KR20100105316A - 박막 태양 전지 모듈 및 이를 구비한 태양광 온실 - Google Patents

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쳉 충
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라이트온 테크놀러지 코포레이션
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Abstract

태양광 온실은 내부의 온실 공간을 둘러싸는 다수의 직립 벽들과 지붕을 가지는 주택 구조물과, 햇빛의 기-선택된 광 대역 내의 태양 에너지를 전기로 변환시키기 위해 지붕에 설치된 적어도 하나의 박막 태양 전지 모듈을 포함한다. 박막 태양 전지 모듈에 의해 흡수되지 않은 광은 통과하여 온실 공간으로 들어와, 광합성을 위해 식물 또는 농작물에 의해 이용될 수 있다. 박막 태양 전지 모듈은, 광합성을 위해 온실 공간 내부의 재배 식물이나 농작물에 의해 필요로 하는 파장 간격, 예를 들어 400-450nm와 640-700nm의 파장 간격에서 높은 광 투과율을 가진다.
Figure P1020090083590
태양광 온실, 박막 태양 전지 모듈

Description

박막 태양 전지 모듈 및 이를 구비한 태양광 온실{THIN-FILM SOLAR CELL MODULE AND PHOTOVOLTAIC GREENHOUSE WITH THE SAME}
본 발명은 온실 구조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 새로운 태양 에너지 타입의 태양광 온실 구조에 관한 것이다.
온실은 여름철에 온도를 낮추고 겨울철에 온도를 충분히 높게 유지하는 것뿐만 아니라, 태풍, 산성비, 그리고 해충에 대해 유용하다. 온실은, 식물 또는 농작물에 생육에 적당한 환경을 제공할 수 있기 때문에, 난초 또는 멜론과 같이 경제적 가치가 높은 식물 또는 농작물의 재배에 주로 이용된다.
당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에 의해 잘 알려진 바와 같이, 온실 공학은, 식물 또는 농작물을 최상의 성장 조건으로 유지시키기 위해 온실 내에 설치된 다양한 제어 설비들과 더불어, 식물의 생물학적 요구 사항과 국소 기후에 따라 온실 내의 미세 기후를 조절하도록 적절한 덮개 재료를 선택하는 것에 머물러 있다.
내부 온도를 적절한 범위 내로 유지하기 위하여, 온실은 통풍 장치가 구비되도록 설계되며, 통풍 장치는 더운 여름에는 과다한 열을 통풍하고, 식물과 농작물 에 불리한 혹한기의 겨울에는 히터로 온도를 올린다.
그러나, 통풍기와 같은 통풍 장치가 있음에도 불구하고 어떤 극한 조건에서는, 온실을 이상적인 온도 조건으로 유지시키기가 여전히 매우 어렵다. 따라서, 추가적으로 비용이 많이 드는 공기 조절이 필요하다. 이러한 공기 조절은 비용이 많이 들고 많은 에너지를 소비한다.
게다가, 온실 내부의 빛의 세기를 조절하기 위하여, 온실은 종종 차광된다. 과도한 자외선은 잎들이 타는 것과 같이 식물의 생리적, 생물적 기능에 손상을 줄 수 있다. 동시에, 차광된 온실이 해로운 자외선을 차단하여, 온실 내의 식물이 훨씬 좋은 조건에서 성장할 수 있다.
그러나, 온실을 차광하는 종래의 방법은 특정한 파장의 햇빛을 효과적으로 여과할 수 없을 뿐만 아니라 빛의 세기 또는 햇빛의 기선택된 광 대역을 효과적으로 조절할 수 없다. 게다가 온실을 차광하는 종래의 방법은, 식물의 성장 또는 광합성을 용이하게 하는 햇빛, 예를 들어 적외선 또한 차단한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 현재의 온실 구조는 개선과 발전을 더 필요로 한다.
상기의 기술적 문제점을 고려하여, 본 발명은 위에 언급된 문제점들과 결함들을 성공적으로 해결할 수 있는 개선된 온실 구조를 제안한다.
본 발명은 새로운 태양 에너지 타입의 태양광 온실을 제안한다. 본 발명의 태양광 온실은 온실 공간을 둘러싸는 다수의 직립 벽들과 지붕을 가지는 메인 온실 프레임 구조와, 지붕에 설치된 적어도 하나의 박막 태양 전지 모듈을 포함한다. 박막 태양 전지 모듈은 햇빛의 기-선택된 광 대역 내의 태양 에너지를 유용하게 전기로 변환시킨다. 그리고 동시에 박막 태양 전지 모듈에 흡수되지 않은 광은 박막 태양 전지 모듈을 통과하여 온실 내부 공간으로 들어간다. 박막 태양 전지 모듈을 통과한 햇빛은 광합성을 위해 식물 또는 농작물에 의해 이용될 수 있는 충분한 빛을 포함한다.
본 발명의 목적들은 다양한 도면들에 예시된 바람직한 실시 예에 대한 다음의 상세한 설명에 의해 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게 명백하게 될 것이다.
온실을 차광하는 종래의 방법에서 필요로 하는 추가적인 비용이 소요되지 않는다. 그러나 충분한 빛의 세기 또는 햇빛의 충분한 기-선택된 광 대역이 여전히 온실 내에 제공되며, 동시에 햇빛은 전기로의 변환을 위해 여전히 충분하게 사용된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 본 발명의 태양광 온실 장치의 바람직한 실시 예를 보여주고, 도 2는 도 1에 예시된 태양광 온실의 단면도를 보여준다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양광 온실(1)은 베이스(10a)와 다수의 지지대들 또는 프레임들(10b)로 제조된 메인 온실 프레임 구조(10)를 포함한다. 베이스(10a)와 다수의 지지대들 또는 프레임들(10b)의 지지에 의해, 투명 패널(10c)이 메인 온실 프레임 구조(10)의 지붕 또는 햇빛을 향하는 측면에 설치된다. 추가적인 전기의 생성을 위해, 다수의 박막 태양 전지 모듈들(20)이 메인 온실 프레임 구조(10)의 지붕 또는 투명 패널(10c)에 인접하게 설치된다.
투명 패널(10c)은 투명 유리, 파이버 글라스 또는 플라스틱과 같이 햇빛을 투과시키는 투명한 재질일 수 있다. 빛의 보충(supplementing light), 빛의 균등 분배 또는 빛의 충분한 분배를 위해, 적어도 하나의 투명 패널(10c)이 수직하게 또는 수평하게 정렬될 수 있다. 투명 패널(10c)은 오목 렌즈 또는 빛이 고르게 분배될 수 있는 다른 적절한 구조와 같은 렌즈 구조일 수 있다. 태양광 온실(1)의 외관 구조는 하나의 측면이나 두 개의 측면을 가지는 형상 또는 다른 형상일 수 있다. 도면은 단지 예시를 위한 것이다.
또한, 메인 온실 프레임 구조(10)에는 다수의 통풍구들 또는 통풍 창문들(30)이 선택적으로 수직하게 또는 수평하게 정렬될 수 있다. 이와 달리, 통풍구들 또는 통풍 창문들(30)은 다수의 박막 태양 전지 모듈들(20)의 사이에 배치될 수 있다. 메인 온실 프레임 구조(10)에는 개폐 가능한 쉘터들(Shelters, 40)이 임의 선택적으로 설치될 수 있다. 임의 선택적인 쉘터들(Shelters, 40)은 불투명 또는 투명일 수 있다. 본 발명의 태양광 온실(1)은 단열 재료(50)를 더 포함할 수 있다. 단열 재료(50)는 예를 들어 짚이나 고무와 같은 유기 재료 또는 무기 재료일 수 있다. 단열 재료(50)는 수동으로 또는 기계적으로 처리될 수 있다.
태양광 온실(1)의 직립 벽들(측벽들, 60)은 국소적인 햇빛 또는 온도에 따라 불투명 또는 투명 물질일 수 있다. 더욱이, 직립 벽들(60)의 물질은 고정되거나 이동될 수 있다. 메인 온실 프레임 구조(10)에는 임의 선택적인 통풍구들 또는 통풍 팬들(70)이 설치될 수 있다. 몇몇의 애플리케이션에 있어서, 식물의 성장과 개화 주기를 조절하고 야간의 추가적인 조명 제공을 위해, 태양광 온실(1)에 엘이디들(LED lights, 80)이 설치된다.
또한, 본 발명에 따르면, 자동 스프링클링 시스템이 온실에 선택적으로 설치될 수 있다. 식물은 예를 들어 토경(soil culture), 기경법(氣耕法, aeroponics) 또는 수경법(水耕法, hydroponics)으로 땅 또는 다층 선반에서 재배될 수 있다. 온실 내에는 플랜트(plants) 또는 수경 시스템(aquaculture system)이 있을 수 있다.
다수의 박막 태양 전지 모듈들(20) 또는 대면적을 가지는 다수의 박막 태양 전지 모듈들이 메인 온실 프레임 구조(10)의 지붕 또는 햇빛을 향하는 측면에 설치되는 것이 본 발명의 기술적 특징의 하나이다. 박막 태양 전지 모듈(20)은 무정형 실리콘 박막 태양 전지 모듈, 미정질 실리콘 박막 태양 전지 모듈 또는 나노-크리스탈라인(nano-crystalline) 실리콘 박막 태양 전지 모듈일 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 예에 따르면, 박막 태양 전지 모듈(20)은 투명 패널(10c)상에 설치된다. 한편, 본 발명의 바람직한 다른 예에 따르면, 박막 태양 전지 모듈(20)은 투명 패널들(10c) 사이에 배치된다. 지붕이 망 형상(mesh shape)일 경우, 박막 태양 전지 모듈(20)은 투명 패널(10c)을 대신하는 그물과 같은 프레임(net-like frame)상에 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 박막 태양 전지 모듈(20)은 햇빛을 투과시켜야 한다. 즉, 박막 태양 전지 모듈(20)은 투과성이 있는 박막 태양 전지 모듈이어야 한다. 더욱이, 메인 온실 프레임 구조(10)로 들어오는 투과 광(3)은, 햇빛의 다른 광 대역(예를 들어, 황색 광 또는 녹색 광)이 박막 태양 전지 모듈(20)에 의해 흡수될 때, 박막 태양 전지 모듈(20)을 통과해서 식물의 광합성을 용이하게 하는 햇빛의 광 대역(예를 들어 청색 광이나 적색 광)을 포함해야 한다. 예를 들면, 엽록소 a는 430nm와 662nm의 파장을 가진 빛을 최대로 흡수한다. 본 발명의 바람직한 일 예에 따르면, 박막 태양 전지 모듈(20)은 450 - 670 nm 범위의 파장을 가진 빛을 최대로 흡수하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게, 박막 태양 전지 모듈(20)은, 식물의 광합성을 용이하게 하기 위해, 400 - 450 nm와 640 - 700 nm 범위의 빛 에너지가 높은 투과율로 투과되도록 한다.
본 발명의 원리는 빛 에너지를 부분적으로 전기로 변환시키는 것이다. 그러나 광합성에 필요한 빛 에너지는 식물 또는 농작물의 성장을 돕기 위해 박막 태양 전지 모듈(20)을 통과해서 온실 내로 들어온다. 동시에, 빛 에너지를 전기로 변환하는 박막 태양 전지 모듈(20)에 의해 빛 에너지의 일부가 흡수되기 때문에, 온실 내에 열이 적게 축적되어 온실 내부 온도가 적절하게 조절된다. 또한, 박막 태양 전지 모듈(20)은 도시의 전력 망(power grid)에 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결될 수 있고, 생성된 전기는 전지나 다른 적절한 수단에 저장될 수 있다. 이러한 방법으로, 본 발명의 태양광 온실은, 한편으로는 온실을 차광하는 종래의 방법에서 필요로 하는 추가 비용 없이 충분한 햇빛을 공급하고, 다른 한편으로는 햇빛을 전 기로 변환한다.
도 1에 예시된 설비가 예를 들어 590m2의 면적에 자리하면, 온실의 크기는 94.5m X 6.25m이고, 각각의 하나의 박막 태양 전지 모듈(20)의 크기는 1300m X 1100m이다. 그 결과 온실은 333 개의 박막 태양 전지 모듈(20)을 수용할 수 있다. 각각의 박막 태양 전지 모듈(20)이 75W의 전기를 생성한다고 가정하면, 하나의 박막 태양 전지 모듈(20)의 연간 생산량은 25kW이고, 전체 박막 태양 전지 모듈(20)의 연간 생산량은 29,200kW이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 예에 따르면, 태양광 온실(1)에 의해 생성된 전기는, 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 적절한 스텝에 의해 적당한 수의 인버터(inverter)와 컨버터(converter)가 구비된 전력 망(power grid)에 병렬 연결될 수 있다. 태양광 온실(1)의 박막 태양 전지 모듈(20)은 DC 단자(210)와 에너지 저장 시스템(290)에 전기적으로 연결될 수 있다. 에너지 저장 시스템(290)은 전지(battery), 충전기(charger) 및/또는 방전기(discharger)를 포함할 수 있다. AC 단자(213)는 부하(300)에 병렬 연결된다. DC 단자(210)와 AC 단자(213) 사이에는 양방향 DC/DC 트랜스포머(two-way DC/DC transformer, 211)와 DC/DC 인버터(DC/DC inverter, 212)가 있을 수 있다. 양 방향 트랜스포머를 사용하면, 박막 태양 전지 모듈(20)과 에너지 저장 시스템(290)으로부터 생성된 DC 전력이 부하(load, 300)를 위한 AC 전력으로 변환될 수 있다.
통풍 팬, 냉각 장치, 히터, 가습기, 스프링클러, LED와 같은 태양광 온실(1) 내의 모든 전자 기기들은 박막 태양 전지 모듈(20)에 의해 전력이 공급될 수 있다. 본 발명의 태양광 온실(1)은, 에너지 절약, 광 대역 변조, 독자성의 이점 이외에도, 대도시나 산업 지역 부근의 농지에 세워진 온실의 전력 설비로서 구실할 수 있고, 주거 지역이나 산업 지역과 같은 다른 지역들에 많은 전기를 제공할 수 있다.
과거에는, 순수 태양 발전소가 충분한 전력을 생산하기 위해 많은 땅을 필요로 하고, 빛을 완전하게 차폐하는 비박막 태양 전지, 예를 들어 결정질의 실리콘 태양 전지를 사용하기 때문에, 햇빛의 부족으로 인하여 하부 토양이 농작, 원예 또는 수경에 부적합하게 된다. 이로 인해 태양 발전소가 대도시나 산업 지역 부근의 농자에 위치하기 보다는 도시에서 멀리 떨어진 곳에 위치한다. 멀리 떨어진 위치의 선택으로 인해 전력 수송에 있어서 많은 손실, 대략 20 - 30%의 평가 손실이 발생된다.
비교해 보면, 본 발명의 태양광 온실(1)은 대도시 또는 산업 지역 부근의 대농지에 위치할 수 있으며, 따라서 전력 손실이 최소화된다. 동시에 하부 토양은 여전히 농작, 원예 또는 수경에 적합하다. 전기 생성(electricity-generating)과 함께 농작은 하나의 단위 토지 당의 수입을 최대화시킨다. 환경 보전과 에너지 생성이 상호 배타적이지 않기 때문에, 본 발명은 매우 높은 산업상의 유용성을 가진다.
도 4는 본 발명의 태양광 온실의 다른 바람직한 실시 예를 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양광 온실(1)은 박막 태양 전지 모듈(20)의 아래에 배치된 필터(120)를 더 포함할 수 있다. 햇빛(2)의 특정 대역(예를 들어 황색 광 또는 녹색 광)은, 자외선 같은 해로운 주파대(waveband)를 여과하기 위해, 박막 태 양 전지 모듈(20)을 통과하고 메인 온실 프레임 구조(10)에 들어오기 전에 흡수된다. 따라서, 투과 광(3')은 해로운 주파대(waveband), 즉 자외선을 포함하지 않고, 식물의 광합성을 용이하게 하기 위한 유용한 주파대(예를 들어 청색 광 또는 적색 광)만을 포함한다. 결론적으로, 필터(120)는 광합성에 적합한 광 대역을 선택적으로 통과시킬 수 있다.
도 4에 예시된 장치는 단지 온실에 제한되는 것이 아니며, 다른 애플리케이션들(applications)에 적용될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 도 4에 예시된 장치는 건물 내부의 사람들이 해로운 자외선으로부터 해를 입지 않도록 보호하기 위해 통상의 건물에 사용될 수 있다. 필터(120)는 유리, 플라스틱, 편광자(polarizer) 또는 폴리머(polymer)로 제조될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 박막 태양 전지 모듈(20)의 유리에는 세륨 산화물(cerium oxide)이 거의 존재하지 않는다. 세륨 산화물은 자외선을 흡수하므로, 세륨 산화물은 자외선이 유리를 투과하지 못하도록 하고, 해로운 파장, 즉 자외선이 없는 상태에서 식물의 광합성을 용이하게 한다. 따라서, 세륨 산화물은 본 발명의 태양 전지의 실시 예에 있어서 바람직하지 않다. 본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 유리는 대략 0.01%의 세륨 산화물을 포함하며, 더 바람직하게는 0.001%, 보다 더 바람직하게는 0.0005%, 그리고 가장 바람직하게는 0%의 세륨 산화물을 포함한다. 그러나, 본 발명의 다른 선택적인 실시 예에 있어서, 소량의 세륨 산화물을 사용하는 것이 가능하다. 제한을 가하지 않고 예를 들면, 본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 유리는 0 - 0.2%의 세륨 산화물을 포함하며, 더 바람직하게는 0 - 0.1%, 그리고 가능하게는 0.001 - 0.09%의 세륨 산화물을 포함한다. 여기서의 모든 재료의 백분율은 중량 백분율이다. 여기서 사용된 세륨 산화물은 Ce2O3, CeO2 또는 이와 유사한 것을 포함한다. 다른 예의 경우, 세륨 산화물을 포함하는 유리는 자외선 보호가 요구되는 온실 유리 공사(greenhouse glazings)와 같은 애플리케이션에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 면에 의하면, 박막 태양 전지는 단지 유리보다 무거우며, 이는 태양광 온실이 지어질 때 고려되어야 한다. 몇몇의 보다 추운 지역에서는 겨울에 눈이 오고 눈이 지붕에 쉽게 쌓인다. 눈은 태양광 온실에 추가 하중을 작용시키며, 잠재적으로 온실 구조에 손상을 가한다. 이러한 관점에서 도 5를 참조하면, 본 발명은 눈을 감지하고 제설하기 위한 추가적인 메커니즘을 제공한다. 예를 들면, 강설 감지기(91)는 박막 태양 전지 모듈(20) 또는 지붕에 쌓인 눈(93)을 유용하게 감지하며, 제설 기구(92)는 박막 태양 전지 모듈(20) 또는 지붕 위의 눈(93)을 유용하게 제거한다. 메커니즘은 폭설의 잠재적인 피해로부터 온실 구조를 보호하기 위해 적절하게 구동될 수 있다.
한편, 메커니즘은 쌓인 눈의 온도, 습도 또는 중량 한계치에 의해 적절하게 구동될 수 있다. 온도 감지기 또는 습도 감지기가 온도 또는 습도 한계치에 따라 눈이 온다고 판단하거나, 박막 태양 전지의 온도가 박막 태양 전지에 쌓인 눈에 의해 한계치까지 떨어지면, 제설 기구가 박막 태양 전지 또는 지붕 위의 눈을 제거하기 위해 강설 감지기에 의해 구동된다. 마찬가지로, 박막 태양 전지에 추가 하중, 예를 들어 쌓인 눈이 존재하면, 하중 센서가 제설 기구를 구동시킨다.
물 또는 눈은 열에 의해 쉽게 증발되기 때문에, 제설 기구는 히터로 열을 제공하는 것에 의해 쉽게 완성될 수 있다. 본 발명에 있어서, 히터는 박막 태양 전지 모듈에 설치될 수 있다. 온실 구조 히터(green house structure heater)는 하나의 히터로 구비될 수 있다. 물질은 눈을 녹이기 위해 열을 전도한다. 또한, 메커니즘은 기계적 수단, 예를 들어 박막 태양 전지 또는 지붕 위의 눈을 치우는 로봇 메니퓰레이터(robot manipulator)일 수 있다.
또한, 박막 태양 전지 모듈의 효율을 증대시키기 위해, 박막 태양 전지 모듈은 틸팅 장치(tilting device)로 구비될 수 있다. 박막 태양 전지 모듈의 틸트 각(tilt angle)은 태양의 각도에 따라 조절된다. 틸팅 장치는 겨울철에 더 큰 틸트 각을 제공하여 눈이 지붕에 쌓이는 것을 방지할 수 있다.
당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 장치 및 방법의 다양한 수정과 변형이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 태양광 온실 장치의 바람직한 실시 예를 보여준다.
도 2는 도 1에 예시된 태양광 온실의 단면도를 보여준다.
도 3은 본 발명의 다른 바람직한 실시 예를 보여준다.
도 4는 본 발명의 태양광 온실의 다른 바람직한 실시 예를 보여준다.
도 5는 본 발명의 강설 감지기와 제설 기구를 보여준다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1: 태양광 온실 10: 메인 온실 프레임 구조
20: 박막 태양 전지 모듈 30: 통풍 창문
40: 쉘터 50: 단열 재료
60: 직립 벽 70: 통풍 팬
80: LED 91: 강설 감지기
92: 제설 기구 93: 눈
120: 필터

Claims (2)

  1. 다수의 직립 벽들과, 상기 직립 벽들에 의해 지지되는 지붕을 포함하는 메인 온실 프레임 구조; 및
    상기 지붕에 설치되며, 햇빛의 기선택된 광 대역을 선택적으로 흡수하여 태양 에너지를 전기로 변환하는 적어도 하나의 박막 태양 전지 모듈을 포함하되,
    상기 적어도 하나의 박막 태양 전지 모듈에 의해 선택적으로 흡수된 상기 태양 에너지는 주어진 식물에 의한 광합성을 용이하게 하는 햇빛의 광 대역을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 온실.
  2. 햇빛의 기선택된 광 대역을 선택적으로 전기로 변환시키는 박막 태양 전지 모듈에 있어서,
    상기 박막 태양 전지 모듈의 광 대역 선택이 가능하도록, 상기 박막 태양 전지 모듈의 아래에 필터가 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 태양 전지 모듈.
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