WO2019088773A1 - 평면 집광형 태양광 발전 장치 - Google Patents

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WO2019088773A1
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receiver
solar cell
electric energy
planar light
present
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신서용
부녹하이
팜탄투안
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명지대학교 산학협력단
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    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a planar light condensing solar power generation apparatus.
  • the sun is the most powerful energy source.
  • the solar energy provided to the Earth's surface is 120 PW, which means that the world can get as much energy as it needs for 20 years from the sun in just one day.
  • FIG. 1 (a) is a photograph of an example of a typical solar power generation panel installation
  • FIG. 1 (b) is a graph showing the potential by energy type.
  • the solar energy is one of the alternatives that can meet the continuously increasing energy demand.
  • solar power generation is gaining competitiveness due to new renewable energy supply policy and price drop of solar cell, and the spread of solar power generation equipment is also continuously expanding.
  • Fig. 2 shows an example of a conventional fixed type solar power generation panel.
  • the fixed solar cell panel is installed on the roof until recently even due to the simplicity of the apparatus utilizing the panel, the convenience of installation, Most of the panels are occupied.
  • the fixed type solar power generation panel is installed so as to be fixed in a planar shape, the power generation efficiency may be greatly changed due to daytime, nighttime, or seasonal changes.
  • a method designed to solve such a problem is a light collecting type solar power generation panel.
  • Fig. 3 shows an example of a conventional condensing type solar power generation panel.
  • a photovoltaic device including a light collecting type solar power generation panel typically includes a condenser for collecting sunlight, a solar tracking device for tracking the position of the sun, and a solar cell for converting light energy into electric energy
  • a condenser for collecting sunlight for collecting sunlight
  • a solar tracking device for tracking the position of the sun for tracking the position of the sun
  • a solar cell for converting light energy into electric energy
  • the embodiments of the present invention have a main object to provide a planar light condensing type solar power generation device capable of installing a roof capable of achieving a high optical efficiency with only a parallel movement in a horizontal direction without rotating motion.
  • An embodiment of the present invention includes a light condenser including an array of unit lenses having a first surface receiving incident light and a second surface opposite to the first surface and being fixedly installed at a predetermined position; A transparent sheet having a predetermined area and at least one solar cell arranged on the transparent sheet and converting light energy into electric energy, Receiver; And a horizontal moving device installed to be connected to the receiver and moving the receiver in a horizontal direction according to an incident angle of sunlight using solar energy, wherein the second surface includes a light incident on the second surface
  • the planar light collecting type solar cell power generating device according to claim 1,
  • a planar light condensing type solar cell power generating apparatus capable of achieving a high light condensing efficiency by merely moving in the horizontal direction without rotating the solar cell panel .
  • FIG. 1 (a) is a photograph of an example of a typical solar power generation panel installation
  • FIG. 1 (b) is a graph showing the potential by energy type.
  • Fig. 2 shows an example of a conventional fixed type solar power generation panel.
  • Fig. 3 shows an example of a conventional condensing type solar power generation panel.
  • FIG. 4 (a) shows a conventional condenser
  • FIG. 4 (b) shows a condenser applied to a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a structural view of a planar light condensing type solar cell power generation apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is a conceptual diagram of a planar light collective photovoltaic power generation apparatus according to an embodiment of the present invention. to be.
  • FIG. 6 (a) is a three-dimensional view of a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 (b) Dimensional view of the unit lens included in the apparatus.
  • FIG. 7 (a) shows a distribution of light formed on a receiver of a planar light-converging photovoltaic device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 (b) 7C is a view for explaining the dispersion mechanism in the unit lens included in the planar light condensing type solar cell power generation apparatus, And shows the distribution of light according to the incident angle of sunlight incident on the unit lens.
  • FIG. 8 illustrates a model for calculating the light efficiency of a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph of luminous efficacy according to an angle of incidence of sunlight obtained by using a planar light-converging solar cell power generation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining an alignment state of a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing a displacement of a focal length according to an angle of incidence of sunlight when a planar light-converging photovoltaic device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 12 is a view for explaining misalignment between a solar cell and a solar focus region included in a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing the effect of misalignment on the normalized light efficiency when the angle of incidence of sunlight incident on the planar light condensing solar cell device according to an embodiment of the present invention is 45 °.
  • the first, second, i), ii), a), b) and the like can be used.
  • Such a code is intended to distinguish the constituent element from other constituent elements, and the nature of the constituent element, the order or the order of the constituent element is not limited by the code. It is also to be understood that when a component is referred to as being “comprising” or “comprising,” it should be understood that it is not intended to exclude other components, it means.
  • FIG. 4 (a) shows a conventional condenser
  • FIG. 4 (b) shows a condenser applied to a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the condenser shown in Fig. 4 (a) includes the aspheric lens array and condenses the incident sunlight at a distance of focal distance.
  • the aspherical lens array includes a plurality of unit lenses each including a first surface on which sunlight is incident and a second surface on which light incident on the aspheric lens array is emitted.
  • the radius of curvature of the second surface included in the unit lens may vary depending on the focal distance.
  • the position of the focus changes in arc. That is, when such an aspheric lens arrangement is used, the vertical height at the point where the light-condensing efficiency becomes maximum varies with the incidence angle of sunlight.
  • the concentrator applied to the planar light converging photovoltaic device according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 4 (b) also includes an aspherical lens array.
  • the aspherical lens array includes a plurality of unit lenses each including a first surface on which sunlight is incident and a second surface on which light incident on the aspheric lens array is emitted.
  • mirror coating is performed on the opposite surface of the second surface and the radius of curvature of the second surface is appropriately adjusted, sunlight incident through the first surface is reflected on the second surface, and is condensed at a focal distance.
  • the angle of incidence of sunlight incident on the aspheric lens arrangement is changed, the position of the focus is also changed.
  • FIG. 5A is a structural view of a planar light condensing type solar cell power generation apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is a conceptual diagram of a planar light collective photovoltaic power generation apparatus according to an embodiment of the present invention. to be.
  • the planar light condensing solar cell power generating apparatus 500 includes a receiver 510, a horizontal movement device 520, and a condenser 530.
  • the planar light collecting type solar cell power generating apparatus 500 according to an embodiment of the present invention collects sunlight incident on a receiver 510 at a condenser 530, .
  • the receiver 510 includes a transparent sheet having a predetermined area and at least one solar cell disposed on the transparent sheet and converting light energy into electric energy. At least one solar cell may be arranged to be evenly distributed on the transparent sheet.
  • the receiver 510 can be moved horizontally by the horizontal movement device 520.
  • each of at least one solar cell includes a first electrode and a second electrode, and can transfer electric energy generated in at least one solar cell through the first electrode and the second electrode to the outside have.
  • the receiver 510 includes a wiring structure for transferring electric energy from each of the at least one solar cell to the outside, and a part of the wiring structure is electrically connected to the horizontal movement device 520, And may be set to drive the device 520.
  • the horizontal movement device 520 is connected to a part of the receiver 510 and serves to move the receiver 510 in the horizontal direction.
  • the horizontal moving device 520 may include a driving device, such as a motor, for the parallel movement of the receiver 510.
  • the horizontal direction means a direction parallel to the plane where the receiver 510, that is, the transparent sheet is disposed.
  • the horizontal moving device 520 moves the position of the receiver 510 in accordance with the incidence angle of sunlight.
  • the condenser 530 receives and condenses the sunlight.
  • the condenser 530 includes an array of lenslets having a first surface receiving incident light, and a second surface opposite to the first surface.
  • the condenser 530 is fixedly installed below the receiver 510 to support the receiver 510.
  • a refractive index matching material may be further included between the condenser 530 and the receiver 510 to reduce the refractive index difference between the condenser 530 and the receiver 510 to reduce the Fresnel reflection loss .
  • each of the concentrator 530 and the receiver 510 may be fabricated using a material (refractive index: about 1.5) comprising PMMA (polymethyl methacrylate).
  • the refractive index matching material may be inserted between the condenser 530 and the receiver 510 such that a refractive index condenser 530 or the receiver 510 and a layer having a large refractive index difference such as an air layer (refractive index: 1) do not exist.
  • the planar light condensing solar cell power generating apparatus 500 includes an electric energy regulating device (not shown) electrically connected to the receiver 510 to convert, process, or store the electric energy generated by the receiver 510 Not shown) may be additionally included. Further, the electric energy regulating device can convert a part of the electric energy received from the receiver 510 and convert it into AC electric energy. In addition, the planar light condensing photovoltaic device 500 according to an embodiment of the present invention may include an energy storage unit (not shown) for storing a part of the electric energy received from the receiver 510. The planar light condensing photovoltaic device 500 according to an embodiment of the present invention can drive the horizontal movement device 520 using electric energy stored in the energy storage unit.
  • FIG. 6 (a) is a three-dimensional view of a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 (b) Dimensional view of the unit lens included in the apparatus.
  • the unit lens included in the condenser 530 of the planar light condensing type solar cell generator 500 may be a plano-convex lens.
  • the unit lens can be designed to occupy the area of a square, an equilateral triangle or a regular hexagon. In the case of a unit lens formed in the shape of a square, an equilateral triangle, or a regular hexagon, it can be arranged to fill a predetermined area without a gap.
  • the first surface forming the unit lens may be a plane
  • the second surface may be a curved surface formed to have a preset curvature. In this case, by changing the curvature of the second surface, the focal length of the unit lens can be adjusted.
  • the second surface of the unit lens may be coated to reflect light incident through the first surface.
  • the second surface may be coated with a metal material such as gold or aluminum, or may be coated with an oxide or the like. If the receiver 510 included in the planar light condensing photovoltaic power generation apparatus 500 according to an embodiment of the present invention has a square shape with one side of length L, It may be formed by two (L / d).
  • the curvature of the first surface of the unit lens included in the condenser 530 of the planar light condensing solar cell generator 500 may be set such that the focal point of the light reflected from the second plane passing through the first plane is located on the first plane.
  • the horizontal direction moving device 520 further includes a direction parallel to the first surface .
  • FIG. 7 (a) shows a distribution of light formed on a receiver of a planar light-converging photovoltaic device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 (b) 7C is a view for explaining the dispersion mechanism in the unit lens included in the planar light condensing type solar cell power generation apparatus, And shows the distribution of light according to the incident angle of sunlight incident on the unit lens.
  • FIG. 8 illustrates a model for calculating the light efficiency of a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the light efficiency of the planar light condensing solar cell generator 500 according to an embodiment of the present invention is calculated using Equation (1) Respectively.
  • the angle of incidence of the sunlight means the angle formed by the normal line of the first surface of the condenser 530 and the incident sunlight, and the angle of incidence of the sunlight was changed from 0 ° to 45 ° at intervals of 5 °.
  • FIG. 9 is a graph of luminous efficacy according to an angle of incidence of sunlight obtained by using a planar light-converging solar cell power generation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the optical efficiency of the planar light condensing type solar cell generator 500 according to the embodiment of the present invention shows almost no change while the angle of incidence of sunlight increases from 0 to 15 degrees. As the angle of incidence of sunlight increases from 15 ° to 45 °, the optical efficiency of the planar light-condensing solar cell generator 500 is slightly reduced from 90.3% to 88.5%, which is the interface between the concentrator 530 and the receiver 510 And the Fresnel reflection loss occurs in the Fresnel lens. 9, the luminous efficiency of the planar light condensing solar cell apparatus 500 according to the embodiment of the present invention is 89.5% on average, and the shade effect by the solar cell, the electrode structure, There may be a reduction in light efficiency.
  • FIG. 10 is a view for explaining an alignment state of a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the sunlight incident on the planar light condensing solar cell device 500 must be always focused at the center of the solar cell . It is difficult to operate the planar light condensing type solar cell power generator 500 to maximize the light efficiency of the planar light condensing type solar cell power generator 500 according to the incidence angle of the sunlight that changes according to the rotation and revolution of the earth.
  • planar light condensing type solar cell generator 500 In order to maximize the light efficiency of the planar light condensing type solar cell generator 500 in accordance with the angle of incidence of the sunlight that changes according to the rotation and revolution of the earth, the planar light condensing type solar cell generator 500 must be rotated along the sun's orbit , Relatively expensive devices are needed to rotate a giant device.
  • the planar light condensing type solar power generation apparatus 500 can achieve a high optical efficiency by moving the solar power generation panel only in the horizontal direction without rotating the solar power generation panel.
  • the planar light condensing type solar power generator 500 is aligned with the sunlight in accordance with the day when the sun of the date is reached, 530 in the horizontal direction.
  • the incident angle of sunlight changes from -45 ° to 45 °, the change in the position of the focus was confirmed and is shown in FIG.
  • FIG. 11 is a graph showing a displacement of a focal length according to an angle of incidence of sunlight when a planar light-converging photovoltaic device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • the receiver 510 when the planar light-converging photovoltaic device 500 according to the embodiment of the present invention is used, the receiver 510 must be moved horizontally by a maximum of 19 mm according to seasonal changes, that is, .
  • the displacement of the focal point is a change in winter with the lowest altitude of the sun and a change in winter altitude with the highest altitude of the sun.
  • the horizontal movement device 520 is used to change the receiver 510 from north to south within a range of 19 mm You.
  • the displacement of the focus due to the rotation of the earth was 37 mm in the east-west direction.
  • FIG. 12 is a view for explaining misalignment between a solar cell and a solar focus region included in a planar light condensing solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the solar cell area that is, Misalignment occurs between a region where light energy can be converted into electric energy and a region where actual sunlight is condensed and focused, resulting in a decrease in light efficiency.
  • FIG. 13 is a graph showing the effect of misalignment on the normalized light efficiency when the angle of incidence of sunlight incident on the planar light condensing solar cell device according to an embodiment of the present invention is 45 °.
  • the reason why the graph of FIG. 13 does not show a bilateral symmetric shape is that the distribution of sunlight formed at the focus does not form a symmetrical shape.
  • the problem of such misalignment and light efficiency is influenced by the sensor, motor or motor control algorithm used in the horizontal movement device 520 applied to the planar light condensing solar cell power generating apparatus 500 according to an embodiment of the present invention .

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Abstract

본 발명의 실시예들은 태양광 발전 패널을 회전시킬 필요없이, 수평 방향으로 평행 이동시키는 것만으로도 높은 집광 효율을 달성할 수 있으며, 지붕에 설치할 수 있고, 대면적으로 제작할 수 있어 대량 생산성이 높은 평면 집광형 태양광 발전 장치를 제공한다.

Description

평면 집광형 태양광 발전 장치
본 발명의 실시예들은 평면 집광형 태양광 발전 장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명에 따른 실시예들과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
과도한 화석연료의 사용으로 인해 지구온난화, 기후변화 등의 심각한 문제가 대두되고 있으며, 이에 대한 대책으로 대체 에너지의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 대체 에너지의 대표적인 예로 태양광, 풍력, 조력 발전 등을 이용한 에너지를 들 수 있다.
이러한 에너지 가운데에서도 태양은 가장 강력한 에너지원이다. 지구 표면으로 제공되는 태양광 에너지는 120 PW 수준이며, 이는 전세계가 20년 동안 사용하고도 남을 만큼의 에너지를 단 하루만에 태양으로부터 얻을 수 있다는 것을 의미한다.
도 1의 (a)는 통상적인 태양광 발전 패널의 설치 예시 사진이며, 도 1의 (b)는 에너지 유형별 잠재력을 도시한 그래프이다.
도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 태양광 에너지는 지속적으로 증가하는 에너지 수요를 만족시킬 수 있는 대안 중 하나이다. 덧붙여, 태양광 발전은 신재생 에너지 보급 정책 및 태양전지 셀의 가격 하락 등의 영향으로 경쟁력을 확보하고 있으며, 태양광 발전 장치의 보급 또한 지속적으로 확대되고 있다.
오늘날 태양광 발전 장치에 가장 널리 이용되고 있는 패널은 고정형 태양전지 패널과 집광형 태양전지 패널이다.
도 2는 종래의 고정형 태양광 발전 패널의 예를 도시한다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 고정형 태양 전지 패널은 그 패널을 활용한 장치의 단순함, 설치의 편의성, 낮은 설치 비용 등으로 인해, 최근까지도 지붕에 설치되고 있는 대부분의 패널을 차지한다. 그러나 고정형 태양광 발전 패널은 평면형으로 고정되도록 설치되기 때문에, 낮과 밤의 변화 또는 계절의 변화 등에 의해 발전 효율이 크게 변화할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 고안된 방법이 집광형 태양광 발전 패널이다.
도 3은 종래의 집광형 태양광 발전 패널의 예를 도시한다.
집광형 태양광 발전 패널을 포함하는 태양광 발전 장치는 통상적으로 태양광을 집광하기 위한 집광기, 태양의 위치를 추적하기 위한 태양 추적 장치 및 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 태양전지 셀의 세 가지 기본 구성요소를 포함한다. 태양의 위치에 따라 집광기의 위치를 정밀하게 회전시키는 태양 추적 장치는 일반적으로 거대한 축을 필요로 하기 때문에 부피가 크다. 또한, 이러한 장치는 통상적으로 지표면에 맞닿도록 설치되지 않기 때문에 풍력에 대해 기계적으로 안정적이어야 한다. 이러한 집광기 및 태양 추적 장치의 문제점들이 집광형 태양광 발전 패널의 지붕 설치를 막는 장애 요인들 중 하나이다.
따라서, 평면형 태양광 발전 패널과 같이 단순하고, 얇고, 가볍고, 제조비용이 낮으면서도 발전 효율이 높으며, 지붕에 설치할 수 있어 실용적인 집광형 태양광 발전 장치가 필요하다.
본 발명의 실시예들은 회전 움직임 없이 수평 방향으로의 평행한 움직임만으로도 높은 광효율을 달성할 수 있도록 하는 지붕 설치가 가능한 평면 집광형 태양광 발전 장치를 제공하는 데에 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 입사광을 수신하는 제 1 면 및 상기 제 1 면의 반대쪽 면인 제 2 면을 갖는 단위 렌즈의 배열을 포함하며, 소정의 위치에 고정되어 설치되는 집광기; 소정의 면적을 갖는 투명 시트(transparent sheet) 및 상기 투명 시트 상에 배치되어 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나의 태양전지 셀(solar cell)을 포함하며, 상기 집광기의 상부에 수평 방향으로 이동할 수 있도록 설치되는 수신기; 및 상기 수신기와 연결되도록 설치되어, 태양광 에너지를 이용하여 상기 수신기를 태양광의 입사 각도에 따라 수평 방향으로 이동시키는 수평방향 이동장치를 포함하며, 상기 제 2 면은 상기 제 2 면으로 입사되는 빛을 반사시킬 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 두께가 얇고, 무게가 가벼워 지붕에 설치할 수 있는 평면 집광형 태양광 발전 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예의 다른 측면에 의하면, 태양광 발전 패널을 회전시킬 필요없이, 수평 방향으로 움직이는 것만으로도 높은 집광 효율을 달성할 수 있도록 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 높은 태양광 집광 효율을 유지하면서도 대면적으로 제작할 수 있는 평면 집광형 태양광 발전 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1의 (a)는 통상적인 태양광 발전 패널의 설치 예시 사진이며, 도 1의 (b)는 에너지 유형별 잠재력을 도시한 그래프이다.
도 2는 종래의 고정형 태양광 발전 패널의 예를 도시한다.
도 3은 종래의 집광형 태양광 발전 패널의 예를 도시한다.
도 4의 (a)는 종래의 집광기를 도시하며, 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치에 적용되는 집광기를 도시한다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 구조도이며, 도 5의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 개념도이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 3차원도이며, 도 6의 (b)는 도 6의 (a)에 도시한 평면 집광형 태양광 발전 장치에 포함된 단위 렌즈의 3차원도이다.
도 7의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 수신기 상에 맺힌 빛의 분포를 도시하며, 도 7의 (b)는 도 7의 (a)에 도시한 평면 집광형 태양광 발전 장치에 포함된 단위 렌즈 내에서의 분산 메커니즘을 설명하기 위한 도면이며, 도 7의 (c)는 도 7의 (a)에 도시한 평면 집광형 태양광 발전 장치에 포함된 단위 렌즈에 입사되는 태양광의 입사 각도에 따른 빛의 분포를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 광효율을 계산하기 위한 모델을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치를 이용하여 구한 태양광 입사 각도에 따른 광효율 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 정렬 상태를 살펴보기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치를 적용한 경우, 태양광 입사 각도에 따른 초점 거리의 변위를 도시하는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치에 포함되는 태양전지 셀과 태양광 초점 영역 사이의 오정렬을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치에 입사하는 태양광의 입사 각도가 45°일 때, 오정렬이 정규화된 광효율에 미치는 영향을 도시하는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 실시예들의 구성요소를 설명하는 데 있어서 제 1, 제 2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 평면 집광형 태양광 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 4의 (a)는 종래의 집광기를 도시하며, 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치에 적용되는 집광기를 도시한다.
도 4의 (a)에 도시한 집광기는 비구면 렌즈 배열을 포함하여 입사되는 태양광을 초점 거리만큼 떨어진 곳에 집광한다. 비구면 렌즈 배열은 복수의 단위 렌즈를 포함하며, 각 단위 렌즈는 태양광이 입사하는 제 1 면 및 비구면 렌즈 배열로 입사한 빛이 방출되는 제 2 면을 포함한다. 단위 렌즈에 포함된 제 2 면의 곡률 반경(radius of curvature)은 초점 거리에 따라 달라질 수 있다. 이렇게 설계된 비구면 렌즈 배열에 태양광이 수직으로 입사하는 경우, 각 단위 렌즈로부터 각 단위 렌즈의 초점 거리만큼 떨어진 곳에 빛이 집광된다. 태양광의 입사 각도가 변경되면, 초점의 위치 또한 변경되며, 지구가 자전하는 경우를 가정하여 태양광의 입사 각도를 소정의 범위 내에서 변경시키면, 초점의 위치는 호를 그리며 변화한다. 즉, 이러한 비구면 렌즈 배열을 이용한 경우, 집광 효율이 최고가 되는 지점의 수직 높이가 태양광의 입사 각도에 따라 변한다.
도 4의 (b)에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치에 적용되는 집광기 또한 비구면 렌즈 배열을 포함한다. 비구면 렌즈 배열은 복수의 단위 렌즈를 포함하며, 각 단위 렌즈는 태양광이 입사하는 제 1 면 및 비구면 렌즈 배열로 입사한 빛이 방출되는 제 2 면을 포함한다. 제 2 면의 반대쪽 면에 거울 코팅을 하고, 제 2 면의 곡률 반경을 적절히 조절하면, 제 1 면을 통해 입사한 태양광은 제 2 면에서 반사되고, 초점 거리만큼 떨어진 곳에 집광된다. 이 비구면 렌즈 배열에 입사하는 태양광의 입사 각도가 변경되면, 초점의 위치 또한 변경되며, 지구가 자전하는 경우를 가정하여 태양광의 입사 각도를 소정의 범위 내에서 변경시키면, 초점의 위치는 선을 그리며 변화한다. 즉, 집광 효율이 최고가 되는 지점의 수직 높이가 태양광의 입사 각도와 무관하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 평판 집광형 태양광 발전 장치는 이러한 사실을 이용하여 구현된다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 구조도이며, 도 5의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)는 수신기(510), 수평방향 이동장치(520) 및 집광기(530)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)는 수신기(510)로 입사된 태양광을 집광기(530)에서 집광한 후, 반사시켜 수신기(510)에서 빛 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
수신기(510)는 소정의 면적을 갖는 투명 시트(transparent sheet)와 이 투명 시트 상에 배치되어 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나의 태양전지 셀(solar cell)을 포함한다. 적어도 하나의 태양전지 셀은 투명 시트 상에 균일하게 분포하도록 배치될 수 있다. 수신기(510)는 수평방향 이동장치(520)에 의해 수평 방향으로 이동될 수 있다.
도면에는 표시하지 않았지만, 적어도 하나의 태양전지 셀 각각은 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하며, 제 1 전극 및 제 2 전극을 통해 적어도 하나의 태양전지 셀에서 생성된 전기 에너지를 외부로 전달할 수 있다. 또한, 수신기(510)는 적어도 하나의 태양전지 셀 각각으로부터의 전기 에너지를 외부로 전달하기 위한 배선 구조를 포함하며, 배선 구조 중 일부는 수평방향 이동장치(520)와 전기적으로 연결되어 수평방향 이동장치(520)를 구동시키도록 설정될 수 있다.
수평방향 이동장치(520)는 수신기(510)의 일부와 연결되어, 수신기(510)를 수평 방향으로 움직이도록 하는 역할을 한다. 수평방향 이동장치(520)는 수신기(510)의 평행 이동을 위해, 모터 등의 구동장치를 포함할 수 있다. 여기서, 수평 방향이란, 수신기(510) 즉, 투명 시트가 배치된 평면과 평행한 방향을 의미한다. 수평방향 이동장치(520)는 태양광의 입사 각도에 대응하여 수신기(510)의 위치를 이동시킨다.
집광기(530)는 태양광을 수신하여 집광하는 역할을 한다. 집광기(530)는 입사광을 수신하는 제 1 면, 제 1 면의 반대쪽 면인 제 2 면을 갖는 단위 렌즈(lenslet)의 배열(array)을 포함한다. 여기서, 집광기(530)는 수신기(510)의 아래쪽에 고정되어 설치되어, 수신기(510)를 지지하는 역할을 한다. 여기서, 집광기(530) 및 수신기(510)의 사이에 집광기(530)와 수신기(510) 사이의 굴절률 차이를 줄여 프레넬 반사 손실(Fresnel reflection loss)을 줄이기 위한 굴절률 정합물질을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 집광기(530) 및 수신기(510) 각각은 PMMA(polymethyl metacrylate)를 포함하는 물질(굴절률: 약 1.5)을 이용하여 제작될 수 있다. 집광기(530) 및 수신기(510) 사이에 굴절률 집광기(530) 또는 수신기(510)와 굴절률 차이가 큰 층, 예컨대, 공기층(굴절률: 1)이 존재하지 않도록 굴절률 정합물질을 삽입할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)는 수신기(510)와 전기적으로 연결되어 수신기(510)에서 생성된 전기 에너지를 변환, 처리 또는 저장하기 위한 전기 에너지 조절장치(미도시)를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 전기 에너지 조절장치는 수신기(510)로부터 수신한 전기 에너지 중 일부의 상태를 변환하여, 교류 전기 에너지로 변환할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)는 수신기(510)로부터 수신한 전기 에너지 중 일부를 저장하기 위한 에너지 저장부(미도시)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)는 에너지 저장부에 저장된 전기 에너지를 이용하여 수평방향 이동장치(520)를 구동시킬 수 있다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 3차원도이며, 도 6의 (b)는 도 6의 (a)에 도시한 평면 집광형 태양광 발전 장치에 포함된 단위 렌즈의 3차원도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 집광기(530)에 포함된 단위 렌즈는 평면 볼록 렌즈(plano-convex lens)일 수 있다. 단위 렌즈는 정사각형, 정삼각형 또는 정육각형의 면적을 차지하도록 설계될 수 있다. 정사각형, 정삼각형 또는 정육각형의 형상으로 형성된 단위 렌즈의 경우, 소정의 면적을 빈틈없이 메우도록 배치될 수 있기 때문이다. 여기서, 단위 렌즈를 형성하는 제 1 면은 평면이며, 제 2 면은 기 설정된 곡률을 갖도록 형성된 곡면일 수 있다. 이 경우, 제 2 면의 곡률을 변경함으로써, 단위 렌즈의 초점 거리를 조절할 수 있다. 단위 렌즈의 제 2 면은 제 1 면을 통해 입사한 빛을 반사할 수 있도록 코팅될 수 있다. 제 2 면은 금, 알루미늄 등의 금속 물질을 이용하여 코팅될 수도 있고, 산화물 등을 이용하여 코팅될 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)에 포함되는 수신기(510)가 한 변의 길이가 L인 정사각형의 형상을 갖는다면, 한 변의 길이가 d인 정사각형 형상의 단위 렌즈는 (L/d)2 개만큼 형성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 집광기(530)에 포함된 단위 렌즈의 제 1 면의 곡률, 제 2 면의 곡률 및 제 2 면의 중심으로부터 제 1 면까지의 거리는 제 1 면을 통과하여 제 2 면에서 반사된 빛의 초점이 제 1 면 상에 위치하도록 설정될 수 있다.
또한, 수평방향 이동장치(520)는 제 1 면을 통과하여 제 2 면에서 반사된 빛의 초점이 제 1 면 상에 존재하지 않을 경우, 제 1 면 상에 존재하도록 제 1 면과 평행한 방향으로 이동시킬 수 있다.
도 7의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 수신기 상에 맺힌 빛의 분포를 도시하며, 도 7의 (b)는 도 7의 (a)에 도시한 평면 집광형 태양광 발전 장치에 포함된 단위 렌즈 내에서의 분산 메커니즘을 설명하기 위한 도면이며, 도 7의 (c)는 도 7의 (a)에 도시한 평면 집광형 태양광 발전 장치에 포함된 단위 렌즈에 입사되는 태양광의 입사 각도에 따른 빛의 분포를 도시한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)에 입사되는 태양광의 입사 각도가 0°에서 60°로 점점 커질수록, 집광기(530)의 초점 거리에 존재하는 수신기(510) 상의 가상 평면에 맺히는 빛의 분산이 점점 더 커진다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 집광기(530)에 포함된 단일 렌즈의 색수차에 기인한 것으로 판단된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 광효율을 계산하기 위한 모델을 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 성능을 평가하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 광효율을 수학식 1을 이용하여 계산하였다.
Figure PCTKR2018013279-appb-M000001
여기서, 태양광의 입사 각도는 집광기(530)의 제 1 면의 법선과 입사되는 태양광이 이루는 각도를 의미하며, 태양광의 입사 각도는 0°에서 45°까지 5°간격으로 변경하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치를 이용하여 구한 태양광 입사 각도에 따른 광효율 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 광효율은 태양광의 입사 각도가 0°에서 15°까지 증가하는 동안에는 거의 변화를 보이지 않는다. 태양광의 입사 각도가 15°에서 45°까지 증가함에 따라, 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 광효율은 90.3%에서 88.5%로 약간 감소하는데 이는 집광기(530)와 수신기(510) 사이의 경계면에서 발생하는 프레넬 반사 손실에 기인한 것으로 판단된다. 도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 광효율은 평균 89.5%이며, 태양전지 셀에 의한 음영효과, 전극 구조 및 배선 구조에 의해 추가적인 광효율의 감소가 존재할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치의 정렬 상태를 살펴보기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 광효율을 극대화시키기 위해서는 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)로 입사되는 태양광이 항상 태양전지 셀의 중심에 집광되어야 한다. 지구의 자전 및 공전에 따라 변화하는 태양광의 입사 각도에 맞춰 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 광효율을 극대화시키도록 운영하는 것은 쉽지 않은 일이다. 지구의 자전 및 공전에 따라 변화하는 태양광의 입사 각도에 맞춰 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 광효율을 극대화시키려면, 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)를 태양의 궤도에 따라 회전시켜야 하며, 거대한 장치를 회전시키기 위해서는 상대적으로 고가의 장치들이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)는 태양광 발전 패널을 회전시키지 않고, 수평 방향으로만 이동시킴으로써 높은 광효율을 달성할 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)를 해당 날짜의 태양이 남중한 날에 맞춰, 태양광과 수직되도록 정렬하였으며, 수평방향 이동장치(520)를 이용하여 수신기(530)를 수평방향으로 이동시킨다. 태양광의 입사 각도가 -45°에서 45°까지 변화할 때, 초점의 위치 변화를 확인하였고 이를 도 11에 도시하였다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치를 적용한 경우, 태양광 입사 각도에 따른 초점 거리의 변위를 도시하는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)를 이용하면, 계절의 변화 즉, 지구의 공전에 따라 최대 19 mm 정도 수신기(510)를 수평 이동해야 한다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 초점의 변위는 태양의 남중고도가 가장 낮은 겨울과 태양의 남중고도가 높은 겨울에 따른 변화로서, 수평방향 이동장치(520)를 이용하여 수신기(510)를 19 mm 범위 내에서 남북 방향으로 변화시키면 된다. 지구의 자전에 따른 초점의 변위는 동서 방향으로 37 mm인 것으로 나타났다. 일출 시점부터 일몰 시점까지 지속적으로 수평방향 이동장치(520)를 이용하여 수신기(510)를 해가 뜨는 방향의 반대쪽 끝지점부터 해가 지는 방향의 반대쪽 끝지점까지 이동시킴으로써, 동서 방향의 초점 변위를 해결할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치에 포함되는 태양전지 셀과 태양광 초점 영역 사이의 오정렬을 설명하기 위한 도면이다.
도 12에 도시한 바와 같이, 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)의 수평방향 이동장치(520)를 이용하여 수신기(510)의 위치를 변경하지 않으면, 태양전지영역, 즉 태양전지 셀이 존재하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 영역과 실제 태양광이 집광되어 초점이 맺히는 영역 사이의 오정렬이 발생하여, 광효율의 감소를 야기할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치에 입사하는 태양광의 입사 각도가 45°일 때, 오정렬이 정규화된 광효율에 미치는 영향을 도시하는 그래프이다.
도 13의 그래프가 좌우대칭 형상을 나타내지 않는 이유는 초점에 맺힌 태양광의 분포가 대칭 형상을 이루고 있지 않기 때문이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)를 이용한 경우, 총 2.81 mm의 범위 이내로 오정렬을 조절할 수 있다면, 90% 이상의 광효율을 달성할 수 있다는 것을 의미한다.
이러한 오정렬과 광효율의 문제는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 집광형 태양광 발전 장치(500)에 적용되는 수평방향 이동장치(520)에 이용되는 센서, 모터 또는 모터제어 알고리즘에 의해 영향을 받을 수 있다.
이상의 설명은 본 발명에 따른 실시예들의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명에 따른 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예들은 본 실시예들의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 실시예들의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 실시예들의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명에 따른 실시예들의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
500: 평면 집광형 태양광 발전 장치
510: 수신기
520: 수평방향 이동장치
530: 집광기
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Claims (11)

  1. 입사광을 수신하는 제 1 면 및 상기 제 1 면의 반대쪽 면인 제 2 면을 갖는 단위 렌즈의 배열을 포함하며, 소정의 위치에 고정되어 설치되는 집광기;
    소정의 면적을 갖는 투명 시트(transparent sheet) 및 상기 투명 시트 상에 배치되어 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나의 태양전지 셀(solar cell)을 포함하며, 상기 집광기의 상부에 수평 방향으로 이동할 수 있도록 설치되는 수신기; 및
    상기 수신기와 연결되도록 설치되어, 태양광 에너지를 이용하여 상기 수신기를 태양광의 입사 각도에 따라 수평 방향으로 이동시키는 수평방향 이동장치
    를 포함하며, 상기 제 2 면은 상기 제 2 면으로 입사되는 빛을 반사시킬 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 면의 곡률, 상기 제 2 면의 곡률 및 상기 제 2 면의 중심으로부터 상기 제 1 면까지의 거리는,
    상기 제 1 면을 통과하여 상기 제 2 면에서 반사된 반사광의 초점이 상기 제 1 면 상에 위치하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단위 렌즈는,
    상기 제 1 면은 평면이고, 상기 제 2 면은 곡면인 평면 볼록 렌즈(plano-convex lens)인 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단위 렌즈의 배열은,
    정사각형의 단위 면적을 갖는 2차원 형태의 배열인 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수평방향 이동장치는,
    상기 반사광의 초점이 상기 제 1 면 상에 존재하지 않을 경우, 상기 반사광의 초점이 상기 제 1 면 상에 존재하도록 상기 제 1 면과 평행한 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 태양전지 셀 각각은,
    제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하며, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 통해 상기 적어도 하나의 태양전지 셀에서 생성된 전기 에너지를 외부로 전달하는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수신기는,
    상기 적어도 하나의 태양전지 셀 각각으로부터의 전기 에너지를 외부로 전달하기 위한 배선 구조를 포함하며, 상기 배선 구조 중 일부는 상기 수평방향 이동장치와 전기적으로 연결되어 상기 수평방향 이동장치를 구동시키도록 설정되는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수신기와 전기적으로 연결되어 상기 수신기에서 생성된 전기 에너지를 변환, 처리 또는 저장하기 위한 전기 에너지 조절장치를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 조절장치는,
    상기 수신기로부터 수신한 전기 에너지 중 일부의 상태를 변환하여, 교류 전기 에너지로 변환할 수 있는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신기로부터 수신한 전기 에너지 중 일부를 저장하기 위한 에너지 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광기 및 상기 수신기의 사이에 상기 집광기와 상기 수신기 사이의 굴절률 차이를 줄여 프레넬 반사 손실을 줄이기 위한 굴절율 정합물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 집광형 태양광 발전 장치.
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