KR20110048480A - 하이브리드형 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 청정에너지인 태양광 및 풍력을 이용하여 발전할 수 있는 하이브리드형 발전장치에 관한 것으로, 태양전지 셀을 내장한 태양전지모듈을 다수 고정하는 프레임; 상기 프레임의 내측에서 태양전지모듈의 사이에 나란하게 관통 형성된 다수의 통풍공간; 상기 통풍공간에 배치되고, 상기 통풍공간을 통과하는 바람의 풍력을 이용하여 회전하는 날개를 가진 회전자를 구비한 다수의 풍력발전모듈; 및 상기 태양전지모듈과 풍력발전모듈에 각각 연결되어 전기를 받고, 각각의 태양전지모듈과 풍력발전모듈에서 나오는 양극단자에는 전원의 역류를 막는 블록킹 다이오드 (blocking diode)가 내장되며, 축전장치에 전기적으로 연결되어 발전 전력을 공급하는 정션박스(J-box);를 포함한다.
본 발명에 의하면 태양전지모듈과 풍력발전모듈을 이용하여 동시에 또는 개별적으로 전력을 생산할 수 있음으로써 주,야간 또는 맑고 흐린 날씨에 상관없이 항상 자연 에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 우수한 효과가 얻어진다.

Description

하이브리드형 발전장치{POWER GENERATOR OF HYBRID TYPE}

본 발명은 청정에너지인 태양광 및 풍력을 이용하여 발전할 수 있는 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 날씨가 맑은 주간에는 태양광을 이용하여 주로 전력을 생산하고, 풍력을 이용하여 보조적으로 전력을 생산하며, 우천시 또는 날씨가 흐린 주간이나, 야간과 같이 태양광을 이용하지 못하는 경우에는 풍력을 이용하여 주로 발전할 수 있음으로써 주,야간 또는 맑고 흐린 날씨에 상관없이 항상 전력을 생산할 수 있도록 개선된 하이브리드형 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 도 1a에 도시된 바와 같은, 태양전지모듈(1)의 구성은 저철분강화유리(10)의 후면에 태양전지 셀(20)과 백시트(Back Sheet)(30)가 접착층(EVA)(미 도시)을 통해 고정되어 있다.

이와 같은 태양전지모듈(1)에 사용되는 태양전지 셀(20)은 실리콘 단결정 및 다결정으로 만들어지며, 태양광의 광전효과에 의해 전기를 생산한다. 그러나 이와 같은 태양전지모듈(1)은 태양빛이 비추는 낮 동안에만 전기를 생산하며, 태양빛이 없는 밤에는 전기생산을 할 수 없는 문제점이 있다.

보통 태양전지모듈(1)은 남향 및 남동, 남서 방향으로 위치되며, 설치 지역에 따라 경사 30°도 내지 33°의 기울기를 두고 설치된다.

이러한 태양광 발전설치를 구분하면 고정형, 단축 추적형, 다축 구동 추적형, 또는 집광형으로 나눌수 있다.

이중에서 고정형은 평균 국내 평균 일조량인 대전지역을 기준으로 3.5시간, 대구지역 약 4시간이고, 적도부근 약 6시간대의 평균 일조량을 가지고 있다.

그러나 추적형은 고정형이 일일 평균 발전량이 3시간에서 6시간대 정도로 적어서 태양전지모듈(1)이 태양을 따라 움직이며, 발전을 하는 방식으로 고정형에 비해 약15% 정도의 발전효과를 가지고 있다.

또한 집광형은 실리콘 태양전지모듈에 프레넬 렌즈나 거울을 집광하여 햇빛을 모아 발전을 하는 형식이다. 이와 같은 방식은 고정형에 비해 최소 30%에서 최대 500%이상 발전을 할 수가 있으나, 태양광에서 조사되는 자외선, 적외선 등도 같이 집광되어 태양전지모듈(1)을 구성하는 재료에 직접적인 영향을 끼치기 때문에 태양전지모듈이 장기간 발전하는데 있어서 현재 충분한 검증이 이루어 지지 않았다. 즉 현재의 집광형은 태양전지모듈의 내구성 한계를 가지고 있다.

특히 태양전지모듈(1)의 적정한 발전기준(STC : Standard Test Condition)은 온도(Temperature) 25℃, 스펙트럼 공기질량(Spectrum Air Mass) 1.5, 발광도(Irradiance) 1,000W/m²이며, 온도가 1℃ 상승시, 0.45 ~ 0.55%의 효율이 감소되는 문제점이 있다.

한편, 이와는 다른 친환경 발전시설로서 풍력발전이 있다.

이와 같은 풍력발전에 사용되는 풍력 발전기(50)는 크게 수직축 타입과 수평축 타입으로 나눠 구분하고 있으며, 수평축 풍력 발전기(50)는 도 1b에 도시된 바와 같은 통상적인 프로펠라 타입의 수평축 풍력 발전기로 수직축에 비해 제품의 무게가 동일 용량에 비해 가볍고, 설치비용이 약 20%정도 저렴하다는 장점을 가지고 있으나, 제한적인 바람 이용으로 인해 효율 감소와 설치 높이가 높다는 단점을 지니고 있는 것으로 알려졌다.

한편,　수직축 풍력 발전기는 초기 설치비용이 수평축에 비해 조금 높고, 풍력 발전기 자체의 무게가 무겁지만 바람 방향에 제한을 받지 않고 회전 반경이 작고, 미세 바람에도 가동이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

일반 수평축 풍력 발전기는 바람의 풍속에 직접적인 영향을 받아 발전을 하며 평균 3m/sec 이상부터 발전을 하나, 정상적인 출력을 얻으려면 7m/sec 이상으로 발전을 하여야 한다. 국내의 경우 해안부근 및 제주도와 대관령부근에서 풍속이 평균 7m/sec 이상이므로 가장 적절한 지형적 조건을 가지고 있다.

특히, 풍력 발전기(50)는 지리적 조건에 많은 영향을 받으며 도시지역에서는 건물들의 영향으로 바람의 방향에 따라 풍속이 일정치 않아 설치하기가 적합하지 않다.

또한 풍력 발전기(50)는 순간 풍속이 초속 30m/sec 이상시 회전축에 강한 압력이 순간적으로 가해져 발전기 날개가 부러지거나 멈추어져 더 이상 발전을 하지 못하는 경우가 발생된다.

일반적인 고정형 태양전지모듈(1)의 경우, 발전 효율이 면적대비 13~15%이며, 풍력 발전은 20~25%이다. 태양광과 풍력 모두 태양과 바람이라는 무한 청정 에너지원을 사용한다는 측면에서 친환경적이며, 온난화의 원인인 이산화탄소(CO2)를 적게 발생하며, 에너지를 생산하는 신,재생에너지 중에서 가장 대표적인 에너지원이다.

이와 같은 태양광 발전은 2009년 초부터 실리콘 웨이퍼의 가격이 급감하면서 발전단가가 약 US$2.0/Wp이며, 2010년에US$1.5/W, 2011년 US$1.0/Wp로 예측되며, 이와 같이 발전단가가 낮아지게 되면, 화석 연료를 이용한 발전단가에 거의 비슷해지는 그리드 패러티(Grid Parity) 시기가 될 것이다. 즉 화석 연료를 사용하는 대신에 신,재생에너지를 에너지원을 사용하게 될 것이다.

이처럼 태양광을 이용한 태양전지모듈(1)의 발전단가 가격이 떨어지고 있으나 에너지 밀도가 낮아 큰 설치 면적이 필요하며, 야간에는 발전이 불가능한 단점이 있고, 또한 풍력 발전기(50)는 주, 야간 모두 사용이 가능하나 지역적 설치조건에 한계가 있어서 일정한 풍속이 있는 장소에만 설치가 가능하다.

또한 태양광 발전은 햇빛에 의한 지역적 편재성이 없이 어느 곳에나 설치가 가능하고, 보수유지가 적으며, 한 여름철 피크 부하량 조절이 가능한 장점이 있으나, 현재 설치 비용이 비싸고, 넓은 면적을 필요로 하며, 야간에 발전이 불가능한 단점이 있다.

한편, 풍력발전은 태양광에 비해 설치 단가가 싸며 주,야간 발전이 가능하고 설치 면적이 태양광에 비해 상대적으로 적은 장점이 있으나, 풍속에 따라 설치되는 지역적 한계가 있고, 유지 보수가 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 태양광을 이용하여 전력을 생산하거나 태양광을 이용하지 못하는 경우에는 풍력을 이용하여 발전할 수 있음으로써 주,야간 또는 맑고 흐린 날씨에 관계없이 전력을 일정하게 생산할 수 있도록 개선된 하이브리드형 발전장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 하이브리드형 발전장치는, 청정에너지인 태양광 및 풍력을 이용하여 발전하는 장치에 있어서, 태양전지 셀을 내장한 태양전지모듈을 다수 고정하는 프레임; 상기 프레임의 내측에서 태양전지모듈의 사이사이에 나란하게 관통 형성된 다수의 통풍공간; 상기 통풍공간에 배치되고, 상기 통풍공간을 통과하는 바람의 풍력을 이용하여 회전하는 날개를 가진 회전자를 구비한 다수의 풍력발전모듈; 및 상기 태양전지모듈과 풍력발전모듈에 각각 연결되어 전기를 받고, 각각의 태양전지모듈과 풍력발전모듈에서 나오는 양극단자에는 전원의 역류를 막는 블록킹 다이오드 (blocking diode)가 내장되며, 축전장치에 전기적으로 연결되어 발전 전력을 공급하는 정션박스(J-box);를 포함한다.

이와 같이 본 발명은 태양광을 이용할 수 있는 날씨 맑은 주간에는 태양전지모듈을 이용하여 전력을 생산하게 되고, 바람이 부는 경우에는 풍력발전모듈을 이용하여 발전할 수 있음으로써 주,야간 또는 맑고 흐린 날씨에 관계없이 항상 자연적인 청정에너지를 이용하여 전력을 일정하게 생산할 수 있게 된다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 풍력발전모듈은 각각의 상기 통풍공간의 내측에서 회전가능한 직경의 날개를 축에 장착한 회전자를 구비하고, 상기 회전자의 일측단부는 프레임의 일측에서 각각 베어링에 의해서 회전가능하도록 지지되며, 타측단부는 프레임의 타측에서 발전기에 연결되어 풍력에 의해서 발전하는 것이다. 따라서 본 발명은 자연적인 풍력을 이용하여 회전자가 발전기를 통해 전력을 생산할 수 있게 된다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 풍력발전모듈의 회전자는 그 축에 장착된 날개가 유리섬유(FRP)로 이루어진 경량의 나선형 구조로 이루어진 것이다. 이와 같이 본 발명은 바람의 세기가 작은 경우에도, 경량의 나선형 구조의 날개를 이용하여 회전자가 회전할 수 있음으로써 발전기를 통해서 전력을 생산할 수 있게 된다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 정션박스(J-box)는 각각의 태양전지모듈과 풍력발전모듈에서 나오는 음극단자들이 하나의 공통단자에 연결된 것이다. 따라서 본 발명은 하나의 정션박스(J-box)를 이용하여 태양전지모듈과 풍력발전모듈로부터 모두 전원을 공급받을 수 있고 이를 축전지에 저장할 수 있게 된다.

상기와 같이 본 발명에 의하면 날씨가 맑은 주간에는 태양광을 이용하여 태양전지모듈에서 주로 전력을 생산하고, 또한 바람이 부는 경우 풍력발전모듈을 이용하여 전력을 생산할 수 있으며, 태양광을 이용하지 못하는 우천시 또는 날씨가 흐린 주간이나, 야간의 경우에는 바람을 이용한 풍력발전모듈로서 주로 발전할 수 있다.

따라서 본 발명은 태양전지모듈 및 풍력발전모듈을 동시에 동작시키거나, 개별적으로 동작시킬 수 있어서 주,야간 또는 맑고 흐린 날씨에 상관없이 항상 자연 에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 우수한 효과가 얻어진다.

도 1a는 일반적인 태양전지모듈을 도시한 정면도 및 측단면도이다.
도 1b는 일반적인 풍력발전기를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치를 전체적으로 도시한 사시도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치의 태양전지모듈, 풍력발전모듈 및 프레임의 전면을 도시한 정면도이다.
도 3b는 본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치의 태양전지모듈, 풍력발전모듈 및 프레임의 후면을 도시한 정면도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치의 풍력발전모듈을 전체적으로 도시한 정면도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치에 구비된 정션박스를 도시한 정면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치의 동작상태를 설명한 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치(100)는 청정에너지인 태양광 및 풍력을 이용하여 발전하는 장치이다.

본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치(100)는 도 2에 전체적으로 도시된 바와 같이, 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)이 하나의 유닛으로 제작된다. 즉, 판넬형으로 이루어진 태양전지모듈(110)의 사이에 나선형 모양의 회전자(132)가 설치된 풍력발전모듈(130)을 다수 장착한 구조이다.

본 발명은 다수의 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)들을 장착하기 위한 프레임(120)을 구비하는데, 이와 같은 프레임(120)은 바람직하게는 알미늄 재료의 사각틀 형태로 제작된다.

또한 이와 같은 프레임(120)은 그 일측방향으로 다수의 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)들을 나란하게 배치한 구조이다.

즉 상기 프레임(120)은 태양전지모듈(110)의 사이사이에 나란하게 다수의 통풍공간(140)을 형성하고 있는데, 이와 같은 통풍공간(140)은 프레임(120)의 일측 모서리(122a)에서 타측 모서리(122b)를 가로지르도록 관통 형성되고, 통풍공간(140)의 내부에 각각 풍력발전모듈(130)이 회전가능하도록 내장된다.

이와 같은 구조를 통하여 본 발명은 프레임(120) 내의 공간을 무용하게 낭비하지 않으면서 모두 활용할 수 있게 되어, 보다 효율적으로 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)을 배치할 수 있게 되고, 작은 크기의 프레임(120)으로서 높은 발전효율을 얻을 수 있다.

또한 이와 같이 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)이 차례차례 나란하게 배치되면, 프레임(120)을 통과하는 바람이 분할되어 각각의 풍력발전모듈(130)을 회전시킬 수 있음으로써 더욱 풍력발전모듈(130)에서 전력 생산효과가 우수하게 얻어질 수 있다.

한편, 이러한 프레임(120)의 내부에 판넬형으로 장착되는 다수의 태양전지모듈(110)은 각각 저절분강화유리(112a)로 그 표면을 형성하고, 그 배면에는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 다수의 태양전지 셀(112b)들과 백시트(Back Sheet)(112c)가 접착층(EVA)을 통해 고정되어 있다.

또한 프레임(120)의 통풍공간(140)에 장착된 풍력발전모듈(130)은 각각 상기 통풍공간(140)을 통과하는 바람의 풍력을 이용하여 회전하는 날개(135a)를 가진 회전자(132)를 구비한다.

즉 상기 풍력발전모듈(130)은 도 4a에 도시된 바와 같이, 회전자(132)의 날개(135a)가 형성된 축(135b)의 일측단부는 프레임(120)의 일측모서리(122a)에 내장된 베어링(137)에 의해서 회전가능하도록 지지되며, 타측단부는 프레임(120)의 타측 모서리(122b)에 내장된 발전기(139)에 연결되는 구조이다. 이와 같은 회전자(132)를 구비한 풍력발전모듈(130)은 수직형 타입의 풍력발전장치라 할 수 있다.

그리고 상기 회전자(132)는 그 축에 장착된 날개(135a)가 유리섬유(FRP)로 이루어진 경량의 나선형 구조로 이루어진 것이어서, 바람의 세기가 작은 경우에도 회전자(132)가 쉽게 회전된다.

또한 본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치(100)는 상기 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)에 각각 연결되어 전기를 받고, 축전장치(170)에 전기적으로 연결되어 발전 전력을 공급하는 정션박스(J-box)(160)를 구비한다.

이와 같은 정션박스(160)는 각각의 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)을 축전장치(170)에 연결하는 것으로서, 내장된 양극단자(162a)에는 전원의 역류를 막는 블록킹 다이오드(blocking diode)(미 도시)가 내장되어 전력이 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130) 측으로 역류하는 것을 차단한다.

그리고 이와 같은 정션박스(J-box)(160)는 각각의 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)에서 나오는 음극단자(162b)들이 하나의 공통단자에 연결된 것이다.

따라서 본 발명은 이와 같은 하나의 정션박스(J-box)(160)를 이용하여 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)로부터 모두 전원을 공급받을 수 있고, 이를 축전장치(170)에 저장할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 하이브리드형 발전장치(100)는 다수의 태양전지모듈(110)과, 나선형 날개(135a)를 축(135b)에 장착한 회전자(132)를 구비한 풍력발전모듈(130)을 다수 나란하게 내장한 것이다.

따라서 이러한 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)은 도 5에 도시된 바와 같이, 주,야간 및 날씨에 관계없이 전력을 일정하게 생산할 수 있다.

즉 태양전지모듈(110)은 태양광이 풍부한 주간에 주로 발전을 하여 정션박스(160)를 통해 축전장치(170)에 전력을 저장하고, 또한 풍력발전모듈(130)은 바람이 있는 경우, 태양전지모듈(110)과는 별개로 발전한다.

이는 풍력발전모듈(130)의 경우, 바람이 없이는 발전을 할 수가 없는데 평균 날씨가 좋은 맑은 날에는 태양전지모듈(110)이 발전을 하고, 흐린 날 및 비가 오는 날에는 보통 바람이 불기 때문에, 이때 풍력발전모듈(130)이 전력을 주로 생산한다. 특히 풍력발전모듈(130)은 주,야간에 관계없이 바람이 있을 때는 언제나 발전이 가능하다.

이때, 바람은 프레임(120)의 통풍공간(140)을 통과하면서 나선형으로 이루어진 경량의 날개(135a)에 부딪치면서 회전자(132)를 정위치에서 회전시킨다. 따라서 회전자(132)가 발전기(139)를 구동시키게 되어 발전기(139)에서 전력이 생산되고, 정션박스(160)를 통해서 축전장치(170)에 내장된다.

상기와 같이 본 발명은 날씨가 맑은 주간에는 태양광을 이용하여 태양전지모듈(110)에서 주로 전력을 생산하고, 또한 바람이 부는 경우에는 풍력발전모듈(130)을 이용하여 주로 전력을 생산할 수 있으며, 태양광을 이용하지 못하는 우천시 또는 날씨가 흐린 주간이나, 야간의 경우에도 바람을 이용한 풍력발전모듈(130)로서 주로 발전할 수 있다.

따라서 본 발명은 주,야간 또는 맑고 흐린 날씨에 상관없이 항상 자연 청정 에너지인 태양광과 풍력을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 우수한 효과가 얻어진다.

본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 수정 또는 변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1...... 태양전지모듈 10,112a..... 저철분강화유리
20,112b..... 태양전지 셀 30,112c..... 백시트(Back Sheet)
50..... 풍력 발전기 100..... 하이브리드형 발전장치
110.... 태양전지모듈 120..... 프레임
122a... 일측 모서리 122b.... 타측 모서리
130.... 풍력발전모듈 132.... 회전자
135a..... 날개 135b.... 축
137.... 베어링 139.... 발전기
140.... 통풍공간 160.... 정션박스(J-box)
170.... 축전장치

Claims (4)

1. 청정에너지인 태양광 및 풍력을 이용하여 발전하는 장치에 있어서,
   태양전지 셀(112b)을 내장한 태양전지모듈(110)을 다수 고정하는 프레임(120);
   상기 프레임(120)의 내측에서 태양전지모듈(110)의 사이사이에 나란하게 관통 형성된 다수의 통풍공간(140);
   상기 통풍공간(140)에 배치되고, 상기 통풍공간(140)을 통과하는 바람의 풍력을 이용하여 회전하는 날개(135a)를 가진 회전자(132)를 구비한 다수의 풍력발전모듈(130); 및
   상기 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)에 각각 연결되어 전기를 받고, 각각의 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)에서 나오는 양극단자(162a)에는 전원의 역류를 막는 블록킹 다이오드 (blocking diode)가 내장되며, 축전장치(170)에 전기적으로 연결되어 발전 전력을 공급하는 정션박스(J-box)(160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전장치(100).
2. 제1항에 있어서, 상기 풍력발전모듈(130)은 각각의 상기 통풍공간(140)의 내측에서 회전가능한 직경의 날개(135a)를 축(135b)에 장착한 회전자(132)를 구비하고, 상기 회전자(132)의 일측단부는 프레임(120)의 일측에서 각각 베어링(137)에 의해서 회전가능하도록 지지되며, 타측단부는 프레임(120)의 타측에서 발전기(139)에 연결되어 풍력에 의해서 발전하는 것임을 특징으로 하는 하이브리드형 발전장치(100).
3. 제2항에 있어서, 상기 풍력발전모듈(130)의 회전자(132)는 그 축(135b)에 장착된 날개(135a)가 유리섬유(FRP)로 이루어진 경량의 나선형 구조로 이루어진 것임을 특징으로 하는 하이브리드형 발전장치(100).
4. 제1항에 있어서, 상기 정션박스(J-box)(160)는 각각의 태양전지모듈(110)과 풍력발전모듈(130)에서 나오는 음극단자(162b)들이 하나의 공통단자에 연결된 것임을 특징으로 하는 하이브리드형 발전장치(100).

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