KR20170002733A - 파장 분리를 이용한 집광형 태양광-태양열 복합 시스템 및 방법 - Google Patents

파장 분리를 이용한 집광형 태양광-태양열 복합 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집광형 태양광 발전에 관한 것으로서, 특히 태양광과 태양열을 동시에 사용하여 전력을 생산하는 하이브리드 방식의 시스템 및 방법에 관한 것이다. 집광소자; 분광기; 광전소자; 및 열전소자를 포함하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템과 집광소자, 분광기, 광전소자 및 열전소자를 하부에서부터 차례대로 배열하는 단계; 집광소자를 이용하여 태양광을 집광하는 단계; 분광기로 집광소자에 집광된 태양광을 파장별로 분리하는 단계; 광전소자가 분광기로부터 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 전력을 발생시키는 단계; 및 열전소자가 분광기로부터 분리된 가시광선 또는 자외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 열을 발생시키는 단계를 포함하는 집광형 태양광-태양열 복합 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 태양광의 파장을 분리함으로써 보다 높은 태양열을 이용할 수 있는 이점과 근적외선 위주의 이중접합 구조의 태양전지를 제시함으로써 시스템의 제조비용을 낮출 수 있는 이점이 있다.

Description

파장 분리를 이용한 집광형 태양광-태양열 복합 시스템 및 방법{SOLAR LIGHT AND HEAT HYBRID SYSTEM DIVIDING THE WAVELENGTH OF SOLAR LIGHT}
본 발명은 집광형 태양광 발전에 관한 것으로서, 특히 태양광과 태양열을 동시에 사용하여 전력을 생산하는 하이브리드 방식의 시스템 및 방법에 관한 것이다.
태양광발전 (photovoltaic power generation)은 햇빛을 직류 전기로 바꾸어 전력을 생산하는 발전 방법이다. 태양광발전은 여러 개의 태양전지들이 붙어있는 태양광 패널을 이용한다. 재생 가능한 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라, 태양 전지와 태양광 어레이의 생산도 크게 늘어나고 있는 추세이다. 태양광 발전량은 2년마다 두 배씩 증가하였으며, 2002년 이래로 매년 평균 48%의 성장을 하였고, 에너지 기술 분야에서 가장 빠르게 성장하고 있는 분야이다. 잠정적인 자료에 의하면 2007년 말에, 전 세계의 누적 생산량은 12,400MW였다. 특히 집광형 태양광시스템은 일반적으로 고효율의 태양전지에 렌즈 등의 빛을 수 배에서 수백 배까지 집광하여 발전하는 것으로 태양 추적 기능을 갖추고 있다. 집광형 태양광시스템은 고효율, 낮은 재료 의존성 및 낮은 전력 생산 단가의 장점을 가지고 있으며, 최근 40% 이상의 고효율 태양전지의 개발과 집광비율의 증가 그리고 생산 자동화에 의해 미래의 태양광시장은 그 점유율이 높아질 전망이다.
이와 관련 종래 문헌으로 한국공개특허 제2013-0054507호(태양광 다중집광 방법과 하이브리드 태양광발전 시스템)는, 태양광을 집광하여 초점에서 고온을 형성하고, 초점부에 설치된 흡수기로 열매체를 순환시켜 고온의 열을 획득하고, 솔라셀을 이용하여 발전효과를 높인 시스템을 개시하고 있다.
다만, 기존의 하이브리드 방식은 태양전지와 집열판의 수광면이 동일하게 적용되어 작동되기 때문에, 태양열을 이용하는 부분과 태양광을 이용하는 부분의 온도가 비슷해진다. 태양전지의 작동 최대온도를 넘어가는 경우 효율이 저하되기 때문에 태양열을 이용하는 부분, 즉 태양열로 집광되는 온도가 태양전지의 작동온도를 넘어서는 안되는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2013-0054507호
본 발명은 집광된 빛의 파장을 분리하여 태양열과 태양광의 수광부분을 달리하고, 광전소자와 열전소자의 동작 온도를 개별화시켜 태양광의 전력발전 효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 태양광의 분광을 이용하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템에 있어서, 태양광을 집광하는 집광소자; 집광소자에 집광된 태양광을 파장별로 분리하는 분광기; 분광기로부터 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 전력을 발생시키는 광전소자; 및 분광기로부터 분리된 가시광선 또는 자외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 열을 발생시키는 열전소자를 포함하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템을 제공하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 집광소자는, 태양광을 직사광선 형태로 변경하여 분광기로 내보내는 오목렌즈를 포함할 수 있다.
바람직하게 집광소자는, 태양광을 곡률이 일정한 반사판으로 집광하는 선형 집광모드로 동작하며, 선형 집광모드는 오목렌즈, 분광기 및 태양전지가 직선 형태로 구성된 단면을 연장한 형태로 구성될 수 있다.
바람직하게 집광소자는, 태양광을 파라볼라 형태의 접시판으로 집광하는 점형 집광모드로 동작하며, 원형 형태로 빛을 모으고, 광전소자와 열전소자가 원형 형태의 중심을 기준으로 반지름의 변이에 따라 대칭으로 구성될 수 있다.
바람직하게 광전소자는, 분광기에서 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 집광하는 광트레이; 및 광트레이에 의해 집광된 태양광으로부터 전력을 생성하는 태양전지를 포함할 수 있다.
바람직하게 태양전지는, 적어도 하나 이상의 반도체 셀을 포함하고, 반도체 셀을 접합구조로 형성하여, 전력의 생성 효율을 높일 수 있다.
바람직하게 태양전지는, 화합물 소자 또는 Si (실리콘) 소자일 수 있다.
바람직하게 화합물 소자는 (In)GaAs/Ge, Cu(In)GaSe(S) 및 CdTe 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
바람직하게 열전소자는, 가시광선 또는 자외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 집광하는 집열기; 및 광전소자에서 발생하는 태양열을 전달받아 물의 온도를 변화시키는 수냉식 관을 포함하고, 집열기와 수냉식 관은 각각 분리되어 있으며, 집열기는 광전소자의 최대 작동온도와 무관하게 동작할 수 있다.
바람직하게 분광기의 중심으로부터 광전소자의 중심까지 이르는 수광 거리는 조절이 가능하며, 수광 거리를 조절하여 태양전지의 작동 온도와 전력을 조절할 수 있다.
또한 본 발명은, 태양광의 분광을 이용하는 집광형 태양광-태양열 복합 방법에 있어서, 집광소자; 분광기; 광전소자; 및 열전소자를 배열하고, 집광소자를 이용하여 태양광을 집광하는 단계; 분광기로 집광소자에 집광된 태양광을 파장별로 분리하는 단계; 광전소자가 분광기로부터 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 전력을 발생시키는 단계; 및 열전소자가 분광기로부터 분리된 가시광선 또는 자외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 열을 발생시키는 단계를 포함하는 집광형 태양광-태양열 복합 방법을 제공하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게 전력을 발생시키는 단계는, 분광기에서 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 광트레이로 집광하는 단계; 및 광트레이에 의해 집광된 태양광으로부터 태양전지를 이용하여 전력을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양광의 파장을 분리함으로써 보다 높은 태양열을 이용할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 근적외선 위주의 이중접합 구조의 태양전지를 제시함으로써 시스템의 제조비용을 낮출 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집광형 태양광-태양열 복합 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 선형 집광모드를 나타낸다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 점형 집광모드를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 분광기가 파장을 분리하는 모습이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파장분리형 하이브리드 시스템에 적합한 태양전지의 모습이다
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 분광기와 태양전지의 수광거리를 조절하는 모습과 이에 따른 집광도와 수광폭이 변화하는 모습을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 집광형 태양광-태양열 복합 방법의 순서도를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집광형 태양광-태양열 복합 시스템(1)의 개략도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 집광형 태양광-태양열 복합 시스템(1)은 집광소자(10), 분광기(30), 광전소자(50) 및 열전소자(70)로 구성될 수 있다.
집광소자(10)는 집광반사판 또는 집광렌즈 등에 의하여 태양광을 집광시킬 수 있다. 집광소자(10)는 집광된 태양광을 직사광선 형태로 변경하여 분광기(30)로 내보내는 오목렌즈(101)를 포함할 수 있다. 집광소자(10)는 태양광을 곡률이 일정한 반사판으로 집광하는 선형 집광모드(90)로 동작하며, 선형 집광모드(90)는 오목렌즈(101), 분광기(30) 및 태양전지(503)가 직선형태로 구성된 단면을 연장한 형태로 구성될 수 있다. 집광소자(10)는 태양광을 파라볼라 형태의 접시판으로 집광하는 점형 집광모드(91)로 동작할 수 있다. 점형 집광모드(91)는 원형 형태로 빛을 모으고, 광전소자(50)와 열전소자(70)가 원형 형태의 중심을 기준으로 반지름의 변이에 따라 대칭으로 구성될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 선형 집광모드(90)를 나타내고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 점형 집광모드(91)를 나타낸다. 도 2a를 참조하면, 선형 집광모드(90)는 적용되는 파장분리 시스템에 있어서 오목렌즈(101) 및 분광기(30) 등이 일직선으로 구성되는 선형 형태로 이루어진다. 선형 집광모드(90)는 태양광이 일직선으로 입사된다고 가정했을 때, 일직선으로 입사되는 하나의 태양광이 하나의 단면으로 집광된다고 볼 수 있고, 이러한 단면을 연결시켜 태양광 전체를 집광시키는 형태를 갖출 수 있다. 선형 집광모드(90)는 태양광을 집광시켜 광전소자(50)로 입사시킬 수 있다. 집광된 태양광은 광전소자(50)의 광트레이(501)로 입사되어 태양전지(503)와 수냉식 관(703)을 통해 태양광과 태양열의 발전을 할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 점형 집광모드(91)는 접시판 모양의 반사판을 집광소자(10)로 이용할 수 있다. 점형 집광모드(91)는 집광소자(10)가 원형 형태로 빛이 모아지고, 파장 분리형 분광기(30) 또는 오목렌즈(101)도 모두 원의 중심을 기준으로 반지름의 변이에 따라 형태가 대칭으로 변화하는 원형 형태로 이루어질 수 있다. 특히 파장가변형의 경우, 근적외선 영역~적외선 영역은 가운데 영역의 원으로 모여 이 부분은 태양전지(503)가 설치되어 태양광을 수광하는 부분이고, 가운데 원을 제외한 나머지 부분은 가시광선 영역에서 자외선 영역에 해당하는 빛을 모으는 부분으로 집열기(701)가 설치되어 태양열을 수광하는 부분이 될 수 있다.
분광기(30)는 집광소자(10)에서 집열된 태양광을 파장의 길이 별로 분리하는 역할을 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 분광기(30)가 파장을 분리하는 모습이다. 분광기(30)는 회절격자나 간섭을 이용할 수 있고, 프리즘을 이용할 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 파장별로 빛을 스펙트럼화 하는 수단을 나타낸다. 본 발명에서 분광기(30)는 프리즘을 이용하여 빛의 스펙트럼을 측정할 수 있다. 도 3을 참조하면, 태양광이 집광되어 분광기(30)로 들어오게 되면, 빛의 파장에 따라 굴절률이 상이하여 분광기(30) 좌우측으로 빛이 나뉘게 된다. 분광기(30)의 매질이나 입사각에 따라 약간의 차이가 있을 수 있으나, 일반적으로 도 3과 같이 태양광을 구성하는 파장은, 파장의 길이에 따라 굴절율이 상이하여 영역별로 구분되어 나타날 수 있다. 따라서 파장의 길이가 상대적으로 긴 적외선은 굴절율이 작아 가운데 부분으로 상이 맺히고, 자외선과 가시광선은 적외선 양쪽으로 상이 맺히게 된다. 이는 후술하는 광전소자(50)와 열전소자(70)에서 이용될 수 있다.
광전소자(50)는 분광기(30)에서 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 집광하는 광트레이(501) 및 광트레이(501)에 의해 집광된 태양광으로부터 전력을 생성하는 태양전지(503)를 포함할 수 있다. 광트레이(501)는 상술한 바와 같이 분광기(30)에 의해 분리된 태양광을 태양전지(503)로 모아주는 역할을 한다. 광트레이(501)는 일반적으로 분광기(30)에서 나오는 평행광을 가이드 역할을 하여 광을 집속하는 수단을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파장분리형 하이브리드 시스템에 적합한 태양전지(503)의 모습이다. 태양전지(503)는 적어도 하나 이상의 반도체 셀(505)을 포함하고, 반도체 셀(505)을 접합구조로 형성하여, 전력의 생성 효율을 높일 수 있다. 도 4를 참조하면, 그림 (가)는 일반적인 고효율 삼중접합 태양전지(503)를 나타내고, 그 왼쪽의 그래프는 삼중접합에 해당하는 3층의 반도체 셀(505)을 이용하여 단일접합 태양전지(503)를 만들었을 경우, 각각의 반도체 셀(505)에 대한 최적 전압과 전류 곡선을 나타낸다. 왼쪽의 그래프를 통해 볼 때, InGaP 반도체 셀(505)은 GaAs 반도체 셀(505)과 Ge 반도체 셀(505)에 비해 전압은 크나 전류는 상대적으로 매우 작은 것을 볼 수 있다. 또한 그림 (가)에서 ARC(anti-reflection coating) 층을 통하여 들어온 태양광이 각각의 반도체 셀(505)에 의해 전압전류를 얻고, 이들은 tunnel junction에 의해 직렬로 연결되어 있는 형태일 수 있다. 따라서 직렬연결의 경우 전체전압과 전체전류는 아래의 [수학식]과 같을 수 있다.
[수학식]
Figure pat00001
Figure pat00002

이때, 전체 전류
Figure pat00003
은 InGaP, GaAs, Ge 층으로부터 얻어진 전류 중 가장 작은 쪽의 전류와 일치하므로, 각 셀별로 전류를 같게 하기 위한 구조적 개선이 필요할 수 있다. 상대적으로 InGaP층으로부터 생성된 전류가 적으므로 InGaP 층의 두께를 늘리고 GaAs층의 두께를 줄이는 등 최적 구조를 산출할 필요가 있다.
반면에, 도면 4의 (나)는 GaAs/Ge double junction 구조로 InGaP 층이 없는 이중 접합구조를 나타낸다. 그림 (나)는 InGaP 층이 없기 때문에 전류의 손실이 그림 (가)에 비해 상대적으로 적다. 특히, 파장가변형의 태양전지(503)의 경우, 상술한 바와 같이 분광기(30)에 의해 파장의 굴절율에 따라 적외선, 가시광선, 자외선으로 나눌 수 있고, 태양광의 세기가 큰 자외선과 가시광선영역의 고에너지는 태양열로 사용하고, 근적외선과 적외선 영역은 태양전지(503)에 의한 전력 생산에 사용할 수 있다. 이 경우 InGaP 층이 가시광선 영역대의 파장을 가지는 태양광을 흡수할 수 있으므로, 이 영역을 제외한 근적외선 영역과 적외선 영역의 파장을 흡수할 수 있는 GaAs/Ge 반도체 셀(505)을 사용하는 이중 접합구조의 태양전지(503)를 사용함이 바람직할 수 있다.
태양전지(503)는 화합물 소자 또는 Si 소자일 수 있고, 화합물 소자는 (In)GaAs/Ge, Cu(In)GaSe(S) 및 CdTe 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 태양전지(503)는 III-V족 화합물로 구성될 수 있으며, 반도체 셀(505)은 III족(In, Ga, Al)과 V족(As, P) 물질을 혼합하여 다양한 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 태양전지(503)는 가시광 대역(600nm) 이하 단파장 대역은 InGaP 박막이 사용되며 근적외선 대역(800nm) 이하에서는 (In)GaAs 박막을 사용하고, 적외선 대역(1600nm) 이하에서는 Ge을 사용할 수 있다.
III-V 화합물 반도체 셀(505)은 다양한 밴드갭 에너지를 가지는 박막 제조가 용이하고, 직접천이(direct bandgap) 구조를 가지고 있어 실리콘에 비해 광 흡수율이 높다. 또한 상술한 tunnel junction을 이용하면 광학적 손실과 전기적 소실을 최소화 하면서 다양한 밴드갭을 가지는 태양전지(503)를 직렬 연결이 가능하여 한 번의 박막 증착 공정으로 넓은 흡수대역을 가지며 효율이 높은 다중접합 태양전지(503) 제작이 가능할 수 있다.
다양한 흡수대역의 태양전지(503)를 연결하는 터널정션은 태양전지(503)와 동일한 물질인 III-V족 화합물 반도체 셀(505)을 이용하여 제작이 가능할 수 있고, 다중 접합 태양전지(503) 제작 시 한 번의 공정으로 다중 접합 태양전지(503) 제조가 가능할 수 있다.
Tunnel junction은 불순물이 고도 첨가된 P++층과 N++층을 접합한 pn junction 구조를 가질 수 있고, tunneling에 의해 전류 흐름을 발생시킬 수 있다. 이러한 특성을 이용하면 반도체 셀(505)을 적층하는 경우 tunnel junction을 삽입하면 태양전지(503) 간에 저항이 매우 적은 도선을 연결한 것과 같은 특성을 가질 수 있다.
열전소자(70)는 가시광선 또는 자외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 집광하는 집열기(701); 및 광전소자(50)에서 발생하는 태양열을 전달받아 물의 온도를 변화시키는 수냉식 관(703)을 포함할 수 있다. 집열기(701)와 수냉식 관(703)은 각각 분리되어 있으며, 집열기(701)는 광전소자(50)의 최대 작동온도와 무관하게 동작할 수 있다. 본 발명에서는 광전소자(50)의 태양전지(503)의 작동 최대온도는 Ⅲ~Ⅴ족의 경우 60℃이고, 실리콘의 경우 40℃로 설정될 수 있다. 태양전지(503)는 설정된 온도를 넘어서 운영되는 경우 효율성은 저하될 수있으나, 파장을 분리하는 본 발명에서는 이 이상의 온도로 동작이 가능할 수 있다.
열전소자(70)는 광전소자(50)에 비해 넓은 폭으로 형성되어 태양광을 수광할 수 있다. 열전소자(70)는 보일러와 같이 태양열을 직접 이용하거나, 증기 방식의 엔진으로 전기에너지를 생산할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 분광기(30)와 태양전지(503)의 수광 거리(303)를 조절하는 모습과 이에 따른 집광도와 수광폭(301)이 변화하는 모습을 나타낸다. 도 5를 참조하면 분광기(30)의 중심으로부터 광전소자(50)의 중심까지 이르는 수광 거리(303)는 조절이 가능하며, 수광 거리(303)를 조절하여 태양전지(503)의 작동 온도와 전력을 조절할 수 있다.
일정한 슬릿 간격으로 입사된 태양광을 파장에 따라 분광기(30)로 분리하는데, 집광도가 클수록 태양전지(503)의 전력 효율성은 증가할 수 있다. 이 경우 태양전지(503)의 집광도와 집열기(701)의 수광폭(301)을 수광 거리(303)에 따라 다르게 나타낼 수 있으며 아래 [수학식]과 같다.
[수학식]
수광폭 :
Figure pat00004
(n = 2, 3, 4, 5 …)
집광도 :
Figure pat00005
(n = 2, 3, 4, 5 …)
이하에서는, 상술한 시스템을 이용한 집광형 태양광-태양열 복합 방법에 관하여 후술한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 집광형 태양광-태양열 복합 방법의 순서도를 나타낸다.
태양광을 곡률이 일정한 반사판으로 집광하는 선형 집광모드(90) 또는 상기 태양광을 파라볼라 형태의 접시판으로 집광하는 점형 집광모드(91)로 동작시킬 수 있는데 설치되는 지역의 특성에 따라 선택할 수 있다.
태양광의 분광을 이용하는 집광형 태양광-태양열 복합 방법은, 집광소자(10), 분광기(30), 광전소자(50) 및 열전소자(70)를 하부에서부터 차례대로 배열할 수 있다. 도 1에 나타난 그림은 집광소자(10)를 상부에 나타낸 것이지만, 태양광은 지상방향으로 입사되기 때문에 실제로 지상에 설치되는 경우 집광소자(10)는 하부에 배치된다. 따라서 배열은 도 1과 반대로 설치될 수 있다.
집광소자(10)를 이용하여 태양광을 집광하고(S10단계), 분광기(30)로 집광소자(10)에 집광된 태양광을 파장별로 분리할 수 있다.(S20단계)
분광기(30)에서 태양광을 파장별로 분리하여, 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광은 광트레이(501)로 집광하고(S30단계), 광전소자(50) 내의 태양전지(503)를 이용하여 전력을 발생시킬 수 있다(S40단계).
분광기(30)에서 태양광을 파장별로 분리하여, 가시광선 또는 자외선 영역에 해당하는 파장의 태양열은 집열기(701)로 집광하고(S50단계), 열전소자(70)는 집열기(701)의 태양열을 전달받아 열을 발생시킬 수 있다(S60단계). 집광형 태양광-태양열 복합 방법을 이용하여 상술한 방식으로 전기에너지 및 열에너지를 생산할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1 : 집광형 태양광-태양열 복합 시스템
10 : 집광소자 30 : 분광기
50 : 광전소자 70 : 열전소자
90 : 선형 집광모드 91 : 점형 집광모드
101 : 오목렌즈 301 : 수광폭
303 : 수광 거리 501 : 광트레이
503 : 태양전지 505 : 반도체 셀
507 : 태양광 모듈 701 : 집열기
703 : 수냉식 관 705 : 태양열 모듈

Claims (12)

  1. 태양광의 분광을 이용하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템에 있어서,
    상기 태양광을 집광하는 집광소자;
    상기 집광소자에 집광된 태양광을 파장별로 분리하는 분광기;
    상기 분광기로부터 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 전력을 발생시키는 광전소자; 및
    상기 분광기로부터 분리된 가시광선 또는 자외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 열을 발생시키는 열전소자를 포함하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광소자는,
    상기 태양광을 직사광선 형태로 변경하여 상기 분광기로 내보내는 오목렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 집광소자는,
    상기 태양광을 곡률이 일정한 반사판으로 집광하는 선형 집광모드로 동작하며, 상기 선형 집광모드는 상기 오목렌즈, 상기 분광기 및 상기 태양전지가 직선형태로 구성된 단면을 연장한 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 집광소자는,
    상기 태양광을 파라볼라 형태의 접시판으로 집광하는 점형 집광모드로 동작하며, 원형 형태로 빛을 모으고, 상기 광전소자와 상기 열전소자가 상기 원형 형태의 중심을 기준으로 반지름의 변이에 따라 대칭으로 구성되는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전소자는,
    상기 분광기에서 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 집광하는 광트레이; 및
    상기 광트레이에 의해 집광된 태양광으로부터 전력을 생성하는 태양전지를 포함하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 태양전지는,
    적어도 하나 이상의 반도체 셀을 포함하고,
    상기 반도체 셀을 접합구조로 형성하여, 상기 전력의 생성 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 태양전지는,
    화합물 소자 또는 Si (실리콘) 소자인 것을 특징으로 하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서
    상기 화합물 소자는 (In)GaAs/Ge, Cu(In)GaSe(S) 및 CdTe 중 어느 하나로 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서
    상기 열전소자는,
    상기 가시광선 또는 자외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 집광하는 집열기; 및
    상기 광전소자에서 발생하는 태양열을 전달받아 물의 온도를 변화시키는 수냉식 관을 포함하고,
    상기 집열기와 상기 수냉식 관은 각각 분리되어 있으며, 상기 집열기는 상기 광전소자의 최대 작동온도와 무관하게 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항에 있어서,
    상기 분광기의 중심으로부터 상기 광전소자의 중심까지 이르는 수광 거리는 조절이 가능하며,
    상기 수광 거리를 조절하여 상기 태양전지의 작동 온도와 상기 전력을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 집광형 태양광-태양열 복합 시스템.
  11. 태양광의 분광을 이용하는 집광형 태양광-태양열 복합 방법에 있어서,
    집광소자, 분광기, 광전소자 및 열전소자를 배열하고, 상기 집광소자를 이용하여 상기 태양광을 집광하는 단계;
    상기 분광기로 상기 집광소자에 집광된 태양광을 파장별로 분리하는 단계;
    상기 광전소자가 상기 분광기로부터 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 전력을 발생시키는 단계; 및
    상기 열전소자가 상기 분광기로부터 분리된 가시광선 또는 자외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 받아 열을 발생시키는 단계를 포함하는 집광형 태양광-태양열 복합 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전력을 발생시키는 단계는,
    상기 분광기에서 분리된 근적외선 또는 적외선 영역에 해당하는 파장의 태양광을 광트레이로 집광하는 단계; 및
    상기 광트레이에 의해 집광된 태양광으로부터 태양전지를 이용하여 전력을 생성하는 단계를 포함하는 집광형 태양광-태양열 복합 방법.
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