KR101954390B1 - 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템 - Google Patents

태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양의 고도 변화에 따른 태양광의 반사 및 집광을 통해 태양광 패널의 발전효율을 증대시키되 기상상태 악화 등 불필요한 상황에서 태양광 패널 측으로 수용되어 변형이나 파손 등을 방지할 수 있는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템에 관한 것이다.

Description

태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템 {Solar reflection and collection system for solar panel}
본 발명은 태양광 반사 및 집광 시스템에 관한 것으로, 자세하게는 태양의 고도 변화에 따른 태양광의 반사 및 집광을 통해 태양광 패널의 발전효율을 증대시키되 기상상태 악화 등 불필요한 상황에서 태양광 패널 측으로 수용되어 변형이나 파손 등을 방지할 수 있는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 고갈과 환경오염 문제 등이 심각한 수준에 이르게 되면서 신재생에너지의 활발한 보급 확대 정책과 설비투자가 활발히 이루어지고 있으며, 그 중에서도 태양광 패널을 이용한 발전 기술에 대한 관심과 연구·개발이 증가하고 있다.
이러한 태양광 패널은 기본적으로 고정형과 태양광 위치추적형으로 구분되며, 전자는 태양광 발전 설비가 태양 고도와 일조량 등을 종합적으로 분석하여 가장 적절한 각도와 방위로 고정하여 설치하는 방식이고, 후자는 태양의 고도에 따라 태양전지 모듈의 각도가 변동하는 방식으로, 우리나라와 같이 강우가 잦아 일조량이 다소 부족한 지역에서는 태양추적에 따른 전력 소모가 비교적 크기 때문에 발전효율을 저하요인이 되므로 대부분의 태양광 발전소에서는 고정형 태양광 패널을 운용하고 있다.
도 1은 시간에 따른 태양 고도 변화를 나타낸 개념도로서, 특정 날짜의 다른 시간의 태양위치 변화에 따른 모습을 나타내고 있으며, 태양 고도의 변화에 따라 시간별 발전효율의 차이가 크게 발생하므로 이를 보상하기 위해 태양광 패널의 한쪽에 반사판을 설치하여 태양광을 집광하는 방안이 마련될 필요가 있다.
하지만, 반사판을 구비한 태양광 패널의 안정적인 지지와 특히 바람의 영향에도 큰 지지력을 발휘해야 함에 따라 고정식 태양광 패널을 지면으로부터 지탱하기 위해 구비되는 지지구조에 대한 규격 및 구조적인 보강이 필요하고 비용이 많이 발생하는 문제가 있다.
특히 야간이나 우천시 등 반사판이 불필요한 경우에도 지속적으로 반사판이 태양광 패널에 설치된 상태를 유지함에 따라 바람이나 폭우, 폭설 등의 영향에 의해 변형되거나 파손될 가능성이 커 복잡하고 크기가 큰 지지구조가 필요하므로 비용 절감 및 유지 관리 측면에서 불합리성이 있다.
공개특허공보 제10-2012-0004181호(2012.01.12.)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 태양의 고도 변화에 따른 태양광의 반사 및 집광을 통해 태양광 패널의 발전효율을 증대시키되 반사막의 펼침 및 수납을 가능하게 하면서 각도조절 폭을 늘려 기상상태 악화 등 불필요한 상황에서 변형이나 파손 등을 방지하고 지지구조를 간소화할 수 있는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 전면이 태양을 향하도록 설치되는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템에 있어서, 상기 태양광 패널 하측 경계면을 따라 힌지 결합하여 전후방향으로 회동 가능한 제1횡측프레임과, 상기 제1횡측프레임과 수직을 이루며 동일한 일방향으로 형성된 한쌍의 종측프레임과, 상기 종측프레임의 일단을 상호 연결하는 형태의 제2횡측프레임으로 구성되는 프레임부; 상기 제1횡측프레임 측에 평행하게 형성되어 회전하는 제1축과, 상기 제2횡측프레임 측에 평행하게 형성되어 회전하는 제2축과, 상기 제1축 및 제2축을 연결하며 회전력을 전달하는 연결수단과, 상기 제1축을 회전시키는 구동수단과, 한쪽 끝이 상기 제1축 또는 제1축 측에 평행하게 형성된 보조축에 결합되어 감기되 다른 쪽 끝이 상기 연결수단과 결합하여 연결수단의 움직임에 따라 펼쳐질 수 있는 광 반사 재질의 반사막으로 구성되는 광반사부; 상기 태양광 패널과 상기 프레임부 사이의 각도를 조절하는 액추에이터; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 종측프레임은 서로 마주보는 방향으로 형성된 가이드부를 더 포함하고, 상기 연결수단은 상기 제1축 및 제2축의 양단에 한 쌍으로 구비되되, 상기 한 쌍의 연결수단을 횡방향으로 상호연결하되 양단이 각각 상기 가이드부를 따라 움직이는 가이드바가 구비되고, 상기 반사막의 다른 쪽 끝이 상기 가이드바에 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 태양광 패널에서 생산되는 전력을 일부 저장하여 전원으로 공급하는 전원부와, 상기 태양광 패널에 입사되는 빛을 측정하는 조도센서와, 상기 태양광 패널에서 생산되는 전력량을 모니터링하는 관제부를 구비하며, 측정된 조도 및 생산 전력량과 설정된 프로그램을 통해 상기 구동수단 및 액추에이터를 제어하는 제어부; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또는 상기 태양광 패널에서 생산되는 전력을 일부 저장하여 전원으로 공급하는 전원부와, 날짜 및 시간과 기상정보를 수집하되, 수집된 날짜 및 시간을 통해 태양의 고도를 산출하는 산출부를 구비하며, 수집된 기상상태 및 산출된 태양고도에 따라 설정된 프로그램을 통해 상기 구동수단 및 액추에이터를 제어하는 제어부; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 프레임부는 상기 한 쌍의 종측프레임 사이에서 제1횡측프레임 및 제2횡측프레임을 연결하며 상기 반사막을 하측에서 지지하는 보조프레임를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 액추에이터는 한쪽 끝이 지면과 힌지 결합하고 다른 쪽 끝이 상기 보조프레임 하측으로 힌지 결합하며 길이조절이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명을 통해 태양광 패널의 단부에 장착된 광반사부를 통해 반사된 태양광이 패널로 반사 및 집광하여 발전량을 적절한 수준으로 증대시킬 수 있다.
또한, 악천후나 야간 등 불필요한 상황에서 플랙시블 재질의 반사막을 수납함에 따라 변형 및 파손을 방지할 수 있을 뿐 아니라 태양광 패널 및 광반사부를 지지하기 위한 프레임을 경량화 및 구조 단순화를 달성할 수 있다.
도 1은 시간에 따른 태양 고도 변화를 나타낸 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제2사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반사부의 구조를 나타낸 평면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반사부의 구조를 나타낸 측면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템의 구조를 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1사시도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제2사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반사부의 구조를 나타낸 평면도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반사부의 구조를 나타낸 측면도, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도이다.
본 발명은 기본적으로 전면이 태양을 향하도록 지면과 경사를 갖도록 설치되는 고정식 태양광 패널(110)에 적용되어 태양 고도 변화에 따른 발전효율 저하시 태양광을 반사하여 태양광 패널(110)로 집광하여 발전효율을 향상시키게 되며, 이를 위해 프레임부(120)와, 광반사부(130)와, 액추에이터(140)와, 제어부(150)의 구성을 구비하게 된다.
상기 태양광 패널(110)은 일반적으로 태양광선의 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치로서 상용의 다양한 태양광 패널을 대상으로 할 수 있다. 본 명세서에서는 발명의 취지가 흐려지는 것을 방지하기 위해 태양광 패널(110)에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 또한, 설치장소의 특별히 한정되지 않으나 물 공급이나 관련 인프라 구축의 용이성과 함께 운용에 따른 경제적인 측면을 고려하여 종래의 방식으로 패널 냉각이 용이치 않은 장소에 구축된 태양광 발전소 등에 적용하는 것도 가능하다.
상기 프레임부(120)는 태양광 반사를 위한 직사각형의 틀 구조체로서 본 발명에서는 기본적으로 상기 태양광 패널(110)의 하측에 위치하여 각도조절을 통해 태양광을 반사하게 된다. 원활한 태양광 반사 및 집광 효과를 위해 연결되는 태양광 패널(110)과 동일한 수준 또는 조금 작은 사이즈로 구성하게 되며, 구체적으로 상기 태양광 패널(110) 하측 경계면을 따라 힌지 결합하여 전후방향으로 회동 가능한 제1횡측프레임(121)과, 상기 제1횡측프레임(121)과 수직을 이루며 동일한 일방향으로 형성된 한쌍의 종측프레임(122)과, 상기 종측프레임(122)의 일단을 상호 연결하는 형태의 제2횡측프레임(124)으로 구성되어 태양광 패널 하측에서 소정의 범위로 각도조절이 가능하도록 구성된다.
상기 종측프레임(122) 사이에 후술되는 광반사부(130)가 설치되므로 광반사 성능을 고려하여 적정한 간격으로 종측프레임(122)을 구성하되, 태양광 패널의 폭이 넓을 경우 3개 이상의 종측프레임(122)을 설치하여 분할된 광반사부(130)를 종측프레임(122) 사이마다 위치하도록 하며 원활한 지지구조가 이루어지도록 한다.
또한, 원활한 각도 조절 및 태양광 패널의 지지 구조에 무리가 가지 않도록 상기 프레임부(120)는 알루미늄 혹은 그 합금을 비롯한 다양한 재질로 구성될 수 있으며 본 발명에서는 이에 대해 한정하지 않는다.
상기 광반사부(130)는 상기 프레임부(120) 내측에 설치되어 태양광을 반사하는 구성으로 상기 제1횡측프레임(121) 측에 평행하게 형성되어 회전하는 제1축(131)과, 상기 제2횡측프레임(124) 측에 평행하게 형성되어 회전하는 제2축(132)을 구비하게 된다.
즉 상기 제1축(131) 및 제2축(132)은 평행한 상태로 설치되며, 이때 상기 제1축(131) 및 제2축(132)을 연결하며 회전력을 전달하는 연결수단(134)과, 상기 제1축(131)을 회전시키는 전동방식의 구동수단(135)이 구비되어, 구동수단(135)을 통해 상기 제1축(131)에 회전력 인가시 회전력이 연결수단(134)을 통해 제2축(132)에 전달되어 동시 회전이 이루어질 수 있도록 구성되며, 이때 상기 연결수단(134)으로는 V-벨트, 로프, 체인, 와이어 등 다양한 공지의 동력전달수단이 적용될 수 있다.
또한, 상기 연결수단(134)의 움직임에 따라 펼쳐질 수 있도록 플렉시블한 재질로 이루어지되 높은 광반사 효율을 갖는 물질 또는 이러한 물질이 코팅된 섬유재질의 반사막(136)이 설치된다. 구체적으로 상기 반사막(136)은 상기 프레임부(120) 내측에 위치할 수 있도록 재단된 사이즈를 갖되 한쪽 끝은 상기 제1축(131) 또는 제1축(131) 측에 평행하게 형성된 보조축(133)에 결합되고, 다른 쪽 끝은 상기 연결수단(134)과 결합되어, 연결수단(134)의 움직임에 따라 상기 제1축(131) 또는 제1축(131) 측에 평행하게 형성된 보조축(133)에 감기거나 이로부터 풀려 프레임부 내측으로 펼쳐질 수 있도록 구성된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 반사막의 수납을 위한 별도의 보조축(133)이 구비된 모습을 나타내고 있으며 상기 보조축(133)에는 상시 반사막(136)을 감도록 작용하는 탄성체를 설치하거나 상기 제1축(131)과 함께 회전할 수 있는 별도의 연결수단을 설치하여 원활한 반사막(136)의 수납이 이루어질 수 있다.
이때 상기 반사막(136)이 팽팽하게 당겨진 상태로 펼쳐질 수 있도록 하며 바람 등 외력에 의해 흔들려 집광효율이 저하되는 것을 방지하기 위해 상기 종측프레임(122)에는 서로 마주보는 방향으로 홈 또는 레일 형태의 가이드부(123)가 형성되고, 상기 연결수단(134)은 상기 제1축(131) 및 제2축(132)의 양단에 한 쌍으로 구비하며, 상기 한 쌍의 연결수단(134)을 횡방향으로 상호연결하되 양단이 각각 상기 가이드부(123)를 따라 움직이는 가이드바(137)를 구비하여, 상기 반사막(136)의 다른 쪽 끝이 상기 가이드바(137)에 결합되는 형태로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 종측프레임(122) 사이의 간격, 즉 폭이 넓은 경우 중간 부분에서 반사막의 처짐 현상이 발생할 수 있으므로, 상기 프레임부(120)에는 상기 한 쌍의 종측프레임(122) 사이에서 제1횡측프레임(121) 및 제2횡측프레임(124)을 연결하며 상기 반사막(136)을 하측에서 지지하는 보조프레임(125)를 하나 이상 설치할 수 있다.
상기 액추에이터(140)는 전기구동방식으로 동력을 발생시켜 상기 태양광 패널(110)과 상기 프레임부(120) 사이의 각도를 조절하는 구성으로, 다양한 방식의 액추에이터가 사용될 수 있으며 바람직하게는 구동신호 입력에 따라 길이가 조절되는 실린더형의 액추에이터(140)를 사용할 수 있다.
이때 액추에이터(140)의 양단이 각각 상기 태양광 패널(110)의 측면과 이에 대응하는 종측프레임(122)을 힌지 연결하는 형태로 설치되어 상기 태양광 패널(110)과 상기 프레임부(120) 사이의 각도를 조절하는 방식을 적용할 수도 있으나, 이 경우 액추에이터(140)의 기본 길이만큼 태양광 패널 및 프레임부(120) 사이의 틈이 발생할 수 있다.
장기간의 악천후나 바람이 많이 부는 날, 야간 시간대 등 반사막(136)이 필요치 않은 상태에서, 상기 반사막(136)이 제1축(131) 또는 보조축(133)에 모두 감긴 상태에서 프레임부(120)가 태양광 패널 측으로 겹쳐지더라도 전체 전력생산에 큰 영향이 없으므로, 이를 위해 상기 액추에이터(140)는 한쪽 끝이 지면과 힌지 결합하고 다른 쪽 끝이 상기 보조프레임(125) 하측으로 힌지 결합하며 길이조절이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하며, 이를 통해 프레임부(120)가 태양광 패널(110) 측으로 겹쳐지는 수준으로 접혀 공간절약 및 변형 및 파손방지 효과를 얻을 수 있다.
상기 제어부(150)는 태양광 패널(110)의 집광상태를 감지하고 구동수단(135) 및 액추에이터(140)를 제어하여 태양광 반사 및 집광작업을 수행하기 위한 처리장치로서, 본 발명의 실시예에서는 전원부(151)와, 조도센서(152)와 관제부(153)의 세부구성을 구비하게 된다.
상기 전원부(151)는 상기 태양광 패널(110)에서 생산되는 전력을 일부 저장하는 구성으로 기본적으로 충전식 배터리로 이루어져 본 발명의 시스템 운용을 위한 전원을 공급하게 된다. 즉 별도의 상용전원 없이 평상시 태양광 패널(110)의 통해 생산된 전력을 저장하여 사용함으로 별도의 전력공급 인프라가 갖추어지지 않은 오지에서도 자체 전력수급 및 시스템의 무인 운용이 가능하다.
상기 조도센서(152)는 상기 태양광 패널(110)에 입사되는 광량을 측정하는 센서로서, 태양광 패널(110)의 전면 등 태양전지모듈을 가리지 않는 위치에 복수로 설치되어 패널에 인가되는 광량을 감지하게 된다.
상기 관제부(153)는 상기 태양광 패널에서 생산되는 전력량을 실시간으로 모니터링하는 구성으로, 기본적으로 태양광 패널(110)에 입사되는 광량은 전력생산량과 밀접한 관련이 있으므로 이를 실시간 모니터링하고, 상기 조도센서(152)를 통해 측정되는 광량과 비교함으로 태양 고도 차이로 인한 전력량 생산감소가 나타나고 있는지 또는 다른 기상상태로 인한 것인지 등 정확한 원인의 판단이 이루어질 수 있게 된다.
이때 태양 고도변화가 발전량 저하로 이어진 것으로 판단된 경우 설정된 프로그램을 통해 상기 구동수단(135) 및 액추에이터(140)를 제어하여 태양광을 반사함으로 전력생산효율을 높일 수 있게 된다.
이와 같은 방식 외에도 제어부(150)는 날짜 및 시간과 기상정보를 수집하되, 수집된 날짜 및 시간을 통해 태양의 고도를 산출하는 산출부(154)를 구비하며, 수집된 기상상태 및 산출된 태양고도에 따라 설정된 프로그램을 통해 상기 구동수단(135) 및 액추에이터(140)를 제어하도록 구성될 수 있다.
즉 기본적으로 기상상태가 좋은 상태에서 상기 프레임부(120) 및 반사막(136)이 펼쳐져 태양광 반사 및 집광이 이루어지도록 하되, 설치현장에서의 년, 월, 일 단위로 측정된 태양의 고도가 실질적으로 변동이 없으므로 이를 프로그래밍하여 현재 날짜 및 시간을 반영하여 태양광 패널(110)에 대한 프레임부(120)가 최적의 각도를 이루도록 액추에이터(140)를 제어한 후, 상기 구동수단(135)을 구동하여 반사막(136)이 프레임부(120) 내측 전반에 팽팽하게 펼쳐질 수 있도록 제어할 수 있다.
경우에 따라서 상기 조도센서(152) 및 관제부(153)의 측정결과를 실시간으로 분석하며 최적의 광량 및 전력생산이 이루어질 수 있도록 상기 액추에이터(140)를 제어하여 설정된 범위 내에서 프레임부(120)의 각도를 조절하는 것도 가능하며, 이 경우 되먹임 제어를 최소화하여 불필요한 전력 낭비를 제한할 필요가 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
110: 태양광 패널 120: 프레임부
121: 제1횡측프레임 122: 종측프레임
123: 가이드부 124: 제2횡측프레임
125: 보조프레임 130: 광반사부
131: 제1축 132: 제2축
133: 보조축 134: 연결수단
135: 구동수단 136: 반사막
137: 가이드바 140: 액추에이터
150: 제어부 151: 전원부
152: 조도센서 153: 관제부
154: 산출부

Claims (6)

  1. 전면이 태양을 향하도록 설치되는 태양광 패널(110)의 태양광 반사 및 집광 시스템에 있어서,
    상기 태양광 패널(110) 하측 경계면을 따라 힌지 결합하여 전후방향으로 회동 가능한 제1횡측프레임(121)과, 상기 제1횡측프레임(121)과 수직을 이루며 동일한 일방향으로 형성된 한쌍의 종측프레임(122)과, 상기 종측프레임(122)의 일단을 상호 연결하는 형태의 제2횡측프레임(124)으로 구성되며, 상기 태양광 패널(110) 측으로 겹쳐지는 형태로 접히는 프레임부(120);
    상기 제1횡측프레임(121) 측에 평행하게 형성되어 회전하는 제1축(131)과, 상기 제2횡측프레임(124) 측에 평행하게 형성되어 회전하는 제2축(132)과, 상기 제1축(131) 및 제2축(132)을 연결하며 회전력을 전달하도록 V-벨트와 로프와 체인과 와이어 중 선택되는 연결수단(134)과, 상기 제1축(131)을 회전시키는 구동수단(135)과, 한쪽 끝이 상기 제1축(131)과 평행하게 형성된 보조축(133)에 결합되어 감기되 다른 쪽 끝이 상기 연결수단(134)과 결합하여 연결수단(134)의 움직임에 따라 상기 보조축(133)으로부터 풀려 펼쳐지거나 감겨 수납될 수 있는 광 반사 재질의 반사막(136)으로 구성되는 광반사부(130);
    상기 태양광 패널(110)과 상기 프레임부(120) 사이의 각도를 조절하는 액추에이터(140); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 종측프레임(122)은 서로 마주보는 방향으로 형성된 가이드부(123)를 더 포함하고,
    상기 연결수단(134)은 상기 제1축(131) 및 제2축(132)의 양단에 한 쌍으로 구비되되, 상기 한 쌍의 연결수단(134)을 횡방향으로 상호연결하되 양단이 각각 상기 가이드부(123)를 따라 움직이는 가이드바(137)가 구비되고, 상기 반사막(136)의 다른 쪽 끝이 상기 가이드바(137)에 결합되는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 패널(110)에서 생산되는 전력을 일부 저장하여 전원으로 공급하는 전원부(151)와, 상기 태양광 패널(110)에 입사되는 빛을 측정하는 조도센서(152)와, 상기 태양광 패널(110)에서 생산되는 전력량을 모니터링하는 관제부(153)를 구비하며, 측정된 조도 및 생산 전력량과 설정된 프로그램을 통해 상기 구동수단(135) 및 액추에이터(140)를 제어하는 제어부(150); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 패널(110)에서 생산되는 전력을 일부 저장하여 전원으로 공급하는 전원부(151)와, 날짜 및 시간과 기상정보를 수집하되, 수집된 날짜 및 시간을 통해 태양의 고도를 산출하는 산출부(154)를 구비하며, 수집된 기상상태 및 산출된 태양고도에 따라 설정된 프로그램을 통해 상기 구동수단(135) 및 액추에이터(140)를 제어하는 제어부(150); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프레임부(120)는 상기 한 쌍의 종측프레임(122) 사이에서 제1횡측프레임(121) 및 제2횡측프레임(124)을 연결하며 상기 반사막(136)을 하측에서 지지하는 보조프레임(125)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 액추에이터(140)는 한쪽 끝이 지면과 힌지 결합하고 다른 쪽 끝이 상기 보조프레임(125) 하측으로 힌지 결합하며 길이조절이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 태양광 반사 및 집광 시스템.
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