KR100980688B1 - 발전과 차양을 겸하는 건축물 일체형 태양광 발전장치 - Google Patents

발전과 차양을 겸하는 건축물 일체형 태양광 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전과 차양을 겸하는 건축물 일체형(BIPV) 태양광 발전장치에 관한 것으로, 건축물의 창문 전방에 설치되는 소정 크기의 태양전지모듈과, 태양추적수단과 제어수단으로 상기 태양전지모듈이 태양을 향하도록 제어함으로써 효율적인 전기발전과 건축물의 실내 차양(遮陽)이 이루어지도록 한 것이다.
종래 태양광 발전소는 지상에 설치되어 환경오염 및 환경파괴를 야기시키고 있어서, 그라운드 마운팅(지상의 공터를 확보해 태양광 발전을 하는 시스템)이 의미를 잃어 가고 있는 현실을 감안할 때, 본 발명은 향후 태양광 발전에 있어 건물과의 연계성이 더욱 강화되어 가고 있는 세계적인 추세에 따라 향후 건축물 신축시 에너지발전 관점에서 매우 유용하게 활용될 수 있는 기술이다.

Description

발전과 차양을 겸하는 건축물 일체형 태양광 발전장치{SUNSHADE WITH GENERATION AND PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION DEVICE WITH BUILDING AS ONE BODY}
본 발명은 발전과 차양을 겸하는 건축물 일체형(BIPV) 태양광 발전장치에 관한 것으로, 상세하게는 건축물의 창문(또는 창호) 전방에 설치되는 소정 크기의 태양전지모듈과, 상기 태양전지모듈이 태양을 향하도록 제어하는 자동 제어수단에 의해 보다 효율적인 그린(Green) 청정 발전(發電)과 건축물의 차양(遮陽)이 함께 이루어지도록 한 것이다.
태양광 발전은 무한의 청정에너지를 얻을 수 있어서 고갈되고 있는 화석에너지를 대체하는 수단으로 각광받고 있다. 상기 태양광 발전은 복수의 태양전지(광전지)를 모듈화시킨 태양전지모듈(photovoltaic module)을 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜 사용하고 있다.
또한 일사량이 많거나 무더위가 심한 봄ㆍ여름의 경우, 유리창문을 통하여 실내(室內)로 과도한 태양광 및/또는 태양열이 입사되어 눈부심이 심하고 실내에 비치된 각종 사무기 및 집기류의 탈색이 빨리 진행되거나, 실내로 입사되는 태양열에 의해 실내온도가 상승하면서 냉방효율이 떨어지는 등의 문제점이 있어서 커텐이나 브라인드 등의 차양수단을 사용하고 있다.
또한 건축물에 설치되는 창문은 채광이나 환기 이외의 다른 용도, 예컨대 창문 전면이나 전방에 채광이나 환기 용도 이외의 여타 시설물을 설치하는 경우 채광 및 환기 기능에 많은 지장을 초래하므로 여타 시설물들을 설치할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 건축물의 창문(또는 창호) 전방에 설치되는 태양전지모듈로 발전(發電)과 차양(遮陽)을 겸하는 건축물 일체형(BIPV) 태양광 발전장치를 제공함에 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 태양전지모듈의 크기와 빛투과도 및 창문과의 이격거리를 적절히 조절함으로써 최적의 채광과 차양(차광)효과를 얻을 수 있도록 함에 특징이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 건축물의 창문 전면에 각각 설치되는 태양전지모듈의 원격제어 및/또는 통합제어가 이루어지도록 함을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 건축물 일체형 창호시스템(BIPV)의 특성상 수직 고도 변화에 대응하지 못하는 단점을 보완하여 태양의 수평방향 변화를 자동으로 추적하여 태양전지모듈이 제어되게 함으로써 태양광 집광효율이 최대화되도록 함을 특징으로 한다.
태양광에 의한 전기발전(電氣發電)과 건축물의 실내 차양(遮陽)을 겸하는 본 발명 건축물 일체형 태양광 발전장치는, 건축물의 창문 전방으로 돌출되는 상하 구조부와, 상기 상하 구조부에 축설치되는 소정크기의 태양전지모듈과, 상기 태양전지모듈을 회전시키는 구동수단과, 상기 구동수단을 제어하는 제어수단과, 상기 제어수단에 접속되는 태양추적수단을 포함하여 구성되며, 태양을 향하도록 제어되는 태양전지모듈의 그림자에 의해 건축물의 실내 차양(Sunshade)이 이루어지도록 함을 특징으로 한다.
상기 태양전지모듈은, 상하프레임 및 좌우프레임으로 연결되는 사각형 프레임과, 상기 프레임에 설치되는 축부재와, 상기 축부재의 상ㆍ하단부에 각각 설치되는 축베어링과, 상기 프레임 전면부에 설치되는 투명유리와, 상기 투명유리에 소정 간격으로 설치되는 복수의 태양전지와, 상기 태양전지 주변에 형성되는 투명부와, 상기 태양전지의 같은 극성 끼리 연결하는 (+)(-) 연결선 및 출력단자를 포함하여 구성된다.
상기 구동수단은, 제어수단의 제어를 받는 서보모터와, 상기 서보모터의 정역회전을 직선왕복운동으로 변환하는 리드스크류와, 상기 리드스크류의 끝부분에 설치되어 출몰하는 로드와, 상기 로드를 하부프레임 일측에 축설치하는 축핀과, 상기 리드스크류가 축설치되는 고정부재를 포함하여 구성된다.
본 발명은 우리나라 사계절 기후변화 및 우중(雨中)시 시시각각 변하는 광량에 보다 효율적으로 대처하기 위해 광센서를 통한 웹(Web) 제어 또는 네트워크 제어를 함으로써 아침부터 저녁까지 태양 방향의 자동추적을 통해 태양광 집광효율을 극대화하고, 태양광 발전과 동시에 차양(遮陽-차광)을 통한 건축물 실내의 차양, 이를테면 음영조절기능을 수행하도록 구성된다.
종래 태양광 발전소는 지상에 설치되어 환경오염 및 환경파괴를 야기시키고 있어서, 그라운드 마운팅(지상의 공터를 확보해 태양광 발전을 하는 시스템)이 의미를 잃어 가고 있는 현실을 감안할 때, 본 발명은 향후 태양광 발전에 있어 건물과의 연계성이 더욱 강화되어 가고 있는 세계적인 추세에 따라 향후 건축물 신축시 에너지발전관점에서 매우 유용하게 활용될 수 있는 기술이다.
본 발명은 건축물의 창문 전방에 설치되는 태양전지모듈에 의해 그린(Green) 청정 발전(發電)과 더불어 건축물 실내의 차양(遮陽:차광)이 동시에 이루어지는 효과가 있다.
또한 본 발명은 태양전지모듈의 폭이나 크기, 빛투과도 및 창문과의 거리를 적절히 조절함으로써 최적의 채광과 차양효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 건축물 외부에 설치되는 태양전지모듈에 의해 건축물의 외부 디자인이 미려해지는 효과가 있다.
또한 본 발명에서 태양전지모듈이 태양을 마주보면서 따라 움직이므로 최적의 차양효율이 얻어지는 효과가 있다.
또한 본 발명은 창문 전방에 설치되는 태양전지모듈에 의해 차양설비가 불필요하거나 차양설비비용을 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 발전되는 전기에너지를 해당 건축물에 이용할 수 있어서 자가발전비율이 상승되어 전기에너지 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 태양전지모듈을 창문의 전방에 설치하여 사용하므로 공간활용도가 매우 우수하며, 종래처럼 태양전지모듈을 설치하기 위한 부지(토지)나 공간이 불필요하여 설치비용과 부대비용 등을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 구성이 간단하고 자동제어되므로 유지보수나 고장 등이 거의 발생하지않아 발전손실을 최소화할 수 있으며, 구조물의 안전성과 설치 및 조립의 단순화로 제조원가가 절감된다.
또한 본 발명은 건축물에 의해 보호되는 창문 전면에 설치되므로 강풍이나 지진에 의한 영향을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 일몰 후부터 일출시까지 자동제어방식으로 태양광 발전이 이루어지며, 수직으로 설치되는 축부재를 중심축으로 하여 회전하는 방식이므로 적은 힘으로도 태양전지모듈의 제어를 쉽게 달성할 수 있을 뿐 아니라, 축부재나 부품의 피로도를 줄일 수 있어 사용 수명이 연장되는 효과가 있다.
본 발명에서 태풍과 같이 한계 이상의 풍압이 작용되는 경우 제어수단의 설정부를 이용하여 태양전지모듈의 피해를 최소화할 수 있는 위치로 수동 회전시켜 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 태양추적장치와 제어수단에 의해 태양전지모듈이 태양을 향하도록 자동 제어되므로 태양광 발전효율이 극대화되며, 태양을 따라 움직이는 태양전지모듈에 의해 실내 차양(遮陽)이 이루어지는 등의 효과가 있는 매우 유용한 발명이다.
도 1 : 본 발명 일 예로 도시한 설치 상태 정면도.
도 2 : 본 발명 일 예로 도시한 설치 상태 평면도.
도 3 : 본 발명 일 예로 도시한 정면 사시도.
도 4 : 본 발명 일 예로 도시한 배면 사시도.
도 5 : 본 발명 일 예로 도시한 정면도.
도 6 : 본 발명 다른 예로 도시한 배면 사시도.
도 7 : 본 발명 일 예로 도시한 설치 상태 단면도.
도 8 : 본 발명 일 예로 도시한 태양추적수단의 구성도.
도 9 : 본 발명 일 예로 도시한 사용 상태 평면도로, 정면을 향하고 있는 상태.
도 10 : 본 발명 일 예로 도시한 사용 상태 평면도로, 태양을 추적하여 반시계 방향으로 회전한 상태.
도 11 : 본 발명 일 예로 도시한 사용 상태 평면도로, 태양을 추적하여 시계 방향으로 회전한 상태.
도 12 : 본 발명 일 예로 도시한 회로 블럭도.
도 13 : 본 발명 일 예로 도시한 제어 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일 부호로 기재하고, 관련된 공지구성이나 기능에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지가 모호해지지 않도록 생략한다.
도 1, 도 2는 본 발명 일 예로 도시한 건물일체형 태양광 발전장치(1)를 도시한 것으로, 건축물(3)의 벽이나 지붕 등에 개구부가 형성되고, 상기 개구부에는 채광, 환기, 디자인 등을 고려하여 소정 크기의 창호 또는 창문(4)이 설치되며, 본 발명에서는 상기 창문(4)으로부터 이격된 전방 또는 전면부에 소정 크기의 태양전지모듈(2)을 축설치하되, 태양추적수단(8)과 제어수단(8) 및 구동수단(7)에 의해 태양전지모듈(2)이 태양(SUN)을 향하도록 제어함으로써 최대의 발전효율을 얻도록 하고, 또한 태양전지모듈(2)의 그림자에 의해 건축물(3)의 실내 차양이 자연스럽게 이루어지도록 구성된다.
상기 태양전지모듈(2)은 구동수단(7)에 의해 소정 각도 범위내에서 회전할 수 있게 구성되며, 채광이나 환기를 위하여 창문(4)을 열고 닫을 때 영향을 주지 않는 위치에 소정크기로 축설치되며, 태양추적수단(8)과 제어수단(9) 및 구동수단(7)에 의해 태양을 향하도록 자동으로 제어되며, 또한 태양전지모듈(2)의 고장이나 유지보수 및 보다 많은 채광과 환기를 위하여 태양전지모듈(2)을 수동으로도 제어할 수 있게 구성된다.
상기 태양전지모듈(2)은 환기를 위하여 창문(4)을 개폐할 수 있도록 창문(4) 전방이나 전면부에 설치되거나, 창문(4)이 개폐되는 영역을 벗어난 전방에 설치되며, 채광이 이루어질 수 있도록 투명유리 내부 또는 투명유리 표면에 효율이 우수한 복수의 태양전지(Solar Cell)(17)가 설치된다.
본 발명에서 창문(4)을 통하여 채광과 환기가 큰 영향없이 이루어질 수 있도록 태양전지모듈(2)의 설치폭(가로폭)은 창문(4) 폭의 1/4 ~ 1/3 범위가 바람직하다.
물론, 창문(4)을 통한 채광과 환기가 이루어질 수 있도록 창문(4) 한개 건너, 또는 창문(4) 2개 건너마다 태양전지모듈(2)을 1개씩 설치할 수도 있으며, 창문(4)보다 좁은 폭으로 설치할 수 있다.
본 발명에서 태양전지모듈(2)의 폭이나 크기 및 창문(4)과의 이격거리 등을 조절하는 방법으로 10%~30%의 차양이 이루어지도록 함이 바람직하며, 또한 태양전지모듈(2)은 태양(SUN)을 마주보면서 따라 움직이므로 최적의 차양효율이 얻어지게된다.
본 발명은 태양전지모듈(2)을 창문(4) 전방에 설치하여 공간을 적극 활용하므로 종래처럼 태양전지모듈을 설치하기 위한 부지(토지)나 공간이 불필요하며, 설치효율과 공간이용율이 매우 우수하여 비용이 크게 절감된다.
도 3은 일 예로 도시한 상기 태양전지모듈(2)의 외관사시도이고, 도 4는 그 배면사시도이다.
상기 태양전지모듈(2)은, 금속재 또는 비(非)금속재로 된 상하프레임(11)(12) 및 좌우프레임(13)(14)으로 연결되는 사각형 프레임(15)과, 프레임(15) 전면부에 설치되는 투명유리(16)와, 투명유리(16)의 내부 또는 표면에 소정 간격으로 설치되고 효율이 우수한 태양전지(17:Solar Cell)와, 태양전지 주변의 투명부와, 태양전지(17)의 같은 극성 끼리 직렬연결이나 병열연결, 또는 직ㆍ병렬 혼합형으로 연결시켜 전력회로(電力回路)를 구성하는 (+)(-) 연결선(19)(20)과, 생산된(발전된) 전기에너지가 출력되는 출력단자(27)(28)가 구성된다.
상기 프레임(15)의 배면 일측이나 배면 중앙에는 축부재(18)가 수직으로 설치되며, 상기 축부재(18)의 상ㆍ하단부에는 복수의 고정홈(21a)(22a)이 형성된 축베어링(21)(22)이 각각 설치되고, 상기 축베어링(21)(22)은 도 7과 같이 창문(4) 상ㆍ하부에 창문(4)보다 전면으로 돌출되어 건축물(3)의 전면 일부를 구성하는 구조부(23)(24)의 저부면과 상부면에 각각 용접되거나, 또는 축베어링(21)(22)의 고정홈(21a)(22a)으로 끼워지는 체결부재에 의해 상기 구조부(23)(24)에 각각 체결 고정되며, 따라서 태양전지모듈(2)은 축부재(18) 및 축베어링(21)(22)에 의해 상기 구조부(23)(24) 부분에 수직으로 축설치된다.
상기 축부재(18)는 프레임(15) 배면에 용접 고정되거나, 축부재(18)에 고정된 브라켓(18a)(18b)(18c)이 볼트 및 볼트/너트 등의 체결부재에 의해 프레임(15)(50) 부분에 체결 고정된다.
상기 축부재(18)는 도 6과 같이 상부프레임(11)의 중앙 상부면과 하부프레임(12)의 중앙 하부면에 각각의 축베어링(21)(22)이 구비된 축부재(38)(39)를 각각 설치하여 구성할 수도 있으며, 이러한 경우 긴 길이의 축부재(18)에 의해 발생되는 음영을 줄일 수 있다.
본 발명에서 축부재(18)는 태양전지모듈(2)의 무게 중심을 고려하여 프레임(15)의 중앙부에 수직으로 설치하였으나, 물론 좌측프레임(13) 또는 우측프레임(14)의 배면에 수직으로 설치하거나, 좌측프레임(13) 또는 우측프레임(14)에 가까운 프레임(15) 배면에 수직으로 설치할 수 있다.
프레임(15)에는 축부재(18)를 중심으로 정회전 및 역회전하면서 태양전지모듈(2)이 태양(SUN)을 향하도록 구동시키는 구동수단(7)이 설치된다.
상기 구동수단(7)은, 제어수단(9)의 제어를 받는 서보모터(30)와, 서보모터(30)의 정역회전을 직선왕복운동으로 변환하는 리드스크류(31)와, 리드스크류(31)의 끝부분에 설치되어 출몰하는 로드(31a)와, 상기 로드(31a)를 하부프레임(12)의 일측에 축설치시키는 축핀(33)과, 리드스크류(31)가 설치되는 축부재(35)와, 축부재(35)가 설치되는 고정부재(34)로 구성되며, 상기 고정부재(34)는 건축물(3)의 전면 구조부(24)에 위치 이동할 수 있게 고정되며, 부호(32)는 로드(31a)를 따라 출몰하면서 로드(31a)를 보호하고 이물 유입등을 차단하는 신축부재이다.
상기 리드스크류(31)의 출몰정도는 서보모터(30)에 의해 정밀 제어되며, 서보모터(30)에 내장된 엔코더(도시안됨)에 의해 서보모터(30)의 회전정도 또는 각변위 등이 검출되어 제어수단(9)으로 입력 및 피드백되어 리드스크류(31)의 정밀동작과 태양전지모듈(2)의 정밀 제어가 이루어진다.
상기 리드스크류(31)의 전후부에는 근접스위치 등으로 구성되는 한계스위치(51)(52)가 부가 설치되어 리드스크류(31)의 동작 스트로크를 제한함으로써 서보모터(30) 및 리드스크류(31)의 고장이나, 동작 이상 등에 의해 리드스크류(31)의 과도한 동작을 억제함으로써 고장이나 파손 등이 예방된다.
상기 축부재(35)에 설치되는 리드스크류(31)는 용접 또는 체결부재나 밴드(36)등으로 고정되거나 설치된다.
상기 로드(31a)는 물론, 상부프레임(11)의 일측에 축설치할 수 있다.
예컨대, 도면으로 도시하지 않았지만, 축핀(33)을 이용하여 로드(31a) 단부를 상부프레임(11)의 일측에 축설치하고, 축부재(35)가 설치되는 고정부재(34)는 건축물(3)의 상부 전면 구조부(23)에 설치하면 될 것이다.
상기 태양전지(17)와 (+)(-) 연결선(19)(20)은 2장의 투명유리(16) 사이, 또는 낱장이나 여러장의 투명유리(16) 표면에 증착, 성막, 코팅, 피복 등의 방법으로 설치된 다음 그 표면에 보호막이 코팅되거나 피복 처리되며, 태양전지(17) 이외의 부분, 예컨대 도 7과 같이 투명유리(16)의 투명부를 통하여 일부의 태양광과 태양열이 투과되는 완전한 차양이 아닌 부분적인 차양효과가 있다.
상기 도 7에서 도면부호 A2는 태양전지(17)로 입사되어 전기발전되는 태양광과 태양열이고, A1은 태양전지(17) 사이의 투명부를 투과하는 태양광 및 태양열이다. 도 7에서 도면부호 40은 콘크리트 보이고, 41은 슬래브이고, 45는 반자이고, 42는 바닥재이고, 44는 벽이고, 46은 들창이고, 4a는 창문프레임이고, 37은 축부재 지지링이다.
본 발명에서 태양전지(17)와 (+)(-) 연결선(19)(20) 또한 투명에 가깝도록 구성하여 다량의 태양광과 태양열이 태양전지(17)를 통과할 수 있도록 구성하여 전기발전 효율은 유지하면서 실내 채광을 적절히 조절할 수 있다.
본 발명에서 태양전지모듈의 크기와 빛투과도 및 창문(4)과의 거리를 적절히 조절함으로써 최적의 채광과 차양효과를 얻을 수 있다.
상기 프레임(15)은 정사각형 또는 직사각형으로 구성할 수 있으며, 상하 또는 좌우로 길쭉한 장방형인 경우, 가로 또는 세로 방향으로 적어도 하나 이상의 보강프레임(50)을 설치하여 보강할 수 있다.
상기 상하프레임(11)(12) 및 좌우프레임(13)(14)의 전면부에 판상의 보조프레임(11a)(12a)(13a)(14a)을 각각 설치하여 투명유리(16)의 가장자리 부분이 프레임(15)에 지지 및 보강되도록 하고, 보조프레임(11a)(12a)(13a)(14a)과 투명유리(16) 사이에는 소정 경도의 고무재나 합성수지재로 된 지지부재(11b)(12b)(13b)(14b)에 의해 투명유리(16)가 완충 및 지지된다.
상기 태양전지(17)는 도 5에 예시한 것처럼 태양전지(16)와 태양전지(16) 사이의 거리(L1)는 소정의 태양광과 태양열이 투명유리(16)를 투과하여 창문(3)의 채광에 이용될 수 있도록 하고, 태양전지(17)와 지지부재(11b)(12b)(13b)(14b) 사이의 거리(L3)는 태양전지(16)의 폭(L2)보다 좁은 간격으로 유지된다.
상기 프레임(15)의 면적이 큰 경우 복수의 투명유리(16)를 사용할 수 있으며, 투명유리(16)의 결합부나 접촉부에는 지지프레임(50a)과 소정 경도의 고무재나 합성수지재로 된 지지부재(50b)를 이용하여 투명유리(16)가 완충 및 지지되게 구성하여, 투명유리(16) 단위 별로 전력회로(電力回路)를 구성하여 전기에너지를 취하거나, 또는 점퍼선으로 (+)(-) 연결선(19)(20)을 직렬이나 병열, 또는 직ㆍ병렬 혼합형으로 연결시켜 전력회로(電力回路)를 구성하여 전기에너지를 취할 수 있다.
상기 투명유리(16)는 태양전지(17)가 양호하게 고착되고, 외압이나 강한 풍압에 충분히 견딜 수 있는 특성의 유리이거나 강화유리이다.
도 8은 본 발명 일 예로 도시한 태양추적수단(8)의 구성도이다.
상기 태양추적수단(8)은 입구에 집광용 렌즈부가 구비되는 원통형 본체의 상하부 좌우측에 설치되는 4개의 광센서(D1)(D2)(D3)(D4)로 태양광의 차이에 의해 발생되는 전류값을 비교 연산하는 방법으로 태양 위치(방위각)를 추적하여 태양전지모듈(2)이 태양(SUN)을 향하도록 제어하게 된다.
상기 광센서(D1)(D2)(D3)(D4)는 포토다이오드 또는 포토트랜지스터 등을 예로 들수 있으며, 렌즈부는 태양의 초점거리를 맞추기 위한 높이조절기능을 담당한다.
상기 태양추적수단(8)은 도 8과 같이 상부 우측에 설치되는 광센서(D1)와, 상부 좌측에 설치되는 광센서(D2)와 하부 우측에 설치되는 광센서(D3)와, 하부 좌측에 설치되는 광센서(D4)를 비교하여 동서방향으로 이동하는 태양의 위치를 인식하여 추적하게 된다.
즉, 4개의 광센서(D1)(D2)(D3)(D4)를 통해 각각 입력되는 4가지의 전류값(UP-R)(UP-L)(DN-R)(DN-L)을 비교 연산부에서 비교 연산하여 태양의 위치를 계산하게되며, 이동방향 결정은 제어부에서 비교연산부의 전류 출력값을 읽어 들여 계산하여 출력부로 제어신호를 출력하게되고, 상기 출력신호는 제어수단(8)으로 입력되어, 서보모터(30)가 구동된다.
상기에서 태양(SUN)의 움직임은 동쪽에서 서쪽으로의 검출이 필요하므로 제어부 내에서는 현재의 시간에 따라 한 방향으로만 움직이도록 프로그램되어 태양전지모듈(2)의 정확한 위치제어(정역회전제어)가 가능해지며, 이는 일반적인 기술이므로 자세한 설명은 생략한다. 물론 다른 방식의 태양추적수단이나 장치를 이용할 수 있다.
도 12는 본 발명 일 예로 도시한 제어수단(9)의 회로블럭도로, PLC 또는 중앙처리장치 등으로 구성되는 제어부(C)의 입력에 모드(Mode)선택, 자동추적, 수동추적, 추적 온(ON)/오프(OFF), 통신모드 등의 선택 및 각종 데이터를 입력 및 설정할 수 있는 키패드 및 제어부(C) 이상시 초기화(Reset)시키는 리셋부 등으로 구성되는 설정부(S)와, 태양(SUN)의 위치를 자동으로 추적하는 태양추적수단(8)과, 태양전지모듈(2)의 과도한 회전, 또는 리드스크류(31)의 과도한 동작을 억제시키는 한계스위치(51)(52)가 각각 접속된다.
상기 제어부(C)의 출력에는 각종 동작상태ㆍ동작모드ㆍ설정값ㆍ현재값ㆍ각종 기기의 동작상태 등이 표시되는 표시부(D)와, 태양전지모듈(2)의 각변위, 회전방향, 동작속도, 또는 리드스크류(31)의 출몰 데이터를 제어부(C)로 입력하는 엔코더를 가진 서보모터(30)와, 각종 이상이나 동작상태 등을 경보광 및/또는 경보음으로 출력하는 경보부(A)가 접속되고, 상기 제어부(C)의 입ㆍ출력부에는 운영 프로그램 및 서보모터(30)를 제어하는 제어프로그램 등이 저장되는 메모리부와, 실내의 컴퓨터 또는 주 제어기(M)의 제어를 받거나 통신을 하거나 데이터를 주고 받을 수 있도록 통신인터페이스, 또는 유/무선 네트워크(N)가 접속된다.
상기 유/무선 네트워크(N)에는 복수의 태양전지모듈(2)을 제어하는 제어수단들이 각각 접속되어 원격제어 및 통합제어 된다.
본 발명은 우리나라 사계절 기후변화 및 우중(雨中)시 시시각각 변하는 광량에 보다 효율적으로 대처하기 위해 태양추적수단(8)을 통한 웹(Web) 제어 또는 유/무선 네트워크(N) 제어를 달성함으로써 아침부터 저녁까지 태양 방향을 자동추적하여 태양광 집광효율이 극대화되고, 태양광 발전과 동시에 차양(遮陽-차광)을 통한 건축물 실내의 차양, 이를테면 음영조절기능이 달성된다.
상기 제어부(C)의 출력에는 도면으로 도시하지 않았지만 서보모터(30)를 구동시키는 구동 드라이브가 접속되어 서보모터(30)가 안정적으로 정밀 구동된다.
상기 설정부(S)는 통상의 키패드, 스위치군, 터치스크린 등을 각각 또는 혼용할 수 있으며, 메모리부의 데이터는 제어부(C)에 의해 독출 및 갱신되고 엑츄에이터의 각종 제어와 표시 및 경보 등에 이용되며, 제어수단(9) 또는 주 제어기(M)를 통하여 새로 작성되거나 입력되는 데이터, 수정 데이터, 운영데이터 등은 통신인터페이스나 유/무선 네트워크(N)를 통하여 송수신 된다.
상기 표시부(D)는 전원공급 상태를 표시하는 전원표시등과, 각종 센서류 및 엑츄에이터 등의 동작 상태가 표시되며, 액정디스플레이(LCD), 세븐 세그먼트, 발광다이오드 등으로 복합 구성되거나 상황여건에 따라 터치스크린으로 표시부를 구성하여 사용의 편의를 도모할 수도 있다.
도 9는 태양(SUN)을 따라 태양전지모듈(2)이 정면을 향하고 있는 상태이고, 도 10은 태양(SUN)을 따라 로드(31a)가 몰입되면서 태양전지모듈(2)이 반시계 방향으로 회전한 상태이고, 도 11은 태양(SUN)을 따라 로드(31a)가 돌출되면서 태양전지모듈(2)이 시계방향으로 회전한 상태의 평면도이다.
도 13은 본 발명 제어수단(9)의 동작순서를 예시한 것으로, 제어수단(9)의 데이터를 리셋(Reset)시켜 초기화하는 단계(S1 단계), 설정부(S)를 통하여 각종 데이터를 설정하는 단계(S2 단계), 태양추적장치(8)의 광센서(D1)(D2)(D3)(D4) 감도를 적절히 설정하는 단계(S3 단계), 상기 광센서(D1)(D2)(D3)(D4)로부터 입력되는 입력값이 설정값을 초과하면 설정값 재설정단계로 돌아가고(S5 단계), 그렇지 아니한 경우 서보모터(30)의 초기위치를 찾는 단계, 즉 좌우측 광센서의 전류값 합이 우측 광센서의 전류값보다 작은 경우(R<L+R)이면 서보모터(30)의 초기위치로 인식하여 서보모터(30)가 회전하여 태양전지모듈(2)이 태양(SUN) 방향으로 회전하고, (S6 단계), 서보모터(30)의 위치가 초기위치가 아닌 경우 좌측 광센서와 우측 광센서의 중앙에 태양이 일치하도록 서보모터(30)를 제어(L=R)하는 단계(S8 단계), 그렇치 않는 경우 좌측 광센서의 전류값과 우측 광센서의 전류값을 비교하여 전류값이 큰 쪽으로 서보모터(30)를 회전시켜 서보모터(30)의 위치를 초기화시키는 단계로 이동하고(S9 단계), 좌측 광센서와 우측 광센서의 중앙에 태양이 일치하여 서보모터(30)의 위치가 초기화된 약 10분간 지연시켜 불필요한 동작을 배재시킨 다음 정상동작하는 단계(S10 단계)로 된다.
본 발명은 각각의 창문(4) 전방, 또는 일부 창문(4)의 전방에 설치되는 태양전지모듈(2)에 의해 생산된 전력은 해당 건축물(3)에 사용하거나, 축전후 사용하거나, 또는 상업용으로 판매할 수 있으며, 태양전지모듈(2)은 태양추적수단(8)과 제어수단(9) 및 구동수단(7)에 의해 태양(SUN)이 떠 있는 동안은 태양(SUN)을 향하도록 제어되므로 최대 효율의 전기발전이 이루어지며, 태양전지모듈(2)에 의해 발생되는 은은한 그림자에 의해 건축물(3)의 실내가 차양된다.
상기 태양전지모듈(2)은 테두리부(외곽)에 불투명의 프레임(15)이 있더라도 투명유리(16)의 투명부를 통하여 태양광이 투과되고, 다소 투명하거나 반투명의 태양전지(17)를 적용하는 경우 상기 태양전지(17)를 통하여 소량의 태양광이 투과되므로(불투명 태양전지를 제외한다) 창문을 통한 채광에 크게 방해받지 않는다.
본 발명에서 태양전지모듈(2)의 폭이나 크기 및 창문(4)과의 이격거리 등을 조절하는 방법으로 10%~30%의 차양이 이루어지며, 태양전지모듈(2)은 태양(SUN)을 마주보면서 따라 움직이므로 최적의 차양효율이 얻어지게된다.
본 발명은 태양전지모듈(2)을 창문(4) 전방에 설치하여 공간을 적극활용하므로 종래처럼 태양전지모듈을 설치하기 위한 부지(토지)나 공간이 불필요하며, 설치효율과 공간이용율이 매우 우수하여 비용을 크게 절감할 수 있다.
또한 구성이 간단하고 자동제어되므로 유지보수나 고장 등이 거의 발생하지않아 발전손실을 최소화할 수 있으며, 구조물의 안전성과 설치 및 조립의 단순화로 제조원가가 크게 절감된다.
또한 본 발명은 건축물(3)에 의해 보호되는 창문(4) 전면에 설치되므로 강풍이나 지진에 의한 영향을 최소화할 수 있으면서 제어(가동)가 쉬운 특징이 있으며, 태양추적수단(8)에 의해 태양(SUN)의 위치(각의 변화)를 검출하여 제어수단, 이를테면 운영프로그램 및 제어프로그램을 구비한 컴퓨터 등의 제어장치나 웹(WEB)제어를 통한 자동제어가 가능하여 태양광을 효율적으로 수광하여 최대효율의 발전을 달성할 수 있다.
또한 본 발명은 일출 후부터 일몰시까지 자동제어방식으로 태양광 발전이 이루어지며, 수직으로 설치되는 축부재(18 또는 38, 39)를 중심축으로 회전하는 방식이므로 적은 힘으로도 태양전지모듈(2)의 제어를 쉽게 달성할 수 있으며, 또한 축부재(18 또는 38, 39)나 각종 부품의 피로도를 줄일 수 있어 사용 수명이 연장된다.
본 발명은 발전에 필요한 태양전지모듈(2)와는 별도의 축전지(Battery)를 추가 설치하여 생산된 유휴전력을 축전시켜 사용할 수 있다.
본 발명 태양전지모듈(2)은 건축물(3) 외부에 설치되어 건축물의 외부 디자인이 미려해진다.
본 발명에서 태풍과 같이 한계 이상의 풍압에 의해 태양전지모듈(2)의 피해가 예상되는 경우 태양전지모듈(2)의 피해를 최소화할 수 있는 위치로 수동 회전시켜 보호할 수 있다. 상기 수동조작은 실내의 주 제어기(M) 또는 제어수단(9)의 설정부(S)를 이용하여 작업자가 실내에서 간편하게 제어하거나 전환시킬 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 발명은 본 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.
(1)--건물일체형 태양광 발전장치 (2)--태양전지모듈
(3)--건축물 (4)--창문(창호)
(5)(6)--회전축 (7)--구동수단
(8)--태양추적수단 (9)--제어수단
(11)(12)(14)(14)(15)(50)--프레임 (16)--투명유리
(19)(20)--연결선 (11a)(12a)(13a)(14a)--보조프레임
(11b)(12b)(13b)(14b)(50b)--지지부재 (17)--태양전지(Solar Cell)
(18)(38)(39)--축부재 (18a)(18b)(18c)--브라켓
(21)(22)--축베어링 (21a)(22a)--고정홈
(23)(24)--구조부 (25)(26)--체결부재
(27)(28)---출력단자 (50a)--지지프레임
(L1)--태양전지 사이의 거리 (L2)--태양전지의 폭
(L3)--태양전지와 지지부재 사이의 거리
(SUN)--태양

Claims (3)

  1. 구동수단과 태양추적수단 및 제어수단에 의해 태양전지모듈이 구동되는 건축물 일체형 태양광 발전장치를 구성함에 있어서;
    건축물(3)의 창문(4) 전방으로 돌출되는 상하 구조부(23)(24);
    상기 상하 구조부(23)(24)에 축설치되는 소정크기의 태양전지모듈(2);
    상기 태양전지모듈(2)을 구동시키는 서보모터(30);
    상기 서보모터(30)의 정역회전을 직선왕복운동으로 변환하는 리드스크류(31);
    상기 리드스크류(31)의 끝부분에 설치되어 출몰하는 로드(31a);
    상기 로드(31a)를 태양전지모듈(2)의 하부프레임(12) 일측에 축설치하는 축핀(33);
    상기 리드스크류(31)가 축설치되는 고정부재(34);
    를 포함하는 발전과 차양을 겸하는 건축물 일체형 태양광 발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서;
    태양전지모듈(17)은,
    상하프레임(11)(12) 및 좌우프레임(13)(14)으로 연결되는 사각형 프레임(15);
    상기 사각형 프레임(15)에 설치되는 축부재(18);
    상기 축부재(18)의 상ㆍ하단부에 각각 설치되는 축베어링(21)(22);
    상기 사각형 프레임(15) 전면부에 설치되는 투명유리(16);
    상기 투명유리(16)에 소정 간격으로 설치되는 복수의 태양전지(17);
    상기 태양전지(17) 주변에 형성되는 투명부;
    상기 태양전지(17)의 같은 극성 끼리 연결하는 (+)(-) 연결선(19)(20) 및 출력단자(27)(28);
    를 포함하는 발전과 차양을 겸하는 건축물 일체형 태양광 발전장치.
  3. 삭제
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