KR102273800B1 - 창호형 태양광 추적시스템 - Google Patents

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Abstract

태양광 패널의 하부를 들어올리거나 내리는 간단한 1축 제어방식으로, 일출에서 일몰까지 PV 패널에 대해 태양광의 입사각이 최적상태가 될 수 있도록 한 창호형 태양광 추적시스템에 관한 것으로서, 현재 시각 정보를 제공하는 시각 정보 제공부, 태양광 패널이 설치된 방향 정보인 태양광 패널의 방위와 위치 정보를 입력하는 입력부, 태양광 패널이 설치된 위치에서 현재 시각 정보를 이용하여 현재 시각의 태양의 위치를 산출하고, 산출한 태양의 위치 정보를 기초로 입력된 태양광 패널의 위치를 이용하여 태양의 방위와 고도를 산출하며, 산출한 태양의 방위와 고도 및 입력부에서 제공한 태양광 패널의 방위를 조합하여 태양광 패널의 기울기 조절 값을 산출하여 출력하는 기울기 제어부 및 기울기 조절 값에 따라 태양광 패널의 기울기를 조절하는 패널 구동부를 포함한 창호형 태양광 추적시스템을 구현하여, 1축 제어로 태양광 추적이 이루어지도록 한다.

Description

창호형 태양광 추적시스템{Photo voltaic tracking system of windows and doors type}
본 발명은 창호형 태양광 추적시스템에 관한 것으로, 특히 태양광 패널의 하부를 들어올리거나 내리는 간단한 1축 제어방식으로, 일출에서 일몰까지 PV 패널에 대해 태양의 입사각이 최적상태가 될 수 있도록 한 창호형 태양광 추적시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광을 이용하는 발전방식은 무한한 청정에너지를 이용한 것으로서, 별도의 에너지나 구동원이 필요하지 않으며, 소규모에서부터 대규모 시스템에 이르기까지 시공이 간단하고, 환경문제에 따른 설치제한에 영향을 받지 않는다는 장점이 있기 때문에 그 가능성이 무한하다.
태양광 패널(PV 패널)은 대형 건물 옥상이나 토지 등에 주로 설치되어 운용되고 있으나, 근래에는 일반 가정의 지붕 위나 창호 등에도 태양광 패널의 설치가 증가하는 추세이다.
일반 가정의 지붕 위나 창호 등에 설치된 태양광 패널은, 대형 건물 옥상이나 토지에 설치된 독립 시설의 태양광 패널에 비하여, 설치 방향(방위 및 위치)의 자유도가 적어, 태양의 일주 변화에 능동적인 발전을 기대하기 어렵다.
통상, 태양광 발전 추적장치는 태양의 방위와 고도를 추적하는 2축 제어방식이다.
2축 제어 시스템을 일반 가정의 지붕 혹은 창호에 설치하는 것은 공간적으로나 경제적인 이유 등으로 쉽지 않는 일이다.
일반 가정의 창호에 설치된 태양광 추적 발전시스템이 하기의 <특허문헌 1> 에 개시되어 있다.
<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은, 태양전지모듈이 설치된 이동프레임을 아파트 베란다의 새시에 설치하고, 이동프레임의 상하운동을 통해 고도(h)를 제어하고, 태양전지모듈의 좌우 이동을 통해 방위(Zn)를 제어한다.
이러한 종래기술은 고도 제어와 방위 제어라는 2축 제어 방식의 태양광 추적 시스템이므로, 시스템 구현이 복잡하고, 소요 부품이 많으며, 2축 제어를 위한 전력이 필요하여 전력 소비도 많다는 단점이 있다.
대한민국 등록특허 10-1828514(2018.02.06. 등록)(가정용 추적식 태양광 발전장치)
따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 가정이나 창호형 태양광 발전 시스템 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 태양광 패널의 하부를 들어올리거나 내리는 간단한 1축 제어방식으로, 일출에서 일몰까지 PV 패널에 대해 태양의 입사각이 최적상태가 될 수 있도록 한 창호형 태양광 추적시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 PV 패널의 방위를 고려한 최적화된 기울기를 산출하여 1축 제어 방식으로 PV 패널을 아래위로 틸팅하는 방식으로 태양광을 추적하여, 창호형 태양광 추적시스템의 구현을 단순화하고 전력 소모도 최소화할 수 있도록 한 창호형 태양광 추적시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "창호형 태양광 추적시스템"은,
현재 시각 정보를 제공하는 시각 정보 제공부;
태양광 패널이 설치된 방향 정보인 태양광 패널의 방위와 위치 정보를 입력하는 입력부;
상기 현재 시각 정보를 이용하여 현재 시각의 태양의 위치를 산출하고, 산출한 태양의 위치 정보를 기초로 상기 입력부에서 제공한 태양광 패널의 위치 정보를 이용하여 태양의 방위와 고도를 산출하며, 산출한 태양의 방위와 고도 정보를 기초로 상기 입력부에서 제공한 태양광 패널의 방위 정보를 이용하여 태양광 패널의 기울기 조절 값을 산출하여 출력하는 기울기 제어부;
상기 기울기 제어부에서 출력되는 기울기 조절 값에 따라 태양광 패널의 기울기를 조절하는 패널 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 기울기 제어부는 태양광의 입사각이 최소가 되도록 태양광 패널의 기울기 조절 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 기울기 제어부는,
해당 시각의 태양의 위치를 산출하는 위치 산출부;
상기 위치 산출부에서 산출한 태양의 위치 정보를 기초로 태양광 패널의 위치 정보를 이용하여 태양의 방위와 고도를 산출하는 방위 및 고도 산출부;
상기 방위 및 고도 산출부에서 산출한 태양의 방위와 고도 값을 기초로 상기 입력부에서 제공한 태양광 패널의 방위 정보를 이용하여 태양광의 입사각이 최소가 되는 태양광 패널의 기울기 조절 값을 산출하여 출력하는 기울기 조절 값 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 태양광 패널의 하부를 들어올리거나 내리는 간단한 1축 제어방식으로, 일출에서 일몰까지 PV 패널에 대해 태양광의 입사각이 최적상태가 될 수 있도록 구현할 수 있어, 1축 제어로도 최적의 태양광 발전을 도모할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 목적은 PV 패널의 방위를 고려한 최적화된 기울기를 산출하여 1축 제어 방식으로 PV 패널을 아래위로 틸팅하는 방식으로 최적의 태양광 추적이 가능하여, 창호형 태양광 추적시스템의 구현을 단순화하고 전력 소모도 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 창호형 태양광 추적시스템의 운영 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 창호형 태양광 추적시스템의 블록 구성도,
도 3은 본 발명에서 창호형 태양광 추적시스템에 적용된 태양광 패널의 제어 개념도(옆면도),
도 4는 본 발명에서 태양광 패널의 기울기 조절 정보 PV_h를 산출하는 개념도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 창호형 태양광 추적시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 창호형 태양광 추적시스템의 운영 예시도로서, 일반 가정의 지붕(1) 위에 태양광 패널(PV 패널)(40)이 설치된 경우이다.
상기 태양광 패널(40)을 올리거나 내리는 단순한 틸팅 방식의 1축 제어 방식으로 태양광 패널(40)의 기울기를 조절하는 패널 구동부(30)가 상기 태양광 패널(40)의 하부에 결합되어 설치된다. 여기서 패널 구동부(30)는 액추에이터 1개 또는 모터 1개만을 이용하여 태양광 패널(40)을 올리거나 내리는 틸팅 동작을 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 "창호형 태양광 추적시스템"의 구성도로서, 현재 시각 정보를 제공하는 시각 정보 제공부(10), 태양광 패널(40)이 설치된 방향 정보인 태양광 패널(40)의 방위와 위치 정보를 입력하는 입력부(50), 상기 현재 시각 정보를 이용하여 현재 시각의 태양의 위치를 산출하고, 산출한 태양의 위치 정보를 기초로 상기 입력부에서 제공한 태양광 패널의 위치 정보를 이용하여 태양의 방위와 고도를 산출하며, 산출한 태양의 방위와 고도 정보 및 상기 입력부에서 제공한 태양광 패널의 방위 정보를 조합하여 태양광 패널의 기울기 조절 값을 산출하여 출력하는 기울기 제어부(20), 상기 기울기 제어부(20)에서 출력되는 기울기 조절 값에 따라 태양광 패널(40)의 기울기를 조절하는 패널 구동부(30)를 포함할 수 있다.
상기 기울기 제어부(20)는 태양광의 입사각이 최소가 되도록 태양광 패널(40)의 기울기 조절 값을 산출할 수 있다.
상기 기울기 제어부(20)는 상기 시각 정보 제공부(10)에서 제공하는 해당 시각의 태양의 위치를 산출하는 위치 산출부(21), 상기 위치 산출부(21)에서 산출한 태양의 위치 정보를 기초로 태양광 패널의 위치 정보를 이용하여 태양의 방위와 고도를 산출하는 방위 및 고도 산출부(22), 상기 방위 및 고도 산출부(22)에서 산출한 태양의 방위와 고도 및 상기 입력부(50)에서 제공한 태양광 패널의 방위 값을 조합하여 태양광의 입사각이 최소가 되는 태양광 패널(40)의 기울기 조절 값을 산출하여 출력하는 기울기 조절 값 산출부(23)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 창호형 태양광 추적시스템의 동작을 첨부한 도면 도 1 내지 도 4를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 태양광 패널의 하부를 올리거나 내리는 간단한 틸팅이 가능한 1축 제어 방식을 이용하여, 태양광의 입사각이 최적 상태가 되도록 하여, 태양을 최적으로 추적하도록 한 것이다.
특히, 임의의 시간 간격에 따라 1축이 동작하여, 일출에서 일몰까지 PV 패널에 대한 태양의 입사각이 최적상태가 될 수 있도록 설치된 환경 내에서 태양광 패널의 틸팅 각도를 계산한다.
수학적으로는, 태양광 패널이 설치된 방향(방위)을 기준으로 그 방위가 가지는 구면상 자오선의 최단 거리, 즉 입사각 i가 최소가 되도록 계산하여, 태양의 위치 변화에 따른 태양광 1축 추적 방식을 제안한다.
이를 위해, 시각 정보 제공부(10)를 통해 현재 시각 정보를 제공한다. 여기서 시각 정보는 국제표준시각(GMT, Greenwich mean Time)을 의미한다.
아울러 입력부(50)는 태양광 패널(40)이 설치된 방향 정보인 태양광 패널(40)의 방위(PV_Zn)와 위치(경도(Long), 위도(Lat)) 정보를 입력한다.
여기서 태양의 지위는 태양의 위치를 나타내는 데 쓰이는 좌표의 하나로, 천구상의 태양의 좌표(GHA, Dec) 정보이다.
기울기 제어부(20)의 위치 산출부(21)는 시각 정보 제공부(10)에서 제공하는 현재 시각에서의 태양의 위치를 파악한다.
즉, 상기 태양광 패널(40)이 설치된 위치에서 상기 현재 시각 정보(GMT)를 이용하여 현재 시각의 태양의 위치(GHA, Dec)를 산출한다. 여기서 현재 시각의 태양의 위치 산출은 일정 시간 간격으로 이루어지는 것이 바람직하다.
다음으로, 방위 및 고도 산출부(22)는 상기 위치 산출부(21)에서 산출한 태양의 위치 정보를 이용하여 현재 위치에서의 태양의 방위(Zn)와 고도(h)를 산출한다.
여기서 태양의 고도 및 방위 산출은 아래와 같은 [수학식 1]을 이용할 수 있다.
Figure 112020127554167-pat00001
여기서 h: 태양의 고도각, Zn: 태양의 방위각, GHA: Greenwich Hour Angle, Dec: 적위(Declination), Lat: 위도(Latitude), Long: 경도(Longitude)를 각각 나타낸다. 이때 경도는 East 일 때 (+)값을 West 일 때 (-) 값을 가진다.
이어, 기울기 조절값 산출부(23)는 태양의 위치 (GHA, Dec)에서 구한 방위와 고도(Zn, h)와 설치된 1축 PV 패널의 방향(방위)을 PV_Zn이라 하면, 패널의 기울기 조절 정보 PV_h(도 3 참조)는 다음과 같이 구할 수 있다.
유클리드 평면상에서, 한점에서 임의의 선분에 가장 근접한 거리를 구하는 방법은 그 선분상에 그 점에서 수직선을 긋는 것이다. 동일한 방법으로, 구면상 한점에서 임의의 자오선에 가장 근접한 거리는 자오선에 직각이 되는 대권이다.
도 4를 참조하면, Zn과 PV_Zn은 방위 성분이며 구면에서 표현할 때 경도의 성격을 가진다. h 와 PV_h는 고도 및 기울기 성분이며 구면에서 표현할 때 위도의 성격을 가진다.
2축 태양광 패널의 제어의 경우, PV 패널의 위치에서, 태양의 방위(Zn)와 고도(h)를 산출하여, PV 패널의 방위(PV_Zn)와 PV 패널의 기울어진 정보(90 - PV_h)를 각각 Zn과 h에 일치하도록 조정하면 된다.
그러나 아래 및 위로 틸팅만을 제어하는 1축 제어의 경우, PV_Zn이 임의의 한 방위로 고정되어 있으므로, 변화하는 Zn과 고정된 PV_Zn이 대부분 일치될 수 없다.
제어 가능한 변수는 오로지 PV_h인데, (90 - PV_h)를 h와 동일하게만 일치시킨다고 해서 태양광의 입사각 (i)가 최소가 되지 않는다.
즉, PV_Zn이 고정되어 움직일 수 없으므로, 조절 가능한 PV_h 만의 제어를 통해 태양광이 태양광 패널에 입사되는 입사각 (i)가 최소가 되도록 PV_h를 산출해야 한다. PV_Zn이 포함된 자오선은 고정되어 있고(방위의 고정 때문), Zn은 매 순간 이동하는데(태양의 이동에 따른 일주운동) 이때, 점 (Zn, h)에서 PV_Zn이 포함된 자오선에 가장 가까운 거리를 연결하려면, 이 자오선에 직각이 되는 대권이 필요하며, 이 대권상의 Zn에서 PV_Zn이 포함된 자오선까지의 거리가 가장 가까운 태양광의 입사각이 된다.
따라서 매순간(임의 시간 간격) 이러한 태양광의 입사각 (i)가 최소가 되는 PV_h를 산출해 내는 것이 본 발명의 목표이다.
이를 수식으로 표현하면 아래의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112020127554167-pat00002
여기서 PV_h: 태양광 패널의 기울기각, PV_Zn: 태양광 패널의 방위각을 각각 나타낸다. 이때, PV_h는 태양광 패널의 기울어진 정도를 나타내는 것으로 도 3에 나타나 있다.
상기의 [수학식 2]는 다음과 같은 의미가 있다.
태양광 패널(40)이 설치된 위치에서, 태양광 패널의 설치 방위는 PV_Zn이며, 태양의 움직임에 대하여 최적의 태양광 패널의 기울어진 정도 즉, PV_h를 구하여 시스템을 조정하는 것이 본 발명의 목적이다.
이를 위해, 현재 해당 시각의 태양의 위치 (GHA, Dec)를 산출하고, 이를 통해 현 위치(태양광 패널이 시설된)에서 태양의 방위(Zn)와 고도(h)를 산출한다.
이로써, (Zn, h)와 PV_Zn을 활용하여 PV_h를 산출한다.
즉, 이미 태양의 고도 h를 산출하였지만, 이 h를 사용하지 않고 PV_h를 다시 구하는 이유는, h는 2축의 제어에 대한 고도 값이므로 1축 제어에 사용하면, 방위의 영향을 개선할 수 없다. 따라서 태양의 방위(Zn)와 태양의 고도(h) 그리고 PV 패널의 방위(PV_Zn)의 조합된 계산에 따라 PV 패널의 최적화된 기울기 정보(PV_h)를 산출하여, 이에 대한 1축 제어를 하는 데 사용한다.
여기서 기울기 조절값 산출부(23)는 산출된 최종 PV_h를 이용하여 패널 구동부(30)를 통해 태양광 패널(40)의 기울기를 조절한다. 여기서 산출된 최종 PV_h에 대한 태양광 패널(40)의 기울기 정보는 룩-업 테이블 형태로 미리 내부 메모리에 저장되어 사용할 수도 있다. 그리고 산출한 기울기 정보와 현재 태양광 패널(40)의 기울기 정보를 비교하여, 그 차이만큼만 패널 기울기 제어 값으로 패널 구동부(30)에 출력한다. 여기서 패널 기울기 제어 값은 태양광 패널(40)을 올리거나 내리는 제어 값이 된다.
패널 구동부(30)는 전달되는 패널 기울기 제어 값에 대응하여 태양광 패널(40)을 도 1과 같이 올리거나 내리는 1축 제어 방식으로 조절한다. 즉, 해당 시각에 PV 패널을 1축으로 기울어지게 조절하여 태양광 발전의 효율을 증대하게 된다.
패널 구동부(30)는 1축 제어 방식으로 태양광 패널(40)의 기울기를 조절하기 때문에, 액추에이터 1개 혹은 모터 1개만 이용하여 태양광 패널(40)의 기울기를 조절할 수 있기 때문에, 태양광 설비를 효율성이 향상된 추적 시스템으로 제작 가능하다. 이로써, 간단하고 저렴하게, 그리고 전력소모가 적은 태양광 추적 발전시스템을 구현할 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 본 발명은 단순히 태양의 고도만을 추적하는 것 아니고, 현재 설치된 태양광 패널의 방향 정보 즉, 태양광 패널의 설치 방위를 고려한 최적화된 기울기를 산출하여 1축 제어를 시행한다. 특히, 1축 제어 방식을 이용함으로써, 전력소모가 적고, 시스템이 간단한 태양광 추적 시스템을 제공할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
10: 시각정보 제공부
20: 기울기 제어부
21: 위치 산출부
22: 방위 및 고도 산출부
23: 기울기 조절 값 산출부
30: 패널 구동부
40: 태양광 패널
50: 입력부

Claims (5)

  1. 현재 해당 시각 정보를 제공하는 시각 정보 제공부;
    태양광 패널이 설치된 방향 정보인 태양광 패널의 방위와 위치 정보를 입력하는 입력부;
    상기 시각 정보 제공부에서 제공한 시각 정보를 이용하여 현재 시각의 태양의 위치를 산출하고, 산출한 태양의 위치 정보를 기초로 상기 입력부에서 제공한 태양광 패널이 설치된 위치에서 태양의 방위와 고도를 산출하며, 산출한 태양의 방위와 고도 및 상기 입력부에서 제공한 태양광 패널의 방위를 조합하여 태양광 패널의 기울기 조절 값을 산출하여 출력하는 기울기 제어부; 및
    상기 기울기 제어부에서 출력되는 기울기 조절 값에 따라 태양광 패널의 기울기를 조절하는 패널 구동부를 포함하고,
    상기 태양의 방위 및 고도 산출은 아래의 수식을 이용하여 태양의 고도와 방위를 산출하고,
    Figure 112021042514148-pat00009

    여기서 h: 태양의 고도각, Zn: 태양의 방위각, GHA: Greenwich Hour Angle, Dec: 적위(Declination), Lat: 위도(Latitude), Long: 경도(Longitude)를 각각 나타낸다. 이때 경도는 East 일 때 (+)값을 West 일 때 (-) 값을 가지며,
    상기 기울기 조절 값 산출은 아래의 수식을 이용하여 태양광의 입사각이 최소가 되는 태양광 패널의 기울기 조절 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 창호형 태양광 추적시스템.
    Figure 112021042514148-pat00010

    여기서 PV_h: 태양광 패널의 기울기각, PV_Zn: 태양광 패널의 방위각을 각각 나타낸다.
  2. 청구항 1에서, 상기 기울기 제어부는 태양광의 입사각이 최소가 되도록 태양광 패널의 기울기 조절 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 창호형 태양광 추적시스템.
  3. 청구항 1에서, 상기 기울기 제어부는,
    해당 시각의 태양의 위치를 산출하는 위치 산출부;
    상기 위치 산출부에서 산출한 태양의 위치 정보를 기초로 태양광 패널의 위치 정보를 이용하여 태양의 방위와 고도를 산출하는 방위 및 고도 산출부;
    상기 방위 및 고도 산출부에서 산출한 태양의 방위와 고도 값을 기초로 상기 입력부에서 제공한 태양광 패널의 방위 정보를 이용하여 태양광의 입사각이 최소가 되는 태양광 패널의 기울기 조절 값을 산출하여 출력하는 기울기 조절 값 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 창호형 태양광 추적시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
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