KR20100119007A - 태양의 위치를 계산하는 연산부를 구비한 태양광 추적장치 - Google Patents

태양의 위치를 계산하는 연산부를 구비한 태양광 추적장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 추적장치에 관한 것으로 통상의 추적식 태양전지 장치가 태양전지의 위치를 알아내기 위하여 태양광 센서를 사용하는데 비해 태양의 위치를 정밀하게 계산할 수 있는 연산부를 구비하여 계산된 태양의 고도각 및 방위각, 시간각을 이용하여 태양전지 모듈의 요잉 및 스윙 회전각을 결정하고 구동하는 것을 특징으로 한다.
태양광, 추적, 고도각, 방위각, 시간각, GPS

Description

태양의 위치를 계산하는 연산부를 구비한 태양광 추적장치{Sun Tracker with a Computation Part calculating the location of the Sun}
본 발명은 태양전지 모듈의 발전량을 높이기 위하여 시간에 따라 태양을 따라 태양전지 모듈의 위치를 변화시키는 태양광 추적장치에 관한 것이다.
태양전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로서 현재 인류의 주요 에너지원인 화석연료가 가격 상승, CO2 발생으로 인한 지구온난화, 기후변화로 인한 자연재해 등의 문제를 야기함으로 인해 이러한 문제를 해결할 수 있는 신재생 에너지 기술의 하나로서 많은 주목을 받고 있다.
태양전지는 흡수층 물질의 종류에 따라 실리콘, 화합물 반도체, 유기 태양전지로 분류되며, 시간에 따라 태양전지 모듈의 위치가 변화하는지 여부에 따라 고정식 태양전지 시스템과 추적식 태양전지 시스템으로 구분된다.
태양전지의 발전량은 입사 광량에 비례하므로 태양전지 모듈의 위치가 고정되는 고정식 태양광 시스템에 비해 태양의 위치에 따라 태양전지 모듈의 자세를 제어하여 항상 태양광의 법선방향으로 태양전지 모듈을 위치시키는 추적식 태양전지시스템이 상대적으로 더 많은 전기를 발전할 수 있다.
본 발명은 추적식 태양전지 장치에 관한 것으로 태양의 위치를 정밀하게 계산할 수 있는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
통상의 태양광 추적장치는 태양의 위치를 추적하기 위하여 통상적으로 센서를 사용하나 고가의 센서를 사용함으로써 태양광 시스템의 가격이 상승하는 문제점이 있고, 태양이 구름에 의하여 가려지는 경우 빛이 산란되어 센서가 태양의 위치를 잘못 추적하여 태양전지 모듈의 구동장치를 오동작시키는 문제가 있다.
또한, 센서의 경우 태양전지 모듈 자체에 비해 견고함이 떨어져 수명이 짧기 때문에 지속적인 유지보수가 필요하다.
이에 반해 본 발명은 태양의 위치를 추적하기 위하여 센서 대신에 태양의 위치를 정밀하게 계산할 수 있는 연산부를 구비하여 계산된 태양의 고도각 및 방위각, 시간각을 이용하여 태양전지 모듈의 요잉 및 스윙 회전각을 결정하고 구동하는 것을 특징으로 한다.
태양전지 모듈이 최대의 발전량을 얻기 위해서는 태양전지 모듈이 태양광에 법선방향으로 위치되어야 한다. 지구는 매일 태양을 중심으로 반 시계방향으로 약 1도씩 공전하며, 자전축은 23.45도 기울어져 서에서 동으로 자전하기 때문에 태양의 위치는 매일 시간에 따라 변화할 뿐 아니라 계절에 따라서도 변화한다. 따라서 정확한 태양의 위치(방위각, 고도각)을 계산하기 위해서는 태양 기하학에 따라 시간, 윤년, 적위, 균시차, 진태양시, 태양의 시간각 등을 계산하여야 한다.
적위(δ)는 지구의 중심축과 태양의 중심축으로부터 일직선으로 생기는 광선 과 지구의 적도면 사이에 형성된 각으로 1년을 주기로 변화하며 다음과 같이 사인곡함수로 근사화된다.
식(1)
Figure 112009026234864-PAT00001
여기서 n은 연일수.
태양의 시간각은 태양이 자오선을 지난 뒤에 서쪽 방향으로 잰 각도를 나타내며 태양이 남중한 뒤부터의 경과시간을 의미한다.
식(2)
Figure 112009026234864-PAT00002
여기서 Tsol은 진태양시.
태양의 시간각을 구하기 위해서는 진태양시를 계산해야 하며, 진태양시는 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도, 경도에 따라 미세하게 변화하며 다음 식과 같이 표현된다.
식(3)
Figure 112009026234864-PAT00003
여기서, Tstd: 지방표준시, Lstd: 태양전지 모듈이 설치된 지역의 경도, Lloc: 표준자오선의 경도(우리나라 동경 135도), Et: 균시차이다.
균시차는 지구가 태양주위를 원이 아닌 타원궤도로 공전함으로 인해 발생하는 진태양시와 평균태양시사이의 시간차를 의미하며 다음 식과 같이 기술된다.
식(4)
Figure 112009026234864-PAT00004
여기서 B는 360/365(n-1)로 표현되는 값이다.
위 식(1) 내지 식(4)를 통해서 계산된 적위와 시간각을 이용하면 주어진 연일수(n)와 시간(Tstd)에서의 태양의 위치(고도각(β)과 방위각(Φs))를 다음 식으로 유도할 수 있다.
식(5)
Figure 112009026234864-PAT00005
식(6)
Figure 112009026234864-PAT00006
상기와 같이 유도된 식을 이용하면 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도, 경도, 표준자오선의 경도를 입력함으로써 1년 365일, 24시간 태양의 정밀한 위치를 계산할 수 있기 때문에 고가의 센서를 구비하지 않고도 태양의 위치를 추적할 수 있다.
태양의 위치추적을 위하여 고가의 센서를 사용하지 않음으로써 가격이 저렴하고 정밀한 제어가 가능하며 유지보수가 적은 태양광 추적 장치를 제공한다.
다음에서 개시되는 특정 실시예들은 본 발명을 이러한 개시 형태에 한정하려 는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예 1] 2축식 태양광 추적장치의 경우
도2는 본원 발명이 요잉 및 스윙 동작이 가능한 2축식 태양광 추적장치에 적용된 개념도이다.
도2를 참조하면 본원 발명의 2축식 태양광 추적장치는
태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지 모듈;
연일수(n)와 시간(Tstd)에 따른 태양의 고도각(β)과 방위각(Φs)을 계산하는 연산부;
상기 태양전지 모듈의 요잉동작을 구동하는 제1 구동부;
상기 태양전지 모듈의 스윙동작을 구동하는 제2 구동부;
상기 연산부에서 계산한 태양의 고도각(β)에 따라 상기 제1 구동부를 제어하는 제1 제어부;
상기 연산부에서 계산한 태양의 방위각(Φs)에 따라 상기 제2 구동부를 제어하는 제2 제어부;를 포함하고
상기 연산부는 상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd) 및 표준 자오선의 경도(Lloc)를 입력받아 태양의 고도각(β)과 방위각(Φs)을 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양전지 모듈은 실리콘 웨이퍼, 화합물 반도체, 유기 고분자, 염료감응물질, 박막 실리콘 등이 빛 흡수층으로 사용될 수 있다.
상기 고도각(β)과 방위각(Φs)은 상기 과제 해결 수단에서 유도된 식을 프로그래밍하여 컴퓨터 등을 이용하여 계산할 수 있다. 계산은 실시간으로 이루어 질수도 있으며 미리 계산된 결과를 데이터베이스(DB)에 저장한 후 현재 시각에 해당하는 값을 읽는 방식으로 이루어질 수도 있다.
상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd) 및 표준 자오선의 경도(Lloc)은 태양전지 모듈을 설치되는 위치에 의해 결정되는 상수 값이고 시간에 의해 변하지 않는 값이므로 수동으로 한 번만 입력할 수 있다.
또한, 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd) 및 표준 자오선의 경도(Lloc)를 측정할 수 있는 GPS(Global Positioning system)장치를 더 구비함으로써 자동으로 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd)를 측정하고 그 결과를 자동적으로 연산부에 입력할 수도 있다. 지상이 아닌 해상에 설치되어 태양전지 모듈이 고정되어 있지않고 위도(L)와 경도(Lstd)가 미세하게 변화하는 경우에 유용할 수 있다.
[ 실시예 2] 축이 지면에 수평인 1축식 태양광 추적장치의 경우
도3은 본원 발명이 1축식 태양광 추적장치에 적용된 개념도이다.
도3을 참조하면 본원 발명의 1축식 태양광 추적장치는
태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지 모듈;
상기 태양전지 모듈이 부착되는 회전축;
상기 태양전지 모듈을 상기 회전축을 중심으로 회전시키는 회전구동부;
상기 회전구동부의 회전각을 제어하는 제어부;
연일수(n)와 시간(Tstd)에 따른 태양의 시간각(H)을 계산하는 연산부;를 포함하고
상기 태양전지 모듈이 부착되는 회전축은 지면에 수평이며 남북방향으로 설치되고,
상기 연산부는 상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd) 및 표준 자오선의 경도(Lloc)를 입력받아 태양의 시간각(H)을 계산하고,
상기 제어부는 상기 연산부에서 계산한 태양의 시간각(H)에 따라 상기 태양전지 모듈의 회전각을 제어하는 것을 특징으로 한다.
도3에 도시된 것과 같이 회전축은 지면에 수평이며 남북방향으로 설치되어 있는 1축식 태양광 추적장치의 경우에는 그 회전각을 결정할 때 태양의 고도각(β) 과 방위각(Φs)을 이용하는 것이 아니라 태양의 시간각(H)을 사용하여 결정한다.
동일한 1축식 태양광 추적장치라고 하더라도 축의 방향이 지면에 수직방향으로 설치되는 경우(고도각은 고정)에는 앞서 도2에 도시된 것과 같이 태양의 방위각(Φs)을 이용하여 스윙회전을 제어하면 된다.
앞서와 마찬가지로 상기 태양전지 모듈은 실리콘 웨이퍼, 화합물 반도체, 유기 고분자, 염료감응물질, 박막 실리콘 등이 빛 흡수층으로 사용될 수 있다.
상기 시간각(H)은 상기 과제 해결 수단에서 유도된 식을 프로그래밍하여 컴퓨터 등을 이용하여 계산할 수 있다. 계산은 실시간으로 이루어 질 수도 있으며 미리 계산된 결과를 데이터베이스(DB)에 저장한 후 현재 시각에 해당하는 값을 읽는 방식으로 이루어질 수도 있다.
상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd) 및 표준 자오선의 경도(Lloc)은 태양전지 모듈을 설치되는 위치에 의해 결정되는 상수 값이고 시간에 의해 변하지 않는 값이므로 수동으로 한 번만 입력할 수 있다.
또한, 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd) 및 표준 자오선의 경도(Lloc)를 측정할 수 있는 GPS(Global Positioning system)장치를 더 구비함으로써 자동으로 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd)를 측정하고 그 결과를 연산부에 입력할 수도 있다. 지상이 아닌 해상에 설치되어 태양전지 모듈이 고정되어 있지않고 위도(L)와 경도(Lstd)가 미세하게 변화하는 경우에 유용 할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 설명 및 아래의 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
도1. 지평좌표계상의 태양의 위치
도2. 본 발명에 따른 2축식 태양광 추적기
도3. 본 발명에 따른 1축식 태양광 추적기

Claims (6)

  1. 태양광 추적장치에 있어서 상기 태양광 추적장치는
    태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지 모듈;
    연일수(n)와 시간(Tstd)에 따른 태양의 고도각(β)과 방위각(Φs)을 계산하는 연산부;
    상기 태양전지 모듈의 요잉동작을 구동하는 제1 구동부;
    상기 태양전지 모듈의 스윙동작을 구동하는 제2 구동부;
    상기 연산부에서 계산한 태양의 고도각(β)에 따라 상기 제1 구동부를 제어하는 제1 제어부;
    상기 연산부에서 계산한 태양의 방위각(Φs)에 따라 상기 제2 구동부를 제어하는 제2 제어부;를 포함하고
    상기 연산부는 상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd) 및 표준 자오선의 경도(Lloc)를 입력받아 태양의 고도각(β)과 방위각(Φs)을 계산하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치
  2. 제1항에 있어서
    상기 연산부에서 태양의 고도각(β)과 방위각(Φs)은 하기와 같은 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치
    Figure 112009026234864-PAT00007
    Figure 112009026234864-PAT00008
    여기서, L: 상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도, δ: 적위, H: 시간각
    Figure 112009026234864-PAT00009
    Figure 112009026234864-PAT00010
    단, 여기서 n은 연일수, Tsol: 진태양시
  3. 제2항에 있어서
    상기 진태양시(Tsol)는 하기와 같은 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치
    Figure 112009026234864-PAT00011
    여기서, Lstd: 태양광 모듈이 설치된 지역의 경도, Lloc: 태양광 모듈이 설치된 지역의 표준자오선의 경도, Et: 균시차(진태양시와 평균태양시의 시간차)
  4. 태양광 추적장치에 있어서 상기 태양광 추적장치는
    태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지 모듈;
    상기 태양전지 모듈이 부착되는 회전축;
    상기 태양전지 모듈을 상기 회전축을 중심으로 회전시키는 회전구동부;
    상기 회전구동부의 회전각을 제어하는 제어부;
    연일수(n)와 시간(Tstd)에 따른 태양의 시간각(H)을 계산하는 연산부;를 포함하고
    상기 태양전지 모듈이 부착되는 회전축은 지면에 수평이며 남북방향으로 설치되고,
    상기 연산부는 상기 태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd) 및 표준 자오선의 경도(Lloc)를 입력받아 태양의 시간각(H)을 계산하고,
    상기 제어부는 상기 연산부에서 계산한 태양의 시간각(H)에 따라 상기 태양전지 모듈의 회전각을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치
  5. 제4항에 있어서
    상기 시간각(H)은 상기 연산부에서 하기와 같은 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치
    Figure 112009026234864-PAT00012
    여기서, Tsol: 진태양시
    Figure 112009026234864-PAT00013
    여기서, Tstd: 지방표준시, Lstd: 태양광 모듈이 설치된 지역의 경도, Lloc: 태양광 모듈이 설치된 지역의 표준자오선의 경도, Et: 균시차(진태양시와 평균태양시의 시간차)
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서
    태양전지 모듈이 설치된 지역의 위도(L)와 경도(Lstd)를 측정하는 GPS(Global Positioning system) 장치를 더 구비하고,
    상기 GPS 장치에서 측정된 위도(L)와 경도(Lstd) 값을 상기 연산부에 전달하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치
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