KR200357241Y1 - 이동식 태양광 발전설비 - Google Patents

Abstract

본 고안은, 야외 음악회 등과 같이 일시적인 전력 수요가 있는 경우 태양광 발전설비를 구축하기에는 설치 및 해체 비용이 많고 축전지나 보조 발전기를 사용하는 경우 역시 비용과 소음 및 매연 등의 많은 문제점이 있기 때문에,

엔진 등의 동력발생수단에 의해 발생된 동력을 이용하여 회전 및 이동이 가능한 이동수단과, 상기 이동 수단에 연결된 탑재수단과, 상기 탑재수단에 설치되고 태양광을 이용하여 발전이 가능한 발전수단과, 상기 탑재수단에 탑재되어 상기 발전수단에서 발생된 전기를 저장하는 축전수단과, 상기 발전수단과 상기 축전수단 사이에 설치되어 일정 수준 이상의 전기만이 상기 축전수단에 저장되도록 하는 충전조절수단과, 상기 탑재수단의 일측에 설치되고 상기 축전수단에 연결되어 상기 축전수단에서 인출된 직류를 가전기기 등에서 사용이 가능한 교류로 변환시키는 인출수단을 포함함으로써,

전기를 필요로 하는 장소로 신속하게 이동하여 전기를 사용할 수 있도록 할뿐만 아니라 일정 거리의 이동 및 회전을 통하여 태양광 발전 형태가 최적화되도록 하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 이동식 태양광 발전설비에 관한 것이다.

Description

이동식 태양광 발전설비{Traveling solar power plant}

본 고안은 태양의 에너지를 이용하여 전기를 발생시키는 태양광 발전설비에 관한 것으로서, 전기가 필요한 곳으로 직접 이동하여 태양광 발전을 통해 얻어진 전기를 직접 공급하도록 하여 불필요한 소음 등이 없이 안정적으로 전기를 공급할 수 있도록 한 이동식 태양광 발전설비에 관한 것이다.

우리가 일반적으로 사용하고 있는 에너지는 석유와 석탄 및 천연 가스와 같은 화석에너지이며, 이러한 화석에너지는 그 양이 한정되어 있으므로 언젠가는 고갈되고 여러 오염물질을 배출하기 때문에 대부분의 국가에서는 이를 대체하여 사용할 수 있는 대체에너지를 개발하고 있는 실정이다. 화석에너지를 대체할 수 있는 에너지는 여러 종류가 있는 바, 조수 간만의 차를 이용하여 에너지를 얻는 조력, 파도를 이용하여 에너지를 얻는, 바람의 힘을 이용하여 에너지를 얻는 풍력, 그리고 땅속의 열을 이용하는 지열 등이 있으며, 이들 에너지의 근원이 되는 태양에너지가 있다. 이들 여러 대체 에너지를 이용하는 방법은 상당 부분 실용화되고 있으며, 태양에너지를 이용하여 발전 및 난방에 이용하는 것도 그 중 하나이다.

태양에너지를 이용하는 방법은 크게 태양열을 이용하는 방법과 태양광을 이용하는 방법으로 구분된다. 태양열을 이용하는 방법은 태양에 의해 데워진 물 등을 이용하여 난방 및 발전을 하는 방법이며, 태양광을 이용하는 방법은 태양의 빛을 이용하여 전기를 발생시킴으로써 이 전기로 각종 기계 및 기구를 작동시킬 수 있도록 하는 방법으로 태양광 발전이라고 한다.

태양광발전은 무한정, 무공해의 햇빛을 직접 전기로 바꿀 수 있도록 한 기술로서, 햇빛이 비추는 곳 어디에서나 전기를 얻을 수 있고, 다른 방식과는 달리 대기오염이나 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없는 깨끗한 에너지원이다. 또한, 연료의 수송과 발전설비의 유지관리가 거의 불필요하며, 수명이 길고 설비규모의 선택과 설치 공사가 쉬운 장점이 있다. 그러나, 태양에너지의 밀도와 에너지변환효율이 낮아 넓은 설치면적이 필요하고 발전단가가 상대적으로 높은 단점이 있어, 고효율의 태양전지를 개발할 필요가 있다.

태양광발전은 반도체 접합으로 이루어진 태양전지에 태양광이 조사되면 태양광에 의한 광기전력 효과(photovoltaic effect)로 기전력이 발생하게 되며, 이 기전력에 의해 발생되는 전기에너지를 축전지에 축전하거나 필요한 부하에 따라 적합하게 사용하는 것을 말한다. 태양전지를 이용한 태양광발전에 대한 개요를 설명하면 다음과 같다.

태양광발전의 기본 원리는 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 PN 접합으로 구성된 태양전지(solar cell;11)에 태양광이 입사될 때 태양전지(11)의 내부에서 전자-정공 쌍이 여기되고, 분리된 전자와 정공이 이동되어 N층(11a)과 P층(11b)을 각각 음극과 양극으로 대전시키는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 발생시키는 것이다. 이때, 태양전지(11)의 N층(11a)과 P층(11b)을 외부 부하(13)에 접속하게 되면 태양전지(11)에서 발생된 전류가 외부 부하(13)로 흐르게 되는 것이다.

즉, 태양전지(11)에 태양(10)의 빛이 조사되면 광에너지에 의해 태양전지(11)의 N층(11a) 및 P층(11b)의 내부에서 전자-정공쌍이 여기되고, 이 전자 및 정공이 각각 태양전지(11)의 N층(11a) 및 P층(11b)의 표면으로 이동하게 됨으로써, 태양전지(11)의 N층(11a)과 P층(11b)을 가로지르는 전류의 흐름이 발생하게 된다. 이를 광기전력 효과라 하며, 이 광기전력 효과에 의해 발생된 전류 흐름이 태양전지(11)에 연결된 외부 부하(13)에 전류가 흐르게 함으로써 외부 부하(13)를 작동시키게 되는 것이다.

그런데, 상기 태양전지(11)는 하나의 발전량이 약 1.5W 정도로 작아 일반 전기용품에 사용되기에 불충분한 면이 있다. 따라서 필요한 단위 용량으로 복수의 태양전지(11)를 연결하고 각 태양전지(11)를 보호하기 위하여 투명한 합성수지 등으로 태양전지(11)를 싸서 유리판 사이에 넣는 형태의 태양전지 모듈을 만들어 사용하고 있다. 그러나, 태양전지(11)는 태양전지 모듈 속에서 그 효율이 약간 떨어져 태양광을 받으면 태양광의 에너지 중 약 10-15%만이 전기로 변환된다. 따라서 대부분의 태양광 발전설비는 이러한 태양전지 모듈을 여러 개 합쳐서 이용하고 있다.

또한, 비나 눈 또는 구름 등에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생되지 않고 일사량의 강도에 따라 불균일한 직류가 발생되는 단점이 있다. 따라서 일반적인 태양광 발전설비는 사용가능한 충분한 전기를 공급하기 위하여 태양전지 모듈을 직렬 및 병렬로 복수개 연결한 태양전지 어레이와, 전력을 저장하기 위한 축전지, 전력의 세기를 일정하게 조정하기 위한 전력조정기 및 직류를 사용가능한 교류로 전환시키기 위한 인버터 등으로 구성되어 있다.

태양광 발전설비는 크게 독립형 태양광 발전설비와 계통 연계형 태양광 발전설비로 구분된다. 독립형 태양광 발전설비는 생산된 전기를 전력망에 연결하지 않고 사용하는 것으로서, 등대나 섬과 같이 전력 계통이 정비되지 않은 지역에서 주로 이용되고 있다. 이러한 독립형 태양광 발전설비는 현재 가장 많이 사용되고 있으므로, 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

일반적인 독립형 태양광 발전설비는 도 2에 도시된 바와 같이 에너지원인 태양의 빛을 이용하여 발전하는 태양전지 어레이(20)와, 상기 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기를 저장하는 축전지(24)와, 상기 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기가 일정한 수준으로 상기 축전지(24)에 저장되거나 소비장치인 외부 부하(23)로 공급되도록 하는 전력 조절장치(21)와, 상기 축전지(24) 및 전력 조절장치(21)에서 공급되는 직류를 외부 부하(23)가 사용하는 교류로 변환시키는 인버터(22)와, 상기 태양전지 어레이(20)가 작동되지 않을 경우 충분한 전기가 공급될 수 있도록 발전하는 보조 발전기(26)와, 상기 보조 발전기(26)에서 발생되는 전기가 상기 축전지(24)에 저장될 수 있도록 교류를 직류로 변환시키는 충전 인버터(25)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 독립형 태양광 발전 설비는 태양빛이 있는 경우에는 태양전지 어레이에서 발생된 전기를 외부 부하로 공급하거나 축전지에 저장하도록 하고 있다.

태양전지 어레이(20)는 에너지원인 태양광을 이용하여 발전을 하게 되고, 전기는 전력 조절장치(21)를 통해 일정한 수준의 전력으로 변환되어 축전지(24)에 저장되거나 외부 부하(23)로 공급되어 외부 부하(23)를 작동시키게 된다. 여기서, 상기 전력 조절장치(21)는 태양광의 세기에 관계없이 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기를 일정한 수준으로 변환시켜 상기 축전지(24)에 저장되도록 한다. 즉, 상기 태양전지 어레이(20)에서 발생되는 전기의 양은 태양광의 세기에 따라 달라지는 바, 이를 일정한 수준으로 변환시켜 상기 축전지(24)에 저장되거나 외부 부하(23)에 공급되도록 한다. 또, 상기 축전지(24)가 과충전되거나 태양전지 어레이(20) 측으로 전기가 방전되는 것을 방지하여 상기 축전지(24)의 수명을 가능한 한 오래 유지시키는 역할을 수행한다.

상기 축전지(24)는 상기 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기를 저장했다가 악천후 등으로 태양전지 어레이(20)에서 발생된 전기의 양이 적을 때 외부 부하(23)로 전기를 공급하는 역할을 수행하며, 그 형식에 따라 니켈-카드뮴 축전지, 니켈-수소화금속 축전지, 니켈-나트륨 축전지 및 납축전지 등으로 구분되고 있다. 이러한 축전지(24)는 독립형 태양광 발전설비의 설치 비용중 약 30% 정도를 차지하고 있어 그 수명을 최대한 오래 유지시키는 것이 중요하며, 이를 위하여 상기 전력 조절장치(21)를 이용하는 것이다.

상기 전력 조절장치(21) 및 축전지(24)와 외부 부하(23) 사이에는 직류를 교류로 전환시키는 인버터(22)가 설치된다. 보통 태양전지(20)나 축전지(24)에는 직류가 흐르는데 반해 가정에서 사용되는 조명기구나 가전제품은 교류에 맞도록 제작되었기 때문에 인버터(22)를 이용하여 직류를 교류로 전환시켜 사용하는 것이다.

또, 상기 태양전지 어레이(20)가 장기간 작동되지 않는 경우 축전지(24)에 저장된 전기만으로 외부 부하(23)를 작동시킬 수 없기 때문에, 외부 부하(23)를 끊임없이 작동시키기 위하여 보조 발전기(26)를 설치한다. 상기 보조 발전기(26)에서 발생된 전기는 여러 가지 요인으로 인해 곧바로 외부 부하(23)에 공급하기는 곤란하므로, 일단 상기 축전지(24)에 저장하였다가 외부 부하(23)로 공급하게 된다. 이때, 상기 보조 발전기(26)에서 생산되는 전기는 교류이므로 상기 축전지(24)에 전기를 저장하기 위해서는 별도의 충전 인버터(25)가 사용되고 있다.

이와 달리 계통연계형 태양광발전 시스템은 설비에서 생산된 전기를 전력망에 연결하여 전력공급회사로 보내는 형식으로, 태양전기 생산자가 자신이 쓰고 남은 전기를 전력회사에 팔고 태양전기만으로 필요한 전기를 충당하지 못할 경우에는 전력망을 통해 전기를 공급받을 수 있도록 한 시스템이다. 이 계통연계형 태양광발전 시스템은 전기가 남을 경우에는 전력망으로 내보내고 부족할 경우에는 전력망으로부터 전기를 공급받게 되므로, 전기 저장장치가 필요하지 않으며 설치비용이 저렴한 장점이 있다.

상기한 태양광발전은 무한정, 무공해의 태양에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고 대기오염이나 폐기물이 발생되지 않으며 진동이나 소음 역시 발생되지 않는 장점을 가지고 있다. 또한, 발전부위가 반도체 소자이고 발전 시스템을 반자동화 또는 자동화시키기에 용이하여 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점 역시 가지고 있다. 그러나, 태양전지의 가격이 비싸 초기 투자비용이 많이 들고 상용전력에 비해 발전단가가 높을 뿐 아니라 일사량에 따른 발전량의 편차가 심해 안정적인 전력 공급을 위한 추가적인 설비 보완이 필요한 단점을 가지고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 태양광발전은 많은 장점과 단점을 가지고 있으나 화석에너지의 고갈에 따라 앞으로 더 많은 연구 개발을 통해 단점을 개선할 필요가 있다.

태양광발전은 일사량에 따라 발전량의 편차가 심하므로 일사량이 많은 야외에서 실시하는 것이 좋으나, 송배전 설비를 이용할 경우 소모되는 전력량이 많아 전력 수요처로부터 거리가 먼 야외에 태양광 발전설비를 설치하기는 곤란하다. 또한, 야외 음악회와 같이 일시적인 전력 소비처나 미개발 지역 등에서는 송배전 설비와 같은 전력망을 설치하는 대신 태양광 발전설비를 이용하여 전력을 공급하는 것이 경제적일 수 있지만, 태양광 발전설비 구조물을 설치하여 전력을 공급하는 경우 설치비용이 적지 않을 뿐 아니라 전력 수요가 없어진 경우 해체비용 및 운반비용이 추가로 소모되어야 하는 문제점이 있다.

물론, 일시적인 전력 소비의 경우 축전지를 사용하거나 경유를 이용한 보조 발전기를 이용하여 전력을 공급할 수 있다. 이 경우 축전지나 보조 발전기를 수요처에까지 이동시켜야 하므로 필요한 용량의 축전 설비를 설치하기 위한 비용이 많이 들고 보조 발전기의 경우에는 많은 소음을 유발할 뿐 아니라 발전을 하는 동안 매연이 발생되어 대기 환경에도 악영향을 주게 된다.

다시 말해서, 야외 음악회 등과 같이 일시적인 전력 수요가 있는 경우 따로 태양광 발전설비를 구축하기에는 설치 및 해체 비용이 많고 축전지나 보조 발전기를 사용하는 경우 역시 적지 않은 비용이 소모될 뿐 아니라 보조 발전기에서는 소음 및 매연이 발생되는 문제점이 있다.

본 고안은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 태양광 발전설비를 일정한 장소에 설치하지 않고 이동이 가능하게 함으로써 큰 비용 손실 없이 야외의 전력 수요처에서 전력을 사용할 수 있도록 한 이동식 태양광 발전설비를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 태양광발전의 기본 원리를 설명하기 위한 참고도,

도 2는 일반적인 태양광발전 시스템 중 독립형 태양광 발전 시스템이 개략적으로 도시된 계통도,

도 3은 본 고안에 의한 이동식 태양광 발전설비가 도시된 구성도,

도 4는 본 고안에서의 전류 흐름이 도시된 블럭도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

50 : 차체 51 : 발전기

52 : 충전조절부 53 : 축전부

54 : 인버터 55 : 기계장치

상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안은 엔진 등의 동력발생수단에 의해 발생된 동력을 이용하여 회전 및 이동이 가능한 이동수단과, 상기 이동 수단에 연결된 탑재수단과, 상기 탑재수단에 설치되고 태양광을 이용하여 발전이 가능한 발전수단과, 상기 탑재수단에 탑재되어 상기 발전수단에서 발생된 전기를 저장하는 축전수단과, 상기 발전수단과 상기 축전수단 사이에 설치되어 일정 수준 이상의 전기만이 상기 축전수단에 저장되도록 하는 충전조절수단과, 상기 탑재수단의 일측에 설치되고 상기 축전수단에 연결되어 상기 축전수단에서 인출된 직류를 가전기기 등에서 사용이 가능한 교류로 변환시키는 인출수단을 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 고안에 의한 이동식 태양광 발전설비는 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 엔진 등의 동력발생수단에 의해 발생된 동력을 이용하여 회전 및 이동이 가능하고 후방측에 탑재부가 설치된 차체(50)와, 상기 차체(50)의 탑재부에 설치되고 태양광을 이용하여 발전이 가능한 태양광 발전기(51)와, 상기 차체(50)의 탑재부에 탑재되어 상기 태양광 발전기(51)에서 발생된 전기를 저장하는 축전부(53)와, 상기 태양광 발전기(51)와 상기 축전부(53) 사이에 설치되어 일정 수준 이상의 전기만이 상기 축전부에 저장되도록 하는 충전조절부(52)와, 상기 차체(50)의 탑재부 일측에 설치되고 상기 축전부(53)에 연결되어 상기 축전부(53)에서 인출된 직류를 가전기기 등에서 사용되는 교류로 변환시키는 인버터(54)로 구성된다.

상기 태양광 발전기(51)는 다수의 태양전지가 부착되고 펼침과 접음이 자유롭도록 플렉시블 모듈의 형태를 갖도록 형성되고, 상기 태양광 발전기(51)를 형성하는 플렉시블 모듈을 펼치거나 접을 수 있도록 하는 작동부(55)가 설치된다. 또, 상기 축전부(53)는 다수의 소형 배터리가 병렬 및 직렬로 배치되어 수요에 따라 적절한 전력을 인출할 수 있도록 한다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 이동식 태양광 발전설비는 전력 수요지역으로 신속하게 이동하여 전력을 공급하게 된다.

야외 음악회가 열리는 곳과 같이 일시적인 전력 수요가 있게 되면, 태양광 발전기(51)가 설치된 차체(50)를 전력 수요지역으로 신속하게 이동시킨다. 전력 수요지역으로 이동된 차체(50)에 설치된 태양광 발전기(51)는 태양광을 이용하여 발전을 하게 되고, 상기 태양광 발전기(51)에서 발생된 전기는 충전 조절부(52)에서 적정한 세기의 전력으로 전환된 후 축전부(53)에 저장된다. 상기 축전부(53)에 저장된 전기는 직렬 또는 병렬로 배치된 배터리에 의하여 수요 전압에 맞게 변환되고, 인버터(54)에 의해 교류로 전환되어 각종 전기장치에 공급된다.

이때, 상기 차체(50)는 이동 및 회전이 가능하므로 상기 태양광 발전기(51)의 태양전지에 입사되는 일사량이 최대가 되도록 할 수 있다. 따라서 상기 태양광 발전기(51)를 이용한 발전량을 극대화할 수 있다.

또한, 상기 태양광 발전기(51)는 다수의 태양전지가 부착된 플렉시블 모듈의 형태로 구성되므로, 이를 펼치거나 접을 수 있도록 하는 기계장치인 작동부(55)를 이용하여 이동시에는 태양광 발전기(51)를 접어 부피를 작게 하고 발전시에만 태양광 발전기(51)를 펼치도록 하여 이동시의 저항을 최소화할 수 있다. 이를 위하여 태양광 발전기(51)와 작동부(55)의 구성을 적절하게 조합하여야 한다. 즉, 태양광 발전기(51)의 플렉시블 모듈을 돛의 형태로 만들고 작동부(55)는 안테나 방식으로 구성하거나, 플렉시블 모듈을 부채 형태로 만들고 작동부(55)는 모터 방식으로 구성하는 것이다. 안테나 방식의 경우 안테나를 위쪽으로 뽑아 올리게 되면 플렉시블 모듈 형태의 태양광 발전기(51)가 펼쳐지게 되어 발전이 이루어진다. 모터 방식의 경우 모터를 이용하여 태양광 발전기(51)를 펼치거나 접을 수 있다. 따라서, 이동시에는 태양광 발전기(51)의 부피가 최소화되어 저항을 줄일 수 있고, 전력 수요지에서는 태양광 발전기(51)를 펼쳐 태양광 발전이 이루어지게 된다.

또, 상기 축전부(53)의 경우 하나의 배터리에 저장되는 전기의 양 및 전압 등이 한정되어 있으므로, 다수의 배터리를 직렬 또는 병렬로 배치함으로써 축전부(53)에 저장되거나 축전부(53)에서 출력되는 전기 및 전압을 적절하게 조절할 수 있다.

물론, 전력의 수요가 없는 경우에는 일사량이 많은 곳으로 이동시켜 태양광 발전을 수행함으로써 축전부(53)에 전기를 축전시킬 수 있으며, 축전지(53)에 축전된 전기를 인버터(54)를 통해 각종 전기장치에 공급할 수도 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 고안의 이동식 태양광 발전설비는 전기를 필요로 하는 장소로 신속하게 이동하여 전기를 사용할 수 있도록 할뿐만 아니라 일정 거리의 이동 및 회전을 통하여 태양광 발전 형태가 최적화되도록 하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 태양광 발전이 이루어지는 발전 부분을 펼치거나 접을 수 있도록 하여 이동시에는 발전 부분의 부피를 줄여 저항을 최소화하고 발전시에만 발전 부분의 부피를 크게 하여 발전 용량을 최대화할 수 있는 다른 이점이 있다.

Claims (3)

1. 엔진 등의 동력발생수단에 의해 발생된 동력을 이용하여 회전 및 이동이 가능한 이동수단과, 상기 이동 수단에 연결된 탑재수단과, 상기 탑재수단에 설치되고 태양광을 이용하여 발전이 가능한 발전수단과, 상기 탑재수단에 탑재되어 상기 발전수단에서 발생된 전기를 저장하는 축전수단과, 상기 발전수단과 상기 축전수단 사이에 설치되어 일정 수준 이상의 전기만이 상기 축전수단에 저장되도록 하는 충전조절수단과, 상기 탑재수단의 일측에 설치되고 상기 축전수단에 연결되어 상기 축전수단에서 인출된 직류를 가전기기 등에서 사용이 가능한 교류로 변환시키는 인출수단을 포함한 것을 특징으로 하는 이동식 태양광 발전설비.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 발전수단은 다수의 태양전지가 부착되고 펼침과 접음이 자유롭도록 플렉시블 모듈의 형태를 갖도록 형성되고, 상기 발전수단을 펼치거나 접을 수 있도록 하는 기계 장치가 부가된 것을 특징으로 하는 이동식 태양광 발전설비.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 축전수단은 다수의 소형 배터리가 병렬 및 직렬로 설치되어 소정의 전압을 인출할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 이동식 태양광 발전설비.