KR102656003B1 - 태양광 집광모듈 설치용 프레임 - Google Patents

Abstract

표면 및 배면으로 태양광을 받아 발전할 수 있는 태양전지패널 구비하는 상면부와, 상면부 상변에서 이격된 위치에서 시작하여 아래쪽으로 연장되는 면적에 위치하는 평판형의 제1 반사체, 제1 반사체의 하단에서 상면부의 하변쪽으로 연장 설치되는 평판형의 제2 반사체를 구비하여, 상기 상변에서 상기 제1 반사체 상변 사이의 이격 공간인 창을 통해 입사한 빛이 제1 반사체 및 제2 반사체에 반사되어 태양전지패널의 배면으로 입사하여 태양광 발전이 이루어지는 태양광 집광모듈을 설치하기 위한 프레임으로서, 상면부 길이 방향으로 신장하며 상면부 상면에 냉각 및 세정 용수를 공급하는 노즐을 구비하는 적어도 하나의 측변 파이프를 가지며 상면부를 설치할 수 있도록 이루어진 상면부 설치용 프레임과, 적어도 하나의 반사체와 접하면서 반사체의 열을 빼앗도록 설치되는 용수배관을 포함하고 상기 반사체가 고정 지지되는 반사체 설치용 프레임을 구비하여 이루어지는 태양광 집광모듈 설치용 프레임이 개시된다.

Description

태양광 집광모듈 설치용 프레임{frame for setting solar module}

본 발명은 태양광 발전에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광을 받아 기전력을 발생시키는 태양전지가 빛을 효율적으로 받을 수 있도록 구성되는 태양광 집광모듈을 설치하기 위한 프레임의 기능적 구성에 관한 것이다.

태양광 발전은 신재생에너지의 일종으로 중요한 현재 및 미래 에너지원 중의 하나이다. 일반적으로 태양광 발전설비는 태양전지(solar cell)를 이용하여 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치를 말한다. 이때, 태양전지는 PN접합 반도체로 구성되어 태양광의 조사시 자유전자를 발생시키는 과정에서 전기를 유도하는 기능을 수행한다. 태양광 발전에서 가장 중요한 것은 발전 효율이며, 효율 향상을 위한 많은 기술개발이 이루어지고 있다.

도1은 기존의 통상의 단면형 태양전지 모듈(태양광 집광모듈)의 기본적 구성을 나타내는 부분적 사시 단면도이다.

위쪽에서 태양광이 입사한다고 가정할 때, 태양전지 모듈은 대개 복수 개의 단위 셀이 행렬 형태로 배열되어 이루어지는 태양전지(17) 위로 EVA 재질의 보호충진층(15)과, 유리 윈도우층(11)을 구비하고, 태양전지(17) 아래로 보호충진층 및 후면보호판(back sheet)을 구비하여 이루어지며, 태양전지 모듈에서 이들이 겹쳐진 상태로 측방이 사각 액자형의 알루미늄 프레임(13)에 의해 커버되도록 실링재로 고정된다. 태양전지(17) 아래의 보호충진층 및 후면 보호판은 상표명 테드라(Tedlar)라고 하는 플루오르화 폴리비닐판(19)으로 일체형으로 이루어질 수 있다. 여기서는 도시되지 않지만 태양광 집광모듈에서 태양전지 단자는 후방으로 인출되어 후면 보호판 뒤쪽 정션 박스(junction box)에 외부 조절기(controller)와 연결될 수 있도록 설치되며, 조절기는 인버터를 통해 전력 계통과 연결될 수 있다.

한편, 태양광 발전의 효율 향상을 위한 기술 가운데 하나로 양면 수광형 태양전지의 개발, 사용이 이루어지고 있다. 가령, 도2의 양면발전 태양광 집광모듈과 같이 태양전지를 지면 혹은 수평면과 일정 각도로 설치한 일반적인 경우를 기준으로 볼 때, 양면 수광형 태양전지에서는 기존의 편면형 태양전지와 대비할 때 맨땅에서는 10%, 흰색 돌이나 자갈 바닥이나 흰색 페인트로 칠한 바닥에서는 15%, 반사판 설치등의 광학적 설계시 25%로 최대의 경우 효율을 30%까지 끌어올릴 수 있다고 알려져 있으며, 이러한 양면형 태양전지로는 산요전기의 HIT 셀(CELL)의 양면형(Bifacial type) 등을 예시할 수 있다.

대한민국 특허출원번호 10-2013-0003199 "양면수광형 태양전지의 제조방법" 등에 개시된 바에 따르면 발전 효율을 높이기 위해 태양전지 양면에서 태양광을 수광하여 발전을 할 수 있는 태양전지가 개시된다.

그리고, 이 외에도 양면에서 태양광을 수광할 수 있는 효율적인 구성에 대한 다양한 개발이 이루어지고 있다.

그런데, 기존 태양전지 모듈에서 태양광 발전 효율을 높게 유지하기 위해서는 태양전지가 적정한 온도 범위에 있도록 하는 것이 필요하다. 가령 태양전지에서 태양광의 일부는 열로 전환되어 주변 온도를 지나치게 높이고 태양전지 효율을 떨어뜨리며, 태양전지 품질 열화를 일으킬 수 있는데, 이런 문제점을 억제하기 위해 태양전지 및 그 주변의 온도가 너무 높아지지 않도록 하는 것이 필요하게 된다.

특히 양면 수광형 태양전지에서는 전, 후면을 모두 포괄하여 생각할 때 단면 수광형 태양전지에 비해 더욱 많은 태양광이 집중되므로 태양광 모듈에서 열로 전화되는 태양에너지의 총량이 늘어나게 되고, 따라서 양면 수광형 태양전지에 대해서는 단면 수광형 태양전지에 비해 열 부담을 줄여주는 것이 더 필요하게 될 수 있다.

양면 수광형 태양전지에 대해서는, 일반적 태양광 발전의 관점에서, 태양전지를 설치할 때 발전 효율을 높이기 위해서 태양전지(solar cell) 자체의, 광에너지를 전기에너지로 전환시킬 수 있는 전환 효율을 높이는 기술 개발과 함께 설치 면적 대비 발전 효율을 높이는 문제도 중요하지만, 온도 상승에 의한 발전 효율 저하를 억제, 예방할 수 있는 설비 구성이 중요하게 되고, 아울러, 태양광 발전 효율을 높은 상태로 지속적으로 유지 관리하기에 적합한 집광모듈 설치용 주변 구성, 가령 집광모듈 설치용 프레임 구성 등이 요구된다.

대한민국 특허출원 10-2013-0003199 양면수광형 태양전지의 제조방법. 대한민국 특허공개 10-2011-0044502 다중 반사형 태양 집광 구조체. 대한민국 특허등록 10-1099387 중첩 보강된 광을 위한 균일 격자체 구조.

본 발명은 상술한 종래의 양면 수광형 태양전지의 태양광 발전에서의 문제점을 해결 혹은 개선하기 위한 것으로, 태양광 집광모듈로 집중되는 태양광에 의해 온도가 과도하게 상승하여 발전 효율을 저해하는 것을 방지하는데 이용할 수 있는 구성을 가지는 태양광 집광모듈 설치용 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 일 측면에서, 양면 수광형 태양전지 패널의 설치 상태와 반사판의 설치 상태 사이의 상대적 위치를 조절하여 태양광 집광 효율을 높이는 데 적합한 구조의 태양광 집광모듈 설치용 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 한편으로 태양전지 패널의 표면 오염으로 인한 태양광 입사 방해 및 그로 인한 발전 효율 저하를 억제, 방지하기에 적합한 구성을 가지는 태양광 집광모듈 설치용 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 종합적으로 볼 때 발전 효율을 저해하는 요인들을 고려하여 발전설비 내구성을 높이고 주어진 상태에서 발전 효율을 높은 상태로 유지 관리할 수 있도록 하는 구성을 가지는 태양광 집광모듈 설치용 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광 집광모듈 설치용 프레임은,

표면 및 배면으로 태양광을 받아 발전할 수 있는 태양전지패널 구비하는 상면부와, 상면부 상변에서 이격된 위치에서 시작하여 아래쪽으로 연장되는 면적에 위치하는 평판형의 제1 반사체, 제1 반사체의 하단에서 상면부의 하변쪽으로 연장 설치되는 평판형의 제2 반사체를 구비하여, 상기 상변에서 상기 제1 반사체 상변 사이의 이격 공간인 창을 통해 입사한 빛이 제1 반사체 및 제2 반사체에 반사되어 태양전지패널의 배면으로 입사하여 태양광 발전이 이루어지는 태양광 집광모듈을 설치하기 위한 프레임으로서,

상면부 길이 방향으로 신장하며 상면부 상면에 냉각 및 세정 용수를 공급하는 노즐을 구비하는 적어도 하나의 측변 파이프를 가지며 상면부를 설치할 수 있도록 이루어진 상면부 설치용 프레임과,

적어도 하나의 반사체와 접하면서 반사체의 열을 빼앗도록 설치되는 용수배관을 포함하고 상기 반사체가 고정 지지되는 반사체 설치용 프레임을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 본 발명은 상기 상면부 설치용 프레임과 상기 반사체 설치용 프레임 사이의 각도를 가변할 수 있도록 한편으로 상기 상면부 설치용 프레임에 결합되고 한편으로 상기 반사체 설치용 프레임에 결합되는 각도조절 프레임을 더 구비할 수 있다.

본 발명에서 반사체 설치용 프레임으로는 제2 반사체에 대한 것과 제1 반사체에 대한 것이 구비될 수 있다. 이런 경우, 제2 반사체 설치용 프레임과 상면부 설치용 프레임 사이의 각도 조절을 제2 각도조절 프레임이 담당하고, 제1 반사체 설치용 프레임은 제2 반사체 설치용 프레임과 제1 반사체 설치용 프레임 사이의 각도 조절을 담당하도록 이루어질 수 있다.

본 발명에서 각도조절 프레임은 기존의 두 물체 사이의 각도 조절을 위한 것으로 잘 알려진 장치 구성들을 다양하게 사용하여 구성할 수 있다.

본 발명에서 상면부 설치용 프레임은 액자와 같은 4각틀을 기본으로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상면부 설치용 프레임은 자체가 관체로 이루어져 내부로 용수 유통이 이루어지고, 관체 일부에 하나 이상의 노즐이 형성되어 상면부 상면을 향해 용수를 공급하는 형태를 가지도록 할 수 있다. 노즐은 용수가 수압을 가지고 태양전지 패널 표면과 충돌하면서 표면의 이물질 등을 제거하도록 형성될 수 있고, 단순히 태양전지 패널 표면을 흘러내려가도록 형성될 수도 있다. 전자는 태양광이 셀에 입사하는 것을 방해하는 이물질 제거용 혹은 세정용을 위주로 한 것으로 볼 수 있고, 후자는 표면을 흐르는 과정에서 표면과 접촉을 통해 열을 빼앗아 태양광 모듈의 냉각을 위주로 한 것으로 볼 수 있지만 어느 경우나 세정용과 냉각용을 겸하여 기능하는 것으로 볼 수 있다.

본 발명에서 상면부의 태양전지패널은 단일한 양면수광형 태양전지 패널이거나, 두 개의 단면수광형 태양전지 패널을 수광면이 밖을 향하도록, 즉 이들의 수광면이 태양전지패널의 표면 및 배면을 이루도록 겹쳐서 형성된 것일 수 있다.

본 발명에서 상면부와 제1 반사체 사이 공간은 태양광이 모듈 내부 공간으로 입사하는 창을 이루게 되며, 창은 단순히 개방된 공간으로 이루어질 수도 있지만, 유리나 폴리카보네이트 합성수지와 같은 투명 재질의 판재인 광투입창을 구비하여 이루어질 수도 있다.

본 발명에서 상면부 설치용 프레임은 태양전지 어레이를 이루기 위한 하나의 행 혹은 열에 용수를 공통으로 공급하도록 하는 파이프 라인의 일부를 이루는 것일 수 있다.

본 발명에서 반사체 설치용 프레임에 구비된 냉각용수 관로는 내부를 흐르는 용수가 항상 일방향으로 흐르도록 디자인된 것일 수 있다.

본 발명에서 상면부는 수평면과 필요에 따라 적당한 각도, 가령 위도를 고려하여 35도의 각도를 이루고, 제1 반사체는 수직면과 45도 내지 -45도의 각도를 이루고, 제2 반사체는 지면이나 설치용 프레임, 상면부와 제1 반사체의 설치 각도에 따라 태양전지 패널에 집광이 용이하도록 하는 각도를 이루도록 구성될 수 있다. 가령 본 발명에서 제1 반사체가 수직면과 이루는 각도를 경사도라고 할 때 45도 내지 -45도, 혹은 10도 내지 -10도 범위에서 가변적으로 조절가능하게 설치될 수 있다.

본 발명의 태양광 집광 모듈은 태양광 발전 설비의 태양광 어레이를 이루도록 하나의 평면(경사 평면 혹은 수평면) 상에서 적어도 한 방향 혹은 2차원 행렬 형태로 복수개가 배열될 수 있다.

본 발명에 따르면 양면 수광형 태양전지의 태양광 발전에서 태양광 집광모듈로 집중되는 태양광에 의해 온도가 과도하게 상승하여 발전 효율을 저해하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면 태양전지 패널의 표면을 필요에 따라 세정하여 표면에서의 이물질로 인하여 태양광 입사량이 줄어들고 발전 효율이 떨어지는 문제를 경감시킬 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면 양면 수광형 태양전지의 집광모듈을 이루는 반사체와 상면부 사이의 각도 조절이 가능하도록 설치용 프레임 부분들 사이의 각도를 조절함으로써 주변 환경과 시기에 맞게 집광모듈의 설치 형태를 조절하고 태양광 발전 효율을 높이는 것을 가능하게 할 수 있다.

본 발명은 전체적으로 볼 때 태양광 발전 설치, 집광 모듈의 발전 효율과 관리 효율을 높이는 효과를 가질 수 있다.

도1은 종래의 단면형 태양광 집광모듈의 일 예의 일 부분을 나타내는 부분 단면 사시도,
도2는 종래의 양면형 태양광 집광모듈의 한 설치 형태를 나타내는 개념도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 적합한 태양광 집광모듈의 일 예를 나타내는 사시적 구성개념도이며, 도4는 본 발명의 일 실시예의 구성개념을 나타내는 정단면도,
도5는 도3의 태양광 집광모듈에 측면판과 광투입창이 구비되어 외부 공간과 내부 공간이 구분되는 태양광 집광모듈을 형성한 상태를 개략적으로 나타내는 사시적 구성 개념도,
도6은 도3 및 도4의 태양광 집광모듈을 설치하기 위한 본 발명 태양광 집광모듈 설치용 프레임의 일 실시예를 개념적으로 간략하게 나타내는 사시도,
도7은 도6의 태양광 집광모듈 설치용 프레임에 도4의 태양광 집광모듈이 결합된 설치예를 개략적으로 나타내는 정면도,
도 8은 제2 반사체에 대한 제1 반사체의 설치 각도를 가변할 수 있는 태양광 집광모듈의 다른 예의 구성개념을 나타내는 정단면도,
도 9는 도6의 태양광 집광모듈 설치용 프레임에 도8의 태양광 집광모듈이 결합된 설치예를 개략적으로 나타내는 정면도이다.

이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도3 및 도4를 함께 참조하면 본 실시예와 관련된 집광모듈은 표면(외측면) 및 배면(내측면)에서 태양광을 받아 발전할 수 있는 태양전지패널 구비하는 상면부(110)와, 상면부(110) 상변에서 이격된 위치에서 시작하여 아래쪽으로 연장되는 면적에 위치하는 평판형의 제1 반사체(120), 제1 반사체(120)의 하단에서 상면부의 하변에 연결되도록 연장 설치되는 평판형의 제2 반사체(130)를 구비하여 이루어진다.

상면부(110)는 표면이 지평면과 경사지게 설치되며, 상면부 길이 방향의 지평면 방향 성분은 정남 방향을 향하는 것으로 한다.

상면부(110)를 이루는 태양전지패널은 여기서 두 개의 단면 수광형 태양전지패널(111, 113)을 겹쳐서 실질적으로 양면 수광형 태양전지패널처럼 작용하도록 형성된다.

상면부(110) 상변에서 제1 반사체(120) 상변 사이의 이격 공간인 창(140)을 통해 입사한 빛이 제1 반사체(120) 내측면 및 제2 반사체(130) 내측면에서 반사되어 배면측의 단면 수광형 태양전지패널(113)의 수광면으로 입사하여 태양광 발전이 실행될 수 있도록 이루어진다.

상면부(110)는 지평면과 35도 각도를 이루며 길이 2미터, 폭 1미터의 규격으로 형성된다. 제1 반사체(120)는 상면부(110)와 같은 1미터 폭으로 형성되며, 상단(상변)을 중심으로 외측으로 회전된 상태로, 수직면과 10도의 각도를 이루고 있다.

상면부(110)의 상변과 제1 반사체(120)의 상변 사이의 길이는 50cm이고 상면부와 같은 평면상에서 상면부를 연장한 공간이 창이 된다. 따라서 창의 폭은 1m, 창의 길이는 50cm가 된다.

여기서 상면부(110)가 지평면과 35도 각도를 이루도록 설치된 것은 태양의 남중고도를 고려하여 연평균으로 가장 효율적으로 태양빛을 받을 수 있는 각도가 대략 35도이기 때문이다. 제2 반사체(130)는 지평면과 6.8도 각도, 제1 반사체(120)와 직각에 가까운 86.8도를 이루며 2269mm의 길이와 1미터의 폭을 가진다. 이때, 제1 반사체는 1183mm 길이를 가지게 된다.

제1 반사체(120)와 제2 반사체(130)가 만나는 점은 상면부(110)의 상변에 해당하는 점에서 상면부(110)와 수직하게 연장된 선상에 놓여 있다.

대략 상면부(110) 표면과 수직하게 입사한 입사광은 도시된 화살표와 같이 제1 반사체(120)의 반사면인 내측면에서 반사되어 제2 반사체(130)의 내측면으로 입사하고, 다시 제2 반사체(130)의 내측면에서 반사하여 상면부의 배면측에 있는 단면 수광형 태양전지패널(113)로 입사한다. 이 배면에서 입사광은 태양전지에 의해 일부는 전기를 생산하게 되고, 일부는 표면에서 반사되어 다시 제2 반사체 내측면으로 가고 다시 반사되어 태양전지패널의 배면의 다른 위치로 입사하여 마찬가지로 일부는 전기를 생산하고 일부는 제2 반사체 내측면으로 보내진다.

물론 집광모듈이 설치되는 주변 지형과 위도, 계절 시기 등 환경 상황에 따라 상면부, 제1 및 제2 반사체가 바라보는 방향, 수평면 혹은 수직면과 이루는 각도 등은 다양하게 설계되고, 가변, 조절될 수도 있다. 가령 다른 예에서 보면 집광모듈의 상면부와 제2 반사체가 수평면과 이루는 각도는 각각 35도, 15,35도, 제1 반사체가 수직면과 평행하게 형성될 수 있고, 또다른 예에서 보면 상면부와 제2 반사체가 수평면과 이루는 각도는 각각 35도, 20.96도, 제1 반사체가 수직면과 -10도 각도를 이루도록 형성될 수 있다.

이런 구성에서 상면부 표면으로 입사하는 태양광은 양면수광형 태양전지 패널의 표면측 셀에서 태양광 발전을 하고, 창으로 입사하는 태양광은 집광 모듈 내부에서 반사체들를 통해 반사되어 태양전지 패널의 배면측 셀에서 태양광 발전을 하면서 태양광의 일부는 경로 중에서 혹은 물체에서 반사되면서 물체 속에서 열을 생산하게 된다.

더욱이 집광 모듈은 도5에 도시되듯이 제1 반사체(120), 제2 반사체, 상면부(110)를 구비한 것에 더하여 제1 반사체(120), 제2 반사체, 상면부(110)의 좌, 우 측부에 공통으로 설치되는 측면판(450)을 가질 수 있고, 창은 투명 유리나, 폴리카보네이트와 같은 플라스틱 재질의 패널, 즉 광투입창(440)으로 이루어질 수 있다.

그리고 측면판(450)의 내측면에도 반사체를 두어 제3 반사체로서 형성하면 일출에서 일몰까지 태양의 고도뿐 아니라 방위각이 달라짐에 따라 집광모듈의 정면으로 입사하는 태양광 성분 외에 좌, 우측에서 입사하는 태양광 성분을 반사시켜 태양전지 패널의 배면 셀에 입사하도록 하고 이에 따라 태양광 발전 효율을 증가시킬 수 있다.

이런 경우, 집광모듈 내부 공간이 외부와 차단되고 밀폐되면서 외부의 이물질, 먼지, 물기 등이 내부 공간으로 들어가 반사체 내측면(반사면)을 오염시키고 반사 효율을 떨어뜨리는 것을 방지할 수 있어 집광 모듈의 유지, 관리에 도움이 되는 측면도 있지만, 집광 모듈 내부 공간은 열을 배출하기 어려워 내부 공간은 온도가 상당한 정도로 상승할 수 있다.

도6 및 도7을 참조하면 본 발명의 일 실시예를 이루는 집광모듈 설치용 프레임이 개시된다. 이 프레임은 집광모듈의 상면부와 반사체를 설치할 수 있도록 이루어지며 따라서 집광모듈의 형태, 구성에 대응하도록 형성된다.

그러므로 먼저 집광모듈을 살펴보면, 앞선 도3 내지 도4에서 보이듯이 집광 모듈은 표면 및 배면으로 태양광을 받아 발전할 수 있는 태양전지패널 구비하는 상면부(110)와, 상면부 상변에서 이격된 위치에서 시작하여 아래쪽으로 연장되는 면적에 위치하는 평판형의 제1 반사체(120), 제1 반사체의 하단에서 상면부의 하변쪽으로 연장 설치되는 평판형의 제2 반사체(130)를 구비하여, 상변에서 제1 반사체 상변 사이의 이격 공간인 창(140)을 통해 입사한 빛이 제1 반사체 및 제2 반사체에 반사되어 태양전지패널의 배면으로 입사하여 태양광 발전이 이루어지게 된다.

이에 대응하는 본 실시예의 집광모듈 설치용 프레임은 집광모듈의 상면부(110)가 안착될 수 있는 상면부 설치용 프레임(20)과 제2 반사체(130)가 놓이는 반사체 설치용 프레임(30)을 구비하여 이루어진다.

상면부 설치용 프레임(20)은 액자와 같은 사각틀 형태를 가지며, 이 사각틀 형태는 상면부 길이 방향으로 신장하는 좌, 우 측변부(21)와 상변부(25)와 하변부(27)를 구비하여 이루어진다. 좌, 우 측변부(21), 상변부(25), 하변부(27)는 속이 비어서 내부로 용수가 흐를 수 있는 각형 파이프로 이루어질 수 있다.

각형 파이프의 내측 하단에는 내측을 향하여 뻗는 플랜지부(29)가 설치되어 그 위에 집광모듈의 상면부(110)를 설치하면 상면부(110)가 상면부 설치용 프레임(20)에 용이하게 설치될 수 있다. 여기서는 명확히 도시되지 않지만 상면부 태양전지 패널의 전기선을 설치하기 용이하도록 상면부 설치용 프레임의 플랜지부나 기타 부분에는 적절한 위치에 통과구멍이나 전선걸이 등을 설치할 수 있다.

좌, 우 측변부(21)에는 길이 방향을 따라 다수의 용수분사노즐(23)이 설치되어 있다. 이 집광모듈 설치용 프레임은 행렬 형태로 배열되는 다수의 집광모듈로 이루어지는 태양광 어레이를 형성하기 위한 전체 프레임의 일 부분을 형성하는 것이 일반적이며, 여기서는 전체 프레임에 설치된 용수배관(50)이 밸브(28)를 통해 하변부(27)와 연결되며, 하변부(27)는 다시 좌, 우 측변부(21)와 연결되어 있다.

따라서, 밸브(28)를 열면 용수배관(50)에서 용수가 하변부(27)로 공급되고, 용수는 하변부와 서로 연결된 좌, 우 측변부(21)에 설치된 다수의 용수분사노즐(23)을 통해 상면부(110)에 있는 태양전지패널의 표면으로 분사된다.

용수분사노즐(23)에서 분사된 용수는 표면에서 먼지와 같은 이물질을 제거하는데 사용될 수 있고, 표면에 분사된 용수는 중력에 의해 표면을 따라 하변부쪽으로 흘러내리면서 표면과 광범위하게 접촉하여 표면의 열을 빼았아 집광모듈의 온도 혹은 태양전지 패널의 온도를 낮추는 역할을 할 수 있다.

이런 세정 기능과 냉각 기능을 위해 용수분사노즐(23)의 설치 위치, 갯수, 방출되는 용수의 압력, 용수살포각도, 방향 등을 적절히 설정하여 세정 및 냉각 효율은 높이고, 사용되는 용수는 절약하여 용수의 효율적 이용이 이루어지도록 한다.

패널을 따라 내려온 용수는 별도의 시설 없이 설치된 지면에 바로 낙하할 수도 있지만 개방된 홈통 형태의 배관을 용수배관과 나란히 설치하여 용수를 수집하고 이를 모아서 별도로 여과, 냉각 과정을 거쳐 재사용할 수도 있다.

상면부 설치용 프레임(20)이 수평면과 이루는 설치 각도는 기본적으로 앞선 도3, 4의 집광 모듈의 상면부(110)의 설치 각도와 같도록 하되 주변 상황에 따라 상면부 설치용 프레임(20)과 상면부(110)가 서로 약간 각방향으로 이격 각도를 가질 수 있으므로 이를 감안하여 상면부 설치용 프레임(20)의 설치 각도를 정할 수 있다.

한편, 반사체 설치용 프레임(30)은 대략 사다리 형태를 이루며, 사다리의 한 측변에 해당하여 냉각수가 인입되는 인입파이프(31), 사다리의 나머지 측변에 해당하여 냉각수가 인출되는 인출파이프(35), 인입파이프와 인출파이프에서 대략 수직하게 다수 개소에서 분기되어 이들 인입파이프와 인출파이프를 연결하는 사다리살(step part)에 해당하는 흡열 파이프(33)를 구비하여 이루어진다.

흡열 파이프(33)는 집광모듈의 제2 반사체 배면과 닿아 제2 반사체로부터 열을 빼앗게 되며, 이런 기능을 효율적으로 하기 위해 흡열 파이프는 열전도성이 좋은 금속 재질로 형성하는 것이 바람직하고, 흡열 파이프에 한정하여 냉각수 흐름의 방향을 길이 방향이라고 할 때, 반사체 배면과의 접촉 면적을 증가시키기 위해 넓은 폭의 접촉 평면을 가지되 냉각수 흐름이 지나치게 많아지는 것을 방지하기 위해 두께 방향의 높이는 작은 각형 파이프를 사용하는 것이 바람직하다.

이 실시예에서는 반사체 설치용 프레임(30)을 사다리꼴 형태로 형성하고 내부가 빈 관형 파이프를 이용하여 설치함으로써 프레임과 냉각용 배관을 겸하도록 하고 있지만 프레임을 별도로 설치하고 이 프레임이 속하는 평면에 주택의 온돌용 난방배관과 같은 냉각수 배관을 별도로 추가 설치하는 방식도 생각할 수 있으며, 열교환 효율을 높이기 위해 이 냉각수 배관 위에 열전도성이 우수한 플레이트(미도시)를 접촉시키고 이 플레이트에 제2 반사체를 전면적으로 접하도록 설치하는 구성도 생각할 수 있다.

여기서는 명확히 도시되지 않으나, 위에서 언급한 어느 실시예에서도 냉각수 배관의 인입부에 밸브를 설치하여 해당 집광모듈로의 냉각수 공급을 개폐, 조절할 수 있다. 반사체 설치용 프레임에 구비된 냉각수 관로는 내부를 흐르는 냉각수가 항상 일방향으로 흐르도록 디자인되는 것이 냉각효율을 위해 바람직하다.

통상 냉각수 인입파이프(31)는 냉각수 공급용 공통배관(미도시)에 연결될 것이며, 냉각수 인출파이프(35)는 냉각수 회수용 공통배관에 연결될 것이다. 앞서 언급한 용수배관(50)을 냉각수 공급용 공통 배관으로 이용하는 것도 생각할 수 있으며, 이런 경우, 회수용 공통배관 없이 사용된 냉각수는 바로 지면으로 배출하는 것도 생각할 수 있다.

인출파이프(35)로 나온 냉각수는 회수용 공통배관, 저장조를 통해 다시 공급용 공통배관으로 공급될 수 있으며, 이 과정에서 방열수단을 거쳐 냉각 기능을 효율적으로 발휘할 수 있는 온도까지 충분히 내부 열을 방출하는 것이 필요하다. 방열수단은 기존에 잘 알려진 다양한 방열 수단을 사용할 수 있다.

반사체 설치용 프레임(30)이 수평면과 이루는 설치 각도도 기본적으로 앞선 도3, 4의 집광 모듈의 제2 반사체(130) 설치 각도와 같도록 하되 주변 상황에 따라 반사체 설치용 프레임(30)과 제2 반사체(130)가 서로 약간 각방향으로 이격 각도를 가질 수 있으므로 이를 감안하여 반사체 설치용 프레임의 설치 각도를 정할 수 있다.

반사체 설치용 프레임(30)과 상면부 설치용 프레임(20)의 서로 인접한 끝단은 반사체 설치용 프레임(30) 및 상면부 설치용 프레임(20) 각각의 수평면과의 설치 각도에 맞게 일정 사이각을 가지도록 직접 고정 결합될 수도 있지만 여기서는 각도조절 프레임(40)에 각각 연결, 고정된다. 여기서 각도조절 프레임(40)은 반사체 설치용 프레임과 상면부 설치용 프레임의 설치 각도를 각각 별도로 조절할 수 있도록 형성되는 것으로 한다. 물론, 반사체 설치용 프레임과 상면부 설치용 프레임의 사이각이 일정하게 고정된 상태에서 이 고정부를 중심으로 하여 집광 모듈 자체를 전체적으로 회전시키는 구성도 고려할 수 있다.

각도조절 프레임의 구성은 기어 바퀴로 이루어진 기어 박스와 이 기어 박스의 회전축을 구동하기 위한 전동모터의 조합과 같이 기존에 잘 알려진 각도조절기 구성을 비롯하여 다양하게 잘 알려진 구성들을 채용할 수 있으며 그 구체적 구성은 기존에 잘 알려진 것이므로 여기서는 그 설명은 생략하기로 한다.

도8을 참조하면, 여기서 집광 모듈은 배면과 표면에 각각 단면 수광형 태양전지 패널을 구비하여 실질적으로 양면 수광형 태양전지 패널과 같은 기능을 하는 상면부(110)와, 제1 반사체(520), 제2 반사체(530)를 구비하여 이루어진다.

단, 여기서는 제1 반사체(520)가 하나의 폭 방향 수평축을 중심으로 회전할 수 있게 트레킹 미러(tracking mirror) 형태로 구성되며, 이를 위해 제1 반사체와 제2 반사체가 서로 연결되는 부분에는 이들 사이의 각도 조절을 위한 각도조절장치가 구비된다. 이렇게 제1 반사체(520)가 회전하는 구성의 실시예 중에서도 제1 반사체(520)의 회전이 제1 반사체 상변에 형성된 축을 중심으로 이루어져 제1 반사체(520) 상변과 상면부(110) 상변 사이의 간격, 즉, 창의 크기가 변하지 않는 상태로 유지되는 실시예도 고려할 수 있지만, 도9에서는 제1 반사체(520)의 하변에 형성된 축을 중심으로 제1 반사체(520) 회전이 이루어져 입사광이 들어오는 창(540)의 면적이 달라지는 경우를 예시하고 있다.

창(window:540)은 제1 반사체가 회전중심축을 중심으로 회전할 때 제1 반사체의 상변이 그리는 궤적과 같은 형태의 곡면을 가지는 투명판으로 이루어지며, 이 창을 그 궤적보다 조금 높은 위치에 설치하여 제1 반사체(520)의 회전시 방해가 되지 않도록 설치하고 있다.

즉, 이 실시예에서는 태양전지 패널이 구비된 상면부(110)와 제2 반사체(530)의 위치, 경사 각도는 고정되어 있고, 제2 반사체(530)와 만나는 부분인 제1 반사체(520)의 하변 위치에 회전중심축이 설치되어 이를 중심으로 제1 반사체(520)가 회전할 수 있도록 구성되어 있다.

제1 반사체의 회전은, 각도조절 프레임의 작용과 비슷하게 이루어질 수 있다. 가령, 각도조절장치 내에 구비되어, 회전중심축이나 제1 반사체를 직접 움직여 제1 반사체를 물리적으로 회전시키는 다양한 형태의 액츄에이터, 가령 모터를 이용하여 이루어질 수 있으며, 이런 액츄에이터의 가동은 일정한 트레킹(tracking) 프로그램에 의해 이 액츄에이터를 움직이는 콘트롤러(controller)를 작용시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 트레킹 프로그램은 하루를 주기로 시간에 따른 태양의 고도 변화에 따르도록 한 것일 수 있고, 하루를 주기로 하되 계절별, 월별로 다르게 회전 각도 수치가 정해진 트레킹 프로그램을 사용할 수도 있다.

이러한 제1 반사체의 회전은, 제1 반사체를 상면부와 비교할 때 훨씬 간단하고 가볍게 형성하여, 상면부를 이루는 태양전지패널의 자세 혹은 설치 각도를 변화시키는 것에 비해 쉽게 이루어지도록 할 수 있다.

도9는 도8의 집광모듈을 본 발명의 한 프레임에 결합시킨 형태를 나타내고 있다. 도9를 참조하면, 여기서 사용된 집광모듈 설치용 프레임은 기본적으로 도6에 개시된 집광모듈 설치용 프레임의 실시예와 같은 구성을 가진다고 볼 때, 여기서도 상면부(110)는 상면부 설치용 프레임(20)에 결합, 고정되고, 제2 반사체(530)는 반사체 설치용 프레임(30)에 결합 고정된다.

여기서 상면부(110)와 제2 반사체(130)는 각도조절 프레임(40)에 의해 수평면에 대한 혹은 수직면에 대한 그 설치 각도가 조절될 수 있고, 제1 반사체(520)는 집광모듈 자체에 구비된 각도조절장치(550)에 의해 수평면에 대한 혹은 수직면에 대한 그 설치 각도가 조절될 수 있다. 결과적으로 제1 반사체(520), 제2 반사체(530), 상면부(110)의 태양전지 패널은 각각이 현재의 계절 및 일과 시점에서 태양의 고도 등을 고려하여 가장 효율적인 설치 각도를 가지고 배치되어 태양광 발전의 효율을 증대시킬 수 있다.

이를 위해 각도조절 프레임(40)에 설치되는 액츄에이터와 각도조절장치에 사용되는 액츄에이터는 동일한 하나의 콘트롤러에 의해 구동될 수 있고, 집광모듈의 제1 반사체와 제2 반사체 사이의 각도는 태양 위치 데이터를 고려하여 프레임 및 집광모듈의 각 요소의 설치 각도를 조절하도록 이루어지는 구동 프로그램에 의해 상면부의 설치 각도, 상면부와 제2 반사체 사이의 설치 각도에 연동되어 해당 시점에서 가장 높은 태양광 발전 효율을 올릴 수 있도록 이루어질 수 있다.

하나의 예시로서, 각도조절장치를 이용한 제1 반사체(520)의 회전 각도 범위는 제1 반사체(520)가 수직한 위치를 중심으로 시계방향 및 반시계방향으로 가령 각각 10도 혹은 15도 범위가 될 수 있다.

가령, 태양의 고도 혹은 창으로의 태양광의 입사각도가 작을 때에는 제1 반사체(520)는 시계 방향으로 가령 10도만큼 회전된 위치를 가지고, 이런 경우, 창의 크기가 줄어들지만 입사광은 제1 반사체(520)에서 적정하게 반사되어 제2 반사체(530), 태양전지 패널의 배면에 설치된 셀로 투입되어 발전에 사용될 수 있다.

반대로 태양의 고도가 90도에 가깝게 클 때에는 제1 반사체(520)는 회전중심축(각도조절장치: 550)을 중심으로 수직 위치 기준 반시계 방향으로 10도만큼 회전된 위치에 있고, 이런 경우, 창의 크기가 늘어나고, 입사광은 제1 반사체(520)에서 적정하게 반사되어 마찬가지로 제2 반사체(530), 태양전지 패널 배면의 셀로 투입될 수 있다.

만약 고도가 90도에 가까울 때 제1 반사체(520)가 시계방향으로 10도 정도 회전된 위치라면, 창의 크기도 작아지고, 제 1 반사체(520)와 닿는 태양광은 제1 반사체(520)의 외측면에 닿아 외측으로 반사되고, 집광모듈 내부 공간으로 들어와서 태양전지 패널의 배면 셀에 도달하기 어렵게 될 것이다.

만약 고도가 90도에 비해 훨씬 작은 50도 정도라고 할 때 제1 반사체가 반시계 방향으로 10도 정도 회전된 위치라면, 입사광은 제2 반사체보다는 직접 태양전지 배면으로 입사할 수 있는데, 이때 입사각이 너무 커서 태양전지 패널에서는 최초 입사시 대부분 반사되고, 이런 반사광은 제2 반사체와 태양전지 패널 배면 사이의 복수회 반사를 통해 제2 반사체와 태양전지 패널 배면이 서로 접하는 구석 부분에 몰려 발전효율은 낮고, 열로의 전환은 많게 되는 문제가 생길 수 있다.

그리고 본 발명의 집광모듈 설치용 프레임을 이용하면, 도시되지 않은 온도센서에 의해 태양전지 패널의 온도가 기준 이상인 것으로 감지되거나 표면 탁도가 일정 기준 이상인 것으로 감지되면 상면부 설치용 프레임(20)의 용수분사노즐(23)을 통해 용수를 표면에 분사하여 온도를 낮추거나 태양광을 가리는 표면 이물질을 제거할 수 있다.

마찬가지로 도시되지 않은 온도 센서에 의해 제2 반사체(530)로 대표되는 집광모듈 온도가 일정 기준 이상인 것으로 감지되면 반사체 설치용 프레임(30)의 냉각수 관로에 설치된 밸브를 개방하여 냉각수가 흐르면서 제2 반사체에 접하게 하고, 집광모듈로부터 열을 빼앗아 집광 모듈의 내부 온도가 태양광 발전에 적합한 일정 기준 온도 이하가 되도록 관리할 수 있게 된다.

여기서는 본 발명 프레임에서 반사체 설치용 프레임(30)이 제2 반사체(530)와 접하면서 제2 반사체(530)를 고정하는 단순한 형태로 이루어지고, 제1 반사체(520)와 제2 반사체(530) 사이의 각도 조절은 집광모듈 자체에 구비된 각도조절장치(550)에 의해 이루어지는 구성을 도시하고 있지만, 이런 구성 대신에 반사체 설치용 프레임이 제2 반사체에 접하는 제2 반사체 설치용 프레임과 제1 반사체에 접하는 제1 반사체 설치용 프레임으로 구분되고, 집광모듈 자체에는 각도조절장치(550)가 없으며, 제1 반사체 설치용 프레임과 제2 반사체 설치용 프레임 사이에 제2 각도조절 프레임이 있는 구성도 가능하다. 이런 경우의 제2 각도조절 프레임의 동작은 도9에서의 집광모듈 자체에 구비된 각도조절장치(550)의 동작과 실질적으로 동일하게 이루어질 수 있다. 또한 제1 반사체 설치용 프레임의 냉각수 관로 구성 및 제2 반사체 설치용 프레임의 냉각수 관로 구성은 도6의 반사체 설치용 프레임(30)의 구성과 유사한 구성으로 이루어질 수 있다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

20: 상면부 설치용 프레임 21: 측변부
23: 노즐(용수분사노즐) 25: 상변부
27: 하변부 28: 밸브
29: 플랜지
30: 반사체 설치용 프레임 31: 인입파이프
33: 흡열파이프 35: 인출파이프
40: 각도조절 프레임 50: 용수배관
110: 상면부 111, 113: 단면 수광형 태양전지패널
120, 520: 제1 반사체 130, 530: 제2 반사체
140: 창 440, 540: 광투입창
450: 측면판(제3 반사체) 550: 각도조절장치(각도조절기)

Claims (6)

1. 표면 및 배면으로 태양광을 받아 발전할 수 있는 태양전지패널 구비하는 상면부와, 상기 상면부의 상변에서 이격된 위치에서 시작하여 아래쪽으로 연장되는 면적에 위치하는 평판형의 제1 반사체, 상기 제1 반사체의 하단에서 상면부의 하변쪽으로 연장 설치되는 평판형의 제2 반사체를 구비하여, 상기 상면부의 상변에서 상기 제1 반사체의 상변 사이의 이격 공간인 창을 통해 입사한 빛이 상기 제1 반사체 및 상기 제2 반사체에 반사되어 상기 태양전지패널의 배면으로 입사하여 태양광 발전이 이루어지는 태양광 집광모듈을 설치하기 위한 프레임으로서,
   상기 상면부 길이 방향으로 신장하며 상기 상면부 표면에 냉각 및 세정 용수를 공급하는 용수분사노즐을 구비하는 적어도 하나의 관로를 가지며 상기 상면부를 설치할 수 있도록 이루어진 상면부 설치용 프레임과,
   상기 제1 반사체와 상기 제2 반사체 중에서 적어도 하나의 반사체와 접하면서 상기 반사체의 열을 빼앗도록 설치되는 냉각수 배관을 포함하고 상기 반사체가 고정 지지되는 반사체 설치용 프레임을 구비하여 이루어지고,
   상기 상면부 설치용 프레임과 상기 반사체 설치용 프레임 사이의 각도를 가변할 수 있도록 한편으로 상기 상면부 설치용 프레임에 결합되고 한편으로 상기 반사체 설치용 프레임에 결합되는 각도조절 프레임을 더 구비하고,
   상기 반사체 설치용 프레임은 상기 제2 반사체에 대한 부분인 제2 반사체 설치용 프레임과 상기 제1 반사체에 대한 부분인 제1 반사체 설치용 프레임으로 구분 형성되고,
   상기 제2 반사체 설치용 프레임과 상기 상면부 설치용 프레임 사이의 각도 조절을 제2 각도조절 프레임이 담당하고, 상기 제2 반사체 설치용 프레임과 상기 제1 반사체 설치용 프레임 사이의 각도 조절은 제1 각도조절 프레임이 담당하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 집광모듈 설치용 프레임.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 상면부 설치용 프레임은 자체가 관체로 이루어져 내부로 용수 유통이 이루어지고, 상기 관체 일부에 하나 이상의 노즐이 형성되어 상기 상면부의 표면을 향해 용수를 공급하는 형태를 가지도록 이루어지는 태양광 집광모듈 설치용 프레임.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서
   상기 냉각수 배관은 상기 상면부 설치용 프레임에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급용 공통배관으로부터 냉각수를 공급받도록 이루어지는 태양광 집광모듈 설치용 프레임.