[논문]중집광형 태양광 집광장치 용 선형 프레넬 렌즈의 최적화설계연구

송제헌; 유진희; 이준호; 장원근; 이동길

doi:10.3807/kjop.2013.24.5.213

중집광형 태양광 집광장치 용 선형 프레넬 렌즈의 최적화설계연구
Linear Fresnel Lens Optimization for Middle Concentrated Photovoltaic 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.24 no.5, 2013년, pp.213 - 216

송제헌 (공주대학교 광공학과, 기하광학 연구실) , 유진희 (공주대학교 광공학과, 기하광학 연구실) , 이준호 (공주대학교 광공학과, 기하광학 연구실) , 장원근 (한국광기술원 3D융합기술연구센터) , 이동길 (한국광기술원 3D융합기술연구센터)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 25배 태양광 집광장치에 적용될 선형 프레넬 렌즈의 최적화에 대해 서술한다. 이 선형 프레넬 렌즈는 각기 다른 패턴을 가진 $10{\times}10$ mm 크기의 선형 프레넬 렌즈가 $5{\times}5$의 형태로 결합된 렌즈이다. 각 프레넬 렌즈는 같은 크기의 태양전지로 태양광이 입사할 수 있도록 최적화되어 있다. 최적화된 프레넬 렌즈의 설계치는 패턴높이 35 ${\mu}m$, 구배각 $4^{\circ}$, 모서리 라운드 1 ${\mu}m$로 각각의 선형 프레넬 렌즈에 모두 같은 값이 부여되었지만 사면경사각은 $14.1^{\circ}{\sim}31.2^{\circ}$로 각기 다르다. 이렇게 설계된 선형 프레넬 렌즈의 태양광 집광효율은 80%이상이며 기존의 25배 집광용 단일 프레넬 렌즈보다 오정렬 및 제작공차 측면에서 강력한 성능을 가진다. 설계된 선형 프레넬 렌즈의 민감도 분석을 통해 모서리 라운드가 1 ${\mu}m$씩 증가할수록 집광효율이 ~5%씩 저하되는 것을 파악하였고 이에 모서리 라운드가 최소한의 수치로 유지되어야 함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a combination of linear Fresnel lenses optimized for ${\times}25$ solar concentration. The combined lens consists of $5{\times}5$ linear Fresnel lenses. Each Fresnel lens is of $10{\times}10$ mm and optimized to tilt the incoming light onto a solar cell of the same size. All of the optimized Fresnel segments have the same pattern height of 35 ${\mu}m$, draft angle of $4^{\circ}$, and edge groove round of 1 ${\mu}m$ but with different facet angles varying from $14.1^{\circ}$ to $31.2^{\circ}$. The solar concentrating efficiency of the combination is shown to be over 80% and more robust than a conventional single ${\times}25$ circular Fresnel lens in terms of pointing misalignment and manufacturing errors. A sensitivity analysis finds that the edge groove round should be kept as small as machining allows since the concentrating efficiency drops ~5% per 1 ${\mu}m$ increase of the edge groove.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

친환경적인 에너지 개발 측면에서 태양광은 기존의 에너지원을 대체할 수 있는 좋은 에너지원이다.^[2]태양광 에너지 기술은 태양광을 집광하여 사용하는 방법과 태양열을 이용하는 방법으로 나눌 수 있으며 본 연구에서는 집광형 태양광 발전장치를 다루고자 한다.
선형 프레넬 렌즈를 사용하는 태양광 집광장치는 여러 분야에서 연구된 바 있으나 선행 연구된 부분은 선형 프레넬 렌즈의 설계변수와 렌즈에 의한 집광효율이 계산되는 방식 등이다. 본 논문에서는 선형 프레넬 렌즈를 사용한 태양광 집광렌즈를 설계하고 이 렌즈의 가공정밀도가 집광효율에 미치는 영향을 살펴보고 집광효율의 저하에 중대한 영향을 미치는 설계변수를 미리 파악하여 관리할 수 있도록 하여 결과적으로 집광렌즈의 효율을 극대화할 수 있도록 최적화 설계연구를 진행하였다.
^[1]저집광형 태양광 집광장치는 민감도가 낮고 열에 의한 문제가 야기되지 않는 반면 집광율이 낮은 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 집광에 의한 열화현상으로 인한 손상의 우려가 없고 2차렌즈를 사용하지 않는 선형 프레넬 렌즈로 집광렌즈를 설계하였다.^[4]

가설 설정

[1] 저집광형 태양광 집광장치는 민감도가 낮고 열에 의한 문제가 야기되지 않는 반면 집광율이 낮은 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 집광에 의한 열화현상으로 인한 손상의 우려가 없고 2차렌즈를 사용하지 않는 선형 프레넬 렌즈로 집광렌즈를 설계하였다.
설계요소 중 패턴의 높이는 집광렌즈의 효율에 크게 영향을 미치는 설계요소이므로 패턴높이에 따른 효율 저하에 대해 분석을 진행하였다. 여기에서 효율은 집광렌즈에 1 watt의 빛이 입사했을 때 태양전지에서 검출된 빛을 분석하여 구한 값으로, 렌즈의 투과율은 98%라고 가정하였다. 그림 3은 패턴의 높이의 변화에 의한 효율 저하를 분석한 결과로, 그림 3에서 알 수 있듯이 프레넬 렌즈의 패턴의 높이가 높을수록 집광렌즈의 집광효율이 좋아진다.

제안 방법

[3] 하여 본 연구에서는 태양광 집광장치에 사용되는 집광렌즈를 태양광이 직접 면으로 집광될 수 있도록 설계하는 것이 가능하여 부가적인 광학계의 사용이 불필요하고 이에 따른 제작비용 감소가 가능한 장점이 있는 선형 프레넬 렌즈로 집광렌즈를 설계하였다.
그림 6에서 모서리 라운드의 증가에 의한 성능저하는 다른 설계요소에 의한 성능저하보다 비교적 민감하여 1 µm씩 점차 에러가 증가할수록 집광효율의 저하가 급격하게 진행됨을 알 수 있다. 그러므로 이 요소는 극소의 수치로 관리되어야 한다고 판단하였고 제작사와 논의를 통하여 최종설계에 1 µm의 모서리 라운드를 적용하였다.
프레넬 렌즈의 설계방식은 크게 두 가지로 구분할 수 있는데 첫째로는 패턴의 높이(Pattern height)를 일정하게 고정하고 사면경사각(Facet angle)을 변경하기 위해서 피치사이즈(Pitch size)를 바꾸는 방식이고 두 번째는 피치사이즈를 고정하고 패턴의 높이를 변화시켜 사면경사각을 정하는 방식이다. 두 가지 방식 중 설계하고자 하는 프레넬 렌즈에 적합한 방식을 선택하여 설계할 수 있는데 본 연구에서는 패턴의 높이를 일정하게 고정한 뒤 피치사이즈를 바꾸어 사면경사각을 조절하는 방식의 설계를 채택하였다. 각 선형 프레넬 렌즈를 설계하기 위한 설계요소는 그림 2와 같다.
선형 프레넬 렌즈의 제작 시 오차가 발생할 가능성이 있는 설계요소에 대한 민감도분석을 실시하여 각 설계요소의 오차가 렌즈의 성능인 집광효율에 미치는 영향을 파악한 뒤 제작사와 논의를 통하여 제작 가능한 오차범위를 구하고 그 오차범위 내에서 성능을 심각하게 저하시키지 않도록 초기 설계값에 가공 오차를 포함하여 성능분석을 실시하였다. 먼저 제작사로부터 제작 가능한 최소한의 오차가 주어지면 이를 설계에 반영하여 성능이 저하되는 양상을 분석하고 이를 통해 제작사로부터 전달받은 오차가 허용가능한지 여부를 판단하였다. 표 1은 선형 프레넬 렌즈 제작 시 발생할 수 있는 설계변수의 오차부분에 대하여 집광렌즈 제작사로부터 전달받은 가공정밀도 정보를 나타내고 있다.
민감도 분석은 구배각에 따른 효율저하와 모서리 라운드에 따른 효율저하에 대해 진행하였다. 그림 5는 구배각에 대한 민감도 분석결과를 나타낸다.
선형 프레넬 렌즈의 제작 시 오차가 발생할 가능성이 있는 설계요소에 대한 민감도분석을 실시하여 각 설계요소의 오차가 렌즈의 성능인 집광효율에 미치는 영향을 파악한 뒤 제작사와 논의를 통하여 제작 가능한 오차범위를 구하고 그 오차범위 내에서 성능을 심각하게 저하시키지 않도록 초기 설계값에 가공 오차를 포함하여 성능분석을 실시하였다. 먼저 제작사로부터 제작 가능한 최소한의 오차가 주어지면 이를 설계에 반영하여 성능이 저하되는 양상을 분석하고 이를 통해 제작사로부터 전달받은 오차가 허용가능한지 여부를 판단하였다.
설계요소 중 패턴의 높이는 집광렌즈의 효율에 크게 영향을 미치는 설계요소이므로 패턴높이에 따른 효율 저하에 대해 분석을 진행하였다. 여기에서 효율은 집광렌즈에 1 watt의 빛이 입사했을 때 태양전지에서 검출된 빛을 분석하여 구한 값으로, 렌즈의 투과율은 98%라고 가정하였다.
초기설계에서는 제작공차에 해당하는 모서리 라운드(Edge groove round)와 구배각(Draft angle)을 0으로 설계하여 이상적인 프레넬 렌즈를 설계하고 이때 집광렌즈로 입사한 광량대비 태양전지에서 검출된 광량을 분석한 뒤 계산하여 집광렌즈의 효율을 계산하였다.
태양광 집광장치에 사용되는 집광렌즈를 선형 프레넬 렌즈로 설계하고 이에 대한 민감도분석을 실시하여 제작 가능한 범위 내에서 최고의 집광효율을 갖도록 최적화 설계를 실시하였다. 35 µm의 패턴높이를 갖는 선형 프레넬 렌즈를 이용한 집광렌즈는 80% 이상의 효율을 가지며 이 집광렌즈는 현재 가공이 진행 중에 있다.
이렇게 이상적인 프레넬 렌즈로 설계된 집광렌즈는 패턴의 높이가 35 µm 일 때 85%가량의 효율을 갖는다. 하지만 실제 제작 시에는 이와 같이 이상적인 프레넬 렌즈를 제작할 수 없으므로 현실적으로 제작 가능하도록 허용 가능한 오차를 포함한 설계를 실시하였다.

성능/효과

이런 방식의 태양광 발전장치는 고가의 태양전지를 대면적으로 사용하는 방식으로, 태양광 발전장치의 제작비용을 증가시켜 결과적으로는 발전 단가의 비싼 가격으로 인해 대중화되지 못하여 최근에는 광학렌즈를 이용한 태양광 집광장치가 연구되고 있다.^[3] 태양광 집광장치는 넓은 면적으로 입사하는 태양광을 좁은 면적의 태양전지에 모아 사용하도록 하여 값비싼 태양전지의 면적을 최소화 하면서도 넓은 면적으로 입사하는 태양광 에너지를 최대한으로 사용할 수 있게 하여 태양광 에너지의 효율을 극대화 하면서도 비용은 획기적으로 줄일 수 있게 한다.^[2]

후속연구

35 µm의 패턴높이를 갖는 선형 프레넬 렌즈를 이용한 집광렌즈는 80% 이상의 효율을 가지며 이 집광렌즈는 현재 가공이 진행 중에 있다. 가공이 완료되면 실제적인 측정을 통하여 본 연구에서 실시한 최적화 설계연구의 타당성을 확인할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 집광 장치 중 집광렌즈의 역할은 무엇인가?	집광렌즈는 돋보기처럼 렌즈전면으로 입사하는 태양광을 좁은 면적의 태양전지에 모아주는 역할을 하는데 이때 집광렌즈는 굴절효과는 그대로 유지하면서 두께와 무게를 최소화하기 위해 프레넬 렌즈로 설계한다. 프레넬 렌즈는 일반적으로 원형 프레넬 렌즈와 선형 프레넬 렌즈로 구분되며 원형 프레넬 렌즈로 설계할 경우 태양광이 원형으로 집광되므로 태양전지의 전면을 고루 사용할 수 없어 태양전지의 효율이 저하된다.
	집광렌즈를 원형 프레넬 렌즈로 설계하면 어떤 문제가 발생하는가?	집광렌즈는 돋보기처럼 렌즈전면으로 입사하는 태양광을 좁은 면적의 태양전지에 모아주는 역할을 하는데 이때 집광렌즈는 굴절효과는 그대로 유지하면서 두께와 무게를 최소화하기 위해 프레넬 렌즈로 설계한다. 프레넬 렌즈는 일반적으로 원형 프레넬 렌즈와 선형 프레넬 렌즈로 구분되며 원형 프레넬 렌즈로 설계할 경우 태양광이 원형으로 집광되므로 태양전지의 전면을 고루 사용할 수 없어 태양전지의 효율이 저하된다.
	저집광형 태양광 집광장치의 접광배율은 얼마인가?	태양광 집광장치는 통상적으로 집광배율에 따라 1~10배율의 저집광형, 10~100배율의 중집광형, 100배율 이상의 고집광형으로 분류되는데 고집광형 태양광 집광장치는 집광율이 높은 반면 태양전지의 온도상승에 의한 효율저하 및 이에 따른 냉각장치 추가에 의한 비용상승이 우려되고 또한 높은 민감도를 가지게 되어 태양광 입사각의 정밀한 제어가 필요하고 이에 따른 정밀 추적장치의 사용에 의해 제작비용이 증가하게 된다.[1] 저집광형 태양광 집광장치는 민감도가 낮고 열에 의한 문제가 야기되지 않는 반면 집광율이 낮은 단점이 있다.

참고문헌 (7)

K. H. Do, T. H. Kim, B. I. Choi, Y. S. Han, and M. B. Kim, "Development of a cooling system for a concentrating photovoltaic module," J. Korean Soc. Mech. Eng. 35, 174- 181 (2010).
K. S. Kim, G. H. Kang, and G. J. Yu, "The status paper on concentration photovoltaic system," J. Korean Solar Energy Soc. 14, 21-24 (2008).
K. S. Ryu, G. H. Shin, W. H. Cha, N. H. Myong, Y. S. Kim, H. Y. Chung, D. K. Kim, and G. H. Kang, "Simulation of characteristics of lens and light pipe for high concentration solar PV system," J. Korean Solar Energy Soc. 31, 282-286 (2008).
S. W. Kang, Y. S. Kim, and C. H. Sim, "Fresnel lens optics simulation with middle sized linear concentration without secondary optics," J. Korean Solar Energy Soc. 24, 27-33 (2011).
S. W. Kang, Y. S. Kim, and C. H. Sim, "PV receiver raytracing simulation with secondary optics in the CPV (Concentrated PV) system," J. Korean Solar Energy Soc. 30, 323-330 (2010).
P. Benitez, "High performance Fresnel-based photovoltaic concentrator," Opt. Express 18, A25-A40 (2010).

상세보기
K. S. Ryu, "Concept and design of modular Fresnel lenses for concentration solar PV system," Solar Energy 80, 1580-1587 (2006).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증