KR101984650B1 - 추적식 태양광 발전시스템 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 추적식 태양광 발전시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양의 위치를 추적하도록 하는 태양광 발전시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은, 하나 이상의 태양전지패널(100)과; 태양고도에 대응하여 태양전지패널(100)의 상면을 제1회전축(L1)을 중심으로 회전시키는 제1회전구동부(200)와; 제1회전축(L1)을 지표면에 대하여 제2회전축(L2)을 중심으로 회전시키는 제2회전구동부(300)와; 제1회전구동부(200) 및 제2회전구동부(300)의 작동을 제어하는 제어부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템을 개시한다.

Description

추적식 태양광 발전시스템 및 제어방법{Tracking type photovoltaics system and method for controlling the same}
본 발명은 추적식 태양광 발전시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시간별 태양의 위치에 따라서 태양을 향하는 태양전지패널의 지향각을 변화시키는 추적식 태양광 발전시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근 한정된 화석에너지의 고갈과 화석에너지의 계속적인 사용으로 인한 환경오염 문제가 대두되면서, 태양광에너지, 풍력에너지 등과 같은 친환경 대체에너지들이 각광받고 있다.
특히, 태양광에너지의 경우, 다른 대체에너지에 비해 효율이 좋고, 가격이 저렴하여 차세대 에너지로서 주목받고 있다.
일반적으로 태양광 발전장치는 태양의 위치변화에 관계없이 일정한 방향을 바라보도록 하는 고정식과, 태양의 위치가 변화함에 따라 태양전지모듈을 이동시켜 태양광을 직각으로 받을 수 있도록 하는 추적식으로 구분된다.
고정식은 초기 설치비용이 적게 소요되고 유지관리비가 적은 장점이 있으나, 추적식에 비해 발전효율이 떨어지는 단점을 가지고 있고, 추적식의 경우 발전효율이 고정식에 비해 월등하여 장기적으로 보았을 때 추적식 태양광 발전장치가 바람직하며, 현재 추적식 태양광 발전시스템의 도입이 늘어나고 있는 추세이다.
그러나, 추적식 태양광 발전시스템의 경우에도, 태양전지모듈이 움직일 수 있는 공간이 마련되어야 하며, 여러개의 태양전지모듈이 연달아 배치되는 경우 하나의 태양전지모듈의 경사에 따라 다른 태양전지모듈에 음영이 생기게 되거나 음영이 생기지 않도록 이격되어 설치되어야 함에 따라 효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 시간별 태양의 위치에 따라서 태양을 향하는 태양전지패널의 지향각을 변화시킴으로써 발전량을 최대화할 수 있는 추적식 태양광 발전시스템 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은, 하나 이상의 태양전지패널(100)과; 태양고도에 대응하여 태양전지패널(100)의 상면을 제1회전축(L1)을 중심으로 회전시키는 제1회전구동부(200)와; 제1회전축(L1)을 지표면에 대하여 제2회전축(L2)을 중심으로 회전시키는 제2회전구동부(300)와; 제1회전구동부(200) 및 제2회전구동부(300)의 작동을 제어하는 제어부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템을 개시한다.
태양전지패널(100)에 결합되어 제1회전축(L1)을 이루는 한 쌍의 제1회전샤프트(111)가 회전가능하게 결합되며 상기 제1회전축(L1)과 직교하도록 설치된 한 쌍의 메인프레임(110)과; 한 쌍의 메인프레임(110)를 연결하는 하나 이상의 연결프레임(120)과; 연결프레임(120)이 제2회전축(L2)을 중심으로 회전가능하게 연결프레임(120)을 지지하도록 지면에 설치되는 지지프레임(130)을 포함할 수 있다.
제1회전구동부(200)는, 한 쌍의 메인프레임(110)과 간격을 두고 평행하게 설치된 하나 이상의 보조프레임(210)과; 일단이 태양전지패널(100)에 고정되며 타단이 제1회전축(L1)과 평행한 회전축을 힌지축으로 하여 회전가능하게 보조프레임(210)에 힌지결합되는 하나 이상의 링크부재(220)와; 보조프레임(210)을 메인프레임(110)의 길이방향을 따라서 선형이동시켜 태양전지패널(100)을 제1회전축(L1)을 중심으로 회전시키는 선형구동부(230)을 포함할 수 있다.
선형구동부(230)는, 제1단이 메인프레임(110) 및 연결프레임(120) 중 적어도 하나와 제1회전축(L1)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 결합되며 제2단이 제1회전축(L1)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 보조프레임(210)에 힌지고정되며, 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되어 보조프레임(210)을 메인프레임(110)의 길이방향을 따라서 선형이동시킬 수 있다.
선형구동부(230)는, 상기 제1단 및 상기 제2단에 이르는 전체 길이를 변화시키는 리니어 전동 액추에이터를 포함할 수 있다.
연결프레임(120)은, 제1회전축(L1)과 평행하게 설치되며, 제2회전구동부(300)는, 지지프레임(130)에 위치된 제2회전축(L2)을 중심으로 연결프레임(120)을 회전시킬 수 있다.
제2회전구동부(300)는, 제1단이 메인프레임(110) 및 연결프레임(120) 중 적어도 하나와 제2회전축(L2)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 결합되며 제2단이 상기 제2회전축(L2)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 힌지고정되며, 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되어 지지프레임(130)에 위치된 제2회전축(L2)을 중심으로 연결프레임(120)을 회전시킬 수 있다.
제2회전구동부(300)는, 상기 제1단 및 상기 제2단에 이르는 전체 길이를 변화시키는 리니어 전동 액추에이터를 포함할 수 있다.
태양전지패널(100)은, 메인프레임(110)의 길이방향을 따라서 복수개로 설치되는 것이 바람직하다.
제2회전구동부(300)는, 제1회전축(L1)이 지표면과 이루는 제2회전각(Φ)이 태양전지패널(100)의 상면이 극점을 향하는 제2상한각 및 태양전지패널(100)의 상면이 적도를 향하는 제2하한각 사이의 값을 가지도록 태양전지패널(100)을 회전시킬 수 있다.
제1회전축(L1)이 지표면과 평행을 이룰 때 제2회전각(Φ)이 0°라 할 때, 제2상한각은 17.4˚보다 작고, 제2하한각은 -45˚보다 크도록 할 수 있으며, 제2하한각은 -42.2˚인 것이 바람직하다.
상기 추적식 태양광 발전시스템의 제어방법으로서, 제1회전축(L1)이 태양전지패널(100)의 상면 상에 투영된 제1가상선(L3)과 수직을 이루는 제2가상선(L4)이 지표면과 이루는 각을 제1회전각(θ)이라 하고, 가상선이 동서방향과 평행할 때 제1회전각(θ)이 0°로 하고 태양전지패널(100)의 상면이 동쪽방향을 향할 때를 음의 각, 태양전지패널(100)의 상면이 서쪽방향을 향할 때를 양의 각으로 정의하고, 추적식 태양광 발전시스템의 지구상의 설치위치를 측정하는 위치측정단계와; 설치위치 및 월일을 제어기준으로 하여 미리 설정된 태양의 제1방위각까지 제1회전각(θ)을 0°에서 감소시킨 후 제어기준에 따라서 미리 설정된 제2방위각까지 제1회전각(θ)을 증가시킨 후 다시 제1회전각(θ)을 감소시키는 제1회전각제어단계를 포함할 수 있다.
또한, 제1회전축(L1)이 지표면과 이루는 제2회전각(Φ)은 태양전지패널(100)의 상면이 북쪽방향을 향할 때를 양의 각, 태양전지패널(100)의 상면이 남쪽방향을 향할 때를 음의 각으로 정의하고, 제2회전각(Φ)이 상기 태양전지패널(100)의 상면이 극점을 향하는 제2상한각 및 태양전지패널(100)의 상면이 적도를 향하는 제2하한각 사이의 값 사이에서 태양전지패널(100)이 태양고도를 추적하도록 하는 제2회전각제어단계를 포함할 수 있다.
또한, 태양의 고도에 대응하도록 제어하는 단계와 상기 복수의 태양전지패널(100)간에 음영의 효과가 발생하지 않도록 제어하는 단계를 이용하여 상기 태양전지패널(100)의 최대 발전량이 발생하는 태양의 방위각에 따른 상기 제1회전각(θ) 및 상기 제2회전각(Φ)의 값을 상기 태양전지패널(100)의 설치위치에 대응시켜 결정하는 단계와, 상기 결정된 제1회전각(θ) 및 상기 제2회전각(Φ)의 값을 데이터베이스화 하여 상기 데이터베이스에 따라 상기 태양전지패널(100)을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 추적식 태양광 발전시스템은, 태양광과 직각을 이루도록 태양전지모듈을 제어함으로써 태양광 발전효율을 최적화할 수 있는데 이점이 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 추적식 태양광 발전시스템은, 동서축과 남북축을 기준으로 태양의 위치를 자동으로 추적함으로써 일반 고정식을 사용하는 시스템과 비교하여 계절과 시간에 의한 전력 발전량의 차이가 현저히 줄어들어 항상 최대의 발전량을 유지할 수 있는 이점을 가지고 있다.
특히, 음영이 길게 생기는 시간대에는 태양을 추적하면서도 그에 우선하여 태양전지패널에 음영이 생기지 않도록 각도를 조절하고, 음영이 짧게 생기는 시간대에는 태양광과 태양전지패널이 수직을 이루도록 태양전지패널의 각도를 조절하여 음영에 의해 생기는 효율 저하를 개선할 수 있는 이점을 가지고 있다.
또한, 여러 개의 태양전지패널을 설치함에 있어, 음영에 의한 효율저하가 발생하지 않도록 이격하여 설치하였어야 하는 문제점이 해결됨에 따라 동일한 면적에 더 많은 태양전지패널을 설치하여 생산효율을 높일 수 있는 이점을 가진다.
또한, 날짜와 시간에 따른 태양의 위치에 따라 태양전지패널의 움직임을 미리 설정함으로 인해 태양을 추적하기 위한 별도의 센서가 필요하지 않아 생산비용이 절감되는 이점을 가진다
도 1은, 본 발명에 따른 태양전지시스템의 개념을 보여주는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 태양전지시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은, 도 1의 태양전지시스템을 이루는 태양전지패널의 제1회전 및 제2회전의 개념을 보여주는 개념도이다.
도 4는, 도 1의 태양전지시스템을 이루는 태양전지패널의 제1회전축에 의한 회전구동을 보여주는 측면도이다.
도 5는, 도 1의 태양전지시스템을 이루는 태양전지패널의 제2회전축에 의한 회전구동을 보여주는 정면도이다.
도 6은, 제어부에 의해 제어되는 태양전지패널의 동-서방향 제어각도의 개념을 보여주는 개념도이다.
도 7은, 제어부에 의해 제어되는 태양전지패널의 남-북방향 제어각도의 개념을 보여주는 개념도이다.
도 8은, 본 발명에 따른 음영의 영향을 최소화하도록 제어부에 의해 제어되는 태양전지패널의 제어각도의 개념을 보여주는 개념도이다.
도 9 내지 12는, 본 발명에 따른 태양전지패널의 제어각도와 태양의 위치를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명에 따른 추적식 태양광 발전시스템에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 추적식 태양광 발전시스템은, 도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 태양전지패널(100)과; 태양고도에 대응하여 태양전지패널(100)의 상면을 제1회전축(L1)을 중심으로 회전시키는 제1회전구동부(200)와; 제1회전축(L1)을 지표면에 대하여 제2회전축(L2)을 중심으로 회전시키는 제2회전구동부(300)와; 제1회전구동부(200) 및 제2회전구동부(300)의 작동을 제어하는 제어부(400)를 포함한다.
상기 태양전지패널(100)은, 사각형의 판넬 형상인 것이 바람직하나, 태양광을 수집하여 발전시킬 수 있는 구성이면 원판 이나 다각판의 형상 등으로 구성될 수 있다.
또한, 하나의 추적식 태양광 발전시스템은, 메인프레임(110)의 길이방향을 따라 복수개의 태양전지패널(100)을 갖는 것이 바람직하다.
특히, 태양전지패널(100)을 설치함에 있어, 태양전지패널(100)이 지표면과 평행하게 놓여진 경우 제1회전축은 남-북 방향과 평행하도록 설치하는 것이 바람직하며 제2회전축은 동-서 방향과 평행하는 것이 바람직하다.
또한, 추적식 태양광 발전시스템은, 한 쌍의 메인프레임(110)과 하나 이상의 연결프레임(120)과 지지프레임(130)을 포함하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
상기 한 쌍의 메인프레임(110)은, 태양전지패널(100)에 결합되어 제1회전축(L1)을 이루는 한 쌍의 제1회전샤프트(111)가 회전가능하게 결합되며 상기 제1회전축(L1)과 직교하도록 설치되는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
구체적으로, 상기 한 쌍의 메인프레임(110)은, 태양전지패널(100)의 양단의 중앙에 결합된 제1회전샤프트(111)에 의해 태양전지패널(100)에 결합되어 태양전지패널(100)을 지지하는 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 메인프레임(110)은, 바 형상인 것이 바람직하나, 복수개의 태양전지패널(100)을 연결할 수 있으면 다양한 구성이 가능하다.
상기 하나 이상의 연결프레임(120)은, 한 쌍의 메인프레임(110)을 연결하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
구체적으로, 상기 연결프레임(120)은, 양단에 고리모양의 연결부분이 형성되어 메인프레임(110)에 걸쳐질 수 있도록 형성되어 있으며, 제1회전구동부(200) 및 제2회전구동부(300)가 연결프레임(120)에 연결되어 있어, 태양전지패널(100)이 회전구동하는 데 있어서 간섭이 생기지 않도록 할 수 있다.
상기 지지프레임(130)은, 연결프레임(120)이 제2회전축(L2)을 중심으로 회전가능하게 연결프레임(120)을 지지하도록 지면에 설치되는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
구체적으로, 상기 지지프레임(130)은, 태양전지패널(100)이 회전구동하는 데 지면의 영향을 받지 않도록 지면과 태양전지패널(100)이 이격되도록 구성되며, 상기 연결프레임(120)이 회전할 수 있도록 힌지결합되어 있을 수 있다.
특히, 연결프레임(120)이 자유롭게 회전할 수 있도록, 상기 지지프레임(130)은, 2개의 지지부재(132)로 구성되어 연결프레임(120)을 사이에 끼워 제2회전샤프트(131)에 의해 결합될 수 있다.
상기 메인프레임(110), 연결프레임(120) 및 지지프레임(130)은, 외부에 설치되는 특징을 가지는 바, 외부자극에 대하여 영향을 받지 않는 스테인리스로 이루어지는 것이 바람직하나, 비용이나 설치의 용이성 등을 고려하여 다른 물질로 구성될 수 있다.
상기 제1회전구동부(200)는, 태양전지패널(100)을 제1회전축(L1)을 중심으로 회전할 수 있도록 하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
구체적으로, 상기 제1회전구동부(200)는, 하나 이상의 보조프레임(210)과 보조프레임(210)에 힌지결합되는 하나 이상의 링크부재(220)와 태양전지패널(100)을 제1회전축(L1)을 중심으로 회전시키는 선형구동부(230)를 포함할 수 있다.
상기 보조프레임(210)은, 한 쌍의 메인프레임(110)과 간격을 두고 평행하게 설치되는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
구체적으로, 상기 보조프레임(210)은, 바 형상인 것이 바람직하나, 링크부재(220) 및 선형구동부(230)와 연결되어 태양전지패널(100)을 회전시킬 수 있는 구성이면 다양한 구성이 가능하다.
상기 링크부재(220)는, 일단이 태양전지패널(100)에 고정되며 타단이 제1회전축(L1)과 평행한 회전축을 힌지축으로 하여 회전가능하게 보조프레임(210)에 힌지결합되는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
구체적으로, 상기 링크부재(220)는, 하나의 태양전지패널(100)에 일정한 간격을 두고 2개의 링크부재(220)가 고정되어 결합되고, 2개의 링크부재(220)가 보조프레임(210)에는 하나의 연결부분을 통해 힌지결합되어 V 형태로 결합될 수 있다.
상기 선형구동부(230)는, 보조프레임(210)을 메인프레임(110)의 길이방향을 따라서 선형이동시켜 태양전지패널(100)을 제1회전축(L1)을 중심으로 회전시키는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
구체적으로, 상기 선형구동부(230)는, 제1단이 메인프레임(110) 및 연결프레임(120) 중 적어도 하나와 제1회전축(L1)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 결합되며 제2단이 제1회전축(L1)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 보조프레임(210)에 힌지고정되며, 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되어 보조프레임(210)을 메인프레임(110)의 길이방향을 따라서 선형이동시킬 수 있다.
또한, 상기 선형구동부(230)는, 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되는 구성으로 다양한 구성이 가능하나, 바람직하게는, DC모터의 회전 동작에 의하여 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되는 실린더장치를 포함할 것이다.
구체적으로, 상기 선형구동부(230)는, 리니어 전동 액추에이터인 것으로, 모터, 기어, 너트 등을 포함하여 저전압 DC 모터의 회전 동작을 직선 동작으로 전환하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
또한, 상기 선형구동부(230)는, 공압 또는 유압에 의하여 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되는 실린더장치를 포함하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
상기 제2회전구동부(300)는, 태양전지패널(100)을 제2회전축(L2)을 중심으로 회전할 수 있도록 하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
구체적으로, 상기 제2회전구동부(300)는, 지지프레임(130)에 위치된 제2회전축(L2)을 중심으로 연결프레임(120)을 회전시킴으로써 태양전지패널(100)을 함께 회전시킬 수 있다.
또한, 상기 제2회전구동부(300)는, 제1단이 메인프레임(110) 및 연결프레임(120) 중 적어도 하나와 제2회전축(L2)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 결합되며 제2단이 상기 제2회전축(L2)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 힌지고정되며, 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되어 지지프레임(130)에 위치된 제2회전축(L2)을 중심으로 연결프레임(120)을 회전시킬 수 있다.
또한, 상기 제2회전구동부(300)는, 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되는 구성으로 다양한 구성이 가능하나, 바람직하게는, DC모터의 회전 동작에 의하여 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되는 실린더장치를 포함할 것이다.
구체적으로, 상기 제2회전구동부(300)는, 리니어 전동 액추에이터를 포함하는 것으로, 모터, 기어, 너트 등을 포함하여 저전압 DC 모터의 회전 동작을 직선 동작으로 전환하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
또한, 상기 제2회전구동부(300)는, 공압 또는 유압에 의하여 제1단 및 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되는 실린더장치를 포함하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
또한, 상기 제2회전구동부(300)는, 제1회전축(L1)이 지표면과 이루는 제2회전각(Φ)이 태양전지패널(100)의 상면이 극점을 향하는 제2상한각 및 태양전지패널(100)의 상면이 적도를 향하는 제2하한각 사이의 값을 가지도록 태양전지패널(100)을 회전시킬 수 있다.
구체적으로, 제1회전축(L1)이 지표면과 평행을 이룰 때 제2회전각(Φ)이 0°라 할 때, 제2상한각은 17.4˚보다 작고, 제2하한각은 -45˚보다 크도록 할 수 있으며, 제2하한각은 -42.2˚인 것이 바람직하다.
상기 제어부(400)는, 그림자 간섭의 효과를 최소화하도록 계절과 시간에 따라 태양전지패널(100)이 제1회전축(L1)이 태양전지패널(100)의 상면 상에 투영된 제1가상선(L3)과 수직을 이루는 제2가상선(L4)이 지표면과 이루는 각을 제1회전각(θ)과 제1회전축(L1)이 지표면과 이루는 제2회전각(Φ)을 각각 제어하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
여기서, 상기 제1회전각(θ) 및 제2회전각(φ)은, 태양전지패널(100)을 동-서 방향과 남-북 방향으로 나누어 태양의 위치를 추적하기 위한 기준으로 그 외에도 태양의 위치를 추적하기 위한 기준 설정을 위한 다양한 방법이 가능하다.
예를 들어, 태양전지패널(100)의 기준법선이 이루는 벡터값을 기준으로 하여 태양의 위치를 추적할 수 있다.
여기서, 상기 제1회전각(θ)은, 태양전지패널(100)의 동-서 방향의 움직임을 추적하기 위해 제어하는 각도이고, 상기 제2회전각(φ)은 태양전지패널(100)의 남-북 방향의 움직임을 추적하기 위해 제어하는 각도인 것이 바람직하다.
상기 추적식 태양광 발전시스템의 제어방법은, 수직을 이루는 제1회전축 및 제2회전축으로 하여 회전구동하는 하나 이상의 태양전지패널(100)을 제어하는 방법으로서, 제1회전축(L1)이 상기 태양전지패널(100)의 상면 상에 투영된 제1가상선(L3)과 수직을 이루는 제2가상선(L4)이 지표면과 이루는 각을 제1회전각(θ)이라 하고, 가상선이 동서방향과 평행할 때 제1회전각(θ)이 0°로 하고 태양전지패널(100)의 상면이 동쪽방향을 향할 때를 음의 각, 태양전지패널(100)의 상면이 서쪽방향을 향할 때를 양의 각으로 정의하고, 시간에 따른 태양의 고도를 제어기준으로 하여 미리 설정된 태양의 제1방위각(T1)까지 제1회전각(θ)을 0°에서 감소시킨 후 제어기준에 따라서 미리 설정된 제2방위각(T2)까지 제1회전각(θ)을 증가시킨 후 다시 제1회전각(θ)을 감소시키는 제1회전각제어단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1회전각제어단계는, 미리 설정된 제1방위각부터 제2방위각까지는 태양고도에 대응하도록 제1회전각(θ)을 제어하고, 그 외의 태양의 방위각에서는 태양전지패널(100)에 다른 태양전지패널(100)에 의한 음영이 생기지 않도록 제어할 수 있다.
또한, 제1회전축(L1)이 지표면과 이루는 제2회전각(Φ)은 태양전지패널(100)의 상면이 북쪽방향을 향할 때를 양의 각, 태양전지패널(100)의 상면이 남쪽방향을 향할 때를 음의 각으로 정의하고, 제2회전각(Φ)이 태양전지패널(100)의 상면이 극점을 향하는 제2상한각 및 태양전지패널(100)의 상면이 적도를 향하는 제2하한각 사이의 값 사이에서 태양전지패널(100)이 태양고도를 추적하도록 하는 제2회전각제어단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2상한각은 17.4˚보다 작고, 상기 제2하한각은 -45˚보다 크도록 할 수 있으며, 특히, 상기 제2하한각은 -42.2˚인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2회전각제어단계는, 제2상한각 및 제2하한각 사이에서는 태양고도에 대응하도록 제어되고, 태양고도에 대응되는 제2회전각이 제2상한각보다 크거나 제2하한각보다 작은 경우 독립적으로 제어할 수 있다.
특히, 추적식 태양광 발전시스템의 설치위치가 위도 35°31', 경도 137°49'인 경우 다음과 같이 제어되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 특히, 태양의 황경(黃經)이 0˚인 경우, 미리 설정된 태양의 제1방위각(T1)은 140.86˚이고, 미리 설정된 제2방위각(T2)은 218.38˚인 것이 바람직하다.
또한, 태양의 황경(黃經)이 90˚인 경우, 상기 미리 설정된 태양의 제1방위각(T1)은 141.51˚이고, 상기 미리 설정된 제2방위각(T2)은 220.26˚인 것이 바람직하다.
또한, 태양의 황경(黃經)이 180˚인 경우, 미리 설정된 태양의 제1방위각(T1)은 139.63˚이고, 미리 설정된 제2방위각(T2)은 219.65˚인 것이 바람직하다.
또한, 태양의 황경(黃經)이 270˚인 경우, 미리 설정된 태양의 제1방위각(T1)은 151.07˚이고, 미리 설정된 제2방위각(T2)은 210.13˚인 것이 바람직하다.
추적식 태양광 발전시스템 제어방법으로서, 태양의 황경이 0˚인 경우, 즉, 태양이 춘분점에 위치하는 때에는, 제1회전각(θ)은, 일출부터 태양의 방위각이 140.86˚가 될 때까지는 -2.64˚에서 -39.14˚까지 감소하고, 태양의 방위각이 140.86˚일 때부터 218.38˚일 때까지는 -39.14˚에서 38.38˚까지 증가하면서 태양의 고도를 추적하고, 태양의 방위각이 218.38˚일 때부터 일몰까지의 시간대에는 38.38˚에서 2.04˚까지 감소하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 태양의 고도가 낮아 음영이 길게 생기는 때인 일출부터 태양의 방위각이 140.86˚인 때 및 태양의 방위각이 218.38˚일 때부터 일몰까지의 시간대에는 태양전지패널(100)의 음영에 대한 영향을 최소화하기 위하여 제1회전각(θ)을 제어하고, 태양의 고도가 비교적 높은 태양의 방위각이 140.86˚일 때부터 218.38˚일 때까지는 태양의 고도를 추적하도록 제1회전각(θ)을 제어할 수 있다.
또한, 제1회전각(θ)은, 지수적으로 감소한 뒤, 선형적으로 증가하면서 태양의 고도를 추적하고, 다시 지수적으로 감소하도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 태양의 황경이 0˚인 경우, 즉, 태양이 춘분점에 위치하는 때에는, 제2회전각(Φ)은, 태양전지패널(100)이 설치된 위도와 일치하도록 제어할 수 있다.
태양의 황경이 0˚인 경우에는, 태양의 남-북 방향으로의 각도가 태양전지패널(100)이 설치된 위도와 일치하는 일정한 각도로 유지되므로 제2회전각(Φ)은, 태양전지패널(100)이 설치된 위도와 일치하도록 제어할 수 있다.
한편, 태양의 황경이 90˚인 경우, 즉, 낮의 길이가 가장 긴 하지의 경우, 제1회전각(θ)은, 일출부터 태양의 방위각이 141.51˚가 될 때까지는 -8.04˚에서 -38.49˚까지 감소하고, 태양의 방위각이 141.51˚일 때부터 220.26˚일 때까지는 -38.49˚에서 40.26˚까지 증가하면서 태양의 고도를 추적하고, 태양의 방위각이 220.26˚일 때부터 일몰까지의 시간대에는 40.26˚에서 6.84˚까지 감소하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 태양의 황경이 90˚인 경우, 태양광 입사량이 많아 다른 계절에 비해 음영의 영향을 받는 시간이 적으며, 태양전지패널(100)이 최대효율을 생성하는 시간대가 더 넓어 다른 계절에 비해 더 오랜시간인 태양의 방위각이 141.51˚일 때부터 220.26˚일 때까지 태양의 고도를 추적하도록 할 수 있다.
또한, 제1회전각(θ)은, 지수적으로 감소한 뒤, 선형적으로 증가하면서 태양의 고도를 추적하고, 다시 지수적으로 감소하도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 태양의 황경이 90˚인 경우, 즉, 낮의 길이가 가장 긴 하지의 경우, 제2회전각(Φ)은, 일출부터 태양의 방위각이 120.31˚가 될 때까지는 17.40˚를 유지하고, 태양의 방위각이 120.31˚일 때부터 179.80˚일 때까지는 17.40˚에서 -12.04˚까지 감소하고, 태양의 방위각이 179.80˚일 때부터 239.42˚일 때까지는 -12.04˚에서 17.40˚까지 증가하면서 태양의 고도를 추적하고, 태양의 방위각이 239.42˚일 때부터 일몰까지의 시간대에는 17.40˚를 유지하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 일출부터 태양의 방위각이 120.31˚가 될 때 및 태양의 방위각이 239.42˚일 때부터 일몰까지의 시간대에는, 태양전지패널(100)이 이룰 수 있는 최대각도인 17.40˚로 유지되도록 제어할 수 있다.
태양의 황경이 180˚인 경우 즉, 태양이 추분점에 위치하는 경우, 제1회전각(θ)은, 일출부터 태양의 방위각이 139.63˚가 될 때까지는 -0.95˚에서 -40.37˚까지 감소하고, 태양의 방위각이 139.63˚일 때부터 219.65˚일 때까지는 -40.37˚에서 39.65˚까지 증가하면서 태양의 고도를 추적하고, 태양의 방위각이 219.65˚일 때부터 일몰까지의 시간대에는 39.65˚에서 1.16˚까지 감소하도록 제어할 수 있으며, 제2회전각(Φ)은, 태양전지패널(100)이 설치된 위도와 일치하도록 제어할 수 있다.
또한, 제1회전각(θ)은, 지수적으로 감소한 뒤, 선형적으로 증가하면서 태양의 고도를 추적하고, 다시 지수적으로 감소하도록 제어하는 것이 바람직하다.
특히, 태양의 황경이 0˚ 및 180˚인 경우에는, 태양의 움직임 양상이 비슷한 바, 제2회전각(Φ)은, 태양전지패널(100)이 설치된 위도와 일치하도록 하는 등 태양전지패널(100)을 유사하게 제어할 수 있다.
태양의 황경이 270˚인 경우 즉, 낮의 길이가 가장 짧은 동지인 경우, 제1회전각(θ)은, 일출부터 태양의 방위각이 151.07˚가 될 때까지는 -2.13˚에서 -28.93˚까지 감소하고, 태양의 방위각이 151.07˚일 때부터 210.13˚일 때까지는 -28.93˚에서 30.13˚까지 증가하면서 태양의 고도를 추적하고, 태양의 방위각이 210.13˚일 때부터 일몰까지의 시간대에는 30.13˚에서 2.55˚까지 감소하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 겨울의 경우, 태양광 입사량이 적어 태양전지패널(100)이 생산해낼 수 있는 최대효율을 내는 구간이 존재하지 않아 태양전지패널(100)이 태양의 고도를 추적하는 시간대가 다른 계절에 비해 비교적 짧을 수 있다.
또한, 제1회전각(θ)은, 지수적으로 감소한 뒤, 선형적으로 증가하면서 태양의 고도를 추적하고, 다시 지수적으로 감소하도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 태양의 황경이 270˚인 경우 즉, 낮의 길이가 가장 짧은 동지인 경우, 제2회전각(Φ)은, 일출부터 태양의 방위각이 142.29˚가 될 때까지는 -3.95˚에서 -18.21˚까지 감소하고, 태양의 방위각이 142.29˚일 때부터 151.07˚일 때까지는 -18.21˚에서 -14.78˚까지 증가하고, 태양의 방위각이 151.07˚일 때부터 166.88˚일 때까지는 -14.78˚에서 -21.59˚까지 감소하고, 태양의 방위각이 166.88˚일 때부터 189.78˚일 때까지는 태양이 방위각이 169.17˚일 때 감소하여 -29.26˚에서 -31.88˚사이의 각도를 유지하고, 태양의 방위각이 189.78˚일 때부터 210.13˚일 때까지는 태양의 방위각이 192.07˚일 때 증가하여 -22.29˚에서 -14.56˚까지 증가하고, 태양의 방위각이 210.13˚일 때부터 218.88˚일 때까지는 -16.37˚에서 -18.17˚까지 감소하고, 태양의 방위각이 218.88˚일 때부터 일몰까지의 시간대에는 -18.17˚에서 -4.64˚까지 증가하도록 제어할 수 있다.
태양의 황경이 270˚인 경우 즉, 낮의 길이가 가장 짧은 동지인 경우, 태양광과 태양전지패널(100)의 기준법선이 일치하도록 하는 남-북 방향의 제2회전각(Φ)은 -59.01˚에서 -83.22˚이나, 태양전지패널(100)의 남-북 방향의 최대허용 각도가 -45˚미만인 바, 상기와 같이 태양전지패널(100)의 제2회전각(Φ)을 제어할 수 있다.
상기 제어부(400)가 제어하는 바와 같이, 태양전지시스템이 제어될 수 있으며, 태양의 황경이 0˚일 때와 90˚일 때의 사이, 태양의 황경이 90˚일 때와 180˚일 때의 사이, 태양의 황경이 180˚일 때와 270˚일 때의 사이 및 태양의 황경이 270˚일 때와 0˚일 때의 사이일 때는 상기 제어값 사이를 선형 혹은 이차함수로 움직일 수 있다.
또한, 태양의 고도에 대응하도록 제어하는 단계와 상기 복수의 태양전지패널(100)간에 음영의 효과가 발생하지 않도록 제어하는 단계를 이용하여 상기 태양전지패널(100)의 최대 발전량이 발생하는 태양의 방위각에 따른 상기 제1회전각(θ) 및 상기 제2회전각(Φ)의 값을 상기 태양전지패널(100)의 설치위치에 대응시켜 결정하는 단계와, 상기 결정된 제1회전각(θ) 및 상기 제2회전각(Φ)의 값을 데이터베이스화 하여 상기 데이터베이스에 따라 상기 태양전지패널(100)을 제어할 수 있다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
100 : 태양전지패널 200 : 제1회전구동부
300 : 제2회전구동부 400 : 제어부

Claims (16)

  1. 지면에 설치되는 하나 이상의 지지프레임(130)과;
    제2회전축(L2)을 이루는 제2회전샤프트(131)에 의하여 상기 제2회전축(L2)을 중심으로 회전가능하게 상기 지지프레임(130)에 설치되는 복수의 연결프레임(120)과;
    상기 연결프레임(120)과 수직을 이루며 상기 연결프레임(120)의 양단 각각에 결합되는 한 쌍의 메인프레임(110)과;
    제1회전축(L1)을 이루는 한 쌍의 제1회전샤프트(111)에 의하여 상기 제1회전축(L1)을 중심으로 한 회전이 가능하게 상기 한 쌍의 메인프레임(110)에 수직을 이루어 결합되는 하나 이상의 태양전지패널(100)과;
    상기 메인프레임(110)에 결합되어 태양고도에 대응하여 상기 태양전지패널(100)을 상기 제1회전축(L1)을 중심으로 회전시키는 제1회전구동부(200)와;
    상기 제2회전축(L2)을 중심으로 상기 연결프레임(120)을 회전시키는 제2회전구동부(300)와;
    상기 제1회전구동부(200) 및 상기 제2회전구동부(300)의 작동을 제어하는 제어부(400)를 포함하며,
    상기 제1회전구동부(200)는,
    상기 한 쌍의 메인프레임(110)과 간격을 두고 평행하게 설치된 하나 이상의 보조프레임(210)과;
    일단이 상기 태양전지패널(100)에 고정되며 타단이 상기 제1회전축(L1)과 평행한 회전축을 힌지축으로 하여 회전가능하게 상기 보조프레임(210)에 힌지결합되는 하나 이상의 링크부재(220)와;
    상기 보조프레임(210)을 상기 메인프레임(110)의 길이방향을 따라서 선형이동시키는 선형구동부(230)를 포함하며,
    상기 제2회전구동부(300)는,
    제1단이 상기 메인프레임(110) 및 상기 연결프레임(120) 중 적어도 하나와 상기 제2회전축(L2)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 결합되며 제2단이 상기 제2회전축(L2)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 힌지고정되며, 상기 제1단 및 상기 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되어 상기 지지프레임(130)에 위치된 상기 제2회전축(L2)을 중심으로 상기 연결프레임(120)을 회전시키는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 선형구동부(230)는,
    제1단이 상기 메인프레임(110) 및 상기 연결프레임(120) 중 적어도 하나와 상기 제1회전축(L1)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 결합되며 제2단이 상기 제1회전축(L1)과 평행을 이루는 회전축을 중심으로 한 힌지회전이 가능하도록 상기 보조프레임(210)에 힌지고정되며, 상기 제1단 및 상기 제2단에 이르는 전체 길이가 변화되어 상기 보조프레임(210)을 상기 메인프레임(110)의 길이방향을 따라서 선형이동시키는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 선형구동부(230)는,
    상기 제1단 및 상기 제2단에 이르는 전체 길이를 변화시키는 리니어 전동 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2회전구동부(300)는,
    상기 제1단 및 상기 제2단에 이르는 전체 길이를 변화시키는 리니어 전동 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템.
  9. 청구항 1, 청구항 4, 청구항 5 및 청구항 8 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 태양전지패널(100)은, 상기 메인프레임(110)의 길이방향을 따라서 복수개로 설치된 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템.
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2회전구동부(300)는,
    상기 제1회전축(L1)이 지표면과 이루는 제2회전각(Φ)이 상기 태양전지패널(100)의 상면이 극점을 향하는 제2상한각 및 상기 태양전지패널(100)의 상면이 적도를 향하는 제2하한각 사이의 값을 가지도록 상기 태양전지패널(100)을 회전시키는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1회전축(L1)이 지표면과 평행을 이룰 때 상기 제2회전각(Φ)이 0°라 할 때,
    상기 제2상한각은 17.4˚보다 작고, 상기 제2하한각은 -45˚보다 큰 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2하한각은 -42.2˚인 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템.
  14. 청구항 1에 따른 추적식 태양광 발전시스템의 제어방법으로서,
    상기 제1회전축(L1)이 상기 태양전지패널(100)의 상면 상에 투영된 제1가상선(L3)과 수직을 이루는 제2가상선(L4)이 지표면과 이루는 각을 제1회전각(θ)이라 하고, 상기 제2가상선이 동서방향과 평행할 때 상기 제1회전각(θ)이 0°로 하고 상기 태양전지패널(100)의 상면이 동쪽방향을 향할 때를 음의 각, 상기 태양전지패널(100)의 상면이 서쪽방향을 향할 때를 양의 각으로 정의하고,
    상기 추적식 태양광 발전시스템의 지구상의 설치위치를 측정하는 위치측정단계와;
    상기 설치위치 및 월일을 제어기준으로 하여 미리 설정된 태양의 제1방위각까지 상기 제1회전각(θ)을 0°에서 감소시킨 후 상기 제어기준에 따라서 미리 설정된 제2방위각까지 상기 제1회전각(θ)을 증가시킨 후 다시 상기 제1회전각(θ)을 감소시키는 제1회전각제어단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템의 제어방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1회전축(L1)이 지표면과 이루는 제2회전각(Φ)은 상기 태양전지패널(100)의 상면이 북쪽방향을 향할 때를 양의 각, 상기 태양전지패널(100)의 상면이 남쪽방향을 향할 때를 음의 각으로 정의하고,
    상기 제2회전각(Φ)이 상기 태양전지패널(100)의 상면이 극점을 향하는 제2상한각 및 상기 태양전지패널(100)의 상면이 적도를 향하는 제2하한각 사이의 값 사이에서 상기 태양전지패널(100)이 태양고도를 추적하도록 하는 제2회전각제어단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템의 제어방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    태양의 고도에 대응하도록 제어하는 단계와 상기 복수의 태양전지패널(100)간에 음영의 효과가 발생하지 않도록 제어하는 단계를 이용하여 상기 태양전지패널(100)의 최대 발전량이 발생하는 태양의 방위각에 따른 상기 제1회전각(θ) 및 상기 제2회전각(Φ)의 값을 상기 태양전지패널(100)의 설치위치에 대응시켜 결정하는 단계와, 상기 결정된 제1회전각(θ) 및 상기 제2회전각(Φ)의 값을 데이터베이스화 하여 상기 데이터베이스에 따라 상기 태양전지패널(100)을 제어하는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광 발전시스템의 제어방법.
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