KR101079887B1

KR101079887B1 - 태양광 발전 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101079887B1
Application number: KR1020110046243A
Authority: KR
Inventors: 이옥재
Original assignee: 주식회사 해라이트; 이옥재
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2011-11-04

Abstract

태양의 방위각과 고도각을 추적하여 태양광 발전 효율을 향상시킨 태양광 발전 장치를 개시한다. 솔라셀과 음영판을 구비한 광추적센서에서 발생한 전압차를 제어부가 감지하고, 이를 통하여 회전방향 및 회전각도를 연산하여 태양광을 추적하는 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 광추적센서에서 발생한 전압차를 증폭하고, 이를 A/D변환한 값을 통하여 회전각도를 연산하고, 광추적센서의 각 분면에서 발생한 전압을 비교하여 회전방향을 결정하여 태양광을 추적하는 방법을 제공한다. 그리고, 비나 눈이 올 경우 태양광전지판에 쌓인 먼지가 제거될 수 있도록 하고, 태풍이 불 경우 구조물을 안전하게 유지할 수 있도록 할 수 있다.

Description

태양광 발전 방법 및 장치{PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION METHOD AND APPARATUS}

본 발명은 태양광 발전에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광의 궤도를 추적하여 발전효율을 극대화시킬 수 있는 태양광 발전 방법 및 장치에 관한 것이다.

태양광 발전은 태양광을 전기에너지로 변환시키는 기술로, 최근 신 재생에너지의 보급 확대 정책과 함께 연구 개발이 활발한 분야이다. 태양광 발전 장치는 일반적으로 태양전지로 구성된 모듈, 인버터, 축전지 및 태양광 추적장치 등으로 구성되는데, 태양광 발전의 장점으로는 에너지원이 청정하고 무제한적이라는 점에 있다. 또한, 유지/보수가 용이하고 무인화가 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 화석연료 등을 이용하는 기존의 발전장치와 비교하였을 때, 발전 효율이 낮다는 단점이 있다. 이러한 태양광 발전의 성능은 광전변환 효율로 평가될 수 있으며, 광전변환 효율을 향상시키기 위해 태양전지, 인버터 및 태양광 추적시스템 등에 관한 연구가 진행되고 있다. 특히, 태양광을 추적하여 태양광의 집광효율을 향상시키는 다양한 방법이 제안되고 있다. 태양광을 추적하는 방법에는 태양의 위치를 감지하기 위해 광센서를 이용하는 방법 또는 태양위치 계산프로그램을 이용하는 방법이 있다. 그러나 종래의 방법은 태양의 위치에 대한 정보인 방위각과 고도각의 계산을 위하여 복잡한 연산을 필요로 하거나 광센서의 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다

또한, 비가 오거나 바람이 강하여 태양광 발전을 제대로 수행할 수 없는 상황에서는 태양광 추적장치를 활용하는 방법이 제한적이라는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 태양광을 추적하여 집광효율을 증대시켜 태양광 발전의 효율을 향상시키고, 태양광 발전 장치의 유지 및 보수의 용이성을 향상시키는 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 태양광을 추적하여 집광효율을 증대시켜 태양광 발전의 효율을 향상시키고, 태양광 발전 장치의 유지 및 보수의 용이성을 향상시키는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 적어도 하나의 태양전지 모듈로 구성된 태양전지판과 적어도 하나의 솔라셀로 구성되고, 솔라셀에서 발생하는 전압을 출력하는 광추적센서와 광추적센서가 출력한 전압을 입력받아 A/D변환하여 태양전지판이 태양의 궤도를 추적할 수 있도록 회전방위각, 회전고도각, 방위각회전방향 및 고도각회전방향을 연산하는 제어부와 제어부에서 연산된 방위각회전방향과 회전방위각에 따라 태양전지판의 방위각을 변환시키는 방위각 변환부 및 제어부에서 연산된 고도각회전방향과 회전고도각에 따라 태양전지판의 고도각을 변환시키는 고도각 변화부를 포함한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명은 사용자가 입력한 초기방위각에 따라 태양전지판의 방위각을 설정하는 초기화 단계(a1)와 초기화단계(a1)에 이어, 광추적센서를 수직축으로 구획되는 제1사분면과 제4사분면의 솔라셀 전압인 V1+V4와 제2사분면과 제3사분면의 솔라셀 전압인 V2+V3을 측정하는 전압측정단계(a2)와 V1+V4 와 V2+V3의 전압차인 Va_out의 절대값을 증폭하여 출력하는 차동증폭단계(a3)와 차동증폭단계(a3)에서 얻은 출력값을 제어부가 입력받아 디지털값으로 A/D 변환하는 A/D변환단계(a4)와 (V1+V4)-(V2+V3)의 값과 미리 설정된 기준값을 비교하여 방위각회전방향을 결정하는 회전방향결정단계(a5)와 A/D변환단계(a4)에서 얻어진 디지털값으로부터 회전방위각을 연산하는 회전방위각결정단계(a6)와 회전방향결정단계(a5) 및 회전방위각결정단계(a6)에서 결정된 방위각회전방향과 회전방위각에 따라 방위각 변환부(500)를 구동시키는 방위각변환단계(a7)를 포함하는 방위각 모드와 사용자가 입력한 초기고도각에 따라 태양전지판의 고도각을 설정하는 초기화 단계(h1)와 초기화단계(h1)에 이어, 광추적센서를 수평축으로 구획되는 제1사분면과 제2사분면의 솔라셀 전압인 V1+V2와 제3사분면과 제4사분면의 솔라셀 전압인 V3+V4을 측정하는 전압측정단계(h2)와 V1+V2 와 V3+V4의 전압차인 Vh_out의 절대값을 증폭하여 출력하는 차동증폭단계(h3)와 차동증폭단계(h3)에서 얻은 출력값을 제어부가 입력받아 디지털값으로 A/D 변환하는 A/D변환단계(h4)와 (V1+V2)-(V3+V4)의 값과 미리 설정된 기준값을 비교하여 고도각회전방향을 결정하는 회전방향결정단계(h5)와 A/D변환단계에서 얻어진 디지털값으로부터 회전고도각을 연산하는 회전고도각결정단계(h6)와 회전방향결정단계(h5) 및 회전고도각결정단계(h6)에서 결정된 고도각회전방향과 회전고도각에 따라 고도각 변환부를 구동시키는 고도각변환단계(h7)를 포함하는 고도각 모드를 구성된 태양광 발전 방법을 제공한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 태양광 발전 장치는 솔라셀로 구성된 광추적센서에 의해 출력되는 전압을 통하여 회전방위각, 회전고도각, 방위각회전방향 및 고도각회전방향을 연산하여 태양의 궤도를 추적하여 태양광 발전할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에서 제공하는 광추적센서는 솔라셀과 음영판의 간단한 구조되어 있어 제작이 용이한 장점이 있다.

그리고, 본 발명은 태양의 방위각과 고도각을 추적하여 태양광 발전의 효율을 향상시킬뿐 아니라, 비나 눈이 올 경우 태양전지판을 세척할 수 있다. 또한, 풍력발전부에 의해 발전되는 전력이 일정 전력이상인 경우에 태양전지판이 지면과 수평이 되도록 하여, 태풍이나 돌풍으로 인하여 태양광 발전구조물이 파손되는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광추적센서와 습도센서를 구비한 태양광 발전 장치에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전부를 구비한 태양광 발전 장치 및 방위각의 회전방향을 도시한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전부를 구비한 태양광 발전 장치 및 고도각의 회전방향을 도시한다.
도 4는 도 1에 도시된 일 실시예에 따라 태양전지판에 장착된 광추적센서와 습도센를 상세히 나타낸 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광추적센서 및 광추적센서가 수직축과 수평축으로 구획됨을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로, 태양의 방위각을 감지하는 광추적센서를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로, 태양의 고도각을 감지하는 광추적센서를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로, 태양광 발전 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광추적센서와 습도센서를 구비한 태양광 발전 장치에 대한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명인 태양광 발전 장치는 태양광 모듈(110)로 구성된 태양전지판(100), 광추적센서(200), 습도센서(120), 방위각 변환부(400) 및 고도각 변환부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 태양전지판(100)은 적어도 하나의 태양전지 모듈(110)로 구성되고, 태양전지판(100)의 방향을 변환시킬 수 있는 방위각 변환부(400)및 고도각 변화부(500)와 연결되어 있다. 광추적센서(200)는 적어도 하나의 솔라셀로 구성되어 있으며, 솔라셀에서 발전된 전압을 통하여 태양광을 추적한다.

또한, 제어부(도 8에서 300 참조)는 광추적센서(200)에서 출력한 전압을 입력받아 A/D변환하여 태양전지판(100)이 태양의 궤도를 추적할 수 있도록 회전방위각, 회전고도각, 방위각회전방향 및 고도각회전방향을 연산한다. 제어부(300)는 MCU(Micro Controller Unit) 또는 MPU(Micro Processor Unit)로 구성될 수 있으며, 다수의 입력포트와 출력포트를 구비할 수 있다. 또한 제어부(300)는 가로등을 제어하는 시스템에 장착될 수 있다.

방위각 변환부(400)는 제어부(300)에서 연산된 방위각회전방향과 회전방위각을 입력받아 태양전지판(100)의 방위각을 변환시키며, 방위각을 변환시키기 위해 구동모터, 기어 등을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 고도각 변환부(500)는 제어부(300)에서 연산된 고도각회전방향과 회전고도각을 입력받아 태양전지판(100)의 고도각을 변환시키며, 고도각을 변환시키기 위해 구동모터, 기어 등을 포함할 수 있다. 습도센서(120)는 태양전지판(100)상에 장착되어 습도를 측정하며, 측정된 습도정보를 제어부(300)로 출력하여 제어부(300)가 우천여부를 판별할 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전부를 구비한 태양광 발전 장치 및 방위각의 회전방향을 도시한다.

도 2를 참고하면, 본 발명인 태양광 발전 장치는 풍력발전부(600)를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명인 태양광 발전 장치는 가로등의 등주에 설치될 수 있으며, 가로등의 등주에 태양광 발전 장치 및 풍력발전부(600)를 동시에 설치한 하이브리드 형태를 가질 수 있다. 도 2에서 풍력발전부(600)는 태양광전지판(100)의 상측에 설치된 것으로 도시되었으나, 태양광전지판(100)의 하측 또는 측면에 설치될 수 있음을 물론이고, 위치에 있어 특별한 한정은 없다. 도 2에 도시된 바와 같이, 방위각(Φ)은 정동향을 기준으로 시계방향으로 측정될 수 있다. 방위각 변환부(400)는 태양전지판(100)의 방위각을 변환시킬 수 있으며, 방위각회전방향은 시계방향(CW)과 반시계방향(-CW)로 설정된다.

또한, 방위각 변환부(400)는 고도각 변환부(500)의 하단에 위치하는 것이 바람직하나, 고도각 변환부(500)의 상단에 위치할 수도 있다. 그리고 방위각(Φ)는 정동향에서 정서향까지 180도의 범위로 설정될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전부를 구비한 태양광 발전 장치 및 고도각의 회전방향을 도시한다.

도 3을 참고하면, 고도각(θ)은 지면과 수평한 방향을 기준으로 측정된다. 태양광전지판(100)이 지면과 수평인 경우에 고도각(θ)은 0도가 되고, 태양광전지판(100)이 지면과 수직한 경우에 고도각(θ)은 90도가 된다. 따라서, 고도각(θ)이 증가하는 방향이 θ방향이고, 고도각(θ)이 감소하는 방향이 -θ방향이다. 또한, 고도각(θ)은 0도에서 70도의 범위로 설정될 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 일 실시예에 따라 태양전지판에 장착된 광추적센서와 습도센서를 상세히 나타낸 확대도이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광추적센서 및 광추적센서가 수직축과 수평축으로 구획됨을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광추적센서(200)와 습도센서(120)는 태양전지판(100)상에 설치될 수 있다.

특히, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 광추적센서(200)는 태양전지판(100)의 중앙에 설치되는 것이 바람직하고, 수평축과 수직축에 의해 사분면으로 구획되며, 구획된 각각의 분면의 면적은 동일하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 광추적센서(200)는 태양전지판(100)이 회전변환되는 축상에 설치될 수 있는데, 이를 통하여 태양전지판(100)상에 설치된 광추적센서(200)가 태양의 위치를 정확하게 감지하여 전압을 출력할 수 있다.

또한, 본 발명은 광추적센서(200)가 사분면으로 구획되고, 각각의 분면은 동일한 수의 솔라셀을 구비한 것을 특징으로 할 수 있다. 도 5의 (b)에 나타난 바와 같이, 광추적센서(200)는 오른쪽 상단부터 반시계방향으로 제1사분면, 제2사분면, 제3사분면, 제4사분면의 4개의 분면으로 구획된다. 그리고 설명의 편의를 위하여 제1사분면에 위치한 솔라셀에서 발생하는 전압을 V1, 제2사분면에 위치한 솔라셀에서 발생하는 전압을 V2, 제3사분면에 위치한 솔라셀에서 발생하는 전압을 V3 및 제4사분면에 위치한 솔라셀에서 발생하는 전압을 V4라 지칭한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예로, 태양의 방위각을 감지하는 광추적센서를 도시한다. 도 6을 참조하면, 광추적센서(200)는 태양의 궤도에 따라 광추적센서(200)를 구성하는 각각의 분면에 위치한 솔라셀상에 그림자를 발생시키는 음영판(210)을 구비한다. 음영판(210)은 광추적센서(200)를 4개의 분면으로 구획하는 수평축과 수직축을 기준으로 각각 설치되며, 아치형으로 상기 수평축과 수직축의 교점을 중심으로 같은 높이로 세워지는 것을 특징으로 할 수 있다. 광추적센서(200)가 구비한 음영판(210)이 수평축과 수직축의 교점에서 만나며, 교점부분에서의 높이가 가장 높게 설치된 띠형태인 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 광추적센서(200)와 음영판(210)사이에 빈 공간을 두어 빗물, 눈 또는 오염물질이 쌓이는 것을 방지할 수 있다.

도 6의 (a)는 태양이 광추적센서(200)의 왼쪽 방향에 위치한 경우를 도시한다. 태양이 광추적센서(200)의 중심을 기준으로 왼쪽에 위치하면, 오른쪽 분면인 제1사분면과 제4사분면에 그림자(음영)이 발생하고, 왼쪽 분면인 제2사분면과 제3사분면에는 그림자(음영)이 발생하지 않는다. 이러한 경우, 오른쪽 분면에서 발생하는 전압(V1+V4)은 왼쪽 분면에서 발생하는 전압(V2+V3)보다 작게된다. 즉, (V1+V4)＜(V2+V3)인 경우에 태양이 광추적센서(200)의 중심을 기준으로 왼쪽에 위치함을 감지할 수 있고, 제어부(300)는 방위각 변환부(400)를 통하여 태양전지판(100)을 시계방향(CW)으로 회전하도록 한다.

도 6의 (b)는 태양이 광추적센서(200)의 중심을 기준으로 오른쪽에 위치한 경우를 도시하였고, 이 경우에는 광추적센서(200)는 (V1+V4)＞(V2+V3)인 전압을 출력하여 태양전지판(100)을 반시계방향(-CW)으로 회전하도록 한다. 여기서, (V1+V4)-(V2+V3)의 값을 출력전압 Va_out으로 정의할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예로, 태양의 고도각을 감지하는 광추적센서를 도시한다. 도 7의 (a)를 참조하면, 태양이 광추적센서(200)의 중심을 기준으로 위쪽에 위치하면, 아래쪽 분면인 제3사분면과 제4사분면에 그림자(음영)이 발생하고, 위쪽 분면인 제1사분면과 제2사분면에는 그림자가 발생하지 않는다. 이러한 경우, 아랫쪽 분면에서 발생하는 전압(V3+V4)은 위쪽 분면에서 발생하는 전압(V1+V2)보다 작게된다. 즉, (V1+V2)＞(V3+V4)인 경우에 태양이 광추적센서(200)의 중심으로 기준으로 위쪽에 위치함을 감지할 수 있고, 제어부(300)는 고도각 변환부(500)를 통하여 태양전지판(100)을 -θ방향으로 회전하도록 한다. 도 7의 (b)는 태양이 광추적센서(200)의 중심을 기준으로 아랫쪽에 위치한 경우를 도시하였고, 이 경우에는 광추적센서(200)는 (V1+V2)＜(V3+V4)인 전압을 출력하여 태양전지판(100)을 θ으로 회전하도록 한다. 여기서, (V1+V2)-(V3+V4)을 출력전압 Vh_out로 정의할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예로, 가로등용 추적식 태양광 발전장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 제어부(300)는 다수의 입력포트와 출력포트를 구비하고, 입력포트에는 광추적센서(200), 습도센서(120), 풍력발전부(600), 설정부(700)가 연결될 수 있고, 출력포트에는 방위각 변환부(400), 고도각 변환부(500), 표시부(800)가 연결될 수 있다.

제어부(300)는 비가 오거나 눈이 오는 경우에 습도센서(120)에 의해 측정된 습도를 입력받아, 일정 습도 이상인 경우에 태양전지판(100)의 고도각이 제1각도가 되도록 고도각 변환부(400)를 구동시키도록 할 수 있다. 또한, 제1각도는 60도 내지 70도인 것이 바람직하다. 이를 통하여, 태양광전지판(100)에 쌓인 먼지를 세척하거나 눈이 쌓이지 않도록 할 수 있다.

또한, 제어부(300)는 태풍이나 돌풍 등으로 풍력발전부(600)에 의해 발전되는 전력이 일정전력 이상인 경우 태양전지판(100)의 고도각이 제2각도가 되도록 고도각 변환부(500)를 구동시킬 수 있다. 또한, 제2각도는 약 0도인 것이 바람직하다. 이를 통하여 바람에 대한 저항을 최소화하여 태양광전지판(100)을 강풍으로부터 보호할 수 있다. 그리고 설정부(700)를 통하여 초기상태, 회전방향, 회전각도 등을 입력 또는 설정할 수 있으며, 표시부(800)는 태양광 발전 장치의 설정상태 또는 입력된 정보를 표시할 수 있다.

본 발명은 방위각 모드, 고도각 모드, 청소 모드 및 안전 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 방법을 제공한다.

각 모드에 대해 제어부(300)의 동작을 중심으로 실시 예를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 광추적센서에 의해 출력된 전압(V_out)는 아날로그 값으로서 제어부(300)에 의해 7bit PCM(Pulse Code Modualtion) 변환되어 방위각 또는 고도각의 회전각도를 표현하는 비트로 사용되고, 8번째 비트인 MSB(Most Significant Bit)는 방위각 또는 고도각의 회전방향을 표현하는 비트로 사용된다. 이 때 V_out는 방위각 모드와 고도각 모드를 구별하기 위하여, 방위각 모드에서는 Va_out, 고도각 모드에서는 Vh_out로 정의한다. 동작절차는 방위각 모드를 실행하고 고도각 모드를 실행하는 것이 바람직하다.

먼저, 방위각 모드는 태양의 방위를 추적하는 방법으로, 사용자가 입력한 초기방위각에 따라 태양전지판(100)의 방위각을 설정하는 초기화단계(a1)와 초기화단계(a1)에 이어, 광추적센서(200)를 수직축으로 구획되는 제1사분면과 제4사분면의 솔라셀 전압인 V1+V4와 제2사분면과 제3사분면의 솔라셀 전압인 V2+V3을 측정하는 전압측정단계(a2)와 V1+V4 와 V2+V3의 전압차인 Va_out의 절대값을 증폭하여 출력하는 차동증폭단계(a3)와 차동증폭단계(a3)에서 얻은 출력값을 제어부(300)가 입력받아 디지털값으로 A/D 변환하는 A/D변환단계(a4)와 (V1+V4)-(V2+V3)의 값과 미리 설정된 기준값과 비교하여 방위각회전방향을 결정하는 회전방향결정단계(a5)와 A/D변환단계(a4)에서 얻어진 디지털값으로부터 회전방위각을 연산하는 회전방위각결정단계(a6)와 회전방향결정단계(a5) 및 회전방위각결정단계(a6)에서 결정된 방위각회전방향과 회전방위각에 따라 방위각 변환부(500)를 구동시키는 방위각변환단계(a7)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

방위각 모드의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 방위각(Φ)은 일출시에 동향에서(정동향을 기준으로 0도에 근접) 시작하여 시간이 경과함에 따라 서향(정동향을 기준으로 180도에 근접)으로 움직이고, 일몰이 되면 방위각은 동향으로 움직여 정동에서 멈춘다. 여기서, 동향에서 서향으로 회전하는 시계방향(CW)에 따른 MSB 값을 [0]으로, 서향에서 동향으로 회전하는 반시계방향(-CW)에 따른 MSB 값을 [1]로 설정할 수 있다. 방위각 모드에서 Va_out의 절대값을 증폭한 값을 7bit 변환한 코드값에 대한 예시는 표 1과 같다.

MSB	6	5	4	3	2	1	0
128	64	32	16	8	4	2	1
0	0	0	0	0	0	0	1	▶1: 정동향(0°회전)
0	1	0	0	0	0	0	0	▶64:정남향(90°회전)
1	1	1	1	1	1	1	1	▶127: 정서향(180°회전)

방위각은 정동향에서 정서향까지 180도의 범위내에서 동작하고, 이는 180도를 126등분한 것으로 1도/0.7의 분해능을 갖는다. 태양전지판(100)을 정동향으로 설치하고 초기화단계(a1)에서 정남향 및 회전방향 시계방향(CW)으로 설정하면, 정남향 코드값[0 1000000]-정동향 코드값[0 0000001]의 절대값은 63(63/0.7= 90도)이므로, 태양전지판(100)은 정동향에서 90도만큼 시계방향(CW)으로 회전하여 정남을 향한다. 정동향에서 정서향으로 이동하는 태양을 추적하는 경우를 예를 들어 설명하면, 초기화단계(a1)에서 설정된 초기값(정남향)은 [0 1000000]이고 Va_out의 절대값을 증폭한 값을 7bit 변환한 값이 [0 1001010]일 경우, [0 1001010]-[0 1000000]의 절대값은 10(10/0.70=14.3도)이므로, 태양전지판(100)은 정남향에서 시계방향(CW)으로 14.3도 회전(방위각이 90도에서 104.3도로)한다.

이에, 본 발명은 초기화단계(a1)에서 초기방위각은 정동향을 기준으로 90도이고, 회전방위각결정단계(a6)에서 회전방위각은 정동향에서 정서향까지 180도 범위 내로 설정할 수 있다. 또한, A/D변환단계(a4)에서 상기 Va_out의 절대값을 증폭한 값을 7bit의 디지털신호로 변환하고, 회전방향결정단계(a5)에서 (V1+V4)-(V2+V3)값이 미리 설정된 기준값보다 큰 경우는 8번째 bit인 MSB(Most Significant bit) 값을 1로 결정하고, (V1+V4)-(V2+V3)값이 미리 설정된 기준값보다 작은 경우는 8번째 bit인 MSB 값을 0로 결정하는 방위각 모드를 특징으로 하는 가로등용 추적식 태양광 발전 방법을 제공한다. 이때 MSB 값이 0인 경우 방위각회전방향은 시계방향(CW)이고, MSB 값이 1인 경우에는 방위각회전방향은 반시계방향(-CW)으로 할 수 있다.

그리고, 고도각 모드는 태양의 고도를 추적하는 방법으로, 사용자가 입력한 초기고도각에 따라 태양전지판의 고도각을 설정하는 초기화단계(h1)와 초기화단계(h1)에 이어, 광추적센서(200)를 수평축으로 구획되는 제1사분면과 제2사분면의 솔라셀 전압인 V1+V2와 제3사분면과 제4사분면의 솔라셀 전압인 V3+V4을 측정하는 전압측정단계(h2)와 V1+V2 와 V3+V4의 전압차인 Vh_out의 절대값을 증폭하여 출력하는 차동증폭단계(h3)와 차동증폭단계(h3)에서 얻은 출력값을 제어부(300)가 입력받아 디지털값으로 A/D 변환하는 A/D변환단계(h4)와 (V1+V2)-(V3+V4)의 값과 미리 설정된 기준값을 비교하여 고도각회전방향을 결정하는 회전방향결정단계(h5)와 A/D변환단계에서 얻어진 디지털값으로부터 회전고도각을 연산하는 회전고도각결정단계(h6)와 회전방향결정단계(h5) 및 상기 회전고도각결정단계(h6)에서 결정된 상기 고도각회전방향과 상기 회전고도각에 따라 고도각 변환부(500)를 구동시키는 고도각변환단계(h7)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

고도각 모드의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 고도각(θ)은 일출시에 70도에 근접한 값에서 시작하여 정오시간이 되면 0도 방향에 근접한 방향으로 움직이며, 정오에서 일몰로 진행됨에 따라 다시 70도에 근접한 방향으로 움직여 일몰이 되면 동작을 멈출 수 있다. 여기서, 고도각회전방향이 θ방향인 경우 MSB 값을 [0]으로, 고도각회전방향이 -θ방향인 경우 MSB 값을 [1]로 설정할 수 있다. 고도각 모드에서 Vh_out의 절대값을 증폭한 값을 7bit 변환한 코드값에 대한 예시는 표 2와 같다.

MSB	6	5	4	3	2	1	0
128	64	32	16	8	4	2	1
0	0	0	0	0	0	0	1	▶1: 수평면과 0°
0	1	0	0	0	0	0	0	▶64:수평면과 45°
1	1	1	1	1	1	1	1	▶127:수평면과 90°

고도각은 지면과 수평에서 수직까지 90도의 범위에서 동작이 가능하고, 이는 90도를 126등분한 것으로 1도/1.4의 분해능을 갖는다. 태양전지판(100)을 고도각 0도가 되도록 설치하고, 초기화단계(h1)에서 고도각 30도 및 회전방향 θ방향을 설정하면, 30도의 코드값[0 0101011]-0도의 코드값[0 0000001] 의 절대값은 42(42/1.4=30도)이므로, 태양전지판(100)은 θ방향으로 30도 회전한다. θ방향으로 회전하는 경우(태양의 고도가 감소)를 예를 들어 설명하면, 초기화단계(h1)에서 설정된 초기값(고도각 30도)은 [0 0101011]이고 Vh_out의 절대값을 증폭한 값을 7bit 변환한 값이 [0 1001110]일 경우, [0 1001110]-[0 0101011]의 절대값은 35(35/1.4=25도)이므로, 태양전지판(100)은 θ방향으로 25도 회전(고도각이 30도에서 55도로)한다.

이에 본 발명은 초기화단계(h1)에서 초기고도각은 30도이고, 회전고도각결정단계(h6)에서 회전고도각은 90도 범위 내에 설정될 수 있다. 또한, A/D변환단계(h4)에서 Vh_out의 절대값을 증폭한 값을 7bit의 디지털신호로 변환하고, 회전방향결정단계(a5)에서 (V1+V2)-(V3+V4)값이 미리 설정된 기준값보다 큰 경우는 8번째 bit인 MSB(Most Significant bit) 값을 1로 결정하고, (V1+V2)-(V3+V4)값이 미리 설정된 기준값보다 작은 경우는 8번째 bit인 MSB 값을 0로 결정할 수 있고, MSB 값이 0인 경우 상기 고도각회전방향은 θ 방향이고, 상기 MSB 값이 1인 경우에는 상기 고도각회전방향은 -θ 방향인 고도각 모드를 특징으로 할 수 있다. 즉, MSB의 값은 방위각 또는 고도각의 회전방향을 결정하는 변수이며, 나머지 7bit의 값은 회전각도를 결정하는 변수이다. 여기서 미리 설정된 기준값은 0일 수 있다.

또한, 청소 모드는 습도센서(120)에 의해 측정된 습도가 일정 습도이상인 경우에는 고도각 모드를 일시 정지하고, 태양전지판(100)을 회전시켜 고도각(θ)이 제1각도가 되도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 방법이다.

청소 모드를 실시 예와 함께 상세히 설명하면, 청소 모드는 방위각은 유지하고 고도각을 70도로 변화시켜, 비가 올 때 빗물에 의해 태양전지판(100)을 청소하고, 눈이 오더라도 태양전지판(100)에 눈이 쌓이지 않도록 한다. 예를 들어 고도각이 45도일 때 비가 오면, 고도각 70도(701.4+1=99)는 [0 1100011]로 표현되고 고도각 45도(451.4+1=64)는 [0 1000000]로 표현될 수 있으므로, [0 1100011]-[0 1000000]의 절대값인 35(35/1.4=25도)만큼 θ방향으로 태양전지판(100)이 회전(고도각이 45도에서 70도로)한다. 그리고 비나 눈이 멈추면 고도각이 초기화단계(h1)에 의해 고도각 30도로 복귀할 수 있다.

또한, 안전 모드는 풍력발전부(600)에 의해 발전되는 전력이 일정 전력이상인 경우에는 고도각 모드 및 청소 모드를 일시 정지하고, 태양전지판(100)을 -θ방향으로 회전시켜 고도각이 제2각도가 되도록 한다.

안전 모드를 실시 예와 함께 상세히 설명하면, 방위각은 유지하고 고도각을 0도로 변화시켜 태양전지판(100)이 지면과 수평을 유지하도록 한다. 이를 통하여 바람에 대한 저항을 최소화시켜 구조물을 강풍으로부터 보호할 수 있다. 예를 들어 고도각이 45도일 때 태풍이 불면, 고도각 0도는 [1 0000001]로 표현되고 고도각 45도는 [1 1000000]로 표현될 수 있으므로, [1 0000001]-[1 1000000]의 절대값은 63(63/1.4=45도)만큼 -θ방향으로 태양전지판(100)이 회전(고도각이 45도에서 0도로)한다. 그리고 태풍이 멈추면 고도각이 초기화단계(h1)에 의해 고도각 30도 복귀할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 태양광전지판 110: 태양전지 모듈
120: 습도센서 200: 광추적센서
210; 음영판 300: 제어부
400: 방위각 변환부 500: 고도각 변환부
600: 풍력발전부 700: 설정부
800:표시부

Claims

적어도 하나의 태양전지 모듈로 구성된 태양전지판;
적어도 하나의 솔라셀로 구성되고, 상기 솔라셀에서 발생하는 전압을 출력하며 상기 태양전지판의 중앙에 위치하며, 수평축과 수직축에 의해 사분면으로 구획되어 각각의 분면은 동일한 수의 솔라셀를 구비하는 광추적센서;
상기 광추적센서가 출력한 상기 전압을 입력받아 A/D(Analog to Digital)변환하여 상기 태양전지판이 태양의 궤도를 추적할 수 있도록 회전방위각, 회전고도각, 방위각회전방향 및 고도각회전방향을 연산하는 제어부;
상기 제어부에서 연산된 상기 방위각회전방향과 상기 회전방위각에 따라 상기 태양전지판의 방위각을 변환시키는 방위각 변환부; 및
상기 제어부에서 연산된 상기 고도각회전방향과 상기 회전고도각에 따라 상기 태양전지판의 고도각을 변환시키는 고도각 변화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 광추적센서는 태양의 궤도에 따라 그림자가 상기 솔라셀 상에 발생할 수 있도록 상기 수평축과 수직축을 기준으로 음영판이 각각 구비된 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
제 3항에 있어서,
상기 음영판은 아치형으로 상기 수평축과 수직축의 교점을 중심으로 같은 높이로 세워진 띠형태인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 광추적센서가 수직축으로 구획되는 제1사분면과 제4사분면의 솔라셀 전압인 V1+V4와 제2사분면과 제3사분면의 솔라셀 전압인 V2+V3의 크기를 비교하여 상기 방위각회전방향과 상기 회전방위각을 결정하여 상기 방위각 변환부를 구동시키고,
상기 광추적센서가 수평축으로 구획되는 제1사분면과 제2사분면의 솔라셀 전압인 V1+V2와 제3사분면과 제4사분면의 전압인 V3+V4의 크기를 비교하여 상기 고도각회전방향과 상기 회전방위각을 결정하여 상기 고도각 변환부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
제 5항에 있어서,
습도센서 및 풍력발전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
제 6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 습도센서에 의해 측정된 습도를 입력받아, 일정 습도 이상인 경우에 상기 태양전지판의 고도각이 제1각도가 되도록 상기 고도각 변환부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
제 6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 풍력발전부에 의해 발전되는 전력이 일정 전력 이상인 경우에 상기 태양전지판의 고도각이 제2각도가 되도록 상기 고도각 변환부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
초기방위각에 따라 태양전지판의 방위각을 설정하는 초기화단계(a1);
상기 초기화단계(a1)에 이어, 광추적센서가 수직축으로 구획된 제1사분면과 제4사분면의 솔라셀 전압인 V1+V4와 제2사분면과 제3사분면의 솔라셀 전압인 V2+V3을 측정하는 전압측정단계(a2);
상기 V1+V4 와 V2+V3의 전압차인 Va_out의 절대값을 증폭하여 출력하는 차동증폭단계(a3);
상기 차동증폭단계(a3)에서 출력된 상기 Va_out의 절대값을 증폭한 값을 7bit의 디지털신호로 A/D 변환하는 A/D변환단계(a4);
(V1+V4)-(V2+V3)값이 미리 설정된 기준값보다 큰 경우는 8번째 bit인 MSB(Most Significant bit) 값을 1로 결정하고, (V1+V4)-(V2+V3)값이 미리 설정된 기준값보다 작은 경우는 8번째 bit인 상기 MSB 값을 0로 결정하여 방위각회전방향을 결정하는 회전방향결정단계(a5);
상기 A/D변환단계(a4)에서 얻어진 상기 디지털신호로부터 회전방위각을 연산하는 회전방위각결정단계(a6);
상기 회전방향결정단계(a5) 및 상기 회전방위각결정단계(a6)에서 결정된 상기 방위각회전방향과 상기 회전방위각에 따라 방위각 변환부를 구동시키는 방위각변환단계(a7)를 포함하는 방위각 모드를 특징으로 하는 태양광 발전 방법.
제 9항에 있어서,
상기 초기화단계(a1)에서 초기방위각은 정동향을 기준으로 90도이고,
상기 회전방위각결정단계(a6)에서 회전방위각은 정동향에서 정서향까지 180도 범위 내인 방위각 모드를 특징으로 하는 태양광 발전 방법.
삭제
제 9항에 있어서,
상기 MSB 값이 0인 경우 상기 방위각회전방향은 시계방향(CW)이고, 상기 MSB 값이 1인 경우에는 상기 방위각회전방향은 반시계방향(-CW)인 방위각 모드를 특징으로 하는 태양광 발전 방법.
초기고도각에 따라 태양전지판의 고도각을 설정하는 초기화단계(h1);
상기 초기화단계(h1)에 이어, 광추적센서가 수평축으로 구획된 제1사분면과 제2사분면의 솔라셀 전압인 V1+V2와 제3사분면과 제4사분면의 솔라셀 전압인 V3+V4을 측정하는 전압측정단계(h2);
상기 V1+V2 와 V3+V4의 전압차인 Vh_out의 절대값을 증폭하여 출력하는 차동증폭단계(h3);
상기 차동증폭단계(h3)에서 출력된 상기 Vh_out의 절대값을 증폭한 값을 7bit의 디지털신호로 A/D 변환하는 A/D변환단계(h4);
(V1+V2)-(V3+V4)값이 미리 설정된 기준값보다 큰 경우는 8번째 bit인 MSB(Most Significant bit) 값을 1로 결정하고, (V1+V2)-(V3+V4)값이 미리 설정된 기준값보다 작은 경우는 8번째 bit인 상기 MSB 값을 0로 결정하여 고도각회전방향을 결정하는 회전방향결정단계(h5);
상기 A/D변환단계(h4)에서 얻어진 상기 디지털신호로부터 회전고도각을 연산하는 회전고도각결정단계(h6);
상기 회전방향결정단계(h5) 및 상기 회전고도각결정단계(h6)에서 결정된 상기 고도각회전방향과 상기 회전고도각에 따라 고도각 변환부를 구동시키는 고도각변환단계(h7)를 포함하는 고도각 모드를 특징으로 하는 태양광 발전 방법.
제 13항에 있어서,
상기 초기화단계(h1)에서 초기고도각은 30도이고, 상기 회전고도각결정단계(h6)에서 회전고도각은 90도 범위 내인 고도각 모드를 특징으로 하는 태양광 발전 방법.
삭제
제 13항에 있어서,
상기 MSB 값이 0인 경우 상기 고도각회전방향은 θ 방향이고, 상기 MSB 값이 1인 경우에는 상기 고도각회전방향은 -θ 방향인 고도각 모드를 특징으로 하는 태양광 발전 방법.
제 13항에 있어서,
습도센서에 의해 측정된 습도가 일정 습도이상인 경우에는 상기 고도각 모드를 일시 정지하고, 상기 태양전지판을 회전시켜 고도각이 제1각도가 되도록 하는 청소 모드를 특징으로 하는 태양광 발전 방법.
제 17항에 있어서,
풍력발전부에 의해 발전되는 전력이 일정 전력이상인 경우에는 상기 고도각 모드 및 상기 청소 모드를 일시 정지하고, 태양전지판을 -θ방향으로 회전시켜 고도각이 제2각도가 되도록 하는 안전 모드를 특징으로 하는 태양광 발전 방법.