KR20050106184A - 광 집속형 태양전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 종래의 태양전지 모듈이 단지 직진광만을 이용하여 태양광 발전을 수행하게 되므로 산란광에 해당되는 상당한 양의 태양 에너지를 이용할 수 없어 발전 효율이 높지 않은 문제점이 있기 때문에,

다수의 태양전지가 동일 간격으로 배치되고 태양광에 대하여 수직하게 설치되는 기판과, 상기 기판의 가장자리를 따라 상기 기판에 대하여 외측으로 경사지게 설치되어 태양으로부터 입사된 태양광선을 상기 기판에 배치된 태양전지측으로 반사시켜 집광시키는 반사판을 포함하여 구성됨으로써,

반사판 측으로 입사되는 직진광과 산란광을 태양전지 측으로 집광하게 되므로 광에너지의 양이 증가되어 각 태양전지에서 생산되는 전기의 양을 증가시키게 되므로 발전효율이 증대되도록 하는 광 집속형 태양전지 모듈에 관한 것이다.

Description

광 집속형 태양전지 모듈 {Ray focusing type solar cell module}

본 발명은 다수의 태양전지를 이용하여 전기를 생산하는 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 특히 태양광중 직진광뿐만 아니라 대기중에서 산란되는 산란광까지 태양전지 측으로 집광하여 발전 효율을 향상시킨 광 집속형 태양전지 모듈에 관한 것이다.

우리가 일반적으로 사용하고 있는 에너지는 석유와 석탄 및 천연 가스와 같은 화석에너지이며, 이러한 화석에너지는 그 양이 한정되어 있으므로 언젠가는 고갈되고 여러 오염물질을 배출하기 때문에 대부분의 국가에서는 이를 대체하여 사용할 수 있는 대체에너지를 개발하고 있는 실정이다. 화석에너지를 대체할 수 있는 에너지는 여러 종류가 있는 바, 조수 간만의 차를 이용하여 에너지를 얻는 조력, 파도를 이용하여 에너지를 얻는, 바람의 힘을 이용하여 에너지를 얻는 풍력, 그리고 땅속의 열을 이용하는 지열 등이 있으며, 이들 에너지의 근원이 되는 태양에너지가 있다. 이들 여러 대체 에너지를 이용하는 방법은 상당 부분 실용화되고 있으며, 태양에너지를 이용하여 발전 및 난방에 이용하는 것도 그 중 하나이다.

태양에너지를 이용하는 방법은 크게 태양열을 이용하는 방법과 태양광을 이용하는 방법으로 구분된다. 태양열을 이용하는 방법은 태양에 의해 데워진 물 등을 이용하여 난방 및 발전을 하는 방법이며, 태양광을 이용하는 방법은 태양의 빛을 이용하여 전기를 발생시킴으로써 이 전기로 각종 기계 및 기구를 작동시킬 수 있도록 하는 방법으로 태양광 발전이라고 한다.

태양광발전은 무한정, 무공해의 햇빛을 직접 전기로 바꿀 수 있도록 한 기술로서, 햇빛이 비추는 곳 어디에서나 전기를 얻을 수 있고, 다른 방식과는 달리 대기오염이나 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없는 깨끗한 에너지원이다. 또한, 연료의 수송과 발전설비의 유지관리가 거의 불필요하며, 수명이 길고 설비규모의 선택과 설치 공사가 쉬운 장점이 있다. 그러나, 태양에너지의 밀도와 에너지변환효율이 낮아 넓은 설치면적이 필요하고 발전단가가 상대적으로 높은 단점이 있어, 고효율의 태양전지를 개발할 필요가 있다.

태양광발전은 반도체 접합으로 이루어진 태양전지에 태양광이 조사되면 태양광에 의한 광기전력 효과(photovoltaic effect)로 기전력이 발생하게 되며, 이 기전력에 의해 발생되는 전기에너지를 축전지에 축전하거나 필요한 부하에 따라 적합하게 사용하는 것을 말한다. 태양전지를 이용한 태양광발전에 대한 개요를 설명하면 다음과 같다.

태양광발전의 기본 원리는 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 PN 접합으로 구성된 태양전지(solar cell;11)에 태양광이 입사될 때 태양전지(11)의 내부에서 전자-정공 쌍이 여기되고, 분리된 전자와 정공이 이동되어 N층(11a)과 P층(11b)을 각각 음극과 양극으로 대전시키는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 발생시키는 것이다. 이때, 태양전지(11)의 N층(11a)과 P층(11b)을 외부 부하(13)에 접속하게 되면 태양전지(11)에서 발생된 전류가 외부 부하(13)로 흐르게 되는 것이다.

즉, 태양전지(11)에 태양(10)의 빛이 조사되면 광에너지에 의해 태양전지(11)의 N층(11a) 및 P층(11b)의 내부에서 전자-정공쌍이 여기되고, 이 전자 및 정공이 각각 태양전지(11)의 N층(11a) 및 P층(11b)의 표면으로 이동하게 됨으로써, 태양전지(11)의 N층(11a)과 P층(11b)을 가로지르는 전류의 흐름이 발생하게 된다. 이를 광기전력 효과라 하며, 이 광기전력 효과에 의해 발생된 전류 흐름이 태양전지(11)에 연결된 외부 부하(13)에 전류가 흐르게 함으로써 외부 부하(13)를 작동시키게 되는 것이다.

그런데, 상기 태양전지(11)는 하나의 발전량이 약 1.5W 정도로 작아 일반 전기용품에 사용되기에 불충분한 면이 있다. 따라서 필요한 단위 용량으로 복수의 태양전지(11)를 연결하고 각 태양전지(11)를 보호하기 위하여 투명한 합성수지 등으로 태양전지(11)를 싸서 유리판 사이에 넣는 형태의 태양전지 모듈을 만들어 사용하고 있다. 그러나, 태양전지(11)는 태양전지 모듈 속에서 그 효율이 약간 떨어져 태양광을 받으면 태양광의 에너지 중 약 10-15%만이 전기로 변환된다. 따라서 대부분의 태양광 발전설비는 이러한 태양전지 모듈을 여러 개 합쳐서 이용하고 있다.

또한, 비나 눈 또는 구름 등에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생되지 않고 일사량의 강도에 따라 불균일한 직류가 발생되는 단점이 있다. 따라서 일반적인 태양광 발전설비는 사용가능한 충분한 전기를 공급하기 위하여 태양전지 모듈을 직렬 및 병렬로 복수개 연결한 태양전지 어레이와, 전력을 저장하기 위한 축전지, 전력의 세기를 일정하게 조정하기 위한 전력조정기 및 직류를 사용가능한 교류로 전환시키기 위한 인버터 등으로 구성되어 있다.

태양광 발전설비는 크게 독립형 태양광 발전설비와 계통 연계형 태양광 발전설비로 구분된다. 독립형 태양광 발전설비는 생산된 전기를 전력망에 연결하지 않고 사용하는 것으로서, 등대나 섬과 같이 전력 계통이 정비되지 않은 지역에서 주로 이용되고 있다. 이러한 독립형 태양광 발전설비는 현재 가장 많이 사용되고 있으므로, 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

일반적인 독립형 태양광 발전설비는 도 2에 도시된 바와 같이 에너지원인 태양의 빛을 이용하여 발전하는 태양전지 어레이(20)와, 상기 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기를 저장하는 축전지(24)와, 상기 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기가 일정한 수준으로 상기 축전지(24)에 저장되거나 소비장치인 외부 부하(23)로 공급되도록 하는 전력 조절장치(21)와, 상기 축전지(24) 및 전력 조절장치(21)에서 공급되는 직류를 외부 부하(23)가 사용하는 교류로 변환시키는 인버터(22)와, 상기 태양전지 어레이(20)가 작동되지 않을 경우 충분한 전기가 공급될 수 있도록 발전하는 보조 발전기(26)와, 상기 보조 발전기(26)에서 발생되는 전기가 상기 축전지(24)에 저장될 수 있도록 교류를 직류로 변환시키는 충전 인버터(25)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 독립형 태양광 발전 설비는 태양빛이 있는 경우에는 태양전지 어레이에서 발생된 전기를 외부 부하로 공급하거나 축전지에 저장하도록 하고 있다.

태양전지 어레이(20)는 에너지원인 태양광을 이용하여 발전을 하게 되고, 전기는 전력 조절장(21)치를 통해 일정한 수준의 전력으로 변환되어 축전지(24)에 저장되거나 외부 부하(23)로 공급되어 외부 부하(23)를 작동시키게 된다. 여기서, 상기 전력 조절장치(21)는 태양광의 세기에 관계없이 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기를 일정한 수준으로 변환시켜 상기 축전지(24)에 저장되도록 한다. 즉, 상기 태양전지 어레이(20)에서 발생되는 전기의 양은 태양광의 세기에 따라 달라지는 바, 이를 일정한 수준으로 변환시켜 상기 축전지(24)에 저장되거나 외부 부하(23)에 공급되도록 한다. 또, 상기 축전지(24)가 과충전되거나 태양전지 어레이(20) 측으로 전기가 방전되는 것을 방지하여 상기 축전지(24)의 수명을 가능한 한 오래 유지시키는 역할을 수행한다.

상기 축전지(24)는 상기 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기를 저장했다가 악천후 등으로 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기의 양이 적을 때 외부 부하(23)로 전기를 공급하는 역할을 수행하며, 그 형식에 따라 니켈-카드뮴 축전지, 니켈-수소화금속 축전지, 니켈-나트륨 축전지 및 납축전지 등으로 구분되고 있다. 이러한 축전지(24)는 독립형 태양광 발전설비의 설치 비용중 약 30% 정도를 차지하고 있어 그 수명을 최대한 오래 유지시키는 것이 중요하며, 이를 위하여 상기 전력 조절장치(21)를 이용하는 것이다.

상기 전력 조절장치(21) 및 축전지(24)와 외부 부하(23) 사이에는 직류를 교류로 전환시키는 인버터(22)가 설치된다. 보통 태양전지(20)나 축전지(24)에는 직류가 흐르는데 반해 가정에서 사용되는 조명기구나 가전제품은 교류에 맞도록 제작되었기 때문에 인버터(22)를 이용하여 직류를 교류로 전환시켜 사용하는 것이다.

또, 상기 태양전지 어레이(20)가 장기간 작동되지 않는 경우 축전지(24)에 저장된 전기만으로 외부 부하(23)를 작동시킬 수 없기 때문에, 외부 부하(23)를 끊임없이 작동시키기 위하여 보조 발전기(26)를 설치한다. 상기 보조 발전기(26)에서 발생된 전기는 여러 가지 요인으로 인해 곧바로 외부 부하(23)에 공급하기는 곤란하므로, 일단 상기 축전지(24)에 저장하였다가 외부 부하(23)로 공급하게 된다. 이때, 상기 보조 발전기(26)에서 생산되는 전기는 교류이므로 상기 축전지(24)에 전기를 저장하기 위해서는 별도의 충전 인버터(25)가 사용되고 있다.

이와 달리 계통연계형 태양광발전 시스템은 설비에서 생산된 전기를 전력망에 연결하여 전력공급회사로 보내는 형식으로, 태양전기 생산자가 자신이 쓰고 남은 전기를 전력회사에 팔고 태양전기만으로 필요한 전기를 충당하지 못할 경우에는 전력망을 통해 전기를 공급받을 수 있도록 한 시스템이다. 이 계통연계형 태양광발전 시스템은 전기가 남을 경우에는 전력망으로 내보내고 부족할 경우에는 전력망으로부터 전기를 공급받게 되므로, 전기 저장장치가 필요하지 않으며 설치비용이 저렴한 장점이 있다.

상기한 태양광발전은 무한정, 무공해의 태양에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고 대기오염이나 폐기물이 발생되지 않으며 진동이나 소음 역시 발생되지 않는 장점을 가지고 있다. 또한, 발전부위가 반도체 소자이고 발전 시스템을 반자동화 또는 자동화시키기에 용이하여 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점 역시 가지고 있다. 그러나, 태양전지의 가격이 비싸 초기 투자비용이 많이 들고 상용전력에 비해 발전단가가 높을 뿐 아니라 일사량에 따른 발전량의 편차가 심해 안정적인 전력 공급을 위한 추가적인 설비 보완이 필요한 단점을 가지고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 태양광발전은 많은 장점과 단점을 가지고 있으나 화석에너지의 고갈에 따라 앞으로 더 많은 연구 개발을 통해 단점을 개선할 필요가 있다.

일반적으로 태양전지 모듈은 도 3에 도시된 바와 같이 두 개의 기판(31) 사이에 필요한 용량에 따라 다수의 태양전지(30)가 배치된 형태로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 태양전지 모듈은 각 태양전지(30)에 입사되는 태양광을 이용하여 발전을 하게 되고, 태양전지 모듈을 구성하는 기판(31)은 일사량이 최대가 되는 위치에 설치되어 발전량을 증대시키고 있다. 물론, 상기 기판(31)은 태양광에 대하여 수직이 되도록 설치되어 일사량이 최대가 되도록 하며, 필요한 경우에는 태양의 위치에 따라 기판(31)을 움직여 항상 태양광이 태양전지(30)에 대하여 수직으로 입사되도록 할 수 있다.

그런데, 태양에서 발생된 빛은 대기권을 통과하면서 상당 부분 소멸되어 실제로 지표면에 직접 입사되는 태양 에너지는 100%가 될 수 없다. 즉, 성층권에서는 공기나 먼지 및 물방울이 거의 없기 때문에 태양광이 직진하게 되나, 대기권으로 태양광이 입사되는 순간 전파와 적외선 및 자외선은 거의 사라지게 되고 가시광선만이 지표면으로 입사된다. 그런데, 이 가시광선마저도 대기를 구성하는 공기나 대기 속의 먼지 및 물방울 등으로 인하여 산란되어 지표면에 직진광으로 입사되는 태양 에너지는 불과 25% 정도에 불과하게 된다. 따라서, 직진광이 아닌 산란광에 포함된 태양 에너지를 집속하여 태양전지에 공급할 경우 태양전지의 효율이 증대될 것을 기대할 수 있다.

그러나, 종래의 태양전지 모듈은 단지 직진광만을 이용하여 태양광 발전을 수행하게 되므로 산란광에 해당되는 상당한 양의 태양 에너지를 이용할 수 없어 발전 효율이 높지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 태양 에너지중 직진광은 물론 상당한 에너지를 가지는 산란광을 태양전지 측으로 집광하여 태양전지에 공급되는 태양 에너지를 증대시킴으로써 각 태양전지에서 생산할 수 있는 전기의 양을 증대시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 광 집속형 태양전지 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 태양전가 일정 간격으로 배치되고 태양광에 대하여 수직하게 설치되는 기판과, 상기 기판의 가장자리를 따라 상기 기판에 대하여 외측으로 경사지게 설치되어 태양으로부터 입사된 태양광선을 상기 기판에 배치된 태양전지측으로 반사시켜 집광시키는 반사판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 광 집속형 태양전지 모듈은 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 태양전지(50)가 일정간격으로 배치되고 태양광에 대하여 수직하게 설치되는 기판(51)과, 상기 기판(51)의 가장자리를 따라 상기 기판(51)에 대하여 외측으로 경사지게 설치되어 태양으로부터 입사된 태양광선을 상기 기판(51)에 배치된 태양전지(50)측으로 반사시켜 집광시키는 반사판(52)과, 상기 기판(51)의 태양전지(50)에서 생산된 전기를 외측으로 인출하기 위한 인출선(미 도시)으로 구성된다.

여기서, 상기 반사판(52)은 상기 기판(51)에 대하여 120도의 각도를 갖도록 설치되고, 상기 반사판(52)은 상기 기판(51)에 비하여 1/3의 길이를 갖는다. 다만, 상기 기판(51)의 형태가 장방형일 경우 기판(51)의 폭 부분, 즉 길이가 짧은 부분의 길이에 비하여 1/3 길이를 취함으로써 반사판(52)의 길이를 동일하게 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 광 집속형 태양전지 모듈은 반사판쪽으로 입사되는 직진광과 산란광을 태양전지측으로 집속하여 각 태양전지에서 생산되는 전기의 양을 증대시키게 된다.

기판(51)에 설치된 태양전지(50)는 수직하게 입사되는 직진광의 광에너지를 이용하여 전기를 생산한다. 이때, 기판(51)의 가장자리에 설치된 반사판(52)으로 입사된 직진광은 반사판(52)에 의해 반사되어 기판(51)의 태양전지에 광에너지가 집속되도록 한다. 또, 상기 기판(51)에 대한 직진광에서 산란된 산란광도 역시 상기 반사판(52)에 의해 반사되어 기판(51)의 태양전지(50)에 집광된다. 물론, 상기 반사판(52)측의 직진광에서 산란된 산란광 역시 상기 기판(51)의 태양전지(50)로 집광된다. 따라서, 상기 태양전지(50)에 입사되는 광에너지가 증가하게 되며, 이 광에너지에 의한 광기전력 역시 증가하게 되므로 각 태양전지(50)에서 생산되는 전기의 양이 증가하게 된다.

여기서, 상기 반사판(52)의 설치 각도는 당연히 둔각이어야 하나, 각도가 너무 작을 경우에는 태양전지(50)로 집광되는 광에너지의 양이 줄어들고 너무 클 경우에는 반사광이 태양전지(50)측으로 반사되지 않는 경우가 발생되어 집광효율이 낮아지게 된다. 따라서, 상기 반사판(52)의 설치각도는 120도 정도로 하는 것이 집광량 및 집광효율을 최대로 할 수 있다.

상기 반사판(52)의 길이는 길게 할수록 집광되는 광에너지의 양은 증가하지만 반사판(52)의 끝 부분으로 갈수록 집광 효율이 너무 낮아지게 되고, 너무 짧게 하는 경우 반사판(52)에 의해 집광되는 광에너지의 양이 줄게 되므로, 반사판(52)의 길이 역시 적절하게 조절해야 한다. 물론, 상기 반사판(52)의 길이는 설치 각도에 따라 다르게 되며, 본 발명과 같이 반사판(52)의 설치각도가 120도인 경우 기판(51)의 길이에 비해 1/3 정도의 길이를 갖도록 하는 것이 집광량 및 집광효율을 최대로 할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 광 집속형 태양전지 모듈은 반사판 측으로 입사되는 직진광과 산란광을 태양전지 측으로 집광하게 되므로 광에너지의 양이 증가되어 각 태양전지에서 생산되는 전기의 양을 증가시키게 되므로 발전효율이 증대되도록 하는 이점이 있다.

도 1은 도 1은 일반적인 태양광발전의 기본 원리를 설명하기 위한 참고도,

도 2는 일반적인 태양광발전 시스템 중 독립형 태양광 발전 시스템이 개략적으로 도시된 계통도,

도 3은 일반적인 태양전지 모듈의 형태가 도시된 도면,

도 4는 본 발명에 의한 광 집속형 태양전지 모듈이 도시된 구성도,

도 5는 본 발명의 광 집속형 태양전지 모듈의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

50 : 태양전지 51 : 기판

52 : 반사판

Claims (3)

1. 다수의 태양전지가 동일 간격으로 배치되고 태양광에 대하여 수직하게 설치되는 기판과, 상기 기판의 가장자리를 따라 상기 기판에 대하여 외측으로 경사지게 설치되어 태양으로부터 입사된 태양광선을 상기 기판에 배치된 태양전지측으로 반사시켜 집광시키는 반사판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광 집속형 태양전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반사판은 상기 기판에 대하여 120도의 각도를 갖도록 설치된 것을 특징으로 하는 광 집속형 태양전지 모듈.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 반사판은 상기 기판에 비하여 1/3의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 광 집속형 태양전지 모듈.