중집광형 태양광 집광장치 용 선형 프레넬 렌즈의 최적화설계연구

Abstract

본 논문에서는 25배 태양광 집광장치에 적용될 선형 프레넬 렌즈의 최적화에 대해 서술한다. 이 선형 프레넬 렌즈는 각기 다른 패턴을 가진 <TEX>$10{\times}10$</TEX> mm 크기의 선형 프레넬 렌즈가 <TEX>$5{\times}5$</TEX>의 형태로 결합된 렌즈이다. 각 프레넬 렌즈는 같은 크기의 태양전지로 태양광이 입사할 수 있도록 최적화되어 있다. 최적화된 프레넬 렌즈의 설계치는 패턴높이 35 <TEX>${\mu}m$</TEX>, 구배각 <TEX>$4^{\circ}$</TEX>, 모서리 라운드 1 <TEX>${\mu}m$</TEX>로 각각의 선형 프레넬 렌즈에 모두 같은 값이 부여되었지만 사면경사각은 <TEX>$14.1^{\circ}{\sim}31.2^{\circ}$</TEX>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 <TEX>${\mu}m$</TEX>씩 증가할수록 집광효율이 ~5%씩 저하되는 것을 파악하였고 이에 모서리 라운드가 최소한의 수치로 유지되어야 함을 확인하였다. This paper presents a combination of linear Fresnel lenses optimized for <TEX>${\times}25$</TEX> solar concentration. The combined lens consists of <TEX>$5{\times}5$</TEX> linear Fresnel lenses. Each Fresnel lens is of <TEX>$10{\times}10$</TEX> 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 <TEX>${\mu}m$</TEX>, draft angle of <TEX>$4^{\circ}$</TEX>, and edge groove round of 1 <TEX>${\mu}m$</TEX> but with different facet angles varying from <TEX>$14.1^{\circ}$</TEX> to <TEX>$31.2^{\circ}$</TEX>. The solar concentrating efficiency of the combination is shown to be over 80% and more robust than a conventional single <TEX>${\times}25$</TEX> 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 <TEX>${\mu}m$</TEX> increase of the edge groove.