KR102146306B1 - 집광율을 높이는 엣지 집광형 구조체 및 이를 포함하는 창호형 태양전지 장치 - Google Patents

집광율을 높이는 엣지 집광형 구조체 및 이를 포함하는 창호형 태양전지 장치 Download PDF

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Abstract

집광율을 높이는 엣지 집광형 구조체에 관한 것이며, 본원의 엣지 집광형 구조체는 상측으로부터 진입한 광의 적어도 일부를 전반사시켜 내부의 광도파 경로를 통해 엣지 측으로 포집하도록 구비되는 광도파 집광층; 및 상기 엣지에 직접적으로 대향하도록 배치되는 엣지 집광부 및 상기 엣지 측으로 포집된 광의 외부 유출이 차단되도록 상기 엣지를 감싸게 구비되는 프레임 몸체를 포함하는 엣지 프레임부를 포함하되, 상기 프레임 몸체는, 상기 엣지의 상단과 상기 엣지 집광부의 상측을 연결하는 상부 연결 프레임 및 상기 엣지의 하단과 상기 엣지 집광부의 하측을 연결하는 하부 연결 프레임을 포함하고, 상기 엣지, 상기 엣지 집광부, 상기 상부 연결 프레임과 상기 하부 연결 프레임의 사이에는 프레임 내부 공간이 형성되며, 상기 상부 연결 프레임의 내측면 및 상기 하부 연결 프레임의 내측면에는 그에 도달한 광을 반사시키는 상부 반사면 및 하부 반사면이 각각 형성될 수 있다.

Description

집광율을 높이는 엣지 집광형 구조체 및 이를 포함하는 창호형 태양전지 장치{EDGE CONCENTRATING TYPE STRUCTURE FOR INCREASING THE LIGHT COLLECTION RATE AND SOLAR WINDOW INCLUDING THE SAME}
본원은 집광율을 높이는 엣지 집광형 구조체(광도파 집광층 및 프레임 구조) 및 이를 포함하는 창호형 태양전지 장치(시스템)에 관한 것이다.
태양광 집광 장치(solar concentrator) 및 창호형 태양광 발전 시스템은 태양광의 경로를 변경시켜 솔라셀(solar cell)로 향하게 하는 시스템이다.
그런데, 일반적인 태양광 집광 장치 및 창호형 태양광 발전 시스템은 광도파 집광층의 엣지(edge)에서 나가는 광(빛)의 산란성이 강하여, 전력변환효율이 저하되는 측면이 있었다.
도 1은 태양광을 엣지로 집광시키는 통상적인 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 1은 태양광이 어떻게 엣지(300')로 진행하는지를 보여준다. 집광용 렌즈(400')를 활용하여 집광된 광(130')은 메탈 패턴(120')에 의해 반사될 수 있다. 메탈 패턴(120')에 의해 반사된 광(130')은 광도파 집광층(100')과 에어 클래딩(air cladding)(500') 사이의 임계각 이상의 각도로 광도파 집광층(100')의 경계면에 부딪히게 되고 엣지(300')로 나가기 전까지 광도파 집광층(100') 안에 가두어 질 수 있다.
도 1에서 확인되는 바와 같이, 태양광을 엣지로 집광시키는 통상적인 태양광 집광 시스템(장치)에서, 광도파 집광층(100')의 엣지(300')를 통해 나가는 광(130')은 솔라셀(210')에 도달하는 직진 성분보다 솔라셀(210')에 도달하지 못하고 산란되는 산란 성분이 오히려 주가 될 수 있다. 이처럼 통상적인 태양광 집광 시스템(장치)의 경우, 광(130')이 프레임(200')에 부착된 솔라셀(solar cell)(210')로 향하지 않을 확률이 높으며, 이는 전력변환 손실로 이어질 수 있다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-1720651호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광도파 집광층의 엣지에서 나가는 광들이 산란되지 않도록 함으로써 광의 손실을 줄이고 집광율을 높이는 엣지 집광형 구조체 및 이를 포함하는 창호형 태양전지 장치를 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본원의 제1 측면에 따른 집광율을 높이는 엣지 집광형 구조체는 상측으로부터 진입한 광의 적어도 일부를 전반사시켜 내부의 광도파 경로를 통해 엣지 측으로 포집하도록 구비되는 광도파 집광층; 및 상기 엣지에 직접적으로 대향하도록 배치되는 엣지 집광부 및 상기 엣지 측으로 포집된 광의 외부 유출이 차단되도록 상기 엣지를 감싸게 구비되는 프레임 몸체를 포함하는 엣지 프레임부를 포함하되, 상기 프레임 몸체는, 상기 엣지의 상단과 상기 엣지 집광부의 상측을 연결하는 상부 연결 프레임 및 상기 엣지의 하단과 상기 엣지 집광부의 하측을 연결하는 하부 연결 프레임을 포함하고, 상기 엣지, 상기 엣지 집광부, 상기 상부 연결 프레임과 상기 하부 연결 프레임의 사이에는 프레임 내부 공간이 형성되며, 상기 상부 연결 프레임의 내측면 및 상기 하부 연결 프레임의 내측면에는 그에 도달한 광을 반사시키는 상부 반사면 및 하부 반사면이 각각 형성될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상부 연결 프레임의 내측면 및 상기 하부 연결 프레임의 내측면 각각은 상기 엣지 집광부 측에 가까워질수록 서로 멀어지는 형태의 경사를 갖는 경사면일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 프레임 내부 공간의 최내측에는 상기 엣지에 포집된 광이 내부로 진입되도록 개방되는 프레임 입구가 형성되고, 상기 프레임 내부 공간의 최외측에는 상기 엣지 집광부가 배치된 상태로 폐쇄되는 프레임 출구가 형성되며, 상기 프레임 출구의 상하 방향 사이즈는 상기 프레임 입구의 상하 방향 사이즈보다 크게 설정되고, 상기 상부 연결 프레임의 내측면과 상기 하부 연결 프레임의 내측면은 상하 대칭되는 형상으로 형성될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 엣지 집광부의 상하 방향 사이즈는, 상기 프레임 출구의 상하 방향 사이즈 이하이고 상기 프레임 입구의 상하 방향 사이즈 이상으로 설정될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상부 연결 프레임의 내측면은 위로 오목한 파라볼릭 형상으로서, 하기 식 1 내지 식 4를 만족하도록 형성될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상부 연결 프레임의 내측면은 아래로 볼록한 곡면 형상 또는 일정한 경사를 유지하는 형상으로서, 하기 식 5 내지 식 8을 만족하도록 형성될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 엣지는 상기 엣지 집광부 측을 향해 돌출되는 적어도 하나의 돌기를 갖는 돌출 형태로 형성되고, 상기 돌기의 상면 및 하면 각각은 상기 엣지 집광부 측에 가까워질수록 서로 가까워지는 형태의 경사를 갖는 경사면일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 엣지는 상면과 하면이 상하 대칭인 하나의 돌기를 갖는 돌출 형태로 형성되고, 상기 돌기의 상면은 위로 볼록한 파라볼릭 형상으로서, 하기 식 9 내지 식 12를 만족하도록 형성될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 엣지는 상면과 하면이 상하 대칭인 하나의 돌기를 갖는 돌출 형태로 형성되고, 상기 돌기의 상면은 아래로 오목한 곡면 형상 또는 일정한 경사를 유지하는 형상으로서, 하기 식 13 내지 식 16을 만족하도록 형성될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 엣지는 상면과 하면이 상하 대칭인 복수의 돌기가 상하 방향을 따라 반복적으로 배열되는 프리즘 시트 형태로 돌출 형성되고, 상기 복수의 돌기 각각의 상면은 하기 식 17 및 식 18을 만족하도록 형성될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 광은 태양광이고, 상기 엣지 집광부는 솔라셀 어레이일 수 있다.
한편, 본원의 제2 측면에 따른 창호형 태양전지 장치는, 상측으로부터 입사되는 태양광을 하측에 집광시키는 집광용 렌즈 어레이; 상기 집광용 렌즈 어레이의 하측에 이격 배치되고, 상기 집광용 렌즈 어레이를 통과하여 상측으로부터 진입한 태양광의 적어도 일부를 전반사시켜 내부의 광도파 경로를 통해 엣지 측으로 포집하도록 구비되는 광도파 집광층; 및 상기 엣지에 직접적으로 대향하도록 배치되는 솔라셀 어레이 및 상기 엣지 측으로 포집된 태양광의 외부 유출이 차단되도록 상기 엣지를 감싸게 구비되는 프레임 몸체를 포함하는 엣지 프레임부를 포함하되, 상기 프레임 몸체는, 상기 엣지의 상단과 상기 솔라셀 어레이의 상측을 연결하는 상부 연결 프레임 및 상기 엣지의 하단과 상기 솔라셀 어레이의 하측을 연결하는 하부 연결 프레임을 포함하고, 상기 엣지, 상기 솔라셀 어레이, 상기 상부 연결 프레임과 상기 하부 연결 프레임의 사이에는 프레임 내부 공간이 형성되며, 상기 상부 연결 프레임의 내측면 및 상기 하부 연결 프레임의 내측면에는 그에 도달한 태양광을 반사시키는 상부 반사면 및 하부 반사면이 각각 형성될 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 프레임 몸체의 상부 연결 프레임의 내측면 및 하부 연결 프레임의 내측면에 그에 도달한 광을 반사시키는 상부 반사면 및 하부 반사면이 각각 형성됨으로써, 광도파 집광층의 엣지에서 나가는 광들 중 산란된 광들이 반사를 통해 엣지 집광부로 집광될 수 있어, 종래 대비 광의 손실이 줄어들고 집광율이 높아질 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 상부 연결 프레임의 내측면 및 하부 연결 프레임의 내측면 각각이 엣지 집광부 측에 가까워질수록 서로 멀어지는 형태의 경사를 갖는 경사면으로 형성됨으로써, 광(예를 들면, 태양광)의 손실을 줄이고, 집광효율을 보다 높일 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 엣지가 엣지 집광부 측을 향해 돌출되는 적어도 하나의 돌기를 갖는 돌출 형태로 형성되고, 돌기의 상면 및 하면 각각이 엣지 집광부 측에 가까워질수록 서로 가까워지는 형태의 경사를 갖는 경사면으로 형성됨으로써, 엣지에서 나가는 광(예를 들면, 태양광)이 산란되지 않도록 집광하여 엣지 프레임부에 부착된 엣지 집광부로 향하게 할 수 있어, 광(예를 들면, 태양광)의 손실을 줄이고, 집광효율을 보다 높일 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 광(예를 들면, 태양광)을 엣지로 집광시키는 통상적인 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 2는 내측면이 플랫(flat)한 프레임 몸체에 대해 엣지로 집광된 광이 반사되는 광도파 경로를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 엣지 집광형 구조체를 포함하는 창호형 태양전지 장치의 개략적인 입체도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 엣지 집광형 구조체를 포함하는 창호형 태양전지 장치의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 4의 점선 표시 부분의 확대도이다.
도 6a는 평평한 형상으로 형성된 프레임 몸체가 구비된 엣지 집광형 구조체의 엣지 집광부에서의 조도 분포를 나타낸 표이다.
도 6b는 CPC 형상으로 형성된 프레임 몸체가 구비된 엣지 집광형 구조체의 엣지 집광부에서의 조도 분포를 나타낸 표이다.
도 6c는 쌍곡선 형상으로 형성된 프레임 몸체가 구비된 엣지 집광형 구조체의 엣지 집광부에서의 조도 분포를 나타낸 표이다.
도 6d는 프리즘 형상으로 형성된 프레임 몸체가 구비된 엣지 집광형 구조체의 엣지 집광부에서의 조도 분포를 나타낸 표이다.
도 7은 프레임 몸체의 내측면 형상(프레임 내부 공간 형상)에 따른 프레임 제작 조건을 나타낸 표이다.
도 8은 광도파 집광층의 엣지의 형상 측면의 일 구현예를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 9는 광도파 집광층의 엣지의 형상 측면의 다양한 구현예를 설명하기 위해 개략적인 단면도를 나열한 표이다.
도 10은 엣지 형상에 따른 엣지 제작 조건을 나타낸 표이다.
도 11은 광 추적(Ray tracing) 시뮬레이션을 진행하여 엣지 형상의 다양한 구현예에 따른 집광율 및 휘도 특성을 도시한 표이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
참고로 본원의 실시예에 관한 설명 중 방향이나 위치와 관련된 용어(상향, 하향 등)는 도면에 나타나 있는 각 구성의 배치 상태를 기준으로 설명한 것이다. 예를 들면, 도 4에서 보았을 때 전반적으로 12시 방향이 상향, 6시 방향이 하향일 수 있다.
본원은 집광율을 높이는 엣지 집광형 구조체(광도파 집광층 및 프레임 구조) 및 이를 포함하는 창호형 태양전지 장치(시스템)에 관한 것이다. 여기서, 본원의 일 실시예에 따른 엣지 집광형 구조체는 태양광 집광 장치(solar concentrator) 및 창호형 태양전지 장치(시스템)에 적용될 수 있으나, 그 적용 분야는 이에만 한정되는 것은 아니다. 즉, 본원의 일 실시예에 따른 엣지 집광형 구조체는 엣지로 광을 집광하는 다양한 시스템(장치)에 적용될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 집광율을 높이는 엣지 집광형 구조체(1)를 설명의 편의상 본 장치(1)라 하기로 한다.
도 2는 내측면이 플랫(flat)한 프레임 몸체에 대해 엣지로 집광된 광이 반사되는 광도파 경로를 도시한 개략적인 단면도이다. 또한, 도 3은 본원의 일 실시예에 따른 엣지 집광형 구조체를 포함하는 창호형 태양전지 장치의 개략적인 입체도이고, 도 4는 본원의 일 실시예에 따른 엣지 집광형 구조체를 포함하는 창호형 태양전지 장치의 개략적인 단면도이며, 도 5는 도 4의 점선 표시 부분의 확대도이다.
본 장치(1)는 광도파 집광층(100) 및 엣지 프레임부(200)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 광도파 집광층(100)은 상측으로부터 진입한 광(130)의 적어도 일부를 전반사시켜 내부의 광도파 경로(110)를 통해 엣지(300) 측으로 포집하도록 구비될 수 있다. 예시적으로, 광(130)은 태양광일 수 있다. 광도파 집광층(100)의 하면에는 상측으로부터 진입한 광(130)의 일부를 전반사시키도록 복수의 메탈 패턴(120)이 형성될 수 있다. 광도파 집광층(100)의 메탈 패턴(120)에 반사된 광(130)은 광도파 집광층(100)과 에어 클래딩(500) 사이의 전반사 조건을 만족시키는 각도로 반사가 진행될 수 있다. 여기서, 전반사 조건을 만족시키는 각도는 임계각 이상의 각도일 수 있다. 광(130)은 임계각 이상의 각도로 광도파 집광층(100)의 경계면(상면 및 하면)에 부딪치게 되고, 엣지(300)로 나가기 전까지 광도파 집광층(100) 내에 갇힐 수 있다. 임계각 이상의 각도로 반사된 광(130)은 광도파 집광층(100) 내에서 계속 전반사되어 손실 없이 엣지(300) 쪽으로 나아갈 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 엣지 프레임부(200)는 엣지 집광부(210) 및 프레임 몸체(220)를 포함할 수 있다.
엣지 집광부(210)는 엣지(300)에 직접적으로 대향하도록 배치되는 구성이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 직접적으로 대향한다는 것은 엣지(300)와 엣지 집광부(210) 사이에 다른 구성이 배치되지 않아, 엣지(300) 측에서 보았을 때 엣지 집광부(310)가 가시적으로 확인되고, 반대로 엣지 집광부(310) 측에서 보았을 때에도 엣지(300)가 가시적으로 확인되도록 마주본다는 것을 의미할 수 있다. 또한, 집광되는 광이 태양광인 경우, 엣지 집광부(210)는 솔라셀 어레이를 포함하는 구성 또는 솔라셀 어레이에 대응하는 구성일 수 있다.
프레임 몸체(220)는 엣지 집광부(210) 및 엣지(300) 측으로 포집된 광(130)의 외부 유출이 차단되도록 엣지(300)를 감싸게 구비되는 구성이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 프레임 몸체(220)는, 엣지(300)의 상단과 엣지 집광부(210)의 상측을 연결하는 상부 연결 프레임(221) 및 엣지(300)의 하단과 엣지 집광부(210)의 하측을 연결하는 하부 연결 프레임(222)을 포함할 수 있다.
상부 연결 프레임(221)의 내측면과 하부 연결 프레임(222)의 내측은 상하 대칭되는 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 상하 대칭이 되는 기준선은 광도파 집광층(100)의 횡 방향 중심선 또는 엣지(300)의 횡 방향 중심선일 수 있다. 프레임 몸체(220)는 이러한 상부 연결 프레임(221)과 하부 연결 프레임(222)을 통해 엣지(300)의 상단 및 하단을 감쌀 수 있다. 또한, 상부 연결 프레임(221)과 하부 연결 프레임(222) 각각은 엣지(300) 측으로 포집된 광(130)의 외부 유출이 차단될 수 있도록 슬롯(slot)이나 홀이 형성되지 않고 연속적으로 연장되는 부재 형태로 구비됨이 바람직하다.
참고로, 엣지 집광부(210)의 상측은 엣지 집광부(210)의 상단과 직접적으로 이웃하는 상측 및 엣지 집광부(210)의 상단으로부터 소정의 간격을 두고 이웃하는 상측을 모두 포괄하는 넓은 개념으로 이해함이 바람직하다. 엣지 집광부(210)의 하측 또한 마찬가지로 이해될 수 있다.
도 4를 참조하면, 엣지(300), 엣지 집광부(210), 상부 연결 프레임(221)과 하부 연결 프레임(222)의 사이에는 프레임 내부 공간(230)이 형성될 수 있다. 온도 및 방열에 대한 문제로 인하여, 광도파 집광층(100)과 엣지 집광부(210) 사이에는 여유 공간이 필요할 수 있다. 본 장치(1)에서는 엣지(300), 엣지 집광부(210), 상부 연결 프레임(221) 및 하부 연결 프레임(222)으로 인해 형성된 프레임 내부 공간(230)이 광도파 집광층(100)과 엣지 집광부(210) 사이의 여유 공간일 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상부 연결 프레임(221)의 내측면 및 하부 연결 프레임(222)의 내측면에는 그에 도달한 광(130)을 반사시키는 상부 반사면(223) 및 하부 반사면(224)이 각각 형성될 수 있다. 예시적으로, 상부 연결 프레임(221)의 내측면 및 하부 연결 프레임(222)의 내측면에 반사 코팅을 함으로써 상부 반사면(223) 및 하부 반사면(224)이 형성될 수 있다. 상부 연결 프레임(221)의 내측면에 형성되는 상부 반사면(223)은 하부 연결 프레임(222)의 내측면에 형성되는 하부 반사면(224)과 상하 대칭되게 구비될 수 있다.
이처럼 프레임 몸체(220)의 상부 연결 프레임(221)의 내측면 및 하부 연결 프레임(222)의 내측면에 그에 도달한 광을 반사시키는 상부 반사면(223) 및 하부 반사면(224)이 각각 형성됨으로써, 광도파 집광층(100)의 엣지(300)에서 나가는 광들 중 산란된 광들이 반사를 통해 엣지 집광부(210)로 집광될 수 있어, 종래 대비 광의 손실이 줄어들고 집광율이 높아질 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 엣지(300), 엣지 집광부(210), 상부 연결 프레임(221)과 하부 연결 프레임(222)의 사이의 프레임 내부 공간이 직사각형 형태로 플랫하게 형성된 경우, 엣지(300)에서 나가는 빛 중 엣지 집광부(210)로 향하는 광(빛)의 비율이 소정 이상 증가되기 어려운 측면이 있다.
이와 관련하여, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 상부 연결 프레임(221)의 내측면 및 하부 연결 프레임(222)의 내측면 각각은 엣지 집광부(210) 측에 가까워질수록 서로 멀어지는 형태의 경사를 갖는 경사면일 수 있다.
예시적으로 도 4를 참조하면, 상부 연결 프레임(221)의 내측면과 하부 연결 프레임(222)의 내측면은 상하 대칭되는 형상으로, 상부 연결 프레임(221)의 내측면이 위로 오목한 형상이고, 하부 연결 프레임(222)의 내측면이 아래로 오목한 형상일 수 있다. 다만, 상부 연결 프레임(221)과 하부 연결 프레임(222)은 위로 오목한 형상과 아래로 오목한 형상으로 한정되는 것은 아니며, 이에 대해서는 보다 구체적으로 후술하기로 한다.
이같이 서로 멀어지는 형태의 경사를 갖는 경사면으로 형성되는 상부 연결 프레임(221)의 내측면 및 하부 연결 프레임(222)의 내측면 각각에 전술한 상부 반사면(223) 및 하부 반사면(224)이 형성됨으로써, 엣지(300)에서 나가는 광(130)이 엣지 집광부(210)로 향하는 비율을 크게 높일 수 있고, 이에 따라 전력변환 효율이 대폭 향상될 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 프레임 내부 공간(230)의 최내측에는 엣지(300)에 포집된 광(130)이 내부로 진입되도록 개방되는 프레임 입구(240)가 형성되고, 프레임 내부 공간(230)의 최외측에는 엣지 집광부(210)가 배치된 상태로 폐쇄되는 프레임 출구(250)가 형성될 수 있다. 프레임 내부 공간(230)의 최내측은 프레임 내부 공간(230) 중 엣지(300)와 맞닿는 부분 또는 프레임 내부 공간(230) 중 엣지(300)와 바로 이웃하는 부분을 의미할 수 있고, 프레임 내부 공간(230)의 최외측은 프레임 내부 공간(230) 중 엣지 집광부(210)가 배치되는 부분을 의미할 수 있다. 다시 말해, 프레임 입구(240)는 엣지(300) 측의 프레임 내부 공간(230)이 시작되는 공간 경계 부분을 의미하며, 프레임 출구(250)는 엣지 집광부(210) 측의 프레임 내부 공간(230)이 끝나는 공간 경계 부분을 의미할 수 있다. 이러한 프레임 입구(240)와 프레임 출구(250)는 후술할 도 7을 참조하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이때, 프레임 출구(250)의 상하 방향 사이즈는 프레임 입구(240)의 상하 방향 사이즈보다 크게 설정될 수 있다. 여기서 상하 방향 사이즈란 도 5를 기준으로 보았을 때 프레임 입구(240) 및 프레임 출구(250)의 상하 방향 높이를 의미할 수 있다.
도 6a는 평평한 형상으로 형성된 프레임 몸체가 구비된 엣지 집광형 구조체의 엣지 집광부에서의 조도 분포를 나타낸 표이다. 도 6b는 CPC 형상으로 형성된 프레임 몸체가 구비된 엣지 집광형 구조체의 엣지 집광부에서의 조도 분포를 나타낸 표이다. 도 6c는 쌍곡선 형상으로 형성된 프레임 몸체가 구비된 엣지 집광형 구조체의 엣지 집광부에서의 조도 분포를 나타낸 표이다. 도 6d는 프리즘 형상으로 형성된 프레임 몸체가 구비된 엣지 집광형 구조체의 엣지 집광부에서의 조도 분포를 나타낸 표이다. 도 7은 프레임 몸체의 내측면 형상(프레임 내부 공간 형상)에 따른 프레임 제작 조건을 나타낸 표이다.
도 7을 참조하면, 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈(S)는, 프레임 출구(250)의 상하 방향 사이즈(D out) 이하이고 프레임 입구(240)의 상하 방향 사이즈(D in)이상으로 설정될 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 프레임 입구(240)의 상하 방향 사이즈(D in)는 프레임 출구(250)의 상하 방향 사이즈(D out) 미만으로 설정될 수 있다.
또한, 도 6b 및 도 7의 "CPC 형상" 행을 참조하면, 상부 연결 프레임(221)의 내측면은 위로 오목한 파라볼릭 형상일 수 있다. 또한, 하부 연결 프레임(222)의 내측면은 아래로 오목한 파라볼릭 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 하부 연결 프레임(222)의 내측면은 상부 연결 프레임(221)의 내측면과 상하 대칭인 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 CPC 형상은 파라볼릭(parabolic) 형상을 본 따 제작될 수 있다. 여기서 파라볼릭 형상이란 포물선 형상을 의미할 수 있다. 도 6b를 참조하면, 상부 연결 프레임(221) 의 내측면에는 반사코팅 등을 통해 상부 반사면(223)이 형성되고, 하부 연결 프레임(222)의 내측면에는 반사코팅 등을 통해 하부 반사면(224)이 형성될 수 있다.
또한, 도 6b 및 도 7의 "CPC 형상" 행을 참조하면, 상기 CPC 형상은 수학식 1 내지 4를 만족하도록 형성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018070780072-pat00001
[수학식 2]
Figure 112018070780072-pat00002
[수학식 3]
Figure 112018070780072-pat00003
[수학식 4]
Figure 112018070780072-pat00004
여기서, L은 프레임 입구(240)의 중심부터 프레임 출구(250)의 중심까지의 거리, D out은 프레임 출구(250)의 상하 방향 사이즈, θ는 프레임 입구(240)의 최상단과 프레임 출구(250)의 최하단을 연결한 선과 프레임 입구(240)의 최하단과 프레임 출구(250)의 최상단을 연결한 선이 엣지 집광부(210)를 사이에 두고 이루는 각도의 절반, a는 프레임 입구(240)의 최상단과 프레임 출구(250)의 최상단의 상하 방향 단차, D in은 프레임 입구(240)의 상하 방향 사이즈, S는 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈일 수 있다.
또한, 도 6c, 도 6d, 도 7의 "쌍곡선 형상" 행 및 도 7의 "프리즘 형상" 행을 참조하면, 상부 연결 프레임(221)의 내측면은 아래로 볼록한 곡면 형상(도 6c 및 도 7의 "쌍곡선 형상" 행 참조) 또는 일정한 경사를 유지하는 형상(도 6d 및 도 7의 "프리즘 형상" 행 참조)일 수 있다.
구체적으로, 도 6c 및 도 7의 "쌍곡선 형상" 행을 참조하면, 상부 연결 프레임(221)의 내측면은 아래로 볼록한 곡면 형상으로 형성될 수 있고, 하부 연결 프레임(222)의 내측면은 위로 볼록한 곡면 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 하부 연결 프레임(222)의 내측면은 상부 연결 프레임(222)의 내측면과 상하 대칭인 형상으로 형성될 수 있다. 상부 연결 프레임(221)의 내측면이 아래로 볼록하고, 하부 연결 프레임(222)의 내측면이 위로 볼록한 형상은 쌍곡선 형상(hyperboloid shape) 또는 쌍곡면 형상이라 할 수 있다. 구체적으로, 단면상에서 보았을 때는 쌍곡선 형상이라 할 수 있고 입체적으로 보았을 때는 쌍곡면 형상이라 할 수 있다. 도 6c를 참조하면, 상부 연결 프레임(221) 의 내측면에는 반사코팅 등을 통해 상부 반사면(223)이 형성되고, 하부 연결 프레임(222)의 내측면에는 반사코팅 등을 통해 하부 반사면(224)이 형성될 수 있다.
또한, 도 6d 및 도 7의 "프리즘 형상" 행을 참조하면, 상부 연결 프레임(221)의 내측면과 하부 연결 프레임(222)의 내측면은 엣지 집광부(210) 측으로 서로 멀어지는 일정한 경사(구배)를 유지하는 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 하부 연결 프레임(222)의 내측면은 상부 연결 프레임(221)의 내측면과 상하 대칭인 형상으로 형성될 수 있다. 상부 연결 프레임(221)의 내측면 및 하부 연결 프레임(222)의 내측면이 일정한 경사를 유지하며 엣지 집광부(210) 측에 가까워질수록 서로 멀어지는 형태의 경사를 갖는 형상은 프리즘(prism) 형상이라 할 수 있다. 도 6d를 참조하면, 상부 연결 프레임(221) 의 내측면에는 반사코팅 등을 통해 상부 반사면(223)이 형성되고, 하부 연결 프레임(222)의 내측면에는 반사코팅 등을 통해 하부 반사면(224)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 쌍곡선 형상 및 상기 프리즘 형상 각각은 수학식 5 내지 8을 만족하도록 형성될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018070780072-pat00005
[수학식 6]
Figure 112018070780072-pat00006
[수학식 7]
Figure 112018070780072-pat00007
[수학식 8]
Figure 112018070780072-pat00008
여기서, a는 프레임 입구(240)의 최상단과 프레임 출구(250)의 최상단의 상하 방향 단차, D out은 프레임 출구(250)의 상하 방향 사이즈, D in은 프레임 입구(240)의 상하 방향 사이즈, b는 프레임 입구(240)의 중심부터 프레임 출구(250)의 중심까지의 거리, S는 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈일 수 있다.
상기 수학식 6과 관련하여, 쌍곡선 형상 및 프리즘 형상으로 형성된 프레임 몸체(220)의 경우, 프레임 입구(240)의 중심부터 프레임 출구(250)의 중심까지의 거리는 광도파 집광층(100)과 엣지 집광부(210)가 가까울 때 생기는 발열현상 때문에 프레임 입구(240)의 최상단과 프레임 출구(250)의 최상단의 상하 방향 단차보다 1.5배 이상 크게 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 쌍곡선 형상 및 프리즘 형상으로 형성된 엣지 프레임부(200)는 상기 수학식 6을 만족하도록 형성될 수 있다.
한편, 도 6a 내지 도 6d는 각각의 프레임 몸체(220)의 프레임 내부 공간(230)의 형상(프레임 형태)별로 엣지(300)에서 출력된 광(130)이 엣지 집광부(210)로 향하는 광 경로, 및 엣지 집광부(210)에 도달한 광(130)의 조도 분포를 보여준다. 도 6a 내지 도 6d에 도시된 조도 분포 차트의 색상은 빨간색일수록 더 강한 값이고, 초록색일수록 더 약한 값일 수 있다. 참고로, 도 6a의 조도 분포의 범례에서 최상단에 위치한 최대값은 0.00124이고, 최하단에 위치한 최소값은 0이다. 또한, 도 6b의 조도 분포의 범례에서 최상단에 위치한 최대값은 0.00158이고, 최하단에 위치한 최소값은 0이다. 또한, 도 6c의 조도 분포의 범례에서 최상단에 위치한 최대값은 0.00133이고, 최하단에 위치한 최소값은 0이다. 또한, 도 6d의 조도 분포의 범례에서 최상단에 위치한 최대값은 0.00129이고, 최하단에 위치한 최소값은 0이다. 단위는 복사 조도의 단위인 W/mm2(와트/제곱밀리미터)이다. 참고로, 도 6a 내지 도 6d의 "엣지 집광부에서 조도 분포" 행의 각각의 그래프에서 X축의 값은, 도 6a 내지 도 6d의 "프레임 형상" 행에서 엣지 집광부(210)의 면의 법선 방향에 대한 길이에 대응하는 값을 의미하며 그 값은 -26에서 26까지이고, 단위는 mm(밀리미터)이다. 또한, 도 6a 내지 도 6d의 "엣지 집광부에서 조도 분포" 행의 각각의 그래프에서 Y축 방향에 대한 전체 크기는 프레임 출구(250)의 상하 방향 사이즈(D out)에 대응되는 값이다. 또한, 도 6a 내지 도 6d의 "엣지 집광부에서 조도 분포" 행의 각각의 그래프에서 사각형으로 표시된 부분은 엣지 집광부(210) 에 대응되는 영역이다. 즉, 도 6a 내지 도 6d의 "엣지 집광부에서 조도 분포" 행의 각각의 그래프에서 사각형으로 표시된 부분의 Y축에 대한 전체 크기는 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈(S)에 대응되는 값이다. 또한, 사각형으로 표시된 부분의 Y축의 범위는 -2에서 2까지이고, 단위는 mm(밀리미터)이다. 본 장치(1)가 창호형 태양전지 장치(시스템)에 적용될 경우, 도 6a 내지 도 6d의 "엣지 집광부에서 조도 분포" 행에 표시된 엣지 집광부(210)는 솔라셀 어레이(210)일 수 있다. 또한, 도 6a 내지 도 6d의 "엣지 집광부에서 조도 분포" 행에 표시된 엣지 집광부(210)는 광(130)이 도달하는 활성 영역(active area)일 수 있다. 프레임 내부 공간(230)이 직사각형 형태로 평평한(flat) 형상인 경우, 광(130)의 경로를 분석할 수 없을 정도로 복잡하며, 엣지 집광부(210)에 도달한 광(130)이 중간 영역보다 외곽 영역 및 엣지 집광부(210)를 벗어나는 영역에서 더 강할 수 있다. 프레임 몸체(220)가 CPC 형상, 쌍곡선 형상 및 프리즘 형상으로 형성된 경우, 광(130)의 경로가 엣지 집광부(210)로 향할 수 있으며, 광(130)의 조도 분포는 외곽 영역 및 엣지 집광부(210)를 벗어나는 영역보다 중간 영역에서 더 높을 수 있다. 이러한 조도 분포 차트 분석에 따르면, 프레임 몸체(220)가 CPC 형상, 쌍곡선 형상 및 프리즘 형상으로 형성된 경우, 프레임 몸체(220)가 평평한 형상으로 형성된 경우보다 더 높은 전력변환 효율을 기대할 수 있음이 확인된다.
도 8은 광도파 집광층의 엣지의 형상 측면의 일 구현예를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 9는 광도파 집광층의 엣지의 형상 측면의 다양한 구현예를 설명하기 위해 개략적인 단면도를 나열한 표이다. 또한, 도 10은 엣지 형상에 따른 엣지 제작 조건을 나타낸 표이다.
도 8 및 도 9를 참조하면 엣지(300)는 엣지 집광부(210) 측을 향해 돌출되는 적어도 하나의 돌기(310)를 갖는 돌출 형태로 형성될 수 있다. 이러한 돌출 형태의 엣지(300)를 통해 엣지(300)에서 출력되는 광(130)이 보다 높은 비율로 엣지 집광부(210)로 향하게 될 수 있으며, 전력변환 효율이 높아질 수 있다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 돌기(310)의 상면 및 하면 각각은 엣지 집광부(210) 측에 가까워질수록 서로 가까워지는 형태의 경사를 갖는 경사면일 수 있다.
도 9 및 도 10의 "CPC 형상" 행을 참조하면, 엣지(300)는 상면과 하면이 상하 대칭인 하나의 돌기(310)를 갖는 돌출 형태로 형성되고, 돌기(310)의 상면은 위로 볼록한 파라볼릭 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 돌기(310)의 하면은 아래로 볼록한 파라볼릭 형상으로 형성될 수 있다. 이처럼 엣지(300)의 돌기(310)를 하나로 구비하되, 그 하나의 돌기(310)가 CPC 형상으로 돌출되도록 구비함으로써, 플랫(평평)한 면을 갖는 엣지(300)와 대비하여 엣지(300)에서 나가는 광(130)들이 산란되지 않도록 할 수 있으며, 전력변환 효율을 높일 수 있다. 또한, CPC 형상은 파라볼릭 형상을 본 따 제작될 수 있다.
상기 CPC 형상의 하나의 돌기(310) 형태를 갖는 엣지(300)는 수학식 9 내지 12를 만족하도록 형성될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112018070780072-pat00009
[수학식 10]
Figure 112018070780072-pat00010
[수학식 11]
Figure 112018070780072-pat00011
[수학식 12]
Figure 112018070780072-pat00012
여기서, L은 돌기(310)의 돌출 시작단(311)의 중심부터 돌기(310)의 돌출 끝단(312)의 중심까지의 거리, D out은 돌출 끝단(312)의 상하 방향 사이즈, θ는 돌출 시작단(311)의 최상단과 돌출 끝단(312)의 최하단을 연결한 선과 돌출 시작단(311)의 최하단과 돌출 끝단(312)의 최상단을 연결한 선이 엣지 집광부(210)를 사이에 두고 이루는 각도의 절반, a는 돌출 끝단(312)의 최상단과 돌출 시작단(311)의 최상단의 상하 방향 단차, D in은 돌출 시작단(311)의 상하 방향 사이즈, S는 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈일 수 있다.
상기 수학식 11에 따르면, 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈는 돌기(310)의 돌출 끝단(312)의 상하 방향 사이즈보다 크거나 같고, 돌기(310)의 돌출 시작단(311)의 상하 방향 사이즈보다 작거나 같을 수 있다.
또한, 상기 수학식 12에 따르면, 돌출 끝단(312)의 상하 방향 사이즈는 돌출 시작단(311)의 상하 방향 사이즈 미만으로 설정될 수 있다.
도 9 및 도 10의 "프리즘 형상" 행 및 "쌍곡선 형상" 행을 참조하면, 엣지(300)는 상면과 하면이 상하 대칭인 하나의 돌기(310)를 갖는 돌출 형태로 형성되고, 돌기(310)의 상면은 아래로 오목한 곡면 형상 또는 일정한 경사를 유지하는 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 돌기(310)의 하면은 위로 오목한 곡면 형상 또는 일정한 경사를 유지하는 형상으로 형성될 수 있다. 여기서 돌기(310)의 상면이 아래로 오목한 곡면 형상이고, 하면이 위로 오목한 곡면 형상은 쌍곡선 형상(hyperboloid shape) 또는 쌍곡면 형상이라 할 수 있다. 구체적으로, 단면상에서 보았을 때는 쌍곡선 형상이라 할 수 있고 입체적으로 보았을 때는 쌍곡면 형상이라 할 수 있다. 또한, 돌기(310)의 상면 및 하면이 일정한 경사를 유지하며 엣지 집광부(210) 측에 가까워질수록 서로 가까워지는 형태의 경사를 갖는 형상은 프리즘(prism) 형상이라 할 수 있다. 이처럼 엣지(300)의 돌기(310)를 하나로 구비하되, 그 하나의 돌기(310)가 쌍곡선 형상 또는 프리즘 형상으로 돌출되도록 구비함으로써, 플랫(평평)한 면을 갖는 엣지(300)와 대비하여 엣지(300)에서 나가는 광(130)들이 산란되지 않도록 할 수 있으며, 전력변환 효율을 높일 수 있다.
상기 프리즘 형상 또는 쌍곡선 형상의 하나의 돌기(310) 형태를 갖는 엣지(300)는 수학식 13 내지 16을 만족하도록 형성될 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112018070780072-pat00013
[수학식 14]
Figure 112018070780072-pat00014
[수학식 15]
Figure 112018070780072-pat00015
[수학식 16]
Figure 112018070780072-pat00016
여기서, a는 돌기(310)의 돌출 끝단(312)의 최상단과 돌기(310)의 돌출 시작단(311)의 최상단의 상하 방향 단차, D out은 돌출 끝단(312)의 상하 방향 사이즈, D in은 돌출 시작단(311)의 상하 방향 사이즈, b는 돌출 시작단(311)의 중심부터 돌출 끝단(312)의 중심까지의 거리, S는 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈일 수 있다.
쌍곡선 형상 또는 프리즘 형상으로 형성된 돌기(310)에서 돌기(310)의 돌출 시작단(311)의 중심부터 돌기(310)의 돌출 끝단(312)의 중심까지의 거리는 광도파 집광층(100)과 엣지 집광부(210)가 가까울 때 생기는 발열현상 때문에 돌출 끝단(312)의 최상단과 돌출 시작단(311)의 최상단의 상하 방향 단차보다 1.5배 이상 크게 설정함이 바람직하다. 즉, 쌍곡선 형상 또는 프리즘 형상으로 형성된 돌기(310)가 구비된 엣지(300)는 상기 수학식 14를 만족하도록 형성될 수 있다.
또한 상기 수학식 15에 따르면, 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈는 돌출 끝단(312)의 상하 방향 사이즈보다 크거나 같고, 돌출 시작단(311)의 상하 방향 사이즈보다 작거나 같을 수 있다.
또한, 상기 수학식 16에 따르면, 돌출 끝단(312)의 상하 방향 사이즈는 돌출 시작단(311)의 상하 방향 사이즈 미만으로 설정될 수 있다.
도 9 내지 도 10의 "프리즘 시트 형상" 행을 참조하면, 엣지(300)는 상면과 하면이 상하 대칭인 복수의 돌기(310)가 상하 방향을 따라 반복적으로 배열되는 프리즘 시트(prism sheet) 형태로 돌출 형성될 수 있다. 예시적으로 도 10을 참조하면, 프리즘 시트 형태로 형성된 돌기(310)의 개수는 6개일 수 있지만, 이에만 한정된 것은 아니다. 또한, 프리즘 시트 형상이란 일반적으로 알려진 프리즘 시트의 형상을 일컫는 것으로서, 뾰족한 프리즘 단면(삼각형 단면)을 가지는 복수의 돌기가 상하 방향을 따라 반복적으로 배치되는 형상을 의미할 수 있다. 이처럼 프리즘 형태의 돌기 복수개가 상항 방향을 따라 배열된 프리즘 시트 형상으로 돌출되도록 엣지(300)를 구비함으로써, 플랫(평평)한 면을 갖는 엣지(300)와 대비하여 엣지(300)에서 나가는 광(130)들이 산란되지 않도록 할 수 있으며, 전력변환 효율을 높일 수 있다.
복수의 돌기(310) 배열을 통해 상기 프리즘 시트 형상을 갖는 엣지(300)는 수학식 17 및 18을 만족하도록 형성될 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112018070780072-pat00017
[수학식 18]
Figure 112018070780072-pat00018
여기서, a는 돌기(310)의 돌출 끝단(312)의 최상단과 돌기(310)의 돌출 시작단(311)의 최상단의 상하 방향 단차, D in은 돌출 시작단(311)에서의 복수의 돌기(310) 전체의 상하 방향 사이즈, b는 돌출 시작단(311)의 중심부터 돌출 끝단(312)의 중심까지의 거리, S는 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈일 수 있다.
프리즘 시트 형상으로 형성된 돌기(310)에서 돌기(310)의 돌출 시작단(311)의 중심부터 돌기(310)의 돌출 끝단(312)의 중심까지의 거리는 광도파 집광층(100)과 엣지 집광부(210)가 가까울 때 생기는 발열현상 때문에 돌출 끝단(312)의 최상단과 돌출 시작단(311)의 최상단의 상하 방향 단차보다 1.5배 이상 크도록 설정함이 바람직하다. 즉, 프리즘 시트 형상으로 형성된 돌기(310)가 구비된 엣지(300)는 상기 수학식 17을 만족하도록 형성될 수 있다.
또한 상기 수학식 18에 따르면, 엣지 집광부(210)의 상하 방향 사이즈는 돌출 시작단(311)에서의 복수의 돌기(310) 전체의 상하 방향 사이즈보다 작거나 같을 수 있다.
도 11은 광 추적(Ray tracing) 시뮬레이션을 진행하여 엣지 형상의 다양한 구현예에 따른 집광율 및 휘도 특성을 도시한 표이다.
도 11을 참조하면, 프레임 내부 공간(230)이 플랫(평평)한 형태의 엣지(300)가 구비된 엣지 집광형 구조체에서의 집광율이 가장 낮으며, CPC 형태의 돌기(310)를 가진 엣지(300)가 구비된 엣지 집광형 구조체에서의 집광율이 가장 높다는 것이 확인된다. 또한, 휘도 특성과 관련하여서는 엣지(300)의 돌기(310)가 프리즘 형상 및 쌍곡선 형상으로 형성된 경우, 엣지 집광부(210)로 향하는 광(130)의 직진성이 가장 높다는 것이 확인된다. 이처럼, 엣지(310)의 형태를 종래 대비 변경함으로써 전력변환 효율을 높일 수 있다.
본 장치(1)에서 광(130)은 태양광(130)이고, 엣지 집광부(210)는 솔라셀 어레이(solar cell array)(210)일 수 있다. 광(130)은 창호형 태양전지 장치에 적용될 경우 태양광(130)일 수 있다. 또한, 전술한 엣지 집광부(210)는 창호형 태양전지 장치에 적용될 경우 솔라셀 어레이(210)일 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 장치(1)인 엣지 집광형 구조체는 창호형 태양전지 장치에 적용될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
한편, 본원은 엣지 집광형 구조체(1)를 포함하는 창호형 태양전지 장치(1000)를 제공할 수 있다. 다만, 본원의 일 실시예에 따른 창호형 태양전지 장치(1000)를 설명함에 있어서 본원의 실시예에 따른 엣지 집광형 구조체(1)에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 간략히 하거나 생략하기로 한다.
본원의 일 실시예에 따른 창호형 태양전지 장치(1000)는 집광용 렌즈 어레이(400), 광도파 집광층(100) 및 엣지 프레임부(200)를 포함할 수 있다. 참고로, 광도파 집광층(100) 및 엣지 프레임부(200)는 전술한 엣지 집광형 구조체(1)에 대응되는 구성이므로, 본원의 일 실시예에 따른 창호형 태양전지 장치(1000)는 본원의 일 실시예에 따른 엣지 집광형 구조체(1)를 포함하는 장치라 할 수 있다.
집광용 렌즈 어레이(400)는 상측으로부터 입사되는 태양광(130)을 하측에 집광시킬 수 있다. 집광용 렌즈 어레이(400)는 태양광(130)을 광도파 집광층(100)에 집광시키는 용도로 사용될 수 있다. 집광용 렌즈 어레이(400)의 구조는 구면, 비구면, 프레즈넬 렌즈 등과 같이 광을 집광시키는 구조일 수 있다.
도 2를 참조하면, 광도파 집광층(100)은 집광용 렌즈 어레이(400)의 하측에 이격 배치되고, 집광용 렌즈 어레이(400)를 통과하여 상측으로부터 진입한 태양광(130)의 적어도 일부를 전반사시켜 내부의 광도파 경로(110)를 통해 엣지(300) 측으로 포집하도록 구비될 수 있다. 이격 배치된다는 것은 광도파 집광층(100)의 상면과 집광용 렌즈 어레이(400)의 하면이 소정의 간격을 두고 서로 마주보게 배치된다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 광도파 집광층(100)의 구성에 대해서는 전술한 바 있으므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
엣지 프레임부(200)는 엣지(300)에 직접적으로 대향하도록 배치되는 솔라셀 어레이(210) 및 엣지(300) 측으로 포집된 태양광(130)의 외부 유출이 차단되도록 엣지(300)를 감싸게 구비되는 프레임 몸체(220)를 포함할 수 있다. 프레임 몸체(220)는, 엣지(300)의 상단과 솔라셀 어레이(210)의 상측을 연결하는 상부 연결 프레임(221) 및 엣지(300)의 하단과 솔라셀 어레이(210)의 하측을 연결하는 하부 연결 프레임(222)을 포함할 수 있다. 상부 연결 프레임(221)의 내측면과 하부 연결 프레임(222)의 내측면은 상하 대칭되는 형상으로 형성될 수 있다. 상부 연결 프레임(221)의 내측면 및 하부 연결 프레임(222)의 내측면에는 그에 도달한 태양광(130)을 반사시키는 상부 반사면(223) 및 하부 반사면(224)이 각각 형성될 수 있다. 이러한 엣지 프레임부(200)의 구성에 대해서는 전술한 바 있으므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
엣지(300), 솔라셀 어레이(210), 상부 연결 프레임(221)과 하부 연결 프레임(222)의 사이에는 프레임 내부 공간(230)이 형성될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1000: 창호형 태양전지 장치
1: 엣지 집광형 구조체
100: 광도파 집광층 100': 광도파 집광층
110: 광도파 경로 120: 메탈 패턴
120': 메탈 패턴 130: 광
130': 광 200: 엣지 프레임부
200': 프레임 210: 엣지 집광부
210': 솔라셀 220: 프레임 몸체
221: 상부 연결 프레임 222: 하부 연결 프레임
223: 상부 반사면 224: 하부 반사면
230: 프레임 내부 공간 240: 프레임 입구
250: 프레임 출구 300: 엣지
300': 엣지 310: 돌기
311: 돌출 시작단 312: 돌출 끝단
400: 집광용 렌즈 어레이 400': 집광용 렌즈
500: 에어 클래딩 500': 에어 클래딩

Claims (12)

  1. 엣지 집광형 구조체에 있어서,
    상측으로부터 진입한 광의 적어도 일부를 전반사시켜 내부의 광도파 경로를 통해 엣지 측으로 포집하도록 구비되는 광도파 집광층; 및
    상기 엣지에 직접적으로 대향하도록 배치되는 엣지 집광부 및 상기 엣지 측으로 포집된 광의 외부 유출이 차단되도록 상기 엣지를 감싸게 구비되는 프레임 몸체를 포함하는 엣지 프레임부를 포함하되,
    상기 프레임 몸체는, 상기 엣지의 상단과 상기 엣지 집광부의 상측을 연결하는 상부 연결 프레임 및 상기 엣지의 하단과 상기 엣지 집광부의 하측을 연결하는 하부 연결 프레임을 포함하고,
    상기 엣지, 상기 엣지 집광부, 상기 상부 연결 프레임과 상기 하부 연결 프레임의 사이에는 프레임 내부 공간이 형성되며,
    상기 상부 연결 프레임의 내측면 및 상기 하부 연결 프레임의 내측면에는 그에 도달한 광을 반사시키는 상부 반사면 및 하부 반사면이 각각 형성되고,
    상기 프레임 내부 공간의 최내측에는 상기 엣지에 포집된 광이 내부로 진입되도록 개방되는 프레임 입구가 형성되며,
    상기 프레임 내부 공간의 최외측에는 상기 엣지 집광부가 배치된 상태로 폐쇄되는 프레임 출구가 형성되고,
    상기 프레임 출구의 상하 방향 사이즈는 상기 프레임 입구의 상하 방향 사이즈보다 크게 설정되며,
    상기 상부 연결 프레임의 내측면 및 상기 하부 연결 프레임의 내측면은, 각각은 상기 엣지 집광부 측에 가까워질수록 서로 멀어지는 형태의 경사를 갖는 경사면이되, 상하 대칭되는 형상으로 형성되는 것인, 엣지 집광형 구조체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 엣지 집광부의 상하 방향 사이즈는, 상기 프레임 출구의 상하 방향 사이즈 이하이고 상기 프레임 입구의 상하 방향 사이즈 이상으로 설정되는 것인, 엣지 집광형 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상부 연결 프레임의 내측면은 위로 오목한 파라볼릭 형상으로서, 하기 식 1 내지 식 4를 만족하도록 형성되고,
    [식 1]
    Figure 112020032237407-pat00019

    [식 2]
    Figure 112020032237407-pat00020

    [식 3]
    Figure 112020032237407-pat00021

    [식 4]
    Figure 112020032237407-pat00022

    여기서, L은 상기 프레임 입구의 중심부터 상기 프레임 출구의 중심까지의 거리, D out은 상기 프레임 출구의 상하 방향 사이즈, θ는 상기 프레임 입구의 최상단과 상기 프레임 출구의 최하단을 연결한 선과 상기 프레임 입구의 최하단과 상기 프레임 출구의 최상단을 연결한 선이 상기 엣지 집광부를 사이에 두고 이루는 각도의 절반, a는 상기 프레임 입구의 최상단과 상기 프레임 출구의 최상단의 상하 방향 단차, D in은 상기 프레임 입구의 상하 방향 사이즈, S는 상기 엣지 집광부의 상하 방향 사이즈인 것인, 엣지 집광형 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 연결 프레임의 내측면은 아래로 볼록한 곡면 형상 또는 일정한 경사를 유지하는 형상으로서, 하기 식 5 내지 식 8을 만족하도록 형성되고,
    [식 5]
    Figure 112020032237407-pat00023

    [식 6]
    Figure 112020032237407-pat00024

    [식 7]
    Figure 112020032237407-pat00025

    [식 8]
    Figure 112020032237407-pat00026

    여기서, a는 상기 프레임 입구의 최상단과 상기 프레임 출구의 최상단의 상하 방향 단차, D out은 상기 프레임 출구의 상하 방향 사이즈, D in은 상기 프레임 입구의 상하 방향 사이즈, b는 상기 프레임 입구의 중심부터 상기 프레임 출구의 중심까지의 거리, S는 상기 엣지 집광부의 상하 방향 사이즈인 것인, 엣지 집광형 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엣지는 상기 엣지 집광부 측을 향해 돌출되는 적어도 하나의 돌기를 갖는 돌출 형태로 형성되고,
    상기 돌기의 상면 및 하면 각각은 상기 엣지 집광부 측에 가까워질수록 서로 가까워지는 형태의 경사를 갖는 경사면인 것인, 엣지 집광형 구조체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 엣지는 상면과 하면이 상하 대칭인 하나의 돌기를 갖는 돌출 형태로 형성되고,
    상기 돌기의 상면은 위로 볼록한 파라볼릭 형상으로서, 하기 식 9 내지 식 12를 만족하도록 형성되며,
    [식 9]
    Figure 112018070780072-pat00027

    [식 10]
    Figure 112018070780072-pat00028

    [식 11]
    Figure 112018070780072-pat00029

    [식 12]
    Figure 112018070780072-pat00030

    여기서, L은 상기 돌기의 돌출 시작단의 중심부터 상기 돌기의 돌출 끝단의 중심까지의 거리, D out은 상기 돌출 끝단의 상하 방향 사이즈, θ는 상기 돌출 시작단의 최상단과 상기 돌출 끝단의 최하단을 연결한 선과 상기 돌출 시작단의 최하단과 상기 돌출 끝단의 최상단을 연결한 선이 상기 엣지 집광부를 사이에 두고 이루는 각도의 절반, a는 상기 돌출 끝단의 최상단과 상기 돌출 시작단의 최상단의 상하 방향 단차, D in은 상기 돌출 시작단의 상하 방향 사이즈, S는 상기 엣지 집광부의 상하 방향 사이즈인 것인, 엣지 집광형 구조체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 엣지는 상면과 하면이 상하 대칭인 하나의 돌기를 갖는 돌출 형태로 형성되고,
    상기 돌기의 상면은 아래로 오목한 곡면 형상 또는 일정한 경사를 유지하는 형상으로서, 하기 식 13 내지 식 16을 만족하도록 형성되며,
    [식 13]
    Figure 112018070780072-pat00031

    [식 14]
    Figure 112018070780072-pat00032

    [식 15]
    Figure 112018070780072-pat00033

    [식 16]
    Figure 112018070780072-pat00034

    여기서, a는 상기 돌기의 돌출 끝단의 최상단과 상기 돌기의 돌출 시작단의 최상단의 상하 방향 단차, D out은 상기 돌출 끝단의 상하 방향 사이즈, D in은 상기 돌출 시작단의 상하 방향 사이즈, b는 상기 돌출 시작단의 중심부터 상기 돌출 끝단의 중심까지의 거리, S는 상기 엣지 집광부의 상하 방향 사이즈인 것인, 엣지 집광형 구조체.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 엣지는 상면과 하면이 상하 대칭인 복수의 돌기가 상하 방향을 따라 반복적으로 배열되는 프리즘 시트 형태로 돌출 형성되고,
    상기 복수의 돌기 각각의 상면은 하기 식 17 및 식 18을 만족하도록 형성되며,
    [식 17]
    Figure 112018070780072-pat00035

    [식 18]
    Figure 112018070780072-pat00036

    여기서, a는 상기 돌기의 돌출 끝단의 최상단과 상기 돌기의 돌출 시작단의 최상단의 상하 방향 단차, D in은 상기 돌출 시작단에서의 상기 복수의 돌기 전체의 상하 방향 사이즈, b는 상기 돌출 시작단의 중심부터 상기 돌출 끝단의 중심까지의 거리, S는 상기 엣지 집광부의 상하 방향 사이즈인 것인, 엣지 집광형 구조체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광은 태양광이고,
    상기 엣지 집광부는 솔라셀 어레이인 것인, 엣지 집광형 구조체.
  12. 창호형 태양전지 장치에 있어서,
    상측으로부터 입사되는 태양광을 하측에 집광시키는 집광용 렌즈 어레이;
    상기 집광용 렌즈 어레이의 하측에 이격 배치되고, 상기 집광용 렌즈 어레이를 통과하여 상측으로부터 진입한 태양광의 적어도 일부를 전반사시켜 내부의 광도파 경로를 통해 엣지 측으로 포집하도록 구비되는 광도파 집광층; 및
    상기 엣지에 직접적으로 대향하도록 배치되는 솔라셀 어레이 및 상기 엣지 측으로 포집된 태양광의 외부 유출이 차단되도록 상기 엣지를 감싸게 구비되는 프레임 몸체를 포함하는 엣지 프레임부를 포함하되,
    상기 프레임 몸체는, 상기 엣지의 상단과 상기 솔라셀 어레이의 상측을 연결하는 상부 연결 프레임 및 상기 엣지의 하단과 상기 솔라셀 어레이의 하측을 연결하는 하부 연결 프레임을 포함하고,
    상기 엣지, 상기 솔라셀 어레이, 상기 상부 연결 프레임과 상기 하부 연결 프레임의 사이에는 프레임 내부 공간이 형성되며,
    상기 상부 연결 프레임의 내측면 및 상기 하부 연결 프레임의 내측면에는 그에 도달한 태양광을 반사시키는 상부 반사면 및 하부 반사면이 각각 형성되고,
    상기 프레임 내부 공간의 최내측에는 상기 엣지에 포집된 광이 내부로 진입되도록 개방되는 프레임 입구가 형성되며,
    상기 프레임 내부 공간의 최외측에는 엣지 집광부가 배치된 상태로 폐쇄되는 프레임 출구가 형성되고,
    상기 프레임 출구의 상하 방향 사이즈는 상기 프레임 입구의 상하 방향 사이즈보다 크게 설정되며,
    상기 상부 연결 프레임의 내측면 및 상기 하부 연결 프레임의 내측면은, 각각은 상기 엣지 집광부 측에 가까워질수록 서로 멀어지는 형태의 경사를 갖는 경사면이되, 상하 대칭되는 형상으로 형성되는 것인, 창호형 태양전지 장치.
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