KR20130075203A - 태양광 발전 및 열에너지 획득장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광을 집광하여 발전효율을 높이면서도 다수개의 태양전지셀에 대하여 동시 발전이 가능하고 태양열을 별도로 열원으로 활용할 수 있는 고효율 태양광 발전 및 열에너지 획득장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양광 발전 및 열에너지 획득장치는, 중앙 영역에 통공이 형성되며, 태양광을 1차 집광하는 오목거울 형상의 1차 반사경; 상기 1차 반사경의 전방에 설치되며, 상기 1차 반사경에 의하여 집광되는 태양광 중 단파장 영역의 빛을 상기 통공 방향으로 반사하여 2차 집광하고 장파장 영역의 빛을 흡수하는 2차 반사경; 상기 통공 후방에 설치되어 2차 집광된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 다수개의 태양전지셀을 구비하는 발전부;를 포함한다.
Description
본 발명은 태양광 발전 및 열에너지 획득장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광을 집광하여 발전효율을 높이면서도 다수개의 태양전지셀에 대하여 동시 발전이 가능하고 태양열을 별도로 열원으로 활용할 수 있는 고효율 태양광 발전 및 열에너지 획득장치에 관한 것이다.
태양 에너지를 이용하여 전기 에너지로 발전을 하는 태양광 장치 중 가장 일반적으로 사용되는 방식 중 하나인 일명 솔라셀(solar cell)이라 명명되는 태양전지는 주로 실리콘 재질을 이용하여 제작이 된 것으로, 가시광선 파장 영역에서의 광전 효과를 이용하여 전기를 발생시키는 원리를 가지고 있다.
Si(실리콘) 소재를 이용한 태양전지는 0.3 um에서 1.1 um 까지의 파장 영역의 파장만을 흡수하는 것으로 연구 결과가 보고되고 있는바, 이러한 파장 영역은 주로 가시광선 대역이고 보다 높은 발전 효과를 기대할 수 있는 적외선 영역대에서는 흡수 효율이 매우 낮다는 문제가 있다.
보다 구체적으로는, 상기 실리콘 재질에 의한 태양전지는 적외선 파장 영역의 태양광은 흡수 효율이 낮을 뿐 아니라 태양 전지 표면 온도를 증가시켜 발전 효율이 감소하게 된다. 다시 말해 태양광이 매우 강한 여름의 낮 시간에는 태양광이 강하여 조도는 높을지언정 오히려 태양전지 표면 온도가 상승하여 발전 효율이 떨어지게 되는 문제가 발생한다.
태양 전지의 소재로서 실리콘(Si) 이외에 다양한 소재가 사용되고, 소재의 특성 별로 흡수가 잘되는 파장 영역대를 가지고 있으나 문제는 각 소재 별로 고유의 흡수 파장 영역을 가지고 있어 태양광의 전반적인 파장 영역을 동시에 사용하기에 큰 애로가 따른다는 것이다.
태양광의 흡수 파장 영역을 확장하기 위한 기술로서, 국내 특허 제 589323호 ‘광 흡수파장대가 확장된 연료 감응 태양전지’의 경우 다공질막에 흡착되는 특정 복합 염료에 의하여 태양전지의 광 흡수파장대를 확장 처리한다고 하고 있으나, 나노 크기의 다공질막을 제작하고 이에 흡착되는 특정 복합 염료를 마련하는데 소요되는 비용 대비 광 흡수영역대 확장 효과가 크지 않고, 가시광선 영역에서 적외선 영역까지 폭넓은 광 흡수영역대를 동시에 해결하기에는 한계가 따른다는 문제가 있다.
한편 태양광을 이용한 발전방식 중 다른 하나는 열전소자를 이용한 태양광 발전 장치이다. 열전소자는 태양광에 의하여 가열이 되는 기판과 냉각부에 의하여 냉각이 되는 기판 사이의 온도 차이에 의하여 제베크(Seebeck) 효과 내지 펠티에(Peltier) 효과, 톰슨(Tomson) 효과를 통해 열전 현상을 발생함으로 열기전력을 창출하는 것을 의미한다.
이러한 열전소자를 이용하여 태양광 발전을 하는 선행기술로서, 국내 특허등록 제 868492호 ‘열전소자가 구비된 태양광 발전 및 열에너지 획득장치’, 국내 실용신안등록 제 223071호 ‘태양전지와 열전냉온소자를 이용하는 냉난방장치’, 국내 실용신안등록 제 259618호 ‘태양열 난방장치’와 같은 기술들이 개시되어 있다.
이러한 기술을 살펴보면, 모두 열전소자와 태양전지를 결합시킨 것으로 상술하였듯이 태양전지는 가격 대비 발전 효율이 낮아 열전소자를 결합하였을 경우에 발전 효율을 증강시킬 수 있을지 의문이 들고 더욱이 상기 기술은 열전소자를 태양광 발전 효율 자체를 증가시키기 위한 것이 아니라 태양전지의 과열 현상 내지 냉방으로의 전환을 위하여 사용하고 있는 수준에 그치는 것이다.
예를 들어, 국내 특허등록 제 868492호는 펠티에 효과를 이용하여 태양전지의 과잉된 열을 열전소자를 통해 분산 처리함으로써 태양전지의 열화 문제를 방지할 수 있다고 기술되어 있어 열전소자가 열기전력을 창출하기 위하여 사용되는 것이 아니라 단순히 열 분산 효과를 나타내기 위하여 사용되고 있을 뿐이다.
열전소자를 이용하여 발전을 할 때에는, 가열된 기판 면과 냉각된 기판 면의 온도 차이를 이용하여 발전을 하는 것으로 이해할 수 있다. 일반적으로 열전소자의 가열판과 냉각판의 온도 차이를 300℃ 가량 유지시킬 경우 열전소자의 크기가 예를 들어 50mm × 50mm 일 때 발전용량은 14 watt 정도가 되는 것이 일반적이라 발표된 연구 결과가 있으나 50 watt 이상이 되는 제품이 개발되었다고 러시아 또는 독일에서 보고되고 있다.
하지만, 상기 열전소자의 양 측판의 온도 차이를 확보하기 위하여 가열판의 가열을 위해 히터를 이용한다면 히터에 소요되는 열용량이 더욱 크게 되는 매우 비효율적인 현상이 발생하게 된다. 따라서 열전소자를 통해 보다 의미있고 효율적으로 발전을 하기 위해서는 비용이 소요되지 않는 열원, 즉 폐열 회수발전 내지 온천 열, 지열 등의 제시될 수 있고 특히 환경 친화적이고 반영구적으로 사용 가능한 태양 에너지를 이용하여 가열판의 고온의 온도를 확보할 필요가 따른다.
결국 현재 사용되고 있는 태양광 발전에서는 소자의 과열을 방지하여 효율 하락을 방지하는 기술과 소자에 접합한 파장 영역의 빛을 선택적으로 선별하여 발전 효율을 향상시키는 기술의 개발이 절실하게 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양광을 집광하여 발전효율을 높이면서도 다수개의 태양전지셀에 대하여 동시 발전이 가능하고 태양열을 별도로 열원으로 활용할 수 있는 고효율 태양광 발전 및 열에너지 획득장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 발전 및 열에너지 획득장치는, 중앙 영역에 통공이 형성되며, 태양광을 1차 집광하는 오목거울 형상의 1차 반사경; 상기 1차 반사경의 전방에 설치되며, 상기 1차 반사경에 의하여 집광되는 태양광 중 단파장 영역의 빛을 상기 통공 방향으로 반사하여 2차 집광하고 장파장 영역의 빛을 흡수하는 2차 반사경; 상기 통공 후방에 설치되어 2차 집광된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 다수개의 태양전지셀을 구비하는 발전부;를 포함한다.
본 발명에서 상기 2차 반사경의 전면은 상기 1차 반사경 방향으로 볼록한 포물선 구조를 가지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 2차 반사경의 전면에는, 상기 단파장 영역의 빛은 반사하고, 장파장 영역의 빛은 흡수하는 빔스플릿팅 코팅면이 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 2차 반사경 후면에는, 상기 2차 반사경과 결합하여 내부에 일정한 밀폐 공간을 형성하는 하우징;과 상기 하우징 내부로 열매체를 공급하고 회수하는 열매체 순환부;가 더 구비되는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에서 상기 하우징과 상기 2차 반사경 접촉면에는 상기 하우징과 2차 반사경에 의하여 형성되는 밀폐 공간을 외부와 차단하는 밀폐 부재가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 2차 반사경은, 단면 형상이 전면과 후면 모두 포물선 형상을 가지되, 중앙부에서 가장자리부로 갈수록 두께가 얇아지는 매니스커스(Meniscus) 구조인 것이 바람직하다.
또한 상기 2차 반사경 후면에는 흡열 코팅면이 형성되는 것이 바람직하다.
마지막으로 본 발명에서 상기 2차 반사경의 장파장 초점은, 2차 반사경의 초점거리가 상기 하우징의 후측벽보다 짧아서, 상기 하우징 내부에 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 태양광 중 열적인 기여도가 높은 장파장 대역의 빛을 제거하여 태양전지셀에 조사하므로 집광형 태양광 발전 및 열에너지 획득장치임에도 불구하고 다수개의 태양전지셀을 설치하고 동시에 발전을 할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에서는 2차 반사경에 의하여 분리된 장파장 대역의 태양광을 열원으로 이용하여 열매체를 가열하고 이를 활용할 수 있으므로 태양에너지 효율적으로 활용할 수 있는 탁월할 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 및 열에너지 획득장치의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 반사경과 하우징을 도시하는 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 반사경과 하우징의 결합상태를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 반사경과 하우징을 도시하는 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 반사경과 하우징의 결합상태를 도시하는 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 태양광 발전 및 열에너지 획득장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 반사경(10), 2차 반사경(20) 및 발전부(30)를 포함하여 구성된다.
먼저 상기 1차 반사경(10)은 중앙 영역에 통공이 형성되며, 태양광을 1차 집광하는 오목거울 형상의 구성요소이다. 상기 1차 반사경(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전체적으로 오목 거울 형상을 가지며, 전방 중앙에 입사된 태양광을 1차 집광한다. 이때 상기 1차 반사경(10)의 초점 영역에 도 1에 도시된 바와 같이, 후술하는 2차 반사경(20)이 위치된다. 그리고 상기 1차 반사경(10)의 중앙 영역에는 통공(14)이 형성되는데, 이 통공(14)에는 후술하는 발전부(30)와 광 안내부 등이 설치될 수 있다.
한편 상기 1차 반사경(10)의 후면 중 상기 통공의 주변으로는 도 1에 도시된 바와 같이, 후술하는 방열판(33)과의 밀착을 위한 방열판 밀착부(11)가 형성될 수 있다. 상기 방열판 밀착부(11)는 곡면으로 이루어진 1차 반사경(10)의 다른 부분과 달리 평면으로 이루어지며, 방열판(33)의 고정을 위한 고정수단 삽입공(12)과 밀폐링(50)의 장착을 위한 밀폐링 삽입홈(13) 등이 형성될 수 있다.
상기 고정수단 삽입공(12)은 원을 이루면서 다수개가 일정간격 이격되어 형성되며, 내면에 나사면이 형성될 수 있다. 또한 상기 밀폐링 삽입홈(13)은 상기 고정수단 삽입공(12)의 형성된 내측으로 원형으로 형성된다.
다음으로 상기 2차 반사경(20)은 상기 1차 반사경(10)의 전방에 설치되며, 상기 1차 반사경(10)에 의하여 집광되는 태양광을 2차 집광하여 상기 통공 방향으로 반사하는 구성요소이다. 상기 2차 반사경(20)은 전술한 바와 같이, 상기 1차 반사경(10)에 의하여 집광된 태양광의 초점 영역에 설치되며, 상기 1차 반사경(10)에 의하여 1차 집광된 태양광을 2차 집광하여 상기 통공 방향으로 보낸다.
상기 2차 반사경(20)은 전체적으로 볼록 거울 형상을 가지며, 그 표면에 빔스플릿팅 코팅면(24)이 형성된다. 상기 빔스플릿팅 코팅면(24)은 장파장 영역의 태양광은 투과하고, 단파장 영역의 태양광은 반사하여 통공 방향으로 보낸다. 본 실시예에서 단파장 영역의 빛이라 함은 태양광 중 파장 2㎛ 미만의 단파장 대역의 빛을 말하고, 장파장 영역의 빛이라 함은 파장 2 ㎛ 이상의 장파장 대역의 빛을 말하는 것이다.
다음으로 상기 2차 반사경(20) 후면에는, 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 하우징(40)이 결합된다. 상기 하우징(40)은 전면이 개구된 형상을 가지며, 상기 2차 반사경(20)의 후면과 결합하여 내부에 일정한 밀폐 공간을 형성한다.
상기 2차 반사경(20)과 하우징(40)이 결합되는 구조는 다양한 방법이 가능하다. 예를 들어 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(40)의 개구부에 상기 2차 반사경(20)의 가장자리(22)가 안착될 수 있는 안착홈(41)이 형성되고, 상기 2차 반사경의 가장자리(22)를 외측에서 별도의 체결부재(50)가 상기 하우징(40) 방향으로 가압하여 고정하는 방식이 가능하다.
이 경우 상기 2차 반사경의 가장자리(22)와 상기 안착홈(41) 사이의 접촉 부분에는 신축성이 있는 밀폐부재(52)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 밀폐부재(52)는 상기 2차 반사경(20)과 하우징(40)의 접촉면에서 가압되어 외력 부재시 보다 수축된 상태를 유지하면서 상기 하우징(40) 내부 공간을 밀폐하는 것이다.
한편 상기 2차 반사경(20)은 도 3에 도시된 바와 같이, 단면 형상이 전면과 후면 모두 포물선 형상을 가지되, 중앙부에서 가장자리부로 갈수록 두께가 얇아지는 매니스커스(Meniscus) 구조인 것이 바람직하다. 즉, 상기 2차 반사경의 단면 구조에서 중앙부의 두께(d1)가 가장자리부의 두께(d2) 보다 두껍고, 가장자리 방향으로 갈 수록 두께가 얇아지는 구조를 가지는 것이다.
상기 2차 반사경(20)이 이러한 매니스커스 구조를 가지되, 상기 2차 반사경(20)의 초점거리가 상기 하우징(40)의 후벽(42)보다 짧아서 상기 2차 반사경(20)을 투과한 장파장 영역의 빛의 초점(F)이 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(40) 내부에 형성되도록 상기 2차 반사경(20)의 후면 곡률이 정해져야 한다.
이렇게 상기 2차 반사경(20)의 초점(F)이 상기 하우징(40) 내부에 형성되면, 상기 2차 반사경(20)에 의하여 투과되는 장파장 영역의 태양광이 상기 하우징(40) 내부에 채워지는 열매체(60)를 가장 효과적으로 가열하여 태양열을 효율적으로 활용할 수 있는 장점이 있다.
다음으로 상기 2차 반사경(20) 후면에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 흡열 코팅면(26)이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 흡열 코팅면(26)은 상기 2차 반사경(20)의 후면에 형성되어, 상기 하우징(40) 내부의 열이 외부로 유출되는 것을 방지한다.
다음으로 본 실시예에 따른 태양광 발전 및 열에너지 획득장치(1)에서는 상기 하우징(40) 내부로 열매체(60)를 공급하고 회수하는 열매체 순환부(70)가 더 구비된다. 상기 열매체 순환부(70)는 상기 하우징(40)의 측부를 관통하여 다수개의 관으로 형성된다. 다수개의 관 중 일부는 열매체(60)를 상기 하우징(40) 내부로 공급하는 열매체 공급관(70a)으로 기능하며, 나머지 관 중 일부는 상기 하우징(40) 내부에서 가열된 열매체를 외부로 배출하는 열매체 배출관(70b)으로 기능한다.
이러한 열매체 순환부(70)에 의하여 상기 하우징(40) 내부에서 가열된 열매체(60)가 연속적으로 순환하여 생산된 열을 효과적으로 활용할 수 있는 것이다.
다음으로 상기 발전부(30)는 상기 통공(11) 후방에 설치되어 2차 집광된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 다수개의 태양전지셀(31)을 구비하는 구성요소이다. 구체적으로 상기 발전부(30)는 다수개의 태양전지셀(31)과 상기 다수개의 태양전지셀(31)이 고정되어 설치되는 인쇄회로기판(32) 및 방열판(33)으로 구성된다. 그리고 상기 인쇄회로 기판(32)의 표면 중 상기 태양전지셀(31)이 고정되는 영역을 제외한 영역에는 역류 방지용 다이오드 등 다른 구성요소들이 설치된다.
10 : 1차 반사경 20 : 2차 반사경
30 : 발전부
30 : 발전부
Claims (8)
- 중앙 영역에 통공이 형성되며, 태양광을 1차 집광하는 오목거울 형상의 1차 반사경;
상기 1차 반사경의 전방에 설치되며, 상기 1차 반사경에 의하여 집광되는 태양광 중 단파장 영역의 빛을 상기 통공 방향으로 반사하여 2차 집광하고 장파장 영역의 빛을 흡수하는 2차 반사경;
상기 통공 후방에 설치되어 2차 집광된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 다수개의 태양전지셀을 구비하는 발전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 및 열에너지 획득장치. - 제1항에 있어서,
상기 2차 반사경의 전면은 상기 1차 반사경 방향으로 볼록한 포물선 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 및 열에너지 획득장치. - 제1항에 있어서, 상기 2차 반사경의 전면에는,
상기 단파장 영역의 빛은 반사하고, 장파장 영역의 빛은 흡수하는 빔스플릿팅 코팅면이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 및 열에너지 획득장치. - 제1항에 있어서, 상기 2차 반사경 후면에는,
상기 2차 반사경과 결합하여 내부에 일정한 밀폐 공간을 형성하는 하우징;
상기 하우징 내부로 열매체를 공급하고 회수하는 열매체 순환부;가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 및 열에너지 획득장치. - 제4항에 있어서,
상기 하우징과 상기 2차 반사경 접촉면에는 상기 하우징과 2차 반사경에 의하여 형성되는 밀폐 공간을 외부와 차단하는 밀폐 부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 및 열에너지 획득장치. - 제4항에 있어서, 상기 2차 반사경은,
단면 형상이 전면과 후면 모두 포물선 형상을 가지되, 중앙부에서 가장자리부로 갈수록 두께가 얇아지는 매니스커스(Meniscus) 구조인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 및 열에너지 획득장치. - 제6항에 있어서, 상기 2차 반사경 후면에는,
흡열 코팅면이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 및 열에너지 획득장치. - 제6항에 있어서, 상기 2차 반사경의 장파장 초점은,
상기 하우징 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 및 열에너지 획득장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110143484A KR20130075203A (ko) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | 태양광 발전 및 열에너지 획득장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110143484A KR20130075203A (ko) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | 태양광 발전 및 열에너지 획득장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130075203A true KR20130075203A (ko) | 2013-07-05 |
Family
ID=48989136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110143484A KR20130075203A (ko) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | 태양광 발전 및 열에너지 획득장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130075203A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101468010B1 (ko) * | 2014-05-16 | 2014-12-03 | 주식회사 건영테크 | 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치 |
| KR102155322B1 (ko) * | 2020-02-19 | 2020-09-11 | 한국친환경에너지기술(주) | 광분할렌즈를 이용한 태양광 발전겸용 저장구조 |
| KR102155307B1 (ko) * | 2020-02-19 | 2020-09-11 | 한국친환경에너지기술(주) | 태양광 발전겸용 저장장치 |
-
2011
- 2011-12-27 KR KR1020110143484A patent/KR20130075203A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101468010B1 (ko) * | 2014-05-16 | 2014-12-03 | 주식회사 건영테크 | 집광형 태양광 발전장치용 광 분배장치 |
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