Optical Analysis for Designing a Planar Solar Concentrator Based on Light Guide System

Recently, an optics-based concentrator for solar concentration has been a key issue in development of photovoltaic systems. In the present study, a new, simple, easily producible planar concentrator based on a light guide system is proposed. In this device, solar light is concentrated by microprism optical patterns guiding the light, mainly through total reflection and refraction. The main design variables of the concentrator are the geometric concentration ratio ($R_c$) and the ${\Theta}_1$ and ${\Theta}_2$ of the microprism pattern. Ray tracing was simulated using commercial software, SPEOS, and the optical efficiencies of the light guide solar concentrator were predicted in each case. The predicted maximum optical efficiencies are 65.60%, 54.78%, and 46.78%, respectively, for $R_c$ values of 4, 5, and 6. The variation of the optical efficiencies according to ${\Theta}_1$, ${\Theta}_2$, and the incline angle of the incident light were predicted.

광도파 원리의 평면형 태양광 집광기 설계를 위한 광학해석

최근 태양광발전 시스템에서 태양광을 집광하는 광학기술이 접목된 집광기가 대두되고 있다. 본 연구에서는 광도파로 원리를 기반으로 한, 간단하면서 생산이 용이한 새로운 개념의 평면형 집광기를 제안하였다. 해당 집광기에서는 태양광 집광을 위하여 빛의 전반사와 굴절의 법칙에 의해 빛을 유도하는 마이크로 단위의 광학 패턴이 적용되었다. 본 집광기의 주요 설계변수로는 광도파 집광기의 기하집 광비 $R_c$와 마이크로 패턴의 두 각도 ${\Theta}_1$, ${\Theta}_2$를 선정하였다. 광학해석을 위한 시뮬레이션은 SPEOS로 수행되었으며 주요 설계변수의 변화에 따른 집광기의 광학효율을 예측하였다. 기하집광비 4, 5, 6에 대해서 광학효율 최대치가 각각 65.60%, 54.78%, 46.78%로 예측되었다. 집광기의 마이크로 패턴의 두 각도 ${\Theta}_1$, ${\Theta}_2$ 및 태양광 입사각에 따른 광학효율도 예측하였다.