KR101321042B1 - 반사판 구동 장치와 이를 이용한 반사장치 어레이 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 반사판 구동 장치는, 하단은 유니버설 조인트를 개재하여 프레임에 승강가능하게 결합되고 상단은 유니버설 조인트를 개재하여 반사판에 결합되는 길이 가변의 제1 및 제2 지주; 하단은 프레임에 고정되고 상단은 유니버설 조인트를 개재하여 반사판에 결합되는 길이 고정의 제3 지주; 제1 및 제2 지주의 하단을 각각 독립적으로 승강 구동함으로써 반사판을 임의의 방향으로 경사 구동하는 제1 및 제2 구동부;를 포함하고, 반사판이 이루는 평면에서 제1 내지 제3 지주의 각각의 상단은 삼각형을 이루는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 태양광/태양열 반사장치의 태양 추적기능을 현저하게 간소화할 수 있어 장치 자체의 비용은 물론이고 설치비용도 대폭 절감할 수 있고, 정밀한 구동이 가능하다.

Description

반사판 구동 장치와 이를 이용한 반사장치 어레이{Apparatus for Driving Reflector and Reflector Array Using the Same}

본 발명은 반사판을 구동, 제어하는 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 태양광 등의 빛이나 열, 나아가 전파(전기적 신호)를 특정 방향으로 반사하여 모으기 위한 반사판 구동 장치와, 이를 어레이 형태로 배열한 반사장치 어레이에 관한 것이다.

종래부터 사막 등의 넓은 부지에 다수의 반사판들을 설치해 두고 태양광을 한 지점으로 모아서 태양광 발전을 하는 시스템이 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 특히, 이러한 태양광 발전 시스템에서는 낮동안 태양이 이동함에 따라 반사판의 각도를 조절하여 태양광을 항상 한 지점으로 모을 수 있도록 반사판을 구동, 제어하고 있다.

그런데, 이러한 종래의 태양광 발전 시스템은 야외의 넓은 부지에 노출되어 있고 대규모 설비이기 때문에, 강풍이나 악천후에도 견딜 수 있도록 매우 튼튼하게 설계되는 만큼, 장치 자체의 비용과 넓은 부지 확보를 위한 비용을 포함하여 초기 설치비용이 많이 든다. 태양 에너지는 청정하면서도 연료와 후처리가 필요 없기 때문에 차세대 에너지원으로서 주목을 받고 있음에도 불구하고, 널리 활용되지 않는 것은 이러한 높은 장치 비용과 설치비용 때문이다.

한편, 이러한 대형의 태양광 발전 시스템 이외에, 가정이나 빌딩 단위의 소규모로 태양 에너지를 이용할 수 있는 소규모의 태양광/태양열 이용 장치가 요구되고 있으나, 이러한 요구에 부응하는 장치 역시 널리 이용되지 않고 있다. 이러한 소규모 개별적인 장치도, 이용효율을 높이려면 태양 추적기능을 구비한 장치를 사용하여야 하는데, 종래의 태양 추적장치는 매우 고가이거나 정확한 구동 제어가 곤란하다는 등의 문제가 있다.

예를 들어, 특허문헌 2에는, 태양전지판이 태양의 고도각을 추종하도록 회동시키는 제1 회전축과 태양의 방위각을 추종하도록 회전시키는 제2 회전축 및 회전판을 마련하고, 와이어를 이용하여 제1 회전축을 중심으로 태양전지판을 회동시키고, 모터와 기어를 이용하여 제2 회전축을 중심으로 태양전지판(회전판)을 회전시키는 태양광 발전 장치가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, 특허문헌 2의 제1 회전축에 대응되는 남북구동축과 제2 회전축에 대응되는 동서구동축을 마련하고, 각각 와이어로 태양전지판을 남북구동 및 동서구동하는(따라서, 2줄의 와이어를 사용하는) 태양광 추적장치가 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 2와 3은 회전판의 회전이나 와이어의 감고 풀기에 모터와 기어군을 사용하는데, 이 경우 정밀한 제어를 위해 고가의 모터가 필요하게 되고, 기어간에 발생하는 백래시(backlash)를 저감하기 위해서는 정밀도가 높은 고가의 기어가 필요하게 된다. 또한, 기어나 회전판과 같은 부품은 자체 중량이 무겁기 때문에 장치의 간소화가 곤란하고 설치와 유지관리에 많은 비용과 노력이 들어가게 된다. 또한, 특허문헌 3의 장치는 모터의 회전을 감속하기 위해 풀리와 벨트를 이용하고 있기 때문에 야외에서 장기간 사용시 벨트의 열화에 따른 내구성 저하를 피할 수 없으며, 와이어 중간부를 풀리(도르래)에 감고 이 풀리를 회전시킴으로써 와이어의 양방향 길이를 조절하고 있으나, 풀리가 회전하지 않는 경우에도 강한 바람과 같은 외력에 의해 와이어가 한쪽 방향으로 강하게 잡아당겨지는 경우 와이어와 풀리가 서로 미끄러져 태양전지판이 원하지 않는 방향으로 움직이는 문제가 있다.

또한, 개별적인 반사판이나 태양전지판, 집열판은 간혹 설치되어 이용되고 있으나, 소규모 반사장치를 어레이 형태로 배열한 장치나, 이러한 반사판 등이 태양을 추적하여 그 방향을 자동적으로 바꿀 수 있는 장치는 찾아보기 힘들다. 이는 대규모 장치나 시스템과 마찬가지로 초기 투자 대비 효과의 측면에서 아직 만족할 만한 수준이 아니기 때문이다.

특허문헌 1: 공개특허공보 제1997-7000850호 특허문헌 2: 공개특허공보 제2011-0102706호 특허문헌 3: 공개실용신안공보 제2009-0009733호

본 발명은 이러한 사정을 고려하여 창안된 것으로서, 반사판을 태양 등의 대상물을 추적하도록 구동하는 구동부를 간소화시켜 장치 자체의 비용과 설치비용을 대폭으로 절감하면서도, 정밀한 구동이 가능한 반사판 구동 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 저렴한 비용으로 상대적으로 소형의 반사장치 어레이를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반사판 구동 장치는, 프레임; 상기 프레임에 일단이 제1 유니버설 조인트를 개재하여 승강가능하게 결합되고 타단에는 제2 유니버설 조인트가 설치된 길이 가변의 제1 지주; 상기 프레임에 일단이 제3 유니버설 조인트를 개재하여 승강가능하게 결합되고 타단에는 제4 유니버설 조인트가 설치된 길이 가변의 제2 지주; 상기 프레임에 일단이 결합되고 타단에는 제5 유니버설 조인트가 설치된 길이 고정의 제3 지주; 상기 제1 내지 제3 지주 각각의 상기 타단에 설치된 제2, 제4 및 제5 유니버설 조인트를 개재하여 설치된 편평한 또는 오목한 판상의 반사판; 및 상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 각각 독립적으로 승강 구동함으로써 상기 반사판을 임의의 방향으로 경사 구동하는 제1 및 제2 구동부;를 포함하고, 상기 반사판이 이루는 평면에서 상기 제1 내지 제3 지주의 각각의 타단은 삼각형을 이루는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 반사판 구동 장치는, 상기 반사판의 경사 방향과 경사각을 검출함으로써 상기 반사판이 현재 향하고 있는 방향을 검출하는 현재방향 검출센서; 및 상기 현재방향 검출센서에 의해 검출된 상기 반사판의 현재방향과 상기 반사판이 향하기를 원하는 방향이 일치하도록, 상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 승강시키는 신호를 상기 제1 및 제2 구동부에 전달하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 현재방향 검출센서는, 상기 제5 유니버설 조인트의 두 회동축에 설치되어 상기 반사판이 상기 두 회동축을 중심으로 회동한 각도를 검출하는 두 개의 각도 센서로 이루어지고, 이 각도 센서는 가변 저항 또는 가변 커패시터로 구현될 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단쪽 외주면에는 나사산이 형성된 스크류 형태로 이루어지고, 상기 제1 및 제3 유니버설 조인트의 중심에는 각각 상기 제1 및 제2 지주가 관통하며 상기 제1 및 제2 지주의 외주면에 형성된 나사산과 일치하는 나사산이 형성된 관통공이 형성되어 있고, 상기 제1 및 제3 유니버설 조인트는 각각 상기 제1 및 제2 지주를 중심으로 회전 가능하게 상기 프레임에 장착되고, 상기 제1 및 제2 구동부는 각각 상기 제1 및 제3 유니버설 조인트를 정역회전시킴으로써 각각 상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 승강시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반사장치 어레이는, 상술한 반사판 구동 장치 복수 개를 일렬로 또는 복수의 열로 배열하여 상기 반사판에 의해 빛, 열 또는 신호를 공통의 한 점 또는 복수의 점으로 반사하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 반사장치 어레이는, 상기 복수 개의 반사판 구동 장치 각각의 상기 제1 및 제2 구동부에 연결되어, 상기 제1 및 제2 구동부를 순차적으로 또는 병렬적으로 제어하여 상기 복수 개의 반사판 구동 장치 각각의 상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 승강시키는 공통의 제어부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 반사장치 어레이는, 태양을 추적하여, 상기 복수 개의 반사판 구동 장치가 태양광 또는 태양열을 미리 정해진 한 점으로 반사하도록 구성되어 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 반사판을 3 개의 지주로 지탱하고 경사 구동함으로써, 반사판 구동 장치의 구동부를 현저하게 간소화할 수 있다. 따라서, 장치 자체의 비용은 물론이고 설치비용도 대폭 절감할 수 있다.

특히, 본 발명을 태양광 반사장치 어레이에 적용하는 경우, 소규모 태양광/태양열 이용 장치의 보급에도 크게 기여할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 3 개의 지주를 독립적으로 구동함으로써 모든 방향으로의 정밀한 경사 구동이 가능하다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사장치 어레이의 개략 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 반사장치 어레이를 구성하는 개개의 반사장치(반사판 구동 장치)를 도시한 개략 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 반사판 구동 장치의 길이 가변의 지주와 그 양단에 설치된 유니버설 조인트를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 반사판 구동 장치의 길이 고정의 지주 선단부에 설치된 유니버설 조인트를 도시한 사시도이다.
도 5 및 도 6는 도 2에 도시된 반사판 구동 장치의 구동 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 이하에서는, 태양광/태양열 반사장치를 실시예로 들어 설명하지만, 본 발명은 태양 에너지를 이용하는 장치에만 한정되지 않고, 위성 안테나 등이 전기적 신호를 반사하도록 하는 데에도 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사장치 어레이의 개략 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사장치 어레이는, 개개의 반사장치(반사판 구동 장치)(100)를, 어레이 프레임(200)에 어레이 형태로 배열하여 태양광/태양열을 한 점 P로 모으도록 구성된다. 도 1에서는 5x5의 단위 어레이를 다시 2x3으로 배열한 것을 도시하고 있으나 어레이를 구성하는 행, 열의 수는 용도와 환경에 따라 다양하게 변경할 수 있다. 또한, 도 1에서는 모든 반사장치(100)가 한 점 P로 태양광/태양열을 모으도록 각각의 반사판(50, 도 2 참조)의 경사 방향 및 각도가 조절되는 예를 도시하였지만, 반드시 한 점으로 태양광/태양열을 모으도록 하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 건물 외벽 등의 경관 조명에 본 발명의 반사장치 어레이를 이용하는 경우, 개개의 반사장치(100)의 반사판(50)에 의해 반사된 빛이 일정한 패턴이나 임의의 형태로 산란되도록 할 수도 있다.

본 실시예의 반사장치 어레이에서는, 전술한 바와 같이, 개개의 반사장치(100)의 반사판(50)이 태양의 이동에 따라 태양을 추적하여 개개의 반사장치에 의해 반사된 태양광/태양열이 항상 한 점 P에 모아지도록 구성되어 있다(개별 반사장치에서 반사판의 구동 메커니즘에 대해서는 후술한다). 이를 위해, 본 실시예의 반사장치 어레이는 개개의 반사장치(100)의 반사판(50)을 구동 제어하기 위한 제어부(미도시)를 구비한다.

이 제어부는 개개의 반사장치(100)에 개별적으로 구비될 수도 있지만, 어레이에 속한 반사장치(100)들을 일괄적으로 제어하기 위해 공통의 제어부로 구성하는 것이 바람직하다. 이 경우 제어부는 범용 컴퓨터에 의해 실행가능한 소프트웨어로 구현될 수도 있고 하드웨어나 펌웨어의 형태로 구현될 수도 있다. 제어부가 개개의 반사장치(100)를 제어하는 방식은 병렬적이어도 되고 순차적이어도 된다. 태양광/태양열의 반사에 이용하는 본 실시예의 어레이에서는 태양의 이동 속도를 감안하면 순차적인 제어로 충분하다.

이어서, 개개의 반사장치(반사판 구동 장치)(100)에 대해 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반사장치(100)는 크게, 프레임(10), 3 개의 지주(11,12,13)(13은 도 4 참조), 5 개의 유니버설 조인트(21 내지 25), 구동부(31,32), 반사판 프레임(41) 및 반사판(50)을 구비한다. 본 실시예의 반사장치(100)의 크기는 가로, 세로, 높이가 각각 10cm 정도의 정육면체 형태이다. 본 발명이 이러한 크기에 의해 한정되지는 않으나, 본 실시예의 반사장치(100)는 비교적 소형인 각변이 수 cm 내지 수십 cm에 적합한 구조로 되어 있다.

프레임(10)은 3 개의 지주(11,12,13)와 구동부(31,32)가 장착되는 구조물로서 반사장치(100)의 기본 뼈대를 제공한다. 구체적으로, 프레임(10)은 일정한 간격을 두고 상하로 이격된 상하 프레임(101,102)으로 이루어지는데, 그 이유는 후술한다. 프레임(10)은 반사판(50)이 장착되는 반사판 프레임(41)과 함께, 금속판이나 플라스틱 사출물로 이루어진다.

3 개의 지주는, 동일한 구조와 크기의 제1 지주(11) 및 제2 지주(12)와, 구조가 약간 다른 제3 지주(13)로 이루어진다.

제1 및 제2 지주(11,12)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 양단부에 각각 유니버설 조인트(21,22)(23,24)가 설치되어 있고, 각각의 일단(하단)이 제1 유니버설 조인트(21) 및 제3 유니버설 조인트(23)를 개재하여 프레임(10)에 결합되고, 각각의 타단(상단)은 제2 유니버설 조인트(22) 및 제4 유니버설 조인트(24)를 개재하여 반사판 프레임(41)에 결합된다.

제1 및 제2 지주(11,12)의 일단쪽(하단쪽)은, 도 3에 도시된 바와 같이 외주면에 나사산이 형성된 스크류 형태로 이루어지고, 타단쪽(상단쪽)은 단순한 원기둥 형태로 이루어진다. 스크류 형태로 이루어진 제1 및 제2 지주(11,12)의 일단쪽은 각각 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)의 내부 휠(211)의 중심에 형성된 관통공에 끼워지는데, 내부 휠(211)의 관통공 내벽에는 제1 및 제2 지주(11,12)의 외주면에 형성된 나사산과 일치하는 나사산이 형성되어 있어, 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)와 제1 및 제2 지주(11,12)가 상대 회전하게 되면 스크류 부분을 따라 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)와 제1 및 제2 지주(11,12)가 상대 이동하게 된다. 한편, 제1 및 제2 지주(11,12)의 타단쪽은 각각 제2 및 제4 유니버설 조인트(22,24)의 내부 휠(221)에 회전이나 슬라이딩이 불가능하게 고정된다. 따라서, 상하 프레임(101,102, 도 2 참조)의 상하로 이격된 간격 사이에 끼워져 장착되어 상하로 이동하지는 못하지만 그 자리에서 회전가능하게 장착된 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)가 후술하는 구동부에 의해 회전 구동되면, 제1 및 제2 지주(11,12)의 일단쪽에 형성된 스크류 부분을 따라 제1 및 제2 지주(11,12)를 상하로(도 3에서 Y축 방향으로) 승강시키게 된다. 즉, 제1 및 제2 지주(11,12)는 상하 길이가 가변이다.

여기서, 제1 내지 제4 유니버설 조인트(21~24)의 구조에 대해 설명한다. 제1 내지 제4 유니버설 조인트(21~24)는 공통적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 휠(211,221), 중간 휠(212,222) 및 외부 휠(213,223)으로 이루어진다. 여기서, '휠'이란 용어를 사용하였지만 그 외관이 바퀴형상일 뿐, 각 휠의 중심을 축으로 하여 각 휠이 회전할 수 있는 구조는 아니다. 즉, 중간 휠(212,222)은 외부 휠(213,223)의 내주면에 내주면 직경의 양단부에서 연결되며 이 내주면 직경을 이루는 축(도 3에서 예컨대 Y축)을 중심으로 회동할 수 있고, 내부 휠(213,223)은 중간 휠(212,222)의 내주면에 내주면 직경의 양단부에서 연결되며 이 내주면 직경을 이루는 축(도 3에서 예컨대 X축)을 중심으로 회동할 수 있게 되어 있다. 따라서, 제1 및 제2 지주(11,12)는 각각의 양단부에 설치된 두 개의 회동축을 가지는 유니버설 조인트(21~24)에 의해 임의의 방향으로 경사지게 움직일 수 있고, 또한 일단(하단)에 설치된 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)의 회전(내부 휠(211), 중간 휠(212) 및 외부 휠(213)이 일체로 함께 회전)에 의해 상하로 승강할 수 있게 된다. 이렇게 제1 및 제2 지주(11,12)의 양단부에 유니버설 조인트(21~24)를 설치한 이유는, 도 2에서 알 수 있듯이, 제1 및 제2 지주(11,12)의 길이가 변화하여 반사판(50)을 임의의 방향으로 경사 구동하게 되면 제1 및 제2 지주(11,12)는 지면에 수직하지 않고 경사지게 되는데, 만약 유니버설 조인트가 없다면 이러한 승강운동이 불가능하게 되기 때문이다.

한편, 제3 지주(13)는 그 일단(하단)이 프레임(10)에 결합되는데, 여기에는 유니버설 조인트가 개재되지 않는다. 즉, 제3 지주(13)는 제1, 제2 지주(11,12)와 달리, 길이 및 높이가 고정되어 상하로 승강하거나 경사지게 움직이지 않는다. 다만, 제3 지주(13)의 타단(상단)에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 유니버설 조인트(25)가 설치된다.

구체적으로, 제3 지주(13)의 선단(상단)부에는 요크(131)를 개재하여 제5 유니버설 조인트(25)가 설치되어, 이 유니버설 조인트(25)는 요크(131)의 양단을 잇는 축(X축)을 중심으로 자유롭게 회동가능하다. 또한, 유니버설 조인트의 프레임(251)에서 X축과 동일 평면에서 직교하는 다른 회동축(Y축)에는 반사판 프레임(41)이 장착되어, 결과적으로 반사판 프레임(41)에 장착되는 반사판(50)은 제3 지주(13)에 대해 임의의 방향으로 경사가능하게 된다.

여기서, 유니버설 조인트(21~25)의 두 회동축(X축 및 Y축)은 동일 평면상에서 직교하는 것으로 설명되었으나, 두 회동축이 반드시 동일 평면에 있을 필요는 없고 꼬인 위치로 존재할 수도 있다. 다만, 본 실시예와 같이 두 회동축이 동일 평면에 있는 경우 구동시 진동이 적고 필요한 구동력이 작아 바람직하다. 특히, 제1 및 제2 지주(11,12)의 하단에 설치되는 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)는 '회전'을 하므로 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)의 두 회동축은 동일 평면상에서 직교하는 것이 바람직하다.

또한, 제5 유니버설 조인트(25)에서는 유니버설 조인트 프레임(251) 안에 각각의 회동축(X축 및 Y축)에 각도 센서(252,253)가 설치되어 있다. 따라서, 이 각도 센서(252,253)를 이용하여 반사판(50)이 제5 유니버설 조인트(25)의 두 회동축(X축 및 Y축)을 중심으로 회동한 각도를 검출할 수 있다. 본 실시예에서 각도 센서(252,253)는 회동한 각도에 비례해서 저항값이 변화하는 가변 저항을 사용한다. 물론, 동일한 원리의 가변 커패시터나 회전 디코더를 사용할 수도 있다. 또한, 본 실시예에서 각도 센서(252,253)는 X축 및 Y축용으로 각각 두 개씩 총 4개를 사용하고 있으나 X축 및 Y축용으로 각각 하나씩만 있으면 된다. 다만, 두 개씩 사용하는 경우 어느 하나가 고장이 나거나 오동작하더라도 다른 하나를 이용할 수 있으므로 바람직하다. 각도 센서(252,253)의 기능과 역할에 대해서는 후술한다.

한편, 도 4에서 제3 지주(13)는 단일의 기둥 형태로 도시되고, 그 상단부에 요크(131) 형태로 갈라지는 형태로 도시되었으나, 제3 지주(13)가 반드시 단일의 기둥일 필요는 없다. 즉, 도 4에서 유니버설 조인트(25)의 한 회동축인 X축의 양단에 요크(131) 없이 직접 결합된 두 개의 기둥으로 하여도 된다.

반사판(50)은 제1 내지 제3 지주(11,12,13)의 타단(상단)에 반사판 프레임(41) 및 제2, 제4 및 제5 유니버설 조인트(22,24,25)를 개재하여 장착되는데, 반사판(50)이 이루는 평면에서 제1 내지 제3 지주(11,12,13)의 각각의 타단은 삼각형을 이루어야 한다.

반사판(50)은 태양광/태양열을 받아 일 지점 P로 반사하는 역할을 하는 부재로서, 반사효율이 높은 금속판이나 반사 코팅을 한 유리 또는 플라스틱으로 이루어진다. 또한, 도면에서 반사판(50)은 직사각형의 편평한 판상으로 도시되었으나 그 형상은 응용처에 따라 원형이나 다각형 등으로 변경할 수 있고, 오목하게 할 수도 있다. 다만, 도 1에 도시된 반사장치 어레이의 단위 반사장치에 이용되는 경우에는 직사각형인 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이 제1 및 제2 지주(11,12)는 각각 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)의 회전을 통해 승강하게 되는데, 이 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)를 각각 독립적으로 회전시키기 위한 제1 및 제2 구동부가 구비된다.

제1 및 제2 구동부는 각각 모터(31)와 동력전달 기구(32)를 포함한다. 모터(31)로는 회전 디코더와 같은 센서가 구비되어 폐회로 제어(closed loop control)가 가능한 서보 모터를 사용할 수 있다. 또한, 개방 회로 제어(open loop control) 방식을 사용하는 스테핑 모터나 직류 모터를 사용할 수도 있다. 동력전달 기구(32)는 모터(31)의 회전력과 회전방향을 적절한 감속비를 가지고 제1 및 제3 유니버설 조인트(21,23)의 외부 휠(213)의 외주면에 형성된 톱니에 전달할 수 있도록 공지의 기어를 사용한다. 물론, 외부 휠(213)의 외주면에 톱니를 형성하지 않고 따라서 기어가 아닌 벨트 등의 다른 동력전달 기구를 사용해도 된다.

제어부(미도시)는, 전술한 바와 같이 반사장치 어레이 전체에 공통적으로 구비될 수도 있지만, 본 실시예의 반사장치(100)가 개별적으로 사용되는 경우 등에는 각 반사장치(100)에 개별적으로 구비된다. 제어부는 태양의 고도각 및 방위각에 따라 반사판(50)이 태양을 추적하여 원하는 최적의 방향을 향하도록 제1 및 제2 지주(11,12)를 승강시켜 각각의 길이를 조절하는 구동부(모터(31))를 제어한다. 제어부는, 전형적으로, 제어 알고리즘을 포함하는 프로그램과, 제어에 필요한 각종 데이터 등을 저장하는 메모리, 마이크로프로세서 등을 포함한다. 제어부의 실질적인 구성과 동작에 대해서는 후술하는 본 발명의 구동 메커니즘과 함께 설명하기로 한다.

한편, 전술한 모터(31)와 제어부, 나아가 전술한 센서를 구비하는 경우 센서의 동작에 필요한 전원은, 반사장치가 설치되는 건물 등의 외부로부터 직접 공급받거나 독립적인 배터리를 사용할 수 있다. 또한, 모터(31)와 제어부에 필요한 용량에 맞는 태양전지를 반사판(50)의 소정 개소에 배치하여 그로부터 전원을 공급받을 수도 있다.

여기서, 제어부의 구체적인 구성 즉, 본 실시예에 따른 태양광/태양열 반사장치의 동작에 대해 설명하기에 앞서, 위와 같이 구성된 본 실시예의 반사장치의 장점 및 효과에 대해 설명한다.

먼저, 본 실시예에 따르면 태양 추적기능을 현저하게 간소화하고 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 구동부를, 두 개의 지주(11,12)를 각각 승강 구동하기 위한 모터(31) 및 최소한의 기어만을 구비하는 동력전달 기구(32)로 구성함으로써, 종래기술에 비해 장치가 현저하게 간소화된다. 특히, 본 실시예에서 모터(31)는 고가의 서보 모터나 다른 종래기술에서 사용하는 고가의 리니어 모터가 아닌 저렴한 비용으로 적절한 감속비가 구현되는 모터를 사용하여 비용을 큰 폭으로 저감할 수 있다. 또한, 본 실시예의 모터(31)의 용량은 종래기술에 비해 작은 용량의 것을 사용할 수 있는데, 이는 두 개의 지주(11,12)가 연결되는 두 점(A1,A2, 도 5 참조)이 반사판(50)의 가장자리에 위치하므로 작은 힘으로도 반사판(50)를 정밀하게 경사 구동할 수 있기 때문이다.

또한, 본 실시예에서는 백래시를 저감하기 위해 정밀도가 높은 기어를 사용할 필요가 없다. 백래시(backlash)란 두 개의 기어가 맞물려 움직일 때 한쪽 기어가 움직이지 않더라도 다른 기어가 움직이는 현상을 말하는 것으로서, 특히 종래기술과 같이 기어의 수가 증가하는 경우에는 이러한 백래시가 누적되어 제어 오차(유격)가 급격하게 증가한다. 이러한 백래시를 저감하기 위해서는 정밀도가 높은 기어를 사용하거나, 항상적으로 기어를 한쪽 방향으로만 바이어스하는 방안이 고려되는데, 그만큼 추가적인 비용이 들어가게 된다. 즉, 정밀도가 높은 기어는 일반적인 기어보다 고가이고, 항상적으로 기어를 한쪽 방향으로 바이어스하기 위해서는 구동하지 않는 동안에도 바이어스를 위한 전력이 항상적으로 소모되게 된다.

이에 반해, 본 실시예에서는 두 개의 지주를 구동함에 있어서, 특히 각도 센서(252,253)를 이용하여 반사판(50)이 원하는 방향을 향하고 있는지를 확인하므로, 모터(31)의 회전량이나 기어 전달비가 정밀하게 유지되지 않아도 된다. 따라서, 고가의 기어를 사용할 필요가 없어진다.

나아가, 본 실시예에서는 3 개의 지주(11,12,13)로 반사판(50)을 지지하는 3점 지지구조가 된다. 따라서, 역학적으로 매우 안정적이고 견고한 구조가 되어, 옥외에 노출하더라도 강풍에 대해서도 견고하고 안정적으로 사용할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 태양 에너지 이용에 장애가 되고 있는 장치 자체의 비용은 물론이고 설치 및 운용 비용도 대폭 절감할 수 있어, 특히 소규모의 태양광/태양열 이용 장치의 보급에 크게 기여할 수 있다.

이어서, 본 실시예에 따른 반사장치에서 제1 및 제2 지주(11,12)를 독립적으로 승강 구동하는 메커니즘을 설명함으로써 본 실시예에 따른 장치의 동작에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 본 실시예에 따른 태양광/태양열 반사장치를 구동 제어의 관점에서 간략화하면 도 5와 같이 나타낼 수 있다. 도 5에서 보듯이, 길이 고정의 제3 지주(13)의 상단이 반사판(50)의 평면과 만나는 점을 반사판(50)의 중심인 원점 O로 하고, 길이 가변의 제1 및 제2 지주(11,12)의 각 상단이 반사판(50)의 평면과 만나는 점을 반사판(50)의 가장자리에 위치한 두 점 A1, A2라 하면, 제1 및 제2 지주(11,12)의 길이 l₁, l₂를 조절하면 반사판(50)은 임의의 방향으로 경사지게 구동할 수 있다. 다시 말해, 반사판(50)이 향하기를 원하는 방향(반사판 평면에 대한 법선 벡터

)이 정해지면, 그때의 제1 및 제2 지주(11,12)의 길이 l₁, l₂는 일의적으로 구해진다. 여기서, 제1 내지 제3 지주(11,12,13)의 각 상단이 반사판(50)의 평면과 만나는 점을 반드시 위의 A1,A2,O로 할 필요는 없다. 이 세 점은 반사판(50) 평면에서 임의의 삼각형을 이루기만 하면 법선 벡터

과 제1 및 제2 지주(11,12)의 길이 l₁, l₂는 일의적인 관계를 가지므로 족하다.

따라서, 제어부는 현재의 태양의 방향(방위각 및 고도각)과 태양광/태양열을 모을 한 점 P(도 1 참조)의 방향(방위각 및 고도각)을 센서에 의해 검출하거나, 메모리에 저장해 두고 읽어들여 반사판(50)이 향하기를 원하는 방향을 산출하고, 이 원하는 방향이 산출되면 그에 따라 일의적으로 정해지는 제1 및 제2 지주(11,12)의 목표 길이를 연산에 의해 산출하거나 룩업 테이블의 형태로 저장해 두고 읽어들여, 제1 및 제2 지주(11,12)의 길이가 목표 길이가 되도록 승강 신호(결국 모터(31)의 회전 방향 및 회전량 신호)를 구동부에 전달하면 된다.

또는, 반사판(50)에 반사판의 경사 방향과 경사각(즉, 상기 법선 벡터의 방위각과 고도각)을 검출함으로써 반사판(50)이 현재 향하고 있는 방향을 검출하는 센서를 설치하여 두고, 이 센서에 의해 검출된 반사판의 현재 방향과 원하는 방향을 비교하여 그 차이가 감소하는 방향으로 제1 및 제2 지주(11,12) 중 상승시켜야 할 지주와 하강시켜야 할 지주를 결정한다. 이렇게 각 지주(11,12)의 승강방향을 결정한 후 그에 따라 각각의 모터을 정역회전시키면 반사판(50)은 점차 원하는 방향을 향하게 된다.

여기서, 원하는 방향을 산출하기 위한 태양의 현재 고도각 및 방위각은 별도의 센서를 두고 매번 측정할 수도 있지만, 제어부 내에 현재의 날짜와 시각을 계수하는 시계, 및 날짜와 시각에 따른 태양의 고도각 및 방위각을 저장하는 메모리를 구비해 두고, 이 메모리로부터 현재의 날짜와 시각에 따른 값을 읽어들여 사용할 수 있다.

또한, 반사판의 현재 방향을 검출하는 센서는, 전술한 바와 같이, 두 개의 각도 센서(252,253)가 될 수 있다. 또는 이 현재방향 검출센서로는 중력에 대한 기울기 센서를 사용하거나, 제3 지주(13)와 반사판(20)의 경사각과 경사 방향을 측정하는 센서를 사용할 수 있다.

이와 같이 각도 센서(252,253)를 이용하게 되면, 두 개의 지주(11,12) 각각의 현재 길이를 산출하고 현재 길이가 목표 길이와 일치하도록 구동하는 방법에 비해, 반사판(50)을 원하는 방향으로 구동하는 방법이 더욱 단순해진다. 즉, 각도 센서(252,253)에서 검출한 반사판(50)이 유니버설 조인트(25)의 두 회동축(X축 및 Y축)을 중심으로 회동한 각도로부터 반사판(50)이 현재 향하고 있는 방향, 즉 법선 벡터의 방위각과 고도각을 산출하고, 이 반사판(50)의 법선 벡터의 방위각과 고도각이 태양의 현재 방위각과 고도각 및 한 점 P의 방위각과 고도각으로부터 산출된 원하는 방향과 일치하도록 구동하면 된다.

구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 반사판(50)이 유니버설 조인트(25)의 두 회동축(X축 및 Y축)을 중심으로 회동한 각도를 각각 α, β라 하고, 이 α, β로부터 지평 좌표계(xyz 직교 좌표계)에 따른 방위각 A와 고도각 h는 다음과 같이 구해진다.

반사판(50)의 법선 벡터

을 길이가 1인 단위 벡터라 하고, 직교 좌표계상에서의 x, y, z 좌표값을 각각 a, b, c라 하면, a, b, c는 다음 수식으로 구해진다.

또한, 법선 벡터

의 지평 좌표계에 따른 방위각 A와 고도각 h는 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 1의 a, b, c를 수학식 2에 대입하면 방위각 A와 고도각 h는 다음 수식과 같이 구해진다.

이렇게 구한 방위각 A와 고도각 h가, 현재 태양의 방위각 및 고도각 및 한 점 P의 방위각 및 고도각으로부터 구한 원하는 방향의 방위각 및 고도각과 일치하도록 구동 제어하면 된다.

나아가, 룩업 테이블에 날짜와 시각에 따른 반사판(50)이 원하는 방향이 될 때의 회동 각도 α, β를 저장해 두고 현재 날짜와 시각에 따른 회동 각도 α, β를 읽어들임으로써, 상술한 연산 과정을 거치지 않고 곧바로 반사판(50)을 구동 제어할 수도 있다.

이와 같은 구동 제어 방식에 따른 구체적인 제어부의 동작은 제어부 내의 연산부가 수행하게 되고, 이상의 제어 과정은 프로그래밍화하여 제어부 내의 마이크로프로세서로 구현될 수 있다.

상기의 제어 과정은 일출후 일몰전까지의 시간 동안 일정한 시간 간격(예컨대 5분)으로 반복함으로써 이 일정한 시간 간격마다 반사판(50)이 태양을 추적하도록 하면 된다.

본 실시예에서, 상기 한 점 P에는 태양전지나 집열부재가 배치되어 있어 태양 에너지를 활용가능한 전기 에너지나 열 에너지 등 다른 형태의 에너지로 변환하게 된다. 또는, 상기 한 점 P에 빨래나 건조 식품 등의 일광 건조할 대상물 또는 일광 소독할 대상물을 배치해 두고 본 실시예의 장치로부터 반사된 태양광을 일광 건조나 일광 소독에 사용하게 할 수도 있다. 나아가, 상기 한 점 P는 주택이나 건물, 공장 등의 실내가 될 수 있다. 이 경우, 본 실시예에 따른 장치로부터 반사된 태양광은 실내 조명에 사용될 수 있다. 한편, 상기 한 점 P는 '점'이라는 표현을 썼지만, 엄밀한 의미의 '점'이 아니라 일정한 면적이나 패턴을 가지는 영역을 포함하는 의미로 해석되어야 한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

예를 들어, 전술한 설명에서는 본 발명의 실시예로서 반사판이 태양광 또는 태양열을 반사하는 판으로서 설명했지만, 본 발명의 반사판 구동 장치는 태양 에너지 이용 장치에만 국한되지 않고, 예컨대, 위성 안테나나 전파 망원경 같이 특정 위성이나 특정 천체를 추종하여야 하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 이 경우, 전술한 태양의 현재 위치를 검출하는 센서는, 특정 위성이나 천체로부터의 전파(전기적 신호)의 강도, 나아가 자기적 신호를 3차원적으로 검출함으로써 그 위치를 검출하는 센서로 대체하면 된다.

100: 반사장치 어레이 200: 어레이 프레임
10,101,102: 프레임 11,12,13: 제1, 제2, 제3 지주
21~25: 제1~제5 유니버설 조인트
31: 모터 32: 동력전달 기구
41: 반사판 프레임 50: 반사판

Claims (15)

1. 프레임;
   상기 프레임에 일단이 제1 유니버설 조인트를 개재하여 승강가능하게 결합되고 타단에는 제2 유니버설 조인트가 설치된 길이 가변의 제1 지주;
   상기 프레임에 일단이 제3 유니버설 조인트를 개재하여 승강가능하게 결합되고 타단에는 제4 유니버설 조인트가 설치된 길이 가변의 제2 지주;
   상기 프레임에 일단이 결합되고 타단에는 제5 유니버설 조인트가 설치된 길이 고정의 제3 지주;
   상기 제1 내지 제3 지주 각각의 상기 타단에 설치된 제2, 제4 및 제5 유니버설 조인트를 개재하여 설치된 편평한 또는 오목한 판상의 반사판;
   상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 각각 독립적으로 승강 구동함으로써 상기 반사판을 임의의 방향으로 경사 구동하는 제1 및 제2 구동부;
   상기 반사판의 경사 방향과 경사각을 검출함으로써 상기 반사판이 현재 향하고 있는 방향을 검출하는 현재방향 검출센서; 및
   상기 현재방향 검출센서에 의해 검출된 상기 반사판의 현재방향과 상기 반사판이 향하기를 원하는 방향이 일치하도록, 상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 승강시키는 신호를 상기 제1 및 제2 구동부에 전달하는 제어부;를 포함하고,
   상기 현재방향 검출센서는, 상기 제5 유니버설 조인트의 두 회동축에 설치되어 상기 반사판이 상기 두 회동축을 중심으로 회동한 각도를 검출하는 두 개의 각도 센서이며,
   상기 반사판이 이루는 평면에서 상기 제1 내지 제3 지주의 각각의 타단은 삼각형을 이루는 것을 특징으로 하는 반사판 구동 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 각도 센서는 가변 저항 또는 가변 커패시터인 것을 특징으로 하는 반사판 구동 장치.
5. 프레임;
   상기 프레임에 일단이 제1 유니버설 조인트를 개재하여 승강가능하게 결합되고 타단에는 제2 유니버설 조인트가 설치된 길이 가변의 제1 지주;
   상기 프레임에 일단이 제3 유니버설 조인트를 개재하여 승강가능하게 결합되고 타단에는 제4 유니버설 조인트가 설치된 길이 가변의 제2 지주;
   상기 프레임에 일단이 결합되고 타단에는 제5 유니버설 조인트가 설치된 길이 고정의 제3 지주;
   상기 제1 내지 제3 지주 각각의 상기 타단에 설치된 제2, 제4 및 제5 유니버설 조인트를 개재하여 설치된 편평한 또는 오목한 판상의 반사판;및
   상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 각각 독립적으로 승강 구동함으로써 상기 반사판을 임의의 방향으로 경사 구동하는 제1 및 제2 구동부;를 구비하고,
   상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단쪽 외주면에는 나사산이 형성된 스크류 형태로 이루어지고,
   상기 제1 및 제3 유니버설 조인트의 중심에는 각각 상기 제1 및 제2 지주가 관통하며 상기 제1 및 제2 지주의 외주면에 형성된 나사산과 일치하는 나사산이 형성된 관통공이 형성되어 있고, 상기 제1 및 제3 유니버설 조인트는 각각 상기 제1 및 제2 지주를 중심으로 회전 가능하게 상기 프레임에 장착되고,
   상기 제1 및 제2 구동부는 각각 상기 제1 및 제3 유니버설 조인트를 정역회전시킴으로써 각각 상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 승강시키는 것을 특징으로 하는 반사판 구동 장치.
6. 제1항에 기재된 반사판 구동 장치 복수 개를 일렬로 또는 복수의 열로 배열하여 상기 반사판에 의해 빛, 열 또는 신호를 공통의 한 점 또는 복수의 점으로 반사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반사장치 어레이.
7. 제6항에 있어서,
   상기 복수 개의 반사판 구동 장치 각각의 상기 제1 및 제2 구동부에 연결되어, 상기 제1 및 제2 구동부를 순차적으로 또는 병렬적으로 제어하여 상기 복수 개의 반사판 구동 장치 각각의 상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 승강시키는 공통의 중앙제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사장치 어레이.
8. 제5항에 기재된 반사판 구동 장치 복수 개를 일렬로 또는 복수의 열로 배열하여 상기 반사판에 의해 빛, 열 또는 신호를 공통의 한 점 또는 복수의 점으로 반사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반사장치 어레이.
9. 제8항에 있어서,
   상기 복수 개의 반사판 구동 장치 각각은,
   상기 반사판의 경사 방향과 경사각을 검출함으로써 상기 반사판이 현재 향하고 있는 방향을 검출하는 현재방향 검출센서; 및
   상기 현재방향 검출센서에 의해 검출된 상기 반사판의 현재방향과 상기 반사판이 향하기를 원하는 방향이 일치하도록, 상기 제1 및 제2 지주의 상기 일단을 승강시키는 신호를 상기 제1 및 제2 구동부에 전달하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사장치 어레이.
10. 제9항에 있어서,
    상기 현재방향 검출센서는, 상기 제5 유니버설 조인트의 두 회동축에 설치되어 상기 반사판이 상기 두 회동축을 중심으로 회동한 각도를 검출하는 두 개의 각도 센서인 것을 특징으로 하는 반사장치 어레이.
11. 제10항에 있어서,
    상기 각도 센서는 가변 저항 또는 가변 커패시터인 것을 특징으로 하는 반사장치 어레이.
12. 삭제
13. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 반사장치 어레이는 태양을 추적하여, 상기 복수 개의 반사판 구동 장치가 태양광 또는 태양열을 미리 정해진 한 점으로 반사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반사장치 어레이.
14. 제13항에 있어서,
    상기 반사장치 어레이는, 태양의 현재방향을 검출하는 태양방향 검출센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 태양방향 검출센서에 의해 검출된 태양의 현재방향과 상기 한 점의 방향으로부터 상기 복수 개의 반사판 구동 장치 각각의 상기 반사판이 향하기를 원하는 방향을 산출하여, 상기 복수 개의 반사판 구동 장치 각각의 상기 제1 및 제2 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 반사장치 어레이.
15. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는, 현재의 날짜와 시각을 계수하는 시계; 및 날짜와 시각에 따른 태양의 고도각 및 방위각을 저장하는 메모리;를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 메모리로부터 읽어들인 현재의 날짜와 시각에 따른 태양의 고도각 및 방위각과 상기 한 점의 방향으로부터 상기 복수 개의 반사판 구동 장치 각각의 상기 반사판이 향하기를 원하는 방향을 산출하여, 상기 복수 개의 반사판 구동 장치 각각의 상기 제1 및 제2 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 반사장치 어레이.

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