JP5876873B2 - 柱状集光装置が具備された太陽光発電装置 - Google Patents

Description

太陽光発電技術は無限な太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換する技術で、温室ガスの低減、環境保護及び代替エネルギーの適用拡大などの理由で現実適用の要求が増加しているにもかかわらず、高い価格の太陽電池モジュールを多量使って太陽を正確に追跡して回転させるなど高費用の技術であるため、国家政策、環境規制、補助金支援などが必要である。

本発明は太陽光発電の投資費用及び運営費用の節減、構造の単純化のためのもので、太陽の移動経路によって太陽光が太陽電池モジュールに入射される角度が変わるにもかかわらず、入射角と関係ないように考案された柱状集光装置が具備され、太陽の移動経路に沿って集光装置の反対側に生じる焦点軌道上で動く太陽電池モジュールと、この移動を調整する装置とが具備された太陽光発電装置に関する。

地球に到逹する太陽エネルギーの密度はほぼ一定であるが、地表面で吸収する太陽エネルギーは太陽光の入射角や太陽の高度によって差が多くて、太陽光発電効率もよく変わる。このような条件を反映して、一般に、太陽光発電は広い面積の平板型太陽電池モジュールを直接用いる方法及び集光装置が具備された太陽電池モジュールを用いる方法がある。

平板型太陽電池モジュールは構造が単純で、設置及びメンテナンスが容易で広く使われているが、高価のモジュールを多量用いるため投資費用が多いという短所がある。一方、太陽電池モジュールの使用量を最小化する方案として、凸レンズ、凹面鏡、反射板、フレネルレンズ（韓国特許 １０−０４２０８６８，１０−０４６６２５７)など多様な集光技術を適用すると、太陽エネルギーの密度を高くすることができるので、相対的に少量の太陽電池モジュールで電気エネルギーを生成することができる。しかし、集光装置が具備された太陽光発電装置は、常に太陽と垂直になるように正確に太陽を追跡して回転しなければならなく、これによって駆動装置が必要になり、構造が複雑になるという短所がある。

太陽電池モジュールが太陽を追跡する否かによって固定型方式、１軸追跡型方式及び２軸追跡型方式がある。固定型は太陽の移動と関係なくモジュールを一方向に向けて固定した方式で、平板型のみに適用可能である。１軸追跡型の中の太陽入射角追跡型は、朝から夕方まで東西方向に太陽を追跡して集光装置と太陽電池モジュールとが最大１８０度回転する方式で、有効な太陽光がある８時から１６時まで韓国での回転角度は１２０度である。１軸追跡型の中の太陽高度追跡型は、太陽の高度によって南北方向に回転する角度は約４０度である。２軸追跡型方式は高度追跡と入射角追跡とを同時に行う方式である。

上述した集光装置が具備された従来の追跡型太陽光発電装置の場合、太陽電池モジュールの使用量を減らすことができるが、太陽の動きによって太陽光発電装置を回転させなければならなく、太陽光と集光装置が少しでも垂直から逸脱すると太陽光吸収効率が急激に減少するので、常に垂直を保持するために精緻な太陽光追跡装置が必要になり、太陽の動きによって集光装置と太陽電池モジュールと太陽光追跡装置とを含んで、さらに重くなった全体太陽光発電装置が回転しなければならないため、広い回転空間及び複雑な駆動装置が必要となり、また、重さ、風、雨や雪によって太陽光発電装置が歪まないようにこれを支持することができる堅固且つ複雑で強い構造物で支持しなければならないという短所がある 。

本発明は従来の集光装置が具備された太陽光発電装置が有している経済的、機械的問題点を解決するために、太陽の移動による太陽光の入射角度と関係ないように考案された柱状集光装置が具備され、太陽の移動経路に沿って集光装置の反対側に生成する焦点軌道上で太陽と反対方向に移動する太陽電池モジュールと、この移動を調整する装置とが具備された太陽光発電装置を提供する。

本発明によれば、集光装置が具備されているので、太陽電池モジュールの使用量を顕著に減らすことができ、装置全体で機械的に動く部分は太陽電池モジュールとこれを動かす機械しかないので、動く部分が最小化され、焦点軌跡に太陽電池モジュールを制御することによって、最大の太陽光を吸収することができるようにして、太陽光発電装置の構造を顕著に単純化させることができ、また、堅固に設置することができて、太陽光発電設備の投資費用及び運営費用が顕著に減少されることができる。

本発明による一つの集光装置と一つのモジュールとで構成された一組の太陽光発電装置の斜視図で、それぞれの単位組は一つの平面上に並列に配置される。 本発明による太陽位置による集光装置の焦点軌道変化図である。 太陽光の入射模式図で、装置Ａは多量のモジュールに入射する太陽光で、装置Ｂは少量のモジュールに入射する太陽光で、装置Ｃは本発明による集光装置が設置された少量のモジュールに入射する太陽光で、装置Ａと装置Ｂは太陽光が直接モジュールに入射するが、装置Ｃは太陽光が集光装置を透過しながら屈折現象を起こして小型のモジュール上に集光される。 本発明による太陽光発電装置の午前の太陽位置による実施概路図である。 本発明による太陽光発電装置の正午の太陽位置による実施概路図である。 本発明による太陽光発電装置の午後の太陽位置による実施概路図である。 本発明による小型反射板が具備された太陽電池モジュールの概路図である。 従来の凸レンズ型集光装置が具備された太陽光発電装置の太陽光追跡模式図で、太陽光を追尾して集光装置とモジュールとが動き、凸レンズは太陽光を正確に追跡しなければならなく、太陽光と垂直にならないと発電効率が非常に低下される。 本発明による柱状集光装置が具備された太陽光発電装置の太陽光追跡模式図で、太陽の位置と関係なしにモジュールのみが太陽光と垂直になると、最大の発展効率を確保することができ、モジュールを太陽と容易に垂直になるようにする。

太陽の位置は東から西へ、地上から空中に毎日繰り返して移動するが、本発明の柱状集光装置１０が具備された太陽光発電装置によれば、太陽が一日中何れの位置にあっても、柱状集光装置は太陽を追跡して動く必要がない構造であるので、柱状集光装置を透過した太陽光は集光装置の反対側に位置する焦点に集中され、この焦点は太陽とは反対方向に移動し、この焦点軌道上に小型の太陽電池モジュール１１を位置させ、このモジュールを移動させる設備を通じて効果的な太陽光発電が可能である。

柱状集光装置は本発明で非常に重要な役割を果たすが、集光装置の前面部に入射された太陽光が集光装置を通過する時、屈折率の差によって集光装置の後面部から集光装置の焦点距離だけ離れた位置に焦点を結ぶようにする。柱状集光装置は複数の柱を一つの平面上に所定の間隔で配置した構造を有し、柱の間の間隔が狭過ぎると、太陽光の入射が隣接した柱によって妨害され、間隔が広過ぎると、太陽光の損失が多くなることから、柱の直径の０．５倍〜２倍が好ましい。柱の断面は円形、楕円形、部分円形などの焦点を結びながら太陽を追跡して動く必要がない全ての形態が可能であり、柱の幾何学的直径は装置の複雑性などによって決められるが、直径が小さ過ぎると、太陽電池モジュールの大きさを大きく減少することができないか、太陽光の散乱量が大きくなり、直径が大き過ぎると、設備の荷重が大きくなるため、２〜２０ｃｍが好ましい。柱の長さは構造が許容される範囲で任意に決めることができる。柱状集光装置を通過した太陽光は幅が柱の直径より小さく、長手方向に長い焦点を結び、焦点距離を通るとまた拡散される。即ち、焦点に太陽光が集中されるので、この焦点位置に太陽電池モジュールを配置すれば、少量の太陽電池モジュールで電気エネルギーを確保することができる。焦点位置と幅は集光装置の物理的性質である形状、幾何学的直径、屈折率、太陽の経度、緯度などによる変数であるので、容易に決められることができ、集中された太陽光を最大限に吸収するように焦点の幅よりやや大きい太陽電池モジュールを焦点に位置させる。

集光装置が複数の柱からなっているので、複数の柱はそれぞれ焦点を結び、それぞれの焦点に柱の長手方向と平行する太陽電池モジュールが一つずつ設置される。即ち、一つの柱を通過した太陽光は柱の後面部の焦点に位置した一つの太陽電池モジュールに太陽光を集中させる構造を有する。

複数の柱が一つの平面上に所定の間隔で平行に配置されるのと同じく、それぞれの焦点位置にそれぞれの太陽電池モジュールも一つの平面上に所定の間隔で平行に配置される。モジュールの幅は集光程度や運営条件によって集光装置の直径より顕著に小さくて自由に決めることができる。図７のように、太陽電池モジュールの周りに設置された反射板によって太陽電池モジュールの外に損失される太陽光を太陽電池モジュール上に反射させことによって、太陽光の損失を最小化し、太陽電池の使用量をさらに減少させることができる。

焦点距離を異なるようにするためには、柱の表面と内部が異なる屈折率を有する材質からなる棒状柱を用い、内部が空いているパイプ型柱の場合、内部に熱回収用熱媒体が流れるようにすることができる。棒状柱は柱の上部と下部を固定させる枠に固定され、パイプ型柱は柱の上部と下部で熱媒体が流れることができるように設計された枠に連結する。このように構成された集光装置と太陽電池モジュールは動く部分が太陽電池モジュールのみで、比較的に容易且つ堅固に固定させて風や雨などによる影響を最小化することができる。

太陽電池モジュールを移動させる機械的装置は、集光装置に附属物として設置したり、集光装置とは独立的に設置して、太陽電池モジュールを毎日繰り返して太陽の移動によって生成される焦点軌道上に移動させる。

従来の太陽光発電は太陽の高度に従って集光装置と太陽電池モジュールの全体を動かさなければならないが、太陽の高度に従って焦点距離が変わる原理を利用して、この焦点軌道上に太陽電池モジュールを移動させて、太陽の高度や緯度に関係ない太陽光発電装置を具現するようにした。一方、柱状集光装置と太陽電池モジュールとで構成された部分が太陽の高度に従って回転する構造を有すれば、常に所定焦点距離と焦点幅を確保することで、最適量の太陽電池モジュールで太陽光発電が可能である。

本発明では、柱状集光装置と太陽電池モジュールとで構成された部分を朝方には太陽に向かって３０度回転させて固定させてから、夕方には再び太陽に向かって３０度回転させる。その構造を通じて、従来の集光装置が具備された太陽光発電ではシステム全体が最大１８０度まで回転するが、狭い回転角度にもかかわらず、朝と午後各２時間ずつ、４時間の日照時間をさらに確保することができる。

即ち、本発明では、他の種類の集光装置である凸レンズやフレネルレンズとは異なり、太陽の移動経路とは関係なく、大部分の装置が堅固に固定された状態で太陽光焦点の移動経路２１に沿って相対的に少量の太陽電池モジュールが動く構造を有した太陽光発電装置を提供する。

本発明の柱状集光装置の効果を確認するために、図３のように三つの装置で生成される電力を測定した。集光装置がなく、太陽電池モジュールの幅が３０ｍｍの装置 （装置Ａ）、集光装置がなく、太陽電池モジュールの幅が２ｍｍの装置（装置Ｂ）、直径が３０ｍｍの円柱状集光装置が具備され、幅が２ｍｍの太陽電池モジュールを太陽光焦点位置に配置した装置（装置Ｃ）で生成された電力は下記の表の通りである。集光装置がない場合、モジュールの大きさと電力は比例するので、多くの電力を生産するためには大量の太陽電池モジュールを用いなければならない。円柱状集光装置が具備された装置Ｃの場合、集光によって同じ大きさのモジュールで約４．７倍の電力がさらに生成された。
（装置Ｂと装置Ｃの比較)

直径が３０ｍｍの円柱状集光装置を具備し、幅が２ｍｍの太陽電池モジュールを太陽光焦点位置に配置した装置（装置Ｃ）で発生する電力を時間が経つにつれて午前９時から午後３時まで測定した。円柱状集光装置は全く回転しないか動かない状態で、幅２ｍｍの太陽電池モジュールのみ太陽の軌跡に沿って移動し、太陽電池モジュールは太陽エネルギーを常に垂直に吸収するので、最大の吸収効率で電力を生産することができた。この時、動いた部分は太陽光焦点軌道上に移動した太陽電池モジュールのみで、太陽電池モジュールの移動距離は約４５ｍｍである。

複数の柱が所定の間隔で配置された柱状集光装置において、間隔による隣接した柱の影響を全く受けないで集光することができる日照時間を調査した。柱の間の間隔が柱の直径の０．５倍、１倍、２倍にした時、日照時間はそれぞれ約６時間、８時間、１０時間であった。韓国で最大の日照時間は、冬季は９時間、夏季は１２時間で、これを勘案して日照時間を追加する方案を講じた。柱の間の間隔を柱の直径の１倍にした装置を午前６時に太陽に向かって３０度回転させ、午前８時に原位置に設置し、午後４時に太陽に向かって３０度回転させて、午後６時まで総１２時間の日照時間を確保した。従来の技術では、システム全体が１８０度回転してこそ１２時間の日照時間が確保されるが、これに比べて本発明は柱状集光装置を左右に３０度回転させて１２時間の日照時間を確保した。

本発明において、太陽光の入射角度と関係ない集光装置が具備された太陽光発電装置によって得られる効果は非常に大きい。
１．集光装置が具備された太陽光発電装置は集光によってエネルギーの密度が高くなって、高価の太陽電池モジュールの使用量を減らすことができる。
２．集光装置の断面が球形または楕円形または部分円形などであるので、集光装置が太陽に沿って動いたり回転しなくても集光が可能であるので、集光装置を動かす機械的装置が必要なくなって、設備の構成が非常に単純化され、耐久性が顕著に増加し、設備の堅固な固定が容易であるという長所がある。
３．動きが必要な部分は太陽光焦点軌道上に位置した小さな太陽電池モジュールとこのモジュールを移動させる装置だけで、このモジュールさえ太陽光焦点が移動する範囲内のみで動けば良いので、移動範囲が非常に小さく、簡単な装置のみでも容易に達成することができる。一日中で有用な日照時間が８時間である場合、太陽電池モジュールが太陽光焦点軌道の１２０度の角度のみに回転する。集光装置は回転しないだけでなく、常に太陽光と垂直になっていることから集光装置を太陽光に合わせて、精緻に調整する必要がないので、追跡装置も非常に単純で、小型の太陽電池モジュールのみが太陽と垂直を保持することは技術的に非常に容易である。
４．本発明の集光装置は、複数の柱が所定間隔で配置された構造であるので、柱と柱との間の空間に太陽光が通過されて、発展装置の下部に太陽光が照らすことができて、建物採光用、陰形成用、農業用敷地などにも設置可能である。
５．本発明の集光装置は柱と柱との間に空間があって雪、雨、風が容易に通過され、これらによる歪みや揺れが小さくて、大規模の設備にも比較的に容易且つ堅固に設置することができる。
６．本発明によれば、パイプ型集光装置の内部に水のような液体が注入されると、太陽電池モジュールの温度を高める太陽エネルギーの一部を熱エネルギーとして先に吸収し、集光装置を透過した残り光線を太陽電池モジュールが電気エネルギーとして回収するようになるので集光と集熱を同時に行うことができる。
７．従来の太陽光発電装置において、集光によって太陽電池モジュールの温度が上がり過ぎると、電気変換効率が減少するため太陽電池モジュールを適切な温度に冷却させる複雑な装置が必要であるが、太陽エネルギーの一部を予め太陽熱として回収することによって、比較的に簡単な装置で太陽電池モジュールの温度を制御することができる。
８．本発明によれば、太陽の高度変化によるエネルギー生成差も比較的簡単に対応することができる。太陽の高度が変化すると、集光装置の焦点距離が変わるので、焦点距離の変化を反映した焦点軌道上に太陽電池モジュールを移動させるか、太陽電池モジュールの幅を決めれば集光装置の回転や上下動きがなくても太陽光の発電が可能である。
９．柱状集光装置の内部と外部が屈折率の異なる材質で作られると、焦点距離及び焦点軌道の調節が可能である。
１０．太陽電池モジュールの周りに反射板を設置する場合、モジュールの周りで損失される太陽光をモジュールの上に反射させて、太陽電池モジュールの使用量をさらに減少するか集光効率を増加させることができる。
１１．従来の集光装置が具備された太陽光発電では、システム全体が最大１８０度まで回転するが、本発明では柱状集光装置と太陽電池モジュールとで構成された部分を、朝方には太陽に向かって回転させ、その後固定させてから夕方にまた太陽に向かって回転させる構造にして、狭い回転角度にもかかわらず、朝方と夕方の日照時間をさらに確保することができる。
１２．柱状集光装置と太陽電池モジュールとで構成された部分が太陽の高度によって回転する構造を有すれば、常に所定の焦点距離と焦点幅を確保することで、最適量の太陽電池モジュールで太陽光発電が可能である。

本発明は上記の効果を有する太陽光発電技術を提供することで、集光装置、少量の太陽電池モジュール、これを動かす最小限の装置及びエネルギーのみで電気を生成することができ、上述したように従来の設備が動くための空間、移動距離、設備の重さ、気候の影響、機械的堅固性、耐久性などの問題を解決することができ、太陽光発電施設の投資費用と運営費用を大きく低減して太陽光発電、太陽光建物などの適用拡大に大きく寄与することができる。

Claims (6)

1. 長手（第１軸）方向に長くて内部が充填された棒（柱）形態で、前面部に入射する太陽光を透過、屈折及び集中させて、棒の後面部から焦点距離だけ離れた位置に焦点を結ぶようにし、第１軸を中心に回転しない複数の棒が棒の直径の０．５倍〜２倍の所定の間隔で一つの平面上に平行に配置された柱状集光装置と；
   柱状集光装置の棒の直径より小さい幅を有し、長手方向に長い形態で、それぞれの棒と一対一に対応し、柱状集光装置の後面部の焦点位置に配置されて太陽光と垂直を保持する複数の太陽電池モジュールが平行に配置された太陽電池モジュールと；
   太陽光の入射角度によって移動する太陽光焦点軌道上に太陽電池モジュールが太陽光と垂直を保持するように太陽電池モジュールを移動させる装置とを含む太陽光発電装置。
2. 柱状集光装置は、太陽光が入射される方向の反対側に太陽光の焦点を結ぶようにするもので、円形断面を有する集光装置を含む請求項１に記載の太陽光発電装置 。
3. 柱状集光装置は、焦点距離を調整することができるように、集光装置の内部と外部が異なる屈折率を有する材質で構成された集光装置を含む請求項１に記載の太陽光発電装置 。
4. 太陽電池モジュールは、モジュールの周りで損失される太陽光をモジュールの上に反射によって集光させるように、モジュールの周りに設置された反射板を具備した太陽電池モジュールを含む請求項１に記載の太陽光発電装置 。
5. 長手（第１軸）方向に長くて内部が充填された棒（柱）形態で、前面部に入射する太陽光を透過、屈折及び集中させて、棒の後面部から焦点距離だけ離れた位置に焦点を結ぶようにし、第１軸を中心に回転しない複数の棒が棒の直径の０．５倍〜２倍の所定の間隔で一つの平面上に平行に配置された柱状集光装置と；
   柱状集光装置の棒の直径より小さい幅を有し、長手方向に長い形態で、それぞれの棒と一対一に対応して、柱状集光装置の後面部の焦点位置に配置されて太陽光と垂直を保持する複数の太陽電池モジュールが平行に配置された太陽電池モジュールと；
   太陽光の入射角度によって移動する太陽光焦点軌道上に太陽電池モジュールが太陽光と垂直を保持するように、太陽電池モジュールを移動させる装置と；
   柱状集光装置と太陽電池モジュールとで構成された部分を第２軸を中心に回転させる装置とを含む太陽光発電装置。
6. 長手（第１軸）方向に長くて内部が充填された棒（柱）形態で、前面部に入射する太陽光を透過、屈折及び集中させて、棒の後面部から焦点距離だけ離れた位置に焦点を結ぶようにし、第１軸を中心に回転しない複数の棒が棒の直径の０．５〜２倍の所定の間隔で一つの平面上に平行に配置された柱状集光装置と；
   柱状集光装置の棒の直径より小さい幅を有し、長手方向に長い形態で、それぞれの棒と一対一に対応して、柱状集光装置の後面部の焦点位置に配置されて太陽光と垂直を保持する複数の太陽電池モジュールが平行に配置された太陽電池モジュールと；
   太陽光の入射角度によって移動する太陽光焦点軌道上に太陽電池モジュールが太陽光と垂直を保持するように太陽電池モジュールを移動させる装置と；
   柱状集光装置と太陽電池モジュールで構成された部分を太陽の高度によって回転させる装置とを含む太陽光発電装置。

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