KR20110083804A - 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치 - Google Patents

자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휴대가 간편하고 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치에 관한 것으로서, 외부 동력 없이 나사선형 스프링을 이용한 반자동의 정밀한 태양 추적 방식을 적용하고, 집광방식으로 소형의 태양광 발전부를 구성하며, 태양광 발전부와 거치부가 결합 및 분리가 가능하도록 구성되어, 소형화 및 경량화되고 휴대 및 운반이 용이하며 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치를 제공한다.

Description

자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치{Portable photovoltaic power generating apparatus for auto tracking sunlight}
본 발명은 태양광 발전장치에 관한 것으로, 특히 휴대가 가능하며, 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치에 관한 것이다.
산업발달로 인한 환경오염과 화석연료의 고갈로 인한 유가의 불안정 및 기후변화협약 규제 대응 등으로 세계 각국은 대체에너지원 개발 및 보급정책 지원에 총력을 기울이고 있다.
이러한 대체에너지원으로 특히, 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신·재생에너지는 지속 가능한 에너지 공급체계를 통해 확실한 미래의 에너지원으로 자리잡아가고 있다.
신·재생에너지는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열 등의 재생에너지와 연료전지, 석탄액화가스화 및 중질잔사유가스화, 수소에너지 등의 신에너지를 통합하여 정의한 에너지로서, 과다한 초기투자의 장애요인에도 불구하고 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 핵심 해결방안이라는 점에서 선진 각 국에서는 신·재생에너지에 대한 과감한 연구개발과 보급정책 등을 추진하고 있는 실정이다.
신·재생에너지 중에서 태양광 발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로서, 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식을 말한다.
지구에 공급되는 태양에너지는 약 3.8x1023kW 이며, 이중 지표면에 도달하는 태양에너지는 125조(1.25x1014)kW로서, 연간 전세계 에너지소비량(100억kW)의 약 1만 배에 이른다. 우리나라에 도달하는 태양에너지도 1.29x1014kWh이며, 이는 국내 최종 에너지 소비량(1.74x1012kWh)의 74배에 해당하는 거대한 에너지이다. 특히, 태양에너지는 에너지의 양이 무한할 뿐만 청정하여 친환경적인 에너지 환경을 조성할 수 있는 장점이 있다.
태양광 발전시스템은 태양전지(Solar Cell, Solar Battery)로 구성된 모듈과, 축전지 및 전력변환장치로 구성된다. 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서, 금속과 반도체의 접촉면 또는 p형 반도체와 n형 반도체의 pn접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 발생하는 광기전력을 이용한다.
이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지 속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지(광자, Photon)에 의해 반도체 내에서 (+) 및 (-)의 전기를 갖는 입자(정공과 전자)가 발생한다. 정공과 전자는 각각 자유롭게 태양전지 속을 움직이게 되지만, 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 되며, 이 때문에 앞면과 뒷면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 외부부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는 원리에 의해 발전한다. n형 반도체는 5가 원소이며 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등이 있으며, p형 반도체는 3가 원소인 붕소(B), 칼륨(K) 등이 사용된다.
태양광 발전은 에너지의 양이 무한할 뿐만 청정하여 친환경적인 에너지 환경을 조성할 수 있는 장점이 있고, 필요한 장소에서 필요량만큼의 발전이 가능할 뿐만 아니라, 수명이 길고 유지보수가 용이하며 무인화가 가능한 장점이 있다.
그러나 상술한 장점에도 불구하고, 태양광 발전은 전력생산량이 지역별 일사량에 의존하고, 에너지밀도가 낮아 큰 설치면적이 필요하며, 설치장소가 한정적이고 시스템 비용이 고가여서 초기투자비와 발전단가가 높은 단점이 있다.
특히, 태양광 에너지의 발전효율에 중대한 영향을 미치는 태양광 에너지 변환효율을 결정하는 태양전지에 있어서, 단결정 실리콘 태양전지(Single-crystalline silicon solar cell), 다결정 실리콘 태양전지(Poly- crystalline silicon solar cell), 비정질 실리콘 태양전지(Amorphous silicon solar cell) 등을 포함하는 실리콘계 태양전지는 온도특성이 좋지 않아서 광학계로 집광했을 때, 고온에서 발전량이 20% 정도까지 줄어드는 문제점이 있고, 셀의 면적이 넓어야 발전량이 많아지며 수년간 최고 효율이 증가되지 않는 문제점이 있었다.
따라서 종전에 사용되던 실리콘 태양전지보다 전기변환 효율이 좋은 태양전지로, GaAs, InP, GaAlAs, GaP, GaInAs 등의 3-5족 화합물계나 CuInSe2, CdS, CdTe, ZnS 등의 2-4족 화합물계 반도체를 사용하는 화합물 반도체 태양전지(Compound semiconductor solar cell) 또는 GaAs/Ge, GaAlAs/Si, InP/Si 등의 화합물/5족계나 GaAs/InP, GaAlAs/GaAs, GaAs/CuInSe2 등의 화합물/화합물계 반도체를 사용하는 화합물 또는 적층형 태양전지(Tandem solar cell)가 개발되었다.
그러나 이러한 화합물 반도체 태양전지 및 화합물/화합물계 반도체는 실리콘계 태양전지에 비하여 전기변환 효율이 월등히 높지만, 대면적화하기에는 제조단가가 너무 비싼 문제점이 있다.
따라서 실리콘계 태양전지와 같은 전기변환 효율을 가지면서도 제조단가 측면에서 상대적 우위를 갖도록 하기 위해서는 집광구조를 갖춘 시스템이 요구되었다. 즉, 태양광 에너지의 발전효율을 높이기 위해서는 우선적으로 태양광의 에너지 변환효율을 높여야 하며, 태양광 에너지의 변환효율을 높이기 위해서는 태양광의 집광효율을 높이는 작업이 선행되어야 한다.
이에 따라, 집광시스템은 태양전지의 크기는 작아지면서 태양전지에 입사되는 태양광은 같아지도록 집광렌즈를 부착하여 사용한다. 또한, 태양광의 집광효율을 높이기 위하여 태양전지 모듈을 회전시켜 태양광이 항상 태양전지 모듈에 수직으로 입사하도록 설계된 트래킹 시스템(Tracking System)이 활용된다.
그러나, 여전히 태양광 발전시스템은 필요한 출력대비 요구되는 설치면적이 크기 때문에 한정된 장소에 고정식으로 설치될 수 밖에 없는 한계를 가지며, 태양이 지구전역에 태양광 에너지를 공급함에도 불구하고 다른 발전시스템과 마찬가지로 태양광 발전시스템도 설치된 특정위치 근방을 벗어나서는 태양광으로부터 변환된 전기에너지를 사용할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 지구전역에 태양광 에너지를 공급하는 태양의 무한하고 청정한 에너지를 특정 위치나 장소에 관계없이 어디서나 편리하게 사용할 수 있는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 개발이 요망된다.
따라서 본 발명의 목적은 휴대가 가능하여 어디서든지 태양광을 이용하여 전기를 공급할 수 있는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 소형이고, 경량이며, 조작과 설치가 간편한 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 전기적 동력의 공급 없이 태양의 움직임에 따라 태양을 정밀하게 추적하여 태양광의 집광효율을 향상시킬 수 있는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치는, 태양광을 전기로 변환하는 태양전지모듈과, 입사되는 태양광을 상기 태양전지모듈에 집광하는 집광렌즈와, 상기 태양전지모듈 및 상기 집광렌즈를 일직선으로 상부에 장착하고, 상기 집광렌즈의 초점거리를 조절하며, 상기 태양전지모듈 및 상기 집광렌즈를 태양의 고도에 맞추어 정렬시키는 경사각 조절부와, 상기 경사각 조절부와 결합되어, 태양광이 상기 집광렌즈의 입사면에 수직으로 입사되도록 상기 경사각 조절부의 방향을 조절하여 상기 태양전지모듈 및 상기 집광렌즈를 태양과 일직선으로 정렬하는 방위각 조절부 및 상기 태양광이 지속적으로 상기 집광렌즈의 입사면에 수직으로 입사되도록 상기 태양의 이동에 대응하여 상기 방위각 조절부를 회전시키는 태양광 추적부를 포함하는 태양광 발전부; 및 상부에 상기 태양광 발전부를 착탈가능하도록 결합시켜, 상기 태양광 발전부를 지면에 거치시키는 거치부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따른 상기 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 상기 태양전지모듈은, 태양전지와, 상기 태양전지를 열 및 전기전도성을 갖는 접착수단으로 접착하여, 상기 태양전지에서 발생하는 열을 냉각시키는 방열판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 상기 태양전지모듈은 상기 방열판의 일측에 상기 방열판에 확산되는 열을 발산시키는 하나 이상의 냉각팬을 더 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 태양전지모듈의 상기 태양전지는, 복합 화합물 반도체 태양전지인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 상기 집광렌즈는, 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 상기 태양광 추적부는, 감아서 탄성에너지를 축전하고, 풀리려는 힘을 동력으로 이용하는 나사선형 스프링 및 상기 나사선형 스프링의 풀리려는 힘을 상기 방위각 조절부에 전달하여, 상기 방위각 조절부를 태양의 이동에 대응하여 회전시키는 회전력 전달수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 상기 거치부는, 상기 태양광 발전부의 하면에 착탈가능하게 결합되는 착탈부와, 상기 착탈부에 결합된 상기 태양광 발전부의 수평을 조정하는 수평 조정부 및 설치되는 지형에 대응하여 각각 길이조절이 가능한 다수개의 다리를 갖는 지지부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 청정에너지인 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양광 발전장치를 휴대형으로 제공함으로써 에너지 절감 및 친환경 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양광 발전장치는 휴대형이므로 장소와 환경에 제한되지 않고 외부 전력이 공급되지 않는 야외에서도 태양광 발전으로 전력공급이 가능한 장점이 있다.
이에 따라, 야외에서 태양열 발전으로 충전이 가능하며, 동작을 위해서는 전기에너지가 요구되는 전자장치들을 야외에서 자유롭게 사용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 나사선형 스프링(일명 "태엽")을 동력으로 이용한 반자동 태양광 트래킹 방식이므로, 외부 동력을 사용하지 않으면서도 자동으로 태양광을 추적할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 반자동 태양광 트래킹 방식은 태양광을 태양전지에 수직으로 입사시킴으로써 집광효율을 높여 태양광 발전효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 태양광 발전 장치 전체를 소형화, 경량화하여 혼자서도 용이하게 운반할 수 있으며, 설치 또한 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 사시도,
도 2는 본 발명에 따라 태양의 위치를 측정하기 위한 적도평면 상의 기준점들을 나타낸 도면,
도 3은 시간에 따른 태양고도의 변화를 나타낸 그래프,
도 4는 시간에 따른 태양 방위각의 변화를 나타낸 그래프,
도 5는 도 1의 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 태양광 발전부의 사시도,
도 6은 도 5의 태양광 발전부의 집광렌즈의 모양과 투과 파장대를 도시한 도면,
도 7은 프레넬 렌즈의 입사광 방향에 따른 투과율 변화를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 구조를 간략화한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 접합 태양전지의 파장대별 특성을 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 태양광 추적부의 상측 사시도,
도 11은 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치에 사용되는 방위각 추적을 위한 태양광 추적부의 회전구조를 간략히 도시한 도면,
도 12는 도 1의 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 거치부의 사시도,
도 13은 도 12의 거치부의 상면도,
도 14는 태양광 발전부와 거치부가 결합된 부분의 확대사시도.
본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치는 휴대가 가능하고, 집광효율을 높여 발전효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은 소형의 복합 화합물 태양전지 및 집광렌즈를 이용한 집광방식을 사용함으로써, 소형 및 경량이고 집광효율의 향상에 따라 발전효율이 향상된 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치를 제공하는데 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치는 집광에 따라 발생하는 열을 냉각시킬 수 있는 방열판 및 냉각팬을 장착함으로써, 장시간 사용에도 안정적으로 향상된 발전효율을 제공할 수 있는 특징이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 사시도로서, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치는 크게 입사되는 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양광 발전부(100)와 상부에 상기 태양광 발전부를 착탈가능하도록 결합시켜, 상기 태양광 발전부를 지면에 거치시키는 거치부(200)로 구성된다.
상기 태양광 발전부(100)는 태양의 방향 및 움직임을 정밀하게 추적하여 태양광이 항상 입사면에 수직으로 입사되도록 한다. 이를 위하여 태양의 위치를 정밀하게 측정하는 과정이 선행되어야 하는데, 이하에서 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 적용되는 태양의 위치 측정방법을 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2는 본 발명에 따라 태양의 위치를 측정하기 위한 적도평면 상의 기준점들을 나타낸 도면으로서, 일반적으로 현재 시간과 장소에서 태양의 위치를 정밀하게 측정하기 위해 필요한 기하학적 구조를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 태양의 현위치를 계산하기 위하여 먼저 지구의 적도 평면과 지구-태양을 연결하는 직선이 이루는 각도를 알아야 한다. 이것을 전문 용어로 적위(Declination, δ)라 하는데, 이러한 적위는 장소와는 무관하고 날짜에 따라 다르며, 하지 때 23.45°로 최대가 되고, 춘분과 추분에는 0°로, 겨울의 동지 때는 -23.45°로 최소가 된다. 따라서 일년 중 날짜를 알면 하기의 수학식 1에 따라 적위를 구할 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식1에 따라 적위를 구하여 태양의 현위치를 계산한 후에는, 태양의 움직임을 추적하기 위하여 지구의 회전각을 계산해야 한다. 하루 중 지구의 회전각을 구하기 위해서는 시각(hour angle, ha)을 계산해야 한다. 통상 시각(ha)은 현재 위치에서 태양시로 정오에서부터 측정한 시간각을 말하며 지구가 하루에 360° 자전하는 현상에서 기인하는 것으로 정남을 0으로 나타내고, 오전에는 +, 오후에는 -로 나타낸다. 따라서 시간에 따른 시각(ha)은 하기의 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00002
다음으로, 지구-태양을 연결하는 직선과 적도평면 사이의 수직각도를 태양고도(Solar altitude, h)라 하며, 이 태양고도(h)는 일출 및 일몰 시에는 0° 이고, 천정(Zenith)에 있을 때는 90° 가 된다. 태양고도(h)는 하기의 수학식 3으로 나타내며, 현위치의 위도, 적위 및 시각과 관계가 있다.
Figure pat00003
적도평면 안에서 정남이나 정북으로 측정한 각도를 태양 방위각(Solar azimuth, A)라 하며, 하기의 수학식 4로 나타낸다. 천문학적으로 방위각은 정북이 기준이 되나, 태양 방위각의 경우 정남을 기준(상대 방위각)으로 하고, 정남에서 동쪽으로 있을 때는 +, 서쪽은 -로 나타낸다.
Figure pat00004
태양을 정밀하게 추적하기 위해서는 시간에 따른 태양의 고도 및 방위각이 중요한 정보이므로, 시간에 따른 태양고도 변화 및 태양의 방위각 변화를 도 3 및 도 4에 각각 나타내었다. 도 3은 시간에 따른 태양고도의 변화를 나타낸 그래프로서 30°를 기준으로 측정하였을 때, 위도가 낮을수록 태양의 고도는 직선적으로 변하는 경향을 보인다. 도 4는 시간에 따른 태양 방위각의 변화를 나타낸 그래프로서, 태양의 방위각은 정오 근처에 급격히 변하는 것을 볼 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치는 도 2 내지 도 4 및 수학식 1 내지 수학식 4에 따라 태양의 위치 및 움직임을 정밀하게 추적하기 위한 데이터를 획득한다.
도 5는 도 1의 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 태양광 발전부의 사시도로서, 태양광 발전부(100)는 집광렌즈(110), 태양전지모듈(120), 경사각 조절부(130, 190), 방위각 조절부(140, 180), 태양광 추적부(150), 축전부(160) 및 태양광 발전부(100)의 각 구성부를 장착하는 기판(170)으로 구성된다.
상기 집광렌즈(110)는 입사되는 태양광을 상기 태양전지모듈(120)에 집광시키는 부재로서, 본 발명에 따른 휴대형 태양광 발전장치의 특성상, 구조가 간단하고, 소형으로 제작이 가능하며 경량인 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)를 사용한다. 프레넬 렌즈는 회절현상에 의해 빛을 태양전지에 집속하므로 렌즈의 표면곡률이 평편하고, 다른 집속렌즈에 비해 저렴하며, 빛의 투과손실도 매우 작은 특징이 있다.
도 6은 도 5의 태양광 발전부의 집광렌즈의 모양과 투과 파장대를 도시한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 연속된 동심원 모양을 가지며 프레넬의 회절법칙에 따라 초점거리(L)는 중앙의 제일 작은 원의 반경(R1)과 입사광의 파장(λ)의 관계식(L = R1 2/λ)으로 나타낼 수 있다. 또한, 입사광이 프레넬 렌즈를 안정적으로 투과(93%)하는 파장대는 400~1100nm 사이이며, 그 외에 적외선 영역에서도 몇 군데 특이지점을 제외하고는 안정적인 투과율을 갖는다.
태양광의 집속은 저배율 및 고배율 집속으로 구분할 수 있는데, 저배율의 집속은 통상 집속도가 2~10suns 정도로써 저가로도 구성할 수 있으며, 능동적인 냉각 시스템이 없는 실리콘 전지에 많이 사용된다. 또한, 광학적으로도 낮은 집속 비율로 이루어진 광학계를 사용하며, 추적시스템이 없어도 어느 정도의 태양광을 집속할 수 있도록 넓은 각도의 입사조건이 제공된다.
한편, 고배율의 집속을 사용한 시스템은 집속 반사접시나 프레넬 렌즈 등을 사용하여 200suns 이상의 태양에너지를 받는다. 이러한 고배율 집속은 열적장애를 막기 위한 방열시스템을 필요로 하며, 다중접합 태양전지가 실리콘 전지보다 훨씬 더 효과적이다. 예를 들면, 통상 500suns 에너지에 8A/cm2 의 높은 전류밀도를 발전해 낸다. 다중접합 태양전지는 실리콘 전지에 비해 가격이 100배 정도 고가인 단점이 있지만, 크기가 매우 작고 뛰어난 효율 때문에 더 경제적 구조이며, 특히 본 발명에 따른 휴대용 태양광 발전장치에서는 소형이며 고효율 특성을 갖는 다중접합 태양전지가 더욱 적합하다.
상술한 프레넬 렌즈를 본 발명에 따른 휴대형 태양광 발전장치의 태양광 집광렌즈(110)로 사용하려면 렌즈면에 조사되는 태양의 입사각도가 수직에서 약간만 기울어져도 태양전지의 중앙에 빛이 모이지 않는 단점을 보완해 주어야 한다. 따라서 도 7에 나타낸 것처럼, 입사각이 약 30° 기울어지면 초점거리 비율이 25% 정도 감소하기 때문에 태양각도에 따른 실험결과를 분석하여 최소한의 추적 이동거리를 산출한다. 도 7은 프레넬 렌즈의 입사광 방향에 따른 투과율 변화를 나타낸 도면이다. 따라서 집광효율을 증대시키려면 필히 추적시스템이 결합된 복합적인 구조로 만들어져야 한다.
본 발명에 따른 휴대형 태양광 집광장치에서는 추적시스템 외에도 집광효율을 높이기 위하여 직경 12.5 inch, 초점거리 8.4 inch, 두께 0.09 inch, Grooves/inch 50, 굴절률 1.49 및 투과율이 92%/400~1100nm 인 제원을 갖는 프레넬 렌즈를 사용한다.
상기 태양전지모듈(120)은 상기 집광렌즈(110)를 통해 집광된 태양광을 전기로 변환하는 구성부로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 태양전지(121)와, 상기 태양전지(121)에서 발생하는 열을 냉각시키는 방열판(125), 그리고 상기 방열판(125)의 일측에 장착되어 방열판(125)에 확산되는 열을 발산시키는 하나 이상의 냉각팬(127)으로 구성된다. 도 8은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 구조를 간략화한 도면이다.
본 발명에 따른 휴대용 태양광 발전장치에 사용되는 태양전지(121)는 집광시(240suns) 최고 효율이 40.7%, 평균 35~37%로 실리콘계 태양전지에 비하여 약 2배의 광 변환효율을 갖는 화합물 반도체 태양전지 및 화합물/화합물계 반도체 태양전지가 사용된다.
일 실시예로서, 본 발명에 따른 휴대용 태양광 발전장치에 사용되는 태양전지(121)는 GaInP/InGaAs/Ge화합물 반도체를 이용한 3중 접합 태양전지(Triple-junction solar cell)를 사용한다. 이 3중 접합 태양전지의 이론적인 최대 광 변환효율은 35.8%이다. 태양전지(121)의 크기는 10mm X 10mm 이고, 두께는 0.3mm이며, 활성셀영역(Active cell area)은 100mm2이다. 전지의 표면은 TiOX/Al2O3를 AR(Anti-Reflection)코팅하여 반사손실을 줄이고, 인터커넥팅(interconnecting) 방법으로 두께 0.48mm의 전극들(123)을 측면에 부착하여 사용한다. 태양전지(121)의 최대 전압은 2.71V이고, 최대 전류는 6.6A이다.
상기 태양전지모듈(120)은 열 및 전기전도성이 좋은 접착제를 이용하여 상기 태양전지(121)의 후면을 상기 방열판(125)에 부착시켜 냉각효율을 높인다. 또한 상기 방열판(125)에는 동작 전압 및 전류가 각각 5V 및 100mA인 소형 냉각팬(127)이 다수개 장착된다. 도 8을 참조하면, 상기 태양전지모듈(120)은 자체 발전 전력으로 상기 냉각팬(127)을 구동하기 위하여 2장의 태양전지(121)를 직렬연결(129)하여 사용한다. 2장의 태양전지(121)들은 방열판(125)에 하부전극이 직접 부착되어 있으므로, 각각의 방열판(125)들 사이에 절연판(미도시함)을 삽입하여 절연시킨다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 접합 태양전지의 파장대별 특성을 나타낸 그래프로서, 도시된 바와 같이, 태양전지를 구성하는 각각의 화합물 반도체에 대응하는 파장대역을 확인할 수 있다.
Figure pat00005
표 1은 정남향을 기준으로 한 경사각도별 일사량 비율을 나타낸 것으로서, 평균 고도 30˚ 및 정남향을 기준으로 경사각도별 일사량을 비교하면, 하방향으로 갈수록 상방향보다 일사량이 빨리 줄어들며, 20˚ 범위내에서는 기준 대비 90%이상의 일사량을 받을 수 있다.
우리나라의 계절별 일사조건을 분석해 보면 봄철과 여름철의 일사량이 가장 좋아서 연평균 일사량의 23%가 더 많으며, 상대적으로 가을과 겨울의 일사량은 평균보다 11%, 34%가 적다. 따라서 고정식 태양광 시스템의 경우에는 평균 고도를 봄, 가을을 기준으로 30˚로 정하고 이 기준을 벗어나는 상하 오차각도는 20˚ 까지만 고려한다.
전술한 집광렌즈(110) 및 태양전지모듈(120)은 경사각 조절부(130, 190)에 일렬로 장착된다. 상기 집광렌즈(110) 및 태양전지모듈(120)은 제1 경사각 조절부재(130)에 삽입, 고정되는 형태로 장착되기 때문에, 필요에 따라 집광렌즈(110) 또는 태양전지모듈(120)의 거리를 조정하여 초점거리를 조절할 수 있다.
또한, 제2 경사각 조절부재(190)는 태양의 고도에 맞추어 상기 제1 경사각 조절부재(130)의 각도를 상기 표 1에 따라 조정 및 고정함으로써, 입사광이 입사면에 수직으로 입사될 수 있도록 하여 집광효율을 높일 수 있다. 이를 위하여, 일 실시예로서 상기 제2 경사각 조절부재(190)는 30˚를 기준각으로 하여 상하로 20˚ 이동할 수 있도록 홈을 형성하고, 해당 날짜의 태양고도에 맞게 볼트 등의 고정수단으로 각도를 조정할 수 있도록 구성하였다.
상기 방위각 조절부(140, 180)는 상기 제 2 경사각 조절부재(190)에 의하여 상기 제1 경사각 조절부재(130)와 결합되어, 태양광이 상기 집광렌즈(110)의 입사면에 수직으로 입사되도록 상기 태양전지모듈(120) 및 상기 집광렌즈(110)의 방향을 태양과 일직선으로 정렬한다. 이를 위하여, 상기 방위각 조절부(140, 180)는 상기 경사각 조절부(130, 190)와 결합되는 제1 방위각 조절부재(140) 및 상기 제1 방위각 조절부재(140)의 방향을 조정하는 제2 방위각 조절부재(180)로 구성된다. 상기 제2 방위각 조절부재(180)는 하기에서 상세히 설명할 태양광 추적부(150)와 결합된다.
도 10은 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 태양광 추적부의 상측 사시도로서, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 태양광 추적부(150)는 자동회전모듈(151)과, 상기 자동회전모듈(151)의 회전력을 상기 제2 방위각 조절부재(180)에 전달하는 회전력 전달수단(155)으로 구성된다.
상기 자동회전모듈(151)은 감아서 탄성에너지를 축전하고, 풀리려는 힘을 동력으로 이용하는 나사선형 스프링을 동력원으로 하여 일정한 속도로 회전한다. 이에 따라 상기 자동회전모듈(151)은 레버(153)를 이용하여 나사선형 스프링을 감아 회전을 위한 초기 동력으로 사용될 탄성에너지를 축전한 후에, 태양의 이동속도에 따라 회전하면서 상기 회전력 전달수단(155)에 회전력을 전달한다. 상기 회전력 전달수단(155)은 상기 자동회전모듈(151)의 회전력을 상기 제2 방위각 조절부재(180)에 손실없이 전달할 수 있도록 신축성이 적고 견고한 벨트를 사용하며, 회전방향을 맞추고 좀 더 견고히 결합될 수 있도록 교차시켜 설치한다.
태양의 이동속도에 상응하여 상기 자동회전모듈(151)이 회전해야 하므로, 하루동안 태양의 시간당 방위각을 구하면, 1일은 24시간, 원둘레 각도는 360˚이므로, 1시간당 태양의 방위각은 15˚임을 알 수 있다. 따라서 상기 자동회전모듈(151)은 시간당 15˚씩 상기 제2 방위각 조절부재(180)가 회전할 수 있도록 일정한 회전력을 제공해야 한다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 태양광 추적부는 상기 자동회전모듈(151)과 상기 제2 방위각 조절부재(180)의 회전비를 조절하여 상기 제2 방위각 조절부재(180)가 태양의 이동속도와 동일한 속도로 회전할 수 있도록 한다.
일 실시예로서 도 11에 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치에 사용되는 방위각 추적을 위한 태양광 추적부의 회전구조를 간략히 도시하였다. 도 11에 도시된 바와 같이, 자동회전모듈(151)은 직경 12mm이고, 제2 방위각 조절부재(180)는 직경 72mm의 원형으로 구성되며, 이들의 회전비는 6 : 1 이다.
상술한 바와 같이 자동회전모듈(151)과 제2 방위각 조절부재(180)의 회전비를 달리한 것은 자동회전모듈(151)의 작은 탄성력으로 제2 방위각 조절부재(180)에 결합된 상부 구조물들을 원활히 회전시킬 수 있는 충분한 회전동력을 전달함과 아울러, 상기 자동회전모듈(151)에 사용되는 나사선형 스프링이 3시간 동안 270˚ 회전하는 경우에 제2 방위각 조절부재(180)가 태양의 이동속도인 1시간 동안 15˚ 회전하도록 각속도를 맞추기 위한 것이다.
한편, 상기 제2 방위각 조절부재(180)는 상기 회전력 전달수단(155)의 설치 및 교환을 용이하게 수행할 수 있도록 하기 위하여 거리조절수단(181)을 구비한다. 상기 거리조절수단(181)은 상기 회전력 전달수단(155)의 설치 또는 교환시에는 상기 제2 방위각 조절부재(180)를 상기 자동회전모듈(151) 방향으로 이동시키고, 설치 또는 교환이 완료되면, 상기 자동회전모듈(151)의 회전력을 상기 제2 방위각 조절부재(180)에 손실없이 전달하기 위해 필요한 적정한 장력(Tension)을 유지할 수 있도록 충분한 위치로 당겨서 고정시킨다.
또한, 상기 제2 방위각 조절부재(180)는 좌우 양측에 거리조절 기능과 함께 수평을 정밀하게 조절하여, 상기 자동회전모듈(151)의 회전에 따라 상기 제2 방위각 조절부재(180)의 회전이 부드럽게 이루어질 수 있도록 두 회전축의 중심을 정렬하는 축정렬수단(183)을 구비한다.
한편, 상기 태양광 추적부(150)의 일측에 상기 태양전지모듈(120)로부터 변환된 전기에너지를 저장하는 축전부(160)를 구비하여, 사용하고 남는 여분의 전기에너지를 축전할 수 있도록 구성한다.
도 12는 도 1의 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치의 거치부의 사시도이고, 도 13은 도 12의 거치부의 상면도이며, 도 14는 태양광 발전부(100)와 거치부(200)가 결합된 부분의 확대사시도이다. 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 거치부(200)는 상부에 태양광 발전부(100)를 착탈가능하도록 결합시킴으로써, 운반 또는 이동시에는 태양광 발전부(100)와 분리시켜 전체적인 장치의 크기 및 형태를 운반하기 용이한 크기와 형태로 변경하고, 태양광 발전시에는 태양광 발전부(100)를 지면에 거치시킨다. 이를 위하여 거치부(200)는 착탈부(210), 수평 조정부(220) 및 지지부(230)로 구성된다.
도 14를 참조하면, 상기 착탈부(210)는 태양광 발전부(100)의 기판(170) 하면 중앙에 장착된 체결부(171)와 결합 및 분리가 용이하도록 걸림 후 고정식으로 구성되고, 도 13을 참조하면, 상기 착탈부(210)는 착탈레버(211)의 조작에 의해 체결부(171)와의 걸림이 해제되거나 고정됨으로써 한 손으로 용이하게 태양광 발전부(100)를 착탈시킬 수 있다.
상기 수평 조정부(220)는 상기 착탈부(210)에 결합된 태양광 발전부(100)의 수평을 조정할 수 있도록 상하, 좌우의 기울어짐을 조정할 뿐만 아니라, 태양광 발전부(100)의 초기 방향을 위한 회전도 가능하다. 도 14를 참조하면, 상기 수평 조정부(220)는 태양광 발전부(100)의 수평 조정이 완료되면, 고정레버(221)을 회전시켜 완료된 수평상태를 고정한다.
상기 지지부(230)는 설치되는 지형에 대응하여 각각 길이조절이 가능한 다수개의 다리로 구성되어, 경사진 지면이나 굴곡진 지형에서도 상부에 체결될 태양광 발전부(100)를 안정적으로 지지한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치는 태양광 발전부(100) 및 거치부(200)로 분리 및 결합이 가능하여, 소형화 및 경량화를 구현함으로써 장소와 환경에 제한되지 않고 언제든지 원하는 지역으로 이동하여 태양광 발전을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치는 집광시스템을 적용함으로써 전기변환 효율을 높임과 동시에 소형의 경량화된 태양광 발전장치를 휴대형으로 구성할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치는 태양의 고도 및 방위각에 따라 자동으로 태양을 추적하는 자동 트래킹 시스템을 구현함으로써 전기변환 효율을 높이고, 상기 자동 트래킹 시스템의 동력을 소형의 나사선형 스프링으로 구현함으로써 간단한 구조로 자동 트래킹이 가능한 소형의 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치를 제공한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 태양광을 전기로 변환하는 태양전지모듈과,
    입사되는 태양광을 상기 태양전지모듈에 집광하는 집광렌즈와,
    상기 태양전지모듈 및 상기 집광렌즈를 일직선으로 상부에 장착하고, 상기 집광렌즈의 초점거리를 조절하며, 상기 태양전지모듈 및 상기 집광렌즈를 태양의 고도에 맞추어 정렬시키는 경사각 조절부와,
    상기 경사각 조절부와 결합되어, 태양광이 상기 집광렌즈의 입사면에 수직으로 입사되도록 상기 경사각 조절부의 방향을 조절하여 상기 태양전지모듈 및 상기 집광렌즈를 태양과 일직선으로 정렬하는 방위각 조절부 및
    상기 태양광이 지속적으로 상기 집광렌즈의 입사면에 수직으로 입사되도록 상기 태양의 이동에 대응하여 상기 방위각 조절부를 회전시키는 태양광 추적부를 포함하는 태양광 발전부; 및
    상부에 상기 태양광 발전부를 착탈가능하도록 결합시켜, 상기 태양광 발전부를 지면에 거치시키는 거치부;로 구성되는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 태양전지모듈은,
    태양전지와,
    상기 태양전지를 열 및 전기전도성을 갖는 접착수단으로 접착하여, 상기 태양전지에서 발생하는 열을 냉각시키는 방열판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 방열판의 일측에 상기 방열판에 확산되는 열을 발산시키는 하나 이상의 냉각팬을 더 구비한 것을 특징으로 하는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 태양전지는,
    복합 화합물 반도체 태양전지인 것을 특징으로 하는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 집광렌즈는,
    프레넬 렌즈(Fresnel Lens)인 것을 특징으로 하는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 태양광 추적부는,
    감아서 탄성에너지를 축전하고, 풀리려는 힘을 동력으로 이용하는 나사선형 스프링 및 상기 나사선형 스프링의 풀리려는 힘을 상기 방위각 조절부에 전달하여, 상기 방위각 조절부를 태양의 이동에 대응하여 회전시키는 회전력 전달수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 태양광 추적부의 일측에 상기 태양전지모듈로부터 변환된 전기에너지를 저장하는 축전부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 거치부는,
    상기 태양광 발전부의 하면에 착탈가능하게 결합되는 착탈부와,
    상기 착탈부에 결합된 상기 태양광 발전부의 수평을 조정하는 수평 조정부 및
    설치되는 지형에 대응하여 각각 길이조절이 가능한 다수개의 다리를 갖는 지지부로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동 태양광 트래킹이 가능한 휴대형 태양광 발전장치.
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