KR101567764B1 - 솔라 모듈 구성 - Google Patents
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Abstract
솔라 모듈의 여러 실시예들이 개시된다. 일부 실시예들에서, 솔라 모듈은 경사진 도파관 프로파일을 갖는 광학부를 포함한다. 솔라 모듈의 광학부는 태양 전지를 포함하는 리시버에 직접 결합된다. 리시버는 또한 모듈의 백플레인에 결합된다.
Description
다른 출원들에 대한 교차 출원
본원은 모든 목적을 위하여 본원에서 참고로 합체되고, 2009년 11월 25일자 출원된 발명의 명칭이 "평탄한 패널 광학 집광기를 위한 적층형 솔라 모듈 구성(LAMINATED SOLAR MODULE CONSTRUCTION FOR FLAT PANEL CONCENTRATOR OPTIC)"인 미국 가출원 특허 출원 제 61/283,097 호의 우선권을 청구한다.
기존의 솔라 모듈 디자인들은 여러 제한 사항들이 존재한다.
따라서, 개선된 솔라 모듈 구성들을 갖는 것이 유용하다.
본 발명의 여러 실시예들은 하기 상세한 설명 및 첨부된 도면에 개시된다.
도 1은 솔라 패널의 일 실시예의 등각도를 도시한다.
도 2a는 모듈의 일 실시예의 절단 횡단면도를 도시한다.
도 2b는 리시버 스택의 절취도에서 집광기 유닛의 일 실시예의 횡단면도를 도시한다.
도 2c는 모듈의 2개의 주 부분들이 짝지어지는 방식의 일 실시예를 도시한다.
도 2d는 평탄한 백플레인(backplane)을 갖는 집광기 유닛의 일 실시예의 횡단면도를 도시한다.
도 3은 여과되지 않은 태양 스펙트럼을 여과된 태양 스펙트럼과 대조하는 그래프.
도 4a 및 도 4b는 테이퍼 광학부(taper optics)에 대한 한 방식의 일 실시예의 등각도 및 측면도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5f는 백플레인 구성들의 상이한 실시예들을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 프레임 연동장치(linkage)의 실시예들을 도시한다.
도 2a는 모듈의 일 실시예의 절단 횡단면도를 도시한다.
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도 4a 및 도 4b는 테이퍼 광학부(taper optics)에 대한 한 방식의 일 실시예의 등각도 및 측면도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5f는 백플레인 구성들의 상이한 실시예들을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 프레임 연동장치(linkage)의 실시예들을 도시한다.
본 발명은 프로세스; 장치; 시스템; 물질 조성; 컴퓨터 판독 저장 매체에서 구현되는 컴퓨터 프로그램 제품; 및/또는 프로세서에 결합된 메모리에 저장된 및/또는 메모리에 의해서 제공되는 지시들을 실행하도록 구성된 프로세서와 같은 프로세서를 포함하는 많은 방식들로 실행될 수 있다. 본 명세서에서, 본 발명이 취할 수 있는 이러한 실행형태 또는 임의의 다른 형태는 기법으로 참조될 것이다. 일반적으로, 개시된 프로세스들의 단계들의 순서는 본 발명의 범주 내에서 변경될 수 있다. 달리 기술하지 않는다면, 업무를 수행하도록 구성되는 프로세서 또는 메모리와 같은 구성요소는 주어진 시간에 업무를 수행하도록 임시적으로 구성되는 범용 구성요소 또는 업무를 수행하기 위하여 제조되는 특정 구성요소로서 실행될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "프로세서"는 하나 이상의 디바이스들, 회로들, 및/또는 컴퓨터 프로그램 지시들과 같은 데이터를 처리하도록 구성되는 처리 코어들을 지칭한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 도시하는 첨부된 도면들과 함께 하기에 제공된다. 본 발명은 이러한 실시예들과 연계하여 기술되지만, 본 발명은 일부 실시예에 국한되지 않는다. 본 발명의 범주는 단지 청구범위에 의해서만 제한되고, 본 발명은 많은 대안구성, 변형구성 및 등가구성들을 포괄한다. 많은 특정 상세설명은 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위하여, 하기 설명에서 기술된다. 이러한 상세설명은 예를 목적으로 제공되며, 본 발명은 임의의 또는 모든 이들 특정 상세설명 없이 청구범위에 따라 실행될 수 있다. 명확성을 목적으로, 본 발명과 관련된 기술 분야들에 공지된 기술적 재료는 본 발명이 불필요하게 불명료해지는 것을 방지하도록 상세하게 기술되지 않는다.
태양 에너지 모듈은 집광 광기전(CPV) 전기 발생 및 유체 가열과 같은 적용을 위하여 이용된다. 유일한 CPV 솔라 모듈 디자인의 여러 실시예들이 본원에 개시된다. 도 1은 솔라 패널(100)의 일 실시예의 등각도를 도시한다. 일부 실시예들에서, 모듈 구성(100)은 패널 형태 요소에서 리시버를 갖는 평탄한, 라인-초점 광학부를 통합한다. 라인-초점 광학부를 사용하는 장점은 덜 표준인 2축 트랙킹(less standard two-axis tracking)을 대신하여 표준 단일축 솔라 트랙킹을 사용할 수 있다는 것이다. 일부 실시예에서, 모듈(100)의 광학부는 경사진 또는 테이퍼진 도파관 프로파일을 가지며 모듈(100)에서 태양 전지에 직접 결합된다. 본원에 개시된 솔라 모듈 디자인은 낮은 프로파일 패널 형태 요소를 유지하면서 CPV의 경제적 장점들을 제공한다. 낮은 프로파일 패널 형태 요소를 유지하는 것은, 운송 비용 감소, 풍력 부하 감소 및 상업적 구매가능한 트랙킹 시스템과 같은 기존의 솔라 인프라와의 호환성과 같은 다양한 장점들을 제공한다.
도해적인 목적을 위하여, 첨부된 도면중 일부를 참조하여 본 설명은 특정 모듈 디자인에 대해서 기술한다. 그러나, 개시된 기술은 이들 디자인에 국한되지 않고 다른 디자인들에 대해서 유사하게 사용될 수 있다. 예컨대, 기술된 및/또는 설명된 하나 이상의 모듈 층들은 다른 층들 및/또는 재료들로 대체될 수 있고, 하나 이상의 기술된 및/또는 설명된 모듈 층들은 선택적일 수 있고, 하나 이상의 기술된 및/또는 설명된 모듈 층들은 상이한 방식으로 조직되거나 또는 순서가 정해질 수 있으며, 하나 이상의 다른 층들은 임의의 기술된 및/또는 설명된 모듈 층 등과 연계하여 및/또는 이들을 대신하여 사용될 수 있다.
도 2a는 모듈의 일 실시예의 절단된 횡단면도를 도시한다. 일부 실시예에서, 모듈(200)은 도 1의 패널(100)을 포함한다. 모듈(200)은 프레임(204)에 의해서 경계가 형성되는 집광기 유닛(202)과 같은 복수의 집광기 유닛들을 포함한다. 주어진 예에서 도시된 바와 같이, 모듈(200)은 탑시트 또는 주 광학부(206), 부계층(들)(208), 제 2 광학부(210), 중간 또는 클래딩 층(212), 리시버(214) 및 백플레인(216)을 포함하는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 각각의 상기 층들은 하기에 추가로 기술된다.
탑시트(206)는 모듈(200) 내로의 입사광의 투과를 촉진하고 투과성 재료의 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 탑시트(206)는 모듈(200)의 주 광학부를 포함한다. 광분해성 속도가 낮은 저철분 플로트 유리(low-iron float glass)는 탑시트(206)를 위해 사용될 수 있는 재료의 한 예이다. 탑시트(206)는 복수의 목적들중 임의의 목적을 수행할 수 있다. 예컨대, 탑시트(206)는 환경과 강수(precipitation) 및 자외선(ultraviolet radiation)과 같은 기타 외부 요소들로부터 모듈(200)을 보호하기 위한 장벽으로 작용하는 커버 플레이트로서 기능한다. 또한, 탑시트(206)는 임의의 원하는 항반사성 및/또는 에너지의 입사 스펙트럼을 여과하는 기타 코팅들의 적용을 위한 기재(substrate)를 제공한다. 부가로, 탑시트(206)는 조립 프로세스 동안 부계층(들)(208) 및/또는 광학부(210)를 장착 및/또는 정렬하기 위한 평탄한 기준 표면(flat datum surface)을 제공한다. 또한, 탑시트(206)는 모듈(200)에 구조적 강도를 제공한다. 일부 실시예에서, 탑시트(206)의 재료는 광의 경로에 영향을 미치는 상면 및 하면중 하나 또는 양자 모두에서 직조될 수 있다. 예컨대, 롤링 또는 패턴형 유리 프로세스들은 유리 탑시트에서 렌즈 형태부들을 형성하는데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 탑시트 재료 내에 광학 요소들을 통합하는 것은 하기에 추가로 기술되는 도 2d의 실시예에서와 같이, 모듈 구성을 단순화시킬 수 있다.
하나 이상의 선택적 부계층(208)은 탑시트(206)의 하측면으로 경계가 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 부계층(들)(208)은 EVA (에틸렌 비닐 아세테이트;Ethylene Vinyl Acetate)와 같은 하나 이상의 중합체를 포함한다. 부계층(들)(208)은 복수의 목적들중 임의의 목적을 수행할 수 있다. 예컨대, 부계층(들)(208)은 하위 광학부(210)에 잠재적으로 해롭거나 또는 달리 바람직하지 않은 입사광 스펙트럼의 부분들을 여과할 수 있다. 예컨대, 자외선은 여러 등급의 중합체들을 악화시키는 것으로 알려져 있으며, 자외선 광을 흡수하는 부계층(208)을 탑시트(206)에 부가하면, 각각의 연속층들에서 이러한 악화를 방지하는 것을 보조할 수 있다. 도 3은 유리로써 여과되지 않은 AM 1.5 표준 솔라 시험 스펙트럼과 EVA 여과된 스펙트럼을 대조하는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 자외선 범위(즉, < 400 nm) 내의 에너지의 양은 제거되지 않는다면, 탑시트(206) 및 부계층(들)(208)을 각각 포함하는 EVA 층들 및 저철분 유리를 통한 투과후에, 크게 감소된다. 또한, 부계층(들)(208)은 탑시트(206) 및 광학부(210) 사이의 접합을 용이하게 할 수 있다. 예컨대, 탑시트(206)에 대해서 유리와 같은 취성 재료가 사용된다면, 연성 중합체 부계층(208)이 탑시트(206) 및 광학부(210) 사이의 화학적 접착을 도모하는 컨포멀 층(conformal layer)으로서 부가될 수 있다. 또한, 부계층(들)(208)은 솔벤트 접합 또는 냉간 용접과 같이 종래의 적층 프로세스를 능가하는 접합 프로세스 선택을 가능하게 한다. 종래의 상승 온도 적층 프로세스는 광학부(210)를 변형, 용융 또는 기타 손상시킬 수 있다. 중합체 기재(208)를 탑시트(206) 상으로 적층하고 그후에 솔벤트 접합 또는 용접과 같은 저온 프로세스를 사용하여 광학층(210)을 중합체 기재(208)에 접합함으로써 고온 적층 프로세스를 회피할 수 있다. 추가로, 부계층(들)(208)은 탑시트(206) 및 광학부(210) 계면에서 열팽창 및 기타 관련 응력들을 관리할 수 있다. 예컨대, 열팽창 부조화의 주요 계수가 탑시트(206) 및 광학부(210) 재료들 사이에 존재한다면, 열팽창의 중간 계수를 갖는 중합체 부계층(208)이 삽입되어서 모듈(200)의 가열 또는 냉각동안 발생하는 열응력을 제거할 수 있다.
광학부(210)는 리시버(214) 계면과 일치하는 초점 영역으로 입사광을 안내하는 투과성 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 광학부(210)는 모듈(200)의 제 2 광학부를 포함한다. 일부 실시예에서, 광학부(210)는 도파관을 포함한다. 일부 실시예에서, 모듈(200)의 광학 구성요소는 광학 집광기를 형성한다. 일부 실시예에서, 모듈(200)의 광학 구성요소는 ATIR (집광 전반사;Aggregated Total Internal Reflection) 광학부를 형성한다. 일부 실시예에서, 모듈(200)의 광학 구성요소는 입사광을 모으는 집광층 또는 모아진 광을 집광해서 초점 영역으로 운반하는 도파관 층을 포함한다. 일부 경우에, 예컨대, 주 광학부 또는 탑시트(206)에서 통합형 광학 형태부는 광을 모으는 역할을 하고, 제 2 광학부 또는 도파관(210)은 모아진 광을 재지향, 집광 및/또는 모아진 광을 초점 영역으로 운반하는 역할을 한다. 일부 실시예에서, 제 2 광학부(210)는 주 광학부(206)로부터 받은 광을 추가로 집광한다. 일부 실시예에서, 모듈(200)의 광학부는 모든 목적을 위하여 참고로 본원에서 통합되고 Banyan Energy, Inc.에 의해서 공동 소유하는 미국 특허 출원 시리얼 번호 11/852,854 및 12/207,346호에 개시된 유형의 광학 집광기를 포함한다. 일부 실시예에서, 제 2 광학부 또는 도파관(210)은 경사진 또는 테이퍼진 프로파일을 가지며 아크릴 또는 기타 중합체 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료는 제 2 광학부(210)의 재료를 손상시키는 태양 스펙트럼의 유해 부분들을 여과하는 주 광학부(206) 및/또는 부계층(들)(208)과 연계하여 제 2 광학부(210)에 대해서 사용될 수 있다. 여러 실시예들에서, 광학부(210)는 조립체에 결합된 단일 부품 또는 다부품들을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 예컨대, 전지 손상을 방지하고 전지 상호접속을 루틴하기 위한 영역을 제공하기 위하여, 모듈의 인접 전지들은 적절하게 이격되는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 제 2 광학부(210)는 내부 전지 영역들에 달리 입사된 광이 대신에 전지 영역들에 재지향되도록 내부 전지 간극(inter-cell gap)에 대해서 경사지거나 또는 테이퍼진다. 도 4a 및 도 4b는 광을 전지(406) 상으로 재지향시키도록, 내부 전기 간격(404)에 대해서 광학부(402)를 테이퍼시키는 방식의 일 실시예의 각각의 등각도 및 측면도를 도시한다. 이러한 광학 프로파일은 기존의 패널 구성에서 통상적으로 본질적인 내부 전기 간격 손실들을 최소화하고 결과적으로 개선된 모듈 변환 효율이 얻어진다.
유효한, 패널-통합형 선형 광학 집광기는 평탄하고 결과적으로 높은 모양비(폭치수 : 높이치수)를 가진다. 예컨대, 일부 실시예에서, 모양비는 6:1보다 크다. 높은 모양비는 높은 교점 또는 다수의 집광기유닛들과 관련된 시스템 비용을 최소화하거나 또는 적어도 감소시킨다. 실리콘계 전지 기술에 대해서, 중간 수준의 기하학적 집광비(개구 영역 : 초점 영역)도 역시 바람직할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 기하학적 집광비(geometric concentration ratio)는 4:1 내지 15:1이다. 개구 영역은 광기전과 같은 고비용 리시버 재료 및/또는 열교환 재료의 치수들에 영향을 미치는 초점 영역에 비교되는 비교적 저비용 광학 재료에 의해서 덮혀지기 때문에, 증가된 집광비를 갖는 더욱 경제적인 제품이 가능할 수 있다. 또한, 솔라 집광기는 전지 영역의 단위당 더욱 큰 파워 출력을 가능하게 하여서, 태양 전지들의 더욱 자금 효율적인 사용을 효과적으로 가능하게 한다. 그러나, 높은 기하학적 집광비는 바람직하지 않은 전기 성능 저하를 유발하는 열적 리스크(thermal risk)를 부여한다. 일부 실시예에서, CPV 적용예에서 폐기 열을 적절하게 분산시키도록, 대략 15:1보다 큰 기하학적 집광비를 위하여, 큰 열적 관리 비용이 부과될 수 있다. 실리콘계 광기전 제품들에 대해서, 높은 집광 레벨에서 부여되는 축소되는 경제적 마진 이익 및 증가하는 열관리 도전들을 고려할 때, 4: 1 내지 15: 1 범위의 기하학적 집광비가 가장 바람직하다.
선택적인 중간/클래딩 층(212)은 광학부(210) 및 리시버(214) 및/또는 백플레인(216) 스택 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 중간/클래딩 층(212)은 광학부(210)를 포함하는 재료보다 낮은 굴절율을 갖는 재료를 포함한다. 실리콘 엘라스토머는 전지를 캡슐화할 수 있고, 광학부(210)에 접합되며 높은 복사속(radiant flux)의 조건들을 견딜 수 있는 저굴절율의 광학 클래딩 재료의 한 예이다. 중간/클래딩 층(212)은 복수의 목적들중 임의의 목적을 수행할 수 있다. 예컨대, 중간/클래딩 층(212)은 차후 부계층들에 대한 광학부(210)의 접합을 용이하게 할 수 있다. 또한, 중간/클래딩 층(212)은 광을 초점 영역으로 추가로 지향시키는 것을 보조하는 낮은 굴절율의 광학 클래딩으로서 기능할 수 있다. 또한, 중간/클래딩 층(212)은 광학부(210) 및 리시버(214) 및/또는 백플레인(216) 스택 사이의 계면에서 재료의 부조화된 열팽창 및 관련 응력들을 관리할 수 있다. 추가로, 중간/클래딩 층(212)은 광학부(210) 및/또는 리시버(214) 스택을 캡슐화하여 이들을 전기 절연하고 환경으로부터 보호할 수 있다.
리시버(214)는 광학부(210)와 계면을 이룬다. 일부 실시예에서, 리시버(214)는 광학부(210)와 직접 결합하거나 및/또는 직접 물리적으로 접촉한다. 리시버 스택(214)은 태양 전지를 포함하고 하기에 추가로 기술되는 바와 같이 하나 이상의 다른 층들을 추가로 포함할 수 있다. 리시버 스택(214)의 치수들은 광학부(210)의 초점 영역의 폭과 균형을 이룬다. 일부 경우에 있어서, 작은 풋프린트(footprint)를 점유하는 리시버 스택(214)이 사용될 수 있도록, 작은 초점 영역을 가로지르는 광의 초점맞춤을 용이하게 하는 광학부(210)를 사용하는 것이 바람직하다. 리시버 스택(214)은 다수의 목적들중 임의의 목적을 수행할 수 있다. 가장 중요하게는, 리시버 스택(214)은 모아진 광을 하나 이상의 유용한 형태의 에너지로 변환한다. 예컨대, 일부 실시예에서, 광학부(210)의 초점 영역에 배치된 광기전 재료는 모아진 광 에너지를 전기로 변환한다. 다른 실시예에서, 모아진 광 에너지는 광학부(210)의 초점 영역에서 순환 유체를 가열하는데 사용될 수 있다. 또한, 리시버(214)은 열적 저하를 방지하기 위하여 변환되지 않은 에너지를 리시버(214) 및/또는 백플레인(216)의 하나 이상의 층들로 전달한다.
도 2b는 리시버 스택(214)의 절취부를 갖는 집광기 유닛(202)의 일 실시예의 횡단면도를 도시한다. 도 2b는 구체적으로 모듈 구성(200)에서 사용될 수 있는 재료들의 층들의 한 디자인 예를 제공한다. 도시된 바와 같이, 집광기 유닛(202)은 유리 탑시트(206), EVA 부계층(208), 아크릴 광학부(210), 리시버 스택(214) 및 알루미늄 백플레인(216)을 포함한다. 리시버 스택(214)의 절취부는 리시버 스택(214)에 대해서 사용될 수 있는 재료들의 층들의 한 디자인 예를 제공한다. 도시된 바와 같이, 리시버 스택(214)은 실리콘 봉지물(encapsulant;218), 실리콘 전지(220), 구리 포일(222) 및 폴리이미드 필름(224)을 포함한다. 이 실시예에서, 예컨대, 실리콘계 광기전 전지(220)는 열을 확산시키고 서멀 그리스(thermal grease)를 통해서 얇은(예컨대, ~ 200㎛) 폴리이미드 필름(224)에 교대로 접착되는 전도성 구리(222)의 층에 납땜되고, 상기 폴리이미드 필름은 전기 구성요소를 금속 백플레인으로부터 절연시키고 잠재적으로 서멀 그리스의 다른 층으로 알루미늄 백플레인 기재(216)에 접합되며, 이는 열을 추가로 확산시키고 구조적 기재를 제공한다.
도 2b는 리시버 스택(214)의 한 디자인 실시예를 도시한다. 다른 실시예에서, 리시버 스택(214)은 적당한 열전달을 달성하면서, 전기 성능을 유지하는 재료들의 층의 기타 적당한 조합으로 구성될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 리시버 스택(214)은 봉지물, 태양 전지, 구리 열 확산기의 층 및 EVA의 층을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 리시버 스택(214)은 봉지물, 태양 전지의 층 및 중합체 복합물의 층을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 리시버 스택(214)은 봉지물의 제 1 층, 유리층, 봉지물, 태양 전지의 제 2 층, 봉지물, 절연막 및 알루미늄 열 확산기의 제 3 층을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 유리는 백플레인(216)의 주 구조적 재료로서 사용되고 알루미늄의 얇은 층을 포함하여 초점 영역의 후방부로부터 확산되는 열을 제공한다. 상술한 것 뿐 아니라 임의의 다른 적당한 리시버 스택(214)의 실시예들중 임의의 실시예에 있어서, 임의의 다양한 접합 약품 및/또는 납땜 화합물들을 사용하여 리시버 스택(214)의 인접 층들을 결합할 수 있다.
백플레인(216)은 광학부(210) 및/또는 리시버 스택(214)과 계면을 형성한다. 여러 실시예들에서, 백플레인(216)은 중합체, 세라믹, 금속 또는 임의의 기타 적당한 재료의 시트 및/또는 복수의 이러한 재료들의 복합 시트를 포함할 수 있다. 백플레인(216)은 복수의 목적들중 임의의 목적을 수행할 수 있다. 예컨대, 백플레인(216)은 리시버 스택(214)을 그 위에 장착하고 정확하게 위치설정하는 강성 기재로서 기능한다. 또한, 백플레인(216)은 리시버(214)와 광학부(210)의 초점 영역과의 공동 위치설정을 위한 기준 표면들을 제공할 수 있다. 또한, 백플레인(216)은 모듈(200)에 구조적 강성을 제공하고 환경 및 기타 외부 요소에 대한 장벽으로 작용한다. 추가로, 백플레인(216)은 대류성 열 전달을 위한 표면 영역을 제공한다.
리시버(214) 상으로 집중된 모든 광 에너지가 전기 또는 기타 유용한 형태로 변환되는 것은 아니다. 에너지중 일부는 리시버 스택(214)을 통해서 주위 구조에 열로서 전달될 수 있다. 국부적인 가열은 광학부(210)의 초점 영역 인근에서 발생된다. 이 열은 주로 백플레인(216) 구조로부터 대류성 열 손실을 통해서 분산된다. 리시버 스택(214)은 리시버(214)로부터의 열전달 및 열확산시에 중요한 역할을 한다. 모듈(200) 내의 온도를 감소시키기 위하여, 지역화된 또는 분배된 히트 싱크 구조가 사용되어서 백플레인(216) 표면 영역을 증가시키고, 그에 의해서 대류성 열 전달을 촉진할 수 있다. 사용될 수 있는 대류성 열 전달 구조들의 예는 히트 싱크 핀 및 직조된 표면을 포함한다. 일부 경우에, 예컨대, 표면을 임의의 평균 각도로 직조하는 것은 상술한 조직 각도의 역 코사인에 비례하여 백플레인 표면 영역을 증가시킬 수 있다. 다양한 히트 싱크 선택사항들은 도 5의 설명에 대해서 하기에 추가로 기술된다.
일부 실시예에서, 백플레인(216)은 광학부(210)를 탑시트(206)를 향한 위치로 더욱 효과적으로 가압하는 캠버(camber)를 갖도록 구성될 수 있다. 예컨대, 유리, 봉지물 재료(예컨대, EVA) 및 절연 필름으로 코팅된 알루미늄을 포함하는 복합 백플레인은 적층 이후에 탑시트(206)의 방향으로 중요 굽힘부 또는 캠버를 갖도록 구성될 수 있다. 백플레인(216)의 형태에서 이러한 바이어스(bias)는 조립동안 유익할 수 있는데, 이는 바이어스가 광학부의 어레이에 대해서 가압되어서 평탄해질 때, 전방향 힘이 백플레인에 의해서 제공되기 때문이다. 휘어진 백플레인(216)은 광학부(210)를 탑시트(206)에 핀고정하는데 사용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b의 실시예들은 주름형 구조를 갖는 백플레인(216)을 도시한다. 백플레인(216) 내의 주름들은 예컨대 굽힘 및/또는 롤-형성 프로세스를 통해서 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 백플레인(216)의 주름 프로파일은 광학부(210)의 프로파일과 정합되고 리시버 스택(214)에 대해서 광학부(210)의 초점 영역을 제한하도록 작용한다. 즉, 주름형 백플레인(216)의 경사진 표면은 짝지어질 때, 경사진 또는 테이퍼진 광학부(210)의 위치를 정확하게 고정하는 시트로서 작용한다. 본질적으로 주름형 구조를 갖는 백플레인(216)은 광학부(210)의 수평 동작 및 배치를 제한함으로써 리시버(214)에 대해서 광학 초점 영역을 정렬하기 위해 공통-위치(co-location) 또는 등재 형태부(registration feature)를 제공한다.
일부 실시예에서, 모듈(200)(예컨대, 탑시트(206), 부계층(들)(208), 및/또는 광학부(210))의 광학 구성요소들의 조립체는 리시버 스택(214) 및 백플레인(216)의 조립체와 평행하게 수행될 수 있다. 간단한 메이팅 계단(mating step)을 갖는 평행 조립체는 주름형 백플레인(216)을 갖는 모듈(200) 디자인의 유일한 형태이다. 예컨대, 비교적 낮은 기술 프로세스는 주름형 백플레인의 홈부(trough) 내로 광학 부분을 단순히 활주시키거나 및/또는 끼워맞추는데 사용될 수 있다. 도 2c는 모듈(200)의 2개의 주요 부분들이 주름형 백플레인(216)에 의해서 제공된 기준 표면으로 인하여 매우 정확하게 짝지어질 수 있는 방식의 일 실시예를 도시한다. 일부 경우에, 주름형 표면의 정확도는 적어도 부분적으로 리시버(214)의 전지 영역에 대해서 광학부(210)의 초점 영역을 등재하거나 또는 공통-위치시키는 정확도를 의미한다.
백플레인(216)에 대해서 리시버(214)를 위치시킬 때 뿐 아니라 리시버(214)에 대해서 광학부(210)를 위치시킬 때에 오정렬을 고려하는 플로팅 위치 허용오차는 리시버(214)의 전지 영역 상의 광학부(210)의 초점 영역의 완전한 또는 거의 완전한 적용범위를 보장하도록 리시버(214)를 크게 하는 정도를 적어도 부분적으로 결정할 수 있다. 주름형 구성에서 백플레인(216)의 형태부와 광학부(210)의 공통-위치로 인하여, 광학 초점 영역들이 리시버(214)에 대해서 위치되는 정확도는 백플레인(216)의 굽힘부를 생성하는데 사용되는 프레스 또는 롤-형성 프로세스의 위치 허용오차에 의해서 주로 제한된다. 따라서, 주름형 구성은 리시버(214)의 상단에 광학부(210)를 위치시키는 것과 연관된 등재 허용오차를 고려하도록 리시버(214)를 크게 할 필요성을 감소시킨다. 이러한 일부 경우에, 리시버(214)를 크게 하는 정도는 백플레인(216)에 리시버(214)를 배치하는 정확도에 의해서 주로 제한된다.
비록, 도 2a 내지 도 2c의 실시예들은 주름형 백플레인 구조를 도시하고 있지만, 다른 실시예에서, 모듈(200)의 백플레인(216)은 평탄하거나 또는 상이한 형상을 가질 수 있다. 주름을 형성하기 위하여 굽힘 또는 기타 성형 프로세서에 추가하여, 주름형 백플레인은 또한 주름형 구조의 홈부에서 리시버(214)를 적층하기 위한 특정 위치설정 설비를 필요로 할 수 있다. 그러나, 이러한 성형 및/또는 위치설정 설비 비용은 바람직하지 않다. 일부 실시예에서, 그러나 리시버(214)에 대해서 광학부(210)를 위치설정할 때 등재 허용오차를 고려하기 위하여, 양호한 광학 위치설정 설비 및/또는 더욱 과대한 리시버(214)의 비용에서, 모듈(200)에 대하여 평탄한 백플레인이 대신 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 평탄한 백플레인이 더욱 바람직할 수 있는데, 이는 광학부(210)가 백플레인의 프로파일에 정합될 필요가 없으므로 광학부(210)의 프로파일에서 더욱 설계상 융통성을 제공하기 때문이다.
도 2d는 평탄한 백플레인을 갖는 집광기 유닛의 일 실시예의 횡단면도를 도시한다. 주어진 예에서 도시된 바와 같이, 도 2d의 집광기 유닛(202)은 통합형 광학 형태부, 제 2 광학부 또는 도파관(210), 리시버 스택(214) 및 평탄한 백플레인(216)을 구비한 제 1 광학부 또는 탑시트(206)를 포함한다. 평탄한 백플레인 실시예에서, 광학 구성요소들을 위한 구조적 및 위치설정 지지부는 적어도 부분적으로 리브(226)와 같은 전용 구성요소에 의해서 제공될 수 있다. 주어진 예에서, 리브(226)는 도파관(210)의 부분들과 그리고 형태부(228)를 통해서 탑시트(206)의 광학 형태부들과 계면을 형성하고, 그에 의해서 서로에 대한 제 1 광학부(206) 및 제 2 광학부(210)의 수평 등재를 용이하게 한다. 리브(226)는 리시버(214) 및/또는 백플레인(216)과 추가로 계면을 형성한다. 제 1 광학부(206) 및 제 2 광학부(210)의 상대 위치를 제한하는 것 이외에, 리브(226)는 또한 리시버 스택(214)에 대한 제 2 광학부(210)의 수평 위치 및 높이를 제한할 수 있다. 리브(226)에 대해서, 임의의 적당한 재료가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 광학부(210)와 동일한 재료가 리브(226)에 대해서 사용된다.
도 5a 내지 도 5f는 리시버들이 부착된 백플레인 구성들의 상이한 실시예들을 도시한다. 도 5a는 평탄한 백플레인의 일 실시예를 도시한다. 광기전 산업의 표면 패널들은 통상적으로 대부분의 평탄한 백플레인을 커버하는 큰 리시버들을 가지며 대류성 냉각작용을 더욱 용이하게 하는 특정 지역화 히트 싱크 구조들을 사용하지 않는다. 대신에, 기존의 패널들은 단순히 에너지의 균일한 분배 및 백플레인 표면으로부터의 비교적 균일한 대류에 의존한다. 도 5b는 주름형 백플레인의 일 실시예를 도시한다. 이러한 주름형 형태부들은 광학부의 형상에 순응하며, 주름형 백플레인의 홈부는 리시버들을 위한 감소된 안착 영역들을 제공한다. 백플레인의 주름들은 기존의 평탄한 백플레인 구조에서 달성될 수 있는 패널의 굽힘 강도를 증가시킬 수 있다. 여러 실시예들에서, 열전달을 위한 대류성 표면 영역은 지느러미형 및/또는 직조형 히트 싱크를 사용하여 증가될 수 있다. 도 5c 및 도 5e는 각각 지느러미형 및 직조형 방법을 사용하여 평탄한 백플레인 상의 대류성 열전달 영역을 증가시키는 실시예들을 도시한다. 마찬가지로, 도 5d 및 도 5f는 각각 지느러미형 및 직조형 방법을 사용하여 주름형 백플레인 상의 대류성 열전달 영역을 증가시키는 실시예들을 도시한다. 비록, 도 5a 내지 도 5f에는 도시되지 않았지만, 일부 실시예에서, 대류성 열전달 영역은 지느러미형 및 직조형 싱크를 모두 사용하여 더욱 증가될 수 있다.
층들 사이의 접합 이외에, 도 2a의 프레임(204)과 같은, 외부 프레임이 층들을 기계적으로 연동하기 위하여 일부 실시예에서 사용될 수 있다. 여러 실시예에서, 임의의 적절한 프레임 디자인이 사용될 수 있고, 프레임(204)은 임의의 하나 이상의 적절한 프로세스를 사용하여 구성될 수 있다. 예컨대, 프레임(204)은 가공, 몰딩, 압출 등으로 처리될 수 있다. 또한, 프레임(204)은 알루미늄 등의 금속과 같은 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 산업 표준 패널에서, 통상적으로 단지 하나의 층이 프레임과 계면을 형성한다. 일부 실시예에서, 적어도 2개의 비인접층들이 프레임(204)에 의해서 고정되어서 더욱 견고한 구조를 달성한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 일부 경우에, 프레임(204)은 적어도 탑시트(206)/부계층(들)(208) 및 백플레인(216)과 계면을 형성한다. 도 6a 및 도 6b는 적어도 2개의 비인접층들이 프레임과 계면을 형성하는 단면에 도시된 프레임 연동부의 실시예들을 도시한다. 도 6a의 실시예에 있어서, 프레임(600)은 탑시트(602) 및 백플레인(604)의 주변부들을 파지하도록 작용하는 연장부들을 통해서 적층 구조에 대해서 기계적으로 경계가 형성된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 층들을 프레임에 부착하는데 고정자가 사용될 수 있다. 도 6b의 실시예에서, 고정자(606)는 백플레인(604)을 프레임(600)에 고정한다. 탑시트(602) 및 백플레인(604)의 양자 고정 뿐 아니라 제 2 광학부 및 다른 부계층들에 의해서 탑시트(602)를 백플레인(604)으로부터 분리하는 것은 기존의 패널들에 대해서 구조에 대한 관성 모멘트를 증가시키고 따라서 더욱 강한 패널 구조가 얻어진다.
상기 실시예들은 명확한 이해를 목적으로 일부 상세하게 기술되었지만, 본 발명은 제공된 상세한 설명에 국한되지 않는다. 본 발명을 실행하기 위한 많은 대안 방식들이 있다. 개시된 실시예들은 설명적이고 제한적이지 않다.
Claims (20)
- 경사진 도파관 프로파일을 갖는 광학부;
상기 광학부에 직접 결합된 리시버; 및
상기 리시버에 결합된 백플레인을 포함하며,
상기 리시버는 열 관리를 위한 하나 이상의 재료층들을 포함하는 솔라 모듈. - 제 1 항에 있어서, 상기 광학부는 광학 집광기를 포함하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학부는 ATIR(집광 전반사;Aggregated Total Internal Reflection) 광학부를 포함하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리시버는 상기 광학부와 직접 물리적 접촉하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리시버는 태양 전지를 포함하는 솔라 모듈.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 백플레인은 주름형 구조를 포함하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 백플레인은 직조형 표면을 포함하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 백플레인은 히트 싱크 핀(heat sink fin)들을 포함하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학부에 결합되어서 상기 광학부를 구조적으로 지지하고 위치설정하는 리브를 추가로 포함하는 솔라 모듈.
- 제 10 항에 있어서, 상기 백플레인은 평탄한 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 솔라 모듈에 광이 입사되는 탑시트(topsheet)를 추가로 포함하는 솔라 모듈.
- 제 12 항에 있어서, 상기 탑시트는 통합형 광학 형태부들을 포함하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학부에 모아진 광을 제공하는 탑시트를 추가로 포함하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학부 및 상기 솔라 모듈에 광이 입사되는 탑시트 사이에 부계층을 추가로 포함하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학부 및 상기 리시버 사이에 클래딩 층을 추가로 포함하는 솔라 모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 솔라 모듈을 포함하는 층들을 기계적으로 연결하기 위한 프레임을 추가로 포함하는 솔라 모듈.
- 제 17 항에 있어서, 상기 프레임은 상기 솔라 모듈의 적어도 2개의 층들에 결합되는 솔라 모듈.
- 제 17 항에 있어서, 상기 프레임은 상기 백플레인 및 상기 솔라 모듈에 광이입사하는 탑시트에 결합되는 솔라 모듈.
- 솔라 모듈을 구성하기 위한 방법으로서,
경사진 도파관 프로파일을 갖는 광학부를, 열 관리를 위한 하나 이상의 재료층들을 포함하는 리시버에 직접 결합하는 단계; 및
백플레인을 상기 리시버에 결합하는 단계를 포함하는, 솔라 모듈의 구성 방법.
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