태양광 발전에 이용되는 태양 전지판은 태양의 위치에 따라 발전 효율이 크게 변화합니다.
그래서 미국 스탠퍼드대(Stanford University) 전기공학과에 소속된 니나 베이 디아씨의 연구팀은 태양의 위치에 관계없이 효율적으로 집광할 수 있는 역피라미드형 렌즈를 개발했습니다.
본 연구의 상세한 내용은 6월 27 일자 과학 잡지 'Microsystems & Nanoengineering'에 게재되어 있습니다.
추적형 태양 전지판은
유지 보수 비용이 비싸다
기존의 고정식 태양 전지판의 효율을 높이기 위해서는 패널의 각도나 방향에 신경을 써야 합니다.
예를 들어, 지붕에 설치하는 경우에는 '남향으로 30도의 각도가 최적'이라고 말해 왔습니다.
또 최근에는 '추적식 태양 전지판' 등도 있습니다.
이것은 태양을 따라 자동으로 방향을 바꾸기 때문에 높은 효율로 발전할 수 있습니다.
그러나 추적식 태양 전지판에는 단점도 있습니다.
끊임없이 움직이도록 설계되어 있기 때문에 고정식보다 더 많은 비용과 유지보수가 필요한 것입니다.
그렇다면 고정을 한 채로 효율을 높일 수 있는 방법은 없는 것일까요?
베이디아씨의 연구팀은 시행착오를 거쳐 역피라미드형 렌즈를 개발했습니다.
이 렌즈는 쏟아지는 빛의 각도나 주파수에 관계없이 효율적으로 집광할 수 있기 때문에 유지 보수를 간략화 하거나 다른 광학계 분야에도 응용할 수 있다고 합니다.
'역피라미드형 렌즈'로 고정시킨 채 효율적으로 발전할 수 있다
베이디아씨에 따르면 역피라미드형 렌즈 시스템은 돋보기 집광과 비슷한 것 같습니다.
태양 아래서 돋보기 안경을 사용하면 태양광이 모이는 '초점'으로 더 밝게 비춰질 수 있죠.
역피라미드형 렌즈 역시 렌즈 표면에 해당하는 태양광의 약 90%를 포착해 약 3배의 밝기로 발전 시스템에 전달 시킬 수 있습니다.
그러나 돋보기와 역피라미드형 렌즈는 큰 차이점도 있습니다.
그것은 바로 초점의 이동입니다.
돋보기의 초점은 태양의 위치에 따라 변화하기 때문에 같은 장소에 빛을 계속 모으려면 돋보기 각도를 끊임없이 조절해줘야 합니다.
역피라미드형 렌즈에서는 다양한 굴절률을 가지는 유리와 폴리머층의 조합에 의해서 빛을 복잡하게 반사시킵니다.
이로인해서 어느 각도에서 들어온 빛이라하더라도 최종적으로는 역피라미드 안쪽의 한점에 집약되게 되어 있는 것입니다.
렌즈를 고정하면서도 효율적으로 빛을 모을 수 있다는 것입니다.
또 이 구조와 재료로인해서 근자외선으로부터 적외선까지 폭넓은 스펙트럼의 빛을 도입하는 것이 가능합니다.
현재는 장치에 크랙이 가지 않도록 복수의 재료를 이용해도 같은 속도로 열팽창하도록 조정되어 있어서 몇개의 소재를 이용한 3D 프린트로의 재현도 실증을 완료했습니다.
그리고 이 새로운 집광 시스템은 우주선용 태양전지의 개량에도 도움이 될 뿐만 아니라 디스플레이나 조명 등 다른 분야로의 응용이 기대되고 있습니다.
관련원문은 아래링크를 참고하세요.
Immersion graded index optics: theory, design, and prototypes
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