KR101137022B1 - 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GPS수신기를 통해 자신의 현재 위치를 파악하고, 동시에 태양광센서를 통해 햇빛의 반사경로로부터 햇빛이 들어오는 방향을 추적하여 헬리오스타트가 태양을 향할 수 있도록 방향을 변경시키는 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템은 고도각 조절수단과 방위각 조절수단 및 상기 조절수단들을 제어하는 제어기를 구비한 헬리오스타트의 태양추적시스템에 있어서, 위성으로부터 전송되는 헬리오스타트의 현 위치를 수신하는 GPS수신기와 ; 상기 헬리오스타트의 전방에 설치되어 헬리오스타트로부터 반사되어 집광기로 조사되는 빛의 경로로부터 헬리오스타트이 태양을 지향하는 방향을 감지하는 태양광센서를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

헬리오스타트, 태양광센서, GPS수신기, 카메라

Description

하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템{Hybrid-type solar tracking system of Heliostat}

본 발명은 헬리오스타트의 태양추적시스템에 관한 것으로써, 상세하게는 GPS수신기를 통해 자신의 현재 위치를 파악하고, 동시에 태양광센서를 통해 햇빛의 반사경로로부터 햇빛이 들어오는 방향을 추적하여 헬리오스타트가 태양을 향할 수 있도록 방향을 변경시키는 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템에 관한 것이다.

헬리오스타트는 어느 한 방향으로 햇빛을 연속적으로 반사시키기 위한 수단으로 사용되는 것으로 방위각과 고도각이 조절되는 평면거울을 포함하여 구성된다.

이러한 헬리오스타트는 고정집광형 태양열발전시스템 및 타워형 태양열발전시스템의 1차 반사수단에 많이 사용되고 있다.

이러한 고정집광형 태양열발전시스템의 일예를 도 7에 개략적으로 도시하였다.

도시한 바와 같이 고정집광형 태양열발전시스템은 헬리오스타트(100)에서 반사된 빛을 받아 집광시키는 집광기(200)를 포함하고 있으며, 이러한 집광기와 헬리 오스타트(100) 사이에는 빛의 양을 조절하기 위한 셔터(300)가 설치되어 있다.

이렇게 구성된 고정집광형 태양열발전시스템은 집광기에서 집광되는 햇빛의 집광율에 따라 발전용량이 달라지며, 이러한 집광율은 헬리오스타트에서 얼마만큼 많은 양의 햇빛을 집광기로 반사하느냐에 달려 있다.

따라서 헬리오스타트는 항상 햇빛을 집광기로 반사할 수 있도록 태양을 향해 방향을 전환할 수 있도록 구성되어야 한다.

이렇게 헬리오스타트가 태양을 향하게 태양을 추적하는 방법으로는 실시간에 따라 태양의 방위 및 고도를 계산하여 헬리오스타트가 태양을 추적하는 즉, 태양 위치 계산 프로그램에 의해 계산된 태양의 위치로 헬리오스타트의 방향이 조절되도록 구성되어 있다.

이렇게 구성된 종래의 헬리오스타트의 태양추적시스템은 구조물의 가공오차나 설치 장소의 환경에 따라 태양추적시 많은 오차를 발생하게 될 뿐만 아니라 계절에 따라 태양의 고도와 방위가 다름에도 불구하고 기 설정된 방법으로 태양을 추적하게 됨으로 보다 효율적으로 햇빛을 반사시키지 못하는 단점이 있으며, 이를 보정하기 위해서는 많은 노력을 요구하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로서, GPS수신기로 헬리오스타트의 현재위치를 감지하여 현재의 위치에서의 태양을 추적하고, 태양광센서를 설치하여 헬리오스타트로부터 반사되는 빛의 입사각을 감 지하여 헬리오스타트가 태양을 향하도록 구동되게 함으로서 어느 하나가 오동작 되었을 때 다른 하나가 태양을 추적할 수 있게 한 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템을 제공함을 목적으로 한다.

더욱이, 태양광센서의 일측에 카메라를 더 구비하여 태양의 형상을 감지하게 함으로서 태양광센서에서 빛이 감지되지 않은 것이 구름 등의 장애물에 의해서인지 여부를 판단할 수 있게 한 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템을 제공함을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템은 고도각 조절수단과 방위각 조절수단 및 상기 조절수단들을 제어하는 제어기를 구비한 헬리오스타트의 태양추적시스템에 있어서, 위성으로부터 전송되는 헬리오스타트의 현 위치를 수신하는 GPS수신기와 ; 상기 헬리오스타트의 전방에 설치되어 헬리오스타트로부터 반사되어 집광기로 조사되는 빛의 경로로부터 헬리오스타트이 태양을 지향하는 방향을 감지하는 태양광센서를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 GPS수신기로 헬리오스타트의 현재위치를 감지하여 현재의 위치에서의 태양을 추적하고, 태양광센서를 설치하여 헬리오스타트로부터 반사되는 빛의 입사각을 감지하여 헬리오스타트가 태양을 향하도록 구동되게 함으로서 어느 하나가 오동작되었을 때 다른 하나가 태양을 추적할 수 있게 함으로서 헬리오스타트가 보다 더 정확하게 태양을 추적할 수 있게 하는 효과가 있다.

더욱이, 태양광센서의 일측에 카메라를 더 구비하여 태양의 형상을 감지하게 함으로서 태양광센서에서 빛이 감지되지 않은 것이 구름 등의 장애물에 의해서인지 여부를 판단할 수 있게 하여 태양의 유무 즉, 햇빛이 비치는 지 여부에 따라 태양열발전시스템의 구동을 제어함으로서 보다 효율적으로 태양열발전시스템을 작동시킬 수 있게 하는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템의 일예의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템의 다른 일예의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템을 구성하는 태양광센서의 일예를 도시한 분해사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 태양광센서의 단면도이고, 도 5는 태양광센서의 작동을 설명하기 위한 단면도이고, 도 6은 태양광센서의 작동을 설명하기 위한 평면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템은 두 개의 태양추적시스템을 구비하고 있다.

즉, 본 발명의 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템은 고도각 조절수단(110)과 방위각 조절수단(120) 및 상기 조절수단들(110, 120)을 제어하는 제어기(100a)를 구비한 헬리오스타트(100)의 태양추적시스템에 있어서, 위성으로부터 전송되는 헬리오스타트(100)의 현 위치를 수신하는 GPS수신기(1)와 ; 상기 헬리오 스타트(100)의 전방에 설치되어 헬리오스타트(100)로부터 반사되어 집광기(200)로 조사되는 빛의 경로로부터 헬리오스타트이 태양을 지향하는 방향을 감지하는 태양광센서(2)를 포함하여 구성된다.

상기 GPS수신기(1)는 위선으로부터 헬리오스타트(100)의 현 위치 정보를 수신하여 제어기(100a)에 구비된 태양추적프로그램에 의해 태양의 현재 위치를 산출하여 헬리오스타트(100)이 태양을 향하도록 제어기(100a)가 상기 고도각 조절수단(110)과 방위각 조절수단(120)을 제어한다.

상기 제어기(100a)의 제어신호는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 상기 고도각 조절수단(110)과 방위각 조절수단(120)을 구성하는 모터들의 구동을 제어하기 위한 모터제어기(100b)에 전송되어 모터의 구동이 제어됨에 의해 헬리오스타트(100)의 방위각과 고도각이 조절된다.

이렇게 GPS수신기(1)에 의해 감지된 헬리오스타트(100)의 위치에 따라 헬리오스타트의 방향을 조절하는 즉, 헬리오스타트가 태양을 추적하게 할 경우 제어기(100a)에 구비된 태양추적프로그램에 의해 태양의 위치가 추적되고 이렇게 태양의 위치를 추적할 경우 프로그램상에서의 산출오차 등에 의해 헬리오스타트가 태양의 정확한 위치를 추적하지 못하는 문제가 생길 수 있다.

이러한 문제를 보완하기 위한 수단으로 상기한 태양광센서(2)를 구비한 것이다.

상기 태양광센서(2)는 헬리오스타트(100)에서 반사되어 집광기(200)로 입사되는 빛의 경로를 추적하여 햇빛이 정확하게 헬리오스타트(100)에 의해 반사되는 지 여부를 확인한다.

즉, 상기 태양광센서(2)는 헬리오스타트(100)에 의해 반사되는 빛을 감지하여 태양의 방향을 추적하고, 제어기(100a)는 상기 고도각 조절수단(110)과 방위각 조절수단(120)을 제어하여 추적된 태양의 방향으로 헬리오스타트(100)의 방향을 전환하게 된다.

상기 태양광센서(2)는 중앙에 투광홀(211a)이 형성된 원통(211)의 투광홀(211a) 일측에 설치된 기준용센서(21)과 ; 상기 투광홀(211a)보다 큰 지름을 갖고 기판(221)에 원주상으로 설치된 2개 이상의 감시용센서(22)를 포함하여 구성된다.

상기 기준용센서(21)와 감지용센서(22)는 모두 햇빛을 감지하는 광센서로서 통상의 광센서 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

상기 기준용센서(21)는 상기하고 도 3내지 도 5에 도시한 바와 같이 태양광센서(2)를 구성하는 원통(211)의 바깥쪽에 설치되어 항상 햇빛에 노출된 상태로 설치되어 있고, 상기 감지용센서(22)는 원통(211)의 단부에 설치된 기판(221)에 설치되고, 원통(211)의 중앙에 형성된 투광홀(211a)과 같은 중심을 갖고 원주상에 다수가 설치되어 있다.

상기 기준용센서(21)는 햇빛의 세기를 감지할 수 있다.

즉, 상기 기준용센서(21)는 외부에 노출되어 햇빛을 직접 받아들이게 됨으로서 햇빛의 강도를 확인할 수 있으며, 이 기준용센서(21)에서 감지되는 빛의 세기기 일정치 이하가 되면 헬리오스타트는 구동을 정지하고, 최초 상태로 방위각 및 고도 각이 조절된다.

상기 감지용센서(22)는 최소한 4개 이상 설치되어야 한다.

서로 대향되는 두 개가 한쌍을 이루며, 상하로 배열된 쌍은 고도각을 감지하기 위한 것이고, 수평으로 설치된 한 쌍은 방위각을 감지하기 위한 것이다.

이렇게 구성된 감지용센서(22)에 의해 태양의 위치를 감지하는 방법은 아래와 같다.

먼저, 방위각을 감지하는 방법은 수평으로 배열된 한 쌍의 감지용센서(22)에서 감지된 빛의 세기를 비교함에 의해 이루어진다.

헬리오스타트(100)에서 반사되는 빛이 원통(211)의 중앙에 형성된 투광홀(211a)과 수평을 이루고 있다면, 각 감지용센서로부터 감지된 빛의 양이 동일하고 이렇게 두 센서에서 감지되는 빛의 양이 동일하면 센서에서 발생되는 전압이 동일하여 수평방향 즉, 방위각은 정확하게 정렬된 상태가 된다.

그러나 도 5에 도시한 바와 같이 반사되는 빛이 투광홀(211a)로부터 벗어나 비스듬할 경우에는 두 센서 중 어느 하나에서만 강한 빛을 감지하게 됨으로서 두 센서에서의 전압이 달라지고 이를 통해 헬리오스타트(100)에서 반사되는 빛의 방향이 잘못 되었음을 알 수 있으며, 빛의 세기가 약한 방향의 센서 측으로 헬리오스타트(100)를 회전시키도록 제어기(100a)에서 모터제어기(100b)로 제어신호를 보내 방위각 조절수단을 구동시킨다.

고도각의 경우에도 상기의 방위각과 동일한 방법으로 감지하고 제어함으로 이에 대한 설명은 생략한다.

위에서 헬리오스타트(100)에서 반사되는 빛의 방향을 감지함으로서 헬리오스타트(100)의 지향 방향을 감지할 수 있고, 이렇게 헬리오스타트에서 반사되는 빛으로 헬리오스타트가 지향하는 방향 즉, 태양의 방향을 측정할 수 있는 것은 빛의 반사각과 입사각이 같기 때문에 가능한 것이다.

위와 같이 구성된 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템은 GPS수신기(1)와 태양광센서(2)를 이용하여 이중으로 태양을 추적할 수 있으나 상기한 GPS수신기(1)의 경우 헬리오스타트(100)를 처음 설치할 때 주로 사용될 수 있는 태양추적수단이다.

즉, 헬리오스타트(100)가 설치된 현재의 위치를 파악함으로서 헬리오스타트의 위치에서의 태양의 경로를 제어기(100a)에 구비된 태양추적프로그램으로 산출할 수 있는 것이다.

그러나 실제로 태양의 이동을 추적하기에는 상기한 태양광센서(2)로 직접 햇빛이 반사되는 경로를 추적함에 의해 헬리오스타트가 태양을 추적할 수 있으나 구름이 끼어 햇빛이 선명하지 못할 경우에는 태양광센서(2)가 오동작을 일으킬 수 있다.

이러한 점을 보완하기 위해 헬리오스타트(100)의 일측에는 카메라(3)를 더 설치할 수 있다.

상기 태양광센서(2)는 헬리오스타트(100)에서 반사되는 빛을 감지하여 헬리오스타트(100)의 지향 방향을 감지하는 것이나, 상기 카메라(3)는 직접 태양을 감지하기 위한 수단으로 헬리오스타트(100)의 일측에 구비되어 태양의 형상을 감지할 수 있어야 하며, 바람직하게는 헬리오스타트(100)의 중앙에 설치된다.

상기 카메라(3)는 상기한 바와 같이 태양을 직접 감지하는 것으로 태양이 구름에 가져진 상태에서도 태양을 감지할 수 있도록 가시광선 이외의 광선을 감지할 수 있는 카메라가 사용된다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템의 일예의 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템의 다른 일예의 구성도이고,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템을 구성하는 태양광센서의 일예를 도시한 분해사시도이고,

도 4는 도 3에 도시한 태양광센서의 단면도이고,

도 5는 태양광센서의 작동을 설명하기 위한 단면도이고,

도 6은 태양광센서의 작동을 설명하기 위한 평면도이고,

도 7은 종래의 태양열발전시스템의 구성을 도시한 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : GPS수신기

2 : 태양광센서

21 : 기준용센서 211 : 원통 211a : 투광홀

22 : 감지용센서 221 : 기판

3 : 카메라

100 : 헬리오스타트

Claims (4)

1. 고도각 조절수단(110)과 방위각 조절수단(120) 및 상기 조절수단들(110, 120)을 제어하는 제어기(100a)를 구비한 헬리오스타트(100)의 태양추적시스템에 있어서,

   위성으로부터 전송되는 헬리오스타트(100)의 현 위치를 수신하는 GPS수신기(1)와 ;

   상기 헬리오스타트(100)의 전방에 설치되어 헬리오스타트(100)로부터 반사되어 집광기(200)로 조사되는 빛의 경로로부터 헬리오스타트가 태양을 지향하는 방향을 감지하는 태양광센서(2)와;

   상기 헬리오스타트(100)의 중앙에 설치되어 태양을 직접 감지하는 카메라(3);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 태양광센서(2)는 중앙에 투광홀(211a)이 형성된 원통(211)의 투광홀(211a) 일측에 설치된 기준용센서(21)와 ;

   상기 투광홀(211a)의 중심을 동심으로 기판(221)에 원주상으로 설치된 4개 이상의 감시용센서(22)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 태양추적시스템은 상기 고도각 조절수단(110)과 방위각 조절수단(120)을 구성하는 모터의 구동을 제어하기 위한 모터제어기(100B)가 구비되어 상기 제어기(100A)의 제어신호에 의해 상기 고도각 조절수단(110)과 방위각 조절수단(120)을 구성하는 모터의 구동을 제어함을 특징으로 하는 하이브리드식 헬리오스타트의 태양추적시스템.

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