KR20100130433A - 태양광용 집광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광용 집광장치에 관한 것으로써, 특히, 입사된 태양광을 한쪽으로 유도하여 일차로 집광하는 판형상의 도광판과, 상기 도광판 측면에 형성되거나 부착되어 일차로 집광된 태양광을 이차로 집광하는 제1패턴과, 상기 도광판의 측부에 배치되어 상기 도광판으로부터 태양광을 받는 수광소자를 포함하여, 장치가 차지하는 공간이 작아지게 되며, 태양트랙커를 구비하지 않아도 되어 제조비용이 저렴해지는 이점이 있는 태양광용 집광장치에 관한 것이다.

도광, 태양, 전지

Description

태양광용 집광장치{Concentrator for Solar cell}

본 발명은 태양광용 집광장치에 관한 것으로써, 특히, 입사된 태양광을 한쪽으로 유도하여 일차로 집광하는 판형상의 도광판과, 상기 도광판 측면에 형성되거나 부착되어 일차로 집광된 태양광을 이차로 집광하는 제1패턴과, 상기 도광판의 측부에 배치되어 상기 도광판으로부터 태양광을 받는 수광소자를 포함하는 태양광용 집광장치에 관한 것이다.

종래의 태양광용 집광장치는 한국등록실용 제 등록실용 20-0390785호에 제시된 것이 있다.

도 1은 종래의 태양 전지 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 상기 태양 전지 장치(100)는 태양광을 집속하기 위한 태양광 집속부와 태양 전지(140)로 구성된다. 상기 태양광 집속부는 제1 렌즈(110), 제2 렌즈(120) 및 프레임(130)으로 구성된다.

상기 제1 렌즈(110)는 광을 굴절시켜 집속하기 위한 것으로, 전체적으로 사각형 플레이트 형태를 갖는다. 구체적으로 상기 제1 렌즈(110)는 상부면은 볼록한 형태를 가지며, 하부면은 편평한 형태를 가진다. 즉 상기 제1 렌즈(110)는 평 볼록(plano-convex) 렌즈이다.

상기 제1 렌즈(110)의 재질로는 아크릴산 수지 또는 폴리카보네이트(poly carbonate)가 사용된다.

상기 제1 렌즈(110)의 표면은 자외선 코팅된다. 상기 자외선 코팅에 의해 상기 제1 렌즈(110)에서 발생하는 열응축을 감소시킬 수 있다.

상기 제2 렌즈(120)는 상기 제1 렌즈(110)에서 굴절된 광을 수렴하기 위한 수렴 렌즈의 일종으로, 상기 제1 렌즈(110)와 대응하도록 사각형 플레이트 형태를 갖는다. 상기 제2 렌즈(120)의 상부면은 편평한 형태를 가지며, 하부면은 상기 제2 렌즈(120)의 길이 방향으로 연장된 돌출부(126)가 형성된다. 상기 돌출부(126)는 톱니 형태를 가지며, 상기 하부면의 길이 방향의 중심선을 향하도록 경사진 형태이다. 즉 상기 돌출부(126)는 상기 중심선을 기준으로 대칭되도록 형성된다. 상기 돌출부(126)의 경사에 따라 상기 태양광 집속 장치(100)의 초점 거리가 달라진다. 구체적으로 상기 돌출부(126)의 경사가 급한 경우 상기 태양광 집속 장치(100)의 초점 거리가 길고, 상기 돌출부(126)의 경사가 완만한 경우 상기 태양광 집속 장치(100)의 초점 거리가 짧다.

상기 제2 렌즈(120)는 일종의 프레넬 렌즈(fresnel lens)이다. 상기 프레넬 렌즈는 수렴 렌즈의 일종으로 볼록 렌즈로서의 기능을 유지하면서 몇 개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에 프리즘작용을 가지게 하여 수차를 작게 한 것이다.

제2 렌즈(120)가 사각형 형태를 가지므로 다수의 돌출부(126)가 길이 방향으로 연장된 선형 형태의 프레넬 렌즈가 사용되었지만, 경우에 따라서는 제2 렌즈가 원형 형태를 가지며 다수의 돌출부가 동심원 형태의 연장된 원형 형태의 프레넬 렌즈가 사용될 수도 있다.

상기 제2 렌즈(120)의 재질로는 상기 제1 렌즈(110)와 마찬가지로 아크릴산 수지 또는 폴리카보네이트(polycarbonate)가 사용된다. 상기 아크릴산 수지 및 폴리카보네이트에 대한 설명은 상기 제1 렌즈(110)의 설명과 동일하다.

상기 제2 렌즈(120)의 표면은 상기 제1 렌즈(110)와 마찬가지로 자외선 코팅된다. 상기 자외선 코팅에 의해 상기 제2 렌즈(120)에서 발생하는 열응축을 감소시킬 수 있다.

상기 프레임(130)은 상기 제1 렌즈(110) 및 제2 렌즈(120)가 서로 밀착된 상태를 유지하도록 고정한다. 상기 프레임(130)에는 슬롯(132)이 형성된다. 상기 슬롯(132)에는 상기 제1 렌즈(110) 및 제2 렌즈(110)가 삽입되어 고정된다. 이때 상기 제1 렌즈(110)의 상부면이 태양광이 입사되는 방향에 위치하도록 상기 프레임(130)에 고정된다.

상기 제1 렌즈(110) 및 제2 렌즈(120)가 상기 슬롯(132)에 삽입 고정되므로, 상기 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 중 어느 하나에 이상이 있는 경우 두 개의 렌즈(110, 120) 모두 교체하는 것이 아니라 이상이 있는 렌즈 만을 용이하게 교체할수 있다.

상기와 같이 태양 전지 장치(100)에서는 태양광 집속부의 초점 거리가 짧은 것이 유리하므로 상기 도면들에 도시된 바와같이 상기 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120)는 밀착되도록 배치되는 것이 바람직하다. 그러나 경우에 따라 태양광 집 속부의 초점 거리가 긴 것이 요구될 수 있다. 이 경우에는 상기 프레임(130)에 다양한 간격을 갖는 슬롯들을 형성하고, 각각의 슬롯에 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120)를 삽입함으로써 태양광 집속부의 초점 거리를 다양하게 조절할 수 있다.

상기 태양광 집속부는 평 볼록 렌즈인 제1 렌즈(110)와 프레넬 렌즈인 제2 렌즈(120)를 복합적으로 사용한다. 그러므로 상기 태양광 집속부는 양 볼록 렌즈를 사용할 때보다 짧은 초점 거리를 갖는다. 또한 상기 태양광 집속부는 렌즈의 두께를 줄일 수 있으므로 무게도 줄일 수 있다. 그리고 상기 제1 렌즈(110) 및 제2 렌즈(120)는 자외선 코팅을 통해 렌즈에 발생하는 열응축을 감소시킬 수 있다.

상기 태양광 집속부는 도시되지는 않았지만 보통 태양을 향하도록 하기 위해서 2-축 궤도 시스템으로 설치된다.

상기 태양 전지(140)는 상기 태양광 집속부의 하부에 구비되며, 상기 태양광 집속부에 의해 집속된 광을 전기 에너지로 변환한다.

상기 태양 전지(140)는 태양광 에너지를 직접 전기로 변환시키는 반도체화합물 소자이다. 대부분의 반도체들은 광기전력효과(photovotaic effect)를 나타내지만 상기 태양광용 집광장치(140)로서 다량 생산할 수 있는 반도체로는 주로 실리콘(Si)과 갈륨아세나이드(GaAs)이며, 실리콘이 가장 많이 활용되고 있다. 그러나 최근에는 카드뮴 텔러라이드(CdTe)와 카파인디움 다이셀레나이드(CulnSe2 ; CIS) 반도체들이 활용되고 있기도 하다.

그러나, 이러한 종래의 태양광용 집광장치장치는 입사되는 태양광을 작은 크기로 모으기 위해서 특정 렌즈를 사용하여 태양광용 집광장치가 렌즈의 초점 거리 에 맞추어 특정 거리만큼 렌즈로부터 이격되도록 설치되어야 한다. 이로 인해, 장치의 부피가 커지게 되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 태양광용 집광장치 장치는 태양의 위치에 따라 태양광용 집광장치장치를 이동시키는 트래커를 사용하지 않으면, 집광된 태양광의 초점이 정해진 위치에서 많이 벗어나게 되어 집광효율이 현저하게 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 장치가 차지하는 공간이 작아지게 되며, 태양트랙커를 구비하지 않아도 되어 제조비용이 저렴해지는 태양광용 집광장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광용 집광장치는, 입사된 태양광을 한쪽으로 유도하여 일차로 집광하는 판형상의 도광판과, 상기 도광판 측면에 형성되거나 부착되어 일차로 집광된 태양광을 이차로 집광하는 제1패턴과, 상기 도광판의 측부에 배치되어 상기 도광판으로부터 태양광을 받는 수광소자를 포함한다.

상기 제1패턴은 프레넬렌즈 형상으로 형성되며, 상기 도광판은 투명한 부재로 형성되고, 상기 수광소자를 향할수록 두께가 점점 얇아지도록 형성되며, 상기 도광판의 하면에는 제2패턴이 형성되고, 상기 도광판의 하부에는 반사부재가 배치될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 태양광용 집광장치에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

입사된 태양광을 한쪽으로 유도하여 일차로 집광하는 판형상의 도광판과, 상기 도광판 측면에 형성되거나 부착되어 일차로 집광된 태양광을 이차로 집광하는 제1패턴과, 상기 도광판의 측부에 배치되어 상기 도광판으로부터 태양광을 받는 수 광소자를 포함하여, 장치가 차지하는 공간이 작아지게 된다.

또한, 본 발명의 태양광용 집광장치는 평면위에 입사되는 태양이 어느 정도까지는 이동하여도 집광효율에는 큰 차이가 없고, 허용오차가 커서 트래커를 사용하지 않아도 된다. 집광 효율을 더 높이기 위해 트래커를 사용하는 경우에도 트래커의 움직임이 정밀하지 않는 비교적 저가의 트래커를 사용해도 되는 장점이 있다.

상기 제1패턴은 볼록렌즈 형상으로 형성되거나, 프레넬렌즈 형상으로 형성되어, 집광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 도광판은 투명한 부재로 형성되고, 상기 수광소자를 향할수록 두께가 점점 얇아지도록 형성되며, 상기 도광판의 하면에는 제2패턴이 형성되고, 상기 도광판의 하부에는 반사부재가 배치되어, 상기 도광판을 통과하는 태양광까지 상기 반사부재를 통해 다시 상기 도광판으로 유입시켜서 집광효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

참고적으로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광용 집광장치 단면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광용 집광장치 도광판 사시도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광용 집광장치 도광판 사시도이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 태양광용 집광장치는, 입사된 태양광을 한쪽으로 유도하여 일차로 집광하는 판형상의 도광판(200)과, 상기 도광판(200) 측면에 형성되거나 부착되어 일차로 집광된 태양광을 이차로 집광하는 제1패턴(210)과, 상기 도광판(200)의 측부에 배치되어 상기 도광판(200)으로부터 태양광을 받는 수광소자(400)를 포함한다.

도광판(200)은 판형상으로 형성되어, 입사된 태양광을 한쪽으로 유도하여 일차로 집광한다.

나아가, 도광판(200)은 수광소자(400)를 향할수록, 즉, 일측부를 향할수록 두께가 점점 얇아지도록 형성된다. 따라서, 도광판(200)의 타측부의 두께(H)는 일측부의 두께(h)보다 두껍게 형성된다.

따라서, 도광판(200) 상면은 수평하게 형성되며, 하면은 경사지게 형성된다.

바람직하게는, 도광판(200)은 광학적으로 투명한 부재로 형성된다.

제1패턴(210, 210')은 도광판(200, 200') 측면에 형성되거나 부착되어 일차로 집광된 태양광을 이차로 집광한다.

도 3에는 제1패턴(210)이 도광판(200) 측면에 일체로 형성된 것이 나타나 있으며, 도 4에는 제1패턴(210')이 패턴필름 등으로 별도로 성형되어 도광판(200) 측면에 접착체 등을 통해 부착된 것이 나타나 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1패턴(210, 210')은 프레넬렌즈 형상으로 형성되어, 집광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

제1패턴(210, 220')은 끝단이 수광소자(400)를 향하는 여러개의 삼각형상 돌 기로 형성되며, 상하방향으로 형성된다.

제1패턴(210, 210')은 수광소자(400)에 가장 근접한 부분을 중심으로 해서 수광소자(400)로부터 멀어질 수록 삼각형상 돌기의 간격이 점점 좁아지도록 배치된다.

상기 프레넬렌즈는 종래기술 및 렌즈 분야에서 널리 이용되는 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기 제1패턴은 볼록렌즈(미도시) 또는 렌티큘러렌즈 형상으로 형성될 수도 있다.

나아가, 도광판(200)의 하면에는 제2패턴(220, 220')이 형성된다.

제2패턴(220, 220')은 여러개의 삼각형상 돌기로 형성(프리즘 패턴)되며, 하면에 전후방향을 따라 길게 형성된다. 또한, 제2패턴(220)은 좌우방향을 따라 등간격으로 서로 이격되게 배치된다.

수광소자(400)는 전술한 종래 기술에서와 같이 다양한 종류로 구비될 수 있으며, 상기 도광판(200)의 측부에 배치되어 상기 도광판(200)으로부터 태양광을 받아서 전기를 발생한다.

나아가, 도광판(200)의 하부에는 판형상의 반사부재(300)를 배치시켜서, 도광판(200)을 통과하는 태양광까지 반사부재(300)를 통해 다시 도광판(200)으로 유입시켜서 집광효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 전술한 구성을 갖는 본 실시예의 작용을 설명한다.

태양광(태양광용 집광장치 외부의 광)은 도광판(200)의 상면, 즉 넓은 평판 을 통해 입사된다.

입사된 태양광은 도광판(200) 및 제2패턴(220, 220') 및 반사부재(300)에 의해 한쪽 즉 일측으로 유도되어 일차로 집광된다.

도광판(200)의 일측으로 집광된 태양광은 제1패턴(210, 210')에 의해 더 작은 면적으로 50배~1000배로 이차로 집광된다.

이차로 집광된 태양광은 수광소자(400)에 입사되어 전기로 전환된다.

이와 같이 넓은 도광판(200)의 넓은 상면을 통해 태양광이 입사되어 태양광이 입사될 수 있는 면적이 넓어지게 되는 동시에 평판형상의 도광판(200)을 통해 집광되어 장치가 차지하는 공간이 작아지게 된다.

또한, 본 발명의 태양광용 집광장치는 평면위에 입사되는 태양이 어느 정도까지는 이동하여도 집광효율에는 큰 차이가 없고, 허용오차가 커서 태양의 위치에 따라 태양광용 집광장치를 이동시키는 트래커를 사용하지 않아도 된다. 집광 효율을 더 높이기 위해 트래커를 사용하는 경우에도 트래커의 움직임이 정밀하지 않는 비교적 저가의 트래커를 사용해도 되는 장점이 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 태양광용 집광장치는, 특히, 설치공간은 최소 화하면서 고집광효율을 목표로 하는 태양광용 집광장치에 적합하다.

도 1은 종래의 태양광용 집광장치장치 단면도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광용 집광장치 단면도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광용 집광장치 도광판 사시도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광용 집광장치 도광판 사시도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

200 : 도광판 210, 210' : 제1패턴

220, 220' : 제2패턴 300 : 반사부재

400 : 수광소자

Claims (3)

1. 입사된 태양광을 한쪽으로 유도하여 일차로 집광하는 판형상의 도광판;

   상기 도광판 측면에 형성되거나 부착되어 일차로 집광된 태양광을 이차로 집광하는 제1패턴;

   상기 도광판의 측부에 배치되어 상기 도광판으로부터 태양광을 받는 수광소자를 포함하는 태양광용 집광장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1패턴은 프레넬렌즈 형상으로 형성되는 태양광용 집광장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 도광판은 투명한 부재로 형성되고, 상기 수광소자를 향할수록 두께가 점점 얇아지도록 형성되며,

   상기 도광판의 하면에는 제2패턴이 형성되고,

   상기 도광판의 하부에는 반사부재가 배치되는 태양광용 집광장치.

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