KR101003539B1 - 지상용 태양전지 어레이 - Google Patents

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엠코어 솔라 파워 인코포레이티드
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Abstract

본 발명에 따르면, 태양광 복사로부터 전력을 발생하기 위한 지상용 집광 발전 태양전지 어레이 시스템은 그의 중앙 길이방향 축에 대하여 회전가능한 중앙 지지체; 상기 중앙 길이방향 축에 직교하는 축에서 상기 중앙 지지체에 대하여 회전가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임에 설치되는 태양전지 어레이를 포함한다. 상기 태양전지 어레이는 복수의 프레넬 집광렌즈 및 각각 10와트 초과의 DC 전력을 생성하는 다중접합 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 태양전지를 포함한다. 태양이 하늘을 횡단함에 따라 태양의 태양광선에 태양전지 어레이가 실질적으로 직교하도록 상기 중앙 지지체와 상기 지지 프레임을 회전시키기 위한 액추에이터가 제공된다.
태양전지 어레이 시스템, 중앙지지체, 지지프레임, 액추에이터, 트랙킹

Description

지상용 태양전지 어레이{TERRESTRIAL SOLAR ARRAY}
본 발명은 개괄적으로 태양광을 전기 에너지로 전환하기 위한 지상용 태양열 전력 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 태양을 추적하는 단일 이동을 위하여 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 태양전지를 이용하는 태양전지 어레이에 관한 것이다.
지상용 태양열 전력 응용을 위하여 상업적으로 이용할 수 있는 실리콘 태양전지는 8%에서 15%의 능률을 갖는다. Ⅲ-Ⅴ 화합물에 기초한 화합물반도체 태양전지는 통상의 작동 조건에서 28%의 능률을 갖는다. 또한, 태양열 에너지를 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 광전지로 집중시킴으로써, 이러한 집중하에서 광전지의 능률을 37% 이상으로 증가시키는 것은 잘 알려져 있다.
지상용 태양열 전력 시스템은 저비용 및 광범위한 유용성 면에서 일반적으로 실리콘 태양전지를 이용한다. 이러한 장치의 선택에 있어서 와트당 비용(cost-per-watt)의 고려보다는 그의 중량에 대한 전력(power-to-weight) 효율이 더욱 중요한 인공위성 용도에서는 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 태양전지가 널리 사용되고 있지만, 이러 한 태양전지는 태양광 스펙트럼의 최적의 적용 범위로 아직 설계되지 않았고, 태양광 트랙킹 지상 시스템에 이용되도록 구성되거나 최적화되지 않았으며, 화합물반도체 태양전지를 이용하도록 구성되고 최적화된 상업적인 지상용 태양열 전력 시스템은 현존하지 않는다.
실리콘 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 태양전지의 설계에 있어서, 하나의 전기적 접점은 일반적으로 태양전지의 광흡수측 또는 전방측에 위치되고, 다른 하나의 접점은 태양전지의 후방측에 위치된다. 광활성 반도체는 기판(substrate)의 광흡수측에 배치되고, 태양광이 태양전지 내에 흡수됨에 따라 전자 흐름(electron flow)을 생성하는 하나 이상의 피엔 접합부(p-n junction)를 포함한다. 그리드 라인(grid line)은 이러한 전자 흐름을 포획하도록 상기 태양전지의 상면 위로 연장하고, 그런 다음 상기 전방 접점 또는 본딩 패드(bonding pad)에 연결된다.
태양전지 시스템에서 중요한 하나의 관점은 태양전지를 구성하는 반도체 재료 층의 물리적 구성이다. 태양전지는 다른 밴드갭(bandgap)을 갖는 재료를 이용하고, 가능한 한 많은 태양광 스펙트럼을 전환하기 위하여 대체로 수직적인 다중접합(multijunction) 구성으로 제작된다.
태양전지 시스템의 다른 관점은 어레이(array)를 구성하도록 이용되는 전지의 개수 및 상기 어레이의 형태, 종횡비와 구성에 대한 사양이다.
각각의 태양전지는 대체로 수평 배열로 배치되고, 전기적으로 서로 직렬로 접속된다. 어레이의 형태 및 구성뿐만 아니라 그에 포함되는 전지의 개수 및 전지들 간의 일련의 전기적 접속은 요구되는 시스템의 출력 전압 및 전류에 의하여 부 분적으로 결정된다.
지상용 태양열 전력 시스템의 또 다른 관점은 들어오는 태양 광선을 태양전지 또는 태양전지 어레이의 표면으로 집중시키기 위하여 광선 집광기(렌즈 및 미러 등)를 이용하는 것이다. 이러한 시스템은 낮 동안 태양이 하늘을 횡단함에 따라 태양 전지의 면이 태양을 지속하게 향하도록 하는 적절한 태양광 트랙킹 메커니즘을 필요로 한다.
본 발명 이전에는, 어레이 디자인, 태양전지 리시버 모듈과 관련하는 특징 및 지상용 용도에 적절한 반도체장치 특징들의 최적의 조합은 이루어지지 않았다.
본 발명은 태양으로부터 에너지를 생성하기 위한 태양전지 어레이를 제공한다.
상기 태양전지 어레이는 중앙의 길이방향 축에 대하여 회전가능하고, 지면에 장착가능한 중앙 지지체; 상기 중앙의 길이방향 축에 직교하는 축에서 상기 중앙 지지체에 대하여 회전가능하게 지지되는 지지 프레임; 상기 지지 프레임에 장착되는 태양전지 어레이, 바람직하게는 다수의 태양전지 서브 어레이; 및 태양이 하늘을 횡단함에 따라 상기 태양전지 어레이가 상기 태양의 태양광선에 실질적으로 직교하게 유지되도록 상기 중앙 지지체 및 상기 지지 프레임을 회전시키기 위한 액추에이터를 포함한다.
상기 태양전지 서브 어레이는 복수의 모듈 또는 서브 어셈블리를 포함하며, 각 모듈은 상기 태양전지로 입사되는 태양광을 집중시키기 위하여 단일 태양전지 위에 배치되는 단일 프레넬렌즈를 포함하는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 상기 태양전지 어레이는 지면에 평행한 x 방향으로 배치되는 10개의 서브 어레이가 사각형 매트릭스로 배치되는 복수의 태양전지 서브 어레이를 포함한다.
상기 중앙 지지체는 그 중앙 지지체를 지면에 설치하기 위한 수단을 제공하 는 제1 부재 및 상기 제1 부재에 의해 회전가능하게 지지되고, 그 제1 부재로부터 상측으로 연장하는 제2 부재에 의해 구성되는 것이 효과적이다.
상기 지지 프레임은 상기 중앙의 길이방향 축에 직교하는 축에서 상기 중앙 지지체의 상기 제2 부재에 대하여 회전가능하게 설치되는 크로스 부재에 설치되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 상기 지지 프레임은 대략 사각형의 프레임 부재로 구성되되, 상기 사각형의 프레임 부재는 그 사각형의 프레임 부재의 짧은 변에 평행한 복수의 평행 지지 스트러트를 제공한다. 이 경우, 상기 패널은 상기 지지 스트러트와 상기 내부 부재 사이 각각에서 각각 연장하는 지지 암을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 태양전지의 사이즈와 종횡비를 최적화하고, 상기 어레이를 구성하는 서브 어레이, 모듈 또는 패널의 디자인을 최적화하는 효과가 있다.
본 발명은 지면 위의 그리드에 간격을 갖고 장착된 다수의 어레이를 이용하여 태양광을 전기에너지로 전환하기 위한 지상용 태양열 전력 시스템, 태양을 추적하는 수직 지지체의 크로스 암(cross-arm)에서의 단일 이동에 대해 장착되는 태양전지의 최적의 사이즈와 종횡비 및 상기 어레이를 구성하는 서브 어레이, 모듈 또 는 패널의 디자인에 관한 것이다.
제1 관점에 있어서, 본 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이 태양광 트랙킹 시스템 및 태양전지 모듈의 어레이의 디자인에 관한 것이다. 이러한 시스템은 제1 부재(11a) 및 제2 부재(11b)로 구성되는 중앙 지지체를 포함한다. 상기 제1 부재(11a)는 볼트(미도시)에 의하여 지면에 장착되는 지지체에 연결가능한 대략 중공 원통형 부재이다. 상기 제2 부재(11b)는 상기 제1 부재(11a) 내에 회전가능하게 장착되고, 지지 프레임(15)에 연결되는 크로스 부재(14)를 지지한다. 상기 지지 프레임(15)은 사각형 프레임(15a), 상기 사각형 프레임(15a) 중 짧은 단부(변)들에 평행한 세 개의 평행 지지 스트러트(strut)(15b) 및 두 개의 대각선 지주 스트러트(15c)를 포함한다. 또한, 상기 지지 프레임(15)은 상기 지지 스트러트(15b) 중 두 스트러트로부터 내부 부재(제2 부재)(11b)의 베이스로 각각 연장하는 한 쌍의 경사진 암(14a)에 의하여 상기 내부 부재(제2 부재)(11b)에 지지된다. 다른 하나의 지지 암(14b)은 내부 부재(11b)의 상단으로부터 중앙 지지 스트러트(15b)로 연장한다. 이러한 방식에서의 상기 지지 프레임의 장착은 그 지지 프레임(15)이 제1 및 제2 부재(11a, 11b)를 통해 그의 중심 길이방향 축에 대하여 회전가능한 방식으로 상기 중앙 지지체의 제2 부재(11b)의 상단에 확실하게 고정된다.
상기 지지 프레임(15)은 수평적으로 연속하는 10개의 태양전지 서브 어레이(subarray) 또는 패널(16)에 의하여 구성되는 태양전지 어레이를 지지한다. 각각의 태양전지 서브 어레이는 수직 적층된 13개의 태양전지 모듈(17)에 의하여 구성된다. 프레넬 렌즈(fresnel lens)(20)는 상기 지지 프레임(15)으로부터 이격되어 향하도록 제공되고, 단일 리시버(19) 위에 배치되어 상기 리시버에 설치된 태양전지로 태양광을 집중시킨다.
상기 광학 시스템은 굴절식(refractive)으로, 대략 2의 f#을 갖는 520X 집광도(concentration)를 달성하는 아크릴 프레넬렌즈를 사용한다. 반사하는 제2 광소자(reflective secondary optical element)가 사용될 수도 있다. 각 전지/광 시스템에 대한 수광각(acceptance angle)은 ＋/－1.0도이다. 태양에 대한 광학 시스템의 효율은 상기 시스템 효율이 최대로부터 10% 이하로 감소하는 지점에서 정의된 수광각의 경우는 90%이다.
상기 리시버(19), 인쇄 회로 카드 또는 서브 어셈블리는 절연된 바이패스 다이오드(미도시)와 같은 추가적인 회로와 함께 상기 지지 프레임 측을 향하는 단일 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 태양전지를 포함한다. 상기 리시버의 디자인은 본 발명과 동시에 출원된 "절연된 바이패스 다이오드를 구비하는 태양전지 리시버(Solar Cell Receiver having an Insulated Bypass Diode)의 명칭의 미국특허출원 제11/830,576호에 상세히 제안되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 모듈(17)의 일부를 절단한 도면이다. 상기 태양전지 모듈(17) 각각은 2×13 매트릭스의 태양전지와 리시버로 구성된다. 상기 태양전지 모듈(17) 각각은 테이퍼진 지지체(22), 상기 지지체(22)의 일단부에 구비되는 9인치×9인치의 사각 프레넬 렌즈(20) 및 상기 지지체(22)의 타단부에 구비되는 리시버(19)를 포함한다. 상기 지지체(22)는 베이스(base)(18)에 장착되고, 상기 베이스(18)에는 상기 리시버(19)도 장착되며, 또한 상기 베이스는 상기 리시버로부 터 특히 각각의 태양전지로부터 열을 발산하는 기능을 한다.
바람직한 실시 예에서, 도 4의 평면도에 나타낸 바와 같이, 상기 서브 어레이 또는 패널(16)은 약 282인치 높이 및 71인치 폭인 것이 바람직하고, 모듈(17)을 적층함으로써 구성된다. 각 모듈(17)은 2×13 매트릭스의 리시버 서브 어셈블리를 포함하며, 전체 26개의 리시버 서브 어셈블리로 이루어진다.
각 리시버(19)는 완전한 AM1.5 태양광 복사(solar irradiation)에서 10와트 이상의 DC 전력을 생성한다. 상기 리시버는 커넥터를 포함하며, 상기 커넥터는 전기 케이블(21)을 통해 리시버를 병렬로 또는 직렬로 연결되도록 하고, 이에 따라 전체 서브 어레이 또는 패널(16)의 총 182 모듈은 1820와트 피크 DC 전력을 초과하여 생성할 수 있다. 상기 서브 어레이(16) 각각은 차례로 직렬 연결되어 10개의 서브 어레이로 이루어지는 어레이는 18kW 전력을 초과하여 생성한다. 바람직한 실시예로, 25kW를 피크 DC 전력을 초과하여 생성한다.
모터(미도시)는 상기 제1부재(외부부재)(11a)에 대하여 상기 제2부재(내부 부재)(11b)를 회전시키는 구동을 제공하고, 다른 하나의 모터(미도시)는 상기 중앙 지지체(11)에 대하여 상기 크로스 부재(14)를 그의 길이방향 축에 대해 회전(결국, 지지 프레임(15)을 회전)시키는 구동을 제공한다. 제어 수단(미도시)은 상기 외부부재(11a)에 대한 내부 부재(11a)의 회전을 제어하고, 상기 크로스 부재(14)(및 지지 프레임(15))의 그의 축에 대한 회전을 제어하도록 제공되어, 상기 프레넬 렌즈(20)에 의해 구성되는 각 모듈(17)의 외측 평면이 태양의 태양광선과 직교하는 것을 확보한다. 상기 제어 수단은 상기 시스템에 대한 태양의 방위 및 고도에 따라 모터를 제어하는 소프트웨어를 이용하여 컴퓨터 제어되는 것이 바람직하다. 상기 각 프레넬 렌즈(20)는 입사되는 태양광을 각 리시버의 해당 태양전지로 500X 초과의 인수(factor)로 집중시키고, 이에 따라 37% 초과의 전환 효율을 갖는 전기로의 태양광의 전환을 향상시킨다. 바람직한 실시예로, 상기 집광도(concentration)는 520X이다.
각 태양전지는 리시버 보드의 세라믹 패키지에 조립되고, 상기 리시버 보드는 바이패스 다이오드와 2개의 핀 커넥터를 포함한다. 전체 182개의 태양 전지는 서브 어레이로 구성된다. 상기 태양전지로부터의 전압은 전력 시스템의 사양이 정하는 바에 따라 적절한 인버터 전압에서 동작하는 적어도 최소의 시스템 전압을 제공하도록 상기 서브 어레이에서 합산된다. 182개 태양전지의 서브어레이 각각은 절연 다이오드를 통해 다른 9개의 서브 어레이와 병렬로 연결된다. 이들 10개의 서브어레이는 458V에서 대략 55A를 생성하는 하나의 어레이를 구성한다.
삼중 접합 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 태양전지의 반도체 구성의 디자인은 본 발명에 참조로서 통합된 미국특허 제6,680,432호에 상세히 제안되어 있다. 이러한 태양전지는 공간에 대해 최적화(태양광 복사 AM0)된 것을 설명하기 때문에, 본 발명의 제1 관점은 본 발명에 따른 지상(태양광 복사 AM1.5)의 태양광 스펙트럼 하에서 집광 광전지 사양에 대한 이러한 태양전지 디자인의 변형이나 적용이다.
상기 태양전지는 인듐갈륨포스파이드(InGaP)에 기초한 구성물을 갖는 상부 전지, 갈륨비소(GaAs)에 기초한 중간 전지 및 게르마늄(Ge)에 기초한 하부 전지를 갖는 삼중 접합 장치이다. 이러한 전지의 대체적인 밴드갭(band-gap)은 각각 1.9eV, 1.4eV 및 0.7eV이다. 온도 함수로서 대체적인 전지 성능은, 개방회로전압(Voc)가 ℃당 -5.9mV의 비율로 변화하고, 온도 계수에 관하여 상기 전지 효율이 절대 ℃당 -0.06%만큼 변화하는 것을 나타낸다.
배경 기술의 설명에서 주지한 바와 같이, 하나의 전기적 접점은 일반적으로 태양전지의 광흡수측 또는 전방측에 위치되고, 다른 하나의 접점은 태양전지의 후방측에 위치된다. 광활성 반도체는 기판(substrate)의 광흡수측에 배치되고, 태양광이 태양전지 내에 흡수됨에 따라 전자 흐름(electron flow)을 생성하는 하나 이상의 피엔 접합부(p-n junction)를 포함한다. 그리드 라인(grid line)은 이러한 전자 흐름을 포획하도록 상기 태양전지의 상면 위로 연장하고, 그런 다음 상기 전방 접점 또는 본딩 패드(bonding pad)에 연결된다. 본 발명의 제1 관점은 상기 태양 전지의 상면 상의 그리드 라인의 개수를 최대화하여 활성 반도체 영역으로의 광전달을 반대로 방해하지 않고 전류용량을 증가시키는 것이다. 일 실시예는 이러한 목적을 달성하기 위하여 4-폴드(fold) 회전 대칭을 갖는 고밀도 그리드 패턴을 이용하는 것이다. 도 9는 본 발명에 따른 태양전지의 평면도를 나타낸 것으로, 이러한 그리드 패턴을 상세히 나타내고 있다.
본 발명의 제2 관점은 각 어레이를 적절히 사이징(sizing)하고, 소정의 지면 영역 내 사각 격자 또는 그리드에서 고정의 공간을 갖는 각각의 타워 또는 포스트(post)를 적절히 위치시킴으로써 태양열 전력으로부터 발생하는 전기량을 최대화 또는 최적화하는 것이다. 이러한 사이징(어레이의 지향 및 종횡비 포함)은 건물의 평지붕 또는 지면의 일정 구역에 설치될 수 있는 태양전지의 개수를 최대화하고자 하는 것이다. 포스트 각각은 인접하는 포스트에 설치된 이동 어레이에 의해 그늘지지 않도록 다른 포스트로부터 충분히 떨어져 위치되어야 한다.
이러한 배치에서, 상기 사각 어레이의 듀얼축 트랙킹(dual-axis tracking)은 어떠한 주어진 위치에서 기간의 낮 동안에 걸쳐 각 태양전지 어레이의 경사각을 변화시킨다. 따라서, 하나의 어레이가 다른 어레이를 그늘지게 하는 것은 어레이로의 전체 복사량을 감소시키고, 결국 어레이의 전기 출력을 감소시키기 때문에, 이를 회피하기 위하여 각 어레이에 의해 그림자가 드리워지는 것(이하, 음영 캐스트(shadow cast)라 함)이 변화하고, 이에 따라 포스트들은 충분히 멀리 떨어져 있어야 한다.
소정의 사각 어레이에 의한 음영 캐스트는 시스템의 사이즈와 형태 및 하늘의 태양의 위치에 의해 좌우된다. 동서 방향에서, 태양은 150° 이상 변화할 수 있다. 이와 관련해서, 태양의 고도가 지평선 위에서 15° 이하일 경우, 이러한 태양광선은 유용한 양의 전기를 발생시키는데 불충분한 강도인 것임을 대체로 인정할 수 있다. 시스템(S)의 어레이가 위치되는 위도는 거의 영향을 미치지 않는다.
북남 방향에서, 지구의 축이 태양 주위에서의 그의 공전에 대하여 23°의 각도로 경사진 경우, 태양 위치는 46°만큼 변화한다. 이와 관련하여, 본 기술분야의 당업자가 잘 아는 바와 같이, 23° 이하의 위도는 다른 조건들에 의해 영향을 받고, 45°이상의 위도는 직달일사량(DNI: Direct Normal Insolation) 정도가 빈약하기 때문에, 대개 관계가 없는 것임을 알 수 있다.
도 5 내지 도 8은 시스템(S)의 소정의 배치에 대하여 랜드 이용(land use)을 최소화하기 위한 음영 문제들을 방지하거나 최소화하는 본 발명의 제3 관점을 나타낸 것이다. 상기 포스트들의 적정한 공간 이격에 대한 요구는, 태양이 지평선 상에서 15° 에 있는 모든 위치에 대하여 상기 배치의 각 어레이가 충분히 수광(受光) 하고, 어떤 소정의 어레이가 다른 어레이에 의해 그림자지지 않도록 하는 것이다. 이와 관련하여, 각 시스템(S)이 최소의 어레이 높이를 가질 경우 그림자 길이는 최소화되고, 이는 각 시스템의 종횡비에 좌우되는 것임을 알 수 있다. 상기 종횡비는 시스템 높이에 대한 시스템의 폭의 비율에 의해 정의된다. 그러므로 1:1(1 대 1)의 종횡비를 갖는 시스템은 그 구성에서 정사각형인 반면, 1:4의 종횡비를 갖는 시스템은 높이가 그의 폭에 1/4인 사각형으로 구성된다.
보다 구체적으로, 도 5는 북위 45°에서 15° 이상의 모든 각에 대하여 태양의 경도를 나타내는 태양 경로 그래프이다. 상기 그래프는 일 년 중 세 번, 즉 하지점(가장 위의 점선으로 나타냄), 동지점(가장 아래의 점선으로 나타냄) 및 춘추분점(equinox)(중간의 점선으로 나타냄)에 대한 태양 경로를 나타낸 것이다.
모든 다른 날들에 있어서, 상기 태양 경로는 가장 위의 점선 라인과 가장 아래의 점선 라인에 의해 정의되는 포락선(envelope) 내에 포함된다. 그러므로 동지점에서, 상기 태양 경로는 약 45°의 네거티브 방위각으로부터 약 45°의 포지티브 방위각 및 약 15°의 경도로부터 약 37°의 경도로 진행한 다음, 15°의 경도로 되돌아온다. 하지점 및 춘추분점에서의 태양 경로에 대해서도 유사한 범위임을 알 수 있다.
도 6은 효과적인 영역인 100 평방 피트를 각각 갖는 시스템의 배치에 대한 최적화를 나타낸 것으로, 1:4의 종횡비가 1:3 또는 1:5의 종횡비보다 조금 낫고, 1:1, 1:2, 1:6 또는 1:7의 종횡비보다 현저히 나은 1:3와 1:5 사이의 종횡비가 가장 바람직하다.
도 7 및 도 8은 각각 1:4 및 1:5의 종횡비를 갖는 4개의 시스템을 갖는 배열을 위치 결정하는 것을 나타낸 것이다. 도 4 및 도 5와 비교해 볼 때, 명확히 알 수 있는 바와 같이, 각각 1:5의 종횡비를 갖는 4개의 시스템(S)의 동서(East-West) 공간 이격은 약 40피트(feet)이고, 이러한 종횡비에 대한 북남(North-South) 공간 이격은 약 25피트이다. 이는 1:4의 종횡비를 갖는 태양열 시스템에 대하여 약 30피트의 동서 공간 이격과 약 20피트의 북남 공간 이격을 것과 비교된다. 따라서, 1:4의 종횡비를 갖는 시스템은 1:5의 종횡비를 갖는 시스템보다 더욱 나은 랜드 이용을 제공한다. 소정 시스템(S)의 종횡비는 프레임(15)에 위치되는 서브 어레이의 개수를 변화시킴으로써 변경될 수 있다.
실제 사용에 있어서, 상기 배열은 도면에 나타낸 4개보다 실질적으로 많은 시스템(S)을 구비할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 이러한 확장된 배열의 시스템(S)은 일정한 그리드 패턴으로 배열된다.
도 1은 본 발명에 따라 구성되는 지상용 태양전지 시스템의 사시도.
도 2는 태양전지 시스템을 반대 측으로부터 바라본 도 1의 태양전지 시스템의 사시도.
도 3은 도 1의 시스템에 이용되는 태양전지 서브 어레이의 일부분의 확대 사시도.
도 4는 단일 태양전지 서브 어레이의 평면도.
도 5는 고도 및 방위의 함수로서, 지구에서의 태양 경로를 나타내는 도면.
도 6은 서로 다른 종횡비의 어레이에 대한 랜드 이용 양을 나타내는 그래프.
도 7 및 도 8은 지면 영역 위에 어레이들을 배치하기 위한 최적의 포스트 공간 또는 격자 위치를 나타내는 그래프,
도 9는 그리드 패턴을 나타낸 본 발명에 따른 태양전지의 평면도.
*도면부호에 대한 설명*
11a: 제1 부재 11b: 제2 부재
14: 크로스 부재 15: 지지 프레임
16: 서브 어레이 17: 태양전지 모듈
19: 리시버 20: 프레넬 렌즈
S: 시스템

Claims (40)

  1. 복수의 태양광 트랙킹 태양전지 어레이를 이용하여 태양으로부터 에너지를 생성하기 위한 집광 발전의 태양전지 어레이 시스템으로서,
    중공 원통형이고 지면에 장착가능한 고정 제1 부재와; 제1 베이스 단부가 상기 원통형 제1 부재 내에 장착되고, 지면에 장착가능한 제1 부재로부터 연장되며, 중앙 길이방향 축을 중심으로 상기 고정 제1 부재에 대하여 회전가능하게 이루어지는 제2 부재를 구비하는 중앙 지지체;
    상기 제2 부재의 제2 대향 단에 의하여 지탱되고, 상기 중앙 길이방향 축에 직교하는 축을 중심으로 상기 중앙 지지체에 대하여 회전가능하게 지지되는 지지 프레임;
    완전 복사에서 18kW 피크 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 1500 태양전지 리시버보다 큰 사각평면 태양전지 어레이; 및
    태양이 하늘을 횡단함에 따라 태양으로부터의 태양광선에 상기 태양전지 어레이가 직교하는 것을 유지하도록 상기 중앙 지지체 및 상기 지지 프레임을 회전시키는 액추에이터를 포함하며,
    상기 각 리시버는 각각 10와트의 전력을 초과하여 생성할 수 있는 3중 접합 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 집광형 태양 전지를 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사각평면 태양전지 어레이는 1:2와 1:5 사이의 종횡비를 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 포함하며,
    상기 모듈 각각은 상기 태양전지로 입사되는 태양광을 500X 초과의 인수(factor)로 집중시키고, 37% 초과의 전환 효율을 갖는 AM1.5 태양광 복사에서 10와트의 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 단일 태양전지 위에 배치되는 단일 프레넬렌즈를 포함하며,
    상기 모듈은 상기 태양 전지로의 빛의 초점을 맞추기 위하여 일단부에 상기 단일 프레넬렌즈를 가지며, 타단부에 태양 전지를 갖는 테이퍼진 지지체를 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 태양전지 어레이는 복수의 서브 어레이를 포함하고,
    상기 서브 어레이 각각은 제1 매트릭스 방향으로 13개의 모듈을 가지며, 상기 제1 매트릭스 방향에 직교하는 제2 매트릭스 방향으로 26개의 모듈을 갖는 사각형 매트릭스로 배치되는 복수의 태양전지 모듈 부분으로 구성되는
    태양전지 어레이 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 부재는 상기 중앙 지지체를 지면에 설치하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 제2 부재는 상기 제1 부재와 공간 이격된 관계로 상기 지지 프레임과 태양전지 어레이를 지지하기 위하여, 상기 제1 부재에 의해 회전가능하게 지지되고, 상기 제1 부재로부터 상측으로 연장되는
    태양전지 어레이 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지지 프레임은 상기 중앙의 길이방향 축에 직교하는 축에서 상기 중앙 지지체의 상기 제2 부재에 대하여 회전가능하게 설치되는 크로스 부재에 설치되는
    태양전지 어레이 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지 프레임은 사각형의 프레임 부재로 구성되되, 상기 사각형의 프레임 부재는 복수의 서브 어레이를 지지하기 위하여 그 사각형의 프레임 부재의 짧은 변에 평행한 복수의 평행 지지 스트러트를 제공하는
    태양전지 어레이 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지 스트러트와 상기 제2 부재 사이 각각에서 각각 연장하는 복수의 지지 암을 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  9. 복수의 태양광 트랙킹 태양전지 어레이를 이용하여 태양으로부터 에너지를 생성하기 위한 집광 발전의 태양전지 어레이 시스템으로서,
    격자 패턴으로 지면에 장착되며, 각각 중앙 길이방향 축에 직교하는 축을 중심으로 회전가능한 지지 프레임을 구비하는 복수의 중앙 지지체;
    완전 복사에서 18kW 피크 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 지면에 평행하는 길이방향을 갖는 소정의 종횡비를 구비하는 1500 태양전지 리시버보다 큰 사각 태양전지 어레이; 및
    태양이 하늘을 횡단함에 따라 태양으로부터의 태양광선에 상기 태양전지 어레이가 직교하는 것을 유지하도록 상기 중앙 지지체 및 상기 지지 프레임을 회전시키는 액추에이터를 포함하며,
    상기 어레이는 상기 지지 프레임에 장착되고, 각각 10와트의 전력을 초과하여 생성할 수 있는 복수의 3중 접합 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 집광형 태양 전지 리시버를 포함하고,
    상기 복수의 어레이에 대한 상기 격자 패턴은 태양이 지평선 위에서 15도 이상이고, 어떤 소정의 어레이가 다른 어레이에 의해 그림자지지 않는 모든 위치에 대하여 상기 각 어레이가 완전 복사되도록 상기 소정의 종횡비에 근거해서 상기 복수의 중앙 지지체 각각 사이에 공간을 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 소정의 종횡비는 1:2와 1:5 사이의 값을 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 태양전지 어레이는 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 7×26 매트릭스의 태양전지 모듈을 각각 갖는 10개의 서브 어레이를 포함하고,
    상기 각 모듈은 상기 태양전지로 입사되는 태양광을 500X 초과의 인수(factor)로 집중시키고, 37% 초과의 전환 효율을 갖는 AM1.5 태양광 복사에서 10와트의 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 단일 태양전지 위에 배치되고, 테이퍼진 지지체에 의해 지지되는 9인치×9인치의 단일 프레넬렌즈를 포함하며,
    상기 테이퍼진 지지체는 상기 태양 전지로의 빛의 초점을 맞추는
    태양전지 어레이 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 태양전지 리시버는
    하부 게르마늄 전지, 중간 갈륨비소 전지, 상부 인듐갈륨포스파이드 전지로 구성되는 태양전지;
    상기 태양 전지와 평행하게 연결된 절연 바이패스 다이오드; 및
    상기 리시버가 전기회로로 서로 전기적으로 접속되도록 하기 위한 전기 케이블을 갖는 전기 커넥터
    를 포함하는 태양전지 어레이 시스템.
  13. 복수의 태양광 트랙킹 태양전지 어레이를 이용하여 태양으로부터 에너지를 생성하기 위한 집광 발전의 태양전지 어레이 시스템으로서,
    복수의 중앙 지지체이되, 상기 복수의 중앙 지지체는 그 중앙 지지체의 중앙 길이방향 축에 직교하는 축을 중심으로 상기 중앙 지지체에 대하여 회전가능한 지지 프레임을 더 포함하는 중앙 지지체;
    소정의 종횡비를 구비하며 1500 태양전지 리시버보다 큰 사각 태양전지 어레이;
    상기 태양전지에 의하여 생성된 높은 전류의 전도를 위한 표면 그리드;
    태양이 하늘을 횡단함에 따라 태양으로부터의 태양광선에 상기 태양전지 어레이가 직교하는 것을 유지하도록 상기 중앙 지지체 및 상기 지지 프레임을 회전시키는 액추에이터; 및
    소정의 지면 영역에서 상기 태양 전지의 양을 최적화하기 위하여 상기 소정의 종횡비에 기초하여 상기 중앙 지지체 각각 사이의 공간
    을 포함하며,
    상기 태양전지 어레이는 복수의 3중 접합 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 태양 전지를 포함하고,
    상기 각 태양 전지는 10kW 피크 DC 전력을 초과하여 생성할 수 있고, 지상용 3중 접합 태양 전지를 포함하되, 상기 지상용 3중 접합 태양 전지는 제1 광활성 접합을 포함하는 게르마늄 기판, 상기 기판에 배치되는 중간 갈륨비소 전지, 및 상기 중간 갈륨비소 전지 위에 배치되고, AM1.5 스펙트럼 영역에서 흡수를 최대화하는 밴드갭을 구비하는 인듐갈륨포스파이드 전지를 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 소정의 종횡비는 1:2와 1:5 사이의 값을 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 태양전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 포함하고,
    상기 모듈 각각은 상기 태양전지로 입사되는 태양광을 500X 초과의 인수(factor)로 집중시키고, 37% 초과의 전환 효율을 갖는 AM1.5 태양광 복사에서 10와트의 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 단일 태양전지 위에 배치되는 단일 프레넬렌즈를 포함하며,
    상기 모듈은 상기 태양 전지로의 빛의 초점을 맞추기 위하여 일단부에 상기 단일 프레넬렌즈를 가지며, 타단부에 태양 전지를 갖는 테이퍼진 지지체를 구비하는
    태양전지 어레이 시스템.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 태양 전지 리시버는
    상기 태양전지의 광흡수측에 제1 전기적 접점 및 상기 태양 전지의 반대되는 후방측에 제2 접점을 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 태양전지 리시버는
    상기 리시버의 광흡수측에서 상기 제1 전기적 접점에 대해 4-폴드(fold) 대칭을 갖는 고밀도 그리드 패턴을 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 태양전지 리시버에서의 상기 3중 접합 태양전지 리시버는 1.0eV의 상부 밴드갭, 1.4eV의 중간 밴드갭 및 0.7eV의 하부 밴드갭을 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 프레넬렌즈 및 모듈은 2의 f#을 갖는 520X 집광도를 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 태양전지 어레이는 10개의 태양전지 서브 어레이를 더 포함하고,
    상기 각 서브 어레이는 13개의 태양전지 모듈을 가지며,
    상기 각 모듈은 2×7 매트릭스의 태양 전지를 갖는
    태양전지 어레이 시스템.
  21. 복수의 태양광 트랙킹 태양전지 어레이를 이용하여 태양으로부터 에너지를 생성하기 위한 집광 발전의 태양전지 어레이 시스템으로서,
    중공 원통형이고 지면에 장착가능한 고정 제1 부재와; 제1 베이스 단부가 상기 원통형 제1 부재 내에 장착되고, 지면에 장착가능한 제1 부재로부터 연장되며, 중앙 길이방향 축을 중심으로 상기 고정 제1 부재에 대하여 회전가능하게 이루어지는 제2 부재를 구비하는 중앙 지지체;
    상기 제2 부재의 베이스 단부로부터 각각 연장하는 한 쌍의 경사진 암;
    상기 제2 부재의 대향하는 제2 단부 및 상기 한 쌍의 경사진 암에 의하여 지탱되고, 상기 중앙 길이방향 축에 직교하는 축을 중심으로 상기 중앙 지지체에 대하여 회전가능하게 이루어지는 지지 프레임;
    완전 복사에서 18kW 피크 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 소정의 종횡비를 가지며, 상기 지지 프레임에 장착되는 복수의 3중 접합 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 집광형 태양 전지 리시버를 포함하는 사각평면 태양전지 어레이; 및
    태양이 하늘을 횡단함에 따라 태양으로부터의 태양광선에 상기 태양전지 어레이가 직교하는 것을 유지하도록 상기 중앙 지지체 및 상기 지지 프레임을 회전시키는 액추에이터
    를 포함하는 태양전지 어레이 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 태양전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 포함하며,
    상기 모듈 각각은 상기 태양전지로 입사되는 태양광을 500X 초과의 인수(factor)로 집중시키고, 37% 초과의 전환 효율을 갖는 AM1.5 태양광 복사에서 10와트의 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 단일 태양전지 위에 배치되는 단일 프레넬렌즈를 포함하며,
    상기 모듈은 상기 태양 전지로의 빛의 초점을 맞추기 위하여 일단부에 상기 단일 프레넬렌즈를 가지며, 타단부에 태양 전지를 갖는 테이퍼진 지지체를 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 태양전지 어레이는 복수의 서브 어레이를 포함하고,
    상기 서브 어레이 각각은 제1 매트릭스 방향으로 13개의 모듈을 가지며, 상기 제1 매트릭스 방향에 직교하는 제2 매트릭스 방향으로 26개의 모듈을 갖는 사각형 매트릭스로 배치되는 복수의 태양전지 모듈 부분으로 구성되는
    태양전지 어레이 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 부재는 상기 중앙 지지체를 지면에 설치하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 제2 부재는 상기 제1 부재와 공간 이격된 관계로 상기 지지 프레임과 태양전지 어레이를 지지하기 위하여, 상기 제1 부재에 의해 회전가능하게 지지되고, 상기 제1 부재로부터 상측으로 연장되는
    태양전지 어레이 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 지지 프레임은 상기 중앙의 길이방향 축에 직교하는 축을 중심으로 상기 중앙 지지체의 상기 제2 부재에 대하여 회전가능하게 설치되는 크로스 부재에 설치되는
    태양전지 어레이 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 지지 프레임은 사각형의 프레임 부재로 구성되되, 상기 사각형의 프레임 부재는 복수의 서브 어레이를 지지하기 위하여 그 사각형의 프레임 부재의 짧은 변에 평행한 복수의 평행 지지 스트러트를 제공하는
    태양전지 어레이 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 지지 스트러트와 상기 제2 부재 사이 각각에서 각각 연장하는 복수의 지지 암을 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 소정의 종횡비는 1:3와 1:5 사이의 종횡비를 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 소정의 종횡비는 1:2와 1:5 사이의 종횡비를 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  30. 제21항에 있어서,
    상기 태양전지 리시버는
    하부 게르마늄 전지, 중간 갈륨비소 전지, 상부 인듐갈륨포스파이드 전지로 구성되는 태양전지;
    상기 태양 전지와 평행하게 연결된 절연 바이패스 다이오드; 및
    상기 리시버가 전기회로로 서로 접속되도록 하는 커넥터
    를 포함하는 태양전지 어레이 시스템.
  31. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 태양광 트랙킹 태양전지 어레이는 소정의 지면 영역에서 상기 태양 전지의 양을 최적화하고, 상기 복수의 태양전지 어레이의 랜드 이용(land use)을 최소화하기 위하여 격자 패턴으로 상기 지면에 장착되는 복수의 중앙 지지체를 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  32. 복수의 태양광 트랙킹 태양전지 어레이를 이용하여 태양으로부터 에너지를 생성하기 위한 집광 발전의 태양전지 어레이 시스템으로서,
    소정의 지면 영역에서 상기 어레이 상의 태양 전지의 양을 최적화하고, 상기 복수의 태양전지 어레이의 랜드 이용(land use)을 최소화하기 위하여 격자 패턴으로 상기 지면에 장착되며; 중공 원통형인 고정 제1 부재를 포함하고; 베이스부가 상기 원통형 제1 부재 내에 장착되고, 상기 고정 제1 부재로부터 연장되며, 중앙 길이방향 축을 중심으로 상기 제1 부재에 대하여 회전가능하게 이루어지는 제2 부재를 구비하고; 상기 제2 부재의 베이스 단부로부터 각각 연장되는 한 쌍의 경사진 암을 각각 구비하고; 상기 제2 부재의 제2 대향 단부 및 상기 한 쌍의 경사진 암에 의하여 지탱되는 지지 프레임을 각각 구비하는 복수의 중앙 지지체;
    완전 복사에서 18kW 피크 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 지면에 평행하는 길이방향을 갖는 소정의 종횡비를 가지고, 상기 지지 프레임에 장착되는 복수의 3중 접합 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 태양 전지 리시버를 포함하는 사각 태양전지 어레이; 및
    태양이 하늘을 횡단함에 따라 태양으로부터의 태양광선에 상기 태양전지 어레이가 직교하는 것을 유지하도록 상기 중앙 지지체 및 상기 지지 프레임을 회전시키는 액추에이터를 포함하며,
    상기 복수의 어레이에 대한 랜드 이용을 최소화하기 위한 상기 격자 패턴은 태양이 지평선 위에서 15도 이상이고, 어떤 소정의 어레이가 다른 어레이에 의해 그림자지지 않는 모든 위치에 대하여 상기 각 어레이가 완전 복사되도록 상기 소정의 종횡비에 근거해서 상기 복수의 중앙 지지체 각각 사이에 공간을 포함하고,
    상기 지지프레임은 상기 중앙 길이방향 축에 직교하는 축을 중심으로 상기 중앙지지체에 대해 회전가능하게 이루어지는
    태양전지 어레이 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 태양전지 어레이는 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 7×26 매트릭스의 태양전지 모듈을 각각 갖는 10개의 서브 어레이를 포함하고,
    상기 각 모듈은 상기 태양전지로 입사되는 태양광을 500X 초과의 인수(factor)로 집중시키고, 37% 초과의 전환 효율을 갖는 AM1.5 태양광 복사에서 10와트의 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 단일 태양전지 위에 배치되고, 테이퍼진 지지체에 의해 지지되는 9인치×9인치의 단일 프레넬렌즈를 포함하며,
    상기 테이퍼진 지지체는 상기 태양 전지로의 빛의 초점을 맞추는
    태양전지 어레이 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 태양전지 리시버는
    하부 게르마늄 전지, 중간 갈륨비소 전지, 상부 인듐갈륨포스파이드 전지로 구성되는 태양전지;
    상기 태양 전지와 평행하게 연결된 절연 바이패스 다이오드; 및
    상기 리시버가 전기회로로 서로 접속되도록 하는 커넥터
    를 포함하는 태양전지 어레이 시스템.
  35. 제32항에 있어서,
    상기 소정의 종횡비는 1:3와 1:5 사이의 종횡비를 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  36. 제32항에 있어서,
    상기 소정의 종횡비는 1:2와 1:5 사이의 종횡비를 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  37. 복수의 태양광 트랙킹 태양전지 어레이를 이용하여 태양으로부터 에너지를 생성하기 위한 집광 발전의 태양전지 어레이 시스템으로서,
    중공 원통형이고 지면에 장착가능한 제1 부재와; 베이스부가 상기 원통형 제1 부재 내에 장착되고, 상기 지면에 장착가능한 제1 부재로부터 연장되며, 중앙 길이방향 축을 중심으로 회전가능하게 이루어지는 제2 부재를 구비하며; 상기 제2 부재의 제2 대향 단에 의해 지지되는 크로스 부재 및 상기 크로스 부재의 대향 단들로부터 상기 제2 부재의 베이스부로 각각 연장하는 한 쌍의 경사진 암을 각각 더 포함하는 복수의 중앙 지지체;
    상기 제2 부재의 제2 대향 단 및 상기 한 쌍의 경사진 암에 의하여 지탱되고, 상기 중앙 길이방향 축에 직교하는 축을 중심으로 상기 중앙 지지체에 대하여 회전가능하게 이루어지는 지지 프레임;
    소정의 종횡비를 가지며, 복수의 3중 접합 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체 태양전지를 포함하는 사각 태양전지 어레이; 및
    상기 태양 전지에 의하여 생성된 높은 전류의 전도를 위한 4-폴드(fold) 회전 대칭을 갖는 표면 그리드;
    태양이 하늘을 횡단함에 따라 태양으로부터의 태양광선에 상기 태양전지 어레이가 직교하는 것을 유지하도록 상기 중앙 지지체 및 상기 지지 프레임을 회전시키는 액추에이터; 및
    소정의 지면 영역에서 상기 태양 전지의 양을 최적화하기 위하여 상기 소정의 종횡비에 기초하여 상기 중앙 지지체 각각 사이의 공간
    을 포함하며,
    상기 각 태양전지는 지상용 3중 접합 태양전지를 포함하되, 상기 지상용 3중 접합 태양전지는 제1 광활성 접합을 포함하는 게르마늄 기판, 상기 기판에 배치되는 중간 갈륨비소 전지, 및 상기 중간 갈륨비소 전지 위에 배치되고, AM1.5 스펙트럼 영역에서 흡수를 최대화하는 밴드갭을 구비하는 인듐갈륨포스파이드 전지를 포함하고,
    상기 표면 그리드의 각 4분원의 그리드 라인은 인접하는 가장자리에 직교하여 외측으로 연장하는
    태양전지 어레이 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 태양전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 포함하고,
    상기 모듈 각각은 상기 태양전지로 입사되는 태양광을 500X 초과의 인수(factor)로 집중시키고, 37% 초과의 전환 효율을 갖는 AM1.5 태양광 복사에서 10와트의 DC 전력을 초과하여 생성하기 위하여 단일 태양전지 위에 배치되는 단일 프레넬렌즈를 포함하고,
    상기 모듈은 일단부에 상기 단일 프레넬렌즈를 가지며, 타단부에 태양 전지를 갖는 테이퍼진 지지체를 포함하며,
    상기 테이퍼진 지지체는 상기 태양 전지로의 빛의 초점을 맞추는
    태양전지 어레이 시스템.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 소정의 종횡비는 1:3와 1:5 사이의 종횡비를 더 포함하는
    태양전지 어레이 시스템.
  40. 삭제
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