KR100913972B1 - 수압을 이용한 태양광 발전 설비 유지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 발전 설비의 발전효율 감소를 방지하는 유지장치에 관한 것으로, 특히 수압을 이용해 태양광 모듈 표면을 자동으로 세척하고 냉각하는 장치에 관한 것이다.

구체적으로 본 장치는 태양광 모듈의 전체 표면에 대한 자동 세척을 통해서 태양광 모듈 표면 유리의 오염물질을 제거하고, 또한 자동 살수를 통해 고온에 의한 태양광 모듈의 과열을 방지하는 구조를 제공한다. 특히, 수압에 의한 자동왕복구조는 기존 전기모터 구동 방식에 비해 장치 구동시 소모전력이 거의 없기 때문에 기생전력소모를 감소시켜 태양광 발전 효율을 높이는 효과가 있으며 특히, 태양광 모듈의 지면에 대한 설치각도에 상관없이 표면 전체에 대한 고른 세척과 냉각이 가능하다.

태양광 발전, 수압, 다단 수압 실린더, 세척, 냉각

Description

수압을 이용한 태양광 발전 설비 유지장치{hydraulic device for the maintenance of solar photovoltaic system}

본 발명은 태양광 발전 설비의 발전효율 감소를 방지하는 유지장치에 관한 것으로, 특히 수압을 이용해 태양광 모듈 표면을 자동으로 세척하고 냉각하는 장치에 관한 것이다.

태양광 발전이란, 태양 빛을 솔라셀(Solar Cell) 또는 태양광 모듈(Photovoltaic module)에 집광시켜 전기를 발생시키는 것을 말한다. 태양광 모듈은 태양광 전지(Solar Cell)의 집합체로 태양광 모듈이 모여서 태양광 어레이(Solar Array)를 이루며, 일반형, 창호형, 추적형, 하이브리드형(다른 청정 에너지 발전수단과 병행된 타입)등이 존재한다. 이러한 태양광 모듈을 이용한 태양광 발전 원리는 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용한 것으로, 실리콘 결정 위에 n형 도핑을 하여 p-n접합을 한 태양 전지판에 태양광을 조사하면 광 에너지에 의해 전자-정공에 의한 기전력이 발생하게 되는 것을 광기전력 효과라고 한다. 예컨대, 외부에서 빛이 태양광 모듈에 입사되었을 때, p형 반도체의 전도대(conduction band)의 전자(electron)가 입사된 광에너지에 의해 가전자 대(valance band)로 여기되고, 이렇기 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공쌍(EHP:electron hole pair)를 형성하게 되며, 이렇게 발생된 전자-정공쌍 중 전자는 p-n 접합 사이에 존재하는 전기장(electron field)에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다.

태양광은 화석원료를 바탕으로 하는 기존 에너지원과는 달리 지구 온난화를 유발하는 온실가스 배출, 소음, 환경파괴 등의 위험성을 초래하지 않는 청정 에너지원이며 무궁무진한 태양광을 바탕으로하기 때문에 고갈의 염려도 없다. 태양에너지의 이용가능량은 2005년 기준 전 세계 연간 에너지 소요량의 2,890배이며 입지조건이 여타 풍력이나 해수력과 달리 설치가 자유롭고 유지비용이 저렴하다. 또한 기술혁신에 따른 원가절감과 효율성 제고로 발전단가가 1990년대초반에 비해 2008년 현재 1/3 이상 발전단가가 하락하였고, 향후 박막형 태양전지 등의 기술개발로 발전단가는 더욱 하락할 것으로 예측된다.따라서 부존자원이 빈약한 우리나라에서는 자원안보의 관점에서도 적극적으로 수용하려는 움직임이 최근 크게 일어나고 있다.

태양광 발전기술은 실리콘 소재공정과 태양전지를 만드는 셀, 모듈 제작공정, 태양전원을 교류로 바꾸거나 저장하는 전력계통 관련 기술, 태양광 발전 시스템을 시공하고 유지,보수하는 설치,서비스 기술로 분류된다. 관련기술 세계시장의 규모는 설치,서비스 기술시장이 2005년 기준 44억달러로 39.3%의 비중으로 가장 크지만, 기술 진입 장벽이 낮아서 영업이익률이 상대적으로 작다. 반면 소재시장은 2005년 기준 17억달러로 15.2%의 비중을 차지하지만 영업이익률이 높다. 따라서 태양광 발전설비 설치, 서비스 시장은 자동화, 고효율화 등을 통한 기술개발을 통해 고부가가치화가 절실한 상황이다.

태양광 발전 모듈은 현재 15~16%의 발전효율을 갖는다. 발전효율은 태양광 발전의 발전단가를 결정짓는 가장 중요한 요인으로써, 0.1%의 발전효율 향상을 위한 관련 연구개발 노력이 전세계적으로 치열하게 경주 중이다. 그러나 장기간 외부환경에 노출되는 태양광 발전의 특성상 비산먼지, 대기오염물질, 조류 노폐물 등의 영향으로 태양광 모듈의 표면은 시간이 지남에 따라 오염되어 투명도가 감소하게 되고 이로 인해 발전효율이 무려 10~30% 가량 저하될 수 있다는 연구결과가 보고되었다. 또한 하절기 태양열에 의한 과열로 5~15%의 발전효율 저하가 관찰된다. 태양광 발전이 점차 무인화, 대면적화 되어 가고, 공해가 심한 도심의 접근이 어려운 건물 지붕 같은 장소들로 저변이 확산되는 추세에 따라 상기 발전효율 저하를 방지하기 위한 장치의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 장치는 집광량을 향상시키기 위해서 계절과 일중 시간에 따른 태양의 이동을 추적하는 태양광 추적장치, 태양광 표면을 세척하는 태양광 모듈 세척장치 등이 있다. 또한 태양광 모듈의 적정온도를 유지하기 위해서 과열을 방지하는 태양광 모듈 냉각장치가 있다. 최근 태양광 발전 모듈의 세척, 냉각 장치에 관련해서 전기모터를 연결한 체인을 구동하여 브러쉬가 태양광 모듈 표면을 직선 왕복 운동하는 방식이 소개되었다. 브러쉬의 왕복운동과 동시에 물의 분사가 태양광 모듈의 상단에서 이루어져 중력을 이용해 하단으로 흘러내리며, 세척과 냉각방지의 역할을 한다.

현재 생산시설에 쓰이는 무인 자동화 설비에서는 유압기술이 많이 쓰이고 있다. 파스칼의 원리에 따라 밀폐된, 그리고 정지하고 있는 액체의 일부에 가해진 압력은 액체의 모든 부분에 그대로 전해진다. 이 원리를 이용하여 소형이면서도 힘이 강하고, 과부하 방지가 간단하고 정확하며, 힘의 조절이 쉽고, 정확하게 유압작동기기를 제어할 수 있다. 또한 내구성이 큰 점은 장시간 반복운전을 해야 하는 경우, 큰 장점이 된다. 이러한 유압기기는 다양한 작동유체를 사용하는데, 대부분 작동유를 사용한다. 작동유는 고압, 고온의 작동환경에서 윤활작용이 우수하다. 작동유체로써 물을 사용하는 경우도 있는데, 이 경우 물의 내식성에 의한 표면 처리가 필요하다. 그러나 물은 독성이 없어서 환경 친화적이며 깨끗하며, 수도압 또는 물수력(낙차)을 사용할 경우 부가적인 전기모터나 유압 시스템이 필요하지 않다. 또한 화재의 위험이 없으며, 물의 낮은 압축성과 점성은 에너지 전달에 유리하다. 물의 사용 비용은 실질적으로 거의 없는 것도 큰 장점이라고 하겠다.

태양광 발전 모듈은 현재 15~16%의 발전효율을 갖는다. 발전효율은 태양광 발전의 발전단가를 결정짓는 가장 중요한 요인으로써, 0.1%의 발전효율 향상을 위한 관련 연구개발 노력이 전세계적으로 치열하게 경주 중이다. 그러나 장기간 외부환경에 노출되는 태양광 발전의 특성상 비산먼지, 대기오염물질, 새의 노폐물 등의 영향으로 태양광 모듈의 표면은 시간이 지남에 따라 오염되어 투명도가 감소하게 되고 이로 인해 발전효율이 무려 10~30% 가량 저하된다. 또한 하절기 태양열에 의한 과열로 5~15%의 발전효율 저하가 관찰된다. 태양광 발전이 점차 무인화, 대면적화 되어 가고, 공해가 심한 도심의 접근이 어려운 건물 지붕과 같은 장소들로 저변이 확산되는 추세에 따라 상기 발전효율 저하를 방지하기 위한 장치의 필요성이 대두되고 있다. 궁극적으로 태양광 발전단가를 낮추기 위해 발전효율을 유지하기 위한 인력과 비용을 최소화하기 위해서는 자동화 설비가 필수적이며 오랜 시간 반복운전에 강한 높은 내구성과 저렴한 유지비용이 요구된다.

기존의 세척, 냉각방지 장치는 전기모터를 연결한 체인을 구동하여 브러쉬가 태양광 모듈 표면을 직선 왕복 운동하는 방식이다. 이 때 세척과 냉각방지의 역할을 하는 물의 분사는 태양광 모듈의 상단에서 이루어져 중력을 이용해 하단으로 흘러내리게 된다. 이러한 방식은 전기구동으로 인한 기생전력의 발생으로 발전효율을 저하시켜 발전단가를 높이는 문제점을 야기한다. 일반적으로 전기구동방식은 제어가 손쉽지만, 전기모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하는데 에너지 손실이 발 생하고, 내구성이 떨어지며 설비 유지비가 상대적으로 높은 단점을 갖는다. 또한 하절기나 태양광이 강한 지역, 또는 설치 장소에 따라 태양광 모듈의 경사각이 낮거나 지면에 수평하게 설치된 경우가 많은데, 이 때 단순히 중력에 의존한 물의 분사는 태양광 모듈 표면 전체를 덮을 수 없다. 이러한 경우, 태양광 모듈 표면에 대한 세척과 냉각이 불균일하게 이루어져 발전 면적에 절대적으로 비례하는 태양광 발전효율을 극대화시킬 수 없는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 기존의 전기모터를 이용한 구동방식 대신에 유압을 이용한 구동방식을 제공함으로써 장시간 운전시 설비 유지비와 내구성 면에서 유리하다. 특히 본 발명은 물을 유압기기 내 작동유체로 사용하여 유압전달 이외에 세척, 냉각액으로도 사용한다. 또한 물의 작동압력은 수도압 또는 저수탱크로부터의 낙차 등으로부터 공급받음으로써 구동용 압축 시스템을 별도로 설치하지 않아도 된다.

본 장치는 태양광 발전 모듈 표면의 세척을 위해 직선 왕복 운동을 하는 브러쉬가 장착된 부분에 물이 일정하게 분사하여 태양광 발전 모듈의 설치각도에 관계없이 태양광 발전 모듈 표면 전체의 균일한 세척과 냉각을 가능하게 할 수 있다. 이 때 태양광 발전 모듈의 세척, 냉각을 위해 분사된 물은 구동 장치의 작동유체로써 이용된 이후, 배출된 것으로 설비를 단순화할 수 있다.

본 발명을 통해 장시간 외부환경 노출로 인한 오염물질에 의한 표면 투명도 저하와 과다 일사량으로 인한 적정온도 이상의 모듈 과열을 방지함으로써 태양광 발전설비의 출력저하를 방지하고 최대출력을 유지하도록 하는 태양광 발전설비 유지장치를 제공한다. 기존 전기구동 설비에 비교하여 물을 작동유체로 하는 유압장치를 이용함으로써 기생전력의 소비가 거의 없고, 설비가 단순화되어 내구성과 설비 유지 비용면에서 유리하다. 또한 태양광 모듈의 설치각도에 무관하게 표면 전체에 대한 균일한 세척과 냉각이 가능하다. 구동을 위한 물의 압력은 수도압이나 낙차를 이용한 물탱크 등에서 공급이 가능하므로 운전비용은 거의 들지 않는다고 해도 무방하다. 이러한 장점들은 수년 이상의 발전 후, 손익분기점에 도달하는 태양광 발전의 특성상, 궁극적으로 태양광 발전 설비의 발전단가를 낮추는 이점을 제공한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 수압을 이용한 태양광 발전설비 유지장치의 구성은 도 1에서 나타내고 있는 바와 같다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 발전 모듈과 본 발명장치를 함께 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명장치만을 나타낸 사시도이다.

상기 도 1을 참조하면, 태양광 모듈(10)은 태양광 모듈 틀(11)과 태양광 모듈 외유리판(12)으로 둘러싸여 있다. 태양광 모듈 외유리판(12)은 외기에 노출되어 오염되기 쉬우며, 과도한 태양광 집광시 적정온도 이상으로 과열되어 태양광 발전량의 출력저하가 일어나기 쉽다. 직선왕복 막대(50)의 운동궤적은 태양광 모듈 외유리판(12) 표면적 전체를 포함한다. 직선왕복 막대(50)에는 물을 배출시키는 물 분사 구멍(51)들이 형성되어 있으며, 세척을 위한 브러쉬와 고무날 등이 장착될 수 있다. 직선왕복 막대(50)의 내부 수관은 자동개폐밸브(42)을 통해 다단 수압 실린더 헤더(41)와 연결된다. 다단 수압 실린더(40)는 다단 수압 실린더 헤더(41)와 연결되어 있으며, 자동개폐밸브(42)가 닫히면, 내부에 물이 차게 되면서 수압에 의해 실린더의 행정길이가 증가하게 된다. 자동개폐밸브(42)는 다단 수압 실린더 헤더(41)와 직선왕복 막대(50) 사이에 위치하며, 다단 수압 실린더 헤더(41)의 직선왕복운동의 변위에 따라 개폐를 반복하여 물의 흐름을 여닫는다. 재귀용 스프링(43)은 다단 수압 실린더 헤더(41)와 직선왕복운동 안내틀(30) 사이에 설치되어 있다. 재귀용 스프링(43)은 다단 수압 실린더 헤더(41)에 장착된 자동개폐밸브(42)가 열리면서, 다단 수압 실린더(40)의 내부 의 수압이 하강되며 다단 수압 실린더(40)의 행정길이를 줄이는 복원력을 제공한다. 직선왕복운동 안내틀(30) 내부에 는 다단 수압 실린더(40), 다단 수압 실린더 헤더(41), 자동개폐밸브(42) 그리고 재귀용 스프링(43)이 설치된다. 직선왕복운동 안내홈(31)은 직선왕복 막대(50)가 왕복운동을 하면서 궤도를 이탈하지 않도록 안내하는 역할을 수행한다. 직선왕복운동 안내틀 물 유입구(32)에는 외부로부터 공급되는 물이 통과하는 수관이 연결되어 다단 수압 실린더(40)로 유입되도록 설치한다.

상기와 같은 구성에 의해서 본 발명에 따른 태양광 발전설비 유지장치는 다음과 같이 작동된다. 도 3에서는 본 발명의 정면도를 나타낸 것이다. 도 4는 다단 수압 실린더(40,41,42) 의 단면을 도시한 단면도이다. 도 5는 다단 수압실린더(40,41,42)를 나타낸 사시도이다. 도 6은 자동왕복 막대 부분(50,51)을 나타낸 사시도이다. 도 7은 외부로부터 공급된 물의 이동경로를 나타낸 순서도이다.

수도압,저수조의 낙차, 또는 압력이 걸린 저수탱크 등에 의해 발생한 압력장(pressure field)에 의해 유도된 물의 흐름은 직선왕복운동 안내틀 물 유입구(32)를 통과해 다단 수압 실린더(40)로 흘러 들어간다. 자동개폐밸브(42)가 닫혀있는 다단 수압 실린더(40) 내부에는 물이 차게 되며, 수압에 의해 실린더 행정의 변위가 늘어나게 된다. 실린더 행정 변위가 늘어나면서 다단 수압 실린더 해더(41)가 직선왕복운동 안내틀(30)의 끝부분에 닿게 되면, 자동개폐밸브(42)가 열리게 된다. 자동개폐밸브(42)가 열리면, 다단 수압 실린더(40)를 통과한 물은 직선왕복 막대(50)로 흘러 들어가게 된다. 직선왕복 막대 물 분사 구멍(51)은 외기에 노출되어 대기압 상태이므로 상대적으로 압력이 낮아 물이 분사되게 된다. 동시에 다단 수압 실린더(40) 내부에서 직선왕복 막대(50)로 물이 흘러나가면서, 내부 수압이 낮아지 게 된다. 낮아진 내부 수압으로 인해 재귀용 스프링(43)에 의한 복원력은 다단 수압 실린더(40)의 행정 변위를 감소시킨다. 이것은 직선왕복 막대 물 분사 구멍(51)에서 물을 계속 분사하면서 동시에 직선왕복 막대(50)가 태양광 발전 모듈 외유리판(12)의 표면을 움직이는 작동을 유발한다.

결국 다단 수압 실린더(40)의 행정 변위가 최소 길이로 줄어들어서 직선왕복 막대(50)가 태양광 발전 모듈(10)의 끝자락에 닿게 되면 자동개폐밸브(42)가 닫힌다. 자동개폐밸브(42)가 닫히면 다단 수압 실린더(40) 내부에는 물이 차오르게 되고, 상승한 수압에 의해 상기 동작들을 재반복하게 된다.

도 1은 본 발명장치와 태양광 발전모듈을 함께 나타낸 사시도이다.

도 2는 본 발명장치를 나타낸 사시도이다.

도 3은 본 발명장치의 정면도이다.

도 4는 본 발명장치를 구성하는 다단 수압 실린더의 단면도이다.

도 5는 본 발명장치를 구성하는 다단 수압 실린더의 사시도이다.

도 6은 본 발명장치를 구성하는 자동왕복 막대의 사시도이다.

도 7은 본 발명장치를 구동하는 물의 흐름을 나타낸 순서도이다.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 태양광 발전 모듈 {solar cell module}

11: 태양광 발전 모듈 틀 {solar cell module frame}

12: 태양광 발전 모듈 외유리판 {solar cell module outer glass}

20: 태양광 발전 모듈 지지대 {solar cell module support}

21: 태양광 발전 모듈 지지판 {solar cell module support panel}

30: 직선왕복운동 안내틀 {linear reciprocating motion guide frame}

31: 직선왕복운동 안내홈 {linear reciprocating motion guide hole}

32: 직선왕복운동 안내틀 물 유입구 {linear reciprocating motion guide frame water inlet}

40: 다단 수압 실린더 {multi-stage hydraulic cylinder}

41: 다단 수압 실린더 헤더 {multi-stage hydraulic cylinder header}

42: 자동개폐밸브 {automatic on-off valve}

43: 재귀용 스프링(탄성장치) {recurrent spring}

50: 직선왕복 막대 {linear reciprocating bar}

51: 직선왕복 막대 물 분사 구멍 {water injection hole}

Claims (8)

1. 물을 분사하기 위한 복수의 홈이 일정한 간격으로 형성되고, 세척 작용을 위한 브러쉬 또는 고무날이 설치되며, 태양광 모듈 위에서 상하로 직선 왕복운동을 수행하면서 상기 홈을 통해서 상기 태양광 모듈 위로 물을 분사하면서 세척을 수행하는 물분사 막대;

   상기 물분사 막대의 양단과 각각 연결되고, 유입되는 물의 수압에 의해서 내부 체적이 변화함에 따라서 실린더 행정 변위가 증가 또는 감소하여 상기 물분사 막대를 직선 왕복 운동시키며, 내부의 물을 상기 물분사 막대로 제공하는 한 쌍의 다단 수압 실린더;

   상기 물분사 막대와 상기 다단 수압 실린더를 연결시키고, 상기 다단 수압 실린더의 실린더 행정 변위에 따라서 개폐되어 상기 다단 수압 실린더 내부의 물을 상기 물분사 막대로 유입시키는 자동개폐 밸브; 및

   상기 다단 수압 실린더를 감싸고, 외부로부터 유입되는 물을 상기 다단 수압 실린더로 유입시키며, 상기 물분사 막대의 직선 왕복 운동을 가이드하는 한 쌍의 직선왕복운동 안내틀을 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 직선왕복운동 안내틀 내부에 위치하여, 상기 다단 수압 실린더의 체적을 감소시키기 위하여 상기 다단 수압 실린더에 하부 방향으로 탄성력을 인가하는 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
8. 삭제

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