KR100934192B1 - 태양에너지 수집시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양의 방위각 및 고도각에 대응되도록 태양에너지의 수집방향을 조절하는 태양에너지 수집시스템에 관한 것으로, 태양의 위치추적의 정확도를 향상시킬 수 있는 태양에너지 수집시스템 및 그 제어방법이 제시된다.
태양에너지 수집시스템, 태양위치 추적장치

Description

태양에너지 수집시스템 및 그 제어방법 {SYSTEM FOR COLLECTING SOLAR ENERGY AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 태양의 위치를 추적하면서 태양에너지를 수집하는 태양에너지 수집시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근, 다양한 분야에서 태양에너지를 이용하는 기술이 적용되고 있으며, 태양에너지를 이용하는 기술은 크게 태양전지를 통하여 태양광으로부터 전력을 생산하는 기술과, 집열장치를 통하여 태양열을 모아 그 열을 이용하는 기술로 나뉠 수 있다.
태양에너지의 이용효율을 향상시키기 위해서는 수집되는 태양광의 강도 내지 광량이나 태양열의 열량을 크게 하여야 하는데, 이를 위해서는 태양전지나 집열장치(이하, 수집부)의 수집방향을 천구상에서 이동되는 태양의 위치에 대응되도록 조절하는 것이 필요하다. 이와 같이, 태양의 위치를 추적하여 수집부의 수집방향을 조절하는 추적식수집장치는 수집부의 수집방향이 고정되는 고정식에 비하여 큰 효율을 갖는 것으로 보고되고 있다.
이와 같은 추적식수집장치는 하나의 회전축을 이용하여 수집부의 수집방향을 이차원적으로 조절하는 일축식수집장치와, 두 개의 회전축을 이용하여 수집부의 수집방향을 삼차원적으로 조절하는 이축식수집장치로 나눌 수 있다.
일축식수집장치는 대체로 남북방향으로, 즉, 자오선과 거의 평행한 방향으로 연장되는 회동축과, 그 회동축을 따라 병렬로 장착되는 복수의 수집부와, 회동축과 링크구조를 통하여 기계적으로 연결되어 회동축을 회전시키는 구동모터와, 구동모터를 제어하는 제어부로 구성되며, 제어부가 구동모터를 제어하여 회전축을 회전시킴으로써 수집부의 수집방향이 태양의 황도를 따라 동쪽으로부터 서쪽을 향하도록 조절한다.
이와 같은 일축식수집장치는 태양전지판과 같은 다수의 수집부를 회전축에 일렬로 설치할 수 있으므로, 공간의 이용효율이 높고 하나의 구동모터만으로도 다수의 수집부의 수집방향을 조절할 수 있는 등 관리 면에서 용이하다는 장점이 있다. 그러나, 태양은 각 계절별로 남중고도의 차이를 보이면서 황도를 따라 이동하는 반면에 수집부의 수집방향은 단지 동쪽에서 서쪽으로 조절되므로 태양의 위치의 추적이 원활하지 못한 단점이 있다.
이와 같은 단점을 극복하기 위하여, 태양의 위치를 감지하는 광센서를 회전축의 회전방향인 동서방향에서 약간 비스듬히 설치하고 있다. 이는 춘분 및 추분의 태양의 황도를 기준으로 +30도 -30도 정도 벗어나있는 동지와 하지의 황도를 함께 검출하기 위한 방법이지만, 광범위한 오차범위를 허용하게 되므로 태양의 위치를 추적하는 데에 있어 그 정확도가 많이 떨어진다.
이축식수집장치는 수집부와 연결되는 두 개의 회전축과, 각 회전축을 회전시 키기 위한 두 개의 구동모터와, 태양의 위치를 감지하는 광센서를 포함하여 구성되어, 두 개의 구동모터를 구동시켜 수집부의 수집방향을 상하방향 및 좌우방향으로 조절한다. 이와 같은 이축식수집장치는 태양의 고도 및 방위각의 변화에 대응되도록 수집부의 수집방향을 조절할 수 있으므로 비교적 높은 효율을 얻을 수 있다. 그러나, 이축식수집장치는 각 장치마다 광센서가 구비되어야 하므로 비용이 상대적으로 높다는 단점이 있으며, 각 수집장치의 사이에 수집부의 회전에 필요한 이격거리가 충분히 확보되어야 하고, 또한 각 수집부의 그림자에 의한 빛의 간섭을 방지하기 위하여 각 수집장치의 사이의 이격거리를 산정하여 설치해야 하므로 비교적 넓은 설치공간이 요구되며, 최소한의 공간에서 다수의 수집장치를 설치하기 위한 위치결정과정이 복잡하다는 단점이 있다.
한편, 종래의 수집장치는 회전축과 연결되는 가속도센서 등의 변위센서를 이용하여 운동방향을 가감하고 이로부터 수집부의 수집방향을 감지하게 되는데, 이와 같은 방법은 외적인 영향, 예를 들어, 바람이나 진동에 의해 가감을 반복하면서 현재위치 값에 오차가 발생하여 잘못된 동작을 빈번히 발생하게 된다. 종래에는 이 문제를 해결하기 위해 특정위치를 기준으로 하여 하루에 한번 이상 위치 값을 정정할 필요가 있었다. 그러나 이는 임시적인 방법일 뿐 방향에 고유한 값을 지정하지 않는 경우 오류발생을 막을 수는 없다는 문제점이 있다.
같은 이치로 태양의 고도를 측정하고 추적함에 있어서 종래에는 모터의 회전수를 측정하는 엔코더를 사용하여 모터의 회전량의 변화에 따른 고도의 변화를 추정하게 하였으나 정전기나 전자기적인 문제로 기억된 값을 소실하거나 오차가 입력 되는 경우 오동작이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 태양의 위치추적의 정확도가 향상된 태양에너지 수집시스템 및 그 제어방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 일축식수집장치들로 하여금 최적의 기울기를 유지하도록 하여 최적의 동작을 산출할 수 있고 형태적인 취약함으로부터 유연하게 대처할 수 있는 태양에너지 수집시스템 및 그 제어방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양에너지 수집시스템은, 태양의 위치에 따라 변위하면서 태양의 위치를 추적함과 아울러 그 변위량을 감지하는 위치추적장치와, 태양에너지를 수집하는 수집부 및 수집부를 회동시키는 구동부를 포함하는 에너지수집장치와, 위치추적장치에서 감지된 변위량에 따라 태양의 고도각 및 방위각을 산출하고 그 산출된 값으로부터 수집부의 회동각도를 결정하여 구동부를 제어하는 제어장치를 포함하여 구성된다.
여기에서, 위치추적장치는, 지지부에 지지되며 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재와, 변위부재의 대향면이 향하는 방향의 방위를 조절하는 방위조절부와, 변위부재의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부와, 방위조절부 및 고도조절부에 의하여 변위된 변위부재의 변위량을 감지하는 변위량감지부를 포함하여 구성된다. 여기에서, 변위부재의 대향면에는 태양에너지 를 수집하는 수집부재가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 방위조절부는 지지부에 회전이 가능하게 지지되고, 변위부재가 제1힌지축을 통하여 회동이 가능하게 연결되는 회전부재와, 회전부재를 회전시키는 회전구동유닛을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 회전구동유닛은 회전부재의 외주면에 구비되는 회전모터와, 회전모터의 모터축에 연결되는 구동기어와, 지지부에 구비되는 중심기어를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 고도조절부는 일단이 회전부재의 일측에 제2힌지축을 통하여 힌지연결되고 타단이 변위부재의 일측에 제3힌지축을 통하여 힌지연결되며, 그 길이방향으로 신장 또는 수축되는 연결부재와, 연결부재를 신장 또는 수축시키는 신축구동유닛을 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 연결부재는 회전부재 및 변위부재와 각각 힌지연결되고, 어느 한 쪽이 다른 한 쪽에 삽입되는 제1원통부 및 제2원통부를 포함하여 구성되며, 신축구동유닛은 제1원통부의 내부에 구비되는 회동모터와, 회동모터와 연결되어 회전되고 나사산이 형성되는 제1부재와, 제2원통부에 구비되고 나사산이 형성되어 제1부재와 나사연결되는 제2부재를 포함하여 구성된다.
한편, 변위량감지부는, 회전부재에 연결되어 회전부재의 회전각을 감지하는 제1감지센서와, 제1힌지축에 연결되어 변위부재의 회전부재에 대한 회전각을 감지하는 제2감지센서를 포함하며, 제1감지센서 및 제2감지센서는 가변저항으로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 변위량감지부는 회전부재 및 지지부의 주위에 회전각 눈금이 각각 표시된 제1표시부와, 제1힌지축 및 제1힌지축이 지지되는 지지부재의 주위에 회전각 눈금이 각각 표시된 제2표시부와, 제1표시부 및 제2표시부를 촬상하는 카메라를 구비하여 제1표시부 및 제2표시부의 화상으로부터 회전부재의 회전각 및 변위부재의 회전부재에 대한 회전각을 감지하도록 구성될 수 있다.
에너지수집장치의 수집부는, 복수의 지지축의 상단에 회동이 가능하게 설치되고 자오선과 거의 평행한 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회동축에 적어도 하나 이상으로 배치되고, 에너지수집장치의 구동부는 회동축을 회전시키기 위한 구동모터와, 구동모터와 회동축을 연결하는 연결유닛을 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 연결유닛은, 구동모터와 연결되어 회전되고, 그 일부에 기어치가 형성되는 제1링크와, 지지축에 회전이 가능하게 설치되고, 그 외주에 제1링크의 기어치와 맞물리는 기어치가 형성되는 회전판과, 회전판의 회전중심에 연결되어 회동되는 제2링크와, 회동축에 결합되고, 제2링크의 회전판과 연결되는 부분의 반대쪽 단부와 연결되어, 제2링크의 회동운동에 의하여 회동축과 함께 회동되는 제3링크를 포함하여 구성될 수 있다. 구동부에는 회동축의 회동각도를 감지하는 감지센서가 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 에너지수집시스템의 제어방법은 태양의 위치에 따라 변위하면서 태양의 위치를 추적함과 아울러 그 변위량을 감지하는 위치추적장치와, 태양에너지를 수집하는 수집부 및 수집부를 회동시키는 구동부를 포함하는 에너지수집장치와, 위치추적장치에서 감지된 변위에 따라 태양의 고도각 및 방위각을 산출하고 산출된 값으로부터 수집부의 회동각도를 결정하여 구동부를 제어하는 제어장치를 포함하는 태양에너지 수집시스템에 있어서, 태양의 위치를 실시간으로 감지하는 제1단계와, 제1단계에서 감지된 태양의 위치를 향하여 위치추적장치를 변위시키는 제2단계와, 위치추적장치의 변위량을 판단하여 태양의 고도각 및 방위각을 산출하는 제3단계와, 제3단계에서 산출된 태양의 고도각 및 방위각으로부터 수집부의 회동각도를 결정하는 제4단계와, 제4단계에서 결정된 수집부의 회동각도로 수집부를 회동시키는 제5단계를 포함한다. 여기에서, 수집부의 회동각도를 감지하는 단계를 더 포함되는 것이 바람직하다.
제4단계는 H는 태양의 고도를 H, 태양의 방위각을 R, 수집부의 태양에 대향하는 수집면과 지면이 이루는 각도를 d라고 할 때, d = - tan-1(sin (R) / tan (H)) + kπ 의 수학식을 통하여 수집부의 회동각도를 결정할 수 있다. 여기에서, k는 상수이다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 태양에너지 수집시스템의 제어방법은 태양에너지를 수집하는 수집부 및 수집부를 회동시키는 구동부를 포함하는 에너지수집장치와, 태양의 고도각 및 방위각으로부터 수집부의 회동각도를 결정하여 구동부를 제어하는 제어장치를 포함하는 태양에너지 수집시스템에 있어서, 위성이나 천문기관으로부터 태양의 고도각 및 방위각에 대한 데이터를 획득하여 획득한 태양의 고도각 및 방위각으로부터 수집부의 회동각도를 결정하는 제1단계; 제1단계에서 결정된 수집부의 회동각도로 수집부를 회동시키는 제2단계를 포함하여 구성될 수 있 다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 태양에너지 수집시스템은 지지부에 지지되어 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재와, 변위부재의 대향면이 향하는 방위를 조절하는 방위조절부와, 변위부재의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부와, 방위조절부 및 고도조절부에 의하여 변위된 변위부재의 변위량을 감지하는 변위량감지부를 포함하는 위치추적장치와; 태양에너지를 수집하는 수집부재 및 수집부재와 각각 연결되어 수집부재를 상하좌우로 회동시키는 두 개의 회전축을 갖는 이축식수집장치와; 위치추적장치의 변위량감지부에서 감지된 변위부재의 변위량에 따라 태양의 고도각 및 방위각을 산출하고 산출된 값으로부터 수집부재의 회동각도를 결정하여 이축식수집장치를 제어하는 제어장치를 포함하는 태양에너지 수집시스템에 있어서, 태양의 위치를 실시간으로 감지하는 제1단계; 제1단계에서 감지된 태양의 위치를 향하여 위치추적장치의 변위부재를 변위시키는 제2단계; 변위부재의 변위량에 따라 수집부재의 회동각도를 결정하는 제3단계; 및 제4단계에서 결정된 수집부재의 회동각도로 두 개의 회전축을 회전시키는 제4단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 태양에너지 수집시스템 및 그 제어방법은 위치추적장치에서 얻어진 태양의 고도와 방위각 값을 동에서 서로 회전하는 에너지수집장치에 적용이 가능하도록 변경하는 방법을 통하여 일축식수집장치들로 하여금 최적의 기울기를 유지할 수 있으므로, 회전하는 회동축이 일정방향을 향하지 않아도 조건에 따라 최 적에 동작을 산출하게 됨으로 형태적 취약함으로부터 유연하게 대처 할 수 있다. 나아가 이축식수집장치와 일축식수집장치를 동시에 제어할 수 있도록 하여 필요에 따라 적절한 병행 운전을 가능하게 한다.
본 발명의 효과로는 태양광 추적장치에 각 장치마다 부착하던 종전의 방식에서 벗어나 한 개의 추적장치에서 얻어진 값을 이용하여 상이한 형태의 장치를 병행운전이 가능하도록 하여 장치의 운영을 유연하게 하고 초기에 설치비용을 절감하는 효과가 있다. 또한 장소의 형태적 취약함으로 인해 유리한 형태의 발전장치를 설치하기 곤란했던 점을 극복하게 하여 공간의 활용도를 높이게 된다.
예를 들어, 건물이 구부러진 형상을 갖거나 부속건물을 소유한 경우에, 동서로 길게 위치한 곳에는 일축식수집장치를 설치하고, 건물의 옥상이나 측면에는 이축식수집장치를 각각 설치할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 태양에너지 수집시스템은 위치추적장치의 변위부재의 변위량의 판단 및 에너지수집장치의 회동축의 회동각도를 판단하는 데에 가변저항을 적용함으로써, 태양에너지 수집시스템의 설치 후 장기간 동안 편차의 발생이 없이 정확한 값을 측정할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 1 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 태양에너지 수집시스템에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 태양에너지 수집시스템은, 태양의 현재의 위치를 감지하는 감지부(100)와, 감지부(100)에서 판단된 태 양의 위치에 따라 변위하면서 태양의 위치를 추적함과 아울러 그 변위량을 감지하는 위치추적장치(200)와, 태양에너지를 수집하는 수집부(310) 및 수집부(310)를 회동시키는 구동부(320)를 포함하여 구성되는 에너지수집장치(300)와, 위치추적장치(200)에서 감지된 변위에 따라 태양의 고도각 및 방위각을 산출하고 산출된 값으로부터 수집부(310)의 회동각도를 결정하여 구동부(320)를 제어하는 제어장치(400)를 포함하여 구성된다.
감지부(100)는 태양광에 의해 전류를 발생하는 전지판으로 구성된 복수의 센서로 이루어질 수 있으며, 태양의 화상으로부터 태양의 명도를 검출하고 이로부터 태양의 위치를 판단하는 이미지센서로 이루어질 수 있다. 또한, 감지부(100)는 태양의 고도각 및 방위각에 대하여 수년간의 데이터를 통한 계산식에 의하여 태양의 실시간의 위치를 감지할 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 위치추적장치(200)는, 일단이 지면에 지지되고 지면으로부터 대체적으로 수직방향으로 연장되는 지지부(210)와, 지지부(210)에 지지되며 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재(220)와, 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 방위를 조절하는 방위조절부(230)와, 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부(240)와, 방위조절부(230) 및 고도조절부(240)에 의하여 변위된 변위부재(220)의 변위량을 감지하는 변위량감지부(250)를 포함하여 구성된다.
변위부재(220)는 태양의 위치에 따라 변위되면서 그 대향면을 태양을 향하도록 하는 역할을 수행한다. 여기에서, 위치추적장치(220)가 태양위치를 추적하는 역 할뿐만 아니라 태양에너지를 수집하는 역할을 동시에 수행할 수 있도록 변위부재(220)의 대향면에는 태양에너지를 수집하는 수집부재(221)가 설치되는 것이 바람직하다. 수집부재(221)는 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양전지로 구성될 수 있으며, 태양열을 수집하는 집열판으로 구성될 수 있다.
방위조절부(230)는 지지부(210)에 회전이 가능하게 지지되고, 변위부재가 제1힌지축(231)을 통하여 회동이 가능하게 연결되는 회전부재(232)와, 회전부재를 회전시키는 회전구동유닛(233)을 포함하여 구성된다.
회전부재(232)는 지지부(210)의 일부를 감싸도록 대략 원통형으로 형성되며, 회전부재(232)의 하측단부에는 회전부재(232)의 지지부(210)에 대한 상대회전을 위한 베어링(234)이 구비된다. 본 발명의 실시예에서는 회전부재(232)의 하측단부에 베어링(234)이 구비되는 구조가 제시되지만, 이에 한정되지 아니하고, 회전부재(232)의 내주면과 지지부(210)의 외주면과의 사이에 베어링이 구비되는 등 회전부재(232)의 지지부(210)에 대한 상대회전을 위한 다양한 구조가 적용될 수 있다. 한편, 베어링(234)은 회전부재(232)의 축방향하중을 지지할 수 있는 스러스트베어링으로 이루어지는 것이 바람직하다.
회전구동유닛(233)은 회전부재(232)의 외주면에 설치되어 소정의 회전력을 발생시키는 회전모터(235)와, 회전모터(235)의 모터축에 연결되는 구동기어(236)와, 지지부(210)에 구비되어 구동기어(236)와 치합되는 중심기어(237)를 포함하여 구성된다. 회전모터(235)의 동작에 의하여 모터축이 회전되면 구동기어(236)가 중심기어(237)의 외주면을 따라 공전되며, 이에 따라 회전부재(232)가 회전된다. 본 발명의 실시예에서는 회전모터(235)와 회전부재(232)와의 사이에 기어연결에 의한 회전구조가 제시되지만, 이에 한정되지 아니하고, 회전모터(235)와 회전부재(232)와의 사이에 벨트 및 풀리 등의 회전모터(235)의 회전력을 회전부재(232)로 전달하기 위한 다양한 구조가 적용될 수 있다.
한편, 회전모터(232)로는 통상 정회전 및 역회전으로 구동이 가능한 전동모터가 적용될 수 있고, 적절한 속도의 조절을 위하여 감속기가 더 구비될 수 있다.
고도조절부(240)는, 그 일단이 회전부재(232)의 일측에서 제2힌지축(241)을 통하여 회전부재(232)의 회전중심축과 직교되는 중심축을 기준으로 회동이 가능하게 연결되고 그 타단이 변위부재(220)의 일측에서 제3힌지축(242)을 통하여 회전부재(232)의 회전중심축과 직교되는 중심축을 기준으로 회동이 가능하게 연결되며, 신축이 가능하도록 구성되어 그 신축에 의하여 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 연결부재(243)와, 연결부재(243)를 신축시키는 신축구동유닛(244)을 포함하여 구성된다.
연결부재(243)는 회전부재(232)의 일측에서 제2힌지축(241)을 통하여 연결되는 제1원통부(245)와, 변위부재(220)의 일측에서 제3힌지축(242)을 통하여 연결되는 제2원통부(246)로 구성되며, 제1원통부(245)와 제2원통부(246) 중 어느 한 쪽은 다른 한 쪽에 삽입되어 길이의 신장 및 수축이 가능한 구조로 구성된다.
신축구동유닛(244)은 연결부재(243)의 제1원통부(245)의 내부에 구비되는 회동모터(247)와, 회동모터(247)와 연결되어 회전되고 그 외주에 수나사산이 형성되는 제1부재(248)와, 제2원통부(246)의 내부에 구비되고 그 내주면에 암나사산이 형 성되어 제1부재(248)가 삽입되는 제2부재(249)를 포함하여 구성된다.
따라서, 회동모터(247)의 회전력에 의하여 제1부재(248)가 회전되면, 제1부재(248)가 제2부재(249)의 내부로 삽입되거나 제2부재(249)로부터 이탈되면서 연결부재(243)의 길이, 즉, 제1원통부(245)와 제2원통부(246)가 결합되는 길이가 변화되며, 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 변위부재(220)가 제1힌지축(231)을 기준으로 회동되며, 회전부재(232)와 변위부재(220)가 이루는 각도가 작아지거나 커지면서 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각이 변하게 된다.
여기에서, 본 발명의 실시예에 기재된 바에 한정되지 아니하고, 회동모터(247)는 제2원통부(246)에 구비될 수 있으며, 제2부재(249)가 제1원통부(245)에 구비될 수 있다. 또한, 회동모터(247)와 연결되어 회전되는 제1부재(248)의 내주에 암나사산이 형성되고, 제2부재(249)의 외주에 수나사산이 형성되어 제1부재(248)과 제2부재(249)가 서로 연결되도록 구성될 수 있다. 또한, 신축구동유닛(244)은 제1원통부(245)와 제2원통부(246)의 사이의 간격을 조절하는 실린더 등의 구성이 적용될 수 있다.
한편, 고도조절부(240)는 본 발명의 실시예에 기재된 바에 한정되지 아니하고 회전부재(232)와 변위부재(220)의 사이에 연결되어 변위부재(220)를 제1힌지축(231)을 중심으로 회동시키는 실린더 등의 구성이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 기재된 바에 한정되지 아니하고, 변위부재(220)의 고도를 조절하기 위하여 제1힌지축(231)을 직접 회전시키는 모터 및 기어장치가 적 용될 수 있다.
변위량감지부(250)는 회전부재(232)에 연결되어 회전부재(232)의 회전각을 감지하는 제1감지센서(251)와, 제1힌지축(231)에 연결되어 변위부재(220)의 회전부재(232)에 대한 회전각을 감지하는 제2감지센서(252)를 포함하여 구성된다.
제1감지센서(251) 및 제2감지센서(252)는 회전각에 따라 저항이 변화하는 가변저항으로 이루어지는 것이 바람직하다. 가변저항은 축의 회전에 의하여 전극의 위치가 변화함에 따라 저항값이 변화하는 것으로 전극이 내장된 하우징(51)과, 하우징(51)으로부터 노출되며 전극과 연결되는 축(52)으로 구성된다.
제1감지센서(251)의 경우, 가변저항의 하우징(51)이 회전부재(232)에 고정되고, 가변저항의 축(52)이 지지부(210)의 상단에 삽입되어 고정된다. 따라서, 회전부재(232)가 지지부(210)에 대하여 상대적으로 회전되면, 가변저항의 하우징(51)과 축(52)이 서로 상대적으로 회전된다. 또한, 제2감지센서(252)의 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 가변저항의 하우징(51)이 변위부재(220)로부터 연장되고 제1힌지축(231)이 삽입되는 지지부재(53)에 고정되며, 가변저항의 축(52)은 제1힌지축(231)의 회전축중심에 삽입되어 결합된다. 따라서, 변위부재(220)가 제1힌지축(231)을 중심으로 회동되면, 가변저항의 하우징(51)과 축(52)이 서로 상대적으로 회전된다.
이와 같이, 회전부재(232)의 회전 및 변위부재(220)의 회동에 의하여 가변저항의 하우징(51)과 축(52)이 서로 상대적으로 회전되면, 하우징(51)내의 전극의 위치가 변화됨에 따라, 가변저항의 저항값이 변하게 되며, 변화된 저항값을 제어장 치(400)의 마이크로프로세서가 감지한다. 그리고, 마이크로프로세서는 감지된 저항값의 변화량으로부터 변위부재(220)의 변위량을 감지하고 이로부터 태양의 고도각과 방위각을 환산한다.
회전각을 감지하는 엔코더 등의 일반적인 센서는 그 사용기간에 따라 노화되면서 편차가 발생하는데 비하여, 가변저항은 전극의 위치에 따라 장기간 동안 일정한 고유저항값을 유지하고, 편차가 발생하는 경우에도 전체 가변저항이 일정하게 변동되므로 그 오차를 수정할 수 있으므로, 설치 후 장기간 동안 유지되어야 하는 위치추적장치(200)의 요구에 부합하는 효과가 있다.
또한, 변위량을 감지하기 위하여 가변저항과 같은 절대좌표를 사용하는 경우에는 가속도센서와 같이 상대좌표를 사용하는 경우에 비하여 정확한 변위량을 감지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 변위량감지부(250)에 절대좌표의 적용과 관련하여, 본 발명에 기재된 실시예에 한정되지 아니하고, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 변위량감지부(250)는 회전부재(232) 및 지지부(210)의 주위에 회전각 눈금이 표시된 제1표시부(255)와, 제1힌지축(231) 및 지지부재(53)에 회전각 눈금이 표시된 제2표시부(256)와, 제어장치(400)과 연결되고 제1표시부(255) 및 제2표시부(256)를 촬상하는 카메라(257)(258)를 포함하여 구성될 수 있다.
이에 따르면, 카메라(257)(258)를 통하여 촬영된 회전부재(232)가 회전된 후의 제1표시부(255)에 표시된 회전각 및 제1힌지축(231)이 지지부재에 대하여 상대적으로 회전한 후의 제2표시부(256)에 표시된 회전각을 제어장치(400)가 화상분석 을 통하여 절대좌표로 감지하게 된다.
도 6은 회전부재(232)의 외주면의 일부에 개구(254)를 형성하고 제1표시부(255)를 표시한 것을 나타낸 것이고, 도 7은 지지부재(53)에 제1힌지축(231)이 삽입되는 통공(259)을 형성하고, 제1힌지축(231)의 끝단 및 지지부재(53)의 통공의 둘레에 제2표시부(256)를 표시한 것을 나타낸 것으로, 이에 한정되지 아니하고, 회전부재(232)의 지지부(210)에 대한 회전각 눈금 및 제1힌지축(231)의 지지부재(53)에 대한 회전각 눈금을 표시할 수 있는 다양한 구성이 적용될 수 있다.
도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 에너지수집장치(300)는 하나의 회동축(321)에 다수개의 수집부(310)가 장착된 일축식수집장치이다. 여기에서, 에너지수집장치(300)의 수집부(310)는 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양전지로 구성될 수 있으며, 태양열을 수집하는 집열판으로 구성될 수 있다.
에너지수집장치(300)의 구동부(320)는 지면으로부터 거의 수직방향으로 연장되는 복수의 지지축(311)의 상단에 회동이 가능하게 설치되고 자오선과 거의 평행한 방향으로 연장되며 수집부(310)가 적어도 하나 이상으로 배치되는 적어도 하나의 회동축(321)과, 회동축(321)을 회전시키기 위한 구동모터(322)와, 구동모터(322)와 회동축(321)을 연결하는 연결유닛(323)을 포함하여 구성된다.
회동축(321)은 복수로 설치될 수 있으며, 도 8에는 3개의 회동축(321)이 병렬로 배치된 에너지수집장치(300)가 도시되어 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 회동축(321)이 지지축(311)에 지지되는 부위에는 회동축(321)의 회동각을 감지하는 센서(324)가 구비되는 것이 바람직하며, 센 서(324)는 가변저항으로 구성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 가변저항의 하우징(51)은 회동축(321)을 지지축(311)에 고정시키는 고정부재(331)에 고정되며, 가변저항의 축(52)은 회동축(321)과 같이 회동되도록 설치된다. 따라서, 회동축(321)이 회동되면, 가변저항의 하우징(51)과 축(52)은 서로 상대적으로 회전된다. 한편, 회동축(321)과 고정부재(331)의 사이에는 베어링(70)이 개재되는 것이 바람직하다.
센서(324)는 회동축(321)의 회동각을 실시간으로 감지하는 역할을 하는 것으로, 제어장치(400)는 구동부(320)의 제어 시, 센서(324)로부터 회동축(321)의 회동각을 감지하면서, 회동축(321)이 정확하게 회동되었는지를 검산한다.
연결유닛(323)은 복수의 지지축(311)의 연장방향과 수직으로 연장되어 구동모터(322)에 의하여 회전되고, 그 일부에 기어치(326)가 형성되는 제1링크(325)와, 지지축(311)에 회전이 가능하게 설치되고, 그 외주에 제1링크(325)의 기어치(326)와 맞물리는 기어치가 형성되어, 제1링크(325)의 회전에 의하여 회전되면서 제1링크(325)의 회전방향을 변환하는 회전판(327)과, 회전판(327)의 회전중심에 연결되어 회동되는 제2링크(328)와, 제2링크(328)의 회전판(327)와 연결되는 부분의 반대쪽 단부와 연결되고, 제2링크(328)의 회동운동을 가이드하는 가이드부(329)가 형성되며, 회동축(321)과 결합되어 제2링크(328)의 회동운동에 의하여 회동축(321)을 회동시키는 제3링크(330)를 포함하여 구성된다.
본 실시예의 도면에서는 제3링크(330)의 양쪽에 가이드부(329)가 구성되어 제2링크(328)가 결합된 구성을 보여준다. 또한, 가이드부(329)는 긴 홈 구조로 형성되고, 제2링크(328)에는 가이드부(329)에 삽입되어 가이드부(329)를 따라 구름 운동할 수 있도록 롤러(333)가 설치된 구성을 보여준다.
이때, 제2링크(328)에 설치된 롤러(333)는 가이드부(329)의 양쪽에 결합될 수 있도록 두 개의 롤러(333)로 이루어지는 것이 바람직하고, 이 두 개의 롤러(333)는 대략 U자형 구조로 이루어진 롤러브래킷(334)안에 회전이 가능하게 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 롤러브래킷(334)은 제2링크(328)의 끝단에 설치된다.
한편, 본 실시예의 도면에서, 제3링크(330)가 긴 막대형으로 구성되어 수집부(310)와 분리되어 구성된 구조를 보여주고 있으나, 제3링크(330)가 수집부(310)에 직접 결합되어 함께 회전하도록 구성하는 것도 가능하다.
따라서, 구동모터(322)의 동작에 의하여 제1링크(325)가 회동되면 제2링크(328)가 제1링크(325)의 기어치(326)과 회전판(327)의 기계적 연결에 의하여 회전판(327)의 회전중심과 동축으로 회동되며, 이에 따라, 제2링크(328)가 제3링크(330)의 가이드부(329)를 따라 회동되면서 제3링크(330)가 회동되며, 이에 따라, 제3링크(330)와 결합된 회동축(321)이 회동된다. 그리고, 회동축(321)의 회동에 의하여 수집부(310)가 소정의 방향을 향하게 된다.
한편, 에너지수집장치(300)의 구동부(320)는 본 발명의 실시예에 기재된 바에 한정되지 아니하고, 구동모터(322)의 회전력을 회동축(321)에 전달하는 다양한 동력전달구조가 적용될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 각 지지축(311)에 구동모터를 설치하여 각 지지축(311)에 설치된 제2링크(328)를 개별적으로 회전시킬 수 있도록 구성할 수 있다.
제어장치(400)는 감지부(100)와 연결되어 감지부(100)에서 감지한 태양의 위 치정보에 따라 변위부재(220)의 대향면이 태양을 향하도록 방위조절부(230) 및 고도조절부(220)를 제어하고, 변위량감지부(250)로부터 변위부재(220)의 변위량을 감지하고 이로부터 태양의 고도각과 방위각을 환산하며, 환산된 태양의 고도각과 방위각으로부터 수집부(310)의 회동각도를 결정하고, 수집부(310)가 결정된 회동각도로 회동되도록 구동부(320)를 제어하는 역할을 수행한다. 여기에서, 제어장치(400)는 구동부(320)의 제어 시 센서(324)로부터 회동축(321)의 회동각을 실시간으로 감지한다.
이하, 도 12 및 도 13을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 태양에너지 수집시스템에 대하여 설명한다. 상술한 제1실시예에서 설명한 동일한 기능을 갖는 구성은 동일한 도면부호를 부여하고 설명은 생략한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 태양에너지 수집시스템의 에너지수집장치(300)는, 도 12에 도시된 바와 같이, 회동축(321)이 이중축 구조를 갖도록 구성된다. 즉, 회동축(321)은 고정부재(331)에 고정되어 지지축(311)에 지지되는 지지봉(321a)과 지지봉(321a)의 외측에서 회전되는 회전봉(321b)으로 구성되고, 지지봉(321a)과 회전봉(321b)의 사이에는 복수의 베어링(336)이 구비된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 지지봉(321a)가 고정되는 고정부재(331)와 회전봉(321b)의 사이에는 회전봉(321b)의 회전을 위한 베어링(337)이 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 회동축(321)의 회동각을 감지하는 센서(324)는 고정부재(331)에 고정되는 하우징(51)과 하우징(51)내의 전극과 연결되어 하우징(51)에 대하여 상대적으 로 회전되는 축(52)으로 이루어진 가변저항으로 구성된다. 센서(324)의 축(52)의 외주면에는 소정의 기어치가 형성되며, 회전봉(321b)의 외주면에도 센서(324)의 축(52)와 연결되는 기어치가 형성된다. 이에 따라, 회전봉(321b)이 회전되는 경우, 센서(324)의 축(52)이 회전되면서, 가변저항의 저항값이 변하게 되며, 변화된 저항값을 제어장치(400)가 감지하여, 회동축(321) 및 수집부(310)의 회동각을 판단하게 된다. 본 발명의 제2실시예에서는, 회전봉(321b)과 센서(324)의 축(52)이 서로 기어치로 연결되는 구성을 제시하지만, 이에 한정되지 아니하고, 회전봉(321b)과 센서(324)의 축(52)이 타이밍 벨트로 연결되는 등 다양한 동력전달기구가 적용될 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 태양에너지 수집시스템은 에너지수집장치(300)의 수집부(310)를 회동시키는 회동축(321)이 이중축 구조로 구성되므로, 회동축(321)의 휨모멘트의 발생 등의 문제점에 대처할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 14 및 도 15를 참조하여 태양의 고도각 및 방위각으로부터 수집부(310)의 회동각도를 결정하는 과정에 대하여 설명한다.
도 14는 하지의 황도에서 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 지면에 대한 고도각을 얻는 방법을 도시한 것이고, 도 15는 동지의 황도에서 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 지면에 대한 고도각을 얻는 방법을 도시한 것이다. 이하, 관측점(P)은 본 발명의 에너지수집시스템의 에너지수집장치(300)의 설치장소와 동일하다.
에너지수집장치(300)를 효율을 극대화하기 위해서는 태양이 동쪽(E)으로부터 천정(SP)을 지나 서쪽(W)으로 이동하는 것이 이상적이나, 현실적으로는 태양은 동지와 하지를 기준으로 60도 정도의 오차를 두고 천정(SP)에서 지구의 기울기만큼 비스듬하게 기울어져 진행하고 있다. 따라서 운전조건에 따라서 에너지수집장치(300)의 효율은 차이를 보이게 된다.
여기에서, 운전시간의 태양의 고도각(H)과 방위각(R)을 천구에 표시하고, 이 위치를 관측태양위치(V1)라고 하고, 관측태양위치(V1)에서 대지에 수직한 선을 연장하여 지표와 접하는 좌표를 직하점(V2)이라고 하고, 직하점(V2)에서 선을 그어 자오선과 수직하는 연장선을 가상방위선(4)이라고 하고, 가상방위선(4)과 자오선(3)과의 접점을 가상관측점(V3)이라고 한다. 여기에서의 가상관측점(V3)은 에너지수집장치(300)의 가상의 설치위치가 된다.
또한, 가상관측점(V3)에서 태양의 중심을 향해 표시한 가상의 선을 가상고도선(5)이라고 할 때, 가상고도선(5)과 가상방위선(4)과의 사이의 각을 가상태양고도(VH)라고 하고, 가상고도선(5)에 수직하고 가상방위선(4)을 통과하는 선을 최적운전선(6)이라고 한다. 여기에서, 최적운전선(6)은 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 태양을 향하는 수집면과 평행하다. 즉, 최적운전선(6)과 가상방위선(4)이 이루는 둔각이 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 지면에 대한 회동각도가 된다.
이때, 삼각함수를 이용하여 가상관측점(V3)에서의 가상태양고도(VH)를 구하면 하기의 식과 같다.
VH = tan-1 (tan(H)/sin(R)) + kπ
여기에서, VH는 가상태양고도이고, H는 태양의 고도이며, R은 태양의 방위각이고, k는 삼각함수의 특성에 따른 보정을 위한 상수이다.
또한, 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 태양을 향하는 수집면은 가상선(5)과 수직을 이루어야 하므로, 수집부(310)의 수집면과 지면이 이루는 각도를 구하면 하기의 식과 같다.
d = - tan-1 (sin(R)/tan(H)) + kπ
여기에서, d는 수집부(310)의 수집면과 지면이 이루는 각도이고, H는 태양의 고도이며, R은 태양의 방위각이고, k는 삼각함수의 특성에 따른 보정을 위한 상수이다.
수학식 1 및 수학식 2에서 kπ의 값은 다음과 같이 정해진다. 즉, 태양의 방위각이 0도에서 180도의 사이이고 태양의 고도각이 0도에서 180도의 사이인 경우 kπ의 값은 0도이고, 태양의 방위각이 180도에서 360도의 사이이고 태양의 고도각이 0도에서 180도의 사이인 경우 kπ의 값은 180도이고, 태양의 방위각이 180도에서 360도의 사이이고 태양의 고도각이 0도에서 -180도의 사이인 경우 kπ의 값은 180도이고, 태양의 방위각이 0도에서 180도의 사이이고 태양의 고도각이 0도에서 -180도의 사이인 경우 kπ의 값은 360도이다.
따라서, 수학식 1 및 수학식 2로부터 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 지면에 대한 각도를 구할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 제어장치(400)가 위치추적장치(200)의 변위부재(220)의 변위량을 감지하고 이로부터 산출된 태양의 고도각 및 방위각으로부터 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 회동각도를 결정하는 것에 대하여 제시하고 있으나, 본 발명의 다른 실시예로서 태양의 고도각 및 방위각을 연구기관 등에서 연구하여 발표한 데이터 또는 위성으로부터 획득한 데이터로부터 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 회동각도를 결정할 수 있다. 그 예에 대하여 설명하면 하기와 같다.
표 1은 한국천문학회에서 발표한 하지의 황도에서 태양의 실제 고도각 및 방위각에 대한 데이터로서, 2007년 6월 21일 12시에 관측된 태양의 방위각은 150.26도이고 태양의 고도각은 74.08도임을 알 수 있는데, 수학식 1 및 수학식 2를 이용하면 가상태양고도(VH)는 81.95도이고, 가상고도선(5)에 수직한 선인 최적운전선(600)을 구하면 기울기, 즉, 수집부(310)의 수집면과 지면이 이루는 각도(d)는 171.95도 임을 알 수 있다.
Figure 112008009567818-pat00001
Figure 112008009567818-pat00002
또한, 표 2은 한국천문학회에서 발표한 동지의 황도에서 태양의 실제 고도각 및 방위각에 대한 데이터로서, 2006년 12월 21일 오전 11시의 실제 태양의 방위각은 157.07도이고 태양의 고도각은 25.26도임을 알 수 있는데, 수학식 1 및 수학식 2를 이용하면, 가상태양고도(VH)는 50.45도이고, 가상고도선(5)에 수직한 선인 최적운전선(6)을 구하면 기울기, 즉, 수집부(310)의 수집면과 지면이 이루는 각도(d)는 140.45도 임을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 연구기관 등이 연구 또는 예측하여 발표한 임의의 일시의 태양의 고도각 및 방위각의 값을 이용하여 수학식 1 및 수학식 2를 통하여 간단하게 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 태양을 향하는 수집면과 지면이 이루는 각도(d)를 결정할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 에너지수집시스템의 제어방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 감지부(100)에서 태양의 위치를 실시간으로 감지하고, 감지된 태양의 위치를 향하여 위치추적장치(200)의 변위부재(220)가 그 대향면이 태양의 현재위치를 향하도록 변위한다.
즉, 제어장치(400)가 감지부(100)에서 감지한 태양의 위치정보에 따라 변위부재(220)의 대향면이 태양의 현재위치를 향하도록 방위조절부(230) 및 고도조절부(240)를 제어하면, 회전구동유닛(233)의 회전모터(235)의 동작에 의하여 회전부재(232)가 회전되면서 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 방위가 조절되며, 또한, 신축구동유닛(244)의 회동모터(247)의 동작에 의하여 연결부재(243)가 신장 또는 수축되며, 이에 따라, 변위부재(220)가 제1힌지축(231)을 기준으로 회전부재(232)에 대하여 상대적으로 회전되면서 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각이 조절된다.
그리고, 제어장치(400)는 변위량감지부(250)로부터 변위부재(220)의 변위량을 판단하여 태양의 고도각 및 방위각을 산출한다. 즉, 제어장치(400)는, 회전부재(232) 및 변위부재(220)가 회동되는 경우, 제1감지센서(251) 및 제2감지센서(252)로부터 변위부재(220)의 변위량을 감지하고 이로부터 태양의 고도각과 방위각을 환산한다.
그리고, 제어장치(400)는 환산된 태양의 고도각 및 방위각으로부터 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 회동각도를 결정하게 되는데, 이 경우, 전술한 수학식 1 및 수학식 2가 적용된다.
그리고, 제어장치(400)는 수집부(310)가 결정된 회동각도로 회동되도록 구동부(320)를 제어하며, 이에 따라, 구동모터(322)의 동작에 의하여 회동축(321)이 회전되면서 수집부(310)의 회동각이 변화된다. 이때, 제어장치(400)는 회동축(321)과 연결된 센서(324)로부터 수집부(310)의 회동각도를 실시간으로 감지하면서 수집부(310) 및 회동축(321)이 결정된 회동각도로 회전되는 지를 검산한다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 태양에너지 수집시스템에 대하여 설명한다. 상술한 제1실시예 및 제2실시예에서 설명한 동일한 기능을 갖는 구성은 동일한 도면부호를 부여하고 설명은 생략한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 태양에너지 수집시스템은 태양의 위치에 따라 변위하면서 태양의 위치를 추적함과 아울러 그 변위량을 감지하는 위치추적장치(200)와, 태양에너지를 수집하는 이축식수집장치와, 위치추적장치에서 감지된 변위량에 따라 태양의 고도각 및 방위각을 산출하고 산출된 값으로부터 이축식수집장치를 제어하는 제어장치(400)를 포함하여 구성된다.
여기에서, 위치추적장치(200)는 도 2 내지 도 7에 도시되고 본 발명의 제1실시예에서 설명한 위치추적장치(200)와 동일하며, 이축식수집장치는 위치추적장치(200)의 변위부재(220)에 태양에너지를 수집하는 수집부재(221)가 설치된 구성과 동일하다.
본 발명의 제3실시예에 따르면, 위치추적장치(200)로부터 산출된 태양의 고도각 및 방위각에 대한 정보로부터 제어장치(400)를 통하여 일축식수집장치, 즉, 제1실시예 및 제2실시예에서 설명한 에너지수집장치(300)를 제어할 뿐만 아니라, 이축식수집장치를 제어하게 된다. 여기에서, 이축식수집장치의 제어는 수집부재(221)의 고도 및 방위를 위치추적장치(200)의 변위부재(220)의 고도 및 방위와 동일하게 하는 과정으로 진행된다.
본 발명의 제3실시예에 따르면, 일축식수집장치가 배치되지 아니한 여유공간에 복수의 이축식수집장치를 배치하여 이를 일축식수집장치와 함께 제어함으로써, 공간의 이용효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 태양에너지 수집시스템은 일축식으로 구성된 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 회동각도를 최적화함으로써, 일축식수집장치의 높은 공간이용효율을 최대로 활용하면서, 태양에너지의 수집효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양에너지 수집시스템은 태양의 위치를 추적하는 위치추적장치에도 태양에너지를 수집하는 수집부재(221)를 구비할 수 있으므로, 그 설치위치에 따라 위치추적장치(200) 및 에너지수집장치(300)를 적절하게 배치함으로써, 일축식수집장치의 높은 공간이용효율과 이축식수집장치의 정확한 태양의 위치추적효율을 동시에 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양에너지 수집시스템은 연구기관 등에서 발표되거나 예측된 태양의 고도각 및 방위각에 대한 데이터로부터 에너지수집장치(300)의 수집부(310)의 회동각도를 결정할 수 있으므로, 용이하게 태양에너지의 수집효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양에너지 수집시스템은 위치추적장치(200)의 변위부재(220)의 변위량의 판단 및 에너지수집장치(300)의 회동축(321)의 회동각도를 판단하는 데에 가변저항을 적용함으로써, 태양에너지 수집시스템의 설치 후 장기간 동안 편차의 발생이 없이 정확한 값을 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 태양에너지 수집시스템 및 그 제어방법은 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용이 가능하며 상기한 실시예에 한정되지 않는다. 또한 상기한 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등한 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양에너지 수집시스템이 도시된 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양에너지 수집시스템의 위치추적장치가 도시된 측면도이다.
도 3은 도 2의 수집시스템의 위치추적장치의 동작이 도시된 측면도이다.
도 4는 도 3의 위치추적장치의 고도조절부가 도시된 단면도이다.
도 5는 도 3의 위치추적장치의 변위량감지부가 도시된 단면도이다.
도 6은 도 3의 위치추적장치의 변위량감지부의 다른 예가 도시된 평면도이다.
도 7은 도 3의 위치추적장치의 변위량감지부의 다른 예가 도시된 부분단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양에너지 수집시스템의 에너지수집장치가 도시된 사시도이다.
도 9는 도 8의 에너지수집장치가 도시된 사시도이다.
도 10은 도 8의 에너지수집장치의 연결유닛이 도시된 사시도이다.
도 11은 도 8의 에너지수집장치의 회동축의 회동각을 감지하는 센서가 도시된 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양에너지 수집시스템의 에너지수집장치의 일부가 도시된 사시도이다.
도 13은 도 12의 에너지수집장치의 회동축이 도시된 단면도이다.
도 14 및 도 15는 에너지수집장치의 수집부의 지면에 대한 고도각을 산출하기 위한 개략도이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
4: 가상방위선 5: 가상고도선
6: 최적운전선 100: 감지부
200: 위치추적장치 251, 252: 감지센서
300: 에너지수집장치 320: 구동부
324: 센서 400: 제어장치
P: 관측위치(실제 발전장치위치) H: 실제 태양의 고도
R: 실제 태양의 방위각 V1: 관측태양위치
V2: 직하점 V3: 가상관측점(가상발전장치 위치)
VA: 가상태양고도

Claims (18)

  1. 지지부(210)에 지지되어 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재(220)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방위를 조절하는 방위조절부(230)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부(240)와, 상기 방위조절부(230) 및 상기 고도조절부(240)에 의하여 변위된 상기 변위부재(220)의 변위량을 감지하는 변위량감지부(250)를 포함하는 위치추적장치(200);
    지지축(311)의 상단에 회동이 가능하게 설치되고 자오선과 거의 평행한 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회동축(321)에 적어도 하나 이상으로 배치되어 태양에너지를 수집하는 수집부(310)와, 상기 회동축(321)을 회전시키기 위한 구동모터(322) 및 상기 구동모터(322)와 상기 회동축(321)을 연결하는 연결유닛(323)을 포함하여 구성되어 상기 수집부(310)를 회동시키는 구동부(320)를 포함하는 에너지수집장치(300); 및
    상기 위치추적장치(200)의 상기 변위량감지부(250)에서 감지된 상기 변위부재(220)의 변위량에 따라 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)을 산출하고 산출된 값으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하여 상기 구동부(320)를 제어하는 제어장치(400)를 포함하고,
    상기 방위조절부(230)는,
    상기 지지부(210)에 회전이 가능하게 지지되고, 상기 변위부재(220)가 제1힌지축(231)을 통하여 회동이 가능하게 연결되는 회전부재(232); 및
    상기 회전부재(232)를 회전시키는 회전구동유닛(233)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전구동유닛(233)은,
    상기 회전부재(232)의 외주면에 구비되는 회전모터(235);
    상기 회전모터(235)의 모터축에 연결되는 구동기어(236); 및
    상기 지지부(210)에 구비되는 중심기어(237)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고도조절부(240)는,
    일단이 상기 회전부재(232)의 일측에 제2힌지축(241)을 통하여 힌지연결되고 타단이 상기 변위부재(220)의 일측에 제3힌지축(242)을 통하여 힌지연결되며, 그 길이방향으로 신장 또는 수축되는 연결부재(243); 및
    상기 연결부재(243)를 신장 또는 수축시키는 신축구동유닛(244)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연결부재(243)는 상기 회전부재(232) 및 상기 변위부재(220)와 각각 힌지연결되고, 어느 한 쪽이 다른 한 쪽에 삽입되는 제1원통부(245) 및 제2원통부(246)를 포함하여 구성되며,
    상기 신축구동유닛(244)은 상기 제1원통부(245)의 내부에 구비되는 회동모터(247)와, 상기 회동모터(247)와 연결되어 회전되고 나사산이 형성되는 제1부재(248)와, 상기 제2원통부(246)에 구비되고 나사산이 형성되어 상기 제1부재(248)와 나사연결되는 제2부재(249)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변위량감지부(250)는,
    상기 회전부재(232)에 연결되어 상기 회전부재(232)의 회전각을 감지하는 제1감지센서(251); 및
    상기 제1힌지축(231)에 연결되어 상기 변위부재(220)의 상기 회전부재(232)에 대한 회전각을 감지하는 제2감지센서(252)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1감지센서(251) 및 상기 제2감지센서(252)는 가변저항으로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 변위량감지부(250)는,
    상기 회전부재(232) 및 상기 지지부(210)의 주위에 회전각 눈금이 각각 표시된 제1표시부(255);
    상기 제1힌지축(231) 및 상기 제1힌지축(231)이 지지되는 지지부재(53)의 주위에 회전각 눈금이 각각 표시된 제2표시부(256); 및
    상기 제1표시부(255) 및 상기 제2표시부(256)를 촬상하는 카메라(257)(258)를 구비하여 상기 제1표시부(255) 및 상기 제2표시부(256)의 화상으로부터 상기 회전부재(232)의 회전각 및 상기 변위부재(220)의 상기 회전부재(232)에 대한 회전각을 감지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  9. 지지부(210)에 지지되어 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재(220)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방위를 조절하는 방위조절부(230)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부(240)와, 상기 방위조절부(230) 및 상기 고도조절부(240)에 의하여 변위된 상기 변위부재(220)의 변위량을 감지하는 변위량감지부(250)를 포함하는 위치추적장치(200);
    지지축(311)의 상단에 회동이 가능하게 설치되고 자오선과 거의 평행한 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회동축(321)에 적어도 하나 이상으로 배치되어 태양에너지를 수집하는 수집부(310)와, 상기 회동축(321)을 회전시키기 위한 구동모터(322) 및 상기 구동모터(322)와 상기 회동축(321)을 연결하는 연결유닛(323)을 포함하여 구성되어 상기 수집부(310)를 회동시키는 구동부(320)를 포함하는 에너지수집장치(300); 및
    상기 위치추적장치(200)의 상기 변위량감지부(250)에서 감지된 상기 변위부재(220)의 변위량에 따라 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)을 산출하고 산출된 값으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하여 상기 구동부(320)를 제어하는 제어장치(400)를 포함하고,
    상기 변위부재(220)의 대향면에는 태양에너지를 수집하는 수집부재(221)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  10. 지지부(210)에 지지되어 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재(220)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방위를 조절하는 방위조절부(230)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부(240)와, 상기 방위조절부(230) 및 상기 고도조절부(240)에 의하여 변위된 상기 변위부재(220)의 변위량을 감지하는 변위량감지부(250)를 포함하는 위치추적장치(200);
    지지축(311)의 상단에 회동이 가능하게 설치되고 자오선과 거의 평행한 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회동축(321)에 적어도 하나 이상으로 배치되어 태양에너지를 수집하는 수집부(310)와, 상기 회동축(321)을 회전시키기 위한 구동모터(322) 및 상기 구동모터(322)와 상기 회동축(321)을 연결하는 연결유닛(323)을 포함하여 구성되어 상기 수집부(310)를 회동시키는 구동부(320)를 포함하는 에너지수집장치(300); 및
    상기 위치추적장치(200)의 상기 변위량감지부(250)에서 감지된 상기 변위부재(220)의 변위량에 따라 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)을 산출하고 산출된 값으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하여 상기 구동부(320)를 제어하는 제어장치(400)를 포함하고,
    상기 연결유닛(323)은, 상기 구동모터(322)와 연결되어 회전되고, 그 일부에 기어치(326)가 형성되는 제1링크(325)와, 상기 지지축(311)에 회전이 가능하게 설치되고, 그 외주에 제1링크(325)의 기어치(326)와 맞물리는 기어치가 형성되는 회전판(327)과, 상기 회전판(327)의 회전중심에 연결되어 회동되는 제2링크(328)와, 상기 회동축(321)에 결합되고, 상기 제2링크(328)의 상기 회전판(327)과 연결되는 부분의 반대쪽 단부와 연결되어, 상기 제2링크(328)의 회동운동에 의하여 상기 회동축(321)과 함께 회동되는 제3링크(330)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  11. 지지부(210)에 지지되어 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재(220)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방위를 조절하는 방위조절부(230)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부(240)와, 상기 방위조절부(230) 및 상기 고도조절부(240)에 의하여 변위된 상기 변위부재(220)의 변위량을 감지하는 변위량감지부(250)를 포함하는 위치추적장치(200);
    지지축(311)의 상단에 회동이 가능하게 설치되고 자오선과 거의 평행한 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회동축(321)에 적어도 하나 이상으로 배치되어 태양에너지를 수집하는 수집부(310)와, 상기 회동축(321)을 회전시키기 위한 구동모터(322) 및 상기 구동모터(322)와 상기 회동축(321)을 연결하는 연결유닛(323)을 포함하여 구성되어 상기 수집부(310)를 회동시키는 구동부(320)를 포함하는 에너지수집장치(300); 및
    상기 위치추적장치(200)의 상기 변위량감지부(250)에서 감지된 상기 변위부재(220)의 변위량에 따라 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)을 산출하고 산출된 값으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하여 상기 구동부(320)를 제어하는 제어장치(400)를 포함하고,
    상기 구동부(320)에는 상기 회동축(321)의 회동각도를 감지하는 감지센서(324)가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  12. 지지부(210)에 지지되어 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재(220)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방위를 조절하는 방위조절부(230)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부(240)와, 상기 방위조절부(230) 및 상기 고도조절부(240)에 의하여 변위된 상기 변위부재(220)의 변위량을 감지하는 변위량감지부(250)를 포함하는 위치추적장치(200);
    지지축(311)의 상단에 회동이 가능하게 설치되고 자오선과 거의 평행한 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회동축(321)에 적어도 하나 이상으로 배치되어 태양에너지를 수집하는 수집부(310)와, 상기 회동축(321)을 회전시키기 위한 구동모터(322) 및 상기 구동모터(322)와 상기 회동축(321)을 연결하는 연결유닛(323)을 포함하여 구성되어 상기 수집부(310)를 회동시키는 구동부(320)를 포함하는 에너지수집장치(300); 및
    상기 위치추적장치(200)의 상기 변위량감지부(250)에서 감지된 상기 변위부재(220)의 변위량에 따라 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)을 산출하고 산출된 값으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하여 상기 구동부(320)를 제어하는 제어장치(400)를 포함하고,
    상기 회동축(321)은 상기 지지축(311)에 지지되는 지지봉(321a)과, 지지봉(321a)의 외부에서 회전되는 회전봉(321b)으로 구성되고, 상기 지지봉(321a)과 상기 회전봉(321b)의 사이에는 베어링(337)이 구비되는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템.
  13. 지지부(210)에 지지되어 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재(220)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방위를 조절하는 방위조절부(230)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부(240)와, 상기 방위조절부(230) 및 상기 고도조절부(240)에 의하여 변위된 상기 변위부재(220)의 변위량을 감지하는 변위량감지부(250)를 포함하는 위치추적장치(200);
    지지축(311)의 상단에 회동이 가능하게 설치되고 자오선과 거의 평행한 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회동축(321)에 적어도 하나 이상으로 배치되어 태양에너지를 수집하는 수집부(310)와, 상기 회동축(321)을 회전시키기 위한 구동모터(322) 및 상기 구동모터(322)와 상기 회동축(321)을 연결하는 연결유닛(323)을 포함하여 구성되어 상기 수집부(310)를 회동시키는 구동부(320)를 포함하는 에너지수집장치(300); 및
    상기 위치추적장치(200)의 상기 변위량감지부(250)에서 감지된 상기 변위부재(220)의 변위량에 따라 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)을 산출하고 산출된 값으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하여 상기 구동부(320)를 제어하는 제어장치(400)를 포함하고,
    상기 제어장치(400)는 하기의 식에 의하여 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템;
    d = - tan-1(sin (R) / tan (H)) + kπ;
    여기에서, H는 태양의 고도이며, R은 태양의 방위각이고, d는 상기 수집부의 태양에 대향하는 수집면과 지면이 이루는 각도이고, k는 상수이다.
  14. 제1항 또는 제3항 내지 제13항 중 어느 하나의 태양에너지 수집시스템을 제어하는 제어방법에 있어서,
    태양의 위치를 실시간으로 감지하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 감지된 태양의 위치를 향하여 상기 위치추적장치(200)의 변위부재(220)를 변위시키는 제2단계;
    상기 변위부재(220)의 변위량을 판단하여 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)을 산출하는 제3단계;
    상기 제3단계에서 산출된 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하는 제4단계; 및
    상기 제4단계에서 결정된 상기 수집부(310)의 회동각도로 상기 수집부(310)를 회동시키는 제5단계를 포함하는 태양에너지 수집시스템의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수집부(310)의 회동각도를 감지하여 검산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템의 제어방법.
  16. 태양에너지를 수집하는 수집부(310) 및 상기 수집부(310)를 회동시키는 구동부(320)를 포함하는 에너지수집장치(300)와, 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하여 상기 구동부(320)를 제어하는 제어장치(400)를 포함하는 태양에너지 수집시스템을 제어하는 제어방법에 있어서,
    위성이나 천문기관으로부터 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)에 대한 데이터를 획득하여 획득한 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)으로부터 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 결정된 상기 수집부(310)의 회동각도로 상기 수집부(310)를 회동시키는 제2단계를 포함하는 태양에너지 수집시스템의 제어방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1단계는 하기의 식을 통하여 상기 수집부(310)의 회동각도를 결정하는 것을 특징으로 하는 태양에너지 수집시스템의 제어방법;
    d = - tan-1(sin(R) / tan(H)) + kπ;
    여기에서, H는 태양의 고도이며, R은 태양의 방위각이고, d는 상기 수집부의 태양에 대향하는 수집면과 지면이 이루는 각도이고, k는 상수이다.
  18. 지지부(210)에 지지되어 태양을 향하는 대향면이 구비되는 변위부재(220)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방위를 조절하는 방위조절부(230)와, 상기 변위부재(220)의 대향면이 향하는 방향의 지면에 대한 고도각을 조절하는 고도조절부(240)와, 상기 방위조절부(230) 및 상기 고도조절부(240)에 의하여 변위된 상기 변위부재(220)의 변위량을 감지하는 변위량감지부(250)를 포함하는 위치추적장치(200)와; 태양에너지를 수집하는 수집부재(221) 및 상기 수집부재(221)와 각각 연결되어 상기 수집부재(221)를 상하좌우로 회동시키는 두 개의 회전축을 갖는 이축식수집장치와; 상기 위치추적장치(200)의 상기 변위량감지부(250)에서 감지된 상기 변위부재(220)의 변위량에 따라 태양의 고도각(H) 및 방위각(R)을 산출하고 산출된 값으로부터 상기 수집부재(221)의 회동각도를 결정하여 상기 이축식수집장치를 제어하는 제어장치를 포함하는 태양에너지 수집시스템을 제어하는 제어방법에 있어서,
    태양의 위치를 실시간으로 감지하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 감지된 태양의 위치를 향하여 상기 위치추적장치(200)의 변위부재(220)를 변위시키는 제2단계;
    상기 변위부재(220)의 변위량에 따라 상기 수집부재(221)의 회동각도를 결정하는 제3단계; 및
    상기 제4단계에서 결정된 상기 수집부재(221)의 회동각도로 두 개의 회전축을 회전시키는 제4단계를 포함하는 태양에너지 수집시스템의 제어방법.
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