KR20230086076A - 슁글드 구조로 구성된 태양전지를 포함하는 태양전지 열전 융합소자 - Google Patents

슁글드 구조로 구성된 태양전지를 포함하는 태양전지 열전 융합소자 Download PDF

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송희은
박성은
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이태경
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Abstract

본 발명은 내부 저항 문제를 줄이고 설계를 최적화하기에 용이한 새로운 구조의 태양전지 열전 융합 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명의 태양전지 열전 융합소자는 태양전지부; 및 상기 태양전지부에 직렬로 연결되며 복수의 열전쌍을 포함하는 열전소자부를 포함하며, 상기 태양전지부는 복수의 태양전지가 각각 접착영역을 구비하여 슁글드(shingled) 구조로 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 분리된 태양전지셀을 슁글드 구조로 접합한 태양전지부를 구성함으로써, 태양전지부의 내부 저항에 의한 영향을 줄일 수 있으며, 나아가 열전소자의 구성에 맞추어 최적화된 태양전지 열전 융합 소자를 구성할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

슁글드 구조로 구성된 태양전지를 포함하는 태양전지 열전 융합소자{PHOTOVOLTAIC-THERMOELECTRIC HYBRID DEVICE HAVING SHINGLED STRUCTURE}
본 발명은 태양광을 이용하여 전기를 발전하는 소자에 대한 것으로서, 더욱 자세하게는 광전 변환과 열전 변환을 융합한 태양전지 열전 융합소자에 대한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명이 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 P-N 접합 다이오드(P-N junction diode)로 이루어져 있으며, 광전효과로 발전하는 소자이다. 광전 효과란 물체가 가지는 밴드갭 이상의 에너지를 받으면 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 전자가 여기 되며 전자-정공 쌍이 발생하게 되는 것을 이야기 하며, 전자-정공 쌍이 P-N 접합 계면의 전계로 인해 분리가 되어 전극으로 수집되며 전류가 흐른다. 태양전지는 이러한 현상을 이용하여 태양광의 빛 에너지를 이용하여 발전한다. 다만, 태양전지를 이용한 태양광발전은 그 특성상 셀 온도 기준으로 섭씨 25도일 때 100%의 효율을 나타내고, 섭씨 25도를 기준으로 온도가 1도 상승할 때마다 효율은 오히려 0.5%씩 떨어지는 것으로 알려져 있다.
이러한 태양전지의 단점을 극복하기 위해, 태양전지와 열전소자를 서로 결합한 융합 발전 소자가 사용되고 있다. 열전소자(Thermoelectric Module, TEM)는 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용한 소자로, 제벡 효과란 폐회로상에 온도차로 인해 전위차를 발생시키는 효과를 말한다.
일반적인 태양전지 열전 융합소자는, 상부에 태양전지가 배치되고, 하부에는 열전소자가 배치되며, 태양전지와 열전소자는 서로 직렬로 연결된다. 태양전지 열전 융합소자의 상부로부터 태양광이 입사되면 태양광의 약 54%는 태양전지에서 발전에 사용되되 나머지 태양광 46%는 열전소자의 발전에 사용된다. 이때, 열전소자는 복수의 열전쌍으로 구성되며, 필요에 따라서 열전쌍을 직렬과 병렬로 연결하여 사용한다. 열전쌍의 직렬연결 개수가 늘어나면 열기전력이 증가하지만, 서로 직렬 연결된 태양전지의 직렬 저항(RS)과 열전 소자의 저항(RTEG)이 동일하게 동작하는 것을 볼 수 있는데, 이로 인하여 융합 소자는 발전을 하지 않을 경우 오히려 출력이 줄어드는 문제가 발생하게 된다.
이와 같이, 태양전지와 열전소자의 저항에 의한 문제를 해결하기 위하여 태양전지와 열전소자 사이 및 열전쌍 사이에 스위치를 설치하여 연결 관계를 조절하는 기술이 개발(대한민국 등록특허 10-2314843)되었으나, 제어가 어렵고 일부 소자에서만 발전이 수행되는 단점이 있다.
대한민국 등록특허 10-2314843
본 발명은 융합 소자의 저항 문제를 해결할 수 있는 태양전지 열전 융합소자를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 아래와 같은 구성으로 이루어지는 태양전지 열전 융합소자를 제공한다.
본 발명의 태양전지 열전 융합소자는, 태양전지부; 및 상기 태양전지부에 직렬로 연결되며 복수의 열전쌍을 포함하는 열전소자부를 포함하며, 상기 태양전지부는 복수의 태양전지가 각각 접착영역을 구비하여 슁글드(shingled) 구조로 배치된 것을 특징으로 한다.
슁글드 구조로 접합된 개별 태양전지인 스트립의 개수 차이에 의해서 태양전지 열전 융합소자의 특성이 달라지며, 열전소자부에 포함된 열전쌍의 직렬연결 개수와 병렬연결 개수에 따라서, 상기 태양전지부의 스트립 개수가 조절되는 것이 바람직하다.
또한, 태양전지 열전 융합소자의 특성이 다음의 수식을 통해서 계산되며,
Figure pat00001
P hybrid는 태양전지 열전 융합소자의 발전량, N은 스트립의 개수, R S는 태양전지부의 직렬저항, R TEG는 열전소자부의 저항, V mp와 I mp는 태양전부지의 최대 출력 전압과 최대 출력 전류이다.
본 발명의 다른 형태에 의한 태양전지 열전 융합소자의 설계 방법은, 복수의 태양전지가 각각 접착영역을 구비하여 슁글드(shingled) 구조로 배치된 태양전지부 및 상기 태양전지부에 직렬로 연결되며 복수의 열전쌍을 포함하는 열전소자부를 포함하는 태양전지 열전 융합소자를 설계하는 방법으로서, 열전소자부에 포함된 열전쌍의 직렬연결 개수와 병렬연결 개수 및 슁글드 구조로 접합된 개별 태양전지인 스트립의 개수를 조절하여 태양전지 열전 융합소자를 구성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 열전소자부에 포함된 열전쌍의 직렬연결 개수와 병렬연결 개수 및 슁글드 구조로 접합된 개별 태양전지인 스트립의 개수가 다음의 수식을 통해서 도출되며,
Figure pat00002
P hybrid는 태양전지 열전 융합소자의 발전량, N은 스트립의 개수, R S는 태양전지부의 직렬저항, R TEG는 열전소자부의 저항, V mp와 I mp는 태양전부지의 최대 출력 전압과 최대 출력 전류일 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 분리된 태양전지 셀을 슁글드 구조로 접합한 태양전지부를 구성함으로써, 태양전지부의 내부 저항에 의한 영향을 줄일 수 있으며, 나아가 열전소자의 구성에 맞추어 최적화된 태양전지 열전 융합소자를 구성할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자에서 태양전지부의 슁글드 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 회로 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 태양전지부에 대한 측정값과 계산값을 비교한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 열전소자부에 대한 측정값과 계산값을 비교한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자에 대한 측정값과 계산값을 비교한 결과이다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지 열전 융합소자에 대한 측정값과 계산값을 비교한 결과를 열전소자의 구성별로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 통해 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명의 태양전지 열전 융합소자는, 빛 에너지를 전기 에너지도 변환하여 발전을 수행하는 태양전지 셀을 구비한 태양전지부와 제벡효과에 의해서 열에너지를 전기 에너지로 변환하여 발전을 수행하는 열전소자부를 포함하며, 태양전지부와 열전소자부는 직렬 연결된다.
이때, 열전소자부가 효율 향상을 위하여 태양전지부의 열을 열전소자부로 전달하는 구성을 포함할 수도 있으며, 본 발명의 특징을 해치지 않는 범위에서 다양한 기술이 모두 적용될 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
일반적으로 태양전지를 구성하는 태양전지 셀은 온도의 상승으로 인하여 발전효율이 낮아지며, 이를 보완하기 위하여 열전소자와 직렬 연결된 융합 소자를 구성하고 있으나, 다양한 조건에서 태양전지만으로 구성된 발전모듈에 비하여 효율이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명의 발명자들은 태양전지 열전 융합소자의 다양한 문제점을 분석하여 태양전지부와 열전소자부에 배치된 태양전지 셀과 열전쌍의 내부 저항이 결합되어 효율 저하가 생기는 것을 확인하였으며, 태양전지 열전 융합소자의 내부 저항에 따른 문제를 해결하는 방법으로서 태양전지부를 슁글드(shingled)구조의 태양전지로 구성하는 새로운 형태의 태양전지 열전 융합소자를 개발하게 되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자에서 태양전지부의 슁글드 구조를 설명하기 위한 도면이다.
슁글드 구조는 지붕널을 얹은 형태로 태양전지 셀을 배치한 것이다. 종래에는 태양전지 셀의 표면의 중간에 버스바를 설치하고, 버스바를 길게 연장하여 인접한 태양전지 셀의 후면과 연결하는 방식으로 태양전지 셀을 전기적으로 연결하였다. 이에 비하여, 슁글드 구조는 인접한 태양전지 셀의 상면과 하면을 전기적으로 직접 연결하는 방식이다. 본 실시예에서는 태양전지셀을 분리하여 구성된 복수의 스트립(strip)을 슁글드 구조로 연결한 태양전지부를 적용한다. 슁글드 구조를 구성하는 구체적인 형태는 다양하게 변형이 가능하지만, 본 발명에서는 슁글드 구조에 의해서 태양전지부의 내부 저항을 줄이는 것을 목적으로 하므로 본 발명의 특징을 해치지 않는 범위에서 모든 슁글드 구조가 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 회로 구성을 설명하기 위한 도면이다.
태양전지부는 복수의 태양전지 셀이 슁글드 구조로 연결된 복수의 스트립을 구비하며, 열전소자부는 복수의 열전쌍을 구비하되 열전쌍 중에 일부는 직렬로 연결되고 일부는 병렬로 연결된다.
이러한 회로 구성을 통해서 다음의 내용을 정리할 수 있다. 슁글드 구조의 태양전지부를 적용하는 경우, 태양전지 열전 융합소자의 발전 전압은 태양전지의 분할된 조각(스트립)의 개수에 비례하여 늘어나고, 반대로 발전 전류는 줄어들게 된다. 따라서 슁글드 구조를 적용하여 출력을 계산하게 되면 저항의 영향이 줄어들 것을 알 수 있다.
구체적으로, 태양전지는 직렬 연결의 구조로 나타나기 때문에 기존의 태양전지와 비교하여 분할된 조각인 스트립의 개수에 비례해 전압이 증가하게 된다. 반면에 전류의 경우 면적이 줄어들게 되므로 스트립 1개의 면적과 동일한 전류의 값을 가진다. 그러나 태양전지의 저항의 경우 스트립이 늘어남에 비해 변화량이 미약하여 무시된다. 일반적인 태양전지와 슁글드 구조의 태양전지 출력은 면적이 동일할 때 서로 유사하다.
슁글드 구조를 적용한 태양전지의 전류와 전압 그리고 저항은 다음과 같은 관계가 있다.
Figure pat00003
N은 스트립의 개수, I PV는 기존 태양전지의 전류, V PV는 기존 태양전지의 전압, R S는 태양전지의 직렬 저항이다.
이러한 관계를 반영하여 슁글드 구조를 적용한 태양전지 열전 융합소자의 발전효율을 수식으로서 정리하면 다음과 같다.
Figure pat00004
N은 스트립의 개수를 의미하며, R S는 태양전지부의 직렬저항, R TEG는 열전소자부의 저항을 의미한다. V mp와 I mp는 태양전지부의 최대 출력 전압과 최대 출력 전류이다.
이와 같이, 동일한 면적의 태양전지를 적용하는 경우에, 슁글드 구조를 이용하여 복수의 스트립으로 분할하는 구성을 통해서 태양전지 열전 융합소자의 저항에 대한 영향이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
상기한 수식의 정확성을 확인하기 위하여, 슁글드 구조를 적용한 태양전지 열전 융합소자를 제작하여 실제 측정값과 계산된 값을 비교하였다.
먼저 슁글드 구조의 태양전지부를 구성하기 위하여, 244.36 cm2 크기의 PERC 구조의 실리콘 태양전지를 레이저를 이용하여 여러 스트립으로 분할하였다. 이때 슁글드 구조 태양전지의 면적을 기존의 일반적인 태양전지와 동일하게 하기 위해 스트립의 면적을 조절하여 각각 3 스트립, 5 스트립, 7 스트립의 슁글드 구조 태양전지를 제작하였다. 그리고 ECA를 이용하여 스트립의 전면 버스바와 다른 스트립의 후면 버스바를 연결하여 슁글드 구조를 제작하였다. 이때 ECA의 경화를 위해 170 ℃의 온도의 핫플레이트에서 1분간 가열하였다. 양 끝에 노출된 버스바에 구리와 주석 납으로 구성된 리본을 납땜하여 전선을 연결하였다. 그 후 슁글드 구조의 태양전지를 저 철분 유리와 EVA, 백시트를 이용하여 모듈화를 진행하였다.
다음으로 열전소자부의 경우, 비스무스 텔루라이드 소재를 사용하여 태양전지와 동일한 면적의 244 cm2으로 제작하였다. 이때, 열전쌍의 직렬 개수와 병렬 개수를 변경하여 소자의 저항과 전기적 특성을 가변할 수 있으며, 열전소자에서 직렬의 개수가 늘어나고 병렬 개수가 줄어들면 온도 차에 비례하여 얻을 수 있는 열기전력이 상승하지만 저항 또한 증가한다. 본 실시예에서는 직렬 개수 x 병렬 개수가 각각 63 x 11, 99 x 7인 2개의 소자를 사용하여 태양전지 열전 융합소자를 제작하였다.
그리고 태양전지 열전 융합소자에서 슁글드 구조의 영향만을 정확하게 측정하기 위하여, 태양전지부와 열전소자부는 전기적인 연결만을 수행한 상태에서 각각을 태양전지 측정 장치와 열전소자 측정 장치에 연결하여 실험을 수행하였다.
먼저, 직렬 개수 x 병렬 개수가 각각 99 x 7인 열전소자부에 스트립의 수가 3, 5, 7개로 다른 태양전지부를 조합하여 태양전지 열전 융합소자를 구성하고, 측정값과 앞서 살펴본 수식에 의해 계산된 값을 비교하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 열전 융합소자의 태양전지부에 대한 측정값과 계산값을 비교한 결과이고, 도 4는 열전소자부에 대한 측정값과 계산값을 비교한 결과이며, 도 5는 태양전지 열전 융합소자에 대한 측정값과 계산값을 비교한 결과이다.
도시된 것과 같이, 태양전지 열전 융합소자에 대하여 실제로 측정된 결과와 상기한 수식을 통해서 계산된 값이 매우 유사한 것을 확인할 수 있으며, 미세한 차이는 측정 상의 오차로 볼 수 있다.
결국, 슁글드 구조를 적용함에 따른 저항의 영향은 상기 수식을 통해서 예측한 것과 동일하게 작용함을 알 수 있다.
다음으로 열전소자부를 구성하는 직렬연결과 병렬연결의 차이에 따른 영향을 확인하였다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지 열전 융합소자에 대한 측정값과 계산값을 비교한 결과를 열전소자의 구성별로 도시한 도면이다.
도시된 것과 같이, 태양전지 열전 융합소자에 대하여 실제로 측정된 결과와 상기한 수식을 통해서 계산된 값이 유사함을 다시 확인할 수 있다.
또한, 열전 소자의 직렬 개수가 많고 병렬 개수가 적다면 온도 차에 따른 증가량이 크다는 것을 알 수 있다. 그러나 열전 소자의 직렬 개수가 많아지고 병렬 개수가 적다는 의미는 저항의 크기가 커진다는 것을 의미하며, 직렬의 개수만 늘린다면 온도 차에 따른 출력의 증가보다 저항으로 인한 발전 저하가 크게 될 것이다.
이를 바탕으로 융합 소자의 출력을 높이기 위해서는 적절한 스트립의 개수와 온도 차 및 열전 소자의 회로 구성이 필요함을 확인할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 태양전지부; 및
    상기 태양전지부에 직렬로 연결되며 복수의 열전쌍을 포함하는 열전소자부를 포함하며,
    상기 태양전지부는 복수의 태양전지가 각각 접착영역을 구비하여 슁글드(shingled) 구조로 배치된 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    슁글드 구조로 접합된 개별 태양전지인 스트립의 개수 차이에 의해서 태양전지 열전 융합소자의 특성이 달라지는 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    열전소자부에 포함된 열전쌍의 직렬연결 개수와 병렬연결 개수에 따라서, 상기 태양전지부의 스트립 개수가 조절된 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자.
  4. 청구항 2에 있어서,
    태양전지 열전 융합소자의 특성이 다음의 수식을 통해서 계산되며,
    Figure pat00005

    P hybrid는 태양전지 열전 융합소자의 발전량, N은 스트립의 개수, R S는 태양전지부의 직렬저항, R TEG는 열전소자부의 저항, V mp와 I mp는 태양전부지의 최대 출력 전압과 최대 출력 전류인 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자.
  5. 복수의 태양전지가 각각 접착영역을 구비하여 슁글드(shingled) 구조로 배치된 태양전지부 및 상기 태양전지부에 직렬로 연결되며 복수의 열전쌍을 포함하는 열전소자부를 포함하는 태양전지 열전 융합소자를 설계하는 방법으로서,
    열전소자부에 포함된 열전쌍의 직렬연결 개수와 병렬연결 개수 및 슁글드 구조로 접합된 개별 태양전지인 스트립의 개수를 조절하여 태양전지 열전 융합소자를 구성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자의 설계 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    열전소자부에 포함된 열전쌍의 직렬연결 개수와 병렬연결 개수 및 슁글드 구조로 접합된 개별 태양전지인 스트립의 개수가 다음의 수식을 통해서 도출되며,
    Figure pat00006

    P hybrid는 태양전지 열전 융합소자의 발전량, N은 스트립의 개수, R S는 태양전지부의 직렬저항, R TEG는 열전소자부의 저항, V mp와 I mp는 태양전부지의 최대 출력 전압과 최대 출력 전류인 것을 특징으로 하는 태양전지 열전 융합소자의 설계 방법.
KR1020210174380A 2021-12-08 2021-12-08 슁글드 구조로 구성된 태양전지를 포함하는 태양전지 열전 융합소자 KR20230086076A (ko)

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