KR20140011317A - 중합체 재료로 제조된 특수 프레넬 렌즈를 기재로 하는 태양광 발전용 긴 수명 광학 집광기 - Google Patents

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토마스 아른트
페터 바텐하우젠
요헨 아케르만
미하엘 올브리히
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에보니크 룀 게엠베하
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Abstract

본 발명은 태양 방사선을 집속시키기 위하여 하부면이 하나 이상의 프레넬 렌즈의 형태로 표면 구조화된 집광기, 및 특정 압출 공정에 의하여 중합체성 재료로부터 집광기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 집광기는 광기전 또는 태양광식 가열을 목적으로 하는 설비에 사용될 수 있으며, 열악한 기후의 지역에서도 요구되는 내구성과 성능을 나타낸다. 본 발명의 집광기는 그의 형상과 무관하게 매우 경제적으로 생산될 수 있으며, 태양 방사선을 태양 전지나 흡수기 유닛과 같은 대상체 상으로 효율적으로 집광시킬 수 있게 한다. 본 발명의 집광기는 극단적이고 열악한 기후의 지역에서 사용될 때 보다 장기의 수명과 함께 높은 광학 성능을 나타낸다. 본 발명은, 예컨대, 집광형 광기전장치에서 사용되는 것과 같은 고성능 태양 전지 분야, 또한 마찬가지로 집광형 태양열 집열기, 예컨대, 파라볼릭 트로프 기술과 관련하여 사용되는 흡수기 관에 관한 것이다.

Description

중합체 재료로 제조된 특수 프레넬 렌즈를 기재로 하는 태양광 발전용 긴 수명 광학 집광기 {LONG-LIFE OPTICAL CONCENTRATOR BASED ON A SPECIFIC FRESNEL LENS PRODUCED FROM POLYMERIC MATERIALS FOR SOLAR POWER GENERATION}
본 발명은 태양 방사선을 집속시키기 위하여 하부면에 하나 이상의 프레넬(Fresnel) 렌즈의 형태로 표면 구조화된 집광기, 및 특수 압출 공정에 의하여 중합체성 재료로 집광기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 집광기는 광기전 또는 태양광 가열을 목적으로 하는 발전소에 사용될 수 있다.
본 발명의 집광기는 그의 형상과 무관하게 매우 경제적으로 생산될 수 있으며, 태양 방사선을 태양전 전지나 흡수기 유닛과 같은 물체 상으로 효율적으로 집광시킬 수 있게 한다.
본 발명의 집광기는 극단적이고 열악한 기후의 지역에서도 매우 긴 사용 수명 및 이와 동시에 높은 광학 성능을 나타낸다.
본 발명은, 예컨대, 집광형 광기전장치에서 사용되는 것과 같은 고성능 태양 전지 분야, 또한 마찬가지로 집광형 태양열 집열기, 예컨대, 파라볼릭 트로프 (parabolic trough) 기술과 관련하여 사용되는 흡열관에 관한 것이다.
프레넬 렌즈는 18세기 초에 개발되어, 프로젝션 모니터, 오버헤드 프로젝터, 자동차 전조등, 등대와 같은 투광 조명 및 기타 유사한 분야에서 사용된다. 최근에 프레넬 렌즈는 또한 태양 에너지를 집속하여 전기로 변환시키기 위한 태양 에너지 (특히, 광기전장치)의 집광기로서 사용되고 있다.
태양 방사선 집광의 정밀성, 및 상기한 태양광 분야에서 프레넬 렌즈와 같은 광학 소자를 갖는 플레이트 또는 필름의 강도, 치수 안정성 및 설치 용이성 등과 관련된 성능을 보장하기 위하여, 선행 기술에서는 이들 구조화 필름을 지지 필름 또는 플레이트에 라미네이팅 또는 결합시키는 것이 필요하였다. 그러나, 그와 같은 공정 계획은 비용이 많이 든다. 또한, 결합이 약한 지점, 및 사용된 접착제 계와의 바람직하지 못한 상호 작용으로 인하여 품질과 수명은 위협을 받거나 제한적인 것이었다.
또한, 소위 "써모라미네이트화"이 이용될 수 있으며, 이것은 임의로는 인라인으로 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 과정에 필요한 고온 및 고압은 광학 구조를 파괴하거나 그에 손상을 가하며, 결과적으로는 태양 방사선 집광기로서 목적하는 용도에 필요한 정밀도가 유지될 수 없다.
인라인 라미네이트화는 US 5,945,042 및 US 6,375,776에 두께 10 내지 100 μm 또는 35 내지 150 μm의 얇은 캐리어 필름에 대하여 개시되어 있다. 그와 같이 얇은 필름은 광기전장치 또는 태양열 집열기에 사용하기에는 치수 안정성 측면에서 부적절하다.
아크릴레이트 기판으로 선형 프레넬 렌즈를 제조하는 것은 US 5,656,209에, 3-롤 밀을 사용하여 고점도 및 저점도 용융물을 공압출시켜 선형 프레넬 렌즈를 생산하는 것으로 기재되어 있다. 이러한 방법의 단점은 생성되는 광학 구조가 정교하지 않고, 엠보싱 수단에 의해 정확하게 복제되지 않으므로, 태양 방사선의 정밀한 집광이라는 목적하는 용도에 적절하지 않다는 것이다. 또한, 생성되는 제품은 특히 열악한 기후 조건 하에서는 높은 UV 안정성을 갖지 못한다.
WO 2009/121708도 또한 광학 구조를 갖는 필름을 구조의 손상 없이 중합체 시트 상으로 써모라미네이팅시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 라미네이트화 공정은 종종 추가의 접착제 층 및 이에 따른 플레이트 내 상 계면의 수의 증가로 인하여 광학 특성의 손상이 일어나고, 결과적으로 에너지 수율 손실이 일어난다는 단점이 있다.
더우기, 공정 비용이 높을 뿐더러 요구되는 품질은 얻어진다 하더라도 단지 매우 제한된 정도로만 얻어진다.
또한, 그러한 선행 기술 시스템은 빈번히 세정되어야 한다. 그러한 발전소는, 예를 들어, WO 2009028000에 기재되어 있다.
WO 2009/099331에 개시된 유사한 시스템은 프레넬 렌즈 상으로 납작한 하부 가장자리를 갖는 추가의 매트릭스와 액상 충전제를 갖는다는 단점이 있다. 그러나, 이러한 추가의 재료는 투광율을 감소시킨다. 또한, 이러한 시스템은 비용이 매우 높고 불편한 방법으로만 생산될 수 있다.
대부분의 선행 기술은 프레넬 구조를 대체로 라미네이트화 공정에 의해 얻는 것을 목표로 하고 있으나, 상술한 바와 같이 이러한 공정은 품질 및 비용 면에서 뚜렷한 단점이 있다.
선행 기술 중 어느 것도 일반적으로 요구되는 사양, 즉, 1. 수명, 치수 안정성, 2. 태양 방사선 집광의 정밀성, 3. UV 및 기후 안정성, 4. 필름 또는 플레이트의 내마모성이 어떻게 달성되었는지에 관해 교시하고 있지 않다. 따라서, 단지 단시간 가동 후에도 라미네이트화 탈리, 혼탁화, 버블 형성, 스크래치 또는 황변화가 일어난다.
본 발명의 목적은 목적하는 사용 수명 내에 매우 높은 효율을 나타내며, 동시에 고품질, 저렴한 생산 비용을 가능하게 하는 태양 방사선 집광을 위한 신규 집광기를 제공한다. 본 발명의 집광기는 광기전 또는 태양광 집열을 위한 설비에 사용될 수 있다.
이와 동시에, 집광기는 열악한 기후 지역에서도 적어도 20년 이상의 수명을 가져야 하며, 태양광 집광의 정밀성이 보장되어야 하고, 환경적 영향 및 세정 과정과 관련하여 선행 기술에 비해 적어도 동등하거나 개선된 내성을 나타내야 한다.
보다 특히, 본 발명의 목적은 특히 선행 기술과 관련하여 단층 중합체 시트 상에 매우 정교한 표면 엠보싱과 동시에 장기간의 치수 안정성이 얻어질 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 방법으로 수득되는 집광기는 자체-지지 특성을 가져야 한다.
본 명세서에서, "자체-지지"란 작업편이 곡면화 또는 성형 단계 후에, 50℃ 이상, 바람직하게는 65℃ 이상의 사용 온도, 및 풍속과 같은 주변 환경 조건하에 그러한 형태를 유지하는 것을 의미한다. 이는, 예컨대, 태양 방사선 집광기와 관련하여 일단 성형된 후의 형상은 수송, 설치 및 발전소 가동 중에 유지된다는 것을 의미한다.
명확하게 언급되지 않은 다른 목적은 후술하는 상세한 설명, 특허청구범위 및 실시예 전체를 통하여 명백해질 것이다.
본 발명의 목적은 표면-구조화, 자체-지지형 집광기의 신규 제조 방법, 및 태양광 발전용 플랜트를 위해 그러한 자체-지지형 집광기를 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 목적은 보다 구체적으로는 태양광 발전용 플랜트를 위한 자체-지지형 집광기의 신규 제조 방법, 및 본 발명의 방법에 따라 제조된 이와 같은 집광기를 제공함으로써 달성된다.
본 발명에 따른 방법은 적어도 다음의 단계로 이루어진다.
펠릿 배합물을 압출기 내에서 용융시키고, 슬롯 다이를 통하여 인출하여 용융 필름 또는 시트를 얻음으로써 고투명도 중합체 층을 형성시킨다. 이 용융물을 롤 표면 상의 온도 구배가 60℃ 이상인 그라비아-장착 냉각 롤 또는 드럼을 사용하여 집광기의 나중의 하부면 상에서 구조화시킨 다음, 구조화가 유지되게 하면서 냉각시킨다. 집광기의 표면 구조화는 집광기 하부면의 광학적 표면 구조화로서, 광학적 표면 구조화란 하나 이상의 프레넬 렌즈를 형성하는 것이다. 본 발명에 따라서 또한 매우 중요한 것은 집광기에 1종 이상의 UV 흡수제와 1종 이상의 UV 안정화제가 포함되어 있다는 것이다.
바람직하게는, 구조화 전에 제2 압출기를 사용하여 제1 중합체 층 상부면 상으로 제2 펠릿 배합물을 공압출시켜 제2 중합체 층을 적용한다. 보다 바람직하게는, 제2 중합체 층에는 UV 안정화제 및 UV 흡수제가 포함되어 있다. 임의로는, 이와 같은 제2 압출기 또는 추가로 제3 압출기를 사용하여 마찬가지로 제1 중합체 층의 하부면에 공압출에 의해 제2 펠릿 배합물을 적용할 수 있다. 제3층은 제2층과 같은 방식으로 부가되는 것이 바람직하다.
또한, 1종 이상의 UV 흡수제는 트리아진인 것이 바람직하며, 특히 바람직한 UV 흡수제는 1종 이상의 벤조트리아졸과 1종 이상의 트리아진이며, 더욱 특히 바람직한 UV 안정화제는 1종 이상의 HALS 화합물이다.
놀랍게도, 이와 같은 방법으로 생성된 다층 시스템은 선행 기술에서 나타난 여러 가지 단점을 갖지 않는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 라미네이트화 탈리의 위험이 없다. 이러한 방법은 태양 방사선 집광을 위해 그와 같은 방법으로 생성된 프리즘 시트가 고도의 품질 및 정밀성을 갖는 것을 특징으로 한다. 시트의 상부면, 및 임의로는 하부면도 또한 강한 UV선으로부터 보호됨으로써, 결과적으로 황변 현상이 일어나지 않는다. 또한, 적절한 재료를 선택함으로써 집광기의 혼탁 현상 또는 열에 의한 변색을 방지할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같은 적절한 표면 마감층에 의해 스크래치나 오염의 위험을 최소화할 수 있다. 이러한 수단은 사용 수명을 연장시킨다. 또한, 반사 방지 코팅을 사용하여 원칙적으로 에너지 수율이 증가될 수 있다.
또한, 집광기의 상부면은 구조화 전 또는 후에 내스크래치 코팅 및/또는 방오 코팅 및/또는 반사방지 코팅으로 코팅될 수 있다.
일반적으로, 제1 중합체 층은 강도를 결정하며, 따라서 성형에 매우 중요하다. 그러나, 또 다른 실시양태에서는, 제1 중합체 층과 제2 또는 제3 중합체 층과의 층 두께 차이를 적게 하여, 모든 또는 두 개의 층이 성형에 역할을 하도록 하였다.
본 발명의 집광기는 전체 두께가 0.1 mm 내지 25 mm, 바람직하게는 0.5 mm 내지 15 mm, 보다 바람직하게는 1 mm 내지 10 mm이다.
본 발명 방법의 또 다른 측면은, 라미네이트가 자체-지지가 될 정도의 강도를 가지며, 열의 작용하에도 치수가 안정적으로 유지되는 동시에 프레넬 렌즈 구조를 유지하면서도 변형될 수 있다는 것이다. 이러한 특성은 본 발명에 따라서, 개별 층들을 강도, 두께 및 기타 재료의 특성과 관련하여 서로에 대해 적절히 조합됨으로써 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 방법 외에, 본 발명의 방법에 따라 제조될 수 있는 집광기가 본 발명의 일부를 구성한다.
보다 특히, 이들 집광기는 광원에서 바라볼 때 적어도 다음과 같은 층들로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
1. UV 안정화제 및 UV 흡수제를 포함하며 두께가 5 내지 500 μm, 바람직하게는 10 내지 250 μm, 보다 바람직하게는 20 내지 150 μm인 제2 중합체 층, 및
2. 두께가 0.1 내지 25 mm, 바람직하게는 0.5 내지 15 mm, 보다 바람직하게는 1 내지 10 mm인 제1 중합체 층.
또한, 집광기의 하부면은 하나 이상의 프레넬 렌즈의 형태로 표면-구조화된다.
제2 중합체 층은 수 개의 구성요소 층으로 이루어진 층일 수 있다. 예컨대, 제2층은 2- 또는 3-층 공압출물일 수 있다. 이 경우에, 각 층은 제2층에 대하여 언급된 두께를 충족시킨다. 그러나, 전체 공압출물의 두께는 바람직하게는 제2 중합체 층에 대해 명시된 값에 상응하는 5 내지 500 μm, 바람직하게는 10 내지 250 μm, 보다 바람직하게는 20 내지 150 μm이다.
이와 같은 방법은 바람직하게는 집광기를 생산하는 전체 공정과 라인을 이루며, 예컨대, 문헌 ["Plastic Extrusion Technology" (F. Hensen, Hanser Publishers, Munich, 2nd edition, 1997)]에 상세히 기재된 바와 같은 공지된 공압출 기술에 의해 수행된다.
본 발명의 집광기는 바람직하게는 광원에서 바라볼 때 다음과 같은 층들로 이루어진다.
1. 방오, 반사-방지 및 내스크래치-개선 특성을 갖는 표면 마감층,
2. UV 안정화제 및 UV 흡수제를 포함하며 두께가 5 내지 500 μm, 바람직하게는 10 내지 250 μm, 보다 바람직하게는 20 내지 150 μm인 제2 중합체 층,
3. 두께가 0.1 내지 25 mm, 바람직하게는 0.5 내지 15 mm, 보다 바람직하게는 1 내지 10 mm인 제1 중합체 층, 및
4. 임의로 또한 바람직하게는 UV 안정화제 및 UV 흡수제를 포함하며 두께가 5 내지 500 μm, 바람직하게는 10 내지 250 μm, 보다 바람직하게는 20 내지 150 μm인 제3 중합체 층.
제3 중합체 층에서 임의의 다층 구조와 관련하여, 제2 중합체 층에 대하여 전술한 바와 같은 동일한 사항이 적용된다.
또한, 집광기의 하부면은 하나 이상의 프레넬 렌즈의 형태로 표면-구조화 된다.
개별 프레넬 렌즈는 각형, 방사형 또는 선형일 수 있다. 이들은 격자 형태 또는 직선 형태로, 또는 서로에 대해 불규칙하게 배열될 수 있으며, 바람직하게는 평행하게 진행되는 선형 구조로 배열된다.
본 발명의 신규 집광기는, 특히, 광학적 특성과 관련하여, 선행 기술을 뛰어 넘는 장점으로서 다음과 같은 특성을 조합하여 갖는다: 본 발명의 집광기의 재료는 UV, 풍화 및 수분의 영향 하에서도 특히 무채색이고, 혼탁해지지도 않는다. 본 발명의 집광기는 우수한 기후 안정성을 나타내며, 임의의 표면 마감층이 있는 경우, 매우 우수한 내화학성, 예를 들어, 시판되는 모든 세정제 조성물에 대하여 내성을 나타낸다. 이에 의해 장기간 동안 태양광을 집속시킬 수 있게 한다. 세정을 용이하게 하기 위하여, 표면은 방오 특성을 갖는다. 또한, 표면은 임의로는 내마모, 반사방지 및/또는 내스크래치 처리된다.
본 발명의 상세한 설명
중합체 층의 재료
제1 중합체 층은 투명 중합체 재료의 층, 예를 들어, SAN (스티렌-아크릴로니트릴 삼원공중합체), 폴리카르보네이트, 폴리우레탄, 폴리시클로올레핀, 폴리스티렌, 스티렌 공중합체, 폴리에스테르, 바람직하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 또는 PETG의 층, 또는 폴리 (메트)아크릴레이트의 층이다.
임의적인 제2 중합체 층, 및 마찬가지로 임의적인 제3 중합체 층은 폴리(메트)아크릴레이트, 플루오로중합체 또는 폴리(메트)아크릴레이트와 플루오로중합체의 혼합물, 바람직하게는 PMMA와 PVDF의 혼합물의 층, 또는 PMMA와 PVDF로 이루어진 다층 시스템이다.
(2층 시스템의 경우) 2개층, 또는 3개층 모두의 중합체 조성은 임의로는 또한 동일할 수 있다.
일반적으로 결정성 규소 PV 전지를 사용하는 경우, 집광형 광기전장치 (PV)의 관련 파장 범위는 약 300 내지 1800 nm, 또는 약 300 내지 1200 nm이다.
선택된 중합체는 특정 관련 파장 범위에서 최대 투명도를 가져야 한다.
표면 구조화
고투명도 중합체 층의 표면은 특수 기구를 사용한 인라인 엠보싱 공정에 의해 프레넬 렌즈 구조로 엠보싱될 수 있다. 압출기(들)의 슬롯 다이로부터의 용융물을 인테이크 롤과 그라비아 롤 또는 드럼 사이의 롤 닙으로 직접 공급하는 것을 포함한다. 용융물은 프리스넬 렌즈 형상을 형성시키는 그라비아 롤 또는 드럼에 의해 운반된다. 이 롤 또는 드럼은 롤 닙의 접촉점에서 융해열 또는 최대 20℃ 낮은 온도로 조절된다. 인테이크 롤과의 닙을 빠져나간 후에, 용융 필름은 그라비아 롤 또는 드럼과 냉각수조로부터 형성된 닙으로 공급된다. 이 지점에서, 롤 또는 드럼은 용융 필름이 고화 온도로 냉각되는 정도로 냉각된다. 이러한 목적으로, 드럼 또는 롤은 속이 빈 형태로 그 안이 냉각 매질로 채워질 수 있다. 충전 수준은 냉각조의 반대쪽 영역만 냉각될 수 있도록 선택되어야 한다. 이러한 과정에 의해, 용융 필름은 그라비아 공정에서 보다 서서히 냉각되어 더 우수하고 첨예한 구조 프로파일을 얻을 수 있다.
이 과정에 의해, 용융 필름은 150℃ 내지 250℃, 일반적으로 180℃ 내지 220℃로부터, 롤이 반회전하는 동안에 100℃ 미만, 바람직하게는 90℃ 미만, 더욱 바람직하게는 80℃ 미만으로 냉각된다.
이러한 목적으로, 그라비아 롤 또는 드럼의 표면은 슬롯 다이로부터 용융물이 공급되는 롤 닙으로부터 시작하여 반회전하는 동안에 60℃ 이상, 바람직하게는 80℃ 이상, 보다 바람직하게는 100℃ 이상 냉각된다.
일정한 냉각을 보장하기 위하여, 예컨대, 롤 또는 드럼 및 냉각수조 내의 냉각 매질은 정기적으로, 바람직하게는 영구적으로 유입구와 배출구를 통하여 교체된다.
또한, 그라비아 롤 또는 드럼은 그라비아 슬리브가 실린더 상으로 클램핑되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라 사용될 수 있는 표면 구조화 공정은 WO2009/072929 및 WO01/19600에 개략적으로 기재되어 있다.
안정화제 패키지 (광 안정화제)
바람직하게는 사용되는 고투명도 중합체 층에는 UV 차단 기능이 있다. 적절한 UV 차단 배합물은, 예컨대, WO 2007/073952 (에보닉 롬(Evonik Rohm)) 또는 DE 10 2007 029 263 A1에 기재되어 있다.
본 발명에 따라 사용되는 UV 차단 층의 특정 성분은 UV 첨가제 패키지로서, 집광기의 긴 수명 및 기후 안정성에 기여한다.
바람직하게는, 본 발명에 따라 사용되는 UV 차단 층에 사용되는 안정화제 패키지는 다음 성분들로 이루어진다.
Figure pct00001
A: 벤조트리아졸계 UV 흡수제,
Figure pct00002
B: 트리아진계 UV 흡수제,
Figure pct00003
C: UV 안정화제, 바람직하게는 HALS 화합물
성분 A 및 B는 개별적으로 또는 혼합물로 사용될 수 있다. 적어도 하나의 UV 흡수제 성분은 최상부 중합체 층에 존재하여야 한다. 성분 C는 본 발명에 따라 사용되는 최상부 중합체 층에 반드시 존재하여야 한다.
보다 특히, 본 발명에 따라 생산되는 집광기는 선행 기술과 비교하여 상당히 개선된 UV 안정성과 보다 긴 수명을 특징으로 한다. 본 발명의 재료는 따라서 아주 긴 일조 시간과 매우 강렬한 태양광을 받는 지역, 예컨대, 미국 서남부 또는 사하라에서 태양광 집광기 중 15년 이상의 아주 장기간, 바람직하게는 20년 이상, 보다 바람직하게는 25년 이상 사용될 수 있다.
"태양광 가열"과 관련된 태양 방사선의 파장 스펙트럼은 약 300 nm 내지 2500 nm이다. 그러나, 집광기의 수명을 장기화하기 위해서는 "유효 파장 범위"인 375 nm 또는 400 nm로부터 2500 nm를 보존하기 위하여 400 nm 미만, 특히 375 nm 미만은 필터링 제거하여야 한다. 본 발명에 따라 사용되는 UV 흡수제와 UV 안정화제의 혼합물은 넓은 파장 스펙트럼 (약 300 nm 내지 약 400 nm)에 걸쳐 안정하고 장기적인 UV 차단을 나타낸다.
표면 코팅
본 발명에서 "표면 코팅"이란 표면 스크래칭을 감소시키고/거나 내마모성을 개선시키고/거나 방오 코팅으로 작용하고/거나 반사를 방지하도록 적용되는 코팅을 총괄적으로 지칭하는 것으로 이해된다.
내스크래치 코팅
스크래치 내성 또는 내마모성을 개선시키기 위하여 폴리실록산, 예를 들어, 에스디씨 테크놀로지스 인크.(SDC Technologies Inc.)로부터의 크리스탈코트 (CRYSTALCOAT)™ MP-100, 모멘티브 퍼포먼스 머티리얼즈(Momentive Performance Materials)로부터의 AS 400-SHP 401 또는 UVHC3000K가 사용될 수 있다. 이들 코팅 배합물은, 예를 들어, 롤-코팅, 나이프-코팅 또는 플로우-코팅 수단으로 집광기의 고투명도 중합체 층의 표면에 적용된다. 또 다른 유용한 코팅 기술의 예는 PVD (물리적 증착) 및 CVD 플라즈마 (화학적 증착)를 포함한다.
방오 코팅
방오 작용물질은 종종 내스크래치 코팅 배합물 중에 포함된다. 이들은 또한 내스크래치 코팅 대신에 또는 -별도의 공정으로- 내스크래치 코팅 위에 적용될 수 있다. 방오 코팅은, 예를 들어, 플루오로중합체, 실리콘 중합체, 소위 혼성 재료, 이산화티타늄 입자 또는 이들의 조합에 의해 생성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
반사방지 코팅
단층 또는 다층 반사방지 코팅이 있다. 단층 코팅은 일반적으로 그 아래에 있는 재료의 굴절률의 제곱근으로부터 계산된 굴절률을 갖는다. 다층 코팅은 상이한, 점차적으로 변화하는 굴절률을 갖는다. 올바른 반사방지 코팅의 선택은 그 아래에 있는 재료의 광학적 특성, 특히, 굴절률, 그 아래에 있는 층의 접착 특성, 및 코팅에 의해 흡수된다 하더라도 최소 한도에 그칠 수 있는, 집속시키고자 하는 바람직한 파장에 따른다. 이러한 이유로, 흡수 원리에 기초한 반사방지 코팅은 본 발명의 집광기에 적절하지 않다.
상업적으로 시판되는 반사방지 코팅은 당업자에 알려져 있다. 집광기의 다른 파라미터를 고려하여 적절한 코팅을 선택하는 것은 또한 당업자에게 용이할 것이다. 또한, 그와 같은 집광기용 반사방지 코팅은 US 20090032102에 기재되어 있다.
추가의 실시양태에서, 반사는 집광기의 두 개의 최상층, 예를 들어, 제1 및 제2 중합체 층, 또는 내스크래치 층 및/또는 방오 코팅과 제2 중합체 층, 또는 내스크래치 층 및/또는 방오 코팅과 제1 중합체 층, 또는 모든 층들이 굴절률과 관련하여 반사를 최소화하거나 방지하는 수준에 이르도록 선택됨으로써 감소될 수 있다.
매우 바람직한 실시양태에서, 단순한 반사 방지 코팅의 원리는 최상층의 굴절률이 정확도 5%로 그 아래에 있는 재료의 굴절률의 제곱근이 되도록 하여 달성된다.
집광기의 용도
본 발명에 따라 생산되는 집광기는 광기전 발전소 또는 태양열 발전소에서 집광기로서 사용되는 것이 바람직하다. 특징은 두 개의 상이한 실시양태 사이에서 도출될 수 있다.
첫번째 실시양태에서, 집광기의 하부면은 각형 또는 방사형 프레넬 렌즈를 갖는다. 이는 태양 방사선을 광기전 전지의 2차원 형상 상으로 및 태양열 집열기의 열 수용기 또는 스털링(Stirling) 모터 상으로 점-집광형으로 집속시킨다.
두번째 실시양태에서, 집광기의 하부면은 선형 프레넬 렌즈를 갖는다. 이는 태양 방사선을 광기전 전지의 선형 배열 상으로 또는 태양열 집열기의 흡열관 상으로 선-집광형으로 집속시키는데 사용될 수 있다.
실시양태 둘 다에서, 평판 패널 또는 곡선 형태로 생산하여 광기전 플랜트 또는 태양열 집열기 내에 설치할 수 있다. 곡면화는 저온 곡면화 또는 열성형에 의해 집광기 생산 후에 수행될 수 있고, 후속하여 크기에 맞게 절단되며, 저온 곡면화 공정이 바람직하다.

Claims (17)

  1. 태양광 발전용 집광기의 제조 방법이며,
    펠릿 배합물을 압출기 내에서 용융시키고, 슬롯 다이를 통하여 인출하여 고투명도 중합체 층을 형성시킨 다음, 롤 표면 상의 온도 구배가 60℃ 이상인 그라비아-장착 냉각 롤 또는 드럼을 사용하여 집광기의 나중의 하부면 상에서 필름 표면을 구조화시키고,
    구조화 후의 중합체 층은 집광기 하부면 상에서 광학적 표면 구조를 가지며, 상기 광학적 표면 구조는 하나 이상의 프레넬(Fresnel) 렌즈를 형성하고,
    집광기에 1종 이상의 UV 흡수제 및 1종 이상의 UV 안정화제가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 구조화 전에 제2 압출기를 사용하여 제1 중합체 층의 상부면 상에 제2 펠릿 배합물을 공압출시켜 제2 중합체 층을 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 구조화 전에 제2 또는 제3 압출기를 사용하여 제1 중합체 층의 하부면 상에 공압출에 의해 제3 중합체 층을 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제2 및/또는 임의적인 제3 중합체 층이 다층 공압출물인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 및 임의적인 제3 중합체 층에 또는 제2 및 임의적인 제3 중합체 층 중 적어도 하나의 구성요소 층에 UV 안정화제 및 UV 흡수제가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 1종 이상의 UV 흡수제가 트리아진인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, UV 흡수제가 1종 이상의 벤조트리아졸 및 1종 이상의 트리아진이고, UV 안정화제가 1종 이상의 HALS 화합물인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 집광기의 표면을 구조화 전에 내스크래치 및/또는 방오 및/또는 반사방지 코팅으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 최상층의 굴절률이 정확도 5%로 그 아래에 있는 층의 굴절률의 제곱근이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 중합체 층이 투명한 재료, 예를 들어 SAN, 폴리카르보네이트, 폴리우레탄, 폴리시클로올레핀, 폴리스티렌, 스티렌 공중합체, 폴리에스테르, 바람직하게는 PET 또는 PETG, 폴리(메트)아크릴레이트, 또는 이들 중합체의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 및 임의적인 제3 중합체 층이 각각 폴리(메트)아크릴레이트, 플루오로중합체, 또는 폴리(메트)아크릴레이트와 플루오로중합체의 혼합물의 층, 바람직하게는 PMMA와 PVDF의 혼합물의 층 또는 PMMA와 PVDF로 이루어진 다층 시스템인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 광원에서 바라볼 때 적어도 하기 층:
    UV 안정화제 및 UV 흡수제를 포함하며 두께가 5 내지 500 μm, 바람직하게는 10 내지 250 μm인 제2 중합체 층, 및
    두께가 0.1 내지 25 mm, 바람직하게는 0.5 내지 15 mm인 제1 중합체 층
    으로 이루어지며,
    하부면이 하나 이상의 프레넬 렌즈의 형태로 표면-구조화되어 있는 것을 특징으로 하는 집광기.
  13. 제12항에 있어서, 광원에서 바라볼 때 하기 층:
    방오, 반사-방지 및 내스크래치-개선 특성을 갖는 표면 마감층,
    UV 안정화제 및 UV 흡수제를 포함하며 두께가 5 내지 500 μm, 바람직하게는 10 내지 250 μm인 제2 중합체 층,
    두께가 0.1 내지 25 mm, 바람직하게는 0.5 내지 15 mm인 제1 중합체 층, 및
    두께가 5 내지 500 μm, 바람직하게는 10 내지 250 μm인 제3 중합체 층
    으로 이루어지며,
    하부면이 하나 이상의 프레넬 렌즈의 형태로 표면-구조화되어 있는 것을 특징으로 하는 집광기.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 개별 프레넬 렌즈가 각형, 방사형 또는 선형 구조인 것을 특징으로 하는 집광기.
  15. 제14항에 있어서, 프레넬 렌즈가 격자 형태 또는 선형 형태로, 또는 서로에 대해 불규칙하게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 집광기.
  16. 태양 방사선을 광기전 전지의 2차원 형상 상으로 및 태양열 집열기의 열 수용기의 스털링(Stirling) 모터 상으로 점-집광형으로 집속시키기 위한, 각형 또는 방사형 프레넬 렌즈를 갖는 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 집광기의 용도.
  17. 태양 방사선을 광기전 전지의 선형 배열 상으로 또는 태양열 집열기의 흡열관 상으로 선-집광형으로 집속시키기 위한, 선형 프레넬 렌즈를 갖는 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 집광기의 용도.
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