KR102016749B1 - 정확한 일사량 측정이 가능한 집광장치 및 그 운영방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정확한 일사량 측정이 가능한 집광장치 및 그 운영방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반사판에 다수개 설치된 일사량 센서 중 어느 하나가 이물질에 의해 정상적인 일사량 측정이 어려운 경우에도, 정확한 일사량 측정에 따른 집광장치의 태양 추적 및 가동 중단 여부 등을 적절히 수행할 수 있을 뿐만 아니라 상기 일사량 센서를 가린 이물질까지도 신속히 제거할 수 있는 집광장치 및 그 운영방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 태양광을 반사하여 집열관으로 집광시키는 반사판; 상기 반사판을 회전시키는 회전구동부; 및 태양광의 전력 변환을 제어하는 발전제어부;를 포함하는 집광장치에 있어서, 상기 반사판은 적어도 4개 이상의 일사량 센서를 포함하며, 상기 집광장치는 상기 각 일사량 센서로부터 수신한 일사량 측정값 중에서 최대값 및 최소값을 제외하고 일사량 평균값을 연산하는 일사량 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

정확한 일사량 측정이 가능한 집광장치 및 그 운영방법{Condensing sunlight apparatus capable of accurate measuring solar radiation and Operating methods thereof}
본 발명은 정확한 일사량 측정이 가능한 집광장치 및 그 운영방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반사판에 다수개 설치된 일사량 센서 중 어느 하나가 이물질에 의해 정상적인 일사량 측정이 어려운 경우에도, 정확한 일사량 측정에 따른 집광장치의 태양 추적 및 가동 중단 여부 등을 적절히 수행할 수 있을 뿐만 아니라 상기 일사량 센서를 가린 이물질까지도 신속히 제거할 수 있는 집광장치 및 그 운영방법에 관한 것이다.
태양열을 모으는 집광장치는 집광 방법, 장치의 형태 및 사용온도 범위에 따라 집광식과 비집광식으로 분류된다. 비집광식은 평판형과 진공유리관형으로 구분되며, 집광식에는 집광형태의 기하학적 구조에 따라 PTC(Parabolic Trough Concentrator)형, CPC(Compound Parabolic Concentrator), 포물선 접시형(Parabolic Dish) 등으로 구분된다. 상기 평판형은 태양열 집열판의 온도 상승에 따른 열 손실이 커서 6070℃ 이상의 온도영역에서는 집열 효율이 낮아 사용이 제한되고 있고 일반 가정용 온수 공급용으로 적합하다. 상기 진공관형은 진공 유리관 내에 태양열 집열판과 히트 파이프가 설치된 것으로 열 취득 온도가 중온 영역인 80200℃ 범위에 있지만 비추적식이기 때문에 단위면적당 집열 효율이 떨어지고 무게가 무겁고 제작비가 많이 들어가는 단점이 있다.
이러한 집광장치는 최근 태양의 움직임을 자동적으로 추적할 수 있도록 태양 추적 시스템을 구비하는 경우가 많으며, 이 경우 태양의 일사량을 수시로 측정하면서 가장 전력 효율이 높은 위치 및 각도를 조절하게 된다. 그러나, 태양의 일사량을 측정하는 일사량 센서가 이물질로 인해 정확한 측정이 어려운 경우가 발생할 수 있는데, 이 경우 가장 효?성 높은 각도 조정이 곤란해 지는 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 이와 같이 이물질에 의한 일사량 측정값의 오류가 발생할 가능성이 높은 경우에도 정확한 일사량을 측정할 수 있는 방안이 요구되고 있으며, 더 나아가 이러한 이물질을 신속히 제거할 수 있는 방안도 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0086128호 (2015.07.27) 대한민국 등록특허공보 제20-0246053호 (2001.08.29)
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 반사판에 다수개 설치된 일사량 센서 중 어느 하나가 이물질에 의해 정상적인 일사량 측정이 어려운 경우에도, 정확한 일사량 측정에 따른 집광장치의 태양 추적 및 가동 중단 여부 등을 적절히 수행할 수 있을 뿐만 아니라 상기 일사량 센서를 가린 이물질까지도 신속히 제거할 수 있는 집광장치 및 그 운영방법를 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은
태양광을 반사하여 집열관으로 집광시키는 반사판; 상기 반사판을 회전시키는 회전구동부; 및 태양광의 전력 변환을 제어하는 발전제어부;를 포함하는 집광장치에 있어서, 상기 반사판은 적어도 4개 이상의 일사량 센서를 포함하며, 상기 집광장치는 상기 각 일사량 센서로부터 수신한 일사량 측정값 중에서 최대값 및 최소값을 제외하고 일사량 평균값을 연산하는 일사량 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반사판은 상기 각 일사량 센서 부근에 상기 일사량 센서를 세척하기 위한 세척수단을 각각 구비하며, 상기 집광장치는 상기 최소값이 상기 일사량 평균값 대비 일정 수준 미만일 경우, 상기 최소값을 측정한 센서에 이물질이 존재하는 것으로 판단하고 상기 최소값을 측정한 센서 부근에 구비된 세척수단을 구동시키는 세척 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 상기 집광장치의 운영방법에 관한 본 발명은
일사량 판단부가 상기 각 일사량 센서로부터 일사량 측정값을 수신하는 단계; 상기 일사량 판단부가 상기 수신한 일사량 측정값 중 최대값 및 최소값을 제외하고 일사량 평균값을 연산하는 단계; 및 상기 일사량 평균값이 설정 기준 미만일 경우, 발전상태 불량으로 판단하여 상기 발전제어부가 상기 일사량 평균값이 설정 기준 이상이 될 때까지 상기 집광장치의 발전상태를 일시 중단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 집광장치의 운영방법에 관한 본 발명은 상기 일사량 평균값이 설정 기준 이상이고, 상기 최소값이 상기 일사량 평균값 대비 일정 수준 미만일 경우, 상기 세척 제어부는 상기 최소값을 측정한 일사량 센서에 이물질이 존재하는 것으로 판단하고 상기 최소값을 측정한 일사량 센서 부근에 구비된 세척수단을 구동시켜 상기 최소값을 측정한 센서를 세척하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
1. 다수의 일사량 센서가 구빈된 집광장치의 일사량 측정 과정에 있어서, 어느 한 일사량 센서가 이물질에 의해 가려져서 일사량 측정이 어렵게 되더라도, 집광장치에 조사되는 전체적인 일사량 측정은 여전히 가능하므로, 집광장치의 집광효율을 높이기 위한 반사판 각도 조절 및 발전상태의 적절성 판단 등을 올바르게 수행할 수 있게 된다.
2. 또한 일사량 센서 부근마다 구빈된 세척수단에 의해 상기 이물질을 용이하게 제거할 수 있으므로, 이물질에 의한 집광장치 운영의 어려움을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집광장치를 나타내는 사시도.
도 2는 다수의 반사판을 구비하는 집광장치에 배치된 일사광 센서를 나타내는 사시도.
도 3는 일사량 센서 부근에 세척수단이 설치된 집광장치를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 집광장치의 운영방법에 관한 순서도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명이 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있는 것이라는 점은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집광장치(100)를 나타내는 사시도이며, 도 2는 다수의 반사판을 구비하는 집광장치에 배치된 일사광 센서를 나타내는 사시도이다.
본 발명에 따른 집광장치(100)는 태양광을 집열관으로 집중시켜 일정한 전력을 발전하는 장치로서, 이를 위해, 태양광을 반사하여 집열관(130)으로 집광시키는 반사판(110)과 상기 반사판(110)을 회전시키는 회전구동부(120) 및 태양광의 전력 변환을 제어하는 발전제어부(140)를 포함한다. 상기 집광장치(100)는 보다 바람직하게는 포물선형상의 곡률을 가지는 반사판(110), 상기 반사판(110)을 지지하는 지지대(150) 및 반사판(110) 중심축에 태양광을 흡수하는 집열관(130)을 포함하는 PTC(Parabolic Trough Concentrator)방식일 수 있다. 상기 회전구동부(120)는 모터나 실린더 등의 액추에이터의 구동력을 이용하여 상기 반사판(110)이 태양을 추적하기 위한 각도 조절에 이용된다.
상기 본 발명에 따른 집광장치(100)는 도 2와 같이 반사판(110)에 다수의 일사량 센서(200)가 설치될 수 있는데, 이는 반사판에 조사되는 태양광의 정도를 측정하여 그에 따라 반사판(110)을 회동시켜 집광효율을 보다 높이기 위함이다.
여기서 일사광 센서(200)란 태양광의 일사량(조도)를 측정하는 센서로서 통상 화화카드뮴(cds) 소재가 많이 사용된다. 이러한 일사량 센서의 동작원리는 광전도 현상을 이용한 것으로서, 태양광이 센서에 입사하게 되면 전자-정공쌍이 생성되고, 생성된 전자는 운반자 농도의 증가를 가져와서 내부의 저항이 줄어들게 된다. 따라서 이러한 원리로 인해 태양광이 많이 들어오게 되면 저항이 점점 작아지게 되어 전자적 방법으로 측정이 가능하게 된다.
본 발명에서는 보다 정확한 일사량 측정을 위하여, 적어도 4개 이상의 일사량 센서(200)를 구비하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 상기 집광장치(100)는 도 2와 같이 다수의 반사판이 결합된 형태로 존재할 수 있으며, 상기 4개 이상의 일사량 센서(200)는 다수의 반사판(110)에 적절한 간격을 가지며 배치되는 것이 바람직하다. 도 2에서는 각 반사판(111, 112, 113))에 두 개씩 배치하였으며, 이를 통해 각 반사판(111. 112, 113)에 조사되는 태양광의 세기를 각각 파악할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 집광장치(100)는 상기 각 일사량 센서가 측정한 일사량 측정값을 수신하여 일정한 연산처리를 수행하는 일사량 판단부(210)를 더 포함한다. 상기 일사량 판단부(210)는 수신한 일사량 측정값 중에서 최대값 및 최소값을 선별하여 이를 제외하고 나머지 일사량 측정값을 대상으로 일사량 평균값을 연산한다. 일사량 측정값의 최대값 및 최소값을 배제하는 이유는 일정한 원인에 의하여 실제 조사되는 일사량보다 더 높게 혹은 더 낮게 측정된 값을 배제함으로써 보다 정확한 일사량을 측정하기 위함이다. 일 예로, 집광장치(100) 외부에 있는 반사물질의 영향으로 어느 한 일사량 센서(200)가 더 높은 일사량 측정값이 나올 수 있으며, 반대로, 이물질 영향으로 인해 어느 한 일사량 센서(200)가 더 낮은 일사량 측정값이 나올 수 있다. 따라어, 이러한 외부적 요인에 따른 일사량 측정값의 오류를 방지하기 위하여, 상기 일사량 판단부(210)는 일사량 측정값 중에서 최대값 및 최소값을 배제하고 나머지 일사량 측정값에 대하여 평균값을 연산하게 된다. 이렇게 연상된 일사량 평균값이 상기 집광장치(100)에 조사되는 일사량으로 간주하여 반사판(110)의 각도 조절 및 집광장치(100)의 발전 상태 판단 등 집광장치(100)의 운영과 관련된 판단자료로 활용될 수 있다. 만약, 상기와 같이 연산된 일사량 평균값이 설정 기준 미만일 경우, 집광장치(100)의 발전상태가 불량인 것으로 판단하여 발전제어부(140)가 일시적으로 집광장치(100)의 발전을 중단시킬 수 있다. 이는 발전상태를 유지하는데 소비되는 전력이 태양광을 통해 생산되는 전력보다 더 클 경우 굳이 발전상태를 유지하는 것이 전력변환 효율에 마이너스가 되기 때문에 굳이 발전상태를 유지할 필요가 없기 때문이다. 따라서, 상기 발전제어부(140)는 상기 일사량 판단부(210)에서 수시로 연산하는 일사량 평균값을 고려하여, 일정한 설정 기준 이상이 될 때 집광장치(100)를 발전상태로 다시 전환하게 된다.
도 3은 도 1의 일사량 센서(200) 부근에 설치된 세척수단(300)을 나타태는 사시도이다. 도 3에서는 상기 세척수단(300)이 바람에 의한 블로잉(blowing) 장비이며, 이를 위해 별도의 에어펌프(미도시)와 연결될 수 있다. 일정한 조건에 부합되는 경우 세척 제어부(310)는 상기 브로잉 장비가 구동될 수 있도록 제어한다. 상기 세척수단은 블로잉 장비에만 한정되는 것은 아니며, 물 세척방식, 브로쉬 방식 등 통상적으로 적용 가능한 세척수단이면 모두 해당할 수 있다.
상기 세척 제어부(310)는 일사량 측정값 중 최소값이 상기 연산과정에 따라 도출된 일사량 평균값과 대비하였을 때 일정 수준 미만으로 낮게 나올 경우, 상기 최소값을 측정한 일사량 센서에 이물질이 존재하는 것으로 판단하여 상기 최소값을 측정한 일사량 센서 부근에 구비된 세척수단(300)을 구동시키는 세척하도록 제어한다. 이 때 상기 세척에 의해 이물질이 제거되었는지 여부는 상기 세척수단(300)에 의한 세척 이후 상기 최소값을 측정한 일사량 센서가 측정한 일사량 값이 일사량 평균값 대비 일정 수준 이내로 좁혀졌는지 여부로 판단할 수 있다. 만약 여전히 일정 수준 이상 차이가 발생하는 경우에는 재차 상기 세척수단(300)에 의한 세척과정을 수회 반복할 수 있다.
이하, 도 4를 참고로 하여 본 발명에 따른 집광장치의 운영방법을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 일사량 판단부(210)가 적어도 4개 이상 구비된 일사량 센서(200)로부터 일사량 측정값을 수신한다.(S100 단계) 앞서 언급한 바와 같이 상기 일사량 센서는 반사판(110)에 적절한 간격을 두고 설치될 수 있으며, 보다 바람직하게는 도 2와 같이 다수의 반사판(111, 112, 113)에 하나 이상 씩 배치되도록 함으로써 보다 정확한 일사량 값을 얻을 수 있게 된다.
다음으로, 상기 일사량 판단부(210)가 상기 수신한 일사량 측정값 중 최대값 및 최소값을 선별 후 제외하고 나머지 일사량 값에 대하여 일사량 평균값을 연산하여 도출한다.(S200 단계) 최대값과 최소값을 제외하는 이유에 대해서는 앞서 설명한 바와 같으므로 생략하기로 한다.
다음으로, 상기 일사량 평균값이 설정 기준 미만일 경우, 상기 발전제어부(310)는 발전상태 불량으로 판단하여 상기 일사량 평균값이 설정 기준 이상이 될 때까지 상기 집광장치(100)의 발전상태를 일시 중단한다.(S300 단계) 이 경우 재개되는 시점을 파악하기 위하여, 상기 발전제어부(310)은 상기 일사량 판단부(210)로부터 상시적으로 일사량 평균값을 수신받아 발전상태의 재개 여부를 판단하게 된다.
만약, 상기 일사량 평균값이 설정 기준 이상이나, 상기 일사량 최소값이 상기 일사량 평균값 대비 일정 수준 미만일 경우, 세척 제어부(210)는 상기 일사량 최소값을 측정한 일사량 센서(200)에 이물질이 존재하여 방해를 받고 있는 것으로 판단하고, 상기 일사량 최소값을 측정한 일사량 센서(200) 부근에 구비된 세척수단(300)을 구동시켜 상기 최소값을 측정한 일사량 센서를 세척한다.(S400 단계) 마찬가지로 상기 세척수단 및 세척 회수에 대해서는 앞서 설명한 바와 같으므로 추가적인 언급은 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
100 : 집광장치 110 : 반사판
120 : 회동구동부 130 : 집열관
140 : 발전제어부 200 : 일사량 센서
210 : 일사량 판단부

Claims (4)

  1. 태양광을 반사하여 집열관으로 집광시키는 반사판; 상기 반사판을 회전시키는 회전구동부; 및 태양광의 전력 변환을 제어하는 발전제어부;를 포함하는 집광장치에 있어서,
    상기 반사판은 적어도 4개 이상의 일사량 센서를 포함하고, 상기 각 일사량 센서 부근에 상기 일사량 센서를 세척하기 위한 세척수단을 각각 구비하며,
    상기 집광장치는 상기 각 일사량 센서로부터 수신한 일사량 측정값 중에서 최대값 및 최소값을 제외하고 일사량 평균값을 연산하는 일사량 판단부; 및
    상기 최소값이 상기 일사량 평균값 대비 일정 수준 미만일 경우, 상기 최소값을 측정한 일사량 센서에 이물질이 존재하는 것으로 판단하고 상기 최소값을 측정한 센서 부근에 구비된 세척수단을 구동시키는 세척 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 따른 집광장치의 운영방법에 있어서,
    일사량 판단부가 상기 각 일사량 센서로부터 일사량 측정값을 수신하는 단계;
    상기 일사량 판단부가 상기 수신한 일사량 측정값 중 최대값 및 최소값을 제외하고 일사량 평균값을 연산하는 단계; 및
    상기 일사량 평균값이 설정 기준 미만일 경우, 발전상태 불량으로 판단하여 상기 발전제어부가 상기 일사량 평균값이 설정 기준 이상이 될 때까지 상기 집광장치의 발전상태를 일시 중단하는 단계;를 포함하되,
    상기 일사량 평균값이 설정 기준 이상이고, 상기 최소값이 상기 일사량 평균값 대비 일정 수준 미만일 경우, 상기 세척 제어부는 상기 최소값을 측정한 일사량 센서에 이물질이 존재하는 것으로 판단하고 상기 최소값을 측정한 일사량 센서 부근에 구비된 세척수단을 구동시켜 상기 최소값을 측정한 센서를 세척하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광장치의 운영방법.
  4. 삭제
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