KR102586478B1 - 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 발전구조물의 변형, 변위 검출을 위한 구성 요소를 대폭 간소화함과 아울러 태양광 발전구조물의 변형, 변위를 효과적으로 측정하고 이상 발생시 태양광 발전구조물의 전기적 회로가 계통으로부터 분리될 수 있도록 하여서 된 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템을 개시한다.
이를 위하여 본 발명은 구조물을 구성하는 주요 요소인 지주, 거더, 펄린, 솔라셀 모듈이 교차하는 지점에 압전모듈이 설치되되, 상기 압전모듈은 두께를 최소화함에도 불구하고 응력에 상응한 충분한 전력을 발생시킬 수 있도록 함과 아울러 태양광 발전구조물의 이상 변위 발생시 전력계통의 분리를 위한 차단기가 동작되도록 하여 태양광 발전구조물이 안전하게 보존되도록 한 것이다.
이와 같이 하여 본 발명은 간단하면서도 효율이 높은 압전모듈에 의하여 태양광 발전구조물의 거동을 효율적으로 감지하여 경제적이며, 이상시 전원 계통을 즉시 분리할 수 있도록 하여 안전을 도모할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.
이를 위하여 본 발명은 구조물을 구성하는 주요 요소인 지주, 거더, 펄린, 솔라셀 모듈이 교차하는 지점에 압전모듈이 설치되되, 상기 압전모듈은 두께를 최소화함에도 불구하고 응력에 상응한 충분한 전력을 발생시킬 수 있도록 함과 아울러 태양광 발전구조물의 이상 변위 발생시 전력계통의 분리를 위한 차단기가 동작되도록 하여 태양광 발전구조물이 안전하게 보존되도록 한 것이다.
이와 같이 하여 본 발명은 간단하면서도 효율이 높은 압전모듈에 의하여 태양광 발전구조물의 거동을 효율적으로 감지하여 경제적이며, 이상시 전원 계통을 즉시 분리할 수 있도록 하여 안전을 도모할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.
Description
본 발명은 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히 설명하면 솔라 어레이(Solar Array)가 설치된 태양광 발전구조물의 체결 구조 진단 및 변형, 진동을 감지하고, 감지 결과 데이터에 기반하여 안전 조치를 취할 수 있도록 한 태양광 발전 구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 압전소자(Piezoelectric elements)는 외부의 어떤 힘으로 변형(Strain)이 발생되면 변위된 전하가 반대편에 축적되는 기전력을 발생시키는 소자이다. 압전소자의 기본적인 형태 및 작동을 도 1로 도시하였다.( 古谷克司 (도요타 공업대학 공학부 첨단공학기초학과), 압전효과를 이용한 센서. 일본: (사)계측자동제어학회 2007. 08 참조)
이러한 압전소자의 예에서 보는 바와 같이 압전소자가 수직으로 힘을 받게 되는 경우, 양측에서 인장력을 받은 경우, 또는 뒤틀림 응력을 받는 경우 등 모든 경우에 압전체가 직접 힘을 받으면서 출력하는 전력 밀도는 0.001 ~ 90 mW/m3 에 불과하여 태양광셀에 비하더라도 0.000002% ~ 0.01.8%에 불과한 매우 낮은 것이다.( 이수진 외2, 압전에너지하베스팅. 한국과학기술정보연구원, 2013, ISBN 978-89-294-0366-9 93550, 8쪽 참조 )
그러므로, 압전소자에서 출력되는 전압도 매우 낮은 반면, 이차전지를 충전하기 위하여 필요한 최소 입력전압이 압전소자에 의하여 발전되는 전압에 비해 상대적으로 높고 이차전지 충전에 필요한 전압까지 승압시키는데 손실이 커 실용화하기 어려운 단점이 있었다.
즉, 압전소자에서 발전되는 교류전압을 직류로 변환하는데 정류기에서만 실리콘 다이오드의 순방향 문턱전압으로 인하여 1.4V가 소모되고 (발전전압이 2V인 경우 정류회로에서만 효율은 약 9%에 불과하여 91%가 손실됨), 스위칭회로와 승압변압기를 결합한 방식의 직류 전압승압기(DC-DC Converter)에서만 약 50%의 전력 손실이 발생한다.
따라서, 전체 효율은 입력전압이 2V 인 경우 약 4.5%에 불과하여 실용화에 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 특허등록 10-1794615 ( 발명의 명칭: 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템; 이하 ‘인용발명1’이라 함)이 제안된 바 있다.
이는 도 2,3으로 도시한 바와 같이 압력변화를 감지하여 전압을 발생하는 다수의 압전소자; 상기 압전소자에 일대일 대응되며, 상기 압전소자에서 발생한 전압을 정류 및 증폭하여 소정 전압으로 변환시키며, 입력 전압을 승압하는 트랜스포머와, 전압을 정류 및 소정 전압으로 증폭시키는 정류 및 전압 증폭부와, 상기 트랜스포머에서 승압된 전압을 상기 정류 및 전압 증폭부에 연결시키는 제1 스위치와, 입력 전압을 상기 트랜스포머를 거치지 않고 상기 정류 및 전압 증폭부에 바로 연결시키는 제2 스위치와, 상기 입력 전압이 기준전압 미만일 경우 상기 제1 스위치를 온시켜 증폭된 전압을 입력하고, 상기 입력 전압이 기준전압 이상일 경우 상기 제2 스위치를 온시켜 입력전압을 바로 입력하도록 제어하는 제어부와, 상기 정류 및 전압 증폭부에서 증폭된 일정 전원을 저장하는 배터리와, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 정류 및 전압 증폭부에서 증폭된 전원을 상기 배터리에 연결시키는 제3스위치 및 시스템 동작 초기에 상기 배터리의 전원을 상기 제어부에 연결하여 초기구동전원을 공급하는 제4스위치를 포함하는 다수의 전력변환기; 상기 다수의 전력변환기(110)에서 변환된 전압을 집전하는 1차 전력집전기; 상기 1차 전력집전기에서 집전된 전압을 충전하는 1차 충전기; 상기 1차 충전기에서 충전된 전압을 저장하는 1차 에너지저장장치; 상기 1차 에너지저장장치에 저장된 전압을 집전하는 2차 전력집전기; 상기 2차 전력집전기에서 집전된 전압을 충전하는 2차 충전기; 및
상기 2차 충전기에서 충전된 전압을 저장하는 2차 에너지저장장치를 포함하여서 된 것이다.
이러한 인용발명 1에 의하면 이차전지 충전에 필요한 전압까지 승압시키는데도 콘덴서에 충전된 전압을 다른 콘덴서로 이동하고 축적하는 스위칭 방식으로 일차적으로 승압을 하므로 승압 손실은 거의 없으며 다만 제어회로에서만 일부 손실이 있으나 직류 전압승압기 (DC-DC Converter)에서는 약 90%의 고효율을 나타낼 수 있는 것으로 기재하고 있다. 이와 같이 인용발명 1은 압전소자의 출력전압이 낮으므로 이차전지 충전에 필요한 전압까지 승압시키는데 콘덴서에 충전된 전압을 다른 콘덴서로 이동하고 축적하는 스위칭 방식으로 승압함으로써 승압 손실을 최소화하고 있는 것이다.
따라서, 인용발명 1은 압전소자의 출력전압이 낮아 이를 극복하기 위하여 도2,3으로 도시된 바와 같은 많은 구성부품을 사용하여 소전력 변환시스템을 구성하여야 하므로 경제적이지 못하여 합리적인 대안이 되지 못하고 있는 문제점이 있다.
아울러, 솔라셀어레이를 설치한 태양광 발전구조물은 시공후 강풍과 강설, 폭우, 지진 등으로 인하여 안전을 위협받고 있으며, 특히, 폭우와 지진으로 인한 지반의 변형, 손상으로 태양광 발전구조물이 파괴되어 심대한 피해가 발생하는 경우가 있다.
그러므로 종래에도 진동 또는 기울기로 인한 재난 안전상황을 실시간으로 확인하고 신속한 조치를 통해 재난에 대비할 수 있도록 하기 위하여 대한민국 특허등록 10-2313139(발명의 명칭:재난안전 태양광구조물 모니터링 시스템 및 모니터링 방법; 이하 ‘인용발명2’라 함)이 제안된 바 있었다.
이러한 인용발명2에 의하면 직류 전압을 생성하고 전류를 발생하는 복수의 태양전지 어레이(1)와; 상기 태양전지 어레이(1)는 태양광 구조물에 장착되고; 진동센서(11), 전원부(12), 기울기센서(13) 및 통신부(14)로 구성된 진동기울기센서유닛(10)에서, 상기 전원부(12)는 교류전원, 직류전원 및 백업용 전원 등 3중 전원을 통하여 정전 및 유지보수 강화하며; 데이터처리부(21), 상황 판단 제어부(22), 통신부(23) 및 데이터뱅크(25)로 구성된 구조물감시제어기(20),통신망(30)과 PC 및 스마트폰으로 이루어진 수신단말기(50)로 구성되는 태양광구조물 모니터링 시스템에 있어서, 상기 진동기울기센서유닛(10)은 각각의 진동신호와 기울기신호를 감지하여 이를 상기 구조물감시제어기(20)로 전송하고; 상기 데이터뱅크(25)는 모듈 이탈에 대한 데이터, 구조물 이탈에 대한 데이터 및 지진에 대한 데이터를 저장하며; 상기 데이터처리부(21)에서의 데이터 처리 동작은 수집된 진동의 진폭, 진동의 주기, 기울기의 폭, 기울기의 변동주기 데이터를 처리하고; 상기 상황판단 제어부(22)에서는 전송된 모든 데이터를 비교분석하여 사고발생 위치를 판단하며; 상기 수신단말기(50)에 표시된 정보는 구조물의 현재 및 누적 동작상태와, 유무선의 통신 상태와, 구조물의 주의 및 알람을 표시하도록 하였다.
이러한 인용발명2에 의하여 태양광 모듈이탈 및 구조물의 진동 또는 기울기
변화를 실시간으로 이상상황을 확인하고 신속한 조치를 통해 재난을 방지할 수 있는 효과가 있고, 진동센서 또는 기울기 센서로부터 수집된 데이터를 분석 판단하여 태양광 모듈이탈 및 구조물 이상상태, 지진 등을 유형별로 구분하는 모니터링할 수 있고, 이상발생 위치를 찾아서 이상상황을 확인하고 신속한 조치를 취할 수 있는 효과가 기재되어 있다.
이러한 인용발명2는 수신단말기(50)를 통하여 구조물의 현재 및 누적 동작상태, 구조물의 주의 및 알람을 표시하도록 하고 있는 반면, 전력 계통연계상황에서 이상 발생에 따른 전력선을 차단하지 못하여 2차 피해를 초래하게 되는 문제점이 있는 것이다.
1. 古谷克司 (도요타 공업대학 공학부 첨단공학기초학과), 압전효과를 이용한 센서. 일본: (사)계측자동제어학회 2007. 08
2. 이수진 외2, 압전에너지하베스팅. 한국과학기술정보연구원, 2013, ISBN 978-89-294-0366-9 93550, 8쪽
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 태양광 발전구조물의 변형, 변위 검출을 위한 구성 요소를 대폭 간소화함과 아울러 태양광 발전구조물의 변형, 변위를 효과적으로 측정하기 위한 개소를 특정하고 이상 발생시 태양광 발전구조물의 전기적 회로가 계통으로부터 분리될 수 있도록 하여서 된 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 풍압, 진동 등 외력이나 구조물 변위에 의한 태양광 발전구조물의 거동을 감지하기 위하여 구조물을 구성하는 주요 요소인 지주, 거더, 펄린, 솔라셀어레이가 교차하는 지점에 압전모듈이 설치되되,
상기 압전모듈은 두께를 최소화하여 구조물 체결이 취약하게 되지 않도록 하기 위하여 응력이 가하여 지는 방향과 동일 방향으로 텐션에 따라 변형되는 상부 및 하부 텐션 승강요소; 상기 응력이 가하여지는 방향과 90°방향으로 방향전환을 위한 응력방향전환수단;
상기 응력방향과 직각으로 다수 적층되어 길이가 증가된 피에조스택( Piezo Stack );을 설치하여서 된 것으로 두께가 얇게 하면서도 응력에 상응한 충분한 전력을 발생시킬 수 있도록 한 구조를 제안한다.
본 발명에서는 상기한 구성의 압전모듈을 태양광 발전 구조물을 구성하는 주요 요소인 지주와 지면, 지주와 거더, 거더와 펄린, 펄린과 솔라셀어레이 사이에 압전모듈을 설치하며, 구조물의 변형, 변위가 감지되는 경우 효율적으로 이를 감지하고, 압전모듈의 출력 상태에 상응하여 전력계통의 분리를 위한 차단기가 동작되도록 하여 태양광 발전구조물이 회로적으로 전력계통으로부터 분리되도록 하여서 된 것이다.
이와 같이 하여 본 발명은 압전모듈의 출력전압이 충분히 높게 되어 도 2 내지 도 3으로 보인 추가적 구성요소가 불필요하도록 하므로 제작 비용을 절감하고 고장 요인을 크게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 태양광 발전구조물의 거동 집중 발생 개소에 본 발명에 의한 압전 모듈을 설치하여 구조물의 강성 저하 없이 유의미한 데이터를 확보하고 발전구조물의 이상시 전원 계통을 즉시 분리할 수 있도록 하여 전력계통을 분리, 차단함으로써 태풍이나 진동 등 외력에 의한 변위, 진동, 거동으로 인하여 발생할 수 있는 감전사고나 구조물의 손상 및 화재 등 2차 피해를 방지하여 인명과 재산을 보호할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 압전셀의 기본적인 형태 및 작동을 보인 설명도.
도2,3는 종래의 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템 전기적 구성을 보인 개략도.
도 4는 일반적인 태양광 발전 구조물의 구조를 보인 설명도.
도 5는 본 발명에서 활용되는 단위 압전셀 구조를 예시한 설명도.
도 6는 본 발명에 의한 압전모듈의 전체적인 구성을 예시한 사시도.
도 7은 본 발명에 의한 압전모듈의 전체적인 구성을 예시한 측면도.
도 8은 본 발명에 의한 압전모듈의 상부, 하부 텐션승강요소와 텐션플레이트의 결합 구조를 예시한 사시도.
도 9는 본 발명에 의한 압전모듈의 구체적인 시공 구조를 예시한 측면도.
도 10은 본 발명에 의한 압전모듈의 실제 작동을 보인 측면도.
도 11은 지면 기초에 적용된 본 발명에 의한 시공 구조의 예시도 및 부분 확대도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 압전모듈의 시공예를 보인 설명도.
도 13은 본 발명을 적용한 지주와 거더의 시공예를 보인 사시도.
도 14는 본 발명을 적용하여 시공된 지주와 거더의 조립 상태를 보인 측면도 및 부분 확대도.
도 15는 본 발명에서 솔라셀모듈과 거더 및 펄린이 조립 시공된 상태를 보인 사시도.
도 16은 본 발명에서 솔라셀모듈과 거더 및 펄린이 조립 시공된 상태의 측면도 및 부분 확대도.
도 17은 본 발명의 전체적인 전기적 구성을 보인 개략도.
도2,3는 종래의 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템 전기적 구성을 보인 개략도.
도 4는 일반적인 태양광 발전 구조물의 구조를 보인 설명도.
도 5는 본 발명에서 활용되는 단위 압전셀 구조를 예시한 설명도.
도 6는 본 발명에 의한 압전모듈의 전체적인 구성을 예시한 사시도.
도 7은 본 발명에 의한 압전모듈의 전체적인 구성을 예시한 측면도.
도 8은 본 발명에 의한 압전모듈의 상부, 하부 텐션승강요소와 텐션플레이트의 결합 구조를 예시한 사시도.
도 9는 본 발명에 의한 압전모듈의 구체적인 시공 구조를 예시한 측면도.
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도 11은 지면 기초에 적용된 본 발명에 의한 시공 구조의 예시도 및 부분 확대도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 압전모듈의 시공예를 보인 설명도.
도 13은 본 발명을 적용한 지주와 거더의 시공예를 보인 사시도.
도 14는 본 발명을 적용하여 시공된 지주와 거더의 조립 상태를 보인 측면도 및 부분 확대도.
도 15는 본 발명에서 솔라셀모듈과 거더 및 펄린이 조립 시공된 상태를 보인 사시도.
도 16은 본 발명에서 솔라셀모듈과 거더 및 펄린이 조립 시공된 상태의 측면도 및 부분 확대도.
도 17은 본 발명의 전체적인 전기적 구성을 보인 개략도.
이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 도 17로 도시한 바와 같이 다수의 지주(200), 거더(202), 펄린(201), 솔라셀 모듈(300)로 구성된 솔라셀 어레이(301)로 태양광 발전구조물을 구축하되,
상기 지주(200), 거더(202), 펄린(201) 및 솔라셀 모듈(300) 사이에 설치된 압전모듈(400);
상기 압전모듈(400)에 의하여 생성되는 데이터에 의하여 출력이 결정되는 MC콘트롤러(810); 및 상기 MC콘트롤러(810)의 출력으로 전원 계통분리 작동을 실시하는 MC접점(811)으로 구성된다.
이러한 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 상기 압전모듈(400)의 피에조스택(500)을 구성하기 위한 요소인 압전셀(100)을 살펴 보면,
본 발명은 도 5로 보인 바와 같이 힘이나 응력이 가하여 지는 두 기판(102)의 내측으로 탄성이 높은 재질로 제작된 탄성판(103)을 설치하며, 상기 탄성판(103) 사이에 압전판(101)을 구비하여서 된 것이다.
이와 같이 된 압전셀(100)은 두 기판(102)에 힘이나 변위 응력이 가하여 지면 탄성판(103)이 변형되면서 탄성판(103) 사이의 압전판(101)이 변형되므로 기전력을 발생시키고 두 기판(102)에 가하여 지던 힘이나 변위 응력이 소실되면 즉각 탄성판(103)이 대기상태로 복원되면서 압전판(101)이 원상 복귀되는 동작을 수행한다.
본 발명에서는 이와 같이 된 압전셀(100)을 다수 동일한 반복배열로 배치한 후 이들을 직렬 접속하고 일체로 성형한 다음 양단에서 전극을 인출함으로써 출력 전압 레벨을 상승시킨 도면상 횡상 구조의 피에조스택(500)( Piezo Stack )을 얻는다. 이러한 피에조스택(500)을 이용하여 제작된 본 발명에 활용되는 압전모듈(400)을 도 6의 사시도로 도시하였다. 이에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명은 발전구조물에 인가되는 응력방향과 일치되는 방향에 설치되어 텐션에 따라 변형되고 텐션이 제거되는 경우 원래 형상으로 복귀되는 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)를 구비한다.
이러한 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)는 예를 들면 야외에 설치되는 발전구조물의 특성상 내식성의 금속이나 엔지니어링 플라스틱 등으로 제작될 수 있다. 특히, 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)는 텐션인가에 따른 변형과 텐션해제에 따른 복귀가 가능하며, 특히 상,하부로 가하여 지는 응력 방향을 수평 방향으로 전환하는 응력방향전환수단으로 구비된 푸쉬윙(410)(Push Wing)을 구비하게 된다.
이러한 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)는 상기한 바와 같이 그 두께가 제한되므로 두께가 증가될 수 있는 다른 요소의 개입은 배제된다.
아울러, 본 발명에서는 상기한 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)의 푸쉬윙(410)에 의하여 텐션을 전달받을 수 있도록 인가되는 텐션에 대하여 직각이 되며 도면상 횡방향으로 배치된 피에조스택(500)이 설치된다.
이러한 피에조스택(500)은 다수 적층되어 길이가 길게된 형태이며, 상기 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)가 하강면서 푸쉬윙(410)을 도면상 횡방향으로 미는 힘을 발생시켜 피에조스택(500)에서 전극으로 기전력을 발생시킨다.
이때 발생하는 기전력은 대체로 상기한 압전셀(100)의 발생기전력과 적층 수를 곱한 값으로 되는 것이다.
본 발명에서는 상기한 피에조스택(500)을 이용하여 충분한 전력밀도의 출력을 낼 수 있는 압전모듈(400)을 구성하기 위하여 보조적 요소와 결합되며, 그 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 압전모듈(400)의 기본 구조를 도 6 내지 도 10에서 도시하였다. 이에서 볼 수 있는 바와 같이 2개의 체결봉(602) 및 체결봉(602) 양단에 엔드플레이트(600)를 끼우고 텐션조절너트(701)를 체결하며 엔드플레이트(600)과 밀접되도록 피에조스택(500)을 양측으로 배치, 고정한다.
아울러, 상기 피에조스택(500) 내측에 상부 및 하부 텐션승강요소(401, 402)가 배치되며, 상부 및 하부 텐션승강요소(401, 402)에 부설된 응력방향전환수단인 푸쉬윙(410) 선단이 양측의 피에조스택(500)에 밀착되도록 한 상태에서 텐션조절너트(601)를 회동시켜 상기 푸쉬윙(410) 선단과 양측의 피에조스택(500)의 밀착되어 쉽게 분리되지 않을 정도로 텐션이 유지되도록 조립하여 압전모듈(400)의 조립을 완료한다.
이어서, 이와 같이 하여 조립된 압전모듈(400)은 구조물에 의하여 가하여 지는 압력이 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)에 가하여져 하강함에 따라 텐션플레이트(430)에 고정된 푸쉬윙(410)선단이 수평으로 펴지면서 양측으로 배치된 피에조스택(500)을 밀어 내도록 한다.
즉, 본 발명에서는 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)에 가하여 지는 수직상의 압력이 수평상으로 배치된 피에조스택(500)에 가하여 지도록 하기 위하여 응력방향전환수단을 적용하며, 구체적으로는 양측으로 푸쉬윙(410)이 설치되어 “/”상으로 있던 푸쉬윙(410)이 “ㅡ”과 같이 펴지면서 길이가 신장되는 효과가 발생하므로 푸쉬윙(410)이 피에조스택(500)을 엔드플레이트(600) 측으로 밀어내는 힘을 발생시킬 수 있게 된다.
아울러, 푸쉬윙(410)에 의하여 양측으로 밀려난 피에조스택(500)에 안정적으로 균형잡인 힘을 가하도록 하기 위하여 텐션플레이트(430)가 사용된다. 이러한 텐션플레이트(430)는 푸쉬윙(410)과 피에조스택(500) 사이에 배치 고정된다.
실제로는 도 7 및 도 8 로 보인 바와 같이 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)의 푸쉬윙(410) 단부와 텐션플레이트(430)가 물림돌부(421)와 물림요부(422)로 구성된 체결구조(420)의 일종인 맞물림 구조로 결합 고정될 수 있으며, 기타 다양한 체결구조의 적용이 가능함은 물론이다.
아울러, 상기 텐션플레이트(430)는 안정적 습동을 위하여 습동공(431)이 구비되어 체결봉(602)에 끼워져 이탈됨이 없이 안정적으로 진퇴되도록 한다.
도 9 및 도 10에서 본 발명에 의한 압전모듈(400)의 구체적인 시공 구조를 측면도로 예시하였으며, 도 11에는 지주와 기초매설물(706)에 적용된 본 발명에 의한 시공 구조의 예시도 및 부분 확대도를 도시하였다.
이러한 본 발명에서는 태양광 발전구조물의 특성상 구조물에 가하여지는 응력을 감지하기 위한 압전모듈(400)을 장착 가능한 공간은 제한 조건이 매우 엄격하게 된다. 즉, 압전모듈(400)이 설치되더라도 발전구조물의 기계적 강성 저하 요인이 발생되지 않도록 하기 위하여 두께는 극히 제한되는 반면 폭은 다소 넓게 되더라도 수용가능한 형태로 된다.
즉, 도 9 내지 도 11에서 보인 바와 같이 지주(200)와 지면의 기초매설물(706) 사이의 구조를 살펴보면 기초매설물(706)에 용접된 하부구조물플레이트(705), 지주(200) 하단에 용접된 상부구조물플레이트(700)와,
상기 상부 및 하부구조물플레이트(700, 705) 사이에 배치되는 압전모듈(400)을 위한 상부센서플레이트(701)와, 상부센서플레이트(701) 하방으로 시공시 탄발력을 제공하기 위한 스프링와셔(702)와, 스프링와셔(702) 하방의 지지대(703)와, 시공시 탄발력을 제공하기 위한 스프링와셔(702)와, 기초매설물(706) 상방으로 배치되며 하부센서플레이트(704) 및 이들을 체결나사(707)로 체결하여 확보된 두께가 얇고 넓이가 넓은 압전모듈 수용공간이 형성되도록 한다.
이러한 압전모듈 수용공간에 상기 상부 및 하부센서플레이트(701, 704)가 설치되고, 상부 및 하부센서플레이트(701, 704) 중앙에 압전모듈(400)의 상부 및 하부텐션승강요소(401, 402)의 중심이 위치하도록 조립하여서 된 것이다.
이와 같이 된 본 발명에 의한 압전모듈(400)의 동작을 도9 및 도10으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명은 태양광 발전구조물에 정상상태에서는 상태에서는 하중에 의한 압력으로는 구조물 플레이트가 변형되지 않도록 설계, 시공되어 있으므로 도9로 보인 바와 같이 변형이 없는 상태로 대기하게 된다.
이러한 상태에서 풍압이나 충격, 진동 등 외적 요인에 의하여 지주(200)가 힘을 받게 되면 도10으로 보인 바와 같이 구조물플레이트가 변형되어 미세하지만 점선으로 보인 바와 같은 정상상태에서 하방으로 쳐지는 실선 상태로 된다. 이러한 상태에서는 상부 센서플레이트가 하방으로 휘게 되면서 상부텐션승강요소(401)를 하방으로 밀게 되며 그 결과 상부텐셩승강요소(401)의 응력방향전환수단인 푸쉬윙(410)이 경질로 된 것이어서 변형되지 않고 화살표로 도시한 바와 펴지면서 같이 도 10으로 보인 바와 같이 피에조스택(500)을 좌, 우를 밀게 된다. 이에 따라 텐션플레이트(430)가 체결봉(602)에 의하여 지지, 안내 되면서 각각 도면상 좌, 우로 이동하게 되는 것이며, 그 결과 텐션플레이트(430)가 도면상 좌, 우의 피에조스택(500)을 좌, 우의 엔드플레이트(600) 방향으로 밀게 되는 것이다.
그러므로, 다수의 압전셀(100)이 동시에 압력을 받아 피에조스택(500)에서 높은 기전력을 발생시켜 미도시된 양측의 전극으로 출력시키는 것이다.
한편, 본 발명에서는 상부 텐션승강요소(401) 뿐 아니라 하부 텐션승강요소(402) 역시 동일한 대칭 동작을 하게 되어 텐션플레이트(430)가 기울어지지 않고 직립하여 이동함으로써 안정적인 기능 발휘가 가능하게 된다.
즉, 본 발명에서는 도10으로 보인 기초매설물(706) 상방의 하부구조물플레이트(705)가 지지대(703)를 경유하여 하방으로 향하는 응력을 함께 받게 되므로 기초매설물(706) 상방의 하부구조물플레이트(705)가 점선으로 보인 바와 같이 상방으로 휘는 응력을 받게 되고 이에 따라 하부 센서플레이트(701) 역시 상방으로 휘면서 하부텐션승강요소(402)가 상방으로 눌리는 힘을 받게 된다.
이에 따라 하부텐션승강요소(402)의 푸쉬윙(410)이 화살표로 도시한 바와 펴지면서 같이 도 10으로 보인 바와 같이 피에조스택(500)을 좌, 우를 밀게 된다. 그러므로, 텐션플레이트(430)가 체결봉(602)에 의하여 지지, 안내 되면서 각각 좌, 우로 이동하게 되는 것이며, 그 결과 텐션플레이트(430)가 도면상 좌, 우의 피에조스택(500)을 좌, 우의 엔드플레이트(600) 측으로 밀게 되는 바, 이때 다수의 압전셀(100)이 동시에 압력을 받아 피에조스택(500)에서 높은 기전력을 발생시켜 미도시된 양측의 전극으로 출력시키는 것이다.
또한, 본 발명은 도12로 보인 실시예와 같이 압전모듈(400) 2개를 90°로 교차시키고 구조물 플레이트에 체결되는 4방향센서플레이트(7011)의 전개부(7014)가 상기 압전모듈(400)의 피에조스택(500) 배치 위치와 일치하도록 동일 각도, 방향으로 설치하여 “+”형으로 하며 센서플레이트의 중심점(7013)이 상부 및 하부 텐션승강요소(401, 402)와 정확히 일치하도록 구성한다.
아울러, 상기 전개부(7014)의 체결나사공(7012)에 상기 체결나사(707)가 관통하여 체결되도록 함으로써 다양한 방향으로 입력되는 응력에 대응하여 4개의 피에조스택(500)에서 다양한 방향의 응력에 상응한 감도 높은 신호 출력이 발생될 수 있는 것이고, 4개 피에조스택(500)의 출력데이터를 활용하여 응력의 크기와 발생 방향을 복합적으로 감지할 수 있는 데이터가 제공될 수 있다.
아울러, 상기한 2개의 피에조스택(500)이나 4개의 피에조스택(500)을 적용한 실시예에서 출력되는 신호는 아날로그이므로 MCU에서 신호처리를 위하여 반드시 A/D변환기를 사용하여야 함은 물론이다.
이러한 본 발명을 적용한 다른 실시예를 도 13 이하에 도시하였다.
먼저, 도 13에는 지주(200)와 거더(202)의 사이에 시공된 본 발명의 시공예를 보였으며, 이에서는 지주(200)와 거더(202) 사이의 구성이 쉽게 관측되기 어려운 상태이다. 그러므로, 도 14에는 지주(200)와 거더(202) 사이의 결합부에 시공된 본 발명의 적용예를 보이고 있다. 즉, 도 14 및 도 14의 부분 확대도에서 관찰되는 바와 같이 지주(200)와 거더(202) 사이에 지지대(703) 및 스프링와셔(702)를 관통하는 체결나사(707)가 체결되어 있다.
아울러, 상부구조물플레이트(700), 상부센서플레이트(701)와 하부구조물플레이트(705), 하부센서플레이트(704) 사이에 압전모듈(400)의 상부 텐션승강요소(401)와 하부 텐션승강요소(402)가 설치되어 있다.
이러한 구성에 의하면 주변의 진동, 태풍 등 풍압에 의한 힘의 변위 등으로 거더(202)가 정상 범위 이상의 힘을 받게 되면 상부구조물플레이트(700), 상부센서플레이트(701) 및 하부구조물플레이트(705), 하부센서플레이트에 (704)사이에 변형이 발생하면서 압전모듈(400)의 상부 텐션승강요소(401)와 하부 텐션승강요소(402)가 힘을 받아 푸쉬윙(410)이 피에조스택(500)에 힘 또는 변위를 가하여 출력신호가 발생되고 이러한 신호는 전술한 바와 같이 A/D 변환기를 거쳐 디지털 데이터로 변환된 후 MC 콘트롤러(810)에 내장된 MCU(도면에 미도시됨)에 인가되는 것이다.
아울러, 솔라셀모듈(300)과 펄린(201) 그리고 거더(202)를 결합한 실시예를 도15의 사시도 및 도 16의 측면도 및 부분확대도로 도시하였다.
이에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 도 15에서는 솔라셀모듈(300)의 하방으로 거더(202) 하단이 돌출되고 측방으로는 펄린(201)의 단부가 노출된 상태를 보이고 있다. 아울러, 도 16 및 그 확대도로 보인 바와 같이 풍압이나 진동 등에 의하여 여러 방향으로 힘을 받게 되는 솔라셀모듈(300)과 펄린(201), 거더(202) 사이에 도16 및 그 확대도로 보인 바와 같은 결합 구조를 부여한다.
이러한 압전모듈(400)을 적용한 결합구조는 거더(202)와 펄린(201) 사이 및 펄린(201)과 솔라셀모듈(300) 사이(도면 도시는 생략됨)에 적용되며, 상부구조물플레이트(700), 상부센서플레이트(701)와 하부센서플레이트(704), 하부구조물플레이트(705) 사이에 압전모듈(400)의 상부 텐션승강요소(401)와 하부 텐션승강요소(402)가 고정되고, 이러한 실시예에서는 별도의 지지대(703))와 스프링와셔(702)를 구비하지 않고 통상의 체결나사(707)에 의하여 브라켓(709)으로 도시된 구조를 체결하여 강성 구조를 구비하였다.
이러한 실시예에서는 거더(202)와 펄린(201), 솔라셀모듈(300)을 위한 강성구조는 브라켓(709)으로 제공되고, 풍압이나 진동으로 발생되는 힘의 변위는 상부 및 하부구조물프레이트(700, 705)와 상, 하부센서플레이트(701, 704)에 의하여 제공되는 것이다.
이러한 다양한 실시예에 의하여 압전모듈(400)에서 발생된 신호는 MC 콘트롤러(810)에 내장된 MCU에서 디지털 데이터 값으로 미리 설정된 값과 대비하여 입력된 값이 설정된 비상상태값 이상으로 큰 경우가 설정된 지속시간 이상 발생되는 경우 MC 콘트롤러(810)에서는 즉각 출력을 발생시켜 MC코일(812)에 전류를 흘려 줌으로써 MC접점(811)을 오프시키는 것이어서 외부로의 전력공급이 차단된다.
이와 같이 태풍이나 진동 등의 외력 또는 구조적 결함 등에 의하여 지주(200), 거더(202), 펄린(201), 솔라셀모듈(300)로 구성된 솔라셀 어레이(301)의 조립 구조에 손상, 변형, 이완 등의 문제가 발생하였을 시 MC 콘트롤러(810)의 MCU는 즉각 MC접점(811)이 차단되도록 함으로서 외부의 전력망과의 연계를 차단하여 외부 전력망에 악영향을 주지않게 되고 전력구조물에도 단락 등으로 인한 손상이 발생하지 않도록 조치하게 된다.
아울러, 본 발명에서는 자이로센서(803)를 지주, 거더, 펄린 등에 부착하여 압전모듈(400)과 함께 사용함으로써 태양광 전력구조물에 MACRO 수준의 손상 발생시 즉각 MC 콘트롤러(810)에서 출력이 발생되어 MC 접점(811)이 차단되도록 할 수도 있다.
본 발명에서는 이러한 자이로센서(803)의 대표적인 것으로 무선통신기반 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 센서를 채택하고, 통신모듈을 경유하여 데이터를 무선 송출하며, MC 콘트롤러(810)에서 게이트웨이를 경유하여 자이로센서(803)의 상태를 수신하고 MC접점(811)의 개폐를 제어할 수 있도록 하는 형태로 실시할 수 있다.
이때 자이로센서(803)와 MC 콘트롤러(810) 사이의 무선 통신은 지그비, 블루투스, 무선랜, 지웨이브 등 여러 통신 방식 중 어느 하나를 선택하여 적용할 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명에서는 DC-DC컨버터(800)를 사용하여 전압의 안정화 및 승압을 도모하고 있으며, 그 출력을 IGBT 스택(804)에 인가하여 상용교류전압을 얻도록 하고 있다. 이러한 실시예에서는 작동 개시나 비상시 작업원의 조작이 가능한 DC스위치(801)와 MCCB(900)를 추가하여 안정적인 운용이 가능하도록 설치하였다.
이상에서, 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.
100 : 압전셀 101 : 압전판
102 : 기판 103 : 탄성판
200 : 지주 201 : 펄린
202 : 거더 300 : 솔라셀 모듈
301 : 솔라셀 어레이 400 : 압전모듈
401 : 상부 텐션승강요소 402 : 하부 텐션승강요소
410 : 푸쉬윙 420 : 체결구조
421 : 물림돌부 422 : 물림요부
430 : 텐션플레이트 431 : 습동공
500 : 피에조스택 600 : 엔드플레이트
601 : 텐션조절너트 602 : 체결봉
700 : 상부구조물플레이트 701 : 상부센서플레이트
702 : 스프링와셔 703 : 지지대
704 : 하부센서플레이트 705 : 하부구조물플레이트
706 ; 기초매설물 707 ; 체결나사
708 : 체결나사공 709 : 브라켓
7011: 4방향센서플레이트 7012 : 나사관통공
7013 : 센서플레이트의 중심점 7014 : 전개부
800 : DC-DC 컨버터 801 : DC스위치
802 ; 인버터 803 : 자이로센서
804 : IGBT 스택 810 : MC 콘트롤러
811 : MC 접점 812 : MC 코일
900 : MCCB
102 : 기판 103 : 탄성판
200 : 지주 201 : 펄린
202 : 거더 300 : 솔라셀 모듈
301 : 솔라셀 어레이 400 : 압전모듈
401 : 상부 텐션승강요소 402 : 하부 텐션승강요소
410 : 푸쉬윙 420 : 체결구조
421 : 물림돌부 422 : 물림요부
430 : 텐션플레이트 431 : 습동공
500 : 피에조스택 600 : 엔드플레이트
601 : 텐션조절너트 602 : 체결봉
700 : 상부구조물플레이트 701 : 상부센서플레이트
702 : 스프링와셔 703 : 지지대
704 : 하부센서플레이트 705 : 하부구조물플레이트
706 ; 기초매설물 707 ; 체결나사
708 : 체결나사공 709 : 브라켓
7011: 4방향센서플레이트 7012 : 나사관통공
7013 : 센서플레이트의 중심점 7014 : 전개부
800 : DC-DC 컨버터 801 : DC스위치
802 ; 인버터 803 : 자이로센서
804 : IGBT 스택 810 : MC 콘트롤러
811 : MC 접점 812 : MC 코일
900 : MCCB
Claims (17)
- 지주, 거더, 펄린, 솔라셀 모듈로 구성된 솔라셀 어레이로 태양광 발전구조물을 구축하되,
상기 지주, 거더, 펄린 및 솔라셀 모듈 사이에 설치된 압전모듈;
압전모듈에 의하여 생성되는 데이터에 의하여 출력이 결정되는 MC콘트롤러; 및
상기 MC콘트롤러의 출력으로 전원 계통분리 작동을 실시하는 MC접점;을 포함하며,
상기 압전모듈은,
지주 및 기초매설물, 지주 및 거더, 거더 및 펄린, 펄린 및 솔라셀 모듈의 상부구조물플레이트와 하부구조물플레이트 사이에 설치되고,
상기 압전모듈을 수용하기 위한 수용공간은,
상부구조물플레이트와 하부구조물플레이트 사이에 스프링와셔 및 지지대를 체결나사로 체결하여 형성되고,
상기 압전모듈을 수용하기 위한 수용공간에는,
상기 상부구조물플레이트와 하부구조물플레이트 사이에 상부센서플레이트, 압전모듈 및 하부센서플레이트가 순차 배치되도록 하며,
상기 상부센서플레이트와 하부센서플레이트의 중심점과, 상부 및 하부 텐션승강요소의 중심점이 일치되도록 배치됨을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 지주, 거더, 펄린, 솔라셀 모듈로 구성된 솔라셀 어레이로 태양광 발전구조물을 구축하되,
상기 지주, 거더, 펄린 및 솔라셀 모듈 사이에 설치된 압전모듈;
압전모듈에 의하여 생성되는 데이터에 의하여 출력이 결정되는 MC콘트롤러; 및
상기 MC콘트롤러의 출력으로 전원 계통분리 작동을 실시하는 MC접점;을 포함하며,
상기 압전모듈은,
2개의 체결봉;
상기 체결봉 양단에 고정된 엔드플레이트를 체결하는 텐션조절너트;
상기 엔드플레이트 내측에 배치되는 피에조스택;
상기 피에조스택을 양측으로 밀어내는 방향으로 배치된 응력방향전환수단을 구비한 상부 및 하부 텐션승강요소;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 제 6 항에 있어서, 상기 응력방향전환수단은,
상기 상부 및 하부 텐션승강요소의 양측으로 전개되는 방향으로 형성된 푸쉬윙을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 제 6 항에 있어서, 상기 텐션조절너트는,
상기 엔드플레이트를 관통하여 돌출된 단부에서 조임과 풀림에 따라 응력방향전환수단이 피에조스택을 밀어내는 텐션을 조정할 수 있게 됨을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 제 6 항에 있어서, 상기 피에조스택은,
상부 및 하부 텐션승강요소에 구비된 응력방향전환수단에 의하여 기전력을 발생시키기 위하여 2개로 구성됨을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 제 6 항에 있어서, 상기 피에조스택은,
두개의 기판;
상기 두 개의 기판 내면에 각각 설치되어 변위 응력에 따라 변형되는 탄성판;
상기 탄성판 사이에 양면이 각각 고정된 압전판;을 포함하는 다수의 압전셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 제 6 항에 있어서, 상기 응력방향전환수단은,
상기 상부 및 하부 텐션승강요소의 양측으로 전개되는 방향으로 형성된 푸쉬윙;
상기 푸쉬윙에 고정되는 텐션플레이트;를 포함하는 것임을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 제 11 항에 있어서, 상기 푸쉬윙과 텐션플레이트의 체결구조는,
상기 푸쉬윙과 텐션플레이트의 단부에 물림돌부와 물림요부를 형성하여서 된 것임을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 제 6 항에 있어서, 상기 피에조스택은,
상기 상부 및 하부 텐션승강요소의 응력방향전환수단이 상호 90°의 각도로 교차 배치되어 각 방향으로 밀어내도록 된 4개로 구성됨을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 제 13 항에 있어서, 상기 피에조스택 상,하에 장착되는 상부센서플레이트와 하부센서플레이트는,
상기 4개의 피에조스택과 동일한 각도 및 방향으로 연장된 전개부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 제 14 항에 있어서, 전개부의 체결나사공에는,
상기 체결나사가 관통하여 체결됨을 특징으로 하는 태양광 발전구조물의 안전 운용을 위한 보호 시스템. - 삭제
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