KR20100044605A - 태양광 발전시스템의 집광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광을 이용하는 태양광발전시스템의 집광장치에 관한 것으로, 태양광 발전을 위하여 태양전지(Solar Cell)에 많은 양의 태양광을 집광하기 위하여 볼록렌즈 처럼 빛을 모아주는 역할을 하면서도 두께를 줄인 프레넬(Fresnel)렌즈 사용으로 최대전력 생산을 위하여 태양전지가 가장 잘 반응하는 800nm 파장대의 중심파장으로 하여 집광율이 향상되며, 집광렌즈의 휨 현상과 집광렌즈를 설치 할 거치대의 변형으로 인하여 집광효율이 저하되는 현상을 보완하기 위한 기구로 사각 콘(CORN) 형태의 반사경을 설치하여 효율감소를 최소화 한 태양광 발전시스템의 집광장치를 제공하는 데 있다.

태양광, 집광장치, 솔라셀, 태양전지, 사각렌즈, 프레넬렌즈, 사각 콘

Description

태양광 발전시스템의 집광장치{A condenser device of sunlight development system}

본 발명은 태양광을 집광하기 위한 태양광 발전시스템의 집광장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 태양광의 집광 효율과 집광량을 보다 효율적으로 집광하여 태양전지에 전달하도록 하는 태양광 발전시스템의 집광장치에 관한 것이다.

일반적으로 집광을 위한 광학렌즈는 초정밀 가공장비와 가공기술이 필요하며 대량생산을 위한 금형코어제작 및 설계 기술과 사출기술을 필요로 한다.

그러나, 현재 소구경의 광학렌즈의 경우 초정밀 가공장비가 다수 존재하나 다량의 태양광을 집광을 하여야 하는 대구경 광학렌즈를 제작하기 위한 초정밀 가공장비가 고가이며 가공기술 또한 초기 단계에 있는 것이 현실이며, 대구경 렌즈의 대량생산을 위한 사출장비 및 사출기술 또한 초보단계에 있다.

아울러, 반구형상의 집광기에 렌즈를 삽입하고, 렌즈의 모양에 따라 반사용미러를 설치, 입사된 빛을 반사미러를 따라 빛을 렌즈의 꼭지점에 집광시키는 형태의 태양발전 시스템으로 구성되어 있다.

그러나, 이 기술과 같이 반사경을 사용할 경우 집광기의 내부 온도가 100도를 넘게 되어 집광렌즈(Fresnel Lens)의 휨 현상과 태양전지의 표면온도 상승으로 전기 발전효율이 급격히 저하하는 현상이 발생하며, 유지보수 비용이 과다하게 발생하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 집광렌즈(Fresnel Lens)를 통하여 집광을 하고 집광렌즈와 태양전지(Solar Cell) 사이에 사각콘(Corn)을 설치, 태양전지 표면온도가 상승되는 것을 방지하고, 고열에 약한 태양전지의 수명을 연장시키고, 집광렌즈의 휨현상과 설치시 발생되는 초점 오차에 대한 집광효율 감소를 최소화하는 장치로 활용하여 태양전지의 전력 생산량을 향상시키는 태양광 발전시스템의 집광장치를 제공함을 목적으로 한다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 광추적센서에 의해 광추적장치가 구동하고 프레넬렌즈를 통하여 태양광을 집광하는 태양광 집광장치로,직사각형의 집광렌즈(Fresnel Lens)를 통하여 집광된 태양광을 집송시 상기 집광렌즈와 태양전지(Solar Cell)사이에 다면체 형상의 육면체 콘(Corn)을 두어 집광의 효율을 높이도록 하는 구조이다.

이때, 상기 육면체 콘은 육면체 형상의 등변사다리꼴 형상으로 상면과 하면이 2:1의 비율을 이루면서, 상기 육면체 콘의 높이는 하면의 3배로 이루어진 구조이다.

아울러, 상기 육면체 콘은 내부 사면이 반사경으로 이루어져 집광된 태양광이 집송시 태양전지에 손실없이 모두 도달하게 하는 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 집광렌즈(Fresnel Lens)를 통하여 집광을 하고 집광렌즈와 태양전지(Solar Cell)사이에 사각콘(Corn)을 설치, 태양전지 표면온도가 상승되는 것을 방지하고, 고열에 약한 태양전지의 수명을 연장시키는 효과가 있다.

또한, 집광렌즈의 휨현상과 설치시 발생되는 초점 오차에 대한 집광효율 감소를 최소화하는 장치로 활용하여 태양전지의 전력 생산량을 향상시키는 효과가 있으므로 매우 유용한 발명인 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광추적센서에 의해 광추적장치가 구동하고 집광렌즈(프레넬렌즈)를 통하여 태양광을 집광하는 태양광 집광장치로 직사각형의 집광렌즈(Fresnel Lens)를 통하여 집광된 태양광을 집송시 상기 집광렌즈와 태양전지(Solar Cell)사이에 다면체 형상의 육면체 콘(Corn)을 두어 집광의 효율을 높이도록 하는 것을 포함함을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 집광장치를 제공함으로써 달성하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사 전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도1은 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 집광장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집광형 태양광 발전 장치는 고효율의 태양전지(Solar Cell)(20), 태양을 추적할 수 있는 태양추적장치, 태양광을 태양전지(Solar Cell)(20)에 집광 시킬 수 있는 고집광 렌즈(Fresnel Lens)인 집광렌즈(10)에서 굴절되는 광선을 태양전지까지 전달하기 위하여 반사경(38)을 사용한다.

이러한, 집광형 태양광 집광장치(CPV방식)(100)는 기존의 웨이퍼방식의 발전시스템(PV방식)에 비하여 발전단가를 현저히 줄일 수 있는 시스템으로 동일한 발전량을 기준으로 PV방식대비 약 60%대 수준으로 절감 할 수 있는 것이다.

태양광 발전을 위하여 태양전지(Solar Cell)(20)에 많은 양의 태양광을 집광시키기 위하여 집광렌즈(10)를 볼록렌즈 처럼 빛을 모아주는 역할을 하면서도 두께를 줄인 렌즈로 주로 자동차 미등이나 OHP등 빛을 집중시켜야 하는 곳에서 사용하 는 집광렌즈(프레넬(Fresnel)렌즈)(10)를 사용한다. 특히, 최대전력생산을 위하여 태양전지(20)가 가장 잘 반응하는 800nm 파장대의 중심파장으로 하여 집광율을 향상 시키며, 집광렌즈(10)의 휨 현상과 집광렌즈(10)를 설치 할 거치대의 변형으로 인하여 집광효율이 저하되는 현상을 보완하기 위한 기구로 육면체 콘(CORN)(30) 형태의 반사경(38)을 설치하여 효율감소를 최소화 한 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 다량의 방사형 태양광을 집광하기 위하여 도 2에 도시한 바와 같이 직사각형의 집광렌즈(집광렌즈(프레넬(Fresnel)렌즈)(10)를 활용하였고, 집광된 태양에너지가 일정 크기의 태양전지(Solar Cell)(20)에 불규칙한 에너지 분포를 갖게 되면 최대 전력을 얻을 수 가 없으므로 집광렌즈(프레넬(Fresnel)렌즈)(20)의 초점에 형성되는 특정 크기의 사각형 안에 규칙적인 에너지 분포를 갖도록 설계된 것이다.

또한, 태양전지(Solar Cell)(20)가 전력생산을 위하여 800nm 파장대를 중심파장으로 한 태양광에 대하여 집광율을 높이기 위하여 Conic상수와 홈의 깊이(Groove Depth), 홈의 깍인 깊이(Facet Depth), 홈의 깍인 각도(Draft Angle)를 조절하여 최적화하는 단계와 집광된 태양광이 태양전지(Solar Cell)(20)에 직접 닫게 됨으로써 태양전지(Solar Cell)(20)가 가열되어 전력생산 효율이 감소하게 되고, 집광렌즈(10)의 설치 시 발생할 수 있는 초점거리 변화에 따른 집광효율 저하가 발생 될 수 있는데, 이 효율 저하를 방지하기 위하여 장치내부에 육면체 콘(CORN)(30)을 태양전지(20)와 집광렌즈(10) 사이에 설치함으로서 태양전지(20)가 최대의 전력효율을 낼 수 있게 하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

이와 같이, 광추적센서에 의해 광추적장치가 구동하고 집광렌즈(프레즈낼렌즈)(10)를 통하여 태양광을 집광하는 태양광 집광장치(100)로 직사각형의 집광렌즈(Fresnel Lens)(10)를 통하여 집광된 태양광을 집송시 상기 집광렌즈(10)와 태양전지(Solar Cell)(20)사이에 다면체 형상의 육면체 콘(Corn)(30)을 두어 집광의 효율을 높이도록 하는 것이다.

아울러, 도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 집광장치의 육면체 콘을 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 집광장치의 육면체 콘의 반사경 구성을 나타낸 도면이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 집광렌즈(10)에 입사된 태양광을 집광되어 육면체 콘(30)에 모아져 육면체 콘(30) 내부로 집송되면서 육면체 콘(30)의 사면 반사경(38)에 의해 집광시키고 태양전지(20)로 집중적으로 축적시키게 되는 것이다.

이같이, 방사형으로 입사되는 태양광을 육면체 콘(30)으로 집중시켜 태양전지(20)에 최대 전력을 얻을 수 있게 하는 것이다.

그리고, 상기 육면체 콘(30)은 육면체 형상의 등변사다리꼴 형상으로 상면(32)과 하면(34)이 2:1의 비율로 이루어지며, 상기 육면체 콘(30)의 높이면(36)은 하면(34)의 3배로 이루어지는 것이다.

이러한, 상기 육면체 콘(30)은 내부 사면이 반사경(38)으로 이루어져 집광된 태양광이 태양전지(20)에 손실없이 모두 도달하게 하는 것이다.

이와 같이, 본 발명에 있어 집광형 태양전지의 변환효율을 더욱 향상시키기 위해서는 집광을 위한 광학계의 설계와 환경변화에 따른 광학계 초점의 변화에 대한 대책이 필요하며, 부수적으로 태양전지(Solar Cell)(20) 방열 방법 등이 요구된다.

이를 해결하기 위하여 광학 설계에 많이 활용되고 있는 Light Tool을 이용하여 집광렌즈(프레넬렌즈(Fresnel Lens))(10)설계되면서 광원은 평행광을 이용으로 이용된다.

최대전력생산을 위하여 태양전지(20)가 가장 잘 반응하는 800nm를 중심파장으로 설계를 하고, 태양전지(Solar Cell)(20)에 불규칙한 에너지 분포를 갖게 되면 최대 전력을 얻을 수 가 없으므로 집광렌즈(프레넬(Fresnel)렌즈)(10)의 초점에 형성되는 특정 크기의 사각형 안에 규칙적인 에너지 분포를 갖도록 하는 것이다.

또한, 상기 태양전지(Solar Cell)(20)의 효과적인 전력생산을 위한 800nm 파장대를 중심파장으로 태양광에 대하여 집광율을 높이기 위하여 Conic상수와 홈의 깊이(Groove Depth), 홈의 깍인 깊이(Facet Depth), 홈의 깍인 각도(Draft Angle)를 조정하여 최적화하였다.

이러한, 상기 태양전지(20)는 표면온도가 높으면 전기변환효율이 감소하기 때문에 이를 방지하기 위하여 도 3과 도 4에 도시한 바와 같은 육면체 콘(Corn)(30)을 집광렌즈(10)와 태양전지(20) 사이에 설치하고, 상기 집광렌즈(10)의 초점을 육면체 콘(30)의 상단부에 형성되게 하여 태양전지(20) 표면에서 발생될 수 있는 열을 최소화 하도록 하였다.

또한, 상기 육면체 콘(30)의 내부 사면을 반사경(反射鏡)(38)으로 구성하여 집광된 태양광이 태양전지(20)에 전달되도록 구성된 것이다.

상기 집광렌즈(10)와 태양전지(20) 사이에 육면체 콘(30)을 두어 집광렌즈(10) 설치시 평면유지 오차로 발생될 수 있는 집광효율 감소와 집광렌즈(10) 표면의 온도변화에 따른 집광효율 감소를 최소화 한 것이다.

이와 같이, 상기 집광렌즈(Fresnel Lens)(10)를 통하여 집광을 하고 집광렌즈(10)와 태양전지(Solar Cell)(20)사이에 육면체 콘(Corn)(30)을 설치, 태양전지(20) 표면온도가 상승되는 것을 방지하고, 고열에 약한 태양전지(20)의 수명을 연장시키고, 집광렌즈(10)의 휨현상과 설치시 발생되는 초점 오차에 대한 집광효율 감소를 최소화하는 장치로 활용하여 태양전지(20)의 전력 생산량을 향상시키는 태양발전 시스템의 집광장치(100)이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도1은 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 집광장치의 전체 구성을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 집광장치의 집광렌즈를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 집광장치의 육면체 콘을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 집광장치의 육면체 콘의 반사경 구성을 나타낸 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:집광렌즈 20:태양전지

30:육면체 콘 32:상면

34:하면 36:높이면

38:반사경

Claims (4)

1. 광추적센서에 의해 광추적장치가 구동하고 프레넬렌즈를 통하여 태양광을 집광하는 프레임으로 전 둘레를 구성한 태양광 집광장치에 있어서,

   직사각형의 집광렌즈(10)를 통하여 집광된 태양광을 집송시 상기 집광렌즈(10)와 태양전지(20)사이에 다면체 형상의 육면체 콘(30)을 두어 집광의 효율을 높이도록 하는 것을 포함함을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 집광장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 육면체 콘(30)은 육면체 형상의 등변사다리꼴 형상으로 상면(32)과 하면(34)이 2:1의 비율을 이루는 것을 포함함을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 집광장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 육면체 콘(30)의 높이면(36)은 하면(34)의 3배로 이루어지는 것을 포함함을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 집광장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 육면체 콘(30)은 내부 사면이 반사경(38)으로 이루어 져 집광된 태양광이 집송시 태양전지(20)에 손실없이 모두 도달하는 것을 포함함을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 집광장치.

Images