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핵심기술
500X이상의 집광형 프레넬 렌즈를 이용하여 80%이상의 광효율을 갖는 고집광 태양광 모듈 패키지 기술 개발
최종목표
3 kWp급 초고효율 고집광 태양광 시스템 개발
- 집광율 : 500배 이상
- 광효율 : 80% 이상
- 온도차 : 40 ℃ 이하
- 모듈 수명 : ≥20년
개발내용 및 결과
1. 3 kWp급 집광형 모듈 제작
1) 500배 집광배율의 렌즈 제작(5.5mm 태양전지용, 10mm 태양전지용)테스트
2) 국내 최초로 집광 배율 500X의 프레넬 렌즈

핵심기술
500X이상의 집광형 프레넬 렌즈를 이용하여 80%이상의 광효율을 갖는 고집광 태양광 모듈 패키지 기술 개발
최종목표
3 kWp급 초고효율 고집광 태양광 시스템 개발
- 집광율 : 500배 이상
- 광효율 : 80% 이상
- 온도차 : 40 ℃ 이하
- 모듈 수명 : ≥20년
개발내용 및 결과
1. 3 kWp급 집광형 모듈 제작
1) 500배 집광배율의 렌즈 제작(5.5mm 태양전지용, 10mm 태양전지용)테스트
2) 국내 최초로 집광 배율 500X의 프레넬 렌즈 설계 디자인 및 제작 기술 완료
3) 5.5mm 태양전지용 및 10mm 태양전지에 적합한 프레넬 렌즈 디자인 및 제작 기술 완료 (10mm×10mm 태양전지를 기준으로 집광모듈 선정)
4) 10mm 태양전지를 목표로 집광 모듈 제작 (18set의 170Wp 모듈제작)
2. 설계광효율 : 83% 이상
1) 5.5mm×5,5mm 태양전지용 프레넬 렌즈 테스트 :80%만족
2) 10mm×10mm 태양전지용 프레넬 렌즈 테스트 :80% 측정만족
3) 10mm 태양전지를 목표로 프레넬 렌즈 선정
두 가지 프레넬 렌즈 타입에 대한 투과 효율 계산 결과. (a) grooves in case, (b) grooves out case. 렌즈로 입사하는 모든 빛이 태양전지에 결상된다는 가정 하에 투과율을 구한 것으로 초점 거리를 다르게 했을 때, 프레넬 렌즈의 중앙에서부터 투과 효율을 구하였음. (c)는 초점 거리에 따른 투과 효율.
3. 측정광효율 : 80%
224 mm × 224 mm의 면적을 갖는 10 mm × 10 mm 태양전지용프레넬 렌즈의 경우 LED(발광 다이오드, light-emitting diode)와 광도계를 이용하여 효율 측정을 시도하였으며 렌즈의 중심에서부터 일정한 간격을 두고 투과율을 측정하였다. 아래 그림에는 렌즈의 중심에서 거리에 따른 투과율 측정 방법과 측정결과가 나타나 있다.
전체 면적에 대한 투과율을 측정한 최종 결과 값은 79.2 %로서 렌즈의 유효 면적이 렌즈 중심에서부터의 거리의 제곱에 비례하므로 전체 면적에 대한 투과율을 중심으로부터의 거리의 제곱만큼 비중을 두어 평균을 취하여 획득한 값이다.
렌즈 중심에서부터의 거리에 따른 투과율 측정 (a) LED를 이용한 측정 방법 (b) 뒤에서 본 측정 방법 (c) 측정결과
1) 해결방안:
- 가공 시간이나 가공 팁 파손 등의 문제로 발생할 수밖에 없는 라운드(곡선면)의 문제 등으로 인해 효율 상의 손실이 있을 수 있으며, 피치의 값을 증가하는 방법에 의해 이를 최소화하는 방법 등을 고려
- 렌즈의 facet을 곡선으로 가공하는 방법
4. 열저항 : 0.048 Km²/W임을 확인하였으며, 2차년도 개발 목표치인 0.3 Km²/W를 충분히 만족
5. 온도차 : ΔT<40 만족 (대기온도 대비 최대 온도차 28.3K)
열성능 평가 모듈을 이용하여 통합 냉각시스템의 성능평가를 실시한 결과 가장 뜨거운 시간대의 대기온도는 30℃ ~ 35℃ 로 변화하였으며, 그림에서 보는 바와 같이 측정기간 동안 최대 온도차는 28K로 나타났다.
6. 온도 균일도 : 온도 균일도 70%이상을 만족
아래그림은 평균온도 대비 온도편차 결과를 이용하여 온도 균일도를 계산하였으며, 그림 측정시간에 따른 온도균일도 결과를 나타낸 그래프다. 그래프에서 알 수 있듯이 최소 온도 균일도는 88%로 본 과제의 목표인 온도균일도≥85%를 만족함을 확인하였다.
7. 프레넬 렌즈 도면 및 2차 광학계 설계 디자인
8. 프레넬 렌즈 제작
9. light pipe 제작
10. 표면반사율:<10%R 및 면정밀도 11. 면정밀도:3.07nm 만족
12. 각도 정밀도 :2분 이내
13. uniformity : <15% 만족
14. 투과율:95% 이상
기술개발배경
grid parity를 달성하기 위한 여러 태양광 기술들이 현재 지속적인 개발과 발전과정을 거치고 있지만 화석연료에 비해 아직까지 전기 생산 가격이 높은 편이다. 이를 타게 하기위해서는 값싼 태양전지, 고효율 태양전지를 생산하는 게 필수적이다. 아직까지 결정질 태양전지는 이론적으로 30%이상의 효율을 달성하는 것이 한계로 나와 있고 최고 성능의 효율은 20~23%로 복잡한 공정 기술이 요구되고 있다.
다른 비결정질 태양전지 성능은 가격적인 요인뿐 아니라 효율 면에서도 결정질 태양광 전지에 비해 상당히 낮은 것이 현실이다. 이를 극복하기 위한 유일한 대안 기술을 집광형 태양광 전지가 가지고 있다. 고가지만 매우 작은 태양전지를 사용하고 저렴한 광학기구(미러 또는 프레넬 렌즈)를 이용하여 빛을 한 점에집광시켜 태양전지의 성능을 40%이상까지 끌어올릴 수 있고 이로 인해 가격적인 면에서 grid parity를 달성하는 데 가장 근접한 기술이기 때문에 집광형 태양광 모듈 패키징 기술의 개발은 앞으로 고유가 시대에 따른 환경적인 측면뿐 아니라 저렴한 전기 생산에 중요한 역할을 하게 된다. 또한 이 기술은 태양복사에너지가 풍부한 지역에서 높은 전기 생산량을 갖고 있는데 직달 일사량이 풍부한 캘리포니아, 아리조나 사막 지역에 중점적으로 대규모 plant 사업이 진행 중에있다.
따라서 국내에서도 고집광 태양광 모듈 패키징 기술의 개발, 인증 및 상용화는 대규모 plant시장에 진입할 수 있는 중요한 발판이 된다. 이를 위해 국내 처음으로 프레넬 렌즈 타입의 고집광 태양광 모듈 패키징 기술을 개발하게 되었다.
핵심개발기술의 의의
1. 신규 개발 여부
2. 이전 모델의 업그레이드
3. 개발 난이도
4. 국산화 정도
5. 해외기술을 통한 개발여부
- 고효율 집광용 태양전지 100% 수입하여 집광용 태양전지 receiver제작
6. 기술 수출 가능성
집광용 모듈 패키지 기술은 개발 완료되었지만 대량생산을 위한 기술개발이 좀 더 필요하다. 모듈 패키징에 있어서 광학계의 정확한 setting이 매우 중요한데 이를 위한 패키징기술의 자동화 공정이 광학적 오차를 줄이게 하여 모듈 성능을 향상시킬 수 있다.
7.개발의 의의
집광형 태양광 모듈의 패키징 기술 개발은 국내에서 처음 시도되는 것으로 아직까지 국내 연구 인프라가 형성되어 있지 않다. 프레넬렌즈의 설계 및 개발, 2차 광학 렌즈 기술 개발, 리시버 패키징 기술 개발, 열 냉각 기술 개발, 모듈 패키징 기술 개발은 국내집광형 모듈 패키징 기술이 처음으로 국산화 되었다는 데 큰 의의가 있다. 그동안 해외에서 연구 개발되어 기술 개발 내용이나 수준에 대해 피상적으로 이해되었던 부분들이 태양전지를 제외한 각부품들의 독자적인 개발은 국내 집광형 태양광 기술을 한 단계 업그레이드 시키는 중요한 계기가 되었다.
이것은 국산형 집광형 태양광 모듈의 상용화를 앞당기는데 커다란 역할을 했다. 또한 기술 개발과정에서 필요한 각각의 부품들에 대한 가장 핵심적인 고려사항 및 개선 방향등이 가시화되었고, 앞으로 상용화를 위해서는 추가적으로 필요한 기술의 핵심 사항 등에 대한 보다 깊은 이해와 아이디어들이 얻어졌다. 이를 통해 초기개발 모델보다 상당히 개선된 모듈의 국산화가 이루어짐과 동시에 인증에서 통과될 필수적인 요소들이 각 부품별로 상세히 고려되어 패키징 기술의 상용화가 가능하게 된다. 이는 해외의 대규모 plant시장에 수출할 수 있는 여건을 창출함과 동시에 고집광 트랙커의 기술 개발과 모듈 기술이 상용화를 위한 연구가 본격적으로 국내에서도 이루어 질 수 있는 발판을 제시한다. 가격적인 면이나 시장의 흐름이 아직까지 성숙된 결정질 태양광 모듈 시장에 비교할 바는 아니지만 태양전지의 성능 및 광기술 측면에서 절대적인 우위에 있는 집광형 태양광 시장은 대규모 plant 시장에 진입장벽을 낮추고 가장 빨리 grid parity를 달성할 후보 기술이기 때문에 시장의 전망은 매우 밝다. 따라서 집광형 태양광 모듈 패키징 기술 개발의 국산화는 국내에서도 집광형 태양광 시장에 진입장벽을 낮춰수출 시장의 진입 전망을 밝게 한다.
적용분야
1. 3kWp급 그린 홈 100만호 사업에 적용
2. 주택 보급형 3kWp급 고집광 시스템 적용
3. 미국 서부지역, 지중해 연안 등 직달 일사량이 풍부한 지역에 집중공략
4. 현재 구축되어 있는 컨소시엄인 중국의 Aide solar, 대만의 panjit group, 미국의 Idea Max사와 공동으로 해외시장 개척

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 40
• 목 차 ... 48
• 표 차례 ... 50
• 그림 차례 ... 51
• 제 1 장 서론 ... 57
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 57
• 제 2 절 국내 ․ 외 관련 기술의 현황 ... 62
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 ․ 경제적 파급 효과 ... 75
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 79
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 79
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 81
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 84
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 112
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 112
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 287
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 291
• 끝페이지 ... 298