KR101771948B1 - 태양 추적 장치 및 그의 동작 방법 - Google Patents

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이종호
임태훈
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명은 태양광을 효율적으로 집광하기 위한 태양 추적 장치로, 수평 방향으로 이동하는 스탭 모터와 연결되는 탑 플레이트, 마이크로렌즈 어레이를 포함하고, 가장자리의 위치에서 아래 방향으로 돌출된 적어도 하나 이상의 접속부를 포함하면서 탑 플레이트와 결합된 미들 플레이트 및 접속부와 접촉된 상태로 탑 플레이트 및 미들 플레이트를 지지하는 적어도 하나 이상의 지지부와 태양 전지 어레이를 포함하는 보텀 플레이트를 포함하고, 지지부의 상면은 높이가 서로 다른 계단형으로 형성되며, 접속부가 지지부 상에서 기설정된 방향으로 이동시 미들 플레이트가 수평 및 수직 방향으로 이동되어 마이크로렌즈의 초점 거리가 달라지는 것을 특징으로 한다.

Description

태양 추적 장치 및 그의 동작 방법 {SOLAR TRACKER AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 태양 추적 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
본 발명은 태양 에너지를 효율적으로 생산하기 위한 태양 추적 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
태양 에너지는 에너지원으로써 무한하고, 온실 가스를 배출하지 않는 무공해 에너지원이자 지역적 편중이 적어 다양하게 이용할 수 있는 가능성이 풍부하다. 이러한 장점으로 인해, 태양 에너지를 전기 에너지로 전환 시키는 광전효과를 통해 광기전력을 극대화 시키기 위한 연구가 활발히 진행된다. 특히, 태양의 빛을 가능한 한 최대로 모아 전기 에너지로 바꾸기 위해 태양의 빛을 모으는 방법에 대한 연구가 중요시 되고 있다. 구체적으로, 태양의 위치가 변하더라도 태양 빛을 최대한 모을 수 있는 방법에 대한 연구가 활발하다.
그러한 방법 중 하나는 집중 태양 전지(Concentrator photovoltaics, CPV)를 이용하는 것이다. 집중 태양 전지는 고성능의 비싼 태양광 반도체 재료의 사용을 줄이면서 장시간 에너지를 출력할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 집중 태양 정지를 이용하는 태양 추적 시스템은 태양의 위치 변화에 따라 광학 집광기(optical concentrator)와 태양 전지(solar cell)가 태양을 향하도록 GPS 또는 센서의 감지에 기초하여 집중 태양 전지의 패널 각도를 조절해야 한다. 즉, 집중 태양 전지는 패널의 각도 자체를 조절해야 하므로 부피가 크고 무게가 무겁게 설계되는 단점이 있다. 따라서, 태양 추적 시스템은 넓은 설치 면적과 풍하중(wind loading)에 대한 저항을 필요로 한다.
이러한 단점들로 인해, 부피가 작고 무게가 가벼우면서 태양의 위치가 변하더라도 태양광을 태양 전지로 모두 집광할 수 있는 장치가 요구된다.
본 발명은 마이크로 또는 밀리미터 단위의 태양 전지를 이용한 태양 추적 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 마이크로렌즈(microlens)와 태양 전지(Solar Cell) 사이의 거리를 조절하여 태양광을 모두 태양 전지로 집광할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 이중 축(dual-axis) 액츄에이터(actuator)를 이용하여 태양 전지를 수평 방향 및 수직 방향으로 이동시켜 태양 에너지를 최대한 많이 생산할 수 있는 태양 추적 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 태양의 위치 변화와 관계 없이 초점(focal spot)이 초 슬림 태양 전지 상에 계속해서 맺히도록 하는 태양 추적 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 태양 추적 장치를 이용하여 태양의 위치 변화와 관계 없이 태양 에너지를 생산하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치는, 수평 방향으로 이동하는 스탭 모터와 연결되는 탑 플레이트(top plate), 마이크로렌즈 어레이(microlens array)를 포함하면서 가장자리의 위치에서 아래 방향으로 돌출된 적어도 하나 이상의 접속부를 포함하면서 상기 탑 플레이트와 결합된 미들 플레이트(middle plate) 그리고 상기 접속부와 접촉된 상태로 상기 탑 플레이트 및 상기 미들 플레이트를 지지하는 적어도 하나 이상의 지지부와 태양 전지 어레이(solar cells array)를 포함하는 보텀 플레이트(bottom plate)를 포함하고, 상기 지지부의 상면은 높이가 서로 다른 계단형으로 형성되며, 상기 접속부가 상기 지지부 상에서 기설정된 방향으로 이동시 상기 미들 플레이트가 수평 및 수직 방향으로 이동되어 상기 마이크로렌즈의 초점 거리가 달라지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치는, 상기 미들 플레이트가 상기 스탭 모터에 의해 수평 방향으로 이동하는 경우 상기 접속부와 접촉하는 상기 지지부 상의 층이 달라져 상기 미들 플레이트는 수직 방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치는, 상기 미들 플레이트가 아래 방향으로 이동하면 상기 마이크로렌즈의 초점 거리가 짧아지고, 상기 미들 플레이트가 위 방향으로 이동하면 상기 마이크로렌즈의 초점 거리가 길어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치는, 상기 마이크로렌즈들 간의 간격, 상기 태양 전지들 간의 간격 및 상기 지지부의 층간 간격은 모두 일치하는 것을 특징으로 하며, 상기 일치되는 간격의 크기는 1.3mm일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치는, 상기 접속부가 상기 지지부 상에서 한 층씩 이동함에 따라 상기 마이크로렌즈를 통과한 빛의 집광 위치는 인접한 태양 전지 상으로 순차적으로 변경되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치는, 상기 탑 플레이트, 상기 미들 플레이트 및 상기 보텀 플레이트는 사각형 형태로 구현되고, 상기 지지부는 상기 보텀 플레이트 상면 상의 각 꼭지점마다 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 에너지 생산 장치는 상기 태양 추적 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치는 마이크로렌즈의 초점 거리가 달라지도록 상기 접속부가 기 설정된 주기마다 상기 지지부 상에서 이동하는 단계, 상기 주기마다 태양 전지를 흐르는 전류 값을 측정하는 단계, 상기 측정한 전류 값 중 최대 전류 값의 위치를 획득하는 단계 및 상기 접속부를 상기 위치로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 부피가 작고 무게가 가벼운 태양 추적 장치를 이용하여 태양의 위치 변화와 관계없이 태양광을 손실하지 않고 모두 태양 전지로 집광할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 태양의 위치가 변함에 따라 마이크로렌즈 어레이를 통과한 광의 초점 위치가 이동하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 집광 위치를 수평으로만 이동시킬 경우 발생할 수 있는 문제를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 집광 위치를 수평 방향 및 수직 방향으로 이동시켜 입사 광선을 모으는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 집광 위치를 수평 방향으로만 이동 시킬 경우와 수평 방향 및 수직 방향으로 모두 이동 시킬 경우 입사각에 따른 초점의 직경을 나타낸 그래프이다.
도 5는 입사각에 따라 최대 에너지를 얻기 위한 렌즈의 초점 거리를 실험한 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치의 분해도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치가 마이크로렌즈의 초점 거리를 조절하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 내지 도 9b는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로렌즈의 초점 거리가 변함에 따라 빛의 집광 위치가 달라지는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치가 태양을 추적하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치의 스캔 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치가 최적의 에너지를 생산하기 위한 위치를 찾기 위한 시스템의 구성 요소들을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에서 사용된 용어는 이해를 돕고자 선택된 것이므로 이에 제한되지 않음이 타당하다.
본 발명은 마이크로(micro) 크기의 렌즈 및 태양 전지(solar cell)을 이용하여 태양을 추적하는 장치를 제공하고자 한다.
도 1을 참조하여 태양이 이동함에 따라 마이크로렌즈 어레이(microlens array)를 통과한 광(light)의 초점(focal spot) 위치가 변하는 모습을 설명한다.
도 1은 태양의 위치가 변함에 따라 마이크로렌즈 어레이를 통과한 광의 초점 위치가 이동하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 마이크로렌즈 어레이(110)는 복수 개의 마이크로렌즈(111)를 일정하게 배열하고 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면 마이크로렌즈(111)의 곡률 반경은 4mm이고, 폭은 1.1mm이고, 굴절률은 1.43이하일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 마이크로렌즈 어레이(100) 내의 마이크로렌즈(111)들은 1.33mm 간격으로 배치되어 있을 수 있다.
마이크로렌즈 어레이(110)의 아래 층에는 태양 전지 어레이(120)가 위치하고 있을 수 있다. 태양 전지 어레이(120)는 복수 개의 태양 전지(121)를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면 태양 전지(121) 간의 간격은 마이크로렌즈(111) 간의 간격과 일치할 수 있다. 마이크로렌즈 어레이(110)를 통과한 빛은 태양 전지 어레이(120)의 일 지점에 초점(130)을 형성할 수 있다.
광원이 마이크로렌즈 어레이(110)의 직각 방향으로 입사하는 경우 마이크로렌즈 어레이(110)와 태양 전지 어레이(120)는 초점 거리(focal length, FL) 만큼 떨어져 있을 수 있다. 그러나, 지구의 자전 또는 공전에 의해 마이크로렌즈 어레이(110)로의 입사 광선(incident light)은 기울어질 수 있다. 예를 들어, 만약 도 1에 도시된 바와 같이 입사 광선(incident light)이 θinc 만큼 기울어진다면 초점(130)의 위치는 수평변위(lateral displacement, LD)만큼 수평 이동하여 태양 전지(121)로부터 벗어날 수 있다. 이와 같이 초점(130)의 위치가 태양 전지(121)를 벗어나면 빛의 일부를 손실하게 되므로 태양 에너지를 효율적으로 생산할 수 없는 문제가 발생한다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 집중 태양 전지 시스템 전체를 기울이는 대신에 마이크로 렌즈 어레이(110) 또는 태양 전지 어레이(120)를 수평으로 이동시켜 초점(130)이 태양 전지(121) 상에 위치하도록 조정하고자 한다. 마이크로 렌즈 어레이(110) 또는 태양 전지 어레이(120)를 수평으로 이동시키는 수평변위는 초점거리와 θinc의 탄젠트 값의 곱을 통해 획득될 수 있다.
그러나, 태양 전지(121)를 수평으로 이동시켜 초점(130)이 태양 전지(121) 상에 위치하도록 조정하는 경우 초점(130)의 직경이 넓어져 광을 모두 집광할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 다음으로 도 2를 참조하여 집광 위치를 수평으로 이동 시킬 경우 발생할 수 있는 문제를 설명한다.
도 2는 집광 위치를 수평으로만 이동시킬 경우 발생할 수 있는 문제를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 마이크로렌즈(111)로 입사각이 0도인 제1 광선(201)이 입사될 수 있다. 제1 광선(201)이 마이크로렌즈(111)를 통과함에 따라 제1 태양 전지(211) 상에 제1 초점(221)이 형성될 수 있다. 제1 광선은 제1 태양 전지(211) 상에 수직으로 입사되었기 때문에 제1 초점(221)의 직경은 매우 작을 수 있다. 따라서, 제1 광선(201)의 에너지를 손실하지 않고 모두 제1 태양 전지(211) 상으로 집광시킬 수 있다.
다음으로, 시간이 지나면 지구의 자전 또는 공전 등에 의하여 마이크로렌즈(111)로 입사각이 20도인 제2 광선(202)이 입사될 수 있다. 마이크로 렌즈(111)를 통과한 제2 광선(202)은 굴절되어 제2 태양 전지(212) 상에 제2 초점(222)을 형성할 수 있다. 이 때, 제2 광선(202)은 제1 광선(201)과 비교하여 초점 거리가 짧아졌기 때문에 제2 초점(222)의 직경은 제1 초점(221)의 직경보다 클 수 있다.
다음으로, 시간이 더 지나면 마이크로렌즈(111)로 입사각이 40도인 제3 광선(203)이 입사될 수 있다. 마이크로렌즈(111)를 통과한 제3 광선(203)은 굴절되어 제3 태양 전지(213) 상에 제3 초점(223)을 형성할 수 있다. 이 때, 제3 광선(203)은 제2 광선(202)과 비교하여 초점 거리가 짧아졌기 때문에 제3 초점(223)의 직경은 제2 초점(222)의 직경보다 클 수 있다. 특히, 제3 초점(223)의 직경이 커서 제3 초점(223)이 제3 태양 전지(213)를 벗어나서 형성될 수 있다. 이 경우 제3 광선(203)의 일부 에너지를 손실하게 되는 문제가 발생한다.
이처럼 입사 광선의 입사각이 변함에 따라 초점이 형성되는 위치가 이동하게 되고, 이에 따라 광의 집광 위치를 수평으로 이동시켜 에너지를 얻는 경우 에너지의 손실이 점점 커지는 문제가 있다. 본 발명은 이를 해결하기 위해 광의 집광 위치를 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 이동시키고자 한다.
다음으로 도 3은 집광 위치를 수평 방향 및 수직 방향으로 이동시켜 입사 광선을 모으는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 입사각이 0도인 제1 광선(301)이 마이크로렌즈(111)로 입사될 수 있다. 마이크로렌즈(111)를 통과한 제1 광선(301)은 제1 태양 전지(311) 상에 제1 초점(321)을 형성할 수 있다. 도 2에서 설명한 바와 마찬가지로 제1 광선(301)은 제1 태양 전지(311) 상에 수직으로 입사되었기 때문에 제1 초점(321)의 직경은 매우 작아 에너지를 손실하지 않고 모을 수 있다.
다음으로 입사각이 20도인 제2 광선(302)이 마이크로렌즈(111)를 통과하여 제2 태양 전지(312) 상에 제2 초점(322)을 형성할 수 있다. 이 때, 도 2와는 달리 제2 태양 전지(312)는 제1 태양 전지(311) 보다 높은 곳에 위치할 수 있다. 구체적으로, 제2 광선(302)의 초점 거리는 제1 광선(301)의 초점 거리보다 짧아지는데, 짧아진 초점 거리에 해당하는 만큼 제2 태양 전지(312)가 제1 태양 전지(311)보다 높이 위치할 수 있다. 이에 따라, 제2 초점(322)의 직경은 제1 초점(321)의 직경과 유사할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 제2 초점(322)의 직경은 도 2에 도시된 제2 초점(222)의 직경보다 작을 수 있다.
다음으로 입사각이 40도인 제3 광선(303)이 마이크로렌즈(111)를 통과하여 제3 태양 전지(313) 상에 제3 초점(323)을 형성할 수 있다. 이 때, 앞에서 설명한 바와 유사하게 제3 태양 전지(313)는 제2 태양 전지(312)보다 높은 곳에 위치할 수 있다. 구체적으로, 제2 광선(302)과 비교하여 제3 광선(303)의 짧아진 초점 거리만큼 제3 태양 전지(313)는 제2 태양 전지(312)보다 높은 곳에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제3 초점(323)의 직경은 제2 초점(322)의 직경과 유사할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 제3 초점(323)의 직경은 도 2에 도시된 제3 초점(223)의 직경보다 작을 수 있다. 이에 따라, 도 2에 도시된 바와 달리 도 3에 도시된 제3 초점(323)은 제3 태양 전지(313) 내에 형성될 수 있다. 그러므로, 제3 광선(303)의 에너지를 손실하지 않고 모두 집광할 수 있다.
이와 같이, 태양의 위치가 변하더라도 집광 위치를 수평 방향 및 수직 방향으로 모두 이동시키면 초점의 직경이 커지지 않음을 도 3을 통해 알 수 있다. 따라서, 초점의 직경이 커지지 않음으로 인해 태양에너지를 손실하지 않고 최대한 획득할 수 있다.
다음으로 도 4를 참조하여 집광 위치를 수평 방향으로만 이동 시킬 경우와 수평 방향 및 수직 방향으로 모두 이동 시킬 경우 초점의 직경 변화를 확인한다.
도 4는 집광 위치를 수평 방향으로만 이동 시킬 경우와 수평 방향 및 수직 방향으로 모두 이동 시킬 경우 입사각에 따른 초점의 직경을 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 4를 통해 초점의 직경은 입사각(Incident Angle)에 따라 달라짐을 알 수 있다. 구체적으로, 입사 광선의 입사각이 커질수록 초점의 직경(Major axis)이 커짐을 알 수 있다. 또한, 집광 위치를 수평(Lateral) 방향으로만 이동시킬 경우 입사각이 커짐에 따라 초점의 직경이 매우 커질 수 있다. 특히, 집광 위치를 수평 방향으로만 이동시킬 경우 입사각이 28도를 넘어가면 초점의 크기가 태양 전지의 크기보다 커짐을 알 수 있다. 반면에, 집광 위치를 수평 및 수직(Lateral & vertical) 방향으로 이동시킬 경우 입사각이 커짐에 따라 초점의 직경이 커지기는 하나 급격하게 커지지 않음을 확인할 수 있다. 따라서, 집광 위치를 수평 및 수직 방향으로 모두 이동시키면 입사각이 커지더라도 초점의 크기가 태양 전지의 크기보다 작음을 확인할 수 있고, 이를 이용하여 태양광을 손실하지 않고 모두 태양 전지 상으로 집광할 수 있음을 알 수 있다.
다음으로 도 5는 입사각에 따라 최대 에너지를 얻기 위한 렌즈의 초점 거리를 실험한 결과 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이 입사각이 커질수록 렌즈의 초점 거리는 짧아진다. 따라서, 입사각이 커질수록 렌즈와 태양 전지 사이의 거리가 짧아져야 태양 전지는 최대 에너지를 얻을 수 있다. 도 5에 도시된 바에 따르면 입사각이 0도인 경우 최대 에너지를 얻기 위한 렌즈의 초점 거리는 8.5mm일 수 있다. 또한, 입사각이 40도인 경우 최대 에너지를 얻기 위한 렌즈의 초점 거리는 3.3mm일 수 있다. 따라서, 입사 광선의 입사각이 0도에서 40도로 변할 경우 렌즈와 태양 전지간의 거리를 5.2mm만큼 줄여야 최대 에너지를 얻을 수 있다.
다음으로 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 입사 광선의 입사각에 따라 집광 위치를 수평 방향 및 수직 방향으로 이동시키는 태양 추적 장치를 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치의 분해도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치(600)는 탑 플레이트(top plate, 610), 미들 플레이트(middle plate, 620) 및 보텀 플레이트(bottom plate, 630)로 구성된다. 탑 플레이트(610), 미들 플레이트(621) 및 보텀 플레이트(630)는 사각형 형태로 구현될 수 있다.
탑 플레이트(610)는 이중 축 스탭 모터(미도시)와 연결되어 수평 방향인 x축과 y축 방향으로 이동할 수 있다.
미들 플레이트(620)는 마이크로렌즈 어레이(110)를 포함할 수 있다. 또한, 미들 플레이트(620)는 네 개의 스프링 하중 폴(611)로 탑 플레이트(610)와 연결되어 있다. 따라서, 미들 플레이트(620)는 탑 플레이트(610)가 이중 축 스탭 모터에 의해 수평 방향으로 움직이면 함께 수평 방향으로 이동한다. 미들 플레이트(620)의 하면에는 아래 방향으로 돌출된 적어도 하나 이상의 접속부(621)를 포함할 수 있다. 접속부(621)는 보텀 플레이트(630)의 지지부(631)에 의해 지지될 수 있다.
보텀 플레이트(630)는 지지부(631)를 포함할 수 있다. 지지부(631)는 보텀 플레이트(630) 상면 상의 각 꼭지점마다 위치할 수 있다. 지지부(631)의 상면은 복수 개의 층으로 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 미들 플레이트(620)가 수평 방향으로 이동함에 따라 접속부(621)는 지지부(631) 상에서 층간 이동하게 되므로 미들 플레이트(620)는 수직 방향으로도 이동하게 된다. 미들 플레이트(620)가 수직 방향으로 이동함에 따라 미들 플레이트(620)와 보텀 플레이트(630) 간의 거리는 달라지게 된다. 또한, 미들 플레이트(620)가 수직 방향으로 이동함에 따라 미들 플레이트(620)에 포함된 마이크로렌즈(111)의 초점 거리가 달라지게 된다. 구체적으로, 미들 플레이트(620)가 아래 방향으로 이동하면 마이크로렌즈(111)의 초점 거리가 짧아지고, 미들 플레이트(620)가 위 방향으로 이동하면 마이크로렌즈(111)의 초점 거리가 길어지게 된다. 지지부(631)의 층간 간격은 마이크로렌즈(111)들 간의 간격 및 태양 전지(121)들 간의 간격과 모두 일치할 수 있다. 따라서, 접속부(621)가 지지부(631) 상에서 한 층씩 이동함에 따라 마이크로렌즈(111)를 통과한 빛의 집광 위치는 인접한 태양 전지(121) 상으로 순차적으로 변경될 수 있다. 지지부(631)의 층간 너비 간격은 1.3mm이고, 층간 높이가 0.5mm일 수 있다. 또한, 보텀 플레이트(630)는 태양 전지 어레이(120)를 포함할 수 있다. 태양 전지(121)는 GaInP와 GaAs로 구성될 수 있다.
다음으로 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서 설명한 바대로 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치(600)는 탑 플레이트(610), 미들 플레이트(620) 및 보텀 플레이트(830)로 구성된다. 탑 플레이트(610)는 이중 축 스탭 모터(701)와 연결되어 있다. 이중 축 스탭 모터(701)는 일정한 속도로 수평 방향인 x축 또는 y축 방향으로 이동할 수 있다. 이중 축 스탭 모터(701)의 이동 속도 또는 이동 방향은 미리 설정될 수 있다. 탑 플레이트(610)는 이중 축 스탭 모터(701)에 의해 일정한 속도로 정해진 방향으로 이동할 수 있다.
탑 플레이트(610)와 미들 플레이트(620)는 네 개의 스프링 하중 폴(611)로 연결되어 있다. 따라서, 탑 플레이트(610)가 이중 축 스탭 모터(701)에 의해 수평 방향으로 이동하면 미들 플레이트(620)는 탑 플레이트(610)와 동일하게 이동한다.
미들 플레이트(620)는 마이크로렌즈 어레이(110)를 포함한다. 마이크로렌즈 어레이(110)를 통해 굴절된 광은 보텀 플레이트(630) 상의 태양 전지 어레이(120)로 집광된다. 보텀 플레이트(630)는 계단 모양의 4개의 지지부(631)들을 포함한다. 구체적으로 4개의 지지부(631)들 각각은 보텀 플레이트(630)의 꼭지점 상에 위치할 수 있다. 지지부(631)는 미들 플레이트(620)의 하면에 구비된 접속부(621)와 접촉된다. 미들 플레이트(620)가 수평 방향으로 이동함에 따라 접속부(621)가 계단 형태의 지지부(631)를 층간 이동하기 때문에 미들 플레이트(620)는 수직 방향으로 이동하게 된다.
미들 플레이트(620)가 수직 방향으로 이동함에 따라 마이크로렌즈 어레이(110)와 태양 전지 어레이(120) 사이의 거리가 변하므로 마이크로렌즈(111)들의 초점 거리가 변하게 된다. 따라서, 미들 플레이트(620)의 이동을 조정하여, 마이크로렌즈(111)들의 초점 거리를 조절할 수 있다.
다음으로 도 8a 내지 도 8b를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 미들 플레이트(620)가 수직 방향으로 이동하여 마이크로렌즈(111)들의 초점 거리를 조절하는 동작을 설명한다.
도 8a 내지 도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치가 마이크로렌즈의 초점 거리를 조절하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a에 도시된 바와 같이 탑 플레이트(610)와 미들 플레이트(620)는 스프링 하중 폴(611)로 연결되어 탑 플레이트(610)가 움직이면 미들 플레이트(620)도 함께 움직인다. 스프링 하중 풀(611)은 스프링과 베어링을 포함하여 마찰 없이 잘 움직일 수 있다. 미들 플레이트(620)의 하면에 구비된 접속부(621)는 바텀 플레이트(630)의 지지부(631)와 접촉되어 있다. 접속부(621)와 접촉되는 지지부(631)의 상면은 복수 개의 층으로 형성될 수 있다. 지지부(631)가 접속부(621)를 지지하고 있는 구조일 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이 접속부(621)가 지지부(631)의 제일 위에 있는 층에 위치할 경우 마이크로렌즈(111)의 초점 거리는 가장 긴 경우일 수 있다.
탑 플레이트(610)는 도 8b에 도시된 바와 같이 좌측 화살표 방향으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 미들 플레이트(620)도 함께 좌측으로 이동하고, 접속부(621)도 좌측으로 이동하게 된다. 접속부(621)는 지지부(631) 상면의 계단 모양을 따라 아래 층으로 이동할 수 있다. 따라서, 미들 플레이트(620)는 좌측 방향으로 이동 하는 동시에 아래쪽으로 이동하게 된다. 이와 같은 방식을 통해 미들 플레이트(620)는 수직 방향으로 이동하게 된다. 또한, 미들 플레이트(620)에 포함된 마이크로렌즈(111)들의 초점 거리가 변하게 된다. 구체적으로, 도 8a에서 도 8b에 도시된 바와 같이 미들 플레이트(620)가 이동하면 마이크로렌즈(111)들의 초점 거리는 짧아지게 된다. 이와 반대로, 미들 플레이트(620)가 위쪽 방향으로 이동하면 마이크로렌즈(111)들의 초점 거리는 길어지게 된다.
다음으로 도 9a 내지 도 9b를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로렌즈(111)의 초점 거리가 변함에 따른 빛의 집광 모습을 설명한다.
도 9a 내지 도 9b는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로렌즈의 초점 거리가 변함에 따라 빛의 집광 위치가 달라지는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a에 도시된 바와 같이 접속부(621)가 일 영역(901)에 위치하는 경우 초점(130)이 태양 전지(121)를 벗어난 위치에 형성된다고 가정할 수 있다. 이 경우, 접속부(621)가 지지부(631) 상에서 아래쪽으로 이동하여 도 9b에 도시된 타 영역(902)으로 움직여 마이크로렌즈(111)의 초점 거리를 짧게 만들 수 있다. 이에 따라 초점(130)이 태양 전지(121) 상에 형성되어 태양광 에너지를 최대로 획득할 수 있다.
이처럼 본 발명에 따른 태양 추적 장치(600)는 입사 광선의 입사각이 달라지면 렌즈의 초점 거리를 변화시켜 최적의 에너지를 획득할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 태양 추적 장치(600)는 수평 방향으로 이동하는 모터만을 구비하여 렌즈의 초점 거리를 변화시켜 최적의 에너지를 획득할 수 있는 효과가 있다.
다음으로 도 10을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치(600)가 태양을 추적하는 방법을 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치가 태양을 추적하는 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 태양 추적 장치(600)는 스캔(scan) 동작을 수행할 수 있다(S101).
스캔 동작은 마이크로렌즈(111)의 초점 거리를 변화시키면서 전류를 측정하여 최대 전류를 획득할 수 있는 위치를 찾기 위한 동작이다.
다음으로 도 11을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치의 스캔 동작을 구체적으로 설명한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치의 스캔 동작을 설명하기 위한 도면이다.
스캔의 범위는 태양 전지들 사이의 간격(1.3mm)과 블록의 층간 높이(0.5mm)를 고려하여 결정될 수 있다.
스캔이 시작되면 마이크로렌즈(111)의 초점 거리가 달라지도록 접속부(621)가 기 설정된 주기마다 지지부(631)상에서 이동할 수 있다. 구체적으로, 접속부(621)는 지지부(631) 상의 기 설정된 경로를 따라 이동할 수 있다. 예를 들어, 접속부(621)는 스캔 시작 지점(622)에서 시작하여 도 11에 도시된 경로를 따라 이동할 수 있다. 즉, 접속부(621)는 스캔 시작 지점(622)에서 시작하여 기 설정된 경로를 따라 일 지점(1001)까지 이동할 수 있다. 접속부(621)는 일 지점(1001)까지 이동한 뒤 방향을 변경하여 경로를 따라 이동할 수 있다. 접속부(621)는 일 지점(1001)에서 스캔 시작 지점(622)을 지나 타 지점(1002)까지 이동할 수 있다. 스캔 시작 지점(622)의 위치는 도 11에 도시된 경로 중 어느 한 지점에 해당할 수 있다.
접속부(621)의 이동 주기마다 태양 전지(121)를 흐르는 전류가 측정될 수 있다. 예를 들어, 접속부(621)는 20m/s의 속도로 이동하면서 매 초마다 태양 전지(121)를 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 아날로그 디지털 변환기(analog-digital converter)를 이용하여 태양 전지(121)를 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 도 11에 도시된 설정 경로는 예시적인 것에 불과하므로 이에 제한되지 않음이 타당하다.
다시 도 10을 설명한다.
태양 추적 장치(600)는 집광되지 않는 위치의 현재 전류 값(Ibare_present)과 과거 전류 값(Ibare_previous)을 비교할 수 있다(S102).
태양 추적 장치(600)는 집광되지 않는 위치에서 전류 값(Ibare)을 주기적으로 측정할 수 있다. 집광되지 않는 위치에서 전류 값(Ibare)을 측정하는 주기는 매우 짧을 수 있다. 이는 태양 추적 장치(600)가 위치한 장소에 구름이 존재하는지 검출하기 위함이다. 태양 추적 장치(600)가 위치한 장소에 구름이 존재하는 경우 태양광을 효율적으로 집광할 수 없기 때문이다.
태양 추적 장치(600)는 집광되지 않는 위치에서 측정한 현재 전류 값(Ibare_present)이 과거에 측정한 전류 값(Ibare_previous)보다 작으면 스캔을 정지할 수 있다(S103).
태양 추적 장치(600)는 집광되지 않는 위치에서 측정한 현재 전류 값(Ibare_present)이 과거에 측정한 전류 값(Ibare_previous)보다 기 설정된 기준 이상으로 작으면 스캔을 정지할 수 있다. 이는, 태양 추적 장치(600)가 위치한 장소에 구름이 존재하는 것으로 판단되었기 때문이다.
이후, 태양 추적 장치(600)는 집광되지 않는 위치에서 측정한 전류 값(Ibare_present)이 과거 전류 값(Ibare_previous) 이상으로 측정되면, 다시 스캔 동작을 수행할 수 있다. 이는, 태양 추적 장치(600)가 위치한 장소에 구름이 사라진 것으로 판단되었기 때문이다.
태양 추적 장치(600)는 집광되지 않는 위치에서 측정한 현재 전류 값(Ibare_present)이 과거에 측정한 전류 값(Ibare_previous)보다 작지 않으면, 집광 위치에서 측정된 전류 값 중 최대 전류 값과 그 위치를 저장할 수 있다(S104).
태양 추적 장치(600)는 스캔 단계에서 측정한 전류 값들 중 최대 전류 값과 그에 대응하는 위치를 저장할 수 있다.
태양 추적 장치(600) 최대 전류 값이 이전에 저장된 최대 전류 값보다 큰지 판단한다(S105).
만약 현재 최대 전류 값이 이전에 저장된 최대 전류 값보다 크면 이중 축 스탭 모터(701)는 접속부(621)를 현재 최대 전류 값에 대응하는 위치로 이동시킨다(S107). 이 때, 국부적인 최대 전류 값인 경우를 회피하기 위해 현재 위치부터 다시 스캔 동작을 수행할 수 있다.
만약 현재 최대 전류 값이 이전에 저장된 최대 전류 값보다 크지 않으면 이중 축 스탭 모터(701)는 접속부(621)를 이전에 저장된 최대 전류 값에 대응하는 위치로 이동시킨다(S109). 이는, 국부적인 최대 전류 값을 회피하고 현재 입사각에 대응하는 최대 에너지를 획득할 수 있는 위치로 판단하였기 때문이다. 이와 같은 방법으로 최대 전류 값이 획득되는 위치로 접속부(621)를 이동시킬 수 있다.
다음으로 접속부(621)가 이동한 위치에서의 전류 값이 이전에 저장된 최대 전류 값의 80%를 초과하는지 판단한다(S111).
만약, 접속부(621)이 이동한 위치에서의 전류 값이 이전에 저장된 최대 전류 값의 80%를 초과하면 현재 위치를 유지한다(S113). 만약, 접속부(621)이 이동한 위치에서의 전류 값이 이전에 저장된 최대 전류 값의 80% 미만이면 다시 스캔 동작을 수행한다(S101).
이와 같은 알고리즘을 반복함으로써 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치(600)는 태양을 추적하여, 현재 입사각에 대응하는 최대 에너지를 얻을 수 있는 위치를 자동으로 찾고, 에너지를 생산할 수 있도록 할 수 있다.
다음으로 도 12를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치가 최적의 에너지를 생산하기 위한 위치를 찾는 알고리즘을 구현하기 위한 구성 요소들을 설명한다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 추적 장치를 이용하여 태양 에너지를 생산하는 장치의 구성 요소들을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 태양 전지(1101)는 광을 흡수하여 전기 에너지로 변환한다. 태양 전지(1101)로 빛이 들어오면 전하가 이동하여 전류가 흐르게 된다. 마이크로 컨트롤러(1102)는 태양 전지(1101)와 연결된 저항의 전압을 측정하여 전류를 계산할 수 있다. 전압 쉬프터(1103)는 마이크로 컨트롤러(1102)의 전압을 증폭하여 스텝 모터(1106)를 컨트롤 할 수 있도록 한다. 모터 드라이버(1105)는 마이크로 컨트롤러(1102)에서 출력되는 펄스 폭 변조 신호를 스텝 모터(1106)에서 구동할 수 있도록 적절한 신호로 바꿔준다. 전원 공급 장치(1104)는 위 구성 요소들이 제대로 동작할 수 있도록 전력을 공급해준다. 예를 들어, 전원 공급 장치(1104)는 전압 쉬프터(1103)로 5V의 전력을 공급하고, 모터 드라이버(1105)로 12V의 전압을 공급할 수 있다.
위에서 설명한 태양 추적 장치는 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (9)

  1. 수평 방향으로 이동하는 스탭 모터와 연결되는 탑 플레이트(top plate);
    마이크로렌즈 어레이(microlens array)를 포함하고, 가장자리의 위치에서 아래 방향으로 돌출된 적어도 하나 이상의 접속부를 포함하면서 상기 탑 플레이트와 결합된 미들 플레이트(middle plate); 및
    상기 접속부와 접촉된 상태로 상기 탑 플레이트 및 상기 미들 플레이트를 지지하는 적어도 하나 이상의 지지부와 태양 전지 어레이(solar cells array)를 포함하는 보텀 플레이트(bottom plate)를 포함하고,
    상기 지지부의 상면은 높이가 서로 다른 계단형으로 형성되며, 상기 접속부가 상기 지지부 상에서 기설정된 방향으로 이동시 상기 미들 플레이트가 수평 및 수직 방향으로 이동되어 상기 마이크로렌즈의 초점 거리가 달라지는,
    태양 추적 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미들 플레이트가 상기 스탭 모터에 의해 수평 방향으로 이동하는 경우 상기 접속부와 접촉하는 상기 지지부 상의 층이 달라져 상기 미들 플레이트는 수직 방향으로 이동하는,
    태양 추적 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미들 플레이트가 아래 방향으로 이동하면 상기 마이크로렌즈의 초점 거리가 짧아지고, 상기 미들 플레이트가 위 방향으로 이동하면 상기 마이크로렌즈의 초점 거리가 길어지는,
    태양 추적 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈들 간의 간격, 상기 태양 전지들 간의 간격 및 상기 지지부의 층간 간격은 모두 일치하는,
    태양 추적 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 일치되는 간격의 크기는 1.3mm인,
    태양 추적 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 접속부가 상기 지지부 상에서 한 층씩 이동함에 따라 상기 마이크로렌즈를 통과한 빛의 집광 위치는 인접한 태양 전지 상으로 순차적으로 변경되는,
    태양 추적 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트, 상기 미들 플레이트 및 상기 보텀 플레이트는 사각형 형태로 구현되고, 상기 지지부는 상기 보텀 플레이트 상면 상의 각 꼭지점마다 위치하는,
    태양 추적 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 태양 추적 장치를 포함하여 태양 에너지를 생산하는 장치.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 태양 추적 장치가 태양을 추적하는 방법에 있어서,
    마이크로렌즈의 초점 거리가 달라지도록 상기 접속부가 기 설정된 주기마다 상기 지지부 상에서 이동하는 단계;
    상기 주기마다 태양 전지를 흐르는 전류 값을 측정하는 단계;
    상기 측정한 전류 값 중 최대 전류 값의 위치를 획득하는 단계; 및
    상기 접속부를 상기 위치로 이동시키는 단계를 포함하는,
    태양 추적 방법.
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