초록 ▼

□ 연구개요
본 연구에서는 파장 선택적(wavelength-selective) 필터를 태양전지 전면에 부착하여 흡수 전에 태양복사 스펙트럼을 분리하고, 태양전지와 태양열 집열기에 각각 보냄으로써 태양복사 에너지를 전체 스펙트럼에 걸쳐 효율적으로 활용하는 신개념의 태양광/열 복합(solar photovoltaic/thermal hybrid) 시스템을 연구하였다. 기존의 흡수후(post-absorption) 방식의 태양광/열 복합 기술은 태양전지에 흡수된 열을 활용하므로, 태양전지 성능에 영향을 주고 간접적으로 열을 회수함으로써

□ 연구개요
본 연구에서는 파장 선택적(wavelength-selective) 필터를 태양전지 전면에 부착하여 흡수 전에 태양복사 스펙트럼을 분리하고, 태양전지와 태양열 집열기에 각각 보냄으로써 태양복사 에너지를 전체 스펙트럼에 걸쳐 효율적으로 활용하는 신개념의 태양광/열 복합(solar photovoltaic/thermal hybrid) 시스템을 연구하였다. 기존의 흡수후(post-absorption) 방식의 태양광/열 복합 기술은 태양전지에 흡수된 열을 활용하므로, 태양전지 성능에 영향을 주고 간접적으로 열을 회수함으로써 전기와 열 모두 변환 효율이 낮다. 하지만, 파장 선택적 필터를 적용하면, 흡수전(pre-absorption) 방식이 되므로 태양전지 성능에 주는 영향을 최소화하면서 직접적으로 열에너지를 흡수할 수 있다. 본 연구의 목표는 수치해석 방법 개발과 실험장치 제작을 통해 제안한 기술의 타당성을 조사하는 것이다.

□ 연구 목표대비 연구결과
• 파장 선택적 필터에 의한 태양 스펙트럼의 분리(투과율과 반사율) 효과를 계산하기 위해 몬테카를로 광선추적법 기반의 수치해석 방법을 개발하였다. 이 방법으로 계산된 태양복사 조건에서 태양전지와 태양열 집열기의 성능을 예측하는 수치 해석 방법을 개발하였다.
• 태양위치, 에어로졸, 기상상태 등 외기 조건에서 복사 스펙트럼의 변화를 반영하면서, 필터의 광학 물성에 따라 태양광/열 복합 시스템의 성능 변화를 시뮬레이션하였고 태양광/열 복합 시스템에서 요구되는 광학 물성을 선정하였다.
• 700~1100nm 투과밴드를 갖는 파장 선택적 필터를 다층박막 필름 형태로 제작하였는데, 투과율은 약 33%, 반사율은 약 47%, 흡수율은 약 20% 정도였다.
• 외기 조건에서 태양광/열 복합 시스템의 성능을 평가하기 위해 필터가 전면에 부착된 태양전지를 구유형 반사판 모양 지지대에 설치한 태양 추적식 실험 장치를 제작하였다. 실험 결과와 비교했을 때, 개발된 모델은 평균제곱근오차 0.359 W 수준으로 잘 일치하였다.
• 파장선택적 필터를 이용하는 태양광/열 복합 시스템이 60℃ 이상의 온수를 태양 전지의 효율 저하 없이 생산 가능함을 보였다. 한편, 회수한 열로 터빈을 구동하여 전기를 생산했을 때, 태양광발전 단독보다는 낮고 태양열발전 단독보다는 높은 것을 확인했다. 개발된 필터는 흡수율 20%를 보여주고 있는데, 이를 줄인다면 태양광발전 단독보다도 높은 성능을 보여줄 것으로 예상한다.

□ 연구개발결과의 중요성
태양광 기술이 보급이 증가하면서 태양전지가 갖는 근본적인 단점을 해결하는 방법의 하나로 파장분리 기술은 크게 주목받고 있다. 본 연구는 태양광/열 복합 시스템에 파장분리 기술을 적용하면, 태양광과 태양열 설비 성능이 개별적으로 극대화가 가능하고 이로써 태양복사에너지의 이용률이 태양광 단독 설비보다 더 높음을 증명하였다. 결과적으로 제안된 기술은 전기에너지와 동시에 유용한 열에너지의 공급이 가능하고, 외기 온도가 높은 사막 지역에서 더 높은 성능을 낼 수 있다. 한편으로는, 제시한 파장선택적 필터의 흡수율을 낮추고 입사광선에 대해 광학 물성이 변하지 않도록 추가적인 개선이 필요함을 확인하였다.

(출처 : 요약문 2p)

Abstract ▼

1. 연구개발과제의 개요
1.1 Introduction of research background
Solar radiation is the fundamental source of energy for Earth necessary to sustain the life of an organism. More importantly, the solar energy has been recognized as one of the most promisingrenewable energy sources for mitigating pressing

1. 연구개발과제의 개요
1.1 Introduction of research background
Solar radiation is the fundamental source of energy for Earth necessary to sustain the life of an organism. More importantly, the solar energy has been recognized as one of the most promisingrenewable energy sources for mitigating pressing societal issues such as climate change and resource depletion. This is because of its free and abundant availability of energy resource on Earth throughout the year, with approximately 885 million TWh [1]. Therefore, a technology that utilizes solar energy for power generation is trending worldwide, and its development is proceeding rapidly. There are basically two different technologies: solar photovoltaics (PV) and solar thermal collectors that utilize solar energy to produce useful energy in the form of electricity and heat.

PV systems consist of solar cells, control devices, inverters, and batteries. The solar cell is a primary component for the PV system to convert sunlight into electricity through the PV effect. Figure 1 shows thedestinies, by fractions, of the full air mass (AM) 1.5 solar spectrum after arriving at the surface of a typical silicon (Si) based solar cell [2]. The solar cell can only use 33% of the solar spectrum. In other word, the solar cell can only absorb light of equivalent wavelengths less than 1.1 μm if the bandgap energy of silicon cell is 1.1 eV or less. The light or photon with energy less than the bandgap (or wavelength larger than 1.1 μm) is not absorbed, and light energy in excess of the bandgap is lost and dissipated as heat (also called thermalization). In addition, there are inevitable extraction losses in a silicon material, which refer to the electron-holerecombination [3]. In practice, the conversion efficiency of monocrystalline silicon solar cells is up to 26.7% at the laboratory level [4], and the temperature rises in the solar cell due to thermalization can provoke an additional decrease in the efficiency of about 0.4 to 0.5% per 1 °C rise [5].

(출처 : 본문 1. 연구개발과제의 개요 4p )

목차 Contents

• COVER ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 Introduction of research background ... 4
• 1.2 Research objectives ... 7
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 8
• 2.1 Proposed hybrid PV/T design ... 8
• 2.2 PV/T system performance modeling ... 8
• 2.3 Numerical study and results for the PV/T hybrid system ... 10
• 2.4 Experimental study and results for the PV/T hybrid system ... 13
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 19
• 대표적 연구실적 ... 21
• End of Page ... 36