KR20140105107A - 추적식 수상 태양광 발전장치 - Google Patents

추적식 수상 태양광 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈이 장착되는 상부 회전 구조체, 상기 상부 회전 구조체를 부유시키는 하부 부유 구조체, 상기 상부 회전 구조체와 상기 하부 부유 구조체 연결하는 중심축, 상기 상부 회전 구조체를 회전시키는 회전수단 및 상기 하부 부유 구조체의 요(yaw) 현상을 저감하는 계류수단을 포함하고, 태양 추적을 위하여 상기 상부 회전 구조체를 회전시킬 경우, 상기 하부 부유 구조물이 같이 회전하는 것을 방지하기 위하여 물에 의한 저항력을 증대시킬 수 있도록 상기 하부 구조체의 하부에 복수의 핀을 설치한 것을 특징으로 한다.

Description

추적식 수상 태양광 발전장치{Solar power plant having a rotation solar tracker on water}
본 발명은 추적식 수상 태양광 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광의 최적 수광을 위하여 부유 구조체를 회전시킬 때 저수지 바닥에 기둥이나 말뚝을 사용하지 않고 수상에서의 작용-반작용 원리를 이용하여 부유 구조체를 회전시키는 수상 태양광 발전용 부유 구조체에 관한 것이다.
최근 세계 각국의 온실가스 감축 등의 친환경 정책 선언과 같은 환경 규제 제도의 시행과 전 세계적인 오일쇼크 및 일본의 원전 사고로 인하여 기존의 화석연료와 원자력에 의존하는 에너지 공급체계에서 벗어나 신재생에너지의 필요성이 강조되고 있어 태양광 발전에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양광 발전은 태양광을 수광할 수 있는 일정한 면적의 설치부지가 필요한데, 기존의 건축물 등의 시설물들을 이용하는 경우를 제외하고는 무분별한 산림훼손 등의 부작용으로 규제가 강화되어 설치부지를 확보하는 것이 용이하지 아니하여, 대안적으로 저수지나 댐 수면 등에 수상 태양광 발전소를 설치하고 있다. 수상 태양광 발전소는 유휴 수면을 활용하기 때문에 부지 구입비용이 절감될 뿐만 아니라 지상의 태양광 시설에 비하여 냉각효과가 우수하여 지상 대비 18~26%의 발전량이 증가하는 효과가 있다.
수상 태양광 발전장치는 지역, 계절, 시간 및 일조량 등에 따라 입사광량이 변하므로 태양광 발전효율을 높이기 위해서 태양전지 모듈이 태양을 향하도록 하는 추적 장치가 필요하다.
종래의 태양 추적방법으로는 도 1에 도시한 바와 같이, 부유물 프레임(100)을 고정수단(700)에 연결하고 스크류(300)에 의하여 프레임의 방향을 전환시키는 기술이 제안되었다(특허문헌 1). 태양전지 모듈 상판이 설치되어 있는 부유 구조체의 수면 하부에 스크류를 설치하여 부유 구조체의 방향을 조절하는 기술을 제안하고 있다.
하지만, 상기 발명은 저수지 바닥에 고정수단(700)을 설치하는 작업이 어려워 시공비가 많이 들고 유지보수비가 소요되는 문제점이 있다.
특허문헌 2는 외부 또는 저수지 바닥에 고정된 말뚝에 줄을 연결하여 태양광 모듈이 장착된 구조체를 회전시키는 방법이나, 소규모의 저수지에서 이용할 수 있으나 대규모로 설치된 규모가 큰 수면에서는 고정 말뚝의 사용이 용이하지 않은 문제점이 있다.
1. 한국 공개특허 제10-2008-0104248호 2. 한국 등록특허 제10-0942904호
본 발명은 태양 추적 시 회전을 위하여 저수지 바닥에 기둥 또는 말뚝과 같은 고정수단을 사용하지 않고도 수상에서의 작용-반작용의 원리를 이용하여 태양을 추적할 수 있는 부유 구조체를 제공하고자 한다.
상기의 해결하려는 과제를 위한 본 발명의 구성은, 태양전지 모듈이 장착되는 상부 회전 구조체; 상기 상부 회전 구조체를 부유시키는 하부 부유 구조체; 및 상기 하부 부유 구조체의 요(yaw) 현상을 저감하는 계류수단을 포함하고, 태양 추적을 위하여 상기 상부 회전 구조체를 회전시킬 경우, 상기 하부 부유 구조물이 반대방향으로 회전하는 것을 방지하기 위하여 물에 의한 저항력을 증대시킬 수 있도록 상기 하부 구조체의 하부에 복수의 핀을 일체형 또는 조립형으로 설치한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 상부 회전 구조체를 회전시키는 회전수단은 모터와 동력전달 수단을 포함하고, 상기 동력 전달수단은 기어장치, 체인 또는 줄(wire)이고, 상기 계류수단은 연결줄의 장력과 무게 추의 중력 사이의 평형을 이용하여 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 상부 회전 구조체 또는 상기 하부 부유 구조체의 요(yaw) 및 회전량을 측정하는 지자기센서, 자이로센서 및 가속도센서, 엔코더, 위치센서를 포함하고 상기 센서들로부터 측정된 값을 바탕으로 회전을 제어하는 제어기를 더 포함한다.
본 발명에 따른 회전 추적식 수상 태양광 발전장치는 종래의 기둥이나 말뚝과 같은 고정수단이 없어 시공비가 저렴하며 유지보수비용이 절약될 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 의한 태양광 발전장치의 사용상태도이다.
도 2는 본 발명에 의한 회전 추적식 수상 태양광 발전장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 회전 추적식 수상 태양광 발전장치의 조립도이다.
도 4는 본 발명에 의한 회전 추적식 수상 태양광 발전장치의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 회전 추적식 수상 태양광 발전장치의 설치상태를 나타낸 측면도이다.
이하, 본 발명에 따른 수상 태양광 발전장치용 부유체 구조체에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 내용을 명확하게 하기 위하여 확대 또는 축소 도시하였고 비본질적인 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
본 발명에 따른 회전 추적식 수상 태양광 발전장치는 도 3과 같이, 태양전지 모듈(10)이 장착되는 상부 회전 구조체(100); 상기 상부 회전 구조체(100)를 부유시키는 하부 부유 구조체(200); 상기 상부 회전 구조체(100)와 상기 하부 부유 구조체(200)를 연결하는 중심축(300); 상기 상부 회전 구조체(100)를 회전시키는 회전수단(400) 및 상기 하부 부유 구조체(200)의 요(yaw) 현상을 저감하는 계류수단(500)을 포함한다.
상부 회전 구조체(100)은 태양전지 모듈(10)을 장착할 수 있는 프레임과 중심축(300)을 통하여 하부 구조체(200)에 연결된다.
상부 회전 구조체의 회전수단(400)은 모터(410)와 기어(420)를 상부 회전 구조체에 설치하여 중심축에 대하여 회전하게 할 수 있고, 하부 부유 구조체의 일측 상부에 모터를 설치하고 와이어 또는 체인 등의 동력전달 수단으로 상부 회전 구조체에 연결하여 회전시킬 수 있다.
하부 부유 구조체(200)는 부력을 이용하여 부유할 수 있는 구조체로서 비중이 낮은 HDPE 또는 FRP 소재로 제작하거나 강(steel) 또는 FRP, 알루미늄 등의 부재를 사용하여 내부가 비게 하여 부력을 받을 수 있도록 할 수 있다. 본 발명에서 하부 부유 구조체(200)의 형상은 도 2 내지 도 5에서 십자형으로 하였으나, 이에 한정하지 않고 도너츠 형상 등 여러 가지 형태로 변형가능하다.
본 발명에서 태양 추적을 위하여 상부 회전 구조체(100)를 회전시킬 경우, 상기 하부 부유 구조물(200)이 반대방향으로 회전하는 것을 방지하기 위하여 작용-반작용의 원리를 이용하여 물에 의한 저항력을 증대시킬 수 있도록 상기 하부 구조체(200)의 하부에 복수의 핀(210)을 설치한다.
상부 회전 구조체(100)를 회전시킬 때 각운동량 Ls는 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure pat00001
여기서, Is는 상부 회전 구조체(100)의 관성모멘트이고, ws는 각속도이다.
하부 부유 구조체(200)의 회전 시 각운동량 Lb는 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure pat00002
여기서, Ib는 하부 부유 구조체(200)의 관성모멘트이고, wb는 각속도이다.
외부의 회전력(토크)이 없는 경우 Ls=Lb로서 각운동량이 보존된다. 여기서 하부 부유 구조체(200)에 여러 개의 핀(210)을 설치함으로서 물의 저항력을 증대시켜 Lb >> Ls가 되고 ws >> wb가 된다. 즉 관성모멘트를 크게 함으로써 회전을 적게 할 수 있다.
태양을 추적하는 과정에서, 상부 회전 구조체(100)을 회전시킬 때 하부 부유 구조물(200)은 반대방향으로 회전하려는 힘이 작용한다. 즉, 하부 부유 구조물의 yaw 현상이 발생한다. 그러나 하부 부유 구조물(200)이 움직임이 정지상태일 경우, 태양 추적이 원활하게 구현된다. 하부 부유 구조물(200)의 yaw 움직임을 최소화하기 위해서, 중심축(300)을 중심으로 동심원 형태의 유동에 대한 저항력을 극대화 할 수 있는 복수의 핀(210)을 포함한 조절수단을 하부 부유 구조물 수직방향으로 설치할 수 있다. 핀은 하부 부유 구조체(200)와 일체형으로 제조하여 설치할 수 있고, 별도로 제작하여 하부 부유 구조체(200)의 하부 수직방향으로 조립하여 설치할 수 있다.
핀(210)은 물의 저항력을 증대시키기 위하여 회전방향의 수직방향으로 넓은 면이 형성하도록 하며, 모멘트를 증대시키기 위하여 회전 중심에서 먼 끝단에 집중적으로 설치한다.
또한, 하부 부유 구조체(200)의 각속도 wb를 더 작게 하고 저수지 수위 변화에 능동적으로 변할 수 있도록 계류수단(500)을 이용할 수 있다. 계류수단(500)은 하부 부유 구조체(200)의 일단 측면에 도르래를 설치하고, 연결줄(510)의 중앙에 무게 추(520)를 달고 도르래를 거쳐 연결줄(510)의 양 끝단은 앵커(530)에 고정시킨다.
도 4와 5를 참조하면, 본 발명에서 연결줄(510)의 장력과 무게 추(520)의 중력 사이의 평형을 이용하여 하부 부유 구조물(200)의 yaw 움직임을 추가적으로 제한할 수 있다. 2개 이상의 앵커(530)에 고정된 연결줄(510)이 도르래를 통해 무게추(520) 한곳에 연결됨으로서, 이러한 계류설비에 연결된 하부 부유 구조물(200)은 위아래 방향으로는 자유도가 있으나 수위변동에 의한 yaw 움직임은 구속된다.
수위변동에 의한 yaw 현상은 임계풍속 이하에서는 연결줄(510)의 장력과 무게 추(520)의 중력이 평형을 이용하여 제어된다. 만약 임계풍속 이상(예를 들면 10m/sec 이상)의 바람이 불 경우, 연결줄(510)의 장력에 바람에 의한 풍력이 더해져 무게 추(520)와의 평형이 깨지면서 무게 추(520)가 상승하여 하부 부유 구조체(200)의 흔들림을 허용한다. 따라서 어느 정도 흔들림을 허용하여 순간적인 돌풍 상황에서 풍압을 분산하여 응력집중을 방지하여 구조체의 파손을 방지할 수 있는 것이다. 순간적인 돌풍이 사라지면 하부 부유 구조체(200) 자체가 무게중심이 낮게 설계되어 있기 때문에 안정적인 자세로 복원되며 무게 추(520)는 중력으로 하강하여 장력과 평형을 이룸으로써 안정적인 자세를 유지하게 된다. 허용되는 임계풍속은 무게 추(520)의 무게를 변화시켜 조절할 수 있다. 부유 높이 이상의 파도(예를 들면 50cm 이상의 파고)에 대해서도 같은 원리가 적용된다.
본 발명에 따른 회전 추적식 수상 태양광 발전장치는 흘러다니지 않도록 수면 아래 지면의 앵커(530)에 연결줄(510)로 고정할 수 있다.
상부 회전 구조체(100)의 제어는 상부 회전 구조체(100) 또는 상기 하부 부유 구조체(200)의 요(yaw) 및 회전량을 측정하는 지자기센서, 자이로센서 및 가속도센서, 엔코더, 위치센서를 포함하고 상기 센서들로부터 측정된 값을 바탕으로 회전을 제어하는 제어기를 통하여 회전을 제어할 수 있다.
10 : 태양전지 모듈 100 : 상부 회전 구조체
200 : 하부 부유 구조체 210 : 핀
300 : 중심축 400 : 회전수단
410 : 모터 420 : 기어
500 : 계류수단 510 : 연결줄
520 : 무게 추 530 : 앵커
600 : 제어기

Claims (5)

  1. 태양전지 모듈이 장착되는 상부 회전 구조체;
    상기 상부 회전 구조체를 부유시키는 하부 부유 구조체;
    상기 하부 부유 구조체의 요(yaw) 현상을 저감하는 계류수단을 포함하는 수상 태양광 발전장치에 있어서,
    태양 추적을 위하여 상기 상부 회전 구조체를 회전시킬 경우, 상기 하부 부유 구조물의 회전을 방지하기 위하여 물에 의한 저항력을 증대시킬 수 있도록 상기 하부 구조체의 하부에 수직으로 복수의 핀이 일체형 또는 조립형으로 설치된 것을 특징으로 하는 수상 태양광 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 회전 구조체를 회전시키기 위한 회전수단은 상기 상부 회전 구조체에 설치된 모터와 기어장치 또는 상기 하부 부유 구조체 일측 상부에 설치된 모터와 상기 상부 회전 구조체와 연결된 줄(wire)인 것을 특징으로 하는 수상 태양광 발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계류수단은 연결줄의 장력과 무게 추의 중력 사이의 평형을 이용하여 조절하는 것을 특징으로 하는 수상 태양광 발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 회전 구조체 또는 상기 하부 부유 구조체의 요(yaw) 및 회전량을 측정하는 지자기센서, 자이로센서 및 가속도센서, 엔코더, 위치센서를 포함하고 상기 센서들로부터 측정된 값을 바탕으로 회전을 제어하는 제어기를 더 포함하는 수상 태양광 발전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 부유 구조체는 바닥에 고정된 앵커에 줄로 고정한 것을 특징으로 하는 수상 태양광 발전장치.
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