KR200390785Y1 - 태양 전지 장치 - Google Patents

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KR200390785Y1
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Abstract

태양 전지 장치는 프레임에 볼록한 형태의 상부면을 가지며 광을 굴절시키기 위한 제1 렌즈 및 상기 제1 렌즈와 인접하며 톱니 형태로 돌출되는 돌출부가 형성된 하부면을 가지며 상기 제1 렌즈를 통과한 광을 회절시키기 위한 제2 렌즈가 밀착되어 고정되며, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 이용하여 상기 광을 집속한다. 상기 태양 전지는 집속된 광을 전기에너지로 변환한다.. 상기 태양 집광 장치의 렌즈는 초점 거리가 짧고 무게가 적다.

Description

태양 전지 장치{Solar cells device}
본 고안은 태양열을 이용하는 태양 전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양 전지로 광을 집중시켜 이를 전기 에너지를 변환하기 위한 태양 전지 장치에 관한 것이다.
최근 국제 원유값 상승과 석유의 제한적인 매장량으로 인해 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 상기 대체 에너지의 에너지로는 생물량 에너지, 수력, 원자력, 지열, 태양열, 풍력, 조력, 파력, 수소 에너지 등이 있다.
특히 태양열을 이용하는 수단으로 태양 전지(solar cells)가 있다. 상기 태양 전지는 태양광에너지를 직접 전기로 변환시키는 반도체화합물 소자이다. 상기에서 태양 전지는 석유나 석탄 등의 에너지와는 달리 영구적으로 사용이 가능하며, 소음이나 이산화탄소의 배출이 없는 깨끗한 에너지이다. 또한 태양 전지는 설치 후 유지 비용이 없이 사용 가능하며, 소음 또는 진동이 없다.
그러나 이러한 태양광 발전은 햇빛이 있어야만 발전이 가능하기 때문에 계절과 기후의 제약을 크게 받으며, 큰 발전량을 얻기 위해서는 태양 전지가 매우 커야 하는데 이를 위해서는 넓은 땅이 필요하다는 결점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 상기 태양 전지에 태양광을 보다 많이 집적하도록 렌즈를 이용한다. 그러나 상기 렌즈는 초점 거리가 길어 상기 렌즈와 태양 전지 사이의 간격이 큰 문제점이 있다. 또한 상기 렌즈의 무게가 무거운 단점이 존재한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 목적은 짧은 초점 거리를 가지면서 태양 전지로 광을 집적할 수 있는 태양 전지 장치를 제공하는데 있다.
상기 본 고안의 목적을 달성하기 위하여 본 고안에 따른 태양 전지 장치는 볼록한 형태의 상부면과 상기 상부면에 대응하며 톱니 형태로 돌출되는 다수의 돌출부가 형성된 하부면을 가지며, 상기 상부면을 통해 입사된 광을 집속하기 위한 렌즈와, 상기 렌즈를 수용하기 위한 슬롯이 형성된 프레임 및 상기 렌즈를 통과하여 집속된 광을 전기 에너지를 변환하기 위한 태양 전지를 포함한다.
상기 태양 전지 장치의 렌즈는 볼록한 형태의 제1 면과 상기 제1 면과 대응하며 편평한 형태의 제2 면을 가지며, 상기 제1 면을 통해 입사되는 광을 굴절시키기 위한 제1 렌즈 및 상기 제1 렌즈의 제1 면과 마주보며 편평한 형태의 제3 면과 톱니 형태로 돌출되는 다수의 돌출부가 형성된 제4 면을 가지고, 상기 제1 렌즈와 밀착하도록 배치되며 상기 제1 렌즈를 통과한 광을 회절시키기 위한 제2 렌즈를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 고안에 따른 태양 전지 장치는 초점 거리가 짧아 상기 렌즈들과 태양 전지와의 간격을 좁힐 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 태양 전지 장치에 대해 상세히 설명한다.
우선 일반적인 태양 전지 장치에 대해 살펴보면, 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력 : Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.
도 1은 본 고안의 바람직한 일실시예에 따른 태양 전지 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상기 태양 전지 장치(100)는 태양광을 집속하기 위한 태양광 집속부와 태양 전지(140)로 구성된다. 상기 태양광 집속부는 제1 렌즈(110), 제2 렌즈(120) 및 프레임(130)으로 구성된다.
도 2는 도 1에 도시된 태양 전지 장치의 태양광 집속부를 설명하기 위한 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 태양광 집속부를 설명하기 위한 측면도이다. 도 4는 도 2에 도시된 태양광 집속부를 설명하기 위한 평면도이고, 도 5는 도 2에 도시된 태양광 집속부를 설명하기 위한 배면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 제1 렌즈(110)는 광을 굴절시켜 집속하기 위한 것으로, 전체적으로 사각형 플레이트 형태를 갖는다. 구체적으로 상기 제1 렌즈(110)는 상부면(112)은 볼록한 형태를 가지며, 하부면(114)은 편평한 형태를 가진다. 즉 상기 제1 렌즈(110)는 평 볼록(plano-convex) 렌즈이다.
상기 제1 렌즈(110)의 재질로는 아크릴산 수지 또는 폴리카보네이트(poly carbonate)가 사용된다. 상기 아크릴산 수지는 합성수지의 한 가지로, 내수, 내산, 내알칼리 및 내유성이 있으며, 전기의 절연 재료, 안전유리, 합성 고무 따위에 이용된다. 상기 폴리 카보네이트는 플라스틱 수지로서, 커피메이커, 다리미 등 가전제품에서부터 자동차부품, 이동전화케이스 등 첨단 제품에 이르기까지 매우 광범위하게 활용된다. 상기 아크릴산 수지는 광선 투과율이 93%이고, 폴리 카보네이트는 광선 투과율이 85~91%이다.
상기 제1 렌즈(110)의 표면은 자외선 코팅된다. 상기 자외선 코팅에 의해 상기 제1 렌즈(110)에서 발생하는 열응축을 감소시킬 수 있다.
상기 제2 렌즈(120)는 상기 제1 렌즈(110)에서 굴절된 광을 수렴하기 위한 수렴 렌즈의 일종으로, 상기 제1 렌즈(110)와 대응하도록 사각형 플레이트 형태를 갖는다. 상기 제2 렌즈(120)의 상부면(122)은 편평한 형태를 가지며, 하부면(124)은 상기 제2 렌즈(120)의 길이 방향으로 연장된 돌출부(126)가 형성된다. 상기 돌출부(126)는 톱니 형태를 가지며, 상기 하부면(124)의 길이 방향의 중심선을 향하도록 경사진 형태이다. 즉 상기 돌출부(126)는 상기 중심선을 기준으로 대칭되도록 형성된다. 상기 돌출부(126)의 경사에 따라 상기 태양광 집속 장치(100)의 초점 거리가 달라진다. 구체적으로 상기 돌출부(126)의 경사가 급한 경우 상기 태양광 집속 장치(100)의 초점 거리가 길고, 상기 돌출부(126)의 경사가 완만한 경우 상기 태양광 집속 장치(100)의 초점 거리가 짧다.
상기 제2 렌즈(120)는 일종의 프레넬 렌즈(fresnel lens)이다. 상기 프레넬 렌즈는 수렴 렌즈의 일종으로 볼록 렌즈로서의 기능을 유지하면서 몇 개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에 프리즘작용을 가지게 하여 수차를 작게 한 것이다. 따라서 렌즈의 두께를 줄이는데 큰 역할을 한다.
상기 프레넬 렌즈는 등대용으로 옛날부터 사용되었으나 플라스틱 재료를 사용하여 카메라의 파인더를 밝게 하는 핀트판에 이용하거나 오버헤드프로젝터(OHP) 등에 이용되며, 자동차의 미등에도 사용된다.
본 발명의 실시예에서는 제2 렌즈(120)가 사각형 형태를 가지므로 다수의 돌출부(126)가 길이 방향으로 연장된 선형 형태의 프레넬 렌즈가 사용되었지만, 경우에 따라서는 제2 렌즈가 원형 형태를 가지며 다수의 돌출부가 동심원 형태의 연장된 원형 형태의 프레넬 렌즈가 사용될 수도 있다.
상기 제2 렌즈(120)의 재질로는 상기 제1 렌즈(110)와 마찬가지로 아크릴산 수지 또는 폴리카보네이트(poly carbonate)가 사용된다. 상기 아크릴산 수지 및 폴리카보네이트에 대한 설명은 상기 제1 렌즈(110)의 설명과 동일하다.
상기 제2 렌즈(120)의 표면은 상기 제1 렌즈(110)와 마찬가지로 자외선 코팅된다. 상기 자외선 코팅에 의해 상기 제2 렌즈(120)에서 발생하는 열응축을 감소시킬 수 있다.
상기 프레임(130)은 상기 제1 렌즈(110) 및 제2 렌즈(120)가 서로 밀착된 상태를 유지하도록 고정한다. 상기 프레임(130)에는 슬롯(132)이 형성된다. 상기 슬롯(132)에는 상기 제1 렌즈(110) 및 제2 렌즈(110)가 삽입되어 고정된다. 이때 상기 제1 렌즈(110)의 상부면이 태양광이 입사되는 방향에 위치하도록 상기 프레임(130)에 고정된다.
상기 제1 렌즈(110) 및 제2 렌즈(120)가 상기 슬롯(132)에 삽입 고정되므로, 상기 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 중 어느 하나에 이상이 있는 경우 두 개의 렌즈(110, 120) 모두 교체하는 것이 아니라 이상이 있는 렌즈 만을 용이하게 교체할 수 있다.
상기와 같이 태양 전지 장치(100)에서는 태양광 집속부의 초점 거리가 짧은 것이 유리하므로 상기 도면들에 도시된 바와 같이 상기 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120)는 밀착되도록 배치되는 것이 바람직하다. 그러나 경우에 따라 태양광 집속부의 초점 거리가 긴 것이 요구될 수 있다. 이 경우에는 상기 프레임(130)에 다양한 간격을 갖는 슬롯들을 형성하고, 각각의 슬롯에 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120)를 삽입함으로써 태양광 집속부의 초점 거리를 다양하게 조절할 수 있다.
상기 태양광 집속부는 평 볼록 렌즈인 제1 렌즈(110)와 프레넬 렌즈인 제2 렌즈(120)를 복합적으로 사용한다. 그러므로 상기 태양광 집속부는 양 볼록 렌즈를 사용할 때보다 짧은 초점 거리를 갖는다. 또한 상기 태양광 집속부는 렌즈의 두께를 줄일 수 있으므로 무게도 줄일 수 있다. 그리고 상기 제1 렌즈(110) 및 제2 렌즈(120)는 자외선 코팅을 통해 렌즈에 발생하는 열응축을 감소시킬 수 있다.
상기 태양광 집속부는 도시되지는 않았지만 보통 태양을 향하도록 하기 위해서 2-축 궤도 시스템으로 설치된다.
상기 태양 전지(140)는 상기 태양광 집속부의 하부에 구비되며, 상기 태양광 집속부에 의해 집속된 광을 전기 에너지로 변환한다.
상기 태양 전지(140)는 태양광 에너지를 직접 전기로 변환시키는 반도체화합물 소자이다. 대부분의 반도체들은 광기전력효과(photovotaic effect)를 나타내지만 상기 태양전지(140)로서 다량 생산할 수 있는 반도체로는 주로 실리콘(Si)과 갈륨아세나이드(GaAs)이며, 실리콘이 가장 많이 활용되고 있다. 그러나 최근에는 카드뮴 텔러라이드(CdTe)와 카파인디움다이셀레나이드(CulnSe2 ; CIS) 반도체들이 활용되고 있기도 하다.
이들은 박막형 태양전지로 구분되고 있다. 실리콘이 반도체산업에서 가장 많이 사용되는 이유는 지구상에서 두번째로 보편화된 화학물질이고, 석영모래로부터 얻을 수 있기 때문이다. 그러나 전자부품이나 태양전지에 사용할 수 있는 실리콘은 고순도의 실리콘이다.
실리콘 태양전지는 결정상태에 따라서 단결정실리콘(monocrystalline silicon) 태양전지, 다결정실리콘(multicrystalline silicon) 태양전지, 비정질실리콘(amorphous silicon) 태양전지의 세 가지로 분류한다.
현재 결정계 태양전지들의 두께는 0.3∼0.5mm로 제작되는데, 이 두께 정도면 기계적 강도를 만족시킴은 물론 태양전지의 표면에 조사되는 일사량을 충분하게 흡수할 수 있다. 비정질계는 광에너지의 흡수율이 더 우수하기 때문에 태양전지로 수 마이크론의 두께로 제작이 가능하다. 그러나 비정질계의 경우 장시간 사용시에는 점차 퇴화가 빨라져서 효율이 감소한다는 단점이 있다.
일반적인 태양전지의 구조와 원리를 살펴보면 단결정실리콘 태양전지의 경우에는 실리콘에 5가의 원소들인 인, 비소, 안티몬 등을 함침시켜 만든 p형 반도체로 이루어진 p-n 결합구조이다. 이와같이 p형 반도체와 n형 반도체가 하나의 단결정으로 접합이 되면 불순물의 농도차에 의하여 n형 반도체의 잉여전자(electron)가 p형의 반도체로 확산해 가고, 반대로 정공(hole)은 p형에서 n형으로 확산한다. 이에 따라서 p형 반도체의 전도대(conduction band) 내에 있는 전자의 에너지는 n형보다 좁아지고 n형 반도체의 가전자대(valence band)에 있는 정공이 갖는 에너지는 p형 반도체보다 높아지게 되므로 내부 전위차가 발생하게 된다.
이때 금지대폭 이상의 광에너지가 흡수되면 가전자대에 있는 전자가 여기되어 금지대폭을 건너뛰어 전도대로 이동하게 된다. 이와같은 여기상황으로 인하여 가전자대에 있었던 전자의 자리가 비게되어 양전하처럼 행동하는 정공이 형성되므로 양전하(정공)와 음전하(전자)의 쌍이 생기게 된다. 이렇게 생성된 전자-정공 쌍은 각각의 농도차와 전위차에 의하여 각각 전자는 n형으로, 정공은 p형으로 이동하여 외부회로에 의하여 전류가 흐르게 되는 것이다. 일반적으로 태양 전지에서 셀(cell)은 태양광 방사에너지를 조사했을 때 전기를 발생하는 반도체 소자를 일컫고 모듈(module)은 복수의 태양전지 셀을 전기적으로 접속하고 내구환경을 고려하여 제작된 최소단위의 발전유닛을 말한다. 그리고 어레이(array)는 실제 사용부하에 맞추어 구성된 모듈의 집합체이다.
상술한 바와 같이, 본 고안의 바람직한 실시예들에 따른 태양 전지 장치는 두 개의 렌즈를 밀착하여하여 사용함으로써 상기 태양광 집속부의 초점 거리를 단축할 수 있다. 또한 상기 태양광 집속부에 사용되는 렌즈의 두께를 줄일 수 있어 무게도 감소시킬 수 있다. 또한 상기 렌즈들을 자외선 코팅 처리하여 열응축을 감소시킬 수 있다.
상기에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 실용신안 청구 범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 고안의 바람직한 일실시예에 따른 태양 전지 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 태양 전지 장치의 태양광 집속부를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 태양광 집속부를 설명하기 위한 측면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 태양광 집속부를 설명하기 위한 평면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 태양광 집속부를 설명하기 위한 배면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 제1 렌즈 112 : 상부면
114 : 하부면 120 : 제2 렌즈
122 : 상부면 124 : 하부면
126 : 돌출부 130 : 프레임
132 : 슬롯 140 : 태양 전지

Claims (5)

  1. 볼록한 형태의 상부면과 상기 상부면에 대응하며 톱니 형태로 돌출되는 다수의 돌출부가 형성된 하부면을 가지며, 상기 상부면을 통해 입사된 광을 집속하기 위한 렌즈;
    상기 렌즈를 수용하기 위한 슬롯이 형성된 프레임; 및
    상기 렌즈를 통과하여 집속된 광을 전기 에너지를 변환하기 위한 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는 볼록한 형태의 제1 면과 상기 제1 면과 대응하며 편평한 형태의 제2 면을 가지며, 상기 제 1면을 통해 입사되는 광을 굴절시키기 위한 제1 렌즈; 및
    상기 제1 렌즈의 제1 면과 마주보며 편평한 형태의 제3 면과 톱니 형태로 돌출되는 다수의 돌출부가 형성된 제4 면을 가지고, 상기 제1 렌즈와 밀착하도록 배치되며 상기 제1 렌즈를 통과한 광을 회절시키기 위한 제2 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 렌즈의 돌출부는 상기 제2 렌즈의 길이 방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 렌즈의 돌출부는 상기 제4 면의 중심선을 기준으로 대칭되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈는 자외선 코팅 처리되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 장치.
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