KR100959952B1 - 일축방식의 대면적 태양광발전 추적장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양에너지 태양광 추적장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 안전성이 확보되면서 대면적 모듈설치에 적합한 태양에너지 집광용 1축 태양광 추적장치에 관한 것이다.

본 발명은 1축방식의 태양광 추적장치에 있어서, 가로지주대(16)와 다수개의 세로지주대(17)가 교차되어 일체로 형성된 지지대(15)와; 상기 지지대(15)의 상부에 태양에너지를 집광하도록 다수의 모듈에 의해 구성되는 모듈판(10)과; 상기 모듈판(10)의 일측에 상기 모듈판(10)을 회전시키기 위한 회전부(20)와; 상기 회전부(20)에 와이어 또는 체인 연결되어 상기 모듈판(10)을 회전시키도록 구동력을 발생시키는 구동모터(25)와; 상기 구동모터(25)에 구비되어 상기 모듈판(10)을 동작시킴과 아울러 모듈판(10)의 회전위치를 감지하는 엔코더(30)와; 상기 지지대(15)의 일측에 구비되어 상기 모듈판(10)이 지표면과 수평을 이루도록 상기 모듈판(10)의 회전을 제어하는 수평조절모터(35)와; 상기 수평조절모터(35)와 구동모터(25)에 전원을 공급하고, 상기 모듈판(10)에 의해 발생된 에너지를 변환하여 송전하기 위한 송전부(40)와; 상기 구동모터(25)와 엔코더(30)와 수평조절모터(35)와 송전부(40)를 컨트롤하기 위한 제어부(45)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 이에 따른 우리나라 지역에서의 추적방법으로, 남북방향을 춘분과 추분에 35도 경사를 갖도록 북쪽을 높게 하고, 하지에는 11.도의 경사각을, 동지에는 58.5도의 경사각을 갖도록 북쪽을 높게 하거나 북쪽을 35도~40도로 높게하여 지역 에 따라 고정하며, 1축 추적인 동-서로 태양추적은 지구의 자전에 따라 태양의 위치가 시간당 15도씩 변하므로 이동하는 태양을 1축(동-서)으로 1간당 15도씩 추적하도록 한다.

태양에너지, 집광, 모듈판, 회전부, 구동모터, 체인, 1축

Description

일축방식의 대면적 태양광발전 추적장치{SOLAR TRACKING DEVICE A LARGE AREA OF SINGLE-AXIS}

본 발명은 태양에너지 집광 대면적 1축방식(태양의 위치에 따라 동-서로 추적) 태양광 추적장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 태양전지 모듈판의 집광을 태양의 고도각에 따라 북쪽을 높게 하거나 고정하고, 태양의 방위각에 따라 동-서로 태양을 추적 발전하며, 외력(태풍)에 의한 안정성과 발전효율을 고려한 대면적 모듈설치에 적합한 1축방식의 대면적 태양광발전 추적장치에 관한 것이다.

현대 산업사회에 이르러 각종 에너지 자원이 고갈되어 가고 있으며, 이로 인해 대체에너지 자원 개발을 서두르고 있으나 지구상에 존재하는 부존자원은 한정될 수 밖에 없는 실정이다. 대체에너지를 위한 기술 중에서 태양광 발전기술은 햇빛에너지를 직접 직류 전기에너지로 변환하는 태양전지와 태양전지로부터의 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환 및 제어기술이라고 정의할 수 있으며, 또한 태양광발전에 사용되는 셀은 자체 변환효율을 높이는 방법으로는 발전단가가 높아 효용성이 떨어진다. 따라서 발전효율을 높이기 위한 방법으로 태양이 범선을 이루면서 셀에 직각으로 태양빛이 입사되도록 하는 태양추적장치 개발이 연구되고 있다.

또한 태양광 발전량은 변환효율과 일사시간에 좌우되며, 대용량 발전을 하기위해서는 태양전지 집광 대면적 발전시스템과 외력(태풍)에 강한 안정성이 요청된다.

태양위치 계산은 지구에서 본 태양의 고도와 방위각을 계산하는 것으로, 추적시스템의 입력신호로서 사용되는 태양의 위치는 천문학에서 정의된 지구의 운동 관계식을 사용하여 계산해 낸 것이다. 그러나 천문학에서 사용되는 태양 위치 계산을 위한 관계식은 대단히 복잡하고 방대하여 작은 계산오차도 결과 값에 큰 영향을 주게 된다. 기상 관측 등에 사용되는 태양 추적 시스템은 고정밀도 마이컴과 연산장치를 사용하거나 센서 방식을 사용한다.

태양 위치를 계산하기 위하여 우선 태양위치 계산식에서 사용되는 시간(time)의 정의가 필요하다. 태양위치 계산에서 사용되는 시간은 특정 시간을 기준으로 하여, 그로부터 경과된 경과시간을 일 단위를 사용하여 표시한 값이다. 지금까지 제시된 연구 결과에서 각기 다른 많은 기준 시간이 사용되었으나, 추적방법은 크게 프로그램 추적과 센서 추적이 있다. 프로그램 추적은 지구의 자전과 공전에 의한 태양의 이동을 미리 프로그램에 입력하여 수광체를 회전시키는 추적방법이다. 센서 추적은 태양광의 이동을 센서로 감지하여 수광체의 방향을 제어하는 것으로, 각종 관련 요소기술의 진보에 따라 여러 가지 개량이 이루어지고 있다. 추적장치에 사용되는 구동기술에는 태양위치 검출방법, 추적부재, 추적구동방식, 구동동력 등이 있다.

또한, 추적장치란 이동하는 태양을 추적하면서 집광성을 높이기 위해 모듈을 이동시키는 장치로 1축방식(태양의 위치를 동-서로 추적)과 2축방식(태양의 위치를 동-서, 남-북으로 추적)이 있다.

종래의 태양추적 정렬방식의 일예로서, 대한민국 등록실용신안 제297771호를 보면, 태양광을 집속하는 솔라모듈과 일체화되어 상기 솔라모듈을 좌우방향으로만 회전시킴과 아울러 회전 위치를 감지하는 엔코더가 내장된 트랙커를 볼 수 있는 바, 태양의 위치를 추적하는 원리는 상기 트랙커 내 엔코더로부터 검출정보를 입력받아 엔코더 제어부가 트랙커 동작을 제어하게 된다. 그러나, 상기 방식은 태양에너지 집적 대면적 모듈구조를 구성하는데 안정성과 경제성에서 문제점이 있으며, 또한 대면적으로 모둘을 구성하더라도 1축(동-서)방식 추적제어에서 사용하는데 문제점이 있다.

또한 대한민국 공개특허 제2003-0088594호를 살펴보면, 태양광을 수광하는 장치에 부착하기 위한 것으로서, 상기 수광 장치에 연결되며, 다수의 광센서와, 적어도 2개의 광센서를 상하방향으로 격리시키는 가로분리벽과, 적어도 2개의 광센서를 좌우방향으로 격리시키는 세로분리벽을 구비한 센서장치와, 상기 수광장치 및 센서장치의 방향을 이동시키는 구동장치와, 상기 센서장치로부터 전달되는 신호를 처리하며, 상기 구동장치를 제어하는 신호를 보내는 제어장치를 포함하는 태양 추적장치가 개시되어 있다. 또한, 상기 태양 추적장치가 구비되는 태양광 조사 시스템이 개시되어 있다. 하지만, 이 방식 역시 구성이 복잡하고, 대전력을 얻기위한 대면적모듈 설치 장치에는 시스템 구성 및 제어에서 사용하는데 문제점이 있다.

본 발명은 1축방식의 태양광발전 추적장치로 발전효율을 높이면서 대면적 모듈설치로 대용량발전이 가능하며, 외력(태풍)에 의한 안전성과 설치비의 경제성을 고려하는데 있다.

또한 본 발명에서는 상기한 문제점을 해결하기 위하여 태양의 위치를 추적하는 1축 방식(태양의 방위각인 동-서로 추적하며 남북으로는 춘분, 추분, 하지, 동지인 태양의 고도각에 따라 조절 또는 고정)을 사용하였으며, 대면적 태양전지 모듈판의 설치로 외력(태풍)에 의한 저항에서 안정성 확보가 가능하도록 십자형태의 골격구조를 갖는 지지대에 각각의 모듈판이 지지되어 설치됨과 아울러 체인 또는 와이어에 의해 다수의 모듈판이 동시에 회전이 가능하게 설치되며, 대면적 모듈판 설치시 단위면적당 외력(풍압)으로부터 저항을 줄이도록 지표면과 수평이 되도록 하며, 체인 또는 와이어의 유격을 조절할 수 있도록 하여 안정적으로 동작하도록 한 1축방식의 대면적 태양광발전 추적장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 1축방식의 태양광 추적장치는 가로지주대(16)와 다수개의 세로지주대(17)가 교차되어 일체로 형성된 지지대(15)와; 상기 지지대(15)의 상부에 태양에너지를 집광하도록 다수의 모듈에 의해 구성되는 모듈판(10)과; 상기 모듈판(10)의 일측에 상기 모듈판(10)을 회전시키기 위한 회전부(20)와; 상기 회전부(20)에 와이어 또는 체인 연결되어 상기 모듈판(10)을 회전 시키도록 구동력을 발생시키는 구동모터(25)와; 상기 구동모터(25)에 구비되어 상기 모듈판(10)을 동작시킴과 아울러 모듈판(10)의 회전위치를 감지하는 엔코더(30)와; 상기 지지대(15)의 일측에 구비되어 상기 모듈판(10)이 지표면과 수평을 이루도록 상기 모듈판(10)의 회전을 제어하는 수평조절모터(35)와; 상기 수평조절모터(35)와 구동모터(25)에 전원을 공급하고, 상기 모듈판(10)에 의해 발생된 에너지를 변환하여 송전하기 위한 송전부(40)와; 상기 구동모터(25)와 엔코더(30)와 수평조절모터(35)와 송전부(40)를 컨트롤하기 위한 제어부(45)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 본 발명에 따르면, 1축방식 태양추적 구동시스템으로 대용량 추적발전시설에 설치가 가능하며, 복수개의 모듈판을 확장 설치한 상태에서도 바람 등의 외력에도 안정성 확보가 가능하며, 이에 따라 기기의 오작동을 줄여 제품의 신뢰도를 높일 수 있으며, 제품생산과 현장 조립설치의 공정화가 가능하여 경제성이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 1축방식의 대면적 태양광발전 추적장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 태양전지 집광 모듈판의 구조이며, 도 2는 본 발명에 따른 집광 모듈판 배열한 상태의 평면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 모듈판의 회동상태를 보인 측면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 태양전지 모듈판 고정을 위한 지지대의 십자형구조를 보인 개략적인 상태도이며, 도 5는 본 발명에 따른 1축방식(동-서)에 따른 동력구동 전달구조를 보인 상태도이며, 도 6은 본 발명에 따른 체인 또는 와이어 연결되는 모듈판과 유격조절부를 보인 상태도이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 대면적 태양광발전 추적장치는 1축방식 추적시스템 구조로서, 외력(태풍)으로부터 안정성이 확보하기 위한 십자형 골격구조를 갖는 지지대(15, 도 4 참조)와, 태양에너지를 집적하도록 다수의 모듈로 구성된 복수개의 모듈판(10)과, 상기 모듈판(10)의 저부에 상기 모듈판(10)을 회전시키도록 구비되는 세로지지축(22)에 결합되는 회전부(20)와, 상기 회전부(20)에 와이어 또는 체인이 연결되어 상기 모듈판(10)을 회전시키도록 구동력을 발생시키는 구동모터(25)와, 상기 구동모터(25)에 구비되어 상기 모듈판(10)을 동작시킴과 아울러 모듈판(10)의 회전위치를 감지하는 엔코더(30)와, 상기 모듈판(10)을 일정풍속 및 풍압에 따라 지표면과 수평이 되도록 제어하는 수평조절모터(35)와, 상기 수평조절모터(35)와 구동모터(25)에 전원을 공급하고 상기 모듈판(10)에 의해 발생된 에너지를 변환하여 송전하기 위한 송전부(40)와, 상기 구동모터(25)와 엔코더(30)와 수평조절모터(35)와 송전부(40)를 컨트롤하기 위한 제어부(45)를 포함하여 이루어진다.

상기 집광모듈은 적어도 하나 이상을 포함하여 모듈판(10)을 이루며, 상기 도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 복수개의 모듈판이 조합 구성되었으며, 1축방식(동-서)으로 추적시 모듈판(10)이 동시에 회전이 용이하도록 가로지주대(16)에 베어링에 의해 세로지지축(22)이 연결된 회전구조로 되어 있으며, 동력전달이 각각의 모듈판(10)에 동시에 전달가능하도록 상기 회전부(20)에 체인 또는 와이어로 연결된다.

여기서, 상기 가로지주대(16)에는 상기 와이어 및 체인의 유격을 유격조절하기 위한 유격조절부(50)가 구비되고, 상기 세로지주대(17)에는 태양의 고도각(남-북)에 따라 상기 모듈판(10)의 경사각 조절이 가능하도록 보조회동부(55)가 구비되며, 상기 모듈판(10)은 태양의 방위각(동-서)에 따라 1시간당 15도 각도 단위로 태양을 추적 구동되어 진다.

이때, 상기 1축방식의 추적은 자동제어 프로그램에 의해 구동되고, 모니터에 의해 실시간으로 모니터링되어 유선 또는 무선으로 제어된다.

본 발명의 1축방식의 태양추적장치는 남북방향인 위도는 태양의 고도각인 춘분 추분에 따라 35도, 하지에 따라 11.5도, 동지에 따라 58.5도 각도로 북쪽을 높이 하여 고정 또는 조절이 가능하며, 태양의 방위각에 따라 1간당 15도씩 동-서로 태양을 추적하는 프로그램화한 1축(태양의 위치에 동-서로 추적)방식의 추적방법을 사용한다.

따라서, 종래의 해바라기식 2축방식의 태양추적에 따른 구동수단과 위험부담을 덜게 되고, 1축방식의 태양추적 구동장치에 대면적 모듈판을 설치할 수 있으면서 1개의 추적시스템에 다수개의 십자형태의 골격구조를 이루어 외력(풍압)으로부터 안전하고 대용량 발전이 가능하다.

한편, 상기 수평조절모터(35)는 일정풍속 이상에서 풍속과 풍압에 따라 자동 또는 수동으로 구동되어 지고, 상기 모듈판(10)은 풍압이 작은 방향인 지면과 수평 이 되게 조절되어 진다.

상기와 같이 본 발명에 따른 태양에너지 발전용 태양 추적 장치는 태양의 위치에 따라 송전부(40)의 전원공급장치에서 전원이 인가되면 제어부(45)에 의해 구동모터(25)가 구동되면서 와이어 또는 체인을 움직이게 한다.

상기 와이어 또는 체인의 움직임에 따라 상기 회전부(20)가 회전하게 되고, 보조회동부(55)는 회전을 정밀하게 조절하도록 보조하게 된다.

상기 복수개의 모듈판(10, 집광모듈)의 저부에 상기 모듈판(10)을 지지하고 상기 회전부(20)에 연결되는 세로지지축(22)은 모듈판(10) 회전이 용이하도록 베어링을 매개로 가로지주대(16)에 부착된다. 상기 회전부(20)는 상기 모듈판(10)의 중심이 아닌 부분에도 구비될 수 있으며, 모듈판(10)의 크기에 따라 다수개로 구비될 수도 있다. 또한 상기 세로지지축(22)도 상기 회전부(20)의 위치에 따라 위치 및 갯수가 적절히 설정되어 진다.

한편, 상기 모듈판(10)을 동작시킴과 아울러 회전위치를 감지하기 위해 상기 구동모터(25)에 엔코더(30)를 구비하는 바, 상기 엔코더(30)는 상기 모듈판(10)의 회전각을 정확하게 제어할 수 있게 된다.

이는 상기 회전부(20)가 회전함에 따라 집광 모듈판이 움직이며 이 움직임은 상기 집광 모듈판이 태양의 움직임에 따라 태양광을 집속할 수 있는 위치로 움직여서 상기 모듈판에서 많은 에너지를 생산할 수 있도록 하기 위함이다.

도 3과 같이 모듈판(10)을 복수개로 구비한 경우에는 장치의 크기가 커지고 하중이 커지지만 십자형태를 이루는 가로지주대(16) 및 세로지주대(17)로 구성된 지지대(15)와 세로지지축(22)에 의해 지지됨에 따라 무거운 집광 모듈판을 지탱할 수 있으며, 상기 세로지지축(22)에 부착된 모듈판은 각각의 회전부(20)에 연결되는 체인 또는 와이어에 의해 동시에 움직일 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명은 회전부(20)의 움직임으로 쉽게 제어가 되고 구조가 간단하여 기기의 오작동 발생이 줄어들고, 대용량 시스템적용이 가능하여 단위면적당 추적비용 저가화 실현으로 제품의 신뢰도를 높일 수 있는 효과를 가지게 된다.

한편 본 발명의 태양추적장치를 설치하는 경우, 북반구에서는 계절에 따라 각 위도별로 태양의 위치가 춘분과 추분에는 적도상에 위치하므로 남북방향의 모듈판 고정각도에서는 모듈판의 경사를 설치지역의 위도로 설정하고, 하지에는 위도 -23.5°의 경사각으로, 동지에는 위도 +23.5°의 경사각을 가지도록 기울기를 조정해야 집광효율을 극대화시킬 수 있기 때문에 우리나라에서는 위도 35°를 기준으로 하였을 경우 춘분과 추분에는 설치지역의 위도인 35°의 경사를 갖도록 북쪽을 높게하고, 하지에는 11.5°의 경사각을, 동지에는 58.5°의 경사각을 갖도록 모듈판의 경사각을 조절 하거나, 년 중 집광효율을 고려하여 일정 고도각으로 고정한다.

또한, 태양의 방위각에 따라 하루의 일조량이 다르고 태양광 강도가 높은 오전 10시에서 오후 4시까지에는 모듈판을 동-서로 회전시킬 경우 정오에 태양의 위치가 정남의 위치에 오게 된다. 따라서 지구의 자전에 따라 태양의 위치가 시간당 15°씩 변하므로 정오에 모듈판을 정남의 위치에 오도록 하고, 오전 10시에는 정남의 위치에서 동쪽으로 30°, 오후 4시에는 서쪽으로 60°의 경사를 가지도록 매일 모듈판의 각도를 조정하도록 프로그램화 한다.

또한 본 발명으로 1축방식의 태양추적장치 설치는 모듈판의 경사에 음영부분이 발생하여 그림자를 드리우게 되면 태양광 집광의 효율이 저하되는 현상을 초래한다. 따라서 경사각에 따른 음영부분을 없애기 위해서는 모듈판의 설치 폭은 동-서 방향길이를 L이라 했을때 오전 10시에는 L÷cos30도(L의 약 1.2배), 오후 4시에는 L ÷cos60도(L의 2배)의 길이가 되도록 간격을 두고 설치해야 함으로 1축방식의 추적시설 구조물 설치시 L의 2배 간격으로 설치하여야 최적의 발전량을 얻을 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 태양전지 집광 모듈판의 구조이며,

도 2는 본 발명에 따른 집광 모듈판 배열한 상태의 평면도이며,

도 3은 본 발명에 따른 모듈판의 회동상태를 보인 측면도이며,

도 4는 본 발명에 따른 태양전지 모듈판 고정을 위한 지지대의 십자형구조를 보인 개략적인 상태도이며,

도 5는 본 발명에 따른 1축방식(동-서)에 따른 동력구동 전달구조를 보인 상태도이며,

도 6은 본 발명에 따른 체인 또는 와이어 연결되는 모듈판과 유격조절부를 보인 상태도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 모듈판 15: 지지대

16: 가로지주대 17: 세로지주대

20: 회전부 22: 세로지지축

25: 구동모터 30: 엔코더

35: 수평조절모터 40: 송전부

45: 제어부 50: 유격조절부

55: 보조회동부

Claims (4)

1축방식의 태양광 추적장치에 있어서,

가로지주대(16)와 다수개의 세로지주대(17)가 교차되어 일체로 형성된 지지대(15)와;

상기 지지대(15)의 상부에 태양에너지를 집광하도록 다수의 모듈에 의해 구성되는 모듈판(10)과;

상기 모듈판(10)의 일측에 상기 모듈판(10)을 회전시키기 위한 회전부(20)와;

상기 회전부(20)에 와이어 또는 체인 연결되어 상기 모듈판(10)을 회전시키도록 구동력을 발생시키는 구동모터(25)와;

상기 구동모터(25)에 구비되어 상기 모듈판(10)을 동작시킴과 아울러 모듈판(10)의 회전위치를 감지하는 엔코더(30)와;

상기 지지대(15)의 일측에 구비되어 상기 모듈판(10)이 지표면과 수평을 이루도록 상기 모듈판(10)의 회전을 제어하는 수평조절모터(35)와;

상기 수평조절모터(35)와 구동모터(25)에 전원을 공급하고, 상기 모듈판(10)에 의해 발생된 에너지를 변환하여 송전하기 위한 송전부(40)와;

상기 구동모터(25)와 엔코더(30)와 수평조절모터(35)와 송전부(40)를 컨트롤하기 위한 제어부(45)를 포함하며,

상기 가로지주대(16)에는 상기 와이어 및 체인의 유격을 유격조절하기 위한 유격조절부(50)가 구비되는 것을 특징으로 하는 1축방식의 대면적 태양광발전 추적장치.

삭제

제1항에 있어서,

상기 세로지주대(17)에는 태양의 고도각(남-북)에 따라 상기 모듈판(10)의 경사각 조절이 가능하도록 보조회동부(55)가 구비되고,

상기 모듈판(10)은 태양의 방위각(동-서)에 따라 1시간당 15도 각도 단위로 태양을 추적 구동되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 1축방식의 대면적 태양광발전 추적장치.

제3항에 있어서,

상기 제어부(45)는 자동제어 프로그램이 내장되어 자동제어되도록 구동되고, 모니터에 의해 실시간으로 모니터링되게 설치되어 유선 또는 무선제어가 가능한 것을 특징으로 하는 1축방식의 대면적 태양광발전 추적장치.

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