KR102330217B1 - 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반사된 태양광이 무한 개의 초점으로 특정 면적에 균일한 초점 영역을 형성하며, 광경로 왜곡에 의한 초점 영역의 위치변화에 맞춰 각도 및 폭을 조절하여 초점 영역을 제어하여 발전된 전력을 사용용도에 맞춰 제어할 수 있는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 관한 것이다.

Description

균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치{Solar power generation device with uniform focus area}

본 발명은 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반사된 태양광이 무한 개의 초점으로 특정 면적에 균일한 초점 영역을 형성하며, 광경로 왜곡에 의한 초점 영역의 위치변화에 맞춰 각도 및 폭을 조절하여 초점 영역을 제어하여 발전된 전력을 사용용도에 맞춰 제어할 수 있는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 태양 복사 에너지를 이용한 발전기술로는 패널형 태양광 패드를 광대역에 펼쳐 활용하는 기술과 태양광 집속기술(CSP)을 들 수 있다.

상기 패널형 태양광 패드를 광대역에 펼쳐 에너지를 얻는 경우, 대부분의 실시예에서 태양 고도, 위도 등을 반영한 태양 위치 추적 시스템(일종의 트래킹 기술)을 연동하지 않고 수동적으로 태양광을 입사 받게 된다.

이러한 CSP 기술은 Dish/Stiring Engine 기술, Parabolic Trough 기술, Linear Fresnel 기술, Solar Tower 기술로 나뉘며 특히 Dish/Stiring Engine 기술과 태양광 위치 추적 시스템 기술이 접목되는 경우가 많고 Solar Tower 기술에도 개별 거울이 최대 광량의 빛을 타워에 모이도록 하기 위해 개별 거울을 피드백 제어함으로써 결론적으로 태양광 위치 추적을 접목한 양상을 나타낸다.

또한, 기존의 태양광을 집속하기 위한 반사경은 주로 포물경을 사용하고 있으며, 경우에 따라 구면경(볼록거울, 오목거울)을 사용하며, 드물게는 평면 거울을 큰 평면 상에 배치하거나, 조각인 평면거울을 포물 곡면으로 배열하여 근사적으로 하나의 초점을 갖는 구조물을 사용하는 "접시조립체"가 종래에 제시된 바있다.

즉, 기존 CSP기술 등에 활용되는 태양광 집속을 위한 반사경 등은 하나의 초점 또는 근사적으로 하나의 초점을 갖도록 구성됨에 따라 열저장 위치에 배치된 유체, 열전달 매체 등의 필요 열 이상으로 과도하게 전달되어 손실 및 효율이 저하가 발생하는 CSP 기술의 문제의 주 원인이 되어왔다.

또한, 종래기술로 "태양광 집광장치 및 이의 제조방법"이 제시되었으며, 종래기술은 반사경의 형태를 다각 거울 형태로 제시하고 있으나, 해당 반사경의 단면은 기존의 기술과 같은 포물경 형상으로 이루어진다.

또 다른 종래기술로 "SOLAR RECEIVER AND ENERGY CONVERSION APPARATUS"이 제시되어었으며, 종래기술은 다초점 반사경이 다중의 포물경을 활용하여 유한개의 초점을 갖는 특징이 있다.

하나의 초점 분포를 갖는 일반 포물경에 비해 태양광을 흡수하는 부분에서 태양광이 다소 분산되어 공급될 수 있는 장점이 있지만, 고르지 않게 특정 부분에 편중되어 유한개의 초점 주변과 비초점 부분 간의 공급되는 에너지의 차이가 크게 발생하여 동일면적 대비 발전에 필요한 집광효율을 충분히 확보할 수 없는 문제를 완전히 해소할 수 없는 단점이 있다.

또한 상기의 CSP 기술 적용 반사경 및 기존의 특허에서 제시된 반사경은 대부분 기상 상황에 따라 반사경의 폭, 형태 등의 변형을 통해 능동적으로 대응하지 못하는 단점이 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2005-0060062호 대한민국 공개특허공보 10-2010-0078167호 공개번호 US2017/0038096A1호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 축광부의 반경을 반영하며, 반사된 태양광이 축광부의 전면에 무한 개의 초점영역을 형성하도록 분포시킬 수 있도록 조정 및 설계하여 균일한 태양광 발전 및 열 손실로 인한 효율 저하를 방지할 수 있는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 다수개의 셀에 태양광이 균일한 초점분포가 이루어져, 다수개의 셀 중 손상된 셀이 발생하여도 균일한 발전이 가능한 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 대기환경 변화로 인한 초점분포의 왜곡 발생시 반사경의 반사각을 유기적으로 조절하여 축광부의 축방향에 따라 균일한 초점분포가 가능하며, 분포된 초점에 맞춰 축광부의 위치를 조절할 수 있는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 균일한 초점분포를 통해 과전류, 와류전류가 발생하는 현상을 방지하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 발전된 전기에너지를 상용전력으로 변환하여 사용용도에 맞춰 용이하게 공급할 수 있는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치를 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입사하는 태양광을 반사하여 태양광을 축광부로 진행하도록 구성된 반사경 및 상기 반사경으로부터 태양광을 수광하도록 구동되는 축광부와 상기 축광부에서 발생된 전력을 제어하는 발전제어부를 포함하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 있어서, 상기 반사경을 통해 반사된 태양광이 상기 축광부의 외주면(y₂)에 수광하는 [수학식 6]을 충족하며,

[수학식 6]

상기 발전제어부는 상기 축광부를 통해 입사된 태양에너지의 전력에 맞춰 전력계통을 제어하는 것을 특징으로 한다.

(상기 수학식 6에서 x 및 y는 정점 P₀와 동점 P1 및 P2에 따른 좌표값이며, y₀는 y축 방향에서의 정점을 나타낸다.)

상기 반사경은 단면이 상기 반사경의 폭 방향으로 n개의 계층으로 이루어진 복수의 삼각형 거울면으로 깔때기 형상을 이루도록 조합되어 구성되며, 상기 거울면의 선형 초점 분포(k_n)는 하기 수학식 14를 충족하는 것이 바람직하다.

[수학식 14]

(상기 수학식 14에서 k_n은 선형 초점 분포 상단 값이며, x_n은 n개 거울면의 가장자리 폭 방향이며, y_n은 n개 거울면의 가장자리 높이 방향이며, θ_n은 각 거울면의 입사각과 반사각을 나타낸다.)

상기 반사경은, 상기 반사경의 총길이(l)를 등분하여 n개의 계층으로 이루어지며, 각 계층의 각을 조절하여 깔때기 형상의 상기 반사경이 오므라들거나 펼쳐지도록 구성되며, 각각의 접히는 부분에 해당하는 각 계층의 선형 초점 분포(k_m)은 하기 수학식 16을 충족하는 것이 바람직하다.

[수학식 16]

(상기 수학식 16에서 k_m은 초점분포의 상한 값이며, x_m은 n개 거울면의 가장자리 폭 방향이며, y_m은 n개 거울면의 가장자리 높이 방향이며, θ_k, θ_s은 각 거울면의 입사각과 반사각을 나타낸다.)

상기 축광부는, 상기 반사경의 초점분포 위치에 맞춰 위치조절이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 발전제어부는, 인버터, 전원관리시스템, 에너지저장시스템 및 컨트롤러로 구성되며, 인버터의 전력, 태양광에너지의 밀도, 입사 유효면적, 광전효율 및 집광비를 고려하여 발전된 전력을 제어하는 것이 바람직하다.

상기 발전제어부는 발전된 전력을 가정용, 발전소용 및 대전력 소비자와 연결된 발전소용으로 분류하여 공급할 수 있도록 제어하는 것이 바람직하다.

상기 발전제어부에는 기계학습 시스템을 포함하되, 상기 기계학습 시스템은, 상기 축광부의 발전된 전력 및 상기 발전제어부를 통해 가정용, 발전소용 및 대전력 소비자와 연결된 발전소용으로 공급되는 전력을 측정하여 측정 데이터를 수집하고, 상기 측정 데이터를 기반으로 상기 기계학습 시스템에서 사용용도에 맞는 전력제어를 기계학습하여 학습 데이터를 생성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 따르면, 축광부의 반경을 반영하며, 반사경을 통해 반사된 태양광의 축광부의 외부 전면에 무한 개의 초점영역을 형성되도록 분포시켜 균일한 태양광 발전이 가능하도록 조정 및 설계하며, 균일한 열 분포를 통해 열손실로 인한 효율저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 축광부에 설치된 다수개의 셀은 균일한 초점분포가 이루어져, 다수개의 셀 중 일부가 손상되어도 효율적인 태양광 발전이 가능한 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 대기환경 변화로 인한 초점분포의 왜곡 발생시 반사경의 회전을 통해 반사각을 유기적으로 조절할 수 있도록 설계가 이루어져, 특정영역에 균일한 초점분포가 가능하며, 분포된 초점에 맞춰 축광부의 위치이동을 통해 용이한 태양광 발전이 가능한 이점이 있다.

본 발명에 따르면, 특정영역에 균일한 초점분포를 통해 과전류, 와류전류가 발생하는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 발전된 전기에너지를 상용전력으로 변환하여 사용용도에 맞춰 용이하게 공급할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 축광부에서 발전된 전력과 발전제어부의 허용 가능한 전력량에 맞춰 설계가 이루어져, 과전류, 고전압 등에 의한 사고를 방지하여 효율적으로 전력을 공급 및 저장할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 사용용도 및 전력량에 맞춰 다양한 작동모드를 통해 효율적인 제어가 가능하며, 외부전력 및 내부전력을 제어하여 전력공급 및 유입을 통해 안정적인 자가발전이 가능한 이점이 있다.

도 1은 CSP기술에 사용된 반사경을 도시한 개념도이며,
도 2는 포물경의 특성을 수학적으로 정의로부터 설명하기 위한 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 수학적 설계 바탕으로 반경을 가지는 축광부에 초점분포를 도시한 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 반경을 가지는 축광부 중심에 포물경의 초점을 일치시킨 개념도,
도 5는 축광부에 두개의 초점분포를 형성시킨 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 축광부의 초점분포에 따른 온도변화를 시뮬레이션 결과를 도출한 개념도,
도 7은 본 발명에 따른 수학적 설계를 바탕으로 계층형 평면 거울의 설계를 반영한 반사경을 도시한 개념도,
도 8은 본 발명에 따른 수학적 설계를 바탕으로 접이식 조절이 가능한 계층형 반사경을 도시한 개념도,
도 9는 본 발명에 따른 가정용 상용전력을 공급하는 전력제어부를 도시한 개념도,
도 10은 본 발명에 따른 발전소용 상용전력을 공급하는 전력제어부를 도시한 개념도,
도 11은 본 발명에 따른 대규모 전력소비용 사용전력을 공급하는 전력제어부를 도시한 개념도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 관하여 첨부된 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.

[실시예 1]
도 1은 CSP기술에 사용된 반사경을 도시한 개념도이며, 도 2는 포물경의 특성을 수학적으로 정의로부터 설명하기 위한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 수학적 설계 바탕으로 반경을 가지는 축광부에 초점분포를 도시한 개념도이며, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 다른 반경을 가지는 축광부 중심에 포물경의 초점을 일치시킨 개념도이고, 도 5는 축광부에 두개의 초점분포를 형성시킨 개념도이며, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 축광부의 초점분포에 따른 온도변화를 시뮬레이션 결과를 도출한 개념도이다.

도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명은 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반사된 태양광이 무한 개의 초점으로 특정 면적에 균일한 초점 영역을 형성하며, 광경로 왜곡에 의한 초점 영역의 위치변화에 맞춰 각도 및 폭을 조절하여 초점 영역을 제어하여 발전된 전력을 사용용도에 맞춰 제어할 수 있는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 입사하는 태양광을 반사하여 태양광을 축광부로 진행하도록 구성된 반사경 및 상기 반사경으로부터 태양광을 수광하도록 구동되는 축광부와 상기 축광부에서 발생된 전력을 제어하는 발전제어부로 이루어진다.

여기서 상기 반사경을 반사된 태양광이 상기 축광부의 외주면(y2)에 수광할 수 있도록 이루어진다.

그리고 상기 발전제어부는 상기 축광부를 통해 입사된 태양에너지의 전력에 맞춰 전력계통을 제어한다.

이에 앞서, 상기 반사경은 집광된 태양광을 축광부를 향해 반사할 수 있도록 포물경, 구면경(볼록거울, 오목거울) 및 평면형 등 다양한 형상으로 이루어진다.

이 중, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 포물경은 단면형상이 포물선 형상으로 형성되며, 집광된 태양광을 하나의 초점에 반사하여 집광효율을 향상시키고 있다.

이는 수학적 원리에 기초하여 기존의 포물선의 수학적 정의로부터 변형 응용하여 도출된다.

즉, 도 1의 (a)에 나타난 바와 같이 정점 P₀(0,y₀)와 임의의 동점 P₁(x,y) 까지의 거리와 동점 P1과 P2(x, -y₀) 까지의 거리가 같다는 조건을 두고 전개하며, 이때, y = y₀의 조건을 통해

의 조건을 도출된다.

이때, 상기 도출된 내용을 통해 수학식 1이 도출된다.

[수학식 1]

상기와 같이 유도된 식은 기존의 포물경 설계에 활용되는 것이며, 각종 집광, 집열 디바이스에 응용하여 사용되고 있다.

이러한 수학적 원리로부터 반사경 내 반사되는 위치가 중심위치로부터 떨어진 거리에 따라 초점이 높이 방향으로 비례하여 변하면, 초점분포가 설정된 정의에 따라 결정된다.

따라서 초점분포를 갖는 반사경을 얻을 수 있다는 점에 착안하여 수학식에 의해 포물경을 설계하였다.

이와 같이 상기 수학식 1의 원리를 변형, 응용하여 초점이 반사경 단면의 위치에 따라 y축 위에서 달라진다면, 초점의 좌표는

로 표현할 수 있다.

이때, 초점의 좌표

로 표현된 것은 x가 0이면 초점의 좌표는

이며, x가 1이면 초점의 좌표는

가 되는 것을 의미한다.

여기서

는 축광부에 분포되는 초점분포로써, 작은 값으로 두면 초점의 분포가 y축 위의 비교적 좁은 영역에 조밀하게 형성될 것이며, 큰 값으로 두면 초점의 분포가 y축 위의 비교적 넓은 영역에 성글게 형성될 것이다.

이와 같은 조건에서 상기와 같이

조건을 사용하면 반사경의 수직 단면의 방정식을 수학식 2와 같이 도출할 수 있으며 그 개형은 도 1의 (b)의 예시와 같다.

아울러 도 1b는 수학식 2를 적용하여 나타난 일예로,

= 1,

= 1을 대입하여 얻은 반사경의 수직 단면 형상이다.

[수학식 2]

이때, 상기 수학식 2에서 x 및 y는 동점 P_0, P₁ 및 P₂에 따른 동점 P₁의 좌표값이며, y₀는 y축 방향에서의 정점을 나타낸다. 따라서 본 발명의 반사경은 지름방향 길이(y)가 상기 수학식 2를 만족하는 값을 가지도록 설계됨으로써 포물경을 가지는 반사경이 설계가 가능하나, 특정 지점에 초점이 분포되고 분포된 초점부분에 의해 특정 지점의 온도가 상승하게 된다.

즉, 상기 수학식 2를 통해 도출된 포물경은, 도 1의 (b)를 보면, 수직 단면이 직선은 아니지만, x값이 커질수록 반사경이 크고 반사경 내 중심에서 먼 지점일수록 직선에 가까워짐을 확인할 수 있다.

이는, 수학식 2의 두번째 항에 x에 대한 반비례 함수가 섞여 있기 때문이며, x가 커질수록 반비례 함수 항은 작아지기 때문의 직선화가 된다..

여기서

와

에 따라 반사경의 구조가 변화하며,

가 작을수록 초점의 선분이 짧아져 한점에 수렴하므로 반사경은 포물경에 수렴한 형태가 되고,

가 클수록 초점의 선분이 길어져 반사경은 직선경, 즉 평면경 형태가되므로,

가 적당한 값을 갖도록 하여 포물경과 평면경의 중간 형태로 형성된다.

상기 수학식 2를 바탕으로 설계한 반사경의 중앙부분에 선형 흡수체가 있다고 가정하면, 선형 분포의 초점을 갖는 반사광들이 축광부에 거의 고르게 흡수되어 축광효율이 크게 향상시킬 수 있다.

그리고

인 조건이 있다면, 수학식 2의 두번째 항이 소거되므로 수학식 3번이 도출되며 이때, 반사경의 수직 단면은 직선형태를 가지는 깔때기 형상이 도출된다.

[수학식 3]

상기 수학식 3에 따른 수직 단면형상은 도 1의 (c)와 같은 단면을 갖으며, 수직 단면 회전시 원뿔의 형태가 된다.

이러한 반사경은 다각뿔형 반사경의 각 면은 평면으로써, 평면거울 조각을 조합하여 다각뿔 형태의 반사경을 제조하여 원가를 낮출 수 있다.

따라서 축광부가 반사경의 중심으로부터 일정거리

만큼 떨어지면, 반사경의 초점분포 설정이 y축 위의 높이

에서부터축광부 끝부분

까지 분포하도록 설정하는 것이 바람직하다.
즉,

는 축광부의 시작지점으로써, 도 3에 나타난 바와 같이 좌표의 원점에서 y축 방향으로 축광부가 이격된 거리를 나타낸다.

이와 같은 조건을 만족하는 반사경을 설계하기 위해 초점의 좌표

로 잡고,

조건을 사용하면 수학식 4가 도출된다.

[수학식 4]

이러한 수학식 4에 따른 반사경의 수직 단면은 도 2와 같은 단면형상을 갖는다.

따라서 반사경은 수학식 4를 만족하는 수직 단면 형태를 갖고 있으나, 형태가 복잡하여 구속조건을 통해 정리가 필요함에 따라

이면, 도 4의 수직단면 형상은 도 1의 (b)의 수직 단면형상으로 도출된다.

즉, 수학식 4는 수학식 2로 환원이 가능함에 따라,

인 상황을 가정하면, 수학식 4는 수학식 4와 같이 정리된다.

[수학식 5]

상기 수학식 5 또한 초항은 1차함수, 두 번째 항은 상수항, 3번째 항은 반비례함수 항을 갖고 있어 수학식 2와 유사하며, 전반적으로 직선의 형태에 가깝지만 실질적으로 곡선의 형상으로 이루어진다.

즉, 수학식 4와 수학식 5의 도출을 통해 반사경으로부터 떨어진 축광부에 반사광을 y축에 완전히 선형적으로 고르게 분포시킬 수 있으며, 수학식 3을 통해 평면형 거울을 활용하여 y축에 선형적으로 고르게 초점이 분포시키는 반사경을 설계할 수 있다.

여기서 축광부의 형태가 선형이 아닌, 반경 또는 반폭

인 형태인 경우, 반사경에서 반사된 태양광은 수학식 2 내지 5에 따른 결과값과 상이한 지점에 분포하게 된다.

따라서 축광부가 반경 또는 반폭으로 형성된 경우, 반사경의 초점분포가 도 3과 같이 축광부의 반경

만큼 평행이동한 형태를 설계하고자 한다.
즉,

는 축광부의 폭으로써, 도 3에 나타난 바와 같이 좌표의 원점에서 x축 방향으로 축광부의 폭 길이에 맞춰 이격된 거리를 나타낸다.

반사경의 단면 형태가

만큼 평행이동하면 반사경의 초점분포도

만큼 평행이동한다.

즉, 반사경 내

인 지점이 축광부의 반경인

만큼 이동함에 따라

으로 옮겨진다.

따라서 수학식 4의

에

를 대입하면 도 3을 만족하는 수학식 6이 유도된다.

[수학식 6]

상기 수학식 6은 축광부의 반경을 반영함에 따라 부피, 체적을 갖는 축광부의 외면에 반사경을 통해 반사된 태양광이 고르게 분포시킨다.

이를 통해 축광부가 선형이 아닌 폭 및 높이가 구현된 반경을 반영하여 상기 반사경에서 반사된 초점이 축관부의 외면에 균일하게 분포한다.

따라서, 도 4와 같이 축광부는 폭 a, 높이 b 인 중심에 포물경의 초점을 일치시킨 상태에서 P₂의 위치에 따른 집광분포를 수행할 수 있다.

도 4에는 반사경의 수평 단면을 나타낸 것으로, 개념도 상의 선분

의 직선의 방정식을

로 두고 포물경과 직선이 만나는 지점을

로 두면 조건

과 조건

을 활용하여

를 구할 수 있다.

여기서

를 결정하여 선분

의 직선의 방정식을 구하면 수학식 7과 같이 도출된다.

[수학식 7]

그리고 축광부의 하단과 선분

이 만나는 교점

에서 조건

과 조건

을 만족하므로 축광부 하단부의 x성분 위치

는 수학식 8과 같이 도출된다.

[수학식 8]

수학식 8을 통해 반사경의 x성분 위치

에 입사된 태양광이 반사되어 축광부의 하단 x성분 위치

에 도달하는 것을 확인할 수 있다.

또한 축광부 측면과 선분

이 만나는 교점

에서 조건

과 조건

을 만족하므로 축광부 측면의 y성분 위치

는 수학식 9와 같이 도출된다.

[수학식 9]

수학식 9를 통해 반사경의 x성분 위치

에 입사된 태양광이 반사되어 축광부 측면 y성분 위치

에 도달하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이 수학식 9를 통해 반사경에서 반사된 태양광이 반경을 가지는 축광부의 외면에 분포될 수 있는 정확한 위치를 도출할 수 있다.

또한, 수학식 8 및 9를 통해 반경을 가지는 축광부의

에 맞춰 x성분 및 y성분의 도출된 확인할 수 있다.

이에 따라 본 발명은 수학식 8 및 9의 원리를 통해 반사경의

을 도출하여 반사된 태양광이 부피를 가지는 축광부의 외면에 맞춰 무한 개의 초점이 균일하게 분포하여 초점영역을 형성한다.

이를 통해 상기 반사경은 특정 초점이 아닌 축광부의 외면 전체에 균일한 초점 분포가 가능하다.

또한, 수학식 1 내지 5는 축광부가 선형에 배치됨에 따라, 반사경을 통해 반사된 초점이 y축 선형에 맞춰 초점이 형성된다.

하지만, 통상적인 축광부는 프레임의 외면에 셀이 설치됨에 따라 반경 또는 반폭에 따른 부피나 체적을 갖고 있다.

따라서 y축 선형에 맞춰 초점이 형성될 경우, 부피를 가지는 축광부의 외면에 형성된 초점과 상이하여 정확한 초점이 형성되지 않는 문제가 발생한다.

이에 따라, 수학식 6은 축광부의 부피 및 체적을 반영하여, 반사경을 통해 반사된 초점이 축광부의 외면에 정확한 초점을 형성함과 동시에, 축광부의 외면에 무한 개의 초점을 통해 특정 면적에 균일하게 분포시킬 수 있다.

[비교 예]

비교예는 반사경에서 반사된 초점이 2개 이상의 유한개가 되도록 설계하여 축광부에는 유한개의 2개 이상 형성된 초점에 맞춰 초점영역이 형성된다.

따라서 도 5는 2계층형 포물경 구조의 수직단면 형상으로, 특정 지점

등을 기준으로 x 성분 반지름에 따라 초점이 달라지도록 다계층형 포물경 구조로 설계가 이루어진다.

여기서 도 5에 도시된

는 포물경의 y 성분의 높이를 나타내며,

은 다계층 포물경의 계층의 접점을 나타낸다.

이때,

기준으로

일 때 초점이

인 단면곡선

이며,

를 기준으로

일 때 초점이

인 단면곡선

인 2계층형 포물경의 개형도이다.

이에 앞서

는 조건

과,

의

값이 같은

를 두 조건에 대입하면,

이 성립됨으로

는

와 같이 도출된다.

여기서 조건

와, 조건

을 이용하여, 상기 기재된 유도방법을 통해 축광부의 하단부 x성분 위치

와, 축광부의 측면의 y 성분 위치

를 도출하였다.

아울러, 축광부 하단과 성분

이 만나는 교점

에서 조건

과,

을 만족하므로 축광부 하단의 x성분 위치

는 상기 수학식 10을 도출할 수 있다

[수학식 10]

따라서 수학식 10은 하단 선분

이 만나는 교정

에서 축광부 하단의 x성분 위치

가 도출된다.

[수학식 11]

수학식 11은

일 때 축광부 측면과 선분

이 만나는 교점

에서 조건

와,

을 만족하므로 y성분 위치

가 도출된다.

[수학식 12]

수학식 12는

일 때 축광부 측면과 선분

이 만나는 교점

에서 조건

와,

를 만족하므로, y성분 위치

를 도출된다.

이와 같이 수학식 10 내지 12의 도출된 결과를 이용하여 2개의 초점영역이 형성되는 2계층형 포물경을 확인할 수 있다.

다음으로는 본 발명에 따른 수학식을 통해 태양광에너지의 밀도를 계산하여 일정시간 후 온도분포 비교를 위한 시뮬레이션을 수행하였다.

여기서 축광부의 영역은 49 분할하였으며, 태양 복사에너지는 평균 7.85 kW/m² (밀도 220W/m² 의 35.67배, 즉 집광비 35.67)의 밀도로 축광부 면적에 태양광 분포 형태에 따라 약 60초 경과 후 온도를 비교하였다.

아울러 축광부의 셀은 1mm 두께의 GaAs가 가운데 부분에 원형 파이프 형태로 형상화 하였으며, GaAs 형상 양쪽으로 알루미늄으로 구성된 두께 1mm인 원판이 가더로써 형상화 되었다.

도 6의 (a)는 수학식 8 및 9를 바탕으로 축광부에 1개의 초점영역에 태양광에너지 밀도가 형성되도록 반영하였다.

도 6의 (b)는 수학식 10 내지 12를 바탕으로 축광부에 2개의 초점영역에 태양광에너지 밀도가 형성되도록 반영하였다.

도 6의 (c)는 수학식 6을 바탕으로 축광부의 외면에 전면에 고르게 태양광에너지 밀도가 형성되도록 반영하였다.

이에 따른 축광부의 온도분포를 살펴보면,

도 6의 (a)의 축광부는 1개의 분포영역에서 최고온도는 439.47℃로 상승하는 것을 확인할 수 있다.

도 6의 (b)의 축광부는 2개의 분포영역에서 최고온도 308.15℃로 상승하는 것을 확인할 수 있다.

도 6의 (c)의 축광부는 전체의 면적 중 중앙부분에서 최고온도가 측정되었으며, 최고온도는 256.76℃로 상승하는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 단일 포물경을 사용하는 집광형 태양광 발전장치보다 본 발명에서 제시한 반사경을 사용한 발전장치가 60초 간 온도를 41.6% 덜 상승시키는 효과가 있다. 또한 2계층 포물경을 사용하는 집광형 태양광 발전장치보다 본 발명에서 제시한 반사경을 사용한 발전장치가 60초 간 온도를 16.7% 덜 상승하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이 반사경을 통해 반사된 태양광이 축광부에 유한개의 초점영역을 형성하는 경우, 축광부의 외면에 무한개 초점영역을 고르게 형성한 것보다 온도가 상승하는 문제를 확인할 수 있다.

따라서 초점영역이 특정지점에 유한개 형성되는 경우, 태양에너지 밀도가 과도하게 밀집된 지점의 셀 온도가 상승되며, 다수개의 셀 중 초점영역에 위치한 셀이 태양광발전을 위해 과도하게 사용되는 문제를 확인할 수 있다.

이를 통해 셀의 측정 부분에 온도상승에 따라 셀이 손상, 파손되며 특정 영역의 셀에 집중된 초점에 의해 비효율적인 발전이 이루어지는 것으로 판단할 수 있다.

따라서 수학식 6에 도출된 반사경을 통해 축광부의 외면에 무한개의 초점 영역을 고르게 형성하여 다수개의 셀이 균일한 발전을 통해 효율을 상승시킬 수 있다.

이를 통해 다수개의 셀이 고른 발전을 통해 수명 및 태양광 발전효율을 향상시키고 손상, 파손 등을 방지할 수 있다.

[실시예 2]
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 수학적 설계를 바탕으로 계층형 평면 거울의 설계를 반영한 반사경을 도시한 개념도이며, 도 8은 본 발명의 제2실시예에 수학적 설계를 바탕으로 접이식 조절이 가능한 계층형 반사경을 도시한 개념도이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 제2실시예는 제1실시예를 포함하되, 상기 반사경은 [수학식 14]를 충족하는 n개의 계층으로 이루어진다.
이에 따라 상기 반사경은 단면이 상기 반사경의 폭 방향으로 n개의 계층으로 이루어진 복수의 삼각형 거울면으로 깔때기 형상을 이루도록 조합되어 구성되며, 상기 거울면의 선형 초점 분포(k_n)는 하기 수학식 14를 충족한다.

따라서 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 반사경은 평면 거울면이 n개 계층으로 형성된 깔때기 형상을 가지며, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 축광부를 향해 초점을 일치시키는 방법으로 집광비를 향상시킬 수 있다.

즉, 계층형 평면거울이 한쪽 단면을 나타내며, 빛이 들어올 때 각 거울면에 반사되어 축광부에 일정 영역에 고르게 분포시킨다.

따라서 각 층의 거울 끝이 부분에서 반사되는 태양광이 y축에 도달할 시 위치를 (n: 층 번호, n = 1, 2, 3, ...)이라고 할 때, 은 일반적으로 식 (16)과 같은 전개를 통해 수학식 13과 같이 도출된다.

[수학식 13]

여기서 각 거울의 선형 초점 분포 상단이 k_n(k₁, k₂, k₃, …)이 되는 경우, 각 거울면 가장자리를 폭 방향으로 x₁, x₂, …, x_n이라 하고 각 거울면 가장자리를 높이 방향으로 y₁, y₂, …, y_n이라 하면, 그리고 각 거울면의 입사각과 반사각을 θn(θ₁, θ₂, θ₃, …)이다.

[수학식 14]

수학식 14를 통해 반사경의 n개 계층 각 거울면을 통해 태양광을 y축에 분포시킬 수 있다.

그리고 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 각 계층 거울의 초점분포 상한을 일치시키면 (

) 수학식 18이 성립된다.

[수학식 15]

수학식 15는 축광부의 위치에 맞춰 각 계층의 거울면에서 반사된 초점이 y축 상의 특정영역에 일치시켜 높은 집광비를 도출할 수 있게 된다.

또한, 거울면이 서로 중첩되어 조합될 때 상기 거울면의 간격을 조절할 수 있고 이를 통해 입사광과 주변의 조건에 따른 반사경의 형태를 변화하게 할 수 있다.

다만, 상기 거울면의 간격은 상기 수학식 14의 값을 만족하는 범위 내에서만 조절되어야 한다.

이를 통해 반사경은 평면거울이 폭방향을 따라 n개 계측으로 제작된 깔때기 형상으로 이루어짐에 따라, 적은 비용으로 간편하게 제작할 수 있다.

또한, 반사경 설계 방법이 적용된 상기의 구조를 적용하면 에너지 밀도 분포를 고르게 가질 수 있어 셀을 통한 균일한 발전이 가능하다.

다음으로 상기 반사경은, 상기 반사경의 총길이(l)을 등분하여 n개의 계층으로 이루어지며, 각 계층의 각을 조절하여 깔때기 형상의 상기 반사경이 오므라들거나 펼쳐지도록 구성되며, 각각의 접히는 부분에 해당하는 각 계층의 선형 초점 분포(k_m)은 하기 수학식 16을 충족한다.

따라서 상기 반사경은 수학식 14와 15를 통해 도출된 n개의 계층이 평면거울을 통해 깔때기 형상을 이루되, 반사경은 둘레를 따라 일정한 간격으로 등분되며, 실린더 모터 등의 동력원에 의해 펼쳐지거나 오므라들 수 있도록 이루어진다.

이를 통해 반사경은 펼쳐지거나 오므라든 각도에 의해 y축의 선형 분포된 초점의 위치를 조절한다.

이를 위해 각각의 접히는 부분에 해당하는 각 계층 거울 끝부분의 x좌표

과 y좌표

과 , 초점분포의 상한

은 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.
여기서 도 7에 도시된 바와 같이

은 좌표의 원점에서 x축 방향을 따라 n계층의 m번째 거울면에 따른 끝지점의 간격이며,

은 좌표의 원점에서 y축 방향을 따라 n계층의 m번째 거울면에 따른 끝지점의 간격이다.
이에 따른 일예로 도 7에 도시된 바와 같이

이 1계층인 경우, 1번째 거울면의 x축 방향 끝지점인 x1, 2계층인 경우, 2번째 거울면의 x축 방향 끝지점인 x2로 나타낸다.
그리고

이 1계층인 경우 1번째 거울면의 y축 방향의 끝지점인 y1, 2계층인 경우, 2번째 거울면의 y축 방향 끝지점인 y2fh 나타낸다.
즉,

및

은 x축과 y축에 따른 원점과 n계층에 따른 m번째 거울면 끝지점을 x축과 y축방향에서 각각 나타낸다.

[수학식 16]

여기서

과,

의 조건은,

,

와 같이 이루어진다.

따라서 반사경의 뒤편에 가더, 보강판 등이 설치되며, 반사경 계층의 서로 맞물려 접히는 경계부분에 모터, 실린더 등의 동력수단이 구비하여 초점분포의 상한

의 변화에 따라 수학식 16을 만족시키는 조건으로 반사경을 오므리거나 펼쳐 각도를 조절한다.

아울러 반사경의 초기 위치이동 시, 축광부 위치를 상하방향으로 움직여 수학식 16에 의해 태양광에너지의 분포초점을 만족하는 위치를 결정하여 최대 태양광에너지를 받을 수 있도록 이루어진다.

그리고 반사경은 태양의 고도, 위치, 기후 변화, 주변대기 상태 및 구름 상태 등의 다양한 환경을 고려하여 집광되는 태양광에너지가 순간적으로 변화하면 이를 추적하여 수학식 16을 만족하는 범위 내에서 반사경이 오므리거나 태양광에너지의 초점분포를 조절한다.

이때, 축광부는 반사경을 통해 분포된 초점에 맞춰 y축방향으로 위치이동하여 태양광에너지를 받는다.

도 9는 본 발명에 따른 가정용 상용전력을 공급하는 전력제어부를 도시한 개념도이며, 도 10은 본 발명에 따른 발전소용 상용전력을 공급하는 전력제어부를 도시한 개념도이고, 도 11은 본 발명에 따른 대규모 전력소비용 사용전력을 공급하는 전력제어부를 도시한 개념도이다.

제1실시예 및 제2실시예를 통해 상기 축광부로 입사된 태양에너지는 상기 발전제어부를 통해 전력에 맞춰 전력계통을 제어한다.

이러한 상기 발전제어부는 축광부에서 발전된 전류를 각 사용 용도에 맞춰 공급할 수 있도록 인버터, 전원관리시스템, 에너지저장시스템 및 컨트롤러로 구성된다.

상기 인버터는 축광부에서 발전된 전류를 직류 또는 교류로 변환하여 공급할 수 있는 통상적인 구성으로 이루어진다.

이러한 상기 인버터는 내부에 DC/AC모듈, DC/DC모듈이 각각 배치되어 공급된 전력을 상용 또는 저장에 용이하게 변환이 이루어진다.

상기 전원관리시스템(Power Management System, PMS)는 전력소비, 사용을 예상하여 사용전력을 제어하는 구성으로 이루어진다.

이러한 상기 전원관리시스템은 외부와 연결되어 전력의 공급, 수전 등의 제어가 이루어진다.

상기 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)는 축광부에 발생된 전류를 저장한다.

이러한 상기 에너지저장시스템은 전력변환장치(Power Conditioning System, PCS), 에너지관리시스템 (Energy Management System, EMS), 배터리제어시스템(Battery Management System, BMS) 및 배터리로 구성된다.

상기 컨트롤러는 상기 인버터, 상기 전원관리장치 및 상기 에너지저장시스템을 제어하여, 전류의 변환 및 공급을 유기적으로 관리한다.

이와 같이 축광부에서 발생된 전력은 인버터를 통해 상용전력, 저장전력에 맞춰 변환한 후, 상기 에너지저장시스템에 저장한다.

이렇게 저장된 에너지는 상기 전원관리시스템을 통해 외부로 공급하되, 사용용도에 맞춰 변환된 전류를 공급할 수 있다.

그리고 상기 컨트롤러는 전류의 저장 및 공급시 각 구성을 제어하여 원활한 공급이 이루어진다.

여기서 상기 컨트롤러는 상기 인버터, 상기 전원관리시스템 및 상기 에너지저장시스템을 제어하되, 각 구성에 맞춰 전력을 공급 차단할 수 있도록 이루어진다.

따라서 상기 축광부, 상기 DC/AC모듈, 상기 DC/DC모듈, 상기 전원관리시스템, 상기 에너지저장시템에 흐르는 전류를 차단 및 공급할 수 있도록 스위치가 배치되며, 이러한 스위치를 제어하여 전력이 흐를 수 있도록 제어한다.

그리고 상기 인버터는 공급된 전류값과 인버터 전류 가용량을 통해 최대효율을 발생시킬 수 있다.

인버터가 감당할 수 있는 전력

입사되는 태양광에너지밀도의 최대값

태양광 입사 유효면적

활용하는 광전소자의 광전효율

집광비

를 모두 고려하여,

이 도출된다.

이를 통해 인버터가 감당할 수 있는 전력은 입사되는 태양광에너지밀도의 최대값, 태양광 입사 유효면적, 활용하는 광전소자의 광전효율, 집광비 보다 크거나 같아야 안전정으로 구동될 수 있는 것을 확인할 수 있다.

아울러, 인버터 효율을 최대한 높이려면 상기 도출된 내용의 부등식을 등식으로 두는 상황이 가장 바람직하다.

그리고 광전소자들은 원리적으로 각 셀의 전압

이 고정되며, 셀의 개수가 많을 수록 집속되는 전류

가 증가한다.

또한, 인버터의 전력은

와 같이 도출할 수 있어 인버터의 전압

을

수준으로 최소화 하고 인버터 전류

를 많이 사용하도록 설계하는 것이 바람직하다.

아울러 전류의 증가에 따른 전력선의 용량, 두께, DC,AC 전류를 상용 전압

110V, 220V 등으로 변환시 발생되는 전력효율 등을 외부요인을 반영하는 것이 바람직하다.

셀 전압

전류

인버터 전압

인버터 전류

상용 전압

배터리 충전 요구 전압

배터리 개수

배터리 요구 전압

이에 따라,

와

의 차이 및

와

의 차이가 가장 작도록

를 결정하는 것이 바람직하다.

이때,

과, 개별 배터리 충전 요구 전압

은 고정값이지만, 직렬연결된 배터리의 개수

에 비례하여 배터리 팩에 요구되는 전압

은

와 같이 이루어진다.

이때,

는 구성에 따라 최대값이 달라질 수 있으나,

의

를 최소화 하기 위해

가

와 최대한 유사하도록 결정하는 것이 바람직하다.

이때,

가

보다 작게 설계하는 것이

를 적게 사용하게 되어,

는

와 가급적 같거나 작게 설계하여

가 성립된다.

따라서

를 정확히 결정하기 위해 셀의 직렬 결합 수

극 결정하면, 셀의 광전 전압

이므로

를 만족하는

로 결정한다.

셀의 직렬 결합수

셀의 광전 전압

상기 내용을 통해

,

,

이 결정될 때 최대 효율을 도출할 수 있다.

이렇게 결정된

를

로 명명하면,

이 성립된다.

그리고

을 만족하기 위해 아래 공식을 성립하여 인버터의 최대전류

사양이 도출된다.

이와 같이 성립된

을 통해

사양을 결정할 수 있다.

또한, 특정 해당 지역에서의 태양광에너지 밀도가 최소

일 때 인버터에 들어오는 최소한의 전류

는

와 같이 결정된다.

태양광에너지 밀도가 최소

인버터의 최소한의 전류

즉, 허용할 수 있는

를 어느정도 두어야 하는지 명확한 기준을 도출할 수 있다.

이와 같이 상기 인버터는 상기 조건들로 설계하여 구동 가능한 사양에 따라

와

가 결정된다.

따라서 발전 구동 시간과 하루 중 허용할 수 있는

이

에 의해 결정한다.

이는, 상기 조건을 만족하는 상기 인버터가 PWM방식 인터버라면 클럭의 최소폭, PAM방식의 인버터라면 전류 위상의 최소값에 따라

와

을 결정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 인버터는 초고의 효율을 가용할 수 있는 결과값을 통해 효율을 상승시킨 발전이 가능하며, 안전범위 내에서 작동이 이루어져 과전압, 과전류 등의 다양한 사고, 파손 등을 방지할 수 있다.

그리고 상기 발전제어부는 발전된 전력을 가정용, 발전소용 및 대전력 소비자와 연결된 발전소용으로 분류하여 공급할 수 있도록 제어한다.

이러한 상기 발전제어부는 상기 인버터의 상기 기재된 최대 효율을 도출된 전류를 DC/AC 변환 후, 상기 전원관리시스템을 통해 출력되는 구성으로 이루어진다.

그리고 가정용은 전원관리시스템(Power Management System, PMS)의 출력단과 110V 및 220V 등의 가정용에 맞춰 상용 콘센트와 연결된다.

따라서 상기 발전제어부는 축광부와 연결되며, 발생된 전력은 인버터를 통해 DC/AC에 맞춰 공급된다.

여기서 상기 인버터는 PMS를 통해 전력을 콘센트 등을 통해 직접 공급하거나, 상기 에너지저장시스템에 전력을 공급하여 상기 배터리에 전력을 저장한다.

이때, 상기 에너지저장시스템의 내부에는 배터리제어시스템(Battery Management System, BMS)를 선택적으로 구비하여 외부에서 모니터링이 가능하며, 모니터링된 정보를 상기 전원관리시스템에 전달하여 안정적으로 상기 에너지저장시스템을 제어한다.

또한, 상기 발전제어부는 배터리제어시스템, 에너지관리시스템(Energy Management System, EMS) 기능을 통합적으로 작동하여 DC/AC 컨트롤이 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 가정용 전력을 공급하기 위해 도 9에 도시된 바와 같이 발전모드, 충전모드, 송전모드, 수전모드 및 자가발전모드의 5가지 동작모드로 제어가 이루진다.

먼저, 상기 발전모드는 태양광에너지를 전기에너지로 변환시켜 가정에 공급한다.

따라서 도 9에 도시된 바와 같이 1번과, 4번 스위치 동작을 통해 축광부에서 발생된 전기에너지는 상기 인버터를 통해 가정용 상용 전력에 맞춰 DC/AC를 변환한 후, 상기 PMS를 통해 가정으로 공급한다.

이때, PMS는 콘센트 등을 통해 가정에 전력을 공급하여 사용자가 편리하게 사용할 수 있다.

그리고 충전모드는 태양광에너지를 전기에너지로 변화시켜 내부에 충전한다.

따라서 도 9에 도시된 바와 같이 2번 스위치 동작을 통해 축광부에서 발생된 전기에너지는 상기 인버터를 통해 DC/DC로 공급되어 에너지저장시스템에 구비된 상기 배터리에 전력을 저장한다.

그리고 송전모드는 상기 충전모드를 통해 배터리에 저장된 전력을 외부에 송전시킨다.

따라서 도 9에 도시된 바와 같이 3번과 4번 스위치 동작을 통해 상기 배터리에 저장된 DC/DC전력은 상기 인버터를 통해 DC/AC의 상용전압으로 변환시킨 후, 상기 전원제어시스템을 통해 외부로 공급한다.

그리고 수전모드는 외부 전력을 수전하여 상기 에너지저장시스템에 전력을 충전한다.

따라서 도 9에 도시된 바와 같이 3번과 5번 스위치 동작을 통해 외부에서 인가된 전력은 상기 전원관리시스템 통해 공급되며, 상기 인버터를 통해 DC/AC, DC/DC를 통과하여 상기 배터리에 저장 가능한 전압으로 변환시킨 후 저장된다.

마지막으로 상기 자가발전모드는 충전모드와 전반적으로 동일한 작동방식으로 이루어지며, 초기 작동시 전력이 방전된 상태에서 스스로 발전이 가능하다.

따라서 도 9에 도시된 바와 같이 2번과 6번 스위치 동작을 통해 별도로 연결된 상용 건전지, 예비배터리 등의 전력원의 전력을 통해 상기 발전제어부 및 상기 컨트롤러에 작동이 이루어진다.

즉, 상기 자가발전모드는 전력의 차단시 작동이 정지된 상기 발전제어부의 초기 전력을 공급하여 원활하게 작동이 이루어진다.

이와 같이 상기 축광부에서 발전된 전력은 상기 발전제어부를 통해 가정에서 사용할 수 있는 전력으로 변환 후, 용이하게 공급하여 사용자가 편리하게 사용할 수 있다.

다음으로, 발전소용은 도 10에 도시된 바와 같이 전원관리시스템의 출력단가 발전소의 파워그리드와 연결된다.

여기서 발전제어부는 도 9에 도시된 바와 같이 발전모드, 충전모드, 송전모드, 수전모드로 4가지 동작모드로 작동되되, 가정용 발전과 동일하게 이루어진다.

다만, 상기 발전제어부는 상기 발전소의 파워그리드에 송출할 전압에 맞춰 상용전압

에 맞춰 상기 인버터의 사양을 결정하는 것이 바람직하다.

즉, 가정용 보다 높은 전력 사용량 및 고 전압을 사용함에 따라 이에 맞는 상기 인버터를 상기 기재된 내용에 따른

대체할 수 있는 상기 인버터를 결정하여 사용한다.

이를 통해 발전소용에 맞춰 적용된 상기 인버터에 의해 과전류, 고전압을 용이하게 전달하여 사고를 방지할 수 있다.

마지막으로 주택단지, 공장 등의 대전력 소비자와 연결된 발전소용은 도 11과 도시된 바와 같이 연결된다.

여기서 발전제어부는 도 11에 도시된 바와 같이 발전모드, 충전모드, 송전모드, 수전모드 및 자가발전모드의 5가지 동작모드로 작동된다.

이러한 상기 동작모드는 가정용과 동일한 방식으로 이루어진다.

다만, 자가발전모드 전환 시 활용하는 전력원의 크기가 발전소용 전력에 맞춰 전력원의 용량이 상승된다.

또한, 대전력 소비자에게 송출할 전압은 상기 기재된 내용에 따른

를 대체할 수 있는 상기 인버터를 결정하여 사용한다.

이를 통해 주택단지, 공장 등의 대전력 소비자와 연결된 발전소용에 전력을 원활히 공급하며, 과전류, 과전압 등에 의한 사고를 방지할 수 있다.

이와 같이 상기 발전제어부는 전력의 사용용도에 맞는 전력량을 산출한 후 이에 맞는 상기 인버터를 채택하여 과전압, 과전류 등의 사고를 방지하며, 고효율의 전력을 공급할 수 있다.

또한, 사용용도에 맞춰 전력을 제어함에 따라 원활한 사용이 가능하다.

그리고 발전된 전력과 함께 외부전력을 인가하여 자가발전을 통해 용이하게 사용할 수 있다.

그리고 상기 발전제어부는 기계학습 시스템을 포함한다.

이러한 상기 기계학습 시스템은, 상기 축광부의 발전된 전력 및 상기 발전제어부를 통해 가정용, 발전소용 및 대전력 소비자와 연결된 발전소용으로 공급되는 전력을 측정하여 측정 데이터를 수집하고, 상기 측정 데이터를 기반으로 상기 기계학습 시스템에서 사용용도에 맞는 전력제어를 기계학습하여 학습 데이터를 생성한다.

즉, 상기 발전제어부의 각 용도와 모드에 따라 사용 및 충전되는 전력량 등을 복합적인 정보를 통해 학습데이터를 수집한다.

이렇게 수집된 데이터를 통해, 상기 발전제어부의 각 용도 및 모드적용시 학습된 학습데이터를 기준으로 상기 발전제어부를 동작된다.

상기 기계학습은 통상의 기계학습 모델을 적용할 수 있으며 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 구글(Google)사에서 개발한 기계 학습 엔진인 텐서 플로(Tensorflow)를 적용하여 딥러닝을 하도록 할 수 있다. 또한, 이와 같이 수득된 기계학습 결과를 발전제어부에 반영하여 전력사용량을 최적의 효율로 유지할 수 있다.

이상에서와 같이 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.

Claims (7)

1. 입사하는 태양광을 반사하여 태양광을 축광부로 진행하도록 구성된 반사경 및 상기 반사경으로부터 태양광을 수광하도록 구동되는 축광부와 상기 축광부에서 발생된 전력을 제어하는 발전제어부를 포함하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 있어서,
   상기 반사경을 통해 반사된 태양광이 상기 축광부의 외주면(y₂)에 수광하는 [수학식 6]을 충족하며,
   [수학식 6]
   

   

   
   상기 발전제어부는 상기 축광부를 통해 입사된 태양에너지의 전력에 맞춰 전력계통을 제어하는 것을 특징으로 하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치.
   (상기 수학식 6에서 x 및 y는 정점 P₀와 동점 P1 및 P2에 따른 좌표값이며, y₀는 y축 방향에서의 정점을,

   

   는 축광부에 분포되는 초점분포를,

   

   는 원점에서 축광부의 폭에 따라 x방향으로 이격된 거리,

   

   는 원점에서 축광부가 y방향으로 이격된 거리를 나타낸다.)
2. 입사하는 태양광을 반사하여 태양광을 축광부로 진행하도록 구성된 반사경 및 상기 반사경으로부터 태양광을 수광하도록 구동되는 축광부와 상기 축광부에서 발생된 전력을 제어하는 발전제어부를 포함하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치에 있어서,
   상기 반사경은 단면이 상기 반사경의 폭 방향으로 n개의 계층으로 이루어진 복수의 삼각형 거울면으로 깔때기 형상을 이루도록 조합되어 구성되며, 상기 거울면의 선형 초점 분포(k_n)는 하기 수학식 14를 충족되는 것을 특징으로 하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치.
   [수학식 14]
   

   

   
   (상기 수학식 14에서 k_n은 선형 초점 분포 상단 값이며, x_n은 n개 거울면의 가장자리 폭 방향이며, y_n은 n개 거울면의 가장자리 높이 방향이며, θ_n은 각 거울면의 입사각과 반사각을 나타낸다.)
3. 제 2항에 있어서,
   상기 반사경은,
   상기 반사경의 총길이(l)를 등분하여 n개의 계층으로 이루어지며, 각 계층의 각을 조절하여 깔때기 형상의 상기 반사경이 오므라들거나 펼쳐지도록 구성되며, 각각의 접히는 부분에 해당하는 각 계층의 선형 초점 분포(k_m)은 하기 수학식 16을 충족하는 것을 특징으로 하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치.
   [수학식 16]
   

   

   
   (상기 수학식 16에서 k_m은 초점분포의 상한 값이며, x_m은 n개 거울면의 가장자리 폭 방향이며,

   

   은 n계층의 m번째 거울면의 x축 방향 끝지점,

   

   은 n계층의 m번째 거울면의 y방향 끝지점, θ_k, θ_s은 각 거울면의 입사각과 반사각을 나타낸다.)
4. 제3항에 있어서,
   상기 축광부는 상기 반사경의 초점분포 위치에 맞춰 위치조절이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치.
5. 제 1 또는 제 2항에 있어서,
   상기 발전제어부는,
   인버터, 전원관리시스템, 에너지저장시스템 및 컨트롤러로 구성되며, 인버터의 전력, 태양광에너지의 밀도, 입사 유효면적, 광전효율 및 집광비를 고려하여 발전된 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 발전제어부는 발전된 전력을 가정용, 발전소용 및 대전력 소비자와 연결된 발전소용으로 분류하여 공급할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 발전제어부에는 기계학습 시스템을 포함하되,
   상기 기계학습 시스템은,
   상기 축광부의 발전된 전력 및 상기 발전제어부를 통해 가정용, 발전소용 및 대전력 소비자와 연결된 발전소용으로 공급되는 전력을 측정하여 측정 데이터를 수집하고,
   상기 측정 데이터를 기반으로 상기 기계학습 시스템에서 사용용도에 맞는 전력제어를 기계학습하여 학습 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 균일한 초점영역을 형성한 태양광 발전장치.
   

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