KR20120133025A - 셀 균일 입사를 위한 다촛점 방식의 프레넬렌즈를 이용한 집광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광을 이용하여 전류를 발생시키는데 사용하는 집광장치에 관한 것으로, 태양광을 집속시켜 일정하게 분산 배치하는 개별적인 초점을 갖춘 다수개의 분할렌즈를 하나의 렌즈로 제작된 다촛점 구조의 프레넬렌즈와, 상기 프레넬렌즈에서 집속된 태양광에 의해 전류를 발생하는 태양전지셀, 상기 태양전지셀이 장착되는 인쇄회로기판 및, 상기 태양전지셀에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열핀으로 구성된다. 이와 같이 본 발명에 따른 집광장치에서는 다촛점을 갖는 프레넬렌즈를 사용함으로써, 태양광분포가 평준화되어 집광효율이 증대되게 되므로, 프레넬 렌즈와 태양전지셀 사이에 2차 집광렌즈를 설치하지 않고서도 태양광의 집속도를 높일 수가 있으므로, 태양전지모듈의 구조를 간단하게 할 수가 있을 뿐만 아니라, 태양전지모듈의 크기를 줄일 수 있게 된다.

Description

셀 균일 입사를 위한 다촛점 방식의 프레넬렌즈를 이용한 집광장치{A Concentrating PhotoVoltaic apparatus using the planel lens having multi focus for uniform injecting of the photovoltaic ray into the photovoltalic cell}

본 발명은 태양광의 에너지를 이용하여 전류를 발생하는 집광장치에 관한 것으로, 특히 태양광을 모아 태양전지셀에 전달하는 프레넬 렌즈가 다촛점을 갖춘 구조로 이루어진 집광장치에 관한 것이다.

일반적으로, 태양광의 에너지를 이용하여 전류를 발생하는데 사용되는 태양전지모듈로서 집광형 태양전지모듈이 많이 사용되는데, 집광형 태양전지모듈은 렌즈나 반사거울 등을 이용하여 넓은 면적에 입사되는 태양광을 작은 면적의 태양전지셀에 모으는 방법을 사용하고 있다.

이러한 집광형 태양전지모듈은 일반적으로 도면 1에 도시하여 나타낸 바와 같이, 프레넬 렌즈(1)의 전면에 굴절렌즈(2)가 설치되고, 상기 프레넬 렌즈(1)의 아래쪽에 집속된 태양광에 의해 전류를 발생하는 태양전지셀(3)이 설치된 구조로 되어 있다.

여기서 프레넬 렌즈(1, Fresnel lens)는 빛을 좁은 영역으로 모으기 위한 목적으로 등대나 탐조등 및 태양전지모듈 등에 이용되는데, 렌즈의 구성요소가 되는 일련의 동심원들을 평면상에 적절하게 배치해 짧은 초점거리를 맺게 한 구조로 되어 있다.

그리고 굴절렌즈(2)는 상기 프레넬 렌즈(1)의 법선방향(N)과 경사진 입사각으로 입사되는 태양광(S)을 상기 프레넬 렌즈(1)의 법선방향(N)과 나란한 방향으로 굴절시키기 위한 것으로, 태양광(S)이 상기 굴절렌즈(2)를 통과하면서 상기 프레넬 렌즈(1)의 법선방향(N)과 나란한 방향으로 굴절되어 프레넬 렌즈(1)로 입사되게 한다.

한편, 일반적인 집광형 태양전지모듈은 집광배율이 높을수록 고밀도의 전류를 얻을 수 있기 때문에, 태양광의 집광배율을 높이기 위해 통상적으로 도면 1에 나타낸 바와 같이 프레넬 렌즈(1)와 태양광에 의해 전류를 발생하는 태양 전지셀(3) 사이에 2차 집광렌즈(4)가 부가 설치된 구조로 되어 있다.

이와 같이 2차 집광렌즈를 부가 설치하는 이유는 프레넬 렌즈(1)에 의해 집광 된 태양광을 더욱 고밀도로 태양전지셀(3)에 집광시키기 위한 것이다.

즉, 프레넬 렌즈만(1)으로는 태양광을 고밀도로 집광할 수가 없기 때문에, 프레넬 렌즈(1) 아래에 2차 집광렌즈(4)를 설치하여 프레넬 렌즈에서 집광 된 태양광을 다시 한번 더 고밀도로 모아 주게 하는 것이다.

이와 같이, 기존의 태양전지모듈에서는 2차 집광렌즈(4)를 필수적으로 사용해야 하는 이유는, 일반적인 프레넬 렌즈가 도면 2에 도시하여 나타낸 바와 같이, 하나의 초점(5)을 중심으로 하여 다수개의 동심원(6)이 배치된 구조로 되어 있기 때문에, 태양광의 분포가 가운데의 초점(5) 부분과 그 주변 부분이 현격한 차이가 나기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위해 2차 집광렌즈(4)를 설치하여 태양전지셀(3)에 전달되는 태양광의 분포를 고르게 해 주어야 하는 것이다.

그러나 이와 같이 2차 집광렌즈(4)를 설치하면, 우선 태양전지모듈의 구조가 복잡할 뿐만 아니라 2차 집광렌즈(4)의 길이만큼 초점거리가 길어져 태양전지 모듈의 크기가 커진다는 등의 단점이 있다.

즉, 2차 집광렌즈(4)의 설치에 필요한 만큼의 공간이 필요하고, 이에 따라 그 길이와 부피가 커지게 되는 것이다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 기존의 태양전지용 집광장치에서 2차 집광렌즈로 인한 문제를 해소하여, 2차 집광렌즈를 사용하지 않고서도 태양광의 집속도를 높일 수 있게 함으로써 태양전지모듈의 구조를 간단하게 할 수 있게 한 집광장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 셀 균일 입사를 위한 다촛점 방식의 프레넬렌즈를 이용한 집광장치는 태양광을 집속시켜 일정하게 분산 배치하는 개별적인 초점을 갖춘 다수개의 분할렌즈를 하나의 렌즈로 제작된 다촛점 구조의 프레넬렌즈와, 상기 프레넬렌즈에서 집속된 태양광에 의해 전류를 발생하는 태양전지셀, 상기 태양전지셀이 장착되는 인쇄회로기판 및, 상기 태양전지셀에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열핀으로 구성된다.

상기 프레넬렌즈는 평면상에서 전체를 4등분 또는 8등분으로 나누어 분할렌즈를 형성시키고, 그 각각 분할렌즈의 중심에 개별적인 초점을 갖게 한 구조로 되어 있다.

그리고 필요에 따라 상기 프레넬렌즈의 전면에 굴절렌즈를 설치하여, 프레넬렌즈에 입사되는 태양광이 최적의 법선방향으로 입사되게 하여 집광효율을 높이게 할 수도 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 집광장치는 다촛점의 프레넬렌즈를 사용함으로써, 프레넬렌즈에서 태양광분포가 평준화되어 집광효율이 증대되게 되므로, 프레넬 렌즈와 태양전지셀 사이에 2차 집광렌즈를 설치하지 않고서도 태양광의 집속도를 높일 수가 있으므로, 태양전지모듈의 구조를 간단하게 할 수가 있을 뿐만 아니라, 태양전지모듈의 크기를 줄일 수 있게 된다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 집광장치에 사용하는 프레넬 렌즈는 다수개의 분할렌즈로 이루어지고, 이들 각각의 분할렌즈 중심에 개별적인 초점을 갖춘 구조로 되어 있기 때문에, 태양광분포도가 평준화되게 되고 2차 집광렌즈를 사용하지 않고서도 태양광 집속효율이 증대되게 되며, 2차 집광렌즈를 사용하는 경우보다 초점거리가 짧아지게 되므로 전체 집광장치의 크기를 줄일 수 있는 등의 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 태양전지모듈의 1예에 대한 내부 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 종래의 일반적인 태양전지모듈에 사용하는 프레넬 렌즈의 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 프레넬 렌즈의 일 실시예에 대한 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 프레넬 렌즈의 다른 실시예에 대한 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 프레넬 렌즈가 장착된 태양전지모듈의 구조를 나타낸 단면도이다.

이하 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 태양광 집광장치는 도면 5에 도시하여 나타낸 바와 같이, 태양광을 집속시켜 일정하게 분산 배치하는 개별적인 초점(12)을 갖춘 다수개의 분할렌즈(11)를 하나의 렌즈로 제작된 다촛점 구조의 프레넬렌즈(10)와, 상기 프레넬렌즈(10)의 전면에 설치되어 태양광을 법선방향으로 프레넬렌즈(10)에 입사되게 하는 굴절렌즈(20), 상기 프레넬렌즈(10)로 부터 입사되는 태양광에 의해 전류를 발생하는 태양전지셀(30), 상기 태양전지셀(30)이 설치됨과 더불어 발생한 전류를 배터리로 보내는 회로를 구비한 인쇄회로기판(40) 및, 상기 태양전지셀(30)에 집광되는 태양광에 의해 발생하는 열을 방열하는 방열핀(50)을 포함한 구조로 되어 있다.

이러한 구조로 이루어진 상기 태양전지 모듈은 태양광이 굴절렌즈(20)를 통해 입사하면서 프레넬 렌즈(10)에 대한 법선방향으로 입사하게 각도를 조절해 주게 되는데, 이와 같이 프레넬 렌즈(10)로 입사되는 태양광이 법선방향으로 입사되게 하는 이유는 렌즈의 면에 대한 정확한 직각방향(법선방향)으로 입사하여야만 태양광의 에너지 전달 효과가 가장 뛰어나기 때문이다.

그리고 상기 프레넬 렌즈(10)를 통과한 태양광은 다수개의 초점(12)을 거치면서 균일하게 분포되어 태양전지셀(30)에서 집속되어 전류를 발생하게 되고, 이렇게 발생된 전류는 인쇄회로기판(40)의 회로를 통하여 배터리로 전달되어 저장된다.

상기한 바와 같은 구조의 집광장치에서 태양광이 태양전지셀(30)에 집속될 때 많은 열이 발생하게 되는데, 이 열을 그대로 두면 인쇄회로기판(50)에 새겨진 회로가 손상을 입을 뿐만 아니라, 태양전지모듈 전체에 문제가 발생할 수 있기 때문에 방열핀(50)을 통하여 자연 방열하게 해 준다.

한편, 상기 프레넬 렌즈(10)는 도면 3과 도면 4에 도시하여 나타낸 바와 같이, 4각형으로 이루어진 평면이 다수개의 분할렌즈(11)로 이루어지고, 상기 각각의 분할렌즈(11)의 중심에 개별적으로 초점(12)이 구비된 구조로 되어 있다.

상기 분할렌즈(11)의 개수는 필요에 따라 4개 또는 8개로 만들어 사용할 수가 있다.

이와 같이 본 발명에 따라 프레넬 렌즈(10)를 다수개의 분할렌즈(11)로 이루어지게 함과 더불어, 각각의 분할렌즈(11) 중심에 초점(12)을 갖추게 함으로써, 프레넬 렌즈(10)를 통과하는 태양광이 고르게 분포되게 된다.

즉, 기존의 1개의 초점만을 구비하고 있는 프레넬 렌즈에 비하여 다수개의 초점(12)을 구비함으로써, 초점(12)의 개수에 비례하여 태양광의 집속점이 넓어지기 때문에 태양광을 균일하게 분포할 수가 있게 되는 것이다.

이와 같이, 본 발명에 따라 다수개의 분할렌즈(11)와 초점(12)을 갖춘 프레넬 렌즈(10)를 사용하면, 태양광의 집속점이 넓어지면서 균일한 태양광을 집속할 수가 있기 때문에, 종래와 같이 별도의 2차 집광렌즈를 사용하지 않아도 된다.

따라서, 본 발명에 따라 다수개의 분할렌즈(11)와 다수개의 개별 초점(12)을 갖춘 프레넬 렌즈(10)를 사용하면, 2차 집광렌즈를 사용하지 않아도 되기 때문에, 전체적으로 태양전지모듈의 구조를 간단하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 크기도 줄일 수가 있어 태양전지 모듈을 설치할 장소를 줄 일수 있게 되는 것이다.

10 - 프레넬 렌즈 11 - 분할렌즈
12 - 초점 20 - 굴절렌즈
30 - 태양전지셀 40 - 인쇄회로기판
50 - 방열핀

Claims (2)

1. 태양광을 집속시켜 일정하게 분산 배치하는 개별적인 초점(12)을 갖춘 다수개의 분할렌즈(11)를 하나의 렌즈로 제작된 다촛점 구조의 프레넬렌즈(10)와, 상기 프레넬렌즈(10)로부터 입사되는 태양광에 의해 전류를 발생하는 태양전지셀(30), 상기 태양전지셀(30)이 설치됨과 더불어 발생한 전류를 배터리로 보내는 회로를 구비한 인쇄회로기판(40) 및, 상기 태양전지셀(30)에 집광되는 태양광에 의해 발생하는 열을 방열하는 방열핀(50)을 포함하여 이루어진 셀 균일 입사를 위한 다촛점 방식의 프레넬렌즈를 이용한 집광장치
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 분할렌즈(11)의 개수가 4개 또는 8개로 이루어진 것을 특징으로 하는 셀 균일 입사를 위한 다촛점 방식의 프레넬렌즈를 이용한 집광장치

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