KR20100080300A - 광도파 기능을 가지는 태양광 집광기, 이를 이용한 태양 전지 모듈 및 집열장치 - Google Patents

광도파 기능을 가지는 태양광 집광기, 이를 이용한 태양 전지 모듈 및 집열장치 Download PDF

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Abstract

본 실시예에 따른 광도파 기능을 가지는 태양광 집광기는 도광체, 도광체의 광이 입사되는 입사면 및 입사면에 대한 대면 중에서 적어도 어느 일측에 형성되어 광을 도광체의 일측면에 구비되는 출사면으로 안내하는 도광패턴을 구비할 수 있다. 또는 복수의 도광체, 도광체 사이에 공간이 형성되도록 도광체 중에서 적어도 어느 일측에 마련되며 입사면을 통하여 입사된 태양광을 도광체 내부에서 출사면쪽으로 안내하는 제 1도광패턴을 포함할 수도 있다. 본 실시예에 따른 태양 전지 모듈 및 집열장치는 상기 태양광 집광기를 포함한다. 본 실시예에 따른 태양광 집광기는 도광패턴의 형상 및 크기에 따라 30~80% 또는 그 이상의 집광효과를 발휘할 수 있고, 또한 태양광 집광기를 재질에 따라 사출성형, 레이저 식각, LIGA 공정 등 다양한 방법으로 저가로 대량 생산할 수 있으므로 태양 전지 모듈 및 태양광 발전시스템을 매우 저렴한 가격으로 제조 및 시공할 수 있는 효과가 있다.

Description

광도파 기능을 가지는 태양광 집광기, 이를 이용한 태양 전지 모듈 및 집열장치{SOLAR CONCENTRATOR WITH LIGHT GUIDING FUNCTION, SOLAR CELL MODULE AND SOLAR HEAT COLLECTOR USING THE SAME}
본 발명은 태양광 집광기와 이를 이용한 태양 전지 모듈 및 집열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세한 도광패턴을 이용하여 태양광을 집광하도록 하는 광도파 기능을 가지는 태양광 집광기와 이를 이용한 태양 전지 모듈 및 집열장치에 관한 것이다.
근래에 화석 연료의 고갈화나 지구 온난화 등의 에너지, 환경 문제에 대한 해결책으로 태양에너지 등의 자연 에너지를 이용하는 기술의 개발이 급속도로 진행되고 있다. 태양에너지를 이용하는 기술로는 태양전지와 태양광 집광기가 개발되고 있는데 태양전지는 광을 전기에너지로 변화시키는 광전효과를 이용하는 소자이고, 태양광 집광기는 좁은 면적에 설치된 태양전지로 태양광을 집광하도록 하여 고효율의 집광 효과를 달성하기 위한 기술이다.
그런데 종래의 태양광 집광기는 주로 매우 큰 반사판이나 렌즈를 이용하여 태양광을 집광하도록 구현되므로 태양광 집광기의 크기와 무게 등이 매우 무겁고, 제조 및 시공에 고비용이 소요되어 소규모 및 소용량의 태양광 발전에 적용이 불리하여 태양광 발전시스템의 대량 보급에 장애가 되고 있다.
또한 종래의 태양광 집광기는 태양전지까지의 초점 거리가 필요하므로 설치 및 사용 중 외부 요인에 의하여 초점이 변화될 경우 발전 효율이 지극히 나빠지는 문제점이 있으며, 수직으로 입사되는 광에 최적화가 되어 있기 때문에 입사광의 위치가 조금만 변하여도 발전 효율이 나빠지는 문제가 있다.
본 발명은 저비용 고효율로 태양광을 집광하도록 하는 광도파 기능을 가지는 태양광 집광기와 이를 이용한 태양 전지 모듈 및 집열장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 태양광 집광기는 도광체, 상기 도광체의 광이 입사되는 입사면 및 상기 입사면에 대한 대면 중에서 적어도 어느 일측에 형성되어 상기 광을 상기 도광체의 일측면에 구비되는 출사면으로 안내하는 도광패턴을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 집광기는 복수의 도광체, 상기 도광체 사이에 공간이 형성되도록 상기 도광체 중에서 적어도 어느 일측에 마련되며 입사면을 통하여 입사된 태양광을 상기 도광체 내부에서 출사면쪽으로 안내하는 제 1도광패턴을 포함 할 수 있다.
또한, 상기 제 1도광패턴이 마련된 상기 도광체에서 상기 제 1도광패턴이 마련된 면에 대한 대면에 제 2도광패턴이 마련될 수 있다.
또한, 복수의 상기 도광체중에서 적어도 어느 하나는 나머지와 굴절률이 서로 상이할 수 있다.
또한, 외기에 접하면서 태양광이 입사되는 상기 도광체의 상기 입사면에는 태양광의 반사량이 감소되도록 나노광학패턴이 마련될 수 있다.
또한, 상기 도광패턴은 홈형상, 프리즘 형상, 사각돌기 형상, 원형 돌기 형상 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이 조합된 것일 수 있다.
또한, 상기 입사면은 상기 출사면보다 표면적이 넓을 수 있다.
또한, 상기 도광체는 상기 입사면에 대한 직교방향의 두께가 상기 출사면쪽으로 갈수록 두꺼울 수 있다.
또한, 상기 출사면쪽으로 갈수록 상기 도광체의 폭이 좁아질 수 있다.
또한, 상기 도광체의 상기 입사면과 상기 출사면 외의 다른 표면에는 상기 도광체를 투과하는 광을 반사하는 반사체가 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 모듈은 도광체, 상기 도광체의 광이 입사되는 입사면과 상기 입사면에 대한 대면 중에서 적어도 어느 일측에 형성되어 상기 광을 상기 도광체의 일측면에 구비되는 출사면으로 안내하는 도광패턴을 구비하는 태양광 집광기, 상기 태양광 집광기의 상기 출사면에 설치되며 상기 도광체로부터 집광되는 광을 수광하는 태양전지를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 모듈은 복수의 도광체, 상기 도광체 사이에 공간이 형성되도록 상기 도광체 중에서 적어도 어느 일측에 마련되며 입사면을 통하여 입사된 태양광을 상기 도광체 내부에서 출사면쪽으로 안내하는 제 1도광패턴을 포함하는 태양광 집광기, 상기 태양광 집광기의 상기 출사면에 설치되며 상기 도광체로부터 집광되는 광을 수광하는 태양전지를 구비할 수 있다.
또한, 상기 도광체의 상기 입사면과 상기 출사면 외의 다른 표면에는 상기 도광체를 투과하는 광을 반사하는 반사체가 구비될 수 있다.
또한, 상기 반사체는 상기 도광체가 상기 입사면이 노출된 상태로 삽입되고, 상기 태양전지가 상기 출사면에 접하여 삽입되도록 하는 삽입부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 반사체의 외면에는 다수의 방열돌기가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 집열장치는 도광체, 상기 도광체의 광이 입사되는 입사면과 상기 입사면에 대한 대면 중에서 적어도 어느 일측에 형성되어 상기 광을 상기 도광체의 일측면에 구비되는 출사면으로 안내하는 도광패턴을 구비하는 태양광 집광기, 상기 태양광 집광기로부터 발산되는 열을 흡수하는 적어도 하나의 집열체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 집열장치는 복수의 도광체, 상기 도광체 사이에 공간이 형성되도록 상기 도광체 중에서 적어도 어느 일측에 마련되며 입사면을 통하여 입사된 태양광을 상기 도광체 내부에서 출사면쪽으로 안내하는 도광패턴을 포함하는 태양광 집광기, 상기 태양광 집광기로부터 발산되는 열을 흡수하는 적어도 하나의 집열체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 출사면과 상기 집열체 사이에 설치되며 상기 도광체로부터 집광되는 광을 수광하는 태양전지를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 집광기, 태양 전지 모듈 및 집열장치는 도광패턴의 형상 및 크기에 따라 30~80% 또는 그 이상의 집광효과를 발휘할 수 있고, 또한 태양광 집광기를 재질에 따라 사출성형, 레이저 식각, LIGA(Lithographie, Galvanoformung, and Abformung) 공정 등 다양한 방법으로 저가로 대량 생산할 수 있으므로 태양 전지 모듈 및 태양광 발전시스템을 매우 저렴한 가격으로 제조 및 시공할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 실시예에 따른 태양광 집광기와 이를 이용한 태양 전지 모듈 및 집열장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 제 1실시예에 따른 태양광 집광기를 이용한 태양 전지 모듈을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 제 1실시예에 따른 태양광 집광기를 이용한 태양 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 태양 전지 모듈(100)은 태양광을 도광시키는 도광체(111)로 된 태양광 집광기(110)와 태양광 집광기(110)가 수납되는 반사체(120) 그리고 반사체(120)에 태양광 집광기(110)와 함께 수납되는 태양전지(130) 를 포함한다.
태양광 집광기(110)는 소정두께를 가지는 판 형상으로 마련될 수 있으며 도면상의 상부면이 태양광이 입사되는 입사면(112)이 되는 도광체(111)를 포함한다. 도광체(111)는 입사면(112)의 두 평행한 측면의 끝단에서 태양전지(130)가 접하는 출사면(113)으로 갈수록 표면적이 작아지도록 형성되어 있다.
도광체(111)의 출사면(113)은 도광체(111)에서 도광되는 광들이 집광되어 출사되는 면으로 입사면(112)에 비하여 매우 작은 표면적을 가진다. 본 실시예에서 출사면(113)의 표면적은 입사면(112)의 표면적에 비하여 1/25, 1/100, 1/250 또는 그 이하 및 그 이상이 될 수 있는데, 입사면(112)의 면적비가 출사면(113)에 비하여 크면 클수록 고집광이 가능하다.
그리고 도광체(111)의 출사면(113)에는 태양전지(130)가 위치한다. 태양전지(130)는 실리콘 태양전지, CIGS(Cu-In-Ga-Se) 태양전지 또는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 태양전지 등으로 실시될 수도 있고 기타 다양한 태양전지가 적용될 수 있다.
태양광 집광기(110)의 도광체(111)는 다양한 재질로 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어 PC(Polycarbonate), COC(cycloolefin copolymer) 등의 플라스틱 재질로 제조되는 경우 플라스틱 사출성형으로 제조될 수 있고, 자외선 경화 수지 재질로 제조되는 경우 자외선 경화 공정으로 제조될 수 있다. 또한 유리로 제조되는 경우 다이싱(Dicing) 공정으로 제조될 수 있다.
그리고 도광체(111)의 상부 입사면(112)과 바닥면에는 도광패턴이 각각 형성된다. 이 도광패턴에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 태양 전지 모듈(100)은 태양광 집광기(110)의 도광체(111)가 수납되는 수납부가 형성된 반사체(120)를 구비한다. 반사체(120)는 도광체(111)의 측면과 바닥으로 투과되는 광을 도광체(111)로 다시 반사시키는 역할과 도광체(111)에 입사되는 태양광의 도광시에 발생하는 열을 방출시키는 기능을 수행한다.
이 반사체(120)는 태양광 집광기(110)의 열팽창률을 고려하여 제조될 수 있으며, PC(Polycarbonate) 등의 플라스틱을 사출성형으로 제조하거나, 스테인리스(또는 스테인리스강)를 프레스 가공으로 제조할 수 있고, 또는 알루미늄 합금 재질을 프레스 가공 및 주조로 제조할 수 있다.
그리고 반사체(120)의 수납부에는 보다 효율적인 방열을 위하여 다수개의 방열핀(121)이 반사체(120)에 일체로 성형되거나, 또는 별도로 제작되어 부착될 수 있다. 방열핀(121)의 형상은 돌기형상, 판형상 등 다양한 형상으로 제조될 수 있다.
반사체(120)의 우측 내측에는 도광체(111)의 출사면(113)과 접하도록 삽입되는 태양전지(130)가 삽입된다. 따라서 반사체(120)내 삽입된 태양광 집광기(110)로 광이 입사되면 태양광 집광기(110)는 광을 출사면(113)으로 도광시켜 궁극에는 광이 태양전지(130)에 집광되도록 한다.
한편, 도광의 효과를 극대화하기 위하여 전술한 바와 같이 도광체(111)에는 도광패턴이 형성된다. 도광패턴은 다양한 각도와 방향으로 입사되는 태양광을 효과적으로 도광체(111)로 입사 안내하여 태양광의 입사 및 집광효율을 최대한 늘리는 기능을 하며, 또한 광이 출사면(113) 측으로 효과적으로 안내되도록 하는 기능을 한다.
도 3은 본 발명에 의한 제 2실시예에 따른 태양 전지 모듈의 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 태양 전지 모듈(200)은 태양광 집광기(210)와 반사체(220)와 태양전지(230)를 포함한다. 상기 태양 전지 모듈(200)은 태양광이 입사되는 상측에서 보았을 때 전체적으로 사각형으로 마련된다. 또한, 상기 태양광 집광기(210)는 입사면에 대한 직교방향의 두께가 출사면쪽으로 갈수록 두꺼워진다. 전체적으로 사각형 평면을 가짐에 따라 도 2에서 같이 오각형 평면을 가지는 실시예에 비하여 출사면이 넓으므로 집광율이 낮을 수 있으나 출사면쪽으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 구성을 통하여 집광율이 개선될 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 13에 대한 설명에서 상술한다. 방열핀(221)은 태양전지가 고온에서 발전효율이 감소되는 것을 방지하기 위함이며 경우에 따라 반사체(220)의 전면적에 설치될 수도 있고 일부분에만 설치될 수도 있다.
도 4는 본 발명에 의한 제 3실시예에 따른 태양 전지 모듈의 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 태양 전지 모듈(300)은 태양광 집광기(310)와 반사체(320)와 태양전지(330)를 포함한다. 상기 태양 전지 모듈(300)은 태양광이 입사되는 상측에서 보았을 때 전체적으로 오각형으로 마련되고, 상기 태양광 집광기(310)는 입사면에 대한 직교방향의 두께가 출사면쪽으로 갈수록 두꺼워진다. 이에 따라 전체적 형상이 사각형인 도 3의 실시예에 비하여 집광율이 개선될 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 13에 대한 설명에서 상술한다.
도 5 내지 도 10은 본 발명에 의한 다양한 실시예에 따른 태양 전지 모듈의 일부분에 대한 확대 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 도광체는 a와 b를 포함하며, c는 반사체를 나타낸다. c는 반사성능을 가지는 부재이며 경우에 따라 플라스틱 수지재질, 금속성 판재 또는 플라스틱 수지재질에 금속성 코팅을 한 부재일 수 있다. b는 도광패턴이 형성된 부재이며 a와 b는 일체형으로 플라스틱 사출성형으로 마련될 수 있다. 또는 집열과정에서 발생하는 열팽창에 대한 변형에 대한 저항을 위하여 a는 유리부재, b는 UV curing 수지를 이용하여 도광패턴을 성형한 후에 두 부재를 접합할 수도 있다. 태양광은 입사되면서 1) b부재를 통과하면서 굴절, 2) c부재에서 반사, 3) b부재 방향으로 진행되면서 b에서 전반사, 4) 다시 c부재로 향하는 단계를 반복하면서 출사면 방향으로 태양광이 안내된다.
도 6에 도시된 바와 같이 도광체는 a와 b를 포함하며, c는 반사체를 나타내고, d는 빈 공간을 나타낸다. 한편, d는 a 또는 b와 다른 굴절율을 가지는 다른 물질로 채워지는 구성도 당연히 가능하다. a와 b의 제조과정은 도 5의 실시예와 유사하다. 태양광은 입사되면서 1) a부재를 통과하면서 굴절되고, 2) b부재에서 일부는 전반사되며, 다른 일부는 c부재에서 반사, 3) a부재를 통과하면서 a부재표면에서 전반사되는 단계를 반복하여 출사면 방향으로 태양광이 안내된다.
한편, a의 표면에는 태양광의 반사방지기능을 가지도록 나노광학패턴이 형성된 반사방지필름을 부착할 경우에 태양광의 입사량이 증가하게 되므로 보다 집광효율이 증가하게 된다. 물론 도광체 표면 자체에 나노광학패턴을 형성하여 반사방지기능을 수행할 수 있도록 하는 구성도 가능하다.
도 7에 도시된 바와 같이 도광체는 a, b, b'를 포함하며, c는 반사체를 나타내고, d는 빈 공간을 나타낸다. 한편, d는 a, b, b'와 다른 굴절율을 가지는 다른 물질로 채워지는 구성도 당연히 가능하다. a와 b의 제조과정은 도 5의 실시예와 유사하다. 태양광은 입사되면서 1) b부재를 통과하면서 굴절, 2) a부재를 통과하면서 굴절, 3) b'부재에서 일부는 전반사되며, 다른 일부는 c부재에서 반사, 4) a부재를 통과하면서 a부재표면에서 전반사되는 단계 등을 반복하여 출사면 방향으로 태양광이 안내된다.
도 8에 도시된 바와 같이 제1도광체(a1, b1)와 제2도광체(a2, b2)로 구성될 수 있다. c는 반사체를 나타내고, d는 빈 공간을 나타낸다. 한편, d는 a1(a2) 또는 b1(b2)와 다른 굴절율을 가지는 다른 물질로 채워지는 구성도 당연히 가능하다. a1(a2) 및 b1(b2)은 도 5의 실시예와 같이 각각 일체로 구성될 수도 있고 별개의 부재로 구성될 수도 있다. 태양광은 입사되면서 1) a1부재를 통과하면서 굴절되고, 2) b1부재에서 일부는 전반사되어 a1으로 돌아가고, 3) 다른 일부는 투과되어 d를 통과하면서 굴절되고 b2를 통과하면서 굴절되거나 전반사 등의 과정을 반복하면서 출사면 방향으로 태양광이 안내된다.
도 9에 도시된 바와 같이 제1도광체(a1)와 제2도광체(a2, b2)로 구성될 수 있다. c는 반사체를 나타내고, d는 빈 공간을 나타낸다. 한편, d는 a1(a2) 또는 b2와 다른 굴절율을 가지는 다른 물질로 채워지는 구성도 당연히 가능하다. a2 및 b2는 도 5의 실시예와 같이 각각 일체로 구성될 수도 있고 별개의 부재로 구성될 수도 있다. 태양광은 입사되면서 1) a1 또는 d를 통과하면서 굴절되고, 2) b2부재에 서 일부는 전반사되어 a1으로 돌아가고, 3) 다른 일부는 투과되어 c에서 반사후 다시 b2에서 전반사 등의 과정을 반복하면서 출사면 방향으로 태양광이 안내된다.
도 10에 도시된 바와 같이 제1도광체(a1, b1)와 제2도광체(a2, b2)로 구성될 수 있다. c는 반사체를 나타내고, d1 및 d2는 빈 공간을 나타낸다. d1 및 d2는 a1(a2) 또는 b1(b2)와 다른 굴절율을 가지는 다른 물질로 채워지는 구성도 당연히 가능하다. 태양광은 입사되면서 1) a1에서 굴절, b1에서 전반사 또는 투과, d1에서 굴절, 2) a2에서 굴절, b2에서 전반사 또는 투과, 3) d2에서 굴절, c에서 반사 등의 단계를 반복하면서 출사면 방향으로 태양광이 안내된다.
물론 본 발명의 실시예에 따른 태양광 집광기는 상기 실시예와 달리 3개 이상의 도광체를 포함하는 구성으로 마련될 수 있다. 기본적인 집광원리는 상기 실시예와 유사하다.
도 11은 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 태양 전지 모듈의 단면도이다. 편의상 도면번호는 도 1 및 도 2의 제 1실시예에 따른다.
도 11에 도시된 바와 같이 도광패턴(114)(115)은 도광체(111)의 상부면에 형성된 제 1도광패턴(114)과 하부면에 형성된 제 2도광패턴(115)을 포함한다. 이들 도광패턴(114)(115)들은 동일한 형상 또는 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다.
도광체(111)의 상부면, 즉 입사면(112)에 형성된 제 1도광패턴(114)은 태양광이 입사면(112)에 수직 입사되거나, 경사 입사되거나 또는 다방면에서 임의 입사되는 경우에 태양광을 효과적으로 수광하여 도광체(111)로 굴절되도록 하고, 제 2도광패턴(115)은 도광체(111)를 투과하는 광들이 다시 도광체(111) 내부로 전반사 되도록 하여 도광체(111)의 출사면(113)으로 광들이 효과적으로 안내되도록 하고 이에 따라 태양광이 태양전지(130)에 도달하게 한다. 이러한 도광패턴(114)(115)들은 태양광의 집광효율을 30% ~ 80% 내외까지 높이는 역할을 한다.
한편, 도 12는 다른 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 도시한 단면도이다. 도 12에 도시된 실시예의 태양 전지 모듈(400)은 태양전지(430)가 위치하는 출사면(413)이 태양광집광기(410)의 도광체(411) 바닥 중 가장 표면적이 작은 끝단부분에 형성된 것을 나타낸다. 그리고 제 1도광패턴(414)은 도광체(411)의 입사면(412)에 형성되고, 제 2도광패턴(415)은 도광체(411)의 바닥면에 형성되지만, 출사면(413)이 위치한 부분에는 형성되지 않도록 한다.
도 13은 본 발명에 의한 다른 실시예에 따른 태양 전지 모듈의 단면도이다.
도 13에 도시된 바와 같이 입사면에 대한 직교방향의 단면의 두께가 출사면(513)쪽으로 갈수록 두꺼워진다. 태양광은 제 1도광패턴(514)을 지나면서 굴절되고 도광체(511)로 입사되면서 다시 굴절된다. 그리고 제 2도광패턴(515)에서 전반사되고 다시 제 1도광패턴(514)에서 전반사되는 과정을 반복하면서 태양광이 안내된다. 이러한 구성에 따르면 출사면으로의 태양광 안내 경로가 단축되므로 집광효율이 향상되는 효과가 있다.
도 14는 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 집열장치의 단면도이다.
도 14에 도시된 바와 같이 태양전지(630)로 안내된 태양광은 전기에너지로 변환되는데 이 과정에서 고온에서는 변환효율이 현저하게 감소하게 된다. 따라서 방열핀(621)를 통하여 열을 외부로 발산시키도록 한다. 이때 발산되는 열을 수집하 여 축적하게 되면 이를 난방이나 기타 다양한 용도로 활용가능하게 되므로 에너지절감효과가 있다. 따라서, 본 실시예에서는 태양전지(630)에 접하도록 하거나 인접하게 집열체(640)를 마련하였다. 상기 집열체(640)는 열을 집열할 수 있도록 물이나 기타 다양한 축열성 재료로 마련될 수 있고 복수개의 상기 집열장치를 연결하면 보다 대용량의 집열장치를 구현할 수 있다.
한편, 태양전지가 없이 출사면에 집열체만을 설치하여 집열기능을 수행하는 것도 당연히 가능하다. 이 경우에는 방열핀을 반드시 설치할 필요는 없고 되도록 집열체쪽으로 열이 전달되도록 하는 것이 바람직하다.
도 15 내지 도 17은 본 발명에 의한 다양한 실시예에 따른 태양광 집광기의 집광효율을 비교하기 위한 실험체의 개략도이다.
도 15에 도시된 바와 같이 제 1실험에서는 입사면은 50㎜×50㎜, 출사면은 50㎜×10㎜, 사용된 도광패턴은 톱니모양의 단면을 가지며, 톱니의 높이는 33㎛, 경사면의 길이는 50㎛로 구성된다. 도광패턴과 반사체는 도광체의 경사진 하면에 마련된 상태로 실험하였다. 입사면 대 출사면의 면적비는 5:1이며, 입사면의 광량 대 출사면의 광량비는 100:61.6이었다.
도 16에 도시된 바와 같이 제 2실험에서는 입사면은 50㎜×50㎜, 출사면은 50㎜×10㎜, 사용된 도광패턴은 톱니모양의 단면을 가지며, 일측변은 경사진 하면에 대하여 28.035도의 기울기를 가지며 타측변은 경사진 하면에 대하여 145.00도의 기울기를 가진다. 도광패턴과 반사체는 도광체의 경사진 하면에 마련된 상태로 실험하였다. 입사면 대 출사면의 면적비는 5:1이며, 입사면의 광량 대 출사면의 광량 비는 100:61.8 이었다.
도 17에 도시된 바와 같이 제 3실험에서는 입사면은 50㎜×50㎜(출사면쪽으로 갈수록 폭이 감소되는 부분은 가림), 출사면은 10㎜×10㎜, 사용된 도광패턴은 톱니모양의 단면을 가지며, 톱니의 높이는 33㎛, 경사면의 길이는 50㎛로 구성된다. 도광패턴과 반사체는 도광체의 경사진 하면에 마련된 상태로 실험하였다. 입사면 대 출사면의 면적비는 25:1이며, 입사면의 광량 대 출사면의 광량비는 100:32.6 이었다.
상기 실험에서 보듯이 도광패턴을 사용함에 따라 광량비의 증가에 의하여 집광율이 상승하였다. 뿐만 아니라 출사면쪽으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 형태를 가질수록 광량비가 상승하는 것을 알 수 있다.
도 18 내지 도 22는 태양광 집광기에 형성된 도광패턴에 대한 서로 다른 실시예를 나타낸 사진이다.
도광패턴은 다양한 형상으로 제조될 수 있는데, 예를 들어 홈형상, 프리즘 형상, 사각돌기 형상, 원형 돌기 형상 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 조합되는 형상으로 형성될 수 있다.
도 18는 태양광 집광기(110,210,310,410,510,610)의 도광체 표면에 반구형 홈형상의 도광패턴을 레이저 식각으로 가공한 것을 확대 도시한 사진이고, 도 19는 습식 식각으로 반구형 홈형상의 도광패턴을 가공한 것을 확대 도시한 사진이다.
또한, 도 20은 경사노광 방법을 이용하여 곡선 경사면을 가지는 사각뿔 형상의 도광패턴을 도시한 확대 사진이고, 도 21은 정밀 기계가공으로 프리즘 형상의 도광패턴을 도시한 확대 사진이며, 도 22는 원형 돌기 형상의 도광패턴을 도시한 확대 사진이다.
이하에서는 도 11에 도시된 실시예를 통하여 상기 도광패턴의 기능을 설명한다. 다양한 형상의 도광패턴을 도광체의 상부면과 하부면에 형성할 수 있는데, 이때 도광패턴(114)(115)의 형상은 서로 다르게 형성할 수 있고, 또는 서로 같은 형상으로 형성할 수 있다.
이와 같은 도광패턴(114)(115)을 구비하는 태양광 집광기(110)는 도광체(111)의 입사면(112)으로 입사되는 수직광, 경사광 또는 임의 각도의 광을 제 1도광패턴(114)이 도광체(111) 내부로 전반사시킨다. 그리고 전반사 되어 진행하는 광들 중에서 도광체(111)의 측면으로 향하는 광은 반사체(120)에서 반사되어 다시 제 1도광패턴(114)이나 제 2도광패턴(115)으로 반사되는데, 이때의 광들은 계속해서 제 1도광패턴(114)이나 제 2도광패턴(115)에 의하여 도광체(111) 내부에서 전반사된다. 또한 도광체(111)의 바닥으로 향하는 광은 도광패턴(114)(115) 및 반사체(120)에 의하여 반사 및 전반사 된다.
즉 도광체(111)의 제 1도광패턴(114)과 제 2도광패턴(115)에 의하여 광들은 지속적으로 전반사되어 태양전지(130)가 설치된 출사면(113)으로 안내되어 고효율의 집광이 이루어지도록 한다.
이상에서와 같은 본 실시예에 따른 태양광 집광기(110) 및 태양 전지 모듈(100)은 도광패턴(114)(115)의 형상 및 크기에 따라 30 ~ 80% 또는 그 이상의 집광효과를 발휘할 수 있고, 또한 태양광 집광기(110)의 재질에 따라 사출성형, 레이 저 식각, LIGA 공정 등 다양한 방법으로 저가로 대량 생산할 수 있으므로 태양 전지 모듈(100) 및 태양광 발전시스템을 매우 저렴한 가격으로 제조 및 시공할 수 있다.
또한 본 실시예의 태양광 집광기(110)는 태양광 발전시스템 뿐만 아니라 태양광 집광기(110)에서 매우 높은 온도의 축열 및 집열이 가능하기 때문에 태양열모듈 및 태양열 발전시스템에서 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 태양광 집광기를 이용한 태양 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 태양광 집광기를 이용한 태양 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 태양광 집광기를 이용한 태양 전지 모듈의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 3실시예에 따른 태양광 집광기를 이용한 태양 전지 모듈의 사시도이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 태양 전지 모듈의 일부분에 대한 확대 단면도이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 태양 전지 모듈의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 집열장치의 단면도이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 태양광 집광기의 집광효율을 비교하기 위한 실험체의 개략도이다.
도 18 내지 도 22는 태양광 집광기에 형성된 도광패턴에 대한 서로 다른 실시예를 나타낸 사진이다.

Claims (18)

  1. 도광체;
    상기 도광체의 광이 입사되는 입사면 및 상기 입사면에 대한 대면 중에서 적어도 어느 일측에 형성되어 상기 광을 상기 도광체의 일측면에 구비되는 출사면으로 안내하는 도광패턴을 구비하는 태양광 집광기.
  2. 복수의 도광체;
    상기 도광체 사이에 공간이 형성되도록 상기 도광체 중에서 적어도 어느 일측에 마련되며 입사면을 통하여 입사된 태양광을 상기 도광체 내부에서 출사면쪽으로 안내하는 제 1도광패턴을 포함하는 태양광 집광기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1도광패턴이 마련된 상기 도광체에서 상기 제 1도광패턴이 마련된 면에 대한 대면에 제 2도광패턴이 마련된 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
  4. 제 2항에 있어서,
    복수의 상기 도광체중에서 적어도 어느 하나는 나머지와 굴절률이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    외기에 접하면서 태양광이 입사되는 상기 도광체의 상기 입사면에는 태양광의 반사량이 감소되도록 나노광학패턴이 마련된 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 도광패턴은 홈형상, 프리즘 형상, 사각돌기 형상, 원형 돌기 형상 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이 조합된 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 입사면은 상기 출사면보다 표면적이 넓은 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 도광체는 상기 입사면에 대한 직교방향의 두께가 상기 출사면쪽으로 갈수록 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 출사면쪽으로 갈수록 상기 도광체의 폭이 좁아지는 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 도광체의 상기 입사면과 상기 출사면 외의 다른 표면에는 상기 도광체를 투과하는 광을 반사하는 반사체가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
  11. 도광체; 상기 도광체의 광이 입사되는 입사면과 상기 입사면에 대한 대면 중에서 적어도 어느 일측에 형성되어 상기 광을 상기 도광체의 일측면에 구비되는 출사면으로 안내하는 도광패턴을 구비하는 태양광 집광기; 상기 태양광 집광기의 상기 출사면에 설치되며 상기 도광체로부터 집광되는 광을 수광하는 태양전지를 구비하는 태양 전지 모듈.
  12. 복수의 도광체; 상기 도광체 사이에 공간이 형성되도록 상기 도광체 중에서 적어도 어느 일측에 마련되며 입사면을 통하여 입사된 태양광을 상기 도광체 내부에서 출사면쪽으로 안내하는 제 1도광패턴을 포함하는 태양광 집광기; 상기 태양광 집광기의 상기 출사면에 설치되며 상기 도광체로부터 집광되는 광을 수광하는 태양전지를 구비하는 태양 전지 모듈.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 도광체의 상기 입사면과 상기 출사면 외의 다른 표면에는 상기 도광체를 투과하는 광을 반사하는 반사체가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 반사체는 상기 도광체가 상기 입사면이 노출된 상태로 삽입되고, 상기 태양전지가 상기 출사면에 접하여 삽입되도록 하는 삽입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 반사체의 외면에는 다수의 방열돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  16. 도광체; 상기 도광체의 광이 입사되는 입사면과 상기 입사면에 대한 대면 중에서 적어도 어느 일측에 형성되어 상기 광을 상기 도광체의 일측면에 구비되는 출사면으로 안내하는 도광패턴을 구비하는 태양광 집광기; 상기 출사면측에 마련되어 상기 태양광 집광기로부터 발산되는 열을 흡수하는 적어도 하나의 집열체를 포함하는 집열장치.
  17. 복수의 도광체; 상기 도광체 사이에 공간이 형성되도록 상기 도광체 중에서 적어도 어느 일측에 마련되며 입사면을 통하여 입사된 태양광을 상기 도광체 내부에서 출사면쪽으로 안내하는 도광패턴을 포함하는 태양광 집광기; 상기 출사면측에 마련되어 상기 태양광 집광기로부터 발산되는 열을 흡수하는 적어도 하나의 집열체를 포함하는 집열장치.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 출사면과 상기 집열체의 사이에 마련되며 상기 도광체로부터 집광되는 광을 수광하는 태양전지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집열장치.
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