KR20120115072A - 태양광 발전 효율이 높으면서 콤팩트한 구조를 갖는 태양광 발전 장치 - Google Patents

태양광 발전 효율이 높으면서 콤팩트한 구조를 갖는 태양광 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 장치에 관한 것으로, 태양으로부터의 빛에너지를 직접 수광하는 제1태양전지판과; 상기 제1태양전지판과 반대 방향을 향하도록 제2태양전지판과; 상기 제1태양전지판과 상기 제2태양전지판을 경사진 자세로 위치 고정하는 지지대와; 상기 제2태양전지판과 이격 설치되어 태양으로부터의 태양광을 반사하는 반사면을 구비하여 광경로를 상기 제2태양전지판으로 유도하는 반사체와; 상기 제1태양전지판과 상기 제2태양전지판 중 어느 하나 이상으로부터 출력되는 전력을 저장하는 축전 유닛을; 포함하여 구성되어, 지지대의 양면에 서로 다른 방향을 향하도록 콤팩트한 구조로 설치된 제1태양전지판과 제2태양전지판에서 모두 태양광 발전을 하여 많은 양의 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전 장치를 제공한다.

Description

태양광 발전 효율이 높으면서 콤팩트한 구조를 갖는 태양광 발전 장치{COMPACT STRUCTURED SOLAR POWER GENERATION EQUIPMENT WITH IMPROVED POWER GENERATION EFFICIENCY}
본 발명은 태양광 발전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 좁은 공간 내에서도 설치 가능한 콤팩트한 구성으로 태양광 발전량을 극대화할 수 있는 태양광 발전 장치에 관한 것이다.
최근 유가의 급등과 환경 보호의 필요성에 의해 대체 에너지의 일환으로서 태양광 발전에 대한 관심이 나날이 높아지고 있다. 태양광 발전은 태양 전지에 의하여 태양의 빛에너지를 전기 에너지로 변환시켜 축전시키는 것에 의해 이루어진다.
도1은 종래의 태양광 발전 장치를 도시한 것이다. 도1에 도시된 바와 같이, 일반적인 태양광 발전 장치는 태양(65)으로부터 입사되는 빛에너지를 수광하여 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지판(10)과, 태양광 전지판(10)을 지지하는 지지대(20)와, 태양광 전지판(10)에서 변환된 전기 에너지를 축전시키는 축전 유닛(30)으로 구비된다. 축전 유닛(30)에 저장된 전기 에너지는 인버터(미도시)에 의하여 교류로 변환되어 가정 등에서 사용된다.
최근에는 가정마다 사용하는 가전 제품이 많아짐에 따라, 계절적 수요에 의해 가정마다 사용하는 전력 소모량이 급격히 증가하고 있다. 그런데, 가정의 전기 사용료는 누진제에 의하여 사용량에 비례하여 급격히 금액이 증가하므로, 냉난방기를 가동하는 겨울이나 여름에는 매우 높은 전기 사용료가 고지되는 부담을 감수해야만 했다.
이에 따라, 가정에서 사용하는 전기 사용량의 일부 또는 전부를 자체적으로 발전 생산하고자 하는 시도가 진행되고 있다. 그러나, 넓은 마당이 구비된 교외 주택은 태양광 설비를 설치하는 것이 가능하지만, 일반 단독 주택이나 아파트 등에서는 제한된 공간으로 인해 태양광 발전 설비를 구비하는 것이 매우 어려운 문제가 있었다.
따라서, 좁은 공간 내에서도 많은 양의 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전장치의 필요성이 나날히 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 좁은 공간 내에서 설치 가능한 콤팩트한 구성으로 태양광 발전량을 극대화할 수 있는 태양광 발전 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 무거운 태양전지판을 회전시키지 않고서도 태양의 방위와 고도 변화를 추적하여 보다 많은 전력을 생산하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 태양으로부터의 빛에너지가 태양전지판에 직접 조사되지 않는 영역의 태양광에 대해서도 반사체를 이용하여 태양광을 발전할 수 있도록 함으로써 최소한의 공간 내에 최대의 전력을 생산하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 달성하기 위하여, 태양으로부터의 빛에너지를 직접 수광하는 제1태양전지판과; 상기 제1태양전지판과 반대 방향을 향하도록 제2태양전지판과; 상기 제1태양전지판과 상기 제2태양전지판을 경사진 자세로 위치 고정하는 지지대와; 상기 제2태양전지판과 이격 설치되어 태양으로부터의 태양광을 반사하는 반사면을 구비하여 광경로를 상기 제2태양전지판으로 유도하는 반사체와; 상기 제1태양전지판과 상기 제2태양전지판 중 어느 하나 이상으로부터 출력되는 전력을 저장하는 축전 유닛을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치를 제공한다.
이상에서 기재된 바와 같이, 본 발명은, 지지대의 일면에 고정된 제1태양전지판은 태양으로부터 직접 조사되는 태양광으로 전력을 생산하고, 태양으로부터의 태양광이 직접 조사되지 않도록 지지대의 타면에 고정된 제2태양전지판은 반사면에 의해 광경로를 반사 유도된 태양광으로 전력을 생산함으로써, 지지대의 양면에 서로 다른 방향을 향하도록 콤팩트한 구조로 설치된 제1태양전지판과 제2태양전지판에서 모두 태양광 발전을 하여 많은 양의 전력을 생산할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 반사면은 반사율이 93% 이상인 마그네슘, 은 소재의 거울면으로 형성됨으로써, 반사면에 의해 태양광이 태양전지판으로 유도하는 동안에 광손실량이 최소화됨에 따라, 동일한 공간 내에서 종래에 생산되었던 발전양에 비하여 1.8배~1.95배의 전력을 생산할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은 제2태양전지판에 태양광을 유도하는 반사체를 2개 이상으로 형성하여 태양으로부터의 광경로를 2회 이상 변경함으로써, 반사체와 제2태양전지판과의 간격을 보다 좁힐 수 있게 되어 보다 콤팩트한 구조로 태양광 발전 장치를 구성할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 반사체가 태양의 고도와 방위에 따라 회전하여 상기 제2태양전지판으로 태양광을 유도하도록 구성됨에 따라, 항상 그늘진 방향으로 설치된 제2태양전지판에 대해서도, 태양의 방위와 고도 변경에 따라 반사체의 반사면으로 태양광의 경로를 제2태양전지판으로 유도하여 일출 시로 부터 일몰 시까지 계속하여 태양광 발전을 할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 반사체와 상기 축전 유닛이 상기 지지대에 고정 설치됨에 따라, 지지대 상에 모든 구성 요소가 안착됨에 따라 하나의 모듈로서 장치를 구성하여 제작 공장으로부터 설치 장소까지 운반 및 이동이 간편해지는 잇점을 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은 상기 반사면을 오목 거울면으로 형성함으로써, 태양으로부터 수광된 에너지를 보다 많이 집적하여 태양전지판으로 전달함으로써, 태양광 에너지의 발생량을 증대시킬 수 있는 유리한 효과가 얻어진다.
도1는 종래의 태양광 발전 장치의 구성을 도시한 도면
도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성을 도시한 도면
도3은 도2의 반사체의 회전에 따라 태양의 방위 및 고도 변화에도 태양광 발전을 하는 구성을 설명하기 위한 개략도
도4는 도2의 오목 거울의 빛의 반사 작용을 도시한 도면
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성을 도시한 도면
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 발전 장치(100)를 상술한다. 다만, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 제1실시예의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 발전 장치(100)는 지면에 설치되는 지지대(110)와, 태양으로부터의 빛에너지를 직접 수광하도록 지지대(110)의 전면에 설치된 제1태양전지판(120)과, 제1태양전지판(120)과 반대 방향을 향하도록 지지대(110)의 후면에 설치된 제2태양전지판(130)과, 태양광의 경로를 반사면(141s)으로 반사 변경하여 그늘에 위치하는 제2태양전지판(130)으로 유도하는 광경로 변경유닛(140)과, 제1태양전지판(120)과 제2태양전지판(130)에서 전기 에너지로 변환되어 출력되는 전력을 저장하는 축전 유닛(150)으로 구성된다.
상기 지지대(110)는 대체로 지면 상에 설치되어 제1태양전기판(120)과 제2태양전지판(130)을 위치 고정시킨다. 지지대(110)는 반사체(141)를 구비한 광경로 변경유닛(140)를 고정하고 축전 유닛(150)을 그 상면에 위치시킴으로써, 지지대(110)를 중심으로 태양광 발전장치(100)가 하나의 모듈로 구성된다. 이를 통해, 태양광 발전장치를 제작한 공장으로부터 설치 장소까지 운반하거나 설치 장소를 변경하여 이동시키는 것이 보다 용이해지며, 설치된 상태에서도 주변과 확실히 격리되어 보다 깔끔한 설치를 가능하게 한다.
상기 제1태양전지판(120)은 지지대(110)의 전면(前面)에 경사진 자세로 설치되어 태양(65)으로부터 태양광(91)을 직접 수광하여 전력을 생산한다.
상기 제2태양전지판(130)은 지지대(110)의 후면(後面)에 경사진 자세로 설치되어, 태양(65)으로부터 반사면(141s)에 의해 반사되어 경로 변경된 태양광(92)을 수광하여 전력을 생산한다. 즉, 제2태양전지판(130)은 제1태양전지판(120)의 반대방향을 향하도록 설치됨에 따라 태양으로부터 조사되는 태양광이 직접 조사되지 못하지만, 제1태양전지판(120)에 입사되지 않는 영역(91a)의 태양광을 반사체(141)로 유도하여 태양광 발전을 할 수 있게 된다. 이때에는, 제1태양전지판(120)과 제2태양전지판(130)은 폴리실리콘 등의 재질로 이루어진 결정형 실리콘 태양전지를 사용할 수 있다.
이와 더불어, 제2태양전지판(130)은 가상의 수평면(88)에 대하여 하방(110d)을 향하여 경사각(θ)을 두고 설치됨에 따라, 그 표면에 이물질이 중력에 의해 쌓이는 것을 방지한다. 따라서, 제2태양전지판(130)의 표면에 정전기로 부착하는 약간의 먼지를 주기적으로 털어주기만 하면 간단히 높은 효율로 전력을 생산할 수 있는 상태를 장시간 동안 유지할 수 있다.
상기 광경로 변경유닛(140)은 반사율이 높은 소재로 반사면(141s)이 제작된 반사체(141)와, 반사체(141)를 회전 구동하는 회전 구동기(142)와, 회전 구동기(142)를 지지하는 지지대(143)로 구성된다.
여기서, 반사체(141)는 태양으로부터 복사되는 빛을 반사하여 제2태양전지판(130)으로 전달하므로, 얇은 판 형상으로 가볍게 구성된다. 따라서, 회전 구동기(142)는 반사체(141)를 회전 구동하는데 있어서 적은 동력만을 필요로 하므로 훨씬 작은 크기와 용량으로 반사체(141)를 보다 정교하면서도 저렴하게 회전 구동할 수 있다.
회전 구동기(142)는 태양의 고도와 방위에 부합하도록 도면부호 141d로 표시된 방향으로 회전한다. 도면에는 간단히 표시하기 위하여 1축 방향으로 회전이 가능한 것만을 표시되었지만, 태양의 방위와 고도를 추적하여 2개의 힌지를 구비하여 2축 방향으로 회전될 수도 있다.
이를 위하여, 태양으로부터 전달되는 빛의 방향을 측정하는 센서(미도시)를 구비하여 그 센서로 감지된 태양의 고도와 방위에 부합하도록 회전 구동기(142)가 구동되거나, 태양의 고도 데이터를 입력해둔 프로그램에 따라 회전 구동기(142)가 구동되어, 도3에 도시된 바와 같이 반사면(141s)에 의해 반사된 광경로(92)가 항상 제2태양전지판(130)에 도달하도록 한다.
반사체(141)의 반사면(141s)은 태양광의 반사에 의하여 광량이 감소되는 것을 최소화하기 위하여 반사율이 높은 마그네슘이나 은 소재로 제작되거나 코팅된다. 이를 통해, 반사면(141s)을 통하더라도 제2태양전지판(130)에 도달하는 광량의 손실은 전체의 5%미만으로 유지할 수 있다. 따라서, 제2태양전지판(130)에서 발전하는 전력 생산량은 태양이 직접 조사되어 발전하는 제1태양전지판(120)에서의 전력 생산량에 거의 근접할 만큼 많이 생산할 수 있다.
특히, 도4에 도시된 바와 같이, 반사면(141s)이 오목면 또는 오목 거울면으로 이루어짐에 따라, 태양(65)의 방위와 고도가 변경되면서 반사면(141s)에 입사된 태양광(91, 91', 91")을 보다 집적된 형태의 광경로를 변환하여 제2태양전지판(130)으로 태양광을 전달할 수 있다. 즉, 오목 거울의 축에 평행하게 입사된 빛의 경로는 거울의 초점(77)을 향하여 반사하는 성질을 가지고 있으므로, 제2태양전지판(130)의 위치를 오목한 반사면(241s)의 초점(f)와 오목 거울의 곡률반경(R) 사이에 위치하거나 혹은 오목 거울과 초점사이에 위치시킴으로써, 반사면(141s)에 입사되는 태양광의 폭(L1)을 보다 집적시킨 작은 폭(L2)의 태양광(92)으로 제2태양전지판(130)에 집중하여 전달하는 것이 가능해진다. 이 때에는 제1태양전지판(120)과 제2태양전지판(130)은 집광형 화합물반도체 태양전지를 사용할 수 있다.
집광형 화합물반도체 태양전지는 사용물질에 따라 III-V, II-III-VI, II-VI 화합물반도체 태양전지로 구분되는데, 이 중 대표적인 II-III-VI 화합물반도체 태양전지는 주로 CIGS(Cu(In, Ga)Se)로 제작되며, II-VI 화합물반도체 태양전지는 주로 CdTe로 제작되어, 공유결합을 하고 있기 때문에 우수한 물성을 가지며 결정형 실리콘 태양전지에 비하여 광흡수율이 높은 장점이 있다. 특히, 집광형 화합물반도체 태양전지는 높은 효율을 위하여 다중접합 방식의 구조를 가지며, 이에 따라 국부적으로 태양광이 집중되더라도 높은 효율로 태양광의 발전을 가능하게 한다.
이를 통해, 반사면(141s)의 표면에서 태양광이 반사됨에 따라 대략 5%의 태양광 손실량을 보상할 수 있으며, 기상 조건 등에 무관하면서도 종래보다 많은 양의 전력을 생산할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전 장치(200)는 반사체(141)가 오목면으로 형성되는 대신에 평면으로 반사면(241s)이 형성될 수도 있다. 반사면(241s)이 평면으로 이루어짐에 따라 반사면(241s)을 보다 저렴하게 제작할 수 있다.
상기 축전 유닛(150)은 종래에 사용되는 축전 시스템을 채용하여 제1태양전지판(120)으로부터의 송전선(152)과 제2태양전지판(130)으로부터의 송전선(153)을 부리지 컨넥터(Bridge Connecter)로 결합하여 배터리에 연결함으로써 생산된 전력을 배터리에 저장한다. 축전 유닛(150)에 저장된 직류(DC)의 전력은 인버터(미도시)에 의해 교류(AC)로 변환되어 일반 가정 및 상업용으로 사용된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 발전 장치(100)는 제1태양전지판(120)과 제2태양전지판(130)를 지지대(110)의 양면에 각각 설치하도록 구성됨에 따라, 실질적으로 태양전지판이 하나만 설치되는 것과 동일한 공간만을 차지하는 콤팩트한 구성을 구현할 뿐만 아니라, 지지대(110)의 전면에 위치한 제1태양전지판(120)은 도면부호 91b로 표시된 영역의 태양광을 태양으로부터 직접 조사받아 태양광 발전을 행하며, 지지대(110)의 후면의 그늘에 위치하는 제2태양전지판(130)도 제1태양전지판(120)에 조사되지 아니하는 영역(91a)의 태양광을 반사면(141s)에 의해 유도하여 태양광 발전을 행함으로써 전력 생산량을 높일 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은 상기 반사면을 오목 거울면으로 형성되어 태양으로부터 수광된 에너지를 보다 많이 집적하여 집광형 화합물반도체 태양전지를 사용한 태양전지판으로 전달함으로써, 제2태양전지판(130)이 반사면(141s)의 초점(77)과 곡률반경(R)의 사이에 위치한다면 오히려 전면에 위치한 제1태양전지판(120)의 전력 생산량보다 더 많은 전력을 생산할 수도 있다.
따라서, 본 발명은 1개의 태양전지판이 설치되는 종래의 구성에 비하여 주택 옥상이나 아파트 등의 좁은 설치 공간에서도 설치 가능하면서도 2배 가량 증대된 양의 태양광 발전을 할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 발전장치(100)는 가벼운 반사체(141)가 태양의 고도와 방위에 따라 회전하여 제2태양전지판(130)으로 태양광을 유도하도록 구성됨에 따라, 태양의 방위와 고도 변경에도 불구하고 제2태양전지판(130)에서의 발전 시간을 늘릴 수 있어서 보다 많은 태양광 발전을 할 수 있는 잇점도 얻어진다.
이 뿐만 아니라, 광경로 변경유닛(140)과 축전 유닛(150)이 모두 지지대(110)에 안착 설치됨에 따라, 운반이 간편해지고 설치된 상태가 깔끔해지는 잇점도 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 발전 장치(300)를 상술한다. 다만, 본 실시예를 설명하는 데 있어서 본 실시예의 요지를 흩뜨리지 않기 위하여 전술한 실시예와 구성 및 작용이 유사한 구성에 대해서는 전술한 실시예의 구성과 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 발전 장치(300)는 반사체를 2개로 형성된다는 점에 전술한 실시예(100, 200)들과 차이가 있다. 도6에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 장치(300)는 지면에 설치되는 지지대(310)와, 태양으로부터의 빛에너지를 직접 수광하도록 지지대(310)의 전면에 설치된 제1태양전지판(120)과, 제1태양전지판(120)과 반대 방향을 향하도록 지지대(310)의 후면에 설치된 제2태양전지판(130)과, 태양광의 경로를 제2반사면(161s)과 제1반사면(341s)에 의해 순차적으로 반사 변경하여 그늘에 위치하는 제2태양전지판(130)으로 유도하는 광경로 변경유닛들(340, 160)과, 제1태양전지판(120)과 제2태양전지판(130)에서 전기 에너지로 변환되어 출력되는 전력을 저장하는 축전 유닛(150)으로 구성된다.
즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 발전 장치(300)는 태양(65)으로부터 제2태양전지판(130)으로 태양광을 유도하기 위하여 2개의 반사면(161s, 341s)을 이용한다는 점에서 전술한 실시예와 차이가 있다. 이와 같이, 태양으로부터 제1태양전지판(120)에 입사되지 않는 영역의 태양광을 제2반사면(161s)과 제1반사면(341s)에 의하여 순차적으로 반사하여 제2태양전지판(130)에 유도하도록 구성됨에 따라, 반사체(161, 341)와 제2태양전지판(130)과의 거리를 보다 짧게 설정할 수 있다.
따라서, 1개의 반사면(141s, 241s)을 구비한 경우에 필요로 하는 지지대(110)의 길이(X1)에 비하여, 본 실시예에 따른 지지대(310)는 보다 짧은 길이(X3)로 형성하면서 제1광경로 변경유닛(340)과 제2광경로 변경유닛(160)을 설치 고정하는 것이 가능해진다. 따라서, 2개의 반사체(341, 161)를 구비함에 따라 보다 콤팩트한 태양광 발전 장치(300)를 구현할 수 있는 장점을 얻을 수 있다.
이 경우에도, 제1반사체(341)는 제1회전 구동기(342)에 의하여 회전 가능하게 설치되고, 제2반사체(161)는 제2회전 구동기(162)에 의하여 회전 가능하게 설치되어, 태양의 고도와 방위가 변경되더라도 제2태양전지판(130)에 지속적으로 태양광이 도달하도록 유도한다. 이를 통해, 제2태양전지판(130)에서도 많은 전력을 지속적으로 생산하는 것이 가능해진다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
91, 91', 91": 태양광 일조방향 92: 태양광 반사방향
100, 200, 300: 태양광 발전 장치 110: 지지대
120: 제1태양전지판 130: 제2태양전지판
140, 240: 광경로 변경유닛 141, 241: 반사체
141s, 241s: 반사면 150: 축전 유닛
340: 제1광경로 변경유닛 341: 제1반사체
341s: 제1반사면 160: 제2광경로 변경유닛
161: 제2반사체 161s: 제2반사면

Claims (2)

  1. 태양으로부터의 빛에너지를 직접 수광하는 제1태양전지판과;
    상기 제1태양전지판과 반대 방향을 향하도록 제2태양전지판과;
    상기 제1태양전지판과 상기 제2태양전지판을 경사진 자세로 위치 고정하는 지지대와;
    상기 제2태양전지판과 이격 설치되어 태양으로부터의 태양광을 반사하고 은이나 마그네슘으로 형성된 반사면이 각각 구비되고 상하로 배열되어, 태양의 고도와 방위에 따라 회전 구동되어 태양으로부터의 광경로를 2회 이상 변경하여 상기 제2태양전지판에 태양광을 유도하는 2개 이상의 반사체와;
    상기 제1태양전지판과 상기 제2태양전지판으로부터 출력되는 전력을 저장하는 축전 유닛을;
    포함하되, 상기 반사면 중 하측에 위치하는 반사면은 오목면으로 형성되고, 상기 제2태양전지판은 오목면으로 형성된 상기 반사면의 초점(f)과 상기 반사면의 사이에 위치하고, 상기 반사체와 상기 축전 유닛은 상기 지지대에 고정 설치된 것을 특징으로 하는 태양 추적형 태양광 발전장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지판은 집광형 화합물 반도체 태양전지로 형성된 것을 특징으로 하는 태양 추적형 태양광 발전장치.
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