KR20200041012A - 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치에 관한 것으로, 장방형의 판형으로 형성된 집광렌즈의 상측면에는 태양광을 받는 평면의 입사면을 형성하고 저면에는 입사면을 통하여 입사된 태양광을 굴절시키는 패턴면을 집광렌즈 중심으로 왼쪽과 오른쪽이 대칭되어 있으며 중심으로부터 외측으로 갈수록 단계적으로 높아지며 길이방향으로 형성한 제1렌즈부와, 상기 제1렌즈부의 집광렌즈를 통과한 태양광을 굴절렌즈를 통하여 반복적으로 굴절시키고 초점거리를 단축시켜 태양광을 중앙으로 집광하도록 굴절렌즈 양측면을 경사지게 형성하여 역삼각형의 4면체 반사판을 형성하고 4면체 반사판에서 태양광이 반사와 굴절을 통하여 에너지변환모듈에 집광시킬 수 있도록 형성한 제2렌즈부와, 상기 제2렌즈부의 굴절렌즈 저면에는 태양전지판에 형성된 에너지변환모듈을 밀착 형성한 태양전지판부와, 상기 태양전지판부와, 제2렌즈부를 중앙에 고정하고 상기 제2렌즈부로 부터 상측으로 일정한 거리를 두고 제1렌즈부가 고정되도록 다수의 연결프레임으로 형성된 몸체부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치{Solar-Light Power Generation Device using}

본 발명은 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제1렌즈부에서 입사되는 태양광을 한곳으로 모아주고 제2렌즈부에서 옆면의 반사판으로 태양광을 다각도로 반사하여 상기 렌즈의 전체면에서 부터 입사되는 빛을 작은 영역에 집광시켜 렌즈의 크기에 비해 대용량의 빛을 축적할 수 있는 것으로서 단위면적당 빛을 받을 수 있어 효율성을 향상시키고 비용을 절감할 수 있는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치에 관한 것이다.

일반적으로, 태양광 발전설비는 태양전지(solar cell)를 이용하여 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치를 말한다.

이때, 상기 태양전지는 PN접합 반도체로 구성되어 태양광의 조사시 전자와 정공이 발생하여 +전극과 -전극이 형성되고 그 전극이 외부회로와 접속되어 있으면 전류가 흐르게 된다.

이렇게 태양 전지가 직접 빛을 전기로 변환시키는 원리를 "광전효과"라고 한다.

집광형 태양광 발전설비에는 태양광을 집중하여 태양전지의 표면에 조사하는 집광장치가 사용된다.

이 집광장치 광집적도는 발전설비의 에너지효율과 직결되며, 태양전지의 전방에 설치되는 집광용 집광 렌즈의 면적에 비례한다.

일반적으로, 태양광 집광용 광학장치는, 포인트 집중 디쉬 타입(point-focus dish type), 선형 집중 트러프 타입(linear-focus trough type), 포인트 집중 프레넬 렌즈 타입(point-focus Fresnel lens type), 선형 집중 프레넬 렌즈 타입(linear-focus Fresnel lens type), 그리고 헬리오스테트 타입(heliostat type)의 장치로 구분이 되고, 그 밖에 RXI, TIR 타입(type) 등이 있다.

그러나 상기 타입의 태양광 집광용 광학장치는, 렌즈 혹은 반사경으로부터 많은 양의 태양광을 흡수해야 하지만 입사되는 빛의 반사 및 기타 변수에 의해 태양광의 흡수 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

이러한 태양광 흡수효율을 높이기 위하여 한편, 유기물의 산란 특성을 이용하여 측면으로 빛을 집광하는 유기물 태양광 집광 렌즈 렌즈가 고안되기도 하였으나, 유기물 태양광 집광 렌즈의 경우, 측면으로 빛을 집광시키기 위하여, 고가의 유기 물질을 사용해야만 하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 특허등록 제1595072호 집광 렌즈 및 그를 이용한 태양광 발전장치가 제안된 바 있다.

상기와 같은 태양광 발전장치는 집광렌즈의 상면으로 입사되는 빛은 본체부와 굴절부를 통과하고, 상기 굴절부의 복수열의 톱니 형태 단면인 굴절면에 의해 미리 정환 폭을 가진 초점 영역에 집광되며, 상기 초점 영역은 상기 본체부의 중심축을 따라 길게 형성되어 상기 집광렌즈의 하면에 위치한 태양전지의 표면에 조사되도록 형성되어 있다.

그러나 상기와 같은 태양광 발전장치는 태양의 고도 변화에 따라 초점이 맺히는 위치가 계속 변화되어 최적을 효율성을 유지할 수 없어 집광되는 빛의 균일성이 떨어져 초점을 중심으로 주변부의 빛 에너지가 줄어들어 가장자리주변에 빛이 전혀 들어오지 않을 수도 있어 태양전지 측면에서 암전류(dark current)를 발생하게 되고 초점 중심에는 핫스펏(hot spot)현상이 발생하여 태양전지 내부의 온도 상승으로 인하여 셀의 절연 파괴현상을 일으킬 수 있다.

또한, 태양의 고도의 변화에 따라 초점이 맺히는 위치가 계속 변화되기 때문에 최적의 집광 효율을 유지할 수 없으며 집광배율이 증가할 시키기 위해서는 초점거리도 증가시킬 수 밖에 없어 제조단가가 상승되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 이중 렌즈구조를 이용해 태양광을 집중시키고 광 분포를 균일하게 형성하도록 하며, 태양전지의 전자-정공쌍이 균일한 밀도로 형성되어 에너지 변환모듈의 발전 효율을 향상시킬 수 있으며 태양의 고도 변화에 관계없이 다방향으로 입사되는 태양광을 연속적으로 상기 에너지 변환 모듈에 균일하게 집중시켜 집광효율을 최적의 상태로 유지시킬 수 있는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또 다른 목적으로는 태양광 집광으로 인해 집중되는 열을 빠르게 분산시킬 수 있도록 하여 열 스트레스를 낮춰 에너지 변환모듈의 열안정 효과를 달성하고 수명을 연장시켜 내구성을 향상시키며 이중구조의 집광렌즈부로 인해 집광배율에 따라 증가한 집광렌즈부와 에너지 변환모듈 사이의 초점거리를 단축시켜 장비 제작비용을 줄일 수 있는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 장방형의 판형으로 형성된 집광렌즈의 상측면에는 태양광을 받는 평면의 입사면을 형성하고 저면에는 입사면을 통하여 입사된 태양광을 굴절시키는 패턴면을 집광렌즈 중심으로 왼쪽과 오른쪽이 대칭되어 있으며 중심으로부터 외측으로 갈수록 단계적으로 높아지며 길이방향으로 형성한 제1렌즈부와, 상기 제1렌즈부의 집광렌즈를 통과한 태양광을 굴절렌즈를 통하여 반복적으로 굴절시키고 초점거리를 단축시켜 태양광을 중앙으로 집광하도록 굴절렌즈 양측면을 경사지게 형성하여 역삼각형의 4면체 반사판을 형성하고 4면체 반사판에서 태양광이 반사와 굴절을 통하여 에너지변환모듈에 집광시킬 수 있도록 형성한 제2렌즈부와, 상기 제2렌즈부의 굴절렌즈 저면에는 태양전지판에 형성된 에너지변환모듈을 밀착 형성한 태양전지판부와, 상기 태양전지판부와, 제2렌즈부를 중앙에 고정하고 상기 제2렌즈부로 부터 상측으로 일정한 거리를 두고 제1렌즈부가 고정되도록 다수의 연결프레임으로 형성된 몸체부로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 제공한다.

상기 제1렌즈부의 집광렌즈는 유리 또는 폴리카보네이트, 광학 아크릴 중 어느 하나로 이루어지고 상기 제2렌즈부의 굴절렌즈 상측면은 볼록 또는 오목렌즈로 구성되며 상기 제2렌즈부의 굴절렌즈의 4면체 반사판은 금속, 비금속 반사물질이 코팅된 유리로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 태양광을 집중시키고 광 분포를 균일하게 형성하도록 하며, 태양전지의 전자-정공쌍이 균일한 밀도로 형성되어 에너지 변환모듈의 발전 효율을 향상시킬 수 있으며 태양의 고도 변화에 관계없이 다방향으로 입사되는 태양광을 연속적으로 상기 에너지 변환 모듈에 균일하게 집중시켜 집광효율을 최적의 상태로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 태양광 집광으로 인해 집중되는 열을 빠르게 분산시킬 수 있도록 하여 열 스트레스를 낮춰 에너지 변환모듈의 열안정 효과를 달성하고 수명을 연장시켜 내구성을 향상시키며 이중구조의 집광렌즈부로 인해 집광배율에 따라 증가한 집광렌즈부와 에너지 변환모듈 사이의 초점거리를 단축시켜 장비 제작비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 나타낸 렌즈부분의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 나타낸 렌즈부분의 정면도,
도 3은 본 발명에 따른 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 나타낸 제1렌즈부의 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 나타낸 사시도이다.

본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 나타낸 렌즈부분의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치를 나타낸 렌즈부분의 정면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명의 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치는 입사되는 태양광을 선 구조로 집광시켜주는 제1렌즈부(10)와, 상기 제1렌즈부(10)를 통과해서 굴절된 태양광을 반복적으로 굴절시켜 고르게 집광하는 제2렌즈부(20)와, 상기 제2렌즈부(20)를 통하여 집광되는 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지판부(30)와, 상기 태양전지판부(30), 제2렌즈부(20), 제1렌즈부(10)를 고정하는 몸체부(40)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 제1렌즈부(10)는 평면형의 태양광을 받도록 장방형의 판형으로 형성된 집광렌즈(11)의 상측면에는 태양광을 받는 평면의 입사면(12)을 형성하고 저면에는 입사면(12)을 통하여 입사된 태양광을 굴절시키는 패턴면(13)을 길이방향으로 형성한다.

이와 같은 제1렌즈부(10)의 패턴면(13)은 패턴의 높이가 집광렌즈(11) 중심으로부터 외측으로 갈수록 단계적으로 높아지며 중심으로 집광렌즈(11)의 중심으로 부터 왼쪽과 오른쪽이 대칭되어 있어 태양광을 굴절시켜 제2렌즈부(20)의 상측면에 태양광을 집중시켜준다.

또한, 상기 제1렌즈부(10)는 집광렌즈(11)는 투광성이 좋은 소재인 유리 또는 폴리카보네이트, 광학 아크릴 등으로 제작하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 제1렌즈부(10)의 집광렌즈(11)를 통과한 태양광을 집광할 수 있도록 제1랜즈부(10)의 하측으로 제2렌즈부(20)를 형성한다.

이러한 상기 제2렌즈부(20)는 제1렌즈부(10)의 집광렌즈(11)를 통과한 태양광을 굴절렌즈(21)를 통하여 반복적으로 굴절시키고 초점거리를 단축시켜 태양광을 중앙으로 집광하도록 형성한다.

상기의 제2렌즈부(20)의 굴절렌즈(21)는 양측면을 경사지게 형성하여 역삼각형의 4면체 반사판(22)을 형성하여 4면체 반사판(22)에서 태양광이 반사와 굴절을 통하여 초점거리를 단축시키며 굴절렌즈(21)을 하측으로 고르게 조사되도록 한다.

한편, 상기 굴절렌즈(21)의 상측면은 볼록 또는 오목렌즈로 형성되며 굴절렌즈(21)의 4면체 반사판(22)은 금속, 비금속 반사물질이 코팅된 유리로 형성된다.

상기와 같은 제2렌즈부(20)의 굴절렌즈(21) 저면에는 태양전지판부(30)를 형성한다.

상기와 같은 태양전지판부(30)는 태양전지판(31)에 형성된 에너지변환모듈(32)을 제2렌즈부(20)의 굴절렌즈(21)의 저면과 밀착 형성하여 에너지변환모듈(32)과 굴절렌즈(21) 사이가 오염되는 것을 방지하며 굴절렌즈(21)를 통과한 태양광이 에너지변환모듈(32)에 고르게 조사된다.

이와 같은 상기 제1렌즈부(10)와 제2렌즈부(20) 및 태양전지판부(30)를 고정하기 위하여 몸체부(40)를 형성한다.

상기 몸체부(40)는 태양전지판부(30)와 밀착되어 있는 제2렌즈부(20)의 각 모서리를 연결프레임(41) 중앙에 고정하고 상기 제2렌즈부(20)로 부터 상측으로 일정한 거리를 두고 제1렌즈부(10)가 고정되도록 연결프레임(41)을 형성한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저도 4에 도시된 바와 같이 밀착형성되어 있는 제2렌즈부(20)의 굴절렌즈(21)와 태양전지판부(30)의 태양전지판(31)의 각 모서리를 몸체부(40)의 연결프레임(41)의 중앙에 연결형성한다.

이와 같은 상태에서 일정한 간격을 두고 제2렌즈부(20)의 상측으로 제1렌즈부(10)의 집광렌즈(11)를 연결프레임(41)으로 고정한다.

이러한 제1렌즈부(10)의 집광렌즈(11)는 변환되는 에너지의 크기에 따라 길이방향으로 일렬로 길게 배치하고 폭방향으로도 넓게 배치할 수 있다.

상기와 같이 배치된 제1렌즈부(10)의 집광렌즈(11)에 대응되도록 제2렌즈부(20)의 굴절렌즈(21)와 태양전지판부(30)의 에너지변환모듈(32)도 설치된다.

이렇게 설치된 집광장치에 태양광이 조사되면 제1렌즈부(10)의 집광렌즈(11)의 입사면(12)을 통과하여 패턴면(13)에 의해 태양광을 선 구조로 중앙으로 고르게 집광시켜준다.

이와 같이 집광렌즈(11) 하측 중앙으로 집광된 태양광은 선형태로 제2렌즈부(20)의 굴절렌즈(21) 상측면에 도달하게 되면 태양광은 도 2에 도시된 바와 같이 굴절렌즈(21)의 볼록 또는 오목한 상측면으로 인하여 4면체 반사판(22)으로 굴절하고 4면체 반사판(22)에 굴절된 태양광은 다시 반사 굴절되어 에너지변환모듈(32)에 고르게 조사되어 도달 함으로써 태양광을 에너지로 변환한다.

이때 굴절렌즈(21)에서 태양광을 굴절시키면서 초점거리를 단축시키며 경사진 4면체 반사판(22)으로 인하여 계절이나 시간에 따라 변하는 태양의 고도변화에 따라 변화하는 입사각도를 수용하여 반사 굴절함으로써 손실되는 빛의 양을 줄일 수 있다.

또한, 4면체 반사판(22)의 열전도로 인하여 집광으로 발생할 수 있는 고온의 열을 빠르게 분산시킬 수 있다.

10 : 제1렌즈부 11 : 집광렌즈
12 : 입사면 13 : 패턴면
20 : 제2렌즈부 21 : 굴절렌즈
22 : 4면체 반사판 30 : 태양전지판부
31 : 태양전지판 32 : 에너지변환모듈
40 : 몸체부 41 : 연결프레임

Claims (6)

1. 장방형의 판형으로 형성된 집광렌즈(11)의 상측면에는 태양광을 받는 평면의 입사면(12)을 형성하고 저면에는 입사면(12)을 통하여 입사된 태양광을 굴절시키는 패턴면(13)을 길이방향으로 형성한 제1렌즈부(10)와,
   상기 제1렌즈부(10)의 집광렌즈(11)를 통과한 태양광을 굴절렌즈(21)를 통하여 반복적으로 굴절시키고 초점거리를 단축시켜 태양광을 중앙으로 집광하도록 형성된 제2렌즈부(20)와,
   상기 제2렌즈부(20)의 굴절렌즈(21) 저면에는 태양전지판(31)에 형성된 에너지변환모듈(32)을 밀착 형성한 태양전지판부(30)와,
   상기 태양전지판부(30)와, 제2렌즈부(20)를 중앙에 고정하고 상기 제2렌즈부(20)로 부터 상측으로 일정한 거리를 두고 제1렌즈부(10)가 고정되도록 다수의 연결프레임(41)으로 형성된 몸체부(40)로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1렌즈부(10)의 집광렌즈(11) 패턴면(13)의 패턴 높이는 집광렌즈(11) 중심으로부터 외측으로 갈수록 단계적으로 높아지며 중심으로 집광렌즈(11)의 중심으로 부터 왼쪽과 오른쪽이 대칭되어 있는 것을 특징으로 하는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 제2렌즈부(20)의 굴절렌즈(21)는 양측면을 경사지게 형성하여 역삼각형의 4면체 반사판(22)을 형성하여 4면체 반사판(22)에서 태양광이 반사와 굴절을 통하여 에너지변환모듈(32)에 집광시킬 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1렌즈부(10)의 집광렌즈(11)는 유리 또는 폴리카보네이트, 광학 아크릴 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서 상기 제2렌즈부(10)의 굴절렌즈(21) 상측면은 볼록 또는 오목렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 제2렌즈부(10)의 굴절렌즈(21)의 4면체 반사판(22)은 금속, 비금속 반사물질이 코팅된 유리로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치.
   

Images