KR200329018Y1 - 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지 - Google Patents

Abstract

본 고안은 태양광을 추적하여 태양전지의 수광면인 모듈 조립체의 수평면의 방향을 태양광과 수직하게 되도록 방향을 제어하고, 하나의 태양전지에 넓은 수광면에 입사하는 태양광을 집속시켜 발전효율을 획기적으로 증대시킨 태양광을 추적할 수 있는 광집속 태양전지에 관한 것이다.

또한, 본 고안은 태양광의 위치를 감지하기 위한 센서의 수를 4개로 한정하고 태양광의 위치를 감지하여 상기 모듈 조립체의 수평면의 방향을 간편하고 신속하게 제어할 수 있는 태양광을 추적할 수 있는 광집속 태양전지에 관한 것이다.

본 고안은 태양전지 및 반사체를 구비한 태양전지 단위모듈을 다수 개 최대밀집구조로 배치한 모듈 조립체와, 지지체, 4개의 센서, 연산부, 제어부, 서보모터 및 롤러로 구성되어 태양전지의 발전효율을 획기적으로 증대하여, 비용절감과 유지보수상의 장점을 제공한다.

Description

태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지{LIGHT FOCUSING SOLAR CELL CAPABLE OF TRACING SUNLIGHT}

본 고안은 태양광을 집속하여 발전에 필요한 태양전지의 수를 최소화하고, 또한 태양광을 추적하여 태양전지의 발전효율을 높이기 위한 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지에 관한 것이다.

종래, 태양전지를 이용하여 태양광을 전기에너지로 변환하여 발전하는 장치는 이미 본 고안이 속하는 기술분야에 널리 알려져 여러 분야에서 사용되어 오고 있다. 하지만, 실제응용에 있어서는 태양전지의 발전효율이 떨어져 태양전지의 여러 가지 이점에도 불구하고 그 실용화가 예상만큼 광범위하게 이루어지고 있지 못한 실정이다.

즉, 태양전지의 면적이나 개수 당 발전효율이 기대보다 떨어질 뿐만 아니라, 태양전지의 수가 많아지면 이를 유지하기 위한 비용이 증가할 뿐만 아니라, 잦은 고장 등으로 인하여 보수비 또한 증가하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점으로 근래 태양광의 위치를 추적하기 위해, 위성으로부터 태양의 위치정보를 수신하여 이에 따라 태양전지의 수광면을 제어하는 방법이 제시되어 왔으나, 이는 인공위성과의 통신이 필요하고, 이에 따라 고비용의 부가장비를 필요로 하고 있어 장치 운용시에 유지보수비 또한 상당하다는 문제점이 있으며, 태양전지의 수광면의 방향을 제어하기 위해 수광면을 작동시키는 메커니즘이 매우 복잡하고, 너무 많은 연산을 수행함으로 인해, 장치의 신뢰성은 증가할지 모르지만, 장비의 고장이 쉽게 유발되는 문제점이 있어 왔다.

또한, 상기 종래 기술에 있어서 인공위성과의 통신장애 등이 있는 경우에는 태양의 위치를 정확하게 감지할 수 없다는 문제점도 발생한다.

본 고안은 상기 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 보다 넓은 수광면의 광을 하나의 태양전지에 집속함으로 인해, 발전에 필요한 태양전지의 수를 획기적으로 줄이는 것을 그 목적으로 하고 있다.

또한, 본 고안은 태양광의 위치를 측정하여, 측정된 태양광의 위치에 따라 태양전지의 수광면의 방향을 간편하게 제어함으로써, 비용을 절감시키고 고효율의 태양광 발전장치를 얻는 것을 그 목적으로 하고 있다.

또한, 본 고안은 발전에 필요한 태양전지의 수를 줄이고, 그 효율을 증대시켜 태양전지 수의 감소로 인한 고장의 감소와 이에 따른 유지보수비를 획기적으로 줄이는 것을 그 목적으로 하고 있다.

도 1은 본 고안의 제 1 실시예인 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지 모듈 조립체의 정면도.

도 2는 본 고안의 제 1 실시예인 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지의 측면도.

도 3은 본 고안의 제 1 실시예의 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지의 작동상태도.

도 4는 본 고안의 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지 단위모듈의 상세도.

도 5는 본 고안의 지지체 내부의 구성을 나타낸 상세도.

도 6은 본 고안의 제 2 실시예인 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지 모듈 조립체의 정면도.

도 7은 본 고안의 제 2 실시예의 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지의 작동상태도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 태양전지 단위모듈 11 : 태양전지

12 : 고정와이어 13 : 반사체

14 : 태양전지 보호캡 15 : 전선

20 : 모듈 조립체 30 : 주변부

40a, 40b, 40c, 40d : 광센서 50 : 구름면

60 : 롤러 61 : 기어

70 : 지지축 80 : 서보모터

90 : 지지체 91 : 연산부

92 : 제어부 93 : 시간제어부

100 : 스위치

본 고안은 태양광을 수광한 수광면의 빛을 하나의 태양전지에 집속하고, 태양광의 위치를 추적하여 간편하고 용이하게 태양전지의 효율을 획기적으로 증가시킨 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지에 관한 고안으로서,

태양광을 전기에너지로 변환하는 하나의 태양전지 및,

태양광을 수광하여 태양전지에 집속시키기 위해, 초점이 상기 하나의 태양전지에 맞추어진 오목거울면의 내면을 가진 반사체를 구비한 복수개의 태양전지 단위모듈과;

상기 복수개의 태양전지 단위모듈이 최대밀집구조를 이루는 모듈 조립체와;

상기 모듈 조립체의 주변부에 경사를 이루며 설치되고 태양광의 광량을 전압 또는 전류로 변환하는 각각 90도 간격을 가진 4개의 센서와;

상기 복수개의 센서로부터의 얻어진 전압의 대소를 비교하는 연산부와;

상기 연산부의 결과에 따라 상기 모듈 조립체의 방향을 제어하는 제어부와;

상기 제어부의 제어에 의해 모듈 조립체의 방향을 이동시키는 회전수단 및 상하이동수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지에 관한 것이다.

또한, 본 고안은 상기에 있어서, 상기 회전수단은 상기 모듈 조립체를 지지축을 중심으로 회전운동시키는 서보모터이고, 상기 상하이동수단은 상기 모듈 조립체를 구름면을 따라 상하운동시키는 롤러인 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지에 관한 것이다.

또한, 본 고안은 상기에 있어서, 태양광추적장치의 발전시간과 상기 센서들에 의한 태양광의 감지시간의 간격을 설정하는 시간설정부를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지에 관한 것이다.

또한, 본 고안은 상기에 있어서, 초기 설정모드시에 서보모터의 회전을 제어하고, 초기설정모드가 완료하거나 운전모드시에는 롤러의 회전만을 제어할 수 있도록, 상기 초기 설정모드 또는 상기 운전모드를 선택할 수 있는 스위치부를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지에 관한 것이다.

또한, 본 고안은 상기에 있어서, 모듈 조립체 주변부에 설치된 센서가 모듈 조립체의 수평면과 45도의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지에 관한 것이다.

이하, 본 고안의 제 1 실시예의 구성 및 상세한 동작을 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 고안의 제 1 실시예인 태양전지 단위모듈이 최대밀집구조로 구성된 모듈 조립체의 정면도를 나타낸다.

도 1에 있어서, 복수개의 태양전지 단위모듈(10)이 모듈 조립체(20)에 정팔각형의 형상으로 집속하여 대략적으로 내부원을 형성하고, 태양광 센서(40a, 40b, 40c, 40d)가 모듈 조립체(20)의 주변부(30)에 모듈 조립체 수평면과 비스듬하게, 바람직하게는 약 45도의 각도로 구성되어 태양광으로부터 감지된 광량을 전압으로변환하여 그 값을 연산부에 보내고, 연산부는 상기 전압의 대소를 비교하여 제어부에 보내면, 상기 제어부는 연산부로부터의 결과에 기초하여 상하이동수단 중의 하나인 롤러(60)와 회전수단의 하나인 서보모터(80)를 제어하여 모듈 조립체(20)의 방향을 제어한다.

상기와 같이, 본 고안의 제 1 실시예에 의하면, 상하이동수단으로써 롤러 (60)를 사용하고 회전수단으로써 서보모터(80)을 사용하고 있다.

본 고안의 작동원리에 대하여, 도 2 및 도 3을 참고로 하여 구체적으로 설명한다.

태양광 추적장치를 최초 발전을 위한 장비, 예를 들면, 가옥, 공장 등과 같은 고정체에 설치하고, 스위치부를 조작하여 초기 설정모드를 선택하면, 모듈 조립체의 복수개의 단위모듈에 의한 수평면은 도 2에 나타난 바와 같이 지지축(70)에 수직방향으로 상부를 향하게 설정된다.

이후, 센서(40c, 40d)에 의해 태양광의 광량을 감지하고, 그 값을 전압값으로 변환하여 연산부(91)에 보내면 연산부(91)에서는 센서(40c)와 센서(40d)의 전압값을 비교, 대소를 판단하여 제어부(92)에 그 결과신호를 보낸다.

상기 연산부(91)의 결과신호를 받은 제어부는 서보모터(80)에 제어신호를 보내, 서보모터(80)가 상기 센서의 전압 값 중 큰 값을 가진 센서의 방향으로 일정속도로 서서히 지지축을 중심으로 회전운동시켜 모듈 조립체(20)를 회전시키며, 상기 회전운동시에도 센서(40c, 40d)는 태양광의 광량을 계속적으로 감지하여, 센서 (40c)와 센서(40c)에 의해 연산부에 공급된 전압 값이 상호 동일하게 될 때까지,제어부(92)는 서보모터(80)로 모듈 조립체(20)를 계속적으로 좌·우회전시킨다.

상기와 같이, 제어부(92)에 의해 서보모터(80)의 회전제어가 종료하면, 이후 사용자에 의해 스위치(100)의 초기 설정모드가 재설정될 때까지는, 태양전지가 장착된 고정체에 있어서는 서보모터(80)의 제어가 다시 요구되지 않으므로, 서보모터 (80)를 고정된다.

상기와 같이, 센서(40c, 40d)에 의한 모듈 조립체(20)의 회전이 종료한 시점에, 두 개의 센서(40c, 40d)를 상호 연결한 직선은, 천구상의 태양이 진행하는 방향 또는 그 궤적을 연결한 직선과 2차원적으로 정확히 수직관계를 이루게 된다.

이후, 사용자가 초기 설정모드를 선택한 후 상기한 바와 같이, 일단 서보모터(80)의 회전이 종료되거나, 또는 사용자가 애초 초기 설정모드를 선택하지 않고 운전모드를 선택한 후에는, 센서(40a, 40b)들에 의해 다시 태양광의 광량이 측정되고, 그 값이 전압으로 변환되어 연산부(91)에 보내지면, 마찬가지로 연산부(91)는 그 값의 대소를 비교하여 그 결과를 제어부(92)에 보내고, 또한 제어부(92)는 롤러(60)를 제어하여, 상기 연산부(91)의 결과 값에 따라 센서(40a)와 센서(40b) 중 감지된 광량에 의한 전압 값이 큰 센서의 방향으로 모듈 조립체(20)를 구름면 (50)을 따라 서서히 일정한 속도로 상하 운동시킨다.

즉, 센서(40a)에 의한 전압 값이 크면 롤러를 이동시켜 모듈 조립체(20)의 센서(40a)가 롤러(60)에 가까워지도록 롤러를 회전시키고, 그 반대의 경우에는 마찬가지로 롤러(60)를 반대방향으로 회전시킨다.

이와 같이, 제어부(92)는 롤러(60)를 회전시켜 모듈 조립체(20)를 상하운동시키면서 센서(40a)와 센서(40b)에 의한 전압 값이 동일하게 될 때까지 이동시키고, 상기 전압 값이 동일하게 될 때, 제어부(92)는 롤러(60)의 회전을 중지시키고, 사용자에 의해 시간설정부(93)에 입력된 일정한 시간 간격으로 센서(40a, 40b)에 의해 태양광을 측정하여 롤러(60)의 회전을 제어하여, 모듈 조립체(20)의 수평면이 항상 태양광의 입사방향에 수직이 되도록 한다.

또한, 상기 광집속 태양전지가 이동체, 예를 들면, 자동차 또는 항공기 등과 같은 이동체에 설치되는 경우에, 사용자가 스위치를 조작하여 초기 설정모드를 선택하면, 상기 초기설정모드시의 서보모터(80)의 제어에 의한 본 고안의 작동과, 상기 초기설정모드 선택시 서보모터(80)의 제어가 완료된 후, 또는 운전모드 선택시의 롤러(60)의 제어에 의한 본 고안의 작동이, 시간설정부(93)에 설정된 시간간격마다 되풀이됨으로써, 매 시간간격마다 서보모터(80)와 롤러(60)의 회전을 제어하여 모듈 조립체(20)를 이동·제어시킨다.

보다 구체적으로 설명하면, 본원 고안에 의한 광추적이 가능한 광집속 태양전지가 고정체에 설치되는 경우에 있어서는, 설치 후 최초 사용자는 스위치(100)의 초기 설정모드를 선택하여 서보모터(80)를 제어하면, 센서(40c, 40d) 각각이 남쪽 또는 북쪽을 향하게 되어, 센서(40c)와 센서(40d)를 연결한 직선이 태양의 천구상의 이동궤적과 정확히 수직을 이루도록 그 위치가 고정되므로, 이후에는 단지 태양의 이동방향인 동서방향으로의 제어만 필요하므로, 이후 태양전지의 운전시에 있어서 사용자는 스위치(100)의 운전모드를 선택하여 다시 초기 설정모드를 선택한 경우에 있어서의 서보모터(80)의 제어를 생략하고, 롤러(60)만을 제어함으로써 태양전지의 수광면인 모듈 조립체(20)가 태양의 이동방향인 동서방향으로만 이동하도록 제어함으로써 태양전지의 방향을 아주 간편하고 신속하게 태양광을 따라 제어할 수 있다.

상기와 같이 초기 설정모드시 센서(40c, 40d)의 방향이 고정된 후이거나, 사용자가 태양전지를 설치한 이후 태양전지의 재가동과 같은 운전시에 스위치(100)의 운전모드를 선택한 경우에 있어서는, 상기한 바와 같이 동서방향으로의 태양의 이동에 맞추어 태양전지의 수광면인 모듈 조립체(20)를 이동시키기만 하면 되므로, 서보모터(80)의 제어 없이 롤러(60)의 제어만 하게 된다.

또한, 본 고안인 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지가 이동체에 설치된 경우에는, 이동체의 방향이 이동됨에 따라 항상 태양전지 수광면인 모듈 조립체 (20)의 주변부(30)에 각각 90도 간격으로 설정된 센서(40a, 40b, 40c, 40d)의 방향을 재설정하여야 하므로, 이때에 사용자는 스위치(100)를 조작하여 스위치가 초기 설정모드로 고정되게 함으로써, 태양광의 이동에 따라 모듈 조립체(20)의 방향을 조정하기 위해서 서보모터(80)와 롤러(60)의 제어를 하도록 한다.

이어서, 본 고안의 광집속에 대하여 도 4를 참고하여 구체적으로 설명한다.

모듈 조립체(20)는 도 4에 나타낸 복수 개의 태양전지 단위모듈(10)이 최대밀집구조로 배열된 것이며, 각 단위모듈(10)은 태양전지(11)를 향하는 내면이 오목거울면으로 형성되어 그 초점이 각각 하나의 태양전지(11)를 향하게 설정된 반사체 (13)와, 태양전지를 비, 눈 등의 외부환경으로부터 보호하는 보호캡(14)과, 태양전지로부터의 발전된 전기에너지를 운반하는 전선(15)과, 태양전지(11) 및 보호캡(14)을 지지하기 위해 각각이 90도 간격으로 배치된 고정와이어(12)로 구성된다.

상기와 같은 구성을 가진 광집속 태양전지는, 본 고안의 상기 반사체에 들어오는 태양광 전부가 태양전지(11)에 집속하게 되므로, 광집속에 의한 태양전지의 효율이 획기적으로 증대된다.

이는 종래의 평판형 태양전지와 비교할 때, 반사체의 전체 원호면적과 동일한 평판을 차지하는 태양전지의 수를 1개로 줄임과 동시에 발전량을 이와 동일 또는 유사하게 함으로써 그 발전효율을 획기적으로 증대시킨 것이다.

또한, 발전량을 충분히 확보하기 위해, 본원고안은 상기 태양전지 단위모듈 (10)복수개가 최대밀집구조로 배열된 모듈 조립체(10)를 사용하여 단위 면적 당 발전효율을 최대화하고 있다.

도 6은 본 고안의 제 2 실시예를 나타내는 도면으로써, 제 2 실시예에 사용되는 사각형상인 모듈 조립체(30)를 나타내며, 도 7은 제 2 실시예에 사용되는 광집속 태양전지의 작동상태도를 나타내는 도면이다.

이하, 도 6과 도 7을 사용하여, 본 고안의 제 2 실시예를 설명하면, 본 고안의 제 2 실시예는 제 1 실시예와 비교하여 모듈 조립체(20)의 형상이 태양전지 단위모듈이 정사각형 또는 직사각형의 형상을 하고 있다는 점과, 상하이동수단으로써 기어(61)를 회전수단으로써 서보모터(80)를 사용하고 있다는 점만 상이하고 기타 태양전지의 작동은 제 1 실시예와 동일하므로 이하 생략한다.

이와 같이, 모듈 조립체의 형상은 원형이 아닌 정사각형 또는 사각형의 형상이어도 좋으며, 모듈 조립체의 이동수단은 반드시 제 1 실시예의 서보모터와 롤러,제 2 실시예의 서보모터와 기어에 한정되지 않으며, 모듈 조립체를 회전운동 또는 상하운동 시킬 수 있는 수단이면 여하의 수단이어도 좋다.

상기한 바와 같이, 본원 명세서 고안의 상세한 설명부분의 실시예의 설명과 설명의 참고로 언급된 도면은 본 고안의 권리범위를 한정하는 것이 아니며, 본 고안이 속하는 기술분야의 당업자가 본원 명세서로부터 용이하게 고안할 수 있는 범위내에 본원고안의 권리범위가 미침은 자명하다.

특히, 본 고안은 상기 실시예에서 나타난 단위모듈의 수에 한정되지 않으며, 태양전지 단위모듈이 최대밀집구조로 구성되기만 하면, 본 고안의 권리범위 내에 포함된다.

본 고안은 일정면적의 태양광을 태양전지에 집속시키고, 태양광을 추적하여 태양전지가 항상 태양광에 수직하도록 방향을 제어함으로써 태양전지의 발전효율을 획기적으로 증대함과 동시에 유지보수비용을 최소화하는 효과를 가진다.

Claims (5)

1. 태양광을 전기에너지로 변환하는 하나의 태양전지 및,

   태양광을 수광하여 태양전지에 집속시키기 위해, 초점이 상기 하나의 태양전지에 맞추어진 오목거울면의 내면을 가진 반사체를 구비한 복수개의 태양전지 단위모듈과;

   상기 복수개의 태양전지 단위모듈이 최대밀집구조를 이루는 모듈 조립체와;

   상기 모듈 조립체의 주변부에 경사를 이루며 설치되고 태양광의 광량을 전압 또는 전류로 변환하는 각각 90도 간격을 가진 4개의 센서와;

   상기 복수개의 센서로부터의 얻어진 전압의 대소를 비교하는 연산부와;

   상기 연산부의 결과에 따라 상기 모듈 조립체의 방향을 제어하는 제어부와;

   상기 제어부의 제어에 의해 모듈 조립체의 방향을 이동시키는 회전수단 및 상하이동수단로 구성된 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전수단은 상기 모듈 조립체를 지지축을 중심으로 회전운동시키는 서보모터이고, 상기 상하이동수단은 상기 모듈 조립체를 구름면을 따라 상하운동시키는 롤러인 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 태양광추적장치의 발전시간과 상기 센서들에 의한 태양광의 감지시간의 간격을 설정하는 시간설정부를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 초기 설정모드시에 서보모터의 회전을 제어하고, 초기설정모드가 완료하거나 운전모드시에는 롤러의 회전만을 제어할 수 있도록, 상기 초기 설정모드 또는 상기 운전모드를 선택할 수 있는 스위치부를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 모듈 조립체 주변부에 설치된 센서가 모듈 조립체의 수평면과 45도의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 태양광 추적이 가능한 광집속 태양전지.