KR102378110B1 - Concentrated solar ray generation device and method for solar ray generation using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 집광형 태양광 발전 장치 이를 이용한 태양광 발전 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 집광형 태양광 발전 장치는 태양광을 집광하는 집광수단; 상기 집광된 태양광을 평행화시키는 평행광수단; 상기 평행광수단 후단에 위치되어, 상기 평행화된 태양광을 분광하는 프리즘; 상기 프리즘 후단에 위치되어, 상기 분광된 태양광을, 파장별 중첩 없이 집광하는 광학부재; 및 상기 집광된 태양광을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 태양전지;를 포함한다.The present invention relates to a photovoltaic power generation method using the same. In one embodiment, the light-collecting type photovoltaic device includes a light-collecting means for condensing sunlight; a parallel light means for collimating the focused sunlight; a prism positioned at the rear end of the parallel light means to split the collimated sunlight; an optical member positioned at the rear end of the prism to condense the split sunlight without overlapping by wavelength; and a solar cell generating electrical energy using the concentrated sunlight.
Description
본 발명은 집광형 태양광 발전 장치 및 이를 이용한 태양광 발전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a concentrating solar power generation device and a solar power generation method using the same.
태양광 에너지의 이용효율을 높이기 위하여, 집광을 통해 태양에너지의 전파장 영역의 전기에너지 변환효율을 높이고 적외선영역의 열에너지 효율을 높이는 기술이 연구되고 있다. 도 1은 태양광의 파장에 따른 에너지 분포를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 지표에 도달되는 태양에너지를 파장별로 구분하여 자외선, 가시광선, 적외선영역으로 에너지 비중을 나누면, 자외선 영역은 약 5%, 가시광선영역은 약 43% 및 적외선 영역은 약 52% 비중을 차지하고 있으며, 주로 가시광선 영역에서 태양광 발전이 이루어지고 있다.In order to increase the efficiency of use of solar energy, a technology for increasing the electrical energy conversion efficiency of the solar energy in the wave field region and the thermal energy efficiency in the infrared region through light collection is being studied. 1 shows the energy distribution according to the wavelength of sunlight. Referring to FIG. 1, when the solar energy reaching the earth's surface is divided by wavelength and the energy weight is divided into ultraviolet, visible, and infrared regions, the ultraviolet region is about 5%, the visible ray region is about 43%, and the infrared region is about It accounts for 52%, and solar power is mainly generated in the visible light area.
태양광 발전에 사용되는 태양광전지(또는 태양전지, Photo voltaic cell)는 주로 가시광선영역 및 근적외선영역의 파장영역에서 감응하는데, 집광의 경우 전기에너지로 변환되는 가시광선영역뿐만 아니라 자외선 및 적외선영역까지 많은 에너지가 응집되어 고열이 발생할 수 있다. 그러나, 태양광전지는 일반적으로 열에 취약하여, 고열에 노출시 효율저하, 수명저하 및 파손 등의 문제가 발생할 수 있다.Photovoltaic cells (or solar cells, photovoltaic cells) used in photovoltaic power generation are sensitive to wavelengths in the visible and near-infrared regions. A lot of energy can be condensed and high heat can occur. However, solar cells are generally vulnerable to heat, and when exposed to high heat, problems such as reduced efficiency, reduced lifespan, and damage may occur.
이러한 문제를 해결하기 위해 태양전지 셀 후면에 방열판을 부착하거나, 프리즘 또는 스펙트럼 분리기를 이용하여 자외선 및 적외선 영역의 광을 분리하여 태양전지 셀의 과열문제를 해결함과 동시에, 열에너지로 활용하려는 시도가 이루어지고 있다.To solve this problem, attach a heat sink to the back of the solar cell or use a prism or a spectrum separator to separate the light in the ultraviolet and infrared region to solve the problem of overheating of the solar cell and try to utilize it as thermal energy. is being done
또한, 복수 개의 빔 스플리터(beam splitter)를 이용하여 광원을 스펙트럼 분리하는 경우, 상기와 같이 프리즘에 의한 스펙트럼 중첩 문제는 방지할 수 있으나, 고가의 빔 스플리터 사용에 의한 경제적 부담과, 장치의 복잡성이 문제가 되고 있었다.In addition, when the light source is spectrally separated using a plurality of beam splitters, the spectrum overlap problem due to the prism can be prevented as described above, but the economic burden due to the use of an expensive beam splitter and the complexity of the device are increased. was becoming a problem.
본 발명과 관련한 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제1043237호(2011.06.21. 공고, 발명의 명칭: 집광형 태양전지 모듈)에 개시되어 있다.As a prior art related to the present invention, it is disclosed in Republic of Korea Patent Publication No. 1043237 (published on June 21, 2011, title of the invention: condensing solar cell module).
본 발명의 목적은 태양광 집광 및 발전 효율이 우수한 태양광 발전 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a photovoltaic device having excellent solar light collection and power generation efficiency.
본 발명의 다른 목적은 공간 효율성 및 경제성이 우수한 집광형 태양광 발전 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a concentrating solar power generation device having excellent space efficiency and economical efficiency.
본 발명의 또 다른 목적은 집광형 태양광 발전 장치의 과열 및 파손을 방지할 수 있는 집광형 태양광 발전 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a concentrating photovoltaic device capable of preventing overheating and damage of the concentrating photovoltaic device.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 집광형 태양광 발전 장치를 이용한 태양광 발전 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a photovoltaic power generation method using the concentrating photovoltaic device.
본 발명의 하나의 관점은 집광형 태양광 발전 장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 집광형 태양광 발전 장치는 태양광을 집광하는 집광수단; 상기 집광된 태양광을 평행화시키는 평행광수단; 상기 평행광수단 후단에 위치되어, 상기 평행화된 태양광을 분광하는 프리즘; 상기 프리즘 후단에 위치되어, 상기 분광된 태양광을, 파장별 중첩 없이 집광하는 광학부재; 및 상기 집광된 태양광을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 태양전지;를 포함한다.One aspect of the present invention relates to a concentrating solar photovoltaic device. In one embodiment, the light-collecting type photovoltaic device includes a light-collecting means for condensing sunlight; a parallel light means for collimating the focused sunlight; a prism positioned at the rear end of the parallel light means to split the collimated sunlight; an optical member positioned at the rear end of the prism to condense the split sunlight without overlapping by wavelength; and a solar cell generating electrical energy using the concentrated sunlight.
한 구체예에서 상기 태양광 발전장치는, 상기 집광된 태양광을 이용하여 열을 발생하는 열교환장치;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the photovoltaic device may further include a heat exchange device that generates heat using the focused sunlight.
한 구체예에서 상기 태양광 발전장치는 상기 집광된 태양광 및, 난반사된 태양광을 상기 열교환장치로 반사시키는 반사수단;을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the photovoltaic device may further include a reflecting means for reflecting the concentrated sunlight and the diffusely reflected sunlight to the heat exchange device.
한 구체예에서 상기 집광수단 및 평행광수단은, 각각 포물선형 반사경, 오목렌즈, 볼록렌즈 및 프레넬 렌즈 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the light collecting means and the parallel light means may include at least one of a parabolic reflector, a concave lens, a convex lens, and a Fresnel lens, respectively.
한 구체예에서 상기 광학부재는, 볼록렌즈일 수 있다.In one embodiment, the optical member may be a convex lens.
본 발명의 다른 관점은 상기 태양광 발전장치를 이용한 태양광 발전방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 태양광 발전 방법은 집광수단을 사용하여 태양광을 집광하는 단계; 상기 집광된 태양광을 평행광수단을 사용하여 평행화 하는 단계; 상기 평행화된 태양광을 분광하는 단계; 상기 분광된 태양광을 파장별 중첩없이 집광하는 단계; 및 상기 집광된 태양광을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 단계;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a photovoltaic power generation method using the photovoltaic device. In one embodiment, the photovoltaic power generation method comprises: concentrating sunlight using a light collecting means; collimating the focused sunlight using a parallel light means; splitting the collimated sunlight; condensing the divided sunlight without overlapping by wavelength; and generating electrical energy using the concentrated sunlight.
한 구체예에서 상기 집광된 태양광 및 난반사된 태양광 중에서 하나 이상을 이용하여 열에너지를 발생시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method may further include; generating thermal energy using one or more of the concentrated sunlight and diffusely reflected sunlight.
본 발명의 태양광 발전 장치는 집광시, 태양광 스펙트럼의 중첩을 방지할 수 있어 태양광 집광 효율이 우수하며, 장치의 소형화 및 단순화가 가능 하여 공간 효율성이 우수하고, 태양광 발전에 직접적 영향을 주지 못하는 파장대는 분리하여 따로 이용하여, 태양광 발전 장치의 과열 및 파손을 방지하면서, 경제성이 우수할 수 있다.The photovoltaic device of the present invention can prevent overlapping of photovoltaic spectra when condensing, so it has excellent photovoltaic light concentrating efficiency, and has excellent space efficiency by enabling miniaturization and simplification of the device, and has a direct effect on photovoltaic power generation. The wavelength band that cannot be provided can be separated and used separately to prevent overheating and damage of the photovoltaic device, while providing excellent economic feasibility.
도 1은 태양광의 파장에 따른 에너지 분포를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 집광형 태양광 발전 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 집광형 태양광 발전 장치를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 집광형 태양광 발전 장치를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 집광형 태양광 발전 장치를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 열교환장치를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 구체예에 따른 열교환장치를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 대한 비교예의 태양광 발전 장치의 파장별 분광을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예의 집광형 태양광 발전 장치의 파장별 분광을 나타낸 것이다.1 shows the energy distribution according to the wavelength of sunlight.
2 is a view showing a concentrating solar power generation device according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a concentrating solar power generation device according to another embodiment of the present invention.
4 is a view showing a concentrating solar power generation device according to another embodiment of the present invention.
5 is a view showing a concentrating solar power generation device according to another embodiment of the present invention.
6 shows a heat exchange device according to an embodiment of the present invention.
7 shows a heat exchange device according to another embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the wavelength-specific spectroscopy of the photovoltaic device of a comparative example for the present invention.
9 is a view showing the spectrum of each wavelength of the light-concentrating photovoltaic device of the embodiment according to the present invention.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.And the terms to be described later are terms defined in consideration of the functions in the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user or operator, so the definition should be made based on the content throughout this specification describing the present invention.
한편, 본 명세서에서 단파장광은, 자외선 영역의 광을 의미하며, 380nm 미만의 파장을 갖는 영역을 의미하고, 중파장 광은, 가시광선 영역의 광으로, 380nm 이상 내지 700nm 이하의 파장을 갖는 영역을 의미하며, 장파장 광은, 적외선 영역의 광으로, 700nm 이상의 파장을 갖는 태양광의 영역을 의미하는 것으로 정의하도록 한다.Meanwhile, in the present specification, short-wavelength light means light in the ultraviolet region, meaning a region having a wavelength of less than 380 nm, and medium-wavelength light is light in the visible region, and a region having a wavelength of 380 nm or more to 700 nm or less. means, and long-wavelength light is light in the infrared region, and is defined to mean a region of sunlight having a wavelength of 700 nm or more.
집광형 태양광 발전 장치Concentrating solar power generation device
본 발명의 하나의 관점은 집광형 태양광 발전 장치에 관한 것이다. 도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 집광형 태양광 발전 장치(100)를 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 집광형 태양광 발전 장치(100)는 태양광을 집광하는 집광수단(10); 상기 집광된 태양광을 평행화시키는 평행광수단(20); 평행광수단(20) 후단에 위치되어, 상기 평행화된 태양광을 분광하는 프리즘(30); 프리즘(30) 후단에 위치되어, 상기 분광된 태양광을, 파장별 중첩 없이 집광하는 광학부재(40); 및 상기 집광된 태양광을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 태양전지(50);를 포함한다.One aspect of the present invention relates to a concentrating solar photovoltaic device. 2 is a view showing a concentrating solar
집광수단condensing means
집광수단(10)은 입사되는 태양광을 집광하는 목적으로 포함된다. 한 구체예에서 집광수단(10)은 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 상기 도 3과 같은 볼록렌즈를 사용하거나, 포물선형 반사경(parabolic reflecting collar), 오목렌즈 및 프레넬(Fresnel lens) 렌즈 중에서 하나 이상 사용할 수 있다. 상기 프레넬 렌즈는 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 동심원을 이루고 단면이 톱니 형상을 이루는 패턴이 형성된 것을 사용할 수 있다. 집광수단(10)로 상기 프레넬 렌즈를 적용시, 집광효율이 우수할 수 있다. 집광수단(10)의 재질은 플라스틱 또는 유리 재질일 수 있다.The light collecting means 10 is included for the purpose of condensing incident sunlight. In one embodiment, the light collecting means 10 may use a conventional one. For example, a convex lens as shown in FIG. 3 may be used, or one or more of a parabolic reflecting collar, a concave lens, and a Fresnel lens may be used. A conventional Fresnel lens may be used. For example, a pattern in which concentric circles are formed and a cross section of which is in a sawtooth shape is formed may be used. When the Fresnel lens is applied as the light collecting means 10 , the light collecting efficiency may be excellent. The material of the light collecting means 10 may be plastic or glass.
상기 도 2를 참조하면, 집광수단(10)은 선형의 볼록렌즈를 사용할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the light collecting means 10 may use a linear convex lens.
도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따른 집광형 태양광 발전 장치(200)를 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 집광수단(11)은 포물선형 반사경을 사용할 수 있다.3 shows a light-concentrating solar
도 4는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 집광형 태양광 발전 장치(300)를 나타낸 것이다. 상기 도 4를 참조하면, 한 구체예에서 집광수단(12)는 원형의 포물선형 반사경을 사용할 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에서 집광수단은 사각형의 포물선형 반사경을 사용할 수 있다.4 shows a light-concentrating solar
평행광수단parallel light means
평행광수단(20)은 상기 집광된 태양광을 평행화시키는 목적으로 포함된다. 상기 도 2를 참조하면, 집광수단(10)를 통과한 태양광은, 굴절하여 초점에 수렴된 이후, 계속 진행하여 평행광수단(20)에 도달한다. 평행광수단(20)을 통과한 태양광은, 굴절하여 광선이 평행화되며, 광선이 계속 진행하여도 투광 직경이 변하지 않을 수 있다. 한 구체예에서 평행광수단(20)은 통상적인 것을 사용할 수 있다. 포물선형 반사경(parabolic reflecting collar), 오목렌즈 및 프레넬(Fresnel lens) 렌즈 중에서 하나 이상 사용할 수 있다. 상기 도 4 및 도 5를 참조하면, 한 구체예에서 평행광수단(21)은 포물선형 반사경을 사용할 수 있다. 평행광수단(21)의 재질은 플라스틱 또는 유리 재질일 수 있다.The parallel light means 20 emits the concentrated sunlight It is included for the purpose of parallelizing. Referring to FIG. 2 , the sunlight passing through the condensing means 10 refracts and converges to a focal point, and then proceeds to reach the parallel light means 20 . The sunlight passing through the parallel light means 20 is refracted so that the rays are parallelized, and the transmission diameter may not change even if the rays continue to progress. In one embodiment, as the parallel light means 20, a conventional one may be used. At least one of a parabolic reflecting collar, a concave lens, and a Fresnel lens may be used. 4 and 5, in one embodiment, the parallel light means 21 may use a parabolic reflector. The material of the parallel light means 21 may be plastic or glass.
프리즘prism
프리즘(30)은 평행광수단(20)을 통해 평행화된 태양광을 분광하는 목적으로 포함된다. 프리즘(30)을 통과한 태양광은, 면광원 형태로 분광될 수 있다.The
광학부재optical member
본 발명에서 광학부재(40)는 프리즘(30) 후단에 구비되어, 프리즘(30)에 의해 분광된 태양광을, 파장별로 집광하는 역할을 목적으로 포함된다. 상기 도 2와 같이 본 발명의 프리즘(30) 후단에 광학부재(40)를 구비하는 경우, 프리즘(30)에 의해 면광원 형태로 분광된 태양광을 점광원 형태로 집광하여, 태양광 스펙트럼을 파장별로 중첩 없이 집광시킬 수 있다. 따라서 기존 태양광 발전장치에 비해 프리즘(30) ?? 태양전지(50) 사이의 거리를 가깝게 할 수 있어, 장치의 소형화 및 단순화가 가능할 수 있다. In the present invention, the
또한, 파장별로 중첩없이 집광되므로 후술할 고가의 태양전지(50)의 사용 면적을 최소화 할 수 있고, 태양전지의 발전 효율을 상승시키면서, 태양광 발전 장치의 과열 및 파손 현상을 방지할 수 있으며, 상기 집광된 태양광을 통해 효율적인 열 발전이 가능할 수 있다.In addition, since light is collected without overlap for each wavelength, the use area of the expensive
한 구체예에서 광학부재(40)는 볼록렌즈일 수 있다. 예를 들면, 선형의 볼록렌즈일 수 있다. 상기 볼록렌즈를 사용시 파장별로 중첩없이 집광되므로 후술할 고가의 태양전지(50)의 사용 면적을 최소화 할 수 있고, 태양전지의 발전 효율을 상승시키면서, 태양광 발전 장치의 과열 및 파손 현상을 방지할 수 있으며, 집광거리 단축으로 인한 태양광 장치의 공간 크기를 최소화 할 수 있으며, 상기 집광된 태양광을 통해 효율적인 열 발전이 가능할 수 있다.In one embodiment, the
태양전지solar cell
태양전지(50)는 상기 집광된 태양광을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있다. The
태양전지(50)는 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 태양전지(50)는, 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자를 사용할 수 있으며, 이는 각각 (+), (-)의 극성을 띄는 반도체 박막으로 구성될 수 있다. 즉, 태양전지 셀에 중파장광(가시광선) 영역에 해당하는 태양광이 입사되면, 태양전지 내부에서 전자 및 정공이 발생하며, 전하들은 각각 태양전지(50)의 P극 및 N극으로 이동한다. 이러한 현상에 의하여 상기 P극 및 N극 사이에 전위차가 발생하며, 이 때 태양전지(50)에 부하를 연결하면 전류가 흐를 수 있다. 한 구체예에서 태양전지(50)는 상기 집광된 태양광 중에서 자외선 영역에 구비될 수 있다. 한 구체예에서 태양전지(50)는, 흡수 파장 영역대가 상이한 것을 사용하여, 감응하는 흡수 파장에 해당하는 태양광 입사 위치에 구비될 수 있다. As the
한 구체예에서 태양전지(50)는 300nm 내지 3㎛ 파장에 감응하는 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 380nm 이상 내지 1600nm 이하의 파장을 갖는 영역일 수 있다. 다른 예를 들면, 400nm 이상 내지 1400nm 이하의 파장을 갖는 영역일 수 있다.In one embodiment, the
상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 구체예에 따른 집광형 태양광 발전 장치(100)는 상기 집광된 태양광을 이용하여 열을 발생하는 열교환장치(60);를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the concentrating photovoltaic
열교환장치heat exchanger
열교환장치(60)는 상기 집광된 태양광 및 난반사된 태양광 중에서 하나 이상을 이용하여 열을 발생하는 목적으로 포함될 수 있다. 열교환장치(60)를 포함시, 태양광 및 태양열을 동시에 이용할 수 있어, 태양에너지를 효율적으로 이용할 수 있다. 상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 한 구체예에서 열교환장치(60)는 상기 집광된 태양광 중에서, 중파장광(가시광선) 및 장파장광(적외선) 영역의 태양광이 입사되는 영역에 구비되어, 상기 중파장광(가시광선) 및 장파장광(적외선) 영역의 태양광을 이용하여 열을 발생할 수 있다. 예를 들면, 650nm 이상의 파장을 이용할 수 있다. 다른 예를 들면 650nm~5㎛의 파장을 이용할 수 있다. 다른 예를 들면, 700nm~5㎛의 파장을 이용할 수 있다. The
상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 구체예에서 상기 집광형 태양광 발전장치는 상기 광학부재(40)로부터 집광된 태양광 및, 난반사된 태양광 중에서 하나 이상을 열교환장치(60)로 반사시키는 반사수단(70);을 더 포함할 수 있으며, 반사수단(70)에 의해 반사되는 태양광 및, 열교환장치(60)에 입사되어, 열을 발생할 수 있다.Referring to FIG. 2 , in one embodiment of the present invention, the light-concentrating solar power generation device reflects at least one of the sunlight collected from the
도 5는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 집광형 태양광 발전 장치(400)를 나타낸 것이다. 상기 도 5를 참조하면, 집광형 태양광 발전장치(400)는 빔스플리터 및 장파장 영역 반사경을 더 구비하여, 평행광으로부터 장파장광과, 단파장광 및 중파장광으로 분광하여 태양광 발전할 수 있다. 좀 더 구체적으로 상기 평행화렌즈(21) 후단에 빔스플리터를 구비하여, 평행광수단(21)에 의하여 평행화된 태양광 중에서 중파장광(가시광선) 및 단파장광(자외선) 영역을 분리하고, 빔스플리터 후단에 구비되는 장파장(적외선) 반사경을 이용하여 장파장 영역으로 분광할 수 있다. 상기 집광된 중파장광은 태양전지(50)에 입사되어, 상기 중파장광을 이용하여 전기 에너지를 발생할 수 있으며, 상기 장파장 반사경에 의해 반사된 장파장광은, 광학부재(40)를 통해 파장별로 집광되어 열교환장치(60)로 입사되고, 상기 단파장광은 반사수단(70)을 통해 반사되어, 열교환장치(60)로 입사된다. 열교환장치는(60) 상기 태양광을 이용하여 열을 발생할 수 있다.5 shows a concentrating solar
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 열교환장치를 나타낸 것이다. 상기 도 6을 참조하면, 열교환장치(60)는 내부에 일정한 크기의 공간이 마련된 사각 통형의 구조를 가질 수 있다. 구체예에서 열교환장치(60)의 내부는 열교환매체가 출입할 수 있도록 하부에 열교환매체가 유입되는 유입부(도시되지 않음)이 구비되고, 상부에 열교환매체가 유출되는 유출부(도시되지 않음)이 구비될 수 있다. 상기 유입부 및 유출부는 플렉서블한 소재로 제조될 수 있다. 구체예에서 열교환장치(60)의 외측에는, 단열 커버 등의 단열부재(64)가 설치될 수 있다. 또한, 열교환장치(60)의 내부에는 펌프가 설치되어 열전달매체를 강제 순환시킬 수 있다. 또한, 상기 도 6과 같이 열교환장치(60)의 적어도 일면에는 복수 개의 태양전지(51, 52)가 구비될 수 있다. 이때, 태양전지(51, 52)는 전술한 바와 같이, 감응하는 흡수 파장에 해당하는 태양광 입사위치에 구비될 수 있다.6 shows a heat exchange device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , the
도 7은 본 발명의 다른 구체예에 따른 열교환장치(61)를 나타낸 것이다. 상기 도 7을 참조하면, 상기 집광된 장파장광, 단파장광 등의 태양광 및, 난반사된 태양광 중 하나 이상의 활용을 위해, 일측면에 반사수단(71)을 부착하여, 난반사된 태양광을 반사하여 열교환장치(61)에 입사시킬 수 있다. 한 구체예에서 상기 난반사된 태양광중에서 단파장광(자외선)을 활용할 수 있다.7 shows a
본 발명의 집광형 태양광 발전 장치는 집광시, 스펙트럼의 중첩을 방지할 수 있어 태양광 집광 효율이 우수하며, 장치를 단순화 하여 공간 효율성이 우수하고, 태양광 발전에 직접적 영향을 주지 못하는 파장대는 분리하여 따로 이용하여, 태양광 발전 장치의 과열 및 파손을 방지할 수 있다. 또한 집광형 태양광과 집열형 태양열 시스템에 공통으로 사용되는 장치를 공유하게 되므로 제작단가를 낮출 수 있고 태양광/열 설비의 에너지 출력 당 단가 절감, 시설투자비 절감 및 투자회수 기간 단축의 효과를 가질 수 있다.The concentrating solar power generation device of the present invention has excellent solar light collection efficiency by preventing overlapping of spectra during light collection, excellent space efficiency by simplifying the device, and a wavelength band that does not directly affect solar power generation It is possible to prevent overheating and damage of the photovoltaic device by separating it and using it separately. In addition, since the device commonly used for the concentrating solar power and the concentrating solar system is shared, the manufacturing cost can be lowered, and the unit cost per energy output of the solar/thermal facility can be reduced, the facility investment cost and the investment recovery period can be shortened. can
본 발명의 다른 관점은 상기 집광형 태양광 발전장치를 이용한 태양광 발전방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 태양광 발전 방법은 집광수단을 사용하여 태양광을 집광하는 단계; 상기 집광된 태양광을 평행광수단을 사용하여 평행화 하는 단계; 상기 평행화된 태양광을 분광하는 단계; 상기 분광된 태양광을 파장별 중첩없이 집광하는 단계; 및 상기 집광된 태양광을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 단계를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a photovoltaic power generation method using the concentrating photovoltaic device. In one embodiment, the photovoltaic power generation method comprises: concentrating sunlight using a light collecting means; collimating the focused sunlight using a parallel light means; splitting the collimated sunlight; condensing the divided sunlight without overlapping by wavelength; and generating electrical energy using the concentrated sunlight.
한 구체예에서 상기 태양광 발전 방법은, 집광된 태양광 및 난반사된 태양광 중에서 하나 이상을 이용하여 열에너지를 발생시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 구체예에서 반사수단(70)을 통해, 상기 난반사된 태양광을 열교환장치(60)로 반사시켜 열에너지를 발생시킬 수 있다.In one embodiment, the photovoltaic power generation method, generating thermal energy by using one or more of concentrated sunlight and diffusely reflected sunlight; may further include. Referring to FIG. 2 , in one embodiment of the present invention, heat energy may be generated by reflecting the scattered sunlight to the
실시예Example 및 and 비교예comparative example
실시예Example
태양광을 집광하는 볼록렌즈를 포함하는 집광수단(10), 상기 집광된 태양광을 평행화시키는 볼록렌즈를 포함하는 평행광수단(20), 평행광수단(20) 후단에 구비되어 상기 평행화된 태양광을 분광하는 프리즘(30), 프리즘(30) 후단에 구비되어, 프리즘(30) 후단에 위치되어, 프리즘(30)으로부터 분광된 태양광을 파장별 중첩없이 집광하는 광학부재(선형 볼록렌즈, 40), 상기 집광된 태양광중 중파장광(가시광선) 영역에 구비되고, 상기 중파장광을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 태양전지(50), 상기 집광된 태양광중 장파장광(적외선) 영역에 구비되고, 상기 장파장광을 이용하여 열을 발생하는 열교환장치(60), 및 상기 집광된 태양광중 단파장광(자외선)을 열교환장치(60)로 반사시키는 반사수단(70)을 포함하는 도 2와 같은 집광형 태양광 발전 장치(100)를 제조하였다.The light condensing means 10 including a convex lens for condensing sunlight, the parallel light means 20 including a convex lens for collimating the collected sunlight, and the parallel light means 20 are provided at the rear end of the collimated light An optical member (linear convex lens) that is provided at the rear end of the
비교예comparative example
프리즘 후단에 볼록렌즈를 포함하지 않는 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일한 태양광 발전장치를 제조하였다.The same solar power generation device as in the above example was manufactured except that the convex lens was not included at the rear end of the prism.
도 8은 본 발명에 대한 비교예 태양광 발전 장치의 파장별 분광을 나타낸 것이다. 상기 도 8을 참조하면, 프리즘에 입사되는 광이 점광원이 아닌 경우, 프리즘을 이용한 스펙트럼 분리 과정에서 스펙트럼이 중첩되거나 아주 먼 거리에서 스펙트림이 분리되는 현상이 발생하여, 집광 효율이 떨어지고 태양광 발전 장치의 구성이 어려워지고, 집광효율이 저하되며, 스펙트럼 중첩에 의해 태양전지에 장파장광(적외선) 등의 파장이 수광되어, 과열 및 파손의 위험성이 있음을 알 수 있었다.8 is a graph showing the wavelength-specific spectroscopy of a comparative example photovoltaic device according to the present invention. Referring to FIG. 8 , when the light incident on the prism is not a point light source, the spectrum overlaps or the spectrum is separated at a very long distance in the process of spectrum separation using the prism. It was found that the configuration of the power generation device becomes difficult, the light collection efficiency is lowered, and wavelengths such as long-wavelength light (infrared) are received by the solar cell due to spectral overlap, and there is a risk of overheating and damage.
도 9는 본 발명에 따른 실시예의 집광형 태양광 발전 장치의 파장별 분광을 나타낸 것이다. 이때 상기 도 9는, 특정 파장만을 도시한 것으로, 실제 집광은, 파장별로 연속 스펙트럼 형태로 나타날 수 있다. 상기 도 9를 참조하면, 본 발명의 프리즘 후단에 광학부재(볼록렌즈)를 추가하는 경우 스펙트럼 중첩을 방지하고 파장별로 집광시킬 수 있어, 태양전지의 발전 효율을 상승시키면서, 태양광 발전 장치의 과열 및 파손 현상을 방지할 수 있으며, 자외선 및 적외선 영역의 파장을 이용하여 열 발전이 가능할 수 있음을 알 수 있었다.9 is a view showing the spectrum of each wavelength of the light-concentrating photovoltaic device of the embodiment according to the present invention. In this case, FIG. 9 shows only a specific wavelength, and actual light collection may appear in the form of a continuous spectrum for each wavelength. Referring to FIG. 9, when an optical member (convex lens) is added to the rear end of the prism of the present invention, spectral overlap can be prevented and light can be focused by wavelength, thereby increasing the power generation efficiency of the solar cell and overheating of the photovoltaic device And it was found that the damage phenomenon can be prevented, and thermal power generation can be possible using wavelengths in the ultraviolet and infrared regions.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. Simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those of ordinary skill in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.
10, 11, 12: 집광수단 20, 21: 평행광수단
30: 프리즘 40: 광학부재
50, 51, 52: 태양전지 60, 61: 열교환장치
64: 단열부재
70, 71: 반사수단
100, 200, 300, 400: 집광형 태양광 발전 장치 10, 11, 12: light collecting means 20, 21: parallel light means
30: prism 40: optical member
50, 51, 52:
64: insulation member
70, 71: reflection means
100, 200, 300, 400: Concentrating solar power generation device
Claims (7)
상기 집광된 태양광을 평행화시키는 평행광수단;
상기 평행광수단 후단에 위치되어, 상기 평행화된 태양광을 분광하는 프리즘;
상기 프리즘 후단에 위치되어, 상기 분광된 면광원 형태의 태양광을, 파장별 중첩 없이 점광원 형태로 집광하는 광학부재;
상기 집광된 태양광중 가시광선을 이용하여 전기 에너지를 발생하는 태양전지;
상기 집광된 태양광중 적외선을 이용하여 열을 발생하는 열교환장치; 및
상기 집광된 태양광 중 자외선 및 난반사된 태양광 중 하나 이상을 상기 열교환장치로 반사시키는 반사수단;을 포함하며,
상기 광학부재는 볼록렌즈인 것을 특징으로 하는 집광형 태양광 발전 장치.
Condensing means for condensing sunlight;
a parallel light means for collimating the focused sunlight;
a prism positioned at the rear end of the parallel light means to split the collimated sunlight;
an optical member positioned at the rear end of the prism to condense the split sunlight in the form of a surface light source in the form of a point light source without overlap for each wavelength;
a solar cell for generating electrical energy by using visible light among the concentrated sunlight;
a heat exchange device for generating heat using infrared rays among the concentrated sunlight; and
and reflecting means for reflecting at least one of ultraviolet rays and diffusely reflected sunlight among the concentrated sunlight to the heat exchange device;
The optical member is a condensing photovoltaic device, characterized in that the convex lens.
According to claim 1, wherein the light condensing means and the parallel light means, respectively, the light converging type photovoltaic device, characterized in that using at least one of a parabolic reflector, a concave lens, a convex lens, and a Fresnel lens.
집광수단을 사용하여 태양광을 집광하는 단계;
상기 집광된 태양광을 평행광수단을 사용하여 평행화 하는 단계;
상기 평행화된 태양광을 프리즘을 사용하여 분광하는 단계;
상기 분광된 면광원 형태의 태양광을 광학부재를 사용하여 파장별 중첩없이 점광원 형태로 집광하는 단계; 및
상기 집광된 태양광중 가시광선 영역의 광을 이용하여 태양전지에서 전기에너지를 발생시키고, 상기 집광된 태양광 중 적외선 영역의 광을 이용하여 열교환장치에서 열에너지를 발생시키는 단계;를 포함하는 태양광 발전방법이며,
상기 광학부재는 볼록렌즈이며,
상기 집광된 태양광중 자외선 영역의 광 및 난반사된 태양광 중 하나 이상은,
상기 태양광 발전 장치의 반사수단에 의해 열교환장치로 반사되어 열에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 방법.
It is a photovoltaic power generation method using the concentrating photovoltaic device of claim 1,
Concentrating sunlight using a light collecting means;
collimating the focused sunlight using a parallel light means;
splitting the collimated sunlight using a prism;
condensing the split solar light in the form of a surface light source in the form of a point light source without overlap by wavelength using an optical member; and
Solar power generation comprising a; generating electrical energy in a solar cell using light in the visible region among the collected sunlight, and generating thermal energy in a heat exchange device using light in the infrared region among the collected sunlight is a method,
The optical member is a convex lens,
At least one of the light in the ultraviolet region and diffusely reflected sunlight among the concentrated sunlight,
Photovoltaic power generation method, characterized in that it is reflected to the heat exchange device by the reflecting means of the photovoltaic device to generate thermal energy.
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