KR101600363B1 - 태양광원 자동추적장치용 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2개의 반사경을 이용한 3회 반사 유도형 구조를 가져서 태양광의 방향에 대한 추적 정밀도를 대폭 향상시킨 태양광원 추적장치용 센서에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양광원 추적장치용 센서는, 원통형의 하우징; 상기 하우징 내부 후단에 설치되며, 상기 하우징 내부로 유입되는 태양광을 전방으로 집광하는 1차 오목 반사경; 상기 하우징 내부 전단에 설치되며, 상기 1차 오목 반사경에 의하여 집광된 태양광을 상기 1차 오목 반사경 외곽부로 2차 반사하는 2차 볼록 반사경; 상기 하우징 전단 원주부를 4등분하여 원호 형상으로 설치되며, 상기 2차 반사경에 의하여 3차 반사되는 태양광을 센싱하는 4개의 태양광 센서부; 상기 하우징의 고각 및 방위각을 변동시키는 구동장치; 상기 4개의 태양광 센서부에서 센싱되는 광기전력의 평균값을 산출하고, 4개의 태양광 센서부에서 상기 평균값과 동일한 광기전력이 센싱되도록 상기 구동장치를 구동시키는 제어부;를 포함한다.

Description

태양광원 자동추적장치용 센서{A SENSOR FOR TRACKING SOLAR LAY}

본 발명은 태양광원 추적장치용 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2개의 반사경을 이용한 3회 반사 유도형 구조를 가져서 태양광의 방향에 대한 추적 정밀도를 대폭 향상시킨 태양광원 추적장치용 센서에 관한 것이다.

태양전지는 태양의 빛 에너지를 전기로 변환하는 장치이다. 태양전지의 소재로서는 규소(Si)가 구조 사용되고, PN 접합을 가진 다이오드 구조로 되어 있다. 또한 단결정 Si 이외에 Se, CdS 등을 사용한 태양전지도 있다.

태양전지에서 전기가 발생하려면 빛을 받아들이는 수광면에 빛이 들어와야 한다. 수광면에 빛이 들어오면 태양빛 에너지에 의해 전자, 정공 쌍이 발생하고 전자와 정공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 된다. 이때 태양전지 방향으로 자연 상태의 태양광을 그대로 입사시킬 수도 있고, 집광하여 입사시킬 수도 있다.

따라서 태양전지의 발전효율을 높이기 위해서는 수광면을 항상 태양으로 향하게 하여 빛을 최대로 많이 받을 수 있도록 수광면과 태양이 수직으로 놓이는 것이 필요하다. 이렇게 수광면과 태양광이 수직으로 놓이도록 하는 수단으로서 태양추적장치가 사용되고 있다.

이러한 태양추적장치는 크게 두가지 방식으로 분류되는데, 대한민국공개특허제10-2010-86376에 개시되어 있는 바와 같이 우선 임의의 지점에서 보는 태양의 위치를 시간별로 계산하여 입력된 프로그램에 의해 구동되는 프로그램방식과 두개 이상의 광센서를 태양추적장치에 부착한 후 두 개의 광센서로 입사되는 빛의 량이 동일한 지점으로 태양광을 추적하는 방식이 있다.

이때 광센서는 중앙부에 기둥을 두고 각도에 따라 변화하는 음영을 감지하는 방식이 많이 사용된다. 이러한 음영감지방식은 간단하고 제작비용이 저렴한 장점이 있으나, 추적 정밀도가 낮아 고집광, 고정밀 집광형 추적센서로 사용하기에는 추적 정밀도가 낮은 문제점이 있다.

또한 프로그램방식으로 구동되는 태양추적장치는 기후 변화에 관계없이 정밀하게 작동을 하고, 상기 광센서방식에 비해 전력소모량이 낮다는 장점이 있으나, 프로그램의 성능면에 제어방법이 적절하지 못하여 오차 각이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 2개의 반사경을 이용한 3회 반사 유도형 구조를 가져서 태양광의 방향에 대한 추적 정밀도를 대폭 향상시킨 태양광원 추적장치용 센서를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 태양광원 추적장치용 센서는, 원통형의 하우징; 상기 하우징 내부 후단에 설치되며, 상기 하우징 내부로 유입되는 태양광을 전방으로 집광하는 1차 오목 반사경; 상기 하우징 내부 전단에 설치되며, 상기 1차 오목 반사경에 의하여 집광된 태양광을 상기 1차 오목 반사경 외곽부로 2차 반사하는 2차 볼록 반사경; 상기 하우징 전단 원주부를 4등분하여 원호 형상으로 설치되며, 상기 1차 오목 반사경에 의하여 3차 반사되는 태양광을 센싱하는 4개의 태양광 센서부; 상기 하우징의 고각 및 방위각을 변동시키는 구동장치; 상기 4개의 태양광 센서부에서 센싱되는 광기전력의 평균값을 산출하고, 4개의 태양광 센서부에서 상기 평균값과 동일한 광기전력이 센싱되도록 상기 구동장치를 구동시키는 제어부;를 포함한다.

본 발명에서 상기 2차 볼록 반사경은, 상기 1차 오목 반사경의 중앙부분을 관통하여 설치되는 고정봉에 의하여 설치되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에서 상기 태양광 센서부는 Cds 센서인 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 태양광원 추적장치용 센서에는, 상기 하우징의 전면에 설치되며, 상기 하우징 내부를 차단하되 입사되는 태양광은 투과시키는 보호창이 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 하우징은, 결합 각도의 조정이 가능한 각도 조절 관절 볼트에 의하여 상기 구동장치에 결합되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 하우징에는, 상기 하우징을 상기 각도 조절 관절 볼트 말단과 결합시키는 하우징 고정링이 더 구비되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에서 상기 고정봉에는, 상기 2차 볼록 반사경의 상기 1차 오목 반사경과의 상대 거리를 조정할 수 있는 간격 조절수단이 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명의 태양광원 추적장치용 센서는 태양광을 3차에 걸쳐서 반사시키는 과정에서 미세한 입사각의 차이가 6배 이상 증폭되는 현상이 발생하므로 미세한 태양의 움직임을 추적하는데 매우 유용한 광학적 특성을 가진다. 특히, 이러한 광학 구조에 복수 CdS 센서를 병용하여 종래의 음영추적 방식보다 12배 이상 향상된 추적 정밀도를 달성하는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서의 구조를 도시하는 다른 방향에서의 사시도이다.
도 3, 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서의 구조를 도시하는 분리사시도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서에서 이루어지는 광경로를 도시하는 도면이다.
도 7 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서에 입사되는 태양광의 입사각에 따라 발생하는 광경로와 센서부에서 센싱되는 광기전력의 상태를 도시하는 도면들이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서(100)는 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 하우징(110), 1차 오목 반사경(120), 2차 볼록 반사경(130), 태양광 센서부(140), 구동장치(200) 및 제어부(도면에 미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저 상기 하우징(110)은 도 3에 도시된 바와 같이, 전후면이 개방된 원통형 구조를 가지며, 다른 구성요소들이 설치될 수 있는 공간을 제공한다. 이때 상기 하우징(110)의 후단은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 1차 오목 반사경(120)에 의하여 차단되고, 상기 하우징(110)의 전단은 도 1에 도시된 바와 같이, 보호창(150)에 의하여 차단된다. 여기에서 상기 보호창(150)은 도 1, 5에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(110)의 전면에 설치되며, 상기 하우징(110) 내부를 차단하되 입사되는 태양광은 투과시키는 투명한 소재로 구성된다. 물론 상기 보호창(150)은 도 1, 4에 도시된 바와 같이, 보호창 고정링(152)에 의하여 상기 하우징(110)에 결합되는 구조를 가질 수 있다.

다음으로 상기 1차 오목 반사경(120)은 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(110)의 내부 후단에 고정되어 설치되며, 상기 하우징(110) 내부로 유입되는 태양광을 전방으로 집광하는 구성요소이다. 즉, 상기 1차 오목 반사경(120)은 오목거울 구조를 가지되, 상기 2차 볼록 반사경(130) 직경 내로 반사 집광된 빛이 입사되는 정도의 곡률을 가지면 된다.

그리고 상기 1차 오목 반사경(120) 중앙에는 2차 볼록 반사경(130) 고정을 위한 고정봉 통과공(122)이 형성될 수도 있다.

다음으로 상기 2차 볼록 반사경(130)은 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(110) 내부 전단에 설치되며, 상기 1차 오목 반사경(120)에 의하여 집광된 태양광을 상기 1차 오목 반사경(120) 외곽부로 2차 반사하는 구성요소이다. 즉, 상기 2차 볼록 반사경(130)에 의해서는 도 6에 도시된 바와 같이, 2차 반사된 태양광이 상기 1차 오목 반사경(120)의 외곽부분으로 입사되어 최종적으로 상기 태양광 센서부(140)로 향하도록 태양광을 제어하는 것이다.

이때 본 실시예에서 상기 2차 볼록 반사경(130)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 1차 오목 반사경(120)의 중앙부분을 관통하여 설치되는 고정봉(160)에 의하여 상기 1차 오목 반사경(120)에 설치되는 것이 바람직하다. 상기 1차 오목 반사경(120)과 2차 볼록 반사경(130)은 본 실시예에 따른 태양광원 자동추적장치용 센서(100)에서 광을 제어하는 구성요소이므로 그 설치 위치는 매우 정밀하게 제어되어야 하며, 설정된 위치는 변화되지 않고 고정되어야 한다. 따라서 상기 2차 볼록 반사경(130)을 상기 1차 오목 반사경(120)에 고정시켜 양자 간의 설정위치가 다른 구성요소에 의하여 변경되지 않도록 하는 것이다.

따라서 상기 2차 볼록 반사경(130)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙 부분에 고정봉(160)과 체결하기 위한 체결구(132)가 형성되고, 상기 고정봉(160)은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 1차 오목 반사경(120)의 중앙 부분을 관통하여 설치된다.

그리고 상기 고정봉(160)에는, 상기 2차 볼록 반사경(130)의 상기 1차 오목 반사경(120)과의 상대 거리를 조정할 수 있는 간격 조절수단(162)이 더 구비되는 것이 바람직하다. 두 반사경(120, 130)의 간격을 좁게 하면 센서(140)는 더 민감해지고, 넓게하면 둔감해지므로 두 반사경의 간격을 조정하여 센서의 민감도를 조정하도록 하는 것이다. 구체적으로는 상기 고정봉(160)의 후단과 상기 1차 오목 반사경(120)의 고정봉 관통공(122)에 나사면을 형성하고, 상기 고정봉(160)을 회전시키는 방식으로 두 반사경 사이의 간격을 조정할 수 있다. 물론 상기 고정봉(160)의 말단에는 상기 고정봉(160)이 세팅된 상태에서 움직이지 않도록 고정하는 고정볼트(164)가 도 3에 도시된 바와 같이, 구비된다.

다음으로 상기 태양광 센서부(140)는 도 1, 3에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(110) 전단 원주부를 4등분하여 원호 형상으로 설치되며, 상기 2차 반사경(130)에 의하여 2차 반사되는 태양광을 센싱하는 구성요소이다. 구체적으로 상기 태양광 센서부(140)는 4개의 센서(140a, 140b, 140c, 140d)로 구성되되, 4개의 센서는 정확하게 원주를 4등분한 형태로 설치되는 것이 바람직하다. 특히, 4개의 센서(140a, 140b, 140c, 140d)가 설치되는 방향은, 상기 구동장치(200)의 고각 변동 방향과 일치되는 방향으로 마주보는 2개의 센서가 설치되고, 방위각 변동 방향과 일치되는 방향으로 다른 방향의 마주보는 2개의 센서가 설치되는 것이 바람직하다.

본 실시예에서 상기 센서(140)는 Cds 센서인 것이 바람직하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 센서에는 다수개의 CdS 센서(142b)가 PCB(144b)에 실장되는 구조를 가질 수 있다.

다음으로 상기 구동장치(200)는 상기 하우징(110)의 고각 및 방위각을 변동시키는 구성요소로서, 일반적으로는 상기 태양광원 추적장치용 센서(100)가 설치되는 태양광 발전장치(도면에 미도시)에 설치되며, 상기 구동장치(200)에 의하여 상기 태양광 발전장치와 센서가 동시에 구동되는 구조를 가진다.

이때 본 실시예에서 상기 하우징(110)은, 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 결합 각도의 조정이 가능한 각도 조절 관절 볼트(170)에 의하여 상기 구동장치에 결합되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 상기 하우징(110) 및 이에 설치되는 두개의 반사경(120, 130)은 정확하게 태양광발전장치의 설치 방향과 일치하도록 설치되어야 한다. 따라서 상기 각도 조절 관절 볼트(170)를 이용하여 설치 방향을 보정할 수 있는 것이다.

구체적으로는 도 3, 5에 도시된 바와 같이, 먼저 하우징 고정링(180)을 상기 하우징(110) 외부에 고정되도록 설치하고, 상기 각도 조절 관절볼트(170)의 말단을 상기 하우징 고정링(180)에 관통하도록 삽입하여 설치할 수 있다.

이하에서는 본 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서의 센싱과정을 제어부의 기능을 설명하면서 자세하게 설명한다.

상기 제어부는 본 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서가 태양의 위치를 정확하게 추적하도록 다른 구성요소들을 제어하는 구성요소이다. 먼저 본 센서는 태양광 발전장치와 정확하게 동일한 방향으로 장착되어 있다는 것을 전제로 추적 과정을 진행한다.

먼저 본 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서(100)에서 태양광이 센서부(140)에 입사되는 과정을 도 6을 참조하여 설명한다. 센서로 입사되는 태양광은 우선 보호창(150)을 통과하고 1차 오목 반사경(120)에 입사된다. 이때 상기 2차 볼록 반사경(130)에 의하여 2차 볼록 반사경(130)의 직경만큼 1차 오목 반사경(120)에 음영이 발생한다. 따라서 2차 반사경(130) 직경 외곽으로 입사되고 1차 오목 반사경(120) 내에 입사되는 태양광만이 2차 볼록 반사경(130)에 의하여 2차 반사되어 1차 오목 반사경(120) 외곽으로 반사된다. 그리고 마지막으로 1차 오목 반사경(120)에서 3차 반사된 태양광이 센서부(140)로 반사된다.

따라서 도넛 형태의 태양광이 센서부(140)로 반사되므로, 실제 센서부(140)의 형상과 유사한 형태의 태양광이 센서부(140)에 조사되므로 센서의 감지 민감도가 증대되는 효과를 거둘 수 있다.

이 상태에서 상기 제어부는 상기 4개의 태양광 센서부(140a, 140b, 140c, 140d)에서 센싱되는 광기전력의 평균값을 실시간으로 산출하고, 4개의 태양광 센서부(140a, 140b, 140c, 140d)에서 상기 평균값과 동일한 광기전력이 센싱되도록 상기 구동장치를 구동시킨다.

예를 들어 어느 방향의 센서부(140a)가 작은 값을 가지는 경우에는 그 방향의 센서부(140a)가 태양광을 적게 받았다는 의미이므로 평균값과 대등한 값을 얻을 때까지 그 방향에 해당하는 구동장치(200)를 구동시켜 방향을 틀어주는 원리이다.

또한 도 9에 도시된 바와 같이, 태양광의 입사각이 틀어져서, 도 10에 도시된 바와 같이, 4개의 센서(140a, 140b, 140c, 140d)에서 측정된 광기전력 값이 각각 다른 경우에는, 방향각과 고각이 모두 태양을 향하여 수직이 아니라는 의미이므로, 우선 방향각에 해당하는 센서(140b, 140d)들을 값이 같아질 때까지 방향각 조정용 구동장치를 구동하여 일치시킨다. 그리고 고각에 해당하는 센서(140a, 140b)에 해당하는 센서들도 값이 같아질 때까지 고각 조정용 구도장치를 구동하여 일치시킨다.

이렇게 되면 도 7에 도시된 바와 같이, 태양광의 입사 방향과 센서의 배치 방향이 일치하고, 도 8에 도시된 바와 같이, 4개의 센서(140a, 140b, 140c, 140d)에서 측정된 광기전력 값이 모두 동일하게 측정된다.

이 상태에서 일정시간이 경과하면 또 다시 각 센서(140a, 140b, 140c, 140d)에 입사되는 태양광은 서로 달라지게 된다. 이를 제어부에서 인식하여 제어 과정을 다시 진행하게 된다. 이때 이렇게 방향을 보정하는 시간 간격은 72초 이내인 것이, 국제인증 규격에 적합하여 바람직하다.

100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광원 추적장치용 센서
110 : 하우징 120 : 1차 오목 반사경
130 : 2차 볼록 반사경 140 : 태양광 센서부
150 : 보호창 160 : 고정봉
170 : 각도조절 관절볼트 180 : 하우징 고정링

Claims (7)

1. 원통형의 하우징;
   상기 하우징 내부 후단에 설치되며, 상기 하우징 내부로 유입되는 태양광을 전방으로 반사하면서 집광하는 1차 오목 반사경;
   상기 하우징 내부 전단에 상기 1차 오목 반사경의 중앙부분을 관통하여 설치되는 고정봉에 의하여 고정되어 설치되며, 상기 1차 오목 반사경에 의하여 집광된 도넛 형태의 태양광을 상기 1차 오목 반사경 외곽부로 2차 반사하는 2차 볼록 반사경;
   상기 하우징 전단 원주부를 4등분하여 원호 형상으로 설치되며, 상기 1차 오목 반사경에 의하여 센서 형상에 대응되는 도넛 형상으로 3차 반사되는 태양광을 센싱하는 4개의 태양광 센서부;
   상기 하우징과 결합 각도의 조정이 가능한 각도 조절 관절 볼트에 의하여 결합되며, 상기 하우징의 고각 및 방위각을 변동시키는 구동장치;
   상기 4개의 태양광 센서부에서 센싱되는 광기전력의 평균값을 산출하고, 4개의 태양광 센서부에서 상기 평균값과 동일한 광기전력이 센싱되도록 상기 구동장치를 구동시키는 제어부;
   상기 하우징을 상기 각도 조절 관절 볼트 말단과 결합시키는 하우징 고정링; 및
   상기 고정봉에 설치되며, 상기 2차 볼록 반사경의 상기 1차 오목 반사경과의 상대 거리를 조정할 수 있는 간격 조절수단;을 포함하는 태양광원 자동추적장치용 센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 태양광 센서부는,
   Cds 센서인 것을 특징으로 하는 태양광원 자동추적장치용 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 하우징의 전면에 설치되며, 상기 하우징 내부를 차단하되 입사되는 태양광은 투과시키는 보호창이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광원 자동추적장치용 센서.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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