KR20230116646A - 차량용 태양광 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 지붕에 설치되는 차량용 태양광 발전장치에 있어서, 시트 형태의 태양 전지; 상기 태양 전지의 일 면에 마련된 복수 개의 집광형 태양 전지; 및 상기 집광형 태양 전지의 상부에 위치하며, 상방에서 하방으로 갈수록 테이퍼링되어 태양 빛을 상기 집광형 태양 전지로 가이드하는 집광기를 포함하여, 제한된 면적에서의 집광량을 최대화할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 태양광 발전장치{Solar power generation device for vehicle}

본 발명은 태양광 발전장치에 관한 것으로, 차량의 지붕에 마련될 수 있는 태양광 발전장치에 관한 것이다.

전기 자동차가 증가함에 따라서, 차량에서 전기를 생산할 수 있는 장치가 요구된다. 최근에는 차량의 지붕에 썬루프가 장착되는 것을 참고하여 태양광을 이용하여 차량의 지붕에 전기 에너지를 생산할 수 있는 태양광 발전장치가 연구되고 있다.

관련 종래기술 한국공개특허 제10-2022-0001305호(이하, ‘선행특허’라 약칭한다)는 차량의 지붕 프레임에 설치되어 태양광 발전을 할 수 있는 태양광 발전장치를 개시한다. 그러나, 선행특허를 포함한 종래기술은 건물에서 사용되는 태양광 패널을 차량에 그대로 적용시키는 것이 대부분이며, 이 경우 태양광 패널의 전기생산 효율이 낮고 이동하는 차량의 특성상 집광량이 충분치 못한 문제가 있다. 보다 상세하게, 널리 사용되는 태양광 패널은 추적식 집광기가 사용되어 태양이 이동함에 따라, 태양이 위치한 방향으로 집광기가 향하거나 이동한다. 그러므로, 태양의 이동에도 불구하고 일정 수준 이상의 집광이 가능하다.

그러나, 차량에 적용되는 태양광 발전장치의 경우, 차량은 빠르게 이동되는 특성상 상황에 따라 계속하여 집광기가 태양의 위치를 추적하기 어려우며 비효율적인 측면이 있다. 또한 이동하는 차량에서는 동적으로 움직이며 작동하는 추적식 장치의 지붕 장착은 바람직하지 않다. 반면, 비추적식 집광기는 위치 및 방향이 고정되므로, 집광기와 수직하지 않은 방향의 태양광에 대해서는 집광력이 낮다는 한계를 가진다. 또한, 차량용 태양광 발전장치는 차량의 지붕에 설치되므로 무게와 구조가 제한되는 점이 고려되어야 한다.

이에, 본 출원인은 비추적식 집광기임에도 불구하고 집광기에 비스듬하게 입사되는 태양광도 집광할 수 있도록 하여 집광력을 향상시키며, 차량의 지붕에 적용될 수 있도록 구조가 최소화된 태양광 집광장치를 개발하였다.

한국공개특허 제10-2022-0001305호

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 태양을 추적하지 않으면서, 다양한 각도로 입사되는 태양광을 차량의 지붕에서 집광할 수 있는 집광기를 포함한 차량용 태양광 발전장치를 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 제한된 면적인 차량의 지붕에서 집광률을 최대화할 수 있는 구조의 태양광 발전장치를 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 앞에서 언급한 과제들로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 차량의 지붕에 설치되는 차량용 태양광 발전장치에 있어서, 시트 형태의 태양 전지; 상기 태양 전지의 일 면에 마련된 복수 개의 집광형 태양 전지; 및 상기 집광형 태양 전지의 상부에 위치하며, 상방에서 하방으로 갈수록 테이퍼링되어 태양 빛을 상기 집광형 태양 전지로 가이드하는 집광기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 집광기는, 하부가 개방된 3차원 포물 형상으로, 종축 단면은 두 개의 하부 포물선 중 일부 영역이 서로 대향하여 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 집광기는, 종축 단면을 형성하는 두 개의 하부 포물선 중 제1 포물선의 말단이 제2 포물선의 초점에 위치하고, 제2 포물선의 말단이 제1 포물선의 초점에 위치하고, 상기 제1 포물선과 상기 제2 포물선 사이의 상단 거리가 하단 거리의 두 배로 형성되어, 3차원 상기 집광기의 상부의 집광농도가 하면의 4배일 수 있다.

바람직하게, 상기 집광기의 상부과 하부의 집광농도 비율(CR3D)은, 하기 [수학식1]로 계산될 수 있다.

[수학식 1]

여기에서, θ는 상기 제1 포물선의 축과 상기 제2 포물선의 축이 이루는 각도를 의미한다.

바람직하게, 본 발명에 따른 차량용 태양광 발전장치는 상기 집광기의 개방된 상부을 덮는 커버를 더 포함할 수 있다. 상기 집광기는 유전물질(dielectric material)로 속이 꽉 차 있는 집광기이므로, 내부로 오염물질이 들어가지 않는 구조로 제공된다. 상기 집광기의 광학적 구조는 속이 유전물질로 꽉 차 있게 함으로써 물질의 굴절률이 공기보다 훨신 커짐으로써 보다 큰 각도로 비스듬히 입사되는 태양광도 집광할 수 있게 한다. 이러한 내용이 특허에 반영되도록 작성하여 주시기 바랍니다. 속이 꽉 찬 집광기 구조임에도 불구하고 커버로 상부를 덮는 이유는 집광기가 원형이므로 정사각형 바닥과 비교할 때 원형 집광기들 사이에 공간이 존재하게 되므로 이러한 원형 집광기 사이로 오염물질이 삽입되는 것을 방지하기 위함이다.

바람직하게, 상기 태양 전지와 상기 집광형 태양 전지 사이에 삽입되는 플렉서블 기판을 더 포함하여, 차량 지붕의 상면에 대응된 곡면을 형성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 차량의 지붕에 설치되어 태양을 추적하지 않으면서도 다양한 각도로 입사되는 태양광을 집광하여 집광력을 향상시킬 수 있고, 이를 기반으로 움직이는 차량에 적용시에도 발전량이 확보되는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따르면, 집광량을 증가시킬 수 있는 집광형 태양 전지의 크기 및 형태를 제시하여 제한된 면적에서 최대 발전량을 출력할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 굴곡진 차량의 지붕에 따라 곡면을 형성하여 차량 지붕과의 밀착력을 높여 안정적으로 설치가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 태양광 발전장치가 차량 지붕에 설치된 모습과, 차량용 태양광 발전장치의 일부를 확대한 도면이다.
도 2는 곡률을 형성하며 구부러지는 곡면을 갖는 차량용 태양광 발전장치의 모습을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 집광기의 종축 단면을 나타낸다. 도 3a는 집광기의 단면을 형성하는 두 개의 포물선의 관계를 나타낸 것이고, 도 3b는 태양광이 굴절 및 반사되어 집광기에 집광되는 모습을 나타낸다.
도 4는 햇빛의 입사각이 다른 경우에서 집광기의 광학 효율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 집광기의 집광 효과 실험을 위한 미국 피닉스의 기후 조건을 나타낸다.
도 6은 도 5의 실험환경에서 측정한 집광기가 구성된 차량용 태양광 발전장치의 광학파워와, 집광기가 구성되지 않은 Si 태양전지의 광학파워를 비교 평가한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 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 분명해질 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 차량용 태양광 발전장치(1)가 차량 지붕에 설치된 모습과, 차량용 태양광 발전장치(1)의 일부를 확대한 도면이다. 도 2는 곡률을 형성하며 구부러지는 곡면을 갖는 차량용 태양광 발전장치(1)의 모습을 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 차량용 태양광 발전장치(1)는 태양 전지(10), 플렉서블 기판(20), 집광형 태양 전지(30), 및 집광기(50)를 포함할 수 있다.

태양 전지(10)는 시트 형태로 구성될 수 있다. 본 실시예로, 태양 전지(10)는 Si PV 셀로 제공될 수 있다. 플렉서블 기판(20)은 태양 전지(10)와 집광형 태양 전지 사이(30)에 삽입될 수 있다. 플렉서블 기판(20)은 차량 지붕의 상면에 대응된 곡면을 형성하여 차량내 설치가 용이하고 부착력을 강화할 수 있다.

태양 전지(10)는 충분히 얇은 박막 형태로 소정의 플렉서블리티가 있으며, 플렉서블 기판(20)이 덧대어져 내구성이 견고해지고 방오성을 확보할 수 있다. 플렉서블 기판(20)은 유연한 투명 소재로 제공될 수 있으며, 이 때, 집광형 태양 전지(30)는 플렉서블 기판(20)을 통해 태양 전지(10)에 부착되는 3-junction 구조를 형성한다.

집광형 태양 전지(30)는 태양 전지의 일 면에 복수 개가 마련될 수 있다. 본 실시예로, 집광형 태양 전지(30)는 CPV 셀로 제공될 수 있다. 집광형 태양 전지(30)는 가시광선과 적외선 일부 파장만을 흡수하여 발전에 사용하고 흡수되지 못한 파장의 대부분은 투과되어 열로 발생되도록 한다.

본 실시예로, 집광형 태양 전지(30)는 납작한 원통 형상으로 제공될 수 있으며, 태양 전지(10) 상에 n x N(n,N은 정수)으로 어레이될 수 있다.

집광기(50)는 집광형 태양 전지(30)의 상부에 위치하며, 상방에서 하방으로 갈수록 테이퍼링 되어 태양 빛을 집광형 태양 전지(30)로 가이드할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 집광기(50)의 종축 단면을 나타낸다. 도 3a는 집광기(50)의 단면을 형성하는 두 개의 포물선의 관계를 나타낸 것이고, 도 3b는 태양광이 굴절 및 반사되어 집광기(50)에 집광되는 모습을 나타낸다.

집광기(50)는 하부가 개방된 3차원 포물 형상으로, 종축 단면은 두 개의 하부 포물선 중 일부 영역이 서로 대향하여 형성될 수 있다. 본 실시예로, 커버(70)가 더 포함될 수 있다. 커버(70)는 집광기(50)의 개방된 상부을 덮어 밀폐시킴으로써, 집광기(50)의 오목한 내부의 오염을 방지할 수 있다.

집광기(50)는 종축 단면을 형성하는 두 개의 하부 포물선 중 제1 포물선(510)의 말단이 제2 포물선(530)의 초점에 위치하고, 제2 포물선(530)의 말단이 제1 포물선(510)의 초점에 위치하고, 제1 포물선(510)과 제2 포물선(530) 사이의 상단 거리가 하단 거리의 두 배로 형성되어, 3차원 집광기(50)의 상부의 집광농도가 하면의 4배가 될 수 있다.

도 3a를 참조하면, 집광기(50)의 종축 단면에서, 제2 포물선(530)이 구성하는 오목 영역은 제1 축(513) 상에 초점이 형성되며, 이 때의 초점을 제1 초점(511)이라 한다. 집광기(50)의 종축 단면에서, 제1 포물선(510)이 구성하는 오목 영역은 제2 축(533) 상에 초점이 형성되며, 이 때의 초점을 제2 초점(531)이라 한다.

본 실시예로, 제1 포물선(510)과 제2 포물선(530)은 각각 초점을 구성하는 단부 영역에서 잘리게 된다. 제1 포물선(510)과 제2 포물선(530)의 상부의 개구부는 입구 조리개(A)를 구성한다. 제1 포물선(510)과 제2 포물선(530)은 축이 이루는 각도가 θ로 형성된다.

도 3b를 참조하면, 집광기(50)는 비스듬히 들어오는 태양광을 전반사하여 집광기(50)의 하단 베이스(B)로 집광한다. 집광기(50)는 수용각을 넓히기 위해 굴절률이 있는 3D 솔리드 CPC(Compound Parabolic Concentrator)로 제공될 수 있다.

본 실시예에 따른 집광기(50) 구조에 의하면, 스넬의 법칙(sinθ/sinθ₁ = n₁/n₂)에 따라 수용각이 더욱 증가될 수 있다.

집광기(50)의 상부과 하부의 집광농도 비율(CR3D)은, 하기 [수학식1]로 계산될 수 있다.

[수학식 1]

여기에서, θ는 상기 제1 포물선의 축과 상기 제2 포물선의 축이 이루는 각도를 의미한다. 집광기(50)의 기하학적 집광농도 비율은 집광기(50) 베이스(B)에 대한 전면 개구부(A)의 면적 비율이며, 이는 [수학식 1]의 관계와 같이 표준 대칭 미러인 집광기(50)에 대한 반수용각의 사인 값에 반비례한다.

본 실시예에 따른 집광기(50)의 설계는 허용각을 만족하는 입사각을 갖는 직사광선 뿐만 아니라, 허용각보다 큰 입사각을 갖는 직사광선도 집광기(50)로부터 누출되어 Si 태양 전지(10)에 수집될 수 있다. 집광기(50)는 독립적으로 집광형 태양 전지(30)의 개수만큼 설치되며, 분리된 독립 구성이므로 플렉서블 기판(20)과 시트형 태양 전지(10)에 결합되어도 여전히 쉽게 구부러질 수 있는 구조로 구성된다.

한편, 3차원 집광기(50)의 상부의 집광농도가 하면의 4배가 되는데, 이 때의 실시예로, 집광기(50) 상부면 조리개의 직경 A는 2cm(±10% 오차범위)가 될 수 있고, 출력 베이스(B)의 직경은 1cm(±10% 오차범위)로 설계될 수 있다. 집광기(50)는 PMMA의 소재로 만들어질 수 있으며, 반사 지수가 1.5(±10% 오차범위)로 설계될 수 있다. 또한 집광기(50)의 절반에서 수용각은 48.5°(±10% 오차범위)로 설계될 수 있다.

이하에서는, 본 실시예에 따른 차량용 태양광 발전장치(1)의 실험례를 설명한다.

도 4는 햇빛의 입사각이 다른 경우에서 집광기(50)의 광학 효율을 나타낸 그래프이다. 집광기(50)의 구조는 원형이므로 커버리지 비율은 표면의 80%가 될 수 있고, 입사각이 다른 태양광에 대한 광학 요율의 시뮬레이션 결과는 도 5와 같다. 본 실시예에 따른 집광기(50)는 집광형 태양 전지(30) 및 태양 전지(10)와 연결된 3-Junction으로 구성된다. 도 5를 참조하면, 약 48.5°의 수용각을 기점으로 80%에 가까운 광학 효율을 나타내며, 광학 효율이 유지되는 수용각도 비교적 크게 형성됨을 향상됨을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 집광기(50)의 집광 효과 실험을 위한 미국 피닉스의 기후 조건을 나타낸다. 본 평가는 미국 피닉스의 여름 기후를 조건으로 하였으며, 본 실험환경은 8시부터 18시 사이에 일사량(solar irradiance)이 최대 약 800 내지 1000 W/m²로 나타났다.

도 6은 도 5의 실험환경에서 측정한 집광기(50)가 구성된 차량용 태양광 발전장치의 광학파워와, 집광기(50)가 구성되지 않은 Si 태양전지(10)의 광학파워를 비교 평가한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 집광기(50)가 구성된 3-junction 타입의 셀 구조가 8시부터 16시 사이에 최대 700 내지 800(W)로 형성되었다. 도 5의 피닉스의 여름 기후 조건에서 집광기(50)의 구성을 적용할 때 시뮬레이션에 따르면 크기가 1m x 1m인 시스템은 총 일사량이 2200Wh/day를 얻었으며, 고정 패널의 경우 8248Wh/day/m²으로, 광전 변환 효율이 25.15%로 평가되었다.

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: 차량용 태양광 발전장치
10 : 태양 전지(PV 셀)
20 : 플렉서블 기판
30 : 집광형 태양 전지(CPV 셀)
50 : 집광기
510 : 제1 포물선
511 : 제1 초점
513 : 제1 축
530 : 제2 포물선
531 : 제2 초점
533 : 제2 축
70 : 커버

Claims (6)

1. 차량의 지붕에 설치되는 차량용 태양광 발전장치에 있어서,
   시트 형태의 태양 전지;
   상기 태양 전지의 일 면에 마련된 복수 개의 집광형 태양 전지; 및
   상기 집광형 태양 전지의 상부에 위치하며, 상방에서 하방으로 갈수록 테이퍼링되어 태양 빛을 상기 집광형 태양 전지로 가이드하는 집광기를 포함하는 차량용 태양광 발전장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 집광기는,
   하부가 개방된 3차원 포물 형상으로, 종축 단면은 두 개의 하부 포물선 중 일부 영역이 서로 대향하여 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 태양광 발전장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 집광기는,
   종축 단면을 형성하는 두 개의 하부 포물선 중 제1 포물선의 말단이 제2 포물선의 초점에 위치하고, 제2 포물선의 말단이 제1 포물선의 초점에 위치하고,
   상기 제1 포물선과 상기 제2 포물선 사이의 상단 거리가 하단 거리의 두 배로 형성되어,
   3차원 상기 집광기의 상부의 집광농도가 하면의 4배인 것을 특징으로 하는 차량용 태양광 발전장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 집광기의 상부과 하부의 집광농도 비율(CR3D)은,
   하기 [수학식1]로 계산되는 것을 특징으로 하는 차량용 태양광 발전장치.
   [수학식 1]
   
   여기에서, θ는 상기 제1 포물선의 축과 상기 제2 포물선의 축이 이루는 각도를 의미한다.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 집광기의 개방된 상부을 덮는 커버를 더 포함하여,
   상기 커버는 상기 집광기의 오목한 내부의 오염을 방지하는 것을 특징으로 하는 차량용 태양광 발전장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 태양 전지와 상기 집광형 태양 전지 사이에 삽입되는 플렉서블 기판을 더 포함하여,
   차량 지붕의 상면에 대응된 곡면을 형성하는 것을 특징으로 하는 차량용 태양광 발전장치.