KR101146117B1 - 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전효율의 증대를 도모하기 위해 풍력 발전부와 태양광 발전부를 복합 구성하는데 있어서 태양광 발전부에 미치는 대기 풍압 및 풍력 발전부에 의한 풍압의 영향을 최소화할 수 있는 복합발전장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 풍력을 이용하여 전기에너지를 생산하는 풍력 발전부와, 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하는 태양광 발전부를 포함하며, 상기 풍력 발전부는 일정한 높이로 세워지는 폴대(171)와 이 폴대(171)의 상단에 마련되는 프로펠러(173)를 포함하는 형태로 이루어지고,
상기 태양광 발전부는 후술되는 집광판(120)이 태양광을 가능한 최대로 받을 수 있게 정남향을 바라보도록 경사지게 설치되는 프레임(110)과 이 프레임(110) 상에 슬라이드 방식으로 차례차례 끼워지면서 정렬되는 상태로 설치되는 다수의 집광판(120)들 및 상하로 배치된 집광판(120)들 사이에 개재되는 스페이서(133)를 포함하는 태양전지 어레이(100)로 이루어짐으로써, 이 태양전지 어레이(100)로 불어오는 바람을 스페이서(133)를 통해 통과시켜 풍압의 영향을 감소시키도록 된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치를 제공한다.

Description

풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치{Compound generator using solar and wind}

본 발명은 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전효율의 증대를 도모하기 위해 풍력 발전부와 태양광 발전부를 효율적으로 복합 구성하는 복합발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 생활 및 산업 에너지는 석유와 석탄 및 천연 가스와 같은 화석에너지를 사용하고 있는데, 이러한 화석에너지는 그 양이 한정되어 있기 때문에 고갈 위험이 대두되고 있고 사용시 여러 오염물질을 배출하는 문제 등으로 인해 대부분의 국가에서는 이를 대체하여 사용할 수 있는 대체에너지를 개발하고 있다.

화석에너지를 대체할 수 있는 에너지는 여러 종류가 있는데, 조수 간만의 차를 이용하여 에너지를 얻는 조력, 바람의 힘을 이용하여 에너지를 얻는 풍력, 그리고 땅속의 열을 이용하는 지열 등이 있으며, 이들 에너지의 근원이 되는 태양에너지가 있다.

이러한 대체 에너지를 이용하는 방법은 상당 부분 실용화되고 있고, 태양에너지를 발전 및 난방에 이용하는 것도 그 중 하나이다.

태양에너지를 이용하는 방법은 크게 태양열을 이용하는 방법과 태양광을 이용하는 방법으로 구분된다. 태양열을 이용하는 방법은 태양에 의해 데워진 물 등을 이용하여 난방 및 발전을 하는 방법이며, 태양광을 이용하는 방법은 태양의 빛을 이용하여 전기를 발생시킴으로써 이 전기로 각종 기계 및 기구를 작동시킬 수 있도록 하는 방법으로 태양광 발전이라고 한다.

태양광 발전장치는 이러한 태양광 발전을 구현하기 위한 장치로, 최근에는 태양광 발전 효율을 향상시키기 위해 태양광 추적장치가 설치된다.

태양광 추적장치는 태양의 고도나 방위를 측정하거나 시간에 맞추어 미리 프로그램된 방법에 따라 태양광 발전장치의 태양전지모듈(이하, '집광판'이라 함)이 태양을 추적하도록 하기 위한 장치이다.

보통 태양광 발전은 태양광의 조사량에 영향을 미치는 기후에 따라서도 발전효율이 달라지게 되는데, 예를 들어 구름이 많이 껴서 흐린 날이나 비 또는 눈이 오는 날과 같이 날씨가 좋지 못한 경우 태양광의 조사량이 부족하여 발전량이 감소하게 되고, 특히 겨울과 같이 추운 계절에는 태양의 고도가 낮고 흐린 날이 많기 때문에 태양광 발전효율이 떨어지게 된다.

한편, 풍력 발전은 바람이 지니고 있는 에너지를 전기에너지로 바꾸어 사용토록 하는 것으로, 이를 구현하기 위한 풍력 발전장치는 불어오는 바람에 의해 회전하게 되는 프로펠러의 회전력으로 전기를 생산 발전하므로 주로 강풍 수집이 용이한 지역에 설치된다.

풍력 발전장치는 예를 들어 프로펠러, 변속장치, 발전기의 세 부분으로 구성될 수 있다.

이러한 풍력 발전장치는 프로펠러의 회전축 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 풍차와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 풍차로 구분된다. 수평축 풍차는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는 반면, 수직축 풍차는 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용할 수 있지만 그 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다.

일반적으로 풍력 발전장치는 풍속이 세고 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력 발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하게 되고, 발전기를 일정한 속도로 회전시킴으로써 원활한 발전을 도모하므로 풍속이 너무 약하거나 혹은 풍속이 너무 과하면 원활한 풍력 발전을 수행하기 어렵다.

따라서, 풍력 발전은 기후에 영향을 받아 발전효율이 달라지게 되는데, 예를 들어 여름과 같이 바람이 거의 불지 않거나 미풍이 부는 계절에는 풍력 발전량이 감소하게 된다.

이에 따라 최근에는 태양광 발전장치나 풍력 발전장치를 단독으로 구성하지 않고 혼합하여 복합발전장치로 설치함으로써 기후 및 계절 조건에 상관없이 전기에너지를 발전시킬 수 있도록 하기도 한다.

이러한 복합발전장치는 계절 변화에 대한 대응성이 향상되므로 사계절 내내 전기를 효과적으로 생산 발전할 수 있는 이점이 있다.

예를 들어, 상기 복합발전장치는 여름에는 풍속이 약한 대신 태양광이 강하므로 주로 태양광 발전을 통해 전기를 얻고 겨울에는 태양광이 약한 대신 풍속이 세므로 주로 풍력 발전을 통해 전기를 얻는 등 태양광 발전과 풍력 발전이 상호보완하여 계절이나 날씨에 상관없이 일정 수준의 발전량을 얻을 수 있으므로 화석연료에 대한 대체효과가 매우 크다.

그러나, 이러한 복합발전장치는 풍력 발전장치의 하부에 태양광 발전장치가 설치됨으로 인해 대기 풍압 외에 프로펠러의 회전에 의한 풍압이 태양광 발전장치에 영향을 미쳐 집광판의 발전효율 및 내구성을 저하시키는 문제가 발생한다.

또한, 풍력 발전장치의 프로펠러는 지면에 수직하게 설치된 폴대의 상단부에 회전축을 매개로 연결되고, 상기 폴대는 보다 많은 풍력 에너지의 생산을 위해 높게 형성되는데, 이러한 폴대 및 프로펠러 등에 태양광이 비춤에 따라 집광판 위에 풍력 발전장치의 그림자가 생기면서 태양광 발전효율이 감소하는 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 풍력 발전부와 태양광 발전부를 복합 구성하는데 있어서, 태양광 발전부에 포함되는 태양전지 어레이의 인접한 집광판들 사이에 바람을 통과시킬 수 있는 스페이서를 개재하여 태양광 발전부에 미치는 대기 풍압은 물론 풍력 발전부에 의한 풍압의 영향을 최소화할 수 있는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 태양광 발전부의 태양전지 어레이가 풍력 발전부를 가운데 두고 그 주위를 따라 회전하며 태양의 방위를 추적하도록 한 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치를 제공하는데도 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 풍력을 이용하여 전기에너지를 생산하는 풍력 발전부와, 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하는 태양광 발전부를 포함하며, 상기 풍력 발전부는 일정한 높이로 세워지는 폴대(171)와 이 폴대(171)의 상단에 마련되는 프로펠러(173)를 포함하는 형태로 이루어지고, 상기 태양광 발전부는 후술되는 집광판(120)이 태양광을 가능한 최대로 받을 수 있게 정남향을 바라보도록 경사지게 설치되는 프레임(110)과 이 프레임(110) 상에 슬라이드 방식으로 차례차례 끼워지면서 정렬되는 상태로 설치되는 다수의 집광판(120)들 및 상하로 배치된 집광판(120)들 사이에 개재되는 스페이서(133)를 포함하는 태양전지 어레이(100)로 이루어짐으로써, 이 태양전지 어레이(100)로 불어오는 바람을 스페이서(133)를 통해 통과시켜 풍압의 영향을 감소시키도록 된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치를 제공한다.

바람직하게, 상기 태양광 발전부는 태양전지 어레이(100)가 놓여지는 부분이고 이 태양전지 어레이(100)를 태양의 방위를 따라 회전시켜주는 태양광 추적장치를 더 포함하여, 상기 태양전지 어레이(100)가 풍력 발전부를 가운데 두고 그 주위를 따라 회전하면서 태양을 추적하도록 된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 프레임(110)은 일정 간격을 두고 좌우로 서로 평행하게 배열되는 두 개 이상의 세로바(111)와, 세로바(111)들의 하단에 직각으로 연결되는 가로바(113)로 이루어지고, 이격된 세로바(111)들 사이에 집광판(120)이 슬라이딩 삽입될 시 집광판(120)의 단부가 세로바(111)의 내측에 끼워질 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 스페이서(133)는 적어도 길이방향의 마주하는 두 측면이 개방된 형상으로 형성되어 집광판(120)들 사이로 바람을 통과시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하게, 상기 태양전지 어레이(100)는 세로바(111)와 집광판(120)의 단부 사이에 보조 스페이서(131)를 개재하여 집광판(120)의 좌우로 보조 스페이서(131)의 사이즈에 해당하는 여유공간을 제공할 수 있도록 함으로써 집광판(120)의 가로길이에 대한 크기 변경이 선택적으로 가능하도록 된 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하게, 상기 프레임(110)은 세로바(111)의 하면(111d)은 폭 방향으로 연장하여 집광판(120)의 지지력을 증대하고 세로바(111)의 상면(111c)은 하면(111d)에 대해 상대적으로 좁게 형성하여 집광판(120)의 집광량을 증대하도록 된 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 태양광 추적장치는 태양전지 어레이(100)를 회전시키기 위한 턴테이블(161)과, 턴테이블(161)을 구동하기 위한 것으로 턴테이블(161)의 하단에 결합 고정되는 외접기어(152)와 이 외접기어(152)와 맞물리도록 연결된 구동기어(153) 및 상기 구동기어(153)를 회전시키기 위한 구동모터(155)로 이루어진 구동수단(150)으로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 턴테이블(161)의 하부에는 턴테이블(161)의 회전 구동을 보조함과 동시에 가이드하는 구동보조수단(165)이 더 설치된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 구동보조수단(165)은 턴테이블(161)의 하부에 설치되는 가이드롤러(166)와, 가이드롤러(166)의 회전을 안내하는 가이드레일(167)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치는 다음과 같은 효과를 가진다.

1. 태양광 발전부와 풍력 발전부를 복합 구성함에 따라 계절에 상관없이 일정 수준의 전기에너지를 생산할 수 있고 이에 우수한 발전효율을 유지할 수 있다.

즉, 본 발명은 태양광 발전량이 부족한 시기에는 주로 풍력을 이용하여 전기 발전을 충족하고 풍력 발전량이 부족한 시기에는 주로 태양광을 이용하여 전기 발전을 충족함으로써 발전량의 상호보완이 가능하고 발전효율을 제고할 수 있게 된다.

2. 태양광 발전부와 풍력 발전부를 한 공간 상에 설치함으로 복합발전을 위한 현장부지 및 설비의 효율적인 활용이 가능하다.

3. 집광판을 향해 부는 바람이 집광판들 사이에 설치된 스페이서를 통해 통과함에 따라 대기 풍압은 물론이고 풍력 발전부의 프로펠러에 의해 형성되는 풍압을 감소시켜 그 영향을 최소화할 수 있다.

4. 경사지게 설치된 태양전지 어레이가 태양을 추적하여 회전 이동하게 되므로 태양광 발전효율이 증가되고, 풍력 발전부의 그림자에 의한 태양광 발전부의 집광량 감소를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합발전장치의 일실시예를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합발전장치에 구성되는 태양전지 어레이의 일실시예를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 태양전지 어레이를 도시한 결합 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스페이서들을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 태양전지 어레이와 거치대 간에 결합 관계를 나타내는 사시도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 태양광 추적장치를 도시한 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 구동수단을 외접기어를 생략하고 확대 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 복합발전장치를 일측에서 바라본 측면도이다.
도 8은 도 1의 태양전지 어레이가 동쪽을 향하고 있는 초기 상태를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 태양광 추적장치의 작동에 의해 동에서 서로 회전 이동하고 있는 태양전지 어레이를 나타낸 사시도이다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합발전장치는 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산 발전하는 태양광 발전부(혹은 태양광 발전장치)와, 풍력을 이용하여 전기에너지를 생산 발전하는 풍력 발전부(혹은 풍력 발전장치)를 포함하여 구성된다.

상기 태양광 발전부는 태양광 발전을 위한 복수의 집광판(120)을 프레임(110) 상에 설치한 태양전지 어레이(100)로 이루어지고, 풍력 발전부를 가운데 두고 그 주위를 따라 회전하면서 태양을 추적하기 위해 태양광 추적장치가 구성된다.

본 발명에서 태양전지 어레이(100)는 크게 집광판(120)과, 집광판(120)이 설치되는 프레임(110), 그리고 집광판(120)들 사이에 배치되는 스페이서(133)들로 구성된다.

프레임(110)은 좌우로 서로 평행하게 이격 배열되는 복수의 세로바(111)와, 세로바(111)들의 하단에 직각으로 결합되는 가로바(113)로 구성되어 집광판(120)이 설치될 수 있는 판상 구조를 이룬다.

본 발명에서 집광판(120)은 프레임(110) 상에 슬라이딩 방식으로 차례로 삽입 정렬시킨 상태로 조립되고, 이를 위하여 세로바(111)는 집광판(120)의 단부를 감쌀 수 있는 ㄷ 형상의 단면을 가지도록 형성된다.

본 발명의 실시예에서 세로바(111)는 프레임(110)의 외각에 배치되는 사이드바(111a)와, 프레임(110)의 내측 즉, 사이드바(111a)의 내측에 배치되는 센터바(111b)로 구성할 수 있다.

사이드바(111a)는 우측 혹은 좌측에 하나의 집광판(120)이 연결되는 반면, 센터바(111b)는 양측으로 두 개의 집광판(120)이 연결된다.

이에 따라 본 발명의 실시예에서 센터바(111b)는 工 형상의 단면을 가지도록 형성하거나, 또는 ㄷ 형상의 단면을 가지는 세로바 형상의 부재를 한 쌍으로 연결 고정하여 구현할 수 있다.

따라서 일정 간격을 두고 배치된 세로바(111)들 사이에 집광판(120)을 밀어넣으면 집광판(120)의 단부가 세로바(111)의 내측으로 삽입되면서 슬라이딩 방식으로 프레임 상에 설치된다.

여기서, 가로바(113)는 일정 간격을 두고 좌우로 서로 평행하게 배열되어 판상 구조를 이루는 세로바(111)들의 하단에 연결되고, 예를 들어 용접 방식으로 결합될 수 있다.

본 발명에서 프레임(110)은 가로바(113)를 세로바(111)의 하단에만 연결하고 상부를 개방함으로써 집광판(120)의 슬라이딩 조립 과정을 간소화한다.

또한, 프레임(110)은 세로바(111)의 하면(111d)을 폭 방향으로 연장하여 집광판(120)을 안정적으로 지지할 수 있도록 한다.

구체적으로 설명하면, 프레임(110)이 복합발전장치 설치현장(즉, 후술되는 턴테이블(161) 위)에서 기울어진 형태로 설치됨에 따라 실질적으로 가로바(113)와 세로바(111)의 하면(111d)이 집광판(120)을 지지하게 된다. 이에 도 2와 같이 세로바(111)의 하면(111d)을 폭방향으로 연장하여 세로바(111)의 상면보다 넓게 형성함으로써 집광판(120)의 지지력을 증대하고, 세로바(111)의 상면은 하면(111d)에 대해 상대적으로 좁게 형성하여 집광판(120)의 집광량을 증대하고 집광 효율 또한 확보한다.

여기서, 세로바(111)의 상면(111c)은 집광판(120)의 외각을 잡아주어 이탈을 방지하는 기능을 하므로 집광판(120)의 외각 부분을 덮을 수 있는 너비를 가지도록 한다.

또한, 프레임(110)은 바깥쪽에 배치되는 세로바(111)의 하면(111d)에 고리 모양의 체결고리(111e)를 가진다.

상기 체결고리(111e)는 세로바(111)의 하면(111d)에서 돌출되며 형성된 것으로, 거치대(140)의 결합홈(141)에 삽입된 상태에서 장볼트(142)를 관통시켜 체결함으로써 거치대(140) 상에 프레임(110)을 안착 고정시키고 거치대(140)의 전방으로 이탈되지 않도록 방지하는 역할을 한다.

상기 거치대(140)는 태양전지 어레이(100)의 설치를 위해 턴테이블(161) 상에 설치 고정되는 것으로, 거치대(140)를 통해 프레임(110)은 턴테이블(161) 상에 경사지게 설치되며, 이러한 거치대(140)는 태양전지 어레이(100)를 분리 및 결합 가능하게 안착 고정시킬 수 있는 다양한 형상 및 구조로 구현 가능하다.

그리고, 상기 거치대(140)는 일측에 장볼트(142)와 같은 조립부재를 사용하여 체결고리(111e)를 결합 고정시킬 수 있는 결합홈(201)이 형성되어 프레임(110)을 거치대(140) 상에 탈착 가능하게 설치할 수 있도록 한다.

한편, 본 발명은 태양전지 어레이(100)를 조립함에 있어서, 집광판(120)들을 프레임(110) 상에 슬라이딩 방식으로 차례로 끼워서 정렬시킨 상태로 조립하는데, 이때 집광판(120)은 프레임(110) 상에 좌우 및 상하로 복수 배열되고, 상하로 배열된 집광판(120)들 사이에는 스페이서(133)가 설치된다.

본 발명에서 스페이서(133)는 집광판(120)으로 부는 바람에 의한 영향을 감소하기 위한 것으로, 대기 풍압은 물론 풍력 발전부의 프로펠러(173)의 회전시 발생되는 풍압을 감소시키는 역할을 하며, 일실시예로 도 4의 (a)와 같이 육면이 모두 개방되어 공기의 유입이 가능한 중공형의 막대형상으로 형성된다.

스페이서(133)는 상하로 배치되는 집광판(120)들 사이에 수평하게 개재됨으로 인해 기상조건에 따라 변화하는 바람을 직접적으로 맞게 되는데, 이때 육면이 모두 개방된 구조를 가짐에 따라 집광판(120)들을 향해 불어오는 공기가 도 3과 같이 스페이서(133)의 내부(A)를 통과하게 되고 이에 따라 풍압을 감소시키게 된다.

따라서 스페이서(133)는 풍압에 의한 영향, 예를 들어 태양전지 어레이(100)에 포함된 부품들의 파손이나 피로도의 증가를 방지함으로써 태양전지 어레이(100)의 발전효율 및 내구성의 저하를 감소시켜 최소화할 수 있고, 풍압 감소를 위해서 적어도 길이방향의 마주하는 두 측면이 개방되어 그 내부(A)를 통한 공기의 유동이 가능하도록 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 스페이서(133)는 도 4의 (b) 또는 (d)와 같은 형상의 보조 스페이서(131)를 적용하거나 혹은 도 4의 (c)와 같은 형상의 스페이서(133)를 적용할 수 있다. 특히, 도 4의 (c)와 같은 형상의 스페이서(133)를 사용하는 경우 밑면에 대해 직각으로 연장된 날개(133c,133d) 중 내측 날개(133c)가 위에 얹혀진 집광판(120)을 지지하고 외측 날개(133d)가 보조 스페이서(131)를 지지하게 된다.

본 발명의 실시예에서 스페이서(133)의 양단부는 세로바(111)의 내측에 삽입 위치된다.

본 발명에서 스페이서(133)는 집광판(120)을 향해 불어오는 바람의 풍압 감소 기능을 수행할 수 있는 구조이면 도 4와 같은 형상은 물론 그 외에 다양한 형상으로 구현 가능하며, 그러한 형상, 예를 들어 면적, 길이, 폭 등에 의해 한정되지 않는다.

또한, 본 발명은 태양전지 어레이(100)를 조립함에 있어서, 프레임(110)의 세로바(111)와 집광판(120)의 단부 사이에 보조 스페이서(131)를 삽입 설치한다.

보조 스페이서(131)는 중공형의 막대 형상인 것으로, 일실시예로 스페이서(133)와 같이 육면이 모두 개방되어 공기의 유입이 가능하게 형성된다.

이러한 보조 스페이서(131)는 좌우로 배치되는 집광판(120)과 세로바(111) 사이에 수직하게 개재됨에 따라 집광판(120)의 좌우로 보조 스페이서(131)의 사이즈에 해당하는 여유공간을 제공한다.

구체적으로 설명하면, 프레임(110)에 집광판(120)을 슬라이딩 삽입함에 있어서 집광판(120)의 좌우로 보조 스페이서(131)를 배치하여 집광판(120)을 프레임(110)과 일정 간격을 두고 이격된 상태로 설치 고정할 수 있도록 함과 동시에 집광판(120)의 좌우로 여유공간을 두어 규격이 다른 집광판의 설치가 가능하게 한다.

즉, 보조 스페이서(131)의 장착 유무에 따라 집광판(120)의 크기 변경이 선택적으로 가능하며, 특히 집광판(120)의 가로 길이의 변경이 용이하다.

이와 같이 본 발명에서 태양전지 어레이(100)는 프레임(110) 상에 스페이서(133)를 설치하여 풍압 감소 기능을 수행하고 태양광 발전부의 발전효율을 제고함은 물론 보조 스페이서(131)를 추가 설치함으로써 집광판(120)의 좌우로 여유공간을 제공할 수 있다.

즉, 본 발명에서 보조 스페이서(131)는 집광판(120)의 크기 교체시 집광판(120)과 프레임(110) 간에 활용 가능한 공간을 확보하기 위한 것으로, 전술한 바와 같은 기능을 수행할 수 있는 구조이면 도 4와 같은 형상은 물론 그 외에 다양한 형상으로 구현 가능하며, 그러한 형상, 예를 들어 면적, 길이, 폭 등에 의해 한정되지 않는다.

또한, 본 발명은 집광판(120)의 양 전극에 연결되는 전선들을 프레임(110) 내부 즉, 세로바(111) 및 가로바(113) 내에 배치하여 깔끔하게 정리하고 심미감을 높일 수 있다.

상기의 전선들은 태양광 발전부의 주변장치와 연결 가능하다.

본 발명에서 프레임(110)과 스페이서(133) 및 보조 스페이서(131)는 스틸, 플라스틱, 알루미늄, 강관 및 아연 도금 강관 그리고 플라스틱, 특히 부식방지 기능과 옥외 자외선에 대한 내구성을 가지는 엔지니어링 플라스틱 등 다양한 재질의 소재를 사용하여 제작 가능하며, 그 외 목재와 합금 소재 등의 사용이 가능하다.

특히, 알루미늄 소재의 사용시 프레임(110)과 보조 스페이서(131) 및 스페이서(133) 등의 외관이 더욱 수려하게 되어 돋보이는 이점이 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서 태양전지 어레이(100)는 거치대(140)에 의해 경사지게 설치되는데, 일실시예로 태양전지 어레이(100)를 바람의 방향과 무관하게 정남향으로 배치하여 태양광을 가능한 최대로 받을 수 있도록 함으로써 태양광을 효과적으로 수집할 수 있도록 한다.

즉, 태양전지 어레이(100)가 태양의 방위를 추적하지 않는 경우, 집광판(120)이 태양광을 가능한 최대로 받을 수 있게 태양전지 어레이(100)를 정남향을 바라보도록 경사지게 설치하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 태양전지 어레이(100)는 집광판(120) 및 프레임(110)을 태양전지 설치현장에서 직접 조립 설치할 필요없이 공장 생산 라인에서 제작 및 조립을 완료한 다음 일체형으로 이송하여 턴테이블(161) 상에 설치된 거치대(140) 등에 단순 설치함으로써 안착시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 태양전지 어레이(100)를 거치대(140)에 설치함에 있어서 전술한 바와 같이 구성된 세로바(111)의 체결고리(111e)와 거치대(140)의 결합홈(201) 등을 사용한다.

본 발명에서 태양전지 어레이(100)는 집광판(120)의 개수, 배치 및 크기 등을 변경하거나 혹은 세로바(111)의 길이, 개수, 배치 간격 및 가로바(113)의 길이 등을 변경하여 다양한 크기와 배열을 갖는 구조로 변경할 수 있다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합발전장치는 거치대(140) 상에 거치된 태양전지 어레이(100)의 태양광 추적을 위해 태양광 추적장치를 포함한다.

본 발명은 태양광 추적장치를 구성하여 태양전지 어레이(100)가 태양의 방위에 따라 회전 이동하도록 함으로써 태양광 발전효율을 증대하도록 한다.

본 발명의 실시예에서 태양광 추적장치는 태양전지 어레이(100)를 회전 이동시키기 위한 턴테이블(161)과, 턴테이블(161)을 구동시키기 위한 구동수단(150)으로 구성되는 턴테이블 장치로 구현될 수 있다.

상기 턴테이블(161)의 상부에는 태양전지 어레이(100)가 결합된 거치대(140)가 설치 고정되고, 이러한 턴테이블(161)은 기어부(151)에 의해 회전 구동된다.

보다 상세하게 설명하면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 턴테이블(161)을 회전시키기 위한 구동수단(150)은 턴테이블(161)의 하단에 결합되어 턴테이블(161)을 회전시키기 위한 기어부(151)와, 기어부(151)를 작동시키기 위한 구동모터(155)와, 구동모터(155)의 상단에 결합되어 상기 기어부(151)의 회전축(153a), 즉 구동기어(153)의 회전축(153a)을 지지하는 베어링 조립체(157), 그리고 베어링 조립체(157)의 외측에 결합되어 구동수단(150)을 지지하기 위한 마운팅 브라켓(159)을 포함하여 구성된다.

상기 기어부(151)는 다시 구동모터(155)에 연결 설치되는 구동기어(153)와, 턴테이블(161)의 하단에 결합 고정되고 구동기어(153)와 맞물리는 외접기어(151)로 구성되는데, 구동모터(155)가 작동하여 구동기어(153)가 회전하면 이 구동기어(153)의 회전에 의해 외접기어(152)가 턴테이블(161)을 회전시키게 된다.

여기서, 기어부(151)는 외접기어(152)의 직경을 구동기어(153)의 직경보다 크게 설계하여 감속되도록 하며, 예를 들어 스퍼기어나 헬리컬기어 등을 사용하여 구현할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

기어부(151)의 회전축(153a)을 감싼 구조로 지지되는 베어링 조립체(157)는 베어링(157a)을 포함하여 구성되는 것으로 구동모터(155)에 의한 기어부(151)의 회전축(153a)의 회전이 원활하도록 한다.

그리고, 마운팅 브라켓(159)은 일측이 베어링 조립체(157)의 외측에 결합되고 타측이 현장 지면에 앵커볼트 등을 통해 고정되어 구동수단(150)을 지지하는 역할을 한다.

이러한 구동수단(150)은 하나의 외접기어(152)를 회전시키기 위한 복수의 구동기어(153) 및 구동모터(155)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 실시예는 태양광 발전부와 풍력 발전부 등의 교체 및 수리시 각종 장비의 진입을 보다 용이하게 하기 위해 턴테이블(161)을 반원형의 테이블 타입으로 형성함으로써 태양광 발전부 및 풍력 발전부에 용이한 접근을 위한 공간을 마련하게 된다.

이때 외접기어(152)는 반원형의 턴테이블(161)에서 보다 작은 반원형으로 연장 형성된 돌출부(161a)의 하단에 절반이 위치되고 나머지 절반은 턴테이블(161)의 하단에 위치하도록 설치되며, 외접기어(152)의 중앙에는 풍력 발전부의 폴대(171)가 위치하게 된다. 이에 턴테이블(161)은 폴대(171)를 기준으로 회전하게 된다.

그리고, 외접기어(152)를 제외한 구동수단(150)은 구동기어(153)가 외접기어(152)와 맞물리도록 하는 턴테이블(161)의 하단 일측에 구성되고, 구동모터(155)는 앵커볼트 등을 통해 지면에 고정된다.

한편, 본 발명에 따른 복합발전장치는 턴테이블(161)을 보다 안전하고 용이하게 회전시킬 수 있도록 가이드하는 구동보조수단(165)을 포함한다.

구동보조수단(165)은 구동수단(150)이 보다 적은 힘으로 턴테이블(161)을 회전시킬 수 있도록 하기 위한 것으로 턴테이블(161)의 하부에 설치되는데, 도 6a에 도시된 바와 같이, 턴테이블(161)의 하단에 연결 설치되는 가이드롤러(166)와, 가이드롤러(166)의 하부에 원형으로 설치되어 가이드롤러(166)의 회전을 안내하는 가이드레일(167)을 포함하여 구성된다.

그리고, 가이드레일(167)의 하부에는 레일받침대(168)가 설치되어 가이드레일(167)을 지지함과 동시에 태양전지 어레이(100)가 설치된 턴테이블(161)의 하중을 지지하게 된다.

따라서, 구동모터(155)의 작동에 의해 턴테이블(161)이 회전하기 시작하면 턴테이블(161)의 하부에 연결 설치된 가이드롤러(166)가 가이드레일(167)을 따라 회전하게 되어 보다 적은 힘으로 턴테이블(161)을 회전시킬 수 있게 되고, 뿐만 아니라 회전 구동시 턴테이블(161)의 진동을 보다 적게 하여 더욱 안정된 회전이 가능하도록 함으로써 턴테이블(161)의 상부에 설치된 태양전지 어레이(100) 및 거치대(140) 등에 포함된 부품들의 파손이나 피로도의 증가를 방지하여 내구성 및 발전효율의 저하를 방지할 수 있다.

이러한 구동보조수단(165)은 구동수단(150)과의 간섭을 제거하기 위해 구동수단(150)의 바깥쪽으로 설치되며, 참고로 턴테이블(161)은 전술한 반원형 타입 외에 원형의 테이블 타입으로 형성되는 것도 가능하다.

본 발명에서 구동수단(150)은 태양광의 추적을 위해 구동기어(153)의 회전축(153a)을 180° 혹은 360°로 시계방향으로 회전시킴으로써 태양전지 어레이(100)를 일정각도로 기울어진 상태에서 태양의 방위에 따라 동서로 회전 이동시켜 발전효율을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 태양광 추적장치는 프로그램 추적방식과 센서 추적방식을 사용하여 턴테이블의 회전을 제어한다.

프로그램 추적방식은 미리 설정된 프로그램에 따라 태양을 추적하는 방식이고, 센서 추적방식은 광센서를 이용하여 태양광의 입사량이 가장 많은 곳을 추적하는 방식이다.

이에 태양광 추적장치는 광센서 및 컨트롤러를 포함하여 구성되고, 구동모터(155)의 작동을 제어하여 구동기어(153)의 회전 방향 및 각도 등을 조정하고, 이에 따라 턴테이블(161)의 회전 방향 및 각도 등을 제어할 수 있도록 한다.

예를 들어, 광센서는 동에서 서쪽으로 태양광 수광량을 감지하고 그 측정값을 컨트롤러에 전달한다. 그럼 컨트롤러는 그 중 가장 높은 광량이 감지된 위치를 결정하고 결정된 위치가 태양전지 어레이(100)의 위치와 일치하지 않는 경우 턴테이블(161)을 회전시켜 태양전지 어레이(100)를 가장 높은 광량이 감지된 위치로 회전 이동시킨다.

이때, 광센서는 태양광 수광량을 실시간으로 감지하여 컨트롤러에 전달하고, 컨트롤러는 구동모터(155)를 제어하여 턴테이블(161)의 회전 방향 및 각도를 조정할 수 있다.

그리고, 컨트롤러는 태양이 지게 되면 턴테이블(161)이 회전하여 태양전지 어레이(100)를 초기 위치로 재셋팅하게 되며, 다음날이 되면 태양전지 어레이(100)를 다시 동에서 서로 회전 이동시키게 된다.

또한, 본 발명은 광센서에 상관없이 컨트롤러가 시간에 따라 구동모터(155)의 작동을 조정하여 턴테이블(161)의 회전 이동을 제어하도록 하는 것도 가능하다.

즉, 컨트롤러가 미리 설정된 시간 혹은 시간 간격에 따라 구동모터(155)의 작동을 조정하여 턴테이블(161)을 타이머 방식으로 회전시킴으로써 태양전지 어레이(100)가 태양의 이동경로를 따라 회전 이동하도록 제어한다.

이와 같이 본 발명은 태양광 추적장치가 동에서 서로 이동하되 남쪽으로 기울어지게 이동하는 태양을 추적하며 이동함으로 인해 태양전지 어레이(100)가 일정각도로로 기울어져서 태양을 바라본 상태로 추적 이동하게 됨으로써 태양의 이동에 의한 집광량의 감소를 방지할 수 있고, 또한 풍력 발전부의 폴대(171) 및 프로펠러(173)에 의해 태양전지 어레이(100) 위에 그림자가 생기는 것을 방지할 수 있다. 즉, 태양전지 어레이(100)는 태양을 추적하는 과정에서 풍력 발전부의 그림자 간섭을 제거할 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예 외에도 다양한 방식으로 태양광을 추적할 수 있다.

본 발명에서 풍력 발전부는 일정한 높이로 세워지는 폴대(171)와, 이 폴대(171)의 상단에 마련되는 프로펠러(173)를 포함하는 형태로 이루어지고, 프로펠러(173)는 회전축(173a)을 매개로 하여 폴대(171)와 연결되고 바람에 의해 회전되며, 프로펠러(173)의 회전에 따라 풍력 에너지를 기계적 에너지로 변환하고 다시 기계적 에너지를 변환하여 전기에너지를 생산하기 위해 변속장치(미도시) 및 발전기(미도시) 등을 포함한다.

예를 들어, 상기 변속장치는 프로펠러(173)에서 발생한 회전력이 회전축(173a)을 통해 변속기에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 증가시켜 발전기를 회전시키고, 상기 발전기는 프로펠러(173)에서 발생한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 한다.

상기 폴대(171)는 거치대(140)의 후단부에 연장 형성된 결합고리(143)를 관통하여 거치대(140)와 연결 설치되고, 이에 턴테이블(161)의 회전시 폴대(171)가 태양전지 어레이(100)를 지지하여 보다 안정적인 회전 이동이 가능하다.

그리고 태양전지 어레이(100)가 안착된 거치대(140)의 원활한 회전을 위해 결합고리(143)와 폴대(171) 사이에 베어링(미도시)을 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 풍력 발전부는 공지된 수평축 풍차구조 혹은 수직축 풍차구조의 풍력 발전장치로 구성될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 어레이의 설치과정을 설명한다.

도 2에서와 같이 제작된 프레임(110)의 좌측의 사이드바(111a)와 센터바(111b)의 좌측에 먼저 보조 스페이서(131a)를 각각 삽입한 다음, 상기 사이드바(111a)와 센터바(111b) 사이에 집광판(121)을 슬라이딩 삽입하여 보조 스페이서(131a) 사이에 위치시킨다.

그리고, 스페이서(133a)의 양단부를 좌측의 사이드바(111a)와 센터바(111b)의 좌측에 삽입하여 스페이서(133a)를 집광판(121) 위로 슬라이딩 설치한다.

그 다음, 다시 상기 사이드바(111a)와 센터바(111b)에 보조 스페이서(131b)를 삽입하는데, 이때 상기 보조 스페이서(131b)는 스페이서(133a)의 양단부 위에 놓이게 된다.

그리고 다시 집광판(122)을 사이드바(111a)와 센터바(111b) 사이에 슬라이딩 삽입하여 보조 스페이서(131b) 사이에 위치시킨다.

그 다음, 스페이서(133b)의 양단부를 사이드바(111a)와 센터바(111b)의 좌측에 삽입하여 스페이서(133b)를 집광판 위로 설치하고, 사이드바(111a)와 센터바(111b)에 보조 스페이서(131c)를 삽입하여 스페이서(133b)의 양단부 위에 놓는다.

그리고, 다시 집광판(123)을 사이드바(111a)와 센터바(111b) 사이에 슬라이딩 삽입하여 보조 스페이(131c)서 사이에 위치시킨다.

우측의 사이드바(111a)와 센터바(111b)의 우측에서도 상기와 같은 과정을 수행하여 세 개의 집광판(120)을 차례로 설치하고 도 3과 같이 조립 완료한다.

이와 같이 본 발명에 따른 태양전지 어레이(100)는 집광판(120)들이 슬라이딩 방식으로 조립됨에 따라 프레임(110)에 대한 집광판(120)의 탈착이 용이하고, 따라서 집광판(120)의 손상 및 불량 발생시 교체가 간편한 이점이 있다.

이하, 본 발명에 따른 태양광 발전부의 작동상태를 일예로 설명한다.

도 8과 같은 초기 상태의 위치에서 태양전지 어레이(100)는 동쪽에 위치하고, 태양이 뜨기 시작하여 태양광이 비추게 되면 광센서는 태양광을 수광하고 그에 따른 수광량 정보를 컨트롤러에 전달한다.

그럼, 컨트롤러는 도 9와 같이 턴테이블(161)의 회전각을 조정하여 태양전지 어레이(100)가 태양의 이동경로를 따라 동에서 서로 이동하도록 제어한다.

태양이 지고 광센서의 수광량이 일정치 이하로 감소하게 되면 컨트롤러는 턴테이블(161)을 동서 혹은 서동 방향으로 회전시켜 태양전지 어레이(100)를 도 8과 같은 초기 위치로 이동시킨다.

한편, 턴테이블(161)의 회전을 타이머 방식으로 제어할 시 컨트롤러는 일출 시간이 되면 그 이후부터 일정 시간 간격으로 턴테이블(161)을 회전시킨다.

그리고, 일몰 시간이 되면 컨트롤러는 턴테이블(161)을 동서 혹은 서동 방향으로 회전시켜 태양전지 어레이(100)를 도 8과 같은 초기 위치로 이동시킨다.

더불어, 턴테이블(161)의 회전각을 타이머 방식으로 제어할 시 계절에 따라 일출 시간 및 일몰 시간의 차가 크게 발생하므로 계절마다 적절하게 새로 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 따른 복합발전장치는 집광판(120)들 사이에 설치된 스페이서(133)를 통해 집광판(120)을 향해 부는 바람이 통과하게 됨에 따라 대기 풍압은 물론이고 풍력 발전부의 프로펠러(173)에 의해 형성되는 풍압을 감소시켜 그 영향을 최소화할 수 있다.

그리고, 본 발명은 턴테이블(161)을 통해 태양광을 추적하여 회전 이동하게 되므로 풍력 발전부의 그림자에 의한 태양광 발전부의 집광량 감소를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 태양광 발전량이 부족한 시기에는 주로 풍력을 이용하여 전기를 발전하고 풍력 발전량이 부족한 시기에는 주로 태양광을 이용하여 전기를 생산함으로써 발전량의 상호보완이 가능하고 발전효율을 제고할 수 있게 된다.

예를 들어, 태양이 구름에 가려 날씨가 흐린 경우 대개 바람이 많이 불게 되므로 태양광 발전이 감소하는 반면 풍력 발전이 증가하게 되므로 발전량을 일정 범위 수준으로 유지하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 태양광 발전부와 풍력 발전부를 한 공간 상에 설치함으로 복합발전을 위한 현장부지 및 설비의 효율적인 활용이 가능하다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 일실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

100 : 태양전지 어레이 110 : 프레임
111 : 세로바 111a : 사이드바
111b : 센터바 111c : 세로바의 상면
111d : 세로바의 하면 111e : 체결고리
113 : 가로바 120,121,122,123 : 집광판
131 : 보조 스페이서 133 : 스페이서
140 : 거치대 141 : 결합홈
143 : 결합고리 150 : 구동수단
151 : 기어부 152 : 외접기어
153 : 구동기어 155 : 구동모터
157 : 베어링 조립체 159 : 마운팅 브라켓
161 : 턴테이블 165 : 구동보조수단
166 : 가이드롤러 167 : 가이드레일
168 : 레일받침대 171 : 폴대
173 : 프로펠러

Claims (9)

1. 풍력을 이용하여 전기에너지를 생산하는 풍력 발전부와, 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하는 태양광 발전부를 포함하며,
   상기 풍력 발전부는 일정한 높이로 세워지는 폴대(171)와 이 폴대(171)의 상단에 마련되는 프로펠러(173)를 포함하는 형태로 이루어지고,
   상기 태양광 발전부는 후술되는 집광판(120)이 태양광을 가능한 최대로 받을 수 있게 정남향을 바라보도록 경사지게 설치되는 프레임(110)과 이 프레임(110) 상에 슬라이드 방식으로 차례차례 끼워지면서 정렬되는 상태로 설치되는 다수의 집광판(120)들 및 상하로 배치된 집광판(120)들 사이에 개재되는 스페이서(133)를 포함하는 태양전지 어레이(100)로 이루어짐으로써, 이 태양전지 어레이(100)로 불어오는 바람을 스페이서(133)를 통해 통과시켜 풍압의 영향을 감소시키도록 된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 태양광 발전부는 태양전지 어레이(100)가 놓여지는 부분이고 이 태양전지 어레이(100)를 태양의 방위를 따라 회전시켜주는 태양광 추적장치를 더 포함하여, 상기 태양전지 어레이(100)가 풍력 발전부를 가운데 두고 그 주위를 따라 회전하면서 태양을 추적하도록 된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 프레임(110)은 일정 간격을 두고 좌우로 서로 평행하게 배열되는 두 개 이상의 세로바(111)와, 세로바(111)들의 하단에 직각으로 연결되는 가로바(113)로 이루어지고, 이격된 세로바(111)들 사이에 집광판(120)이 슬라이딩 삽입될 시 집광판(120)의 단부가 세로바(111)의 내측에 끼워질 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 스페이서(133)는 적어도 길이방향의 마주하는 두 측면이 개방된 형상으로 형성되어 집광판(120)들 사이로 바람을 통과시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 태양전지 어레이(100)는 세로바(111)와 집광판(120)의 단부 사이에 보조 스페이서(131)를 더 개재하여 집광판(120)의 좌우로 보조 스페이서(131)의 사이즈에 해당하는 여유공간을 제공할 수 있도록 함으로써 집광판(120)의 가로길이에 대한 크기 변경이 선택적으로 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 프레임(110)은 세로바(111)의 하면(111d)은 폭 방향으로 연장하여 집광판(120)의 지지력을 증대하고 세로바(111)의 상면(111c)은 하면(111d)에 대해 상대적으로 좁게 형성하여 집광판(120)의 집광량을 증대하도록 된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치.
   
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 태양광 추적장치는 태양전지 어레이(100)를 회전시키기 위한 턴테이블(161)과, 턴테이블(161)을 구동하기 위한 것으로 턴테이블(161)의 하단에 결합 고정되는 외접기어(152)와 이 외접기어(152)와 맞물리도록 연결된 구동기어(153) 및 상기 구동기어(153)를 회전시키기 위한 구동모터(155)로 이루어진 구동수단(150)으로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 턴테이블(161)의 하부에는 턴테이블(161)의 회전 구동을 보조함과 동시에 가이드하는 구동보조수단(165)이 더 설치된 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 구동보조수단(165)은 턴테이블(161)의 하부에 설치되는 가이드롤러(166)와, 가이드롤러(166)의 회전을 안내하는 가이드레일(167)을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력과 태양광을 이용한 복합발전장치.

Images