KR-20260061695-A - High-efficiency Ⅲ-Ⅴ compound solar power generation system based on 4-axis actuator for automobile

Abstract

본 발명은 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 자동차 지붕에 설치 가능한 평볼록 렌즈 기반 집광형 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양전지 모듈, 4개의 액추에이터를 이용한 컴팩트한 태양위치 추적 메커니즘, 그리고 주행 중 공기유입을 활용한 효율적 냉각 및 metal PCB 적용 방열 구조를 제공할 수 있는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양전지와 집광형 렌즈의 조합으로 기존 대비 2 ~ 3배 높은 발전 효율을 제공하게 된다. 또한, 컴팩트한 4축 액추에이터 시스템으로 주행 중에도 정확한 태양 추적이 가능하여, 일일 발전량을 30 ~ 40% 향상시키게 된다.

Inventors

• 정병호

Assignees

• 남부대학교산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (9)

1. 자동차 지붕에 설치되는 태양전지 시스템에 있어서, 단위 면적당 발전량의 향상을 위해 유리소재의 평볼록 렌즈 어레이와 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양전지 셀로 구성된 집광형 태양전지 모듈(100); 상기 모듈의 각 모서리에 설치된 4개의 선형 액추에이터로 구성된 태양 추적 메커니즘(200); 자동차 주행 시, 발생하는 공기 흐름을 모듈 하부로 유도하는 공기 채널 및 자동 조절 벤트를 포함하는 냉각 시스템(300); 태양전지 셀 후면에 적용된 Metal PCB 및 이와 연결된 히트싱크로 구성된 방열 구조(400); 그리고, 상기 구성요소들을 제어하는 제어 시스템(500);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상기 집광형 태양전지 모듈(100)은, 단위 면적당 발전량의 향상을 위해 유리소재의 평볼록 렌즈 어레이(110); 상기 평볼록 렌즈 어레이의 초점 위치에 배치된 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양전지 셀(120); 상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양전지 셀에 연결된 히트싱크(130);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 저태양 추적 메커니즘(200)은, 제어 시스템(210); 상기 제어 시스템으로부터 명령을 받아 동작하는 4개의 선형 액추에이터(220);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템.
4. 제 3항에 있어서, 상기 저태양 추적 메커니즘(200)은, 각 액추에이터의 동작 상태를 상기 제어 시스템에 전달하는 피드백 장치(230); 태양의 위치를 감지하여 상기 제어 시스템에 정보를 제공하는 센서(240);를 포함하여 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템.
5. 제 3항에 있어서, 상기 저태양 추적 메커니즘(200)은, 4개의 액추에이터 부착으로 자유도를 확보하는 것을 특징으로 하는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 냉각 시스템(300)은, 자동차 주행 시, 발생하는 공기 흐름을 유도하는 공기 채널(310);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템.
7. 제 6항에 있어서, 상기 냉각 시스템(300)은, 공기 채널의 공기 유입량을 조절하는 자동 조절 벤트(320);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템.
8. 제 6항에 있어서, 상기 공기 채널(310)은, 유선형으로 형성되어, 공기저항을 최소화하는 것을 특징으로 하는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템.
9. 제 7항에 있어서, 상기 자동 조절 벤트(320)는, 차량 주행 속도에 따라 최적의 개방 각도를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템.

Description

자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템{High-efficiency Ⅲ-Ⅴ compound solar power generation system based on 4-axis actuator for automobile} 본 발명은 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 자동차 지붕에 설치 가능한 평볼록 렌즈 기반 집광형 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양전지 모듈, 4개의 액추에이터를 이용한 컴팩트한 태양위치 추적 메커니즘, 그리고 주행 중 공기유입을 활용한 효율적 냉각 및 metal PCB 적용 방열 구조를 제공할 수 있는 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템에 관한 것이다. 태양전지산업의 시작은 1839년 EBecquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltaic effect)를 발견하고 1870년대 H Hertz의 Se의 광전효과 연구이후 효율 1 ~ 2%의 Se cell이 개발되어 사진기의 노출계에 사용하였고, 1956년에 고순도 단결정 실리콘 제조 방법이 개발되어 Bell 연구소에서 최초로 4% 효율의 단결정실리콘 태양전지를 제작하였다. 최근까지 태양전지 기술 개발 방향은 발전 단가를 낮추는 저가형 태양전지 개발 연구와 변환효율을 높이는 고효율 태양전지 개발 연구가 병행하여 진행되고 있다. 태양전지 변환 효율 향상을 위한 연구는 현재는 물질 합성과 적층 구조 등을 이용하여 광흡수 대역을 넓혀 변환 효율을 높이는데 주력하고 있으며, 에너지변환시스템의 특성상 고효율 및 고집적화된 소재의 개발과 장수명 및 높은 안정성을 확보한 발전시스템의 지향은 미래에너지원으로서의 생존여부와 직결되는 기술동향이다. 현재의 태양전지기술은 대부분이 낮은 가격의 실리콘 태양전지기술에 집중되어 있으나, 실리콘 태양전지는 열적 성능이 좋지 않고 수직하중에 약한 점 등의 단점 또한 존재한다. 열적 성능이 약한 실리콘 태양전지모듈을 대체하여 사막지역이나 적설이 많은 지역에서는 구조적으로 견고하고 열적성능이 우수하고 구조적으로 강고한 집광형 태양전지모듈은 사막지역이나 고온지역에서 발전특성이 우수하여 신재생에너지 산업에 적용할 수 있다. 집광형 태양전지는 단결정실리콘 태양전지의 열적 에너지효율을 높이기 위해 빛의 흡수대역을 확장시켜 광흡수율을 높이는 구조로 다중접합구조의 태양전지를 주로 이용한다. 집광형 태양광 발전시스템은 조사되는 태양광을 렌즈나 거울 등의 형태를 이용하여 넓은 면적에 입사되는 태양광을 작은 면적의 태양전지에 빛을 모으는 집광구조이며 집광형 태양전지는 가격이 저렴한 플라스틱 렌즈나 알루미늄 코팅 거울을 사용함으로써 집광도가 높을수록 제조 단가가 비싼 태양전지의 면적을 줄일 수 있어 태양전지 모듈 제조 단가를 대폭 줄일 수 있다. 집광형 태양전지는 1970년대 초반부터 연구가 시작되었지만 실리콘 계열의 태양전지는 열화현상 때문에 최대 전기생산 효율이 18% 이하이므로 되도록 소량 사용하는 박막형이나, 실리콘 재료가 필요 없는 화합물 계열의 태양전지 개발을 추진하여 상당한 기술개발이 이루어진 상태이다. 화합물 계열 태양전지는 원재료 자원이 무한하며 실험실 측정효율 42%에 달하며 III-V 화합물 반도체 태양전지의 집광률이 200배 이상에서 효율이 증가하고 500배 이후에는 고집광으로 인해 많은 전류가 발생하여 전극에 저항이 발생하여 효율이 감소되고 현재 III-V족 화합물 반도체 태양전지는 미국 SpectroLab과 엠코어사에 의해서 2007년도부터 대량 판매가 개시되어 화합물 반도체 태양전지를 이용한 국산 모듈 개발이 절실히 필요한 시점이며, 상업용 모듈을 설계 제작하여 6개월 이상의 테스트기간이 요구되기 때문에 신속한 기술개발이 필요하다. 최근에 미국, 일본, EU, 호주 등의 선진 태양광발전 기업들은 경쟁적으로 화합물 반도체 태양전지를 이용한 집광형 태양광발전 상용제품을 출시하고 있으며 고집광 태양광발전 시스템에서는 태양전지의 크기가 1㎠ 이하인 III-V 족 화합물을 주로 이용하는 기술적인 추세에 있다. 종래의 태양전지 시스템은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 첫째, 일반적인 실리콘 태양전지를 사용하여 효율이 낮으며, 이는 자동차의 제한된 설치 면적에서 충분한 전력을 생산하지 못하는 원인이 된다. 둘째, 고정식 태양전지 패널을 사용하여 태양의 위치 변화에 따른 발전 효율 저하가 발생한다. 특히, 자동차가 주행 중일 때, 이러한 문제는 더욱 심각해진다. 셋째, 자동차 지붕의 곡면 형상과 공기역학적 요구사항으로 인해 기존의 태양전지 추적 시스템을 적용하기 어렵다. 이는 설치의 제약과 주행 시 공기저항 증가의 문제를 야기한다. 넷째, 집광형 태양전지를 사용할 경우, 발생하는 열을 효과적으로 제거하지 못해 태양전지의 성능 저하와 수명 단축이 발생한다. 따라서, 상기한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위하여 새로운 시스템을 제안하게 된 것이다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 전체 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 집광형 태양전지 모듈(100) 구성 개념도이다. 도 2a는 일반적인 실리콘 태양광발전시스템과 태양위치 추적장치를 적용하지 않는 집광형 태양광발전시스템, 그리고 태양위치 추적장치를 적용한 집광형태양광발전시스템의 발전량을 개념화한 그래프이다. 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 평볼록 렌즈(혹은 돔형 렌즈)의 형상을 나타낸 도면이다. 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 평볼록 렌즈(혹은 돔형 렌즈)의 초점 길이와 스팟(spot)의 직경의 관계를 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 집광비에 따른 태양전지 셀의 효율 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 태양 추적 메커니즘(200) 구성 개념도이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 태양 고도각에 따른 액추에이터 길이 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 냉각 시스템(300) 구성 개념도이다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 차량 속도에 따른 공기 채널로의 유입 공기량 변화를 나타낸 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 제어 시스템(500) 구성 개념도이다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 태양광 패널의 전류-전압(IV) 그래프이다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 두 개 이상의 피크가 있는 태양광 셀 곡선을 나타낸 예시도이다. 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 굴절형 렌즈(평볼록 렌즈)가 적용된 CPV 모듈의 기본구조를 나타낸 예시도이다. 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 CPV모듈을 설계하기 위한 프로세서이다. 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 CPV 모듈을 설계하기 위한 구성요소를 나타낸 예시도이다. 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 볼록 렌즈와 빛의 나아감을 나타낸 이미지이다. 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 렌즈와 상 사이의 거리를 나타낸 예시도이다. 16a 내지 도 16b는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 렌즈 형상과 리시버의 구조를 나타낸 예시도이다. 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 액추에이터를 가로로 배치하여 태양전지모듈의 두께를 줄이는 방식으로 구동하는 예시도이다. 도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 태양 위치에 따라 4개의 액추에이터를 이용하여 CPV모듈의 동작 범위에서 동작될 수 있도록 위치 추적을 구동하는 예시도이다. 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 Ag-foil welding cell을 나타낸 예시도이다. 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 4축 액추에이터 기반 고효율 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양광 발전시스템의 Thermal resistance circuit 을 나타낸 도면이다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고