KR100954198B1 - 태양광 집속 장치 및 이를 이용한 태양광 발전설비 - Google Patents

Abstract

태양광을 집속시킴으로써 발전용 모듈 면적 대비 발전량을 증가시켜 발전효율을 높일 수 있도록, 태양광을 이용하여 전류를 생산하는 전지모듈과, 상기 전지모듈로 빛을 집속시키는 집속장치를 포함한다.

전지모듈, 집속, 반사판, 컨트롤러, 구동기

Description

태양광 집속 장치 및 이를 이용한 태양광 발전설비{DEVICE FOR CONVERGING SUNLIGHT AND SOLAR POWER GENERATOR USING THE SAME}

본 발명은 태양광 집속 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 태양광을 효율적으로 집속하는 태양광 집속 장치 및 이를 이용한 태양광 발전설비에 관한 것이다.

최근들어 전세계적으로 화석연료를 비롯한 모든 자원이 고갈되고 있다. 또한, 이들 에너지 소모로 인해 CO₂가스가 방출되면서 환경문제가 커다란 이슈로 부각되고 있다. 이에 향후 청정에너지 개발에 대한 관심이 높아지고 있다.

이러한 청정에너지의 대안으로써 핵융합발전, 수소에너지 이용 발전, 소수력 발전, 지열발전, 조력발전을 위시하여 최근에는 신재생에너지로 불리는 연료전지발전, 풍력발전, 태양광발전 등에 대한 상용화 추진이 이루어지고 있다.

이중 태양광 발전시스템은 발전량이 작기는 하지만 풍력발전에 비해 생산되는 전원품질이 양호하고 시스템의 크기를 소규모화 할 수 있으며 또한 설치위치에 제약이 없는 특징으로 인하여 많은 각광을 받고 있다. 국내에서는 주택용 태양광 주택 보급사업이 국가주도로 추진되고 있다.

이에 태양광을 집속시킴으로써 발전용 모듈 면적 대비 발전량을 증가시켜 발전효율을 높일 수 있도록 된 태양광 집속 장치 및 이를 이용한 태양광 발전설비를 제공한다.

이를 위해 본 발전설비는 태양광을 이용하여 전류를 생산하는 전지모듈과, 상기 전지모듈로 빛을 집속시키는 집속장치를 포함할 수 있다.

상기 집속 장치는 빛을 전지모듈로 반사시키는 반사부를 포함할 수 있다.

이에 전지모듈에 조사되는 빛의 양을 반사부를 통한 반사량만큼 증가시킴으로서 전지모듈에서 발생되는 단위 면적당 전력량을 높일 수 있게 된다.

여기서 상기 반사부는 상기 전지모듈에서 이격되어 빛을 전지모듈로 반사하는 적어도 하나 이상의 반사판을 포함할 수 있다.

또한, 상기 반사부는 전지모듈 일측에 연결설치되는 모듈측 반사판과, 상기 전지모듈로부터 이격되어 상기 반사판으로부터 반사된 빛을 상기 전지모듈로 재반사시키는 반사판을 포함할 수 있다.

또한, 본 장치는 전지모듈의 각도에 따라 상기 반사판의 반사각도를 제어할 수 있도록 된 제어부를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 전지모듈의 각도를 연산하는 컨트롤러와, 반사판의 회전축에 설치되어 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 반사판을 회동시키기 위한 구동기를 포 함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 전지모듈의 회전축에 설치되고 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 전지모듈을 회동시키기 위한 구동기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 전지모듈에 설치되어 광량을 검출하고 이를 컨트롤러로 인가하는 광센서를 포함할 수 있다.

이에 상기 컨트롤러는 광센서의 출력값에 따라 태양의 고도에 맞춰 전지모듈의 각도를 제어하고 상기 전지모듈의 각도에 맞춰 반사판의 각도를 제어함으로써 항상 최적의 반사효율을 얻게 된다.

또한, 본 장치는 상기 반사판에 묻은 오염물질을 제거하기 위한 와이퍼부를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 본 장치는 현재의 공급가보다 저렴한 비용으로 태양광 발전설비를 제공할 수 있게 된다.

또한, 모듈면적을 기존 설비의 20- 30%정도로 줄일 수 있게 되어 공간의 제약성을 최소화할 수 있으며, 대용량의 발전시스템 구현이 가능하다. 예컨대 3KW발전의 경우, 종래에는 1800 mm x 600 mm단위 전지모듈(발전량: 약 150W)을 20매를 사용하게 되나 본 장치를 통해 빛의 조사량을 20% 증가시켰을 경우 전지모듈을 16매만 배열하여도 동일한 발전량이 얻어지게 된다. 이에 4매의 모듈가격 만큼 설치비용과 면적을 줄일 수 있게 되는 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

도 1은 본 실시예에 따른 태양광 발전설비의 태양광 집속 장치를 도시하고 있다.

본 발전설비는 태양광을 이용하여 전류를 생산하는 전지모듈(10)과 전지 모듈로 태양광을 조사하여 집속시키기 위한 집속 장치를 포함한다.

상기 전지모듈(10)은 복수개의 태양전지가 배열된 구조로 되어 있다. 상기 태양전지는 주지된 바와 같이 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 Si 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있다. 이러한 태양전지에 태양광이 닿으면 태양광은 태양전지 속으로 흡수되며 흡수된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 발생된 hole(정공+)은 P형반도체로, 전자(-)는 N형 반도체로 이동함으로써 전류가 발생하게 되는 원리로 되어 있다.

태양광의 실체는 광자(Photon)이므로 전류 발생량을 높이기 위해서는 전지모듈(10)의 단위면적당, 시간당 조사되는 광자의 수(flux/sec cm²)를 증가시켜야 한다. 광자의 수가 증가되면 광자의 수에 비례하는 정공과 전자가 전지(반도체)에 발생되어 발전량이 증가하게 되는 것이다.

본 설비에 있어서 전지모듈(10)의 단위 면적당 조사되는 광량의 증가는 상기 집속장치에 의해 달성된다.

상기 집속장치는 전지모듈(10)의 일측에 연결설치되는 모듈측 반사판(20)과, 전지모듈(10)에서 이격설치되어 상기 모듈측 반사판(20)에서 반사되는 태양광을 상기 전지모듈(10)로 되반사시키기 위한 반사판(30)을 포함한다.

이에 상기 전지모듈(10)은 전지모듈(10)로 직접 조사되는 태양광 이외에 상기 반사판(30)으로부터 반사되는 태양광을 조사받을 수 있게 된다.

여기서 본 실시예에 따른 발전설비는 시시각각 변하는 태양의 위치를 추적하여 태양의 고도 변화에 따른 최적광량을 얻을 수 있도록 전지모듈(10)의 각도를 가변시키게 된다. 또한, 상기 집속장치는 상기 전지모듈(10)의 각도에 맞춰 집속장치의 반사판(30) 각도를 가변시키는 제어부를 더욱 포함한다.

이를 위해 상기 제어부는 전지모듈(10)의 각도를 연산하는 컨트롤러(40)와, 상기 반사판(30)의 회전축(50)에 설치되고 상기 컨트롤러(40)와 연결되어 컨트롤러(40)의 제어신호에 따라 반사판(30)을 회동시키기 위한 구동기(51)를 포함한다.

또한, 상기 전지모듈(10)의 각도 가변을 위해 상기 전지모듈(10)에 설치되어 광량을 검출하고 이를 컨트롤러로 인가하는 광센서(62)와, 상기 전지모듈(10)의 회전축(60)에 설치되고 상기 컨트롤러(40)의 제어신호에 따라 구동되어 전지모듈(10)을 회동시키는 구동기(61)를 더욱 포함한다.

상기 컨트롤러(40)는 광센서(62)의 출력값에 따라 광량의 많고 적음을 판단하여 태양(S)의 위치를 추적함으로써 태양의 고도에 맞춰 전지모듈(10)의 각도를 제어하게된다. 그리고 상기 전지모듈(10)의 각도에 맞춰 반사판(30)의 각도를 제어함으로써 항상 최적의 반사효율을 얻게 된다.

여기서 상기 구동기(51,61)는 예컨대 구동모터 등의 동력원과 구동모터의 회전력을 회전축에 감속 전달하는 감속기어군이나 체인 등 다양한 구조가 적용될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.

이에 컨트롤러(40)는 전지모듈(10)의 각도에 따라 구동기(51,61)를 제어작동하여 전지모듈(10) 및 반사판(30)의 각도를 가변시키게 된다. 따라서 반사판(30)에 의해 반사된 태양광은 항상 전지모듈(10)로 조사될 수 있게 된다.

또한, 본 장치는 반사판의 오염에 따라 발생전압이 일정치 이하로 낮아지는 경우 반사경 표면의 오염을 제거하기 위한 와이퍼부를 포함한다.

상기 와이퍼부는 상기 각 반사판(20,30) 일측에 일단이 회동가능하게 설치되어 반사판 표면을 닦기 위한 와이퍼(70,71)와, 상기 각 와이퍼(70,71)의 회전축에 연결설치되고 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 와이퍼를 구동시키기 위한 구동모터(72,73)를 포함한다.

이에 컨트롤러는 반사판이 오염된 경우 구동모터(72,73)로 출력신호를 인가 하여 구동모터를 작동시키게 된다. 구동모터(72,73)가 작동되면 구동모터에 연결설치되어 있는 와이퍼(70,71)가 회전축을 매개로 왕복 회동되면서 반사판(20,30) 표면의 오염물질을 닦아내게 된다.

이하, 본 장치의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

태양(S)에서 발산되는 태양광은 발전용 전지모듈(10)과 전지모듈(10)에 나란하게 배열된 모듈측 반사판(20)의 표면에 각각 조사된다.

상기 모듈측 반사판(20)에 조사된 태양광은 반사판(20)에 의해 반사되어 전지모듈(10)에서 소정 거리 이격되어 있는 반사판(30)에 조사된다. 그리고 상기 반사판(30)에 조사된 태양광은 다시 반사되어 전지모듈(10)로 조사된다.

이에 본 설비에서 발전용 전지모듈(10)에 조사되는 태양광의 총량은 태양으로부터 전지모듈(10)로 직접 조사된 광량(L1)과 반사판(30)에 의해 되반사되어 조사된 광량(L2)의 합이 된다. 따라서 전지 모듈(10)은 반사판(30)에 의해 되반사된 광량(L2) 만큼 발전량이 증대되는 것이다.

[실험예]

이하 실험에서는 본 장치의 광 집속 효과를 검증하기 위하여 반사판이 구비된 설비와 그렇지 않은 설비를 비교하여 발전효율 차이를 확인하였다.

실험 조건은 다음과 같다.

- 전지모듈 : 10W 급(크기: 100mm X 100mm)

- 반사판 크기 : 평판거울(크기:100mm X 100mm )

- 측정항목: 발생전압(V), 전류(A), 발전량(W)

- 태양광과 전지모듈의 대향각 : 0도, 45도, 90도

상술한 사양의 전지모듈 및 반사판을 이용하여 실외에서 반사판이 없는 경우와 반사판을 설치한 경우에 있어서 각 조건의 대향각에 대해 전압, 전류, 발전량을 측정기(ampere meter, watt meter)를 이용하여 측정하였다.

실험 결과는 아래 표 1과 같다.

아래 표 1에서 발전효율은 직광일 경우의 발전량을 100%로 기준으로 했을 때 환산한 수치를 나타낸다.

[표 1]

대향각	전압(V)	전류(A)	발전량(W)	발전효율(%)
0도	3.8	0.4	1.52	100
45도	3.6	0.34	1.22	78
90도	1.6	0.12	0.19	12
0도 + 반사광	4.5	0.45	2.07	133

실험 결과를 보면 대향각이 0도에 반사판에 의한 반사광을 더한 경우 약 133%의 발전효율을 보이고 있음을 알 수 있다. 이와같이 본 장치의 반사판에 의해 발전량을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 집속 장치를 이용한 태양광 발전설비의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 전지모듈 20,30 : 반사판

40 : 컨트롤러 50,60 : 회전축

51,61 : 구동기 62 : 광센서

70,71 : 와이퍼 72,73 : 구동모터

Claims (15)

1. 빛으로부터 전류를 생산하는 전지모듈과, 상기 전지모듈로 빛을 집속시키는 집속장치를 포함하고, 상기 집속장치는 전지모듈에서 이격 설치되어 빛을 전지모듈로 반사하는 적어도 하나 이상의 반사판과, 상기 전지모듈의 각도에 따라 상기 반사판의 반사각도를 제어하는 제어부를 포함하며,

   상기 제어부는 상기 전지모듈의 각도를 연산하는 컨트롤러와, 상기 반사판의 회전축에 설치되어 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 반사판을 회동시키기 위한 구동기, 상기 전지모듈에 설치되어 광량을 검출하고 이를 상기 컨트롤러에 인가하는 광센서, 상기 전지모듈의 회전축에 설치되고 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 구동되어 전지모듈을 회동시키는 구동기

   를 포함하는 태양광 발전설비.
2. 삭제
3. 삭제
4. 빛으로부터 전류를 생산하는 전지모듈과, 상기 전지모듈로 빛을 집속시키는 집속장치를 포함하고, 상기 집속장치는 전지모듈 일측에 연결설치되는 모듈측 반사판과, 상기 전지모듈에서 이격 설치되어 상기 모듈측 반사판으로부터 반사된 빛을 전지모듈로 재반사하는 적어도 하나 이상의 반사판과, 상기 전지모듈의 각도에 따라 상기 반사판의 반사각도를 제어하는 제어부를 포함하며,

   상기 제어부는 상기 전지모듈의 각도를 연산하는 컨트롤러와, 상기 반사판의 회전축에 설치되어 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 반사판을 회동시키기 위한 구동기, 상기 전지모듈에 설치되어 광량을 검출하고 이를 상기 컨트롤러에 인가하는 광센서, 상기 전지모듈의 회전축에 설치되고 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 구동되어 전지모듈을 회동시키는 구동기

   를 포함하는 태양광 발전설비.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 반사판에 설치되어 반사판을 닦기 위한 와이퍼와, 상기 와이퍼에 연결설치되어 상기 제어부의 신호에 따라 와이퍼를 구동시키기 위한 구동모터를 더 포함하는 태양광 발전설비.
9. 빛으로부터 전류를 생산하는 전지모듈에서 이격되어 빛을 전지모듈로 반사하는 적어도 하나 이상의 반사판과, 상기 전지모듈의 각도에 따라 상기 반사판의 반사각도를 제어하는 제어부를 포함하고,

   상기 제어부는 상기 전지모듈의 각도를 연산하는 컨트롤러와, 상기 반사판의 회전축에 설치되어 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 반사판을 회동시키기 위한 구동기, 상기 전지모듈에 설치되어 광량을 검출하고 이를 상기 컨트롤러에 인가하는 광센서, 상기 전지모듈의 회전축에 설치되고 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 구동되어 전지모듈을 회동시키는 구동기

   를 포함하는 태양광 집속장치.
10. 삭제
11. 빛으로부터 전류를 생산하는 전지모듈 일측에 연결설치되는 모듈측 반사판과, 상기 전지모듈로부터 이격되어 상기 모듈측 반사판으로부터 반사된 빛을 상기 전지모듈로 재반사시키는 반사판, 상기 전지모듈의 각도에 따라 상기 반사판의 반사각도를 제어하는 제어부를 포함하고,

    상기 제어부는 상기 전지모듈의 각도를 연산하는 컨트롤러와, 상기 반사판의 회전축에 설치되어 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 반사판을 회동시키기 위한 구동기, 상기 전지모듈에 설치되어 광량을 검출하고 이를 상기 컨트롤러에 인가하는 광센서, 상기 전지모듈의 회전축에 설치되고 상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 구동되어 전지모듈을 회동시키는 구동기

    를 포함하는 태양광 집속장치.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 제 9항 또는 제 11 항에 있어서,

    상기 반사판에 설치되어 반사판을 닦기 위한 와이퍼와, 상기 와이퍼에 연결설치되어 상기 제어부의 신호에 따라 와이퍼를 구동시키기 위한 구동모터를 더 포함하는 태양광 집속장치.

Images