KR102407969B1

KR102407969B1 - 태양광 발전 시스템용 제어장치 및 이를 구비한 태양광 발전 시스템

Info

Publication number: KR102407969B1
Application number: KR1020210189087A
Authority: KR
Inventors: 양희준
Original assignee: 주식회사 지엔에스모션
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-06-13

Abstract

본 발명은 제어장치 및 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치는 태양광 패널부(10) 및 상기 태양광 패널부(10)를 지지하여 회전되는 지지축부(40)를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템용 제어장치로서, 상기 지지축부(40)를 회전시키는 구동력을 발생하는 모터부(110); 상기 지지축부(40)에 형성되는 종동 기어(121), 상기 모터부(110)에 형성되는 구동 기어(123) 및 상기 종동 기어(121)와 구동 기어(123)를 연결하는 체인(125)으로 구성되어 상기 모터부(110)의 회전력을 지지축부(40)에 전달하는 체인스프로킷부(120); 상기 모터부(110)의 회전각을 감지 및 저장하는 엔코더부(130); 제1 리미트 접점(141), 제2 리미트 접점(143) 및 리미트 브래킷(145)으로 구성되는 리미트 스위치부(140) 및 상기 엔코더부(130)에서 감지된 상기 모터부(110)의 회전각을 입력받아 상기 지지축부(40)의 회전각을 환산하고, 상기 리미트 스위치부(140)의 제1 리미트 접점(141)이 턴온되는 신호가 입력되면 상기 엔코더부(130)를 리셋하며, 상기 제2 리미트 접점(143)이 턴온되는 신호가 입력되면 상기 지지축부(40)가 상기 제1 리미트 접점(141)을 턴온시키는 위치까지 상기 모터부(110)를 역회전시키는 제어부(150)로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

태양광 발전 시스템용 제어장치 및 이를 구비한 태양광 발전 시스템 {CONTROL DEVICE FOR SOLAR GENERATION SYSTEM AND SOLAR GENERATION SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 제어장치 및 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.

환경 문제와 화석 자원 고갈 등 여러 이유로 소위 신재생에너지라 불리는 에너지의 생산, 유통 및 활용에 대한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 신재생에너지 중 태양광에너지는 태양이 존재하는 한 계속적인 에너지 생산이 가능하다는 점에서 지구에서 사용을 전제로 하면 무한대의 사용이 가능하다는 점, 풍력이나 수력 등에 비해 소규모 설치가 가능하여 진입이 용이하다는 점, 생산과정에서 환경 오염을 야기하는 물질이나 현상의 발생이 없어 친환경적이라는 점 등 여러 가지 장점이 있어 현재 가장 많은 투자와 설치가 이루어지고 있다. 일례로, 고속도로 휴게소나 건물의 옥상, 지상 주차장 등에 태양광 패널을 햇빛을 가리는 용도를 겸하여 설치하는 것을 쉽게 볼 수 있다.

태양광에너지를 효과적으로 생산, 즉 같은 일조량에서 가장 높은 전력을 생산하기 위해서는 태양광이 태양광 패널에 수직에 가깝도록 조사되어야 하는데, 태양의 방향 지구 자전에 따라 변하기 때문에 태양광 패널에 태양광이 지속적으로 최대한 수직에 가깝도록 입사되기 위해서는 태양광 패널이 지속적으로 태양을 추종하도록 할 수밖에 없다. 즉, 태양광 패널의 방위각이 제어 가능하여야 하는 것이다.

‘특허문헌 1’에 태양광 패널의 방위각 제어가 가능한 ‘태양광 위치 추적 발전 장치’가 개시되어 있고, 도 1은 종래의 태양광 위치 추적 발전 장치이다. 종래의 태양광 위치 추적 발전 장치는 태양광 패널(1)을 지지하는 수직 지지대(2) 내의 끼움축(3)의 하단에 구비된 중심 기어(4)에 구동 모터(5)의 구동 기어(123)가 연결되어, 콘트롤러의 제어에 의해 태양광 패널(1)을 회전시키는 구성이다.

그런데 종래의 태양광 위치 추적 발전 장치는 구동 모터(5)가 태양광 패널(1)의 회전축인 끼움축(3)에 직접 연결되어 있고, 일반적으로 작은 출력의 구동 모터(5)로 무거운 태양광 패널(1)을 움직여야 하므로 기어비가 1보다 큰데, 스토퍼 수단(미도시) 외에는 제어장치를 보호할 수 있는 수단이 없어 태양광 패널(1)이 강풍에 의해 회전하는 경우 등의 일이 발생되면 제어장치가 쉽게 파괴되고, 야외에 노출되어 있는 열약한 환경으로 인해 고장이 쉽게 발생되는 문제점이 있다.

또 태양광 패널(1)을 회전시키는 각도에 오차가 발생 시 이를 보상하는 수단이 없어 오차가 계속 누적되므로 태양의 방향을 최적으로 추적할 수 없는 문제가 있다.

KR 10-0814343 B1 (2008. 3. 11.)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 안정성을 향상시키고, 태양광 패널이 태양을 최적으로 추종할 수 있도록 하는 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치는 태양광 패널부 및 상기 태양광 패널부를 지지하여 회전되는 지지축부를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템용 제어장치로서, 상기 지지축부를 회전시키는 구동력을 발생하는 모터부; 상기 지지축부에 형성되는 종동 기어, 상기 모터부에 형성되는 구동 기어 및 상기 종동 기어와 구동 기어를 연결하는 체인으로 구성되어 상기 모터부의 회전력을 지지축부에 전달하는 체인스프로킷부; 상기 모터부의 회전각을 감지 및 저장하는 엔코더부; 제1 리미트 접점, 제2 리미트 접점 및 리미트 브래킷으로 구성되는 리미트 스위치부 및 상기 엔코더부에서 감지된 상기 모터부의 회전각을 입력받아 상기 지지축부의 회전각을 환산하고, 상기 리미트 스위치부의 제1 리미트 접점이 턴온되는 신호가 입력되면 상기 엔코더부를 리셋하며, 상기 제2 리미트 접점이 턴온되는 신호가 입력되면 상기 지지축부가 상기 제1 리미트 접점을 턴온시키는 위치까지 상기 모터부를 역회전시키는 제어부로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 패널부; 상기 태양광 패널부의 하부에서 상기 태양광 패널부를 회전 가능하게 지지하는 지지프레임부; 상기 지지프레임부의 하부에 구비되는 제1단 베어링부; 상기 제1단 베어링부를 관통하여 상기 지지프레임부에 결합되어 상기 지지프레임부를 방위각 방향으로 회전 가능하도록 지지하는 지지축부; 상기 지지축부의 하부에 결합되어 상기 지지축부에 연결된 지지프레임부의 방위각 방향 회전축이 고정되도록 하는 제2단 베어링부 및 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치 및 태양광 발전 시스템은 구동수단과 태양광 패널부가 체인스프로킷으로 연결되어 있어 강풍에도 시스템 파손이 최소화될 수 있다.

또 엔코더부, 리미트 스위치부 등 다중으로 안전장치를 두고 있어 시스템의 안정성이 향상된다.

또 엔코더부를 매일 리셋시켜줌으로써 일반적으로 엔코더부에 발생되는 누적 공차 문제가 없다.

도 1은 종래의 태양광 위치 추적 발전 장치
도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 상하 시점 사시도
도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 하부 시점 사시도
도 4는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 제1단 베어링부
도 5는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 제2단 베어링부
도 6은 도 5의 A 부분 확대도
도 7은 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치의 구성도
도 8은 본 발명에 따른 레인센서장치의 사시도
도 9는 본 발명에 따른 레인센서장치의 분해사시도
도 10은 전면 덮개부에 2개의 박막형 충돌 감지 센서부가 구비된 예
도 11은 전면 덮개부에 3개의 박막형 충돌 감지 센서부가 구비된 예
도 12는 제어모듈부의 분해사시도
도 13은 3개의 박막형 충돌 감지 센서부를 구비한 경우 우수 감지의 경우의 수
도 14는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템에 본 발명에 따른 제어장치 및 레인센서장치가 구비된 사용상태도

이하에서는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이해를 돕기 위하여 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치가 구비되는 태양광 발전 시스템을 먼저 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치는 태양광 발전 시스템의 상부 시점 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 하부 시점 사시도이다. 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광 패널부(10), 지지프레임부(20), 제1단 베어링부(30), 지지축부(40), 제2단 베어링부(50) 및 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치()로 구성되고, 태양광 패널부(10)의 고도각을 제어하는 고도각 제어 구동부(60)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

태양광 패널부(10)는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 구성요소이다.

지지프레임부(20)는 태양광 패널부(10)의 하부에서 태양광 패널부(10)를 지지하는 구성요소로서, 태양광 패널부(10)를 고도각 및 방위각 방향으로 회전 가능하도록 지지한다.

제1단 베어링부(30)는 지지프레임부(20)의 하부에 구비되어 지지프레임부(20)에 편하중이 작용하더라도 이를 상쇄시켜 지지프레임부(20)가 안정적으로 지지될 수 있도록 하는 구성요소이다. 도 4는 제1단 베어링부를 도시한 것으로서, 제1단 베어링부(30)는 내면의 직경은 동일하고 외면의 직경이 아래로 내려갈수록 작아지도록 테이퍼져 있는 내륜(31), 아래로 갈수록 직경이 작아지도록 내면이 테이퍼져 있고 내륜(31)의 외측에 구비되는 외륜(33) 및 내륜(31)과 외륜(33) 사이에 복수 개로 구비되는 롤러(35)로 구성될 수 있다. 이 경우 지지프레임부(20)에 수평 방향으로 힘이 작용하여 편하중이 발생하더라도, 내륜(31)이 롤러(35)를 매개로 외륜(33)의 테이퍼진 내면에 지지되면서 회전이 가능하다. 제1단 베어링부(30)는 중공이 형성된 커버(미도시)에 의해 지지프레임부(20)에 고정될 수도 있다. 예를 들면, 커버가 제1단 베어링부(30)의 외륜(33)을 밀착 압박하여 외륜(33)을 지지프레임부(20)에 고정시키고, 제1단 베어링부(30)의 내륜(31)으로부터 이격되어 내륜(31)을 덮는 구조로 되어 내륜(31)의 회전은 자유롭게 하되 내륜(31)이 외륜(33)을 이탈하는 것을 방지할 수 있다.

지지축부(40)는 제1단 베어링부(30)를 관통하여 지지프레임부(20)에 결합되어 지지프레임부(20)를 방위각 방향으로 회전 가능하도록 지지하는 구성요소이다. 지지축부(40)는 높이에 따라 직경이 달라지도록 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제1단 베어링부(30) 상부의 직경이 가장 크고, 제1단 베어링부(30)를 관통하는 부분의 직경이 제1단 베어링부(30)의 내륜(31)의 내경과 동일하며, 아래에서 설명할 제2단 베어링부(50)에 연결되는 지점에서 직경이 가장 작도록 형성될 수 있다. 이렇게 지지축부(40)의 직경을 다단으로 구성할 시 장점은 장치의 안정성 및 경제성과 관련이 있다. 즉, 직경이 가장 큰 상부 지지축부(40)가 무게가 무거운 태양광 패널부(10) 및 지지프레임부(20)를 지지함으로써 안정성을 향상시키고, 직경이 가장 작은 하부 지지축부(40)가 제2단 베어링부(50)에 연결되도록 함으로써 제2단 베어링부(50)를 소형, 저가로 형성하도록 할 수 있다.

제2단 베어링부(50)는 지지축부(40)의 하부에 결합되어 지지축부(40)에 연결된 지지프레임부(20)의 방위각이 변하더라도 방위각의 회전축이 고정될 수 있도록 하는 구성요소로서, 볼 베어링이 사용될 수 있다. 도 5는 제2단 베어링부를 도시한 것으로, 지지프레임부(20)의 중단에 형성된 중앙 지지 플레이트(21)에 결합이 용이하도록 볼 베어링(51)에 사각 플레이트(53)가 결합된 구조일 수 있다. 위와 같은 구성의 경우 사각 플레이트(53)를 중앙 지지 플레이트(21)에 결합함으로써 제2단 베어링부(50)를 고정시킬 수 있다.

다음으로 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치에 대하여 설명한다. 도 6은 도 3의 A 부분 확대도이며, 도 7은 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치의 구성도이다. 설명의 편의상 도 5 및 6에는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치를 가리는 지지프레임부(20)의 부분이 도시되어 있지 않다.

본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치는 지지축부(40)를 회전시켜야 하기 때문에 도 5에 도시된 바와 같이 지지축부(40)의 하단에 연결되고, 모터부(110), 체인스프로킷부(120), 엔코더부(130), 리미트 스위치부(140) 및 제어부(150)로 구성된다.

모터부(110)는 지지축부(40)를 회전시키는 구동력을 발생하는 구성요소이다. 도 6에서는 설명이 쉽도록 모터부(110)가 지지프레임부(20) 외측에 구비된 것으로 도시하였으나, 비나 눈의 영향을 덜 받도록 지지프레임부(20) 내측, 중앙 지지 플레이트(21)의 하부 등에 구비되는 것이 바람직하다.

체인스프로킷부(120)는 지지축부(40)에 형성되는 종동 기어(121), 모터부(110)에 형성되는 구동 기어(123) 및 종동 기어(121)와 구동 기어(123)를 연결하는 체인(125)으로 구성되어, 모터부(110)의 회전력을 지지축부(40)에 전달한다. 모터부(110)가 지지축부(40)와 기어로 직접 연결되지 않기 때문에 강풍 등 영향으로 태양광 패널부(10) 및 지지축부(40)가 회전하더라도 모터부(110)가 파괴되기 전에 체인(125)이 끊어져 모터부(110)를 보호할 수 있다.

엔코더부(130)는 모터부(110)에 연결되는 제1 엔코더(131) 단독으로 구성되거나 지지축부(40)에 연결되는 제2 엔코더(133)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 엔코더부(130)는 모터부(110) 등의 회전각(360° 이상일 수 있다)을 감지 및 저장하는 구성요소로서, 제1 엔코더(131)를 통해 모터부(110)가 얼마나 회전했는지를 알 수 있고, 제어부(150)에서 모터부(110)의 회전각을 체인스프로킷부(120)의 종동 기어(121)와 구동 기어(123)의 기어비로 나누어 지지축부(40)의 회전각 및 현재 방위각을 도출할 수 있다.

일반적으로 모터부(110)의 경량화를 위해 기어비를 1보다 크게, 일반적으로는 기어비 5, 6 내지 수십 정도 구성된다. 이것의 의미는 모터부(110)의 회전량은 많은 대신 지지축부(40)의 회전량은 적다는 것, 즉 제1 엔코더(131)에 의해 지지축부(40)의 회전량을 기어비만큼 배수의 높은 해상도로 측정할 수 있고, 반대로 지지축부(40)의 회전각은 1/기어비만큼의 배수만큼 미세하게 제어할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 지지축부(40)가 남쪽을 바라보았을 때를 0°로 할 때 하루 동안 ±60°를 움직이고, 기어비가 10으로 구성되었을 때, 엔코더부(130)에서 측정되는 각은 ±600°가 되어 엔코더부(130)를 낮은 해상도의 저사양, 저가로 구성할 수 있고, 엔코더부(130)가 정밀하지 않아도 되는 만큼 고장이나 오류의 가능성도 낮아진다. 또 제어부(150)가 모터부(110)에 10°의 각변위를 명령하더라도 지지축부(40)에는 1°의 미세 각변위가 발생하기 때문에 모터부(110)의 응답 능력(1회 명령에 발생되는 최소 각변위)이 낮아도 크게 문제되지 않는 장점이 있다.

제2 엔코더(133)는 제1 엔코더(131)의 고장이나 오류를 보완하기 위하여 지지축부(40)에 직접 연결되어 지지축부(40)의 회전각을 감지 및 저장하는 구성요소이다. 따라서 제2 엔코더(133)에서 허용된 범위 외의 회전각이 감지되는 경우 제1 엔코더(131)의 출력과 무관하게 제어부(150)는 모터부(110)를 정지시킨다. 여기서 허용된 범위란 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템에서 태양광 패널부(10) 및 지지축부(40)가 회전 가능한 범위, 위 예를 들자면 지지축부(40)가 남쪽을 바라보았을 때를 0°로 할 때 ±60° 등으로 제어부(150)에 사전 설정된 것을 말한다.

리미트 스위치부(140)는 제1 리미트 접점(141), 제2 리미트 접점(143) 및 리미트 브래킷(145)으로 구성되고, 제1 리미트 접점(141) 및 제2 리미트 접점(143)이 제어부(150)에 연결되어 있다. 이에 따라 지지축부(40)에 연결된 리미트 브래킷(145)이 제1, 제2 리미트 접점(143)을 가압하여 회로가 단락되면 제어부(150)에서는 리미트 스위치부(140)가 턴온된 것, 즉 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 태양광 패널부(10) 및 지지축부(40)가 회전 가능한 범위의 임계점에 있는 것으로 판단하고 모터부(110)를 정지시킨 후 이후 단계를 수행한다. 여기서 이후 단계란 태양광 패널부(10) 및 지지축부(40)를 시작 지점으로 되돌리거나 소정 각도 후퇴시키는 것 등을 말한다.

본 발명에 따른 태양광 발전 시스템은 하루 동안 동쪽에서 서쪽으로 태양광 패널부(10) 및 지지축부(40)의 방위각이 증가하다가 종점에 다다르면 다음날의 시작점으로 리셋되어야 하고 리미트 스위치부(140)가 이러한 리셋 동작에 관여하게 된다. 구체적으로 제1 리미트 접점(141)이 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 시작점에 턴온될 수 있는 위치에 구비되고, 제2 리미트 접점(143)이 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 종점에 턴온될 수 있는 위치에 구비되어, 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 태양광 패널부(10) 및 지지축부(40)의 방위각이 증가하여 리미트 브래킷(145)이 제2 리미트 접점(143)을 턴온시키면 제어부(150)가 종점으로 판단하고 모터부(110)를 역구동하여 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 태양광 패널부(10) 및 지지축부(40)의 방위각을 감소시킨다. 이후 리미트 브래킷(145)이 제1 리미트 접점(141)을 턴온(단락)시키면 제어부(150)가 시작점으로 판단하고 모터부(110)를 정지시킴으로써 리셋이 완료된다.

이때 제1 리미트 접점(141)의 턴온과 제1 엔코더(131)를 연동하는 경우 엔코더에 발생되는 누적 공차를 없앨 수 있다. 제1 리미트 접점(141)이 턴온되면 태양광 패널부(10) 및 지지축부(40)가 시작점으로 배치되어 있다는 의미가 되므로, 이 때 제1 엔코더(131)의 기준각을 0°로 리셋하면 하루 동안 발생된 누적 공차가 적어도 하루 주기로 제거되므로 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 장기 운전 시에도 태양의 방향을 정확히 추종할 수 있다.

제어부(150)는 엔코더부(130)에서 감지된 모터부(110)의 회전각을 입력받아 지지축부(40)의 회전각을 환산하고, 리미트 스위치부(140)의 제1 리미트 접점(141)이 턴온되는 신호가 입력되면 엔코더부(130)를 리셋하며, 제2 리미트 접점(143)이 턴온되는 신호가 입력되면 지지축부(40)가 제1 리미트 접점(141)을 턴온시키는 위치까지 모터부(110)를 역회전시켜 본 발명에 따른 태양광 패널부(10) 및 지지축부(40)를 시작점으로 리셋시키는 구성요소이다.

본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치는 비의 양에 따라 레인센서장치와 연동될 수 있다. 이는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템이 태양광 패널부(10)의 고도각을 제어하는 고도각 제어 구동부(60)를 더 포함하여 구성되는 것을 전제로 한다. 왜냐하면 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치가 레인센서장치와 연동하는 이유가 비, 바람이 심한 경우 태양광 패널부(10)에 가해지는 풍압을 완화하기 위하여 레인센서장치에서 소정 값 이상의 우수가 감지될 시 고도각 제어 구동부(60)로 태양광 패널부(10)를 지면과 평행하게 눕히기 위한 것이기 때문이다.

도 8은 본 발명에 따른 레인센서장치의 사시도이고, 도 9는 본 발명에 따른 레인센서장치의 분해사시도이다. 레인센서장치는 빗물이 레인센서장치에 도달할 수 있도록 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 태양광 패널부(10)의 상면에 부착되거나 지지프레임부(20)에서 연장되어 설치되고, 빗물의 유무 및 양을 감지하여 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치의 제어부(150)에 전달하여, 빗물의 양이 소정 임계치를 넘어서는 경우 제어부(150)가 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 태양광 패널부(10)가 강풍의 영향을 받지 않도록 수평으로 배치되도록 한다.

레인센서장치는 본체 케이스부(210), 전면 덮개부(220), 박막형 충돌 감지 센서부(230) 및 제어모듈부(240)로 구성된다.

본체 케이스부(210)는 레인센서장치의 외관을 형성하는 구성요소로서, 전면에 개구(211)가 형성된다. 본체 케이스부(210)는 제작의 용이성, 그리고 제작 비용의 절감을 위해 중앙 케이스(213) 및 측면 덮개(215)로 구성되는 것이 좋은데, 그 이유는 본체 케이스부(210)가 전체적으로 보면 외형상 직육면체여서 금형 등으로 한 번에 찍어내기 어려운 구조이고, 레인센서장치에 사용되는 박막형 충돌 감지 센서부(230)가 진동이나 충격에 매우 민감한 구성요소이기 때문에 표면 마감 처리가 매끄럽고 경량, 고강도를 달성할 수 있는 압출을 이용하여 본체 케이스부(210)를 제작하기 위한 것이다.

측면 덮개(215)는 형태상 압출로 형성하기 어려울 뿐만아니라 박막형 충돌 감지 센서부(230)가 부착되는 구성요소가 아니기 때문에 금형으로 생산하여도 무방하지만 중앙 케이스(213)는 표면이 매끄러워야 하고 일정한 단면을 유지하여야 하기 때문에 비용을 차지하고서라도 압출로 성형하는 것이 바람직하다. 참고로 본체 케이스부(210)의 소재는 알루미늄인 것이 바람직하고, 측면 덮개(215)의 경우 플라스틱이나 기타 알루미늄이 아닌 금속 등도 소재로 무방하다.

전면 덮개부(220)는 본체 케이스부(210)의 개구(211)에 대향하여 본체 케이스부(210)에 끼움 결합되어 본체 케이스부(210)를 외부와 분리하는 구성요소이면서 박막형 충돌 감지 센서부(230)가 부착되는 구성요소이다. 전면 덮개부(220)가 단순히 본체 케이스부(210)의 개구(211)를 덮는 역할이라면 중앙 케이스(213)에 개구(211)를 형성하지 않고 중앙 케이스(213) 전체를 압출로 제조하여 전면 덮개부(220)가 굳이 필요하지 않도록 할 수도 있겠으나, 전면 덮개부(220)는 우수의 감지와 관련하여 더 민감한 구성요소이기 때문에 본체 케이스부(210)와는 분리 구성함이 바람직하다.

박막형 충돌 감지 센서부(230)는 본체 케이스부(210)와 전면 덮개부(220)를 결합하였을 때 개구(211)에 대응되는 부분의 전면 덮개부(220)에 면상으로 접하여 구비되어 우수가 전면 덮개부(220)에 떨어졌을 때 우수의 충돌을 감지하여 비의 유무나 양을 감지하는 구성요소이다. 박막형 충돌 감지 센서부(230)는 2개 이상, 바람직하게는 3개 이상이 다면체의 꼭짓점을 이루도록 배치는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 박막형 충돌 감지 센서부(230)의 센서 면적이 너무 작은 경우 우수의 감지가 부정확하게 되는데 그렇다고 하여 박막형 충돌 감지 센서부(230)를 너무 크게 하는 것은 비용상 문제가 되기 때문이다{참고로 박막형 충돌 감지 센서부(230) 1㎠의 가격은 1만원 정도로, 1㎠ 박막형 충돌 감지 센서부(230)가 3개만 구비된다고 하더라도 레인센서장치의 생산단가에서 차지하는 비중이 20%를 상회한다}.

박막형 충돌 감지 센서부(230)의 면적은 가급적 줄이고 우수 감지 능력은 향상시키기 위하여, 박막형 충돌 감지 센서부(230)를 복수 개로 구비하고 박막형 충돌 감지 센서부(230) 사이에 우수가 떨어지더라도 박막형 충돌 감지 센서부(230)에서 우수를 감지할 수 있도록 함으로써 박막형 충돌 감지 센서부(230)의 유효 감지 영역(effective sensing area, 이하 ‘유효 감지 영역’이라 한다)을 증가시키는 효과를 유도한다.

도 10은 전면 덮개부에 2개의 박막형 충돌 감지 센서부가 구비된 예를 도시한 것이고, 도 11은 전면 덮개부에 3개의 박막형 충돌 감지 센서부가 구비된 예를 도시한 것이다. 도 10 및 11에서 점선은 개방부에 대응되는 전면 덮개부 영역을 표시한 것이다.

도 10의 경우와 같이 박막형 충돌 감지 센서부(230)의 중심을 연결하여 다각형이 형성되지 않는 경우라 하더라도 2개의 박막형 충돌 감지 센서부(230) 사이에 우수가 떨어질 경우 2개 중 어느 하나 이상의 박막형 충돌 감지 센서부(230)에 우수가 감지될 수 있으므로, 유효 감지 영역은 2개의 박막형 충돌 감지 센서부(230)를 포함하는 장방형 또는 타원이나 아령형이 될 수 있다. 이러한 유효 감지 영역의 형상이나 범위는 컴퓨터를 이용한 해석으로 추측 가능하고, 2개의 박막형 충돌 감지 센서부(230) 주변에 물을 낙하시켜 실험적으로 도출할 수도 있다.

도 11의 경우가 본 레인센서장치가 의도하는 전형적인 유효 감지 영역을 형성하는 예라 할 수 있는데, 3개 이상의 박막형 충돌 감지 센서부(230)가 다각형의 꼭짓점을 이루는 경우이다. 이 경우 유효 감지 영역은 3개 이상의 박막형 충돌 감지 센서부(230)가 이루는 다각형 내부와 거의 유사해진다. 따라서 도 11과같이 3개의 박막형 충돌 감지 센서부(230)가 구비되는 경우라면 유효 감지 영역이 삼각형으로 되고, 삼각형 내부에 우수가 떨어지는 경우 레인센서장치가 우수를 감지할 수 있다.

제어모듈부(240)는 박막형 충돌 감지 센서부(230)에서 출력되는 신호로부터 우수의 유무나 양을 판단하여 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템용 제어장치의 제어부()로 전달하는 구성요소이다. 반복하여 언급하고 있지만 본 발명에 사용되는 박막형 충돌 감지 센서부(230)는 매우 민감하기 때문에 박막형 충돌 감지 센서부(230)의 노출을 가급적 줄이는 것이 좋다. 이를 위해 제어모듈부(240)를 박막형 충돌 감지 센서부(230)의 밀폐에 활용할 수 있다.

도 12는 제어모듈부의 분해사시도로서, 제어모듈부(240)가 박막형 충돌 감지 센서부(230)의 둘레를 감싸고 중단에 단턱(243)이 형성된 댐(241), 댐(241)의 단턱(243)에 결합되는 PCB(245), PCB(245)의 상면과 댐(241)의 상단을 채우는 몰딩(247)으로 구성되어, 박막형 충돌 감지 센서부(230)가 댐(241)의 하부와 PCB(245)에 의해 외부와 차단되고 PCB(245) 상부도 몰딩(247)으로 채움으로써 박막형 충돌 감지 센서부(230)에 습기가 접하는 것을 차단할 수 있다{박막형 충돌 감지 센서부(230)의 경우 우수의 충돌도 감지하지만 서리나 이슬처럼 큰 충격없이 표면에 물이 맺히는 경우도 감지할 정도로 민감하다}.

이상으로 레인센서장치의 주요 구성을 설명하였고, 이하에서는 부가적인 효과를 가져오는 구성 및 소프트웨어적 처리에 대해 설명한다.

레인센서장치에서 박막형 충돌 감지 센서부(230)는 전면 덮개부(220)에 밀착 구비되는데, 센싱 감도가 매우 민감하여 입자가 큰 먼지나 나뭇잎 등이 전면 덮개부(220)에 부딪칠 경우에도 우수로 감지하는 경우가 있다(이러한 오류는 소프트웨어적인 처리로도 가능하지만 하드웨어적 개선 수단이 있기 때문에 이를 설명하는 것이다). 또 그렇지 않다 하더라도 유효 감지 영역을 조절해야 할 필요가 있을 수 있다. 이를 위해서는 전면 덮개부(220)에서 박막형 충돌 감지 센서부(230)에 전달되는 미세한 충돌의 정도를 조절해야 하는데, 이는 전면 덮개부(220)의 내부에 감도 조절판(221)을 구비함으로써 달성될 수 있다.

감도 조절판(221)은 전면 덮개부(220)의 내면에 수직으로 형성되는 판상의 구성요소로서 감도 조절판(221)의 길이와 높이로 전면 덮개부(220)의 진동 정도를 조절할 수 있고, 이에 따라 장치 전체적으로 보았을 때 우수 감지 민감도를 제어할 수 있다.

감도 조절판(221)은 도 9에 도시된 바와 같이 중간에 돌출된 부분이 없어 전면 덮개부(220)와 일체로 압출로 성형할 수 있다는 점에서 구성이 부가되어라도 제조 비용 상승이 거의 없다는 장점이 있다.

물리적으로 당연한 것이지만 2개의 감도 조절판(221)이 구비되는 경우 그 바깥폭(d1)은 개구(211)의 안쪽폭(d2)보다 작거나 같다. 그런데 2개의 감도 조절판(221)의 바깥폭(d1)이 개구(211)의 안쪽폭(d2)보다 같다는 것은 전면 덮개부(220)와 본체 케이스부(210)가 감도 조절판(221)에 의해 연결된다는 의미이므로, 감도 조절판(221)이 의도한 이상으로 전면 덮개부(220)의 진동을 억제하게 되고 이는 우수 감지 능력의 저하로 나타날 수 있다. 따라서 2개의 감도 조절판(221)의 바깥폭(d1)은 개구(211)의 안쪽폭(d2)보다 미세하게(약 0.3 ~ 0.5㎜) 작은 것이 좋다.

감도 조절판(221)이 구비되는 경우 감도 조절판(221)을 이용하여 제어모듈부(240)를 전면 덮개부(220)에 쉽게 밀착 고정할 수 있다. 감도 조절판(221)의 하단에 돌출부(23)를 형성하여 전면 덮개부(220)와 감도 조절판(221) 사이에 슬릿(225)을 형성하고, 제어모듈부(240)의 하단, 즉 댐(241)의 하단에 레일(242)을 형성하여 레일(242)을 슬릿(225)에 슬라이드 삽입함으로써 제어모듈부(240)를 전면 덮개부(220)에 특별한 고정수단 없이 고정할 수 있다.

다음으로 소프트웨어적인 처리에 대하여 설명한다. 레인센서장치에서 우수의 감지는 유효 감지 영역에 떨어진 우수를 박막형 충돌 감지 센서부(230)가 감지할 수 있느냐에 달려 있다. 레인센서장치가 박막형 충돌 감지 센서부(230)를 복수 개 구비하고 있으므로, 복수 개의 박막형 충돌 감지 센서부(230) 중 몇 개는 우수 감지 신호를 생성하고 몇 개는 우수 감지 신호를 생성하지 않을 수도 있기 때문에 이러한 부분에 대한 소프트웨어적 처리가 필요하다. 또 우수의 유무 뿐만아니라 우수의 양을 감지하기 위해서도 소프트웨어적 처리가 필요하다.

도 13은 3개의 박막형 충돌 감지 센서부를 구비한 경우의 우수 감지를 경우의 수로 나누어 본 것이다(각 Case에서 숫자는 소정 시간, 예를 들면 30초 동안 각 센서가 우수 감지 신호를 생성한 횟수이다). Case 1의 경우 1개 센서(1번 센서)에 집중적으로 우수가 감지된 경우인데 이러한 경우라면 우수가 있고 우수의 양도 많다고 판단해도 될 것이다. Case 2의 경우 1개 센서(2번 센서)에 보통 빈도(집중, 보통의 정도는 환경에 따라 적절히 설정할 수 있는 것이다)로 우수가 감지된 경우인데 우수가 있고 우수의 양이 보통으로 판단해도 될 것이다. Case 3은 3개의 센서 모두 우수 감지 빈도가 낮은 경우이고, Case 4는 1개의 센서에서만 감지되나 그 빈도가 낮은 경우 등 우수가 있기는 하나 적다고 판단할 수 있는 경우로서, 3개의 센서에서 감지된 우수 감지 신호의 합이나 1개의 센서에서 감지된 우수 감지 신호의 횟수가 소정 값 구간(도 13의 예라면 5와 10 사이)인 경우로 정의할 수 있을 것이다. Case 5는 3개의 센서에서 감지된 우수 감지 신호의 합이 소정 값 미만인 경우로서 우수가 없는 경우로 보아도 무방할 것이다.

이를 정리하면 적어도 1개의 센서에서 소정 빈도 F1(단위 시간 당 우수 감지 횟수) 이상으로 우수가 감지되는 경우 우수량 많음, 1개의 센서에서 F1 미만 F2 이상 빈도로 우수가 감지되는 경우 우수량 보통, 3개의 센서에서 감지되는 우수 감지 신호 합이 F2 미만 F3 이상 빈도인 경우 우수량 적음, 3개의 센서에서 감지되는 우수 감지 신호 합이 F3 미만 빈도인 경우 우수량 없음과 같이 처리할 수 있다(단, F1 > F2 > F3).

도 14는 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템에 본 발명에 따른 제어장치 및 레인센서장치가 구비된 사용상태를 도시한 것으로, 레인센서장치가 태양광 발전 시스템에 구비되되 전면 덮개부(220)가 비스듬히 상방을 향하도록, 예를 들면 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 태양광 패널부(10) 외곽에 배치된다. 태양의 고도각이 0°인 경우는 태양광 발전이 불가능하므로 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 태양광 패널부(10)의 법선이 수평을 향하는 경우{태양광 패널부(10)가 수직으로 서는 경우}는 없겠지만, 도 14에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 태양광 패널부(10)가 수평인 상태에서 레인센서장치의 전면 덮개부(220)가 비스듬히 상방을 향하도록 하면 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 태양광 패널부(10)가 수직에 가깝게 되더라도 레인센서장치의 전면 덮개부(220)가 비스듬히 수직을 향하고 있어 빗물 감지 능력이 향상된다.

10 태양광 패널부 20 지지프레임부
21 중앙 지지 플레이트 30 제1 베어링부
40 지지축부 50 제2 베어링부
110 모터부 120 체인 스프로킷부
121 종동 기어 123 구동 기어
125 체인 130 엔코더부
131 제1 엔코더 133 제2 엔코더
140 리미트 스위치부 141 제1 리미트 접점
143 제2 리미트 접점 145 리미트 브래킷
150 제어부
210 본체 케이스부 211 개구
213 중앙 케이스 215 측면 덮개
220 전면 덮개부 221 감도 조절판
223 돌출부 225 슬릿
230 박막형 충돌 감지 센서부 240 제어모듈부
241 댐 242 레일
243 단턱 245 PCB
247 몰딩

Claims

태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 패널부(10);
상기 태양광 패널부(10)의 하부에서 상기 태양광 패널부(10)를 회전 가능하게 지지하는 지지프레임부(20);
상기 지지프레임부(20)의 하부에 구비되는 제1단 베어링부(30);
상기 제1단 베어링부(30)를 관통하여 상기 지지프레임부(20)에 결합되어 상기 지지프레임부(20)를 방위각 방향으로 회전 가능하도록 지지하는 지지축부(40);
상기 지지축부(40)의 하부에 결합되어 상기 지지축부(40)에 연결된 지지프레임부(20)의 방위각 방향 회전축이 고정되도록 하는 제2단 베어링부(50);
상기 태양광 패널부(10)의 고도각을 제어하는 고도각 제어 구동부(60);
상기 지지축부(40)를 회전시키는 구동력을 발생하는 모터부(110); 상기 지지축부(40)에 형성되는 종동 기어(121), 상기 모터부(110)에 형성되는 구동 기어(123) 및 상기 종동 기어(121)와 구동 기어(123)를 연결하는 체인(125)으로 구성되어 상기 모터부(110)의 회전력을 지지축부(40)에 전달하는 체인스프로킷부(120); 상기 모터부(110)의 회전각을 감지 및 저장하는 엔코더부(130); 제1 리미트 접점(141), 제2 리미트 접점(143) 및 리미트 브래킷(145)으로 구성되는 리미트 스위치부(140); 상기 엔코더부(130)에서 감지된 상기 모터부(110)의 회전각을 입력받아 상기 지지축부(40)의 회전각을 환산하고, 상기 리미트 스위치부(140)의 제1 리미트 접점(141)이 턴온되는 신호가 입력되면 상기 엔코더부(130)를 리셋하며, 상기 제2 리미트 접점(143)이 턴온되는 신호가 입력되면 상기 지지축부(40)가 상기 제1 리미트 접점(141)을 턴온시키는 위치까지 상기 모터부(110)를 역회전시키는 제어부(150)로 구성되는 제어장치 및
전면에 개구(211)가 형성된 본체 케이스부(210); 상기 본체 케이스부(210)의 개구(211)에 대향하여 상기 본체 케이스부(210)에 결합되는 전면 덮개부(220); 상기 개구(211)에 대응되는 부분의 상기 전면 덮개부(220)에 면상으로 접하여 구비되어 우수가 상기 전면 덮개부(220)에 떨어졌을 때 우수의 충돌을 감지하여 비의 유무나 양을 감지하는 복수 개의 박막형 충돌 감지 센서부(230), 상기 박막형 충돌 감지 센서부(230)에서 출력되는 신호로부터 우수의 유무나 양을 판단하여 상기 제어장치의 제어부(150)에 전달하는 제어모듈부(240)로 구성되는 레인센서장치로 구성되어, 빗물의 양이 소정 임계치를 넘어서는 경우 상기 제어부(150)가 상기 태양광 패널부(10)를 수평으로 배치하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
청구항 1에 있어서,
제1단 베어링부(30)가 내면의 직경은 동일하고 외면의 직경이 아래로 내려갈수록 작아지도록 테이퍼져 있는 내륜(31), 아래로 갈수록 직경이 작아지도록 내면이 테이퍼져 있고 내륜(31)의 외측에 구비되는 외륜(33) 및 내륜(31)과 외륜(33) 사이에 복수 개로 구비되는 롤러(35)로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
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