KR101300270B1 - 미세 패턴 반사경을 갖는 태양광 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세 패턴 반사경을 갖는 태양광 모듈을 개시한다.
본 발명에 따르면, 반사경에 형성되는 미세패턴의 각도 및 반사경의 폭을 최적화 시켜 집광효율을 극대화 함으로써, 태양전지셀의 사용량을 절반으로 줄이면서도 발전효율을 그대로 유지할 수 있다.

Description

미세 패턴 반사경을 갖는 태양광 모듈{PHOTOVOLTAIC MODULE HAVING REFLECTOR WITH FINE PATTERNS}
본 발명은 미세 패턴 반사경을 갖는 태양광 모듈에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 반사경에 형성되는 미세패턴의 각도 및 반사경의 폭을 최적화 시켜 집광효율을 극대화 함으로써, 태양전지셀의 사용량을 절반으로 줄이면서도 발전효율을 그대로 유지할 수 있는 최적화된 태양광 모듈에 관한 것이다.
태양전지는 광전효과를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자이다. 일반적으로 태양전지는 강화유리, 상부 EVA(에틸렌아세트산비닐 공중합체) 필름, 태양전지 셀, 하부 EVA 필름, 백시트를 순차적으로 라미네이션(적층)하여 모듈로서 구성된다.(도 1 참조)
다양한 태양전지기술 중에서, 태양광을 수집하여 보다 높은 효율을 도모하는 집광형 태양전지 기술에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 광학시스템을 이용하여 태양광을 수집하게 되면, 광학시스템이 없는 태양전지모듈에 비해 보다 효율적이다.
이러한 광학시스템을 갖는 종래의 태양전지기술을 보면, 집광렌즈인 프레넬 렌즈의 전면 또는 후면에 임프린트 및 엠보싱 방법으로 나노패턴을 형성하여 태양광을 집광하는 기술(KR 10-1065483B1), 미소면체 미러 어레이(micro-faceted mirror array)를 태양전지 사이에 일부 배열하여 태양광을 집광하는 기술(JP 2011-101012A) 등을 볼 수 있다.
그러나, 상기 종래기술 등에 의한 집광형 태양전지기술은 집광율만을 고려한 설계로써 고가의 태양전지셀의 사용량을 획기적으로 줄이지 못하는 단점이 있다. 보다 활용가치가 높은 집광형 태양전지기술은 집광율과 태양전지셀의 사용량 및 발전효율을 복합적으로 고려한 상태에서 결정되어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 태양전지셀의 사용량을 절반으로 줄이면서도 발전효율을 그대로 유지할 수 있는 최적화된 태양광 모듈을 제공한다.
또한, 반사경에 형성되는 미세패턴의 각도 및 반사경의 폭을 최적화 시킴으로써, 매우 저렴한 반사경을 제조할 수 있으며 집광효율을 극대화 할 수 있는 태양광 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 미세 패턴 반사경을 갖는 태양광 모듈은, 전면유리, 상기 전면유리에 통과된 빛으로 발전되는 태양전지부, 상기 태양전지부의 상부 및 하부에 각각 구비되는 상부 EVA 및 하부 EVA, 상기 하부 EVA의 하부에 구비되는 백시트를 포함하는 태양광 모듈에 있어서, 상기 태양전지부는, 상기 전면유리에 통과된 빛으로 발전되는 태양전지셀과, 상기 전면유리에 수직입사된 빛을 인접된 상기 태양전지셀로 반사시키는 반사경이, 서로 번갈아 연속된 패턴을 이루어 형성되며, 상기 각 반사경 표면은 톱니모양 미세패턴이 다수 형성되고, 상기 각 미세패턴은 상기 전면유리에 수직입사된 빛을 인접된 각 미세패턴 면에 부딪치지 않고 상기 전면유리를 통해 인접된 각 태양전지셀로 전반사시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 미세패턴의 경사각도는 20.9° 내지 30° 로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 태양전지셀과 상기 반사경은 동일한 단면 폭으로 서로 번갈아 연속패턴을 이루어 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 태양전지셀과 상기 반사경의 단면 폭은, 상기 전면유리의 두께를 d라고 할 때, d/tan θ 로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세패턴의 단면 높이는 0.1㎜ 내지 1㎜ 로 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양전지셀의 사용량을 절반으로 줄이면서 전체 모듈의 효율감소는 최소화 할 수 있다.
또한, 단축 또는 양축 방향의 태양추적 장치에 본 발명을 적용할 경우, 기존 모듈과 거의 동등한 발전효과가 있다.
또한, 태양전지셀의 사용량을 절반으로 줄일 수 있으므로 가격적인 장점이 있으며, 고효율, 고가의 태양전지셀을 사용할 경우 매우 큰 경제적인 장점이 있다.
또한, 반사경에 구비되는 미세패턴의 형상을 단순화할 수 있으므로 저렴한 반사경을 제조할 수 있다.
도 1은 일반적인 태양전지 모듈의 라미네이션 구조이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 라미네이션 구조이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 반사경 구조이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 반사경 패턴각이고,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 동작예이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 라미네이션 구조이다. 전면유리(10), 상부 EVA(20), 태양전지부(30), 하부 EVA(40), 백시트(50)가 순차적으로 라미네이션되며, 태양전지부(30)는 태양전지셀(31)을 절반으로 감소시키되 태양전지셀(31)이 감소되는 면적만큼 반사경(32)이 추가 구성된다. 바람직하게는, 태양전지셀(31)과 반사경(32)이 동일한 길이로 서로 번갈아 연속된 패턴을 이룬다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지부(30) 반사경(32)의 미세패턴 구조이다. 도 3은 반사경(32)의 사시도를 나타낸 일 실시예로써, 태양광을 받는 반사경(32)의 면(A)은 거울면 코팅된다. 거울면 코팅은 표면반사가 잘 되도록 금속으로 코팅될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 반사경 패턴각이다. 본 발명의 일 실시예에서는 도 4와 같은 톱니모양 2차원 패턴의 반사경(32)이 사용되며, 패턴의 재질은 플라스틱이 사용될 수 있고, 패턴의 표면은 거울면 코팅된다. 패턴의 경사 각도는 도 4에 나타낸 바와 같이 30도 이하로 설정된다. 패턴의 경사 각도가 30도 이하로 설정되면 수직 입사된 빛이 이웃한 반사경 패턴면에 부딪치지 않고 전면유리(10) 표면에 전반사를 거쳐 태양전지셀(31)에 도달하게 된다. 반사경(32)에서 반사되는 빛이 이웃한 패턴면에 부딪치면 원래의 경로로 반사되게 된다. 패턴의 높이는 0.1㎜ 내지 1㎜ 사이에서 형성될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 동작예이다. 태양전지부(30)로 수직 입사되는 빛 중에서 태양전지셀(31)에 입사되는 빛은 그대로 발전에 사용되고, 반사경(32)에 입사되는 빛은 양쪽으로 나뉘어져 전면유리(10)의 표면에서 전반사되어 인접한 태양전지셀(31)로 다시 입사된다.
반사경(32)에 반사된 빛의 진행방향과 반사경(32) 간의 각도(θ)가 아래 [식 1]을 만족할 경우 전반사가 일어나서 인접한 태양전지셀(31)에 입사하는 빛의 세기가 감소하지 않는다. [식 1]에서 n은 유리굴절율로써 유리의 고유값 1.5가 적용된다. [식 1]을 만족하는 반사경(32)에 반사된 빛의 진행방향과 반사경(32) 간의 각도(θ)는 48.2도 이하이어야 한다.
[식 1]
ncosθ > 1
이 때, 반사경(32)에 설정되는 미세패턴의 경사각도(φ)와, 반사경(32)에 반사된 빛의 진행방향과 반사경(32) 간의 각도(θ)와의 관계는 아래 [식 2]와 같은 관계를 가진다.
[식 2]
θ = 90 - 2φ < 48.2°
그러므로, 반사경(32)의 미세패턴 경사각도(φ)의 조건은 φ>20.9°이 된다. 이 때, 도 4를 통해 설명되었듯이, φ가 30°보다 작아야 수직입사되어 반사된 빛이 이웃한 패턴면에 부딧치지 않게 되므로, 결국 반사경(32)의 미세패턴 경사각도(φ)의 조건은 20.9°< φ < 30°이 되어야 수직입사한 빛이 손실없이 인접한 태양전지셀(31)에 모두 집광될 수 있다.
도 5a는 반사경(32)에서 우측에 인접한 태양전지셀(31)로 전반사하는 동작원리를 나타낸 것이고, 도 5b는 반사경(32)에서 좌측에 인접한 태양전지셀(31)로 전반사하는 동작원리를 나타낸 것이다. 도 5c는 빛이 태양전지셀(31)로 수직입사되는 것을 나타낸 것이다.
반사경(32)과 태양전지셀(31)이 동일한 크기로 제작될 때, 반사경(32) 및 태양전지셀(31)의 폭은, 전면유리(10)의 두께를 d라고 할때, 2d/tan θ 이다. 도 5d에서 볼 수 있듯이, 반사경(32)에 반사된 빛의 진행방향과 반사경(32) 간의 각도(θ)가 30°이고, 전면유리(10)의 두께가 3㎜ 일 때, 반사경(32) 및 태양전지셀(31)의 폭은 10.4㎜ 이다.
10: 전면유리 20: 상부 EVA
30: 태양전지부 31: 태양전지셀
32: 반사경 40: 하부 EVA
50: 백시트

Claims (5)

  1. 전면유리, 상기 전면유리에 통과된 빛으로 발전되는 태양전지부, 상기 태양전지부의 상부 및 하부에 각각 구비되는 상부 EVA 및 하부 EVA, 상기 하부 EVA의 하부에 구비되는 백시트를 포함하는 태양광 모듈에 있어서,
    상기 태양전지부는, 상기 전면유리에 통과된 빛으로 발전되는 태양전지셀과, 상기 전면유리에 수직입사된 빛을 인접된 상기 태양전지셀로 반사시키는 반사경이, 동일한 단면 폭으로 서로 번갈아 연속된 패턴을 이루도록 일체로 형성되되, 상기 태양전지셀과 상기 반사경의 단면 폭은, 상기 전면유리의 두께를 d, 상기 반사경에 반사된 빛의 진행방향과 상기 반사경 간의 각도를 θ라고 할 때, 2d/tan θ 이고;
    상기 각 반사경 표면은 톱니모양 미세패턴이 다수 형성되고, 상기 각 미세패턴은 상기 전면유리에 수직입사된 빛을 인접된 각 미세패턴 면에 부딪치지 않고 상기 전면유리를 통해 인접된 각 태양전지셀로 전반사시키는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 반사경을 갖는 태양광 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미세패턴의 경사각도는 20.9° 내지 30° 임을 특징으로 하는 미세 패턴 반사경을 갖는 태양광 모듈.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 미세패턴의 단면 높이는 0.1mm 내지 1mm 임을 특징으로 하는 미세 패턴 반사경을 갖는 태양광 모듈.
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