KR20230112282A - Lens device for ultra-thin and high magnification condensing photovoltaic module - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치가 개시된다. 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치는, 소정의 집광 초점 크기를 가지며, 하부로 볼록하게 형성되는 프레넬 렌즈부(100); 다수개의 전반사 렌즈가 상기 프레넬 렌즈부(100)를 동심원 형태로 둘러싸도록 형성되며, 상기 집광 초점 크기를 가지도록 형성되는 전반사(TIR) 렌즈부(200)를 포함한다.
이러한 본 발명은 내부전반사의 원리에 의해서 입사광의 편향각을 높일 수 있고, Optical Plastic 정밀 사출성형이 가능한 두께 50mm 수준의 Primary Optic Element (POE)를 적용할 수 있다.In the present invention, a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module is disclosed. A lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module includes a Fresnel lens unit 100 having a predetermined condensing focal point size and convex downward; A plurality of total reflection lenses are formed to surround the Fresnel lens unit 100 in a concentric circle shape, and include a total reflection (TIR) lens unit 200 formed to have the size of the condensing focal point.
According to the present invention, the deflection angle of incident light can be increased by the principle of total internal reflection, and a Primary Optic Element (POE) with a thickness of 50 mm capable of precise optical plastic injection molding can be applied.
Description
본 발명은 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초점 크기를 작게 하고 초점 거리를 짧게 하며, 집광도를 높일 수 있는, 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module, and more particularly, to a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module capable of reducing a focal size, shortening a focal length, and increasing light condensing.
일반적으로 태양광을 이용한 집광형(CPV: concentrator photo-voltaic)발전 시스템에서는 프레넬렌즈(Fresnel lens)를 사용하여 복수의 태양광 반사경(primary mirror와 secondary mirror)과 광도파체(optical rod)가 없이, 빛이 태양전지(solar cell)영역으로 단번에 모아지도록 한다.In general, in a concentrator photo-voltaic (CPV) power generation system using sunlight, a Fresnel lens is used to collect light into a solar cell area at once without a plurality of solar reflectors (primary and secondary mirrors) and an optical rod.
또한, 프레넬렌즈를 이용한 다양한 집광장치가 제안되었다. (특허문헌 10-1306821, 특허문헌 10-1909228, 특허문헌 10-2020-0016552)In addition, various concentrating devices using a Fresnel lens have been proposed. (Patent Document 10-1306821, Patent Document 10-1909228, Patent Document 10-2020-0016552)
이중에서 프레넬렌즈를 이용한 일반적인 집광장치의 구성도를 도 1에 도시하였다.Of these, a configuration diagram of a general concentrating device using a Fresnel lens is shown in FIG. 1 .
이러한 CPV 시스템에 사용되는 다중결합 태양전지(multi-junction solar cell)의 가격은 일반 실리콘 태양전지 가격에 비해 10 ~100 배 비싸다. The price of a multi-junction solar cell used in such a CPV system is 10 to 100 times higher than that of a general silicon solar cell.
이때, 본 발명에서 사용한 다중결합 태양전지의 대표제품인 트리플 정션 태양전지(triple junction solar cell)의 구조를 도 2에 도시하였다.At this time, the structure of a triple junction solar cell, which is a representative product of the multi-junction solar cell used in the present invention, is shown in FIG. 2 .
도 2를 참조하면, 렌즈의 굴절 각도를 조정하여 집광 면적을 최소화시킴으로써 작은 크기(5.5mm*5.5mm)의 MJ(multi junction)의 태양 전지를 사용 가능케 함으로써 집광배율을 높이고, 태양전지가 차지하는 비용을 최대한 절감할 수 있게 해야 한다. 향상된 태양전지 효율(solar cell efficiency)은 모듈의 출력(module output power)을 최대화시킬 수 있는 장점을 갖게 된다. 렌즈의 형태는 상용화된 일반 Fresnel 렌즈와 본 발명을 통해 개발된 복합 전반사 프레넬 렌즈(Hybrid TIR Fresnel lens)로 나누어진다.Referring to FIG. 2, by adjusting the refraction angle of the lens to minimize the condensing area, it is possible to use a multi junction (MJ) solar cell of a small size (5.5 mm * 5.5 mm), thereby increasing the light condensing magnification and reducing the cost occupied by the solar cell as much as possible. Improved solar cell efficiency has the advantage of maximizing module output power. The shape of the lens is divided into a commercially available general Fresnel lens and a hybrid TIR Fresnel lens developed through the present invention.
프레넬 렌즈만 사용하는 경우, 집광도가 500~1000 또는 그 이상 일 때는 색수차(chromatic aberration)가 증가하여 입사광의 초점크기(spot size)가 커지게 된다.In the case of using only a Fresnel lens, when the light concentration is 500 to 1000 or more, chromatic aberration increases and the spot size of the incident light increases.
따라서 초점크기를 태양전지 크기(5.5mm) 이내로 만들려면 상대적으로 초점거리(focal length)가 길어지게 설계되어야 한다.Therefore, in order to make the focal size within the size of the solar cell (5.5 mm), the focal length should be designed to be relatively long.
초점거리가 길어지면 시스템 사이즈와 볼륨이 커지게 되어 배송비용, 제조비용, 설치비용 등이 증가하게 된다. As the focal length increases, the size and volume of the system increase, which increases shipping cost, manufacturing cost, and installation cost.
이와 같이, 색수차를 작게 하여, 초점크기(spot sie)를 작게 하고 초점거리(focal length)를 짧게 하며 집광도를 높일 수 있는 새로운 타입의 집광렌즈를 이용하는 집광장치(Concentrator)가 필요한 실정이다.As such, there is a need for a concentrator using a new type of condensing lens capable of reducing chromatic aberration, reducing a spot sie, shortening a focal length, and increasing light condensing.
한편, 도 3을 참조하면, 종래에는 Point-focusing 집광방식에 따라 적정거리의 초점거리 확보가 필요하다.On the other hand, referring to FIG. 3, conventionally, it is necessary to secure an appropriate focal length according to a point-focusing light condensing method.
종래에는 상기 초점거리로 인해 모듈의 폭이 증가 (일반적으로, 200~400mm)하고, 모듈 폭 증가로 모듈제조, 설치비용 및 하중이 증가하고, 신뢰성이 감소된다. 즉, 제품가격, 설치비용, 제품신뢰성 등이 열세이고, Si PV대비 고효율 발전특성의 장점이 훼손된다.Conventionally, the width of the module increases (generally, 200 to 400 mm) due to the focal length, and the increase in module width increases module manufacturing, installation cost and load, and reduces reliability. In other words, product price, installation cost, product reliability, etc. are inferior, and the advantage of high efficiency power generation characteristics compared to Si PV is damaged.
또한, 종래에 독일, Soitec사는 Optic 및 Cell크기 축소로 상대적 초점거리 단축 시도를 하였으나 부품 수 증가로 제조비가 상승하는 문제가 있었다.In addition, Soitec, Germany, tried to reduce the relative focal length by reducing the size of the optic and cell, but there was a problem in that the manufacturing cost increased due to the increase in the number of parts.
또한, 종래에 스페인 Isofoton사에서는 하이브리드타입 내부전반사 Primary Optic과 광학적으로 Matching된 복잡한 형상의 Secondary Optic을 적용하였으나 양산성 및 Primary Optic과의 거리이격 단축에 구조적 한계를 드러냈다. In addition, Isofoton of Spain previously applied a hybrid type total internal reflection Primary Optic and optically matched Secondary Optic with a complex shape, but showed structural limitations in mass production and shortening the distance from the Primary Optic.
또한, 종래에 캐나다 Morgan Solar사에서는 하이브리드타입 내부전반사 Primary Optic과 내부전반사 광전달소자(Light guide)를 적용한 박형 고배율 집광기 적용을 시도하였으나 광전달소자의 소재선택 한계를 드러내고, 광학 효율이 저하되는 문제가 됐다.In addition, in the past, Morgan Solar of Canada tried to apply a thin high-magnification concentrator to which a hybrid type total internal reflection primary optic and a total internal reflection light guide were applied.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 내부전반사의 원리에 의해서 입사광의 편향각을 높일 수 있고, Optical Plastic 정밀 사출성형이 가능한 두께 50mm 수준의 Primary Optic Element (POE)를 적용하는, 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to solve the conventional problems, and it is possible to increase the deflection angle of incident light by the principle of total internal reflection, and to provide a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module that applies a Primary Optic Element (POE) with a thickness of 50 mm, which is capable of optical plastic precision injection molding.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, POE에서 입사된 광을 내부전반사의 원리를 이용, 높은 출사각과 균일도로 태양전지에 전달하고, 내열 Glass Direct Press 성형이 가능한 Secondary Optic Element(SOE)를 적용하는, 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치를 제공하는 것이다.In addition, a technical problem to be achieved by the present invention is to solve the conventional problems, and transmits light incident from POE to a solar cell with a high emission angle and uniformity using the principle of total internal reflection, and to provide a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module using a secondary optic element (SOE) capable of heat-resistant glass direct press molding.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 초점 크기를 작게 하고 초점 거리를 짧게 하며, 집광도를 높일 수 있는 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치를 제공하는 것이다.In addition, a technical problem to be achieved by the present invention is to solve the conventional problems, and to provide a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module capable of reducing a focal size, shortening a focal length, and increasing light condensing.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치는,A lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to the features of the present invention for solving these problems,
소정의 집광 초점 크기를 가지며, 하부로 볼록하게 형성되는 프레넬 렌즈부(100);a Fresnel lens unit 100 having a predetermined condensing focus size and convex downward;
다수개의 전반사 렌즈가 상기 프레넬 렌즈부(100)를 동심원 형태로 둘러싸도록 형성되며, 상기 집광 초점 크기를 가지도록 형성되는 전반사(TIR) 렌즈부(200)를 포함한다.A plurality of total reflection lenses are formed to surround the Fresnel lens unit 100 in a concentric circle shape, and include a total reflection (TIR) lens unit 200 formed to have the size of the condensing focal point.
상기 프레넬 렌즈부(100)는 내부전반사의 원리에 의해서 입사광의 편향각을 높일 수 있고, Optical Plastic 정밀 사출성형이 가능한 두께 50mm 수준의 Primary Optic Element (POE)이다.The Fresnel lens unit 100 can increase the deflection angle of incident light by the principle of total internal reflection, and is a Primary Optic Element (POE) with a thickness of 50 mm capable of precision injection molding of Optical Plastic.
상기 전반사 렌즈부(200)는 내열 Glass Direct Press성형이 가능한 Secondary Optic Element (SOE)를 적용한다.The total reflection lens unit 200 applies a secondary optic element (SOE) capable of heat-resistant glass direct press molding.
상기 프레넬 렌즈부(100)와 상기 전반사 렌즈부(200)의 최적거리 조합에 의해서 구현되는 두께는 50mm이하이고, 집광비는 500배 이상이고, 모듈 광전변환효율은 25% 이상의 양산형 집광형 태양전지모듈이 가능하다.A mass-produced concentrating solar cell module with a thickness of 50 mm or less, a light concentrating ratio of 500 times or more, and a module photoelectric conversion efficiency of 25% or more, realized by the optimal distance combination of the Fresnel lens unit 100 and the total reflection lens unit 200, is 50 mm or less.
상기 전반사 렌즈부(200)는 5개 이상의 전반사렌즈를 포함한다.The total reflection lens unit 200 includes five or more total reflection lenses.
상기 전반사 렌즈의 단면은 아래끝이 뾰족하게 형성되며, 제1 변은 하부방향으로 수직으로 형성되고, 다른 제2 변은 상기 제1 변과 서로 30~40도 사이의 각도를 이루어 내부전반사가 이루어진다.The cross section of the total reflection lens has a pointed lower end, a first side is formed vertically downward, and the other second side forms an angle between 30 and 40 degrees with respect to the first side to achieve total internal reflection.
상기 전반사 렌즈부(200)의 전반사 렌즈는 중앙부위로 갈수록 두께가 작아진다.The thickness of the total reflection lens of the total reflection lens unit 200 decreases toward the central portion.
상기 전반사 렌즈부(200)의 두께는 50mm이내이다. The thickness of the total reflection lens unit 200 is within 50 mm.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 제조 방법은,A method for manufacturing a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to the features of the present invention to solve these problems,
S110) 반사방지코팅(Anti-reflection coating)이 된 유리상판 (Cover glass 또는 window)의 밑면에 프레넬렌즈 부분을 직접 몰딩하는 단계;S110) Directly molding a Fresnel lens part on the lower surface of a glass top plate (Cover glass or window) coated with anti-reflection coating;
S120) TIR 렌즈 A를 별도로 몰딩하여 만드는 단계;S120) separately molding the TIR lens A;
S130) TIR 렌즈 B를 역시 별도로 몰딩하여 만드는 단계; S130) Making the TIR lens B also separately molded;
S140) 상기 S110) 단계의 작업으로 준비된 유리상판과 프레넬렌즈의 조립체에 상기 TIR 렌즈 A부분을 정해진 위치에 투명한 광학접착제로 부착하는 단계;S140) attaching part A of the TIR lens to the assembly of the glass upper plate and the Fresnel lens prepared by the operation of step S110) at a predetermined position with a transparent optical adhesive;
S150)상기 S110) 단계의 작업으로 준비된 유리상판과 프레넬렌즈의 조립체에 TIR 렌즈 B부분을 역시 정해진 위치에 접착제로 부착하는 단계;S150) attaching part B of the TIR lens to the assembly of the glass top plate and the Fresnel lens prepared by the operation of step S110) at a predetermined position with an adhesive;
S160) 접착제가 경화한 뒤 렌즈 조립체의 표면의 이물 등을 제거하고 품질 상 문제 유무를 검사하는 단계를 포함한다.S160) After the adhesive is cured, removing foreign matter from the surface of the lens assembly and inspecting whether or not there is a quality problem.
본 발명의 실시예 에서는, 내부전반사의 원리에 의해서 입사광의 편향각을 높일 수 있고, Optical Plastic 정밀 사출성형이 가능한 두께 50mm 수준의 Primary Optic Element (POE)를 적용하는, 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치를 제공할 수 있다.In an embodiment of the present invention, it is possible to increase the deflection angle of incident light by the principle of total internal reflection, and to apply a Primary Optic Element (POE) with a thickness of 50 mm capable of precision injection molding of optical plastic.
또한, 본 발명의 실시예 에서는, POE에서 입사된 광을 내부전반사의 원리를 이용, 높은 출사각과 균일도로 태양전지에 전달하고, 내열 Glass Direct Press 성형이 가능한 Secondary Optic Element(SOE)를 적용하는, 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치를 제공할 수 있다.In addition, in an embodiment of the present invention, it is possible to provide a lens device for an ultra-thin, high-magnification condensing type solar module that transmits light incident from POE to a solar cell with a high emission angle and uniformity using the principle of total internal reflection, and applies a secondary optic element (SOE) capable of heat-resistant glass direct press molding.
또한, 본 발명의 실시예 에서는, 초점 크기를 작게 하고 초점 거리를 짧게 하며, 집광도를 높일 수 있는 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치를 제공할 수 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, it is possible to provide a lens device for an ultra-thin, high-magnification condensing type solar module capable of reducing the focal size, shortening the focal length, and increasing the degree of light condensing.
또한, 본 발명의 실시예 에서는, 색수차(chromatic aberration)를 작게 하여 초점크기(spot size)를 작게 하고, 초점거리(focal length)를 짧게 하며, 집광도를 높일 수 있는 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치를 제공할 수 있다.In addition, in an embodiment of the present invention, a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating type solar module capable of reducing chromatic aberration to reduce spot size, shorten focal length, and increase light condensation can be provided.
도 1은 일반적인 프레넬 렌즈의 집광장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 3중결합 태양전지(solar cell)구조의 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 단면을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 내부 전반사를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 설계 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 금형을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 시제품을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 집광형 태양전지 옥외 평가시스템의 예를 보인 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치가 적용된 태양광 모듈의 연간 에너지 효율을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치가 적용된 태양광 모듈의 파워를 측정하는 예시를 보인 도면이다.1 is a view showing a concentrating device of a general Fresnel lens.
2 is a diagram showing an example of a triple-coupled solar cell structure.
3 is a cross-sectional view of a conventional lens device for a concentrating solar module.
4 is a cross-sectional view of a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating total internal reflection of a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a method of designing a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing a mold of a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a prototype of a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
9 and 10 are diagrams showing an example of an outdoor evaluation system for a concentrating solar cell.
11 is a diagram showing annual energy efficiency of a solar module to which a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention is applied.
12 is a diagram showing an example of measuring power of a solar module to which a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention is applied.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
일반 전반사 렌즈는 렌즈의 중심으로부터 멀어질수록 입사광의 색수차(chromatic aberration)가 증가하고 초점크기(spot size)가 커지게 된다. 따라서 입사광의 초점크기(spot size)가 태양전지의 상면 크기와 동일하게 조정하려면 초점거리(focal length)를 크게 하여야 한다. In the general total reflection lens, as the distance from the center of the lens increases, chromatic aberration of incident light increases and the spot size increases. Therefore, in order to adjust the spot size of the incident light to be the same as the size of the upper surface of the solar cell, the focal length must be increased.
그러나, 초점거리가 커지면 태양전지모듈과 발전시스템의 외형(volume)이 커지게 되고 제조비용이 상승하게 된다. However, as the focal length increases, the volume of the solar cell module and the power generation system increases and manufacturing cost increases.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에서는 색수차를 작게하여 초점크기를 작게 하고, 초점거리를 최소화하여 최대의 집광도를 얻는다.In order to solve this problem, in the embodiment of the present invention, the focal size is reduced by reducing the chromatic aberration, and the maximum light condensation is obtained by minimizing the focal length.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 단면을 나타낸 도면이다.4 is a cross-sectional view of a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 내부 전반사를 나타낸 도면이다.5 is a diagram showing total internal reflection of a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 설계 방법을 나타낸 도면이다.6 is a diagram illustrating a method of designing a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 금형을 나타낸 도면이다.7 is a view showing a mold of a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 시제품을 나타낸 도면이다. 8 is a view showing a prototype of a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention.
도 9 및 도 10은 집광형 태양전지 옥외 평가시스템의 예를 보인 도면이다.9 and 10 are diagrams showing an example of an outdoor evaluation system for a concentrating solar cell.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치가 적용된 태양광 모듈의 연간 에너지 효율을 나타낸 도면이다.11 is a diagram showing annual energy efficiency of a solar module to which a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention is applied.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치가 적용된 태양광 모듈의 파워를 측정하는 예시를 보인 도면이다.12 is a diagram showing an example of measuring power of a solar module to which a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention is applied.
도 4 또는 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치는,Referring to FIG. 4 or 5, a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention,
소정의 집광 초점 크기를 가지며, 하부로 볼록하게 형성되는 프레넬 렌즈부(100);a Fresnel lens unit 100 having a predetermined condensing focus size and convex downward;
다수개의 전반사 렌즈가 상기 프레넬 렌즈부(100)를 동심원 형태로 둘러싸도록 형성되며, 상기 집광 초점 크기를 가지도록 형성되는 전반사(TIR) 렌즈부(200)를 포함한다.A plurality of total reflection lenses are formed to surround the Fresnel lens unit 100 in a concentric circle shape, and include a total reflection (TIR) lens unit 200 formed to have the size of the condensing focal point.
상기 전반사 렌즈부(200)는 외부가 사각형, 육각형 또는 원형등 다양한 형태로 형성될 수 있다.The exterior of the total reflection lens unit 200 may be formed in various shapes such as a quadrangle, a hexagon, or a circle.
상기 프레넬 렌즈부(100)는 내부전반사의 원리에 의해서 입사광의 편향각을 높일 수 있고, Optical Plastic 정밀 사출성형이 가능한 두께 50mm 수준의 Primary Optic Element (POE)이다.The Fresnel lens unit 100 can increase the deflection angle of incident light by the principle of total internal reflection, and is a Primary Optic Element (POE) with a thickness of 50 mm capable of precision injection molding of Optical Plastic.
상기 전반사 렌즈부(200)는 내열 Glass Direct Press성형이 가능한 Secondary Optic Element (SOE)를 적용한다.The total reflection lens unit 200 applies a secondary optic element (SOE) capable of heat-resistant glass direct press molding.
상기 프레넬 렌즈부(100)와 상기 전반사 렌즈부(200)의 최적거리 조합에 의해서 구현되는 두께는 50mm이하이고, 집광비는 500배 이상이고, 모듈 광전변환효율은 25% 이상의 양산형 집광형 태양전지모듈이 가능하다.A mass-produced concentrating solar cell module with a thickness of 50 mm or less, a light concentrating ratio of 500 times or more, and a module photoelectric conversion efficiency of 25% or more, realized by the optimal distance combination of the Fresnel lens unit 100 and the total reflection lens unit 200, is 50 mm or less.
상기 전반사 렌즈부(200)는 5개 이상의 전반사렌즈를 포함한다.The total reflection lens unit 200 includes five or more total reflection lenses.
상기 전반사 렌즈의 단면은 아래끝이 뾰족하게 형성되며, 제1 변은 하부방향으로 수직으로 형성되고, 다른 제2 변은 상기 제1 변과 서로 30~40도 사이의 각도를 이루어 내부전반사가 이루어진다.The cross section of the total reflection lens has a pointed lower end, a first side is formed vertically downward, and the other second side forms an angle between 30 and 40 degrees with respect to the first side to achieve total internal reflection.
상기 전반사 렌즈부(200)의 전반사 렌즈는 중앙부위로 갈수록 두께가 작아진다.The thickness of the total reflection lens of the total reflection lens unit 200 decreases toward the central portion.
상기 전반사 렌즈부(200)의 두께는 50mm이내이다. The thickness of the total reflection lens unit 200 is within 50 mm.
커버글라스( Window)의 재료로 PMMA, Acryle, Polycarbonate 같은 플라스틱 재료를 채택할 수 있다.Plastic materials such as PMMA, Acryle, and Polycarbonate can be adopted as the material of the cover glass (Window).
렌즈재료는 실리콘, 유리, 플라스틱 (PMMA, Acryle, Polycarbonate), 또는 합당한 기타 재료를 채택할 수 있다.The lens material may be silicone, glass, plastic (PMMA, Acryle, Polycarbonate), or other suitable materials.
이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 전반사 렌즈의 설계 프로세스의 일례를 도 6에 도시하였다.An example of a design process of a total reflection lens according to an embodiment of the present invention having such a configuration is shown in FIG. 6 .
먼저 프레넬 렌즈의 원형을 만들고 초점크기(Spot size)를 계산한다. 그리고 원하는 초점크기를 얻을 수 있도록 조정한다.First, make a prototype of the Fresnel lens and calculate the spot size. And adjust it to get the desired focal size.
이러한 상태에서 전반사렌즈영역의 설계를 한다In this state, the total reflection lens area is designed.
도 6을 참조하면, 원하는 초점위치를 얻도록 전반사 렌즈부의 각 전반사 렌즈의 반사면(Reflector Surface)의 각도를 조정한다.(S621) 상기 전반사 렌즈의 단면은 아래끝이 뾰족하게 형성되며, 제1 변은 하부방향으로 수직으로 형성되고, 다른 제2 변은 상기 제1 변과 서로 30~40도 사이의 각도를 이루어 내부전반사가 이루어진다.6, the angle of the reflector surface of each total reflection lens of the total reflection lens unit is adjusted to obtain a desired focal position. (S621) The cross section of the total reflection lens has a sharp lower end, a first side is formed vertically in the downward direction, and the other second side forms an angle between 30 and 40 degrees with the first side to achieve total internal reflection.
그리고 나서, 색수차(Chromatic Aberration)가 최소화 될 수 있도록 전반사 렌즈부의 각 전반사 렌즈의 방출면(Emitting Surface)의 각도를 조정한다.(S622) Then, the angle of the emitting surface of each total reflection lens of the total reflection lens unit is adjusted so that chromatic aberration can be minimized (S622).
그리고 나서, 전반사 렌즈 간에 서로 인접하는 전반사 렌즈의 구조가 가리워지는지 판단하여(S623), 가리워지지 않으면, 목표 집광도가 얻어졌는지 판단한다(S624).Then, it is determined whether the structures of the total reflection lenses adjacent to each other are covered between the total reflection lenses (S623). If not, it is determined whether a target light condensing degree is obtained (S624).
목표 집광도가 얻어지면, 전반사(TIR) 렌즈 전체의 형상구조의 정밀조정을 위해 메릿펑션(Merit Function)을 적용할 수 있다.(S625)When the target light concentration is obtained, the Merit Function can be applied to fine-tune the shape structure of the entire TIR lens. (S625)
한편, 전반사 렌즈가 인접하는 전반사 렌즈에 의해 가리워지거나 목표 집광도가 얻어지지 않았으면, 상기 과정(S621)부터 반복하여 수행한다.On the other hand, if the total reflection lens is covered by an adjacent total reflection lens or the target light condensing degree is not obtained, the above process (S621) is repeated.
또한 일반 프레넬렌즈와 본 발명의 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치가 보이는 집광능력의 차이를 도 3 및 도 5에 제시하였다.In addition, the difference in light condensing ability between the general Fresnel lens and the ultra-thin high-magnification concentrating solar module lens device of the present invention is shown in FIGS. 3 and 5 .
도 3 및 도 5를 비교참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치가 휠씬 좁은 영역으로 집광됨을 알 수 있다.Comparatively referring to FIGS. 3 and 5 , it can be seen that the lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating photovoltaic module according to an embodiment of the present invention condenses light into a much narrower area.
이러한 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 제조 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.A method of manufacturing a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module will be described below.
S110) 먼저 반사방지코팅(Anti-reflection coating)이 된 유리상판 (Cover glass 또는 window)의 밑면에 전반사렌즈 부분을 직접 몰딩한다.S110) First, the total reflection lens part is directly molded on the lower surface of the glass top plate (Cover glass or window) coated with anti-reflection coating.
다음, S120) 제1 전반사 렌즈를 별도로 몰딩하여 만든다.Next, S120) It is made by separately molding the first total reflection lens.
다음, S130) 제2 전반사 렌즈를 역시 별도로 몰딩하여 만든다. 이때, 전반사렌즈의 개수는 5~6개로 하여 S130과정을 반복할 수 있다.Next, S130) The second total reflection lens is also separately molded. At this time, the number of total reflection lenses may be 5 to 6 and the process of S130 may be repeated.
다음, S140) 상기 S110)항의 작업으로 준비된 유리상판과 전반사렌즈의 조립체에 제1 전반사 렌즈 부분을 정해진 위치에 투명한 광학접착제로 부착한다.Next, S140) The first total reflection lens portion is attached to the assembly of the glass upper plate and the total reflection lens prepared by the operation of S110) at a predetermined position using a transparent optical adhesive.
S150) 제2 전반사 렌즈 부분을 역시 정해진 위치에 접착제로 부착한다. 이때, 전반사렌즈의 개수는 5~6개로 하여 S150과정을 반복할 수 있다.S150) The second total reflection lens part is also attached to a predetermined position with an adhesive. At this time, the number of total reflection lenses may be 5 to 6 and the process of S150 may be repeated.
S160) 접착제가 경화한 뒤 렌즈 조립체의 표면의 이물 등을 제거하고 품질상 문제 유무를 검사한다.S160) After the adhesive is cured, foreign substances on the surface of the lens assembly are removed and quality problems are inspected.
물론 전반사렌즈 부분도 별도로 몰딩제조하여 유리상판에 접착제로 부착하는 제조방법을 이용할 수도 있다.Of course, it is also possible to use a manufacturing method in which the total reflection lens part is separately molded and attached to the glass top plate with an adhesive.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치를 제조하기 위한 실제 금형은 직육면체 형성으로 형성하였고, 금형은 베이스 플레이트, 4개의 리드 중앙핀, 스퀘이 플레이트, 이우터 스퀘어, 아우터 이젝터 등을 구비한다.Referring to FIG. 7, an actual mold for manufacturing a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention is formed by cuboid formation, and the mold includes a base plate, four lead center pins , a square plate, an ejector square, an outer ejector, and the like.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치의 시제품을 도시하였으며, 사각형상으로 형성되었다.Referring to FIG. 8 , a prototype of a lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention is shown and formed in a rectangular shape.
도 9 및 도 10을 참조하면, 집광형 태양전지 옥외 평가시스템의 예를 보인 것으로서, 태양광추적센서, 환경조건측정기기, 발전모듈 거치대, 제어기및 통신모듈, 본체 드을 구비한다.9 and 10, an example of an outdoor evaluation system for concentrating solar cells is shown, and includes a solar tracking sensor, an environmental condition measuring device, a power generation module cradle, a controller and communication module, and a body board.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치가 적용된 태양광 모듈의 연간 에너지 효율은 고효율을 유지할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치가 적용된 태양광 모듈의 파워를 측정하는 예시는 도 12와 같다.Referring to FIG. 11 , the annual energy efficiency of the photovoltaic module to which the ultra-thin high-magnification lens device for concentrating photovoltaic module according to the embodiment of the present invention is applied can maintain high efficiency. At this time, an example of measuring the power of a solar module to which the lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention is applied is shown in FIG. 12 .
이상의 본 발명의 실시예에 따른 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치는 다음과 같은 효과를 가진다.The lens device for an ultra-thin, high-magnification concentrating solar module according to an embodiment of the present invention has the following effects.
첫번째로, HCPV 모듈 제조비용의 약 20~30% 차지하는 module housing 가공비용(재료비 포함)의 약 80%를 절감하고, 전체 module 제조비용의 20% 이상을 절감할 수 있다. 본 발명은 기존 HCPV module 차지 공간의 약 10~20%수준이며, 모듈 차지공간 감소에 비례한 운송비용을 절감(동일 적재공간 기준, 기존 HCPV 모듈대비 적재량 5~10배 증대)할 수 있다. 또한, 본 발명은 동일 모듈 설치용량 기준으로 Actuator 용량이 감소되고, 구조물 하중부담이 감소되어 module 설치에 요구되는 태양광 추적 장치 비용이 절감될 수 있다.First, it is possible to reduce about 80% of the module housing processing cost (including material cost), which accounts for about 20 to 30% of the HCPV module manufacturing cost, and more than 20% of the total module manufacturing cost. The present invention is about 10 to 20% of the space occupied by the existing HCPV module, and can reduce transportation costs in proportion to the reduction in the space occupied by the module (based on the same loading space, 5 to 10 times higher loading capacity compared to the existing HCPV module). In addition, the present invention reduces the actuator capacity based on the same module installation capacity and reduces the load burden of the structure, so that the cost of the solar tracking device required for module installation can be reduced.
두 번째로 HCPV module 전체 하중에서 Module housing이 차지하는 하중비율은 약 50%(POE 제외)이고, Module housing 하중의 약 50%를 차지하는 Side wall 하중의 약 80% 감소되고, 기존 HCPV 모듈하중의 최대 40% 경감이 가능하다 (1.0*0.5*0.8=0.4).Second, the load ratio of the module housing to the total load of the HCPV module is about 50% (excluding POE), and the side wall load, which accounts for about 50% of the module housing load, is reduced by about 80%, and a maximum of 40% reduction of the existing HCPV module load is possible (1.0*0.5*0.8=0.4)
또한, 본발명은 Module하중 경감과 동시에 HCPV의 고효율 특성을 유지하고, 최신 c-Si PV module 하중의 약 70~75%수준의 단위하중을 구현할 수 있다.In addition, the present invention can reduce the module load, maintain the high efficiency characteristics of HCPV, and realize a unit load of about 70 to 75% of the load of the latest c-Si PV module.
세 번째로 Module 내부 체적 감소로 습도 조절 및 주기적 열적 팽창-수축 대응 부담 감소될 수 있다. 본 발명은 Module 형상 aspect ratio(길이/폭) 증가로 module의 구조적 강성(Rigidity)이 증대된다. Third, the burden of humidity control and periodic thermal expansion-contraction response can be reduced by reducing the internal volume of the module. In the present invention, the structural rigidity of the module is increased by increasing the aspect ratio (length/width) of the module shape.
네 번째로 차별화 된 제품 경쟁력을 기반으로 기존 태양광발전기술과 경쟁을 차별화하고, 저중량, 고효율 특성을 기반으로 Tracked c-Si PV system과 경쟁할 수 있고, c-Si PV module대비 저중량, 초박형 HCPV module concept을 기반으로 Fourth, based on differentiated product competitiveness, it can differentiate its competition from existing photovoltaic power generation technologies, compete with tracked c-Si PV systems based on low weight and high efficiency characteristics, and based on the light weight and ultra-thin HCPV module concept compared to c-Si PV modules,
기존 rooftop용 태양광제품군과 경쟁할 수 있다.It can compete with existing rooftop photovoltaic products.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명 의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용 한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also within the scope of the present invention.
Claims (5)
다수개의 전반사 렌즈가 상기 프레넬 렌즈부(100)를 동심원 형태로 둘러싸도록 형성되며, 상기 집광 초점 크기를 가지도록 형성되는 전반사(TIR) 렌즈부(200)를 포함하는 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치.a Fresnel lens unit 100 having a predetermined condensing focus size and convex downward;
A plurality of total reflection lenses are formed to surround the Fresnel lens unit 100 in a concentric circle shape and include a total reflection (TIR) lens unit 200 formed to have the size of the condensing focal point. Lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module.
상기 프레넬 렌즈부(100)는 내부전반사의 원리에 의해서 입사광의 편향각을 높일 수 있고, Optical Plastic 정밀 사출성형이 가능한 두께 50mm 수준의 Primary Optic Element (POE)인 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치.According to claim 1,
The Fresnel lens unit 100 can increase the deflection angle of incident light by the principle of total internal reflection, and is a Primary Optic Element (POE) with a thickness of 50 mm capable of optical plastic precision injection molding. Lens device for ultra-thin high-magnification concentrating solar module.
상기 전반사 렌즈부(200)는 5개 이상의 전반사렌즈를 포함하는 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치.According to claim 2,
The total reflection lens unit 200 is a lens device for an ultra-thin high-magnification concentrating solar module including five or more total reflection lenses.
상기 전반사 렌즈의 단면은 아래끝이 뾰족하게 형성되며, 제1 변은 하부방향으로 수직으로 형성되고, 다른 제2 변은 상기 제1 변과 서로 30~40도 사이의 각도를 이루어 내부전반사가 이루어지는 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치.According to claim 3,
The cross section of the total reflection lens is formed with a pointed lower end, the first side is formed vertically in the downward direction, and the other second side forms an angle between 30 and 40 degrees with the first side to achieve total internal reflection Ultra-thin high-magnification lens device for condensing solar module.
상기 전반사 렌즈부(200)의 복수개의 전반사 렌즈는 프레넬 렌즈부(100)에 인접할수록 두께가 작아지는 것을 특징으로 하는 초박형 고배율 집광형 태양광 모듈용 렌즈 장치.According to claim 5,
The plurality of total reflection lenses of the total reflection lens unit 200 are lens devices for ultra-thin high-magnification concentrating solar modules, characterized in that the thickness decreases as they are closer to the Fresnel lens unit 100.
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