KR20200108584A - 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치 및 이를 포함하는 태양전지 창호 - Google Patents

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Abstract

기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치 및 이를 포함하는 태양전지 창호가 개시되며, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치는, 상측으로부터 입사되는 태양광을 하측에 집광시키는 집광 렌즈층, 상기 집광 렌즈층의 하측에 이격 배치되고, 상기 집광 렌즈층을 통과하여 상측으로부터 진입한 광의 적어도 일부를 곡률형 반사면에서 전반사시켜 그 내부의 광도파 경로를 통해 엣지 측으로 포집하도록 구비되는 복수의 곡률형 반사체를 포함하는 광도파 집광층 및 상기 광도파 집광층의 엣지에 대향하게 배치되는 솔라셀 어레이를 포함할 수 있다.

Description

기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치 및 이를 포함하는 태양전지 창호{APPARATUS AND DEVICE FOR GENERATING SOLAR POWER BASED ON FUNCTIONAL WAVEGUIDE STRUCTURE AND SOLAR WINDOW INCLUDING THE SAME}
본원은 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치 및 이를 포함하는 태양전지 창호에 관한 것이다.
태양광 집광 장치(solar concentrator) 및 창호형 태양광 발전 시스템은 태양광의 경로를 변경시켜 솔라셀(solar cell)로 향하게 하는 시스템이다.
그런데, 일반적인 태양광 집광 장치 및 창호형 태양광 발전 시스템은 광도파 집광층의 엣지(edge)로 포집되는 광의 비율이 낮아, 전력변환효율이 저하되는 측면이 있었다.
또한, 기존의 태양광 집광 장치 및 창호형 태양광 발전 시스템에서는 단순한 삼각형 또는 사다리꼴 등의 평면 구조를 갖는 반사체를 사용하기 때문에, 렌즈에 의해 굴절되어 평면 반사체에 포집되어 반사될 때, 반사체면에 입사되는 광(빛)의 방향에 따라 프레즈넬 식(Fresnel's eq.)에 의해 반사광의 방향이 결정되므로 일정한 각도 및 방향으로 반사될 수 없다는 한계를 갖는다. 즉 평면 반사체에 포집된 빛이 반사될 때 다시 발산하게 된다.
이처럼 반사체에서 발산되어 반사되는 광(빛)은 광도파로를 진행하면서 광도파로면 에서 전반사의 조건을 벗어나 광도파층 밖으로 투과되거나 인접한 다른 반사체에 재반사됨에 따라 광(빛)의 손실을 유발할 수 있다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-17020651호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광도파로의 엣지(edge)로 집광되는 광들이 광도파로의 전반사 조건을 유지하면서 원하는 각도로 반사되게 유지시켜, 광도파로의 엣지(edge)에서 효율적으로 많은 양의 광(빛)을 모을 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치는, 상측으로부터 입사되는 태양광을 하측에 집광시키는 집광 렌즈층, 상기 집광 렌즈층의 하측에 이격 배치되고, 상기 집광 렌즈층을 통과하여 상측으로부터 진입한 광의 적어도 일부를 곡률형 반사면에서 전반사시켜 그 내부의 광도파 경로를 통해 엣지 측으로 포집하도록 구비되는 복수의 곡률형 반사체를 포함하는 광도파 집광층 및 상기 광도파 집광층의 엣지에 대향하게 배치되는 솔라셀 어레이를 포함할 수 있다.
또한, 상기 곡률형 반사면은, 반사된 광이 상기 광도파 집광층 내에서 전반사 조건을 만족하면서 진행하도록 소정의 곡률로 형성될 수 있다.
또한, 상기 집광 렌즈층은 복수의 상향 볼록한 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 곡률형 반사체 중 하나는 상기 복수의 상향 볼록한 렌즈 중 하나와 상하 방향으로 상호 대응하여 위치하도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 복수의 상향 볼록한 렌즈의 초점은, 상기 곡률형 반사면보다 하측에 위치할 수 있다.
또한, 상기 곡률형 반사면은, 이에 대응하는 상향 볼록한 렌즈를 통과하여 상기 초점을 향해 도달하는 광 중 적어도 일부를 전반사 조건을 충족하는 각도로 반사시키도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 집광 렌즈층에 의해 집광된 광을 상기 광도파 집광층의 폭방향 일측에 위치하는 일측 엣지로 포집하려는 경우, 상기 곡률형 반사면의 상향 볼록한 돌출 형상은, 상기 초점을 원점으로 한 극 좌표계를 기준으로, 상기 곡률형 반사면에서 반사된 광이 광도파로 내에서 전반사 진행 가능하게 반사 각도를 설정하는 전반사 조건 및 상기 집광 렌즈층을 통과하여 입사되는 광 중 적어도 일부를 커버하는 각도 범위 조건을 고려하여, 상기 각도 범위 조건을 충족하는 각도 범위 내에서 상기 전반사 조건을 충족하는 반사 각도로 반사되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 곡률형 반사면의 상향 볼록한 돌출 형상은, 상기 반사된 광이 폭방향 일측으로 이웃하는 이웃 곡률형 반사체에 간섭되지 않게 하는 미간섭 조건을 고려하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 상향 볼록한 돌출 형상의 각 지점의 각도 성분은 하기 식1을 만족하는 범위를 가지고, 상기 각도 성분에 대응되는 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 반지름 성분은 하기 식2를 만족하는 상기 원점으로부터의 거리 함수에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 각도 성분 중 최소값인 제1각도 및 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 각도 성분 중 최대값인 제2각도는 상기 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 타측에 위치하는 타측 엣지를 향하는 방향을 0도로 하여 반시계 방향을 기준으로 측정될 수 있다.
또한, 상기 전반사 조건을 충족하는 각도인 출력 각도는, 상기 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 일측에 위치하는 일측 엣지를 향하는 방향을 0도로 하여 시계 방향을 기준으로 측정될 수 있다.
또한, 상기 각도 범위 조건은, 상기 제1각도 및 상기 제2각도가 하기 식3내지 식5를 만족하는 범위에서 결정될 조건일 수 있다.
또한, 상기 미간섭 조건은, 상기 이웃 곡률형 반사체가 상기 곡률형 반사체로부터 폭방향을 기준으로 하기 식6을 만족하도록 이격 배치될 조건일 수 있다.
또한, 상기 전반사 조건은, 상기 출력 각도가 하기 식7내지 식9를 만족하는 범위에서 결정될 조건일 수 있다.
또한, 상기 곡률형 반사체는, 제1곡률형 반사체 및 제2 곡률형 반사체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1곡률형 반사체의 상기 곡률형 반사면은, 상기 집광 렌즈층에 의해 집광된 광을 광도파 집광층의 일측 엣지로 포집하도록, 타측의 상하방향 기준 높이가 일측의 상하방향 기준 높이보다 높은 것일 수 있다.
또한, 상기 제2곡률형 반사체의 상기 곡률형 반사면은, 상기 집광 렌즈층에 의해 집광된 광을 광도파 집광층의 타측 엣지로 포집하도록, 일측의 상하방향 기준 높이가 타측의 상하방향 기준 높이보다 높은 것일 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 창호형 태양광 발전 장치는, 상기 광도파 집광층의 폭방향 중심을 기준으로 일 방향으로는 복수의 상기 제1 곡률형 반사체가 구비되고, 타 방향으로는 복수의 상기 제2곡률형 반사체가 구비될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 창호형 태양광 발전 장치는, 상기 광도파 집광층의 일측 엣지로 포집되는 광량과 타측 엣지로 포집되는 광량이 상이하도록, 상기 복수의 제1곡률형 반사체의 수 및 상기 복수의 제2곡률형 반사체의 수가 서로 다르게 구비될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 창호형 태양광 발전 장치는, 상기 광도파 집광층의 일측 엣지로 포집되는 광량과 타측 엣지로 포집되는 광량이 상이하도록, 상기 광도파 집광층의 폭방향 중심에서 소정 거리만큼 일 방향 또는 타 방향으로 이격된 지점을 기준으로 일 방향으로는 복수의 상기 제1곡률형 반사체가 구비되고, 타 방향으로는 복수의 상기 제2곡률형 반사체가 구비될 수 있다.
한편, 본원의 일 실시예에 따른 태양전지 창호는, 상기 창호형 태양광 발전 장치 및 상기 광도파 집광층의 엣지 측으로 포집된 광의 외부 유출이 차단되도록 상기 엣지를 감싸게 구비되고, 내측 일 영역에 상기 솔라셀 어레이가 배치되는 엣지 프레임을 포함할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 입사된 광이 복수의 곡률형 반사체의 적어도 일부에서 광도파로의 전반사 조건을 유지하면서도 원하는 각도 및 방향을 유지하며 반사될 수 있어, 광도파로의 엣지에서 효율적으로 많은 양의 빛이 모일 수 있으므로 종래 대비 광의 손실이 줄어들고 집광율이 높아질 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 집광 방향을 달리하는 제1곡률형 반사체 및 제2곡률형 반사체의 개수비를 조정하거나 곡률형 반사체 간의 간격을 조정함으로써 광도파 집광층의 양 단 엣지에 집광되는 광량을 조절하여 양단에서 발전되는 전력의 비율을 다르게 설정할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 하나의 곡률형 반사체에 의해 반사되어 엣지로 집광되는 광의 광도파로 내 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이다.
도3은 곡률형 반사면의 상향 볼록한 돌출 형상을 결정하기 위해 충족되어야 하는 제약 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도4는 곡률형 반사면에서 반사된 광의 전반사 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 곡률형 반사면에서 입사각과 반사각의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도6은 입사 각도의 국소 변화에 따른 곡률형 반사면까지의 거리 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도7는 상향 볼록한 렌즈의 초점으로부터 곡률형 반사면의 각 지점까지의 거리 함수를 설명하기 위한 도면이다.
도8은 제1곡률형 반사체 및 제2곡률형 반사체의 일 구현예를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도9은 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치를 포함하는 태양전지 창호의 개략적인 입체도이다.
도 10a 는 종래의 평면형 반사체를 가지는 창호형 태양광 발전 장치에 의해 집광된 광의 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 10b는 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치에 의해 집광된 광의 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이다.
도11a는 종래의 평면형 반사체의 일 지점에서 반사되는 광의 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이다.
도11b는 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치에서 하나의 곡률형 반사체에서 반사되는 광의 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이다.
도12는 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치와 연계된 일 실험예로서, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치와 종래의 평면형 반사체를 구비한 창호형 태양광 발전 장치의 광도파로 내 반사체 위치에 따른 투과율, 반사율 및 엣지 포집율을 비교한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
참고로 본원의 실시예에 관한 설명 중 방향이나 위치와 관련된 용어(상향, 하향 등)는 도면에 나타나 있는 각 구성의 배치 상태를 기준으로 설명한 것이다. 예를 들면, 도1에서 보았을 때 상향은 12시 방향, 하향은 6시방향, 폭방향 일 방향은 9시방향, 폭방향 타 방향은 3시방향일 수 있다.
다만, 이러한 방향 설정은 본원 장치의 배치 상태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 필요에 따라서는 도1 기준 상향이 수평 방향 또는 비스듬한 경사 방향을 향하고, 폭방향 일 방향이 상하 방향 또는 비스듬한 경사 방향을 향하도록 배치될 수 있다.
또한, 본 명세서 전반에서 사용된 폭방향이라는 용어의 의미는 본원 장치의 배치 상태에 따라 횡 방향, 수평 방향 등을 가리키는 방향을 의미할 수 있다.
본원은 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치 및 이를 포함하는 태양전지 창호에 관한 것이다. 여기서, 본원의 일 실시예에 따른 창호형 태양광 발전 장치는 태양광 집광 장치(solar concentrator) 및 창호형 태양전지 장치(시스템)에 적용될 수 있으나, 그 적용 분야는 이에만 한정되는 것은 아니다. 즉, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치는 엣지로 광을 집광하는 다양한 시스템(장치)에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치의 개략적인 단면도이다.
도1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)는, 집광 렌즈층(100), 광도파 집광층(200) 및 솔라셀 어레이(300)를 포함할 수 있다.
도1에 도시된 집광 렌즈층(100)의 단면은 후술할 도9에 도시된 바와 같이, 복수의 구형 집광 렌즈(2D 렌즈 어레이)에 대한 단면일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 복수의 원통형(Cylindrical) 집광 렌즈(1D 렌즈 어레이)에 대한 단면일 수 있다.
도 2는 하나의 곡률형 반사체에 의해 반사되어 엣지로 집광되는 광의 광도파로 내 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이다.
도2를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)는, 상측으로부터 입사하는 태양광(600)을 집광 렌즈층 (100)이 하측으로 집광시키고, 광도파 집광층(200) 내 구비된 곡률형 반사체 (210)에 의해 반사된 광이 전반사 조건을 만족하며 광도파 집광층(200) 내 광도파로를 진행하며 광도파 집광층 (200)의 엣지와 이웃하여 배치된 솔라셀 어레이(300)에 집광됨으로써 광을 포집할 수 있다.
집광 렌즈층(100)은 상측으로부터 입사되는 태양광을 하측에 집광시킬 수 있다.
또한, 집광 렌즈층(100)은 복수의 상향 볼록한 렌즈(110)을 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 상향 볼록한 렌즈(110) 각각의 초점 거리 및 상기 복수의 상향 볼록한 렌즈 각각이 폭방향으로 이격된 정도인 렌즈 간 간격은 본원에 따른 창호형 태양광 발전 장치(1)의 구현예에 따라, 같거나 다른 값을 가질 수 있다.
예를 들어, 복수의 상향 볼록한 렌즈(110)은 동일한 초점 거리(F)를 가지되, 복수의 상향 볼록한 렌즈 각각은 폭방향으로 상이한 간격을 두고 이격되어 배치될 수 있다.
도2에 도시된 집광 렌즈층(100)의 단면은 후술할 도9에 도시된 바와 같이, 복수의 구형 집광 렌즈(2D 렌즈 어레이)에 대한 단면일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 복수의 원통형(Cylindrical) 집광 렌즈(1D 렌즈 어레이)에 대한 단면일 수 있다.
또한, 복수의 상향 볼록한 렌즈(110)의 초점은 곡률형 반사면(211)보다 하측에 위치할 수 있다.
광도파 집광층(200)은, 집광 렌즈층(100)의 하측에 이격 배치될 수 있고, 집광 렌즈층(100)을 통과하여 상측으로부터 진입한 광의 적어도 일부를 곡률형 반사면(211)에서 전반사시켜 그 내부의 광도파 경로를 통해 엣지 측으로 포집하도록 구비되는 복수의 곡률형 반사체(210)를 포함할 수 있다.
또한, 복수의 곡률형 반사체(210) 중 하나는 복수의 상향 볼록한 렌즈(110) 중 하나와 상하 방향으로 상호 대응하여 위치하도록 구비될 수 있다.
또한, 곡률형 반사면(211)은, 반사된 광이 광도파 집광층(200) 내에서 전반사 조건을 만족하면서 진행하도록 소정의 곡률로 형성될 수 있다.
또한, 곡률형 반사면(211)은, 이에 대응하는 상향 볼록한 렌즈(110)를 통과하여 상기 초점을 향해 도달하는 광 중 적어도 일부를 전반사 조건을 충족하는 각도로 반사시키도록 형성될 수 있다.
또한, 집광 렌즈층(100)에 의해 집광된 광을 광도파 집광층(200)의 폭방향 일측에 위치하는 일측 엣지(250)로 포집하려는 경우, 곡률형 반사면(211)의 상향 볼록한 돌출 형상은, 상향 볼록한 렌즈(110)의 초점(111)을 원점으로 한 극좌표계를 기준으로, 곡률형 반사면(211)에서 반사된 광이 광도파로 내에서 전반사 진행 가능하게 반사 각도를 설정하는 전반사 조건 및 집광 렌즈층(100)을 통과하여 입사되는 광 중 적어도 일부를 커버하는 각도 범위 조건을 고려하여, 상기 각도 범위 조건을 충족하는 각도 범위 내에서 상기 전반사 조건을 충족하는 반사 각도로 반사되도록 형성될 수 있다.
또한, 곡률형 반사면(211)의 상향 볼록한 돌출 형상은, 상기 반사된 광이 폭방향 일측으로 이웃하는 이웃 곡률형 반사체에 간섭되지 않게 하는 미간섭 조건을 고려하여 형성될 수 있다.
도3은 곡률형 반사면의 상향 볼록한 돌출 형상을 결정하기 위해 충족되어야 하는 제약 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도3을 참조하면, 곡률형 반사면(211)의 상향 볼록한 돌출 형상은, 상기 전반사 조건, 상기 각도 범위 조건 또는 상기 미간섭 조건을 고려하여, 출력 각도(10), 제1각도(20), 제2각도(30)을 결정하고, 상향 볼록한 렌즈(110)의 초점(111)을 원점으로 하는 극좌표계를 설정하여, 상기 원점으로부터의 거리함수를 정의함으로써 결정될 수 있다.
도3에 도시된 집광 렌즈층(100)의 단면은 후술할 도9에 도시된 바와 같이, 복수의 구형 집광 렌즈(2D 렌즈 어레이)에 대한 단면일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 복수의 원통형(Cylindrical) 집광 렌즈(1D 렌즈 어레이)에 대한 단면일 수 있다.
또한, 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각지점의 각도 성분은 하기 식1을 만족하는 범위를 가질 수 있다.
[식1]
Figure pat00001
또한, 상기 각도 성분에 대응되는 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 반지름 성분은 하기 식2를 만족하는 원점으로부터의 거리 함수에 기초하여 결정될 수 있다.
[식2]
Figure pat00002
여기서, θ ini 는 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 각도 성분 중 최소값인 제1각도(20), θ fin 는 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 각도 성분 중 최대값인 제2각도(30), r(θ)는 상기 원점으로부터의 거리 함수, θ 0 는 상기 전반사 조건을 충족하는 각도인 출력 각도(10)를 각각 의미할 수 있다.
또한, 도3을 참조하면, 제1각도(20) 및 제2각도(30)는 상기 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 타측에 위치하는 타측 엣지를 향하는 방향을 0도로 하여 반시계 방향을 기준으로 측정될 수 있다.
또한, 도3을 참조하면, 제1각도(20)는 기하학적으로 상기 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 타측에 위치하는 타측 엣지를 향하는 방향을 0도로 하여 반시계 방향을 기준으로 곡률형 반사면(211)의 상하방향 기준 최고점(212)을 향하는 각도일 수 있다.
또한, 도3을 참조하면, 제2각도(30)는 기하학적으로 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 타측에 위치하는 타측 엣지를 향하는 방향을 0도로 하여 반시계 방향을 기준으로 곡률형 반사면(211)의 상하방향 기준 최저점(213)을 향하는 각도일 수 있다.
다만, 전술한 제1각도(20) 및 제2각도(30)에 대한 측정 방식은, 곡률형 반사면(211)에 의해 반사되는 광이 향하는 방향인 광 포집 방향에 따라 상이할 수 있으며, 만일 집광 렌즈층(100)에 의해 집광된 광을 광도파 집광층(200)의 폭방향 타측에 위치하는 타측 엣지(260)로 포집하려는 경우에는, 제1각도(20) 및 제2각도(30)는 상기 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 일측에 위치하는 일측 엣지를 향하는 방향을 0도로하여 시계 방향을 기준으로 측정될 수 있다.
또한, 도3을 참조하면, 출력 각도(10)는 상기 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 일측에 위치하는 일측 엣지를 향하는 방향을 0도로 하여 시계 방향을 기준으로 측정될 수 있다.
다만, 전술한 출력 각도(10)에 대한 측정 방식은, 곡률형 반사면(211)에 의해 반사되는 광이 향하는 방향인 광 포집 방향에 따라 상이할 수 있으며, 만일 집광 렌즈층(100)에 의해 집광된 광을 광도파 집광층(200)의 폭방향 타측에 위치하는 타측 엣지(260)로 포집하려는 경우에는, 출력 각도(10)는 상기 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 타측에 위치하는 타측 엣지를 향하는 방향을 0도로 하여 반시계 방향을 기준으로 측정될 수 있다.
본원에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)에 의하면, 곡률형 반사면(211)에서 반사되는 반사광의 각도인 출력 각도(10)는 곡률형 반사면(211)의 전 영역에서 동일한 각도로 결정될 수 있다.
다만, 전술한 동일한 각도는 완전히 동일한 것만을 의미하는 것이 아니라, 일정 오차 범위 내에서 동일하다고 인식될 수 있는 실질적 동일성을 포함하는 범주로 이해되는 것이 바람직하다.
또한, 곡률형 반사면(211)은 상향 볼록한 렌즈(110)에 의해 집광되어 입사되는 광(빛) 전체를 반사시킬 수 있어야 광도파 집광층(200)을 그대로 통과하여 광도파 집광층(200)의 엣지 측으로 포집되지 못하는 광(빛)이 존재함에 따라 손실이 발생하는 경우를 방지할 수 있으며, 전술한 효과는 제1각도(20) 및 제2각도(30) 가 상기 각도 범위 조건을 만족함으로써 달성될 수 있다.
구체적으로, 상기 각도 범위 조건은, 상향 볼록한 렌즈(110)에 의해 집광되어 입사되는 빛 중 가장 큰 각도로 굴절되어 입사되는 각도인 θ l 이 제1각도(20)와 제2각도(30) 사이 범위에 포함될 조건을 의미할 수 있다.
즉, 상기 각도 범위 조건은, 제1각도(20) 및 제2각도(30)가 하기 식3내지 식5를 만족하는 범위에서 결정될 조건을 의미할 수 있다.
[식3]
Figure pat00003
[식4]
Figure pat00004
[식5]
Figure pat00005
여기서, d l 은 폭방향을 기준으로 한 상기 상향 볼록한 렌즈의 폭, F는 상향 볼록한 렌즈(110)의 초점 거리, θ l 은 상향 볼록한 렌즈(110)를 통과하여 입사되는 광의 최대 입사각, θ ini 는 제1각도(20), θ fin 는 제2각도(30)를 각각 의미할 수 있다.
상기 식4에 따라, 제1각도(20)는 90도에서 θ l 을 뺀 값보다 작은 값의 범위를 가질 수 있다.
상기 식5에 따라, 제2각도(30)는 90도에 θ l 을 더한 값보다 큰 값의 범위를 가질 수 있다.
다음으로, 상기 미간섭 조건에 대해 설명하면, 상기 미간섭 조건은, 상기 이웃 곡률형 반사체가 곡률형 반사체(210)로부터 폭방향을 기준으로 하기 식6을 만족하도록 이격 배치될 조건일 수 있다.
[식6]
Figure pat00006
여기서, θ 0 는 출력 각도(10), H는 상기 이웃 곡률형 반사체의 상하방향 기준 돌출 높이, L은 상기 이격 배치되는 거리를 각각 의미할 수 있다.
구체적으로, 하나의 곡률형 반사면(211)에 의해 반사된 광(빛) 중 일부가 상기 이웃 곡률형 반사체의 곡률형 반사면으로 입사하는 경우, 해당 광(빛)은 상기 이웃 곡률형 반사체에서 전반사 조건을 충족하지 못하는 각도로 반사될 가능성이 있으므로, 광도파 집광층(200)의 엣지 측에 도달하지 못하여, 광(빛)의 손실이 발생할 수 있다.
따라서, 곡률형 반사면(211)에 의해 반사된 광이 이웃 곡률형 반사체의 곡률형 반사면에 입사되는 경우는 최소화되어야 한다.
또한, 도3을 참조하면, 상기 H는 하기 식 6-1에 의해 계산될 수 있다.
[식 6-1]
Figure pat00007
또한, 도3을 참조하면, 상기 L은 하기 식6-2에 의해 계산될 수 있다.
[식6-2]
Figure pat00008
상기 식 6-1 및 식 6-2에서, θ ini 는 제1각도(20)이고, θ fin 는 제2각도(30)이고, r(θ ini )는 상기 원점으로부터의 거리 함수에 제1각도(20)를 대입한 결과로써 상향 볼록한 렌즈의 초점(111)로부터 곡률형 반사면의 최고점(212)까지의 거리일 수 있고, r(θ fin )는 상기 원점으로부터의 거리 함수에 제2각도(30)를 대입한 결과로써 상향 볼록한 렌즈의 초점(111)로부터 곡률형 반사면의 최저점(213)까지의 거리일 수 있고, d는 상향 볼록한 렌즈의 초점(111) 및 상기 상향 볼록한 렌즈와 폭방향 일측으로 이웃한 다른 상향 볼록한 렌즈의 초점 사이의 거리일 수 있다.
다만, 상기 식6-2에서의 d값은, 광포집 방향에 따라 다르게 정의될 수 있으며, 구체적으로 광도파 집광층(200)의 폭방향 타측에 위치하는 타측 엣지로 광을 포집하려는 경우에는, 상향 볼록한 렌즈의 초점(111) 및 상기 상향 볼록한 렌즈와 폭방향 타측으로 이웃한 다른 상향 볼록한 렌즈의 초점 사이의 거리로 정의될 수 있고, 이 경우 상기 L은 곡률형 반사체(210)와 폭방향 타측으로 이웃한 이웃 곡률형 반사체가 폭방향을 기준으로 상기 식6을 만족하도록 이격 배치되는 거리를 의미할 수 있다.
다음으로, 상기 전반사 조건에 대해 설명하면, 상기 전반사 조건은, 출력 각도(10)가 하기 식7내지 식9을 만족하는 범위에서 결정될 조건일 수 있다.
[식7]
Figure pat00009
[식8]
Figure pat00010
[식9]
Figure pat00011
여기서, n 1 은 집광 렌즈층(100)과 광도파 집광층(200)의 사이의 영역 매질의 굴절률, n 2 는 광도파 집광층(200)을 형성하는 매질의 굴절률, θ c 는 광도파 집광층(200) 내 전반사 임계각, θ 0 는 출력 각도(10)일 수 있다.
도4는 곡률형 반사면에서 반사된 광의 전반사 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도4를 참조하면, 매질 2(n 2 )에서 매질 1(n 1 )로 광(빛)이 진행할 때, 임계각(θ c )은 상기 식7에 의해 결정될 수 있으며, 전반사가 일어나는 임계각에 대한 상기 식7은 통상의 기술자에게 자명하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 곡률형 반사면(211)에서 반사되어 나가는 광(빛)은 도4의 영역 ①에 의해 상기 식8를 만족해야 하며, 도4의 영역 ②에 의해 상기 식9를 만족해야 한다. 따라서 출력 각도(θ 0 )는 상기 식8및 식9를 모두 만족하는 각도 범위 내에서 결정될 수 있다.
이하에서는 도5내지 도7을 통해 상기 원점으로부터의 거리함수를 도출하는 과정을 설명하기로 한다.
도 5는 곡률형 반사면에서 입사각과 반사각의 관계를 설명하기 위한 도면이다
도5를 참조하면, 상향 볼록한 렌즈(110)를 통과한 광(빛)이 초점 위치(A)로 입사할 경우(녹색 직선, 입사각 θ i ), 곡률형 반사면(211)의 일 지점(B)에서 특정한 출력 각도(θ 0 )로 반사되도록(황색 직선) 곡률형 반사면(211)이 기울어진 각도(θ M )를 설정하였을 때, 프레즈넬 식(Fresnel's eq.)이 성립할 수 있다.
곡률형 반사면(211)의 일 지점(B)에 입사되는 광(빛)의 입사각을 초점 위치(A)에 대한 입사각 및 상기 곡률형 반사면이 기울어진 각도로 표현하면 θ i - θ M 가 되고, 곡률형 반사면(211)의 일 지점(B)에서 반사되는 광(빛)의 반사각을 상기 출력 각도 및 상기 곡률형 반사면이 기울어진 각도로 표현하면, θ 0 +θ M 가 된다.
또한, 입사각과 반사각이 동일하다는 스넬의 법칙에 의해 θ i -θ M =θ 0 +θ M 를 만족하므로, 양변을 정리하면, θ M =0.5(θ i -θ 0 )가 된다.
도6은 입사 각도의 국소 변화에 따른 곡률형 반사면까지의 거리 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도6을 참조하면, 전술한 θ M =0.5(θ i -θ 0 )을 만족하는 곡률형 반사면(211)의 전 영역에서 θ i 의 변화에 따른 상향 볼록한 렌즈의 초점(A)으로부터의 거리를 결정하면, 곡률형 반사면(211)의 일 지점(B)의 이동 경로를 알 수 있고, 이를 연결하면 곡률형 반사면(211)의 상기 상향 볼록한 돌출 형상 전체를 얻을 수 있다.
상향 볼록한 렌즈의 초점(A)으로 각도 θ i 로 광(빛)이 입사할 때와 상향 볼록한 렌즈의 초점(A)으로 각도 θ i +
Figure pat00012
θ로 광(빛)이 입사할 때의 초점(A)로부터 곡률형 반사면(211)까지의 거리를 각각 r(θ i ) 및 r(θ i +
Figure pat00013
θ)라 하면, 도6의 삼각형 ABC에서 사인 법칙에 의해 하기 식2-1내지 식 2-4을 만족한다.
[식 2-1]
Figure pat00014
[식2-2]
Figure pat00015
[식2-3]
Figure pat00016
[식2-4]
Figure pat00017
또한, 전술한 θ M =0.5(θ i -θ 0 )의 관계식에 의해 θ i -θ M =0.5(θ i +θ 0 )를 만족한다.
따라서, 상기 식2-4는 하기 식2-5로 변환될 수 있다.
[식2-5]
Figure pat00018
마지막으로, 위 식에 대한 적분을 수행하면, 상기 식 2의 원점으로부터의 거리 함수 r(θ)를 도출할 수 있다.
[식2]
Figure pat00019
도7는 상향 볼록한 렌즈의 초점으로부터 곡률형 반사면의 각 지점까지의 거리 함수를 설명하기 위한 도면이다.
도7을 참조하면, 곡률형 반사면(211)은 상기 식1의 각도 범위를 만족하는 θ 각각에 대해 결정되는 상향 볼록한 렌즈의 초점(111)으로부터의 거리함수 r(θ)에 의해 형성될 수 있다. 즉, 상향 볼록한 렌즈의 초점(111)을 중심으로 하여 극좌표 형식으로 표현된 (θ ini , r(θ ini ))와 (θ fin , r(θ fin )) 사이의 (θ, r(θ)) 전체가 곡률형 반사면(211)의 상기 상향 볼록한 형상을 표현할 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 집광 렌즈층(100)은 전술한 바와 같이 복수의 구형 집광 렌즈(2D 렌즈 어레이)로 구비될 수 있고, 이 경우, 곡률형 반사체(210)는 도1내지 도3에 도시된 폭방향 뿐만 아니라 상기 폭방향에 대하여 수직한 직교 폭방향에 대해서도 전술한 소정의 수식을 만족하는 범위에서 곡률형 반사면의 형상(예를 들면, 곡률 또는 방향)이 결정될 수 있다. 다시 말해, 본원에서 제시된 상기 전반사 조건, 상기 각도 범위 조건, 상기 미간섭 조건 등을 고려한 곡률형 반사체의 설계는 폭방향을 기준으로 대향하는 엣지 뿐만 아니라 상기 직교 폭방향을 기준으로 대향하는 엣지에 대하여 집광 렌즈층(100)에 의해 집광된 광을 포집하도록 2차원적으로 적용될 수 있다.
또한, 본원의 다른 실시예에 따르면, 집광 렌즈층(100)은 전술한 바와 같이 복수의 원통형(Cylindrical) 집광 렌즈(1D 렌즈 어레이)로 구비될 수 있고, 이 경우, 본원에서 제시된 상기 전반사 조건, 상기 각도 범위 조건, 상기 미간섭 조건 등을 고려한 곡률형 반사체의 설계는 도1내지 도3에 도시된 폭방향을 기준으로 대향하는 엣지에 대하여 집광 렌즈층(100)에 의해 집광된 광을 포집하도록 1차원적으로 적용될 수 있다.
즉, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)의 곡률형 반사체(210)의 곡률형 반사면(211)은 상향 볼록한 렌즈(110)과 상기 상향 볼록한 렌즈의 초점(111)의 사이에 구비되고, 곡률형 반사면의 각 지점은 상기 상향 볼록한 렌즈의 초점(111)을 중심으로 한 각도(θ) 및 상기 각도에 대응되는 거리 함수 r(θ)에 의하여 상향 볼록한 형상으로 형성되어, 광도파 집광층(200) 내에서 상기 전반사 조건 및 상기 미간섭 조건을 동시에 만족하면서 동일한 출력 각도(10)로 광을 반사시켜 광도파 집광층(200)의 엣지와 이웃하게 배치된 솔라셀 어레이(300)로 상측에서부터 입사된 광(예를 들어, 태양광)을 집광할 수 있어, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)에 의할 때, 광포집률이 종래의 태광 발전 장치에서 보다 획기적으로 향상될 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)의 곡률형 반사체(210) 각각의 곡률형 반사면은 전술한 소정의 수식을 만족하는 범위의 형상으로 구비될 수 있다.
예를 들어, 복수의 곡률형 반사체(210) 각각의 곡률형 반사면은 전술한 소정의 수식을 만족하는 것을 전제로 모두 동일한 형상으로 구비될 수 있다.
다만, 복수의 곡률형 반사체(210) 각각의 곡률형 반사면의 형상은 이에만 한정되는 것은 아니며, 전술한 소정의 수식을 만족하는 것을 전제로 적어도 일부가 상이한 형상으로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 복수의 곡률형 반사체(210) 각각의 곡률형 반사면의 형상은 제1 형상을 갖는 제1 그룹, 제2 형상을 갖는 제2 그룹 등과 같이 복수개의 형상 그룹으로 분류되는 형태로 다양하게 구비될 수 있다.
예시적으로, 광이 포집되는 엣지와 근접한 정도를 고려한 곡률형 반사체의 기능성 광도파로 상의 위치에 따라 곡률형 반사면에서 반사되는 출력 각도(10)가 곡률형 반사체마다 최적의 값으로 상이하게 설정될 수 있으며, 이에 따라 곡률형 반사면의 형상(예를 들면 곡률 또는 방향)은 각 곡률형 반사체마다 적어도 일부가 다른 형상을 나타낼 수 있다.
다른 예로, 집광 렌즈층(100)의 상향 볼록한 렌즈(110)의 초점거리 또는 폭, 상향 볼록한 렌즈 간의 이격 거리 등이 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)의 구현예에 따라 상이할 수 있고, 곡률형 반사면의 형상은 이러한 상향 볼록한 렌즈(110) 각각의 규격을 고려하여 각 곡률형 반사체마다 적어도 일부가 다른 형상을 나타낼 수 있다.
다시 말해, 각 곡률형 반사체의 곡률과 방향은 상향 볼록한 렌즈(110)의 초점 거리(F), 상향 볼록한 렌즈(110)의 폭, 각 곡률형 반사체의 기능성 광도파로 내 위치 중 적어도 하나를 고려하여 본 발명에서 제시된 수식을 만족하는 범위에서 필요에 따라 서로 다르게 설정될 수 있으므로 서로 다른 형상을 갖는 복수의 곡률형 반사체가 사용될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)에서, 곡률형 반사면(211)의 집광 방향(도1 기준 9시방향) 반대면은 도1에 도시된 바와 같이 연직면으로 형성될 수 있으나, 이는 예시적인 구현 예로 이해되어야 하며, 전술한 소정 조건의 충족을 해치지지 않는 범위에서 다양한 형태로 구현될 수 있다.
곡률형 반사체(210)는 제1곡률형 반사체(230) 및 제2곡률형 반사체(240)를 포함할 수 있다.
제1곡률형 반사체(230)의 상기 곡률형 반사면은, 집광 렌즈층(100)에 의해 집광된 광을 광도파 집광층(200)의 일측 엣지(250)로 포집하도록, 타측의 상하방향 기준 높이가 일측의 상하방향 기준 높이보다 높을 수 있다.
제2곡률형 반사체(240)의 상기 곡률형 반사면은, 집광 렌즈층(100)에 의해 집광된 광을 광도파 집광층(200)의 타측 엣지(260)로 포집하도록, 일측의 상하방향 기준 높이가 타측의 상하방향 기준 높이보다 높을 수 있다.
솔라셀 어레이(300)는, 광도파 집광층(200)의 엣지에 대향하게 배치될 수 있다.
솔라셀 어레이(300)는, 광도파 집광층(200)에서 전반사되어 엣지 측으로 포집된 광을 전력으로 변환시킬 수 있다. 다시 말해, 전반사된 광은 솔라셀 어레이(300)를 향하게 되어 전기적 에너지로 변환될 수 있다.
도8은 제1곡률형 반사체 및 제2곡률형 반사체의 일 구현예를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)는, 광도파 집광층(200)의 폭방향 중심(220)을 기준으로 일 방향으로는 복수의 제1곡률형 반사체 (230)가 구비되고, 타 방향으로는 복수의 제2곡률형 반사체(240)가 구비되도록 설계될 수 있다.
이 때, 광도파 집광층(200)의 일측 엣지(250)로 포집되는 광량과 타측 엣지(260)으로 포집되는 광량은 동일할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)는, 광도파 집광층(200)의 일측 엣지(250)로 포집되는 광량과 타측 엣지(260)으로 포집되는 광량이 상이하도록, 광도파 집광층(200)의 폭방향 중심(220)을 기준으로 한 복수의 제1곡률형 반사체(230)의 수 및 복수의 제2곡률형 반사체(240)의 수가 서로 다르게 구비되도록 설계될 수 있다.
이 때, 폭방향 중심(220)을 기준으로 한 복수의 제1곡률형 반사체(230) 각각의 폭방향 이격 간격 및 복수의 제2곡률형 반사체(240) 각각의 폭방향 이격 간격은 다르게 설정될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)는, 광도파 집광층(200)의 일측 엣지(250)로 포집되는 광량과 타측 엣지(260)으로 포집되는 광량이 상이하도록, 광도파 집광층(200)의 폭방향 중심(220)에서 소정 거리만큼 일 방향 또는 타 방향으로 이격된 지점을 기준으로 일 방향으로는 복수의 제1곡률형 반사체(230)가 구비되고, 타 방향으로는 복수의 제2곡률형 반사체(240)가 구비되도록 설계될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)는, 곡률형 반사면(211)에 광 변환 재료가 코팅되거나 광도파 집광층(200)의 엣지 측에 광 변환 재료가 코팅되는 방식으로 설계됨으로써 솔라셀 어레이(300)가 흡수하는 광 에너지를 증폭시킬 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)는, 집광 렌즈층(100)의 복수의 상향 볼록한 렌즈(110)의 상면 및 하면에 반사율을 저감시킬 수 있는 코팅층이 구비된 형태로 설계될 수 있다.
한편, 본원은 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)를 포함하는 태양전지 창호(2)를 제공할 수 있다. 다만, 본원의 일 실시예에 따른 태양전지 창호(2)를 설명함에 있어서 본원의 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도9는 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치를 포함하는 태양전지 창호의 개략적인 입체도이다.
도9를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 태양전지 창호(2)는, 집광 렌즈층 (100), 광도파 집광층(200), 솔라셀 어레이(300) 및 엣지 프레임(400)을 포함할 수 있다. 참고로, 집광 렌즈층(100), 광도파 집광층(200) 및 솔라셀 어레이(300)는 전술한 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)에 대응되는 구성이므로, 본원의 일 실시예에 따른 태양전지 창호(2)는 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)를 포함하는 장치라 할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 태양전지 창호(2)의 집광 렌즈층(100)은 도9에 도시된 바와 같이 구형 집광 렌즈가 반복적으로 배열된 2D 어레이 형태로 구비될 수 있다.
도면에 도시되지 않았으나 본원의 다른 실시예에 따른 태양전지 창호(2)의 집광 렌즈층(100)은 길이방향으로는 원통 형상을 갖는 1D Cylindrical 어레이 형태로 구비될 수도 있다.
엣지 프레임(400)은 광도파 집광층(200)의 엣지(250,260) 측으로 포집된 광의 외부 유출이 차단되도록 상기 엣지를 감싸게 구비될 수 있고, 내측 일 영역에 솔라셀 어레이(300)가 배치될 수 있다.
엣지 프레임(400)은 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 태양전지 창호(2)의 둘레 중 적어도 일부에 대하여 배치될 수 있다.
예를 들면, 솔라셀 어레이(300)는 엣지 프레임(400)의 내측에 장착되되 광도파 집광층(200)의 둘레(엣지)와 대향하도록 배치될 수 있다.
다른 예로, 솔라셀 어레이(300)는 집광 렌즈층(100) 및 광도파 집광층(200)의 둘레면에 대향하는 엣지 프레임(400)의 적어도 일부에 대하여 설치될 수 있다.
또한, 엣지 프레임(400)은 창호 프레임 형태로 구비될 수 있다. 다만, 엣지 프레임(400)의 배치는 상술한 예시에만 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 다양하게 배치될 수 있음은 물론이다.
도 10a 는 종래의 평면형 반사체를 가지는 창호형 태양광 발전 장치에 의해 집광된 광의 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이고, 도 10b는 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치에 의해 집광된 광의 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이다.
도10a 및 도 10b를 참조하면, 종래의 평면형 반사체를 가지는 창호형 태양광 발전 장치의 경우, 광도파층 안에서 빛이 여러 방향으로 산란하여 빛을 제어할 수 없거나, 산란된 빛이 인접한 반사체에 재반사되어 간섭을 일으키거나, 광도파로 경계면에 도달했을 때 전반사 조건을 벗어나 광도파로 밖으로 빛이 새어나가는 모습을 확인할 수 있는 반면, 본원의 일 실시예에 따른 곡률형 반사체를 구비한 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치(1)의 경우, 렌즈에 의해 집광된 빛이 동일한 각도 및 방향으로 일정하게 반사되는 것을 확인할 수 있다.
도11a는 종래의 평면형 반사체의 일 지점에서 반사되는 광의 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이고, 도11b는 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치에서 하나의 곡률형 반사체에서 반사되는 광의 진행 경로를 도시한 개략적인 단면도이다.
도11a 및 도11b를 참조하면, 일정 범위에서 입사되는 태양광만을 고려하더라도, 종래의 평면형 반사체에 의할 때보다, 본원에 따른 곡률형 반사체에 의할 때, 광의 산란 및 인접 반사체에 대한 간섭이 감소하고, 엣지 측으로 포집되는 광량이 향상되는 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도12는 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치와 연계된 일 실험예로서, 본원의 일 실시예에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치와 종래의 평면형 반사체를 구비한 창호형 태양광 발전 장치의 광도파로 내 반사체 위치에 따른 투과율, 반사율 및 엣지 포집율을 비교한 그래프이다.
도12를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 곡률형 반사체를 구비한 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치에 의할 때, 평면형 반사체를 구비한 종래의 창호형 태양광 발전 장치에 의할 때 보다 투과율(T), 엣지 포집률(ECR)이 증가하고, 반사율(R)이 감소되어 다양한 측면의 성능이 비약적으로 향상된 것을 확인할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치
100: 집광 렌즈층
110: 상향 볼록한 렌즈
111: 초점
200: 광도파 집광층
210: 곡률형 반사체
211: 곡률형 반사면
230: 제1곡률형 반사체
240: 제2곡률형 반사체
250: 일측 엣지
260: 타측 엣지
300: 솔라셀 어레이
2: 태양전지 창호
400: 엣지 프레임
500: 태양광
10: 출력 각도
20: 제1각도
30: 제2각도

Claims (16)

  1. 창호형 태양광 발전 장치에 있어서,
    상측으로부터 입사되는 태양광을 하측에 집광시키는 집광 렌즈층;
    상기 집광 렌즈층의 하측에 이격 배치되고, 상기 집광 렌즈층을 통과하여 상측으로부터 진입한 광의 적어도 일부를 곡률형 반사면에서 전반사시켜 그 내부의 광도파로를 통해 엣지 측으로 포집하도록 구비되는 복수의 곡률형 반사체를 포함하는 광도파 집광층; 및
    상기 광도파 집광층의 엣지에 대향하게 배치되는 솔라셀 어레이를 포함하는 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 곡률형 반사면은, 반사된 광이 상기 광도파 집광층 내에서 전반사 조건을 만족하면서 진행하도록 소정의 곡률로 형성되는 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집광 렌즈층은 복수의 상향 볼록한 렌즈를 포함하고,
    상기 복수의 곡률형 반사체 중 하나는 상기 복수의 상향 볼록한 렌즈 중 하나와 상하 방향으로 상호 대응하여 위치하도록 구비되는 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 상향 볼록한 렌즈의 초점은, 상기 곡률형 반사면보다 하측에 위치하는 것인,
    기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 곡률형 반사면은, 이에 대응하는 상향 볼록한 렌즈를 통과하여 상기 초점을 향해 도달하는 광 중 적어도 일부를 전반사 조건을 충족하는 각도로 반사시키도록 형성되는 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 집광 렌즈층에 의해 집광된 광을 상기 광도파 집광층의 폭방향 일측에 위치하는 일측 엣지로 포집하려는 경우,
    상기 곡률형 반사면의 상향 볼록한 돌출 형상은, 상기 초점을 원점으로 한 극 좌표계를 기준으로, 상기 곡률형 반사면에서 반사된 광이 광도파로 내에서 전반사 진행 가능하게 반사 각도를 설정하는 전반사 조건 및 상기 집광 렌즈층을 통과하여 입사되는 광 중 적어도 일부를 커버하는 각도 범위 조건을 고려하여, 상기 각도 범위 조건을 충족하는 각도 범위 내에서 상기 전반사 조건을 충족하는 반사 각도로 반사되도록 형성되는 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 곡률형 반사면의 상향 볼록한 돌출 형상은, 상기 반사된 광이 폭방향 일측으로 이웃하는 이웃 곡률형 반사체에 간섭되지 않게 하는 미간섭 조건을 고려하여 형성되는 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 각도 성분은 하기 식1을 만족하는 범위를 가지고,
    상기 각도 성분에 대응되는 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 반지름 성분은 하기 식2를 만족하는 상기 원점으로부터의 거리 함수에 기초하여 결정되되,
    [식1]
    Figure pat00020

    [식2]
    Figure pat00021

    여기서, θ ini 는 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 각도 성분 중 최소값인 제 1각도, θ fin 은 상기 상향 볼록한 돌출 형상 각 지점의 각도 성분 중 최대값인 제2각도, r(θ)는 상기 원점으로부터의 거리 함수, θ 0 는 상기 전반사 조건을 충족하는 각도인 출력 각도이되,
    상기 제1각도 및 상기 제2각도는 상기 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 타측에 위치하는 타측 엣지를 향하는 방향을 0도로 하여 반시계 방향을 기준으로 측정되고,
    상기 출력 각도는 상기 초점을 원점으로 한 극좌표계의 폭방향 축 상에서 상기 광도파 집광층의 폭방향 일측에 위치하는 일측 엣지를 향하는 방향을 0도로 하여 시계 방향을 기준으로 측정되는 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 각도 범위 조건은,
    상기 제1각도 및 상기 제2각도가 하기 식3내지 식5를 만족하는 범위에서 결정될 조건이되,
    [식3]
    Figure pat00022

    [식4]
    Figure pat00023

    [식5]
    Figure pat00024

    여기서, d l 은 폭방향을 기준으로 한 상기 상향 볼록한 렌즈의 폭, F는 상기 상향 볼록한 렌즈의 초점거리, θ l 은 상기 상향 볼록한 렌즈를 통과하여 입사되는 광의 최대 입사각, θ ini 는 상기 제1각도, θ fin 는 상기 제2각도인 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 미간섭 조건은,
    상기 이웃 곡률형 반사체가 상기 곡률형 반사체로부터 폭방향을 기준으로 하기 식6을 만족하도록 이격 배치될 조건이되,
    [식6]
    Figure pat00025

    여기서, θ 0 는 상기 출력 각도, H는 상기 이웃 곡률형 반사체의 상하방향 기준 돌출 높이, L은 상기 이격 배치되는 거리 인 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전반사 조건은,
    상기 출력 각도가 하기 식7 내지 식9을 만족하는 범위에서 결정될 조건이되,
    [식7]
    Figure pat00026

    [식8]
    Figure pat00027

    [식9]
    Figure pat00028

    여기서, n 1 은 상기 집광 렌즈층과 상기 광도파 집광층의 사이의 영역 매질의 굴절률, n 2 는 상기 광도파 집광층을 형성하는 매질의 굴절률, θ c 는 상기 광도파 집광층 내 전반사 임계각, θ 0 는 상기 출력 각도인 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 곡률형 반사체는 제1곡률형 반사체 및 제2곡률형 반사체를 포함하고,
    상기 제1곡률형 반사체의 상기 곡률형 반사면은, 상기 집광 렌즈층에 의해 집광된 광을 광도파 집광층의 일측 엣지로 포집하도록, 타측의 상하방향 기준 높이가 일측의 상하방향 기준 높이보다 높은 것이고,
    상기 제2곡률형 반사체의 상기 곡률형 반사면은, 상기 집광 렌즈층에 의해 집광된 광을 광도파 집광층의 타측 엣지로 포집하도록, 일측의 상하방향 기준 높이가 타측의 상하방향 기준 높이보다 높은 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광도파 집광층의 폭방향 중심을 기준으로 일 방향으로는 복수의 상기 제1 곡률형 반사체가 구비되고, 타 방향으로는 복수의 상기 제2곡률형 반사체가 구비된 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광도파 집광층의 일측 엣지로 포집되는 광량과 타측 엣지로 포집되는 광량이 상이하도록, 상기 복수의 제1곡률형 반사체의 수 및 상기 복수의 제2곡률형 반사체의 수가 서로 다르게 구비되는 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 광도파 집광층의 일측 엣지로 포집되는 광량과 타측 엣지로 포집되는 광량이 상이하도록, 상기 광도파 집광층의 폭방향 중심에서 소정 거리만큼 일 방향 또는 타 방향으로 이격된 지점을 기준으로 일 방향으로는 복수의 상기 제1곡률형 반사체가 구비되고, 타 방향으로는 복수의 상기 제2곡률형 반사체가 구비된 것인, 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치.
  16. 제1항에 따른 기능성 광도파로를 이용한 창호형 태양광 발전 장치; 및
    상기 광도파 집광층의 엣지 측으로 포집된 광의 외부 유출이 차단되도록 상기 엣지를 감싸게 구비되고, 내측 일 영역에 상기 솔라셀 어레이가 배치되는 엣지 프레임을 포함하는 태양전지 창호.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110123419A (ko) * 2010-05-07 2011-11-15 한국광기술원 평판형 고집광 태양전지 모듈 및 이를 이용한 태양광 트랙커
KR20130085132A (ko) * 2012-01-19 2013-07-29 한국과학기술원 태양광 발전용 프레넬 렌즈 - 광가이드 복합형 집광 렌즈 장치
KR101670274B1 (ko) * 2015-05-15 2016-10-28 한국항공대학교산학협력단 창호형 태양전지와 그 제조방법
KR101947037B1 (ko) * 2017-05-17 2019-02-12 한국항공대학교산학협력단 발전량 분배가 가능한 창호형 태양 전지

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110123419A (ko) * 2010-05-07 2011-11-15 한국광기술원 평판형 고집광 태양전지 모듈 및 이를 이용한 태양광 트랙커
KR20130085132A (ko) * 2012-01-19 2013-07-29 한국과학기술원 태양광 발전용 프레넬 렌즈 - 광가이드 복합형 집광 렌즈 장치
KR101670274B1 (ko) * 2015-05-15 2016-10-28 한국항공대학교산학협력단 창호형 태양전지와 그 제조방법
KR101947037B1 (ko) * 2017-05-17 2019-02-12 한국항공대학교산학협력단 발전량 분배가 가능한 창호형 태양 전지

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