KR20090071966A - 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조물의 경량화와 함께 외력 작용에 의한 구조물의 부분적 파손을 유도할 수 있도록 한 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물을 제공한다.

이를 구현하기 위한 본 발명은 외곽틀을 구성하는 프레임과, 상기 프레임 내부에 가로 및 세로방향으로 서로 교차된 상태로 배열 설치되는 빔과 거더들로 구성하여 태양전지모듈을 구동부에 고정시키게 되는 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물에 있어서, 상기 구조물을 구성하는 프레임과, 빔 그리고 거더는 금속재질로 제작하고, 상기 금속재질로 제작된 프레임과 빔 그리고 거더에는 중량을 경감시키기 위해 다수개의 구멍들을 천공하여 구성한 것을 특징으로 한다.

태양추적시스템, 구조물, 프레임, 빔, 거더, 구멍, 경량화

Description

태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물{Position Tracking Device And Method Of Solar}

본 발명은 태양에너지 기기의 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물에 관련되는 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 구조물을 구성하는 금속재질의 빔과 거더 그리고 외곽프레임상에 일정간격을 유지한 상태로 다수개의 구멍들을 천공하여 구조물의 경량화와 함께 외력 작용에 의한 구조물의 부분적 파손을 유도할 수 있도록 한 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물에 관한 것이다.

난방, 급탕, 온수, 냉방 및 태양열발전용으로 사용되는 태양열에너지기기와 태양광발전, 자연채광시스템에 사용되는 대부분의 태양광에너지기기는 그 효율이 낮은 것이 큰 단점으로 지적되고 있으며, 이를 극복하기 위해 태양추적시스템은 필수적이며, 이와 함께 집광시스템으로 빛의 굴절방식의 프라즈넬 렌즈를 이용한 것과 반사성질을 이용한 반사방식의 거울(평면거울, 포물선 또는 Dish형)을 이용하여 효율 상승을 시키는 방법이 있다.

그러나 이러한 태양에너지기기(태양열 및 태양광을 이용하는 모든 태양관련 에너지기기 포함)가 고정식시스템은 관계가 없으나, 태양추적시스템일 경우에도 태양에너지기기들의 소재의 성질 및 기술의 한계로부터 낮은 효율로 인하여 비교적 많은 부피와 면적을 차지하며, 또한 집광시스템인 반사판이나 렌즈를 적용할 경우에는 이들을 지지하기 위한 구조물이 필연적으로 부가됨에 따라 그 중량의 증가를 피할 수 없으며, 이러한 증량증가는 태양추적시스템의 구동부에 많은 부하를 발생시키게 됨으로서 결과적으로 순출력(Net Output)을 저하시키는 주된 요인이 된다.

특히, 태양추적시스템에 부착된 태양에너지기기들을 지지하는 프레임(Frame) 등 지지용 구조물은 구조적인 강도를 고려하여 금속재질을 사용하게 되는 데, 이러한 금속재질의 구조물은 그 형상에 관계없이 다른 재질에 비해 비중이 큰 관계로 결과적으로 구동부에 많은 부하를 발생시켜 효율이나 순출력에 엄청난 영향을 미치며, 시스템 설계 및 제작에 따라 그 정도가 다소 다르겠지만, 이러한 이유로 세계적으로 대부분의 태양추적시스템 관계회사들은 총출력만은 밝히고 있는 반면 순출력을 숨기는 경향이 뚜렷하다.

나아가 세계 선진국들은 기후변화협약에 따른 이산화탄소 저감을 위한 능동적인 대처 및 석유 및 천연가스(LNG) 등 화석연료 가격급등으로 인한 새로운 대체에너지 및 신재생에너지를 미래 신성장 동력산업으로 인식하고 기술개발에 심혈을 기울이고 있으며, 특히 효율이 낮은 태양에너지기기는 태양추적시스템의 총출력에서 시스템부하를 상쇄한 순출력 면에서 지대한 영향을 미치는 중량을 감소시키기 위해 부가되는 구조물의 설계 및 제작에 있어 상상을 초월할 정도로 경량화 추세에 부응하는 노력을 아끼지 않고 있다.

한편, 상기한 구조물을 무작정 경량화만을 고려하여 제작할 경우에는 내구성이 취약해 태풍 등의 외력에 쉽게 파손될 수 있으며, 특히 구조물의 어느 한 부분에만 제한적인 파손이 이루어지더라도 그 파손 부위를 기점으로 지지력이 편중되어 짐으로서 결과적으로 구조물 전체의 파손으로 이어지는 문제점이 있다.

일예로 2007년 여름철 우리나라에 내습한 태풍 "나리"에 의한 영향으로 종래/기존의 태양에너지시스템(고정식/태양추적시스템)의 구조물이 전손(Total Loss)되는 문제점을 초래하였으며, 그 손상(Damage)의 정도는 태양에너지기기들 및 이들을 지탱하는 프레임을 비롯한 기타 속구 상의 절단(Breaking), 굽힘(Bending), 금(Crack), 비틀림(Twisting), 등의 변형을 가져온 실례가 있다.

따라서 태양에너지기기에 사용되는 구조물은 구동부에 무리한 부하를 발생시키지 않을 정도의 경량화를 고려하면서도 외력의 작용에 의한 구조물의 부분적 파손을 유도할 수 있도록 한 기술개발은 태양추적시스템에서 결코 무시 또는 간과되어서는 안될 중요한 요소들인 것이다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 태양에너지기기를 지지하는 구조물을 제작함에 있어서, 상기 구조물을 구성하는 금속재질 의 빔과 거더 그리고 외곽프레임상에 일정간격을 유지한 상태로 다수개의 구멍들을 천공하여 구조물의 경량화와 함께 외력 작용에 의한 구조물의 부분적 파손을 유도할 수 있도록 한 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물을 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 외곽틀을 구성하는 프레임과, 상기 프레임 내부에 가로 및 세로방향으로 서로 교차된 상태로 배열 설치되는 빔과 거더들로 구성하여 태양전지모듈을 구동부에 고정시키게 되는 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물에 있어서, 상기 구조물을 구성하는 프레임과, 빔 그리고 거더는 금속재질로 제작하고, 상기 금속재질로 제작된 프레임과 빔 그리고 거더에는 중량을 경감시키기 위해 다수개의 구멍들을 천공하여 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물은 다음과 같은 작용효과를 달성한다.

본 발명은 태양에너지기기를 지지하는 구조물을 구성하는 프레임과 빔 그리고 거더를 응력의 저항성이 높은 금속재질로 제작하되, 속재질이 가지는 중량 증가로 인해 구동부에 부하가 발생하여 태양추적시스템의 전체적인 순출력이 저하되지 않도록 구조물을 구성하는 프레임과 빔 그리고 거더상에 다수개의 구멍을 천공하여 구조물의 경량화를 구현할 수 있도록 함으로서 태양추적시스템의 출력 효율을 높일 수 있는 작용효과를 가진다.

또한 본 발명은 구조물이 견딜 수 있는 강도 이상의 외력이 작용할 경우, 상기 구멍을 통해 균열이 각 구조물 전체로 퍼져 나가지 않도록 함으로서 부분적인 파손을 유도하여 기기의 수리 및 교체작업을 간편하게 구현할 수 있는 작용효과를 가진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물의 구성을 기술하기로 한다.

하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로서 이는 사용자 혹은 설계자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다

한편, 본 발명에서 지시되는 태양추적방식을 적용/채택한 태양추적시스템은 통상적으로 모듈(Module)형태나 어레이(Array)형태로 이용되며, 이러한 태양에너지기기(이하 "태양에너지기기"란 태양에너지를 전기로 변환하는 태양전지모듈/어레이 또는 열로 변환하는 태양열진공집열기/평판형집열기 및 태양에너지를 직접/1차적 또는 반사방식/굴절방식에 의한 간접적/2차적, 3차적인 빛의 성질과 전달수단에 의해 태양에너지를 받아 전기, 열 또는 기타 에너지로 전환/변환하는 모든 태양에너지기 관련 기기를 총칭한다)들 또는 이들과 함께 집광장치(이하, "집광장치"란 태양에너지기기에 부가/결합되어 태양에너지를 간접적/2차적 또는 3차적으로 태양에너지를 태양에너지기기에 빛의 반사 또는 굴절 성질을 이용하여 전달하는 모든 장치를 총칭한다)들이 태양추적방식(고도 또는 방위만 추적하는 단축방식/고도 및 방위를 동시에 추적하는 양축방식 포함)을 적용한 것을 태양에너지시스템 중에서 고정식과 구별하기 위해 각각을 태양추적시스템 및 태양추적집광시스템이라고 하며, 광의적이고 포괄적으로 태양추적집광시스템을 태양추적시스템에 포함시킨 것을 말한다.

첨부된 도 1은 본 발명에서 구현하고자 하는 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물의 전체 구성을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 태양추적시스템을 구성하는 요소들로는 태양에너지기기의 주요구성인 다수개의 태양전지모듈(30)들과, 상기 태양전지모듈(30)을 태양의 고도변화에 맞추어 태양전지모듈(30)을 구동시키는 구동부(80)를 포함하며, 상기 구동부(80)의 축상에는 태양전지모듈(30)을 구동부(80)상에서 일정각도 경사진 상태로 고정시키기 위한 구조물(20)이 더 포함되어 구성된다.

상기 구조물(20)을 구성하는 요소들로는 외곽틀을 구성하는 프레임(40)과, 상기 프레임(40)의 내부에 가로 및 세로방향으로 서로 교차된 상태로 배열 설치되는 다수개의 빔(50)들과 거더(60)들로 구성한다. 상기 빔(50)과 거더(60)를 통해 구획 형성된 공간(45)에는 상기한 태양전지모듈(30)이 순차적으로 끼워지게 된다.

한편, 상기한 구조물(20)을 구성하는 프레임(40)과 빔(50) 그리고 거더(60)는 다양한 재질로 제작할 수 있으나, 태양전지모듈(30)을 지지할 수 있을 정도의 강도를 가지도록 금속재인 알루미늄(Aluminum) 이나 스테인리스 스틸(Stainless Steel)인 비철금속이나 보통 아연(Zinc)을 도금한 철강재(Galvanized Steel)중의 어느 하나의 재질을 사용함이 가장 바람직하다.

또한 구조물(20)에는 태양전지모듈(30)에서 전해지는 하중 외에도 재료역학적으로 정지상태 및 운동상태에서 풍압 등의 외력이 작용할 때, 이 외력에 저항해서 구조물(20)에는 인장응력이나 압축응력 혹은 전단응력이 전체적 혹은 국부적으로 발생하게 되는 바, 본 발명은 상기한 구조물(20)을 구성하는 프레임(40)과 빔(50) 그리고 거더(60)들을 금속재질로 제작함으로서 외력에 의해 발생되는 응력에 대해 구조물(20)이 저항할 수 있는 충분한 강도를 가질 수 있게 되는 것이다.

상기한 구조물(20)에는 빔(40)과 프레임(40)을 연결하는 브라켓(90)이 더 구비되어 지는 데, 상기한 브라켓(90) 역시 강도를 고려할 수 있도록 금속재질로 성형토록 한다.

그러나 위와 같이 금속재질로 구조물(20)의 구성품들(즉, 프레임(40), 빔(50), 거더(60), 브라켓(90))을 제작하게 되면 외력에 견딜 수 있는 충분한 강도 를 보장받을 수 있는 반면, 금속재질이 가지는 중량으로 인해 구조물(20)의 중량증가를 피할 수 없으며, 이와 같이 구조물(20)의 중량이 증가하면 상기 구조물(20)을 지탱하는 구동부(80)에서 부하가 발생하게 됨으로서 결과적으로 출력효율이 낮아지는 결과를 가져오게 된다.

따라서 본 발명은 첨부된 도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이 구조물(20)을 구성하는 각 구성품들인 프레임(40)과 빔(50) 그리고 거더(60) 및 브라켓(90)에 다수개의 구멍(40a, 50a, 60a, 90a)들을 각각 개별적으로 천공하여 프레임(40)과 빔(50) 그리고 거더(60) 및 브라켓(90)의 개별중량을 경감시킬 수 있도록 구성하고 있으며, 따라서 위와 같은 중량이 경감된 구성품들을 이용하여 구조물(20)을 조립하게 됨으로서, 결과적으로 구조물(20)의 경량화를 가져와 구동부(80)에 부하가 발생하지 않도록 하여 태양추적시스템의 순출력(Net Output)을 증가시킬 수 있게 되는 것이다.

다시 말해서 본 발명은 구조물(20)의 강도를 고려하여 중량이 무거운 금속재질로 제작하되, 구조물(20)의 경량화를 통해 구멍(40a, 50a, 60a, 90a)을 각각 천공시켜 구성함으로서 구조물(20)의 강도 향상과 태양추적시스템의 순출력 향상 효과를 동시에 구현할 수 있는 작용효과를 가지게 된다.

한편, 상기한 구멍(40a, 50a, 60a, 90a)의 형상은 비록 도면상에는 타원 혹은 원형의 형상으로 천공한 것을 대표하여 표현하였으나, 이외에 사각형이나 마름모, 혹은 육각형이나 사다리꼴 또는 별 모양 등 다양한 형상으로 표현할 수 있을 것이다. 또한 본 발명에서 기술되는 구멍(40a, 50a, 60a, 90a)은 구조물(20)의 중 량감소를 위해 형성된 것이며, 따라서 구조물(20)의 중량을 감소할 수 있는 목적을 달성하기 위해서라면 굳이 구멍을 관통하지 않고, 일면이 막혀있는 홈의 형상으로 대체할 수 있음은 본 발명의 기술적 범위에 당연히 속한다 할 것이다. 또한 구멍(40a, 50a, 60a, 90a)의 형성 위치 역시 설계자의 의도에 따라 다양하게 변경 실시 가능함은 물론이다.

첨부된 도 6은 태풍 등의 강한 외력에 의해 구조물(20)중의 하나인 프레임(40)의 파손 상태를 일예로 도시한 도면이다.

즉, 금속재질로 성형된 프레임(40)상에 다수개의 구멍(40a)들을 천공한 상태에서 상기 프레임(40)이 견딜 수 있는 강도 이상의 외력이 가해져 프레임(40)의 특정부분에서 균열(C)이 발생하기 시작하면, 상기 균열(C)은 도 6에서와 같이 프레임(40)에 형성된 구멍(40a)들을 통해 프레임(40) 전체로 번지지 않고, 프레임(40)의 특정 부분에만 제한적으로 발생하게 됨으로서 외력에 의한 프레임(40)의 부분적인 파손을 유도할 수 있으며, 따라서 프레임(40) 전체로 균열로 인한 피해가 전해지는 것을 방지할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물을 입체적으로 도시한 도면.

도 2는 도 1에서 도시하고 있는 구조물의 구성 중에서 프레임을 발췌하여 도시한 도면.

도 3은 도 1에서 도시하고 있는 구조물의 구성 중에서 빔을 발췌하여 도시한 도면.

도 4는 도 1에서 도시하고 있는 구조물의 구성 중에서 거더를 발췌하여 도시한 도면.

도 5는 도 1에서 도시하고 있는 구조물의 구성 중에서 브라켓을 발췌하여 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 구조물의 구성 중에서 프레임의 파손상태를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20: 구조물 30: 태양전지모듈

40: 프레임 50: 빔

60: 거더 80: 구동부

90: 브라켓

40a, 50a, 60a, 90a: 구멍

Claims (1)

1. 외곽틀을 구성하는 프레임(40)과, 상기 프레임(40) 내부에 가로 및 세로방향으로 서로 교차된 상태로 배열 설치되는 빔(50)과 거더(60)들로 구성하여 태양전지모듈(30)을 구동부(80)에 고정시키게 되는 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물(20)에 있어서,

   상기 구조물(20)을 구성하는 프레임(40)과, 빔(50) 그리고 거더(60)는 금속재질로 제작하고,

   상기 금속재질로 제작된 프레임(40)과 빔(50) 그리고 거더(60)에는 중량을 경감시키기 위해 다수개의 구멍(40a, 50a, 60a)들을 천공하여 구성한 것을 특징으로 하는 태양추적시스템에 사용되는 태양에너지기기 지지용 구조물.

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