KR101142330B1 - 태양 집광 장치의 성능 시험 장치 - Google Patents

태양 집광 장치의 성능 시험 장치 Download PDF

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강성원
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Abstract

본 발명은 태양 전지와 프레넬 렌즈간의 높이 간격이나, 태양 전지가 프레넬 렌즈와 마주보는 정도, 또는 태양 전지 밑면에 설치된 방열판의 구조에 따라 태양 전지의 발전 성능을 검출해 낼 수 있는 태양 집광 장치의 성능 시험 장치에 관한 것으로, 평평하게 눕혀짐과 더불어 태양 전지 설치홀이 관통된 받침 부재와, 상기 받침 부재의 밑면에 장착됨과 동시에 태양 전지 설치홀과 마주 접하는 방열 부재, 상기 받침 부재를 관통하는 체결 부재에 의해 받침 부재에 고정된 상태에서 받침 부재의 수직 방향으로 세워지는 높이 조절 막대, 상기 태양 전지 설치홀을 마주보는 높이 조절 막대의 일측면에서 높이 조절 막대의 높이 방향으로 설치되는 레일, 및 상기 레일을 마주보는 일측면이 높이 조절 막대에 부설된 레일과 맞물려 레일의 높이 방향으로 승?하강 되는 중계 부재를 구비한다. 또한, 본 발명은 상기 중계 부재의 타측면에 장착되는 브라켓과, 상기 받침 부재와 평행선상에 배치되고 일측면이 브라켓에 장착되면서 중앙에 프레넬 렌즈 설치홀이 설치된 외곽 프레임, 상기 프레넬 렌즈 설치홀에 끼워져 태양 광을 태양 전지 설치홀 방향으로 집광하는 프레넬 렌즈, 상기 중계 부재가 레일을 따라 승?하강됨을 저지하여 중계 부재와 일체로 연결된 프레넬 렌즈와 태양 전지 설치홀과의 높이 간격을 조절하도록 하는 스톱 수단을 더 포함한다. 이러한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치는 프레넬 렌즈를 레일의 길이 방향으로 승?하강시킴으로써 프레넬 렌즈와 태양 전지 사이의 높이 간격을 조절할 수 있다. 또한, 체결 부재를 축으로 프레넬 렌즈와 일체로 결합 된 높이 조절 막대를 좌?우 수평 방향으로 회전시킬 수 있어 태양 전지와 마주보는 프레넬 렌즈의 위치를 변화시킬 수도 있다. 또, 본 발명은 받침 부재의 밑면에 구조가 각기 다른 방열 부재를 바꿔가며 부착시킬 수 있으므로 태양 전지의 발전 성능에 최적화된 방열 부재의 구조를 찾아낼 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치는 태양 전지의 발전 성능에 최적화된 프레넬 렌즈의 높이와 방열 부재의 구조 및 태양 전지와 마주보는 프레넬 렌즈의 수평 회전 위치 등을 도출해 낼 수 있다.

Description

태양 집광 장치의 성능 시험 장치{Efficiency test apparatus of sunlight condensation apparatus}
본 발명은 태양 집광 장치의 성능 시험 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양 전지의 발전 성능이 최대화될 수 있는 태양 전지와 프레넬 렌즈간의 높이 간격이나 태양 전지와 프레넬 렌즈가 마주보는 정도 또는 태양 전지와 마주 접하는방열 부재의 구조를 찾아낼 수 있도록 한 태양 집광 장치의 성능 시험 장치에 관한 것이다.
최근 들어 국내외적으로 에너지 문제가 심각해지면서 태양 전지가 각광을 받게 되어 개발이 활발히 이루어지고 있는바, 상기 태양 전지에는 태양 광을 반사하거나 굴절시키지 않고 다중 셀에 직접 입사하는 태양 전지와, 다중 셀 앞에 반사체를 설치하여 태양 광을 집광하는 집광형 태양 전지가 있다.
하지만, 집광형 태양 전지의 발전 효율은 태양 광을 직접 입사하는 태양 전지의 발전 효율보다 실질적으로 높지 않게 되는데, 그러한 이유는 집광형 태양 전지의 경우, 태양 전지의 발전 출력 효율에 투과율이나 반사율을 곱한 값이 되기 때문이다.
즉, 태양 전지의 경우 입사 태양 광 출력에 대한 발전 출력의 비율인 전력 변환 효율 수준이 약 15%라고 할 때, 집광형 태양 전지의 발전 효율은 투과율이나 반사율이 90%라면, 15%와 90%를 곱한 값인 13.5%가 되어 실질적으로 발전 효율이 높지 않게 된다.
한편, 높은 전력 변환 효율을 얻기 위한 방법으로 태양 전지의 상부에 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)를 설치하여 입사되는 태양 광을 500배 이상으로 태양 전지 상부에 집중하는 방법이 있으나, 상기 프레넬 렌즈를 이용하여 태양 전지 방향으로 태양 광을 집광하는 경우 상기 태양 전지의 성능은 프레넬 렌즈와 태양 전지와의 높이 간격에 따라 크게 좌우된다는 문제점이 있었다.
또한, 상기 프레넬 렌즈를 이용하여 태양 전지 방향으로 태양 광을 집광하는 경우 태양 전지의 온도를 급상승시켜 전력 변환 효율이 저하될 수 있으므로 태양 전지 밑면에 부착되는 방열 부재의 구조 선택이 매우 중요하다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기 제시한 문제점을 해결하고자 태양 전지의 발전 성능이 최대화되는 프레넬 렌즈와 태양 전지와의 높이 간격 또는 방열 부재의 구조를 찾아낼 수 있는 태양 집광 장치의 성능 시험 장치를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치는 평평하게 눕혀짐과 더불어 태양 전지 설치홀이 관통된 받침 부재와, 상기 받침 부재의 밑면에 장착됨과 동시에 태양 전지 설치홀과 마주 접하는 방열 부재, 상기 받침 부재를 관통하는 체결 부재에 의해 받침 부재에 고정된 상태에서 받침 부재의 수직 방향으로 세워지는 높이 조절 막대, 상기 태양 전지 설치홀을 마주보는 높이 조절 막대의 일측면에서 높이 조절 막대의 높이 방향으로 설치되는 레일, 및 상기 레일을 마주보는 일측면이 높이 조절 막대에 부설된 레일과 맞물려 레일의 높이 방향으로 승?하강 되는 중계 부재를 구비한다.
또한, 본 발명은 상기 중계 부재의 타측면에 장착되는 브라켓과, 상기 받침 부재와 평행선상에 배치되고 일측면이 브라켓에 장착되면서 중앙에 프레넬 렌즈 설치홀이 설치된 외곽 프레임, 상기 프레넬 렌즈 설치홀에 끼워져 태양 광을 태양 전지 설치홀 방향으로 집광하는 프레넬 렌즈, 상기 중계 부재가 레일을 따라 승?하강됨을 저지하여 중계 부재와 일체로 연결된 프레넬 렌즈와 태양 전지 설치홀과의 높이 간격을 조절하도록 하는 스톱 수단을 더 포함한다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치는 프레넬 렌즈를 레일의 길이 방향으로 승?하강시킴으로써 프레넬 렌즈와 태양 전지 사이의 높이 간격을 조절할 수 있다.
또한, 체결 부재를 축으로 프레넬 렌즈와 일체로 결합 된 높이 조절 막대를 좌?우 수평 방향으로 회전시킬 수 있어 태양 전지와 마주보는 프레넬 렌즈의 위치를 변화시킬 수도 있다.
또, 본 발명은 받침 부재의 밑면에 구조가 각기 다른 방열 부재를 바꿔가며 부착시킬 수 있으므로 태양 전지의 발전 성능에 최적화된 방열 부재의 구조를 찾아낼 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치는 태양 전지의 발전 성능에 최적화된 프레넬 렌즈의 높이와 방열 부재의 구조 및 태양 전지와 마주보는 프레넬 렌즈의 수평 회전 위치 등을 도출해 낼 수 있다.
도면 1은 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치의 사시도,
도면 2는 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치의 분해 사시도,
도면 3은 리시버 위에 얹혀진 태양 전지를 설명하기 위한 도면,
도면 4는 2차 렌즈부에 대한 제 1 실시 예의 사시도,
도면 5는 2차 렌즈부에 대한 제 1 실시 예의 종단면도,
도면 6은 환형 브라켓의 밑면에 부가 설치된 돌출턱을 설명하기 위한 도면,
도면 7은 2차 렌즈부에 대한 제 2 실시 예의 사시도,
도면 8은 2차 렌즈부에 대한 제 2 실시 예의 종단면도,
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치는 도면 1과 도면 2에 도시한 바와 같이, 평평하게 눕혀짐과 더불어 태양 전지 설치홀(1)이 관통된 받침 부재(3)와, 상기 받침 부재(3)의 밑면에 장착됨과 동시에 태양 전지 설치홀(1)과 마주 접하는 방열 부재(5), 상기 받침 부재(3)를 관통하는 체결 부재(7)에 의해 받침 부재(3)에 고정된 상태에서 받침 부재(3)의 수직 방향으로 세워지는 높이 조절 막대(9), 상기 태양 전지 설치홀(1)을 마주보는 높이 조절 막대(9)의 일측면에서 높이 조절 막대(9)의 높이 방향으로 설치되는 레일(11), 및 상기 레일(11)을 마주보는 일측면이 높이 조절 막대(9)에 부설된 레일(11)과 맞물려 레일(11)의 높이 방향으로 승?하강 되는 중계 부재(13)를 구비한다.
또한, 본 발명은 상기 중계 부재(13)의 타측면에 장착되는 브라켓(15)과, 상기 받침 부재(3)와 평행선상에 배치되고 일측면이 브라켓(15)에 장착되면서 중앙에 프레넬 렌즈 설치홀(18)이 설치된 외곽 프레임(17), 상기 프레넬 렌즈 설치홀(18)에 끼워져 태양 광을 태양 전지 설치홀(1) 방향으로 집광하는 프레넬 렌즈(19), 상기 중계 부재(13)가 레일(11)을 따라 승?하강됨을 저지하여 중계 부재(13)와 일체로 연결된 프레넬 렌즈(19)와 태양 전지 설치홀(1)과의 높이 간격을 조절하도록 하는 스톱 수단(21)을 더 포함한다.
또, 상기 방열 부재(5)가 설치되지 않은 받침 부재(3)의 밑바닥에는 도면 1에 도시한 바와 같이, 받침 부재(3)를 바닥으로부터 이격시킴으로써 방열 부재(5)가 바닥과 소정 높이 간격 떨어지도록 하는 하부 프레임(22)이 설치될 수도 있다.
이때, 상기 태양 전지 설치홀(1)에는 도면 3에 도시한 바와 같이, 태양 전지(24)가 끼워져 프레넬 렌즈(19)와 마주보게 되는바, 상기 태양 전지(24)는 플러스 인쇄 패턴과 마이너스 인쇄 패턴이 갖추어진 메탈 재질의 리시버(26)에 납땜 처리되고, 상기 리시버(26)는 방열 부재(5)와 맞붙어 태양 전지(24)로부터 발생되는 열을 방열 부재(5)를 통해 방출시키게 된다.
또한, 상기 높이 조절 막대(9)는 체결 부재(7)를 축으로 좌측 수평 방향이나 우측 수평 방향으로 회전되어 태양 전지 설치홀(1)과 마주보는 프레넬 렌즈(19)의 회전 위치를 변경할 수 있다.
또, 상기 스톱 수단(21)은 브라켓(15)에 나사 결합 된 상태에서 높이 조절 막대(9) 방향으로 조여졌을 때 높이 조절 막대(9)를 마주보는 일단이 높이 조절 막대(9)의 일측면을 압박하여 프레넬 렌즈(19)와 일체로 결합 된 중계 부재(13)의 승?하강을 저지하는 볼트로 이루어질 수 있다.
또, 상기 높이 조절 막대(9)의 어느 한 측면에는 높이 조절 막대(9)의 높이 방향으로 높이 측면용 자(25)가 설치되어 태양 전지 설치홀(1)과 프레넬 렌즈(19)와의 높이 간격을 체크할 수 있도록 한다.
한편, 상기 태양 전지 설치홀(1)에는 프레넬 렌즈(19)에 의해 집광 된 태양 광을 굴절시켜 태양 광이 태양 전지(24) 표면에 균일하게 입사되도록 하면서, 프레넬 렌즈(19)의 집광에 의해 발생 된 열을 1차적으로 방출시킬 수 있는 2차 렌즈부(27)가 설치될 수 있는바, 상기 2차 렌즈부(27)의 제 1 실시 예는 도면 4 내지 도면 6에 도시한 바와 같이, 상?하단이 개방됨과 더불어 내부가 비어있는 원통형 파이프(29a)와, 상기 원통형 파이프(29a)에 내부 설치됨과 더불어 프레넬 렌즈(19)를 마주보는 상단면이 볼록하게 튀어나와 프레넬 렌즈(19)를 통해 전달된 태양광을 태양 전지(24) 표면에 균일하게 분포시키는 구면 렌즈(31a), 상기 원통형 파이프(29a)와 구면 렌즈(31a)를 관통하여 원통형 파이프(29a)와 구면 렌즈(31a)를 결합시키는 스크류(33), 상기 원통형 파이프(29a)의 하단 외주면으로부터 원통형 파이프(29a)의 원주 바깥 방향으로 뻗어나온 환형 브라켓(35a) 및 상기 환형 브라켓(35a)의 밑면으로부터 태양 전지(24) 방향으로 돌출됨과 더불어 구면 렌즈(31a)와 마주보는 한쪽 끝이 원통형 파이프(29a)의 안쪽 방향으로 소정 길이만큼 돌출되어 상기 구면 렌즈(31a)가 원통형 파이프(29a)의 개방된 하단을 통해 빠져나오지 못하도록 하면서 태양 전지(24)와 구면 렌즈(31a)를 소정 높이 간격 이격시키는 2개 이상의 돌출턱(37a)으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 2차 렌즈부(27)의 제 2 실시 예는 도면 6 내지 도면 8에 도시한 바와 같이, 상?하단이 개방됨과 더불어 내부가 비어있는 원통형 파이프(29b)와, 상기 원통형 파이프(29b)에 내부 설치됨과 더불어 프레넬 렌즈(19)를 마주보는 상단면이 볼록하게 튀어나와 프레넬 렌즈(19)를 통해 전달된 태양광을 태양 전지(24) 표면에 균일하게 분포시키는 구면 렌즈(31b), 상기 원통형 파이프(29b)의 내주면 상단을 고리 형태로 깍아 낸 환형 걸림턱(39), 고리 형태로 이루어지면서 외주면이 상기 환형 걸림턱(39)의 내주면에 장착되어 상기 구면 렌즈(31b)가 원통형 파이프(29b)의 개방된 상단을 통해 원통형 파이프(29b)로부터 벗어나지 못하도록 하는 상부 이탈 방지턱(41), 상기 원통형 파이프(29b)의 하단 외주면으로부터 원통형 파이프(29b)의 원주 바깥 방향으로 뻗어나온 환형 브라켓(35b)을 구비한다.
또한, 상기 2차 렌즈부(27)의 제 2 실시 예는 도면 6 내지 도면 8에 도시한 바와 같이, 상기 환형 브라켓(35b)의 밑면으로부터 태양 전지(24) 방향으로 돌출됨과 더불어 구면 렌즈(31b)와 마주보는 한쪽 끝이 원통형 파이프(29b)의 안쪽 방향으로 소정 길이만큼 돌출되어 상기 구면 렌즈(31b)가 원통형 파이프(29b)의 개방된 하단을 통해 빠져나오지 못하도록 하면서 태양 전지(24)와 구면 렌즈(31b)를 소정 높이 간격 이격시키는 2개 이상의 돌출턱(37b)을 더 포함한다.
또, 상기 받침 부재(3)와 하부 프레임(22)의 사이에는 도면 1에 도시한 바와 같이, 받침 부재(3)의 기울임 각도를 조절하여 프레넬 렌즈(19)로 입사되는 태양 광의 입사각을 조절할 수 있는 기울임 각도 조절 수단(43)이 부가 장착될 수 있는바, 상기 기울임 각도 조절 수단(43)은 'ㄷ'형 브라켓(45a,45b) 2개를 서로 엇갈려 겹친 다음 상기 'ㄷ'형 브라켓(45a,45b) 2개에 회전축(47)을 관통시킨 구조로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치가 동작 되는 과정을 도면 1 내지 도면 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 태양 전지(24)의 성능을 검출하기 위해 태양 전지(24)와 일체로 결합된 리시버(26)를 태양 전지 설치홀(1)을 통해 방열 부재(5)의 윗면에 부착한다.
이때, 상기 태양 전지(24)에는 태양 전지(24)의 발전 성능을 검출해낼 수 있는 테스터기(tester)가 연결되어 프레넬 렌즈(19)의 높이나 방열 부재(5)의 구조 또는 2차 렌즈부(27)의 설치 여부에 따라 태양 전지(24)의 발전 성능을 체크 할 수 있도록 한다.
다음, 상기 프레넬 렌즈(19)를 레일(11)의 높이 방향으로 승강시키거나 하강시키면서, 태양 전지(24)의 발전 성능을 점검하여, 태양 전지(24)의 발전 성능이 최대화되었을 때 태양 전지(24)와 프레넬 렌즈(19)의 높이 간격을 검출해 낼 수 있다.
또, 본 발명은 프레넬 렌즈(19)와 함께 체결 부재(7)를 축으로 좌측 수평 방향 또는 우측 수평 방향으로 회전하는 높이 조절 막대(9)를 이용하여 태양 전지(24)의 발전 성능이 최대화되었을 때 태양 전지(24)와 마주보는 프레넬 렌즈(19)의 위치를 검출해 낼 수 있다.
또, 본 발명은 다양한 구조로 이루어진 방열 부재(5)를 받침 부재(3)의 밑면에 하나씩 교환 설치함으로써 태양 전지(24)의 발전 성능을 최적화시킬 수 있는 방열 부재(5)를 찾아낼 수 있다.
또, 본 발명은 태양 전지 설치홀(1)에 2차 렌즈부(27)를 씌운 다음 태양 전지(24)의 발전 성능을 점검함으로써 2차 렌즈부(27)의 구조가 태양 전지(24)의 발전 성능에 미치는 영향을 찾아낼 수 있다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치는 프레넬 렌즈(19)를 레일(11)의 길이 방향으로 승?하강시킴으로써 프레넬 렌즈(19)와 태양 전지(24) 사이의 높이 간격을 조절할 수 있다.
또한, 체결 부재(7)를 축으로 프레넬 렌즈(19)와 일체로 결합 된 높이 조절 막대(9)를 좌?우 수평 방향으로 회전시킬 수 있어 태양 전지(24)와 마주보는 프레넬 렌즈(19)의 위치를 변화시킬 수도 있다.
또, 본 발명은 받침 부재(3)의 밑면에 구조가 각기 다른 방열 부재(5)를 바꿔가며 부착시킬 수 있으므로 태양 전지(24)의 방열에 최적화된 방열 부재(5)의 구조를 찾아낼 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 태양 집광 장치의 성능 시험 장치는 태양 전지(24)의 발전 성능에 최적화된 프레넬 렌즈(19)의 높이와 방열 부재(5)의 구조 및 태양 전지(24)와 마주보는 프레넬 렌즈(19)의 수평 회전 위치 등을 도출해 낼 수 있다.
1. 태양 전지 설치홀 3. 받침 부재
5. 방열 부재 7. 체결 부재
9. 높이 조절 막대 11. 레일
13. 중계 부재 15. 브라켓
17. 외곽 프레임 19. 프레넬 렌즈
21. 스톱 수단 22. 하부 프레임
24. 태양 전지 25. 높이 측정용 자
26. 리시버 27. 2차 렌즈부
29a. 원통형 파이프 31a. 구면 렌즈
33. 스크류 35a. 환형 브라켓
37a. 돌출턱 39. 환형 걸림턱
41. 상부 이탈 방지턱 43. 기울임 각도 조절 수단
45a. 'ㄷ'형 브라켓 47. 회전축

Claims (5)

  1. 평평하게 눕혀짐과 더불어 태양 전지 설치홀(1)이 관통된 받침 부재(3)와;
    상기 받침 부재(3)의 밑면에 장착됨과 동시에 태양 전지 설치홀(1)과 마주 접하는 방열 부재(5);
    상기 받침 부재(3)를 관통하는 체결 부재(7)에 의해 받침 부재(3)에 고정된 상태에서 받침 부재(3)의 수직 방향으로 세워지는 높이 조절 막대(9);
    상기 태양 전지 설치홀(1)을 마주보는 높이 조절 막대(9)의 일측면에서 높이 조절 막대(9)의 높이 방향으로 설치되는 레일(11);
    상기 레일(11)을 마주보는 일측면이 높이 조절 막대(9)에 부설된 레일(11)과 맞물려 레일(11)의 높이 방향으로 승?하강 되는 중계 부재(13);
    상기 중계 부재(13)의 타측면에 장착되는 브라켓(15);
    상기 받침 부재(3)와 평행선상에 배치되고 일측면이 브라켓(15)에 장착되면서 중앙에 프레넬 렌즈 설치홀(18)이 설치된 외곽 프레임(17);
    상기 프레넬 렌즈 설치홀(18)에 끼워져 태양 광을 태양 전지 설치홀(1) 방향으로 집광하는 프레넬 렌즈(19);
    및 상기 중계 부재(13)가 레일(11)을 따라 승?하강됨을 저지하여 중계 부재(13)와 일체로 연결된 프레넬 렌즈(19)와 태양 전지 설치홀(1)과의 높이 간격을 조절하도록 하는 스톱 수단(21)으로 이루어진 태양 집광 장치의 성능 시험 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 높이 조절 막대(9)는 체결 부재(7)를 축으로 좌측 수평 방향 또는 우측 수평 방향으로 회전되어 태양 전지 설치홀(1)과 마주보는 프레넬 렌즈(19)의 회전 위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 태양 집광 장치의 성능 시험 장치
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스톱 수단(21)은 브라켓(15)에 나사 결합 된 상태에서 높이 조절 막대(9) 방향으로 조여졌을 때 높이 조절 막대(9)를 마주보는 일단이 높이 조절 막대(9)의 일측면을 압박하여 프레넬 렌즈(19)와 일체로 결합 된 중계 부재(13)의 승?하강을 저지하는 볼트인 것을 특징으로 하는 태양 집광 장치의 성능 시험 장치
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 높이 조절 막대(9)의 어느 한 측면에는 높이 조절 막대(9)의 높이 방향으로 높이 측면용 자(25)가 설치되어 태양 전지 설치홀(1)과 프레넬 렌즈(19)와의 높이 간격을 체크하도록 한 것을 특징으로 하는 태양 집광 장치의 성능 시험 장치
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 방열 부재(5)가 설치되지 않은 받침 부재(3)의 밑바닥에는 받침 부재(3)를 바닥으로부터 이격시킴으로써 방열 부재(5)가 바닥과 소정 높이 간격 떨어지도록 하는 하부 프레임(22)이 설치되고,
    상기 받침 부재(3)와 하부 프레임(22)의 사이에는 받침 부재(3)의 기울임 각도를 조절하여 프레넬 렌즈(19)로 입사되는 태양 광의 입사각을 조절할 수 있는 기울임 각도 조절 수단(43)이 부가 장착되는 것을 특징으로 하는 태양 집광 장치의 성능 시험 장치.
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