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KR20200029626A - 집광형 광전지 셀을 위한 능동 냉각 - Google Patents

집광형 광전지 셀을 위한 능동 냉각 Download PDF

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KR20200029626A
KR20200029626A KR1020207007067A KR20207007067A KR20200029626A KR 20200029626 A KR20200029626 A KR 20200029626A KR 1020207007067 A KR1020207007067 A KR 1020207007067A KR 20207007067 A KR20207007067 A KR 20207007067A KR 20200029626 A KR20200029626 A KR 20200029626A
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KR
South Korea
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heat harvesting
magnetic
switching means
optical module
magnetic flux
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라이너 크라우제
브루노 기셀랑
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생-어거스틴 캐나다 일렉트릭 아이엔씨.
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Abstract

전기 생성용 낭비된 열 수확 장치(1000)는 스위칭 수단의 온도가 기설정된 온도를 넘으면 제1 영역에서 적어도 제2 영역으로 자기장을 전달하는 스위칭 수단(1200)을 포함한다.

Description

집광형 광전지 셀을 위한 능동 냉각{Active cooling for a concentrated photovoltaic cell}
본 발명은 전기 획득용 낭비된 열-수확 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위칭 수단을 이용한 전기 획득용 낭비된 열-수확 장치에 관한 것이다.
최근 재생가능 에너지 개발이 증가되고 있는데, 이는 화석 에너지원 이용가능성에 대한 염려뿐만 아니라 환경적 염려로 인한 것이다. 재생 가능 에너지 원의 다양한 종류들 중에서, 태양 에너지가 가장 풍부하다. 따라서, 태양 에너지 집속 및 그것의 전기로의 변환 방법에 대한 집중적인 연구가 이루어지고 있다. 제안된 다양한 기술들 중에서, 광전지 셀(태양전지 셀, photovoltaic (PV) cells)이 해당 기술 분야에서 가장 잘 알려져 있으며, 이들의 효율 증가 및 원가 절감을 위하여 광범위하게 개발되고 있다.
특히, 집광형 광전지(concentrated photovoltaic, CPV) 셀은 제조원가가 동일 양의 전력을 제공할 수 있는 표준 광전지 타입 시스템보다 더 저렴한 것으로 알려져 있다. 이는 집광형 광전지 셀은 빛 집광을 위하여 더 작은 PV 표면 상에 태양 빛을 집중시키는 렌즈들을 사용하기 때문이다. 따라서, 요구 면적 및 물질이 감소된다.
태양빛의 높은 집광 비율에서, 예를 들어, 500배 이상에서, 상기 광전지 셀의 냉각이 요구된다. 이는 PV 셀은 더 높은 온도에서 효율이 낮아지는 사실 때문이고, 상기 PV 셀이 매우 높은 온도에서 손상되기 때문이다.
상기 PV 셀을 냉각시키기 위하여, 수동 냉각, 예를 들어 열 방출기(heat dissipater)는 복잡하여 비용이 많이 든다. 대안으로, 물 또는 오일과 같은 매체가 상기 셀의 냉각을 위하여 사용되는 능동 냉각 방법의 사용이 알려져 있다. 이 접근에서, 상기 냉각 매체가 가열되고, 예를 들어 뜨거운 물과 같이 직접적으로 이용되거나 전기 생산을 위한 발생기 운영에 이용된다. 후자의 경우, 전기 생성 과정의 효율이 상당히 낮다.
더욱 구체적으로, 통상의 CPV 셀은 0.25cm2 내지 1 cm2 사이의 크기를 가질 수 있다. 500의 집광 비율을 가정하면, 약 5 내지 18 와트가 열로 소비될 것으로 추측될 수 있다. 이는 러프하게 상기 CPV 셀에 의하여 전기로 변환된 에너지의 규모와 동위에 있다.
따라서, 상기 생성된 열이 높은 효율 프로세스를 통하여 전기로 변환될 수 있다면, 집광 광전지 셀 분야의 좋은 개선점이 될 것이다.
상기 문제는 독립항들에 의하여 정의된 바와 같이, 본 발명에 의하여 해결될 것이다.
더욱 상세하게, 본 발명은 전기 획득용 낭비된 열-수확 장치에 대한 것으로서: 상기 장치는, 스위칭 수단의 온도가 기설정된 온도를 넘어설 때 제1 영역에서 적어도 제2 영역으로 자기장을 전달하는 스위칭 수단을 포함한다.
상기 접근으로 인하여, 낭비된 열-수확 장치는 효과적인 방식으로 열을 전기로 전환가능하다.
몇몇 실시예에서, 상기 낭비된 열 수확 장치는 다음을 더 포함할 수 있다: 상기 자기장을 생성하는 자기 수단; 상기 스위칭 수단의 스위칭에 의하여 생성된 자속(magnetic flux)을 전달하는 자속 컨베이어; 및 상기 자속으로부터 전기를 생성하는 전기 생성 수단.
상기 접근에 의하여, 낭비된 열 수확 장치는 단순한 설계로 열에서 전기를 변환 가능하다.
몇몇 실시예에서, 상기 자속 컨베이어의 제1 측면은 상기 자기 수단의 한 전극(pole)에 연결될 수 있고 상기 스위칭 수단은 상기 자속 컨베이어의 제2 측면과 상기 자기 수단의 다른 전극 사이에 위치될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 상기 자기장은 상기 자속 컨베이어를 통하여 흐르는 자속을 생성할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 스위칭 수단은 자기 합금 스위치(magnetic alloy switch)가 될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 상기 스위치는 상기 자기장의 통과를 허여하거나 막을 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 전기 생성 수단은 상기 자속 컨베이어 주위를 휘감은 코일을 포함할 수 있다.
상기 접근에 의하여, 전기는 상기 자속으로부터 생성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 자속 컨베이어는 어떠한 철 종류가 될 수 있으며, 강자성 합금(ferromagnetic alloy), 예를 들어 Fe 또는 Fe-P 또는 FeSi 또는 Ni/Fe 45/55이 될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 상기 자속은 효율적으로 전달될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 자기 수단은 SmCo5, Sm2Co15, Nd2Fe14B 또는 바륨 페라이트(Ba ferrites) 중 어느 것이 될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 상기 자기장이 효과적으로 실현될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 스위칭 수단은 Gd5(SixGei-x)4로 구현될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 상기 자속의 스위칭이 효과적인 방식으로 구현될 수 있다.
본 발명은 다음을 포함하는 낭비된 열 수확 시스템에 대한 것이다: 상기 실시예들 중 어느 하나에 따른, 적어도 두 개의 낭비된 열 수확 장치들로서, 상기 적어도 두 개의 낭비된 열 수확 장치들 각각은 상기 전기 생성 수단에 의하여 생성된 전기를 출력시키는 장치전력출력부를 포함함.
상기 접근에 의하여, 복수의 낭비된 열 수확 장치들이 공동으로(협력하여) 작동할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부들이 병렬로 또는 직렬로 서로 연결될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 동일 주파수에서 작동하는 복수의 낭비된 열 수확 장치들이 공동으로 작동할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부들의 연결은 AC/DC 컨버터로 연결될 수 있고, 상기 AC/DC 컨버터의 출력부는 상기 낭비된 열 수확 시스템의 전력 출력부로 연결될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 상기 낭비된 열 수확 시스템의 전력 출력부는 유사한 낭비된 열 수확 시스템의 제2 전력 출력부에 연결될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부들의 연결은 AC/AC 컨버터로 연결될 수 있고, 상기 AC/AC 컨버터의 출력부는 상기 낭비된 열 수확 시스템의 전력 출력부로 연결될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 상기 낭비된 열 수확 시스템의 전력 출력부는 유사한 낭비된 열 수확 시스템의 제2 전력 출력부에 연결될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부들 각각은 AC/DC 컨버터로 연결될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 동일 주파수에서 작동하지 않는, 복수의 낭비된 열 수확 장치들은 공동으로 작동할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 AC/DC 컨버터의 출력부는 서로 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있고, 상기 연결 결과 상기 낭비된 열 수확 시스템의 전력 출력부에 연결될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 동일 주파수에서 작동하지 않는, 복수의 낭비된 열 수확 장치들은 공동으로 작동할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부들 각각은 AC/AC 컨버터로 연결될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 동일 주파수에서 작동하지 않는, 복수의 낭비된 열 수확 장치들은 공동으로 작동할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 AC/AC 컨버터의 출력부는 서로 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있고, 상기 연결 결과 상기 낭비된 열 수확 시스템의 전력 출력부에 연결될 수 있다.
상기 접근에 의하여, 동일 주파수에서 작동하지 않는, 복수의 낭비된 열 수확 장치들은 공동으로 작동할 수 있다.
본 발명은 또한 이전 어느 실시예에 따른 적어도 두 개의 낭비된 열 수확 시스템을 포함하는, 낭비된 열 수확 시스템 모듈러에 대한 것이다.
본 발명은 또한 낭비된 열 수확 장치 및/또는 낭비된 열 수확 시스템 및/또는 이전 어느 실시예에 따른 낭비된 열 수확 시스템 모듈러에 대한 것이다.
상기 접근에 의하여, 광전지 셀(photovoltaic cell) 상의 햇빛에 의하여 생성된 열이 효율적으로 전기로 변환될 수 있다.
본 발명은 도한 복수의 광기전 태양전지(photovoltaic solar cell), 특히 집광형 광기전 태양전지를 포함하는 태양광 모듈(solar module)에 대한 것으로서, 열을 전기로 변환하는 적어도 하나의 낭비된 열 수확 장치를 더 포함하고, 상기 광기전 태양전지 중 적어도 어느 하나는 열의 전기로의 변환에 의하여 냉각된다.
상기 접근에 의하여, 상기 태양광 모듈은 상기 전지들의 냉각 덕분에 효율적으로 작동할 수 있고 생성된 열이 추가적으로 전기로 변환될 수 있다.
본 발명은 또한 낭비된 열 수확 장치의 구현방법에 대한 것으로서 다음 단계를 포함한다: 금속층을 기질 상에 증착시키는 제1 증착단계; 자기 합금을 상기 기질 상에 증착시키는 제2 증착단계; 강자성 씨드 물질(ferromagnetic seed material )을 상기 기질 상에 증착시키는 제3증착단계; 금속층을 상기 기질 상에 증착시키는 제4 증착단계; 및 자기 물질을 상기 기질 상에 증착시키는 제5 증착단계.
상기 접근에 의하여, 감소된 단계 및 양립되는 기술, 광기전 전지 제조로 낭비된 열 수확 장치를 구현할 수 있다.
본 발명은 유리한 실시예들과 도면들을 참조하여 하기에서 실시예의 방식으로 더욱 상세하게 기재된다. 기재된 실시예들은 개별 특징들이 상기 기재된 바와 같이 서로 독립적으로 구현되거나 생략될 수 있도록 구성될 수 있다. 도면들에서 도시된 동일 요소들은 동일 참조 번호로 제공된다. 다른 도면들에서 도시된 동일 요소에 대한 설명 부분이 생략될 수 있다. 도면은 다음과 같다:
도 1a은 본 발명의 실시예에 따른 낭비된 열 수확 장치의 개략도이고;
도 1b는 도 1a의 낭비된 열 수확 장치의 동작의 개략도이고;
도 2 내지 7은 도 1a의 낭비된 열 수확 장치의 구현 방법의 개략도이고;
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 낭비된 열 수확 장치의 개략도이고;
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 낭비된 열 수확 장치의 개략도이고;
도 9b, 10a, 10b 및 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 낭비된 열 수확 시스템 모듈러의 개략도이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 스위치 1200은 도 1a의 오픈 포지션으로부터 도 1b의 클로즈 포지션으로 스위치하고, 자속 Φ 1600이 강자성체 자석(ferromagnet) 1400을 통하여 전가되는 자석 1500의 자기장에 의하여 발생된다. 상기 자속 1600은 코일 1300에서 전려 A 1700을 포함한다. 상기 전류 1700은 전력 출력부 1500에서 수집되어 예를 들어 부하 1900로 전력을 공급하여 전압 강하 V 1800이 되도록 한다.
다시 말해, 상기 자기장은 스위치 1200에 의하여 코일 1300의 외부인 제1 영역에서 코일 1300의 내부의 제2영역으로 전달된다.
대칭적으로, 상기 스위치가 도 1b의 클로즈 포지션에서 도 1a의 오픈 포지션으로 이동할 때, 반대 자속이 생성되어 반대 유도 전류를 초래한다. 따라서, 상기 스위치 1200의 오픈/클로즈에 의하여, AC 전류가 전력 출력부 1500에서 생성된다.
더욱 구체적으로, 상기 스위치 1200은 자기 합금 스위치으로 그것의 온도에 의존하여 스위치를 온/오프한다. 상기 낭비된(wasted) 열 수확(harvesting) 장치는 CPV 셀과 열 접점(thermal contact)에서 위치한다. 상기 CPV 셀이 햇빛에 노출되면, 그 온도가 상승할 것이다. 상기 온도가 제1 기 정의된 온도 이상으로 상승하면, 상기 스위치 1200은 클로즈된다. 이로 인하여 상기 온도가 떨어지게 된다. 상기 온도가 제2 기 정의된 온도 이하로 떨어지면, 상기 스위치는 오픈된다. 소정 시간이 지난 후에, 상기 CPV 셀 온도가 태양 방사로 인하여 다시 상승하기 시작할 것이고, 상기 온도는 다시 증가할 것으로, 새로운 사이클이 이끌어질 것이다.
이 방식으로, 상기 CPV 셀은 능동적으로 냉각될 수 있다. 이는, 열 에너지가 수동적으로 상기 열에너지를 소멸시키는 대신에, 전기로 전환되어 상기 셀을 냉각시킨다.
상기 자기 합금 스위치의 자기 이력 현상(hysteresis)을 나타내도록 하기 위하여 비록 상기 실시예가 제1 및 제2 기설정된 온도로 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 대신, 상기 자기 합금 스위치은 실질적으로 무시될 정도의 자기 이력 현상을 가질 수 있고, 상기 제1 및 제2 기설정된 온도가 실질적으로 단일 임계 온도에 대응될 수 있다.
예를 들어, 상기 자기 합금 스위치의 물질은 Gd5(SixGei.x)4이 될 수 있다. 이 물질을 이용할 때, 제1 및 제2 기설정된 스위칭 온도는 상기 스위칭 합금의 조성에 따라 예를 들어 40 내지 80℃ 사이에서 설정될 수 있다.
비록 상기 실시예는 코일 1300 및 강자성체 자석 1400을 참조하여 설명되었으나, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 대신, 본 발명은 강자성체 자석 없이도 구현될 수 있을 뿐만 아니라, 자기장이 온도의 변화에 기초하여 제1 영역에서 제2영역으로 적어도 부분적으로 전용되거나 전달되도록 하는 기하학적 구조(geometry)만을 이용하여 구현될 수 있다. 상기 변화에 의하여 생성된 자속은 전기 에너지로 전환될 수 있다. 상기 전기에너지로의 전환은 상기 코일뿐만 아니라 자속이 전기로 전환되도록 하는 다른 수단, 예를 들어 컨덕터(conductor)의 스트레트 피스(straight piece)를 통하여 가능하다.
상기 스위치 1200의 물질 및 면적은 상기 낭비된 열 수확 장치 1000 상의 상기 CPV 셀의 열용량(thermal mass)에 기초하여 선택된다. 더욱 구체적으로, 상기 열 수확 장치 1000의 열용량은 냉각되는 상기 CPV 셀의 열용량에 매치된다. 이 문맥에서 상기 "매치" 용어는 상기 셀 뒷면 상의 상기 열 수확 장치 1000이, 예를 들어 1.5mm 폭 링 및 200μιη두께를 가진다. 이 경우, 상기 강자성체 자석 물질의 물리 질량이 상기 셀의 질량에, 즉 매치되는 것과 비교될 수 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 낭비된 열 수확 장치 1000의 구현 프로세스는 금속층을 기질(substrate) 100 상에 증착시키는 증착 단계 S1를 포함하고, 그것에 의하여 중간 낭비된 열 수확 장치 1001가 획득된다. 상기 금속층의 증착는 제1 및 제2 코일 세그먼트 1301 및 1302 각각을 초래한다.
더욱 구체적으로, 도 2는 상부에서 하부로, 기질 100의 상면도, 라인 A-A'을 따르는 기질 100의 단면도, 및 라인 B-B', C-C 및 D-D'을 따르는 기질 100의 세 개의 단면도를 나타낸다.
라인 A-A'에 다른 단면도에서 보는 바와 같이, 상기 증착된 금속층이 100 내지 200μιη의 범위, 바람직하게는 150μιη의 두께 T1을 가질 수 있다. 상기 금속은 철에 기초한 물질 중 어느 것 또는 높은 자속이 가능한 어떠한 물질이 될 수도 있다.
게다가, 본 실시예에서, 상면도 상에서 Y 방향에 따른 상기 제1 및 제2 코일 세그먼트 1301 및 1302의 길이는 Y 방향에 따른 그 요소들의 길이보다 더 길다. 그러나, 본 발명은 여기에 제한되지 않는다. 대신, 제1 코일 세그먼트 및 제2 코일 세그먼트의 면적은 코일의 실현을 허여하도록 선택되는 면적인 한 서로 상이할 수 있다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 낭비된 열 수확 장치 1000의 구현 프로세스는 기질 100 상에 자기 합금을 증착시키는 증착 단계 S2를 더 포함하여 낭비된 열 수확 장치 1002가 획득되도록 한다. 상기 자기 합금의 증착는 스위치 1201을 초래한다.
더욱 구체적으로, 도 3은 상부에서 하부로, 기질 100의 상면도, 라인 A-A'을 따르는 기질 100의 단면도, 및 라인 B-B', C-C 및 D-D'을 따르는 기질 100의 세 개의 단면도를 나타낸다.
라인 A-A'에 다른 단면도에서 보는 바와 같이, 상기 증착된 자기 합금층이 100 내지 300μιη의 범위, 바람직하게는 2000μιη의 두께 T2을 가질 수 있다. 상기 금속은 상기 기재된 바와 같이 어느 Gd5(SixGei.x)도 가능하며, 소정 온도에서 자기 수행을 스위치할 수 있는 능력을 가지는 어떠한 열 자기 물질(thermo magnetic material)이 될 수도 있다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 낭비된 열 수확 장치 1000의 구현 프로세스는 기질 100 상에 강자성체 씨드 물질(ferromagnetic seed material)을 증착시키는 증착 단계 S3를 더 포함하여 낭비된 열 수확 장치 1003가 획득되도록 한다. 상기 강자성체 씨드 물질의 증착는 강자성체 씨드층 1401을 초래한다.
더욱 구체적으로, 도 4는 상부에서 하부로, 기질 100의 상면도, 라인 A-A'을 따르는 기질 100의 단면도, 및 라인 B-B', C-C 및 D-D'을 따르는 기질 100의 세 개의 단면도를 나타낸다.
강자성체 층 1401의 목적은 강자성체 두꺼운 층 1402의 연이은 빠른 증착를 위한 베이스로 구현되는 것이다.
라인 A-A'에 다른 단면도에서 보는 바와 같이, 상기 증착된 강자성체층은 100 내지 200μιη의 범위, 바람직하게는 150μιη의 두께 T3을 가질 수 있다. 상기 물질은 어떠한 형태의 철, 강자성체 합금, 예를 들어 Fe or Fe-P 또는 FeSi 또는 Ni/Fe 45/55가 될 수 있다. 상기 물질의 이점은 그것의 탁월한 강자성체 성능이다.
특히 도 4의 실시예에서, 상기 강자성체 씨드층 1401의 위치는 인접 기질 100을 클로징하는 외부 써클, 내부 써클, 및 상기 외부와 내부 TJ클 사이의 두 개의 연결 암으로 구성된다. 그러나 본 발명은 여기에 제한되지 않고 하기에서 더 많은 실시예들이 제공될 것이다. 일반적으로, 강자성체 물질이 증착되어야만 하고 이는 적어도 한 측면이 연이어 증착된 자석에 연결될 수 있도록 하고, 적어도 한 측면이 연이어 증착된 자기 합금 스위치에 연결될 수 있도록 한다. 본 실시예에서, 라인 A-A'에 다른 단면도에서 보는 바와 같이, 상기 강자성체 씨드층 1401은 제1 및 제2 코일 세그먼트 1301 및 1302와 오버랩되는 영역 상에 증착되며, 스위치 1200와 오버랩되는 영역에 증착되는 것이 아니다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 낭비된 열 수확 장치 1000의 구현 프로세스는 기질 100 상에 강자성체 물질(ferromagnetic material)을 증착시키는 증착 단계 S4를 더 포함하여 낭비된 열 수확 장치 1004가 획득되도록 한다. 상기 강자성체 물질의 증착는 강자성체 두꺼운 층(ferromagnetic thick layer) 1402을 초래한다.
더욱 구체적으로, 도 5는 상부에서 하부로, 기질 100의 상면도, 라인 A-A'을 따르는 기질 100의 단면도, 및 라인 B-B', C-C 및 D-D'을 따르는 기질 100의 세 개의 단면도를 나타낸다.
상기 강자성체 두꺼운 층 1402는 상기 강자성체 씨드층 1401 상에 증착된다. 상기 두 층의 조합은 강자성체 자석 1400을 초래한다.
라인 A-A'에 다른 단면도에서 보는 바와 같이, 상기 증착된 강자성체층은 100 내지 200μιη의 범위, 바람직하게는 150μιη의 두께 T4을 가질 수 있다. 상기 물질은 상기 강자성체 씨드층 1401과 동일하거나 다른 물질일 수 있다. 다른 물질 이용의 이점은 강자성체 씨드는 상기 셀의 뒷 표면에 좋은 기계적 및 열 접촉점을 담보되도록 선택될 수 있다.
비록 도 4 및 도 5 및 두 단계 S3 및 S4가 강자성체 자석 1400을 구현하기 위하여 정의되나, 상기 강자성체 자석 1400는 단일 증착 단계로 구현되거나 두 증착단계 이상의 단계로 구현될 수 있다. 하나 이상의 증착 단계를 이용하는 경우의 이점은 상기 씨드층 증착가 단일 단계 프로세스에 비교하여 더 나은 기계적 및 열적 접촉을 담보할 수 있다.
도 6에서 도시되는 바와 같이, 낭비된 열 수확 장치 1000의 구현 프로세스는 기질 100 상에 금속층을 증착시키는 증착 단계 S5를 더 포함하여 낭비된 열 수확 장치 1005가 획득되도록 한다. 상기 금속층의 증착는 제3 코일 세그먼트 1303을 초래한다.
더욱 구체적으로, 도 6은 상부에서 하부로, 기질 100의 상면도, 라인 A-A'을 따르는 기질 100의 단면도, 및 라인 B-B', C-C 및 D-D'을 따르는 기질 100의 세 개의 단면도를 나타낸다.
라인 D-D'에 다른 단면도에서 보는 바와 같이, 상기 증착된 금속층은 100 내지 200μιη의 범위, 바람직하게는 150μιη의 두께 T5를 가질 수 있다. 상기 금속은 상기 제1 및 제2 코일 세그먼트 1301 및 1302를 위하여 사용된 것과 동일한 것일 수 있다.
제3 코일 세그먼트 303이 증착되어 제1 코일 세그먼트 1301의 한 말단과 제2 코일 세그먼트 1302의 한 말단 사이의 연결이 발생되도록 한다. 이런 방식으로, 강자성체 자석 1400 주위로 휘감긴 코일 구조 1300가 성취된다.
도 7에서 도시된 바와 같이, 낭비된 열 수확 장치 1000의 구현 프로세스는 기질 100 상에 자기 물질을 증착시키는 증착 단계 S6를 더 포함하여 낭비된 열 수확 장치 1006가 획득되도록 한다. 상기 자기 물질의 증착는 자석 1100을 초래한다. 대신 또는 추가로, 상기 자석은 최후 영구 자석의 증착 또는 배열을 통하여 구현될 수 있다. 상기 증착는 어닐링(annealing) 및 자화(magnetization)를 통하여 자석의 활성화를 요구할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 7은 상부에서 하부로, 기질 100의 상면도, 라인 F-F'을 따르는 기질 100의 단면도를 나타낸다.
라인 F-F'에 다른 단면도에서 보는 바와 같이,
상기 증착된 자기층은 100 내지 300μιη의 범위, 바람직하게는 200μιη의 두께 T6를 가질 수 있다. 상기 자기 물질은 SmCo5, Sm2Coi5, Nd2Fe14B 또는 Ba 페라이트(Ba ferritis) 중 어느 것일 수 있다. 상기 물질의 이점은 매우 높은 영구 자석 물질이란 것이다.
특히 도 7의 실시예에서, 자석 1100의 위치는 상기 인접 기질 100을 닫는 강자성체 물질 1400의 외부 써클과 강자성체 물질 1400의 내부 써클 사이에 있다. 그러나, 본 발명은 여기에 한정되지 않고, 더 많은 예시들이 하기에서 제공될 것이다. 일반적으로 말하면, 상기 자석이 증착되어 상기 강자성체 물질 1400의 적어도 한 측면과 상기 강자성체 물질 1400의 다른 측면 또는 스위치 1200가 연결될 수 있다.
비록 상기 실시예들에서 두께 T1, T2, T3, T4, T5 및 T6 가 서로 다르게 도시되었더라도, 본 발명은 이 도해적 표현에 제한되지 않고, 다양한 두께를 분명히하는데 이용될 수 있도록 한다. 더욱 구체적으로 상기 두께는 모두 동일하거나, 몇몇만 동일할 수 있다.
비록 상기 실시예들에서 용어 "증착"이 S1 , S2, S3, S4, S5 및 S6 단계들에서 이용되었더라도, 이 용어는 층을 구현하는 일반적인 의미로 의도된 것이다. 따라서, 상기 기재된 층들의 증착를 위하여, CVD, PVD, 플라즈마 증착, 나노프린팅, 스크린 프린팅, 다른 어떠한 증착 기술이 사용될 수 있다.
어떤 층의 증착도 하나 이상의 어닐링 단계가 따를 수 있다.
도 8A 및 8B는 낭비된 열 수확 장치 1106 및 1107의 다른 실시예들을 나타낸다. 더욱 일반적으로, 도 1a에 따른 낭비된 열 수확 장치 1000의 어떠한 물리적 구현이 실현될 수 있다.
일반적으로, 상기 낭비된 열 수확 장치 1000, 1106 및 1107의 통상적인 크기는 5.5mm의 범위에서 5.5mm까지이다. 이는 지구 CPV 셀 산업에서 사용되는 통상적인 셀 크기이다.
도 9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 낭비된 열 수확 시스템 2000을 도시한다. 상기 낭비된 열 수확 시스템 2000은 CPV 셀의 뒷면에 부착될 수 있다. CPV 셀이 게르마늄 기질 상에 구현되는 경우, 상기 낭비된 열 수확 시스템 2000은 상기 CPV 셀의 구현 전 또는 후에 상기 게르마늄 기질의 밑면(underside)에 구현 또는 적용될 수 있다.
상기 낭비된 열 수확 시스템 2000은 복수의 낭비된 열 수확 장치 1000을 포함한다. 각 낭비된 열 수확 장치 1000은 적어도 자석 1100, 강자성체 물질 1400, 스위치 1200 및 코일 1300을 포함한다. 상기 낭비된 열 수확 장치 1000의 각각의 코일 1300의 전력 출력부 1500는 AC 전류를 생성한다. 따라서, 복수의 낭비된 열 수확 장치 1000가 낭비된 열 수확 시스템 2000 상에서 서로 연결될 때, 다른 옵션이 이용가능하다.
예를 들어, 복수의 전력 출력부 1500가 모두 서로 직렬, 병렬, 또는 병렬 및 직렬 연결의 그룹으로 연결될 수 있다. 다음으로, 본 발명의 4 실시예들이 낭비된 열 수확 시스템 2000 내의 복수의 전력 출력부 1500의 연결이 공동으로 복수의 낭비된 열 수확 시스템 2000의 복수의 전력 출력부 2500에 연결되는 것이 설명될 것이다.
도 9b는 낭비된 열 수확 시스템 모듈러를 도시한다. 3000은, 각 전력 출력부 2500을 포함하는 두 개의 낭비된 열 수확 시스템 2000에 의하여 구성된다. 상기 두 개의 낭비된 열 수확 시스템 2000의 각각은 각각 전력 출력부 1500을 가지는, 복수의 낭비된 열 수확 장치 1000을 포함한다.
도 9b에서, 복수의 전력 출력부 1500이 병렬로 서로 연결되고 상기 병렬 연결이 AC/DC 컨버터 2100로 입력된다. 이 방식으로 낭비된 열 수확 시스템 2000은 DC 전류를 전력 출력부 2500에서 출력할 것이다. 이 경우, 상기 낭비된 열 수확 시스템 2000의 다른 낭비된 열 수확 장치들 1000은 동일 주파수에서 동작할 것으로 추측된다. 이는 만약 상기 낭비된 열 수확 장치가, 예를 들어 서로 인접하게 있는 경우일 것이다.
추가적으로, 제2 낭비된 열 수확 시스템 2000은 상기 기재한 것과 동일한 방식으로 구현된다. 상기 두 개의 낭비된 열 수확 시스템 2000의 두 개의 전력 출력부 2500는 서로 병렬로 연결되어 낭비된 열 수확 시스템 모듈러 3000을 구현한다. 이는 상기 두 개의 낭비된 열 수확 시스템 2000이 다른 온도를 가지는 다른 영역에 위치하여, 낭비된 열 수확 시스템 2000 각각의 복수의 낭비된 열 수확 장치의 동작이 잔여 낭비된 열 수확 장치들과 같은 페이스에 존재하지 않도록 하는 경우를 위하여 사용될 수 있다.
비록 상기 두 개의 낭비된 열 수확 시스템 2000의 각각의 복수의 낭비된 열 수확 장치의 출력부 1500가 서로 병렬로 연결되어 있더라도, 이들 연결이 직렬로 연결될 수도 있다.
유사하게, 상기 두 개의 낭비된 열 수확 시스템 2000의 출력부 2500가 서로 병렬로 연결되어 있는 것으로 도시되더라도, 이들은 그 대신 직렬로 연결될 수 있다.
도 10a에서, 복수의 전력 출력부 1500이 서로 병렬로 연결되고 상기 병렬 연결이 AC/AC 컨버터 2200로 입력된다. 이 방식으로, 낭비된 열 수확 시스템 2000은 전력 출력부 2500 상에서 AC 전류를 출력할 것이다. 이 경우, 상기 낭비된 열 수확 시스템 2000의 서로 다른 낭비된 열 수확 장치들 1000이 동일 주파수로 동작되는 것으로 추측된다. 이는 낭비된 열 수확 장치들이, 예를 들어 서로 인접하게 위치하는 경우일 수 있다.
추가적으로, 제2 낭비된 열 수확 시스템 2000은 상기 기재한 것과 동일한 방식으로 구현된다. 상기 두 개의 낭비된 열 수확 시스템 2000의 두 개의 전력 출력부 2500는 서로 병렬로 연결되어 낭비된 열 수확 시스템 모듈러 3000를 구현한다.
이는 상기 두 개의 낭비된 열 수확 시스템 2000이 다른 온도를 가지는 다른 영역에 위치하여, 낭비된 열 수확 시스템 2000 각각의 복수의 낭비된 열 수확 장치의 동작이 잔여 낭비된 열 수확 장치들과 같은 페이스에 존재하지 않도록 하는 경우를 위하여 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 두 개의 낭비된 열 수확 시스템 2000의 동작 주파수가 서로 동일하지 않는 경우, 상기 전력 출력부 2500에서 출력되는 AC 전류의 주파수가 AC/AC 컨버터 2200 사이의 연결 3011를 통하여 정렬(aligned)될 수 있다. 이 방식으로, 상기 낭비된 열 수확 시스템 2000의 동작이 단계적으로 되어 낭비된 열 수확 시스템 모듈러 3000의 안정한 출력부 3500로 제공된다.
도 10b에서, 복수의 전력 출력부 1500 각각이 AC/DC 컨버터 2101에 연결된다. 이 방식으로, 낭비된 열 수확 시스템 2000은 전력 출력부 2500 상에서 DC 전류를 출력할 것이다. 이 경우, 낭비된 열 수확 시스템 2000의 서로 다른 낭비된 열 수확 장치 1000가 동일한 주파수에서 동작되지 않는 경우로 추측된다.
도 11에서, 복수의 전력 출력부 1500 각각이 AC/AC 컨버터 2201에 연결된다. 이 방식으로, 낭비된 열 수확 시스템 2000은 전력 출력부 2500 상에서 AC 전류를 출력할 것이다. 이 경우, 낭비된 열 수확 시스템 2000의 서로 다른 낭비된 열 수확 장치 1000가 동일한 주파수에서 동작되지 않는 경우로 추츨된다. 생성되는 복수의 AC 전류들의 효율적 조합을 담보하기 위하여, 위상 정보(phase information)가 연결 3031을 통하여 복수의 AC/AC 컨버터 사이에서 공유된다.
낭비된 열 수확 장치 1000, 낭비된 열 수확 시스템 2000, 낭비된 열 수확 시스템 모듈러 3000의 어느 조합도 CPV 셀, 더욱 일반적으로 PV 셀의 뒷면 상에 마운트될 수 있다. 예를 들어, 그것이 상기 셀 상에 직접적으로 마운트될 수 있다. 대안으로, 또는 추가로, 그것은 히트-싱크 상에 마운트될 수 있다.
여전히 대안으로 또는 추가로, 낭비된 열 수확 장치 1000, 낭비된 열 수확 시스템 2000, 낭비된 열 수확 시스템 모듈러 3000의 어느 조합도 PV 또는 CPV 셀의 뒤에 직접적으로 구현될 수 있다.
비록 본 발명이 집광된(concentrated) 광전지 셀(concentrated photovoltaic cell)의 냉각에 대하여 기재되었으나, 본 발명은 여기에 제한되지 않고 다른 반도체 기질의 냉각을 위하여도 사용될 수 있다.
여전히 추가로, 본 발명은 박막(thin film) 또는 반도체, 플라스틱의 금속성 또는 다른 물질 상에 구현될 수 있고, 예를 들어 전력 엔진 관리 시스템, 또는 검게 페인팅된 표면과 같이 태양에 노출되는 어떠한 표면, 또는 자동차 등과 같은 모터 엔진을 위한 반도체의 적용에서 낭비된 열을 통하여 전류를 생성할 수 있는 능동 냉각으로서 사용될 수 있다.
상기는 하나 이상의 다양한 실시예에 대하여 기재되었으나, 당업자는 하나 이상의 실시예에 대하여 여기에서 기재된 특징을 청구범위에서 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 서로 조합하여 이해할 수 있다.

Claims (17)

  1. 광모듈(solar module)에 있어서,
    복수의 광전지(photovoltaic cell); 및
    상기 복수의 광전지로부터의 열을 흡수하고 흡수한 열을 이용해 전기를 생성하는, 적어도 하나의 열 수확(harvesting) 장치 (1000);를 포함하고,
    상기 복수의 광전지는 기판의 앞면에 구비되고, 상기 적어도 하나의 열 수확 장치(1000)는 상기 기판의 뒷면에 구비되며,
    상기 적어도 하나의 열 수확 장치(1000)는,
    스위칭 수단의 온도가 기설정된 온도를 넘으면 제1 영역에서 적어도(at least) 제2 영역으로 자기장을 전달하는 스위칭 수단(1200);
    상기 자기장을 생성하는 자기 수단(1100);
    상기 스위칭 수단이 스위칭하는 것에 의하여 생성되는 자속을 전달하는 자속 컨베이어(1400); 및
    상기 자속으로부터 전기를 생성하는 전기 생성 수단(1300);을 포함하며,
    상기 스위칭 수단의 표면 및 상기 전기 생성 수단의 표면은 동일한 평면인, 광모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자속 컨베이어(1400)의 제1측면이 상기 자기 수단(1100)의 한 전극에 연결되고, 상기 스위칭 수단(1200)이 상기 자속 컨베이어(1400)의 제2 측면과 상기 자기 수단(1100)의 다른 전극 사이에 위치하는 것인 광모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 수단(1200)은 자기 합금 스위치인 것인 광모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기 생성 수단(1300)은 상기 자속 컨베이어(1400)를 휘감은 코일(1300)을 포함하는 것인 광모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자속 컨베이어(1400)는
    Fe 또는 Fe-P 또는 FeSi 또는 Ni/Fe 45/55로부터 선택되는, 철 타입 또는 강자성체 합금인 광모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자기 수단(1100)은 SmCo5, Sm2Co15, Nd2Fe14B 또는 Ba 페라이트(Ba ferritis)인 것인 광모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 수단(1200)은 Gd5(SixGe1-x)4로 만들어진 것인 광모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 열 수확 장치(1000)를 포함하고, 상기 열 수확 장치(1000) 및 상기 제2 열 수확 장치는 낭비된(wasted) 열을 수확하는 열 수확(harvesting) 시스템(2000)을 형성하고,
    상기 열 수확 장치(1000) 및 상기 제2 열 수확 장치 각각은 전기 생성 수단에 의하여 생성된 전기를 출력하는 장치 전력 출력부(1500)를 포함하는 것인 광모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부(1500)들은 서로 병렬 또는 직렬로 연결되는 것인 광모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부(1500)들의 연결이 AC/DC 컨버터(2100)에 연결되고, 상기 AC/DC 컨버터(2100)의 출력부는 상기 열 수확 시스템의 전력 출력부(2500)에 연결되는 것인 광모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부들(1500)의 연결이 AC/AC 컨버터(2200)에 연결되고, 상기 AC/AC 컨버터(2200)의 출력부는 상기 열 수확 시스템의 전력 출력부(2500)에 연결되는 것인 광모듈.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부들(1500) 각각은 AC/DC 컨버터(2101)에 연결되는 것인 광모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터(2101)의 출력부는 서로 직렬 또는 병렬로 연결되고, 상기 AC/DC 컨버터(2101)의 출력부의 상기 연결이 상기 열 수확 시스템의 전력 출력부(2500)에 연결되는 것인 광모듈.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 장치 전력 출력부들(1500) 각각은 AC/AC 컨버터(2201)에 연결되는 것인 광모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 AC/AC 컨버터(2201)의 출력부는 서로 직렬 또는 병렬로 연결되고, 상기 AC/AC 컨버터(2201)의 출력부의 상기 연결이 상기 열 수확 시스템의 전력 출력부(2500)에 연결되는 것인 광모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광전지는 집광된(concentrated) 광전지인, 광모듈.
  17. 낭비된 열을 수확하는 열 수확 장치를 포함하는 광전지를 구현하는 방법에 있어서,
    상기 열 수확 장치는 스위칭 수단의 온도가 기설정된 온도를 넘으면 제1 영역에서 적어도 제2 영역으로 자기장을 전달하는 스위칭 수단; 상기 자기장을 생성하는 자기 수단; 상기 스위칭 수단이 스위칭하는 것에 의하여 생성되는 자속을 전달하는 자속 컨베이어; 및 상기 자속으로부터 전기를 생성하는 전기 생성 수단;을 포함하고,
    상기 방법은,
    제1 코일 세그먼트 및 제2 코일 세그먼트를 형성하기 위해 금속층을 기질(substrate) 상에 적층시키는 제1적층 단계(S1);
    상기 스위칭 수단을 형성하기 위해 자기 합금을 상기 기질 상에 적층시키는 제2적층 단계(S2);
    연속적으로 적층된(deposited) 자석의 적어도 일 면에 연결되고 상기 스위칭 수단의 적어도 일 면에 연결되는 강자성체(ferromagnetic) 씨드(seed) 물질을 상기 기질 상에 적층시키는, 상기 자속 컨베이어를 형성하기 위한 제3적층 단계(S3);
    상기 제1 코일 세그먼트의 일 단부와 상기 제2 코일 세그먼트의 일 단부 사이에 연결을 생성하는 제3 코일 세그먼트를 형성하기 위해 제2 금속층을 상기 기질 상에 적층시키는, 상기 전기 생성 수단을 생성하기 위한 제4적층 단계(S5); 및
    상기 강자성체 씨드 물질의 적어도 일 면 및 상기 강자성체 씨드 물질 또는 상기 스위칭 수단의 다른 면에 연결된 자석을 형성하기 위해 자기 물질을 상기 기질 상에 적층시키는, 상기 자기 수단을 형성하기 위한 제5 적층단계(S6)를 포함하며,
    상기 스위칭 수단의 표면 및 상기 전기 생성 수단의 표면은 동일한 평면인, 방법.
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