초록 ▼

연구개요
본 연구는 비결상광학을 기반으로 고가의 태양추적장치가 배제된 집광형 태양광발전 (CPV) 시스템을 도출하고 이를 최적화 및 개발하는 것에 관한 것임. 1차년도: 원통형 프레넬 렌즈를 사용함으로써 태양의 위치에 상관없이 빛을 집광할 수 있는 새로운 집광장치를 고안함. 2차년도: 원통형 프레넬 렌즈 집광장치를 기반으로 하는 새로운 CPV 시스템을 설계함. 요구사항-집광비율>50이상, 광학효율>80%이상. 3차년도: 간단한 광학장치를 첨가함으로써 장치의 요구사항(spec)을 향상시킴. 원통형 프레넬 렌즈 구조를 사용하는 태

연구개요
본 연구는 비결상광학을 기반으로 고가의 태양추적장치가 배제된 집광형 태양광발전 (CPV) 시스템을 도출하고 이를 최적화 및 개발하는 것에 관한 것임. 1차년도: 원통형 프레넬 렌즈를 사용함으로써 태양의 위치에 상관없이 빛을 집광할 수 있는 새로운 집광장치를 고안함. 2차년도: 원통형 프레넬 렌즈 집광장치를 기반으로 하는 새로운 CPV 시스템을 설계함. 요구사항-집광비율>50이상, 광학효율>80%이상. 3차년도: 간단한 광학장치를 첨가함으로써 장치의 요구사항(spec)을 향상시킴. 원통형 프레넬 렌즈 구조를 사용하는 태양열발전 방안 도출.

연구 목표대비 연구결과
기존의 태양광발전(PV:Photo-Voltaic)은 빛의 수광면적 크기만큼 반도체 태양전지를 필요로 하므로 태양광 발전단가 인하에 한계가 있음. 사용되는 태양전지의 양을 획기적으로 줄이되 발전되는 전기의 양은 더욱 증가하게 하는 방안으로 집광형 태양광발전(CPV: Concentrated PV)이 각광을 받고 있음. CPV에 의해 발전단가를 더욱 낮추기 위해서는 CPV에 필수적인 2축 태양추적장치의 정밀도 요구사항을 완화시킬 필요가 있음. 이를 위해 높은 정밀도를 요구하는 태양의 하루 위치변화는 추적할 필요가 없고 정밀도 요구사항이 크게 낮은 계절별 위치변화에 대해서만 보정을 필요로 하여 태양추적장치에 대한 요구사항을 크게 완화시키는 새로운 CPV방식을 세계 최초로 제안하였음.
1차년도: 종방향 선형 프레넬 렌즈 설계한 후 이를 횡방향으로 말아 원통형 프레넬 렌즈로 구성하는 연구를 수행함. 원통형 프레넬 렌즈로 입사한 태양광은 첫 번째 표면에서 굴절되고 원통을 투과한 후 두 번째 내측 표면에서 한번 더 굴절되어 원통 바깥을 감싸고 있는 링 구조의 태양전지에 집광됨. 집광장치가 원통 구조이므로 태양이 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 하루 내내 별도의 태양추적장치 없이 집광된 빛이 태양전지에 조사됨. 2차년도: 원통형 프레넬 렌즈와 링 구조 태양전지와의 효과적인 결합방안을 연구함. 집광비율을 더욱 향상시키는 프레넬 렌즈를 설계하고 기존의 CPV 방식 대비 저가 구현 및 안정성을 향상시켜 상용화를 위한 기반을 확립함. 3차년도: 대량생산을 목적으로 생산 및 구현이 용이한 구조를 도출함. 즉, 완벽한 원형의 원통형 렌즈 제작보다는 다각형(6각형, 8각형 등) 구조의 원통형 렌즈 제작이 훨씬 용이하므로 다각형 구조의 성능 평가를 실시하며 이를 바탕으로 대량생산 가능성을 타진함.
CPV를 위한 집광 시 발생하는 열을 별도로 독립시켜 태양열발전에 사용하는 방안을 모색함. 이럴 경우, 태양광 및 태양열(solar Thermal) 발전이 동시에 이루어지는 PV/T 시스템의 구현이 가능해짐을 타진함.
=> 이상의 3년에 걸친 연구를 단축하여 2년4개월 만에 조기 완료하였음. 이에 대한 성과로 SCI 논문 4편, 비SCI 국제논문 2편을 게재하였고, 2건의 국내특허출원, 3건의 PCT국외특허출원, 1건의 국내특허등록 성과를 내었으며 국제학술대회 논문발표 실적 5건이 있음.

연구개발결과의 중요성
사회·경제적 중요성 : 기존 CPV 시스템에서 큰 가격비중을 차지하는 고가의 정밀한 태양추적장치가 배제될 경우, 태양광발전의 단가가 크게 낮아지게 됨. 제안하는 장치가 대량생산으로 유포되면 신재생에너지의 생산단가가 기존의 화석연료에 의한 전기에너지의 생산단가를 추월하는데 크게 기여할 것임.
학문·기술적 중요성 : 본 연구를 통해 원통형 혹은 다각 기둥형 프레넬 렌즈가 비결 상광학(non- imaging optics)의 새로운 축으로 자리잡을 것으로 기대함. 이는 학문 및 기술분야에 있어 획기적으로 중요한 것으로 본 연구진은 연구결과를 Nature지에 게재할 것으로 기대함.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 가. 연구 필요성 ... 5
• 나. 연구 배경 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 가. 연구수행내용 ... 6
• 나. 연구결과 ... 9
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 15
• 4. 참고문헌 ... 16
• 5. 연구성과 ... 17
• 붙임1. 대 표 연 구 실 적 ... 21
• 끝페이지 ... 34