KR20110000898A - 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법 - Google Patents

태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법

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Abstract

태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법이 개시된다. 본 발명에 따라 복수의 태양광 집광판을 배치하는 경우에 태양광 집광판을 특정한 회전각으로 조정하여 음영에 대하여 태양광 흡수 효율을 높게 유지할 수 있고, 솔라 셀을 구비한 태양광 집광판의 설치 위치, 특히 설치 방향에 따른 오차를 보정하고, 이에 따라 제어각을 연산, 결정함으로써 솔라 셀 또는 태양광 집광판을 정확하게 원하는 방향으로 회전시켜 태양광 흡수 효율을 높일 수 있다.
태양광, 진북, 오차각, 음영 제거

Description

태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법{SOLAR GENERATING APPARATUS AND TRACKING METHOD THEREOF}
본 발명은 태양광 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양의 위치에 따라 솔라 패널의 각도를 변화시켜 태양광을 추적하도록 하는 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법에 관한 것이다.
최근에는 화석 연료의 고갈, 환경 오염 등으로 인해서 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 종류의 대체 에너지원, 클린 에너지원, 친환경 에너지원의 개발이 대두되고 있다. 그 중 하나가 태양 에너지를 이용하는 방법이다. 이러한 태양 에너지의 이용은 크게 세 가지 형태로 구분하여 볼 수 있는 데, 하나는 태양의 빛에너지를 열에너지로 변환하여 난방이나 온수로 활용하거나 또는 변환된 열에너지로 발전기를 가동하여 전기에너지를 얻는 태양열 방식이고, 또 하나는 태양광을 집광하고 이를 광섬유로 유도하여 조명으로 활용하는 방식이며, 다른 하나는 태양 전지, 솔라셀(Solar Cell),를 이용하여 태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환하여 사용하는 태양광 방식이다.
어느 경우이든, 태양 에너지를 활용하기 위해서는 태양 에너지를 수집하기 위한 장치가 필요하다. 태양 에너지를 수집하기 위한 장치는, 통상적으로는 태양의 직사광선과 대면하여 에너지를 흡수하는 태양광 집광판, 솔라 패널(Solar Panel)이 사용된다. 이러한 솔라 패널은 평판 형태의 구조물에 다수의 솔라 셀 또는 작동 유체가 순환되기 위한 배관 등을 설치한 구조를 가지며, 그 효율은 태양의 고도에 따라서 달라지게 된다.
아울러, 태양을 정확히 바라보게 하기 위해서 태양을 추적하는 프로그램 및 장치가 필요하다. 이를 태양광 추적 장치 또는 트래킹 장치라 한다. 태양을 추적하는 방법으로는 크게 센서를 이용하는 방식과 추적 프로그램을 이용하는 방식이 있다. 먼저, 센서를 이용하는 방식은 구조가 간결한 장점은 있으나, 태양의 위치를 센싱하는 범위가 한정되어 있어 구름에 의해 태양이 가려진 상태로 일정 시간이 경과하여 태양이 센서의 센싱 범위를 벗어난 경우에는 태양의 추적이 불가능하게 되는 단점이 있다.
이에 따라, 추적 프로그램을 이용하는 방식이 발전되어 왔는데, 오차의 누적에 따라 보정작업이 필요한 단점은 있으나, 기상 상태에 관계없이 태양을 추적할 수 있는 장점이 있다. 이러한 방식은 지구가 기울어진 상태로 태양의 주위를 공전하면서 자전함에 따라 변하는 태양의 위치를 관찰하여 이를 프로그램화하여 태양의 위치를 추적할 수 있도록 하는 방식이다.
한편, 상기 트래킹 장치는 회전축의 수에 따라서 1축 시스템 또는 2축 시스템으로 구분할 수 있으며, 측정된 또는 사전에 입력된 태양의 고도에 맞게 자동으로 또는 수동으로 태양광 집광판의 각도를 조절하여 최적의 효율을 얻을 수 있도록 하고 있다.
한편, 태양광 에너지를 이용한 발전시설의 경우 통상적으로 평탄한 대규모의 부지에 복수의 태양광 집광판을 설치하게 되는데, 태양광 발전의 특성상 두 장 이상의 태양광 집광판을 겹쳐서 배치하는 것이 불가능하므로 대단히 넓은 규모의 부지가 필요하게 된다. 이로 인해서, 발전기, 또는 액츄에이터(Actuator)에 의해 발생된 동력을 각각의 태양광 집광판으로 전달하기 위한 동력전달 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 전달과정에서 손실되는 동력의 양도 증가하게 된다.
그러나, 복수의 태양광 집광판을 배치하는 경우에 서로간의 간섭에 따라 음영이 발생하고, 태양이 일정각 이상으로 상승하지 아니하거나, 기상 상태의 영향으로 충분한 태양광을 흡수하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따른 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법은 미리 정해진 프로그램에 따라 태양의 위치를 추적함에도 불구하고, 상기 솔라 셀을 구비한 태양광 집광판의 설치 위치, 특히 설치 방향에 따라 오차가 발생하는 문제점이 있다. 즉, 태양광 발전 장치를 설치할 때의 지형상의 문제, 또는 진북과 자북의 오차 등의 환경적인 문제 등에 따라 태양광 흡수 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수의 태양광 집광판을 배치하는 경우에 태양광 집광판을 특정한 회전각으로 조정하여 태양광 흡수 효율을 높이는 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 태양의 고도 및 방위각에 따라 솔라 셀 또는 태양광 집광판을 정확하게 원하는 방향으로 회전시킬 수 있는 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
아울러, 본 발명은 태양의 고도 및 방위각에 따라 솔라 셀 또는 태양광 집광판을 회전함에 있어서, 상기 솔라 셀을 구비한 태양광 집광판의 설치 위치, 특히 설치 방향에 따른 오차를 보정하여 태양광 흡수 효율을 향상시키는 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 발전 장치는, 하나 또는 둘 이상의 솔라 셀을 구비하여 태양광을 흡수하는 하나 또는 둘 이상의 태양광 집광판과, 태양의 고도 및 방위각을 근거로 상기 솔라 셀이 상기 태양과 일정각을 유지하도록 상기 태양광 집광판을 회전시키는 회전각을 연산하는 회전각연산유닛과, 상기 태양광 집광판의 설치 방향과 진북 사이의 오차각을 연산하는 오차각연산유닛과, 상기 회전각 및 오차각을 근거로 제어각을 연산하는 제어각연산유닛과, 상기 제어각에 따라 상기 태양광 집광판을 회전하는 구동유닛을 포함하여 구성되고, 상 기 제어각연산유닛은 하나의 태양광 집광판에 다른 태양광 집광판에 음영이 발생하는지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과 음영이 발생하면 음영 제거 모드를 수행하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제어각연산유닛은, 상기 제어각을 미리 설정된 추적 제한각과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 제어각을 상기 구동유닛으로 출력하거나, 또는 음영 제거 모드를 수행한다. 또한, 상기 제어각연산유닛은, 상기 제어각이 상기 추적 제한각보다 크고 180도-추적 제한각보다 작으면, 상기 제어각을 상기 구동유닛으로 출력하고, 상기 제어각이 상기 추적 제한각 이하이거나 또는 180도-추적 제한각이상이면 음영 제거 모드를 수행한다. 여기서, 상기 음영 제거 모드는, 일정 시간 동안 미리 설정된 제어각으로 상기 태양판 집광판을 회전하는 모드이거나, 또는 상기 추적 제한각 보다 작은 제어각으로 회전하여 태양광을 흡수하고, 상기 흡수된 태양광이 일정 광량 이상이면 상기 태양광 집광판을 정지하는 모드일 수 있다. 상기 일정각은 상기 솔라 셀이 이루는 평면과 상기 태양에 의한 태양광이 수직이 되도록 하는 각으로 조정된다. 또는, 상기 일정각은, 일출시간, 일몰시간, 태양광 집광판 사이의 거리, 태양광 집광판의 위치, 태양광의 크기, 기상 데이터 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 따라 결정될 수 있다.
또한, 본 발명은 외부 시스템과 유무선 통신을 수행하는 통신유닛을 더 포함하는데, 상기 태양의 고도 및 방위각은, 상기 통신 유닛을 통해 연결된 외부 기상 관측 시스템으로부터 수신된 정보에 의해 결정될 수 있다.
또한, 본 발명은 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터를 저장하는 저장유닛을 더 포함할 수 있는데, 상기 태양의 고도 및 방위각은, 상기 저장유닛에 저장된 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터를 근거로 연산될 수 있다. 상기 저장유닛에는 상기 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터에 따른 태양의 고도 및 방위각이 미리 설정될 수 있다.
또한, 본 발명은 외부로부터 명령을 수신하거나, 외부로 현재 상태를 송신하는 입출력유닛을 더 포함할 수 있고, 특히 상기 입출력유닛은 화면을 통해 명령을 수신하거나, 화면을 통해 현재 상태를 표시하는 디스플레이유닛일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법은 하나 또는 둘 이상의 솔라 셀을 이용하여 태양광을 흡수하여 발전하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법에 있어서, 태양의 고도 및 방위각을 근거로 상기 솔라 셀이 상기 태양과 일정각을 유지하도록 하는 회전각을 연산하는 회전각연산단계와, 상기 솔라 셀의 방향과 진북 사이의 오차각을 연산하는 오차각연산단계와, 상기 회전각 및 오차각을 근거로 제어각을 연산하는 제어각연산단계와, 상기 제어각과 미리 설정된 추적 제한각을 비교하는 비교단계와, 상기 비교결과를 근거로 상기 솔라 셀의 방향을 변경하는 구동단계를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 구동단계는, 상기 제어각이 상기 추적 제한각보다 크고 180도-추적 제한각보다 작으면, 상기 제어각에 따라 상기 솔라 셀의 방향을 변경하고, 상기 제어각이 상기 추적 제한각 이하이거나 또는 180도-추적 제한각이상이면 음영 제거 모드에 따라 솔라 셀의 방향을 변경하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 음영 제거 모드는, 일정 시간 동안 미리 설정된 제어각으로 상기 태양판 집광판을 회전하는 모드이거나, 또는 상기 추적 제한각 보다 작은 제어 각으로 회전하여 태양광을 흡수하고, 상기 흡수된 태양광이 일정 광량 이상이면 상기 태양광 집광판을 정지하는 모드일 수 있다.
상기 태양의 고도 및 방위각은 외부 기상 관측 시스템으로부터 수신된 정보에 의해 결정되거나, 미리 저장된 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터를 근거로 연산되거나, 또는 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터에 따라 미리 설정될 수 있다. 또한, 상기 일정각은, 상기 솔라 셀이 이루는 평면과 상기 태양에 의한 태양광이 수직이 되도록 하는 각이거나, 또는 일출시간, 일몰시간, 태양광 집광판 사이의 거리, 태양광 집광판의 위치, 태양광의 크기, 기상 데이터 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 따라 결정될 수 있다.
본 발명에 따라 복수의 태양광 집광판을 배치하는 경우에 태양광 집광판을 특정한 회전각으로 조정하여 태양광 흡수 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 태양의 고도 및 방위각에 따라 솔라 셀 또는 태양광 집광판을 정확하게 원하는 방향으로 회전시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따라 상기 솔라 셀을 구비한 태양광 집광판의 설치 위치, 특히 설치 방향에 따른 오차를 보정할 수 있고, 이와 더불어 태양광 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법은, 하나 또는 둘 이상의 솔라 셀을 이용하여 태양광을 흡수하여 발전하는 태양광 발전 장치에 있 어서, 태양의 고도 및 방위각에 따라 결정된 회전각과, 상기 솔라 셀의 설치 방향과 진북 사이의 오차각을 근거로 상기 솔라 셀이 태양광과 일정각을 형성하도록 제어함을 그 특징으로 한다. 이때, 상기 일정각은, 상기 솔라 셀이 이루는 평면과 상기 태양에 의한 태양광이 수직이 되도록 하는 각이거나, 또는 일출시간, 일몰시간, 태양광 집광판 사이의 거리, 태양광 집광판의 위치, 태양광의 크기, 기상 데이터 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 따라 결정되는 각이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법을 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 발전 장치는, 하나 또는 둘 이상의 솔라 셀(110)을 구비하여 태양광을 흡수하는 하나 또는 둘 이상의 태양광 집광판(100)과, 태양의 고도 및 방위각을 근거로 상기 솔라 셀이 상기 태양과 일정각을 유지하도록 상기 태양광 집광판을 회전시키는 회전각을 연산하는 회전각연산유닛(310)과, 상기 태양광 집광판의 설치 방향과 진북 사이의 오차각을 연산하는 오차각연산유닛(320)과, 상기 회전각 및 오차각을 근거로 제어각을 연산하는 제어각연산유닛(330)과, 상기 제어각에 따라 상기 태양광 집광판을 회전하는 구동유닛(200)을 포함하여 구성되고, 상기 제어각연산유닛(330)은 하나의 태양광 집광판에 다른 태양광 집광판에 음영이 발생하는지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과 음영이 발생하면 음영 제거 모드를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어각연산유닛(330)은, 상기 제어각을 미리 설정된 추적 제한각과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 제어각을 상기 구동유닛으로 출력하거나, 또 는 음영 제거 모드를 수행한다. 또한, 상기 제어각연산유닛(330)은, 상기 제어각이 상기 추적 제한각보다 크고 180도-추적 제한각보다 작으면, 상기 제어각을 상기 구동유닛(200)으로 출력하고, 상기 제어각이 상기 추적 제한각 이하이거나 또는 180도-추적 제한각이상이면 음영 제거 모드를 수행한다.
여기서, 상기 음영 제거 모드는, 일정 시간 동안 미리 설정된 제어각으로 상기 태양판 집광판을 회전하는 모드이거나, 또는 상기 추적 제한각 보다 작은 제어각으로 회전하여 태양광을 흡수하고, 상기 흡수된 태양광이 일정 광량 이상이면 상기 태양광 집광판을 정지하는 모드일 수 있다.
상기 일정각은 상기 솔라 셀이 이루는 평면과 상기 태양에 의한 태양광이 수직이 되도록 하는 각으로 조정된다. 또는, 상기 일정각은, 일출시간, 일몰시간, 태양광 집광판 사이의 거리, 태양광 집광판의 위치, 태양광의 크기, 기상 데이터 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 따라 결정될 수 있다.
태양의 위치, 예를 들어 태양의 고도는 계절에 따라, 시각에 따라 달라지게된다. 도 8을 참조하면, 위도 북위 35도, 경도 동경 126도의 광주 지역에서 하지, 춘분, 추분, 동지에서 각각 고도가 달라지는 것을 볼 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면, 태양의 고도 및 방위각이 변할 때의 본 발명에 따라 연산되어 적용될 제어각의 관계를 도시한 것이다.
상기 일정각은 상기 솔라 셀이 이루는 평면과 상기 태양에 의한 태양광이 수직이 되도록 하는 각으로 조정된다. 기상 상태가 정상적일 때 하나의 솔라 셀이 태양광을 가장 많이 받기 위해서는 수직 방향, 즉 90°를 이루어야 한다. 상기 일 정각은 90°가 된다.
그러나, 현재 시각이 일출 시간 또는 일몰 시간인 경우에는 태양의 위치가 상대적으로 낮게 되고, 상기 태양의 위치에 의해서 태양광 집광판 서로간에 음영이 발생할 수 있다. 이러한 경우에 음영 발생을 없애거나 줄이기 위해 실험적으로 또는 사용자에 의해 강제적으로 특정 각도로 조정한다. 이때의 일정각은 90°가 아닐 수 있다.
또한, 상기 일정각은, 태양광 집광판 사이의 거리, 태양광 집광판의 위치, 태양광의 크기, 기상 데이터 등에 의해서도 가변될 수 있는데, 역시 실험적으로 또는 사용자의 직접 제어에 의해 강제적으로 하나 또는 둘 이상의 조합에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 태양광 집광판 사이의 거리가 넓거나, 또는 주변에 장애물이 없으면, 상대적으로 음영 발생의 가능성이 줄어듦으로써 일정각을 90°로 설정할 수 있다. 그러나, 반대의 경우에는 후술하는 제한각을 두어 음영 발생을 없애거나 줄이는 제어를 수행하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 태양광 발전 장치는 외부 시스템과 유무선 통신을 수행하는 통신유닛(360)을 더 포함하여 구성된다. 이때, 상기 태양의 고도 및 방위각은 상기 통신 유닛을 통해 연결된 외부 기상 관측 시스템으로부터 수신된 정보에 의해 결정될 수 있다. 상기 외부 기상 관측 시스템으로는 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)이나, 천문연구원, 또는 기타 외부 기상 관련 사이트, 서버, 장치 등일 수 있다. 또한, 상기 통신유닛(360)은 외부 기상 관측 시스템과 인터넷 등을 포함하는 유무선 통신 방식으로 통신하여 정보를 송수신한다.
또한, 본 발명에 따른 태양광 발전 장치는 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터를 저장하는 저장유닛(340)을 더 포함하여 구성된다. 이때, 상기 태양의 고도 및 방위각은 상기 저장유닛(340)에 저장된 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터를 근거로 연산될 수 있다. 한편, 상기 저장유닛(340)에는 상기 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터에 따른 태양의 고도 및 방위각이 미리 설정될 수 있다. 이 경우에는, 상기 태양의 고도 및 방위각을 곧바로 읽어 올 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양광 발전 장치는 외부로부터 명령을 수신하거나, 외부로 현재 상태를 송신하는 입출력유닛을 더 포함하여 구성된다. 이때, 상기 입출력유닛은 화면을 통해 명령을 수신하거나, 화면을 통해 현재 상태를 표시하는 디스플레이유닛일 수 있다. 즉, 일반적으로 입력 유닛 또는 출력 유닛으로 각각 사용되는 키보드(Keyboard), 마우스(Mouse), 키패드(Key Pad), 터치패드(Touch Pad), 모니터(Monitor), LED(Light Emitting Diode), LCD(Liquid Crystal Display) 뿐만 아니라, 터치 스크린(Touch Screen) 등의 디스플레이유닛을 사용할 수 있고, 통신 방식에 따라 휴대 전화, PDA(Personal Digital Assistant), 스마트폰(Smart Phone) 등의 무선 장치 등을 통해 명령을 제어하거나 모니터링할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 태양광 발전 장치에서의 디스플레이유닛의 일 예를 보인 것으로서, 크게 입력부분과 출력부분으로 구분하여 화면을 구성할 수 있다. 예를 들어 입력부분은 일자, 시각, 위도, 경도 등의 데이터를 설정하는 기본 입력 영역(A)과, 동서방향으로의 설치 파라메터(B)와, 남북방향으로의 설치 파라메터(C)를 설정하는 영역들을 구비한다. 또한, 출력부분은 태양의 고도(elevation) 및 방위각(azimuth)을 보여주는 기본 출력 영역(D)과, 동서방향으로의 회전각, 제어각 등을 출력하는 영역(E)과, 남북방향으로의 회전각, 제어각 등을 출력하는 영역(F)을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 동작을 설명한다. 도 3에서 회전각 a는 하기 수학식 1에 의해 연산될 수 있다.
Figure 112009039358124-PAT00001
여기서, a는 고도(elevation), b는 180°- 방위각(azimuth), d는 동서방향으로의 회전각이다. 또한, f는 남북방향으로의 회전각이다.
한편, d'는 동서방향으로의 제어각이고, f'는 남북방향으로의 제어각이 된다.
즉, 태양광 집광판이 설치된 방향과 진북 방향과의 사이에 오차각이 발생하는 경우에, 실제로 연산된 회전각과 솔라 셀이 회전하여야 하는 제어각 사이에 차이가 발생하게 되고, 이에 따라 태양광 흡수율이 낮아지는 결과를 초래한다.
본 발명에 따른 태양광 발전 장치에서, 상기 회전각연산유닛(310)은 먼저 태양의 고도 및 방위각에 따라 회전각(d)을 연산한다. 간단히 상기 수학식 1을 이용할 수 있다.
그런 다음, 상기 오차각연산유닛(320)은 솔라 셀을 포함한 태양광 집광판의 설치 방향과 진북의 방향을 고려하여 서로 간의 오차각(g)을 연산한다. 이러한 오차각(g)은 다양한 방법으로 연산될 수 있다. 즉, 태양광 집광판이 자북의 방향으로 평행하게 설치되어 있다면, 태양광 집광판이 설치된 지역에서의 자북과 진북의 차이각, 즉 자편각을 이용하여 오차각(g)을 연산할 수 있다. 한편, 태양광 집광판이 자북의 방향과 일정한 각도를 이루면서 설치되어 있다면, 역시 태양광 집광판이 설치된 지역에서의 자북과 진북의 차이각에 상기 태양광 집광판이 자북과 이루어지는 각도를 고려하여 오차각(g)을 연산할 수 있다. 예를 들어, 태양광 집광판이 서울 지역에 자북의 방향과 평행하게 설치되어 있다면, 자편각 7°16'이 오차각(g)이 된다. 물론 도북과 진북, 자북의 차이, 즉 도편각이나 도자각을 이용하여 오차각(g)을 연산할 수도 있다.
상기 제어각연산유닛(330)은 상기 회전각(d)과 상기 오차각(g)을 이용하여 간단한 삼각함수의 방법을 이용하여 제어각(d')을 결정하게 된다.
한편, 남북 방향으로의 제어각(f')도 상기와 같은 방법에 따라 용이하게 연산할 수 있다. 즉, 본 발명은 1축 시스템 뿐만 아니라 2축 시스템에서도 활용 가능하다.
태양광을 추적하는 중에 음영을 피하고, 태양광 흡수 효율을 높이기 위한 동작을 도 4를 참조하여 간단히 설명한다. 예를 들어, 도 4와 같이, 태양광 집광판들이 설치되어 있을 때의 설치 거리를 L1, 솔라 셀이 태양광을 추적할 때의 솔라 셀들 사이의 거리를 L2, 각 태양광 집광판의 솔라셀이 구비된 부분의 가로 길이를 L3라 한다. 또한, 태양광 추적을 정지하는 추적 제한각을 h, 음영을 피하기 위한 초기 제어각은 j라 한다. 그러면, 음영을 피하기 위한 제어 동작은 j각이 h각보다 커지는 경우에 이루어지게 되는데 하기 수학식 2 및 3과 같이 결정될 수 있다. 즉, 상기 태양광 추적 방법에서 연산된 제어각과 상기 추적 제한각(h)을 비교하여, 비교 결과에 따라 태양광 추적을 계속하여 태양과 수직을 이루도록 할 것인가, 또는 음영을 제거하는 동작을 수행할 것인가를 판단한다. 한편, 추적 제한각(h)을 45°와 같이 일정한 각도로 지정할 수도 있다. 즉, 상기 제어각이 45°내지 135°일 때는 태양광을 추적하고, 제어각이 45°이하이거나 135°이상인 경우에는 음영을 제거하는 동작을 수행할 수 있다.
Figure 112009039358124-PAT00002
Figure 112009039358124-PAT00003
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법은 하나 또는 둘 이상의 솔라 셀을 이용하여 태양광을 흡수하여 발전하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법에 있어서, 태양의 고도 및 방위각을 근거로 상기 솔라 셀이 상기 태양과 일정각을 유지하도록 하는 회전각을 연산하는 회전각연산단계(S200)와, 상기 솔라 셀의 방향과 진북 사이의 오차각을 연산하는 오차각연산단 계(S300)와, 상기 회전각 및 오차각을 근거로 제어각을 연산하는 제어각연산단계(S400)와, 상기 제어각과 미리 설정된 추적 제한각을 비교하는 비교단계(S510)와, 상기 비교결과를 근거로 상기 솔라 셀의 방향을 변경하는 구동단계(S520, S530)를 포함하여 구성된다. 여기서, 장치의 구성은 도 1을 참조한다.
여기서, 상기 구동단계는, 상기 제어각이 상기 추적 제한각보다 크고 180도-추적 제한각보다 작으면, 상기 제어각에 따라 상기 솔라 셀의 방향을 변경하고(S520), 상기 제어각이 상기 추적 제한각 이하이거나 또는 180도-추적 제한각이상이면 음영 제거 모드에 따라 솔라 셀의 방향을 변경하는 것을 특징으로 한다(S530).
여기서, 상기 음영 제거 모드는, 일정 시간 동안 미리 설정된 제어각으로 상기 태양판 집광판을 회전하는 모드이거나, 또는 상기 추적 제한각 보다 작은 제어각으로 회전하여 태양광을 흡수하고, 상기 흡수된 태양광이 일정 광량 이상이면 상기 태양광 집광판을 정지하는 모드일 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 추적 방법에 있어서, 상기 태양의 고도 및 방위각은 외부 기상 관측 시스템으로부터 수신된 정보에 의해 결정되거나, 미리 저장된 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터를 근거로 연산되거나, 또는 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터에 따라 미리 설정될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 태양광 추적 방법은, 일자, 시각, 위치 및 이들에 따른 기상 데이터를 미리 저장하고(S111), 상기 저장된 일자, 시각, 위치 및 이들에 따른 기상 데이터를 근거로 태양의 고도 및 방위각을 연산한다(S112).
또, 본 발명에 따른 태양광 추적 방법은, 태양광 집광판을 설치할 때 미리 일자, 시각, 위치 및 이들에 따른 기상 데이터를 근거로 한 태양의 고도 및 방위각을 미리 저장하여 두고, 이를 추출한다(S120).
또한, 본 발명에 따른 태양광 추적 방법은, 외부 기상 관측 시스템과 연결하고(S131), 연결된 외부 기상 관측 시스템으로부터 태양의 고도 및 방위각에 관한 정보를 수신한다(S132). 상기 외부 기상 관측 시스템으로는 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)이나, 천문연구원, 또는 기타 외부 기상 관련 사이트, 서버, 장치 등일 수 있다. 또한, 외부 기상 관측 시스템과 인터넷 등을 포함하는 유무선 통신 방식으로 통신하여 정보를 송수신한다.
태양의 위치, 예를 들어 태양의 고도는 계절에 따라, 시각에 따라 달라지게된다. 도 8을 참조하면, 위도 북위 35도, 경도 동경 126도의 광주 지역에서 하지, 춘분, 추분, 동지에서 각각 고도가 달라지는 것을 볼 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면, 태양의 고도 및 방위각이 변할 때의 본 발명에 따라 연산되어 적용될 제어각의 관계를 도시한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 태양광 추적 방법에 있어서, 상기 일정각은 상기 솔라 셀이 이루는 평면과 상기 태양에 의한 태양광이 수직이 되도록 하는 각이거나, 또는 일출시간, 일몰시간, 태양광 집광판 사이의 거리, 태양광 집광판의 위치, 태양광의 크기, 기상 데이터 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 따라 결정될 수 있다.
상기 일정각은 상기 솔라 셀이 이루는 평면과 상기 태양에 의한 태양광이 수직이 되도록 하는 각으로 조정된다. 기상 상태가 정상적일 때 하나의 솔라 셀이 태양광을 가장 많이 받기 위해서는 수직 방향, 즉 90°를 이루어야 한다. 상기 일정각은 90°가 된다.
그러나, 현재 시각이 일출 시간 또는 일몰 시간인 경우에는 태양의 위치가 상대적으로 낮게 되고, 상기 태양의 위치에 의해서 태양광 집광판 서로간에 음영이 발생할 수 있다. 이러한 경우에 음영 발생을 없애거나 줄이기 위해 실험적으로 또는 사용자에 의해 강제적으로 특정 각도로 조정한다. 이때의 일정각은 90°가 아닐 수 있다.
또한, 상기 일정각은, 태양광 집광판 사이의 거리, 태양광 집광판의 위치, 태양광의 크기, 기상 데이터 등에 의해서도 가변될 수 있는데, 역시 실험적으로 또는 사용자의 직접 제어에 의해 강제적으로 하나 또는 둘 이상의 조합에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 태양광 집광판 사이의 거리가 넓거나, 또는 주변에 장애물이 없으면, 상대적으로 음영 발생의 가능성이 줄어듦으로써 일정각을 90°로 설정할 수 있다. 그러나, 반대의 경우에는 후술하는 제한각을 두어 음영 발생을 없애거나 줄이는 제어를 수행하게 된다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 태양광 추정 방법을 설명한다. 도 3에서 회전각 a는 하기 수학식 4에 의해 연산될 수 있다.
Figure 112009039358124-PAT00004
여기서, a는 고도(elevation), b는 180°- 방위각(azimuth), d는 동서방향으 로의 회전각이다. 또한, f는 남북방향으로의 회전각이다.
한편, d'는 동서방향으로의 제어각이고, f'는 남북방향으로의 제어각이 된다.
즉, 태양광 집광판이 설치된 방향과 진북 방향과의 사이에 오차각이 발생하는 경우에, 실제로 연산된 회전각과 솔라 셀이 회전하여야 하는 제어각 사이에 차이가 발생하게 되고, 이에 따라 태양광 흡수율이 낮아지는 결과를 초래한다.
본 발명에 있어서, 상기 회전각연산유닛(310)은 먼저 태양의 고도 및 방위각에 따라 회전각(d)을 연산한다. 간단히 상기 수학식 1을 이용할 수 있다(S200).
그런 다음, 상기 오차각연산유닛(320)은 솔라 셀을 포함한 태양광 집광판의 설치 방향과 진북의 방향을 고려하여 서로 간의 오차각(g)을 연산한다(S300). 이러한 오차각(g)은 다양한 방법으로 연산될 수 있다. 즉, 태양광 집광판이 자북의 방향으로 평행하게 설치되어 있다면, 태양광 집광판이 설치된 지역에서의 자북과 진북의 차이각, 즉 자편각을 이용하여 오차각(g)을 연산할 수 있다. 한편, 태양광 집광판이 자북의 방향과 일정한 각도를 이루면서 설치되어 있다면, 역시 태양광 집광판이 설치된 지역에서의 자북과 진북의 차이각에 상기 태양광 집광판이 자북과 이루어지는 각도를 고려하여 오차각(g)을 연산할 수 있다. 예를 들어, 태양광 집광판이 서울 지역에 자북의 방향과 평행하게 설치되어 있다면, 자편각 7°16'이 오차각(g)이 된다. 물론 도북과 진북, 자북의 차이, 즉 도편각이나 도자각을 이용하여 오차각(g)을 연산할 수도 있다.
상기 제어각연산유닛(330)은 상기 회전각(d)과 상기 오차각(g)을 이용하여 간단한 삼각함수의 방법을 이용하여 제어각(d')을 결정하게 된다(S400).
상기 결정된 제어각(d')에 따라 솔라 셀을 구비한 태양광 집광판을 회전시키면, 더욱 많은 양의 태양광을 흡수할 수 있다(S500).
한편, 남북 방향으로의 제어각(f')도 상기와 같은 방법에 따라 용이하게 연산할 수 있다. 즉, 본 발명은 1축 시스템 뿐만 아니라 2축 시스템에서도 활용 가능하다.
태양광을 추적하는 중에 음영을 피하고, 태양광 흡수 효율을 높이기 위한 동작을 도 4를 참조하여 간단히 설명한다. 예를 들어, 도 4와 같이, 태양광 집광판들이 설치되어 있을 때의 설치 거리를 L1, 솔라 셀이 태양광을 추적할 때의 솔라 셀들 사이의 거리를 L2, 각 태양광 집광판의 솔라셀이 구비된 부분의 가로 길이를 L3라 한다. 또한, 태양광 추적을 정지하는 추적 제한각을 h, 음영을 피하기 위한 초기 제어각은 j라 한다. 그러면, 그러면, 음영을 피하기 위한 제어 동작은 j각이 h각보다 커지는 경우에 이루어지게 되는데 하기 수학식 5 및 6과 같이 결정될 수 있다. 즉, 상기 태양광 추적 방법에서 연산된 제어각과 상기 추적 제한각(h)을 비교하여, 비교 결과에 따라 태양광 추적을 계속하여 태양과 수직을 이루도록 할 것인가, 또는 음영을 제거하는 동작을 수행할 것인가를 판단한다. 한편, 추적 제한각(h)을 45°와 같이 일정한 각도로 지정할 수도 있다. 즉, 상기 제어각이 45°내지 135°일 때는 태양광을 추적하고, 제어각이 45°이하이거나 135°이상인 경우에는 음영을 제거하는 동작을 수행할 수 있다.
Figure 112009039358124-PAT00005
Figure 112009039358124-PAT00006
도 6은 도 1 및 도 2에서의 태양광 집광판의 일 예를 보인 도이고, 도 7은 도 6에서의 태양관 집광판의 세부 구성을 보인 도이다. 도 6 및 도 7을 함께 참조하여 태양광 집광판, 이하에서는 솔라 패널,을 설명한다. 도 6은 도 1을 확장한 것으로서 솔라 셀을 구비한 솔라 패널이 14열을 이루고 하나의 제어 장치(300)을 통해 제어되도록 연결된다. 물론 도 6의 도 7의 구성은 본 발명의 요지를 벗어나지 아니하는 한 적절하게 변형될 수 있다.
도 6을 참조하면, 복수의 열을 이루도록 토크 튜브에 장착되는 솔라 패널을 포함한다. 도 6에서는 솔라 패널이 총 14열을 이루도록 배치되어 있으며, 각각의 솔라 패널의 열의 하부에는 토크 튜브가 각각 배치되어 있다. 한편, 상기 솔라 패널의 열 중 중앙부에는 모터가 위치한다. 상기 모터는 솔라 패널이 고정되는 토크 튜브를 회전시키기 위한 동력을 생성하고 이를 전달한다. 상기 모터에 의해 생성된 동력을 전달하기 위한 연결유닛이 상기 각각의 솔라 패널의 열을 관통하도록 배치된다. 구체적으로는, 상기 연결유닛은 상기 토크 튜브의 하부에서 솔라 패널의 중앙부를 가로지르도록 연장되며, 각각의 토크 튜브와는 레버 암과 연결된다. 상 기 레버 암은 상기 연결 유닛을 지지하는 역할을 하는 것 외에도, 연결유닛의 왕복이동을 상기 토크 튜브의 회전운동으로 변환하는 역할을 한다.
이제, 도 6 및 도 7을 함께 참조하면, 상기 연결유닛은 동서 방향으로 배치되어 있다. 상기 제어장치(300)는 상기 솔라 패널의 제어각을 결정하고, 그에 따라 상기 구동유닛(200)을 제어하여 솔라 패널(100)이 결정된 각도로 배치되도록 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법은, 복수의 태양광 집광판을 배치하는 경우에 태양광 집광판을 특정한 회전각으로 조정하여 태양광 흡수 효율을 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 솔라 셀을 구비한 태양광 집광판의 설치 위치, 특히 설치 방향에 따른 오차를 보정하고, 이에 따라 제어각을 연산, 결정함으로써 솔라 셀 또는 태양광 집광판을 정확하게 원하는 방향으로 회전시킬 수 있고, 태양광 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양광 발전 장치 및 그의 태양광 추적 방법의 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 태양광 추적 방법을 하나의 프로그램으로 구성할 수 있고, 이렇게 구성된 프로그램을 저장하는 저장 매체를 이용하여 사용자 편의성을 제고할 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법을 개략적으로 도시한 흐름도;
도 3은 도 1 및 도 2에서의 태양광 추적 동작을 설명하기 위한 개념도;
도 4는 도 1 및 도 2에서의 음영 방지 동작을 설명하기 위한 개념도;
도 5는 도 1 및 도 2에서의 디스플레이 화면을 도시한 도;
도 6은 도 1 및 도 2에서의 태양광 집광판의 일 예를 보인 도;
도 7은 도 6에서의 태양관 집광판의 세부 구성을 보인 도;
도 8은 일반적인 계절에 따른 태양의 고도를 보인 도;
도 9는 본 발명에 따른 태양의 고도, 방위각 및 제어각의 관계를 설명하기 위한 개념도이다.

Claims (19)

  1. 하나 또는 둘 이상의 솔라 셀을 구비하여 태양광을 흡수하는 하나 또는 둘 이상의 태양광 집광판;
    태양의 고도 및 방위각을 근거로 상기 솔라 셀이 상기 태양과 일정각을 유지하도록 상기 태양광 집광판을 회전시키는 회전각을 연산하는 회전각연산유닛;
    상기 태양광 집광판의 설치 방향과 진북 사이의 오차각을 연산하는 오차각연산유닛;
    상기 회전각 및 오차각을 근거로 제어각을 연산하는 제어각연산유닛; 및
    상기 제어각에 따라 상기 태양광 집광판을 회전하는 구동유닛;을 포함하고,
    상기 제어각연산유닛은 하나의 태양광 집광판에 다른 태양광 집광판에 음영이 발생하는지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과 음영이 발생하면 음영 제거 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제어각연산유닛은,
    상기 제어각을 미리 설정된 추적 제한각과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 제어각을 상기 구동유닛으로 출력하거나, 또는 음영 제거 모드를 수행하는 태양광 발전 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제어각연산유닛은,
    상기 제어각이 상기 추적 제한각보다 크고 180도-추적 제한각보다 작으면, 상기 제어각을 상기 구동유닛으로 출력하고,
    상기 제어각이 상기 추적 제한각 이하이거나 또는 180도-추적 제한각이상이면 음영 제거 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음영 제거 모드는,
    일정 시간 동안 미리 설정된 제어각으로 상기 태양판 집광판을 회전하는 모드인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
  5. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음영 제거 모드는,
    상기 추적 제한각 보다 작은 제어각으로 회전하여 태양광을 흡수하고, 상기 흡수된 태양광이 일정 광량 이상이면 상기 태양광 집광판을 정지하는 모드인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    외부 시스템과 유무선 통신을 수행하는 통신유닛;을 더 포함하고,
    상기 태양의 고도 및 방위각은,
    상기 통신 유닛을 통해 연결된 외부 기상 관측 시스템으로부터 수신된 정보에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터를 저장하는 저장유닛;을 더 포함하고,
    상기 태양의 고도 및 방위각은,
    상기 저장유닛에 저장된 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터를 근거로 연산되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 저장유닛은,
    상기 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터에 따른 태양의 고도 및 방위각이 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    외부로부터 명령을 수신하거나, 외부로 현재 상태를 송신하는 입출력유닛;을 더 포함하는 태양광 발전 장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 입출력유닛은,
    화면을 통해 명령을 수신하거나, 화면을 통해 현재 상태를 표시하는 디스플레이유닛인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 일정각은,
    상기 솔라 셀이 이루는 평면과 상기 태양에 의한 태양광이 수직이 되도록 하는 각이거나, 또는 일출시간, 일몰시간, 태양광 집광판 사이의 거리, 태양광 집광판의 위치, 태양광의 크기, 기상 데이터 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 따라 결정되는 각인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
  12. 하나 또는 둘 이상의 솔라 셀을 이용하여 태양광을 흡수하여 발전하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법에 있어서,
    태양의 고도 및 방위각을 근거로 상기 솔라 셀이 상기 태양과 일정각을 유지하도록 하는 회전각을 연산하는 회전각연산단계;
    상기 솔라 셀의 방향과 진북 사이의 오차각을 연산하는 오차각연산단계;
    상기 회전각 및 오차각을 근거로 제어각을 연산하는 제어각연산단계;
    상기 제어각과 미리 설정된 추적 제한각을 비교하는 비교단계; 및
    상기 비교결과를 근거로 상기 솔라 셀의 방향을 변경하는 구동단계;를 포함하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 구동단계는,
    상기 제어각이 상기 추적 제한각보다 크고 180도-추적 제한각보다 작으면, 상기 제어각에 따라 상기 솔라 셀의 방향을 변경하고,
    상기 제어각이 상기 추적 제한각 이하이거나 또는 180도-추적 제한각이상이면 음영 제거 모드에 따라 솔라 셀의 방향을 변경하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법.
  14. 제12 항 또는 제13 항에 있어서, 상기 음영 제거 모드는,
    일정 시간 동안 미리 설정된 제어각으로 상기 태양판 집광판을 회전하는 모드인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법.
  15. 제12 항 또는 제13 항에 있어서, 상기 음영 제거 모드는,
    상기 추적 제한각 보다 작은 제어각으로 회전하여 태양광을 흡수하고, 상기 흡수된 태양광이 일정 광량 이상이면 상기 태양광 집광판을 정지하는 모드인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법.
  16. 제12 항에 있어서, 상기 태양의 고도 및 방위각은,
    외부 기상 관측 시스템으로부터 수신된 정보에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법.
  17. 제12 항에 있어서, 상기 태양의 고도 및 방위각은,
    미리 저장된 일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터를 근거로 연산되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법.
  18. 제12 항에 있어서, 상기 태양의 고도 및 방위각은,
    일자, 시각, 위치와 이들에 따른 기상 데이터에 따라 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법.
  19. 제12 항에 있어서, 상기 일정각은,
    상기 솔라 셀이 이루는 평면과 상기 태양에 의한 태양광이 수직이 되도록 하는 각이거나, 또는 일출시간, 일몰시간, 태양광 집광판 사이의 거리, 태양광 집광판의 위치, 태양광의 크기, 기상 데이터 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 따라 결정되는 각인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치의 태양광 추적 방법.
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