.
보호 유리(110)의 표면에 형성되는 집광 렌즈(120)는 다음과 같이 형성될 수 있다.
즉, 도 4와 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 집광 렌즈의 형성은 광경화성 수지로 이루어진 잉크를 잉크 제트 방식으로 보호 유리(110)의 표면에 분사하여 이루어진다. 이때, 초음파 세정 등의 방법으로 집광 렌즈(120)가 형성될 보호 유리(110)의 표면에 묻어 있는 유기물, 오일 등의 이물질을 제거하는 것이 바람직하다.
보호 유리(110)에 잉크 제트 방식으로 집광 렌즈가 형성된 상태에서, 집광 렌즈의 형태를 유지하기 위해 자외선 램프를 포함하는 렌즈 경화부가 설치될 수 있다. 상기한 바와 같이, 집광 렌즈의 형성에 사용된 잉크는 광경화성 수지이므로 렌즈 경화부에 포함되어 있는 자외선 램프에서 발광된 자외선의 조사에 의해 경화된 다.
광경화성 수지 외의 열경화성 수지 등은 경화 작업 도중 기판에 변형이 발생될 수 있으므로 기판에 무리를 주지 않는 광경화성 수지의 사용이 바람직하다.
보호 유리(110)에 형성된 집광 렌즈는 태양 전지의 완전 설치가 이루어지기 전에는 작업 도중 다른 물체와 부딪히며 손상을 입을 수 있으므로, 표면에 보호막 코팅이 설치될 수 있다.
보호막 코팅은 집광 렌즈의 성능에 영향을 줄 수 있으므로, 태양 전지의 최종 설치 직전 제거되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예는 다음과 같이 작용하게 된다.
태양전지(100)는 건축물의 외장재로서 사용된다. 이때, 건축물의 외장재 중 창문으로 사용되었을 경우에 대하여 설명하기로 한다.
태양전지(100)를 구성하는 보호 유리(110)의 전면에는 잉크 제트 방식으로 인쇄된 집광 렌즈(120)가 복수개로 형성되어 있다.
창문에 사용된 태양전지로 외부의 태양광이 조사되었을 때, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 태양광은 집광 렌즈(120) 전면으로 조사되어 투과된다(a). 이때, 집광 렌즈(120)는 볼록 렌즈 형태로 형성되어 있기 때문에 집광 렌즈(120)의 전면으로 조사된 태양광(a)은 소정의 위치로 집광된다.
이때, 태양광이 집광되는 위치에는 태양전지셀(130)이 위치되어 있기 때문에 집광되는 태양광은 전기 에너지로 변환되어 출력된다.
그러나, 집광 렌즈(120)의 광축과 평행하게 입사되는 태양광이라 하더라도 집광 렌즈(120)끼리 접촉하는 부분으로 입사되는 태양광(b)은 태양전지셀(130)로 입사되지 못하지만, 백시트(140)를 통해 실내로 유입되어 실내 조명에 도움을 주게 된다.
또한, 집광 렌즈에 의해 집광된 태양광에 의한 태양광발전이 이루어질 때 집광 렌즈(120)의 광축과 평행하지 않고 비축 방향에서 입사되지만 광축과의 비축 정도가 소정 각도 이내로 입사되는 태양광(c)은 태양전지셀(130)로 입사되어 전기 에너지로 변환될 수 있다.
그러나, 비축 정도가 일정 각도 인상인 태양광(d)은 태양전지셀(130)로 입사되지 못하여 발전에 도움을 주지는 못하지만, 백시트(140)를 통해 실내로 유입되어 실내 조명에 도움을 주게 된다.
한편, 태양전지 전면에 부착되는 집광 렌즈는 잉크 제트 방식이 아닌 주물 성형 방식에 의해 형성될 수도 있다. 즉, 태양전지셀은 원형, 사각형 등으로 구성될 수 있지만, 직사각형으로도 형성될 수 있다. 태양전지셀이 직시각형으로 형성되는 경우에는 집광 렌즈(120A)도 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 직사각형으로 형성하여 태양광의 집광이 이루어지도록 하는 것이 바람직하며, 이 경우에는 주물 성형 방식에 의해 집광 렌즈가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 태양전지 전면에 설치되는 보호 유리(110)의 면적에 대응하는 면적을 갖도록 집광 렌즈판(150)을 소정의 금형을 이용하여 주물 성형 방식에 의하여 제작한다. 집광 렌즈판(150)의 제작에 사용되는 재료는 투명 수지를 이용한다. 이때, 사용되는 금형에는 일정한 간격으로 오목부가 형성되도록 한다. 형성되는 오목부는 태양전지셀의 전면 형상에 대응할 수 있는 형상이 되도록 한다. 즉, 태양전지셀이 직사각형 형태로 형성되어 있다면, 오목부도 이에 대응하여 직사각형 형태로 형성된다. 또한, 이전의 실시예와 같이 집광 렌즈가 원형으로 형성되는 경우에도 적용할 수 있고, 집광 렌즈의 정면 형상이 다른 형태로 형성되어도 이에 대응할 수 있다.
성형 공정이 완료되면 집광 렌즈판(150)에는 소정의 간격을 갖고 각각의 태양전지셀에 대응하는 집광 렌즈(120A)가 형성되어 있어, 집광 렌즈판(150)을 보호 유리(110)의 전면에 부착함으로써 도 7에 도시되어 있는 바와 같은 씨스루형 태양전지(100')를 얻을 수 있게 된다.
본 실시예에서 태양전지셀과 보호유리의 이격 거리와 집광 렌즈의 초점 거리의 설정은 이전의 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 7에 도시된 태양전지의 사용예는 이전의 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
도 1a와 도 1b는 일반적인 태양전지의 구성을 나타내는 정면도와 부분 단면도.
도 2는 일반적인 씨스루형 태양전지의 설치 상태의 일 예를 나타내는 사시도로서, 창문에 설치되어 있는 상태를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 의한 씨스루형 태양전지의 일 실시예의 구성을 나타내는 단면도.
도 4와 도 5는 잉크 제트 방식에 의한 집광 렌즈의 형성을 설명하기 위한 도면.
도 6은 태양전지셀이 직사각형일 경우에 형성되는 집광 렌즈의 일 예를 나타내는 사시도.
도 7은 주물 성형 방식에 의해 형성된 집광 렌즈판을 사용한 씨스루형 태양전지의 일 실시예의 구성을 나타내는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 100': 태양전지
110: 보호 유리
120: 집광 렌즈
130: 태양전지셀
140: 백시트
150: 집광 렌즈판
Claims (6)
- 외부에서 조사되는 태양광을 전기에너지로 변환하는 복수개의 태양전지셀이 소정의 간격으로 이격되게 설치되고 상기 태양전지셀간의 이격 공간으로 태양광이 투과될 수 있도록 한 씨스루형 태양전지로서,상기 태양전지셀의 전면으로 설치되는 보호 유리;상기 태양전지셀이 고정되는 백시트; 및상기 보호 유리 상에 형성되어 태양광을 집광하는 집광 렌즈;를 포함하고,상기 집광 렌즈는 상기 태양전지셀 각각에 대응하는 것을 특징으로 하는 씨스루형 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 보호 유리와 상기 태양전지셀의 이격 공간의 공기를 순환시키는 순환팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씨스루형 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 집광 렌즈의 초점 거리는 상기 보호 유리의 두께 및 상기 보호 유리와 상기 태양전지셀의 이격 거리를 합한 값과 동일하거나 그 이상인 것을 특징으로 하는 씨스루형 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 집광 렌즈는 상기 태양전지셀의 면적보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 씨스루형 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 집광 렌즈는 잉크 제트 방식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 씨스루형 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 집광 렌즈는 주물 성형 방식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 씨스루형 태양전지.
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