[논문]고집광 태양광 발전을 위한 광학시스템 렌즈 개발

유광선; 차원호; 신구환; 조희근; 김용식; 강성원; 강기환

doi:10.7836/kses.2011.31.2.082

문제 정의

이러한 문제점 해결은 후속 연구의 중요한 부분을 차지할 것으로 기대한다. 광학적 문제 이외에도 집광에 의해 발생하는 열에 의한 효율 감소도 중요한 요소로서 이에 대한 연구도 병행하고 있다.
어떤 경우에는 상업적으로 판매되는 평면형 프레넬 렌즈를 이용하여 집광형 발전 시스템을 구성하기도 하며, 효율을 높이기 위하여 볼록렌즈 형태로 곡면으로 구성된 선형 프레넬 렌즈를 사용하기도 한다. 본 연구에서는 제작이나 시스템 구성 면에서 이점을 가지고 있다고 판단되는 프레넬 렌즈와 광 파이프(lightpipe)를 이용하여 500배 집광의 태양광 발전 모듈을 구성하기 위한 프레넬 렌즈의 설계와 제작, 그리고 이에 대한 효율 측정 등에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 집광형 태양광 발전에 사용할 수 있는 프레넬 렌즈의 디자인을 위하여 제한적인 프레넬 렌즈 디자인 기능만을 제공하는 상업용 광학 디자인 소프트웨어를 사용하는 대신, 광학적 효율과 초점면에서의 성능을 예측하기 위한 소프트웨어를 직접 코딩하여 사용하였다. 프레넬 렌즈 디자인을 위한 소프트웨어로는 과학 및 공학용 프로그램 언어인 IDL(Interactive Data Language, C 언어나 Fortran 언어의 특성을 모두 지닌 프로그래밍 언어의 일종)⁸⁾을 이용하였다.

가설 설정

IDL로 구성한 프레넬 렌즈 광학 Ray-Tracing 코드의 결과물. (a) 빛의 진행 방향을 추적하는 모습은 단면으로 보여주고 있음. (b) 태양전지 상에서 빛의 분포

제안 방법

224 mm ×224 mm의 면적을 갖는 10 mm × 10 mm 태양전지용 프레넬 렌즈의 경우 LED(발광 다이오드, light-emitting diode)와 광도계를 이용하여 효율 측정을 시도하였으며 렌즈의 중심에서부터 일정한 간격을 두고 투과율을 측정하였다.
가공이 완성된 후에는 실제 광학적 성능을 테스트하기 위하여 평행광을 만들어 주는 장치인 콜리메이터(collimator)와 CCD(charge coupled device)카메라, 그리고 광도계(Photometer)등을 이용하여 초점의 형성과 광효율을 측정하였다. 현재 보유하고 있는 콜리메이터의 직경은 126.
렌즈의 설계와 더불어 사용될 수 있는 태양전지에 대한 선택을 하였으며, 두 가지 종류의 태양전지를 사용하여 샘플 모듈을 제작하였다. 10 mm × 10 mm 태양전지용으로는 224 mm ×224 mm의 면적으로, 5.
본 연구를 통하여 고집광 태양광 발전에 사용할 수 있는 프레넬 렌즈를 설계하고 실제로 제작하여 광학적 특성을 측정하였다. 결상 특성 결과에 따르면, 거의 대부분의 빛(95% 이상)이 지름 0.
이러한 단점을 보완하기 위하여 광 파이프를 보조 렌즈 형태로 구성하여 태양전지 위에 위치하도록 하였으며, 집광을 하였을 때, 효율이 증가하는 삼중 접합 태양전지 (InGaP/InGaAs/Ge)를 사용하도록 디자인 하였다. 설계된 렌즈를 제작하여 광학적 특성을 측정하여 이를 소개한다.
프레넬 렌즈 디자인을 위한 소프트웨어로는 과학 및 공학용 프로그램 언어인 IDL(Interactive Data Language, C 언어나 Fortran 언어의 특성을 모두 지닌 프로그래밍 언어의 일종)⁸⁾을 이용하였다. 소프트웨어는 투과 효율을 계산하는 부분과, 실제 광선추적(ray tracing)기법을 적용하여 초점면에서 광의 분포를 계산하는 부분으로 구성하였다.
렌즈만 사용할 경우 태양전지 상에 빛의 분포가 고르지 못하며, 이는 효율 감소와 열적 비등방성으로 인하여 태양전지의 수명이 감소되는 효과가 발생할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 광 파이프를 보조 렌즈 형태로 구성하여 태양전지 위에 위치하도록 하였으며, 집광을 하였을 때, 효율이 증가하는 삼중 접합 태양전지 (InGaP/InGaAs/Ge)를 사용하도록 디자인 하였다. 설계된 렌즈를 제작하여 광학적 특성을 측정하여 이를 소개한다.
파장에 따른 효과를 고려하기 위해 조사된 화합물 반도체 III-V족 태양전지의 양자효율, 그리고 태양의 스펙트럼과 태양전지의 발전 파장 범위 내에서, 재료로 사용한 PMMA(polymethyl methacrylate)의 굴절율 등을 고려하여 파장별로 각각 광선추적을 수행하여 초점면 상에서 빛의 분포를 구하고(Fλ (x, y)), 각 파장별 가중치(weight)를 태양 스펙트럼과 태양전지의 양자효율을 곱하여 구한 후(wλ), 각 파장의 분포를 다음 식(3)과 같이 최종적으로 유도하였다.

대상 데이터

5 mm 태양전지용으로는 124 mm × 124 mm의 면적으로 디자인하였다.
연구의 결과로 디자인 된 렌즈에 대한 샘플 렌즈를 제작하였다. 재질은 PMMA가 사용되었으며, 가공은 한국기초과학지원연구원의 초정밀 렌즈 제작용 다이아몬드 가공기 (Freeform 700A)를 이용하여 이루어졌다.
연구의 결과로 디자인 된 렌즈에 대한 샘플 렌즈를 제작하였다. 재질은 PMMA가 사용되었으며, 가공은 한국기초과학지원연구원의 초정밀 렌즈 제작용 다이아몬드 가공기 (Freeform 700A)를 이용하여 이루어졌다. (그림 4참조) 두 가지 버전에 대해 모두 가공이 이루어졌으며, 렌즈의 성능과 직결되는 표면 거칠기와 형상을 측정하였으며 표면 거칠기의 경우 Ra =10 nm 이하의 요구사항을 제시하였으며, 측정 결과는 Ra 값이 약 3 nm로 나와 굴절면에서 광학적인 손실은 없을 것으로 예상된다.

이론/모형

첫 번째 부분은, 프레넬 렌즈의 형태에 따라 깍은 면의 각도를 결정(스넬의 법칙 이용)하고 굴절면에서의 투과도와 반사도를 결정하는 프레넬 방정식⁹⁾을 적용하여 렌즈 전 면에 걸쳐 태양광이 투과할 때 발생하는 에너지 손실을 계산하게 된다. 다음 그림 2에는 프레넬 렌즈의 깍은 면이 안쪽으로 나있는 'grooves in' 경우와 밖으로 나있는 ‘grooves out' 경우에 대하여 초점거리(f)에 따른 투과 효율이 나타나 있다.
본 연구에서는 집광형 태양광 발전에 사용할 수 있는 프레넬 렌즈의 디자인을 위하여 제한적인 프레넬 렌즈 디자인 기능만을 제공하는 상업용 광학 디자인 소프트웨어를 사용하는 대신, 광학적 효율과 초점면에서의 성능을 예측하기 위한 소프트웨어를 직접 코딩하여 사용하였다. 프레넬 렌즈 디자인을 위한 소프트웨어로는 과학 및 공학용 프로그램 언어인 IDL(Interactive Data Language, C 언어나 Fortran 언어의 특성을 모두 지닌 프로그래밍 언어의 일종)⁸⁾을 이용하였다. 소프트웨어는 투과 효율을 계산하는 부분과, 실제 광선추적(ray tracing)기법을 적용하여 초점면에서 광의 분포를 계산하는 부분으로 구성하였다.

성능/효과

재질은 PMMA가 사용되었으며, 가공은 한국기초과학지원연구원의 초정밀 렌즈 제작용 다이아몬드 가공기 (Freeform 700A)를 이용하여 이루어졌다. (그림 4참조) 두 가지 버전에 대해 모두 가공이 이루어졌으며, 렌즈의 성능과 직결되는 표면 거칠기와 형상을 측정하였으며 표면 거칠기의 경우 Ra =10 nm 이하의 요구사항을 제시하였으며, 측정 결과는 Ra 값이 약 3 nm로 나와 굴절면에서 광학적인 손실은 없을 것으로 예상된다. 참고로 Ra 는 중심선 평균 거칠기를 나타내는 수치로서 거칠기 곡선에서 기준길이 전체에 걸쳐 평균선으로부터 벗어나는 모든 봉우리와 골짜기의 편차 평균값을 의미한다.
전체 면적에 대한 투과율을 유도한 최종 결과 값은 76. 2% 로서 설계치 보다는 낮지만 외국 수준과 유사한 투과율을 가짐을 알 수 있었다. 투과율을 향상시키기 위해서는 현재 가공된 렌즈의 성능을 향상시켜야 한다.
결상 특성 결과에 따르면, 거의 대부분의 빛(95% 이상)이 지름 0. 3 mm 안에 형성됨을 알 수 있었으며 2차 광학계로 사용되는 광 파이프 상에 결상이 정상적으로 이루어지고 있음을 알 수 있었다.
연구의 과정에서 프레넬 렌즈의 깍은 면(facet)방향이 아래와 위 방향에 각각 제작된 'groove in' 경우와 ‘groove out' 경우7)에 대한 투과 효율에 대한 비교 연구가 이루어졌으며, 컴퓨터를 이용한 ray tracing과정을 통해 입사 방향 반대인 아래 방향으로 facet이 제작된 'groove in' 경우가 좀 더 높은 광학적 효율을 가짐을 알 수 있었다.

후속연구

또, 광학적 코팅을 하여 반사율을 감소시키는 방법을 사용할 수 도 있다. 이러한 문제점 해결은 후속 연구의 중요한 부분을 차지할 것으로 기대한다. 광학적 문제 이외에도 집광에 의해 발생하는 열에 의한 효율 감소도 중요한 요소로서 이에 대한 연구도 병행하고 있다.
5 mm 태양전지용으로는 124 mm × 124 mm의 면적으로 디자인하였다. 태양전지의 특성과 전체 시스템의 출력 등에 대해서는 추후에 전체 시스템에 대한 논문으로 따로 발표할 예정이다.
프레넬 렌즈의 성능을 계산하는 과정에서 실제 상황을 충분히 고려하기 위해서는 파장에 따른 분석을 각각 수행한 후에 태양광의 스펙트럼과 태양전지의 파장에 따른 양자효율을 고려한 종합적인 분석이 요구된다.

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