KR100715040B1 - 태양광 발전장치 - Google Patents

태양광 발전장치 Download PDF

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KR100715040B1
KR100715040B1 KR1020060030742A KR20060030742A KR100715040B1 KR 100715040 B1 KR100715040 B1 KR 100715040B1 KR 1020060030742 A KR1020060030742 A KR 1020060030742A KR 20060030742 A KR20060030742 A KR 20060030742A KR 100715040 B1 KR100715040 B1 KR 100715040B1
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김상선
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(주)대양테크
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    • H02S20/00Supporting structures for PV modules
    • H02S20/30Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment
    • H02S20/32Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment specially adapted for solar tracking
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

본 발명에 따르면, 태양광 발전장치는 메인프레임과, 상기 메인 프레임에 남북 방향으로 설치되는 회동축과, 상기 회동축에 지지되는 서브 프레임과, 상기 서브 프레임에 설치되는 적어도 하나의 태양광 발전모듈과, 상기 메인 프레임에 설치되어 상기 남북 방향으로 설치되는 회동축을 해뜨는 시간부터 해지는 시간까지 태양을 따라 회전시키는 단축 트래킹 수단을 구비한다.
태양광 발전, 트래킹, 회동축, 방위각

Description

태양광 발전장치{solar power plant having solar tracking apparatus}
도 1은 본 발명은 태양광 발전장치를 나타내 보인 일부절제 사시도,
도 2는 단축 트래킹 수단을 나타내 보인 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전장치를 나타내 보인 일부절제 사시도.
도 4는 단축 트래킹 수단의 다른 실시예를 나타내 보인 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 다른 실시예를 나타내 보인 사시도,
도 6은 도 5에 도시된 태양광 발전장치의 측면도.
본 발명은 태양광 발전장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 태양광 발전모듈(photovoltaic module)의 집광효율을 높일 수 있는 태양광 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 태양광기술은 태양으로부터 전달되는 복사 열에너지를 이용하는 태양열 기술과 구분된다. 태양광을 이용한 발전은 무한한 청정 에너지를 이용한 것으로 별도의 에너지나 구동원이 불필요하고 소규모에서 대규모 시스템의 시공이 간단하며 환경문제에 따른 설치제한에 영향을 받지 않은 이점이 있다.
반면, 발전량이 일사 시간에 좌우되고, 대전력을 얻기 위해서는 많은 태양광 발전모듈이 필요하고, 상용전력에 비해 고가이며, 직류전력이 먼저 얻어지는 점 등에 유의해야 한다.
상술한 태양광 발전모듈은 발전효율을 극대화하기 위해 태양의 직사광선이 항상 태양광 발전모듈의 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 동력 또는 기기 조작을 통하여 태양의 위치를 추적해 가는 추적식, 계절 또는 월별로 상하로 위치가 변화되는 반고정식, 태양과의 고도에 관계없이 위치가 고정되는 고정식 등이 있다.
이러한 태양광의 추적장치는 이동하는 태양을 추적하면서 집광성을 높이기 위해 집열기 또는 렌즈를 이동시키는 장치이다. 추적방법은 크게 프로그램 추적과 센서 추적이 있다. 프로그램 추적은 지구의 자전과 공전에 의한 태양의 이동을 미리 프로그램에 입력하여 수광체를 회전시키는 추적방법이다. 센서 추적은 태양광의 이동을 센서로 감지하여 수광체의 방향을 제어하는 것으로, 각종 관련 요소기술의 진보에 따라 여러 가지 개량이 이루어지고 있다. 추적장치 기술에는 태양위치 검출방법, 추적부재, 추적구동방식, 구동동력 등이 있다.
종래의 태양추적 정렬방식의 일예가 대한민국 등록실용신안 제297771호에 개시되어 있다. 개시된 태양추적 정렬 방식은 태양광을 집속하는 솔라모듈과 일체화되어 상기 솔라모듈을 회전시킴과 아울러 회전 위치를 감지하는 엔코더가 내장된 트랙커을 구비한다.
등록특허 제 044021호에는 태양 자동 추적장치의 태양 추적방법이 개시되어 있다. 개시된 태양 추적방법은 태양광 발전듈의 법선 방위각이 상기 태양의 방위각보다 제 1각도 뒤지게 될 때, 상기 태양광 발전 모듈의 법선의 방위각이 상기 태양의 방위각보다 제 2각도 만큼 앞서도록 상기 태양광 발전 모듈을 구동시키는 구성을 가진다.
등록특허 제 0483291호에는 태양열 관련설비의 태양 위치 추적 방법이 개시되어 있으며, 등록특허 제 0369897호에는 집광식 태양열 집열기를 위한 혼합식 태양 추적 제어장치가 개시되어 있으며, 등록 실용신안 제 0404291호에는 태양광 발전용 집광유닛을 구비한 태양추적장치가 개시되어 있으며, 실용신안 공개 제199-00186호에는 무선호출에 의한 태양 전지판의 각도 조절장치가 개시되어 있다.
상술한 바와 같이 태양광의 위치를 추적하는 태양광위 위치 추적장치는 그 구조가 상대적으로 복잡하고, 위치 고정이 정확하게 이루어지지 않게 되는 문제점이 있다. 특히, 강풍에 대한 지지력이 약하여 설정된 태양 추적 각도를 유지하기 어렵다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 동서 방향으로 태양을 따라 태양광 발전 모듈을 트레킹시킴으로써 상대적으로 구조가 간단하고, 태양광을 이용한 발전효율을 향상시킬 수 있는 태양광 발전장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 태양광 발전모듈의 풍압에 대한 지지력을 향상시킬 수 있으며, 복수개의 태양광 발전모듈들의 구동을 위한 구조가 상대적으로 간단한 태양광 발전장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광 발전장치는,
메인 프레임과, 상기 메인 프레임에 남북 방향으로 설치되는 회동축과, 상기회동축에 지지되는 서브 프레임과, 상기 서브 프레임에 설치되는 적어도 하나의 태양광 발전모듈과,
상기 메인 프레임에 설치되어 상기 남북 방향으로 설치되는 회동축을 해뜨는 시간부터 해지는 시간까지 태양을 따라 회전시키는 단축 트래킹 수단을 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 메인 프레임에 설치되는 회동축은 태양광 발전모듈이 태양의 평균 고도를 향할 수 있도록 경사지게 설치함이 바람직하다. 그리고 상기 단축 트레킹수단은 상기 회동축의 단부에 설치되는 웜휠과, 상기 메인 프레임에 설치되는 구동원의 구동축에 설치되며 상기 웜휠과 치합되는 웜을 구비한다.
대안을 상기 목적을 달성하기 위한 태양광 발전수단은
메인 프레임과, 상기 메인 프레임에 회동 가능하게 설치되는 회동축과 상기 회동축에 설치되는 서브 프레임과, 상기 서브 프레임에 설치되는 태양광 발전모듈들과,
상기 메인프레임에 설치되어 상기 태양광 발전모듈이 설치된 서브프레임의 각도를 조절하기 위해 회전축을 회전시키기 위한 각도 조절수단을 구비하여 된 것 을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 각도 조절수단은 본체가 상기 메인 프레임에 힌지연결되고, 본체에 슬라이딩 가능하게 설치되며 단부가 상기 서브 프레임에 힌지 연결된 리드 스크류와, 상기 본체에 회전 가능하게 설치되며 상기 리드스크류와 나사 결합되는 웜휠과, 상기 본체에 설치되어 웜휠과 치합되는 웜을 구비한다.
상기 메인프레임과 서브 프레임의 사이에는 상기 메인 프레임에 대해 서브 프레임의 위치를 고정할 수 있는 위치 고정수단을 더 구비할 수 있는데, 이 위치 고정수단은 상기 서브 프레임에 설치되는 제 1로드와, 상기 제 1로드를 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 제 2로드와, 상기 제 2로드와 상기 메인 프레임의 사이에 설치되는 턴버클과, 상기 제 2로드에 설치되어 상기 제 2로드에 대해 제 1로드의 위치를 고정하는 위치 고정부를 구비한다.
대안으로 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광 발전 장치는,
남북방향로 인라인 상으로 설치되는 복수개의 메인 프레임들과,
각 메인 프레임들의 사이에 설치되는 회동축들과, 상기 회동축들을 상호 연결하는 연결수단과,
상기 회동축에 설치되는 서브 프레임과, 상기 서브 프레임에 설치되는 태양광 발전모듈과,
상기 메인프레임에 설치되어 상기 메인프레임에 대해 상기 서브 프레임의 회동 회동시키기 위한 단축 트래킹수단과,
상기 서브 프레임과 메인프레임의 사이에 설치되어 태양광 발전모듈의 회전 위치를 고정하기 위치 고정수단을 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 태양광 발전장치는 태양이 동에서 또 서로 지는 동안 태양을 추종하면서 전기를 발전할 수 있는 것으로, 그 일 실시예를 도 1 및 도 2에 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 태양광 발전장치(10)는 지상 또는 건축 구조물에 설치되는 메인 프레임(11)들과, 상기 메인프레임(11)에 남북방향으로 설치되는 회동축(12)과, 상기 회동축(12)에 설치되며 태양광 발전 모듈(100)들을 지지하기 위한 서브 프레임(13)을 구비한다. 상기 서브 프레임(13)은 회동축(12)에 지지되며 양측으로 연장되는 지지부재(13a)를 구비한다. 상기 메인프레임(11)에 대한 상기 서브 프레임(13)의 회전 가능한 지지는 상기 메인 프레임(11)의 상부에 필로우 불록(12a)이 설치되고 이 필로우블록(12a)에 지지된 베이링에 상기 회동축(12)의 단부가 회동가능하게 지지된다. 그러나 상기 메인프레임(11)에 대한 회동축(12)의 지지는 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 메인프레임(11)에 대해 서브프레임을 동서 방향을 회동시킬 수 있도록 지지할 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다. 상기 메인 프레임(11)에 대한 회동축(12)은 사계절의 태양고도를 고려하여 태양광을 가장 많이 받을 수 있는 고도를 설정하고, 이 고도로 상기 태양광 발전모듈(100)이 설치될 수 있는 각도를 유지하도록 설정함이 바람직하다.
그리고 상기 메인프레임(11)에는 상기 회동축(12)을 동서 방향으로 트래킹 (tracking)시키기 위한 단축 트래킹수단(20)이 구비된다. 이 단축 트래킹 수단(20)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 회동축(12)의 단부에 설치되는 웜휠(21)과, 상기 메인 프레임(11)에 설치되는 구동원(22)의 구동축에 설치되어 상기 웜휠(21)을 정역회전시키는 웜(23)을 구비한다. 상기 구동부(22)는 모터(22a)와 이 모터(22a)의 회전력을 감속시켜 상기 웜(23)에 전달하기 위한 감속기(22b)를 구비한다. 그리고 시간대 별로 상기 모터(22a)를 구동시키기 위한 타이머를 갖는 제어부(24)를 더 구비한다. 상기 제어부(24)는 상기 하루 종일 태양의 위치를 추적하고, 이 추적 정부에 따라서 상기 태양광 발전모듈(100)이 태양을 추종할 수 있도록 구동시킬 수 있는 센서(24a)를 더 구비할 수 있다. 상기 센서는 광량센서가 이용될 수 있다. 상기 단축 트래킹수단(20)은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 상기 회동축(12)을 태양의 위치에 따라 정,역회전 시킬 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 태양광 발전장치(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 메인 프레임(11)이 남북 방향으로 인라인 상으로 설치되고, 상기 메인 프레임(11)들에는 메인 프레임에 지지되는 연결수단(30)들에 의해 회동축(12)들이 동축상으로 연결되고 이 회동축(12)들은 단축 트래킹수단(40)에 의해 정,역회전 된다. 상기 회동축(12)들을 연결하는 연결수단(30)은 도 4에 도시된 바와 중앙부에 위치되는 메인 프레임(11) 즉, 회동축(12)들의 사이에 위치되는 메인프레임(11)에 베어링에 의해 지지되며 연결하고자하는 상기 회동축(12)들의 대응되는 양단부가 동축상으로 결합되는 연결축(31)을 구비한다. 상기 연결축(31)에 대한 회동축(12) 단부의 결합은 별도의 고정수단에 의해 결합되는데, 이 고정수단은 연결축(31)과 결합되는 회 동축(12)의 단부를 관통하는 핀(32)에 의해 이루어질 수 있다. 상기 단축 트래킹수단(40)이 일측의 회동축의 단부에 설치된 경우 상기 실시예와 동일한 구조를 가진다. 그러나 상기 연결된 회동축(12)들에 비틀림력을 최소화 하기 위하여 상기 연결수단(30)에 상기 단축 트래킹수단(40)이 설치될 수 있다. 상기 단축 트래킹 수단은 도면에는 도시되어 있지 않으나 연결축에 웜휠을 설치하고 이를 구동시키기 위한 구동부에 의해 구동되는 웜이 치합될 수 있다. 상기 단축 트래킹 수단은 상기 연결축에 기어가 설치되고, 이 기어와 치합되며 브레이크수단을 가진 구동부에 의해 구동기어로 이루어질 수 있다.
도 5 및 도 6에는 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 다른 실시예를 나타내 보였다.
도면을 참조하면 태양광 발전장치(50)는 메인 프레임(51)과, 상기 메인 프레임(51)에 회동 가능하게 설치되며 서브 프레임(53)이 지지되는 회동축(52)과, 상기 서브 프레임(53)에 설치되는 태양광 발전모듈(100)을 구비한다. 여기에서 상기 메인 프레임(51)에 대한 회동축(52)은 동서 방향으로 설치함이 바람직하다.
그리고 상기 메인 프레임(51)에는 상기 회동축(52)의 상기 태양광 발전모듈이 설치된 서브프레임(53)의 각도를 조절하기 위해 회동축(52)을 회전시키기 위한 각도 조절수단(60)을 구비한다. 상기 각도 조절수단(60)은 단축 트래킹수단과 같이 회동축(52)의 단부에 설치되는 웜휠과 상기 웜휠과 치합되며 구동부에 의해 구동되는 웜으로 이루어 질 수 있다. 상기 각도 조절수단(60)은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 계절별 태양의 고도에 따라 상기 회동축(52)을 회동시켜 태양광 발 전 모듈(100)의 각도를 조정할 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.
예컨데, 상기 각도 조절수단(60)은 본체(65a)가 상기 메인프레임(51)에 힌지연결되고, 본체(65a)에 슬라이딩 가능하게 설치되며 단부가 상기 서브 프레임(53)에 힌지 연결된 리드 스크류(65b)와, 상기 본체(65a)에 회전가능하게 설치되며 상기 리드스크류(65b)와 나사 결합되는 웜휠(65c)과, 상기 본체(65a)에 설치되어 웜휠(65c)과 치합되는 웜(65d)을 구비한다. 여기에서 상기 본체(65a)의 상부에는 웜휠(65c)과 웜(65d)이 결합되는 하우징(65e)이 설치되고 웜의 회전축의 하우징의 외부로 돌출되어 핸들 또는 별도의 구동모터에 의해 구동시킬 수 있다.
한편, 상기 실시예들에 있어서, 강풍으로부터 상기 태양광 발전 모듈을 보호 하기 위한 위치 고정수단(70)을 더 구비할 수 있는데, 이 위치 고정수단(70)은 상기 서브 프레임에 설치되는 제 1로드(71)와, 상기 제 1로드(71)를 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 제 2로드(72)와, 상기 제 2로드(72)와 상기 메인프레임의 사이에 설치되는 턴버클(73)과, 상기 제 2로드(72)에 설치되어 상기 제 2로드(72)에 대해 제 1로드(73)의 위치를 고정하는 위치 고정부(75)를 구비한다. 상기 위치 고정부(75)는 제 1,2로드(71)(72)를 관통하는 핀 또는 볼트와 너트로 이루어질 수 있다.
상기 제 1,2로드(71)(72)의 슬라이딩 가능한 결합은 상기 회동축이 회동되는 각도 범위 내에서 상호 이탈되지 않고 슬라이딩 될 수 있어야 함은 당연하다. 특히 상기 단축 트레킹수단의 경우 평상시에는 슬라이딩 상태를 유지하다가 비상시에 위치 고정부(75)에 의해 제 1,2로드의 상대적인 위치를 고정할 수 있어야 함은 당 연하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 태양광 발전장치(10)는 태양이 동에서 떠오르게 되면 단축 트래킹 수단(20)의 구동부가 구동되어 상기 회동축(12)을 시계방향으로 회전시켜 태양과 대응되도록 한다. 따라서 상기 서브 프레임(13)에 설치된 태양 발전 모듈(photovoltaic module,100)은 태양과 대응되므로 태양광에 최대한 노출되어 태양으로부터 많은 광량을 조사 받을 수 있다.
이 상태에서 시간이 경과함에 따라 태양이 황도를 따라 이동함에 따라 방위각이 변화하게 되는데, 태양광 발광모듈의 방위각과 태양의 방위각을 센서에 의해 인식하게 되고, 이 센서의 정보에 따라 모터를 구동시켜 상기 회동축(12)를 소정의 각도로 회동시킨다. 따라서 하루종일 태양을 따라 태양광 발전모듈(100)이 추종됨에 따라 발전효율을 극대화 할 수 있다.
이러한 과정에서 상기 메인프레임(11)에 지지된 회동축(12)은 남북방향으로 설치되어 있으므로 이의 서브 프레임(13)에 지지된 태양광 발전모듈(100)은 동서 방향으로 회동되게 된다. 즉 태양이 황도를 따라 이동되는 궤적으로 동서 방향으로 회전됨으로써 태양이 떠있는 동안 태양을 동서 방향으로 추종하여 가장 효율적이 발전을 할 수 있게 된다. 이러한 태양의 추적은 종래와 같이 태양의 방위과 고도를 고려하여 추정하는 것에 비하여 그 구조가 상대적으로 간단하면서 태양광 발전 모듈(100)의 효율을 극대화 할 수 있다. 특히 도 3에 도시된 바와 같이 남북방향으 로 회동되는 축이 연결수단에 의해 연결되어 있는 경우 하나의 단축 트래킹 수단(20)에 의해 회동축(12)을 회동시킬 수 있다.
한편 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 회동축(52)이 동서 방향으로 설치되어 있는 경우 태양의 고도각을 고려하여 회동축(52)을 회동시킴으로써 계절별 또는 기간별 최상의 고도각을 유지할 수 있다.
그리고 상기 메인 프레임(11)에는 위치 태풍 등과 같이 초 강풍이 불 때에 메인 프레임에 대해 상기 태양 발전모듈(100)이 설치된 서브 프레임(13)의 위치 고정하는 위치 고정수단(70)을 구비하고 있으므로, 강풍에 의해 발전장치가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제 1로드(71)에 대해 제 2로드(72)를 고정부(75)에 의해 고정하고 턴버클을 이용하여 장력을 조정함으로써 도 6도에 도시된 바와 같이 같오 조절수단과 위치 고정수단에 의해 서브 프레임(13)의 위치를 고정할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 태양광 발전장치는 남북방향으로 회동축을 설치함으로써 태양광 발전모듈을 황도의 궤적 즉, 동서방향으로 태양을 추종할 수 있으므로 태양광의 집광효율을 높이고 월별 또는 계절별로 태양의 고도에 따른 태양광 발전모듈의 각도를 수동 또는 자동으로 조절할 수 있어 발전량을 극대화할 수 있다. 또한 태양광 트래킹에 따른 구조가 간단하여 설계의 자유도를 높일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 메인 프레임과, 상기 메인 프레임에 회동가능하게 설치되는 회동축과 상기 회동축에 설치되는 서브 프레임과, 상기 서브 프레임에 설치되는 태양광 발전모듈들과,
    상기 메인프레임에 설치되어 상기 태양광 발전모듈이 설치된 서브프레임의 각도를 조절하기 위해 회전축을 회전시키기 위한 각도 조절수단과,
    상기 서브 프레임에 설치되는 제 1로드와, 상기 제 1로드를 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 제 2로드와, 상기 제 2로드와 상기 메인 프레임의 사이에 설치되는 턴버클과, 상기 제 2로드에 설치되어 상기 제 2로드에 대해 제 1로드의 위치를 고정하는 위치 고정부를 구비한 위치 고정수단을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 각도 조절수단은 본체가 상기 메인프레임에 힌지연결되고, 본체에 슬라이딩 가능하게 설치되며 단부가 상기 서브 프레임에 힌지 연결된 리드 스크류와, 상기 본체에 회전가능하게 설치되며 상기 리드스크류와 나사 결합되는 웜휠과, 상기 본체에 설치되어 웜휠과 치합되는 웜을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
  5. 삭제
  6. 남북방향로 인라인 상으로 설치되는 복수개의 메인프레임들과,
    각 메인 프레임들의 사이에 설치되는 회동축들과, 상기 회동축들을 상호 연결하는 연결수단과,
    상기 회동축에 설치되는 서브 프레임과, 상기 서브 프레임에 설치되는 태양광 발전모듈과,
    상기 메인프레임에 설치되어 상기 메인프레임에 대해 상기 서브 프레임의 회동 회동시키기 위한 단축트래킹수단과,
    상기 서브 프레임과 메인프레임의 사이에 설치되어 태양광 발전모듈의 회전위치를 고정하기 위치 고정수단을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 서브 프레임에 설치되는 제 1로드와, 상기 제 1로드를 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 제 2로드와, 상기 제 2로드와 상기 메인 프레임의 사이에 설치되는 턴버클과, 상기 제 2로드에 설치되어 상기 제 2로드에 대해 제 1로드의 위치를 고정하는 위치 고정부를 구비한 위치 고정수단을 더 구비하여 된 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
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