KR101207852B1 - 평판형 고집광 태양전지 모듈 및 이를 이용한 태양광 트랙커 - Google Patents

Abstract

본 발명은 결상렌즈 어레이와 도파로 효과를 이용하여 입사하는 빛을 효과적으로 평판형 도광판의 도파로 내부로 전파시켜 시트의 양단에서 집광렌즈를 통하여 빛을 태양전지에 집속시켜 발전하는 태양전지 모듈 및 이를 이용한 태양광 트랙커에 관한 것으로서, 여러 입사각을 갖고 입사되는 광을 집속시키는 최상부의 프리즘 구조와, 입사되는 광을 결상렌즈 어레이와 반사체가 형성된 광도파로를 통하여 효과적으로 집광하고, 열방출을 위한 방열판 장치를 통하여 효과적으로 열을 방출하며 집광도가 태양광의 입사각에 크게 의존하지 않도록 설계, 제작하여 태양전지 광-전기 변환효율을 최대화할 수 있는 태양전지 모듈 및 이를 이용한 태양광 트랙커를 제공한다.

Description

평판형 고집광 태양전지 모듈 및 이를 이용한 태양광 트랙커{PLANAR TYPE HIGH CONCENTRATION PHOTOVOLTAIC POWER GENERATOR MODULE AND SUN TRACKER USING THIS MODULE}

본 발명은 결상렌즈 어레이와 도파로 효과를 이용하여 입사하는 빛을 효과적으로 광도파로 내부로 전반사시켜 시트의 양단에 집광 렌즈를 통하여 빛을 태양전지에 집속시켜 작동하는 평판형 고집광 태양전지 모듈 및 이를 이용한 태양광 트랙커에 관한 것이다.

태양광을 전기로 변환하는 태양광 발전은, 단순히 태양광에 태양전지를 위치하여 발전하였으나, 이러한 종래의 태양광 발전은 발전효율이 낮은 문제점이 대두되었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 태양전지의 광-에너지 변환효율을 높이기 위하여 입사하는 빛을 집광하는 집광형 태양전지 모듈의 개발이 활발하며, 포인트 집중 디쉬 타입(point-focus dish type), 선형 집중 트러프 타입(linear-focus trough type), 포인트 집중 프레넬 렌즈 타입(point-focus Fresnel lens type), 선형 집중 프레넬 렌즈 타입(linear-focus Fresnel lens type), 그리고 헬리오스테트 타입(heliostat type), RXI, TIR 타입(type) 등이 개발되었다.

이러한, 종래의 집광형 태양전지 모듈은 대개 1차광학계, 2차광학계로 구성이 되어 집속된 빛으로 태양전지 (III-V형 또는 실리콘계)를 작동시키거나, 반사미러, 오목미러 등을 사용하여 반사 집광된 빛을 태양전지에 집속시킨다.

이러한 종래의 집광형 태양전지 모듈은 태양전지의 하부에 방열판을 설치하여 방열함으로써 발열의 증가에 의한 태양전지의 파괴 및 광-에너지 변환효율저하를 방지하고 있다.

그러나, 이러한 형태의 집광형 태양전지 모듈은 1차, 2차 광학계를 사용하여 입사광을 정확히 태양전지에 정렬하기가 매우 어려우며, 태양전지가 집광렌즈의 하부에 위치하여 방열판의 방열효과가 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 태양전지와 방열판이 집광렌즈의 하부에 설치됨으로써 태양전지 모듈의 두께를 줄이는데 한계가 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 집광형 태양전지 모듈의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 평판형의 마이크로 광학구조를 이용하여 집광의 효율을 높이고, 방열효율이 향상되며, 태양전지 모듈의 두께를 줄일 수 있는 광-에너지 변환효율이 향상된 평판형 고집광 태양전지 모듈 및 이를 이용한 태양광 트랙커를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평판형 고집광 태양전지 모듈은 마이크로광학 구조가 형성된 시트; 상기 시트의 하부에 형성된 다수의 결상렌즈 어레이; 상기 다수의 결상렌즈 어레이 하면에 형성된 광도파로; 상기 광도파로 하면에 직선으로 형성된 부분적 반사체; 상기 광도파로 측단면에 형성된 집광렌즈; 상기 집광렌즈의 전면에 이격되게 설치된 태양전지; 그리고 상기 태양전지 배면에 형성된 방열판을 포함한다.

또한, 상기 시트는 단면이 프리즘 형상인 마이크로광학 구조가 하면에 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광도파로의 구조가 외부층인 저굴절률부와 내부층인 고굴절률부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반사체는 광도파로 하면에 결상렌즈 중심의 수직하부에 프리즘시트가 선형으로 반복하여 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광도파로의 양단에 설치된 집광렌즈가 실린더 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광도파로의 양단에 설치된 집광렌즈가 콜리메이팅 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 태양전지 후면에 설치된 방열판이 태양전지가 설치되지 않은 면으로 확장되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광 트랙커는 상기 태양전지 모듈을 장착한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 위와 같은 종래의 집광형 태양전지 모듈의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 평판형의 마이크로 광학계와 도파로 효과를 이용하여 집광 효율을 높이고, 또한 발생하는 열을 효과적으로 방열하여 태양전지의 광-에너지 변화효율을 극대할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 평판형 고집광 태양전지 모듈의 단면도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 평판형 고집광 태양전지 모듈의 분해사시도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 평판형 고집광 태양전지 모듈의 분해사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 반사체의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 결상렌즈의 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 평판형 고집광 태양전지 모듈이 설치된 태양광 트랙커의 사시도.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명에 대하여 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 예시하기 위해 제공되는 것이다. 본 발명은 이하에서의 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 특허청구범위가 제시하는 범위 내에서 다양한 형태로 구현될 수 있다.

또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 평판형 고집광 태양전지 모듈의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 평판형 고집광 태양전지 모듈의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 평판형 고집광 태양전지 모듈의 분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 반사체의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 결상렌즈의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 평판형 고집광 태양전지 모듈이 설치된 태양광 트랙커의 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 모듈은 마이크로광학 구조가 형성된 시트(10); 상기 시트(10)의 하부에 형성된 다수의 결상렌즈 어레이(20); 상기 다수의 결상렌즈 어레이(20) 하면에 형성된 광도파로(30); 상기 광도파로(30) 하면에 직선으로 형성된 반사체(40); 상기 광도파로(30) 측단면에 형성된 집광 렌즈(50); 상기 집광 렌즈(50)의 전면에 이격되게 설치된 태양전지(60); 그리고 상기 태양전지(60) 배면에 형성된 방열판(70)을 포함하여 구성된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 시트(10)는 투광성이 있는 평판패널의 하면에 마이크로 광학구조(11)가 형성된다.

상기 마이크로 광학구조(11)는 마이크로 크기의 미세 요철 구조로 형성하되 단면이 프리즘 직선형의 요철을 평행하게 줄지어 형성하는 것이 바람직하다.

상기 시트(10)의 내부로 입사된 태양광은 미세 프리즘 형상의 마이크로 광학구조(11)의 표면에서 굴절되어, 결상렌즈에 가급적 수직하게 집속하도록 한다.

이와 같은 미세 프리즘 형상의 마이크로 광학구조(11)는 입사되는 태양광을 고르게 굴절시켜 상기 결상렌즈(21)에 입사되는 태양광의 입사각이 수직에 가깝게 만들어 준다.

또한, 상기 시트(10)는 하부에 형성된 결상렌즈(21)에 먼지와 같은 이물질이 쌓이는 것을 방지하여, 결상렌즈(21)를 보호한다.

또한, 상기 시트(10)와 상기 결상렌즈 어레이(20)와 이격되게 설치하여 일정한 공간을 형성하면 외부의 급격한 온도변화에도 결상렌즈(21)의 표면에 결로가 되는 것을 방지할 수도 있다.

상기 마이크로 광학구조(11)의 미세 프리즘은 삼각 단면의 내각을 다양하게 변형시키는 것도 가능하다.

상기 삼각단면의 내각은 태양광에 따라 조정하는 것이 바람직하다.

도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 결상렌즈 어레이(20)는 상기 시트(10) 하부에 형성되며, 플라스틱 또는 유리 재질 패널(22)의 상면에 상부를 향하여 일정한 배열로 결상렌즈(21)가 형성된다.

도 5(a)에 도시된 바와 같이, 상기 결상렌즈(21)는 측벽이 형성된 볼록렌즈로 형성하여 상부에서 입사되는 태양광이 하부로 집광될 수 있도록 한다.

또한, 상기 결상렌즈(21)는 렌즈가 형성되지 않은 부분을 최소화할 수 있도록 격자구조로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 결상렌즈(21)의 직경과 곡률반경은 태양광에 따라 다양하게 변형하는 것이 가능하므로, 마이크로 단위의 크기로 형성하는 것도 가능하다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 광도파로(30)는 결상렌즈 어레이(20)의 하면에 밀착하여 형성되며, 결상렌즈 어레이(20)에서 입사된 태양광을 측단면에 형성된 집광 렌즈(50)로 굴절시킨다.

상기 광도파로(30)는 고굴절률부(31)와 저굴절률부(32)의 2중구조로 형성할 수 있으며, 상기 고굴절률부(31)는 광도파로(30)의 내부층을 형성하고 저굴절률부(32)는 외부층을 구성하도록 할 수 있다.

이와 같이 광도파로(30)를 고굴절률부(31)와 저굴절률부(32)의 2중구조로 형성하면, 밀한 매질을 소한 매질이 둘러싸고 있는 것과 같은 구조가 되어 입사된 태양광의 전반사가 증가된다.

상기 광도파로의 내부층(31) 하면에는 일정한 간격을 두고 반복된 프리즘 형상이 형성된 반사체(40)가 직선으로 형성된다.

상기 반사체(40)는 상부에 형성된 결상렌즈 어레이(20)의 초점거리 상에 형성하여 태양광의 전반사율을 높인다.

상기 반사체(40)를 넓게 형성하면 내부층(31) 내에서의 전반사율이 저하되므로 최소한의 크기로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 반사체(40)는 광도파로 내부층(31)의 하면에 불소중합체(fluoropolymer)로 형성한 후 사진식각공정에 의해 직선 이외의 부분을 제거하는 방법으로 형성한다.

또한, 상기 반사체(40)는 별도로 형성한 후 광도파로 내부층(31)에 부착하는 것도 가능하다.

도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 집광렌즈(50)는 상기 광도파로(30)의 양단에 형성된다.

상기 집광렌즈(50)는 광도파로(30)에서 전반사된 태양광을 태양전지(60)로 집중시켜, 고가의 태양전지(60)의 사용 면적을 최소화시킨다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 집광렌즈(50)는 실린더 형태로 형성하여 집광효율을 향상시킬 수도 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 콜리메이팅 형태의 집광렌즈(50')를 형성하여 집광효율을 더욱 향상킬 수도 있다.

또한, 상기 집광렌즈(50)는 광도파로(30)의 네 측단면에 모두 형성하는 것도 가능하다.

상기 태양전지(60)는 광도파로(30)의 양단에 상기 집광렌즈(50)와 일정한 간격을 두고 형성된다.

또한, 상기 태양전지(60)는 집광렌즈의 초점 거리상에 형성하여 집광효율을 높이는 것이 바람직하다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 콜리메이팅 형태의 집광렌즈(50')를 사용하여 태양광을 집광하는 경우에는 태양전지(60')를 집광렌즈의 전면의 초점거리에 형성하는 것만으로도 태양전지의 사용 면적을 최소화시킬 수 있다.

또한, 상기 집광렌즈(50)를 광도파로(30)의 네 측단면에 모두 형성한 경우 각 측단면에 모두 형성하는 것이 바람직하다.

상기 방열판(70)은 태양전지(60) 후면에 밀착하여 형성하되 열전도 효과가 우수한 구리 또는 알루미늄의 재질로 형성한다.

상기 방열판(70)은 상기 집광렌즈(50)에 의해 집중된 태양광에 의해 태양전지(60)가 과도하게 온도가 상승하는 것을 방지한다.

또한, 상기 방열판(70)은 냉각판 또는 냉각핀을 배면에 형성하는 것이 바람직하며, 태양전지(60)가 설치되지 않는 면까지 확장 설치되어 방열효과를 높이는 것이 바람직하다.

도 5(b)는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 모듈의 결상렌즈(21')로서 렌즈의 곡률반경이 제1실시예(도 5(a))에 비해 짧게 형성된 것이다.

도 5(c)는 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 모듈의 결상렌즈(21'')로서 렌즈의 곡률반경이 제1실시예(도 5(a))에 비해 길게 형성된 것이다.

도 4(b)는 본 발명의 제4실시예에 따른 태양전지 모듈의 반사체(40')로서, 상기 반사체(40')가 광도파로 외부층(32)의 상부에 형성된 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 평판형 고집광 태양전지 모듈(1)은 발전효율을 높이기 위해 태양의 움직임으로 따라 태양전지 모듈(1)의 고저각을 조절할 수 있는 트랙커에 설치하는 것도 가능하다.

상기 태양전지 모듈(1)의 고저각은 후면에 설치된 구동모터(90)에 의해 조정되며, 구동모터(90)의 양단은 지지대(100)를 형성하여 지면에 고정설치 한다.

이와 같이, 상기 트랙커는 비용이 저렴하고 설치공간이 적게 필요한 단축형 트랙커에 설치할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 양축형 트랙커에 설치하는 것도 가능하다.

태양의 위치변화에 따라 상기 태양전지 모듈(1)의 지향각을 자동으로 조정할 수 있는 기술은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시할 수 있는 기술에 해당하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

이와 같이 본 발명은 특정 실시예를 들어 설명하였지만 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범주내에서는 얼마든지 수정 및 변형이 가능하다.

1 ; 태양전지모듈 10 ; 시트
11 ; 마이크로 광학구조 20 ; 결상렌즈 어레이
21, 21', 21'' ; 결상렌즈 22 ; 결상렌즈 어레이 패널
30 ; 광도파로 31 ; 고굴절률부
32 ; 저굴절률부 40, 40' ; 반사체
50, 50' ; 집광렌즈 60, 60' ; 태양전지
70 ; 방열판 90 ; 구동모터
100 ; 지지대

Claims (7)

1. 마이크로광학 구조가 형성된 시트;
   상기 시트의 하부에 형성된 다수의 결상렌즈 어레이;
   상기 다수의 결상렌즈 어레이 하면에 형성되며, 외부층인 저굴절률부와 내부층인 고굴절률부로 구성되는 광도파로;
   상기 광도파로의 하면의 상기 저굴절률부와 고굴절률부의 경계면에 형성된 프리즘 형상으로서, 상부에 형성된 결상렌즈 어레이의 초점거리 상에 형성되며, 그 밑변이 상기 저굴절률부와 고굴절률부의 경계면에 접하면서 상기 결상렌즈 어레이의 단변을 따라 직선으로 반복하여 설치된 반사체;
   상기 광도파로 측단면에 형성된 집광렌즈;
   상기 집광렌즈의 전면에 이격되게 설치된 태양전지; 그리고
   상기 태양전지 배면에 형성된 방열판을 포함하는 평판형 고집광 태양전지 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시트는 단면이 프리즘 형상인 마이크로 광학구조가 하면에 형성된 것을 특징으로 하는 평판형 고집광 태양전지 모듈.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 반사체는 광도파로 하면에 결상렌즈 중심의 수직하부에 프리즘 형태의 반사체가 반복하여 형성된 것을 특징으로 하는 평판형 고집광 태양전지 모듈.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 태양전지 후면에 설치된 방열판이 태양전지가 설치되지 않은 면으로 확장되는 것을 특징으로 하는 평판형 고집광 태양전지 모듈.
7. 제1항의 태양전지 모듈이 장착된 태양광 트랙커.

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