KR20110123922A - 태양광 집광기 - Google Patents

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KR20110123922A
KR20110123922A KR1020100043411A KR20100043411A KR20110123922A KR 20110123922 A KR20110123922 A KR 20110123922A KR 1020100043411 A KR1020100043411 A KR 1020100043411A KR 20100043411 A KR20100043411 A KR 20100043411A KR 20110123922 A KR20110123922 A KR 20110123922A
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서명균
김동호
장지은
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 태양광 집광기에 대한 발명으로, 입사면 상기 입사면에 대응하는 제1 반사 곡면 상기 입사면의 중앙부에 위치하는 제2 반사 곡면 상기 제1 반사 곡면의 중앙부에 위치하며, 상기 제2 반사 곡면에 대응하는 집광부를 포함하며, 상기 입사면, 상기 제1 반사 곡면, 상기 제2 반사 곡면 및 상기 집광부는 동일한 물질로 형성된다. 그 결과 본 발명에 따른 태양광 집광기는 굴절율이 다른 경계면을 지나는 회수가 줄어 태양광의 손실이 줄어 태양광 발전의 효율이 향상되며, 또한, 제조 단계가 적고, 제조가 용이하여 양산에 적합하며, 생산 능률도 높고, 제조 원가도 적게 드는 장점이 있다.

Description

태양광 집광기{SOLAR CONCENTRATOR}
본발명은 태양광 집광기에 대한 발명이다.
태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전은 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양광 발전은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자와 태양광을 모아 효율을 향상시키는 태양광 집광기를 포함한다.
일반적으로 광전 변환 소자(태양 전지)는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하여 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있도록 한다.
반도체를 사용하는 실리콘계 태양 전지는 결정계 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하는 단결정 또는 다결정 실리콘 태양 전지와 유리 기판을 기반으로 하는 박막형 실리콘 태양 전지로 구분된다. 결정계 실리콘 웨이퍼는 태양 전지로 사용하더라도 열화가 적다는 장점이 있지만, 실제 태양광을 흡수하여 전기를 생산하는 실리콘 두께는 수 ㎛이면 충분하고, 실리콘 웨이퍼의 제조 단가가 높은 단점이 있다. 한편, 박막형 실리콘 태양 전지는 크게 비정질 실리콘 태양 전지, 미세 결정 실리콘 태양 전지, 다결정 실리콘 태양 전지로 구분된다. 비정질 실리콘 태양 전지는 가시광성 영역에서 높은 광흡수를 보이고, 상대적으로 얇은 두께로 형성할 수 있지만, 시간이 지남에 따라 광특성이 열화되는 단점이 있다.
이와 같은 태양 전지는 입사된 빛의 양에 비례하여 전기 에너지가 발생하는데, 태양 전지의 크기가 매우 작으므로 넓은 범위의 태양광을 모아주는 태양광 집광기가 필요하다.
태양광 집광기는 광학적으로 광 경로를 조절하여 태양 전지로 태양광이 모이도록 하는데, 태양광 집광기가 가지는 광학 효율이 70~80% 수준에 불과하여 태양광 발전의 효율이 향상되는데 지장을 주고 있다.
본발명에 따른 태양광 집광기를 통하여 태양광을 집광하면서 손실되는 태양광의 양을 줄여 태양광 발전의 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
또한, 태양광 집광기를 제조함에 있어서 적은 단계를 통하여 형성하여 생산 능률을 높이고, 제조 단가를 낮추며, 양산이 용이하도록 한다.
본 발명의 일측면에 따른 태양광 집광기는 입사면 상기 입사면에 대응하는 제1 반사 곡면 상기 입사면의 중앙부에 위치하는 제2 반사 곡면 상기 제1 반사 곡면의 중앙부에 위치하며, 상기 제2 반사 곡면에 대응하는 집광부를 포함하며, 상기 입사면, 상기 제1 반사 곡면, 상기 제2 반사 곡면 및 상기 집광부는 동일한 물질로 형성되어 있다.
상기 제1 반사 곡면은 그 외측에 반사처리가 되어 있을 수 있다.
상기 입사면의 중앙부에는 오목한 홈이 형성되며, 상기 홈의 외측에 반사처리를 하여 상기 제2 반사 곡면을 형성할 수 있다.
상기 제1 반사 곡면은 상기 입사면을 통과한 빛이 반사되어 상기 제2 반사 곡면에 이를 수 있는 곡면을 가질 수 있다.
상기 제2 반사 곡면은 상기 제2 반사 곡면으로 입사한 빛을 반사시켜 상기 집광부로 전달하는 곡면을 가질 수 있다.
상기 집광부는 집광부 입사면, 집광부 방출면, 및 상기 집광부 입사면과 상기 집광부 방출면을 연결해주는 전반사면을 포함할 수 있다.
상기 집광부 입사면은 상기 집광부 방출면보다 면적이 넓을 수 있다.
상기 전반사면은 상기 집광부의 중심 축을 기준으로 비스듬하게 형성되어 있을 수 있다.
상기 제1 반사 곡면과 상기 집광부 입사면은 내측면에 의하여 연결되어 있을 수 있다.
상기 내측면은 상기 집광부의 중심축과 평행하게 형성되어 있을 수 있다.
상기 내측면은 상기 집광부의 중심축과 평행한 면을 기준으로 상기 전반사면과 대칭을 이룰 수 있다.
상기 집광부 방출면은 상기 제1 반사 곡면의 최하단부 보다 높은 곳에 위치할 수 있다.
상기 입사면과 상기 제1 반사 곡면은 측면을 통하여 연결되어 있을 수 있다.
상기 측면은 4개의 면을 포함하며, 상기 4개의 면은 각각 태양광 집광기의 중심축과 평행할 수 있다.
상기 집광부는 상기 제1 반사 곡면에서 반사된 빛이 상기 제2 반사 곡면에 이르는 광 경로를 가리지 않는 높이로 형성될 수 있다.
상기 태양광 집광기는 상기 입사면에 입사한 태양광의 양을 100으로 파악하는 경우 상기 집광부를 통하여 상기 태양광 집광기에서 방출되는 태양광의 양은 80을 초과할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 태양광 집광기는 태양광의 손실을 줄여 태양광 발전의 효율을 향상시킨다.
또한, 본 발명에 따른 태양광 집광기는 제조 단계가 적고, 제조가 용이하여 양산에 적합하며, 생산 능률도 높고, 제조 원가도 적게 든다.
도1은 본 발명의 일례에 따른 태양광 집광기의 사시도이고,
도 2는 도 1의 II-II선을 따라 자른 태양광 집광기의 단면도이고,
도 3은 도 1의 III-III선을 따라 자른 태양광 집광기의 단면도이고,
도 4는 도 1의 태양광 집광기를 반대측에서 바라본 사시도이고,
도 5는 본 발명의 일례에 따른 집광부에서의 태양광의 이동 경로를 도시하는 도면이며,
도 6은 도 1의 태양광 집광기에서 제2 반사 곡면 및 집광부의 관계를 도시한 도면이고,
도 7은 본 발명의 일례에 따른 태양광 집광기 어레이를 도시한 사시도이며,
도 8 및 도 9는 도 1의 일례에 따른 태양광 집광기를 가지고 태양광 집광 시뮬레이션을 한 도면이고,
도 10은 본 발명의 또 다른 일례에 따른 태양광 집광기의 단면도이고,
도 11은 도 10의 태양광 집광기에서 제2 반사 곡면 및 집광부의 관계를 도시한 도면이고,
도 12는 도 1의 태양광 집광기의 구조를 또 다른 방식으로 설명하기 위한 도면이고,
도 13은 도 10의 태양광 집광기의 구조를 또 다른 방식으로 설명하기 위한 도면이고,.
도 14는 본 발명의 또 다른 일례에 따른 태양광 집광기의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
먼저, 도 1 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 태양광 집광기의 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II선을 따라 자른 태양광 집광기의 단면도이고, 도 3은 도 1의 III-III선을 따라 자른 태양광 집광기의 단면도이고, 도 4는 도 1의 태양광 집광기를 반대측에서 바라본 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일례에 따른 집광부에서의 태양광의 이동 경로를 도시하는 도면이며, 도 6은 도 1의 태양광 집광기에서 제2 반사 곡면 및 집광부의 관계를 도시한 도면이다.
본 발명의 일례에 따른 태양광 집광기(100)는 입사면(130), 제1 반사 곡면(110), 제2 반사 곡면(150), 집광부(170), 측면(120) 및 내측면(160)으로 이루어진다. 태양광 집광기(100)는 굴절율이 동일한 하나의 물질로 일체로 형성되며, 제1 반사 곡면(110) 및 제2 반사 곡면(150)의 외측면에는 금속층이 형성되어 거울과 같은 반사면을 이루도록 반사 처리되어 있다.
입사면(130)은 사각형의 평면으로 이루어지며, 도 1의 예에서는 정사각형의 평면이다. 입사면(130)으로는 태양광이 입사하며, 입사된 태양광이 입사면(130) 하부의 제1 반사 곡면(110)으로 전달되도록 한다. 입사면(130)의 중심부에는 제2 반사 곡면(150)이 위치하고 있다.
제2 반사 곡면(150)은 곡면을 가지는 홈으로 이루어지며, 홈의 곡면 외측에는 금속층이 형성되어 반사 처리되어 있다. 제2 반사 곡면(150)은 구면 또는 포물면으로 형성된다. 제2 반사 곡면(150)은 R1의 지름을 가지는데, 입사면(130)의 일변의 길이의 1/10이하의 크기를 가질 수 있다.
제1 반사 곡면(110)은 구면 또는 포물면을 가지며, 제1 반사 곡면의 외측에는 금속층이 형성되어 반사 처리되어 있다. 제1 반사 곡면(110)은 입사면(130)에 대응하는 위치에 형성되며, 제1 반사 곡면(110)을 중심축(111) 방향으로 투영시키면 입사면(130)과 동일하게 된다. 제1 반사 곡면(110)은 입사면(130)을 통과하여 태양광 집광기(100) 내부로 진입한 태양광을 반사시켜 제2 반사 곡면(150)에 도달하게 하는 역할을 수행하며, 넓은 면적으로 입사되는 태양광을 좁은 면적의 제2 반사 곡면(150)으로 전달함으로써 집광에서는 가장 중요한 면이다. 그러므로 제1 반사 곡면(110)은 입사면(130)을 수직으로 입사한 빛이 제2 반사 곡면(150)으로 집광될 수 있는 곡률을 가진다.
제1 반사 곡면(110)은 중심축(111)을 기준으로 중앙부에 개구부(115)를 가진다. 개구부(115)는 일정 깊이(H)만큼 형성되며, 개구부(115)의 내측면(160)은 중심축(111)에 평행한 면(정확하게는 중심축(111)에 중심을 둔 원통면)으로 이루어진다. 중심축(111)에 대하여 수직한 개구부(115)의 면(이하 개구부의 수직면이라 함)은 R2의 지름을 가지며, 제2 반사 곡면(150)의 지름(R1)보다 작은 값을 가진다.
개구부(115)의 내에는 집광부(170)가 위치한다. 집광부(170)는 집광부 입사면(171), 전반사면(172) 및 집광부 방출면(173)을 포함한다. 집광부 입사면(171)은 제2 반사 곡면(150)에서 반사된 태양광이 입사되는 면으로 태양광 집광기(100)의 내부에 위치하는 가상의 면이다. 즉, 태양광 집광기(100)의 내부와 집광부(170)의 물질이 서로 동일하므로 태양광이 집광부(170)로 진입할 때 광손실이 없다. 집광부 입사면(171)은 R2의 지름을 가져 개구부(115)의 수직면과 동일하다.
집광부 입사면(171)으로 진입한 태양광은 집광부 방출면(173)으로 방출되며, 집광부 방출면(173)은 집광부 입사면(171)보다 작은 지름(R3)을 가져 태양광 집광기(100)로 입사된 빛이 더욱 집광된다. 도 5를 참고하면, 집광부 입사면(171)으로 진입한 태양광은 직접 집광부 방출면(173)으로 방출되거나 집광부(170)의 측면인 전반사면(172)에서 전반사되어 집광부 방출면(173)으로 방출된다. 전반사면(172)은 제2 반사 곡면(150)에서 반사된 빛이 광손실없이 집광부 방출면(173)으로 방출되도록 해준다. 또한, 태양광 집광기(100)의 제조시 개구부(115)내에 위치하는 전반사면(172)의 외측에 별도의 반사 처리를 하지 않아도 되도록 하는 장점을 제공한다. 그러므로 전반사면(172)은 제2 반사 곡면(150)에서 반사된 빛이 전반사되어 집광부 방출면(173)에 이르도록 전반사 조건을 만족하는 각도로 형성된다.
집광부(170)는 개구부(115)의 깊이와 동일한 높이(H)를 가지며, 집광부(170) 및 개구부(115)의 높이(H)는 제1 반사 곡면(110)에서 반사된 빛이 제2 반사 곡면(150)으로 이동하는 이동 경로를 가리지 않는 범위 내에서 형성될 수 있다. 이와 관련하여 도 6에서 상세하게 살펴본다.
제2 반사 곡면(150)은 R1의 지름을 가지며, 개구부(115)의 수직면 및 집광부 입사면(171)은 R1보다 작은 값을 가진다. 이때, 개구부(115)의 최대 깊이(Hh 또는 집광부(170)의 최대 높이라고도 함)는 도 5에서 도시하고 있는 바와 같이 L1 및 L2 광을 기준으로 계산될 수 있으며, 개구부(115)의 깊이(또는 집광부(170)의 높이)는 이보다 작거나 같게 형성되면 된다. 집광부(170)가 최대 높이(Hh)를 가질 때 집광부 입사면(171)도 최대 지름(R2h)를 가지며, 집광부(170)의 높이에 따라서 집광부 입사면(171)의 지름도 변한다.
도 6에서 L1은 입사면(130)을 통과하는 빛 중 가장 중심축(111)에 가까운 빛이다. L1보다 중심축(111)에 가깝게 입사면으로 입사하는 빛은 제2 반사 곡면(150)의 외측에 형성된 금속층(또는 반사 처리)으로 인하여 태양광 집광기(100)의 내부로 입사되지 못한다. L1 광은 제1 반사 곡면(110)에서 반사되어 제2 반사 곡면(150)으로 향하게 되는데, 이 빛을 L2로 도시하고 있다. 이 L2의 진행 경로를 개구부(115) 및 집광부(170)로 가리게 되면 태양광 집광기의 집광 효율이 낮아지므로 이를 가리지 않는 높이로 형성되어야 한다. 그 결과 집광부(170)의 최대 높이는 도 6에서 Hh가 된다. 이때, 집광부 입사면(171)은 최대 지름 R2h를 가진다.
한편, 개구부(115)의 수직면의 지름도 집광부 입사면(171)의 지름값에 따라서 변하며, 도 1의 일례에서는 집광부 입사면(171)의 지름과 개구부 수직면의 지름은 동일한 값을 가진다.
제1 반사 곡면(110)의 외측과 입사면(130)의 외측은 측면(120)으로 연결되어 있다. 측면(120)은 중심축(111)에 수평인 4개의 면으로 이루어지며, 4개의 면은 서로 동일한 모양과 크기를 가진다. 제1 반사 곡면(110)과 입사면(130)은 중심축(111) 방향으로 가장 가까운 거리가 s이다. 하지만 s는 실시예에 따라서는 거의 0에 준하는 크기를 가질 수도 있다.
태양광 집광기(100)는 유리나 PMMA등의 플라스틱 따위의 물질로 일체로 형성된다. 일례로 하나의 틀을 이용하여 찍어서 형성할 수 있다. 그 결과 태양광 집광기(100)의 제조가 매우 간단한 장점이 있다.
태양광 집광기(100)는 중심축(111)을 포함하는 면(예를 들어, 도 1의 II-II 단면선 또는 III-III 단면선을 포함하는 면)을 기준으로 대칭인 구조를 가지며, 태양광 집광기(100)의 일부인 제1 반사 곡면(110), 제2 반사 곡면(150), 개구부(115) 및 집광부(170)도 이를 기준으로 대칭인 구조를 가진다.
집광부 방출면(173)의 외측에는 태양광을 전기 에너지로 변환해주는 광전 변환 소자(태양 전지 도시하지 않음)가 밀착되어 위치하고 있다. 태양광 집광기(100)는 입사면(130)에 수직하는 태양광이 입사되는 경우를 기준으로 집광하도록 형성된 구조이며, 태양이 이동함에 따라서 태양광 집광기(100)의 방향을 바꾸어주는 트랙커(tracker; 도시하지 않음)가 추가적으로 형성될 수 있다.
도 7에서는 태양광 집광기 어레이가 도시되어 있다.
도 7은 본 발명의 일례에 따른 태양광 집광기 어레이를 도시한 사시도이다.
태양광 집광기(100)는 태양 전지 하나당 하나가 형성되며, 일반적으로 태양광 집광기(100) 및 태양 전지의 한 쌍이 어레이 형태로 배열되는 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 경우 태양광 집광기(100)는 어레이 형태로 배열된 구조 자체를 하나의 틀을 이용하여 일체로 형성할 수 있다. 이와 같이 일체로 형성된 태양광 집광기 어레이가 도 7에서 도시되어 있다.
이 경우 복수의 태양광 집광기(100)의 측면(120) 중 일부분은 서로 연결되어 외부로 노출되지 않으며, 도 1에서 측면(120)이 가지는 최소 높이 s는 서로 인접하는 태양광 집광기(100)가 서로 일체로 연결될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
도 8 및 도 9에서는 도 1의 일례에 따른 태양광 집광기를 가지고 태양광 집광 시뮬레이션을 한 도면이다.
도 8에서는 태양 전지(200)가 태양광 집광기의 하부에 밀착 형성되어 있는 구조를 도시하고 있으며, 정확하게 태양 전지(200)는 태양광 집광기의 집광부 방출면에 밀착되어 있다.
도 8 및 도 9에서는 입사면을 입사한 빛이 반사되어 제2 반사 곡면으로 입사함에 있어서 제1 반사 곡면에서 반사하는 빛과 태양광 집광기의 내부에서 반사하는 빛이 존재하는 것처럼 도시되어 있지만, 도 8 및 도 9에서 도시한 태양광 집광기는 단면도를 도시한 것이 아니고 측면 또는 상측면에서 바라본 도면이므로 이와 같이 도면과 같이 반사되는 부분이 다른 것 처럼 도시된 것이다. 즉, 모든 빛은 제1 반사 곡면에서 반사되지만, 측면 또는 상측면에서 바라보면, 제1 반사 곡면이 하나의 선으로 인지되지 않아 다양한 곳에서 반사되는 것처럼 보이는 것뿐이다.
도 8 및 도 9에서는 태양광 집광기를 이루는 물질로 BK7 유리를 사용하였으며, 제1 반사 곡면 및 제2 반사 곡면에는 은으로 반사 처리한 경우를 기준으로 시뮬레이션하였다.
시뮬레이션의 결과는 아래의 표 1과 같다.
[표 1]
Figure pat00001
표1에서는 파장대별 해당 면에 입사하는 빛의 양을 나타내고 있다.
즉, 500nm의 파장의 빛은 입사면(130)에서의 빛의 양을 100%로 잡고, 제1 반사 곡면(110)에는 95.11%의 빛만 도달하고, 제2 반사 곡면(150)에는 89.38%의 빛만 도달하며, 집광부 입사면(171)에는 84.20%의 빛만 도달하며, 집광부 방출면(173)에는 84.13%의 빛만이 방출된다는 것을 나타낸다. 500nm일 때의 광 효율이 가장 낮으며, 800nm에서 90.26으로 광효율이 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 태양광 집광기(100)는 물질이 다른 경계면으로는 외부(공기)와 입사면(130)간의 경계면과 집광부 방출면(173)과 외부(공기)와의 경계면만 존재하여 빛이 경계면에서 손실되는 량을 최소로 줄였다. 그러므로 도 1에 따른 태양광 집광기(100)는 84%를 넘는 광효율을 가져 동일 면적으로 입사하는 태양광을 전기 에너지로 보다 많이 변환시킬 수 있다. 또한, 태양광 집광기 어레이를 사용하는 경우에는 상대적으로 훨씬 많은 전기 에너지를 생성할 수 있는 장점이 있다.
도 1의 태양광 집광기는 84%를 넘는 광효율을 보였지만, 제품간의 오차와 사용되는 파장에 따른 오차 등을 고려하면 본 발명의 태양광 집광기는 적어도 80%를 초과하는 광효율을 가질 것으로 파악된다.
이하에서는 도 10 및 도 11을 이용하여 본 발명의 또 다른 일례에 대하여 살펴본다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일례에 따른 태양광 집광기의 단면도이고, 도 11는 도 10의 태양광 집광기에서 제2 반사 곡면 및 집광부의 관계를 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 일례에 따른 태양광 집광기(100)는 입사면(130), 제1 반사 곡면(110), 제2 반사 곡면(150), 집광부(170), 측면(120) 및 내측면(160)으로 이루어진다. 도 10이 도 1의 태양광 집광기와 다른 점은 내측면(160)이 중심축(111)에 대하여 기울어져 있다는 점이며, 내측면(160)은 중심축(111)에 평행한 면에 대하여 전반사면(172)과 대칭을 이룰 수도 있다.
태양광 집광기(100)는 굴절율이 동일한 하나의 물질로 일체로 형성되며, 제1 반사 곡면(110) 및 제2 반사 곡면(150)의 외측면에는 금속층이 형성되어 거울과 같은 반사면을 이루도록 반사 처리되어 있다.
입사면(130)은 사각형의 평면으로 이루어지며, 정사각형의 평면일 수 있다. 입사면(130)으로는 태양광이 입사하며, 입사된 태양광이 입사면(130) 하부의 제1 반사 곡면(110)으로 전달되도록 한다. 입사면(130)의 중심부에는 제2 반사 곡면(150)이 위치하고 있다.
제2 반사 곡면(150)은 곡면을 가지는 홈으로 이루어지며, 홈의 곡면 외측에는 금속층이 형성되어 반사 처리되어 있다. 제2 반사 곡면(150)은 구면 또는 포물면으로 형성된다. 제2 반사 곡면(150)은 R1의 지름을 가지는데, 입사면(130)의 일변의 길이의 1/10이하의 크기를 가질 수 있다.
제1 반사 곡면(110)은 구면 또는 포물면을 가지며, 제1 반사 곡면의 외측에는 금속층이 형성되어 반사 처리되어 있다. 제1 반사 곡면(110)은 입사면(130)에 대응하는 위치에 형성되며, 제1 반사 곡면(110)을 중심축(111) 방향으로 투영시키면 입사면(130)과 동일하게 된다. 제1 반사 곡면(110)은 입사면(130)을 통과하여 태양광 집광기(100) 내부로 진입한 태양광을 반사시켜 제2 반사 곡면(150)에 도달하게 하는 역할을 수행하며, 넓은 면적으로 입사되는 태양광을 좁은 면적의 제2 반사 곡면(150)으로 전달함으로써 집광에서는 가장 중요한 면이다. 그러므로 제1 반사 곡면(110)은 입사면(130)을 수직으로 입사한 빛이 제2 반사 곡면(150)으로 집광될 수 있는 곡률을 가진다.
제1 반사 곡면(110)은 중심축(111)을 기준으로 중앙부에 개구부(115)를 가진다. 개구부(115)는 일정 깊이(H)만큼 형성되며, 개구부(115)의 내측면(160)은 중심축(111)을 기준으로 기울어진 면으로 이루어진다. 이때, 내측면은 중심축(111)과 평행한 원통면에 대하여 집광부(170)의 전반사면(172)과 대칭을 이루는 각도로 형성될 수도 있다. 중심축(111)에 대하여 수직한 개구부(115)의 면 중 가장 면적이 넓은 면(이하 개구부의 수직면이라 함)은 R1 보다 작거나 같은 지름을 가질 수 있으며, R2보다는 큰 지름을 가진다.
개구부(115)의 내에는 집광부(170)가 위치한다. 집광부(170)는 집광부 입사면(171), 전반사면(172) 및 집광부 방출면(173)을 포함한다. 집광부 입사면(171)은 제2 반사 곡면(150)에서 반사된 태양광이 입사되는 면으로 태양광 집광기(100)의 내부에 위치하는 가상의 면이다. 즉, 태양광 집광기(100)의 내부와 집광부(170)의 물질이 서로 동일하므로 태양광이 집광부(170)로 진입할 때 광손실이 없다. 집광부 입사면(171)은 R2의 지름을 가져 개구부(115)의 수직면보다 작은 지름을 가진다.
집광부 입사면(171)으로 진입한 태양광은 집광부 방출면(173)으로 방출되며, 집광부 방출면(173)은 집광부 입사면(171)보다 작은 지름(R3)을 가져 태양광 집광기(100)로 입사된 빛이 더욱 집광된다. 집광부 입사면(171)으로 진입한 태양광은 직접 집광부 방출면(173)으로 방출되거나 집광부(170)의 측면인 전반사면(172)에서 전반사되어 집광부 방출면(173)으로 방출된다. 전반사면(172)은 제2 반사 곡면(150)에서 반사된 빛이 광손실없이 집광부 방출면(173)으로 방출되도록 해주며, 또한, 태양광 집광기(100)의 제조시 개구부(115)내에 별도의 반사 처리를 하지 않아도 되도록 하는 장점을 제공한다. 그러므로 전반사면(172)은 제2 반사 곡면(150)에서 반사된 빛이 전반사되어 집광부 방출면(173)에 이르도록 전반사 조건을 만족하는 각도로 형성된다.
집광부(170)는 개구부(115)의 깊이와 동일한 높이(H)를 가지며, 집광부(170) 및 개구부(115)의 높이(H)는 제1 반사 곡면(110)에서 반사된 빛이 제2 반사 곡면(150)으로 이동할 때 이동 경로를 가리지 않는 범위 내에서 형성될 수 있다. 이와 관련하여 도 11에서 상세하게 살펴본다.
제2 반사 곡면(150)은 R1의 지름을 가지며, 개구부(115)의 수직면 및 집광부 입사면(171)은 R1보다 작은 값을 가진다. 이때, 개구부(115)의 최대 깊이(Hh 또는 집광부(170)의 최대 높이라고도 함)는 도 11에서 도시하고 있는 바와 같이 L1 및 L2 광을 기준으로 계산될 수 있으며, 개구부(115)의 깊이(또는 집광부(170)의 높이)는 이보다 작거나 같게 형성되면 된다. 집광부(170)가 최대 높이(Hh)를 가질 때 집광부 입사면(171)도 최대 지름(R2h)를 가지며, 집광부(170)의 높이에 따라서 집광부 입사면(171)의 지름도 변한다.
도 11에서 L1은 입사면(130)을 통과하는 빛 중 가장 중심축(111)에 가까운 빛이다. L1보다 중심축(111)에 가깝게 입사면으로 입사하는 빛은 제2 반사 곡면(150)의 외측에 형성된 금속층(또는 반사 처리)으로 인하여 태양광 집광기(100)의 내부로 입사되지 못한다. L1 광은 제1 반사 곡면(110)에서 반사되어 제2 반사 곡면(150)으로 향하게 되는데, 이 빛을 L2로 도시하고 있다. 이 L2의 진행 경로를 개구부(115) 및 집광부(170)로 가리게 되면 태양광 집광기의 집광 효율이 낮아지므로 이를 가리지 않는 높이로 형성되어야 한다. 그 결과 집광부(170)의 최대 높이는 도 9에서 Hh가 된다. 이때 집광부 입사면(171)은 최대 지름 R2h를 가진다.
한편, 개구부(115)의 내측면(160)도 L2의 경로를 가리지 않는 범위내에서 중심축(111)에 비스듬하게 형성되며, 이에 따라 개구부(115)의 수직면의 지름도 변한다. 다만, 개구부(115)의 수직면의 지름은 제2 반사 곡면의 지름 R2보다 작은 것이 바람직하다.
제1 반사 곡면(110)의 외측과 입사면(130)의 외측은 측면(120)으로 연결되어 있다. 측면(120)은 중심축(111)에 수평인 4개의 면으로 이루어지며, 4개의 면은 서로 동일하다. 제1 반사 곡면(110)과 입사면(130)은 중심축(111) 방향으로 가장 가까운 거리가 s이다. 하지만 s는 실시예에 따라서는 거의 0에 준하는 크기를 가질 수 있다.
태양광 집광기(100)는 유리나 PMMA등의 플라스틱 따위의 물질로 일체로 형성된다. 일례로 하나의 틀을 이용하여 찍어서 형성할 수 있다. 그 결과 태양광 집광기(100)의 제조가 매우 간단한 장점이 있다.
태양광 집광기(100)는 중심축(111)을 기준으로 대칭인 구조를 가지며, 태양광 집광기(100)의 일부인 제1 반사 곡면(110), 제2 반사 곡면(150), 개구부(115) 및 집광부(170)도 중심축(111)을 기준으로 대칭인 구조를 가진다.
집광부 방출면(173)의 외측에는 태양광을 전기 에너지로 변환해주는 광전 변환 소자(태양 전지 도시하지 않음)가 밀착되어 위치하고 있다. 태양광 집광기(100)는 입사면(130)에 수직하는 태양광이 입사되는 경우를 대상으로 집광하도록 형성된 구조이며, 태양이 이동함에 따라서 태양광 집광기(100)의 방향을 바꾸어주는 트랙커(tracker; 도시하지 않음)가 추가적으로 형성될 수 있다.
태양광 집광기(100)는 태양 전지 하나당 하나가 형성되며, 일반적으로 태양광 집광기(100) 및 태양 전지의 한 쌍이 어레이 형태로 배열되는 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 경우 태양광 집광기(100)는 어레이 형태로 배열된 구조 자체를 하나의 틀을 이용하여 일체로 형성할 수 있다.
이 경우 복수의 태양광 집광기(100)의 측면(120)은 서로 연결되어 외부로 노출되지 않으며, 도 10에서 측면(120)이 가지는 최소 높이 s는 서로 인접하는 태양광 집광기(100)가 서로 일체로 연결될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
도 10 및 도 11의 태양광 집광기(100)는 내측면(160)이 중심축(111)에 대하여 기울어져 있어, 틀을 이용하여 태양광 집광기(100)를 찍는 경우 집광부(170) 주위의 개구부(115)를 틀로 찍어 형성한 후 틀을 제거함에 있어서 도 1의 구조보다 용이하다는 장점이 있다.
도 1 및 도 10의 태양광 집광기(100)의 구조는 다음과 같은 설명으로도 구체화될 수 있다.
먼저, 도 12를 통하여 도 1의 태양광 집광기(100)에 대하여 살펴본다.
도 12에서는 중심축(111)을 기준으로 360도 회전하는 경우 도 1의 태양광 집광기(100)에 준하는 구조를 가지는 회전 기준면을 도시하고 있다.
도 12의 회전 기준면은 상부 직선(130-1), 측면선(120-1), 하부 곡선(110-1), 상부 곡선(150-1), 내측선(160-1), 사선(172-1), 하부 직선(173-1) 및 중심축(111)으로 구성된 폐곡선으로 형성된다. 여기서 내측선(160-1)은 중심축(111)과 평행한다.
이와 같은 회전 기준면을 중심축(111)을 기준으로 360도 회전하는 경우에는 도 1의 태양광 집광기와 완전하게 일치하지 않는다. 그 이유는 도 1의 경우에는 입사면(130)이 사각형 구조를 가지지만, 360도 회전한 구조는 원형을 가지기 때문이다. 이에 360도 회전한 구조를 정사각형 구조로 자르면 도 1의 태양광 집광기와 동일해질 수 있다. 또한, 도 12에서와 같이 360도 회전한 구조 자체도 태양광 집광기의 구조로 사용될 수 있으나 어레이 구조로 배열하기 위해서는 도 12의 구조에 비하여 도 1의 구조가 보다 연결이 용이한 장점이 있다.
도 12에서 상부 직선(130-1)은 입사면(130)에 대응하고, 측면선(120-1)은 측면(120)에 대응하며, 하부 곡선(110-1)은 제1 반사 곡면(110)에 대응하고, 상부 곡선(150-1)은 제2 반사 곡면(150)에 대응하며, 내측선(160-1)은 내측면(160)에 대응하고, 사선(172-1) 및 하부 직선(173-1)은 집광부(170)에 대응한다.
한편, 도 13을 통하여 도 10의 태양광 집광기(100)에 대하여 살펴본다.
도 13에서는 중심축(111)을 기준으로 360도 회전하는 경우 도 10의 태양광 집광기(100)에 준하는 구조를 가지는 회전 기준면을 도시하고 있다.
도 13의 회전 기준면은 상부 직선(130-1), 측면선(120-1), 하부 곡선(110-1), 상부 곡선(150-1), 내측선(160-2), 사선(172-1), 하부 직선(173-1) 및 중심축(111)으로 구성된 폐곡선으로 형성된다. 여기서 내측선(160-2)은 도 12와 달리 중심축(111)에 대하여 기울어져 있다.
이와 같은 회전 기준면을 중심축(111)을 기준으로 360도 회전하는 경우에는 도 10의 태양광 집광기와 완전하게 일치하지 않는다. 그 이유는 도 10의 경우에는 입사면(130)이 사각형 구조를 가지지만, 360도 회전한 구조는 원형을 가지기 때문이다. 이에 360도 회전한 구조를 정사각형 구조로 자르면 도 10의 태양광 집광기와 동일해질 수 있다. 또한, 도 13에서와 같이 360도 회전한 구조 자체도 태양광 집광기의 구조로 사용될 수 있으나 어레이 구조로 배열하기 위해서는 도 13의 구조에 비하여 도 10의 구조가 보다 연결이 용이한 장점이 있다.
도 13에서 상부 직선(130-1)은 입사면(130)에 대응하고, 측면선(120-1)은 측면(120)에 대응하며, 하부 곡선(110-1)은 제1 반사 곡면(110)에 대응하고, 상부 곡선(150-1)은 제2 반사 곡면(150)에 대응하며, 내측선(160-2)은 내측면(160)에 대응하고, 사선(172-1) 및 하부 직선(173-1)은 집광부(170)에 대응한다. 다만, 도 12의 회전체와 달리 내측면(160)이 중심축(111)과 평행하지 않다.
도 14는 본 발명의 또 다른 일례에 따른 태양광 집광기의 단면도로 도 10의 구조를 기초로 하여 도시하고 있다.
도 14의 일례는 도 10과 달리 집광부(170)의 집광부 방출면(173)의 높이(H)가 제1 반사 곡면(110)의 최하단부에 비하여 높은 곳에 위치하는 것을 특징으로 한다. 즉, 도 14에서는 제1 반사 곡면(110)의 최하단부와 집광부 방출면(173)의 높이 차이를 g로 도시하였다.
도 14에서와 같이 집광부 방출면(173)과 제1 반사 곡면(110)의 최하단부가 일정 높이 차이(g)를 가지는 경우에는 도 14에서 도시하고 있는 바와 같이 해당 개구부(115)에 태양 전지(200)가 삽입될 수 있다.
도 14에서는 내측면(160)이 비스듬하게 경사진 일례를 기준으도 도시하고 있지만, 내측면(160)이 도 2와 같이 수직하게 형성되어 있을 수도 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 태양광 집광기 110: 제1 반사 곡면
111: 중심축 120: 측면
130: 입사면 150: 제2 반사 곡면
160: 내측면 170: 집광부
171: 집광부 입사면 172: 전반사면
173: 집광부 방출면 200: 태양 전지

Claims (16)

  1. 입사면
    상기 입사면에 대응하는 제1 반사 곡면
    상기 입사면의 중앙부에 위치하는 제2 반사 곡면
    상기 제1 반사 곡면의 중앙부에 위치하며, 상기 제2 반사 곡면에 대응하는 집광부를 포함하며,
    상기 입사면, 상기 제1 반사 곡면, 상기 제2 반사 곡면 및 상기 집광부는 동일한 물질로 형성되어 있는 태양광 집광기.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 반사 곡면은 그 외측에 반사처리가 되어 있는 태양광 집광기.
  3. 제1항에서,
    상기 입사면의 중앙부에는 오목한 홈이 형성되며, 상기 홈의 외측에 반사처리를 하여 상기 제2 반사 곡면을 형성한 태양광 집광기.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 반사 곡면은 상기 입사면을 통과한 빛이 반사되어 상기 제2 반사 곡면에 이를 수 있는 곡면을 가지는 태양광 집광기.
  5. 제4항에서,
    상기 제2 반사 곡면은 상기 제2 반사 곡면으로 입사한 빛을 반사시켜 상기 집광부로 전달하는 곡면을 가지는 태양광 집광기.
  6. 제1항에서,
    상기 집광부는 집광부 입사면, 집광부 방출면, 및 상기 집광부 입사면과 상기 집광부 방출면을 연결해주는 전반사면을 포함하는 태양광 집광기.
  7. 제6항에서,
    상기 집광부 입사면은 상기 집광부 방출면보다 면적이 넓은 태양광 집광기.
  8. 제7항에서,
    상기 전반사면은 상기 집광부의 중심 축을 기준으로 비스듬하게 형성되어 있는 태양광 집광기.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 반사 곡면과 상기 집광부 입사면은 내측면에 의하여 연결되어 있는 태양광 집광기.
  10. 제9항에서,
    상기 내측면은 상기 집광부의 중심축과 평행하게 형성되어 있는 태양광 집광기.
  11. 제9항에서,
    상기 내측면은 상기 집광부의 중심축과 평행한 면을 기준으로 상기 전반사면과 대칭을 이루는 태양광 집광기.
  12. 제6항에서,
    상기 집광부 방출면은 상기 제1 반사 곡면의 최하단부 보다 높은 곳에 위치하는 태양광 집광기.
  13. 제1항에서,
    상기 입사면과 상기 제1 반사 곡면은 측면을 통하여 연결되어 있는 태양광 집광기.
  14. 제1213항에서,
    상기 측면은 4개의 면을 포함하며, 상기 4개의 면은 각각 태양광 집광기의 중심축과 평행하는 태양광 집광기.
  15. 제1항에서,
    상기 집광부는 상기 제1 반사 곡면에서 반사된 빛이 상기 제2 반사 곡면에 이르는 광 경로를 가리지 않는 높이로 형성되어 있는 태양광 집광기.
  16. 제1항에서,
    상기 태양광 집광기는 상기 입사면에 입사한 태양광의 양을 100으로 파악하는 경우 상기 집광부를 통하여 상기 태양광 집광기에서 방출되는 태양광의 양은 80을 초과하는 태양광 집광기.
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