KR20150113593A - 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저비용의 간단 설치로 고정형 태양광 발전기의 발전 효율을 극대화시키기 위한 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기는, 집광면이 남중을 향하도록 설치된 집광판; 상기 집광판의 동측면과 서측면에 각각 회동 가능하게 설치된 제1 및 제2 반사경; 및 상기 제1 및 제2 반사경 중 적어도 하나의 회동 각도를 제어하기 위한 제어 모듈을 포함할 수 있고, 상기 제어 모듈은 상기 집광면을 기준으로 한 계절과 시간에 따른 태양의 위치데이터를 기초로 설정된 입사각을 '회동 각도 = (180도 - 입사각)/2'의 수학식 1에 실시간 대입하여 상기 회동 각도를 산출하되, 상기 회동 각도는 상기 반사경의 반사면과 상기 집광판의 집광면 간의 각도를 나타내며, 상기 입사각은 상기 집광면의 남중에 태양이 위치할 때부터 일출 또는 일몰까지의 구간을 0~90도로 구분하여 설정할 수 있다.

Description

반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기{Fixed type Solar Generator equipped with Reflector}

본 발명은 고정형 태양광 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반사경을 구비하여 발전량을 증대시키는 고정형 태양광 발전기에 관한 것이다.

일반적으로, 태양광 발전기는 태양전지와 축전지 그리고 전력변환장치로 구성되어 있으며, 태양전지가 다수 설치되어 있는 태양광 집광판으로 태양광을 집광하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전설비이다.

이러한 태양광 발전기는 태양전지의 설치수량에 따라 발전용량이 달라지므로 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있어서 대규모 발전뿐만 아니라 소규모 발전이 가능하여 가정용, 산업용으로 널리 이용되고 있는 추세이다.

태양광 발전기는 태양광 집광판의 설치방식에 따라 고정형과 태양 추적형으로 구분할 수 있다.

고정형 태양광 발전기는 일조량을 가장 많이 받을 수 있는 각도로 태양광 집광판이 고정된 형태인데, 이는 구조가 단순하여 설치가 용이하고, 내구성이 높아 유지보수가 간편하다는 장점이 있지만, 태양광의 입사각에 따라 발전량의 편차가 심하여 평균 발전효율이 좋지 않다는 단점이 있다.

태양 추적형 태양광 발전기는 일출에서 일몰까지 동에서 서로 이동하는 태양의 운동을 추적하도록 태양광 집광판을 회전시키는 1축 회전식과, 태양의 남중고도 변화까지 추적하도록 태양전지 모듈을 회전시키는 2축 회전식으로 구분할 수 있는데, 1축 회전식은 상대적으로 구동장치의 구조가 간단하지만 2축 회전식에 비해 발전효율이 떨어지는 문제점이 있고, 이에 비해 2축 회전식은 태양광의 입사 방향이 태양전지 모듈과 항상 수직을 이루어 발전효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.

그러나, 태양 추적형 태양광 발전기는 기존에 저가의 중국 및 국내 부품 등을 적용해 온 업체들에 의해 트래커의 잦은 고장 문제가 대두되고 있고, 기존 트랙커 방식의 사용 시 전원 문제에 의한 트랙커 동작 정지 혹은 내구성 문제로 인해 외부 요인으로부터 충격을 견디지 못하고 고장난 트래커가 빈번하게 발생하고 있다. 따라서, 현재 국내 태양광 시장의 95% 이상이 전술한 문제점으로 인해 추적형 방식 사용시 효율이 높은 것을 알고 있음에도 고정형 방식을 채택하여 발전하고 있다.

즉, 태양광 추적 트랙커는 높은 발전효율에 비해 잦은 고장과 오작동이 발생하기 때문에, 국내 설치 태양광 발전소의 95%가 고정형 태양광 발전소를 채택하고 있고, 따라서 고정형 태양광 발전소를 위한 발전량 증가 대책 필요한 실정이다.

등록특허 제 10-1359438 호(2014.01.29. 등록)

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 저비용의 간단 설치로 고정형 태양광 발전기의 발전 효율을 극대화시키기 위한, 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기는, 집광면이 남중을 향하도록 설치된 집광판; 상기 집광판의 동측면과 서측면에 각각 회동 가능하게 설치된 제1 및 제2 반사경; 및 상기 제1 및 제2 반사경 중 적어도 하나의 회동 각도를 제어하기 위한 제어 모듈을 포함할 수 있고, 상기 제어 모듈은 상기 집광면을 기준으로 한 계절과 시간에 따른 태양의 위치데이터를 기초로 설정된 입사각을 '회동 각도 = (180도 - 입사각)/2'의 수학식 1에 실시간 대입하여 상기 회동 각도를 산출하되, 상기 회동 각도는 상기 반사경의 반사면과 상기 집광판의 집광면 간의 각도를 나타내며, 상기 입사각은 상기 집광면의 남중에 태양이 위치할 때부터 일출 또는 일몰까지의 구간을 0~90도로 구분하여 설정할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 상기 제어 모듈은 일출부터 남중까지의 구간에서는 상기 서측면에 설치된 상기 제2 반사경의 회동 각도를 제어함과 아울러 상기 제1 반사경은 제1 반사경의 반사면이 상기 집광면과 180도를 이루도록 고정시키고, 남중부터 일몰까지의 구간에서는 상기 동측면에 설치된 상기 제1 반사경의 회동 각도를 제어함과 아울러 상기 제2 반사경은 제2 반사경의 반사면이 상기 집광면과 180도를 이루도록 고정시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 제어 모듈은 계절 및 위경도에 따른 태양광 방사각을 고려하여 상기 수학식 1의 결과 값보다 일정 각도만큼 더 큰 값을 회동 각도로 결정하여 제어할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 고정형 태양광 발전소를 위한 발전량을 증가시키되, 독립적으로 새로 제작하거나 또는 기존 고정 태양광 시설을 철거하지 않고 개량 설치할 수 있으므로 기존 시설을 개량할 경우 설치 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 반사경의 회동 각도를 기 설정된 함수식에 의해 태양광 발전가능 모듈의 집광판의 면적을 벗어나서 노출되는 태양광을 반사시켜 해당 집광면에 수직으로 입사시킬 수 있도록 제어할 수 있으므로 최대 발전 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 입사각 설정 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기에서 반사경의 회동 각도를 제어하는 예를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기에서 반사경의 회동 각도를 제어하는 다른 예를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기의 설치 예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 대한 설명 시 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기의 구성도로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 집광판(10), 반사경(21,22), 및 제어 모듈(30)을 포함할 수 있다.

집광판(10)은 집광면(10a)이 태양의 남중(또는 남중시 방위각이라 칭함)을 향하도록 설치되어 태양광을 집광하기 위한 것으로, 예를 들어, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같은 기존의 고정형 태양광 발전기의 집광판과 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

반사경(21,22)은 집광판(10)의 면적을 벗어나서 노출되는 태양광을 반사시켜 해당 집광면(10a)으로 입사시키기 위한 것으로, 예를 들어, 집광판(10)의 동측면에 회동 가능하게 설치된 제1 반사경(21) 및 집광판(10)의 서측면에 회동 가능하게 설치된 제2 반사경(22)을 포함할 수 있다.

본 실시예에 따르면 고강도 경량의 반사경(21,22)이 최적의 함수에 의해 계산된 각도로 움직이는 구조로서, 반사경(21,22)은 강화유리, 실리콘, 박막소재로 모터진동 및 풍압 파손에 취약한 태양광 모듈 대신 유리, 알루미늄, 초박형 고강도 스테인레스 등과 같은 경량/고강도의 소재를 사용하여 구성할 수 있으므로, 타공 또는 절편, 바람구멍 등 구조 변형이 자유롭고, 소재 경량화에 따라 반사경을 회동시키기 위한 구조물로서의 엑츄에이터, 모터 등도 경량화 및 저전력화 할 수 있으며 이에 따라 발전량 증가 대비 소비전력을 최소화 할 수 있다.

본 실시예에서 반사경(21,22)은 집광판(10)에 연결된 일측을 회전축으로 하여 반사경(21,22)의 반사면(22a)과 집광판(10)의 집광면(10a) 간에 이루는 각도(이하 회동 각도라 약칭함)가 약 180도 이내가 되도록 회동할 수 있는데, 반사경(21,22)을 회동시키기 위한 방식은 기존의 방식에 따라 다양한 방식으로 설계 가능하므로 그 설명은 생략하기로 한다.

제어 모듈(30)은 제1 및 제2 반사경(21,22)의 회동 동작을 제어하여 회동 각도를 제어하기 위한 것으로, 예를 들어, 집광면(10a)을 기준으로 한 계절과 시간에 따른 태양의 위치데이터를 기초로 설정된 입사각을 하기 수학식 1에 실시간 대입하여 회동 각도를 산출할 수 있다.

본 실시예에서 입사각은 계절과 시간에 따른 태양의 위치데이터를 기초로 설정하되, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 1일을 기준으로 하면 집광면(10a)의 남중에 태양이 위치할 때부터 일출 또는 일몰까지의 구간을 0~90도로 구분하여 설정될 수 있으며, 이와 같이 설정된 입사각 데이터는 계절과 시간에 따른 태양의 위치데이터에 대응하여 제어 모듈(30)의 제어 테이블에 저장하여 활용할 수 있다.

[수학식 1]

회동 각도 = (180도 - 입사각)/2

제어 모듈(30)은 태양의 위치가 일출부터 남중까지의 구간에서는 집광판(10)의 서측면에 설치된 제2 반사경(22)의 회동 각도를 전술한 수학식 1의 함수를 적용하여 실시간 제어하되, 집광판(10)의 동측면에 설치된 제1 반사경(21)은 전술한 수학식 1의 함수를 적용하지 않고 제1 반사경(21)의 반사면(21a)이 집광면(10a)과 180도를 이루도록 하여 고정시키도록 제어한다(도 3 및 도 4 참조).

일 예로, 도 3에 도시된 바와 같이 태양이 일출과 남중 구간에서 입사각 80도인 위치에 있을 경우 제2 반사경(22)의 회동 각도가 수학식 1에 따라 '(180도-80도)/2=50도'가 되도록 제어함과 아울러 제1 반사경(21)의 회동 각도는 180도로 하여 고정시킨다.

다른 예로, 도 4에 도시된 바와 같이 태양이 도 3의 위치에서 더 움직여 일출과 남중 구간에서 입사각 10도인 위치에 있을 경우 제2 반사경(22)의 회동 각도가 수학식 1에 따라 '(180도-10도)/2=85도'가 되도록 제어함과 아울러 제1 반사경(21)의 회동 각도는 여전히 180도로 고정시킨다.

태양광 에너지는 입사각이 입사면에 수직일 때 최대 발전량을 나타내는데, 도 3~4와 같이 수학식 1의 함수에 따라 반사경(22)의 회동 각도를 조절하면 반사면(22a)에서 반사되어 태양광이 집광판(10)의 집광면(10a)에 수직으로 입사되므로, 본 실시예에 따르면 최대 발전 효율을 얻을 수 있다.

또한 제어 모듈(30)은 태양의 위치가 남중부터 일몰까지의 구간에서는 집광판(10)의 동측면에 설치된 제1 반사경(21)의 회동 각도를 전술한 수학식 1의 함수를 적용하여 실시간 제어하되, 집광판(10)의 서측면에 설치된 제2 반사경(22)은 전술한 수학식 1의 함수를 적용하지 않고 제2 반사경(22)의 반사면(22a)이 집광면(10a)과 180도를 이루도록 하여 고정시키도록 제어한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기에서 반사경의 회동 각도를 제어하는 다른 예를 나타낸 도면이다.

구체인 태양의 광선은 일점 직선광선이 아니고 태양이 1AU에 있을 때 시지름은 32'2"36이다. 태양이 멀리 있긴 하지만 1억4960만km이며 매우 큰 구의 양 끝의 거리차이 따른 방사광선이 발생한다.

태양이 남중에 있을 때(즉, 입사각이 0도일 때) 반사경(22)의 회동 각도는 수학식 1의 함수에 따라 (180-0)/2=90도로 계산되는데, 이에 추가로 태양의 방사각을 고려한 하기 수학식 2에 따라 반사경(22)의 회동 각도를 90도보다 일정 각도만큼 더 큰 값으로 결정하여 제어할 수 있다.

[수학식 2]

회동 각도 = (180도 - 입사각)/2 + 방사각

예를 들어, 태양광의 방사각은 시지름과 거의 같으며 이는 계절, 위경도에 따라 변하는데, 방사각을 4도라고 하면 태양이 남중에 있을 때(즉, 입사각이 0도일 때) 반사경(22)의 회동 각도는 수학식 2의 함수에 따르면 '(180-0)/2 + 4= 94도'이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기의 설치 예를 나타내는 도면으로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 도 6의 (a)에 도시된 바와 같은 기존의 고정형 태양광 발전기의 집광판(10)의 양측에 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 반사경(21,22)을 추가로 설치하여 구성할 수 있으므로, 기존의 설비에 대한 개량 설치가 쉽고 이에 따라 설치 비용이 대폭 절감될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 집광판
10a: 집광면
21,22: 반사경
21a,22a: 반사면
30: 제어 모듈

Claims (3)

1. 집광면이 태양의 남중을 향하도록 설치된 집광판;
   상기 집광판의 동측면과 서측면에 각각 회동 가능하게 설치된 제1 및 제2 반사경; 및
   상기 제1 및 제2 반사경 중 적어도 하나의 회동 각도를 제어하기 위한 제어 모듈을 포함하고,
   상기 제어 모듈은 상기 집광면을 기준으로 한 계절과 시간에 따른 태양의 위치데이터를 기초로 설정된 입사각을 하기 수학식 1에 실시간 대입하여 상기 회동 각도를 산출하되, 상기 회동 각도는 반사경의 반사면과 집광판의 집광면 간의 각도를 나타내며, 상기 입사각은 남중에 태양이 위치할 때부터 일출 또는 일몰까지의 구간을 0~90도로 구분하여 설정된 것을 특징으로 하는 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기.
   [수학식 1]
   회동 각도 = (180도 - 입사각)/2
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어 모듈은 일출부터 남중까지의 구간에서는 상기 서측면에 설치된 상기 제2 반사경의 회동 각도를 제어함과 아울러 상기 제1 반사경은 제1 반사경의 반사면이 상기 집광면과 180도를 이루도록 고정시키고, 남중부터 일몰까지의 구간에서는 상기 동측면에 설치된 상기 제1 반사경의 회동 각도를 제어함과 아울러 상기 제2 반사경은 제2 반사경의 반사면이 상기 집광면과 180도를 이루도록 고정시키는 것을 특징으로 하는 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어 모듈은 계절 및 위경도에 따른 태양광 방사각을 고려하여 상기 수학식 1의 결과 값보다 일정 각도만큼 더 큰 값을 회동 각도로 결정하여 제어하는 것을 특징으로 하는 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기.

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