KR100799260B1

KR100799260B1 - 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치

Info

Publication number: KR100799260B1
Application number: KR1020070062025A
Authority: KR
Inventors: 김광일; 박찬일
Original assignee: 주식회사 원광엔이씨; 김광일; 박찬일
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2008-01-29

Abstract

본 발명은 태양광의 집광효율을 높이기 위하여 계절과 시간에 따른 태양의 움직임에 따라 태양광을 집광하는 모듈 프레임의 방향을 광원에 수직이 되도록 방향을 조절해주는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 태양광 발전장치는, 태양광을 집광하는 다수의 모듈이 부착된 모듈 프레임과, 모듈 프레임을 회전시키기 위한 구동장치와, 구동장치의 상부에 수직방향으로 설치되며 모듈 프레임의 배면(背面) 중심에 힌지로 결합되어 모듈 프레임을 고정하는 프레임 연결축과, 프레임 연결축에 설치되는 파워실린더와, 태양의 위치를 추적하여 상기 태양광모듈이 태양을 추종할 수 있도록 구동시키는 제어부를 포함하여 구성되어, 파워실린더의 단부(端部)에서 신축 가능하게 연장되는 피스톤의 단부가 모듈 프레임의 배면 일측에 힌지 결합되어, 구동장치와 파워실린더의 작동에 의해 모듈 프레임의 각도와 방향을 조절하여 태양의 움직임을 추적하여 모듈의 위치를 조정해가는 것을 구성적 특징으로 한다.

태양광, 모듈, 모듈 프레임, 구동장치, 파워실린더

Description

모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치{Solar power plant equipped with module frame driving apparatus}

도 1은 종래의 태양광 발전장치의 모듈 프레임 지지 구조의 일실시예를 나타낸 도면이다.

도 2는 종래의 태양광 발전장치의 모듈 프레임 지지 구조의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 구동장치의 구동부를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 구동장치 중 메인 감속부를 상세하게 도시한 단면도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 태양광모듈 111 : 모듈 프레임

120 : 프레임 연결축 121 : 연결플랜지

130 : 파워실린더 131 : 피스톤

140 : 구동장치 141 : 감속모터

142 : 감속기 143 : 웜(worm)

144 : 웜휠(worm wheel) 145 : 회전축

146 : 하우징 147, 148 : 베어링

149 : 연결플랜지 150 : 캐스터 고정판

151 : 캐스터 160 : 제어부

본 발명은 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 태양광의 집광효율을 높이기 위하여 계절과 시간에 따른 태양의 움직임에 따라 태양광을 집광하는 모듈 프레임의 방향을 광원에 수직이 되도록 방향을 조절해주는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치에 관한 것이다.

태양 에너지를 이용하는 방법은 크게 태양열을 이용하는 방법과 태양광을 이용하는 방법으로 구분되는데, 태양열을 이용하는 방법은 태양 빛에 의해 데워진 물 등을 이용하여 온수공급 및 난방을 하는 방법이며, 태양광을 이용하는 방법은 태양 빛을 이용하여 전기를 발생시키고, 이 전기를 이용하여 각종 기계 및 기구를 작동시킬 수 있도록 하는 방법으로 태양광 발전이라고 한다.

태양광 발전은 무한정, 무공해의 햇빛을 직접 전기로 바꿀 수 있도록 한 기술로서, 태양광을 이용한 발전은 무한한 청정에너지를 이용한 것으로, 별도의 에너지나 구동원이 불필요하고 소규모에서 대규모까지 시스템의 시공이 간단하며 환경문제에 따른 설치 제한에 영향을 받지 않은 이점이 있는 반면, 발전량이 일사 시간에 좌우되고, 대전력을 얻기 위해서는 많은 태양광모듈이 필요하고, 상용전력에 비해 고가(高價)이며 일상적으로 사용하는 교류가 아닌 직류가 먼저 얻어진다는 단점이 있다.

태양광의 에너지를 전기로 변환하는 기술은 태양 전지셀을 이용하는 것인데, 이들은 태양광 에너지를 모으기 위한 태양광모듈을 포함하고 있으며, 태양광모듈에 의한 발전효율은 여러 요인에 의해 달라질 수 있으나, 최적의 발전효율을 얻기 위해서는 집광(集光)되는 에너지를 최대화하는 것이 필요하고, 이를 위해서는, 태양광모듈과 태양광선과의 각도가 수직을 이룰 것이 요구되는바, 종래부터 이를 위한 다양한 장치들이 개발되어 왔다.

태양광 발전에서 가장 주요한 부분인 태양광모듈(photovoltaic module)은 발전효율을 극대화시키기 위하여 태양의 직사광선이 항상 태양광모듈의 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 동력 또는 기기 조작을 통해 태양의 위치를 추적해 가는 추적식, 계절 또는 월별로 상하로 위치가 변화되는 반고정식, 태양과의 고도에 관계 없이 항상 위치가 고정되는 고정식 등이 있다.

그 중에서 태양의 위치를 추적해 가는 추적식의 예로 들 수 있는 것이 실용신안등록 제431870호인데, 이는 태양광모듈의 수직방향 각도 조절 기능을 갖는 태양광 발전장치로, 도 1을 참조하여 기술내용을 간략히 설명하면, 다수의 태양전지 셀이 배치되는 태양광모듈(11)과, 태양광모듈의 배면에 위치하여 태양광모듈을 고정하는 평판형 프레임(12)과, 지면에서 수직방향으로 연장되며 평판형 프레임을 고정하는 수직 프레임(13)과, 일단(一端)이 수직 프레임에 힌지로 결합되는 제1 부재(14)와, 일단이 제1 부재의 타단부에 신축 가능하게 연결되며, 타단(他端)은 평판형 프레임의 배면에 힌지로 결합되는 제2 부재(15) 및 제1 부재와 제2 부재의 연결부를 보호하는 커버부재(16)를 포함하며, 제1 부재에 대한 제2 부재의 신축에 의해서 발전모듈의 수직방향 각도가 조절되도록 한 것을 특징으로 한다.

그러나, 태양광 발전장치는 기본적으로 태양광모듈을 고정하고 있는 평판형 프레임의 크기가 크기 때문에, 상기와 같은 구조로는, 설사 태풍이 아닌 강풍이 불더라도 프레임이 흔들리기 때문에 태양광 발전장치가 파손되거나 훼손되는 등 발전을 할 수 없을 뿐만 아니라 안전에도 큰 문제가 생기게 된다.

이와 같은 문제점을 개선하여 출현한 것이 특허등록 제687140호인데, 이는 태양광 추적식 발전장치로, 도 2를 참조하여 기술내용을 간략히 설명하면, 지상에 견고히 설치될 수 있도록 하는 삼각형 구조의 하부 지지대(21)를 구비하고, 그 상단에는 태양광모듈(24)을 고정하는 역삼각형 구조의 설치프레임(22)을 구비시켜, 하부 지지대(21)의 상단에 구비된 회전축(23)에 연결하여 그 회전축(23)을 중심으로 매일 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 태양의 방위각에 따라 동서(東西)로 회전할 수 있도록 함과 동시에, 설치프레임(22)의 양측에 와이어(25)를 구비해서 설치프레임을 지지하고 있는 것을 특징으로 한 태양광 추적식 발전장치이다.

상기 태양광 추적식 발전장치는 와이어가 설치프레임을 잡아주기 때문에 강풍에는 어느 정도 견딜 수 있더라도, 거대한 크기의 설치프레임을 회전시키면서 각도를 변경시켜야 하므로 회전축을 회전시키는 힘만으로는 장치 전체에 무리가 따르게 되고, 와이어를 구동시키기 위한 별도의 동력이 필요하게 되는 등 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 강풍이 불더라도 태양의 광원을 집광하는 태양광모듈이 부착된 모듈 프레임이 흔들리지 않는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 또 다른 목적은, 태양광의 집광효율을 높이기 위하여 계절과 시간에 따른 태양의 움직임에 따라 태양광을 집광하는 태양광모듈이 부착된 모듈 프레 임의 방향을 광원에 수직이 되도록 방향을 조절해주는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적 달성을 위하여 본 발명에 따른 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치는, 태양광을 집광하는 다수의 태양광모듈이 부착된 모듈 프레임과, 상기 모듈 프레임을 회전시키기 위한 구동장치와, 상기 구동장치의 상부에 수직방향으로 설치되며, 상기 모듈 프레임의 배면(背面) 중심에 힌지로 결합되어 모듈 프레임을 고정하는 프레임 연결축과, 상기 프레임 연결축에 설치되는 파워실린더와, 태양의 위치를 추적하여 상기 태양광모듈이 태양을 추종할 수 있도록 구동시키는 제어부를 포함하여 구성되어, 상기 파워실린더의 단부(端部)에서 신축 가능하게 연장되는 피스톤의 단부(端部)가 상기 모듈 프레임의 배면 일측에 힌지 결합되어, 상기 구동장치와 파워실린더의 작동에 의해 상기 모듈 프레임의 각도와 방향을 조절하여 태양의 움직임을 추적하여 모듈의 위치를 조정해가는 것을 구성적 특징으로 한다.

바람직하게는, 구동장치는 감속모터와, 감속모터의 회전속도를 더 줄이기 위한 감속기와, 감속기에 연결된 웜(worm)과 웜휠 및 웜휠의 중심에 결합되어 감속모터의 회전력을 프레임 연결축에 전달하는 회전축을 포함하여 구성되며, 상기 구동장치는 하우징 내부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 구동장치의 하우징의 상부에는 모듈 프레임을 원활하게 회전 시키기 위하여 설치되는 4∼10개의 캐스터와, 캐스터가 하부에 부착된 캐스터 고정판이 더 구비되고, 프레임 연결축은 캐스터 고정판의 상부에 결합되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치에 대하여 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 구동장치의 구동부를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 태양광 발전장치의 구동장치 중 메인 감속부를 상세하게 도시한 단면도이다.

본 발명은 집광효율을 높이기 위하여 태양의 움직임을 추적하여 태양광모듈의 위치를 조정해가는 태양광 발전장치에 관한 것인데, 태양광을 집광하는 다수의 태양광모듈(110)이 부착된 모듈 프레임(111)과, 상기 모듈 프레임(111)을 회전시키기 위한 구동장치(140)와, 상기 구동장치(140)의 상부에 수직방향으로 설치되고 상기 모듈 프레임(111)의 배면(背面) 중심에 힌지로 결합되어 모듈 프레임(111)을 고정하는 프레임 연결축(120)과, 상기 프레임 연결축(130)에 설치되는 파워실린더(130)를 포함하여 구성되며, 상기 파워실린더(130)의 단부(端部)에서 신축 가능하게 연장되는 피스톤(131)의 단부(端部)가 상기 모듈 프레임(111)의 배면 일측에 힌지 결합되어, 상기 구동장치(140)와 파워실린더(130)의 작동에 의해 상기 모듈 프레임(111)의 각도와 방향을 조절하게 된다.

구동장치(140)는 태양을 추적하면서 집광성(集光性)을 높이기 위해 모듈 프레임(111)을 움직이는 장치인데, 구동 메커니즘을 보면, 감속모터(141)와, 상기 감속모터(141)에 연결된 중공축감속기(142a)와, 상기 중공축감속기(142a)에 연결된 메인감속기(142b)로 구성되고, 메인감속기(142b)는 웜(worm)(143)과 웜휠(144), 및 상기 웜휠(144)의 중심에 결합되어 상기 감속모터(141)의 회전력을 상기 프레임 연결축(120)에 전달하는 회전축(145)을 포함하여 구성되며, 상기 구동장치(140)는 하우징(146) 내부에 설치하는 것이 바람직하다.

또한 감속기(142)는 도 4에 도시한 바와 같이, 일반적인 기어로 구성된 중공축감속기(142a)와, 상기 중공축감속기(142a)에 연결된 웜(143)과 웜휠(144)로 구성되어 회전축(145)을 통해 감속모터의 회전력을 프레임 연결축(120)에 전달하는 메인감속기(142b)로 구성되는데, 본 발명에서는 기어(gear)에 의해 감속하는 경우를 도시하였으나, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 기술사상 범위 내에서 모터의 회전력을 벨트나 체인 등을 이용하는 것으로도 얼마든지 변경할 수 있을 것이다.

태양광 발전장치는 모터의 회전수를 50,000 : 1 이상으로 줄여야 하기 때문 에, 하나의 감속기로는 모터의 회전수를 한꺼번에 줄일 수가 없어서, 1차적으로 모터에 감속기가 일체적으로 연결된 감속모터(141)를 사용하고, 2차적인 감속은 상기 감속모터에 연결된 중공축감속기(142a)에서 하게 되며, 3차적인 감속은 중공축감속기(142a)에 연결된 메인감속기(142b)에서 하게 된다.

구동장치(140)의 하우징(146)의 상부에는 모듈 프레임(111)을 원활하게 회전시키기 위하여 설치되는 복수의 캐스터(151)와, 상기 캐스터(151)가 하부에 부착된 캐스터 고정판(150)이 더 구비되고, 상기 프레임 연결축(120)은 캐스터 고정판(150)의 상부에 결합되게 되는데, 이때 캐스터 고정판(150)의 상부에는 연결플랜지(121)를 결합시키고, 그 위에 프레임 연결축(120)을 용접 등의 방법으로 고정시킬 수도 있다.

구동장치(140)의 하우징(146) 상부에 위치하는 캐스터 고정판(150)은 여러 가지 모양으로 할 수는 있으나 원형으로 하는 것이 바람직하며, 캐스터 고정판(150)의 하부에 부착되는 캐스터(151)는 강풍이 불 때에도 모듈 프레임(111)이 흔들리는 것을 방지하며 원활하게 회전할 수 있도록 해주는 역할을 하는데, 상기 캐스터 고정판(150)의 원주방향을 따라 등간격으로 4∼10개 부착하는 것이 바람직하다.

지금까지는 캐스터를 장착시킨 것만을 도시하고 설명하였으나, 본 발명에서 캐스터는 모듈 프레임이 흔들리지 않고 원활하게 회전하는 기능을 하는 구성이기 때문에, 캐스터 대신에 베어링을 사용할 수도 있다. 즉, 도시하지는 않았지만, 하우징(146) 상부와 고정판(캐스터 고정판에 상응하는 구성임) 사이에 베어링과 베어링하우징을 장착시켜 캐스터의 기능을 대신하게 할 수도 있을 것이다.

도 5를 참조하여 메인감속기(142b)에 대하여 자세히 설명하면, 웜휠(144)의 중심에 결합된 회전축(145)의 일단(一端)에는 베어링하우징(147a) 내부에 베어링(147)이 설치되고, 중간부에도 베어링(148)이 설치되며, 타단(他端)에는 연결플랜지(149)가 설치되는데, 베어링 중에서도 테이퍼 베어링이 큰 수직하중에 견딜 수 있는 능력이 가장 우수하기 때문에, 회전축(145)의 단부(端部)에 테이퍼 베어링을 사용하는 것이 바람직하며, 중간부에도 회전축의 흔들림 방지를 위하여 볼베어링을 사용할 수도 있지만 테이퍼 베어링을 사용하여 큰 하중에 견딜 수 있도록 할 수도 있다.

베어링(148)에는 베어링 하우징과 커버(148a)가 구비되는데, 그 위에 리테이너(retainer) 및 커버((148b, 148c)를 구비하여 회전축(145)이 원활하게 회전할 수 있도록 하고, 하우징(146) 내부로 이물질 등이 들어가는 것을 방지하는 것이 바람직하며, 또한 베어링(148)과 웜휠(144)의 적절한 간격유지를 위하여 베어링(148)과 웜휠(144) 사이에 스페이서(148d)를 위치시키는 것이 바람직하다.

회전축(145)의 단부(端部)에는 연결플랜지(149)가 설치되는데, 연결플랜지(149)는 캐스터 고정판(150)의 하부에 용접 등의 방법으로 결합시킴으로써, 감속모터(141)의 회전력이 캐스터 고정판(150)까지 확실하게 전달되어 무리없이 모듈 프레임(111)을 회전시켜 줄 수 있게 된다.

제어부(160)에는 구동장치(140) 및 파워실린더(130)와 연결되는데, 제어부(160)는 태양의 위치를 추적하여 모듈(110)이 태양을 추종할 수 있도록 구동시키는 역할을 하게 된다. 추적방법은 크게 프로그램 추적과 센서 추적으로 구별할 수 있는데, 프로그램 추적은 지구의 자전과 공전에 의한 태양의 이동을 미리 프로그램에 입력하여 모듈을 회전시키는 추적방법이고, 센서 추적은 태양광의 이동을 센서로 감지하여 모듈의 방향을 제어하는 것으로, 필요에 따라 방법은 얼마든지 선택 가능하다.

파워실린더(130)는 모듈 프레임(111)의 상하방향 움직임을 조정하는 것으로, 본 발명만의 특징적인 구성이라고 할 수 없으므로 구체적인 설명은 하지 않았지만, 제어부(160) 및 구동장치(140)와 연동하여 모듈 프레임(111)의 방향과 각도를 조정하는 역할을 하며, 공압이나 유압을 이용할 수 있을 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적 인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치는, 태양의 광원을 집광하는 모듈이 부착된 모듈 프레임이 바람에 의해 흔들리지 않고, 태양광의 집광효율을 높이기 위하여 계절과 시간에 따른 태양의 움직임에 따라 태양의 광원을 집광하는 모듈이 부착된 모듈 프레임의 방향을 광원에 수직이 되도록 방향을 조절해 줄 수 있다.

Claims

집광효율을 높이기 위하여 태양의 움직임을 추적하여 태양광모듈의 위치를 조정해 가는 태양광 발전장치에 있어서,

태양광을 집광하는 다수의 태양광모듈이 부착된 모듈 프레임;

상기 모듈 프레임을 회전시키기 위한 구동장치;

상기 구동장치의 상부에 수직방향으로 설치되며, 상기 모듈 프레임의 배면(背面) 중심에 힌지로 결합되어 모듈 프레임을 고정하는 프레임 연결축;

상기 프레임 연결축에 설치되어 상기 모듈 프레임의 상하방향 움직임을 조절하는 파워실린더;

태양의 위치를 추적하여 상기 태양광모듈이 태양을 추종할 수 있도록 구동시키는 제어부;

를 포함하여 구성되어, 상기 파워실린더의 단부(端部)에서 신축 가능하게 연장되는 피스톤의 단부(端部)가 상기 모듈 프레임의 배면 일측에 힌지 결합되어, 상기 구동장치와 파워실린더의 작동에 의해 상기 모듈 프레임의 각도와 방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치.
제1항에 있어서, 상기 구동장치는

감속모터와, 상기 감속모터의 회전속도를 줄이기 위한 중공축감속기와, 상기 중공축감속기에 연결된 웜(worm)과 웜휠 및 상기 웜휠의 중심에 결합되어 상기 감속모터의 회전력을 상기 프레임 연결축에 전달하는 회전축을 포함하여 구성되며, 상기 구동장치는 하우징 내부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치.
제2항에 있어서,

상기 하우징의 상부에는 상기 모듈 프레임을 원활하게 회전시키기 위하여 설치되는 복수의 캐스터와, 상기 캐스터가 하부에 부착된 캐스터 고정판이 더 구비되고, 상기 프레임 연결축은 캐스터 고정판의 상부에 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치.
제2항에 있어서,

상기 하우징의 상부에는 상기 모듈 프레임을 원활하게 회전시키기 위하여 설치되는 복수의 베어링과 베어링하우징 및 상기 베어링하우징을 덮는 고정판이 더 구비되고, 상기 프레임 연결축은 고정판의 상부에 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치.
제3항에 있어서,

상기 캐스터는 4∼10개인 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 구동장치를 구비 한 태양광 발전장치.
제3항에 있어서,

상기 캐스터 고정판은 원형이며, 캐스터 고정판의 하부에 부착되는 상기 복수의 캐스터는 상기 캐스터 고정판의 원주방향을 따라 등간격으로 부착되는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치.
제2항에 있어서,

상기 회전축의 일단(一端)과 중간부에는 베어링이 설치되며, 타단(他端)에는 연결플랜지가 설치되는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치.
제6항에 있어서,

상기 회전축의 일단(一端)과 중간부에는 설치되는 베어링은 테이퍼 베어링인 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 구동장치를 구비한 태양광 발전장치.
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