KR100602581B1

KR100602581B1 - 수광밀도 균일화 복합포물면(ｃｐｃ) 집속장치

Info

Publication number: KR100602581B1
Application number: KR1020040044638A
Authority: KR
Inventors: 황우성
Original assignee: 황우성
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2006-07-19
Also published as: KR20050119524A

Abstract

본 발명은 태양광을 집속하는 복합포물면(CPC) 집속장치의 수광면(또는 흡열면)에 불균일한 광밀도의 분포에 따른 문제점을 해결하기 위하여 개선된 수광밀도 균일화 복합포물면(CPC) 집속장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치는 단면이 포물형으로 포물선의 궤적이 ρ = 2f/(1-cosφ)를 만족하는 우측반사경(제2반사경)과 좌측반사경(제1반사경) 그리고 두 반사경의 하단을 연결하여 형성된 수광면으로 이루어지고, 각 반사경의 초점(F,F')이 대향하는 반사경의 하단점에 형성되고 태양광의 입구측 끝단부(A,B)와 초점(F,F')을 연결하는 선(AF', BF)과 z축과의 사이각이 입사한계각이 ±α인 기본 CPC를 개선하여, 좌측 제1반사경(AF)의 하단점 F (우측 제2반사경의 초점)와 우측 제2반사(BF')의 상단점 B를 연결하여 선 BF를 긋고, 좌측 제1반사경(AF)의 초점 F'(우측반사면의 하단점)에서 선 BF와 평행한 선을 그어, 우측 제2반사면과 만나는 점 K'의 위치를 결정하거나, 선정한 입사한계반각 α에 대하여 관계식

cosφ_K'= [1-2(1+sinα)*sinα]cosα+(1+sinα)*(1-2sinα) /

(cosα+sinα+1)*(1-2sinα)²

을 만족하는 각도 φ_K'의 값으로 결정되는 점 K'의 위치를 결정하고, 상기 점 K'에서 장치의 횡축(x-축)과 평행한 선 (K'K)과 선 BF와 만나는 점 K의 위치를 결정하며, 좌측 제1반사경(AF)을 장치의 횡축 (x-축)을 따라 점 K와 만나는 점 까 지 거리 s만큼 우측으로 이동되는데, 좌측반사경(AF)이 s만큼 우로 이동됨에 따라 우측반사경(BF)의 하단에 있던 초점(F)가 점 F"로 이동되고, 이렇게 이동된 상태에서 각 반사경의 하단부위는 선 K,K'로 절단하여 수광면을 형성하여, 수광면의 양단부가 좌우측 반사경의 각 초점에서부터 이격되어 위치하므로써 수광된 광밀도가 균일하게 분포하도록 한 태양광 집속장치이다.

Description

수광밀도 균일화 복합포물면(ＣＰＣ) 집속장치 {Compound Parabolic Concentrator for Uniform Energy Distribution on the Receiver Surface}

도 1은 태양전지의 전기적 특성 및 집속비와의 관계 그래프

도 2 및 도 3은 포물면의 광학적 특성 설명도

도 4는 기본 CPC 집속장치 모형의 형성구조 단면도

도 5는 기본 CPC 집속장치의 광학적 특성설명도

도 6은 기본 CPC 집속장치의 2차원 모형 사시도

도 7은 기본 CPC 집속장치의 3차원 모형 사시도

도 8, 도 9 및 도 10은 기본 CPC 집속장치에 있어서 입사각에 따른 수광면에서의 에너지 분포 설명도

도 11은 본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 구성원리 설명을 위한 단면도

도 12, 도 13 및 도14는 본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치에 있어서 입사각에 따른 수광면에서의 에너지 분포 설명도

도 15는 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 구성원리 설명을 위한 단면도

도 16은 수광면이 지면과 평행하게 위치하는 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 단면도

도 17은 여유공간을 갖도록 설계된 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 단면도

도 18은 신개선 궤도곡면과 흡열관 흡열면에 응용한 기본 CPC의 단면도

도 19는 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치에 있어서 흡열면을 신개선 궤도의 곡면과 흡열관으로 집속장치 단면도

도 20은 도 19의 집속장치에 여유공간을 갖도록 한 집속장치의 단면도

****도면의 주요부호에 대한 설명****

A, A', B : CPC 집속장치의 개구면의 상 단점

F, F', F" : 포물면의 초점

K, K' : CPC반사면의 하단 끝단점, 기본 CPC의 출구면(수광면)

s : 반사면의 이동거리 (좌측)

d (K'G, HG') : 장화형 집속장치의 여유 공간거리

C : 집속비

(x,y), (x',y') (x",y") : 직각 좌표계, 장치의 축

JF, J'F' : 포물면의 축

FF', KK' : CPC형 집속장치의 수광면(흡열면)의 폭 또는 출구면

K'M, K"M' : 장화형 집속장치의 흡열면(선형) 또는 출구면

α : 평판 수광면을 이용한 CPC 장치의 입사한계반각

θ : 원형 흡열면을 이용하는 CPC장치의 입사한계반각

(ρ,φ) : 포물면의 극좌표계

본 발명은 태양광을 집속하는 복합포물면(CPC) 집속장치의 수광면(또는 흡열면)에 불균일한 광밀도의 분포에 따른 문제점을 해결하기 위하여 개선된 수광밀도 균일화 복합포물면(이하 CPC라 한다.) 집속장치에 관한 것이다.

태양에너지 이용장치는 태양광과 태양열을 이용하는 장치로 대분할 수 있다.태양광 이용장치는 반도체를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 수단이며, 태양열 이용장치는 태양에너지를 흡수하는 흡열판 또는 흡열관을 이용하여 태양에너지를 열에너지로 변환하는 수단이다. 태양광 이용장치에 사용되는 반도체는 대표적으로 실리콘(Si), 비소화갈륨(GaAs) 등이 있으며, 전기변환효율은 종류에 따라 약 10~20%이다. 태양열 이용장치에 사용되는 흡열면은 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 합성물(예: TiO₂) 등을 사용하며, 태양에너지 흡수율은 약 90~95%이다.

이러한 목적으로 사용되는 집광기 (또는 집열기)는 평판형(Flat-plate Collector)과 집속형(Concentrating collector)이 있다. 평판형 집광기는 태양에너 지를 수광면 (또는 흡열면)의 면적만큼 받아 에너지변환을 하는 장치이며, 집속형 집광기는 특수한 광학장치를 이용하여 집광면의 면적보다 집속비 (개구면면적/수광면면적) 만큼 더 많은 에너지를 수광면(흡열면)에 도달하게 하여 평판형과 동일한 수광면(흡열면) 면적에 대하여 평판형 집광기보다 많은 양의 전력 (또는 높은 온도)을 발생하게 하는 장치이다. 집속형 장치는 용도에 따라 2차원 또는 3차원 집속기가 있으며 또한 각 장치는 태양 추적형 또는 비추적형 장치가 있다.

태양전지 및 모듈의 구조:

태양전지(Photovoltaic cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자로서 일반적으로 p-n 접합구조(p-n junction structure)인 일종의 반도체 다이오드(diode)이며, 실리콘(Si) 또는 비소화갈륨(GaAs) 등의 반도체를 사용하고 있다.

태양전지의 종류는 다양하나, 예로서 단결정체 Si 태양전지는 얇은 Si 웨이퍼(Wafer)의 앞면과 뒷면에 금속판을 접합시켜 자유전자(Free electrons)와 정공(Holes)을 수집(collect)할 수 있도록 구성된다. 앞면의 접촉금속은 태양광을 최대한 받아들이기 위하여 가늘고 얇은 금속으로 일정 간격으로 형성된 그리드(Grid 또는 Finger) 형태로 되어 있어 태양광이 조사될 때 생성되는 자유전자를 최대한 수집하고 뒷면 접촉금속판은 정공을 수집한다. 반도체 p-n 접합 다이오드의 양극단에 생성된 전하운반자(Charge carriers: 전자 및 정공)는 외부회로에 연결하였을 때 전류가 되어 태양전지로 작용한다. 효율적인 태양전지는 태양광을 최대한 많이 포착할 수 있어야 하며, 광 에너지를 흡수하여 최대한 많은 수의 전하운반자를 생 성할 수 있어야 한다.

태양전지 모듈(Photovoltaic(PV) Module)은 태양전지를 이용한 발전장치의 단위장치이다. 본 장치의 구성은 다수의 태양전지를 직렬로 연결하여 요구되는 전압(V)을 결정하며, 이것을 String이라고 칭하고 있다. 이러한 String을 다수 병렬로 연결하여 필요한 전류(I)를 조정하여 요구하는 출력(P)을 P=IV 관계식에 의하여 조정한다. 예로서, 현재 평판형 전지로 많이 사용되고 있는 단결정 Si 전지의 크기는 약 10 cm x 10 cm이며 이것의 전기적 특성은 표준상태에서 개방전압(Voc)은 ~0.5V, 단전전류(Isc)은 ~3A이고 최대출력은 약 P~1.2W이다. 이러한 동일한 전지 12개를 직렬로 연결하면 전압이 약 5V인 String이 형성되며, 이러한 String 4개를 병렬로 연결하면 약 60W를 출력할 수 있는 모듈이 형성된다.

태양광 이용 장치 에 있어서 집속장치의 필요성:

태양에너지를 이용하는 평판형 장치의 문제는 태양전지(반도체)를 이용하여 전기를 발생하고자 할 경우 일반적으로 태양전지 반도체의 값이 고가이며 또한 반도체의 전기변환 효율도 낮다. 일반 반도체의 전기적(I-V )특성은 태양광에너지의 밀도에 비례하여 전류가 증가하며 태양에너지의 밀도는 집속비에 비례한다. 즉 태양전지 출력의 집속비에 대한 의존도는 하기 관계식으로 표현된다.

Isc = C Isco (1)

Voc = Voco+(nVth)ln(C) (2)

여기에 Isc =단전전류(Short circuit current6), C = 집속비, Voc=개방회 로전압(Open circuit voltage), n= diodic factor, nVth = 태양전지 효율에 대한 열 의존도이다. 즉 태양전지의 전류(I)는 집속비에 선형적으로 비례하며 전압(V)은 로가리즘적으로 약간의 증가가 있다. 따라서 집속비가 높을수록 출력(P)은 P=I*V 의 관계식에 의하여 높아진다 (도 1 참조).

이것의 의미는 동일한 출력에 대하여 태양전지의 사용면적을 집속비만큼 줄일 수 있어 그 만큼 경제적이 된다. 즉 집속비가 2 이면 사용하는 태양전지의 면적은 평판일 경우와 동일한 출력에 대하여 반이하로 줄어들게 된다. 집속비가 10이면 사용하는 태양전지의 면적은 평판형일 때 보다 1/10로 줄어들게 된다. 따라서 용도에 따라 적절한 집속비의 집속장치를 사용하면 태양전지의 사용면적을 줄이거나 전기출력을 높일 수 있으며 또한 효율도 증가하여 경제적이다.

태양전지의 표면이 부분적으로 조사(照射)된 경우의 문제점:

단일 태양전지가 불균일하게 조사(Illumination)되면 결과적으로 전지의 온도와 전류가 불균일하게 분포된다. 따라서 이러한 조사는 Fill-factor에 영향을 주며 또한 개방전압의 감소로 나타난다. 개방전압과 효율은 조사윤곽이 국부적으로 집중될수록 더 큰 폭으로 감소된다.

모듈을 구성하는 태양전지(PV Cell)의 일부가 전부 또는 부분적으로 그늘이 지거나, 손상이 가거나 또는 모듈을 구성하는 각 각의 전지가 서로 전기적으로 짝이 잘 맞지 않거나 할 경우 전지에 뜨거운 부위(Hot spot)가 발생하게 된다. 이러한 현상은 전지 또는 모듈의 열적 긴장(Thermal stress)을 초래하며, PV 발전회로, 부하, 및 그늘짐 정도에 따라 그늘진 전지의 전압이 반대로 될 수 있어 열의 형태로 전력이 소산되며, 또한 각 전지(Cell)의 손실은 전지의 온도를 상승시켜 과열현상이 일어나고 전지가 파손될 수 있다. 또한 높은 밀도의 태양에너지가 전지의 한 부분에 집속되면 전지의 온도가 국부적으로 높아져 전지가 손상될 수 있다. 그늘진 모듈의 수행손실은 가장 많이 그늘진 전지의 손실에 비례하여 출력이 감소된다. 또한 모듈의 수명에도 좌우된다.

태양에너지 집속장치:

본 분야에는 다양한 종류의 장치가 개발되어 있다. 집속형 장치는 일반적으로 렌즈 또는 반사면 또는 렌즈와 반사면을 합친 복합광학 장치를 사용한다.

(일반적으로 렌즈형 집속기는 태양전지 장치에, 반사면은 태양열 이용 집속장치로 사용되고 있다. 특별한 차이는 없으나 렌즈를 사용하는 집속장치는 설계상의 자유도가 반사면 장치보다는 더 많으며 장치의 광학적 오차에 덜 민감하다. 그러나 렌즈는 산란광을 투과하지 않으므로 사막과 같이 직달광선이 강한 곳에 유용하다. 렌즈는 무게를 줄이기 위하여 일반적으로 Fresnel형 렌즈를 사용한다.)

모든 집속장치 중 특히 복합포물면(Compound Parabolic Concentrator, CPC)을 이용한 장치는 이론적으로 가장 이상적인 집속기로 검증되어 있는데(US 특허번호 4003 638, US특허번호 4002 499 등), CPC는 기본적으로 포물면을 반사면으로 이용한 장치이다.

포물선 궤적은 수학적으로 극좌표계 (ρ,φ)에서 다음과 같이 표현된다 (도 2 참조).

ρ = 2f/(1-cosφ) (3)

여기에, f 는 초점거리(OF)이다.

CPC의 기본원리는 도 4에 도시하였다. CPC의 기본모형의 반사면은 2 개의 포물선 구조의 반사면으로 구성되며, 포물선으로 형성된 반사면의 광학적 특성을 이용한다. 즉 도 2에 도시하는 바와 같이 포물면의 축(z'-축)과 평행하게 입사하는 광선은 본 포물면에서 반사된 후 모두 초점 F에 모인다. 따라서 수광면이 초점부위에 있으면 높은 밀도의 에너지가 분포된다.

그러나 입사광선이 축과 평행하지 않고, 각 ±α만큼 기울어진 각도로 입사하면 (도 3) 초점부위에서의 에너지의 밀도는 넓게 퍼지게 되며, 이 경우 수광면 (예: DD')의 위치와 크기에 따라 수광면에서의 에너지 밀도의 분포가 다르게 되며. 어떤 광선은 수광면에 도달하지 않고 반사면에서 반사되어 밖으로 되돌아 나아간다.

주어진 일정한 수광면의 폭(DD')에 대하여 2차원 CPC 구조는 2개의 상술한 포물형 반사면의 축을 기울여 한 개의 집속장치로 변형한 구조로서 입사한계각(±α) 이내에서 입사하는 모든 광선은 수광면에 도달하게 된다. 이것을 끝단광선의 원리라고 한다.

이러한 원리를 만족하는 CPC장치의 구성은 도 4에 도시된 바와 같이 우측 포물면(일부분, F'B)의 초점을 점 F에 위치하고, 본 포물면의 축(FJ, z'-축)이 구성하고자 하는 집속장치의 축 (z-축)과 각 +α만큼 시계의 반대방향으로 기울이고, 본 반사면의 상단점(B)은 본 점에서의 접선이 장치의 종축 (z-축)과 평행하게 형성되는 점 B에서 절단하고, 본 포물면의 하단점(F')은 장치의 횡축(x-축)과 평행하게 초점 F를 지나는 선과 만나는 교차점 F‘에서 절단한다. 장치의 대칭축(z-축)은 본 출구면 FF'의 중간점을 지난다.

상기 우측 반사면(F'B)을 장치의 종축(z-축)을 대칭으로 하여 거울에 비친 영상 (Mirror image)으로 좌측 반사면(AF)를 형성하면 좌측 포물면(AF)의 초점은 점 F'에 위치하고 이것의 축은 선 F'J'으로 형성된다.

이와 같이 형성된 2개의 좌 우측 반사면 (AF 및 BF')이 한 개의 집속장치(AFF'B)를 형성한다. 출구면 FF'에 수광면 (또는 흡열면)이 위치한다.

본 장치의 특성은 개구면(AB)에 각 ±α보다 같거나 작은 각도로 입사하는 모든 광선은 직접 또는 반사면에서 반사된 후 모두 출구면(FF’)에 도달한다 (도 5). 각 α보다 큰 각도로 입사하는 광선은 반사면애서 반사된 후 모두 밖으로 되돌아 나아간다. 수광면에 도달하는 최대 입사각 α를 입사한계반각(Acceptance half-angle)이라 하며 개구면(AB)과 출구면(FF')과의 비를 기하학적 집속비(Geometric Concentration Ratio)라 정의한다. 본 집속비와 입사한계반각과의 관계는 CPC인 경우 다음과 같이 정의된다.

Ccpc=1/sinα (2차원 집속기일 경우) (4)

Ccpc=1/sin²α (3차원 집속기일 경우) (5)

본 원리의 응용으로 2차원 집속장치의 경우 (도 6)를 예로 들면, 입사한계반 각이 90°이면 집속비는 일(1)이 되어 평판형과 동일하게 되고, 입사한계반각이 30°이면 집속비가 2가 된다. 후자의 경우, 개구면(AB)과 출구면(FF')의 면적의 비가 2가 되며, 이것의 의미는 개구면으로 입사하는 태양에너지의 밀도가 출구면에서 2배로 증가하게 되며, 따라서 출구면에 본 출구면과 동일한 면적의 태양전지를 놓으면 2배의 광량을 받아 평판형으로 사용할 때보다 약 2배의 전류가 생성되며 (도 1 참조), 또는 본 출구면에 출구면과 동일한 면적의 흡열판을 놓을 경우 2배의 태양에너지가 집속되어 평판형인 경우보다 더 높은 온도를 생성할 수 있게 된다 (예: 태양에너지 방사에 의한 온도의 증가는 이 경우(C=2) 표준조건하에서 90℃에서 160℃로 증가함). 또한 장치의 운영온도 부위에서의 효율성도 평판형 집열기보다 훨씬 증가한다.

입사한계각의 의미는 이 경우 태양의 위치가 집광면의 수직면으로부터±30°범위 이내에 위치하면 개구면에 입사하는 모든 광선은 모두 수광면에 도달한다. 본 각도는 태양을 추적하지 않을 경우, 일일 중 수광시간의 한계를 결정하며 또한 계절에 따른 본 집속기의 위치조절의 회수를 결정한다. 즉, 본 예의 경우, 집속장치가 동서(도 6)로 위치되어 있고 집속기의 개구면의 수직방향이 춘분 (또는 추분)에 정오에 정남으로 향하여 고정되어 있으면 약 5시간의 수광시간이 가능하며 하지 때에는 11시간의 수광시간이 가능하다. 이 경우 계절에 따라 남북으로 위치조절을 하지 않아도 된다 (남북 조절각도는 ±23.5°)

본 구조의 CPC는 다른 어떤 종류의 집속기보다 주어진 집속비에 대하여 최대의 입사한계각을 허용한다. 역으로 주어진 입사한계각에 대하여 최대의 집속비를 허용하는 장치로써 최대의 태양에너지를 수광면(또는 흡열면)에 전달할 수 있는 집속장치이다.

태양에너지를 이용하는 평판형 장치의 문제는 태양전지(반도체)를 이용하여 전기를 발생하고자 할 경우 일반적으로 태양전지 반도체(예: Si, GaAs 등)의 값이 고가이며 (전체장치의 약 1/3~1/2) 또한 반도체의 전기변환 효율도 낮다 (단결정 Si 인 경우 약 15%). 태양열을 이용하는 평판형 집열기 장치는 흡열면의 집열온도에 한계가 있어 (약 40~90℃) 고온(>150℃)을 요구하는 장치에 이용할 수 없게 된다. 따라서 장치의 단가를 줄이거나 또는 고온을 요구하는 장치에는 일종의 집속장치가 필요하게 된다.

상술한 CPC는 태양전지에 사용할 경우 특수한 문제가 발생한다.

즉, 태양전지에 국부적으로 그늘(Shadow)이 생기에 되며, 이러한 경우 상술한 바와 같이 전기변환 효율이 저하되며 또한 극심한 경우 태양전지내에서 발생되는 열의 불균형적 분포로 인하여 열적 긴장이 생기며 파손될 수 있다.

상기 예(CR=2, α= 30°)에서 거의 +30°또는 -30°의 입사각으로 들어오는 광선은 반사 후 초점 F(또는 F')부위에 모두 모이게 되어 주위의 다른 부분에는 그늘짐 현상이 발생하게 된다 (도 8, 도 9, 도 10참조). 또한 초점 부위에서 태양전지 및 반사면의 온도가 국부적으로 상승하게 되며, 온도가 상승함에 따라 태양전지의 전압이 감소되어 출력이 저하되며, 고온인 경우에 도 8에서 점선 원으로 도시한 반사면의 하단부위 및 태양전지에 손상이 발생할 수 있다.

본 수광면이 흡열면일 경우 흡열면이 국부적으로 가열되어 균일하게 분포된 경우 보다 비효율적이다.

상술한 기본 복합포물면(CPC) 집속장치의 수광면(또는 흡열면)에 불균일한 광밀도의 분포로 인하여 발생되는 상술한 제반문제를 광학원리를 이용하여 해결하고자 한다. 본 원리는 초점부위에 모이는 광행로의 중간에 수광면(또는 흡열면)을 위치하여 반사된 광을 수광면 (또는 흡열면)의 표면에 균일하게 에너지밀도를 분포시킴으로서 수광면에 설치된 태양전지의 전기변환 효율을 높이거나 흡열면의 온도를 높이고자 함에 있다. 따라서 효율성이 증가되고 경제적이며 수명도 연장되는 수광밀도가 균일화된 복합 포물면(CPC) 태양에너지 집속장치를 제안하고자 한다.

(1) 수광밀도 균일화 CPC 집속장치

본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치는 도 4에 도시된 기본 CPC 집속장치가 도 11에 도시된 바와 같은 형태로 변형된 것인데, 기본 CPC 집속장치가 도 11에 도시된 바와 같은 본 발명의 수광밀도 균일화 CPC 집속장치를 형성하기 위한 기하학적 구조 변화는 다음과 같은 수단에 의하여 달성된다.

1. 도 4에 도시한 일종의 기본 CPC구조에서 좌측 제1반사면(AF)의 하단점 F (우측 제2반사면의 초점)와 우측 제2반사면(BF')의 상단점 B를 연결하여 선 BF를 형성하고(상기 선BF는 좌측 제1반사면(AF)의 축에 평행하게 초점 F를 향하여 우측 제2반사면(BF')의 상단점 B에서 입사한계반각으로 입사하는 광선과 동일함),

2. 좌측 제1반사면의 초점 F'(우측반사면의 하단점)에서 선 BF와 평행한 선을 형성하고, 우측 제2반사면과 만나는 점 K'의 위치를 구한다.

3. 점 K'에서 장치의 횡축(x-축)과 평행한 선 (K'K)과 선 BF와 만나는 점 K의 위치를 정한다.

4. 기본 CPC 집속장치의 구조에서 좌측 제1반사면(AF)이 장치의 횡축 (x-축)을 따라 점 K와 만나는 점 까지 거리 s만큼 우측으로 이동한다. 이때에 초점 F'도 우측으로 이동하게 되어 점 F"에 위치하게 된다.

5. 각 반사면의 하단부위는 본 점 (K,K')에서 절단한다

6. 이와 같이 형성된 반사면 A'K 및 BK'은 본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치를 형성한다.

상술한 조건을 만족시키는 점 K'의 위치는 기본 CPC의 모형에서 다음 관계식을 만족한다 (도 4의 x'z'-좌표계에서).

cosφ_K'= [1-2(1+sinα)*sinα]cosα+(1+sinα)*(1-2sinα) /

(cosα+sinα+1)*(1-2sinα)² (6)

여기에, φ_K'는 도 4에서 정의된 초점 F를 원점으로 한 극좌표계에서의 포물선상의 점 K'의 위치이며, α 는 전술한 기본 CPC의 입사한계반각이다.

상기 관계식에서 조건 cosφ_K'≤±1에 의하여 α≥30°경우에는 상술한 점 K'은 존재하지 않고 초점 F'과 일치한다. 즉 α≥30°에 해당되는 기본 CPC와 동 일하다. 따라서 본 발명의 기본 원리는 α＜ 30°의 경우에만 해당된다. 이것은 2차원 기본 CPC의 구조에서 관계식 (4)에 의하여 집속비가 2 이상의 구조에 해당한다 (3차원인 경우 관계식 (5)에 의하여 집속비가 4이상인 경우에 해당 됨).

본 발명의 상기 구조에 의한 집속비(Ceff)는 주어진 입사한계반각(α)에 대하여 기본 CPC의 집속비(Ccpc)보다 줄어들게 되며 2차원 장치인 경우 다음 관계식으로 주어진다

Ceff = Ccpc - 2*(1+sinα)*tanα*cos(φ_k'-α)/(1-cosφ_k') (7)

여기에 Ccpc는 관계식(4)에 정의된 기본 CPC의 집속비이다. 예로서, 기본 CPC의 집속비가 Ccpc=2.1인 경우 관계식 (4), (6), (7)에 의하여 α=28.44˚ φ_K'=109.3˚ Ceff =1.91로써 기본 CPC의 집속비 Ccpc=2.1보다 약 10% 줄어든다. 그러나 집속장치에서는 일반적으로 집속비의 크기보다는 수광면(흡열면)에서의 에너지 밀도의 균일성이 가장 중요하며, 또한 광손실 (또는 열손실)의 최소화가 더욱 중요하다.

본 발명에 따른 변형된 CPC집속장치는 도 12 내지 도 13에 도시된 바와 같이 입사한계반각 ±α보다 작은 각도로 개구면 A'B에 입사하는 모든 광선은 수광면 KK'에 실질적으로 고르게 분포된다.

(2) 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치

본 발명에 따른 집속장치인 도 11의 모형은 주어진 입사한계각이내에서 장치 의 개구면에 입사하는 모든 광선은 수광면에 실질적으로 균일하게 에너지 분포가 형성된다.

그리고 상기 도 11의 모형과 거의 동일한 효과를 제공할 수 있는 또 하나의 본 발명에 따른 집속장치는 도 15와 같은 장화형 구조이다. 상기 장화형 구조는 도 15에 도시되어 있는 바와 같이,

1. 수광면 KK'을 반지름으로 하여 점 K'을 중심으로 원호 KNM의 반사면을

형성한다.

2. 우측 반사면의 상단점 B에서 입사한계반각으로 입사하는 광선의 광행로

와 만나는 점 M을 구한다. 즉, 본 광선은 초점 F를 향하여 진행하며 진

행경로 중 좌측 반사면의 하단점 K에서 반사되어 초점 F"으로 향하여 진

행된다.

3. 좌측 반사면의 상단점 A'에서 입사한계반각으로 입사하는 광선은 원호

KNM의 중심점 K'을 지나 직접 원호의 일점 N에 도달하며 본 광선은 점

N에서 다시 반사되어 되돌아 나아가 점 K'을 지난다.

4. 선 K'M은 본래의 수광면(KK')과 동일한 폭으로 형성된 출구면이다.

5. 따라서, 반사면을 A'KNM과 BK'로 형성하고, 원래의 수광면 KK'을 출구

면 K'M으로 옮겨 일개의 장화형 집속장치가 형성된다.

상기 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치는 입사한계반각 ±α보다 작은 각도로 개구면A'B에 입사하는 모든 광선은 각 반사면에서 반사된 후 수광면 K'M에 실질적으로 고르게 분포된다.

도 16에 도시된 장화형 수광밀도

균일화 CPC 집속장치는 도 15의 수광면 K'M과 지면이 평행하도록 집속장치를 회전시킨 상태의 것이다.

이와 같이 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치를 수광면 K'M과 지면(地面)이 서로 평행하도록 회전시킨 이유는 평판형 흡열면이 지면을 향하게 되면 밀폐된 장화형 공간에서 대류에 의한 열손실이 줄어들기 때문이다.

(3) 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 구조변경

도 15에 도시된 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 모형은 우측 반사면과 수광면이 경계점 K'에서 서로 점으로 접합되어 있으나, 실 제품은 공작(제작)할 수 있는 여유 공간이 일반적으로 필요하다.

이러한 문제를 고찰하여

1. 도 15 및 도 16에 도시된 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 우측

제1반사면(BK')과 수광면(K'M)과의 경계점 K'에서 요구되는 여유공간 d

만큼 수광면(K'M)을 따라 우측으로 이동하여 점 G의 위치를 선정한다.

(도 17 참조)

2. 점 K'에서 수광면 K'M과 수직하게 내린 선이 원호 반사면 KNM과 만나는

점 H에서 수광면 K'M과 평행하게 동일한 여유공간 d 만큼 반사면을 직

선으로 연장하여 점 G'의 위치를 결정한다.

3. 점 G를 중심점으로 하여 반경이 KK'인 원호 반사면(G'N"M')을 점 G'에서

부터 형성한다.

4. 우측 포물면 반사면의 상단점 B에서 입사한계반각으로 입사하는 광선은

초점 F를 향하여 진행하고 좌측 반사면의 하단점 K에서 반사되어 초점

F"을 향하여 진행될 때 원호반사면과 만나는 점 M'의 위치를 결정한다,

5. 좌측 반사면의 상단점 A'에서 입사한계반각으로 입사하는 광선은 초점

F"을 향하여 진행하고, 본 광선은 원호 반사면 G'N"M'상의 점 N"에서 다

시 반사되어 점 V 및 K"을 향하여 진행된다.

여기에 점 V는 수광면 평면(K'G)의 연장선과 본 반사광선이 만나는 점이

며, 점 K"은 본 반사광선과 KK'과 동일한 크기의 반지름으로 점 M'을 중

심으로 하여 형성되는 원호와 만나는 점이다. 따라서 점 V와 K"은 모두

본 반사광선상에 위치하는 점이다.

6. 여기에서, 본 반사광선의 2 점, V 및 K", 사이에서 일 점을 선택하여 M'

점과 연결한 출구면을 수광면의 폭으로 선정할 수 있다.

즉, 본래의 수광면의 폭 KK'과 동일한 폭의 수광면은 출구면 K"M'으로

사용할 수 있으며, 또한 폭 VM'을 선정하여 보다 작은 폭의 수광면으로

선택할 수도 있다. 또는 점 V 와 K"을 연결하는 선상의 다른 일점 K"을

선택하여 출구면 K"M'을 수광면으로 선택할 수 있다. 본 구조에서는 폭

VM'이 수광면의 최소의 폭이 된다. (도 17 참조)

7. 공간 K'V의 최대공간은 선 K'V의 연장선과 반사광선 KF"의 연장선과 만

나는 점까지 이다.

8. 직선 K'G를 형성하는 면의 내부는 반사면이며, 직선 GK" 또는 VK"은 본

래의 수광면 K'G에 수직한 반사면이다.

9. 이와 같이 형성된 본 발명에 따른 집속장치 구조는 모두 입사한계반각보

다 작은 각도로 개구면 A‘B로 입사하는 모든 광선은 수광면 VM' 또는

K"M'에 도달한다.

수광면을 VM' 또는 K"'M'으로 선택할 경우 장치의 집속비는 수광면이

K"M'의 경우보다 증가한다.(여기서 K"'은 직선 VK"선상에서 임의로

선택되는 점이다.)

(4) 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 흡열면이 비선형 (원통형)인 경우

흡열면이 평면이 아닌 경우로 도 18에 도시된 바와 같이 주어진 입사한계반각에 대하여 이론적으로 최대의 집속을 할 수 있는 반사면의 궤도는 흡열면 단면의 신개선(Involute) 궤도의 반사곡면 일부와 신개선 궤도의 곡면과 연속적으로 연결된 특수한 제 2의 반사곡면으로 형성된다.

상기 제 2 반사면의 궤도는 입사한계각으로 입사하는 광선이 제2의 반사면에서 반사된 후 본 비선형 흡열면에 접선으로 만나도록 조절된 특수한 궤적의 반사면으로 형성된다.

이상과 같은 장치를 “신계선형 집속기“라고 칭하기로 한다. 도 18는 본 비 선형 흡열면이 원통형일 경우를 예시한 것이다.

예로서, 도 18에 도시한바와 같이 흡열면의 단면이 원통형일 경우, 좌측 하부 반사면의 형성은 원의 신계선 (원통을 감은 실이 원에서 팽팽하게 당겨서 접선으로 풀어 나아갈 때 실의 끝점이 그리는 궤적)으로 형성되는 곡면의 일부 (곡면 OP)이다. 제2의 반사면은 곡면 PQ로서 입사한계반각(θ)과 평행하게 들어오는 모든 광선은 본 반사면 PQ에서 반사된 후 흡열면의 표면에 접선으로 만나도록 형성된 특수곡면이다. 본 두(2)개의 곡면은 접합점 P에서 연속적으로 (즉, 접점 P에서 서로의 기울기가 동일함) 만난다. 상단점 Q는 본 점에서의 접선이 장치의 축인 z"-축과 평행하게 형성되는 점이다.

우측 반사면 0P‘Q’은 반사면 OPQ 곡면이 본 장치의 대칭축 (z"-축)에 대칭으로 형성되는 곡면이다.

이러한 궤적의 반사면의 특징은 전술한 CPC와 같이 반사면 OPQ (또는 OP'Q')는 입사한계반각(θ) 및 이 보다 작은 각도로 입사하는 모든 광선을 본 반사면에서 한 번 또는 그 이상 반사된 후 모두 흡열면에 도달한다 (끝단광선의 원리). 본 입사한계반각보다 큰 각도로 입사하는 광선은 반사면에서 한번이상 반사된 후 흡열면에 도달하지 않고 모두 밖으로 되돌아 나아간다.

이와 같은 신개선 특수반사면의 이용은 도 19 및 도 20에 도시하였다. 즉 도 15 및 도 17에 제시한 장치에서 흡열면(K'M, 또는 K"M')을 제거하고 도 18에 제시한 집속장치의 개구면 (QQ')의 폭을 흡열면의 폭 K'M과 동일하게 조절하여 대치한다. 이 경우 입사한계반각(θ)은 본체의 장치(도 15, 도 17)에서 반사되어 출구면 (K'M, 또는 K"M')에 도달하는 최대의 각도를 본 특수장치의 개구면(QQ'=K'M, 또는 K"M')으로 입사하는 입사한계반각으로 선정한다.

본 장치의 형성에 있어서 도 18에 제시된 신개선반사면의 깊이(높이)를 임의로 절단하여 개구면 QQ'의 폭을 조절할 수 있다[예: 개구면 WW'].

본 발명은 종래의 기본 CPC의 설계에 있어서 초점 부위에 모이는 태양에너지의 집속으로 인한 수광면(흡열면)의 그늘짐 현상을 완화시키며, 동시에 일부 부위에 집속된 에너지로 인한 고온현상을 저하시킨다. 또한 장치의 출구면에 실질적으로 균일하게 분포된 태양에너지 밀도로 인하여 장치 (수광면 또는 흡열면)의 효율을 증가시킨다.

집속장치는 태양전지의 면적을 집속비만큼 줄일 수 있어 태양전지의 사용면적을 줄임으로서 장치의 단가도 많이 줄일 수 있다. 광학요소의 단가는 태양전지의 약 1/10 ~ 1/20에 해당된다.

본 발명이 태양열이용 장치에 응용될 경우 흡열면의 표면온도를 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라 실질적으로 고르게 가열시킬 수 있어 국부적으로 가열될 경우보다 장치의 효율이 증가된다.

또한 흡열면이 지면과 평행하며 동시에 지면을 향하게 위치하여 대류에 의한 열손실이 감소되어 장치의 효율이 증가시킨다 (도 15, 도 17). 또한 대류의 흐름을 정체시킴으로서 흡열면의 열효율을 극대화할 수 있다(도 17, 도 20).

Claims

단면이 포물형으로 포물선의 궤적이 ρ = 2f/(1-cosφ)를 만족하는 우측반사경(제2반사경)과 좌측반사경(제1반사경) 그리고 두 반사경의 하단을 연결하여 형성된 수광면으로 이루어지고, 각 반사경의 초점(F,F')이 대향하는 반사경의 하단점에 형성되고 태양광의 입구측 끝단부(A,B)와 초점(F,F')을 연결하는 선(AF', BF)과 z축과의 사이각이 입사한계각이 ±α인 기본 CPC에 있어서,

좌측 제1반사경(AF)의 하단점 F (우측 제2반사경의 초점)와 우측 제2반사(BF')의 상단점 B를 연결하여 선 BF를 긋고, 좌측 제1반사경(AF)의 초점 F'(우측반사면의 하단점)에서 선 BF와 평행한 선을 그어, 우측 제2반사면과 만나는 점 K'의 위치를 결정하거나, 선정한 입사한계반각 α에 대하여 관계식

cosφ_K'= [1-2(1+sinα)*sinα]cosα+(1+sinα)*(1-2sinα) /

(cosα+sinα+1)*(1-2sinα)²

을 만족하는 각도 φ_K'의 값으로 결정되는 점 K'의 위치를 결정하고,

상기 점 K'에서 장치의 횡축(x-축)과 평행한 선 (K'K)과 선 BF와 만나는 점 K의 위치를 결정하며,

좌측 제1반사경(AF)을 장치의 횡축 (x-축)을 따라 점 K와 만나는 점 까지 거리 s만큼 우측으로 이동되는데, 좌측반사경(AF)이 s만큼 우로 이동됨에 따라 우측반사경(BF)의 하단에 있던 초점(F)가 점 F"로 이동되고,

이렇게 이동된 상태에서 각 반사경의 하단부위는 선 K,K'로 절단하여 수광면을 형성하여, 수광면의 양단부가 좌우측 반사경의 각 초점에서부터 이격되어 위치하므로써 수광된 광밀도가 균일하게 분포하도록 한 수광밀도 균일화 CPC 집속장치.
제1항에 있어서, 수광면 KK'의 점K'를 중심으로 길이 KK'(수광면의 폭길이)를 반지름으로 하여 점KNM을 지나는 원을 그리고, 우측 반사경(BK')의 상단점 B에서 입사한계반각(α)으로 입사하는 광선의 반사된 광행로(光行路)와 상기 원과 만나는 점 M을 구하여 원호KNM인 보조반사경을 형성하여, 수광면이 지면을 향하게 한 수광면K'M을 형성하여 구성된 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치.
제2항에 있어서, 우측 반사경(제2반사경)과 수광면과의 경계점 K'에서 요구되는 여유공간 d만큼 수광면을 따라 우측으로 이동하여 점 G의 위치를 선정하고, 점 K'에서 지면을 향하는 수광면 K'M에 수직하게 내린 선과 원호 반사면 KNM과 만나는 점 H에서 수광면 K'M과 평행하게 동일한 여유공간 d 만큼 반사면을 직선으로 연장하여 점 G'를 선정하여, 점 G를 중심점으로 하여 반경이 KK'인 점 G‘에서 시작하여 원호G'N"M' 인 보조반사경을 형성하여, 좌우 반사경와 상기 보조반사경 사이에 선형 반사면을 삽입 연장되어 실제 제작에 필요한 여유공간이 확보되는 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 보조반사경에 연장시킨 신개선(Involute)곡면의 제2보조반사경을 비선형 흡열체와 함께 결합하여 구성된 장화형의 수광밀도 균일화 CPC 집속장치.