KR20200104992A - 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템에 관한 것으로,
볼록렌즈로 직접 조사되는 빛과 주변에서 반사되는 빛을 측면에서 수집하도록 한 적어도 하나 이상의 집광부를 통하여 많은 태양광을 수집하도록 하고,
상기의 각 집광부에서 광케이블을 통하여 이동하는 태양광은 전송부에 모아져서 분산부로 이동한 후 다시 다수의 분산 광케이블로 분산되어 이동하도록 하여 일정한 간격을 두고 상하로 배열한 발전부의 다수의 박막 태양광 솔라들의 사이에 위치하는 분광부를 통하여 태양광을 전달하면서 발전이 이루어지도록 하고,
상기의 분광부는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하면서 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 하고,
상기 발전부의 박막 태양광 솔라는 곡선이나 직선의 굴곡진 형상으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 구성한 것이다.

Description

집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템{omitted}

본 발명은 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템에 관한 것으로, 상세하게는 적어도 하나 이상의 집광부를 통하여 많은 태양광을 수집하도록 하고, 각 집광부에서 광케이블을 통하여 이동하는 태양광은 전송부에 모아진 후 다시 다수의 분산 광케이블로 분산되어 이동하도록 한 상태에서 일정한 간격의 상하로 배열한 발전부의 다수의 박막 태양광 솔라들의 사이에 위치하는 분광부를 통하여 태양광을 전달하여 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 한 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템에 관한 것이다.

오늘날 한정된 자원인 화석연료는 무분별한 사용으로 인해 심각한 환경오염을 일으키게 됨은 물론, 머지않아 그 자원마저 고갈될 것이 예상됨에 따라 화석연료를 대체할 수 있는, 소위 크린 에너지의 개발이 전세계적으로 활발히 추진되고 있으며 그 대표적인 예가 태양광발전이다.

최근에는 태양에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전설비의 사용이 점차 보편화 되고 있다. 이러한 태양에너지를 이용하는 태양전지는 석탄이나 석유와 같은 화석연료를 사용하지 않고, 무공해이며 무한의 에너지원인 태양광을 이용하므로 미래의 새로운 대체 에너지원으로서 각광을 받고 있고, 현재에는 태양광 발전소나 건축물, 자동차 등의 발전 전력을 얻는데 이용되고 있다.

일반적으로, 태양광발전은 태양전지(PV : Photovoltaic)를 이용하여 직접 전기를 생산하는 기술이다. 상기 태양전지는 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 각각이 플러스(+)와 마이너스(-)극성을 띠는 2장의 반도체 박막으로 구성되며, 다수의 태양전지 셀(cell)들이 직/병렬로 연결되어 사용자가 필요로 하는 전압 및 전류를 발생시키게 되고, 사용자는 이러한 태양전지에서 발생된 전력을 사용할 수 있게 되는 것이다.

태양광 발전을 위해서는 태양광의 수집과정이 필요한데, 태양은 항상 위치가 변화되는 것이므로 고정된 구조의 수집장치로는 그 효율이 저조하여 실용화에 문제가 있다.

때문에 추적식 태양광발전장치는 태양의 방향을 추적하여 향일성이 유지되도록 함으로써, 발전효율의 향상을 꾀하고 있는 실정이다.

참고로 이러한 추적식 태양광 수집장치로는,

첫째로 두 개의 모터가 각각 배당된 수평 및 수직축을 회전시켜 태양의 고도각을 맞출 수 있도록 하는 타입과, 둘째로 하나의 모터가 수평 회전각 조절을 담당하고, 나사회전에 의해 출몰하는 스크류잭을 이용하여 수직각을 조절하도록 하여 태양의 고도각을 맞출 수 있도록 하는 타입이 있으며, 이러한 구동장치는 각 태양광 발전장치에 각각 독립적으로 설치시키는 실정이다.

이러한 태양광발전장치의 태양 방향 추적 방식으로는 1년의 태양의 이동궤도, 즉 고도(위도 및 경도)를 데이터화 하여 이를 기반으로 하는 프로그램에 의하여 계산된 좌표에 따라 구동모터가 작동되므로 태양을 추적하는 좌표 계산 방식과, 수시로 광센서에 의하여 검출되는 신호출력에 따라 구동모터를 제어하여 태양을 추적하는 광센서 방식의 두 가지로 분류할 수 있다.

상기와 같은 태양광 수집장치의 태양 추적 방식 중 전자의 타입은, 각각의 추적장치에 고가인 두 개의 구동모터가 반드시 설치되어야 하므로 태양광 발전장치의 설비 비용이 높아지고, 또 구동모터의 갯 수가 많아짐에 따라 고장률도 높아져 결국 유지관리비가 상승 되는 문제점이 있다.

또한, 후자의 타입은, 고가의 모터 대신 스크류잭이 설치됨에 따라 비용절감의 효과는 있으나, 그 설치 위치가 스크류잭의 원활한 동작을 위한 공간을 확보하기 위해 외부에 노출되게 설치됨에 따라 태양광 발전장치의 미관을 해치는 단점이 있고, 또 스크류잭이 외부에 위치하게 됨에 따라 비나 습기 또는 해풍 등에 노출되어 쉽게 부식 또는 손상되어 고장이 잦을 뿐만 아니라 내구연한이 줄어드는 단점이 있었다.

전자의 좌표 계산 방식은, 일기상태에 구애받지 않고 태양을 추종할 수 있다는 장점이 있는 반면에 기계적 오차의 누적으로 주기적인 교정작업이 필수적이므로 유지, 보수의 번거로움이 있을 뿐만 아니라, 해당 태양광 발전장치의 위치정보 값이 대체로 큰 구역별로 주어진 포괄적 좌표값이 적용됨에 따라 실제 태양의 고도값의 오차가 심하여 발전효율이 현저히 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 후자의 광센서 방식은, 그 구조가 비교적 간결하다는 장점은 있으나 날씨가 흐린 경우에는 태양의 추적이 불가능하고 이러한 상태로 시간이 경과되어 태양의 위치가 상당히 변화된 상태에서는 태양이 추적장치의 추적가능범위를 벗어나게 되어 추적 자체가 불가능하게 되며, 추적 가능 범위가 협소하여 작동의 연속성이 유지되기 어려움에 따라 고정식 보다 오히려 전기 생산력이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.

또한, 이러한 태양광 발전장치는 고가의 발전모듈을 탑재하고 있으면서 태풍과 같은 자연재해가 발생했을 때 이에 추적식 발전장치를 스스로 안전하게 지킬 수 있는 대처방안이 없었으며 단지 관리자의 인위적 조작에 의존할 수밖에 없었다.

이러한 단점들은 결국 태양광 발전효율의 저하로 이어지게 되는 것이다.

그리하여 2012년 05월 15일자 특허등록 제10-1148288호(태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템용 태양광 분광장치)가 제안되었으며,

이는, 태양광을 집광하기 위한 태양광 집광장치와,

상기 태양광 집광장치를 통해 집광된 태양광을 광케이블을 통해 이송하여 적외선 및 가시광선과 자외선으로 분광하기 위한 태양광 분광장치와,

상기 태양광 분광장치를 통해 분광된 적외선을 광케이블로 이송하여 증기를 생성키 위한 적외선보일러와,

상기 적외선보일러에서 생성된 증기압을 이용하여 구동되는 증기터빈과, 상기 증기터빈에 의해 발전하는 발전기와,

상기 증기터빈을 구동한 증기압의 폐열을 축열하여 난방을 행하기 위한 축열조와,

상기 태양광 분광장치를 통해 분광된 가시광선과 자외선을 광케이블로 이송하여 태양광 발전을 행하기 위한 태양광 발전기를 구비한 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템으로 이루어지고;

상기 태양광 분광장치는 태양광 집광장치에서 광케이블로 이송된 태양광을 넓게 펴주기 위한 광프레이트기와,

상기 광프레이트기를 통해 펼쳐 진 태양광에서 적외선과 가시광선 및 자외선을 분광하기 위한 프리즘과,

상기 프리즘을 통해 분광된 적외선을 수광하는 수광부와,

상기 프리즘을 통해 분광된 가시광선과 자외선을 수광하는 수광부로 구성하였다.

그러나 상기와 같은 종래의 태양광 집광패널을 이용한 발전 시스템용 태양광 분광장치에 의하여서는 태양광을 막대형 볼록 렌즈가 설치된 집광패널을 이용해 집광하여 광케이블 및 광케이블을 통해 태양광 분광기로 광원을 분광하여 적외선은 스팀 발전과 난방열로 이용하고 가시광선, 자외선은 태양 발전 모듈 패널에 집중조사하여 효율적으로 태양 에너지를 활용할 수 있도록 하였으나, 태양광에서 적외선을 분리한 가시광선과 자외선을 원통형상의 태양광 발전기로 보내어 발전탱크의 내부에 방사상으로 배열한 다수개의 양면 태양 발전 모듈 패널을 통하여 발전하도록 하였으므로 실제적인 발전 효율이 미비하여 원하는 발전량을 얻지 못하게 되는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 적어도 하나 이상의 집광부를 통하여 많은 태양광을 수집하도록 하고, 각 집광부에서 광케이블을 통하여 이동하는 태양광은 전송부에 모아진 후 다시 다수의 분산 광케이블로 분산되어 이동하도록 한 상태에서 일정한 간격의 상하로 배열한 발전부의 다수의 박막 태양광 솔라들의 사이에 위치하는 분광부를 통하여 태양광을 전달하여 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 한 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 발전부의 박막 태양광 솔라를 곡선이나 직선의 굴곡진 형상으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 함을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템은,

볼록렌즈로 직접 조사되는 빛과 주변에서 반사되는 빛을 측면에서 수집하도록 한 적어도 하나 이상의 집광부를 통하여 많은 태양광을 수집하도록 하고,

상기의 각 집광부에서 광케이블을 통하여 이동하는 태양광은 전송부에 모아져서 분산부로 이동하도록 하고,

상기의 분산부로 이동한 태양광은 다시 다수의 분산 광케이블로 분산되어 이동하도록 하고,

상기의 분산 광케이블을 통하여 이동하는 태양광은 일정한 간격을 두고 상하로 배열한 발전부의 다수의 박막 태양광 솔라들의 사이에 위치하는 분광부를 통하여 태양광을 전달하도록 하고,

상기의 분광부는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하면서 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 하고,

상기 발전부의 박막 태양광 솔라는 곡선이나 직선의 굴곡진 형상으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기의 본 발명에 따른 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템에 의하여서는 볼록렌즈로 직접 조사되는 빛과 주변에서 반사되는 빛을 측면에서 수집하도록 한 적어도 하나 이상의 집광부를 통하여 많은 태양광을 수집하도록 하고,

상기의 각 집광부에서 광케이블을 통하여 이동하는 태양광은 전송부에 모아져서 분산부로 이동한 후 다시 다수의 분산 광케이블로 분산되어 이동하도록 하여 일정한 간격을 두고 상하로 배열한 발전부의 다수의 박막 태양광 솔라들의 사이에 위치하는 분광부를 통하여 태양광을 전달하면서 발전이 이루어지도록 하고,

상기의 분광부는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하면서 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 하고,

상기 발전부의 박막 태양광 솔라는 곡선이나 직선의 굴곡진 형상으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전체 구성을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명 집광부의 구성을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명 분광부 및 발전부의 일 실시예에 따른 구성을 도시한 개략도.
도 4는 본 발명 분광부 및 발전부의 다른 실시예에 따른 구성을 도시한 개략도.
도 5는 본 발명 분광부 및 발전부의 또 다른 실시예에 따른 구성을 도시한 개략도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템은,

볼록렌즈(2)로 직접 조사되는 빛과 주변에서 반사면(4)에 의해 반사되는 빛을 측면의 집광렌즈(3)에서 수집하도록 한 적어도 하나 이상의 집광부(1)를 통하여 많은 태양광을 수집하도록 하고,

상기의 각 집광부(1)에서 광케이블(11)을 통하여 이동하는 태양광은 전송부(10)에 모아져서 분산부(12)로 이동하도록 하고,

상기의 분산부(12)로 이동한 태양광은 다시 다수의 분산 광케이블(13)로 분산되어 이동하도록 하고,

상기의 분산 광케이블(13)을 통하여 이동하는 태양광은 일정한 간격을 두고 상하로 배열한 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 다수의 박막 태양광 솔라(31)들의 사이에 위치하는 분광부(20a, 20b, 20c)를 통하여 태양광을 전달하도록 하고,

상기의 분광부(20a, 20b, 20c)는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈(21)(22)의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하면서 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 하고,

상기 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 박막 태양광 솔라(31)는 상면과 하면에 각각 솔라 셀(32)(33)을 구비한 상태에서 전체를 곡선의 굴곡진 형상으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 구성한 것이다.

상기의 집광렌즈(3)는 볼록렌즈, 플라넬렌즈 등을 사용하여 보다 많은 태양광을 받도록 한다.

상기의 분광부(20a, 20b, 20c)와 발전부(30, 30a, 30b, 30c)는 내면이 반사체로 이루어진 밀폐된 공간에 설치하여 태양광을 최대한 이용할 수 있도록 한다.

상기와 같이 구성한 본 발명의 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템은,

볼록렌즈(2)로 직접 조사되는 빛과 주변에서 반사면(4)에 의해 반사되는 빛을 측면의 집광렌즈(3)에서 수집하도록 한 적어도 하나 이상의 집광부(1)를 통하여 많은 태양광을 수집하도록 한다.

상기의 각 집광부(1)에서 광케이블(11)을 통하여 이동하는 태양광은 전송부(10)에 모아져서 분산부(12)로 이동하도록 한다.

상기의 분산부(12)로 이동한 태양광은 다시 다수의 분산 광케이블(13)로 분산되어 이동하도록 한다.

상기의 분산 광케이블(13)을 통하여 이동하는 태양광은 일정한 간격을 두고 상하로 배열한 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 다수의 박막 태양광 솔라(31)들의 사이에 위치하는 분광부(20a, 20b, 20c)를 통하여 태양광을 전달하도록 한다.

상기의 분광부(20a, 20b, 20c)는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈(21)(22)의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하면서 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 한다.

상기 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 박막 태양광 솔라(31)는 상면과 하면에 각각 솔라 셀(32)(33)을 구비한 상태에서 전체를 곡선의 굴곡진 형상으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 한다.

상기의 분광부(20a, 20b, 20c)와 발전부(30, 30a, 30b, 30c)는 내면이 반사체로 이루어진 밀폐된 공간에 설치하여 태양광을 최대한 이용할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명 분광부 및 발전부의 다른 실시예에 따른 구성을 도시한 것으로서.

상기의 분광부(20a, 20b, 20c)는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈(21)(22)의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하면서 단위면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 한다.

상기 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 박막 태양광 솔라(31)는 상면과 하면에 각각 솔라 셀(52)(53)을 구비한 상태에서 전체를 직선의 굴곡진 형상으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 한다.

도 5는 본 발명 분광부 및 발전부의 또 다른 실시예에 따른 구성을 도시한 것으로서,

상기의 분광부(20a, 20b, 20c)는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈(21)(22)의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하면서 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 한다.

상기 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 박막 태양광 솔라는 상면과 하면에 각각 다수의 구형의 솔라 셀(60)를 전선으로 가로와 세로로 연결하여 전체를 다수의 구형으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

1 : 집광부 2: 볼록렌즈
3 : 집광렌즈 4 : 반사면
10 : 전송부 11 : 광케이블
12 : 분산부 13 : 분산 광케이블
20a, 20b, 20c : 분광부 21, 22 : 오목렌즈
30a, 30b, 30c, 30d : 발전부
31 : 박막 태양광 솔라 32, 33 : 솔라 셀

Claims (3)

1. 볼록렌즈(2)로 직접 조사되는 빛과 주변에서 반사면(4)에 의해 반사되는 빛을 측면의 집광렌즈(3)에서 수집하도록 한 적어도 하나 이상의 집광부(1)를 통하여 많은 태양광을 수집하도록 하고,
   상기의 각 집광부(1)에서 광케이블(11)을 통하여 이동하는 태양광은 전송부(10)에 모아져서 분산부(12)로 이동하도록 하고,
   상기의 분산부(12)로 이동한 태양광은 다시 다수의 분산 광케이블(13)로 분산되어 이동하도록 하고,
   상기의 분산 광케이블(13)을 통하여 이동하는 태양광은 일정한 간격을 두고 상하로 배열한 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 다수의 박막 태양광 솔라(31)들의 사이에 위치하는 분광부(20a, 20b, 20c)를 통하여 태양광을 전달하도록 하고,
   상기의 분광부(20a, 20b, 20c)는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈(21)(22)의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하도록 하고,
   상기 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 박막 태양광 솔라(31)는 상면과 하면에 각각 솔라 셀(32)(33)을 구비한 상태에서 전체를 곡선의 굴곡진 형상으로 형성하고,
   상기의 분광부(20a, 20b, 20c)와 발전부(30, 30a, 30b, 30c)는 내면이 반사체로 이루어진 밀폐된 공간에 설치하여 구성한 것을 특징으로 하는 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기의 분광부(20a, 20b, 20c)는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈(21)(22)의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하면서 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 하고,
   상기 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 박막 태양광 솔라(31)는 상면과 하면에 각각 솔라 셀(52)(53)을 구비한 상태에서 전체를 직선의 굴곡진 형상으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 구성한 것을 특징으로 하는 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기의 분광부(20a, 20b, 20c)는 상면과 하면의 양쪽 표면을 오목렌즈(21)(22)의 형태로 하여 원하는 부위에 빛을 골고루 분광하면서 단위 면적에서 최대의 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 하고,
   상기 발전부(30, 30a, 30b, 30c)의 박막 태양광 솔라는 상면과 하면에 각각 다수의 구형의 솔라 셀(60)를 전선으로 가로와 세로로 연결하여 전체를 다수의 구형으로 형성하여 단위 면적에서 최대의 발전 효율을 얻도록 구성한 것을 특징으로 하는 집광 및 분광에 의한 고효율 태양광 발전시스템.

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