KR20230161931A - 복합 라미네이트를 갖는 태양광 패널 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소다-라임 유리와 거의 일치하는 열팽창계수를 갖는 라미네이트로 지지되는 태양광 패널에 관한 것이다.
선택적으로, 상기 태양광 패널은 소다-라임 유리판, 실온에서 열팽창계수가 50 ppm/K 미만인 저열팽창계수 에폭시 수지, 두개의 직조된 E-유리 섬유 및 수지 중량 33%를 포함하는 상부층 및 하부층, 두 섬유 방향으로 정렬된 x 및 y를 갖는 직조 다발에 대해 x방향 및 y방향 추정 탄성계수가 각 다발에 대하여 26.3 Gpa이고 추정 열팽창계수는 13.3 ppm/K이며 두께는 중앙층 두께의 0.7 내지 1.4배 사이인 E-유리 섬유, 수지 중량이 42%이며 추정 Exx 및 Eyy는 62.8 GPa이고, 추정 열팽창계수는 1 ppm/K인 직조 탄소 섬유를 포함하는 중앙층을 포함한다.

Description

복합 라미네이트를 갖는 태양광 패널
본 발명은 하기를 포함하는 태양광 패널에 관한 발명이다. :
- 유리판
- 태양광발전 소자, 및
- 라미네이트
본 발명은 더 나아가 상기 태양광 패널을 포함하는 차량 및 건물 일체형 태양광발전 시스템에 관한 발명이다.
본 출원으로 이어진 프로젝트는 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램 보조금 협정 NO. 848620의 지원을 받았다.
태양광 패널은 유리판과 금속 고정 구조물 사이에 태양광 전지로써 장착되는 고정식 평면 태양광 패널로 사용될 뿐만 아니라, 예를 들어 Atlas Technologies(Helmond, 네덜란드)사에서 판매하는 'Lightyear One'과 같이 태양광 구동 차량의 지붕과 보닛으로도 사용된다.
바람직하게는, 킬로미터당 사용 전력을 낮추기 위해, 이러한 차량은 경량이여야 하며, 태양광 전지에서 생성되는 전기량을 최대화 하기 위해 가능한 넓은 태양광 패널 영역을 가져야 한다. 따라서 보닛, 지붕 및 트렁크 전체를 사용하는 것이 필수적이다. 따라서 보닛(뿐만 아니라 지붕 및 트렁크)은 예를 들어 국제 공개 특허 WO2020064474A1에 설명된 바와 같이, 태양광 전지 형태로 태양광발전 소자를 포함하는, 양 방향으로 굴절된 유리판을 포함한다.
또 다른 요구 사항은 차량이 안전하고 충분히 견고해야 한다는 것이다. 특히 차량의 보닛은 보행자와의 충격을 견딜 수 있어야 한다. 복합 라미네이트는 패널을 강화하고, 유리가 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)와 같은 봉합제를 통해 상기 라미네이트에 접착되므로, 유리가 파손될 경우 모든 파편이 함께 유지(라미네이트에 결합)되어, 예를 들어 보행자에게 줄 수 있는 피해를 감소시킬 수 있다.
차량의 태양광 패널은 극한의 기상 조건에 노출되어 바람이 불지 않는 무더운 날 햇빛을 받게되면 패널 온도가 120 ℃까지 올라가고, 캐나다 또는 극지방, 예를 들어 노르웨이의 추운 겨울 밤에는 -40 ℃까지 내려간다. 이것은 유리와 복합 라미네이트의 열팽창계수(CTE)의 작은 차이로 유리판이 감당할 수 없는 변형과 응력을 유발할 수 있으며, 유리의 파괴 또는 비산이 발생할 수 있음을 의미한다. 따라서 유리, 특히 소다-라임 유리와 충분히 일치하는 열팽창계수를 갖는 라미네이트가 필요하다. 본 발명은 이 문제에 대한 해결책을 제공한다.
본 발명의 일 측면에서의 목적은 태양광 패널의 유리판의 열팽창계수와 충분히 일치하는 열팽창계수를 갖는 라미네이트를 제공하여, 상기 태양광 패널이 극한의 기상 조건에 노출되었을 때 열팽창계수 차이로 인해 발생할 수 있는 변형 및 응력을 감소시켜 유리의 파괴 또는 비산을 방지하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 다음의 해결 수단을 제공한다.
본 발명은 일 측면에서,
유리판;
태양광발전 소자;
라미네이트(100);
상기 라미네이트는 하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합 라미네이트:
하나 이상의 탄소 섬유 다발을 포함하며, 상부면 및 하부면을 나타내고, 상부면은 하부면의 반대편인, 중앙층;
각각이 하나 이상의 유리 섬유 다발(110, 112, 114, 116)을 포함하며, 상부층(104)은 중앙층의 상부면과 접촉하고, 하부층(106)은 중앙층의 하부면과 접촉하며, 상기 다발들은 경화된 폴리머에 함침된, 상부층(104) 및 하부층(106);을 포함하는 태양광 패널(200)을 제공한다.
본 발명은 다른 측면에서,
상기 태양광 패널을 포함하는 차량을 제공한다.
본 발명은 다른 측면에서
상기 태양광 패널을 포함하는 건물 일체형 태양전지 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 태양광 패널은 충분히 일치하는 열팽창계수를 갖는 유리판과 라미네이트를 포함하여 극한의 기상 조건에 노출되어도 열팽창계수 차이로 인한 변형과 응력으로 인한, 유리판의 파괴 또는 비산을 방지할 수 있으며, 라미네이트로 패널이 강화되어 차량 또는 건물에 일체화하여 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 복합 라미네이트의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 전체 유리 섬유 라미네이트를 사용하는 (종래 기술) 태양광 자동차 지붕의 응력에 대한 CAE 분석을 개략적으로 보여준다.
도 3은 전체 유리 섬유 라미네이트를 사용하는 (종래 기술) 태양광 자동차 지붕의 열 변형에 대한 CAE 분석을 개략적으로 보여준다.
본 발명은 유리판, 태양광발전 소자 및 라미네이트를 포함하는 태양광 패널을 제공하고, 상기 라미네이트는 하기를 포함하는 복합 하이브리드 라미네이트인 것을 특징으로 한다:
· 하나 이상의 섬유 다발을 포함하며, 상부면 및 하부면을 나타내고, 상부면은 하부면의 반대편인, 중앙층
· 각각이 하나 이상의 유리 섬유 다발을 포함하며, 상부층은 중앙층의 상부면과 접촉하고, 하부층은 중앙층의 하부면과 접촉하며, 상기 다발들은 경화된 폴리머에 함침된, 상부층 및 하부층.
상기 태양광 패널은 전기 자동차와 같은 차량, 예를 들어 적어도 부분적으로 태양광으로 구동하는 차량과 같이, 적어도 부분적으로 자가 충전하는 전기 자동차에 통합되기 적합한 태양광 패널이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 태양광 패널은 건물, 예를 들어 큰 온도 변화를 겪는 환경에 놓여있는 건물 및 그 일부분에 사용하기 적합한 태양광 패널이다.
상기 유리 패널은 예를 들어 소다-라임 유리로 된 유리 패널이다. 선택적으로, 상기 유리 패널은 또 다른 유형의 유리이다.
복합 하이브리드 라미네이트는 폴리머, 일반적으로 수지의 매트릭스에 두 개 이상의 재료로 된 여러 다발을 일반적으로 포함한다. 상기 복합 라미네이트의 열팽창계수는 상기 다발들(상기 여러 다발들의 재료)의 열팽창계수와 수지의 열팽창계수 및 이들의 중량%에 의해 결정된다. 상기 열팽창계수와 강도는 면내에서 등방성이거나 이방성이 될 수 있다. 여기에서 설명한 복합재료를 사용하기 위해서는, 열팽창계수와 면내 강성(stiffness in-plane)이 등방성이거나 적어도 준등방성(semi-isotropic)이어야 한다. 이것은 상기 다발들의 배향과 다발들의 두께를 적절히 선택함으로써 달성될 수 있다.
이와 관련하여 하이브리드는 적어도 2개의 다발들이 상이한 섬유, 여기서는 탄소 섬유 및 유리 섬유를 포함함을 의미한다.
당업계에서 일반적으로 이해되는 바와 같이, "다발들의 배향"은 각각의 다발들에서 섬유들의 배향을 의미한다.
바람직하게는, 상기 라미네이트는 대칭적이고 균형잡힌 라미네이트으로, 굽힘 및 전단과 같은 응력 하에서 원하지 않는 결합 거동을 방지한다.
이와 관련하여 대칭이란 상기 중앙층이 중간 평면을 갖고 중간 평면까지 거리 D에 있는 각 다발이 중간 평면까지 거리 -D에서 동일한 방향을 갖는 다른 다발과 연계된다는 것을 의미한다. 그러므로 대칭이 되는 라미네이트는 축-굽힘 결합(axial-flexural coupling)을 방지한다.
이 점에서 균형을 이룬다는 것은 (평면 내) 배향이 θ인 각 다발에 대해 배향이 -θ인 또 다른 다발이 있다는 것을 의미한다.
일 실시예에서, 상기 태양광 전지는 유리 패널과 라미네이트 사이에 배치된다. 이 실시예에서, 선택적으로 상기 유리 패널은 상기 태양광 패널의 외부 층을 형성하고 태양광 패널의 외부 표면 또는 그 일부를 형성하는 자유 표면을 갖는다. 선택적으로, 이 실시예에서, 상기 라미네이트는 태양광 패널의 강성 및 강도를 제공하는 태양광 패널의 지지 구조를 형성한다.
일 실시예에서, 상부층 및 하부층의 다발들은 경화된 폴리머, 보다 구체적으로는 경화된 수지에 함침된다.
일 실시예에서, 상부층 및 하부층의 다발들은 경화된 폴리머에 함침되며, 여기서 경화된 폴리머는 경화된 수지이다.
여기서 사용된 소다-라임 유리판은 -40 ℃와 +120 ℃ 사이의 온도 범위에서 약 7.8 ppm/K의 열팽창계수를 갖는다.
탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로도 알려진 경화된 탄소 섬유 다발 또는 다발들의 준등방성(quasi-isotropic) 라미네이트는 -1 ppm/K에서 +1 ppm/K 사이의 낮은 열팽창계수를 갖는 것으로 알려져 있으며, 이러한 형태의 라미네이트와 소다-라임 유리판의 조합은 라미네이트와 유리판의 열팽창계수의 큰 불일치를 만든다.
유리 섬유 강화 플라스틱 (GFRP)으로도 알려진 경화된 유리 섬유 다발들의 준등방성 라미네이트는 +13 ppm/K에서 +20 ppm/K 사이의 열팽창계수를 갖는 것으로 알려져 있다.
따라서 CFRP는 CFRP의 열팽창계수가 너무 작아서 소다-라임 유리판의 열팽창계수와 맞을 수 없고, GFRP는 GFRP의 열팽창계수가 너무 커서 소다-라임 유리판의 열팽창계수와 맞을 수 없다.
탄소 섬유 다발, 유리 섬유 다발 및 수지의 조합은 유리판에 부착하기 위해 유리판의 열팽창계수에 충분히 근접한 열팽창계수를 갖는 라미네이트를 만들 수 있으며(예를 들어, 봉합재 또는 실란트를 사용하여, EVA로), -40 ℃내지 +120 ℃의 온도 범위에서 작동할 수 있다.
120 ℃ 내지 125 ℃는 많은 응용들에서 수지와 봉합제가 모두 응고(경화, 가교결합)하고 서로 접착하는 온도이며, 따라서 상기 태양광 패널에 스트레스가 발생하지 않는 온도라는 것이 알려져 있다. 그런 다음 태양광 판을 실온 또는 훨씬 더 낮은 온도로 가져오면 응력이 발생하여 변형이 발생한다.
탄소 섬유 다발 및 유리 섬유 다발을 포함하는 하이브리드 라미네이트는 예를 들어, "차량에 구조적으로 적용하기 위한 유리/탄소 섬유 하이브리드 복합 라미네이트”, J. Zhang 그 외, Sustainable Automotive Technologies (2012), 69 - 74 쪽.에 공지되어 있음이 추가적으로 알려져 있다. 여기서 강하고 가벼우며 상대적으로 저렴한 하이브리드 라미네이트를 찾아, 탄소 섬유와 유리 섬유의 비율이 같은 라미네이트를 만들었다. 상기 논문은 하이브리드 라미네이트의 열팽창계수와 유리의 열팽창계수를 일치시키는 것을 기술하지 않았으며, 라미네이트의 열팽창계수에 대한 연구도 하지 않았다. 따라서 통상의 기술자는 이 공지에서 해결책을 찾지 못할 것이다.
일 실시예에서, 중앙 층의 탄소 섬유의 적어도 하나의 다발은 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 탄소 섬유를 포함한다. 선택적으로, 중앙층에 있는 탄소 섬유의 다발들 중 적어도 하나에서, 다중 탄소 섬유는 동일한 랜덤하지 않은(non-random) 방향으로연장된다. 예를 들어, 중앙층의 탄소 섬유의 적어도 하나의 다발에서, 탄소섬유의 적어도 50%, 예를 들어, 최소 75%는 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 확장된다.
예를 들어 랜덤하게 배향된 섬유로부터 라미네이트를 제조하는 것이 가능하지만, 훨씬 더 제어된 라미네이트는 보다 제어된 배향의 섬유를 사용함으로써 제조된다.
일 실시예에서, 상기 상부층의 유리 섬유의 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 유리 섬유를 포함한다. 선택적으로, 상부 층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나에서, 다수의 유리 섬유가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 연장된다. 예를 들어, 상부층의 유리 다발들 중 적어도 하나에서, 유리 섬유의 적어도 50%, 예를 들어 최소 75%가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 확장된다.
예를 들어, 랜덤하게 배향된 섬유로부터 라미네이트를 제조하는 것이 가능하지만, 훨씬 더 제어된 라미네이트는 보다 배향이 제어된 섬유를 사용함으로써 제조된다.
일 실시예에서, 하부층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 유리 섬유를 포함한다. 선택적으로, 하부층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나에서, 다수의 유리 섬유가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 연장된다. 예를 들어, 하부층의 유리 다발들 중 적어도 하나에서, 유리 섬유의 적어도 50%, 예를 들어 최소 75%가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 확장된다. 예를 들어 랜덤하게 배향된 섬유로부터 라미네이트를 제조하는 것은 가능하지만, 훨씬 더 제어된 라미네이트는 보다 배향이 제어된 섬유를 사용함으로써 제조된다.
일 실시예에서, 상부 층의 유리 섬유의 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 유리 섬유를 포함한다. 선택적으로, 상부 층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나에서, 다수의 유리 섬유가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 연장된다. 예를 들어, 상부층의 유리 다발들 중 적어도 하나에서, 유리 섬유의 적어도 50%, 예를 들어 최소 75%가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 확장된다.
또한, 이 실시예에서, 하부층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 유리 섬유를 포함한다. 선택적으로, 하부층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나에서, 다수의 유리 섬유가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 연장된다. 예를 들어, 하부층에 있는 유리 다발들 중 적어도 하나에서, 적어도 유리 섬유의 50%, 예를 들어 최소 75%가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 확장된다.
예를 들어, 랜덤하게 배향된 섬유로부터 라미네이트를 제조하는 것이 가능하지만, 훨씬 더 제어된 라미네이트는 보다 배향이 제어된 섬유를 사용함으로써 제조된다.
일 실시예에서, 중앙층에 있는 탄소 섬유 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 탄소 섬유를 포함한다. 선택적으로, 중앙층에 있는 탄소 섬유의 다발들 중 적어도 하나에서, 다수의 탄소 섬유가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 연장된다. 예를 들어, 중앙층의 탄소 섬유 다발들 중 적어도 하나에서, 탄소 섬유의 적어도 50%, 예를 들어 최소 75%는 랜덤하지 않은 방향으로 확장된다.
또한, 이 실시예에서, 상부층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 유리 섬유를 포함한다. 선택적으로, 상부층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나에서, 다수의 유리 섬유가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 연장된다. 예를 들어, 상부층에 있는 유리 다발들 중 적어도 하나에서, 유리 섬유의 적어도 50%, 예를 들어 최소 75%가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 확장된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 이 실시예에서, 하부층의 유리 섬유의 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 유리 섬유를 포함한다. 선택적으로, 하부층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나에서, 다수의 유리 섬유가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 연장된다. 예를 들어, 하부층에 있는 유리 다발들 중 적어도 하나에서, 유리 섬유의 적어도 50%, 예를 들어 최소 75%가 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 확장된다. 예를 들어 무작위하게 배향된 섬유로부터 라미네이트를 제조하는 것은 가능하지만, 훨씬 더 제어된 라미네이트는 보다 배향이 제어된 섬유를 사용하여 제조한다.
본 발명의 실시예에서의 다발들 중 적어도 하나는 단방향 섬유를 포함한다.
예를 들어 배향되지 않은 섬유로부터 라미네이트를 제조하는 것은 가능하지만, 훨씬 더 제어된 라미네이트는 보다 배향이 제어된 섬유를 사용하여 제조한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 다발들 중 적어도 하나는 직조 섬유를 포함한다.
예를 들어 무작위하게 배향된 섬유로부터 라미네이트를 제조하는 것은 가능하지만, 훨씬 더 제어된 라미네이트는 보다 배향이 제어된 섬유를 사용하여 제조한다.
일 실시예에서, 중앙층의 탄소 다발은 연속 탄소 섬유를 포함한다. 이러한 연속 탄소 섬유는 예를 들어 해당 다발의 한 가장자리에서 해당 다발의 다른 가장자리로 연장된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 탄소 섬유 다발은 길이가 3cm 내지 25cm인 탄소 섬유를 포함하며, 예를 들어 5 cm 내지 15 cm 및/또는 길이가 5 cm 이하인 탄소 섬유를 포함한다.
일 실시예에서, 상부층의 유리 섬유 다발들은 연속 유리 섬유를 포함한다. 이러한 연속 유리 섬유는 예를 들어 해당 다발의 한 가장자리에서 해당 다발의 다른 가장자리로 연장된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 유리 섬유 다발은 길이가 3cm 내지 25cm인 유리 섬유를 포함하며, 5 cm 내지 15 cm 및/또는 길이가 5 cm 이하인 탄소 섬유를 포함한다.
일 실시예에서, 하부층의 유리 섬유 다발은 연속 유리 섬유를 포함한다. 이러한 연속 유리 섬유는 예를 들어 해당 다발의 한 가장자리에서 해당 다발의 다른 가장자리로 연장된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 유리 섬유 다발은 길이가 3cm 내지 25cm인 유리 섬유를 포함하며, 5cm 내지 15cm 및/또는 길이가 5 cm 이하인 탄소 섬유를 포함한다.
일 실시예에서, 중앙층은 탄소 섬유의 제1 중앙층 다발을 포함하고, 여기서 제1 중앙층 다발의 대부분의 탄소 섬유, 선택적으로는 모든 탄소 섬유가 제1 방향으로 연장된다. 이 실시예에서, 상부층은 유리 섬유의 제1 상부층 다발을 포함하고, 여기서 제1 상부층 다발은 대부분의 유리 섬유, 선택적으로 모든 유리 섬유가 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장된다. 이 실시예에서, 하부층은 유리 섬유의 제1 하부층 다발을 포함하고, 여기서 제1 하부층 다발은 대부분의 유리 섬유, 선택적으로 모든 유리 섬유가 제3 방향으로 연장된다.
선택적으로, 제3 방향은 제2 방향과 동일하다. 이는 균형 및/또는 대칭 하이브리드 복합 라미네이트를 제공할 수 있는 이점을 제공한다.
이 실시예의 변형에서, 제2 방향 및 제3 방향은 제1 방향에 대해 45°의 각도로 연장하고, 제2 방향 및 제3 방향은 서로에 대해 90°의 각도로 연장한다.
일 실시예에서, 중앙층은 탄소 섬유인 제1 중앙층 다발을 포함하고, 여기서 제1 중앙층 다발은 대부분의 탄소 섬유, 선택적으로 모든 탄소 섬유가 제1 방향으로 연장된다. 이 실시예에서, 중앙층은 탄소 섬유인 제2 중앙층 다발을 추가로 포함하고, 여기서 제2 중앙층 다발은 대부분의 탄소 섬유, 선택적으로 모든 탄소 섬유가 제2 방향으로 연장된다. 제2 방향은 제1 방향과 동일하거나 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 중앙층은 탄소 섬유의 제1 중앙층 다발을 포함하고, 여기서 제1 중앙층 다발은 대부분의 탄소 섬유, 선택적으로 모든 탄소 섬유가 제1 방향으로 연장된다. 이 실시예에서, 상부층은 유리 섬유의 제1 상부층 다발을 포함하고, 여기서 제1 상부층 다발은 대부분의 유리 섬유, 선택적으로 모든 유리 섬유가 제2 방향으로 연장된다. 또한, 상부층은 유리 섬유의 제2 상부층 다발을 포함하고, 여기서 제2 상부층 다발은 대부분의 유리 섬유, 선택적으로 모든 유리 섬유가 제4 방향으로 연장된다.
또한, 이 실시예에서, 하부층은 유리 섬유의 제1 하부층 다발을 포함하고, 여기서 제1 하부층 다발은 대부분의 유리 섬유, 선택적으로 모든 유리 섬유가 제3 방향으로 연장된다. 또한, 하부층은 유리 섬유의 제2 하부층 다발을 포함하고, 여기서 제2 하부층 다발은 대부분의 유리 섬유, 선택적으로 모든 유리 섬유가 제5 방향으로 연장된다.
본 실시예에서, 제2 방향은 제3 방향과 동일하고, 제4 방향은 제5 방향과 동일하다.
선택적으로, 제1 방향은 제2 방향 및 제4 방향 중 하나와 동일하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 수지는 실온에서 50ppm/K 미만의 열팽창계수를 갖는 낮은 열팽창계수를 갖는 에폭시이다. CTE는 열팽창계수로 정의된다.
상기 층을 함침시키기에 충분한 양의 수지를 갖는 라미네이트에 대해, (소다-라임) 유리의 열팽창계수에 근접하거나 동등한 열팽창계수를 갖는 라미네이트는 실온에서 50ppm/K 미만의 (경화된) 열팽창계수을 갖는 수지를 사용할 필요가 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 유리 섬유는 E-유리 섬유(E-glass fibres)이다.
E-유리 섬유는 일반적으로 태양광 패널에 사용되는 유리인 소다-라임 유리에 가까운 열팽창계수를 갖는다. 또한 E-유리 섬유는 상대적으로 저렴하고 널리 사용 가능하므로 이러한 응용 분야에 가장 적합한 선택이다.
본 발명의 다른 실시예에서 태양광 패널은 곡선형 태양광 패널, 보다 구체적으로는 이중 곡선형 태양광 패널이다.
차량과 같은 많은 용도를 위해, 건물 일체형 태양광발전 요소(BIPV 요소), 곡선형 또는 이중 곡선형 패널이 바람직하다.
또 다른 실시예에서, 상기 태양광발전 소자는 다중접합 태양광발전 소자, 단결정 실리콘 태양광 전지, 다결정 실리콘 태양광 전지, GaAs 태양광 전지, 페로브스카이트 태양광 필름, 또는 박막 태양광 필름의 그룹으로부터의 태양광발전 소자다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 태양광 패널은 1.5mm 내지 3.0mm 사이의 두께를 갖는 소다-라임 유리판인 유리판을 포함하고, 감광 장치는 감광면 및 감광면 반대쪽의 반대편, 상기 반대편은 적어도 하나의 음극 및 양극을 보이며, 및 후면 접촉 포일(foil), 유리판과 후면 접촉 포일 사이에 배열된 셀, 하나 이상의 셀과 복합 라미네이트 사이에 배치된 후면 접촉 포일, 유리, 셀, 후면 접촉 포일 및 봉합제에 의해 서로 부착된 복합 라미네이트를 포함하는 하나 이상의 단결정 또는 다결정 반도체 셀이다.
본 실시예는 태양광 패널의 구성요소가 배열되는 순서를 설명한다. 일반적으로 태양 전지는 EVA와 같은 봉합제로 봉합되며 후면 접촉 호일(예: 구리 패턴이 있는 폴리아미드 필름) 또는 다른 유형의 상호 연결이 봉합제의 구멍을 통해 태양 전지의 양극과 음극을 상호 연결한다. 그런 다음 상기 봉합제를 유리판에 놓고 경화시킨다. 상기 라미네이트는 공경화(co-cured) 또는 공접합(co-bonded)될 수 있으며, 봉합제의 경화 후에 접합될 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 차량은 본 발명에 따른 태양광 패널을 포함한다.
차량에는 Atlas Technologies사(네덜란드, Helmond)에서 판매하는 'Lightyear One'과 같은 태양광 패널, 보다 구체적으로는 (이중) 곡선형 태양광 보닛, 지붕 및 트렁크가 장착된다. 이러한 차량은 지붕 온도가 -40°C까지 내려가거나(예: 노르웨이 북부 또는 캐나다의 추운 겨울 밤) +120°C까지 올라갈 수 있는(스페인 또는 캘리포니아에서 더운 날 햇볕에 주차) 환경에서 작동해야 한다. 상기 패널의 경화(응고)가 약 +120°C에서 발생하여, 해당 온도에서 응력이 없는 상태가 되기 때문에 가장 낮은 온도에서 최대 응력 및 변형이 발생한다는 것이 알려져있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 본 발명에 따른 태양광 패널을 포함하는 건물 일체형 태양광발전(BIPV) 시스템에 관한 것이다.
건축 설계의 일부인 BIPV 시스템은, 바람직하게는 (이중) 곡선 형태가 될 가능성을 제공한다.
예를 들어, 국제 특허 출원 공개 WO2020064474A는 후면 접촉 포일 및 EVA와 같은 봉합제를 사용하여 곡면 유리판에 태양광 전지를 부착하는 여러 방법 중 하나를 설명한다. 일반적으로 상기 전지는 봉합제에 의해 봉합된다. 또한 후면 접촉 포일은 동일한 봉합제로 봉합되거나, 적어도 봉합제에 접착되어 있을 수 있다. 봉합제를 경화시켜 유리판, 태양 전지 및 후면 접촉 포일이 유리판에 '접착'된다.
유리판의 강도를 증가시키기 위해 유리판은 라미네이트에 의해 지지되는 것이 좋다. 열변형(예를 들어 차량의 공기역학적 거동을 손상시킬 수 있는)과 과도한 응력(유리의 손상/깨짐으로 이어질 수 있는)을 피하기 위해 이러한 라미네이트의 열팽창계수는 유리판의 열팽창계수에 가까워야 한다. 상기 유리판은 일반적으로 열팽창계수가 약 7.8ppm/K인 소다-라임 유리이다. 강철 지지대(강철의 열팽창계수는 약 10.8ppm/K) 또는 티타늄 지지대(열팽창계수가 약 8.1ppm/K인)와 같은 라미네이트에 대한 몇 가지 대안이 존재한다. 강철을 사용했을 때 단점은 강철이 라미네이트에 비해 다소 무겁고, 티타늄은 비슷한 강도를 가진 라미네이트에 비해 다소 비싸고 무겁다는 점이다. 따라서 본 발명자는 적절한 라미네이트를 찾고자 하였다.
통상의 기술자에게 공지된 바와 같이, 킬로미터당 에너지 소비(W/km)를 감소시키기 위해서는 더 낮은 중량이 바람직하다는 것이 알려져 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 복합 라미네이트의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
중앙층(102)은 탄소 섬유(108) 직조 다발를 포함한다. 바람직하게는 탄소 다발은 수지 침투 가공재(수지 침투 가공재), 즉 경화 전에 이미 수지로 함침되어 제조를 단순화하는 다발이다. 상기 라미네이트는 중앙층을 둘러싸는 상부층(104) 및 하부층(106)을 더 포함한다. 상부층은 2개의 유리 섬유 직조 다발 (110) 및 (112), 바람직하게는 E-유리 유리 섬유의 수지 침투 가공재를 포함하며, (직조) 유리 섬유 다발들, 다발(110) 및 다발(112)는 서로에 대하여 θ = 45°로 배향되고, 예를 들어 다발(110)는 θ = 0°로 배향되면 다발(112)는 θ
Figure pct00001
= 45°로 배향된다. 마찬가지로 다발(114) 및 다발(116)은 다발(114)가 다발(110)를 따라 배향되고 다발(116)이 다발(112)를 따라 배향된 하부층의 일부이다.
θ는 x-y 평면에서의 배향이다. 직조 다발의 경우 θ = 0°는 θ = 90°와 같고, θ = 45°는 θ = -45°(또는 θ = 135°)와 같다.
라미네이트가 대칭이면서 균형을 이루기 때문에 굽힘 및 전단과 같은 원치 않는 결합 거동이 방지된다. 상기 다발들의 방향과 층의 두께의 적절한 선택은 열팽창계수와 강성을 등방성 또는 적어도 준등방성(semi-isotropic)으로 만든다.
바람직하게는 상기 태양광 패널은 소다-라임 유리판, 실온에서 열팽창계수가 50ppm/K 미만인 저열팽창계수 에폭시 수지, 직조된 E-유리 섬유 및 수지 중량 33%를 포함하는 상부층 및 하부층, 각 다발의 추정 Exx 및 Eyy(두 섬유 방향으로 정렬된 x 및 y를 갖는 직조 층에 대해 x 방향의 탄성계수 Exx 및 y 방향의 탄성계수 Eyy)가 26.3 GPa이고 예상 열팽창계수는 13.3ppm/K이며, 두께는 중앙층 두께의 0.7 내지 1.4배 사이인 E-유리 섬유, 수지 중량이 42%이며 추정 Exx 및 Eyy는 62.8 GPa이고, 추정 열팽창계수는 1 ppm/K인 직조 탄소 섬유를 포함하는 중앙층을 포함한다.
추가로 설명되는 실험 및 실시예에 사용된 두께는 다음과 같다.
·중앙층(102)(직조 탄소층): 0.34mm
·상부층(104)(두 개의 직조된 E-유리 섬유 다발들 (110), (112)): 2 x 0.24mm = 0.48mm.
·하부층(106)(두 개의 짜여진 E-유리 섬유 다발들 (114), (116)): 2 x 0.24mm = 0.48mm.
·총 라미네이트 두께: 1.3 mm.
두께와 수지의 양을 추가로 조정하면 유리판과 라미네이트가 훨씬 더 잘 연결될 것으로 예상된다.
비대칭 및/또는 불균형한 실시예가 허용 가능한 결과로 달성될 수 있지만, 균형 및 대칭 라미네이트가 바람직하다.
라미네이트를 제작할 때 다발들은 서로 쌓은 다음 액상 수지를 주입하거나, 다발들이 이미 수지를 포함하는 소위 수지 침투 가공재일 수 있다.
도 2는 완전 유리 섬유 라미네이트를 사용한 태양광 자동차 지붕의 응력에 대한 CAE 분석을 개략적으로 보여준다.
태양광 차량의 태양광 지붕에 대한 첫 번째 실험 및 실시예는 (이중 곡면) 태양광 지붕(200)에 수행되었으며, 상기 지붕은 1.7mm 유리 섬유 라미네이트를 사용하는 지지 구조와 단결정 실리콘 태양광 전지를 포함하는 2.1mm 소다-라임 유리판, 봉합제로써 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트) 및 셀 상호 연결을 위한 후면 접촉 포일로 구성된다.
상기 지붕은 1791mm의 길이와 1335mm의 폭을 갖는다.
측면(202)은 차량의 전면, 즉 보닛이 있는 측면을 향한다. 측면(204)은 상부를 향하고, 즉 차량의 내부로부터 제외되며 즉, 상부를 향한다.
EVA를 사용한 125℃ (125℃는 EVA의 경화 온도)에서의 유리와 태양 전지 및 지지 구조체(라미네이트)의 접합 및 유리와 유리 섬유의 열팽창계수 차이로 인해, 태양광 패널에 많은 양의 열 잔류 응력이 유발되었다. 이에 대한 현재 추정치로 20℃의 온도에서 유리에서의 최대 잔류 인장 응력은 20.1 MPa(허용 설계는 19 MPa)이다. 재료적 한계로 인해 유리 섬유 에폭시 지지 구조체만 사용하면 이러한 수치를 더 줄일 수 없다. 완전 탄소 섬유 지지 구조체는 동일하거나 더 심각한 문제를 갖는다. 완전 탄소 라미네이트의 또 다른 문제는 지지 구조체와 후면 접촉 포일 및/또는 태양광 전지 또는 후면 접촉 포일과 같은 연결 사이의 전기적 합선을 피하기 위해 지지 구조체가 전기 전도성이 없어야 한다는 것이다.
유사한 실시예는 도 1의 라미네이트 및 4개의 직조 유리 섬유 다발들과 중간에 하나의 직조 탄소 섬유 다발을 포함하며, 하이브리드 복합재 및 단락 [0037] 및 [0039]의 양과 치수를 사용하여 대칭 및 균형을 이루는 하이브리드 복합재를 사용하여 지붕에 수행되었다.
이 설계의 첫 번째 반복은 20℃의 온도에서 최대 3.2MPa(이전: 20.4MPa)의 잔류 응력을 나타내며, 이는 온도가 -40℃로 떨어지는 경우에도 허용 가능한 한계 내에 있다. 더 적은 수지 또는 다른 수지를 사용하는 추가적인 최적화는 이 값을 더욱 감소시킬 수 있다.
또한, 이 하이브리드 라미네이트 솔루션은 비슷한 비용의 완전 유리 섬유 라미네이트보다 약간 더 낮은 중량을 갖는다. 통상의 기술자에게 공지된 바와 같이 더 낮은 무게는 킬로미터당 에너지 소비(W/km)를 줄이는 데 유리하다.
훨씬 더 낮은 열팽창계수를 갖는 수지가 존재하지만, 이들은 종종 예를 들어 실리카로 충전되어 라미네이트용 주입 유체로서 덜 적합하다. 다른, 저점도 및 낮은 열팽창계수 수지는 밀폐 전자 장치를 대상으로 사용할 수 있지만 이들은 종종 더 비싸다.
통상의 기술자는 이중 곡선형 패널이 비곡선형 또는 단일 곡선형 패널보다 훨씬 더 높은 면외 강성(out-of-plane stiffness)을 나타낸다는 것을 인지할 것이다. 이로 인해 패널의 높은 열 잔류 응력이 발생한다. 이러한 이유로 패널은 곡률이 가장 높은 위치(모서리 근처)에서 가장 높은 열 잔류 응력을 나타내고, 곡률이 가장 낮은 위치(지붕 중앙)에서 가장 낮은 열 잔류 응력을 나타낸다.
도 3은 전부 유리 섬유 라미네이트를 사용하는 태양광 자동차 지붕의 열 변형에 대한 CAE 분석을 개략적으로 나타낸다.
태양광 차량의 태양광 지붕에 대한 제1실험예 및 실시예는 (이중 곡면) 태양광 지붕(200)에 수행되었으며, 상기 지붕은 1.7mm 유리 섬유 라미네이트를 사용하는 지지 구조와 단결정 실리콘 태양광 전지를 포함하는 2.1mm 소다-라임 유리판, 봉합제로써 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트) 및 셀 상호 연결을 위한 후면 접촉 포일로 구성된다.
측면(202)은 차량의 전면, 즉 보닛이 있는 측면을 향한다. 측면(204)은 상부를 향하고, 즉 차량의 내부로부터 제외되며 즉, 상부를 향한다.
도 2에 도시된 열응력은 지붕의 기하학 및 지붕이 끼워지는 리세스의 경계와 함께 태양광 패널의 열 변형을 야기한다. 이 전부 유리 섬유 라미네이트에 대한 실시예 및 측정은 20℃의 온도에서 20.7mm의 최대 열 변형을 이끈다.
양의 열 변형은 차량 외부의 지붕 표면에 수직인 방향, 즉 외부를 향하고, 음의 열 변형은 차량 내부의 지붕 표면에 수직인 방향, 즉 차량 내부로 향한다.
재료적 한계로 인해 유리 섬유 에폭시 지지 구조체만 사용하면 이러한 수치를 더 줄일 수 없다. 완전 탄소 섬유 지지 구조체는 동일하거나 더 심각한 문제를 갖는다: 라미네이트의 열팽창계수는 너무 작을 것이다. 완전 탄소 라미네이트의 또 다른 문제는 지지 구조체와 후면 접촉 포일 및/또는 태양광 전지 또는 후면 접촉 포일과 같은 연결 사이의 전기적 합선을 피하기 위해 지지 구조체가 전기 전도성이 없어야 한다는 것이다.
유사한 실시예는 도 1의 라미네이트 및 4개의 직조 유리 섬유 다발들과 중간에 하나의 직조 탄소 섬유 다발을 포함하며, 하이브리드 복합재 및 단락 [0037] 및 [0039]의 양과 치수를 사용하여 대칭 및 균형을 이루는 하이브리드 복합재를 사용하여 지붕에 수행되었다.
이 설계의 첫 번째 반복은 20℃의 온도에서 3.5mm(이전: 20.7mm)의 최대 열 변형을 나타내며, 이는 온도가 -40℃로 떨어지는 경우에도 허용 가능한 한계 내에 있다. 더 적은 수의 수지 또는 다른 수지를 사용하는 추가적인 최적화는 이 값을 더욱 감소시킬 수 있다.
본 발명을 설명하기 위해 차량 지붕이 사용되지만, 본 발명은 차량의 보닛, 트렁크 또는 임의의 다른 태양광 패널로 사용되는 태양광 패널에도 동등하게 잘 적용될 수 있다. 본 발명은 건물 일체형 태양전지 시스템(BIPS)으로 사용되거나 그 일부인 태양광 패널에도 적용 가능하다. 상기 패널은 평면 패널 또는 곡면 또는 이중 곡면 패널일 수 있다.
일반적으로 봉합제와 수지의 경화 또는 가교 온도는 서로 가깝다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)의 경화 온도는 원하는 경화 시간에 따라 120℃에서 140℃ 사이다. 에폭시 수지를 경화시키기 위해 매우 유사한 온도가 필요하다. 이는 공동 경화가 가능하고, 이 공동 경화 온도에서 재료가 응고되기 때문에 응력이 0이라는 것을 의미한다. 태양광 패널(유리/봉합제/라미네이트)를 식히면 응력이 쌓여 열변형이 일어난다.

Claims (14)

  1. 하기를 포함하는 태양광 패널(200):
    유리판;
    태양광발전 소자;
    라미네이트(100);
    상기 라미네이트는 하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합 라미네이트:
    하나 이상의 탄소 섬유 다발을 포함하며, 상부면 및 하부면을 나타내고, 상부면은 하부면의 반대편인, 중앙층;
    각각이 하나 이상의 유리 섬유 다발(110, 112, 114, 116)을 포함하며, 상부층(104)은 중앙층의 상부면과 접촉하고, 하부층(106)은 중앙층의 하부면과 접촉하며, 상기 다발들은 경화된 폴리머에 함침된, 상부층(104) 및 하부층(106).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라미네이트는 균형잡히고 대칭인 라미네이트인, 태양광 패널.
  3. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 다발은 단방향 섬유를 포함하는, 태양광 패널.
  4. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 다발은 직조 섬유를 포함하는, 태양광 패널.
  5. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지는 실온에서 열 팽창 계수가 50 ppm/K 미만인 저열팽창계수 에폭시인, 태양광 패널.
  6. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 섬유는 E-유리 섬유이며, E-유리 섬유는 선택적으로 소다-라임 유리의 열팽창계수와 실질적으로 동일한 열팽창계수를 갖는, 태양광 패널.
  7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양광 패널은 곡면 태양광 패널인, 보다 구체적으로 이중 곡면 태양광 패널인, 태양광 패널.
  8. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양광발전 소자는 다중접합 태양광 전지, 단결정 실리콘 태양광 전지, 다결정 실리콘 태양전지, GaAs 태양광 전지, 페로브스카이트 태양광 필름, 또는 박막 태양광 필름의 그룹의 태양광발전 소자인,
    태양광 패널.
  9. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리판은 1.5mm 내지 3.0mm 사이의 두께를 갖는 소다-라임 유리판이고,
    상기 감광 장치는 감광면 및 적어도 하나의 음극 및 양극을 나타내는 감광면의 반대편을 갖는 하나 이상의 단결정 또는 다결정 반도체 셀, 및 후면 접촉 포일(foil), 유리판과 후면 접촉 포일 사이에 배열된 셀, 셀과 복합 라미네이트 사이에 배치된 후면 접촉 포일, 유리, 셀, 후면 접촉 포일 및 봉합제에 의해 서로 부착된 복합 라미네이트를 포함하는, 태양광 패널.
  10. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    여기서 상기 중앙층의 탄소 섬유 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 탄소 섬유를 포함하고, 및/또는
    여기서 상기 상부층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 유리 섬유를 포함하고, 및/또는
    상기 하부층의 유리 섬유 다발들 중 적어도 하나는 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는 복수의 유리 섬유를 포함하는, 태양광 패널.
  11. 제10항에 있어서,
    여기서 상기 탄소 섬유 및/또는 상기 유리 섬유의 적어도 50%, 예를 들어 적어도 75%는 동일한 랜덤하지 않은 방향으로 연장되는, 태양광 패널.
  12. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    여기서:
    - 상기 중앙층은 탄소 섬유의 제1 중앙층 다발을 포함하고, 여기서 상기 제1중앙층 다발은 대부분 탄소 섬유이고, 선택적으로 상기 탄소 섬유 전부는 제1 방향으로 연장되며,
    - 상기 상부층은 유리 섬유의 제1 상부층 다발을 포함하고, 여기서 상기 제1 상부층 다발은 대부분 유리 섬유이고, 선택적으로 상기 유리 섬유 전부는 제2 방향으로 연장되며,
    - 상기 상부층은 유리 섬유의 제2 상부층 다발을 추가로 포함하고, 여기서 상기 제2 상부층 다발은 대부분 유리 섬유이고, 선택적으로 상기 유리 섬유 전부는 제4 방향으로 연장하며, 및
    - 상기 하부층은 유리 섬유의 제1 하부층 다발을 포함하고, 여기서 상기 제1 하부층 다발은 대부분 유리 섬유이고, 선택적으로 상기 유리 섬유 전부는 제3 방향으로 연장되며, 및
    - 상기 하부층은 유리 섬유의 제2 하부층 다발을 추가로 포함하고, 여기서 상기 제2 하부층 다발은 대부분 유리 섬유이고, 선택적으로 상기 유리 섬유 전부는 제5 방향으로 연장되며,
    여기서 상기 제2 방향은 제3 방향과 동일하고, 상기 제4 방향은 상기 제5 방향과 동일한,
    태양광 패널.
  13. 전술한 항 중 어느 한 항에 따른 태양광 패널을 포함하는 차량.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 태양광 패널을 포함하는 건물 일체형 태양전지 시스템.
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