WIN-WIN TECH - 태양광 집광장치 기술
한국과학기술연구원
물질구조제어 연구단의 최신기술
초등학교 시절에 누구나 한 번쯤은 볼록 렌즈로 햇빛을 모아서 종이를 태워본 경험이 있을 것이다.
태양광을 집광하는 데 사용되는 집광장치도 이와 같이 렌즈로 햇빛을 모아서 태양전지에 강한 빛을 비추어 주고, 그 대신 가격이 비싼 태양전지는 조금만 사용하여 태양광 발전용으로 사용되는 장치이다.
이 경우에 사용되는 렌즈가 프레넬 렌즈인데, 볼록렌즈와 같은 일반 광학 렌즈와는 달리 대량으로 생산하기가 용이하고, 가격이 매우 싼 장점이 있다.
프레넬 렌즈는 얼핏 보면 평면처럼 보이지만, 수많은 미세한 마이크로 프리즘들이 표면에 조밀하게 가공되어 렌즈에 수직하게 입사된 빛을 한 점(초점) 에 모으거나, 초점에서 발생한 빛이 렌즈를 지나면 평행하게 진행되는 등 볼록렌즈와 모양은 다르지만 그 특성은 매우 유사하다.
프레넬 렌즈는 개념적으로 살펴보면 볼록 렌즈의 표면 형상만 남기고 내부 재료는 없애버린 구조라고 생각할 수 있다.
< 그림 1 >은 프레넬 렌즈에서 프레넬 렌즈로 평면형 렌즈로 진화되는 개요도이다.
오른쪽으로 갈수록 표면이 더 매끄럽게 보인다.
볼록렌즈의 표면은 미세한 크기의 작은 프리즘들이 모여서 구성된 것으로 생각할 수 있다.
미세한 프리즘 각각의 표면은 매끄러운 곡선 이지만 프리즘의 간격을 매우 촘촘하게 만들면 근사적으로 직선으로 생각할 수 있다.
미세한 프리즘이 광축에 수직인 수평선과 이루는 각도는 렌즈의 중심부에서는 가장 작고(≈0), 가장자리로 갈수록 점점 더 커진다.
렌즈에 수직한 방향으로 평행한 빛의 다발이 입사되면 각각의 프리즘마다 굴절되는 각도가 다르지만, 모두가 렌즈의 초점으로 모이게 된다.
프레넬 렌즈는 이와 같은 광학 특성을 이용하여 편평한 광학 유리나 PC 또는 PMMA와 같은 저가의 투명한 광학 폴리머 재료의 표면 위에 프리즘 형상을 다이아몬드 팁으로 가공하거나 압출 또는 사출 성형 방법으로 제작한 것이다.
집광형 태양광 발전 시스템은 태양 빛을 태양전지에 집광시켜서 시스템의 단가를 낮추는 것이 중요하다.
집광형 태양전지 시스템의 경우, 사용되는 태양전지의 재료에 따라 사용되는 집광비가 다르며, 실리콘 태양전지에는 저집광(2~10배) 또는 중집광(10~100배)이 사용되고, 3-5족 화합물 반도체 태양전지의 경우에는 고집광(300~1000배) 집광장치가 주로 사용된다.
태양전지에 집광을 해서 모듈을 제작하는 경우, 전체 시스템에서 가격이 비싼 태양전지는 조금만 사용하고, 가격이 더 싼 집광 렌즈 부분은 더 크게 만들면 시스템의 가격을 많이 낮출 수 있다.
또한 집광을 하면 태양전지 내부에서 발생되는 전자와 정공의 개수가 집광비에 비례하여 생성되게 되어 전류 값이 선형적으로 증가하며, 또한 생성되는, 전자와 정공들에 대응되는 준페르미 준위(quasi Fermi level)의 분리된 정도가 점점 더 커지게 되고, 그 결과 태양전지의 출력 전압이 상승하게 되어 태양전지의 효율이 상승되는 효과도 부가적으로 생기게 되는 장점이 있다.
한 예로 3-5족 화합물 반도체 태양전지의 경우 집광 효과에 의해서 효율이 약 20% 정도 추가적으로 상승된다.
최근에 본 연구실에서 특허 등록을 받은 ‘태양광 집광장치(Apparatus for condensing sunlight)[한국특허등록번호:10-1109044(2012.01.17.)]’기술을 요약하면, 태양전지 표면 전체에 균일한 집광이 되도록 하는 면 집광용 본체를 갖는 태양광 집광장치이다.
태양광 집광장치는, 1) 태양전지의 집광면과 대향하는 일면을 포함하는 원판 형상을 가진 본체 및 2) 일면에 형성된 복수의 프리즘들을 포함한다.
복수의 프리즘들은 본체의 중심을 기준으로 원주방향을 따라 동일한 간격으로 구획된 집광영역들에 형성되며, 복수의 프리즘들은 각 집광영역별로 상이한 굴절각을 가지고, 각 집광영역에 형성된 프리즘에 입사된 광들은 상호 동일한 각도로 굴절되어 집광면에 조사되도록 적용되고, 집광면이 실질적으로 균일한 광세기 분포를 가지도록 적용된다.
그 효과로는 태양광 집광장치는 태양전지 표면 전체에 균일한 광을 집광할 수 있으므로 태양전지의 광전변환 효율을 증가시키고, 집광형 태양전지용 집광장치로 사용할 수 있다. 본체에 평행광이 입사되면, 본체에서 일정 구간의 집광영역에 입사된 광은 모두 동일한 각도로 굴절되어 서로 평행하게 진행되는데, 입사되는 모든 광들은 초점면에 놓인 태양전지 표면에서 중첩되어 집광되므로 본체의 초점으로 광이 모이는 경우 보다 더 광세기 분포가 더 균일한 형태로 집광되는 효과가 있다.
또한, 집광 표면에서의 광세기가 매우 균일해지며 태양전지의 효율이 상승하고, 국부적인 열화를 방지하여 태양전지의 수명이 길어지는 효과가 있다.
< 그림 2 >는 프리즘에 입사되는 광이 굴절되는 개요도이다. (a)와 같이 프리즘의 각이 모두 α1 로 동일하면 입사되는 광은 모두 동일한 각(α1)으로 굴절된다.
그러나 (b)와 같이 프리즘의 각(β)이 중심부에서는 작은 각(β1)을 갖다가 가장자리로 갈수록 큰 각(β3)을 갖게 설계하면 입사되는 모든 광이 한 개의 초점으로 모이게 할 수 있다.
< 그림 3 > (a)처럼 복수의 프리즘들이 각 집광영역별로 상이한 굴절각을 가지면, 각 집광영역에 형성된 프리즘에 입사된 광들은 상호 동일한 각도로 굴절되어 집광면에 조사되고, 집광면이 실질적으로 균일한 광세기 분포를 갖도록 적용된다.
즉, 각 집광영역에서 동일한 집광영역에 배치된 프리즘들을 통해 입사된 광은 동일한 각도로 굴절되어 중첩된다.
따라서 태양전지의 집광면 전체에 걸쳐 균일한 광세기 분포를 가질 수 있다.
< 그림 3 > (a)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 경우에는 집광면에서의 광세기는 균일하고 집광면을 벗어나면 광세기가 급격하게 감소한다.
본 발명에서 제시한 기술은 입사되는 모든 광들은 초점면에 놓인 태양전지의 집광면에서 중첩되어 집광되므로, 본체의 초점으로 광이 모이도록 설계하는 경우에 비해 균일한 광세기 분포를 가지게 할 수 있다.
그러나 일반적인 볼록렌즈와 유사하게 각 집광영역을 통해 입사된 광이 초점의 중심 방향으로 진행하도록 프레넬 렌즈를 설계하는 경우, 집광된 빔은 가우스 분포를 가진다. 즉, 본체의 중심 부근의 광세기는 매우 크고(즉 매우 밝고), 그 중심에서 멀어질수록 < 그림 3 > (b)에 도시한 바와 같이 종 모양으로 점차 감소한다.
< 그림 3 >은 집광영역으로 입사된 광이 각각 굴절되어 집광면으로 중첩되는 상태를 나타낸다.
선분 OB로 입사된 광은 선분 AB로 입사된 광에 비해 굴절되는 각도가 작다.
이 경우 굴절되는 각도가 더 큰 경우에 비해 광투과도를 포함한 렌즈의 광학적 특성이 향상된다.
각 구간, 즉 1-2, 2-3, 3-4 등의 구간을 통하여 입사된 광은 초점 근처의 선분 AB 또는 선분 OB에 동일하게 반복 중첩된다.
따라서 전체 집광영역인 선분 AB에서 균일하게 분포된 광세기를 가지는 광을 얻을 수 있다.
태양광을 집광하여 태양광 발전을 하는 경우, 광이 집광용 태양전지의 집광면 전체에 균일하게 집광되도록 하는 것이 좋다.
따라서 본 발명의 경우 태양전지의 집광면 전체에 걸쳐서 집광을 균일하게 하여, 면집광용 프레넬 렌즈 형태로도 이루어질 수 있다 본 발명에 따른 태양광 집광장치를 사용하는 경우, 집광면에서의 광세기가 매우 균일해지고, 태양전지의 효율이 상승하며, 태양전지의 국부적인 열화를 방지하여 태양전지의 수명이 더 길어진다.
또한, 균일한 집광 분포로 인해 더 우수한 특성을 가지는 태양광 발전모듈 및 태양광 발전장치를 제작할 수 있다.
한편, 집광형 태양전지 모듈의 집광용 렌즈로 사용하는 프레넬 렌즈는 몰드를 사용해 대량으로 성형 가공하는 경우, 대량 생산에 적합하고, 가격이 매우 낮으며, 가공시간이 단축되는 등 여러 가지 장점이 있다.
집광형 태양광 발전 시스템은 주로 미국, 유럽 그리고 일본에서 활발한 연구 및 상용화가 진행 중이다.
< 그림 4 >는 현재 스페인 Puertollano의 ISFOC 테스트 사이트에서 시험 중인 세계 여러 나라 회사들이 제공한 다양한 집광형 태양광 발전 시스템들이다.
주로 미국, 독일, 스페인, 대만 등에서 참여해 실증 테스트가 진행 중이다.
스페인의 Puertollano의 ISFOC 테스트 사이트에서 총 800 kW 급의 III-V 집광 시스템들이 현재 1단계 시험 가동 중이다.
참여 업체로는 미국의 Solfocus(200kW), 독일의 Concentrix사(200kW) 그리고 스페인의 Isofoton사(400kW)가 시험에 참여하고 있다.
또한 2단계(2nd phase)로 대만의 Arima ECO(300kW), 미국 Emcore (300kW), 스페인 Sol3g(400kW) 그리고 스페인의 CSLM사에서 300kW급 등 총 1.3MW의 실증 테스트 사업이 추가로 진행 중이다.
국내에서도 현재 집광형 태양전지 모듈 및 시스템에 대한 관심이 많아지고 있는 실정이다.
먼저 프레넬 렌즈는 (주)코아옵틱스와 (주)애니캐스팅 등을 포함한 여러 업체에서 집광형 태양전지 모듈에 적용할 목적으로 현재 여러 가지 프레넬 렌즈를 개발 중에 있다.
그리고 그동안 다른 용도를 목표로 프레넬 렌즈를 개발한 여러 업체들도 이 분야에 뛰어들 수 있다고 사료된다.
또한 집광형 시스템 분야도 최근 들어 매우 활성화되고 있는 동향을 보인다.
목포 대불공단에 입주해있는 에이티에스 파이론(주)에서는 수면을활용한 효율적인 냉각 및 저에너지 소비형 트래커 등의 기술을 사용하여 집광형 모듈을 생산 중이다.
이외에도 2~3개의 중소기업에서 집광형 태양광 시스템을 개발 및 생산 중인 것으로 알려져 있다.
< 그림 5 >는 KIST에서 개발 중인 집광형 태양전지 모듈의 사진이다.
이 모듈은 실외에서 약 20W 정도의 출력을 얻을 수 있고, PMP(휴대용 멀티미디어 플레이어)를 작동 시킬 수 있다.
수원에 위치한 나노기술원(KANC) 도 본관 건물 앞에 집광형 태양광 발전 시스템을 설치해 놓고 시험 운용 중이다.
집광형 태양광 발전 시스템은 그동안 국내에서 인증을 받을 수 있는 기관이 없어서 발전이 더뎠는데, 한국산업기술평가원에서 작년 말부터 측정시스템이 도입되어 인증을 받을 수 있으므로 지금까지와는 다르게 활발한 시스템 개발 및 상용화가 될 것으로 기대된다.