KR20110087615A - 집광형 태양전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지모듈에 관한 것으로, 특히 수직 방향으로 집광된 태양광을 수평 방향으로 반사시켜 태양전지로 전달하여 태양광의 초점 거리를 단축시켜 태양전지모듈의 두께를 감소시키는 태양전지모듈에 관한 것이다.
더욱 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈은 상기 태양광을 기설정된 구획별로 평행 상태로 집광한 후, 집광된 각 구획별 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 태양전지(solar cell)로 전달하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 태양전지모듈은 태양광이 수신되는 집광모듈을 기설정된 구획별로 분할하고 각 구획별로 복수개의 볼록 렌즈 및 오목 렌즈 및 파라볼릭 반사경을 통해 태양광을 수신함에 따라, 집광모듈의 폭이 줄어듦에 따라 수신된 태양광이 집광되는 초점 위치가 줄어들게 되므로, 태양전지모듈의 전체 크기 및 무게를 감소시킬 수 있다.

Description

집광형 태양전지모듈 {Concentrated solar cell module}
본 발명은 집광형 태양전지모듈에 관한 것으로, 특히 태양광의 초점 거리를 단축시키기 위해 집광된 태양광을 반사시켜 태양전지로 전달하도록 하여 두께를 감소시킨 태양전지모듈에 관한 것이다.
석탄, 석유, 원자력, 천연가스 등에 대한 에너지 소비의 급격한 증가와 이처럼 급격히 소비되는 상기 석탄, 석유, 원자력, 천연가스 등의 에너지원의 고갈로 인해 상기 에너지원을 대체하기 위한 대체에너지의 연구가 현재 활발히 이루어지고 있다. 이러한 대체에너지는 풍력, 조력, 파력, 지열, 수소, 태양열 등이 있으며, 이 중에서도 태양광을 이용한 대체에너지가 많은 각광을 받고 있어, 이에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
이처럼 태양광 에너지를 대체 에너지로 사용하기 위해 이용되는 집광형 태양전지모듈은 렌즈 또는 반사경과 같은 광학계를 사용하여 수백 배의 높은 배율로 태양광을 집광시킨 후, 작은 면적을 갖는 고효율의 III-V족 화합물 반도체 태양전지 셀에 입사시켜 발전하는 차세대 태양광 발전 모듈이다. 이러한 집광형 태양전지모듈은 기존의 실리콘 계 태양전지 셀을 이용한 평판형 태양전지모듈에 비해 높은 발전 효율 및 낮은 제조원가를 구현할 수 있는 장점이 있다.
이러한 집광형 태양전지모듈은 태양광을 집광시키는 방식에 따라 크게 프레넬 렌즈를 이용하여 태양광을 집광시키는 굴절식 태양전지모듈 및 파라볼릭 반사경을 이용하여 태양광을 집광시키는 반사식 태양전지모듈로 나누어진다.
이하, 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 태양광 모듈의 구조에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴본다. 도 1은 종래 기술에 따른 집광형 태양전지모듈을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 집광형 태양전지모듈(10)은 집광모듈(12) 단면의 길이가 A1이고, 초점거리가 f1인 프레넬(fresnel) 렌즈(12)가 하우징(11)의 상부면에 구비되어, 태양광이 평행 상태로 상기 집광모듈(12)를 통해 입력되면, 하나의 초점으로 태양광이 집광되고, 이처럼 집광된 태양광은 III-V족 화합물 반도체 성분을 갖는 태양전지(14)에 전달되어, 집광된 태양광 에너지가전기에너지로 변환된다. 이러한 상기 태양전지(14)는 바이패스 다이오드 및 커넥터가 함께 구비된 하이브리드 IC기판(15) 위에 부착된다. 이 때 상기 하우징(11)의 하부면에 부착된 방열판(16)을 이용하여 상기 태양전지(14)에서 발생되는 열을 효과적으로 방출함으로써 상기 태양전지(14)의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다.
이러한 집광형 태양전지모듈은 500: 1 내지 1000:1 의 작은 면적의 화합물반도체 셀을 상기 태양전지로 사용하므로, 태양전지모듈의 제조원가의 많은 부분을 차지하는 태양전지 자체의 면적을 줄여 태양전지모듈의 제조 시, 제조원가를 줄일 수 있다.
또한 상기 집광형 태양전지모듈은 출력 전력의 온도 계수 값이 ­ 0.06%/ oC 정도 밖에 되지 않아, 고온의 사막 지역에도 상기 집광형 태양전지모듈을 설치할 수 있다.
하지만 이러한 종래 기술에 따른 집광형 태양전지모듈의 장점에도 불구하고, 집광용 광학계를 사용하기 때문에 상기 집광용 광학계에 수직으로 입사되는 태양광만이 태양전지의 초점에 맺혀 흡수된다. 따라서, 상기 집광형 태양전지모듈은 항상 태양을 따라 움직이는 추적 장치의 상부에 설치되어야 하는 문제점이 발생한다.
또한, 외부의 기상 조건 예를 들면, 구름이나 안개 또는 공기 중의 수분, 먼지 등으로 인해 산란되는 태양광은 상기 태양전지에 초점이 맺히지 못해 상기 산란된 태양광이 상기 태양전지로 흡수되지 못하는 문제점을 갖는다.
또한, 상기 태양전지모듈은 태양광의 집광을 위해 집광용 광학계를 사용함으로써, 상기 태양전지모듈의 두께가 두꺼워지는 문제점을 갖는다. 이러한 문제점은 프레넬 렌즈를 사용하는 굴절식 태양전지모듈이나 파라볼릭 반사경을 사용하는 반사식 태양전지모듈 모두 태양광의 집광율을 높이고, 이러한 높은 집광율에도 불구하고 집광용 광학계를 통해 발생하는 광 손실을 방지하기 위해 태양광의 초점 거리를 길게 만들어야 하기 때문에, 이로 인하여 집광형 태양전지모듈의 전체 두께가 두꺼워지는 문제점이 발생한다.
이하, 도 2를 통해 종래 기술에 따른 집광형 태양전지모듈의 초점 거리에 따른 광 투과율에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. 도 2는 도 1의 태양전지모듈에서 초점 거리에 따른 광 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 집광형 태양전지모듈에 대한 곡선은 80% 이상의 광 투과율을 얻기 위해서는 태양광의 f 수가 1 이상인 것을 알 수 있다. 이 때, 상기 f 수는 집광모듈을 통해 집광되는 태양광의 초점거리를 상기 집광모듈의 직경길이로 나눈 것을 말한다.
예를 들어, 태양전지의 크기가 1cm × 1cm 이고, 1000배의 집광율을 갖는 태양전지모듈의 경우, 초점거리가 45cm 이상 되어야 하며, 결과적으로 상기 태양전지모듈의 전체 크기 및 무게가 증가하는 문제점 또한 발생한다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 집광된 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 태양전지로 전달함으로써, 태양광의 초점 거리를 단축시켜 두께 및 크기를 감소시키는 태양전지모듈에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 태양광의 초점거리를 단축시켜 두께 및 크기를 감소시킴에 따라 태양전지모듈의 제조원가를 낮추는 태양전지모듈에 관한 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 본 발명의 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈은 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈; 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지 및; 상기 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 각각 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 태양광의 집광을 위해 동심원 형태로 배치되는 집광모듈을 포함할 수 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 본 발명의 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈은 상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈; 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지; 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈; 및 상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히 복수 개의 볼록 렌즈를 구비하여 상기 볼록 렌즈의 직경 길이가 짧아질수록 그 두께가 낮아지는 집광모듈을 포함할 수 있다.
특히 상기 태양광이 상기 태양전지로 집광되도록 하부 면에 파라볼릭 반사경을 더 배치하는 반사모듈을 포함할 수 있다.
특히 역 사다리꼴의 형태를 가지며, 상기 역 사다리꼴의 하부면적은 상기 태양전지의 면적과 동일한 프리즘모듈을 포함할 수 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 본 발명의 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈은 상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 볼록 렌즈를 포함하는 집광모듈; 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지; 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈; 및 상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈; 을 포함하되, 상기 반사모듈은 상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하부 면에 기설정된 경사 각도만큼 상부로 경사지게 배치되는 파라볼릭 반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 경사 각도는 θ = tan -1 (d/a1) 인 식을 이용하여 획득하며, 이 때, 상기 d는 상기 파라볼릭 반사경의 두께, 상기 a1은 상기 볼록렌즈의 직경길이인 것을 포함할 수 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 본 발명의 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈은 상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 볼록 렌즈를 포함하는 집광모듈; 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지; 상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하는 파라볼릭 반사경을 포함하여, 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈; 및 상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈; 을 포함하되, 상기 파라볼릭 반사경은 한쪽 면이 볼록한 형태를 갖도록 상부와 하부가 역으로 배치되어, 반사되는 태양광을 평행하게 전달하는 것을 특징으로 한다.
특히 상기 볼록 렌즈로 집광되는 태양광의 초점 위치는 상기 파라볼릭 반사경이 배치되는 위치보다 낮게 형성될 수 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 본 발명의 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈은 상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈; 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지; 상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하는 평면 반사경을 포함하여, 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈; 및 상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈; 을 포함하되, 상기 집광모듈은 상부면에 복수 개의 볼록 렌즈가 배치되고, 상기 복수개의 볼록 렌즈를 통해 집광된 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 복수 개의 오목 렌즈가 상기 복수 개의 볼록렌즈와 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 본 발명의 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈은 상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈; 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지; 상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하는 평면 반사경을 포함하여, 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈; 상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈;을 포함하되, 상기 집광모듈은 상부면에 복수 개의 볼록 렌즈가 각 구획별로 배치되고, 상기 볼록 렌즈와 대응하도록 하부면에 복수개의 오목렌즈가 배치되며, 이 때 상기 볼록 렌즈와 상기 오목 렌즈가 상호 일체형으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 본 발명의 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈은 상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈; 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지; 상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하는 평면 반사경을 포함하여, 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈; 및 상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈;을 포함하되, 상기 집광모듈은 상부면에 복수 개의 파라볼릭 반사경이 배치되고, 상기 복수개의 파라볼릭 반사경을 통해 집광된 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 복수 개의 오목 렌즈가 상기 복수 개의 파라볼릭 반사경과 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
특히 PMMA(Poly methyl methacrylate)와 유리 중 적어도 하나의 물질로 이루어지는 집광모듈 및 반사모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 태양전지모듈은 태양광이 입력되는 집광모듈을 기설정된 구획별로 분할하고 각 구획별로 배치된 복수개의 볼록 렌즈와 오목 렌즈 및 파라볼릭 반사경을 통해 태양광을 수신함에 따라, 집광모듈의 볼록 렌즈 폭이 줄어듦에 비례하여 입력된 태양광이 집광되는 초점 위치가 줄어들게 되므로, 태양전지모듈의 크기 및 무게를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 태양전지모듈은 집광모듈로 입력되는 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 태양광이 집광되는 초점 거리를 감소시킴에 따라 태양전지모듈의 전체 크기가 줄어들게 되어 태양전지모듈을 경량화하는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 태양전지모듈은 집광모듈 및 반사모듈이 몰딩에 의해 제작이 가능하여, 대량생산 시 조립의 자동화를 용이하게 함으로써, 제조원가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명의 태양전지모듈은 태양광이 입력되는 집광모듈을 기설정된 구획별로 분할하고 각 구획별로 태양광을 수신함에 따라, 수신되는 태양광의 전달 손실을 최소화하여 태양전지로 전달함으로써, 태양전지모듈의 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
이와 더불어, 본 발명의 태양전지모듈은 집광모듈에 구비되는 볼록 렌즈와 오목 렌즈 및 파라볼릭 반사경을 통해 도광판 및 프리즘모듈을 통해 평행 상태가 아닌 태양광이 수신되더라도 수신한 태양광을 평행상태로 변경하여 용이하게 상기 태양전지로 전달할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지모듈을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 태양전지모듈에 따른 초점 거리에 따른 광투과율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 한 실시 예에 따른 태양전지모듈의 단면도이다.
도 4는 도 3의 태양전지모듈의 일부를 확대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양전지모듈의 단면도이다.
도 6은 도 5의 태양전지모듈의 일부를 확대한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 태양전지모듈의 단면도이다.
도 8은 도 7의 태양전지모듈의 일부를 확대한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 태양전지모듈의 단면도이다.
도 10은 도 9의 태양전지모듈의 일부를 확대한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 태양전지모듈의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 태양전지모듈의 단면도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시 예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 한 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈을 구체적으로 살펴본다. 도 3은 본 발명의 한 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 집광형 태양전지모듈(100)은 기설정된 구획별로 태양광을 평행상태로 집광하는 집광모듈(120)과 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지(160)와 집광한 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시키는 반사모듈(130) 및 적어도 한 번 이상 반사된 태양광을 태양전지(160)로 전달하는 프리즘모듈(140)를 포함하여 이루어지는 하우징(110)을 포함한다.
집광모듈(120)는 태양광을 기설정된 구획별로 집광하도록 하우징(110)의 상부면에 배치된다. 이러한 집광모듈(120)는 하우징(110)의 상부면을 동심원 형태로 구획을 분할하고, 각 구획별로 볼록 렌즈(122)를 배치한다. 이 때, 상기 볼록 렌즈(122)의 직경 길이에 따라 상기 태양광이 집광되는 초점 위치(P1)가 변경되므로, 결국 상기 볼록 렌즈(122)의 직경 길이가 짧아질수록 그 두께가 낮아지게 되므로, 결과적으로 태양전지모듈(100)의 전체크기가 감소하게 된다.
태양전지(160)는 상기 집광모듈(120)로부터 집광한 태양광을 전달받아 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전기 에너지를 생성한다.
반사모듈(130)는 상기 집광모듈(120)와 마주보도록 상기 하우징(110)의 하부면에 배치되며, 특히 상기 하우징(110)의 중앙에 배치된 태양전지(160)로 집광한 태양광을 전달하기 위하여 하부면에 파라볼릭 반사경(132)을 배치한다. 이에 따라, 상기 집광모듈(120)로 집광된 태양광이 반사모듈(130)을 통해 하부면에 배치된 파라볼릭 반사경(132)에 도달하게 되면, 상기 파라볼릭 반사경(132)에 의해 반사됨에 따라, 상기 태양광의 진행 방향이 수직상태에서 수평 상태로 변경된다.
특히 이러한 집광모듈(120) 및 반사모듈(130)은 PMMA(poly methyl methacrylate)와 유리 중 적어도 하나의 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
프리즘모듈(140)은 상기 하우징(110)의 하부 표면에 배치된 태양전지(160)과 평행하도록 상기 반사모듈(130)의 하부에 배치된다. 이러한 프리즘모듈(140)는 역사다리꼴의 형태를 가지며, 이 때 상기 역사다리꼴의 하부 면적은 상기 태양전지(160)의 면적과 동일한 특성을 갖는다.
이에 따라, 본 발명의 집광형 태양전지모듈(100)은 먼저 태양광이 각 구획별로 배치된 볼록 렌즈(122)를 통해 집광되고, 하나의 볼록렌즈(122)로 집광된 태양광은 제1초점(P1)에 집광된다. 이하, 도 4를 참조하여 도 3의 집광형 태양전지모듈로 집광되는 태양광의 반사 과정을 보다 자세히 살펴보도록 한다. 도 4는 도 3의 집광형 태양전지모듈의 일부를 확대한 단면도이다.
도 4의 a에 도시된 바와 같이, 상기 집광모듈(120)를 통해 집광된 태양광이 상기 반사모듈(130)로 전달되어, 상기 태양광이 제1초점(P1)에서 맺히게 된다. 이와 같이 제1초점(P1)에서 맺힌 태양광은 상기 반사모듈(130)의 하부에 배치된 파라볼릭 반사경(132)에 도달하고, 상기 파라볼릭 반사경(132)에 도달된 태양광은 상기 파라볼릭 반사경(132)에 의해 반사되어, 그 진행 방향이 수직 방향에서 수평 방향으로 변경된다.
이와 같이, 상기 파라볼릭 반사경(132)에 의해 반사된 태양광의 일부는 도 4의 b에 도시된 바와 같이, 상기 파라볼릭 반사경(132)으로부터 반사되는 위치에 따라 상기 파라볼릭 반사경으로부터 반사되는 태양광의 일부는 상기 반사모듈(130)의 상부면으로 전달된다. 하지만 이 때, 상기 파라볼릭 반사경(132)으로부터 반사되어 상기 반사모듈(130)의 상부면으로 전달되는 태양광은 전반사되므로, 다시 상기 반사모듈(130)의 중앙 하부에 배치된 프리즘모듈(140)로 전달된다.
다시 도 3으로 돌아와서, 상술한 바와 같이, 각 구획별로 집광된 태양광이 반사모듈(130)와 파라볼릭 반사경(132)에 의해 그 진행 방향이 변경되어 하우징(110)의 중앙 하부에 배치된 프리즘모듈(140)을 통해 상기 프리즘모듈(140)의 하부에 배치된 태양전지(160)로 입력된다.
이에 따라, 상기 태양전지(160)로 집광된 태양광 에너지는 전기 에너지로 변환되고, 상기 태양전지(160)에 형성된 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 전극이 상기 태양전지(160)의 하부에 배치된 하이브리드 IC기판(170)에 의해 상기 전기 에너지가 외부로 전달된다. 이 때, 상기 하이브리드 IC기판(170)은 알루미나(alumina)로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 상기 하이브리드 IC기판(170)의 하부면에 방열판(180)이 배치되어, 상기 방열판(180)이 상기 프리즘모듈(140)와 태양전지(160) 및 하이브리드 IC기판(170)을 모두 감싸므로, 이러한 핵심 부품을 열 또는 외부 환경으로부터 보호하게 된다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈의 단면도이다. 이 때, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(200)은 상기 도 4를 참조하여 설명한 집광형 태양전지모듈(100)과 동일한 부분은 그 설명을 생략하고, 차이점을 갖는 부분에 대해서만 하기에서 설명하도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(200)은 하우징(210)의 상부면에 배치되는 집광모듈(220)과 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지(260)와 상기 하우징(210)의 하부면에 배치되는 반사모듈(230) 및 상기 하우징(210)의 하부 표면에 배치된 태양전지(260)과 평행하도록 상기 반사모듈(230)의 하부에 배치되는 프리즘모듈(240)을 포함하여 이루어지는 하우징(210)을 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(200)은 그 구성 중 반사모듈(230)를 제외한 나머지 구성 요소는 앞서 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일하므로, 그 설명을 생략하도록 한다.
상기 반사모듈(230)는 집광된 태양광이 상기 태양전지(260)로 집광되도록 상기 반사모듈(230)의 하부면에 경사각도 θ만큼 경사지도록 배치된 파라볼릭 반사경(232)을 포함한다. 이러한 상기 파라볼릭 반사경(232)은 앞서 도 3에 도시된 파라볼릭 반사경(132)과 비교하여 경사각도 θ만큼 상부를 향하도록 경사지며, 톱니 모양의 형태로 배치된다. 이 때, 상기 파라볼릭 반사경(232)의 경사각도 θ는 상기 파라볼릭 반사경(232)의 두께와 집광모듈의 볼록 렌즈(222)의 직경길이를 이용하여 아래의 수학식 1을 통해 연산되는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
θ = tan -1 (d/a1)
이 때, 상기 d는 상기 파라볼릭 반사경의 두께, 상기 a1은 상기 볼록 렌즈의 직경 길이를 나타낸다. 이에 따라, 상기 파라볼릭 반사경의 경사 각도 θ 는 상기 파라볼릭 반사경의 두께 d에 비례하고, 상기 집광모듈에 배치되는 볼록 렌즈의 직경 길이 a1에 반비례하는 것을 알 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 경사 각도 θ만큼 경사지도록 배치된 파라볼릭 반사경에 의해 반사된 태양광에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다. 도 6은 도 5의 집광형 태양전지모듈의 일부(c)를 확대한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 집광모듈(220)를 통해 집광된 태양광이 상기 반사모듈(230)로 전달되어, 상기 태양광이 제2초점(P2)에서 맺히게 된다. 이와 같이 제1초점(P2)에서 맺힌 태양광은 상기 반사모듈(230)의 하부에 배치된 파라볼릭 반사경(132)에 도달하고, 상기 파라볼릭 반사경(232)에 도달된 태양광은 상기 파라볼릭 반사경(232)에 의해 반사되어, 그 진행 방향이 수직 방향에서 수평 방향으로 변경된다. 이 때, 상기 파라볼릭 반사경(232)에 의한 태양광의 반사는 상기 반사모듈(230)의 굴절률과 외부 공기의 굴절률간의 차에 의해 내부 전반사가 이루어질 수 있으며, 상기 반사모듈(230)의 하부면에 형성되는 금속 코팅층에 의해 전반사가 발생할 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈의 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 집광형 태양전지모듈(300)은 하우징(310)의 상부면에 배치되는 집광모듈(320)과 상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지(360)와 상기 하우징(310)의 하부면에 배치되는 반사모듈(330) 및 상기 하우징(310)의 하부 표면에 배치된 태양전지(360)과 평행하도록 상기 반사모듈(330)의 하부에 배치되는 프리즘모듈(340)를 포함하여 이루어지는 하우징(310)을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(300)의 반사모듈(330)는 집광된 태양광이 상기 반사모듈(230)의 중앙으로 집광되도록 파라볼릭 반사경(332)이 한쪽 면이 볼록한 형태를 갖도록 상부와 하부가 역의 형태로 하부면에 배치된다.
이하, 도 8을 참조하여 상부와 하부가 역으로 배치된 파라볼릭 반사경에 의해 반사되는 태양광에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다. 도 8은 도 7의 집광형 태양전지모듈의 일부(D)를 확대한 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 집광모듈(320)의 볼록 렌즈(322)를 통해 집광된 태양광이 상기 반사모듈(330)로 전달됨에 따라 상기 태양광이 제3초점(P3)에서 집광되기 전, 상부와 하부가 역으로 배치된 파라볼릭 반사경(332)에 의해 그 진행 방향이 수평 방향으로 변경된다.
이와 같이, 진행 방향이 수평 방향으로 변경된 태양광의 반사모듈(330)의 중앙으로 전달된다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. 도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈의 단면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(400)의 집광모듈(420)는 태양광을 기설정된 구획별로 집광하도록 하우징(410)의 상부면에 배치된다. 이러한 집광모듈(420)은 상기 하우징(410)의 상부면에 복수 개의 볼록 렌즈(422)가 각 구획별로 배치되고, 상기 볼록 렌즈(422)에 각각 대응하도록 상기 집광모듈(420)의 하부면에 복수 개의 오목 렌즈(424)가 배치된다.
반사모듈(430)은 하부면에 평면 반사경(432)이 배치되어, 상기 집광모듈(420)을 통해 집광된 태양광이 반사모듈(430)의 중앙으로 전달되도록 한다.
이하 도 10을 참조하여 본 발명의 집광모듈과 반사모듈에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다. 도 10은 도 9의 집광형 태양전지모듈의 일부(E)를 확대한 단면도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(400)은 기설정된 구획별로 배치된 집광모듈(420)의 볼록 렌즈(422)를 통해 태양광이 집광되고, 상기 볼록 렌즈(422)를 투과한 태양광은 상기 볼록 렌즈(422)와 평행하도록 배치되는 오목 렌즈(424)로 전달되어 평행 상태를 갖는다. 이와 같이 평행 상태의 태양광은 반사모듈(430)로 전달되고, 상기 반사모듈(430)의 하부면에 배치된 평면 반사경(432)에 도달하게 되어 상기 평면 반사경(432)에 의해 그 진행 방향이 수직 방향에서 수평 방향으로 변경된다.
이처럼, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(400)은 집광모듈의 상부와 하부에 각각 볼록 렌즈 및 오목 렌즈를 대응하도록 배치함으로써, 제작이 용이한 장점이 있다.
이하, 도 11을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. 도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈의 단면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(500)의 집광모듈(520)은 앞서 도 9를 참조하여 설명한 집광형 태양전지모듈(400)의 집광모듈 중 각 구획별로 배치된 복수 개의 볼록 렌즈(522)와 오목 렌즈(524)가 상호 일체형으로 형성된다.
또한, 상기 집광형 태양전지모듈(500)은 각 구획별로 배치된 복수 개의 볼록 렌즈(522)와 오목 렌즈(524)가 포함된 집광모듈(520) 전체를 덮도록 상기 집광모듈(520)의 상부면에 유리판 부재(590)가 배치된다. 이러한 유리판 부재(590)가 상기 집광모듈(520)의 상부면을 덮도록 배치됨에 따라, 상기 볼록 렌즈(522)의 상부면을 외부로부터 보호함과 동시에 집광되는 태양광을 효율적으로 전달할 수 있다.
이하, 도 12를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. 도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈의 단면도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 집광형 태양전지모듈(600)의 집광모듈(620)는 앞서 도 11을 참조하여 설명한 집광형 태양전지모듈(500)의 집광모듈 중 각 구획별로 파라볼릭 반사경(622)이 배치된다. 이 때, 상기 파라볼릭 반사경(622)으로 집광되는 태양광이 집광되는 초점은 상기 파라볼릭 반사경의 꼭지점 위치보다 더 낮은 위치에 형성된다. 이러한 상기 태양광은 상기 초점 위치보다 더 높은 위치에 배치되는 오목 렌즈(624)를 통과하면서 다시 평행 상태를 유지하게 된다.
또한, 상기 집광형 태양전지모듈(600)은 각 구획별로 배치된 복수 개의 파라볼릭 반사경(622)과 오목 렌즈(624)가 포함된 집광모듈(620)의 상부면에 유리판 부재(690)가 배치된다. 이러한 유리판 부재(690)가 상기 집광모듈(620)의 상부면에 배치됨에 따라, 상기 파라볼릭 반사경(622)의 상부면을 외부로부터 보호함과 동시에 집광되는 태양광을 전달할 수 있다.
본 발명의 집광형 태양전지모듈은 태양광이 입력되는 집광모듈을 기설정된 구획별로 분할하고 각 구획별로 배치된 복수개의 볼록 렌즈와 오목 렌즈 및 파라볼릭 반사경을 통해 태양광을 수신함에 따라, 집광모듈의 볼록 렌즈 폭이 줄어듦에 비례하여 입력된 태양광이 집광되는 초점 위치가 줄어들게 되므로, 태양전지모듈의 크기 및 무게를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 집광형 태양전지모듈은 집광모듈로 입력되는 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 태양광이 집광되는 초점 거리를 감소시킴에 따라 태양전지모듈의 전체 크기가 줄어들게 되어 태양전지모듈을 경량화하는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 집광형 태양전지모듈은 집광모듈 및 반사모듈이 몰딩에 의해 제작이 가능하여, 대량 생산 시 조립의 자동화를 용이하게 함으로써, 제조 원가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명의 집광형 태양전지모듈은 태양광이 입력되는 집광모듈을 기설정된 구획별로 분할하고 각 구획별로 태양광을 수신함에 따라, 수신되는 태양광의 전달 손실을 최소화하여 태양전지로 전달함으로써, 태양전지모듈의 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
이와 더불어, 본 발명의 집광형 태양전지모듈은 집광모듈에 구비되는 볼록 렌즈와 오목 렌즈 및 파라볼릭 반사경을 통해 도광판 및 프리즘모듈을 통해 수신되는 태양광을 용이하게 상기 태양전지로 전달할 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연하다.
110: 하우징 120: 집광모듈
130: 반사모듈 140: 프리즘모듈
160: 태양전지 170: IC기판
180: 방열판

Claims (14)

  1. 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서,
    태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈;
    상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지 및;
    상기 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 각각 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집광모듈은
    상기 태양광의 집광을 위해 동심원 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  3. 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서,
    상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈;
    상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지;
    복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈; 및
    상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 집광모듈은
    복수 개의 볼록 렌즈를 구비하여 상기 볼록 렌즈의 직경 길이가 짧아질수록 그 두께가 낮아지는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반사모듈은
    상기 태양광이 상기 태양전지로 집광되도록 하부면에 파라볼릭 반사경을 더 배치하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 프리즘모듈은
    역사다리꼴의 형태를 가지며, 상기 역사다리꼴의 하부 면적은 상기 태양전지의 면적과 동일한 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  7. 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서,
    상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 볼록 렌즈를 포함하는 집광모듈;
    상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지;
    복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈; 및
    상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈;
    을 포함하되,
    상기 반사모듈은
    상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하부면에 기설정된 경사 각도만큼 상부로 경사지게 배치되는 파라볼릭 반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 경사각도는
    θ = tan -1 (d/a1)
    인 식을 이용하여 획득하며, 이 때, 상기 d는 상기 파라볼릭 반사경의 두께, 상기 a1은 상기 볼록 렌즈의 직경 길이인 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  9. 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서,
    상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 볼록 렌즈를 포함하는 집광모듈;
    상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지;
    상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하는 파라볼릭 반사경을 포함하여, 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈; 및
    상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈;
    을 포함하되,
    상기 파라볼릭 반사경은
    한쪽 면이 볼록한 형태를 갖도록 상부와 하부가 역으로 배치되어, 반사되는 태양광을 평행하게 전달하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 볼록 렌즈로 집광되는 태양광의 초점 위치는 상기 파라볼릭 반사경이 배치되는 위치보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  11. 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서,
    상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈;
    상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지;
    상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하는 평면 반사경을 포함하여, 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈;
    상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈;
    을 포함하되,
    상기 집광모듈은
    상부면에 복수 개의 볼록 렌즈가 배치되고, 상기 복수개의 볼록 렌즈를 통해 집광된 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 복수 개의 오목 렌즈가 상기 복수 개의 볼록 렌즈와 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  12. 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서,
    상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈;
    상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지;
    상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하는 평면 반사경을 포함하여, 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈;
    상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈;
    을 포함하되,
    상기 집광모듈은
    상부면에 복수 개의 볼록 렌즈가 각 구획별로 배치되고, 상기 볼록 렌즈와 대응하도록 하부면에 복수개의 오목 렌즈가 배치되며, 이 때 상기 볼록 렌즈와 상기 오목 렌즈가 상호 일체형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  13. 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서,
    상기 태양광의 집광을 위해 수평 방향으로 구획된 복수 개의 집광모듈;
    상기 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 하나 이상의 태양전지;
    상기 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 하는 평면 반사경을 포함하여, 복수 개의 집광 영역에 의해 집광된 상기 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 상기 태양전지에 전달하도록 구비된 복수 개의 반사모듈;
    상기 태양전지의 상부에 배치되는 프리즘모듈;
    을 포함하되,
    상기 집광모듈은
    상부면에 복수 개의 파라볼릭 반사경이 배치되고, 상기 복수개의 파라볼릭 반사경을 통해 집광된 태양광이 상기 태양전지로 전달되도록 복수 개의 오목 렌즈가 상기 복수 개의 파라볼릭 반사경과 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  14. 제1항 내지 제13항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    상기 집광모듈 및 반사모듈은
    PMMA(poly methyl methacrylate)와 유리 중 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
KR1020100007116A 2010-01-26 2010-01-26 집광형 태양전지모듈 KR101118443B1 (ko)

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