WO2013168855A1 - 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템 - Google Patents

고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템 Download PDF

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solar
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power generation
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한승우
박현성
김정엽
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한국기계연구원
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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a solar energy power generation system for producing electricity using solar energy, and more particularly, to a solar energy power generation system for a high temperature environment with excellent electricity production efficiency even in a high temperature environment.
  • Solar power generation systems are mostly photovoltaic power generation systems, and the photovoltaic power generation system uses solar cells made of compound semiconductors GaAs, monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, etc. which can be expected to have a photoelectric effect. It absorbs and produces electricity.
  • the photovoltaic system uses ultraviolet rays (UV) and visible light having a spectral region in the range of 200 to 800 nm, which accounts for about 58% of solar energy, and accounts for about 42% of the remaining energy. Infrared light with a spectral region in the 800-3000 nm range is abandoned without photoelectric conversion.
  • UV ultraviolet rays
  • visible light having a spectral region in the range of 200 to 800 nm, which accounts for about 58% of solar energy, and accounts for about 42% of the remaining energy.
  • Infrared light with a spectral region in the 800-3000 nm range is abandoned without photoelectric conversion.
  • the power generation efficiency is lowered due to the degradation of the solar cell performance in high temperature environments, such as Southeast Asia and Africa, and additional equipment for cooling the solar cell is required. .
  • an object of the present invention is to provide a solar energy generation system for a high-temperature environment to supply only solar energy in the spectral region suitable for photovoltaic power supply to the solar cell through a filter unit. In providing.
  • the solar energy generation system for a high-temperature environment having a lens unit for reflecting the solar energy in the spectral region suitable for photovoltaic power generation to the photoelectric power generation unit for the photoelectric power generation, and the solar energy in the remaining spectral region to the thermoelectric power generation unit for thermoelectric power generation
  • a lens unit for reflecting the solar energy in the spectral region suitable for photovoltaic power generation to the photoelectric power generation unit for the photoelectric power generation and the solar energy in the remaining spectral region to the thermoelectric power generation unit for thermoelectric power generation
  • thermoelectric power generation unit for thermoelectric power generation In providing.
  • the present invention provides a solar energy generation system for a high temperature environment comprising a filter which is coated on the solar energy incident surface of the lens unit, reflecting only the spectrum of a specific region, and transmits the spectrum of the remaining region for the realization of the configuration. .
  • the power generation system of the present invention a solar cell for photovoltaic power generation; And a first filter provided at an incident surface of the solar cell and transmitting first solar energy having a spectral region for photovoltaic generation among the incident solar energy to the solar cell and reflecting second solar energy having the remaining spectral region. ; It includes.
  • the filter is a band-pass filter for transmitting the first solar energy having a spectral region of about 150 ⁇ 850nm of the solar energy, and reflects the second solar energy having the remaining spectral region. It is done.
  • the present invention a solar cell for photovoltaic power generation; Thermoelectric module unit for thermoelectric power generation; And a second filter for reflecting the first solar energy having a spectral region for photovoltaic generation among the incident solar energy to the solar cell, and the second solar energy having the remaining spectral region of the solar energy passing through the filter.
  • a lens unit configured of a lens collecting the module unit; The solar cell is disposed such that a light collecting surface faces an incident surface of the lens unit, and the thermoelectric module unit is disposed so as to face a transmission surface of the lens unit on a collecting surface.
  • the second filter is coated on the incident surface of the lens, the bandpass filter for reflecting the first solar energy having a spectral region of 150 ⁇ 850nm of the solar energy, and transmits the second solar energy having the remaining spectral region (Band-pass filter) is characterized in that.
  • the thermoelectric module unit may further include a heat absorbing plate having a second solar energy collecting surface formed on one surface thereof, a cooling plate formed at a predetermined distance from the other surface of the heat absorbing plate, and provided with a cooling means, and between the heat absorbing plate and the cooling plate. It is composed of thermoelectric modules arranged.
  • the heat absorbing plate is characterized in that the heat collecting surface is convexly formed in the second solar energy incident direction so that the incident second solar energy is evenly transmitted to the other surface.
  • the solar energy generation system for a high temperature environment of the present invention by the above configuration, the solar cell in the spectral region required for photoelectric power generation by condensing the solar cell cooling effect is expected, especially in high temperature environment It is possible to prevent a decrease in power generation efficiency due to deterioration of a battery.
  • FIG. 1 is a schematic front view of a power generation system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic front view of a power generation system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of a lens unit according to a second embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module unit 4 is a schematic front view of a thermoelectric module unit according to a second embodiment of the present invention.
  • the present invention is to separate the ultraviolet and visible light having a spectral region of about 200 ⁇ 800nm required for photovoltaic generation of the solar energy to focus on the solar cell to prevent degradation of the solar cell, in particular to maintain the power generation efficiency in high temperature environment To provide a solar energy generation system that can be.
  • a filter for transmitting ultraviolet rays and visible rays having a spectral region of about 200 to 800 nm and reflecting solar energy in the remaining spectral regions is provided at the incident surface of the solar cell.
  • the power generation system of the present invention includes a first filter 10, a solar cell 20, and a housing 50.
  • the housing 50 may have a plate shape, and any configuration may be applied as long as it is a structure capable of fixing and supporting the solar cell 20.
  • the coupling structure of the housing 50 and the solar cell 20 may be applied to a known technique. Can be.
  • the solar cell 20 is installed in the housing 50, and a configuration of a conventional solar cell for concentrating photovoltaic power by concentrating solar energy may be applied.
  • the first filter 10 is provided on the incident surface of the solar cell 20. In detail, it may be coated on the incident surface of the solar cell 20.
  • the first filter 10 is configured to transmit ultraviolet rays and visible light having a spectral region of about 200 to 800 nm required for photovoltaic generation and to reflect infrared rays having the spectral region of the remaining region among the incident solar energy SEs.
  • the first filter 10 may be a conventional bandpass filter having a multi-layer for selectively transmitting ultraviolet rays and visible light having a spectral region of about 200 to 800 nm.
  • the present invention provides a hybrid power generation system capable of generating power using infrared radiation of discarded solar energy as well as photoelectric power generation. Assuming that the efficiency of photovoltaic power generation using a conventional solar cell is 15.6%, the power generation system of the present embodiment can expect an additional power generation efficiency increase of 2% by simultaneously using thermoelectric power generation through infrared rays. In addition, the photoelectric separation efficiency can be further improved by 1.7% by preventing the deterioration of the solar cell. In addition, the power generation system of the present embodiment has the advantage of improving power generation efficiency without deteriorating the power generation system in Southeast Asia and Africa with high temperature environmental conditions.
  • the power generation system of the present invention includes a lens unit 100, a solar cell 200, a thermoelectric module unit 300, and a housing 500.
  • ultraviolet rays and visible light having a spectral region of about 200 to 800 nm required for photovoltaic power generation are solar energy S1, and infrared rays having a spectral region of about 0 to 200 nm and 800 to 3000 nm required for thermoelectric power generation. Is defined as a second solar energy (S2) will be described.
  • the housing 500 is formed in a housing in which the inside thereof is hollowed so that the lens unit 100, the solar cell 200, and the thermoelectric module unit 300 are installed.
  • the housing 500 may be open at an upper portion to allow solar energy SE to be incident thereon.
  • the upper portion of the housing 500 is shown in the present embodiment, it may be sealed with a material capable of injecting solar energy SE, for example, a transparent material.
  • the lens unit 100 is installed inside the housing 500, and a solar energy SE incident surface is formed on one surface thereof, and a solar energy SE transmission surface is formed on the other surface thereof.
  • the lens unit 100 includes a filter 120 for separating solar energy SE into sunlight S1 and solar heat S2, and solar heat S2 separated from the filter 120. It consists of a lens 110 for collecting.
  • the lens unit 100 is illustrated as a quadrangle, but it is apparent that the lens unit 100 may be formed in any shape as long as it can reflect or transmit solar energy SE such as polygon, circle or oval.
  • the lens 110 may be a conventional transparent material that can transmit solar energy (SE).
  • the filter 120 is formed on the incident surface of the lens 110.
  • the filter 120 may be coated on the incident surface of the lens 110.
  • the filter 120 separates the incident solar energy SE into the first solar energy S1 and the second solar energy S2, and reflects the first solar energy S1 and the second solar energy S2. Is configured to transmit. That is, ultraviolet rays and visible rays having a spectral region of 200 to 800 nm are separated and reflected from solar energy (SE), and infrared rays having a spectral region of 800 to 3000 nm are transmitted from solar energy (SE). Therefore, the filter 120 may be a conventional band pass filter composed of a multi-layer that can reflect the solar energy (SE) in a specific spectral region.
  • the other end of the lens 110 may be a shape of a conventional convex lens capable of collecting the second solar energy S2 transmitted from the filter 120 to the outside of the transmission surface of the lens 110. While the other end of the lens 110 is shown in the shape of a convex lens in the figure, the shape of a multifocal lens or Fresnel lens may also be applied.
  • the lens unit 100 is shown to be installed with a tilt of 45 degrees to the solar energy incident in the housing 500, but the shape of the housing 500 and the solar cell 200 and the thermoelectric module unit 300 Obviously, the arrangement may vary depending on the installation position.
  • the solar energy SE incident to the entire region of the lens unit 100 is separated into the first solar energy S1 and the second solar energy S2 and the solar cell 200 is separated.
  • the thermoelectric module unit 300 to improve power generation efficiency.
  • the first solar energy (S1) and supply to the solar cell 200 it is possible to prevent the performance degradation due to the temperature rise of the solar cell (200).
  • the effect of preventing degradation of the performance of the solar cell 200 in a high temperature environment may be further increased.
  • the solar cell 200 is installed in the housing 500, and a configuration of a conventional solar cell that condenses sunlight and performs photoelectric power generation may be applied.
  • the solar cell 200 of the present invention includes a filter in which the light collecting surface of the solar cell 200 is an incident surface of the lens unit 100 in order to collect the sunlight reflected through the filter 120 of the lens unit 100 ( May be disposed on the housing 500 to face 120.
  • a single solar cell 200 is illustrated in the drawing, a plurality of solar cells 200 are arranged in a module according to the size of the lens unit 100 and the area of the reflected first solar energy S1. It can be obvious.
  • thermoelectric module unit 300 is installed in the housing 500.
  • the thermoelectric module unit 300 includes a lens in which a heat collecting surface 311 of the thermoelectric module unit 300 is a transmission surface of the lens unit 100 to collect solar heat transmitted through the lens 110 of the lens unit 100. May be disposed on the housing 500 to face 110.
  • a single thermoelectric module unit 300 is illustrated in the drawings, a plurality of thermoelectric module units 300 may be arranged in a lattice form in rows and columns depending on the size of the lens unit 100 and the other end shape of the lens 110.
  • thermoelectric module unit 300 has the following configuration in order to collect and heat thermoelectric power of the second solar energy S2.
  • the thermoelectric module unit 300 includes a heat absorbing plate 310, a thermoelectric module 320, and a cooling plate 330.
  • the thermoelectric module 320 may be applied to a conventional thermoelectric module 320 thermoelectrically generated by the temperature difference between the heat absorbing plate 310 and the cooling plate 330, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the heat absorbing plate 310 is formed on a plate body, and a heat collecting plate 311 for collecting the second solar energy S2 on one surface and a heat sink 312 for transferring heat to the thermoelectric module 320 on the other surface are formed.
  • the present invention has the following characteristic configuration.
  • the intensity of the second solar energy S2 transmitted from the lens 110 is largest in the central portion of the heat collecting plate 311 and decreases toward the circumference. Therefore, the present invention configures the thickness of the heat absorbing plate 310 differently to transmit the second solar energy S2 to the entire area of the heat sink 312 with an even intensity. That is, the center of the heat absorbing plate 310 is thickened so that the second solar energy S2 is gradually transmitted, and the circumferential surface is made thin so that the second solar energy S2 is quickly transmitted, so that the entire area of the heat sink 312 is provided. To receive a constant intensity of solar heat.
  • the heat collecting plate 311 may be convex toward the lens unit 100. This is to change the thickness of the heat absorbing plate 310 to convex the shape of the heat collecting plate 311 because the heat sink 312 should be formed in a plane.
  • the cooling plate 330 is spaced apart from the heat sink 312 by a predetermined distance, and has a cooling means 331 to maximize the temperature difference with the heat absorbing plate 310.
  • Cooling means 311 may be applied to the heat radiation fin to widen the heat radiation area. Although the cooling means 311 is illustrated as an air-cooled heat radiation fin in the drawing, a water cooling cooling means may be applied for more efficient cooling.
  • first filter 20 solar cell
  • thermoelectric module 310 heat absorbing plate
  • thermoelectric module 330 cooling plate

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Abstract

본 발명은 태양에너지를 이용해 전기를 생산하는 태양에너지 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온 환경에서도 전기 생산 효율이 우수한 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템에 관한 것이다. 본 발명의 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템은, 태양전지에 광전발전에 필요한 스펙트럼 영역의 태양에너지를 분리 집광하도록 하여 태양전지의 냉각효과가 기대되며, 특히 고온 환경에서 태양전지의 성능 저하로 인한 발전 효율 저하를 방지할 수 있다. 또한, 입사되는 태양에너지 전체를 반사 및 투과에 의해 광전발전에 필요한 스펙트럼 영역의 태양에너지와, 열전발전에 필요한 나머지 스펙트럼 영역의 태양에너지로 분리하여 발전함으로써 발전 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템
본 발명은 태양에너지를 이용해 전기를 생산하는 태양에너지 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온 환경에서도 전기 생산 효율이 우수한 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템에 관한 것이다.
태양에너지를 이용한 발전시스템은 광전발전시스템이 대부분이며, 상기 광전발전시스템은 광전효과를 기대할 수 있는 화합물반도체인 GaAs, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 등으로 제조된 태양전지(Solar Cell)을 이용하여 태양에너지를 흡수하고 전기를 생산하는 방식이다. 이러한 광전발전시스템은 태양에너지 중 약 58%의 비중을 차지하는 200~800nm 대의 스펙트럼 영역을 갖는 자외선(Ultraviolet rays, UV)과 가시광선(Visible light)을 이용하게 되며, 나머지 약 42%의 비중을 차지하는 800~3000nm 대의 스펙트럼 영역을 갖는 적외선(Infrared light)은 광전변환이 되지 않고 버려진다.
또한, 상술한 태양전지의 경우 고온에서는 성능이 저하되는 특성을 갖기 때문에 동남아시아 및 아프리카와 같은 고온 환경에서는 태양전지의 성능 저하로 인해 발전 효율이 떨어지고, 태양전지의 냉각을 위한 추가 설비가 요구되고 있다.
따라서 자외선과 가시광선을 이용한 발전뿐만 아니라, 버려지는 적외선을 이용한 하이브리드 발전시스템과, 광전발전의 핵심 구성요소인 태양전지의 성능저하를 방지할 수 있는 태양에너지 발전시스템이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 필터부를 통해 광전발전에 적합한 스펙트럼 영역의 태양에너지만 필터링하여 태양전지에 공급하게 되는 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템을 제공함에 있다.
또한, 광전발전에 적합한 스펙트럼 영역의 태양에너지는, 광전발전을 위한 광전발전부로 반사시키고, 나머지 스펙트럼 영역의 태양에너지는 열전발전을 위한 열전발전부로 투과시키는 렌즈부를 갖는 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템을 제공함에 있다.
상기 구성의 실현을 위해 본 발명은 렌즈부의 태양에너지 입사면에 코팅되며, 특정영역의 스펙트럼만 반사시키고, 나머지 영역의 스펙트럼은 투과시키는 필터를 포함하는 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 발전시스템은, 광전발전을 위한 태양전지; 및 상기 태양전지의 입사면에 구비되며, 입사되는 태양에너지 중 광전발전을 위한 스펙트럼 영역을 갖는 제1 태양에너지를 태양전지로 투과시키고, 나머지 스펙트럼 영역을 갖는 제2 태양에너지를 반사시키는 제1 필터; 를 포함한다.
이때, 상기 필터는, 태양에너지 중 약 150~850nm의 스펙트럼 영역을 갖는 제1 태양에너지는 투과시키고, 나머지 스펙트럼 영역을 갖는 제2 태양에너지는 반사시키는 밴드패스필터(Band-pass filter)인 것을 특징으로 한다.
다른 실시 예로, 본 발명은, 광전발전을 위한 태양전지; 열전발전을 위한 열전모듈부; 및 입사되는 태양에너지 중 광전발전을 위한 스펙트럼 영역을 갖는 제1 태양에너지를 태양전지로 반사시키는 제2 필터와, 상기 필터를 투과한 상기 태양에너지의 나머지 스펙트럼 영역을 갖는 제2 태양에너지를 상기 열전모듈부로 집열하는 렌즈로 구성되는 렌즈부; 를 포함하며, 상기 태양전지는 집광면이 상기 렌즈부의 입사면을 향하도록 배치되고, 상기 열전모듈부는 집열면에 상기 렌즈부의 투과면을 향하도록 배치된다.
이때, 상기 제2 필터는 상기 렌즈의 입사면에 코팅되며, 태양에너지 중 150~850nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 제1 태양에너지는 반사시키고, 나머지 스펙트럼 영역을 갖는 제2 태양에너지는 투과시키는 밴드패스필터(Band-pass filter)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전모듈부는, 일면에 제2 태양에너지 집열면이 형성되는 흡열판과, 상기 흡열판의 타면에서 일정거리 이격 형성되며 냉각수단을 구비한 냉각판과, 상기 흡열판과 냉각판 사이에 배치되는 열전모듈로 구성된다.
또한, 상기 흡열판은, 입사되는 제2 태양에너지가 타면에 고르게 전달되도록, 상기 집열면이 제2 태양에너지 입사 방향으로 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템은, 태양전지에 광전발전에 필요한 스펙트럼 영역의 태양에너지를 분리 집광하도록 하여 태양전지의 냉각효과가 기대되며, 특히 고온 환경에서 태양전지의 성능 저하로 인한 발전 효율 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예의 발전시스템 정면개략도
도 2는 본 발명의 제2 실시 예의 발전시스템 정면개략도
도 3은 본 발명의 제2 실시 예의 렌즈부 사시도
도 4는 본 발명의 제2 실시 예의 열전모듈부 정면개략도
본 발명은 태양에너지 중 광전발전에 필요한 약 200~800nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 자외선 및 가시광선을 분리하여 태양전지에 집광하도록 하여 태양전지의 성능저하를 방지하고, 특히 고온 환경에서 발전 효율을 유지시킬 수 있는 태양에너지 발전시스템을 제공한다. 이를 위해 약 200~800nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 자외선 및 가시광선은 투과시키고, 나머지 스펙트럼 영역의 태양에너지는 반사시키는 필터가 태양전지의 입사면에 구비된다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 세부 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
- 실시 예1
도 1을 참조하면 본 발명의 발전시스템은 제1 필터(10), 태양전지(20) 및 하우징(50)을 포함하여 이루어진다.
하우징(50)은 판상으로 되며 태양전지(20)를 고정하고 지지할 수 있는 구성이면 어떠한 구성이 적용되어도 무방하며, 하우징(50)과 태양전지(20)의 결합 구조는 공지의 기술을 적용할 수 있다. 태양전지(20)은 하우징(50)에 설치되며, 태양에너지를 집광하여 광전 발전하는 통상의 태양전지의 구성이 적용될 수 있다.
제1 필터(10)는 태양전지(20)의 입사면에 구비된다. 상세하게는 태양전지(20)의 입사면에 코팅될 수 있다. 제1 필터(10)는 입사되는 태양에너지(SE) 중 광전발전에 필요한 약 200~800nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 자외선 및 가시광선은 투과시키고 나머지 영역의 스펙트럼 영역을 갖는 적외선은 반사시키기 위해 구성된다. 제1 필터(10)는 약 200~800nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 자외선 및 가시광선을 선택적으로 투과시키기 위한 멀티층(Multi layer)을 갖는 통상의 밴드패스필터가 적용될 수 있다.
따라서 제1 필터(10)를 통해 광전발전에 필요한 태양에너지를 선택적으로 투과시켜 태양전지(20)의 온도상승을 방지하여 태양전지(20)의 성능 저하를 예방한다. 특히 고온 환경 조건을 가진 동남아시아 및 아프리카 지역에서도 발전시스템의 성능 저하 없이 발전 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
추가적인 실시 예로 본 발명은 광전발전은 물론 버려지는 태양에너지의 적외선을 이용하여 발전할 수 있는 하이브리드 발전시스템을 제공한다. 본 실시 예의 발전시스템은 통상의 태양전지를 이용한 광전발전의 효율을 15.6%라고 가정할 때, 적외선을 통한 열전발전을 동시에 이용하여 2%의 추가 발전효율 상승을 기대할 수 있다. 또한 광분리로 인해 태양전지의 성능저하를 방지하여 광전발전 효율을 추가적으로 1.7% 향상시킬 수 있다. 아울러 본 실시 예의 발전시스템은 고온 환경 조건을 가진 동남아시아 및 아프리카 지역에서도 발전시스템의 성능 저하 없이 발전 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 세부 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
-실시 예2
도 2 및 도 3을 참조하면 본 발명의 발전시스템은 렌즈부(100), 태양전지(200), 열전모듈부(300) 및 하우징(500)을 포함하여 이루어진다.
편의 상 태양에너지 중 광전발전에 필요한 약 200~800nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 자외선 및 가시광선은 제1 태양에너지(S1)로, 열전발전에 필요한 약 0~200nm 및 800~ 3000nm 대의 스펙트럼 영역을 갖는 적외선은 제2 태양에너지(S2)로 정의하여 설명하기로 한다.
하우징(500)은 렌즈부(100), 태양전지(200), 열전모듈부(300)가 설치되도록 내부가 중공되는 함체 상으로 이루어진다. 하우징(500)은 태양에너지(SE)가 입사되도록 상부가 개방 형성될 수 있다. 본실시 예에는 하우징(500)의 상부가 개방되는 것으로 도시되어 있으나, 태양에너지(SE)를 입사시킬 수 있는 재질 예를 들면 투명 재질로 밀폐되어도 무방하다.
렌즈부(100)는 하우징(500)의 내부에 설치되며, 일면에 태양에너지(SE) 입사면이 형성되고, 타면에 태양에너지(SE) 투과면이 형성된다. 도 3을 참조하면, 렌즈부(100)는 태양에너지(SE)를 태양광(S1)과 태양열(S2)로 분리하기 위한 필터(120)와, 필터(120)에서 분리된 태양열(S2)을 집열하기 위한 렌즈(110)로 구성된다. 도면상에는 렌즈부(100)가 사각형으로 도시되어 있으나 다각형, 원형 또는 타원형 등 태양에너지(SE)를 반사 또는 투과시킬 수 있는 구성이면 어떠한 형상으로도 이루어질 수 있음은 자명하다. 렌즈(110)는 태양에너지(SE)를 투과시킬 수 있는 통상의 투명 재질이 적용될 수 있다. 렌즈(110)의 입사면에는 필터(120)가 형성된다. 보다 상세하게 필터(120)는 렌즈(110)의 입사면에 코팅될 수 있다. 필터(120)는 입사되는 태양에너지(SE)를 제1 태양에너지(S1)와 제2 태양에너지(S2)로 분리하며, 제1 태양에너지(S1)는 반사시키고, 제2 태양에너지(S2)는 투과시키기 위해 구성된다. 즉 200~800nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 자외선 및 가시광선을 태양에너지로(SE)부터 분리하여 반사시키고, 800~3000nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 적외선을 태양에너지(SE)로부터 분리하여 투과시킨다. 따라서 필터(120)는 특정 스펙트럼 영역의 태양에너지(SE)를 반사시킬 수 있는 멀티층(Multi layer)으로 구성되는 통상의 밴드 패스 필터가 적용될 수 있다.
렌즈(110)의 타단은, 필터(120)에서 투과된 제2 태양에너지(S2)를 렌즈(110)의 투과면 외측으로 집열시킬 수 있는 통상의 볼록렌즈의 형상이 적용될 수 있다. 도면상에는 렌즈(110)의 타단이 볼록렌즈의 형상으로 도시되어 있으나, 다중초점렌즈 또는 프레스넬(Fresnel)렌즈의 형상도 적용될 수 있다. 렌즈부(100)는 하우징(500) 내에 입사되는 태양에너지에 45도 각도의 기울기를 가지고 설치되는 것으로 도시되어 있으나, 하우징(500)의 형상 및 태양전지(200)과 열전모듈부(300)의 설치 위치에 따라 그 배치가 달라질 수 있음은 자명하다.
상기와 같은 렌즈부(100)의 구성을 통해 렌즈부(100) 전영역으로 입사되는 태양에너지(SE)를 제1 태양에너지(S1)와 제2 태양에너지(S2)로 분리하여 태양전지(200)과 열전모듈부(300)로 공급함으로써 발전효율을 향상시킨다. 또한, 제1 태양에너지(S1)만을 분리하여 태양전지(200)로 공급함으로써 태양전지(200)의 온도 상승으로 인한 성능저하를 방지할 수 있다. 특히 고온 환경에서의 태양전지(200) 성능 저하 방지효과는 더욱 커질 수 있다.
태양전지(200)은 하우징(500) 내에 설치되며, 태양광을 집광하여 광전 발전하는 통상의 태양전지의 구성이 적용될 수 있다. 다만 본 발명의 태양전지(200)은 렌즈부(100)의 필터(120)를 통해 반사되는 태양광을 집광하기 위해 태양전지(200)의 집광면이 렌즈부(100)의 입사면인 필터(120)를 향하도록 하우징(500) 상에 배치될 수 있다. 도면상에는 단일의 태양전지(200)이 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 렌즈부(100)의 크기 및 반사되는 제1 태양에너지(S1)의 면적에 따라 다수 개의 태양전지(200)이 모듈을 이루어 배치될 수 있음은 자명하다.
열전모듈부(300)는 하우징(500) 내에 설치된다. 열전모듈부(300)는 렌즈부(100)의 렌즈(110)를 통해 투과되는 태양열을 집열하기 위해 열전모듈부(300)의 집열면(311)이 렌즈부(100)의 투과면인 렌즈(110)를 향하도록 하우징(500) 상에 배치될 수 있다. 도면상에는 단일의 열전모듈부(300)가 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 렌즈부(100)의 크기 및 렌즈(110)의 타단 형상에 따라 다수 개가 행과 열을 이루어 격자형으로 배치될 수 있음은 자명하다.
도 4를 참조하면, 열전모듈부(300)는 제2 태양에너지(S2)를 집열하여 열전발전하기 위해 다음과 같은 구성을 갖는다. 열전모듈부(300)는 흡열판(310), 열전모듈(320) 및 냉각판(330)으로 구성된다. 열전모듈(320)은 흡열판(310)과 냉각판(330)의 온도차에 의해 열전 발전하는 통상의 열전모듈(320)이 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세 설명은 생략한다. 흡열판(310)은 판체 상으로 이루어지며, 일면에 제2 태양에너지(S2)가 집열되는 집열판(311)과 타면에 열전모듈(320)로 열을 전달하기 위한 방열판(312)이 형성된다. 이때 본 발명을 집열판(311)으로 집열되는 제2 태양에너지(S2)를 방열판(312) 전 영역에 고르게 전달하기 위해 다음과 같은 특징적인 구성을 갖는다. 렌즈(110)에서 전달되는 제2 태양에너지(S2)의 세기는 집열판(311)의 중앙부분이 가장 크고, 둘레로 갈수록 작아진다. 따라서 제2 태양에너지(S2)를 방열판(312)의 전 영역에 고른 세기로 전달하기 위해 본 발명은 흡열판(310)의 두께를 달리 구성한다. 즉 흡열판(310)의 중앙은 두께를 두껍게 하여 제2 태양에너지(S2)가 서서히 전달되도록 하고 둘레면은 두께를 얇게 하여 제2 태양에너지(S2)가 빠르게 전달되도록 하여 방열판(312) 전 영역에서 일정한 세기의 태양열을 전달 받게 한다. 세부 실시 예로 집열판(311)은 렌즈부(100)를 향하여 볼록하게 형성될 수 있다. 이는 방열판(312)은 평면으로 구성돼야 함으로 집열판(311)의 형상을 볼록하게 하여 흡열판(310)의 두께를 달리하기 위함이다. 냉각판(330)은 방열판(312)에서 일정거리 이격 배치되며, 흡열판(310)과의 온도차를 극대화하기 위해 냉각수단(331)을 구비한다. 냉각수단(311)은 방열 면적을 넓이기 위한 방열핀이 적용될 수 있다. 도면상에는 냉각수단(311)이 공랭식의 방열핀으로 도시되어 있으나, 보다 효율적인 냉각을 위해 수냉식 냉각수단이 적용될 수도 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
<부호의 설명>
SE : 태양에너지
S1 : 제1 태양에너지 S2 : 제2 태양에너지
10 : 제1 필터 20 : 태양전지
50 : 하우징
100 : 렌즈부 110 : 렌즈
120 : 제2 필터
200 : 태양전지
300 : 열전모듈부 310 : 흡열판
320 : 열전모듈 330 : 냉각판
500:하우징

Claims (7)

  1. 광전발전을 위한 태양전지; 및
    상기 태양전지의 입사면에 구비되며, 입사되는 태양에너지 중 광전발전을 위한 스펙트럼 영역을 갖는 제1 태양에너지를 태양전지로 투과시키고, 나머지 스펙트럼 영역을 갖는 제2 태양에너지를 반사시키는 제1 필터;
    를 포함하는, 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 필터는, 태양에너지 중 150~850nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 제1 태양에너지는 투과시키고, 나머지 스펙트럼 영역을 갖는 제2 태양에너지는 반사시키는 밴드패스필터(Band-pass filter)인 것을 특징으로 하는, 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템.
  3. 광전발전을 위한 태양전지;
    열전발전을 위한 열전모듈부; 및
    입사되는 태양에너지 중 광전발전을 위한 스펙트럼 영역을 갖는 제1 태양에너지를 태양전지로 반사시키는 제2 필터와, 상기 필터를 투과한 상기 태양에너지의 나머지 스펙트럼 영역을 갖는 제2 태양에너지를 상기 열전모듈부로 집열하는 렌즈로 구성되는 렌즈부; 를 포함하며,
    상기 태양전지는 집광면이 상기 렌즈부의 입사면을 향하도록 배치되고, 상기 열전모듈부는 집열면에 상기 렌즈부의 투과면을 향하도록 배치되는, 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 필터는 상기 렌즈의 입사면에 코팅되는 것을 특징으로 하는, 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 필터는, 태양에너지 중 150~850nm 의 스펙트럼 영역을 갖는 제1 태양에너지는 반사시키고, 나머지 스펙트럼 영역을 갖는 제2 태양에너지는 투과시키는 밴드패스필터(Band-pass filter)인 것을 특징으로 하는, 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 열전모듈부는,
    일면에 제2 태양에너지 집열면이 형성되는 흡열판과, 상기 흡열판의 타면에서 일정거리 이격 형성되며 냉각수단을 구비한 냉각판과, 상기 흡열판과 냉각판 사이에 배치되는 열전모듈로 구성되는, 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 흡열판은,
    입사되는 제2 태양에너지가 타면에 고르게 전달되도록, 상기 집열면이 제2 태양에너지 입사 방향으로 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 고온 환경을 위한 태양에너지 발전시스템.
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