KR20120134745A - 고집광형 태양전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고집광형 태양전지모듈은, 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서, 수직으로 입사되는 태양광을 집광하는 복수 개의 볼록 렌즈 형상의 집광 모듈과; 상기 집광 모듈에 입사된 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 광 경로를 수평으로 전환하는 도광 모듈과; 상기 도광 모듈의 중심부에 점대칭 형태로 소정 수가 수직으로 배치되고, 상기 도광 모듈로부터 수평으로 전환된 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 태양 전지를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면 고집광형 태양전지모듈은 태양전지를 수직으로 배치하고 입사되는 태양광을 고효율로 집광하도록 도광 모듈을 형성하여 광손실을 감소시키고 전체 모듈 두께를 줄일 수 있다.

Description

고집광형 태양전지모듈{HIGH-CONCENTRATED PHOTOVOLTAIC MODULE}
본 발명은 고집광형 태양전지모듈에 관한 것으로, 특히 태양전지를 수직으로 배치하고 입사되는 태양광을 고효율로 집광하도록 도광 모듈을 형성하여 광손실을 감소시키고 전체 모듈 두께를 줄일 수 있는 고집광형 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 이고, 1000배의 집광율을 갖는 태양전지모듈의 경우, 초점거리가 45cm 이상 되어야 하며, 결과적으로 상기 태양전지모듈의 전체 크기 및 무게가 증가하는 문제점 또한 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양전지를 수직으로 배치하고 입사되는 태양광을 고효율로 집광하도록 도광 모듈을 형성하여 광손실을 감소시키고 전체 모듈 두께를 줄일 수 있는 고집광형 태양전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고집광형 태양전지모듈은, 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서, 수직으로 입사되는 태양광을 집광하는 복수 개의 볼록 렌즈 형상의 집광 모듈과; 상기 집광 모듈에 입사된 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 광 경로를 수평으로 전환하는 도광 모듈과; 상기 도광 모듈의 중심부에 점대칭 형태로 소정 수가 수직으로 배치되고, 상기 도광 모듈로부터 수평으로 전환된 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 태양 전지를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 도광 모듈의 중심부에 수직으로 마련되며 상기 태양 전지의 일면에 부착된 하이브리드 IC 기판과, 상기 하이브리드 IC 기판의 또 다른 일면에 마련되어 열을 방출하는 히트 싱크를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 히트 싱크는 상기 도광 모듈의 중심부에 위치하여 상기 하이브리드 IC기판이 부착되는 기둥부와 상기 도광 모듈의 하부에 마련되어 열을 방출하는 냉각핀으로 형성되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 태양 전지는 상기 도광 모듈의 중심부에 수직으로 배치되는 개수에 대응하여 상기 도광 모듈로부터 태양광을 입사받는 영역이 나뉘어지는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 태양 전지가 배치되는 개수에 대응하여 2개가 배치되면 180도, 3개가 배치되면 120도, 4개가 배치되면 90도, 6개가 배치되면 60도의 영역으로 나뉘어지는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 도광 모듈은 내부에 반사층을 형성하여 상기 반사층의 경계면과 입사되는 태양광의 각도가48도 보다 작은 범위에 대해 전반사 시켜 상기 태양 전지로 입사하도록 하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 도광 모듈의 반사층은 45도 및 135도 영역 부근에 형성되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 도광 모듈은 굴절율 1.5를 갖는 PMMA 또는 유리로 형성되고, 상기 반사층은 굴절율 1을 갖는 공기층으로 형성되어 상기 반사층의 경계면에서 전반사를 하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 도광 모듈의 내부 하부면에는 반사경이 형성되어 상기 집광 모듈로부터 입사된 태양광의 광 경로를 수평 방향으로 전환하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 반사경은 소정의 경사 각도를 갖는 오목형 파라볼릭 반사경, 평면형 반사경, 또는 볼록형 파라볼릭 반사경으로 형성되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 반사경의 경사 각도는 θ3 = tan-1 (d/a1) 의 식을 이용하여 획득하고 상기 d는 반사경의 두께, 상기 a1은 볼록 렌즈의 직경 길이인 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 도광 모듈의 중심부의 두께는 상기 태양 전지의 높이와 같게 경사면을 형성하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 경사면은 상기 도광 모듈 내부에서 전달되는 빛이 상기 경사면에 의해 내부 전반사로 진행하여 상기 태양 전지에 입사되도록 θ각도로 형성되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 집광 모듈은 동심원 형태의 복수 개의 볼록 렌즈로 형성되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 태양 전지의 위치는 상기 도광 모듈로부터 상기 태양 전지에 입사되는 태양광의 집광 중심점으로부터 상기 태양 전지의 길이 L인 경우 L/4 거리에 배치되는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면 집광형 태양전지모듈은 태양전지를 수직으로 배치하고 입사되는 태양광을 고효율로 집광하도록 도광 모듈을 형성하여 광손실을 감소시키고 전체 모듈 두께를 줄일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 집광형 태양전지모듈을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 태양전지모듈에서 초점 거리에 따른 광 투과율을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 고집광형 태양전지모듈의 구조를 개략적으로 도시한 사시도.
도 4는 상기 도 3의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 도광 모듈의 구조를 보여주는 사시도.
도 6은 본 발명의 도광 모듈에 형성된 반사층에 의해 태양광이 반사되어 태양 전지에 입사되는 것을 도시한 도면.
도 7a는 본 발명의 태양 전지가 2개 배치되는 구조의 반사층이 형성된 평면도.
도 7b는 본 발명의 태양 전지가 4개 배치되는 구조의 반사층이 형성된 평면도.
도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 고집광형 태양전지모듈의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 고집광형 태양전지모듈의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 10은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 고집광형 태양전지모듈의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본 발명의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 고집광형 태양전지모듈의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 상기 도 3의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 상기 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지모듈(300)은, 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서, 수직으로 입사되는 태양광을 집광하는 복수 개의 구획으로 구성된 볼록 렌즈 형상의 집광 모듈(310)과, 상기 집광 모듈(310)에 입사된 태양광을 각각의 구획에서 적어도 한 번 이상 반사시켜 광 경로를 수평으로 전환하는 도광 모듈(320)과, 상기 도광 모듈(320)의 중심부에 점대칭 형태로 수직으로 배치되고, 상기 도광 모듈(320)로부터 수평으로 전환된 태양광의 집광에 의해 전기 에너지를 생성하는 소정 수의 태양 전지(330)와, 상기 도광 모듈(320)의 중심부에 수직으로 마련되며 상기 태양 전지의 일면에 부착된 하이브리드 IC 기판(331)과, 상기 하이브리드 IC 기판(332)의 또 다른 일면에 마련되어 열을 방출하는 히트 싱크(332)과, 상기 도광 모듈, 태양 전지, 하이브리드 IC 기판 및 히트 싱크를 감싸는 하우징(340)을 포함하여 구성된다.
상기 집광 모듈(310)은 태양광을 기 설정된 구획별로 집광하도록 하우징(340)의 상부면에 배치된다. 이러한 집광 모듈(310)는 하우징(340)의 상부면을 동심원 형태로 구획하여 분할하고, 각 구획별로 볼록 렌즈(311)를 배치한다. 이때, 상기 볼록 렌즈(311)의 폭의 길이에 따라 상기 태양광이 집광되는 초점 위치(P1)가 변경되므로, 결국 상기 볼록 렌즈(311)의 폭의 길이가 짧아질수록 그 두께가 낮아지게 되므로, 결과적으로 태양전지모듈(300)의 전체크기가 감소하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 도광 모듈의 구조를 보여주는 사시도이고, 도 6은 본 발명의 도광 모듈에 형성된 반사층에 의해 태양광이 반사되어 태양 전지에 입사되는 것을 도시한 도면이다.
도 5및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 도광 모듈(320)은 굴절율 1.5를 갖는 PMMA 또는 유리로 형성되고, 상기 반사층(321a,321b)은 굴절율 1을 갖는 공기층으로 형성되어 굴절율 차이에 의해 상기 반사층(321a,321b)의 경계면에서 전반사를 하게 된다. 다시 말해, 상기 도광 모듈(320)은 내부에 반사층(321a,321b)을 형성하여 상기 반사층(321a,321b)과 입사되는 태양광의 각도가48도 보다 작은 범위에 대해 전반사 시켜 상기 태양 전지로 입사하도록 한다.
보다 상세하게는, 2개의 태양전지가 중심부에 세워져 있는 상기 태양전지 모듈에서 상기 반사층(321a,321b)은 45도와 135도 영역 부근에 형성하게 된다. 상기 반사층(321a,321b)이 45 도 및 135 도 영역 부근에 형성되면, 도광모듈 내부에서 중심부를 향하여 전달되는 태양광 중에서 0도부터 45도 사이의 영역-Ⅰ에 입사되는 태양광은 반사층-1 의 바깥쪽에서 내부 전반사를 일으킨 후 태양전지의 A 구간으로 집광되며, 45도부터 90도 사이의 영역-Ⅱ에서 입사되는 태양광은 반사 없이 직접 태양 전지의 C구간으로 집광되고, 영역-Ⅲ의 태양광은 B구간으로, 영역-Ⅳ의 태양광은 반사층-2에서 반사된 후 D구간으로 집광된다.
이때, 태양전지(330)의 위치는 평면상의 집광 중심점이 태양 전지보다 약간 위쪽에 위치하도록 설정된다. 보다 상세하게는, 두 개의 반사층(321a,321b)의 안쪽, 즉 45도부터 135도 사이의 태양광들은 집광 중심점을 지난 후 태양 전지의 안쪽의 절반 면적에 입사되는데 이 경우 집광 중심점과 태양전지사이 거리 d는 태양 전지의 길이가 L인 경우 L/4정도가 된다.
그리고, 상기 반사층(321a,321b)이 형성되는 위치와 각도는 상기 반사층-2를 예를 들어 설명하면 영역-Ⅳ 의 위쪽 135도 부근에서 중심점을 향해 입사되는 태양광은 반사층-2의 가장 위쪽에서 반사되어 태양전지의 D구간의 가장 바깥쪽에 입사되며 태양전지와 평행을 이루는 180도 부근에서 입사되는 태양광은 반사층의 반대쪽 아래 끝 부분에서 반사되어 태양전지의 D구간의 가장 안쪽, 즉 D 구간과 C구간의 경계선 부근에서 집광되도록 반사층의 위치와 각도를 정할 수 있다.
이때, 도광 모듈(320)의 재질이 굴절율이 1.5 정도인 유리 또는 PMMA 일 경우, 굴절율이 1인 공기층으로 형성된 반사층의 경계면에서 내부 전반사를 일으키는 각도는 대략 48도 이내 이므로 입사되는 태양광이 반사층과 이루는 각도 θ1 는 48도보다 작아야 한다.
또한, 상기 도광 모듈(320)의 내부 하부면에는 평면 반사경이 형성되어 상기 집광 모듈로부터 입사된 태양광을 반사하여 상기 태양광의 진행 방향이 수직상태에서 수평 방향으로 전환하게 된다.
그리고, 상기 도광 모듈(320)의 중심부의 두께는 상기 태양 전지의 높이와 같게 경사면을 형성한다. 여기서, 상기 경사면은 상기 도광 모듈 내부에서 전달되는 빛이 상기 경사면에 의해 내부 전반사로 진행하여 상기 태양 전지에 입사되도록 θ2각도로 형성하게 된다. 이 때, θ2는 상기 도광 모듈과 태양 전지의 높이가 같아지게 하는 각도이다.
도 7a는 본 발명의 태양 전지가 2개 배치되는 구조의 반사층이 형성된 평면도이고, 도 7b는 본 발명의 태양 전지가 4개 배치되는 구조의 반사층이 형성된 평면도이다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 태양 전지는 상기 도광 모듈의 중심부에 수직으로 배치되는 개수에 대응하여 상기 도광 모듈로부터 태양광을 입사받는 영역이 분할된다.
보다 상세하게는, 도 7b와 같이, 태양 전지가 2개 배치되는 구조는 태양전지를 중심으로 좌우 양측의 48도 영역에 반사층이 형성되어 있으며, 상기 반사층의 반사 되는 경계면과 입사되는 태양광과 이루는 θ1 각도가 되도록 2차원 포물선 곡선과 유사하게 형성되어 있다.
도 7b와 같이, 태양 전지가 4개 배치되는 구조의 반사층은 각 태양전지를 중심으로 태양전지 양측 부분과 이웃하는 태양전지의 양측 부분과 이루는 모서리 영역에 형성된다. 이때, 태양전지의 크기만큼 양측을 벗어나지 않게 형성되어 입사되는 태양광에 대해 반사시킴으로써 광의 손실을 줄일 수 있게 된다.
여기서, 상기 태양 전지(330)가 배치되는 개수에 대응하여 2개가 배치되면 180도, 3개가 배치되면 120도, 4개가 배치되면 90도, 6개가 배치되면 60도의 영역으로 나뉘어진다.
이러한 태양전지(330)는 상기 도광 모듈(320)로부터 태양광을 전달받아 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전기 에너지를 생성한다.
상기 히트 싱크(332)는 상기 도광 모듈(320)의 중심부에 위치하여 상기 하이브리드 IC기판(331)이 부착되는 기둥부와 상기 도광 모듈의 하부에 마련되어 열을 방출하는 냉각핀으로 형성된다.
보다 구체적으로, 상기 태양전지(330)로 집광된 태양광 에너지는 전기 에너지로 변환되고, 상기 태양전지(330)에 형성된 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 전극이 상기 태양전지(330)의 하부에 배치된 하이브리드 IC기판(170)에 의해 상기 전기 에너지가 외부로 전달된다. 이 때, 상기 하이브리드 IC기판(331)은 알루미나(alumina)로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 상기 하이브리드 IC기판(331)의 다른 일면에 히트 싱크(332)이 배치되어, 상기 히트 싱크(332)가 태양전지(332) 및 하이브리드 IC기판(331)을 모두 감싸므로, 이러한 핵심 부품을 열 또는 외부 환경으로부터 보호하게 된다.
또한, 도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 고집광형 태양전지모듈의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이 때, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 태양전지모듈(400)은 상기 도 3 내지 7을 참조하여 설명한 제 1 실시 예의 태양전지모듈(300)과 동일한 부분은 그 설명을 생략하고, 차이점을 갖는 부분에 대해서만 하기에서 설명하도록 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 집광모듈(420)를 통해 집광된 태양광이 상기 도광 모듈(430)로 전달되어, 상기 태양광이 제1초점(P1)에서 맺히게 된다. 이와 같이 제1초점(P1)에서 맺힌 태양광은 상기 도광 모듈(430)의 하부에 배치된 파라볼릭 반사경에 도달하고, 상기 파라볼릭 반사경에 도달된 태양광은 상기 파라볼릭 반사경에 의해 반사되어, 그 진행 방향이 수직 방향에서 수평 방향으로 변경된다. 이 때, 상기 파라볼릭 반사경에 의한 태양광의 반사는 상기 도광 모듈(430)의 굴절률과 외부 공기의 굴절률간의 차에 의해 내부 전반사가 이루어질 수 있으며, 상기 도광 모듈(430)의 하부면에 형성되는 금속 코팅층에 의해 전반사가 발생할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 고집광형 태양전지모듈의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이 때, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 태양전지모듈(500)은 상기 도 3 내지 7을 참조하여 설명한 제 1 실시 예의 태양전지모듈(300)과 동일한 부분은 그 설명을 생략하고, 차이점을 갖는 부분에 대해서만 하기에서 설명하도록 한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 집광모듈(510)를 통해 집광된 태양광이 상기 도광 모듈(520)의 중앙으로 집광되도록 볼록형 파라볼릭 반사경이 한쪽면이 볼록한 형태를 갖도록 상부와 하부가 역의 형태로 하부면에 배치된다.
상기 집광 모듈의 볼록렌즈를 통해 집광된 태양광이 상기 도광 모듈에 전달됨에 따라 태양광이 제2초점(P2)에서 맺히게 된다. 이와 같이 제2초점(P2)에서 집광되기 전, 상부와 하부가 역으로 배치된 볼록형 파라볼릭 반사경에 의해 그 진행방향이 수평으로 전환된다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 고집광형 태양전지모듈의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이 때, 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 태양전지모듈(600)은 상기 도 3 내지 7을 참조하여 설명한 제 1 실시 예의 태양전지모듈(300)과 동일한 부분은 그 설명을 생략하고, 차이점을 갖는 부분에 대해서만 하기에서 설명하도록 한다.
본 발명의 태양전지모듈(600)은 먼저 태양광이 각 구획별로 배치된 볼록 렌즈(611)를 통해 집광되고, 하나의 볼록렌즈(611)로 집광된 태양광은 제3초점(P3)에 집광된다. 상기 집광모듈(610)를 통해 집광된 태양광이 상기 도광 모듈(620)로 전달되어, 상기 태양광이 제3초점(P3)에서 맺히게 된다. 이와 같이 제3초점(P3)에서 맺힌 태양광은 상기 도광 모듈(620)의 하부에 배치된 반사경에 도달하고, 상기 반사경에 도달된 태양광은 상기 반사경에 의해 반사되어, 그 진행 방향이 수직 방향에서 수평 방향으로 전환하게 된다.
상기 도광 모듈(620)는 집광된 태양광이 상기 태양전지(630)로 집광되도록 상기 도광 모듈(620)의 하부면에 경사각도 θ3만큼 경사지도록 배치된 파라볼릭 반사경을 포함한다. 이러한 상기 파라볼릭 반사경은 앞서 도 8에 도시된 파라볼릭 반사경과 비교하여 경사각도 θ3만큼 상부를 향하도록 경사지도록 배치된다. 이 때, 상기 파라볼릭 반사경의 경사각도 θ3는 상기 파라볼릭 반사경의 두께와 집광모듈의 볼록 렌즈의 직경길이를 이용하여 아래의 수학식 1을 통해 연산되는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
θ3 = 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 θ3는 상기 파라볼릭 반사경의 두께 d에 비례하고, 상기 집광모듈에 배치되는 볼록 렌즈의 직경 길이 a1에 반비례하는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
<주요부분에 대한 도면의 설명>
310 --- 집광 모듈 320 --- 도광 모듈
330 --- 태양전지 331 --- 하이브리드 IC 기판
332 --- 히트 싱크

Claims (15)

  1. 태양광을 집광하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지모듈에 있어서,
    수직으로 입사되는 태양광을 집광하는 복수 개의 볼록 렌즈 형상의 집광 모듈과;
    상기 집광 모듈에 입사된 태양광을 적어도 한 번 이상 반사시켜 광 경로를 수평으로 전환하는 도광 모듈과;
    상기 도광 모듈의 중심부에 점대칭 형태로 소정 수가 수직으로 배치되고, 상기 도광 모듈에 의해 수평으로 전환된 태양광을 집광하여 전기 에너지를 생성하는 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도광 모듈의 중심부에 수직으로 마련되며 상기 태양 전지의 일면에 부착된 하이브리드 IC 기판과;
    상기 하이브리드 IC 기판의 또 다른 일면에 마련되어 열을 방출하는 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 상기 도광 모듈의 중심부에 위치하여 상기 하이브리드 IC기판이 부착되는 기둥부와 상기 도광 모듈의 하부에 마련되어 열을 방출하는 냉각핀으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 태양 전지는 상기 도광 모듈의 중심부에 수직으로 배치되는 개수에 대응하여 상기 도광 모듈로부터 태양광을 입사받는 영역이 분할되는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 태양 전지가 배치되는 개수에 대응하여 2개가 배치되면 180도, 3개가 배치되면 120도, 4개가 배치되면 90도, 6개가 배치되면 60도의 영역으로 분할되는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 도광 모듈은 내부에 반사층을 형성하여 상기 반사층의 경계면과 입사되는 태양광의 각도가 48도 보다 작은 범위에 대해 전반사 시켜 상기 태양 전지로 입사하도록 하는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 도광 모듈의 반사층은 45도 및 135도 영역 부근에 형성되는 것을 특징으로 고집광형 태양전지모듈.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 도광 모듈은 굴절율 1.5를 갖는 PMMA 또는 유리로 형성되고, 상기 반사층은 굴절율 1을 갖는 공기층으로 형성되어 상기 반사층의 경계면에서 입사되는 태양광이 전반사를 하는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 도광 모듈의 내부 하부면에는 반사경이 형성되어 상기 집광 모듈로부터 입사된 태양광의 광 경로를 수평 방향으로 전환하는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 반사경은 소정의 경사 각도를 갖는 오목형 파라볼릭 반사경, 평면형 반사경, 또는 볼록형 파라볼릭 반사경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 반사경의 경사 각도는
    θ3 = tan-1 (d/a1) 의 식을 이용하여 획득하고
    상기 d는 반사경의 두께, 상기 a1은 볼록 렌즈의 직경 길이인 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 도광 모듈의 중심부의 두께는 상기 태양 전지의 높이와 같게 경사면을 형성하는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 경사면은 상기 도광 모듈 내부에서 전달되는 빛이 상기 경사면에 의해 내부 전반사로 진행하여 상기 태양 전지에 입사되도록 θ2각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 집광 모듈은 동심원 형태의 복수 개의 볼록 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양 전지의 위치는 상기 도광 모듈로부터 상기 태양 전지에 입사되는 태양광의 집광 중심점으로부터 상기 태양 전지의 길이가 L인 경우 L/4 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 고집광형 태양전지모듈.
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