KR20100009966A - 태양 위치 추적 장치 및 태양전지 모듈 구동 시스템 - Google Patents

태양 위치 추적 장치 및 태양전지 모듈 구동 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 중심축에서부터 방사상으로 돌출되어 적어도 3개 이상의 균등하게 분활된 감지 공간을 형성하는 복수의 칸막이부와, 상기 칸막이부의 상부에 마련되는 차광부를 포함하여 이루어지는 추적 장치 몸체와 ; 상기 감지 공간에 마련되어 상기 차광부를 향하여 배치되는 광센서 ; 를 포함하여 이루어지는 태양 위치 추적 장치에 있어서 : 상기 추적 장치 몸체의 각 감지 공간마다 상기 광센서의 후방으로부터 입사되는 빛을 상기 광센서로 금속반사시키기 위한 금속반사용 비구면부가 형성되며, 이에 의하여 날씨가 흐리거나 일몰과 일출로 인하여 태양이 급작스럽게 그 위치를 변경시키는 경우에도 자체 광센서에 의하여 태양의 위치를 추적할 수 있으면서, 매우 간단한 구성으로 인하여 전체적인 장치가 매우 간소하게 되고 또한 그 제어회로가 매우 단순하게 적용될 수 있는 새로운 태양 위치 추적 장치 및 이를 이용한 태양전지 모듈 구동 시스템을 제공할 수 있다.

Description

태양 위치 추적 장치 및 태양전지 모듈 구동 시스템{SOLAR TRACKING APPARATUS AND PHOTOVOLTAIC DRIVING SYSTEM}
본 발명은 태양에너지를 효율적으로 이용하기 위한 태양 위치 추적 장치 및 이를 이용한 태양전지 모듈 구동 시스템에 관한 것이다.
최근 지구의 에너지 부족과 환경오염으로 인하여 친환경적인 대체 에너지의 개발이 모색되고 있다. 그 중 하나로서 태양에너지의 개발과 활용이 급진전되고 있다.
상기와 같은 대체에너지로서 태양 에너지를 이용하기 위한 여러가지 장치, 즉 태양(광)전지, 태양열 난방장치 등이 개발되고 있다.
이러한 개발 과정에서 태양에너지를 효율적으로 이용하기 위하여 태양에너지의 수집장치가 태양의 방향을 추적할 수 있도록 한 태양 위치 추적 장치가 다수 제안된 바 있다.
태양 위치 추적 장치들은 크게, 프로그램에 의하여 계산된 좌표에 따라 구동모터가 동작함으로써 태양을 추적하는 좌표 계산 방식과, 수시로 광센서에 의하여 검출되는 신호 출력에 따라 구동모터를 제어하여 태양을 추적하는 광센서 방식의 두가지로 분류될 수 있다.
좌표 계산 방식의 경우, 일기 상태에 구애받지 않고 태양을 추적할 수 있다는 장점이 있는 반면에 오차의 누적으로 주기적인 교정 작업이 필수적이므로 유지 및 보수의 번거로움이 있다. 특히 좌표 계산 방식의 경우 소형 태양 에너지 이용 장치가 무수히 많이 설치되는 방식에는 적용되기 어렵다.
광센서 방식은 그 구조가 비교적 간결하다는 장점이 있지만, 날씨가 흐린 경우에는 태양의 추적이 불가능하고 이러한 상태로 시간이 경과되어 태양의 위치가 상당히 변화된 경우에는 태양의 위치가 태양 위치 추적 장치의 추적 가능 범위를 벗어나게 되어 추적 자체가 불가능하게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 광센서 방식에 의한 태양 위치 추적 장치의 문제를 해결하기 위하여 제안되는 것이다.
한편, 종래의 기술로서 미국 특허 US4,424,801호, US4,495,408호, US4,672,191호가 제안된 바 있으며, 또한 한국 등록특허 제10-0836870호, 한국 등록특허 제10-0780565호, 한국 공개특허 특1994-0007551호, 한국 공개실용신안공보 제20-2008-0000278호 등이 제안된 바 있다. 상기 종래 기술들은 모두 본 명세서에 일체화된 것으로 본다.
특히 한국 공개실용신안 공보 제20-2008-0000278호는, 장시간 태양이 나타나지 않다가 마직막 위치에서 현저하게 변경된 위치에서 태양이 나타나는 경우에도 태양의 위치를 추적할 수 있도록 주 추적 센서 외에 보조센서를 마련한 구성을 제안하고 있다.
그러나 이러한 종래의 기술은 센서의 추가적인 구성이 필요하여 전체적인 장치가 복잡하게 될 뿐만 아니라 그 제어회로가 복잡하게 될 수 밖에 없다.
본 발명은 날씨가 흐리거나 일몰과 일출로 인한 태양의 급작스런 위치 변화에도 태양의 위치를 추적할 수 있으며, 매우 간단한 구성으로 인하여 전체적인 장치가 매우 간소하게 되고 또한 그 제어회로가 매우 단순하게 적용될 수 있는 새로운 태양 위치 추적 장치 및 이를 이용한 태양전지 모듈 구동 시스템을 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 중심축에서부터 방사상으로 돌출되어 적어도 3개 이상의 균등하게 분활된 감지 공간을 형성하는 복수의 칸막이부와, 상기 칸막이부의 상부에 마련되는 차광부를 포함하여 이루어지는 추적 장치 몸체와 ; 상기 감지 공간에 마련되어 상기 차광부를 향하여 배치되는 광센서 ; 를 포함하여 이루어지는 태양 위치 추적 장치에 있어서 : 상기 추적 장치 몸체의 각 감지 공간마다 상기 광센서의 후방으로부터 입사되는 빛을 상기 광센서로 금속반사시키기 위한 금속반사용 비구면부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 추적 장치 몸체는 금속반사를 위하여 합성수지 재질의 추적 장치 몸체의 표면이 금속도금되어 있는 것이 바람직하다. 물론 실시례에 따라서는 금속반사용 비구면부만 금속 재질로 형성하거나 추적 장치 몸체 전체를 금속재질로 선택할 수도 있다.
본 발명의 다른 사상으로, 구조물에 고정되기 위한 지지대 ; 수평면과 평행한 제1회전축을 중심으로 상기 지지대에 대하여 회전가능하게 마련되는 제1회전몸체 ; 상기 제1회전축을 회전시키기 위하여 상기 지지대에 마련되는 제1구동장치 ; 상기 제1회전축과 직각을 이루는 제2회전축을 중심으로 상기 제1회전몸체에 대하여 회전가능하게 마련되는 제2회전몸체 ; 상기 제2회전축을 회전시키기 위하여 상기 제1회전몸체에 마련되는 제2구동장치 ; 상기 제2회전몸체에 고정마련되는 태양전지 모듈 ; 상기 제2회전몸체에 연결 마련되어 상기 태양전지 모듈이 향하는 방향과 동일한 방향을 향하여 배치되는 상기 태양 위치 추적 장치 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 구동 시스템을 제공한다.
상기에 있어서 : 상기 제1구동장치는, 제1워엄이 제1모터축에 마련된 제1모터와, 상기 제1회전축에 상기 제1회전축과 동심으로 마련되어 상기 제1워엄과 워엄 기어 결합되는 제1워엄 휘일로 이루어지며 ; 상기 제2구동장치는, 제2워엄이 제2모터축에 마련된 제2모터와, 상기 제2회전축에 상기 제2회전축과 동심으로 마련되어 상기 제2워엄과 워엄 기어 결합되는 제2워엄 휘일로 이루어지는 것 ; 이 바람직하다.
상기와 같이 본 발명은, 날씨가 흐리거나 일몰과 일출로 인하여 태양이 급작스럽게 그 위치를 변경시키는 경우에도 자체 광센서에 의하여 태양의 위치를 추적 할 수 있으면서, 매우 간단한 구성으로 인하여 전체적인 장치가 매우 간소하게 되고 또한 그 제어회로가 매우 단순하게 적용될 수 있는 새로운 태양 위치 추적 장치 및 이를 이용한 태양전지 모듈 구동 시스템을 제공할 수 있다.
이하 본 발명에 의한 일 실시례에 따라 그 구체적 구성과 작용을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 태양 위치 추적 장치의 개념 사시도이며, 도 2는 도 1의 분해 개념 사시도이며, 도 3은 도 1의 정면도 및 단면도이며, 도 4는 도 1의 추적 장치 몸체를 하부에서 바라본 사시도이며, 도 5는 도 1의 실시례의 작용을 설명하기 위한 개념도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시례에 의한 태양전지 모듈 구동 시스템의 개념 사시도이며, 도 7은 도 6의 워엄 기어 결합을 보이기 위한 개념도이다.
먼저 도 1 내지 도 5를 참고하여 본 실시례의 태양 위치 추적 장치(100)를 설명한다.
본 태양 위치 추적 장치(100)는 크게 추적 장치 몸체(110)와 4개의 광센서(120)와 광센서 지지부(130)로 구성된다.
먼저 추적 장치 몸체(110)에 대하여 설명한다.
추적 장치 몸체(110)는 차광부(111)와 칸막이부(112)와 금속반사용 비구면부(114)로 이루어진다.
칸막이부(112)는 중심축(112a)에서부터 방사상으로 돌출되는 것으로서 이에 의하여 4개의 균등하게 분할된 감지 공간(113)이 형성된다. 또한 각 감지 공간(113)마다 광센서(120)가 마련된다. 본 실시례에서는 4개의 칸막이부(112)에 의하여 4개의 감지 공간(113)이 형성되도록 하였지만, 논리적으로는 최소 3개의 감지 공간(113)이 형성된다면 모든 방향의 태양의 위치를 추적하는 것이 가능하다.
칸막이부(112)의 상부에 차광부(111)가 형성된다. 차광부(111)는 추적 장치 몸체(110)가 정확하게 태양을 향하였을 때 태양으로부터 감지 공간(113)으로 입사되는 빛을 차단하기 위한 것이다.
종래 기술에 있어서의 차광부는 오직 빛을 차단하기 위한 목적으로만 이용된다.
즉, 본 추적 장치 몸체(110)가 정확하게 태양을 향하는 경우 4개의 광센서(120)는 모두 차광부(111)에 의하여 빛을 감지하지 못하게 된다. 그리고 본 추적 장치 몸체(110)가 비스듬하게 태양을 향할 경우 어느 하나의 광센서(120) 또는 두개의 광센서(120)가 태양빛을 감지하며(즉, 2개 또는 3개의 광센서(120)는 차광부(111) 내지 칸막이부(112)에 의하여 태양빛을 감지하지 못하는 상태가 됨.), 그 태양빛을 감지한 광센서(120)가 위치한 방향으로 본 추적 장치 몸체(110)의 방향을 변화시킨다면 4개의 광센서(120)가 모두 차광부(111)에 의하여 빛을 감지하지 못하게 되는 상태, 즉 정확하게 태양을 향하는 상태로 변경된다.
그러나 본 실시례의 차광부(111)는 그 하부 모양을 변형시켜 금속반사용 비구면부(114)를 형성된다. 실시례에 따라서는 차광부(111)와 금속반사용 비구면부(114)가 서로 이격되어 별도로 마련될 수도 있지만, 차광부(111)의 하면이 비구면부(114)로서 기능하는 것이 전체 구조를 간략하게 한다.
금속반사용 비구면부(114)는 광센서(120)의 후방으로부터 입사되는 빛을 광센서(120)로 금속반사하기 위하여 형성된다.
금속반사용 비구면부는 2가지 특징, 즉 금속반사를 일으키는 금속반사면이라는 점과 비구면부가 형성된다는 점에서 특징을 가진다.
금속반사면을 형성하기 위하여는 비구면부(바람직하게는 추적 장치 몸체 전체)의 표면이 금속 재질로 이루어지는 것으로 충분하다. 비구면부의 표면이 금속 재질로 되기 위하여는 i) 비구면부 전체가 금속재질로 이루어지는 방법(즉 내부와 외부 모두 금속재질로 이루어지는 방법임.)과, ii) 비구면부 자체는 합성수지 재질로 이루어지되 그 표면이 금속도금되는 방법이 있다.
본 실시례에서는 추적 장치 몸체(110)를 합성수지 재질로 기본적임 몸체를 형성하여 그 성형 과정이 저렴하게 이루어지도록 하고, 그 형태가 완성된 후 합성수지 재질의 추적 장치 몸체(110)의 표면 전체를 금속도금(니켈도금 또는 크롬도금 등)하였다. 따라서 비구면부(114) 또한 금속도금된 표면, 즉 금속반사면을 가지게 되어 금속반사를 할 수 있게 된다.
또한 금속반사용 비구면부는, 비구면부로서 구면이 아닌 타원면, 포물면 등의 곡면을 가지도록 하여, 광센서(120) 후방에서 태양이 어디에 위치하는 경우라도 그 태양빛이 비구면부(114)에서 반사되어 광센서(120)에서 그 빛을 감지할 수 있도록 하였다.
광센서 지지부(130)가 칸막이부(112)의 하단에 고정마련되며, 상기 광센서 지지부(130)의 상부에 광센서(120)가 차광부(111)를 향하여 배치된다.
따라서 도 5에 도시된 바와 같이 추적 장치 몸체(110)가 태양을 비스듬하게 향하는 경우에는 해당 광센서(120)에 태양빛이 직접 입사되며, 태양이 추적 장치 몸체(110)의 후방에 위치하는 경우에는 태양빛이 금속반사용 비구면부(114)에서 반사된 후 광센서(120)로 입사된다.
따라서 도 5에서 태양의 위치에 관계없이 추적 장치 몸체(110)는 태양을 향하여 반시계 방향으로 회전하면 태양의 위치를 추적할 수 있다.
상기와 같이 본 태양 위치 추적 장치(100)는 금속반사용 비구면부(114)가 형성됨으로써 태양이 태양 위치 추적 장치(100)의 후방에 위치하는 경우에도 태양을 추적할 수 있게 된다.
이러한 상황은 주로 태양이 상당시간 구름에 가려 있는 경우 혹은 일몰과 일출 사이에 발생할 수 있다.
또한 이러한 구조를 가진 태양 위치 추적 장치(100)의 제어 방식은 종래의 방식이 그대로 적용될 수 있으므로 제어회로의 구성이 매우 간단하게 되며, 또한 별도의 광센서가 추가되지도 않으며 금속반사용 비구면부의 형성만 필요로 할 뿐이므로 전체적인 구조가 매우 간단하면서도 종래의 광센서 방식에 의한 태양 위치 추적 장치의 근본적인 문제점을 일거에 해결시킬 수 있다.
상기와 같은 태양 위치 추적 장치는 태양열에너지를 이용하기 위한 시스템이 나 태양광에너지를 이용하기 위한 시스템 등 태양에너지를 이용한 어떠한 장치에도 적용될 수 있다.
이하에서는 태양전지 모듈 구동 시스템에 상기의 태양 위치 추적 장치(100)를 적용한 실시례를 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 시스템은 크게 지지대(210), 제1회전몸체(220), 제1구동장치(230), 제2회전몸체(240), 제2구동장치(250), 태양전지 모듈(260), 태양 위치 추적 장치(100)로 구성된다.
지지대(210)는 특정의 구조물에 고정되기 위한 것이다.
통상 태양전지 모듈 구동 시스템은 태양광 에너지를 이용하여 전기를 생산하기 위한 것으로서, 다양하게 이용될 수 있다.
태양전지 모듈 구동 시스템은 소규모 발전을 위하여 이용되는 것이 일반적이며, 특히 가로등 등과 같이 직접 전기를 필요로 하는 전기 장치 주변에 마련되어 해당 전기 장치에 전기를 공급하기 위하여 이용된다.
지지대(210)에 제1회전몸체(220)가 마련된다.
제1회전몸체(220)는 수평면과 평행한 제1회전축(221)을 중심으로 지지대(210)에 대하여 회전가능하게 마련된다.
제1회전축(221)을 회전시키기 위한 제1구동장치(230)로서, 제1모터(231)가 상기 지지대(210)에 고정마련된다.
제1모터(231)의 제1모터축(232)에는 제1워엄(233)이 마련되며, 제1회전축(221)에는 제1회전축(221)과 동심으로 제1워엄휘일(234)가 마련되며, 상기 제1워엄휘일(234)은 제1워엄(233)과 워엄 기어 결합되어 있다.
일반적인 워엄 기어 결합에서 워엄의 리이드 각이 소정치 이하일 경우 자동 체결이 발생한다. 따라서 제1워엄(233)의 회전에 의하여 제1워엄휘일(234)이 회전할 수 있지만, 제1워엄휘일(234)의 회전에 의하여는 제1워엄(233)이 회전하지 않게 된다.
제1회전몸체(220)에 제2회전몸체(240)가 마련된다.
제2회전몸체(240)는 제1회전축(221)과 직각을 이루는 제2회전축(241)을 중심으로 제1회전몸체(220)에 대하여 회전가능하게 마련된다.
제2회전축(241)은 제1회전축(221)의 연장선과 직교하도록 마련될 수도 있지만, 통상적으로는 제2회전축(241)은 제1회전축(221)의 연장선과 이격되면서 직각을 이루게 된다.
제2회전축(241)을 회전시키기 위한 제2구동장치(250)로서, 제2모터(251)가 상기 제1회전몸체(220)에 고정마련된다.
제2모터(251)의 제2모터축(252)에는 제2워엄(253)이 마련되며, 제2회전축(241)에는 제2회전축(241)과 동심으로 제2워엄휘일(254)이 마련되며, 상기 제2워엄휘일(254)은 제2워엄(253)과 워엄 기어 결합되어 있다.
도 7은 제1구동장치(230) 내지 제2구동장치(250)의 구성을 보다 상세히 도시한 것이다.
제2회전몸체(240)에 다수의 태양전지 모듈(260)이 마련된다.
따라서 태양전지 모듈(260)은 제1구동장치(230) 및 제2구동장치(250)의 구동 에 의하여 임의의 방향을 향할 수 있다.
또한 제2회전몸체(240)에는 태양전지 모듈(260)이 향하는 방향과 동일한 방향을 향하여 태양 위치 추적 장치(100)가 마련되어 있다.
따라서 태양 위치 추적 장치(100)에 의하여 태양 위치 추적 장치(100)가 태양을 향하기 위하여 회전할 방향이 결정되면, 제1구동장치(230) 및/또는 제2구동장치(250)가 구동하여 태양전지 모듈(260) 및 태양 위치 추적 장치(100)가 태양을 향할 때까지 회전하게 된다.
물론 본 실시례에서 전기를 필요로 하는 부품은 태양전지 모듈(260)로부터 전기가 공급된다.
상기의 실시례는 본 발명의 바람직한 실시례일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상은 당업자에 의하여 다양하게 변형 내지 조정되어 실시될 수 있다. 이러한 변형 내지 조정이 본 발명의 기술적 사상을 이용한다면 이는 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
본 발명은 태양 에너지를 효율적으로 이용하기 위한 태양 위치 추적 장치 내지 이를 이용한 태양 에너지 이용 장치로서 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 태양 위치 추적 장치의 개념 사시도,
도 2는 도 1의 분해 개념 사시도,
도 3은 도 1의 정면도 및 단면도,
도 4는 도 1의 추적 장치 몸체를 하부에서 바라본 사시도,
도 5는 도 1의 실시례의 작용을 설명하기 위한 개념도,
도 6은 본 발명의 일 실시례에 의한 태양전지 모듈 구동 시스템의 개념 사시도,
도 7은 도 6의 워엄 기어 결합을 보이기 위한 개념도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 태양 위치 추적 장치 110 : 추적 장치 몸체
111 : 차광부 112 : 칸막이부
113 : 감지 공간 114 : 금속반사용 비구면부
120 : 광센서 130 : 광센서 지지부

Claims (4)

  1. 중심축에서부터 방사상으로 돌출되어 적어도 3개 이상의 균등하게 분활된 감지 공간을 형성하는 복수의 칸막이부와, 상기 칸막이부의 상부에 마련되는 차광부를 포함하여 이루어지는 추적 장치 몸체와 ; 상기 감지 공간에 마련되어 상기 차광부를 향하여 배치되는 광센서 ; 를 포함하여 이루어지는 태양 위치 추적 장치에 있어서 :
    상기 추적 장치 몸체의 각 감지 공간마다 상기 광센서의 후방으로부터 입사되는 빛을 상기 광센서로 금속반사시키기 위한 금속반사용 비구면부가 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 위치 추적 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추적 장치 몸체는 금속반사를 위하여 합성수지 재질의 추적 장치 몸체 표면이 금속도금되어 있는 것을 특징으로 하는 태양 위치 추적 장치.
  3. 구조물에 고정되기 위한 지지대 ; 수평면과 평행한 제1회전축을 중심으로 상기 지지대에 대하여 회전가능하게 마련되는 제1회전몸체 ; 상기 제1회전축을 회전시키기 위하여 상기 지지대에 마련되는 제1구동장치 ; 상기 제1회전축과 직각을 이 루는 제2회전축을 중심으로 상기 제1회전몸체에 대하여 회전가능하게 마련되는 제2회전몸체 ; 상기 제2회전축을 회전시키기 위하여 상기 제1회전몸체에 마련되는 제2구동장치 ; 상기 제2회전몸체에 고정마련되는 태양전지 모듈 ; 상기 제2회전몸체에 연결 마련되어 상기 태양전지 모듈이 향하는 방향과 동일한 방향을 향하여 배치되는 제 1 항 또는 제 2 항의 태양 위치 추적 장치 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 구동 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서 :
    상기 제1구동장치는, 제1워엄이 제1모터축에 마련된 제1모터와, 상기 제1회전축에 상기 제1회전축과 동심으로 마련되어 상기 제1워엄과 워엄 기어 결합되는 제1워엄 휘일로 이루어지며 ; 상기 제2구동장치는, 제2워엄이 제2모터축에 마련된 제2모터와, 상기 제2회전축에 상기 제2회전축과 동심으로 마련되어 상기 제2워엄과 워엄 기어 결합되는 제2워엄 휘일로 이루어지는 것 ; 을 특징으로 하는 태양전지 모듈 구동 시스템.
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