KR102145196B1 - 추적식 태양광패널 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광패널에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광패널에 구성되며 태양광 입사각을 추적하는 광추적부; 태양광패널의 각도를 제어하는 구동부; 및 상기 광추적부에서 추적한 태양광 입사각에 상기 태양광패널이 대면하도록 상기 구동부를 작동시켜 상기 태양광패널의 각도를 조절하는 제어부;를 포함하여 향상된 추적방식을 통해 태양광의 위치 추적이 가능하여 태양광패널의 집광효율을 크게 향상시키고, 또한, 대규모로 태양광패널이 설치되어 있는 곳에서도 각 태양광패널별로 태양광입사각과 수직이 되는 각도록 미세하게 제어할 수 있어 최대의 발전 효율을 구현할 수 있는 장점이 있는 추적식 태양광패널에 관한 것이다.

Description

추적식 태양광패널{Tracking type solar panel}

본 발명은 태양광패널에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양의 고도와 방위각을 정확하게 추적하여, 태양광패널이 향하는 방향을 태양광 입사각에 직교시켜 집광효율을 높여주도록 구성되는 추적식 태양광패널에 관한 것이다.

태양에너지는 지속 가능하며 가장 풍부한 청정한 에너지 자원 중에 하나이다.

태양에너지는 점차 고갈되어 가는 천연 화석 에너지의 문제를 일부 해결하는 동시에 화석연료의 사용에 따라 발생되는 지구 온난화 현상의 진행을 억제시킬 수 있는 친환경적인 청정에너지이다.

태양에너지의 응용분야는 태양의 열에너지를 이용하여 물을 데우고 가정, 회사, 빌딩, 관공서 등에 난방 및 온수를 공급하는 분야와 태양의 광 에너지에 의한 광전효과를 이용하여 발전에 응용하는 태양광 발전 분야이다.

이중, 태양광 발전 분야는 청정에너지로서 무제한 사용이 가능한 이점이 있기는 하나 설비 비용과 많이 들어 초기투자 비용에 관한 부담이 높고, 설치장소가 한정적이며, 설치 장소 및 지역에 따른 일사량 편차가 심해 발전효율이 일정치 못한 단점이 있다.

태양광 발전에서의 발전 효율은 태양전지의 개발을 통해 향상되게 하는 것이 가장 근본적인 문제를 해결하는 방법이기는 하나 현실적으로 그 문제를 해결하는데에는 많은 시간과 투자가 필요하다.

따라서, 현재의 기술을 통해 발전 효율을 극대화할 수 있는 방법을 강구하는 것이 가장 이상적이라 할 수 있는데 이를 위해 시도되고 있는 방법이 태양광 추적 기술의 개선이다.

태양광 발전 효율을 높이는 데 있어서 발전 효율을 가장 많이 향상시킬 수 있는 것은 태양광을 가장 많이 수용할 수 있도록 하는 것이다.

이를 위해서 태양광 발전 분야에서는 다양한 태양광 추적 방법이 제시되고 있는데 특허등록 제1029086호(2011.04.06. 명칭:태양광 추적 장치 및 그 운용방법)가 그 예이다.

종래기술의 특허에서 태양광을 추적하는 방법으로는 복수의 포토다이오드를 구비하는 추적센서를 집광판 측으로 구비되도록 하여 이 추적센서를 통해 감지되는 태양광의 광량에 따라 태양의 위치를 추적하여 태양전지판이 태양의 궤도와 고도를 추적하도록 하는 것이다.

하지만, 종래기술의 특허에서 명시한 추적센서는 어느 정도의 추적은 가능하나 태양광의 정확한 위치 설정에는 다소 미흡한 문제가 있다.

즉, 종래기술의 특허에서는 제1 추적센서를 통해 태양의 방향을 잡고 제2 추적센서를 통해서 비로소 정확하게 태양광과 직각이 되도록 하는 것이나, 제1 추적센서를 통해 태양의 방향을 잡기에는 그 범위가 너무 넓고, 제2추적센서에서는 집광렌즈와 함께 바닥면 중앙에 부착한 포토센서를 통해 광량을 체크하게 되므로 그 추적 범위가 지나치게 넓어 정확한 추적 제어가 곤란한 문제가 있다.

대한민국 특허등록 제10-1029086호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 향상된 추적방식을 통해 태양의 위치 추적이 정확히 이뤄지도록 하여 집광효율이 향상되도록 구성되는 추적식 태양광패널을 제공하고자 함이다.

본 발명에 따른 추적식 태양광패널은 태양광패널에 구성되며 태양광 입사각을 추적하는 광추적부; 태양광패널의 각도를 제어하는 구동부; 및 상기 광추적부에서 추적한 태양광 입사각에 상기 태양광패널이 대면하도록 상기 구동부를 작동시켜 상기 태양광패널의 각도를 조절하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 광추적부는, 상기 태양광패널에 평행하게 설치되는 베이스판; 상기 베이스판에서 '十(십)'자 형태로 돌출되어 베이스판의 중심을 기준으로 사분면을 구획시키는 구획판; 상기 구획판에 의해 구획된 사분면 상에 각각 구성되어 태양광이 직접 조사되는 태양광영역과 태양광이 상기 구획판에 가려져 생성되는 그림자영역을 감지하는 센싱부재;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 구동부를 구동시켜 상기 센싱부재에 생성되는 그림자영역이 최소화되도록 상기 태양광패널의 각도를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

일례로써, 상기 광추적부는 상기 베이스판을 회전시키는 회동부가 더 구성되고, 상기 회동부는 상기 제어부에 의해 회전 제어되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제어부는, 상기 회동부를 제어하여 상기 베이스판을 일측으로 회전시키되, 사분면 상에 각각 구성되는 센싱부 중 2개 사분면에만 그림자영역이 생성될 때 상기 베이스판의 회전을 정지시킨 후, 상기 구동부를 제어하여 상기 태양광패널을 2개 사분면에 생성되는 그림자영역의 대향측으로 각 변위 시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 구획판은 중심이 가장 높고 각 끝단으로 갈수록 높이가 낮아지는 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 추적식 태양광패널은 향상된 추적방식을 통해 태양의 정확한 위치 추적이 가능하여 태양광패널의 집광효율을 크게 향상시키는 장점이 있다.

또한, 대규모로 태양광패널이 설치되어 있는 곳에서도 각 태양광패널별로 태양광입사각과 수직이 되는 각도로 미세하게 제어할 수 있어 최대의 발전 효율을 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 추적식 태양광패널를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 구성인 광추적부가 태양광패널에 적용되는 실시 예를 나타내는 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 구성인 광추적부의 실시 예들을 나타내는 도면.
도 4는 도 3a의 작동상태를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 구성인 광추적부의 다른 실시 예를 나타내는 도면.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 작동상태를 나타내는 도면.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 추적식 태양광패널를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 구성인 광추적부가 태양광패널에 적용되는 실시 예를 나타내는 도면이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 구성인 광추적부의 실시 예들을 나타내는 도면이다. 그리고 도 4는 도 3a의 작동상태를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 구성인 광추적부의 다른 실시 예를 나타내는 도면이며, 도 6a 및 도 6b는 도 5의 작동상태를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 추적식 태양광패널은 '十(십)'자 형태로 돌출되는 구획판(120)의 그림자를 이용하여 태양의 고도 및 방위각을 추적하고 이를 토대로 태양광패널(10)이 향하는 방향을 태양광이 입사되는 각도에 수직하게 대면하도록 제어하여 집광효율을 높여주도록 구성된다.

이러한 본 발명에 따른 추적식 태양광패널은 도 1에 도시된 바와 같이 광추적부(100), 구동부(200) 및 제어부(300)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

먼저, 상기 광추적부(100)는 태양광패널(10)에 구성되는 것으로 태양광에 의해 생성되는 그림자를 이용하여 태양광의 입사각을 추적하는 원리로 구성되는 것으로 이하에서 다양한 실시 예들에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

그리고 상기 구동부(200)는 도 1에서와 같이 태양광패널(10)에 연결되어 태양광패널(10)의 상하 각도와 좌우 회전을 제어할 수 있게 된다.

이때, 상기 구동부(200)는 태양광패널(10)의 각도를 상하좌우 등 다양한 각도로 제어하도록 구성되는 종래 다양한 기술이 적용 가능한 것으로, 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이어서 상기 제어부(300)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광추적부(100) 및 구동부(200)에 연결되어 광추적부(100)에서 추적한 태양광이 입사되는 입사각에 상기 태양광패널(10)이 수직으로 대면하도록 상기 구동부(200)를 작동시켜 상기 태양광패널(10)의 각도를 조절하도록 구성된다.

한편, 상기 광추적부(100)는 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이 태양광패널(10)의 평면에 수평하게 배치되는 것으로, 도 2a에서와 같이 태양광패널(10)의 중심에 배치될 수 있다.

이때, 광추적부(100)가 태양광패널(10)의 중심에 배치될 경우 광추적부(100)가 배치된 영역만큼 집광모듈(부호미도시)에 공백이 발생하여 집광효율이 저하될 수 있는 바, 바람직하게는 도 2b에서와 같이 태양광패널(10)의 외측영역에 배치되도록 구성할 수도 있다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 구성인 광추적부(100)에 대해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 광추적부(100)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 베이스판(110), 구획판(120) 및 센싱부재(130)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 베이스판(110)은 도 2 등에서 나타낸 바와 같이 상기 태양광패널(10)에 평행하게 설치된다.

또한, 상기 구획판(120)은 상기 베이스판(110)에서 돌출되는 것으로, 제1판(121), 제2판(122), 제3판(123) 및 제4판(124)이 동일한 지점으로부터 각각 4 방향을 향해 연장되어 '十(십)'자 형태를 이루도록 구성되는 것으로, 도 3 내지 도 4에서와 같이 제1판(121), 제2판(122), 제3판(123) 및 제4판(124)에 의해 베이스판(110)의 중심을 기준으로 사분면이 구획될 수 있게 된다.

즉, 상기 구획판(120)에 의해 상기 베이스판(110)은 제1사분면(Ⅰ), 제2사분면(Ⅱ), 제3사분면(Ⅲ) 및 제4사분면(Ⅳ)으로 구획되게 된다.

이때, 상기 구획판(120)은 도 3a에서와 같이 제1판(121), 제2판(122), 제3판(123) 및 제4판(124)이 각각 직각 3각형 형태로 구성될 수 있으며, 경우에 따라서는 도 3b에서와 같이 제1판(121), 제2판(122), 제3판(123) 및 제4판(124)이 각각 사각형 형태로 구성되어도 무방하다.

이어서, 상기 센싱부재(130)는 상기 구획판(120)에 의해 구획된 사분면 상에 각각 구성되는 것으로, 해당 사분면에 태양광이 직접 조사되는 태양광영역과 태양광이 상기 구획판(120)에 가려져 생성되는 그림자영역(S)을 구분하여 감지하도록 구성되는 것으로, 이때, 상기 센싱부재(130)로는 조도센서 등이 적용될 수 있다.

상기와 같은 구성에 의해 상기 광추적부(100)에서는 구획부에 의해 생성되는 그림자를 토대로 태양이 이동하는 방향을 감지할 수 있으며, 상기 제어부(300)에서는 구동부(200)를 구동시켜 상기 센싱부재(130)에 생성되는 그림자영역(S)이 최소화되도록 상기 태양광패널(10)의 각도를 조절함으로써 태양광패널(10)이 태양광 입사각에 항상 수직관계를 유지하도록 제어할 수 있게 되는 것이다.

이러한 광추적부(100)의 기작을 더욱 구체적으로 살펴보면, 광추적부(100)가 도 4에서와 같이 배치된 상태에서 태양광 입사각이 광추적부(100)에 수직상태로 조사되다가 제2사분면(Ⅱ) 측으로 이동할 경우, 그림자는 도면에서와 같이 제1사분면(Ⅰ), 제3사분면(Ⅲ), 제4사분면(Ⅳ)에만 생성되므로, 센싱부재(130)는 이를 감지한 감지신호를 제어부(300)에 전달함으로써, 제어부(300)에서는 구동부(200)를 구동시켜 태양광패널(10)의 각도를 그림자가 생성되지 않는 제2사분면(Ⅱ) 측(도면의 좌측 상단에 표시한 화살표 방향)으로 조절하여 태양광 입사각과 태양광패널(10)을 수직관계로 유지시킬 수 있으며 그에 따라 태양광패널(10)의 집광효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이때, 제2사분면(Ⅱ) 측은 도면 상 90°와 180°범위에 해당되는 것으로 태양이 도면상 θ1 방향으로 이동한다면 그와 일치하는 도면의 좌측 상단에 표시한 화살표 방향으로 태양광패널(10)이 각변위 된다면 태양광입사각과 태양광패널(10) 간 수직관계가 유지될 수 있다.

그러나 만약 태양이 도면 상 90°와 180°범위 내에서 θ1보다 작은 θ2 또는 θ1보다 큰 θ3 방향으로 이동한다면, 그 경우에도 제1사분면(Ⅰ), 제3사분면(Ⅲ), 제4사분면(Ⅳ)에 그림자가 생성되므로, 단순히 태양광패널(10)의 각도를 제2사분면(Ⅱ) 측(도면의 좌측 상단에 표시한 화살표 방향)으로 조절할 경우 태양광입사각과 태양광패널(10) 간 정확하게 수직관계를 유지하지 못하게 된다.

이러한 문제점을 보완하기 위해 본 발명에서는 도 5에서와 같이 상기 광추적부(100)에 상기 베이스판(110)을 회전시키는 회동부(140)가 더 마련될 수 있으며 이때, 회동부(140)는 상기 제어부(300)에 의해 회전제어되도록 구성할 수 있다.

즉, 상기 제어부(300)는 도 6a에서와 같이 태양광입사각과 태양광패널(10) 간 수직관계가 벗어나 구획판(120)에 의해 제1사분면(Ⅰ) 내지 제4사분면(Ⅳ) 중 3개의 사분면에 그림자가 생성될 경우 상기 회동부(140)를 제어하여 상기 베이스판(110)을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시켜, 도 6b에서와 같이 그림자가 제1사분면(Ⅰ) 내지 제4사분면(Ⅳ) 중 2개의 사분면에만 생성되는 순간 상기 회동부(140)의 구동을 정지시키게 된다.

이후, 제어부(300)에서는 도 6b에 도시된 바와 같이 구동부(200)를 제어하여 상기 태양광패널(10)을 2개 사분면에 생성되는 그림자영역(S)의 대향측(도면의 좌측 상단에 표시한 화살표 방향)으로 각 변위 시킴으로써, 태양의 위치 변위에 따른 태양광패널(10)의 각변위가 정확하게 이루어질 수 있어 즉, 태양광입사각과 태양광패널(10) 간 정확한 보다 수직관계가 이뤄질 수 있게 되는 것이다.

즉, 도 6b에서와 같이 그림자영역(S)이 제3사분면(Ⅲ)과 제4사분면(Ⅳ)에만 생성되는 경우 제어부(300)에서는 구동부(200)를 작동시켜 태양광패널(10)을 그림자영역(S)의 공동된 대향측인 제2판(122) 측(도면의 좌측상단에 표시된 화살표 방향)으로 변위시키게 되면 어느 지점에서 모든 사분면에 그림자영역(S)이 사라지게 되고 그때 제어부(300)는 구동부(200)의 작동을 정지시켜 태양광 입사각과 태양광패널(10) 간 완벽한 수직관계를 갖도록 제어할 수 있게 된다.

한편, 상기 구획판(120)은 도 3a에 도시된 바와 같이 중심이 가장 높고 각 끝단으로 갈수록 높이가 낮아지는 형태로 구성시킴이 바람직한 바, 이는 도 4, 도 6, 도 6b에서와 같이 태양광 입사각이 태양광패널(10)과 수직관계가 아닐 경우 그림자가 구획판(120)의 끝단에서부터 점점 면적이 커지는 형태로 생성되게 되므로 상기 센싱부재(130)에서는 그림자 생성여부를 보다 정확하게 인지할 수 있게 되는 것이다.

즉, 태양광이 각 판에 가려져 그림자가 생성될 때, 그림자는 도면에서와 같이 구획판(120)의 끝단에서부터 점점 면적이 커지는 삼각형 형태로 일정한 패턴을 갖게 되므로 상기 센싱부재(130)는 각 사분면에서 그림자의 생성 유무를 보다 명확하게 파악할 수 있게 되는 것이다.

다시 말해, 태양의 고도 또는 방위각이 변하여 태양광 입사각이 태양광패널(10)과 수직관계에서 멀어질수록 그림자의 형태는 삼각형 형태를 유지하되, 그 높이와 면적이 점점 커지는 형태가 되므로, 센싱부재(130)에서는 그림자의 높이와 면적을 토대로 태양의 이동거리를 가늠할 수 있게 되므로, 태양광 입사각과 수직관계를 갖기 위한 태양광패널(10)이 진행할 각도 변위에 대한 보다 정확한 데이터를 추론할 수 있게 되는 것이다.

만약 제1판(121) 내지 제4판(124)의 형태가 본 실시 예에서와 같이 끝단으로 갈수록 높이가 낮아지는 형태가 아닌 일반적인 판 형태 구성된다면 제1사분면(Ⅰ) 내지 제4사분면(Ⅳ)에 생성되는 그림자의 형태가 일정치 않게 형성되며 태양의 이동 시 그림자의 형태 변화가 규칙적이지 않아 센싱부재(130)에서는 단순히 각 사분면에 대한 그림자의 유무만을 감지할 수 있어 태양의 이동거리를 정확히 추적할 수 없게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 : 태양광패널 100 : 광추적부
110 : 베이스판 120 : 구획판
130 : 센싱부재 140 : 회동부
200 : 구동부 300 : 제어부

Claims (6)

1. 태양광패널에 구성되며 태양광 입사각을 추적하는 광추적부;
   태양광패널의 상하 각도와 좌우 회전을 제어하는 구동부; 및
   상기 광추적부에서 추적한 태양광 입사각에 상기 태양광패널이 대면하도록 상기 구동부를 작동시켜 상기 태양광패널의 각도와 방향을 조절하는 제어부;를 포함하며,
   상기 광추적부는,
   상기 태양광패널에 평행하게 설치되는 베이스판과, 상기 베이스판에서 '十(십)'자 형태로 돌출되어 베이스판의 중심을 기준으로 제 1사분면 내지 제 4사분면을 구획시키는 구획판과, 상기 구획판에 의해 구획된 4개의 사분면 상에 각각 구성되어 태양광이 직접 조사되는 태양광영역과 태양광이 상기 구획판에 가려져 생성되는 그림자영역을 감지하는 센싱부재 및 상기 제어부의 제어에 의해 상기 베이스판을 회전시키는 회동부를 포함하되,
   상기 제어부는,
   태양광입사각과 태양광패널 간 수직관계가 벗어나 구획판에 의해 상기 제 1사분면 내지 제 4사분면 중 3개의 사분면에 그림자가 생성됨을 감지할 경우, 상기 베이스판을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시켜 그림자가 제 1사분면 내지 제 4사분면 중 2개의 사분면에만 생성될 때까지만 상기 회동부을 작동되게 제어하고, 이후 상기 태양광패널을 2개의 사분면에 생성되는 그림자영역의 공동된 대향측으로 각 변위시켜 모든 사분면에 그림자영역이 없어질때까지 상기 구동부를 작동되게 제어하는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광패널.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 구획판은 중심이 가장 높고 각 끝단으로 갈수록 높이가 낮아지는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 추적식 태양광패널.

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