KR20070082289A - 반사판을 구비한 태양광 집광판 및 태양광 집광판 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지의 충전에 사용되는 태양광 반사판의 구조에 특징이 있는 것으로, 보다 상세하게는 고가의 태양전지 셀(Cell)의 소요량을 줄이면서도 반사판을 이용하여 입사되는 태양광을 전지판으로 가장 효율적으로 집광하여 발전을 할 수 있도록 하는 반사판을 채용한 집광판에 관한 것이다.

본 발명에 따른 태양광 집광용 반사판 구조는, 정사각형의 태양전지판의 가로 또는 세로폭과 동일한 길이를 가지며, 태양전지판의 수평면과 60도의 각을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

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Description

반사판을 구비한 태양광 집광판 및 태양광 집광판 제조 방법{A structure of sun-ray collecting board with reflector and the method of manufacturing sun-ray collecting board thereof}

도 1은 종래의 태양광 집광용 반사판 구조를 나타낸 도,

도 2는 본 발명에 따른 태양광의 입사각을 고려한 태양광 집광용 반사판의 구조를 나타낸 측단면도,

도 3 및 도 4는 본 발명의 태양광 집광용 반사판의 각도의 효과를 비교하기 위한 각각 각도를 달리한 비교실시예를 설명하기 위한 도,

도 5a는 본 발명에 따른 태양광 집광용 반사판 모듈이 태양전지셀에 결합되어 태양광의 입사각에 따른 반사동작을 설명하기 위한 평면도, 5b는 반사체 모듈 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 태양광 집광판 전체 외관을 나타내는 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 태양광 집광판이 태양을 추적하는 동작상태를 설명하는 도이다.

본 발명은 태양전지의 충전에 사용되는 태양광 반사판의 구조에 특징이 있는 것으로, 보다 상세하게는 고가의 태양전지 셀(Cell)의 소요량을 줄이면서 이를 반사판으로 대체하여 입사되는 태양광을 전지판으로 가장 효율적으로 집광하여 발전을 할 수 있도록 하는 반사판을 채용한 집광판의 구조에 관한 것이다.

태양광을 이용한 발전은 친환경적인 기술이며, 또한 지구상의 에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 하나의 방안으로 많은 연구가 거듭 되고 있다.

태양광을 이용한 발전의 기본 원리는 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭보다 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. 이때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.

이때 태양전지를 효율적으로 이용한다 함은 이론적으로 태양광의 광량자가 최대한 태양전지판에 모두 도달하도록 하는 것이다.

이러한 연구는 태양전지 셀자체가 고가이므로 최소한의 셀을 이용하면서 반사판을 이용하여 입사되는 태양광을 태양전지판에 최대한 효과적으로 모으는데 주목되고 있다.

이러한 시도로서의 종래 기술이 대한민국 공개특허 2002-0011353에 개시된 바 있다.

종래기술은 태양전지를 이용하여 전기를 생산하는 장치에 있어서, 사각의 틀을 구성하고, 틀 상부에는 강화유리(50)를 배치하며, 내부는 반사판과 태양광전지 고정틀(30)을 다수 개 나열하고, 반사판과 태양광 전지 고정틀 사이에 수직 지지체(40)를 구비하고, 수직 지지체 상측에 완충체(35)를 구성하여, 강화유리 외부로 부터의 충격을 흡수하도록 구성되며, 하부에는 반사판과 태양광 전지 고정틀(30)을 지지할 수 있는, 수평 지지체(45)를 구성하고, 전체를 고정 지지하는 외부틀(55)에 의해 형태를 구성하는 것과, 내부에는 반사판과 태양전지 고정틀(30)에 중심부에 홈이 구성되고 홈에 태양광전지판(셀)(10)을 배열하고, 배선(65)하는 것과, 태양전지판(10) 배면에 절연체를 삽입하여 배선을 용이하게 하며, 배열된 태양전지판 양끝에 외부 연결로의 배선을 위해 연결부를 구성하는 것과, 반사판과 태양전지 고정틀 양측에 반사판(20)를 부착, 코팅하여 구성되며, 상세한 설명을 보면 반사판을 반사각을 45도가 되는 것을 상정하고 있다.

그러나 상기 반사판을 반사각이 45도가 되도록 할 경우에는 태양광이 태양전지 평면에 대하여 직각으로 입사할 때 반사판을 경유하는 태양광이 태양 전지판에 모두 입광되지 않고 소실되는 문제점이 있다. 또한 도면에 개시된 바와 같이, 40도에서 49도로 할 때에도 태양광은 정확하게 태양전지판에 모두 수렴될 수 없고 많은량이 소실되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 태양전지판과 반사판의 규격과 모양 및 반사판이 태양전지판과 이루는 각도를 최적화 하여 저렴한 반사체를 이용하여 효율이 높은 집광판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 단위 반사판은 밑변은 짧고, 윗변은 긴 역 사다리꼴 모양을 가지되, 그 밑변의 길이와 밑변과 윗변을 연결하는 수선의 길이(이하 '전장'이라함)를 정사각형 태양전지판의 가로 또는 세로 폭과 동일하게 하고, 반사판을 태양전지판의 수평면에 대하여 60도의 기울기를 갖도록 비스듬히 세워서 배치한다.

또한 태양전지용 집광판을 제조할 때에 상기한 역 사다리꼴 모양의 단위 반사판 4개를 결합한 반사체 모듈을 제조하여 조립 공정을 효율화 할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 태양광 집광용 반사판은 역 사다리꼴 모양을 한 단위 반사판의 밑변을 정사각형 모양의 태양전지판의 각 변에 맞대서 상부로 갈수록 외향으로 비스듬히 기울어지도록 세워서 결합한 구성을 갖는다.

상기 단위 반사판은 밑변과, 전장 및 윗변간에는 1 : 1 : 2의 관계를 가지며, 단위 반사판의 길이와 전장은 정사각형 태양전지판의 세로 또는 가로폭과 동일하게 구성된다. 아울러, 단위 반사판은 태양전지판의 수평면에 대하여 외향으로 60도를 이루도록 경사지게 배치된다.

또한, 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 상기 단위 반사판 4개를 결합하여 하나의 반사체 단위 모듈이 형성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따르는 태양광 집광판 제조방법은,

태양전지판을 일정간격 마다 띄워서 배치하는 제 1과정, 4개의 단위 반사판을 결합한 반사체 모듈을 구성하는 제 2과정, 및 상기 반사체 모듈을 태양전지판을 모듈의 중심에 두고 배치하는 제 3과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 도면을 참고하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 태양광의 입사각을 고려한 태양광 집광용 반사판의 구조를 나타낸 측단면도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 태양광 집광용 반사판에서의 입사 및 반사광 경로를 설명하기 위한 비교실시예이며, 도 5a는 본 발명에 따른 태양광 집광용 반사체 모듈이 태양전지셀과 결합되어 태양광이 태양전지판으로 수렴되는 과정을 설명하기 위한 평면도이다.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 단위 반사판(10)의 태양전지판(20)과 접하는 밑변과 전장 측 길이는 상기 태양전지판(20)의 가로 또는 세로폭의 길이와 동일하다. 실제 상업용으로 보급되고 있는 태양전지판의 경우 104mm x 104mm의 규격을 가지므로 본 발명의 단위 반사판은 밑변과 전장이 104mm이고, 윗변은 그 두배인 208mm의 규격으로 제조된다. 그러나 본 발명의 반사판이 상기 규격으로 제한되는 것은 아니고 필요에 따라 다양하게 변형하여 활용할 수 있다는 점은 당업자에게 자명한 것이다. 아울러 상기 단위 반사판(10)은 태양전지판(20)의 수평축에 대하여 60도의 각도로 외측으로 기울어지도록 배치된다. 상기와 같은 규격으로 하면 하나의 태양전지판(20)을 중심에 두고 그 4개의 변 마다 단위 반사판을 틈새 없이 완벽하게 조합할 수 있다.

상기 반사판의 재질은 슈퍼스테인레스스틸(SS) 이나 알루미늄분체도장 방식의 반사판, 라미네이팅, PE 등을 이용한 반사판 중 고휘도의 반사효율을 갖는 어떠한 것을 사용하여도 무방할 것이다.

이렇게 배치되면, 도 2에 도시된 바와 같이 반사판의 전장 측 길이 : 높이(태양전지판 수평면에서 단위 반사판의 최고점까지의 거리)는 피타고라스의 정리에 의해 2 : Root3의 비를 가지게 된다.

이렇게 배치된 반사판에서 태양광의 경로를 살펴보면, 반사판의 최고점 A에 입사되는 태양광은 반사판에 대하여 30도의 입사각으로 입사되며 반사광은 정반사의 원리에 따라 반사판으로부터 30도의 출사각으로 반사되므로 결국 태양전지판 끝모서리 B지점에 수렴하게 된다. 그리고 상기 반사판(10)의 최고점 A 보다 낮은 위치로 입사되는 태양광은 모두 태양전지판(20)으로 수렴될 수 있다.

그러나 도 3 및 도 4를 참조하여 보면, 반사판의 각도가 45도 이상 60도 사이에서는 입사각이 30도이상 45도 이하가 되고, 반사각 또한 30도 이상 45도 이하가 되어, 최고점 A에 입사한 태양광은 태양전지판의 끝모서리 B지점에 수렴하지 못하고 외부로 소실되는 결과가 된다. 그리고 반사판이 정확히 45도가 될 때는 태양 전지판과 평행하게 반사되어 이 역시 결국 태양전지판으로 수렴하지 못하는 결과를 초래한다.

즉, 본 발명에서 제시하는 규격과 경사각으로 구성하여야 태양광을 손실 없이 모두 태양전지판으로 유도할 수 있는 것이다.

도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 역 사다리꼴의 단위 반사판(10) 4개가 결합 되어 하나의 반사체 모듈 형태를 형성하고 있는데, 이때 태양광이 조사되는 전체 집광판에서 반사판이 차지하는 비율은 3/4이며, 태양전지판은 1/4에 불과하게 된다.

즉, 전체 소요면적의 3/4에 사용되어 져야할 태양 전지판을 반사판으로 대체하더라도 태양광의 손실없는 집광판을 구현할 수 있다. 이는 태양전지판이 반사체에 비하여 상당히 고가인 점을 고려하면 집광판 제조비용을 상당히 많이 절감할 수 있음을 의미한다.

도 6은 본 발명에 따른 반사판을 채용한 태양광 집광판의 전체 외관을 나타내는 사시도이며, 도 7은 본 발명에 따른 태양광 집광판이 태양광을 수직으로 받을 수 있도록 하는 조향 동작을 설명하는 도이다.

도 6에서와 같이 반사체 모듈은 태양전지판을 모듈의 중심에 두고 배치되며, 이는 제조공정상에 있어서도, 태양전지판을 일정간격으로 띄워서 배치한 후, 상기 반사체 모듈을 태양전지판 마다 대응시켜 조립하여, 도 6 와 같은 집광판을 만들 수 있게 된다.

즉 다음과 같은 순서로 태양전지 집광판을 제조한다.

우선 태양전지판을 일정간격으로 배치하고, 도 5b와 같이 4개의 단위 반사판을 결합하여 반사체 모듈을 구성한 후, 상기 반사체 모듈을 하나씩 태양전지판을 모듈의 중심에 두고 배치하면 면적의 손실 없이 연속적으로 태양전지 집광판을 구성할 수 있다. 상기의 방법에 의하면 집광판의 용량은 태양전지판과 반사체 모듈을 직병렬로 배치를 조정하는 것에 의하여 신축적으로 선택할 수 있다. 아울러, 반사체 모듈단위로 교체 등 유지보수를 할 수 있어, 설비 운용측면에서도 유리한 효과가 기대된다.

도 7은 도 6에서 형성된 집광판 여러개를 도시하지 않은 모터에 의하여 X축과 Y축 방향으로 회전시켜 태양광을 수직으로 받아 들일 수 있도록 집광판을 조절하는 조향 동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 계절의 변화에 따라 바뀌는 위도 변화는 X축 방향 회전을 통해 보정하고, 지구의 자전에 따라 변화하는 경도는 Y축 방향으로 회전량을 조절하여 집광판이 항시 태양광에 대하여 수직으로 위치하도록 조절할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위 까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

상기와 같은 구성을 갖는 태양광 집광판은 광손실 없이 고가의 태양전지를 반사판으로 대체하여 집광판의 제조원가를 낮출 수 있다.

또한 집광장치를 제조하는데 있어서도 반사체 모듈 단위로 집광판의 용량을 변경할 수 있고, 반사체의 교체 등 유지보수의 편의성을 증진하는 효과도 기대된다.

Claims (5)

1. 반사판을 채용한 태양광 집광판에 있어서,

   상기 반사판은 역 사다리꼴 모양이며, 태양전지판의 수평면에 대하여 외향으로 60도의 경사를 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 반사체를 채용한 태양광 집광판
2. 제 1항에 있어서,

   상기 반사판은 밑변과, 전장 및 윗변간에 1 : 1 : 2의 관계를 가지며, 반사판의 길이와 전장은 태양전지판의 세로 또는 가로폭과 동일한 것을 특징으로 하는 반사체를 채용한 태양광 집광판
3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 반사판은 4개가 결합된 반사체 모듈인 것을 특징으로 하는 반사체를 채용한 태양광 집광판
4. 제 3항에 있어서

   상기 태양광을 추적하기 위한 조향수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 반사체를 채용한 태양광 집광판
5. 태양전지판을 일정간격으로 배치하는 제 1과정,

   4개의 반사판을 결합하여 반사체 모듈을 구성하는 제 2과정, 및

   상기 반사체 모듈을 하나씩 태양전지판을 모듈의 중심에 두고 배치하는 제 3과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반사판을 채용한 태양광 집광판 제조방법.

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