KR20130081050A

KR20130081050A - 광전지 모듈

Info

Publication number: KR20130081050A
Application number: KR1020120002011A
Authority: KR
Inventors: 이회관; 윤경민; 조서영; 권윤영; 남진수; 박경욱; 최재영
Original assignee: 삼성코닝정밀소재 주식회사
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2013-07-16
Also published as: CN103199132A; EP2613364A3; MY159447A; US20130174908A1; EP2613364A2; KR101307445B1

Abstract

본 발명은 광전지 모듈에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 모듈 대면적화에 따른 무게 증가로 인해 발생되는 처짐 현상을 방지할 수 있는 광전지 모듈에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 광전지 모듈에 있어서, 외부로 노출되는 면이 볼록한 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈을 제공한다.

Description

광전지 모듈{PHOTOVOLTAIC MODULE}

본 발명은 광전지 모듈에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 모듈 대면적화에 따른 무게 증가로 인해 발생되는 처짐 현상을 방지할 수 있는 광전지 모듈에 관한 것이다.

최근, 에너지 자원 부족과 환경오염의 대책으로 고효율 광전지 모듈(photovoltaic module)의 개발이 대규모로 이루어지고 있다. 상기 광전지 모듈은 광 에너지 예컨대, 태양 에너지를 직접 전기로 변환시키는 광 발전의 핵심소자이다. 이러한 광전지 모듈은 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 가운데, 대면적화에 대한 필요성도 증가하고 있는 실정이다. 그리고 이와 같은 광전지 모듈의 대면적화에 따른 무게 증가에 대응하기 위해, 광전지 모듈의 경량화 역시 시급하게 부각되고 있다.

광전지 모듈의 무게 중 가장 큰 비중을 차지하는 커버유리(cover glass)의 경우, 강화 기술을 통해 기계적 강도를 유지하는 동시에 그 두께를 감소시키는 방향으로 경량화시키고 있다. 이에 따라, 커버유리의 두께는 얇아지고 동시에 표면압축응력, 굽힘 응력 등의 강도 또한 향상시킬 수 있게 되었다. 그러나 커버유리의 두께가 감소하고, 굽힘 응력이 증가될수록 외부 하중에 대한 휨성(flexibility) 또한 증가하게 된다. 특히, 강설량이 많은 지역에서, 또는 겨울철 폭설 발생 시, 커버유리에 가해지는 적설하중(snow load)이 비정상적으로 증가되어 두께 3.2㎜을 갖는 커버유리가 적용된 상용 광전지 모듈의 경우에도 프레임의 이탈, 광전지 셀 파손 등의 문제점이 발생되었다.

상기와 같은 커버유리의 휨성, 즉, 처짐 현상으로 인해 발생되는 문제를 보완하고자 커버유리의 두께를 4㎜로 하여 광전지 모듈에 적용하였다. 그러나 이는, 광전지 모듈의 경량화 및 커버유리의 박판화 경향과 상충된다. 또한, 광전지 모듈에 쌓인 눈을 자동으로 제거하는 “자동 눈 제거 장치”도 개발된 바 있고, 광전지 모듈의 처짐을 방지하기 위해, 모듈의 후면에 “레일”이라는 별도의 지지 구조물을 더한 사례도 있다. 그러나 이 역시 광전지 모듈의 경량화에 상충되며, 부가적인 장치를 설치하게 되면, 결국, 광전지 모듈의 비용 상승을 초래하게 된다.

따라서, 광전지 모듈의 대면적화와 경량화를 동시에 만족하는 가운데, 박판 커버유리의 처짐 현상을 방지할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 모듈 대면적화에 따른 무게 증가로 인해 발생되는 처짐 현상을 방지할 수 있는 광전지 모듈을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 대면적화 및 경량화를 동시에 만족시킬 수 있는 광전지 모듈을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 광전지 모듈에 있어서, 외부로 노출되는 면이 볼록한 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈을 제공한다.

여기서, 상기 광전지 모듈은 육면체로 이루어지되, 4 측면 중 서로 마주하는 한 쌍의 측면은 호 형태로 형성되고, 서로 마주하는 다른 한 쌍의 측면은 직선 형태로 형성될 수 있다.

이때, 상기 한 쌍의 측면은 길이 방향 양측 단부의 상대적 거리가 짧은 단축면으로 이루어지고, 상기 다른 한 쌍의 측면은 길이 방향 양측 단부의 상대적 거리가 긴 장축면으로 이루어질 수 있다.

게다가, 상기 단축면의 양측 단부의 직선 거리는 상기 단축면이 평평하게 펼쳐진 상태의 양측 단부의 길이 대비 1 내지 2% 짧을 수 있다.

아울러, 상기 한 쌍의 측면은 길이 방향 양측 단부의 상대적 거리가 긴 장축면으로 이루어지고, 상기 다른 한 쌍의 측면은 길이 방향 양측 단부의 상대적 거리가 짧은 단축면으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 장축면의 양측 단부의 직선 거리는 상기 장축면이 평평하게 펼쳐진 상태의 양측 단부의 길이 대비 1 내지 2% 짧을 수 있다.

그리고 상기 광전지 모듈은 기와 형태를 이룰 수 있다.

더불어, 상기 광전지 모듈의 측면은 설치면에 고정되는 프레임에 결합되어 고정 및 지지되되, 상기 광전지 모듈의 측면이 안착되는 상기 프레임의 내측면은 오목한 라운드 형태로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전체적인 형상이 곡면으로 형성됨으로써, 종래 대면적 광전지 모듈에서 발생되던 처짐 현상을 방지할 수 있고, 이러한 처짐 현상에 의해 야기되는 프레임의 이탈 및 광전지 셀의 파손 등을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 박판 커버유리 적용 시에도 처짐 현상을 방지함으로써, 광전지 모듈의 대면적화 및 경량화를 동시에 만족시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 종래 평판 구조의 광전지 모듈과 동일한 광 투과율을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 광의 특정 입사각에서는 오히려 종래 광전지 모듈보다 우수한 광 투과율을 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 광전지 모듈이 종래의 획일적인 평판 형태에서 탈피하여 기와 형태의 구조를 이룸으로써, 옥외 구조물로서의 디자인적 가치를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전지 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전지 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광전지 모듈과 종래 기술에 따른 광전지 모듈을 비교하여 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광전지 모듈과 프레임 간의 체결 형태를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광전지 모듈을 구성하는 커버유리의 하중 인가 시 z축 변위 변화량을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광전지 모듈을 구성하는 커버유리의 파괴강도 측정 결과를 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 광전지 모듈에 대해 상세히 설명한다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광전지 모듈(100)은 광 에너지 예컨대, 태양 에너지를 직접 전기로 변환시키는 광 발전소자이다. 구체적으로 도시하진 않았지만, 이러한 광전지 모듈(100)은 커버유리/완충부재/전지 셀/완충부재/후면 시트의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 여기서, 커버유리는 습기, 먼지, 파손 등 외부환경으로부터 전지 셀을 보호하는 역할을 한다. 또한, 완충부재는 습기 침투 등 외부환경으로부터 전지 셀을 보호하고, 전지 셀과 커버유리를 접착해 봉인하는 역할을 하는 층으로, EVA(ethylene vinyl acetate)로 이루어질 수 있다. 그리고 전지 셀은 예컨대, 태양광을 받아서 전압과 전류를 발생시키는 발전소자로 구성된다. 예를 들어, 전지 셀은 투명 도전성 산화물 전극, 광 흡수층, 이면 전극층 및 절연막을 포함하여 형성될 수 있다. 여기서, 광 흡수층은 그 재료에 따라 단결정 또는 다결정 실리콘, CIGS(copper indium gallium selenide) 또는 텔루르화카드뮴(CdTe)을 이용하는 반도체 화합물, 다공질막의 나노입자 표면에 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광감응 염료 분자가 흡착된 염료 감응체, 비정질 실리콘 등으로 이루어질 수 있다.

한편, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기와 같은 구조로 이루어지는 광전지 모듈(100)은 적설 등의 외부 하중에 대한 내변형 특성을 향상시키기 위해, 즉, 종래에 외부 하중에 의해 발생되던 처짐 현상을 방지하기 위해, 외부로 노출되는 면이 볼록한 곡면으로 형성된다. 즉, 도시한 바와 같이, 광전지 모듈(100)은 육면체로 이루어질 수 있는데, 4 측면 중 서로 마주하는 한 쌍의 측면은 호 형태로 형성되고, 서로 마주하는 다른 한 쌍의 측면은 직선 형태로 형성될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전지 모듈(100)은 서로 마주하는 한 쌍의 단축면(101)과 서로 마주하는 한 쌍의 장축면(102)으로 이루어지는 측면부를 포함한다. 여기서, 단축면(101)은 길이 방향 양측 단부의 길이가 장축면(102)의 길이 방향 양측 단부의 길이보다 짧은 면으로 정의되고, 장축면(102)은 이의 반대로 정의된다. 그리고 본 발명의 일 실시 예에서는, 이 단축면(101)이 호 형태로 형성되고, 장축면(102)이 직선 형태로 형성된다. 이와 같이, 서로 마주하는 한 쌍의 단축면(101)이 호 형태로 형성됨에 따라, 광전지 모듈(100)의 외부 노출 면은 볼록한 곡면(convex curvature)을 이루게 된다.

여기서, 이와 같이 형성되는 볼록한 곡면의 볼록한 정도는 외부 하중에 대한 광전지 모듈(100)의 강도를 향상시키는 동시에 태양광 투과율에 대한 손실이 발생되지 않는 범위 내에서 제어되어야 한다. 이때, 볼록한 곡면의 볼록한 정도에 대한 범위는 평판 형태의 광전지 모듈과의 비교를 통해 산출할 수 있다. (도 3 참조) 즉, 본 발명의 실시 예에서, 호 형태를 이뤄 광전지 모듈(100)에 볼록한 곡면을 부여하는 단축면(101)에 있어서, 이의 양측 단부의 직선 거리(L2)는 이 단축면(101)이 평평하게 펼쳐진 상태의 양측 단부의 길이(L1) 대비 1 내지 2% 짧게 형성되는 것이 바람직한데, 이에 대한 임계적 의의는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전지 모듈(100)에서는 장축면(102)이 호 형태로 형성되고, 단축면(101)이 직선 형태로 형성된다. 이와 같이, 서로 마주하는 한 쌍의 장축면(102)이 호 형태로 형성됨에 따라, 광전지 모듈(100)의 외부 노출 면은 볼록한 곡면(convex curvature)을 이루게 된다.

여기서, 본 발명의 다른 실시 예 또한 본 발명의 일 실시 예와 마찬가지로, 광전지 모듈(100)의 볼록한 곡면에 대한 볼록한 정도는 외부 하중에 대한 광전지 모듈(100)의 강도를 향상시키는 동시에 태양광 투과율에 대한 손실이 발생되지 않는 범위 내에서 제어되어야 함은 물론이고, 이때, 볼록한 곡면의 볼록한 정도에 대한 범위는 평판 형태의 광전지 모듈과의 비교를 통해 산출할 수 있으며, 본 발명의 다른 실시 예에서, 호 형태를 이뤄 광전지 모듈(100)에 볼록한 곡면을 부여하는 장축면(102)의 양측 단부의 직선 거리는 이 장축면(102)이 평평하게 펼쳐진 상태의 양측 단부의 길이 대비 1 내지 2% 짧게 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에 따른 광전지 모듈(100)은 단축면(101) 또는 장축면(102)이 호 형태로 형성되어 광전지 모듈(100)의 외부 노출면을 볼록한 곡면으로 형성하게 된다. 이때, 광전지 모듈(100)의 반대면은 오목한 곡면을 이뤄, 전체적으로 기와 형태를 이룰 수 있다. 이와 같이, 광전지 모듈(100)이 기와 형태를 이루게 되면, 옥외 구조물로 설치되는 광전지 모듈(100)로 인해 건물의 디자인적 가치를 향상시킬 수 있다.

한편, 광전지 모듈(100)의 단축면(101) 또는 장축면(102)을 호 형태로 형성하기 위해서는, 광전지 모듈(100)을 구성하는 상기의 구성요소들을 합착(lamination)한 다음, 한 쌍의 단축면(101) 또는 한 쌍의 장축면(102) 양측에서 중심방향으로 동일한 압력을 가해 광전지 모듈(100)을 휘게 만들어 볼록한 곡면을 형성시킬 수 있다.

이때, 휘어진 광전지 모듈(100)은 탄성 복원력에 의해 평판 형태로 돌아갈 수 있다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는 광전지 모듈(100)의 측면을 고정 및 지지하는 프레임(200)이 광전지 모듈(100)의 설치면에 상향 경사지게 설치된다. 이와 같이 프레임(200)이 설치되면, 이에 고정되는 광전지 모듈(100)은 그 형상 그대로를 유지할 수 있어, 광전지 모듈(100)이 평판 형태로 복원되는 현상을 방지할 수 있게 된다. 이때, 광전지 모듈(100)의 상부와 하부는 투명한 커버유리가 배치되는데, 이와 같이, 그 측면이 프레임(200)과 결합하게 되면, 결합 과정에서 커버유리의 테두리가 손상되거나 깨질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이를 방지하기 위해, 광전지 모듈(100)의 측면이 안착되는 프레임(200)의 내측면이 오목한 라운드 형태로 형성될 수 있다. 아울러, 광전지 모듈(100)과 프레임(200) 간의 결합을 공고히 하기 위해, 광전지 모듈(100)이 안착된 프레임(200)의 내측면에는 실링재가 채워질 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 광전지 모듈의 특성에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 광전지 모듈(100)의 특성을 평가하기 위해, 광전지 모듈(100)의 구성요소 중 커버유리를 대상으로 시뮬레이션 하였다. 즉, 면적 1600㎜×1000㎜, 두께 2㎜의 강화되지 않은 유리에 볼록한 곡면을 형성시킨 후 1000㎩의 하중을 전 면적에 부가하였고, 이때의 처짐 수준(z축 변위)과 유리가 받는 최대 주응력을 측정하여 도 5와 하기의 표 1에 평판 유리와 비교하여 나타내었다. 여기서, 유리의 볼록한 곡면은 유리의 단축 방향을 980㎜(약 2%)로 줄이는 방법을 통해 형성하였다.

		평면 유리	곡면 유리
z축 변위	초기 상태(㎜)	0	+96.6
z축 변위	하중 부가 후(㎜)	-153.3	+90.6
	최대 주응력(㎫)	129.4	70.9

상기 표 1을 보면, 유리 전 면적에 1000㎩의 분포 하중을 균등하게 적용하고 있음을 가정하고 있으므로, 하중이 가해질 경우 곡면 유리는, z축 변위가 오히려 증가하는 방향으로 변형이 발생됨을 확인하였다. 이때, 최대 주응력이 유리의 파괴응력 120㎫을 초과할 경우, 파손이 발생하게 되는데, 평면 유리의 경우 이를 넘어선 반면, 곡면 유리의 주응력은 70.9㎫로 파손 발생 가능성이 극히 적은 것으로 확인되었다.

또한, 도 5의 그래프를 보면, 커버유리의 단축 길이를 감소시킨 경우(파란색), 외부 하중이 부가되어도 아래 방향으로 처짐이 발생하지 않은 것으로 확인됨에 따라, 처짐 현상에 의해 야기되는 프레임(200)에서의 이탈 및 전지 셀 파손 등이 방지될 수 있다. 반면에, 기존의 평면 유리의 경우(분홍색), 외부 하중 부가 시, 아래 방향으로 크게 휘어짐을 확인할 수 있었다.

한편, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광전지 모듈을 구성하는 커버유리의 파괴 강도 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 이를 위해, 면적 230㎜×110㎜, 두께 0.4㎜ 유리의 장축 길이를 감소시켜 볼록한 곡면을 형성한 후 이의 파괴 강도를 측정하였다.

도 6의 그래프에서 보여지는 바와 같이, 유리에 1N(0.1㎏f)의 하중을 가한 경우 z축 변위의 변화량을 비교해보면, 곡면이 없는 기존 유리는 약 2.5㎜ 이상의 처짐이 발생하였다. 반면에 장축 길이를 5㎜ 감소시킨 곡면 유리(장축 225㎜)의 경우 기존 유리의 10% 수준이 0.25㎜의 변화만이 발생하였음이 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로, 외부 하중에 대해 곡면으로 형성된 유리의 처짐 정도가 기존의 평면 유리 대비 현저히 낮게 발생함을 확인할 수 있었다.

상기와 같은 시뮬레이션 및 실험을 통해 외부 노출 면이 볼록한 곡면으로 형성된 유리(곡면 유리)는 기존의 평면 유리 대비 외부 하중에 대한 기계적 강도, 즉, 내변형 특성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다. 또한, 볼록한 정도가 클수록 처짐 현상이 적게 발생하는 경향을 확인할 수 있었다.

한편, 이러한 곡면이 커버유리의 광 투과율에 미치는 영향을 확인하였고, 실제 광전지 모듈(100)에 적용할 수 있는 볼록한 정도(curvature)에 대한 범위를 선정하였다.

이를 위해, 태양의 입사각을 고려하여, 유리와 광원과의 각도가 0~90ㅀ에서의 광 투과량을 시뮬레이션을 통해 비교하였고, 이를 하기의 표 2에 나타내었다. 이때, 면적 1600㎜×1000㎜, 두께 2㎜인 평면 유리를 기준으로 하였고, 이 유리의 단축 길이를 1%(990㎜), 2%(980㎜) 줄여 평면 유리에 곡면을 만들어 비교하였다.

입사각	광 투과량(W)
입사각	980㎜(곡면 유리)	990㎜(곡면 유리)	1000㎜(평면 유리)
0	57.4	57.983	58.499
10°	56.512	57.099	57.61
20°	53.827	54.449	54.941
30°	49.4	50.044	50.505
40°	43.168	43.828	44.281
50°	35.209	35.804	36.207
60°	25.778	26.179	26.286
70°	16.106	15.682	15.338
80°	8.092	6.6557	4.7652
89°	1.855	1.3292	0.07
90°	1.251	0.8832	0

상기 표 2를 보면, 유리의 단축 길이를 1% 및 2% 감소시켜 곡면을 형성시킨 경우, 이 유리의 광 투과량이 기존 평면 유리와 동일한 수준으로 나타났으며, 오히려 90ㅀ에 가까워질수록 광 투과량이 평면 유리보다 증가함을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 광전지 모듈 101: 단축
102: 장축 200: 프레임

Claims

광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 광전지 모듈에 있어서,
외부로 노출되는 면이 볼록한 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제1항에 있어서,
상기 광전지 모듈은 육면체로 이루어지되,
4 측면 중 서로 마주하는 한 쌍의 측면은 호 형태로 형성되고, 서로 마주하는 다른 한 쌍의 측면은 직선 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제2항에 있어서,
상기 한 쌍의 측면은 길이 방향 양측 단부의 상대적 거리가 짧은 단축면으로 이루어지고, 상기 다른 한 쌍의 측면은 길이 방향 양측 단부의 상대적 거리가 긴 장축면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제3항에 있어서,
상기 단축면의 양측 단부의 직선 거리는 상기 단축면이 평평하게 펼쳐진 상태의 양측 단부의 길이 대비 1 내지 2% 짧은 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제2항에 있어서,
상기 한 쌍의 측면은 길이 방향 양측 단부의 상대적 거리가 긴 장축면으로 이루어지고, 상기 다른 한 쌍의 측면은 길이 방향 양측 단부의 상대적 거리가 짧은 단축면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제5항에 있어서,
상기 장축면의 양측 단부의 직선 거리는 상기 장축면이 평평하게 펼쳐진 상태의 양측 단부의 길이 대비 1 내지 2% 짧은 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전지 모듈은 기와 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제7항에 있어서,
상기 광전지 모듈의 측면은 설치면에 고정되는 프레임에 결합되어 고정 및 지지되되,
상기 광전지 모듈의 측면이 안착되는 상기 프레임의 내측면은 오목한 라운드 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.