KR20110057329A - 다기능 태양광 집광기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다기능 태양광 집광기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빔 스플리터(beam splitter)를 이용하여 단일 장치로 3가지 스펙트럼의 태양광 에너지(적외선, 가시광선/근적외선, 자외선)를 집광할 수 있고, 반사기, 코팅재, 광학 렌즈, 빔 스플리터, 광섬유 및 흡수기를 이용하여 태양광 스펙트럼을 IR, VIS-NIR 및 UV의 세 가지 스펙트럼 영역으로 분리함으로써, 고효율 저비용의 태양 에너지 변환장치를 구현할 수 있으며, 태양광을 가장 효율적인 용도에 따라 원하는 파장을 반사 또는 통과시키기 위해 히트엔진, 빔 스플리터, 렌즈, 반사기에 유전체 박막의 코팅을 조절함으로써, 광파가 추가로 분할 또는 분리될 수 있게 할 수 있고, 히트엔진, 빔 스플리터, 렌즈, 반사기에 유전체 코팅을 함으로써, 최대양의 태양 에너지를 전기, 열, 수소 등과 같은 보다 많은 유용한 형태로 효과적으로 수집, 분리 및 변환할 수 있으며, 단일 장치에서 에너지 출력을 크게 향상시키기 위해 집열된 태양열을 이용한 발전용으로 IR 에너지를 사용함은 물론 태양광을 이용한 발전용으로 VIS-NIR 에너지를 사용할 수 있고, 동일한 단일 장치에서 수소 또는 태양광 용도에서 UV 에너지를 사용할 수 있으며, 실리콘 태양광 모듈에 손상을 주는 UV 광을 또 다른 유용 에너지 형태로 집광하여 이용함으로써, 태양에너지시스템의 전반적인 비용감소에 기여할 수 있는 효과가 있다.
단일 장치, 적외선, 가시광선/근적외선, 자외선, 집광, 태양광 스펙트럼, 스펙트럼 분리, 빔 스플리터, 유전체 코팅, 비용감소.

Description

다기능 태양광 집광기{Multi-functional Solar Collector}
본 발명은 빔 스플리터(beam splitter)를 이용하여 단일 장치로 3가지 스펙트럼의 태양광 에너지(적외선, 가시광선/근적외선, 자외선)를 집광할 수 있고, 반사기, 코팅재, 광학 렌즈, 빔 스플리터, 광섬유 및 흡수기를 이용하여 태양광 스펙트럼을 IR, VIS-NIR 및 UV의 세 가지 스펙트럼 영역으로 분리함으로써, 고효율 저비용의 태양광 에너지 변환장치를 구현할 수 있으며, 태양광을 가장 효율적인 용도에 따라 원하는 파장을 반사 또는 통과시키기 위해 히트엔진, 빔 스플리터, 렌즈, 반사기에 유전체 박막의 코팅을 조절함으로써, 광파가 추가로 분할 또는 분리될 수 있게 할 수 있고, 히트엔진, 빔 스플리터, 렌즈, 반사기에 유전체 코팅을 함으로써, 최대양의 태양광 에너지를 전기, 열, 수소 등과 같은 보다 많은 유용한 형태로 효과적으로 수집, 분리 및 변환할 수 있으며, 단일 장치에서 에너지 출력을 크게 향상시키기 위해 집열된 태양열을 이용한 발전용으로 IR 에너지를 사용함은 물론 태양광을 이용한 발전용으로 VIS-NIR 에너지를 사용할 수 있고, 동일한 단일 장치에서 수소 또는 태양광 용도에서 UV 에너지를 사용할 수 있으며, 실리콘 태양광 모듈에 손상을 주는 UV 광을 또 다른 유용 에너지 형태로 집광하여 이용함으로써, 태양에너지시스템의 전반적인 비용감소에 기여할 수 있는 다기능 태양광 집광기에 관한 기술이다.
풀 스펙트럼 태양광(full spectrum sunlight)은 지구표면에 부딪치는 유용한 광의 대역폭 또는 스펙트럼의 관찰을 통해 일반적으로 허용된 스펙트럼 영역으로 분할될 수 있다. 태양광은 분리되어 매우 좁은 많은 대역폭으로 분류되는데, 가장 일반적인 3가지 스펙트럼 영역은 다음과 같다.
첫째는 일반적으로 1.0 ㎛ 이상에서 분류되는 적외선(IR) 스펙트럼이고,
둘째는 0.40 ㎛에서 1.0 ㎛ 사이의 파장의 가시광선 및 근적외선(VIS-NIR) 스펙트럼이며,
셋째는 0.4 ㎛ 파장 이하의 자외선(UV) 스펙트럼이다.
UV, VIS/NIR 및 IR를 한정하는 특정 파장의 구분은 다소 임의적인 성격이 있 고, 예시용에 불과하다. 더욱이, 각 3가지 영역내의 스펙트럼은 추가로 분할되거나 분리될 수도 있다. 이들의 이차적인 스펙트럼 분할은 입수 가능한 가장 효율적인 최상의 변환장치에 적합하도록 조절될 수 있다. 현재 상용되고 있는 태양광 전력 시스템에는 태양광의 전력을 발전하는 일반적인 두 가지 수단이 있다. 이들 두 가지 유형의 시스템은 IR을 이용한 집광형 태양열 발전시스템(Concentrated Solar Power (CSP) collection) 및 VIS-NIR을 이용한 집광형 태양광 발전시스템(Concentrated Photovoltaic (CPV)solar power collection)이라 불린다. 이들 각 시스템은 단일 분할에 의한 태양 스펙트럼의 수집을 극대화시키면서, 나머지 다른 두 개의 스펙트럼의 효과를 최소화시킨다.
첫 번째 유형은 CSP 시스템으로서, 이 시스템에서는 다른 수단에 의해 스펙트럼 에너지의 IR (열) 부분이 포획되어 전력을 발생시키는 초점에 태양광이 집광된다. CSP 시스템 내부에서는 다음과 같이 세 가지 시스템으로 분류된다.
1. CSP 타워(tower) 시스템
2. CSP 트로프(trough) 시스템
3. CSP 파라볼릭 반사기/히트 엔진 시스템.
CSP 타워 시스템에서는, "헬리오스테이트(heliostats)"라 불리는 방향조절 가능한 넓은 면적의 태양광 반사기가 통상 타워상의 높은 단일 지점을 지향하고 있다. 초점은 IR 광선으로부터 수집된 열을 수용하고, 이 수집열을 랭킨 사이클(Rankine cycle)에서 증기를 발생시키는 데 사용될 수 있는 매체에 전달하는 수단을 구비한다. 타워는 집열된 에너지를 전달하기 위해 통상 용융 소금(molten salt)이 사용되어지는데, 가열된 소금은 열교환기 내부의 증기를 가열시키고, 상기 가열된 증기는 종래의 증기 터빈 시스템으로 전달되어 전기를 발생시킨다. 이들 시스템은 통상적으로 대형 시스템에 해당한다.
트로프 CSP 시스템에서는, 길게 늘어선 원통형의 파라볼릭 반사기들이 태양광의 IR 스펙트럼을 수집하고 IR광을 오일이나 용융 소금과 같은 열전달 매체로 충전된 가느다란 파이프로 구성된 열 흡수기(heat receiver) 위로 상기 IR광을 집속시킨다. 상기 CSP 타워 시스템에서와 같이, 가열된 전달 유체는 열교환기 속으로 펌핑된 다음, 랭킨 사이클을 통해 증기를 발생시키는데 사용된다.
CSP 파라볼릭 반사기/히트 엔진 시스템에서는, 대형 파라볼릭 반사기들이 IR광을 단일 초점에 집광하는데, 이 단일 초점에는 히트 엔진이 배치되어 열을 모은 다음, 이 열을 발전기를 통해 전기로 변환시킬 수 있다.
이러한 시스템 중 가장 일반적인 것을 스터링 엔진 시스템(Stirling engines dish systems)이라 부른다.
CSP 시스템은, 일반적으로 많은 가정에 설치 가능한 소형 장치에서 발견되지 않는 공공전력규모 시스템(utility scale system)으로 이용되고 있다.
전술한 모든 CSP 시스템에 의하면, UV 및 VIS-NIR 스펙트럼으로 분포되는 대부분의 에너지가 이용되지 못하고 손실되는 문제점이 있다.
두 번째 유형은 CPV 시스템으로서, 이 시스템은 PV 셀이 전체 패널 표면을 덮어 PV 셀에서 반사되는 태양광(“태양”이라 함은 물체 위에서 빛나는 정상적인 자연 태양광을 기술하는데 사용되는 용어임)을 집광하는 표준 PV 패널 시스템과는 달리, PV 셀이 태양광의 100배 이상(100개의 태양)에 해당하는 광을 집광하여 태양전지가 태양 에너지 흡수기 역할을 하는 좁은 초점상에 집속하도록 설계된다. PV 셀은 태양광에 의해 충돌되고 VIS/NIR 스펙트럼으로 분포되는 에너지를 흡수하여 전기로 직접 변환한다. PV 시스템에서, PV 셀은 조립체 내에서 가장 고가의 아이템들 중 하나이다. CPV 시스템의 목적은 전기를 발생시키는데 필요한 PV 셀의 개수를 최소화함으로써, 가격을 낮추는데 있다. 이러한 목적은 태양광이 단일의 PV 셀에 효과적으로 집광될 때 달성된다.
CPV 냉각 요건에 있어서, 상업적으로 입수 가능한 이들 CPV 시스템의 공통적인 점은, 화씨 4도씩 온도가 상승할 때마다 셀 효율성이 1% 감소하기 때문에 효율적으로 작동하고, 온도가 높아서 파손되는 것을 막기 위해 셀을 저온으로 유지해야 하며, 이를 위해 추가적인 PV 셀 냉각장치가 필요하다는 점이다. 이러한 온도 상승의 원인은 셀에 의한 IR 에너지 흡수에 있다.
태양광 에너지를 수백 배로 집광함으로써, PV 표면 온도는 적절한 냉각처리 없이는 재질이 파괴될 수도 있는 지점까지 상승하게 된다.
상업용으로 가능한 모든 CPV 시스템은 PV 셀에 전달되는 과도한 파괴 IR 에너지(열)를 제거하는데 목적을 가지고 있다. CPV 시스템에서 열을 제거하고자 하는 요구는 매우 크다. 생성된 단위 전기 에너지 당 요구되는 열 제거 비율은 2:1(열:전기) 이상이다. CPV 시스템에서 발생하는 매 20 와트(W)의 전기에 대해, 40 W에 달하는 열이 제거되어야 한다. 집광된 열이 즉각적으로 축적되는 표면에 태양광이 500 내지 1,000 태양 범위로 집광되면, 열 제거가 즉각적인 요건이 되고 심지어는 최상의 시스템에서도 이러한 즉각적인 열 제거는 전체 시스템 비용에 10% 내지 20%가 추가되어야 하므로 매우 어렵고, 또한 CPV 시스템은 자외선에 노출되는 거의 대부분의 물질과 마찬가지로 입사되는 자외선으로 손상을 받기 쉽다는 문제점이 있다.
UV 스펙트럼 수집에 관하여, 태양 방사선(solar radiation)으로서 지구에 도달하는 UV 스펙트럼 부분은 상용의 태양 발전 시스템에서 사용되지 않는 스펙트럼 부분이다. UV 스펙트럼은 지구상의 특히 태양 발전 시스템이 매우 효과적인 햇빛이 잘 드는 지역에 있는 대부분의 물질에 많은 피해를 주는 높은 에너지의 방사선이다.
현재 모든 CSP 및 CPV 시스템에서, UV 스펙트럼은 이용되지 않는 대신에, 이들 시스템은 UV 스펙트럼에 가장 내성이 강한 물성을 갖는 물질을 신중히 선택함으로써, 피해 효과 또는 태양 복사를 최소화하고자 하는 목적을 갖고 있다. 대부분의 경우, 이러한 목적을 달성함에 있어서 UV 피해에 대해 내성이 가장 강한 물질 특성으로 인해 비용이 추가되거나 중량이 증가하게 되는 문제점이 있다.
CSP 및 CPV 시스템의 열 흡수기 및 PV 셀에 자외선 광선을 장기간 노출하게 되면 물질이 파괴되기 시작하고 장기간 효율 손실을 야기함은 물론, 시스템의 수명이 단축된다. 현재의 태양 발전 시스템은 20년의 수명을 갖도록 고려되어지고 있다.
그러므로 UV 스펙트럼을 분할, 활용하고, 다른 유용 에너지 형태로 변환함으로써, 보다 높은 효율성 및 비용 수익률(return on cost)을 태양광 발전 시스템의 구현과, 집광된 UV 방사선을 이용하여 물 분자에서 수소를 보다 효율적으로 분리해 내는 수소가스 전해 시스템의 제작하는데 기틀을 마련하며, 빔 스플리터(beam splitter)를 이용하여 단일 장치로 3가지 스펙트럼의 태양광 에너지(적외선, 가시광선/근적외선, 자외선)를 집광할 수 있는 다기능 태양광 집광기의 개발이 절실히 요구되고 있는 것이다.
이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 빔 스플리터(beam splitter)를 이용하여 단일 장치로 3가지 스펙트럼의 태양열 에너지(적외선, 가시광선/근적외선, 자외선)를 집광할 수 있는 다기능 태양광 집광기를 제공하는데 그 목적이 있다.
다른 본 발명의 목적은 반사기, 코팅재, 광학 렌즈, 빔 스플리터, 광섬유 및 흡수기를 이용하여 태양광 스펙트럼을 IR, VIS-NIR 및 UV의 세 가지 스펙트럼 영역으로 분리함으로써, 고효율 저비용의 태양 에너지 변환장치를 구현할 수 있는 다기능 태양광 집광기를 제공하는데 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 태양광을 가장 효율적인 용도에 따라 원하는 파장을 반사 또는 통과시키기 위해 히트엔진, 빔 스플리터, 렌즈, 반사기에 유전체 박막의 코팅을 조절함으로써, 광파가 추가로 분할 또는 분리될 수 있게 할 수 있는 다기능 태양광 집광기를 제공하는데 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 히트엔진, 빔 스플리터, 렌즈, 반사기에 유전체 코팅을 함으로써, 최대양의 태양 에너지를 전기, 열, 수소 등과 같은 보다 많은 유용한 형태로 효과적으로 수집, 분리 및 변환할 수 있는 다기능 태양광 집광기를 제공하는데 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 단일 장치에서 에너지 출력을 크게 향상시키기 위해 집광형 태양열을 이용한 발전용으로 IR 에너지를 사용함은 물론 태양광을 이용한 발전용으로 VIS-NIR 에너지를 사용할 수 있는 다기능 태양광 집광기를 제공하는데 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 동일한 단일 장치에서 수소 또는 태양광 용도에서 UV 에너지를 사용할 수 있는 다기능 태양광 집광기를 제공하는데 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 실리콘 태양광 모듈에 손상을 주는 UV 광을 또 다른 유용 에너지 형태로 집광하여 이용함으로써, 태양에너지시스템의 전반적인 비용감소에 기여할 수 있는 다기능 태양광 집광기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 다기능 태양광 집광기는 다수개의 태양 광선을 내부에서 증폭시키는 기능을 수행하는 초점으로 태양 광선을 반사하기 위한 수단(a)과; 상기 초점에서 UV 및 VIS/NIR 광선으로부터 IR 광선을 분리하기 위한 수단(b)과; 상기 VIS/NIR 광선이 태양광(PV) 셀로 향하도록 방향을 조절하기 위한 수단(c)과; 상기 IR 광선을 흡수하여 열을 발생하 기 위한 수단(d); 을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 수단(a)은 입사 태양광을 초점(FP)으로 반사하는 파라볼릭 반사기이며, 상기 초점(FP)에는 IR 광선을 히트 엔진 또는 원통형 히트 튜브로 통과시키는 광학코팅부가 형성되어 있고, 상기 광학코팅부는 UV 및 VIS-NIR 광선을 갭(G)을 통해 빔 스플리터로 반사하며, 상기 빔 스플리터는 광선을 UV 광선과 VIS-NIR 광선으로 분할하여 태양전지를 구동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 수단(a)은 IR 광선을 통과시키고 UV/VIS-NIR 광선을 초점(FP)까지 반사하는 유전체 코팅부를 구비한 파라볼릭 반사기이며, 상기 초점(FP)에는 UV/VIS-NIR 광선을 태양전지(10)에 전송하고, 반사된 UV 광선은 갭(G)을 통과하여 미러에 전달되면, 상기 미러는 상기 UV를 광섬유로 반사시키는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 수단(a)은 유전체 코팅부를 구비한 파라볼릭 반사기이며, 상기 반사기는 UV 및 VIS-NIR 광선을 광섬유가 구비된 초점(FP)으로 반사시키고, 렌즈 상에 형성된 유전체 코팅부는 갭(G)을 통해 VIS-NIR 광선을 태양전지로 하향 반사시키는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 수단(a)은 유전체 코팅부를 구비한 파라볼릭 반사기이며, 상기 반사기는 IR을 통과시키고, 반사된 VIS-NIR 및 UV 광선은 초점(FP)로 진행하여 유전체 코팅부와 렌즈를 통과하여 태양전지로 집속되는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 수단(b)은 주경 또는 파라볼릭 트로프이고, 상 기 주경 또는 파라볼릭 트로프는 UV 및 VIS/NIR 스펙트럼과 IR 스펙트럼을 분리하기 위한 것이며, IR 광선은 열 흡수 튜브로 집속되고, UV 및 VIS/NIR 광선은 프레넬 렌즈 열에 의해 일련의 확산기 블록과 PV 셀로 집속되는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 수단(c)은 단수 또는 다수의 프레넬 집속 렌즈로 구성되며, 양쪽 면 또는 한쪽 면에 유전체 코팅부가 형성되어 있고, IR 광선은 상기 프레넬 집속 렌즈를 통해 히트 파이프 또는 집열 튜브로 집속되는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 수단(d)은 히트 파이프, 집열 튜브, 열 흡수 튜브인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다기능 태양광 집광기는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 빔 스플리터(beam splitter)를 이용하여 단일 장치로 3가지 스펙트럼의 태양열 에너지(적외선, 가시광선/근적외선, 자외선)를 집광할 수 있다.
둘째, 본 발명은 반사기, 코팅재, 광학 렌즈, 빔 스플리터, 광섬유 및 흡수기를 이용하여 태양광 스펙트럼을 IR, VIS-NIR 및 UV의 세 가지 스펙트럼 영역으로 분리함으로써, 고효율 저비용의 태양 에너지 변환장치를 구현할 수 있다.
셋째, 본 발명은 태양광을 가장 효율적인 용도에 따라 원하는 파장을 반사 또는 통과시키기 위해 히트엔진, 빔 스플리터, 렌즈, 반사기에 유전체 박막의 코팅을 조절함으로써, 광파가 추가로 분할 또는 분리될 수 있게 할 수 있다.
넷째, 본 발명은 히트엔진, 빔 스플리터, 렌즈, 반사기에 유전체 코팅을 함으로써, 최대양의 태양 에너지를 전기, 열, 수소 등과 같은 보다 많은 유용한 형태로 효과적으로 수집, 분리 및 변환할 수 있다.
다섯째, 본 발명은 단일 장치에서 에너지 출력을 크게 향상시키기 위해 집광형 태양열을 이용한 발전용으로 IR 에너지를 사용함은 물론 태양광을 이용한 발전용으로 VIS-NIR 에너지를 사용할 수 있다.
여섯째, 본 발명은 동일한 단일 장치에서 수소 또는 태양광 용도에서 UV 에너지를 사용할 수 있다.
일곱째, 본 발명은 실리콘 태양광 모듈에 손상을 주는 UV 광을 또 다른 유용 에너지 형태로 집광하여 이용함으로써, 태양에너지시스템의 전반적인 비용감소에 기여할 수 있다.
이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 다기능 태양광 집광기를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세 가지 태양 에너지 스펙트럼을 분리하 고 이용하는 과정을 설명하기 위해 파라볼릭 미러를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 파라볼릭 미러를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 파라볼릭 미러를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 파라볼릭 미러를 도시한 도면이다. 또한 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 변형된 확산기 광학소자의 정면도이고, 도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 파라볼릭 트로프 설계(parabolic trough design)의 개략도이며, 도 6b는 도 6a의 측면도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 파라볼릭 트로프의 각도 블록 집광기(angular block collector)의 개략도이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 히트 엔진의 개략도이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 각도 블록을 갖는 파라볼릭 미러를 도시한 개략도이다.
본 발명인 광학시스템은 UV 스펙트럼을 분할, 활용하고, 다른 유용 에너지 형태로 변환하므로 보다 높은 효율성 및 비용 수익률(return on cost)을 태양광 발전 시스템 시장에 가져다 줄 기회가 생기게 되는데, 현재의 기술 분야에서는 집광된 UV 방사선을 이용하여 물 분자에서 수소를 보다 효율적으로 분리해 내는 보조 역할을 수행하고, 수소가스 전해 시스템을 제작하는 연구가 진행되고 있지만, 수소는 저장되어 내연기관이나 연료전지의 동력원으로 사용될 수 있는 것이다.
고 에너지의 자외선 광선의 대역은 물리학 및 광학 염료의 기본성질과 필터에 의해 저 에너지의 VIS-NIR 파장 범위로 변환되는데, 일단 변환되면, 새로운 광 경로가 발전량 증가를 위한 추가 PV 셀을 지향할 수 있게 된다. 이러한 장치의 수단은 UV 광을 CSP 또는 CPV 흡수기에 충돌하기 전에 분리하는 광학적 기능을 이용 할 것이다. 이때, UV는 광섬유를 통해 집광되고, 채널링되며, 집광도가 매우 높은 UV 방사광원으로서 집광될 것이다.
그러므로 본 발명은 실리콘 태양광 모듈에 손상을 주는 UV 광을 또 다른 유용 에너지 형태로 집광 및 이용함으로써 태양에너지 시스템의 전반적인 비용감소에 기여할 수 있는 것이다.
본 발명은 지구표면에 충돌하는 태양광의 풀 스펙트럼중 보다 큰 영역을 사용하기 위한 수단이다. 이 수단은 풀 스펙트럼을 세 가지 특징적인 영역, 즉 UV(자외선), VIS-NIR(가시광선-근적외선) 및 IR(적외선)으로 분할하기 위해 반사기, 코팅재, 광학 렌즈, 광섬유 및 흡수기, 빔 스플리터를 이용할 것이다. 태양에서 얻은 많은 양의 유용 에너지를 수집하고, 집광하고, 분할함으로써, 고효율 저비용 태양 에너지 변환장치가 구현된다. 본 발명은, 다른 스펙트럼 영역에 대한 손상을 최소화하고 변환 장치의 효율성을 극대화하면서, 수집된 태양광을 세 가지 이상의 별도의 스펙트럼 에너지 영역으로 분할하는 수단과, 각각의 스펙트럼 영역내의 동력 에너지를 갖게 될 것이고, 그 각 스펙트럼 영역을 전체 전위로 충분히 수집하게 될 것이다.
본 발명은 수집된 태양 에너지를 자유롭게 분리(separate), 정합(match) 및 혼합(mix)하여 최대 순수한 유용 에너지로 변환하기 위한 도구(tool)를 제공한다. 본 발명은 에너지 출력을 크게 향상시키기 위해 현재 입수 가능한 CSP(집광형 태양열 발전) 장치에 용이하게 적용될 수 있다.
모든 시스템은 수집된 모든 태양 에너지를 세 가지 스펙트럼 영역으로 분리 하도록 설계된다. 이러한 스펙트럼 분리는 각 변환 장치의 매우 효과적인 스펙트럼 영역과 정합되어 전체적으로 균형을 이룬 유용 에너지의 순수 출력을 달성한다. 이 세 가지 스펙트럼 영역은 다음과 같다:
1) 열에너지용으로 전기 발생을 위한 IR(적외선)이다.
a) 히트 엔진을 경유(30% 기록됨)하고, b) PV(태양광) 전지 용도로서 VIS-NIR(가시광선/근적외선)으로의 고 에너지 변환(라만 이동: Raman shift)되며, c) 자기유체역학(MHD: Magneto hydro dynamic)발전을 한다.
2) PV 셀에 의한 직접 발전을 위한 VIS-NIR. PV 셀에서는 PV 셀의 가장 효과적인 동작을 위해 유해한 UV (자외선) 또는 IR 에너지(열)를 보지 못하거나, 최소한도로 보게 될 것이다.
a) PV 셀 온도의 화씨 4도 증가시 마다 1% 효율 감소되고, b) PV 셀 냉각에 필요한 IR의 제거/노출의 급격한 감소로 인해 전반적인 시스템 비용이 감소된다. c) 유해한 UV의 제거로 인해 PV 셀의 수명이 연장되고 효율이 증가한다.
3) 수집된 UV 방사선을 PV 셀의 저 에너지 변환 과정(축광: photoluminescent/색염료)을 통하거나 수소 발생 보조 전해 과정을 통해 전기로 변환한다.
본 발명인 다기능 태양광 집광기는 다수개의 태양 광선을 내부에서 증폭시키는 기능을 수행하는 초점으로 태양 광선을 반사하기 위한 수단(a)과; 상기 초점에서 UV 및 VIS/NIR 광선으로부터 IR 광선을 분리하기 위한 수단(b)과; 상기 VIS/NIR 광선이 태양광(PV) 셀로 향하도록 방향을 조절하기 위한 수단(c)과; 상기 IR 광선 을 흡수하여 열을 발생하기 위한 수단(d); 을 구비한다.
상기 본 발명인 다기능 태양광 집광기에 관하여 도시되어 있는 도 1 내지 도 9의 다양한 실시예를 토대로 하여 각 기술적 수단들의 기능을 기술하면 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(30)은 입사 태양광(3)을 초점(FP)으로 반사하는 반사기(21)를 포함한다. 초점(FP)에는 IR 광선을 히트 엔진(31)으로 통과시키는 광학코팅부(39)(코팅부 시편3)구비하고 있다. 광학코팅부(39)(코팅부 시편3)는 UV 및 VIS-NIR 광선(32)을 갭(G)을 통해 빔 스플리터(100)로 반사한다. 빔 스플리터(100)(코팅부 시편5)는 광선(32)을 UV 광선(5)과 VIS-NIR 광선(70)으로 분할하여 태양전지(10)를 구동시킨다. 상기 히트 엔진(31)은 저면에 코팅부(39)가 코팅된 원통형 히트 튜브(cylindrical heat tube)일 수도 있다. VIS-NIR 광선(7)은 보다 효율적인 PV 사용을 위해 추가로 분할될 수도 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(40)은 IR 광선(6)을 통과시키고 UV/VIS-NIR 광선(42)을 초점(FP)까지 반사하는 코팅부(43)(코팅부 시편3)를 구비한 파라볼릭 반사기(41)를 포함한다. 초점(FP)에는 UV/VIS-NIR 광선(42)을 태양전지(10)에 전송하는 유전체 코팅부(47)(코팅부 시편5)가 형성된다. 반사된 광선(48)은 갭(G)을 통과하여 미러(101)(코팅부 시편5)에 전달되는 UV로 구성되고, 미러(101)는 상기 UV를 광섬유(8)로 반사한다. 프레넬 집속 렌즈(444)(양면에 형성된 코팅부 시편4)는 IR 광선(6)을 히트 파이프(45)로 집속한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(50)에서 유전체 코팅 반사기(41)(코 팅부 시편5)는 UV 및 VIS-NIR을 광섬유(8)가 구비된 초점(FP)로 반사한다. 렌즈(52)상에 형성된 유전체 코팅부(51)(코팅부 시편7)는 갭(G)을 통해 VIS-NIR 광선을 태양전지(10)로 하향 반사한다. IR 광선(6)은 프레넬 집속 렌즈(444)(양면에 형성된 코팅부 시편4)를 통해 집열 튜브(heat collector tube)(45)로 집속된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(60)은 파라볼릭 반사기(606)(상면에 형성된 코팅부 시편5)를 포함하는데, 이 파라볼릭 반사기는 내부에 모델링된 다수의 프레넬 렌즈(61)를 구비하며 코팅부(43)(저면에 형성된 코팅부 시편4)를 통해 IR을 통과시킴은 물론, IR 광선(6)을 히트 파이프(45)로 집속시킨다. 반사된 VIS-NIR 및 UV 광선(420)은 초점(FP)으로 진행하여 이 초점에서 상기 광선(420)이 코팅부(64)(코팅부 시편5)를 구비한 렌즈(63)에 충돌하고, 이때, VIS-NIR 광선은 코팅부(64)를 통과하여 태양전지(10)로 집속된다. 반사된 UV 광선(66)은 갭(G)을 통과하여 반사기(105)(코팅부 시편5)로 진행한다. 미러(105)는 UV 광선을 광섬유(8)로 반사시킨다.
도 5에 도시한 바와 같이, 확산기 광학소자의 입구 D-표면이 45도로 절단되고, 입사 빔(<1000 nm)을 두 개의 빔, 즉, 빔 1(VIS-NIR)과 빔 2(UV)로 분할하는 유전체 빔 스플리터 (도 12의 코팅부 시편5 참조)로 코팅된다.
빔 1(>400 nm)은 전기 발생을 위한 PV 셀로 진행되며, 광학부재의 몸체는 VIR-NIR 광을 확산하여 PV 셀의 표면상에 골고루 분산되도록 설계될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 축광장치(photoluminescent device)(1150)는 광을 PV 셀의 표면상에 골고루 확산시키도록 설계될 수도 있다.
빔 2(<400 nm)는 UV가 분할/집광되고 추가 사용을 위해 광섬유에 결합되는데, 1) 추가 PV 전기 발생(표면 D를 통해 투과 빔에 재결합 가능함)을 위해 VIS-NIR 스펙트럼(축광)으로 변환되고, 2) 전해 수소를 발생시키는 보조 역할을 하며, 3) MHD 발전을 한다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(1000)은 IR 광선(6)을 초점(FP)에 위치한 히트 파이프(45)로 반사하는 파라볼릭 트로프(parabolic trough)(696)를 구비한다. UV 및 VIS-NIR 광선은 프레넬 렌즈 열(680)에 의해 일련의 확산기 블록(75)과 PV 셀(76)로 집속된다.
상기 광학 시스템인 파라볼릭 미러/프레넬 렌즈 결합체(1000)의 동작 원리에 대하여 기술하면 다음과 같다.
제1면은 IR을 반사시키고 UV-VIS/NIR을 투과시키는 파라볼릭 트로프(유리 또는 플라스틱)이다. 상기 반사된 IR 빔은 집열을 위해 열 흡수 튜브로 집속되며, 투과된 UV-VIS/NIR 빔은 제2면(파라볼릭 미러의 배면)상에 패터닝된 프레넬 렌즈(680)에 의해 PV 셀 조립체 속으로 집속된다. 확산기/PV 셀 조립체(75)에서 확산기는 UV 광선(코팅부 시편5)을 광섬유로 반사시키고, 최대 전기발생을 위한 PV 셀의 균일한 조명을 위해 입사 VIS/NIR 빔을 균질화시킨다. 또한 입사 VIS/NIR 빔의 스펙트럼은 PV 셀의 최적 효율을 위해 선택/정합되거나 추가로 분할된다.
도 6b에 상세한 내용을 기술하면 다음과 같다:
1) 주경(primary mirror)(696)(유리 파라볼릭 트로프와 동일함)은 UV-VIS/NIR 스펙트럼과 IR 스펙트럼을 분리하기 위해 유전체 코팅된다(코팅부 시편3). 상기 UV는 D-표면 코팅에 의해 분리되고 PV 축광 또는 전해 수소 발생에 의한 추가 사용을 위해 광섬유로 보내진다. 상기 VIS/NIR (400-1000nm)는 제2면(프레넬 렌즈)을 투과하여 직접 전기발생을 위해 PV 셀 조립체(75 및 76) 속으로 집속되며, IR은 SID 열 흡수 튜브로 상향 반사된다.
2) 프레넬 렌즈 열은 UV-VIS/NIR용으로 코팅된 저면에 패터닝되는데, 상기 프레넬 렌즈열은 투과된 빔을 PV 셀 조립체(75 및 76)(코팅부 시편5)로 집속하며, 이 PV 셀 조립체는 다른 용도를 위해 UV 광선을 반사시킨다.
도 7에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(1100)은 UV-VIS/NIR 광선을 도 5의 확산기 블록(90)으로 집속하기 위해 프레넬 렌즈(2)를 사용한다. IR 파장은 다른 용도를 위해 코팅부 시편8에 의해 상향 반사된다. 축광 장치(1150)는 UV를 태양전지(10)용의 유용 VIS-NIR으로 변환한다. 이 시스템(1100)은 도 6a의 광학 시스템(1000)의 상세한 설명과 같으므로 생략한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(1300)은 그 상면에 형성된 파라볼릭 렌즈(코팅부 시편8)와 그 저면에 형성된 프레넬 렌즈(1301)를 포함하고, 상기 파라볼릭 렌즈가 IR 광선(6)을 초점(FP)으로 반사한다. 이 초점(FP)에는 히트 파이프 및/또는 구동 가능한 스터링 엔진을 구비한 임의 형태의 히트 엔진(45)이 위치한다. UV-VIS/NIR 광선은 확산기(75,76)로 집속된다.
상기 광학 시스템인 파라볼릭 미러/프레넬 렌즈 결합체(1300)의 동작 원리에 대하여 기술하면 다음과 같다.
제1면은 IR을 반사시키고 UV-VIS/NIR을 투과시키도록 코팅된 파라볼릭 트로 프(유리 또는 플라스틱)이다. 상기 반사된 IR 빔은 집열을 위해 열 흡수기(히트 엔진)로 집속되고, 상기 투과된 UV-VIS/NIR 빔은 제2면(파라볼릭 미러의 배면)상에 패터닝된 프레넬 렌즈에 의해 PV 셀 조립체 속으로 집속된다.
확산기/PV 셀 조립체에서 확산기는 최대 전기발생을 위한 PV 셀의 균일한 조명을 위해 입사 VIS/NIR 빔을 균질화시킨다. 또한 입사 VIS-NIR 빔의 스펙트럼은 PV 셀의 최적 효율을 위해 선택적으로 정합된다.
1) 주경(primary mirror)(유리 파라볼릭 미러)은 UV-VIS/NIR 스펙트럼과 IR 스펙트럼을 분리하기 위해 유전체 코팅부(코팅부 시편8, 도 14 참조)가 코팅되는데, 상기 UV-VIS/NIR(<1000nm)는 제2면(프레넬 렌즈)을 투과하고, VIS-NIR으로부터 UV를 분리하기 위해 빔 스플리터속으로 집속된다. VIS-NIR은 직접 전기발생을 위해 확산기 및 PV 셀로 보내진다. UV는 PV 축광 또는 전해 수소 발생에 의한 추가 사용을 위해 광섬유에 의해 펌핑된다. 그리고 IR은 SID 열 흡수기로 상향 반사된다.
2) 프레넬 렌즈는 코팅된 저면에 패터닝되고 BAR이 UV-VIS/NIR용으로 코팅된다. 상기 프레넬 렌즈는 투과된 빔을 빔 스플리터로 집속하여 VIS-NIR으로부터 UV를 분리하는데, 상기 VIS-NIR은 직접 전기 발생을 위해 확산기 및 PV 셀(76)로 보내지고, 상기 UV는 PV 축광 또는 전해 수소 발생에 의한 추가 사용을 위해 광섬유에 펌핑된다.
3) 확산기 광학부재도 포함한다.
도 9에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(1400)은 각도 블록(90)을 제외하고 광학 시스템(1300)과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 빔 분할 코팅, UV 및 VIS-NIR 반사, IR 투과를 나타낸 그래프로서, 더 자세하게는 코팅부 시편3에서의 투과율(%) 대 파장과, 코팅된 화학물질 및 코팅두께를 보여주는 그래프이다. 그리고 반사율은 0.3-0.9㎛이고, 투과율은 1-1.8㎛이며, 코팅된 화학물질은 HfO2가 1300nm, SiO2가 3100nm, TiO2가 6600nm이므로 총 코팅된 두께는 11000nm이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 광대역 반사 방지, IR 투과 코팅을 나타낸 그래프로서, 더 자세하게는 코팅부 시편4에서의 반사율(%) 대 파장과, 코팅된 화학물질 및 코팅두께를 보여주는 그래프이다. 그리고 반사율은 0.9-1.8㎛이고, 코팅된 화학물질은 HfO2가 400nm, Al2O3가 700nm, MgF2가 300nm이므로 총 코팅된 두께는 1400nm이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 UV 반사 빔 스플리터 코팅을 나타낸 그래프로서, 더 자세하게는 코팅부 시편5에서의 반사율(%) 대 파장과, 코팅된 화학물질 및 코팅두께를 보여주는 그래프이다. 그리고 반사율은 0.4-1㎛이고, 코팅된 화학물질은 HfO2가 1300nm, SiO2가 1800nm이므로 총 코팅된 두께는 3100nm이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅부 시편7(VIS-NIR 반사됨)에서의 투과율(%) 대 파장을 보여주는 그래프로서, 반사율은 0.445㎛이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅부 시편8(IR 반사됨)에서의 투과율(%) 대 파장을 보여주는 그래프로서, 반사율은 1.35㎛이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명되 었지만, 상기 실시예에 대해 많은 변형 및 수정을 가할 수 있고, 그 결과는 본 발명이 범위에 속하게 될 것이다. 본 명세서에 개시된 특정 실시예를 한정하도록 의도되거나 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에 설명된 각 장치에 대한 실시예는 많은 균등물이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세 가지 태양 에너지 스펙트럼을 분리하고 이용하는 과정을 설명하기 위해 파라볼릭 미러를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 파라볼릭 미러를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 파라볼릭 미러를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 파라볼릭 미러를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 변형된 확산기 광학소자의 정.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 파라볼릭 트로프 설계(parabolic trough design)의 개략도.
도 6b는 도 6a의 측면도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 파라볼릭 트로프의 각도 블록 집광기(angular block collector)의 개략도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 히트 엔진의 개략도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 각도 블록을 갖는 파라볼릭 미러를 도시한 개략도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅부 시편3에서의 투과율(%) 대 파장과, 코팅된 화학물질 및 코팅두께를 보여주는 그래프.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅부 시편4에서의 반사율(%) 대 파장과, 코팅된 화학물질 및 코팅두께를 보여주는 그래프.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅부 시편5에서의 반사율(%) 대 파장과, 코팅된 화학물질 및 코팅두께를 보여주는 그래프.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 코팅부 시편7(VIS-NIR 반사됨)에서의 투과율(%) 대 파장을 보여주는 그래프.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅부 시편8(IR 반사됨)에서의 투과율(%) 대 파장을 보여주는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
3 : 입사 태양광 5, 48 : UV 광선
6 : IR 광선 5-1, 8 : 광섬유
7, 32, 42, 70 : UV/VIS-NIR 광선
10 : 태양전지 21 : 반사기
30, 40 : 광학 시스템
31 : 히트 엔진 39 : 광학코팅부
41 : 파라볼릭 반사기 43 : 코팅부
45 : 집열 튜브, 히트 파이프
47 : 유전체 코팅부 50, 1000, 1400 : 광학시스템
52 : 렌즈 75, 90 : 확산기 블록
76 : PV 셀 100 : 빔 스플리터
101 : 미러 105 : 반사기
680 : 프레넬 렌즈 696 : 파라볼릭 트로프
1150 : 축광장치

Claims (8)

  1. 다기능 태양광 집광기에 있어서,
    다수개의 태양 광선을 내부에서 증폭시키는 기능을 수행하는 초점으로 태양 광선을 반사하기 위한 수단(a)과; 상기 초점에서 UV 및 VIS/NIR 광선으로부터 IR 광선을 분리하기 위한 수단(b)과; 상기 VIS/NIR 광선이 태양광(PV) 셀로 향하도록 방향을 조절하기 위한 수단(c)과; 상기 IR 광선을 흡수하여 열을 발생하기 위한 수단(d); 을 포함함을 특징으로 하는 다기능 태양광 집광기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수단(a)은 입사 태양광을 초점(FP)으로 반사하는 파라볼릭 반사기이며, 상기 초점(FP)에는 IR 광선을 히트 엔진 또는 원통형 히트 튜브로 통과시키는 광학코팅부가 형성되어 있고, 상기 광학코팅부는 UV 및 VIS-NIR 광선을 갭(G)을 통해 빔 스플리터로 반사하며, 상기 빔 스플리터는 광선을 UV 광선과 VIS-NIR 광선으로 분할하여 태양전지를 구동시키는 것을 특징으로 하는 다기능 태양광 집광기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수단(a)은 IR 광선을 통과시키고 UV/VIS-NIR 광선을 초점(FP)까지 반사하는 유전체 코팅부를 구비한 파라볼릭 반사기이며, 상기 초점(FP)에는 UV/VIS-NIR 광선을 태양전지(10)에 전송하고, 반사된 UV 광선은 갭(G)을 통과하여 미러에 전달되면, 상기 미러는 상기 UV를 광섬유로 반사시키는 것을 특징으로 하는 다기능 태양광 집광기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수단(a)은 유전체 코팅부를 구비한 파라볼릭 반사기이며, 상기 반사기는 UV 및 VIS-NIR 광선을 광섬유가 구비된 초점(FP)으로 반사시키고, 렌즈 상에 형성된 유전체 코팅부는 갭(G)을 통해 VIS-NIR 광선을 태양전지로 하향 반사시키는 것을 특징으로 하는 다기능 태양광 집광기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수단(a)은 유전체 코팅부를 구비한 파라볼릭 반사기이며, 상기 반사기는 IR을 통과시키고, 반사된 VIS-NIR 및 UV 광선은 초점(FP)로 진행하여 유전체 코팅부와 렌즈를 통과하여 태양전지로 집속되는 것을 특징으로 하는 다기능 태양광 집광기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 수단(b)은 주경 또는 파라볼릭 트로프이고, 상기 주경 또는 파라볼릭 트로프는 UV 및 VIS/NIR 스펙트럼과 IR 스펙트럼을 분리하기 위한 것이며, IR 광선은 열 흡수 튜브로 집속되고, UV 및 VIS/NIR 광선은 프레넬 렌즈 열에 의해 일련의 확산기 블록과 PV 셀로 집속되는 것을 특징으로 하는 다기능 태양광 집광기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수단(c)은 단수 또는 다수의 프레넬 집속 렌즈로 구성되며, 양쪽 면 또는 한쪽 면에 유전체 코팅부가 형성되어 있고, IR 광선은 상기 프레넬 집속 렌즈를 통해 히트 파이프 또는 집열 튜브로 집속되는 것을 특징으로 하는 다기능 태양광 집광기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 수단(d)은 히트 파이프, 집열 튜브, 열 흡수 튜브인 것을 특징으로 하는 다기능 태양광 집광기.
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