KR100711550B1 - 계절별 태양 고도에 따른 태양전지판의 발전효율을 증가시키는 수동식 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 지역의 위도에 따라서 계절별로 태양의 남중고도가 달라지기 때문에 고정식으로 거치된 태양을 이용한 태양전지판이 높은 효율로 발전을 할 수가 없다. 또한 일부 시스템에서는 전기모터식이나, 유압식으로 동작하기도 하난 이는 발전소모량이 많고, 설치비가 많이 들며, 유지보수의 단점이 있다. 본 발명은 이러한 점을 극복하기 위하여 수동식으로 태양전지판을 각 계절별 또는 매월 경사각도를 조정하여 최적의 발전 효율을 낼 수 있도록 창작되었다.

태양광발전, 태양광, 태양전지판

Description

계절별 태양 고도에 따른 태양전지판의 발전효율을 증가시키는 수동식 제어 방법{Manual Method that increase generation efficiency of solar panel by seasonable sunshine}

도 1 은 본 발명의 목적을 나타내기 위하여 태양의 남중고도와 발전판의 각도를 표시한 개략적인 구조도.

도 2 는 종래의 태양광 발전설비를 나타내는 사진.

도 3 은 본 발명을 이용하여 북위 37.5˚ 에서 하지 때의 가장 최적의 발전을 할 수 있는 태양전지판의 각도를 보여 주는 측면도.

도 4 는 본 발명을 이용하여 북위 37.5˚ 에서 동지 때의 가장 최적의 발전을 할 수 있는 태양전지판의 각도를 보여 주는 측면도.

도 5 는 도 4 의 회전축 구조를 보여주기 위한 A의 상세도

* 도면의 주요 부호에 대한 설명

10 : 태양전지판

20 : 태양전지판거치대

30 : 회전축지지대

31 : 인서트홀

32 : 피스

33 : 회전가이드

34 : 브라켓

60 : 거치대

본 발명은 태양을 이용한 발전시스템 중 계절별 태양의 고도에 따른 입사각에 변화에 의한 태양전지판 조절판에 관한 것이다.

태양전지라고 하면 태양을 이용한 발전 시스템으로 태양열 및 태양광 발전 시스템을 들 수 있다. 태양전지판은 태양의 고도와 직각으로 배치해야 가장 최상의 발전을 할 수 있다.

최근에는 태양열보다는 태양광발전으로 전환되는 추세이다.태양광발전은 태양으로부터의 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸어주는 발전방식이다. 이러한 태양광발전의 핵심은 일반적으로 pn접합구조를 가진 태양전지(solar cell)로서 외부로부터 광자(photon)가 태양전지의 내부로 흡수되면 광자가 지닌 에너지에 의해 태양전지 내부에서 전자(electron)와 정공(hole)의 쌍(e-h pair)이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍은 pn접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동해서 각각의 표면에 있는 전극에서 수집된다. 각각의 전극에서 수집된 전하(charge)는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키는 에너지의 원천이 된다. 태양광발전은 얇은 박막의 태양 광전지를 넓은 판에 부착시켜 태양전지판을 형성하게 된다.

태양광발전을 하기 위해서는 넓은 부지면적이 소요되고, 대체에너지 연구가 진행되고 있는 선진국의 예를 보더라도 이를 대용량 에너지원으로 실용화 하기에는 기술과 경제성 등에서 아직도 현실적인 활용을 기대할 수 없는 실정이지만, 지구온난화를 일으키는 이산화탄소 등 온실가스의 배출원이 주로 화석연료이기 때문에 선진국을 중심으로 화석연료 사용을 줄임으로써 온실가스의 배출감축을 의무화하는 추세이기 때문에 우리나라는 의무국은 아니지만 국제적인 환경규제에 대비하기 위해서 태양광발전을 적극 권장하고 있다.

또한, 태양광으로 생산한 전력은 한전에서 716.4원/kWh에 매입하나 차액보상제도를 도입하여 태양광발전을 최적으로 하기 위한 태양각도에 따른 광원추적등 자체적으로 사용하는 전력을 제외한 나머지 금액만을 보상받게 된다.

대부분의 태양광의 발전 설비는 넓은 부지 위에 일정각도로 고정된 거치대위에 설치하게 된다. 그런데, 이렇게 일정각도로 고정된 태양광발전설비는 발전 효율이 계절에 따라서 심하게 차이가 난다.

지구가 자전 및 공전을 하기 때문에 각 지역에서 관찰하는 태양의 위치가 매일 바뀌며, 태양의 고도가 매일 바뀌게 된다. 현재 해를 따라 동쪽에서 서쪽으로 이동경로를 추적하는 장치는 경사 고정형’보다 발전 효율이 10~15% 정도 높기 때문에 자전에 의해서 태양의 위치가 바뀌는 것에 대비하여 태양을 추적하는 시스템은 개발이 어느 정도 되어있다. 그러나, 계절의 변화에 의한 태양 고도를 추적하는 시스템은 거의 개발이 되지 않았다.

대부분의 태양광발전은 일정각도가 고정된 방식으로 여름과 동지때의 발전 효율이 상당하게 차이가 난다.

도 2 는 이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 방식으로 태양광발전을 하기 위해 아치형 구조로 설계된 모습을 보여준다.

그러나, 이러한 구조 역시 계절에 따라서 전력의 생산이 효율적이지 못하다. 전력생산의 최고점과 최저점의 공존으로 평균적인 전력만 생산할 따름이다.

종래의 일부 시설에서는 태양의 남중고도에 따라서 모터나 유압장치에 의해서 회전하는 장치가 있지만 회전시에 동력을 소모하기 때문에 태양광을 받아서 발전하는 본래의 목적을 상실하게 된다. 만약 회전시에 동력을 소모하게 되면 그만큼의 소비량을 차감하여 지급하기 때문에 전력생산에 따른 수익이 감소된다. 또한, 이러한 설비는 장기간 외부에 노출이 되기 때문에 고장이 나기 쉽고, 설치할 때 단가가 매우 높아지기 때문에 경제성이 떨어진다.
또한 한국공개특허공보 제2001-25541호(2001.04.06:인용발명, "태양열 관련설비의 태양위치 추적장치 및 상기 추적장치를 구동시키기 위한 구동시스템, 그리고 태양위치 추적제어방법")의 경우에는 태양 위치 추적과 제어를 위한 방법을 제시하고자 태양 고도 계산 공식, 데이터 처리용 부가 장치의 필요성, 오차 제거 과정을 제시하였다. 이는 전기적 장치와 프로그램 간 구성에 대한 설계에 관한 구체적 로딩 방법이 부족하며, 단순하게 태양 고도에 관한 통상의 계산 지식을 이용한 로직 알고리즘 및 그 하드웨어 구성에 치중하였다. 이 경우 복잡한 전기 제어 방식의 도입으로 전자 시스템 제작 기간과 이식 비용 그리고 설치 후 하드웨어 및 소프트웨어 결함 및 유지 보수시 전문 인력이 필요하며, 고비용이 발생하는 단점이 있다. 또한 태양전지판의 위치를 지리, 환경 특성에 맞도록 효과적으로 구동하기 위해서는 태양전지판과 회전축 지지대 사이의 구조에 관한 견고하고 신뢰할 만한 좀 더 효과적인 링크 방법 및 구체적인 수동식 기어 조절 장치와 방법 등이 요구된다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 계절별 태양의 남중고도에 따른 태양전지판의 경사를 가장 효율적으로 배치하되, 복잡한 설비가 필요없이 수동으로 태양전지판의 회전이나, 거치대의 높낮이 조절에 의해 작동이 되도록 하여 경제적인 발전시스템을 구축하기 위한 것이다.

이와 같은 기술적과제를 해결하기 위해서 본 발명의 구성은 첨부된 도면과 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 우리나라를 기준으로 북위 37.5˚인 지역에서의 태양의 남중고도에 따른 태양전지판의 경사각을 나타낸 것이다.

위도에 따른 해당지역의 태양의 남중고도(h)는 다음과 같다.

h = 90˚ - 그 지방의 위도 + 적위

적위는 하지에 +23.5˚, 동지에 -23.5˚이며, 춘분과 추분에 0˚이다. 따라서 위도가 37.5˚정도 되는 우리나라에서 계절별 남중고도는 다음과 같다.

춘분(봄, 3월) : 90˚ - 37.5˚ + 0 = 52.5˚

하지(여름,6월) : 90˚ - 37.5˚+ 23.5˚ = 76˚

추분(가을,9월) : 90˚ - 35˚ + 0˚ = 52.5˚

동지(겨울,12월) : 90˚ - 37.5˚ -23.5˚ = 29˚

따라서 하지와 동지와 태양의 남중고도는 47˚차가 난다.

따라서 태양전지판이 태양의 빛을 가장 잘 받기 위해서는 태양 빛과 직각을 이루고, 지면에서 경사진 각도로는 하지 때는 90˚-76˚ = 14˚이며, 동지 때에는 90˚- 29˚ = 61˚이고, 춘·추분일 때에는 90˚-52.5˚ = 37.5˚이다.

즉, 북위 37.5˚에 해당하는 우리나라에서는 지면으로부터 태양전지판의 경사각도를 동지 때에는 14˚, 하지 때에는 61˚, 춘 추분일 때에는 37.5˚로만 고정시키면 최적의 발전성능을 꾀할 수 있는 것이다.

도 2 에서는 이렇게 태양의 남중고도에 따른 발전효율이 떨어지지는 것을 방 지하기 위하여 태양전지판을 곡면으로 처리한 것을 보여준다. 그러나, 이 방식은 발전효율은 일괄적일지 몰라도, 가장 높은 효율을 내는데에는 애로점이 있다.

도 3 및 도 4 는 이러한 점을 해결하고, 태양전지판(10)의 효율을 가장 높게 하기 위해 시소의 원리로 각각 동지 때와 하지 때에 최적의 각도로 경사지게 한 후 발전을 하는 모습을 보여준다.

본 발명의 주요 목적인 태양전지판(10)을 계절별로 경사지게 하는 방법은 여러가지가 있겠으나, 가장 기본적인 원리는 시소의 원리를 이용한 것이다. 즉, 태양전지판(10)의 중간위치에 회전을 할 수 있는 회전축을 형성하고, 일정각도로 경사가 지면 고정장치를 이용하여 고정시킨다.

도 5 에 도시된 바와 같이 태양전지판을 거치할 수 있는 태양전지판거치대(20)의 저면에는 브라켓(34)이 부착되어 있고, 상기 브라켓(34)하단부에는 원통형상의 회전가이드(33)가 부착되어 있다. 상기 회전가이드(33)는 회전축지지대(30)를 중심으로 회전을 하며, 상기 회전가이드(33)의 바깥 측면에 형성된 구멍과 회전축지지대(30)에 형성된 인서트홀(31)을 일치시켜, 피스(32)를 삽입함으로서 상기 회전가이드(33)의 각도롤 고정시킨다.

상기 회전가이드(33)가 고정되면, 브라켓(34)과 태양전지판거치대(20)와 태양전지판(10)까지 고정되기 때문에 계절에 따라서 보다 효율 높은 발전을 기대할 수 있다.

이때, 피스(32)는 볼트방식이나, 고정핀 방식이 바람직하다.

이때, 태양전지판(10)의 회전축 역할을 하는 회전축지지대(30)는 중력에 의 하여 아래로 약간 처지기 위해 태양전지판(10)의 약간 위쪽에 형성하는 것이 바람직하다.

이때, 회전가이드(33)와 회전축지지대(30)사이에는 회전을 원활하게 할 수 있는 베어링, 스테인레스스틸, 마찰력이 낮은 롤러가이드가 설치되는 것이 바람직하다.

이때, 회전가이드(33)의 각도는 분기별, 월별로 조정할 수 있도록 회전가이드 바깥 측면에 규칙적인 배열을 지닌 다수개의 구멍이 형성되거나, 회전축지지대의 인서트홀이 규칙적인 배열로 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 북위 37.5°인 우리나라에서는 분기별로 태양전지판의 경사를 14°, 37.5°, 61°로 세팅할 수 있도록 인서트홀이나 회전가이드 바깥 측면에 구멍이 형성되는 것이 바람직하며, 각각의 홀 사이를 3 등분하면 매월 각도를 바꿀 수 있다.

또한 지역에 따라 태양의 남중고도가 틀려지기 때문에 태양전지판의 경사를 최적으로 하기 위한 인서트홀이나, 회전가이드 바깥 측면에 구멍의 배열은 다음과 같은 공식에 의해 형성된다.

이를 수학식으로 환산하면 다음과 같다.

h= 90˚ - 그 지방의 위도 + 적위

태양전지판의 최적 경사설치 각도 = 90˚-h

동지 때 태양전지판의 최적 경사설치 각도 = 90°- (90°-그 지방의 위도 - 23.5°)

춘·추분 때 태양전지판의 최적 경사설치 각도 = 90°- (90°-그 지방의 위도)

하지 때 태양전지판의 최적 경사설치 각도 = 90°- (90°-그 지방의 위도 + 23.5°)

따라서, 태양전지판(20)의 경사를 최적으로 하기 위한 인서트홀(31)이나, 회전가이드(33) 바깥 측면에 구멍의 배열은 위와 같은 공식에 의해 형성시키고, 그 사이를 여러 등분으로 나누어 인서트홀(31)이나, 회전가이드 바깥 측면에 구멍을 형성시키는 것은 본 발명의 범주 안에 든다고 할 수 있다.

또한 상기의 각도에서 조금만 벗어나면 본 발명의 범위에서 벗어날 수 있기 때문에 한 계절분의 경사각도인 ±23.5°이내의 범위의 회전각도 고정 또한 본 발명의 범위 안에 든다고 할 수 있다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명의 효과는 다음과 같다.

태양전지판을 설치함에 있어서, 종래의 기계식 및 전자식에 비하여 설치가 간단해지고, 고장의 염려가 없고, 사람의 힘으로만 작동하기 때문에 현재 차액보상제로 시행하는 태양광발전의 전력손실 없이 발전 효율을 증가시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 태양전지판의 발전효율을 증가시키는 수동식 제어 방법으로,

   하지에는 태양전지판(10)을 거치하는 태양전지판거치대(20)를 지역 위도에 따라서 90°-(90-그 지역위도+23.5°)의 각도로 경사지게 배치하고 수동으로 고정을 시키는 것을 특징으로 하고;

   춘·추분에는 태양전지판(10)을 거치하는 태양전지판거치대(20)를 지역 위도에 따라서 90°-(90-그 지역위도)의 각도로 경사지게 배치하고 수동으로 고정을 시키는 것을 특징으로 하고,

   동지에는 태양전지판(10)을 거치하는 태양전지판거치대(20)를 지역 위도에 따라서 90°-(90-그 지역위도-23.5°)의 각도로 경사지게 배치하고 수동으로 고정을 시키는 것을 특징으로 하는 계절별 태양 고도에 따른 태양전지판의 발전효율을 증가시키는 수동식 제어 방법
2. 제 1 항에 있어서 경사각도의 오차가 ±23.5°이내의 들어가는 것을 특징으로 하는 계절별 태양 고도에 따른 태양전지판의 발전효율을 증가시키는 수동식 제어 방법.
3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 태양전지판거치대(20)의 저면에 부착된 원통형 회전가이드(33)가 측면에 형성된 구멍과 회전가이드(33) 내부에 설치된 원통형 회전축지지대(30)의 바깥 측면에 형성된 인서트홀(31)을 일치시킨 후 피스(32)를 삽입하여 태양전지판거치대(20)를 고정시키는 것을 특징으로 하는 계절별 태양 고도에 따른 태양전지판의 발전효율을 증가시키는 수동식 제어 방법.

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