KR100913074B1 - 고효율 집광용 태양광 추적 장치 및 그 방법 - Google Patents

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강건민
강문식
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Abstract

본 발명은 고효율 집광용 태양광 추적 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프레즈넬 렌즈를 이용하여 태양광을 집광하고 집광된 태양광을 포토다이오드에 조사 시 형성되는 초점 정보에 따라 태양전지판을 이동시킴으로써 집광 효율이 최대가 되도록 하는 집광용 태양광 추적 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은 태양광을 집광하는 태양전지판(110); 태양전지판(110)에 조사되는 태양광을 프레즈넬 렌즈(Fresnel lens)(210)를 이용하여 집광하고, 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 조사되어 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(Photodiode)(220)로 이루어지는 태양광 추적센서(200); 태양전지판(110)의 서로 다른 축에 구비되어 태양광을 감지하는 적어도 둘 이상의 태양광 감지기(300); 및 태양광 감지기(300)에 감지된 태양광의 광도 값에 따라 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제1 제어부(461) 및 태양광 추적센서(200)에 감지된 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보에 따라 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제2 제어부(462)로 이루어지는 제어부(460)를 포함하여 이루어지는 특징이 있다.
프레즈넬 렌즈, 포토다이오드, 태양광, 집광, 궤도, 고도

Description

고효율 집광용 태양광 추적 장치 및 그 방법 {SOLAR TRACKING DEVICE AND METHOD FOR HIGH-EFFECTIVE CONCENTRATION PHOTOVOLTAIC}
본 발명은 고효율 집광용 태양광 추적 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프레즈넬 렌즈를 이용하여 태양광을 집광하고 집광된 태양광을 포토다이오드에 조사 시 형성되는 초점 정보에 따라 태양전지판을 이동시킴으로써 집광 효율이 최대가 되도록 하는 집광용 태양광 추적 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 발전은 태양광을 전기에너지로 변환시키는 기술로써, 빛이 조사(照射)되면 광전효과에 의해 광기전력을 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식인바, 그 시스템의 일반적인 구성은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과, 축전지 및 전력변환장치로 구성된다. 또한, 태양전지의 종류로는 금속과 반도체의 접촉을 이용한 셀렌 광전지 및 아황산구리 광전지, 반도체 pn접합을 사용한 실리콘광전지 등이 있다.
한편, 이러한 태양광 발전의 장점으로는 에너지원이 청정하고 무제한인 자가 발전식이며, 유지/보수가 용이하고 무인화가 가능하다는 점이다. 그러나 생산 효율이 석탄 및 석유와 같은 화석 연료를 이용한 발전보다 낮은 점은 차치하고라도, 전 력생산량이 일사량에 따라 발전량의 편차가 심한 점이 문제점으로 지적되고 있다.
따라서 상기와 같이 지적된 문제점을 해결하기 위한 한 방안으로써, 집광 효율을 최대로 하기 위해 태양전지를 고정식이 아닌, 태양의 궤도 변화에 따라 태양 전지판이 움직이는 이동식 태양광 발전 장치가 도입되고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치는 태양광을 감지하여 태양광에 상응하도록 태양 전지판을 제어한 상태에서 프레즈넬 렌즈 및 4분할 포토다이오드를 이용하여 상기 태양 전지판의 궤도 및 고도를 미세 조정하여 태양을 추적하는 집광용 태양광 추적 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치 및 방법의 집광용 태양광 추적 장치는 태양광을 집광하는 태양전지판(110); 상기 태양전지판(110)에 조사되는 상기 태양광을 프레즈넬 렌즈(Fresnel lens)(210)를 이용하여 집광하고, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 조사되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(Photodiode)(220)로 이루어지는 태양광 추적센서(200); 상기 태양전지판(110)의 서로 다른 축에 구비되어 상기 태양광을 감지하는 적어도 둘 이상의 태양광 감지기(300); 및 상기 태양광 감지기(300)에 감지된 상기 태양광의 광도 값에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제1 제어부(461) 및 상기 태양광 추적센서(200)에 감지된 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제2 제어부(462)로 이루어지는 제어부(460)를 포함하는 것을 특징으로 가진다.
여기서, 상기 태양광 추적센서(200)는 태양광을 집광하는 프레즈넬 렌즈(210); 상기 집광된 태양광이 조사되고 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 형성되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(220)가 구비되는 제1 인쇄회로기판(230); 및 상기 프레즈넬 렌즈(210) 및 상기 제1 인쇄회로기판(230) 사이를 지지하며 상기 집광된 태양광의 손실을 방지하는 태양광 손실방지수단(240)을 포함하는 것을 특징으로 가진다.
또한, 상기 제1 인쇄회로기판(230)의 하부에 연결되어 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보가 전송되는 상기 제2 제어부(462)가 구비되는 제2 인쇄회로기판(250)을 더 포함하는 것을 특징으로 가진다.
또한, 상기 태양광 추적센서(200)의 외부는 방열판(260)으로 이루어지는 것을 특징으로 가진다.
또한, 상기 4분할 포토다이오드(220)는
Figure 112008064056115-pat00001
의 배열로 분할되는 것을 특징으로 가진다.
또한, 상기 태양광 손실방지수단(240)은 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 가진다.
한편, 집광용 태양광 추적 방법은 태양광을 집광하는 태양전지판(110)의 서로 다른 축에 구비되어 상기 태양광을 감지하는 적어도 둘 이상의 태양광 감지기(300)를 통해 태양광을 추적하는 1차 추적단계(S100); 상기 태양광 감지기(300)에 감지된 상기 태양광의 광도 값에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 1차 제어단계(S200); 상기 태양전지판(110)에 조사되는 상기 태양광을 프레즈넬 렌즈(210)를 이용하여 집광하고, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 조사되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(220)로 이루어지는 태양광 추적센서(200)를 통해 태양광을 추적하는 2차 추적단계(S300); 및 상기 태양광 추적센서(200)에 감지된 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 2차 제어단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 가진다.
여기서, 상기 2차 추적단계(S300)는, 상기 프레즈넬 렌즈(210)를 통하여 상기 태양광을 집광하는 집광단계(S310); 상기 프레즈넬 렌즈(210)를 통하여 집광된 상기 태양광을 조사하여 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 초점 형성단계(S320); 및 상기 4분할 포토다이오드(220)를 통해 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점을 감지하는 초점 감지단계(S330)를 포함하는 것을 특징으로 가진다.
본 발명에 따른 집광용 태양광 추적 장치는 태양의 궤도 및 고도를 감지하는 태양광 감지기를 통해 전 방위각에 걸쳐 태양의 정확한 위치를 파악한 상태에서 상기 태양의 미세한 궤도 및 고도를 추적하여 태양의 위치를 파악하는 효과가 있다.
또한, 태양의 궤도 또는 고도 변화에 상응하여 태양전지의 위치를 적절히 변화시키도록 태양광 추적센서를 제어함으로써 최대의 태양광 발전 효율을 제공하는 효과가 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치 및 방법 을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 집광용 태양광 추적 장치의 개략적인 외관을 보인 사시도이며, 도 2의 (a)는 본 발명에 따른 태양광 추적센서의 일 단면도이며, 도 2의 (b)는 본 발명에 따른 태양광 추적센서의 정면도이며, 도 3의 (a)는 본 발명에 이용되는 태양광 감지기의 정면도이며, 도 3의 (b)는 도 1의 AA 방향에서 본 단면도, 도 4는 도 1의 일 측면도이며, 도 5는 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치의 전기적인 블록 구성도이며, 도 6은 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치의 그 추적 방법을 나타내기 위한 흐름도이며, 도 7은 본 발명의 태양광 추적센서를 이용한 태양광 추적 단계를 나타내기 위한 흐름도이다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치는 태양광을 집광하는 태양전지판(110); 상기 태양전지판(110)에 조사되는 상기 태양광을 프레즈넬 렌즈(Fresnel lens)(210)를 이용하여 집광하고, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 조사되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(Photodiode)(220)로 이루어지는 태양광 추적센서(200); 상기 태양전지판(110)의 서로 다른 축에 구비되어 상기 태양광을 감지하는 적어도 둘 이상의 태양광 감지기(300); 및 상기 태양광 감지기(300)에 감지된 상기 태양광의 광도 값에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제1 제어부(461) 및 상기 태양광 추적센서(200)에 감지된 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제2 제어부(462)로 이루어지는 제어부(460)를 포함하는 기본적인 구성을 가진다.
다음, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 태양광 추적센서(200)에 대하여 설명한다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 태양광 추적센서(200)는 태양광을 집광하는 프레즈넬 렌즈(210); 상기 집광된 태양광이 조사되고 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 형성되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(220)가 구비되는 제1 인쇄회로기판(230); 및 상기 프레즈넬 렌즈(210) 및 상기 제1 인쇄회로기판(230) 사이를 지지하며 상기 집광된 태양광의 손실을 방지하는 태양광 손실방지수단(240)을 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 제1 인쇄회로기판(230)의 하부에 연결되어 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보가 전송되는 상기 제2 제어부(262)가 구비되는 제2 인쇄회로기판(250)을 더 포함한다.
다음, 상기 제2 인쇄회로기판(250)을 더 포함하는 상기 태양광 추적센서(200)의 외부는 방열판(260)으로 이루어진다. 이는 상기 태양광을 집광할 때 발생하는 열에 의한 피해를 최소하기 위함이다.
한편, 상기 4분할 포토다이오드(220)는
Figure 112008064056115-pat00002
의 배열로 분할되며, 상기 태양광 손실방지수단(240)은 렌즈로 이루어지는 것이 바람직하다.
다음, 도 3을 참조하여 본 발명에 이용되는 상기 태양광 감지기(300)에 대하여 설명한다. 이는 특허등록번호 제10-0727283호(발명의 명칭 : 태양광 감지기 및 이를 이용한 태양광 집광 장치 및 방법, 등록일 : 2007.06.05)에 명시되어 있는 내용이며 본 발명의 이해를 돕기 위해 간단하게 설명한다.
도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 감지기(300)의 구성은 태양광을 감지하기 위한 센서모듈(320); 상기 센서모듈(320)을 내장하는 케이스(310) 및 상기 센서모듈(320)로 전원을 공급하거나 상기 센서모듈(320)로부터 감지되는 광도에 상응하는 감지신호의 출력을 위한 케이블(330)을 포함하여 이루어진다.
상기 센서모듈의 광센서(321)는 세부적으로 후광 센서(321a), 우측광 센서(321c) 및 좌측광 센서(321b)로 구분된다. 즉, 상기와 같이 각각의 광 센서(321a 321b, 321c)가 서로 다른 방향을 향하도록 센서 부착대(323)의 각 측면에 부착되면, 태양의 위치에 따라서 각각 다른 광도를 감지하게 된다. 예를 들어, 태양이 우측광 센서(321c)와 마주보는 방향에 놓이게 되면, 다른 두 광 센서(321a, 321b)는 태양과 등지는 형태이므로 우측광 센서(321c)가 가장 큰 광도를 감지하게 된다.
다음, 도 4를 참조하여 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치의 상세한 구성을 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치(100)는 태양광을 집광하는 태양전지판(110)과 그 받침대(120); 전지판 받침대(120)의 방위를 조절 즉, 전지판 받침대(120)를 회전시키는 회전축(130)과 그 구동 장치(140); 전지판 받침대(120)과 지면의 각을 조절하는 각도 조절봉(150)과 그 구동장치(160) 및 회전축(130)과 그 구동 장치(140)를 지지하고, 전자판 받침대(120) 상면의 적소에 부착된 상기 태양광 감지기(300) 및 상기 태양광 추적센서(200)로부터 각각 입력되는 감지신호에 의거하여 각도 조절봉 구동장치(160)와 회전축 구동장치(140)의 구동을 제어하는 전자장치가 내장되며, 태양광 추적센서, 태양광 감지기(300), 태양광 추적센서(200) 각도 조절봉 구동장치(160) 및 회전축 구동장치(140)의 구동 전원을 공급하는 전원 장치가 내장되는 받침 케이스(170)를 포함하여 이루어진다. 도시하지는 않지만, 태양광 추적센서(200), 태양광 감지기(300), 각도 조절봉 구동장치(160) 및 회전축 구동장치(140)와 받침 케이스(110)에 내장된 전자장치 및 전원장치 간에는 각각 유선으로 연결됨은 자명한 사실이다.
전술한 구성에서, 전지판 받침대(120)는 그 저면에 연결대(121)가 형성되는바, 결합봉(180)에 의해 회전축(130)과 결합이 된다.
다음, 회전축 구동장치(140)는 회전축(130)을 회전시키는 회전축 톱니바퀴(143)와 이를 구동시키는 궤도 추적용 모터(141)를 포함하여 이루어지는데, 회전축(130) 하단 둘레로 형성된 톱니바퀴(131)가 회전축 톱니바퀴(142)와 맞물리게 된다.
다음, 회전축(130)의 일 측면에는 각도 조절봉 구동장치(160)와 각도 조절봉(150)을 받치는 받침대(120)가 형성된다.
다음, 각도 조절봉(150)은 각도 조절봉(150)을 상하로 구동시키는 각도 조절봉 톱니바퀴(162)와 이를 구동시키는 고도 추적용 모터(161)를 포함하여 이루어지는바, 특히 각도 조절봉(150)은 스크류 잭(screw jack)으로 구현됨이 바람직하다.
다음, 궤도 추적용 모터(141) 및 고도 추적용 모터(161)는 일반적인 DC모터 또는 유압모터로 구현될 수 있을 것이다.
한편, 도 3을 통해 설명된 본 발명에 이용되는 태양광 감지기(300)는 도 1에 도시된 바와 같이, 그 용도에 따라 두 개가 전지판 받침대(120) 상면에 설치되는바, 상단 부위에 설치되는 태양광 감지기(300)는 태양의 궤도 감지용(이하 태양 궤도 감지기(300a)이며, 중간 부위의 가장자리에 설치되는 태양광 감지기(300)는 태양의 고도 감지용(이하 태양 고도 감지기(300b))이다. 특히, 태양 궤도 감지기(300a) 및 태양 고도 감지기(300b)는 전지판 받침대(120)에 고정됨에 있어서, 그 후광 센서(321a)가 태양전지판(110)의 후방을 향하도록 한다.
다음, 도 5를 참조하여 전술한 구성을 가지는 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치의 전기적인 블록 구성을 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집광용 태양광 추적 장치(100)의 전기적인 구성은 태양의 광도를 감지하여, 그에 상응하는 궤도신호 및 고도신호를 포함하는 감지신호를 출력하는 태양광 감지부(400); 상기 궤도 추적용 모터(141) 및 상기 고도 추적용 모터(161)를 구동시키는 모터 구동부(450); 상기 태양광 감지부(400)에서 감지되는 광도에 따른 상기 궤도 추적용 모터(141) 및 상기 고도 추적용 모터(161)의 회전 방향과 회전 정도에 대한 데이터를 포함하는 상기 감지신호를 전송하는 데이터 통신부(430); 상기 데이터 통신부(430)가 전송하는 데이터를 저장하는 데이터 저장부(440); 상기 태양광 감지부(400)로부터 입력되는 상기 감지 신호에 의해 상기 모터 구동부(450)를 제어하는 제어부(460); 및 상기 제어부(460), 상기 태양광 감지부(400), 모터 구동부(450), 데이터 통신부(430), 및 데이터 저장부(440)에 구동 전원을 공급하는 태양광 발전부(470);를 포함하여 구성된다.
다음, 상기 태양광 감지부(400)는 제1 감지부(410), 제2 감지부(420), 풍속센서(427), 온도센서(428) 및 전원 자동 차단장치(429)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제1 감지부(410)는 태양의 궤도를 감지하여 궤도 정보를 포함하는 궤도 신호를 발생하는 궤도 감지부(411) 및 태양의 고도를 감지하여 고도 정보를 포함하는 고도 신호를 발생하는 고도 감지부(412)로 이루어진다.
다음, 상기 제2 감지부(420)는 1차적으로 상기 태양광을 추적하는 제1 차 추 적센서(421) 및 2차적으로 상기 태양광을 추적하는 제2 차 추적센서(425)로 이루어진다.
다음, 상기 제1 차 추적센서(421)는 상기 태양광 감지기(300)를 통해 태양의 궤도각을 감지하여 궤도각 정보를 포함하는 궤도각 신호를 발생하는 궤도각 감지부(421) 및 태양의 고도각을 감지하여 고도각 정보를 포함하는 고도각 신호를 발생하는 고도각 감지부(422)로 이루어진다.
다음, 상기 제2 차 추적센서(425)는 상기 태양광 추적센서(200)를 통해 태양의 태양광 초점 정보를 포함하는 초점 신호를 발생하는 태양광 초점 감지부(426)로 이루어진다.
이때, 상기 제1 감지부(410) 및 상기 제2 감지부(420)의 제1 차 추적센서(421)는 복수의 집광용 태양광 추적 장치(100)의 전지판 받침대(120)에 구비되는 각각의 태양 궤도 감지기(300a) 및 태양 고도감지기(300b)를 말하는 것이다.
또한, 상기 제2 감지부(420)의 제2 차 추적센서(425)는 복수의 집광용 태양광 추적 장치(100)의 전지판 받침대(120)에 구비되는 각각의 태양광 추적센서(200)를 말하는 것이다.
한편, 상기 제1 차 추적센서(421)는 상기 제1 제어부(461)의 제어를 통해 상기 프레즈넬 렌즈(210)로 태양광의 직달일사(Direct Normal Insolation, DNI)를 유도한다.
다음, 상기 2차 추적센서(425)는 상기 제2 제어부(462)의 제어를 통해 상기 제1 차 추적센서(421)에 의해 유도된 상기 태양광의 직달일사를 상기 4분할 포토 다이오드(220)의 중앙점으로 이동시킨다.
한편, 상기 풍속센서(427) 및 온도센서(428)는 상기 집광용 태양광 추적 장치(100)가 구비된 주변 환경 요소인 풍속 및 온도를 측정한다.
다음, 상기 전원 자동차단장치(429)는 상기 풍속센서(427) 및 온도센서(428)를 통하여 측정된 풍속 측정값 및 온도 측정값이 상기 집광용 태양광 추적 장치(100)에 심각한 영향을 줄 정도의 설정값에 도달하면 상기 집광용 태양광 추적 장치(100)의 전원을 자동으로 차단한다.
한편, 상기 제어부(460)는 복수의 태양광 집광 장치(100)를 제어하는 각각의 태양광 감지기(300a, 300b)를 감시 및 제어하는 중앙제어실(480)과 상기 데이터 통신부(430)를 통하여 연결된다.
또한, 상기 제어부(460)는 상기 태양광 감지기(300)에 감지된 상기 태양광의 광도 값에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제1 제어부(461) 및 상기 태양광 추적센서(200)에 감지된 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제2 제어부(462)로 이루어진다.
다음, 상기 중앙제어실(480)은 태양의 궤적 및 계절에 따른 태양의 고도 값이 저장되어 상기 각각의 감지신호를 비교하여 오차가 발생하는 태양광 감지기(300) 또는 태양광 추적센서(200)를 추적하여 보정 신호를 출력하는 중앙 컴퓨터(485)가 구비된다.
다음, 상기 모터 구동부(450)는 상기 궤도 추적용 모터(141)를 구동시키는 궤도추적용 모터 구동부(451) 및 상기 고도추적용 모터(161)를 구동시키는 고도추적용 모터 구동부(452)를 포함하여 이루어진다.
다음, 상기 데이터 통신부(430)는 상기 감지 신호를 상기 궤도추적용 모터(141), 고도추적용 모터(161), 및 중앙제어실(480)에 전송한다.
다음, 상기 태양광 발전부(470)는 태양광을 집광하는 집광부(471), 상기 집광부(471)에서 집광되는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 축전하는 축전부(472), 및 상기 축전부(472)의 전기에너지의 전력을 변환하는 전력변환부(473)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 감지신호는 태양의 광도에 따른 궤도추적용 모터(141) 및 고도추적용 모터(161)의 회전 방향과 회전 정도에 대한 데이터를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 보정신호는 상기 각각의 감지신호의 평균값을 가지는 궤도추적용 모터(141) 및 고도추적용 모터(161)의 회전 방향과 회전 정도에 대한 데이터를 포함한다.
다음, 도 6을 참조하여 전술한 구성에 따른 본 발명의 집광용 태양광 추적 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 6에 도시된 바와 같이, 집광용 태양광 추적 방법은 태양광을 집광하는 태양전지판(110)의 서로 다른 축에 구비되어 상기 태양광을 감지하는 적어도 둘 이상의 태양광 감지기(300)를 통해 태양광을 추적하는 1차 추적단계(S100); 상기 태양 광 감지기(300)에 감지된 상기 태양광의 광도 값에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 1차 제어단계(S200); 상기 태양전지판(110)에 조사되는 상기 태양광을 프레즈넬 렌즈(210)를 이용하여 집광하고, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 조사되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(220)로 이루어지는 태양광 추적센서(200)를 통해 태양광을 추적하는 2차 추적단계(S300); 및 상기 태양광 추적센서(200)에 감지된 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 2차 제어단계(S400)를 포함하여 구성된다.
전술한 구성의 집광용 태양광 추적 방법을 설명하기에 앞서, 상기 태양광 감지기(300)를 이용하여 태양광을 추적하는 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 태양 궤도 감지기(300a)의 후광센서(321a)에서 감지되는 광도가 다른 두 광 센서(321b, 321c)에서 감지되는 광도보다 큰 경우 즉, 태양이 태양전지판(110)의 후방에 있는 경우에는 회전축(130)이 미리 정해진 각도 예를 들어, 180도 회전하게 된다. 한편, 태양 궤도 감지기(300a)의 좌측광 센서(321b)에서 감지되는 광도가 우측광 센서(321c)에서 감지되는 광도보다 작은 경우에는 회전축(130)이 소정의 각도 즉, 센서 부착대(323)에서 우측광 센서(321c)와 좌측광 센서(321b)가 부착된 양 측면의 모서리 부위가 태양과 마주하기 위한 각도로 회전하게 된다. 이때, 회전 방향은 반시계 방향이 될 것이다.
다음으로, 광센서는 태양과의 각 즉, 입사각이 90도인 경우에 감지되는 광도가 가장 큰 것은 주지된 사실인바, 태양 고도 감지기(300b)의 각각의 광 센 서(321a, 321b, 321c)에서 감지되는 광도의 차이가 미리 정해진 범위를 벗어나게 되는 경우에는 각도 조절봉(150)의 높낮이가 각각의 광 센서(321a, 321b, 321c)에서 감지되는 광도의 차이기 미리 정해진 범위에 들도록 조정된다. 예를 들어, 후광 센서(321a)에서 감지되는 광도가 다른 두 광 센서(321b, 321c)보다 작은 경우에는 각도 조절봉 구동장치(160)에 의해 각도 조절봉(150)이 아래로 내려가게 될 것이다.
여기서, 태양과의 입사각을 90도로 맞추기 위해서는 전술한 바와 같은 태양 고도 감지기(300b)를 이용할 수도 있으나, 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 전술한 태양 고도 감지기(300b)에 따르면, 센서 부착대(323)의 각 측면에 부착된 광센서가 태양의 고도를 감지하였으나 이 구조를 변경하여 센서 부착대(323)의 상면에 하나의 광센서를 부착하여 태양의 고도를 감지할 수도 있을 것이다. 또한, 태양 고도 감지기(300b) 없이 태양 궤도 감지기(300a)를 이용할 수도 있는바, 우측광 센서(321c)와 좌측광 센서(321b)에서 감지되는 각각의 광도가 일치되도록 회전축(130)이 조절되고 난 후, 각각의 광 센서(321a, 321b, 321c)에서 감지되는 각각의 광도가 일치되도록 각도 조절봉(150)의 높낮이가 조절될 수도 있을 것이다.
다음, 전술한 원리를 이용하며, 태양광을 집광하는 태양전지판(110)의 서로 다른 축에 구비되어 상기 태양광을 감지하는 적어도 둘 이상의 태양광 감지기(300)를 통해 태양광을 추적하는 1차 추적단계(S100) 및 상기 태양광 감지기(300)에 감지된 상기 태양광의 광도 값에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어 하는 1차 제어단계(S200)에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 태양광 감지기(300)에서 발생한 각각의 감지신호를 상기 데이터 통신부(430)를 통하여 상기 데이터 저장부(440)에 전송하여 저장한다.
다음, 상기 제어부(460)의 제1 제어부(461)는 상기 제1 감지부(410) 및 상기 제1 차 추적센서(421)로부터 상기 감지신호를 전송받으며 이와 동시에 상기 제1 감지부(410)와 상기 제1 차 추적센서를 감시하는 역할을 한다.
또한, 상기 제1 제어부(461)는 상기 데이터 저장부(430)에 저장되어 있는 감지신호를 분석하여 상기 궤도 추적용 모터(141)를 구동시키는 상기 궤도 추적용 모터구동부(451) 및 상기 고도 추적용 모터(161)를 구동시키는 상기 고도 추적용 모터구동부(452)를 제어한다.
또한, 상기 제1 제어부(461)는 상기 제1 차 추적센서(421)를 제어하여 상기 프레즈넬 렌즈(210)로 태양광의 직달일사(Direct Normal Insolation, DNI)를 유도하도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 중앙제어실(480)은 상기 데이터 통신부(430)를 통하여 전달되는 집광용 태양광 추적 장치(100)의 태양 궤도 감지기(300a) 및 태양 고도 감지기(300b)에서 발생하는 감지신호를 전송 받아 상기 감지신호를 분석한다.
이때, 상기 중앙제어실(480)은 중앙 컴퓨터(485)가 구비되어 태양의 궤적 정보가 저장되어 있다. 상기 태양의 궤적 정보와 상기 감지신호를 비교하여 태양의 궤도 및 고도에 대한 평균값을 계산한다.
다음, 상기 태양의 궤도 및 고도에 대한 평균값을 계산하여 상기 평균값에 상응하도록 궤도 추적용 모터(141) 및 고도 추적용 모터(161)의 회전 방향 및 회전 정도에 대한 정보를 포함하는 보정신호를 출력하여 상기 제1 제어부(461)로 전송한다.
상기 보정신호를 전송받은 상기 제1 제어부(461)는 상기 궤도 추적용 모터구동부(451) 및 고도 추적용 모터구동부(452)를 제어하여 상기 보정신호에 상응하도록 상기 궤도 추적용 모터(141) 및 고도 추적용 모터(161)를 제어한다.
한편, 상기 제어부(460), 태양광 감지부(400), 데이터 통신부(430), 데이터 저장부(440), 및 모터 구동부(450)는 상기 태양광 발전부(470)에서 전력을 공급받는 것이 바람직하다.
다음, 상기 태양광 추적센서(200)를 이용하여 태양광을 추적하는 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 프레즈넬 렌즈(210)를 통하여 상기 태양전지판(110)에 조사되는 태양광을 집광한다.
다음, 상기 집광된 태양광에 의해 상기 프레즈넬 렌즈(210)는 상기 4분할 포토다이오드(220)에 초점을 형성한다.
이때, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점은 태양광을 조사하는 태양의 위치와 정반대 측으로 상이 맺힌다.
다음,
Figure 112008064056115-pat00003
의 배열로 4분할된 상기 4분할 포토다이오드(220) 상에 형성되는 상기 초점의 위치 정보를 포함하는 초점 정보는 상기 제어부의 제2 제어부(462)로 전송된다.
다음, 상기 제2 제어부(462)는 상기 초점 정보를 분석하여 상기 4분할 포토다이오드(220) 상의 '①'지점 내지 '⑧'지점 중 어느 지점에 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 형성되는지 파악한다.
다음, 상기 제2 제어부(462)는 초점이 형성되어 있는 지점에 따라 모터 구동부(450)를 제어하여 궤도 추적용 모터(141) 및 고도 추적용 모터(161)를 구동시켜 상기 태양의 위치에 상응하도록 상기 태양전지판(110)을 이동시킨다.
다음, 전술한 태양광 추적센서(110)의 작동 원리를 이용하며, 상기 태양전지판(110)에 조사되는 상기 태양광을 프레즈넬 렌즈(210)를 이용하여 집광하고, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 조사되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(220)로 이루어지는 태양광 추적센서(200)를 통해 태양광을 추적하는 2차 추적단계(S300) 및 상기 태양광 추적센서(200)에 감지된 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 2차 제어단계(S400)에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 2차 추적센서(425)는 상기 제2 제어부(462)의 제어를 통해 상기 제1 차 추적센서(421)에 의해 유도된 상기 태양광의 직달일사를 상기 4분할 포토 다이오드(220)의 중앙점으로 이동시킨다.
이때, 상기 프레즈넬 렌즈(210)를 통하여 직달일사된 상기 태양광은 상기 4분할 포토다이오드(220)에 조사되어 상기 4분할 포토다이오드(220)에 상기 프레즈 넬 렌즈(210)의 초점이 형성되도록 한다.
다음, 상기 제2 차 추적센서(425)의 태양광 초점 감지부(426)는 상기 4분할 포토다이오드(220)를 통해 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점을 감지하여 상기 4분할 포토다이오드(220) 상에 형성된 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 위치를 포함하는 초점 정보를 상기 제어부(460)의 제2 제어부(462)로 전송한다.
다음, 상기 제2 제어부(462)는 상기 초점 정보를 분석하여 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 형성된 위치를 판독하고 상기 초점의 위치에 따라 상기 초점의 위치에 정반대로 상기 태양전지판(110)을 이동시킨다.
다음, 도 2의 (b)를 참조하여 상기 4분할 포토다이오드(220) 상에 8개의 지점을 정하고 그에 따른 상기 태양전지판(110)의 이동을 설명한다.
먼저, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220) 상의 서쪽인 "①"지점에 형성되면, 상기 제2 제어부(462)는 상기 궤도 추적용 모터(141) 또는 상기 고도 추적용 모터(161)를 작동시켜 상기 태양전지판(110)을 동쪽으로 이동시킨다.
다음, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220) 상의 북서쪽인 "②"지점에 형성되면, 상기 제2 제어부(462)는 상기 궤도 추적용 모터(141) 또는 상기 고도 추적용 모터(141)를 작동시켜 상기 태양전지판(110)을 남쪽으로 이동시킨 후 동쪽으로 이동시킨다.
다음, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220) 상의 북쪽인 "③"지점에 형성되면, 상기 제2 제어부(462)는 상기 궤도 추적용 모 터(141) 또는 상기 고도 추적용 모터(141)를 작동시켜 상기 태양전지판(110)을 남쪽으로 이동시킨다.
다음, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220) 상의 북동쪽인 "④"지점에 형성되면, 상기 제2 제어부(462)는 상기 궤도 추적용 모터(141) 또는 상기 고도 추적용 모터(141)를 작동시켜 상기 태양전지판(110)을 남쪽으로 이동시킨 후 서쪽으로 이동시킨다.
다음, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220) 상의 동쪽인 "⑤"지점에 형성되면, 상기 제2 제어부(462)는 상기 궤도 추적용 모터(141) 또는 상기 고도 추적용 모터(141)를 작동시켜 상기 태양전지판(110)을 서쪽으로 이동시킨다.
다음, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220) 상의 남동쪽인 "⑥"지점에 형성되면, 상기 제2 제어부(462)는 상기 궤도 추적용 모터(141) 또는 상기 고도 추적용 모터(141)를 작동시켜 상기 태양전지판(110)을 북쪽으로 이동시킨 후 서쪽으로 이동시킨다.
다음, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220) 상의 남쪽인 "⑦"지점에 형성되면, 상기 제2 제어부(462)는 상기 궤도 추적용 모터(141) 또는 상기 고도 추적용 모터(141)를 작동시켜 상기 태양전지판(110)을 북쪽으로 이동시킨다.
다음, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220) 상의 남서쪽인 "⑧"지점에 형성되면, 상기 제2 제어부(462)는 상기 궤도 추적용 모 터(141) 또는 상기 고도 추적용 모터(141)를 작동시켜 상기 태양전지판(110)을 북쪽으로 이동시킨 후 동쪽으로 이동시킨다.
한편, 상기 태양광에 의해 상기 프레즈넬 렌즈(210)를 통해 상기 4분할 포토다이오드(220)에 초점이 형성되는 동안에, 상기 태양광은 상기 태양광 손실방지수단(240)인 일반 렌즈에 의해 효율적인 집광이 이루어진다.
또한, 상기 태양광 추적센서(200)는 상기 태양광 추적센서(200)의 외부를 감싸는 방열판(260)에 의해 상기 태양광 집광 시 발생하는 열에 의한 피해가 최소화 되는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 집광용 태양광 추적 장치의 개략적인 외관을 보인 사시도이며,
도 2의 (a)는 본 발명에 따른 태양광 추적센서의 일 단면도이며,
도 2의 (b)는 본 발명에 따른 태양광 추적센서의 정면도이며,
도 3의 (a)는 본 발명에 이용되는 태양광 감지기의 정면도이며,
도 3의 (b)는 도 1의 AA 방향에서 본 단면도이며,
도 4는 도 1의 일 측면도이며,
도 5는 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치의 전기적인 블록 구성도이며,
도 6은 본 발명의 집광용 태양광 추적 장치의 그 추적 방법을 나타내기 위한 흐름도이며,
도 7은 본 발명의 태양광 추적센서를 이용한 태양광 추적 단계를 나타내기 위한 흐름도이다.
*도면의 주요 부호에 대한 설명*
100: 집광용 태양광 추적 장치 110: 태양전지판
120: 전지판 받침대 130: 회전축
140: 회전축 구동장치 141: 궤도 추적용 모터
150: 각도 조절봉 160: 각도 조절봉 구동장치
161: 고도 추적용 모터 170: 받침 케이스
180: 결합봉 200: 태양광 추적센서
210: 프레즈넬 렌즈(210) 220: 4분할 포토다이오드(220)
230: 제1 인쇄회로기판 240: 태양광 손실방지수단
250: 제2 인쇄회로기판 260: 방열수단
300: 태양광 감지기 310: 케이스
320: 센서모듈 330: 케이블
400: 태양광 감지부 410: 제1 감지부
420: 제2 감지부 421: 제1 차 추적센서
425: 제2 차 추젝센서 430: 데이터 통신부
440: 데이터 저장부 450: 모터 구동부
460: 제어부 470: 태양광 발전부
480: 중앙제어실

Claims (13)

  1. 태양광을 집광하는 태양전지판(110);
    상기 태양전지판(110)에 조사되는 상기 태양광을 프레즈넬 렌즈(Fresnel lens)(210)를 이용하여 집광하고, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 조사되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(Photodiode)(220)로 이루어지는 태양광 추적센서(200);
    상기 태양전지판(110)의 서로 다른 축에 구비되어 상기 태양광을 감지하는 적어도 둘 이상의 태양광 감지기(300); 및
    상기 태양광 감지기(300)에 감지된 상기 태양광의 광도 값에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제1 제어부(461) 및 상기 태양광 추적센서(200)에 감지된 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 제2 제어부(462)로 이루어지는 제어부(460)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 태양광 추적센서(200)는 태양광을 집광하는 프레즈넬 렌즈(210);
    상기 집광된 태양광이 조사되고 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 형성되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(220)가 구비되는 제1 인쇄회로기 판(230); 및
    상기 프레즈넬 렌즈(210) 및 상기 제1 인쇄회로기판(230) 사이를 지지하며 상기 집광된 태양광의 손실을 방지하는 태양광 손실방지수단(240)을 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 인쇄회로기판(230)의 하부에 연결되어 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보가 전송되는 상기 제2 제어부(462)가 구비되는 제2 인쇄회로기판(250)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 태양광 추적센서(200)의 외부는 방열판(260)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 장치.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 4분할 포토다이오드(220)는
    Figure 112008064056115-pat00004
    의 배열로 분할되는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 태양광 손실방지수단(240)은 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 장치.
  7. 태양광을 집광하는 태양전지판(110)의 서로 다른 축에 구비되어 상기 태양광을 감지하는 적어도 둘 이상의 태양광 감지기(300)를 통해 태양광을 추적하는 1차 추적단계(S100);
    상기 태양광 감지기(300)에 감지된 상기 태양광의 광도 값에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 1차 제어단계(S200);
    상기 태양전지판(110)에 조사되는 상기 태양광을 프레즈넬 렌즈(210)를 이용하여 집광하고, 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 조사되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(220)로 이루어지는 태양광 추적센서(200)를 통해 태양광을 추적하는 2차 추적단계(S300); 및
    상기 태양광 추적센서(200)에 감지된 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보에 따라 상기 태양전지판(110)의 궤도 및 고도를 제어하는 2차 제어단계(S400)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 2차 추적단계(S300)는,
    상기 프레즈넬 렌즈(210)를 통하여 상기 태양광을 집광하는 집광단계(S310);
    상기 프레즈넬 렌즈(210)를 통하여 집광된 상기 태양광을 조사하여 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 초점 형성단계(S320); 및
    상기 4분할 포토다이오드(220)를 통해 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점을 감지하는 초점 감지단계(S330)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 태양광 추적센서(200)는 태양광을 집광하는 프레즈넬 렌즈(210);
    상기 집광된 태양광이 조사되고 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점이 형성되어 상기 초점을 감지하는 4분할 포토다이오드(220)가 구비되는 제1 인쇄회로기판(230); 및
    상기 프레즈넬 렌즈(210) 및 상기 제1 인쇄회로기판(230) 사이를 지지하며 상기 집광된 태양광의 손실을 방지하는 태양광 손실방지수단(240)을 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 인쇄회로기판(230)의 하부에 연결되어 상기 4분할 포토다이오드(220)에 형성되는 상기 프레즈넬 렌즈(210)의 초점 정보가 전송되는 제어부가 구비되는 제2 인쇄회로기판(250)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 태양광 추적센서(200)의 외부는 방열판(260)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 방법.
  12. 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 4분할 포토다이오드(220)는
    Figure 112008064056115-pat00005
    의 배열로 분할되는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 방법.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 태양광 손실방지수단(240)은 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집광용 태양광 추적 방법.
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