KR101175662B1 - 태양 추적식 태양광 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양 추적식 태양광 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양의 방위 및 고도 변화에 대응하여 태양을 추적함으로써 태양광 발전효율의 증대를 도모하는 태양 추적식 태양광 발전장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 하기 턴테이블 상에 설치되는 복수의 태양전지 어레이; 복수의 태양전지 어레이들을 태양의 방위를 따라 동시에 회전시키기 위한 턴테이블과, 턴테이블을 구동시키기 위한 구동수단으로 구성되는 턴테이블 장치; 상기 턴테이블 상에서 일정한 높이로 지지되는 태양전지 어레이의 일측을 승강시킴으로써 태양전지 어레이의 기울기를 태양의 고도를 따라 변경시키기 위한 액추에이터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양 추적식 태양광 발전장치를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 태양 추적식 태양광 발전장치는 기존에 각 태양전지 어레이마다 설치되던 태양광 추적장치들 중 태양의 방위 추적을 위한 기기들의 생략이 가능하게 되어 태양 추적을 위한 구조가 보다 단순화되고 설치 규모가 감소되며, 고장이나 손상이 감소되고 내구성이 증대되는 등의 효과를 얻을 수 있으며, 일반 건물에의 채용이 보다 용이한 이점이 있다.

Description

태양 추적식 태양광 발전장치{Sun location tracking type solar generation apparatus}
본 발명은 태양 추적식 태양광 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양의 방위 및 고도 변화에 대응하여 태양을 추적함으로써 태양광 발전효율의 증대를 도모하는 태양 추적식 태양광 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양빛의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것으로, P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용해 전기를 일으킨다. 이러한 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생하고, 발생된 전하들은 P극, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차가 발생하게 된다. 이때, 태양전지의 양극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
이러한 태양전지는 필요에 따라 직병렬로 연결하여 자연환경 및 일정 외부충격에 견딜수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 여기서 태양전지 셀은 전기를 일으키는 최소 단위이고, 태양전지 모듈은 전기를 꺼내는(출력하는) 최소 단위로서 다수의 셀을 직병렬로 연결하여 이루어지며 일반적으로 규격화되어 사용된다.
일반적인 태양광 발전장치는 사용가능한 충분한 전기를 공급하기 위하여 태양전지 모듈(이하, '집광판'이라 함)을 직병렬로 연결한 태양전지 어레이와, 전력을 저장하기 위한 축전지, 전력의 세기를 일정하게 조정하기 위한 전력조정기 및 직류를 사용가능한 교류로 전환하기 위한 인버터 등의 주변장치를 포함하여 구성되며, 주로 콘크리트 바닥면이나 토사로 이루어진 노면 등에 현장구조물을 먼저 설치하고 이러한 현장구조물 위에 태양전지 어레이가 장착되는 구조를 취하고 있다.
태양광 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발전하는 태양광 발전장치는 보통 태양전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고, 발전시스템을 반자동화 또는 자동화시키기 용이할 뿐만 아니라 운전 및 관리에 따른 비용이 저렴하다는 장점이 있으며, 대규모 발전 뿐만 아니라 소규모 발전이 가능하여 가정용, 산업용으로 널리 이용될 수 있는 장점이 있다.
이러한 태양광 발전장치는 집광판의 설치방식에 따라 고정식 태양광 발전장치와 태양 추적식 태양광 발전장치로 구분할 수 있다.
고정식 태양광 발전장치는 일정시점에서 측정된 태양 고도각과 일조량 등을 종합적으로 분석하여 결정된 각도와 방위로 집광판 혹은 태양전지 어레이를 설치하여 태양광을 가장 많이 받을 수 있는 상태에서 발전이 이루어지도록 하는 것으로, 집광판이 단순히 거치대에 일정각도 및 방위로 고정된 상태가 유지되므로 집광판이 안정되게 설치됨에 따라 기기의 내구성이 높고 설치후 유지보수가 간편하며, 발전설비가 비교적 단순하고 설치가 용이한 장점이 있다.
그러나, 이러한 고정식 태양광 발전장치는 태양광의 입사각에 따라 발전량의 편차가 심하여 평균 발전효율이 좋지 못하고, 공간점유도가 높다는 단점이 있다.
한편, 태양 추적식 태양광 발전장치는 일출에서 일몰까지 동에서 서로 이동하는 태양의 이동을 추적하도록 태양전지 어레이를 회전시키는 일축 회전식과, 태양의 고도 변화까지 고려하여 태양의 이동을 추적하도록 태양전지 어레이 회전시키는 양축 회전식으로 구분할 수 있다. 일축 회전식은 상대적으로 구동장치의 구조가 간단하지만 양축 회전식에 비해 발전효율이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 비해 양축 회전식은 태양광의 입사방향이 집광판과 항상 수직을 이루어 발전효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.
이러한 태양 추적식 태양광 발전장치는 프로그램 추적방식과 센서 추적방식으로 태양을 추적할 수 있다. 프로그램 추적방식은 미리 설정된 프로그램에 따라 태양을 추적하는 방식이고, 센서 추적방식은 광센서를 이용하여 태양광의 입사량이 가장 높은 곳을 추적하는 방식이다.
그러나, 종래 양축 회전식의 태양 추적식 태양광 발전장치는 그 구동장치가 각각의 태양전지 어레이마다 하나씩 설치되어야 함에 따라 규모가 커지게 되고, 이에 따라 일정지역에 설치되는 태양전지 어레이의 갯수가 증가할수록 설치비용이 과다하게 증가하는 문제가 있다.
또한, 양축 회전식으로 태양전지 어레이를 회전시킴에 따라 구동장치의 설치 및 구동 구조가 복잡해져 제조 및 설치비용이 증대되고, 태양의 위치를 실시간으로 추적하여 태양전지 어레이를 회전시킴에 따른 구동장치의 고장 및 손상이 빈번하게 발생되어 유지보수작업이 번거롭고 비용이 증대되는 문제가 있다.
이에 기존 태양 추적식 태양광 발전장치는 가정용 주택이나 산업용 작업실 등의 건물에 소규모로 설치하기 어려운 문제점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 태양전지 어레이를 태양의 이동경로를 따라 동서방향 및 남북방향으로 회전시킬 수 있는 태양광 추적장치를 구성하되, 다수의 태양전지 어레이들을 태양의 방위를 따라 동시에 회전시키기 위한 턴테이블 장치를 구성하여 태양전지 어레이들의 태양 추적을 보다 간단하고 용이하게 수행하도록 한 태양 추적식 태양광 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 하기 턴테이블 상에 설치되는 복수의 태양전지 어레이; 복수의 태양전지 어레이들을 태양의 방위를 따라 동시에 회전시키기 위한 턴테이블과, 턴테이블을 구동시키기 위한 구동수단으로 구성되는 턴테이블 장치; 상기 턴테이블 상에서 일정한 높이로 지지되는 태양전지 어레이의 일측을 승강시킴으로써 태양전지 어레이의 기울기를 태양의 고도를 따라 변경시키기 위한 액추에이터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양 추적식 태양광 발전장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 구동수단은 턴테이블의 하단 중앙에 연결되어 턴테이블을 회전시키기 위한 구동모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게, 상기 턴테이블의 하부에는 턴테이블의 회전 구동을 보조함과 동시에 가이드하는 것으로, 턴테이블의 하부에 설치되는 가이드롤러와, 가이드롤러의 회전을 안내하는 가이드레일로 이루어진 구동보조수단이 더 설치된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 태양전지 어레이는, 일정 간격을 두고 상하로 서로 평행하게 배열되는 두 개 이상의 가로바와, 가로바들의 단부에 직각으로 결합되는 세로바로 이루어지는 프레임; 이격된 가로바 사이에 슬라이딩 삽입되고 그 단부가 가로바의 내측에 끼워지는 집광판;으로 구성되고, 집광판들을 프레임 상에 슬라이딩 방식으로 차례차례 끼워서 정렬시킨 상태로 조립되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 태양전지 어레이는 집광판들 사이에 스페이서를 더 설치하여 태양전지 어레이로 불어오는 바람을 스페이서를 통해 통과시켜 풍압의 영향을 감소시키도록 된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게, 상기 스페이서는 적어도 길이방향의 마주하는 두 측면이 개방된 형상으로 형성되어 집광판들 사이로 바람을 통과시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 태양전지 어레이는 가로바와 집광판 사이에 보조 스페이서를 더 설치하여 집광판의 상하로 보조 스페이서의 사이즈에 해당하는 여유공간을 제공할 수 있도록 함으로써 집광판의 세로길이에 대한 크기 변경이 선택적으로 가능하도록 된 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게, 상기 프레임은 가로바의 하면은 폭 방향으로 연장하여 집광판의 지지력을 증대하고 가로바의 상면은 하면에 대해 상대적으로 좁게 형성하여 집광판의 집광량을 증대하도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 태양 추적식 태양광 발전장치를 상부에 채용한 것을 특징으로 하는 구조물도 제공한다.
본 발명에 따른 태양 추적식 태양광 발전장치는 양축 회전식으로 태양을 추적함에 있어서 다수의 태양전지 어레이들을 동시에 회전시키기 위한 턴테이블 장치를 구성함으로써 기존에 각 태양전지 어레이마다 설치되던 태양광 추적장치들 중 태양의 방위 추적을 위한 기기들의 생략이 가능하게 되어 태양 추적을 위한 구조가 보다 단순화되고 그 제어가 보다 용이해지는 효과가 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 태양광 발전장치는 기존에 비해 설치 규모가 감소되고, 설치 및 유지보수가 용이하며, 고장이나 손상이 감소되고 내구성이 증대되는 등의 효과를 얻을 수 있으며, 이로 인해 일반 건물에의 채용이 보다 용이하고, 태양광 추적 작동의 신뢰성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 추적식 태양광 발전장치의 일실시예를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 태양광 발전장치를 도시한 결합 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 액추에이터의 작동 상태를 도시한 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지 어레이의 일실시예를 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스페이서의 실시예들을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 태양 추적식 태양광 발전장치를 채용한 건물을 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 태양광 발전장치의 작동상태를 도시한 사시도로서, 일출 시점에서 태양전지 어레이의 기울기 및 회전 상태를 나타낸다.
도 8은 도 6의 태양광 발전장치의 작동상태를 도시한 사시도로서, 남중 시점에서 태양전지 어레이의 기울기 및 회전 상태를 나타낸다.
도 9는 도 6의 태양광 발전장치의 작동상태를 도시한 사시도로서, 일몰 시점에서 태양전지 어레이의 기울기 및 회전 상태를 나타낸다.
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.
본 발명은 태양의 방위 및 고도 변화에 대응하여 태양을 추적하기 위한 태양 추적식 태양광 발전장치에 관한 것으로, 가정용 주택 등의 주거공간이나 산업용 작업실 등 다양한 용도로 활용할 수 있는 내부공간을 가지는 건물의 상부에 보다 손쉽게 채용할 수 있는 보다 간단한 구조로 구성하여 상기 건물 내부에서 생활 및 작업시 필요로 하는 전기 에너지의 자급자족을 가능하게 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양 추적식 태양광 발전장치는 크게 태양광에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하기 위한 태양전지 어레이(100)와, 태양의 방위 및 고도를 따라 태양전지 어레이(100)를 회전시키기 위한 태양광 추적장치로 구성된다.
먼저, 태양광 추적장치는 태양전지 어레이(100)를 태양의 방위를 따라 회전시키기 위한 턴테이블 장치와, 태양전지 어레이(100)를 태양의 고도를 따라 회전시키기 위한 액추에이터(170)로 이루어진다.
도 3에 도시된 바와 같이, 턴테이블 장치는 복수의 태양전지 어레이(100)들을 동시에 회전시키기 위한 턴테이블(160)과, 턴테이블(160)을 구동시키기 위한 구동수단(150)으로 이루어진다.
턴테이블(160)은 다수의 태양전지 어레이(100)들이 놓일 수 있는 원형의 판상 타입으로 마련되고, 복수의 태양전지 어레이(100)들이 턴테이블(160) 상에 복수열로 배열되어 설치된다.
여기서, 태양전지 어레이(100)는 다른 태양전지 어레이(100)들의 집광판(120)과의 그림자 간섭을 제거하기 위해 일정 간격으로 이격 배치되는데, 서로 다른 태양전지 어레이(100)들 간의 간격을 가능한 작게 설계하기 위하여 태양전지 어레이(100)의 집광판(120)은 프레임(110) 상에 좌우로만 배열하는 것이 바람직하다.
즉, 집광판(120)을 프레임(110) 상에 상하로 배치하여 태양전지 어레이(100)의 세로길이를 높게 형성하면 서로 다른 태양전지 어레이(100)들의 집광판(120) 간에 그림자 간섭이 발생하기 쉬우므로 도 1과 같이 집광판(120)을 좌우로만 배열하는 것이 좋다.
한편, 상기 구동수단(150)은 도 2에 도시된 바와 같이, 턴테이블(160)의 하단 중앙에 연결 설치되어 턴테이블(160)을 회전시키기 위한 구동모터(151)와, 구동모터(151)의 상단에 결합되어 구동모터(151)의 회전축(151a)을 지지하는 베어링 조립체(153), 그리고 베어링 조립체(153)의 외측에 결합되어 구동수단(150)을 지지하기 위한 마운팅 브라켓(155)을 포함하여 구성된다.
상기 구동모터(151)는 컨트롤러의 제어에 의해 턴테이블(160)의 하단에 연결된 회전축(151a)을 구동시킴에 따라 턴테이블(160)을 회전시키게 된다.
그리고, 구동모터(151)의 회전축(151a)을 감싼 구조로 지지하는 베어링 조립체(153)는 베어링을 포함하여 구성되는 것으로 상기 회전축(151a)의 회전이 원활하도록 한다.
마운팅 브라켓(155)은 일측이 베어링 조립체(153)의 외측에 결합되고 타측은 건물의 상단부(예를 들어 지붕 등) 혹은 태양광 발전현장의 지면에 설치 고정되어 구동수단(150)을 지지하는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에서 구동모터(151) 역시 건물의 상단부 혹은 태양발 발전현장의 지면에 설치 고정된다.
한편, 본 발명에 따른 복합발전장치는 턴테이블(160)을 보다 안전하고 용이하게 회전시킬 수 있도록 가이드하는 구동보조수단을 포함하여 구성된다.
구동보조수단은 구동수단(150)이 보다 적은 힘으로 턴테이블(160)을 회전시킬 수 있도록 하기 위한 것으로 턴테이블(160)의 하부에 설치되는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 턴테이블(160)의 하단에 연결 설치되는 가이드롤러(163)와, 가이드롤러(163)의 하부에 원형으로 설치되어 가이드롤러(163)의 회전을 안내하는 가이드레일(157)을 포함하여 구성된다.
그리고, 가이드레일(157)의 하부에는 건물의 상부 혹은 지면에 고정될 수 있는 레일받침대(159)가 설치되어 가이드레일(157)을 지지함과 동시에 태양전지 어레이(100)가 설치된 턴테이블(160)의 하중을 지지하게 된다.
따라서, 구동모터(151)의 작동에 의해 턴테이블(160)이 회전하기 시작하면 턴테이블(160)의 하부에 연결 설치된 가이드롤러(163)가 가이드레일(157)을 따라 회전하게 되어 보다 적은 힘으로 턴테이블(160)을 회전시킬 수 있게 되고, 더불어 회전 구동시 턴테이블(160)의 진동을 보다 적게 하여 더욱 안정된 회전이 가능하도록 함으로써 턴테이블(160)의 상부에 설치된 태양전지 어레이(100) 및 액추에이터(170) 등에 연결되거나 포함된 부품들의 파손이나 피로도의 증가를 방지하여 내구성 및 발전효율의 저하를 방지할 수 있다.
한편, 상기 액추에이터(170)는 태양전지 어레이(100)의 일측을 상하로 들었다 내렸다 승강시키면서 태양의 고도를 따라 태양전지 어레이(100)의 경사각을 조절하기 위한 것으로, 도 3과 같이 일측은 턴테이블(160) 상에 연결 설치되고 타측은 태양전지 어레이(100)에 연결 설치된다.
이를 위해 태양전지 어레이(100)의 저면, 구체적으로 프레임(110)의 저면에는 태양전지 어레이(100)를 액추에이터(170)와 연결함은 물론 턴테이블(160) 상에 연결 설치하기 위한 거치프레임(140)이 설치된다.
도 4와 같이 거치프레임(140)은 격자 모양의 프레임 형상으로 이루어지는데, 좌우로 연장 형성되는 가로프레임(141)과, 상하로 연장 형성되는 세로프레임(143)으로 형성되고, 복수의 세로프레임(143)은 일정한 간격으로 평행하게 이격된 가로프레임(141)들 사이에 직각으로 연결된다.
이러한 거치프레임(140)의 세로프레임(143)에는 턴테이블(160) 상에 일정한 높이로 세워지는 지지대(173)의 상부가 각각 혹은 교번으로 힌지결합되고, 거치프레임(140)의 가로프레임(141)에는 힌지부(171)를 매개로 액추에이터(170)가 연결 설치된다.
상기 지지대(173)는 태양전지 어레이(100)를 일정한 높이로 설치하고 지지하기 위한 것으로 턴테이블(160) 상에 설치 고정되고, 또한 힌지부(171)는 거치프레임(140) 뿐만 아니라 턴테이블(160)과 액추에이터(170)의 일측을 연결하여 액추에이터(170)의 신축시 원활한 작동을 가능하게 한다.
상기 태양전지 어레이(100)는 액추에이터(170)의 신축에 따라 일정각도로 기울어진 상태에서 수평하게 누운 상태로 기울기가 변경 조절된다.
보다 구체적으로 설명하면, 일출이 시작되기 전 초기 상태에서 컨트롤러는 도 3과 같이 액추에이터(170)를 압축된 상태로 유지시켜 태양전지 어레이(100)의 일측을 턴테이블(160) 측으로 끌어당겨 태양전지 어레이(100)를 기울어진 상태로 제어하다가 일출이 진행되고 태양이 이동함에 따라 액추에이터(170)를 점진적으로 신장시킨다. 이에, 일출후 남중시까지 태양전지 어레이(100)는 액추에이터(170)가 연결된 일측이 밀리면서 점차 상승하여 수평한 상태가 되고, 남중후 일몰시까지 액추에이터(170)는 다시 압축됨에 따라 태양전지 어레이(100)는 다시 일정각도로 기울어진 상태로 변경된다.
여기서, 액추에이터(170)는 전동실린더, 유압실린더, 공압실린더 등으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 태양광 추적장치는 주지된 바에 따라 프로그램 추적방식과 센서 추적방식을 사용하여 턴테이블(160)의 회전을 제어할 수 있다.
프로그램 추적방식은 미리 설정된 프로그램에 따라 태양을 추적하는 방식으로, 예를 들어 시간에 따라 태양전지 어레이(100)의 방위 및 고도를 제어하여 태양을 추적하도록 하며, 센서 추적방식은 광센서를 이용하여 태양광의 입사량이 가장 많은 곳을 추적하는 방식으로 적용된다.
이에 태양광 추적장치는 태양전지 어레이(100)의 동서방향 및 남북방향의 회전을 제어하기 위한 컨트롤러(미도시)를 포함하여 구성되고, 구동모터(151)와 액추에이터(170) 등의 작동을 제어하여 태양전지 어레이(100)의 회전 방향 및 각도 등을 조정할 수 있다.
한편, 본 발명에서 태양전지 어레이(100)는 크게 집광판(120)과, 집광판(120)이 설치되는 프레임(110), 그리고 집광판(120)들 사이에 설치되는 스페이서(133)와, 프레임(110)과 집광판(120) 사이에 개재되는 보조 스페이서(131)를 포함하여 구성될 수 있다.
프레임(110)은 상하로 서로 평행하게 이격 배열되는 복수의 가로바(111)와, 가로바(111)들의 단부에 직각으로 연결 결합되는 세로바(113)로 구성되어 집광판(120)이 슬라이딩 방식으로 삽입 설치될 수 있는 판상 구조를 이룬다.
집광판(120)은 프레임(110) 상에 슬라이딩 방식으로 차례차례 삽입 정렬시킨 상태로 설치되고, 이를 위하여 가로바(111)는 집광판(120)의 단부를 감쌀 수 있는 ㄷ 형상의 단면을 가지도록 형성된다.
따라서, 태양전지 어레이(100)는 일정 간격으로 이격된 가로바(111)들 사이에 집광판(120)을 우측에서 좌측으로 밀어넣으면 집광판(120)의 상하 단부가 가로바(111)의 내측으로 끼워지면서 슬라이딩 방식으로 프레임(110) 상에 삽입되는 형태로 마련된다.
여기서, 세로바(113)는 상하로 서로 평행하게 배열된 가로바(111)들의 단부에 연결되고, 예를 들어 볼팅 방식이나 용접 방식으로 결합될 수 있다.
또한, 프레임(110)은 가로바(111)의 하면(111b)을 폭 방향으로 연장하여 집광판(120)을 안정적으로 지지할 수 있도록 한다.
구체적으로 설명하면, 프레임(110)은 도 4와 같이 가로바(111)의 하면(111b)을 폭방향으로 연장하여 그 상면(111a)보다 넓게 형성함으로써 집광판(120)의 지지력을 증대하고, 가로바(111)의 상면(111a)은 하면(111b)에 대해 상대적으로 좁게 형성하여 집광판(120)의 집광량을 증대하고 집광 효율 또한 확보한다.
여기서, 가로바(111)의 상면(111a)은 집광판(120)의 외각을 잡아주어 이탈을 방지해야 하므로 집광판(120)의 외각 부분을 적당히 덮을 수 있는 너비를 가지도록 한다.
그리고, 프레임(110)의 저면에는 전술한 바와 같이 거치프레임(140)이 연결 설치되는데, 상기 거치프레임(140)은 격자 모양의 중공 타입으로 마련되어 스페이서(133)를 통한 통풍을 간섭하지 않도록 한다.
한편, 프레임(110) 상에서 좌우로 배열되는 집광판(120)들 사이에 설치되는 스페이서(133)는 집광판(120)으로 불어오는 바람에 의한 영향을 감소하기 위한 것으로, 태양전지 어레이(100) 상에 작용하는 풍압을 감소시키는 역할을 하며, 일실시예로 도 5의 (a)와 같이 육면이 모두 개방되어 공기의 유입이 가능한 중공형의 막대형상으로 구현될 수 있다.
상기 스페이서(133)는 좌우로 배치되는 집광판(120)들 사이에 개재되어 기상조건에 따라 변화하는 바람을 직접적으로 맞게 되는데, 이때 육면이 모두 개방된 구조를 가짐에 따라 집광판(120)들을 향해 불어오는 공기가 도 4와 같이 스페이서(133)의 내부(A)를 통과하게 되고 이에 따라 태양전지 어레이(100)에 작용하는 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, 이러한 풍압 감소를 위해 적어도 길이방향의 마주하는 두 측면이 개방되어 그 내부(A)를 통한 공기의 유동이 가능하도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 어레이(100)는 집광판(120)의 상하로 여유공간을 제공할 수 있는 보조 스페이서(131)를 포함한다.
구체적으로 설명하면, 프레임(110)에 집광판(120)을 슬라이딩 삽입함에 있어서 집광판(120)의 상하로 보조 스페이서(131)를 설치하여 집광판(120)을 프레임(110)의 가로바(111)와 일정 간격을 두고 이격된 상태로 설치 고정할 수 있도록 함과 동시에 집광판(120)의 상하로 보조 스페이서(131)의 사이즈에 해당하는 여유공간을 두어 규격이 다른 집광판의 설치를 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.
본 발명은 스페이서(133) 역시 좌우로 배열된 집광판(120)들 간에 개재됨에 따라 집광판을 프레임(110) 상에 슬라이딩 방식으로 삽입할 시 집광판(120)의 좌우로 스페이서(131)의 사이즈에 해당하는 여유공간을 두어 다른 사이즈의 집광판을 설치할 수 있도록 함으로써 집광판(120)의 크기 변화에 대한 대응성을 향상시킬 수 있다.
즉, 스페이서(133)의 장착 유무에 따라 집광판(120)의 크기 변경이 선택적으로 가능하며, 특히 집광판(120)의 세로 길이의 변경이 용이하다.
이에 따라 프레임(110) 상에 집광판(120)들을 슬라이딩 방식으로 삽입 설치함에 있어서 보조 스페이서(131)와 스페이서(133)를 생략함으로 인해 집광판(120)의 상하좌우로 여유공간이 확보되고 이에 가로 및 세로길이가 확대된 집광판(120)의 설치가 가능하게 된다.
참고로, 태양전지 어레이(100)의 조립시 스페이서(133)의 양단부는 가로바(111)의 내측에 삽입된다.
본 발명의 실시예에서 보조 스페이서(131)는 스페이서(133)와 마찬가지로 중공형의 막대 형상인 것으로 도 5의 (a)와 같이 육면이 모두 개방되어 공기의 유입이 가능하도록 형성된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 도 5의 (b) 또는 (d)와 같은 형상의 보조 스페이서(131)를 적용하거나 혹은 도 5의 (c)와 같은 형상의 스페이서(133)를 적용할 수 있다. 특히, 도 5의 (c)와 같은 형상의 스페이서(133)를 사용하는 경우 밑면에 대해 직각으로 연장된 날개(133c,133d) 중 내측 날개(133c)가 인접한 집광판(120)과의 간격을 유지시키고 외측 날개(133d)가 보조 스페이서(131)와의 간격을 유지하게 한다.
이와 같이 본 발명에서 보조 스페이서(131) 및 스페이서(133)는 집광판(120)의 크기 교체시 집광판(120)과 프레임(110) 간의 활용 가능한 공간을 확보하기 위한 것으로, 전술한 바와 같은 기능을 수행할 수 있는 구조이면 도 5와 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(113) 및 가로바(111) 내에 배치하여 깔끔하게 정리하고 심미감을 높일 수 있다.
상기의 전선들은 태양광 발전장치의 주변장치, 예를 들어 축전지와 전력조정기 및 인버터 등과 연결 가능하다.
본 발명에서 프레임(110)과 보조 스페이서(131) 및 스페이서(133)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, 프레임(110)과 보조 스페이서(131) 및 스페이서(133) 등은 알루미늄 소재의 사용시 외관이 향상되어 수려하게 돋보이는 효과를 얻는다.
본 발명의 태양전지 어레이(100)는 집광판(120) 및 프레임(110)을 태양광벌전 현장에서 직접 조립 설치할 필요없이 공장 생산 라인에서 제작 및 조립을 완료한 다음 일체형으로 이송하여 현장구조물 등에 설치하여 고정시킬 수 있다.
태양전지 어레이(100)는 집광판(120)의 개수, 배치 및 크기 등을 변경하거나 혹은 세로바(113) 및 가로바(111)의 길이, 개수, 배치 간격 등을 변경하여 다양한 크기와 배열을 갖는 구조로 변경할 수 있으나, 본 발명에서는 서로 다른 태양전지 어레이(100)들의 집광판(120) 간의 그림자 간섭을 제거하기 위해, 집광판(120)을 배열함에 있어서, 예를 들어 도 4와 같이, 상하방향으로는 한 열만 형성하고 좌우방향으로 다수로 배열하여 복수 열로 형성하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 본 발명에 따른 태양 추적식 태양광 발전장치는 보다 간단한 구조로 태양의 방위 및 고도 변화에 대응하여 태양을 추적할 수 있도록 구성됨으로써 그 규모가 간소화되고, 이에 가정용 주택 및 산업용 작업실과 같은 건물에 채용하는 것이 가능하다.
이러한 태양 추적식 태양광 발전장치는 일반적인 태양발전 현장, 예를 들어 현장 토지 위에 설치할 수 있음은 물론이고, 가정용 주택 및 산업용 작업실과 같은 건물 뿐만 아니라 필요로 하는 전기에너지를 자급자족하기 위한 다양한 구조물의 상부에 채용하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 태양 추적식 태양광 발전장치를 채용한 건물을 도시한 예시도로서, 주택(B)의 지붕 위에 턴테이블(160) 장치를 설치하고 이의 턴테이블(160) 위에 태양전지 어레이(100) 및 액추에이터(170) 등을 설치하여 태양전지 어레이(100)에서 생산 발전되는 전기에너지를 상기 주택(B) 내 생활 에너지로 자급자족할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 태양 추적식 태양광 발전장치의 작동상태를 일예로 설명한다.
먼저, 일출이 시작되기 전 태양전지 어레이(100)는 동쪽에서 일정한 각도로 기울어진 상태로 도 7과 같이 설정된다.
태양이 지면 위로 뜨고 이동하기 시작하면 태양의 이동경로를 따라 태양광 추적장치가 작동하여 태양전지 어레이(100)를 회전시키게 되는데, 태양이 이동함에 따라 태양의 고도와 방위가 동시 변경되는 것과 마찬가지로 턴테이블 장치와 액추에이터(170)가 함께 작동하여 태양전지 어레이(100)를 동서 및 남북 방향으로 회전시키게 된다.
여기서, 턴테이블 장치의 경우 태양의 방위를 따라 일정한 회전각으로 회전하며 턴테이블(160)의 위에 놓인 태양전지 어레이(100)를 동에서 서로 회전시키고, 액추에이터(170)의 경우 태양의 고도를 따라 신축되면서 태양전지 어레이(100)의 일측을 수평 상태가 될 때까지 밀어올렸다가 다시 내리게 된다.
보통 하루 동안 태양의 고도 변화는 일출후 남중하기 전까지 점차 높아지다가 남중 이후 일몰까지 감소하게 되는데, 이에 따라 액추에이터(170)는 태양의 일출 후 남중 전까지는 점차 신장되어 태양전지 어레이(100)의 일측을 밀어올리고, 남중시에는 도 8과 같이 태양전지 어레이(100)가 수평 상태가 되도록 하며, 남중후 일몰시까지 다시 점차 압축되어 태양전지 어레이(100)의 일측을 내려서 도 9와 같이 태양전지 어레이(100)가 기울어지도록 한다.
이때, 턴테이블(160)은 태양의 일출 후 동에서 서로 점차 회전 이동하고, 이에 따라 액추에이터(170)는 태양전지 어레이(100)의 일측을 수평 상태까지만 밀어올렸다가 다시 내림으로써 태양전지 어레이(100)가 태양의 고도를 추적하도록 할 수 있다.
태양이 지고 그 날의 태양광 발전이 완료되면 턴테이블(160)은 회전하여 태양전지 어레이(100)를 원위치로 복귀시킨다.
본 발명에 따른 태양광 발전장치는 상기와 같은 태양 추적 과정을 통해 태양전지 어레이(100)에 조사되는 태양광의 입사량을 확보함으로써 효과적으로 전기에너지를 생산할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 태양 추적식 태양광 발전장치는 다수의 태양전지 어레이(100)가 하나의 턴테이블(160)을 통해 태양의 방위를 동시 추적하고, 턴테이블(160) 상에서 액추에이터(170)를 통해 태양의 고도를 추적함으로써, 기존에 비해 태양의 추적을 위한 구동 구조가 보다 간단해짐으로 인해 태양광 추적장치의 규모가 감소되어 가정용 주택이나 산업용 작업실 등과 같은 구조물 상에 설치하기 용이한 이점이 있다.
더불어, 기존의 복잡한 구조로 인한 제어의 어려움과 고장 및 손상이 감소하여 내구성이 향상되고 유지보수가 편리하며 비용이 보다 절감되므로 일반 구조물에 채용하기 바람직하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 어레이(100)의 조립과정을 일예로 설명한다.
먼저, 프레임(110)의 양측 가로바(111) 내에 보조 스페이서(131)를 각각 삽입하고, 상기 양측 가로바(111) 사이에 집광판(120)을 슬라이딩 삽입하여 보조 스페이서(131)들 사이에 위치시킨다.
다음, 스페이서(133)를 집광판(120) 위로 슬라이딩 삽입하는데, 이때 스페이서(133)의 양단부를 가로바(111)의 내측에 삽입하여 보조 스페이서(131)의 단부에 접하도록 한다.
그 다음, 다시 상기 가로바(111)들의 내측에 각각 보조 스페이서(131)를 삽입하는데, 이때 상기 보조 스페이서(131)들은 스페이서(133)의 양단부에 접하게 된다.
그리고 다시 집광판(120)을 가로바(111)들 사이에 슬라이딩 삽입하여 보조 스페이서(131)들 사이에 위치시키고, 이러한 과정을 반복하여 다수의 집광판(120)들을 슬라이딩 방식으로 설치한다.
이와 같은 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 용이한 이점이 있다.
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 : 가로바 111a : 가로바의 상면
111b : 가로바의 하면 113 : 세로바
120 : 집광판 131 : 보조 스페이서
133 : 스페이서 140 : 거치프레임
141 : 가로프레임 143 : 세로프레임
150 : 구동수단 151 : 구동모터
153 : 베어링 조립체 155 : 마운팅 브라켓
157 : 가이드레일 159 : 레일받침대
160 : 턴테이블 163 : 가이드롤러
170 : 액추에이터 173 : 지지대

Claims (9)

  1. 하기 턴테이블(160) 상에 설치되는 복수의 태양전지 어레이(100);
    복수의 태양전지 어레이(100)들을 태양의 방위를 따라 동시에 회전시키기 위한 턴테이블(160)과, 턴테이블(160)을 구동시키기 위한 구동수단(150)으로 구성되는 턴테이블 장치;
    상기 턴테이블(160) 상에서 일정한 높이로 지지되는 태양전지 어레이(100)의 일측을 승강시킴으로써 태양전지 어레이(100)의 기울기를 태양의 고도를 따라 변경시키기 위한 액추에이터(170);
    를 포함하여 구성되고,
    상기 태양전지 어레이는 집광판(120)들 사이에 스페이서(133)를 더 설치하여 태양전지 어레이(100)로 불어오는 바람을 스페이서(133)를 통해 통과시켜 풍압의 영향을 감소시키도록 된 것을 특징으로 하는 태양 추적식 태양광 발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동수단(150)은 턴테이블(160)의 하단 중앙에 연결되어 턴테이블(160)을 회전시키기 위한 구동모터(151)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 추적식 태양광 발전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 턴테이블(160)의 하부에는 턴테이블(160)의 회전 구동을 보조함과 동시에 가이드하는 것으로, 턴테이블(160)의 하부에 설치되는 가이드롤러(163)와, 가이드롤러(163)의 회전을 안내하는 가이드레일(157)로 이루어진 구동보조수단이 더 설치된 것을 특징으로 하는 태양 추적식 태양광 발전장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 태양전지 어레이(100)는,
    일정 간격을 두고 상하로 서로 평행하게 배열되는 두 개 이상의 가로바(111)와, 가로바(111)들의 단부에 직각으로 결합되는 세로바(113)로 이루어지는 프레임(110);
    이격된 가로바(111) 사이에 슬라이딩 삽입되고 그 단부가 가로바(111)의 내측에 끼워지는 집광판(120);
    으로 구성되고, 집광판(120)들을 프레임(110) 상에 슬라이딩 방식으로 차례차례 끼워서 정렬시킨 상태로 조립되는 것을 특징으로 하는 태양 추적식 태양광 발전장치.
  5. 삭제
  6. 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 태양 추적식 태양광 발전장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지 어레이(100)는 가로바(111)와 집광판(120) 사이에 보조 스페이서(131)를 더 설치하여 집광판(120)의 상하로 보조 스페이서(131)의 사이즈에 해당하는 여유공간을 제공할 수 있도록 함으로써 집광판(120)의 세로길이에 대한 크기 변경이 선택적으로 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 태양 추적식 태양광 발전장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 프레임(110)은 가로바(111)의 하면(111b)은 폭 방향으로 연장하여 집광판(120)의 지지력을 증대하고 가로바(111)의 상면(111a)은 하면(111b)에 대해 상대적으로 좁게 형성하여 집광판(120)의 집광량을 증대하도록 된 것을 특징으로 하는 태양 추적식 태양광 발전장치.
  9. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 3, 청구항 4, 청구항 6, 청구항 7, 청구항 8 중 선택된 어느 한 항의 태양 추적식 태양광 발전장치를 상부에 채용한 것을 특징으로 하는 구조물.
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