KR20170071119A - 기상 상태에 따라 원격으로 태양전지판을 접거나 펼치는 형태로 구성한 드론 태양광 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기상 상태에 따라 원격으로 접고(혹은 말고) 펼칠 수 있는 가변식 태양전지판을 드론에 설치하여, 드론에서 필요로 하는 대부분의 전기에너지를 태양광발전으로 확보함으로써 전기 모터 프로펠러 구동현 드론의 취약점인 짧은 비행 시간을 획기적으로 증대시키고자 한다. 즉, 주요 업무를 수행하는 지역까지는 태양전지판을 접은 상태로 빠르게 이동하며, 임무 지역에 도착시 기상 상태가 양호할 경우 태양전지판을 펼쳐 태양광발전으로 드론에 필요한 전력을 생산하므로 주간에는 배터리 교체없이 수시간 이상도 비행할 수 있다는 장점이 있으며 이를 통하여 다음과 같은 효과가 기대된다. 무인기인 드론은 대체로 기상상태가 양호할 때 비행하는 만큼, 기상조건에 따라 100% 자체 소요 전기에너지 생산 능력을 갖는 친환경 드론으로 비행시간의 획기적 증대가 가능한 효과가 있다. 즉, 기상 조건이 양호할 때만 태양전지판을 펼치고, 신속 이동시에는 태양전지판을 접거나 말도록 구성함으로써 드론의 이동성을 유지하면서 태양광발전으로 비행시간을 증대시키는 효과가 있다. 부가적으로,야외 지상에서 태양전지판을 펼치면 태양광발전 충전 기능을 제공함으로써 산업 및 군사용 드론의 운용환경 제한(야외 충전시설 부족)을 극복하는 수단으로 활용할 수 있다. 태양전지판 펼친 상태에서 드론 조종 안정성 향상 및 드론 추락시 원격 및 자동으로 태양전지판을 펼치면 추락속도 감소 효과로 드론 낙하산 대체(일부 국가 드론 낙하산 의무) 효과도 기대된다.

Description

기상 상태에 따라 원격으로 태양전지판을 접거나 펼치는 형태로 구성한 드론 태양광 발전 장치 {The solar-light power generation unit of drone which can control remotely folding or unfolding the solar panels in case of weather condition}
드론은 무선전파의 유도에 의해서 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 군사용 무인비행기(UAV : Unmanned aerial vehicle)의 총칭으로, 2010년대를 전후하여 군사적 용도 외 다양한 민간 분야에 활용되고 있다. 헬리콥터나 드론처럼 프로펠러의 회전에 의해 양력을 발생시키는 비행 물체의 경우 프로펠러 회전의 반작용에 의해 본체가 프로펠러가 회전하는 반대 방향으로 회전하게 된다. 싱글로터 헬리콥터의 경우 이 문제를 해결하기 위해 테일 로터(tail rotor)가 필요하지만, 드론은 앞뒤 프로펠러의 회전을 반대로 하여 프로펠러 회전에 의해 발생하는 반작용을 상쇄시키는 원리를 기본으로 한다. 즉, 드론은 각각의 로터 프로페러 회전을 제어하여 상승비행모드(ascend), 하강비행모드(descend), 전진비행모드 (forward), 후진비행모드(backward), 우횡비행모드(roll right), 좌횡비행모드 (roll left), 좌회전비행모드(yaw left), 우회전비행모드(yaw right)가 가능하다.
드론은 상대적으로 작은 복수 개의 프로펠러를 이용하여 양력을 얻고, 각각의 프로펠러로부터 발생하는 양력을 조절하여 전진 및 후진과 방향 전환을 하는 만큼 전·후·좌·우 이동시 비행 효율이 좋지 못하다. 즉, 드론은 헬리콥터에 비해 작은 프로펠러를 3 ~ 8개(쿼드롭터~옥타콥터) 사용하므로 상대적으로 비행 효율이 크게 떨어진다. 낮은 비행 효율로 드론은 탑재할 수 있는 페이로드(payload)가 적어 전기 에너지를 공급하는 배터리 용량을 제한(DJI 회사 팬텀 드론 전체무게 1280g, 배터리 무게 365g)하므로 비행시간이 20분 내외로 짧다는 치명적인 문제점이 있다. 일례로 중궁의 DJI 회사의 12.4 메가 픽셀급 카메라를 장착한 팬텀 드론의 경우 배터리를 68Wh(15,2V 리퓸폴리머 45, 4.5Ah)를 탑재하고도 비행 시간은 23분 이내일 정도로 드론에서 비행 시간을 증가시키는 것은 매우 시급하게 해결해야 하는 과제이다.
전기 에너지 구동 프로펠러 모터 기반 드론의 취약점인 짧은 비행 시간을 해결하기 위한 다양한 시도가 있었다. 특히, 작전 완료시까지 장시간 비행해야 하는 군사용 무인기(UAV)의 경우 연료 전지와 연료 전지에 필요한 수소를 공급하는 금속수소화물(metal hydride)을 적용하여 비행 시간을 높이고 있다. 그러나, 연료전지와 수소공급장치 특히 금속수소화물은 매우 고가이므로 상용 드론에 보편적으로 적용하기에는 한계가 있다. 일부 연구기관에서는 전기 모터 대신 왕복 엔진을 적용하여 드론을 제작하고 있지만, 왕복 엔진은 세밀하고 빠른 제어가 어려워 안정적인 자세제어가 중요한 드론에 본격적으로 적용되지 못하고 있다.
그러나, 인공위성의 경우 발사체 안에서 접힌 상태로 보관한 태양전지판을 궤도 진입 후 펼쳐서 인공 위성에서 소요되는 전기 에너지를 자체 생산하며, 필요 에너지 규모에 따라 태양전지판의 면적 및 개수(주로 2 ~ 4개)를 결정하고 있다.태양전지판 기술도 많은 발전이 이루어져 최근 발전 효율이 28% 대에 이르는 상용 제품도 판매되고 있다. 태양 전지는 원리와 소재 및 공정 기술에 따라 크게 태양광발전소에 많이 적용되는 결정질 실리콘 태양전지와 두께 0.2mm 내외로 제작할 수 있고 음영지역에서도 부분적으로 발전 가능한 박막 태양전지로 구분된다. 결정질 태양전지는 단결정 실리콘 태양전지와 다결정 태양전지(Poly Silicon)로 구분되며, 박막 태양전지는 사용되는 소재에 따라 비정질 실리콘 태양전지(미국 Power Film사 외), CIGS계열 태양전지(미국 Solo Power사 외), 염료감응 태양전지로 분류된다. 박막 태양전지의 경우 효율이 10% 내외로 알려져 있어 20% 내외인 결정질 태양전지에 비해 비효율적이지만, 음영지역에서는 전력 생산이 어려운 결정질 태양전지에 비해 전력이 생산된다는 장점이 있어 전자계산기 등에 널리 적용되고 있다. 최근 상용화된 Ga-As 계열의 태양전지판은 28.8& 효율, 단위면적당 발전용량은 250W/㎡, 와트당 태양전지판 무게는 1g/W, 동작온도 -80℃ ~ 100℃ 성능을 제공하여, 넓은 날개에 태양전지판을 설치한 고정익 태양광 무인기 등에 적용되고 있다. 박막 태양전지는 두께가 얇고 유연하기 때문에 접는 형태 혹은 원통형 케이스에 말아서 사용하는 형태로도 판매되고 있다.
업무용 드론은 특성상 빠르게 목적지에 이동한 후 호버링(hovering) 비행하면서 업무를 수행하도록 구성되어 있다. 현행 상용화된 드론의 비행시간은 20분 내외로 업무를 수행하고 복귀해야 하는 시간을 고려하면 너무 짧기 때문에 본격적인 무인기 시대를 전개하기 위해서는 드론 비행시간을 획기적으로 증대시켜야 한다. 최근 리튬 배터리에서도 용량을 획기적으로 증대시킬 수 있는 리튬 황(Li-S) 배터리 개발도 이루어지고 있다. 또한, 드론은 프로펠러로 양력과 함께 추력을 발생시키는 만큼, 상대적으로 추력이 적어 바람이 강하게 부는 경우(초속 10m/s 내외)에는 안정적으로 비행하기가 쉽지 않다. 전기 에너지 구동 프로펠러 모터 기반 드론의 비행 시간을 증대시키기 위해서는 첫째로 드론 자체 무게를 경감시키고 경감된 무게만큼 배터리를 추가로 탑재하는 방법과, 둘째로 모터 및 배터리의 효율을 개선하여 비행 효율을 높이는 방법과, 셋째로 전기에너지를 배터리 대신 연료전지 등으로 바꾸는 방법이 제시되었다. 이러한 접근 방법들도 비행시간을 일정 부분(30% 내외) 증대시킬 수 있지만, 궁극적으로 1시간 이상 안정적으로 비행하는 경우로까지 발전시킬 수는 없다.
그러나, 기상 조건(풍속 및 날씨)에 따라서 운용에 제약이 있지만 인공위성처럼 드론에서도 태양광발전으로 소요 에너지를 확보하도록 할 수 있다면 상기 한계를 극복하여 드론과 같은 무인이동체의 비행 시간을 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이를 위해 드론의 중앙 동체 상단 대부분 면적에 태양전지판을 탑재한 드론이 발표되었지만, 넓은 태양전지판으로 인해 드론이 정상 비행에서도 바람에 취약해지고 프로펠러로 인한 음영으로 유효한 태양전지판 설치 면적이 충분치 않아 큰 효과가 없다고 발표되었다. 일례로, 프로펠러 직경이 20㎝라 하고 드론 동체 길이가 40 x 40㎝라 하면 중앙 동체 상단에 태양전지판을 설치할 수 있는 면적은 20 x 20㎝로 제한되므로 발전량은 최대 10Wh로 비행 시간을 소폭 증대시킬 뿐이다. 중국 DJI 회사의 팬텀 드론의 경우 카메라 소비전력 포함하여(배터리 68Wh로 23분 비행) 총 소요에너지는 177Wh로 기상 조건이 양호할 경우 소요 에너지를 전부 태양광발전으로 확보하기 위해서는 고효율 태양전지판 0.7㎡ (40 x 85 ㎝, 2개) 면적이 필요하다. 그러나, 이러한 대면적의 태양전지판을 설치하는 경우 정상 비행시에 작용하는 풍압이 증가하므로 미풍에도 뒤집어 지는 등 드론 비행 자세 제어가 어려워진다는 문제가 있다. 그러므로, 드론에 대면적 태양전지판을 설치하더라도 바람이 부는 경우에는 풍압의 영향을 감소시킬 수 있는 대책이 필요하다.
본 발명을 통해 해결해야 하는 과제로는 첫째로 드론에서 넓은 태양전지판을 설치할 수 있는 공간을 확보하여야 하며, 둘째로 목적지로 신속히 이동해야 하는 정상 비행시에는 태양전지판으로 인한 바람의 영향을 받지 않아야 하며, 셋째로 태양광발전 중 바람이 세계 부는 경우 태양전지판을 접을 수 있어야 하며, 넷째로 발전 출력 당 추가되는 태양광발전장치 무게가 효율적이어야 한다. 고정익 비행기의 경우 날개 면적이 넓기 때문에 대면적 태양전지판을 날개에만 설치해도 충분하다. 그러나, 드론은 태양전지판을 몸체에 고정 설치할 경우 면적 증가로 인해 바람에 (풍압) 취약해지고 드론 몸체 상단 면적만으로는 자체 발전으로 비행 가능한 태양광발전 면적 확보가 어렵다. 이를 해결하기 위해, 몸체에 2 ~ 4개의 태양전지판을 설치하는 인공위성처럼 프로펠러 회전 축 상부 혹은 하부에 태양전지판을 복수 개 설치하면 자체 발전으로 비행 가능한 넓은 면적을 확보할 수 있다. 이와 함께, 태양광발전을 작동하지 않을 때에는 태양전지판을 접어 드론 동체에 보관할 수 있다면, 정상 비행시에는 바람의 영향을 태양전지판을 통해 드론이 받지 않도록 구성할 수 있다. 그러므로, 기상 조건(바람)에 따라 태양전지판을 원격으로 접고 펼치는 드론용 태양광발전장치를 제안하여 상기 문제점들을 해결하도록 한다. 태양전지판을 접은 상태에서 목적지로 빠르게 비행하여 도착한 후, 목적지의 기상 상태가 바람이 잔잔할 경우 원격으로 태양전지판을 펼치도록 지령을 내리면 드론의 태양전지판을 펼치는 메카니즘이 작동하여 태양전지판을 펼쳐 전력을 생산하여 드론에 공급하도록 구성한다. 이 경우 드론에 바람 세기를 감지하는 센서가 있어, 자체적으로 바람 세기가 위험한 수준이면 태양전지판을 즉시 접도록 제어하며, 그 결과를 지상국 혹은 조종장치에 알려주도록 구성할 수 있다. 태양전지판을 일례로 40 x 10㎝ 크기의 모듈로 해서 10번 접으면 태양전지판 40 x 100 ㎝를 확보할 수 있으며, 2곳에 대칭되도록 설치할 경우 0.8㎡의 큰 면적을 확보할 수 있다. 접는 방식보다는 줄자처럼 태양전지판을 말아서 보관하다가, 태양전지판 끝단을 액츄에이터로 당기면서 펼쳐지도록 하는 방식이 드론에 적용하기는 유리하다. 상기와 같이 접거나 펼칠 수 있는, 혹은 말거나 펼칠 수 있는 가변형 태양광발전장치를 드론에 부착하는 방안은 태양광발전만으로 비행에 필요한 전기에너지를 확보할 뿐만 아니라, 부가적으로 충전 환경 확보가 어려운 야외 지상에서 태양광발전 충전 기능을 활용하여 드론의 배터리를 충전할 수 있다. 태양전지판이 펼쳐진 상태에서는 평형 효과로 드론 조종 안전성 향상이 기대되며 드론 추락시 원격 및 자동으로 태양전지판을 펼침으로써 추락 속도 감소 및 보호 효과도 기대된다.
태양전지판의 기울기 각도는 표면에 입사되는 태양광 에너지를 확보하는데 결정적인 영향을 미친다. 태양전지판의 기울기 각도는 설치된 위치의 위도와 태양의 고도와 일치할 때 최대 발전 효율이 얻어진다. 급격한 기울기 각도는 겨울철에 적합하고 더 낮은 기울기 각도는 여름철에 최적이다. 서울 지방(위도 37°)의 경우 봄과 가을에는 37° 내외, 여름에는 14° 내외, 겨울에는 60° 내외로 태양전지판을 기울일 때 최대 발전이 이루어진다. 그러므로 태양전지판의 발전 효율을 높이기 위해서는 사용하는 지역의 위도와 춘하추동에 따라 기울여야 하는 각도를 조정할 수 있는 장치도 필요하다.
본 발명은 기상 상태에 따라 원격으로 접고(혹은 말고) 펼칠 수 있는 가변식 태양전지판을 드론에 설치하여, 드론에서 필요로 하는 대부분의 전기에너지를 태양광발전으로 확보함으로써 전기 모터 프로펠러 구동현 드론의 취약점인 짧은 비행 시간을 획기적으로 증대시키고자 한다. 즉, 주요 업무를 수행하는 지역까지는 태양전지판을 접은 상태로 빠르게 이동하며, 임무 지역에 도착시 기상 상태가 양호할 경우 태양전지판을 펼쳐 태양광발전으로 드론에 필요한 전력을 생산하므로 주간에는 배터리 교체없이 수시간 이상도 비행할 수 있다는 장점이 있으며 이를 통하여 다음과 같은 효과가 기대된다.
첫째로, 무인기인 드론은 대체로 기상상태가 양호할 때 비행하는 만큼, 기상조건에 따라 100% 자체 소요 전기에너지 생산 능력을 갖는 친환경 드론으로 비행시간의 획기적 증대가 가능한 효과가 있다.
둘째로, 드론의 비행 시간을 획기적으로 증대시킬 수 있으므로 주요 업무 지역에 무인 드론 기지를 구축하고, 이를 중심으로 정찰과 같은 업무를 항시 수행하는 체계를 구축할 수 있다.
셋째로, 기상 조건이 양호할 때만 태양전지판을 펼치고, 신속 이동시에는 태양전지판을 접거나 말도록 구성함으로써 드론의 이동성을 유지하면서 태양광발전으로 비행시간을 증대시키는 효과가 있다.
넷째로, 야외 지상에서 태양전지판을 펼치면 태양광발전 충전 기능을 제공함으로써 산업 및 군사용 드론의 운용환경 제한(야외 충전시설 부족)을 극복하는 수단으로 활용하는 효과가 있다.
다섯째, 태양전지판 펼친 상태에서 부가적으로 드론 조종 안정성 향상 및 드론 추락시 원격 및 자동으로 태양전지판을 펼치면 추락속도 감소 효과로 드론 낙하산 대체(일부 국가 드론 낙하산 의무) 효과가 있다.
여섯째. 태양전지판을 2단 이상 접는 방식으로 구성하고 각각의 단에 박막 필름형 태양전지판을 설치하는 경우, 태양전지판의 면적은 접은 단 숫자만큼 확대할 수 있는 효과가 있다.
일곱째, 드론에 가변식 태양전지판을 설치할 때 위도와 날짜에 따라 태양전지판을 태양을 향하여 10° ~ 30° 내외로 기울이도록 구성하면 태양광발전양을 높일 수 있는 효과가 있다.

제 1 도는 고정익 항공기 날개에 태양전지판을 설치하고 인공위성에서 태양전지판을 펼친 상태를 나타내는 이미지도이다.
제 2 도는 드론 동체 상단에 태양전지판을 고정 설치한 드론의 이미지도이다.
제 3 도는 발전 효율이 높은 것으로 알려진 상용화된 박막 태양전지 셀의 특성도이다.
제 4 도는 접거나 말아서 사용하는 형태로 판매되는 태양전지판 제품의 이미지도이다.
제 5 도는 본 발명의 우측에는 접은 태양전지판을 동체에 부착한 모습과 좌측에는 태양전지판을 펼치도록 대기하는 모습을 나타내는 이미지도이다.
제 6 도는 본 발명의 좌측에는 태양전지판을 접은 모습과 우측에는 태양전지판을 펼친 모습을 나타내는 이미지도이다.
제 7 도는 본 발명의 드론에서 2개의 태양전지판을 동시에 펼치거나 접을 수 있는 제어 메카니즘의 구성도이다.
제 8 도는 본 발명의 드론에서 원격 혹은 자동으로 가변형 태양전지판을 펼치고 접는 혹은 마는 방식의 태양광발전장치 구성도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 무인기인 드론은 대체로 기상상태가 양호할 때 비행하는 만큼, 기상조건에 따라 100% 자체 소요 전기에너지 생산 능력을 갖는 친환경 드론의 개념을 제시한다. 즉, 기상 상태에 따라 원격으로 접고(혹은 말고) 펼칠 수 있는 가변식 태양전지판을 드론에 설치하여, 드론에서 필요로 하는 대부분의 전기에너지를 태양광발전으로 확보함으로써 전기 모터 프로펠러 구동현 드론의 취약점인 짧은 비행 시간을 획기적으로 증대시키고자 한다. 즉, 주요 업무를 수행하는 지역까지는 태양전지판을 접은 상태로 빠르게 이동하며, 임무 지역에 도착시 기상 상태가 양호할 경우 태양전지판을 펼쳐 태양광발전으로 드론에 필요한 전력을 생산하므로 주간에는 배터리 교체없이 수시간 이상도 비행할 수 있다는 장점이 있는데, 이하 첨부 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 1 도는 고정익 항공기 날개에 태양전지판을 설치하고 인공위성에서 태양전지판을 펼친 상태를 나타내는 이미지도이다. 넓은 면적을 갖는 글라이더형 항공기의 날개에 태양전지판을 설치하여 충분한 전기 에너지를 확보하여 대서양을 횡단한 사례도 발표되었다.인공위성에서는 궤도 진입후 태양전지판을 펼쳐 필요한 전기에너지를 확보하고 있다. 제 2 도는 드론 동체 상단에 태양전지판을 고정 설치한 드론의 이미지도이다. 드론 동체 상단에서 확보할 수 있는 태양광발전 면적이 크지 않으면서 상단에 고정된 태양전지판으로 유선형 설계가 불가능하여 풍압에 항시 노출되는 문제점이 발표되었다. 제 3 도는 발전 효율이 높은 것으로 알려진 상용화된 박막 태양전지 셀의 특성도이다. 최근 상용화된 Ga-As 계열의 박막형 태양전지판으로 28.8& 발전 효율, 단위면적당 발전 용량은 250W/㎡, 와트당 태양전지판 무게는 1g/W, 동작온도 -80℃ ~ 100℃ 성능을 제공한다. 제 4 도는 접거나 말아서 사용하는 형태로 판매되는 태양전지판 제품의 이미지도이다.박막 태양전지는 두께가 0.2㎜ 내외로 얇고 유연하기 때문에 접는 형태 혹은 원통형 케이스에 말아서 사용하는 형태로도 판매되고 있다. 원통형
제 5 도는 본 발명의 우측에는 접은 태양전지판을 동체에 부착한 모습과 좌측에는 태양전지판을 펼치도록 대기하는 모습을 나타내는 이미지도이다. 제 6 도는 본 발명의 좌측에는 태양전지판을 접은 모습과 우측에는 태양전지판을 펼친 모습을 나타내는 이미지도이다. 제 7 도는 본 발명의 드론에서 2개의 태양전지판을 동시에 펼치거나 접을 수 있는 제어 메카니즘의 구성도이다. 제 8 도는 본 발명의 드론에서 원격 혹은 자동으로 가변형 태양전지판을 펼치고 접는 혹은 마는 방식의 태양광발전장치 구성도이다.
배터리의 전기 에너지로 비행하는 비행 중인 드론에 전기 에너지를 공급할 수 있는 방법으로는 태양광발전 및 풍력발전하는 방법이 제시될 수 있다. 태양광발전은 대면적(일반적으로 1㎡ 이하)의 태양전지판이 필요하므로 풍압에 취약하여 바람이 없는 맑은 날에 유리하고, 풍력발전은 드론이 비행할 수 있는 수준의 바람이 불어오는 환경이 유리하다. 풍압에 취약한 드론에 적합한 가변형 태양광발전에 대하여 설명하면 다음과 같다. 비행 중인 드론에 전기 에너지를 추가로 공급하는 장치에 있어서, 태양전지판 펼침/접음 처리장치(25)에서는 지상국(혹은 조종장치)으로부터 발신되는 태양전지판 펼침/접음 원격제어 신호(21)에 대응하여, 태양전지판 펼침/접음 제어 액추에이터(23)와 기구적으로 연결된 태양전지판(24)을 펼치거나 접는(fold) 수단, 혹은, 태양전지판(24)을 펼치거나 마는(roll) 수단; 태양전지판 펼침/접음 제어 액추에이터(23)를 작동시켜, 펼친 태양전지판(24)에서 생산된 전력으로 배터리(27)를 충전하거나 드론에 전력을 공급하는 배터리 충전 및 전력공급회로(26)를 포함하여 구성한다. 이를 통하여 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론을 제공할 수 있다. 가변식 태양광발전장치는 태양전지판을 접이식으로 제작하여 접거나 펼치는 형태로 구성하거나, 혹은 줄자처럼 케이스 내부에 태양전지판을 토션 스프링(혹은 스파이럴 스프링)으로 말아서 보관하고 끝단을 당겨서 펼치는 형태로 구성할 수 있다. 이와 같이 드론에 가변식 태양전지판을 설치하는 큰 이유는 비행 상태 및 기상 조건에 따라 풍압을 피하기 위하여 태양전지판을 접거나 말도록 구성해야 하기 때문이다. 태양전지판을 원격으로 접거나(혹은 말음) 펼치는 것을 지상국 혹은 조종장치에서 원격으로 처리할 수 잇지만, 드론이 비행하는 지역의 기상 조건을 지상에서 알 수 없다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여, 바람속도 감지센서(22)를 설치하는 수단; 규정된 속도 이상의 바람이 감지될 경우 태양전지판 펼침/접음 처리장치(25)에서 태양전지판 펼침/접음 제어 액추에이터(23)를 동작시켜, 태양전지판(24)을 접거나, 혹은, 태양전지판(24)을 말도록 구성하는 수단; 태양전지판(24)에 작용하는 풍압에 의해 드론의 비행 상태가 불안정해지는 것을 차단하도록 구성할 수 있다. 태양전지판 펼침/접음 처리장치(25)에서는 교신하는 지상국 혹은 조종장치에, 태양전지판의 펼침 혹은 접음 상태를 알리는 수단; 및, 태양전지판이 펼쳐있을 경우 생산되는 전력량 및 배터리 충전량 데이터를 전달하는 수단을 포함하여 구성하여야 한다.
드론에 태양광발전장치를 설치하는데 있어서는 경량화가 매우 중요하다. 일반적으로 2개의 태양전지판을 설치할 경우 1개의 서보 기구로 펼치거나 접도록(혹은 말음) 구성할 수 있어야 한다. 박막 태양전지판의 와트당 1g으로 충분히 효율성을 확보할 수 있으므로 원격으로 태양전지판을 가변시키는 경량화 메카니즘이 필요하다. 드론에 태양전지판을 설치하는데 있어서, 프로펠러(4)가 설치된 전기모터(5), 전기모터(5)를 드론 몸체(6)에 고정하는 수단; 드론 몸체(6)에 필요한 개수만큼 태양전지판 지지대(7)를 설치하는 수단; 태양전지판 지지대(7)에 펼치거나 접는(fold) 형태, 혹은, 펼치거나 마는 (roll) 형태의 태양전지판을 설치하는 수단; 태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구(3)로 태양전지판 지지대(7)의 태양전지판을 펼치거나 접도록, 혹은, 펼치거나 말도록 가변시키도록 구성한다. 이 경우, 태양전지판을 펼치지 않았을 경우, 태양전지판에 작용하는 풍압을 최소화하기 위해 태양전지판을 안쪽으로 접은 모습(2)으로 비행하도록 구성할 수 있다. 태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구(3)에서, 태양전지판 지지대(7)의 접힌(fold) 태양전지판을 펼치거나, 혹은, 말은(roll) 태양전지판을 펼쳐서, 태양전지판 지지대(7) 상단에 태양전지판 펼친 모습(9)으로 동작하도록 구성한다. 태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구(10)는, 엑츄에이터(15)의 회전에 의하여, 좌측 태양전지판 구동 풀리 및 기어(16)와 좌측 태양전지판 이동벨트(16)를 통해 좌측 태양전지판(13)을 펼치거나 접는(혹은 말음) 수단; 및, 우측 태양전지판 구동 풀리 및 기어(19)와 우측 태양전지판 이동벨트(17)를 통해 우측 태양전지판(14)을 펼치거나 접는(혹은 말음) 수단으로 구성한다. 이 경우 접는 방식의 태양전지판 대신 마는 방식의 박막형 태양전지판을 적용할 수 있다. 박막형 태양전지판을 줄자(tape measure)처럼 말고 펼치는 방식은, 원통형 케이스 내부에 토션 스프링으로 박막형 태양전지판을 항시 말리는 방향으로 힘이 작용하도록 구성하는 수단; 태양전지판 끝단에 이동 벨트를 고정 설치하여, 이동벨트(16, 17)를 엑츄에이터(15)와 태양전지판 구동 풀리 및 기어(18, 19)로 잡아당겨서 박막형 태양전지판을 펼치거나 말도록 구성한다. 접은 태양전지판 혹은 케이스에 말려있는 태양전지판이 설치된 태양전지판 지지대를 드론 몸체에 고정하는 수단에서, 태양전지판 지지대 경사 각도를 변경하여 드론 몸체에 고정시키는 수단이 포함되어, 발전 효율을 높이기 위해 태양전지판을 기울이도록 구성할 수 있다. 드론이 추락하는 상태에서는, 지상국(혹은 조종장치)으로부터 발신되는 태양전지판 펼침 원격제어 신호에 대응하여, 태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구(3)에서 태양전지판을 펼쳐 대면적 태양전지판으로 인한 낙하산 효과로 드론 추락 속도를 감소시켜 보호하도록 구성할 수 있다.
태양광발전은 대면적(일반적으로 1㎡ 이하)의 태양전지판이 필요하므로 풍압에 취약하여 바람이 없는 맑은 날에 유리하고, 풍력발전은 드론이 비행할 수 있는 수준의 바람이 불어오는 환경이 유리하다. 풍력 발전으로 전기에너지를 드론에서 생산하는 방법은 다음과 같다. 드론 몸체(6) 하단 혹은 상단에, 풍력발전용 프로펠러와 발전기를 설치하는 수단; 풍력 발전기에서 생산된 전력으로 배터리를 충전하거나 드론에 전력을 공급하는 배터리 충전 및 전력공급회로(26)를 포함하여 구성한다. 이 경우 풍력 발전용 프로펠로와 발전기 축 회전으로 인하여 토오크가 발생하게 되어 드론이 회전하게 된다. 이를 상쇄하기 위하여 드론 각각의 로터 프로펠러 회전을 제어하여 토오크 방향에 따라 좌회전비행모드(yaw left), 우회전비행모드(yaw right)로 역으로 제어한다. 즉, 풍력 발전용 프로펠러의 회전에 의해 발생하는 토오크를, 드론 각각의 로터 회전수를 제어하여 상쇄시키도록 구성한다.
이상과 같이 드론의 비행 시간을 증대시키기 위해 가변식 태양광발전 및 풍력발전에 드론에 설치하는 방안을 제시하였다. 무인기인 드론은 대체로 기상상태가 양호할 때 비행하는 만큼, 기상조건에 따라 100% 자체 소요 전기에너지 생산 능력을 갖는 친환경 드론으로 비행시간의 획기적 증대시킬 수 있다. 즉, 기상 조건이 양호할 때만 태양전지판을 펼치고, 신속 이동시에는 태양전지판을 접거나 말도록 구성함으로써 드론의 이동성을 유지하면서 태양광발전으로 비행시간을 증대시키는 효과가 있다.
1 : 태양전지판 펼침 대기 모습 2 : 태양전지판 안쪽으로 접은 모습
3 : 태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구
4 : 프로펠러 5 : 전기모터
6 : 드론 몸체 7 : 태양전지판 지지대
8 : 태양전지판 펼침 대기 모습 9 : 태양전지판 펼친 모습
10 : 태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구
11 : 태양전지판 펼침 기구 12 : 태양전지판 접음 기구
13 : 좌측 태양전지판 14 : 우측 태양전지판
15 : 액츄에이터 16 : 좌측 태양전지판 이동벨트
17 : 우측 태양전지판 이동벨트
18 : 좌측 태양전지판 구동 풀리/기어
19 : 우측 태양전지판 구동 풀리/기어
21 : 태양전지판 펼침/제어 원격제어신호
22 : 바람속도 감지센서
23 : 태양전지판 펼침/접음 제어 액츄에이터
24 : 태양전지판 25 : 태양전지판 펼침/접음처리장치
26 : 배터리 충전 및 전력공급회로 27 : 배터리

Claims (12)

  1. 드론에 전기 에너지를 공급하는 장치에 있어서,
    태양전지판 펼침/접음 처리장치(25)에서는 지상국(혹은 조종장치)으로부터 발신되는 태양전지판 펼침/접음 원격제어 신호(21)에 대응하여,
    태양전지판 펼침/접음 제어 액추에이터(23)와 기구적으로 연결된 태양전지판(24)을 펼치거나 접는(fold) 수단, 혹은, 태양전지판(24)을 펼치거나 마는(roll) 수단;
    태양전지판 펼침/접음 제어 액추에이터(23)를 작동시켜
    펼친 태양전지판(24)에서 생산된 전력으로 배터리(27)를 충전하거나 드론에 전력을 공급하는 배터리 충전 및 전력공급회로(26)를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  2. 제 1 항에 있어서,
    바람속도 감지센서(22)를 설치하는 수단;
    규정된 속도 이상의 바람이 감지될 경우 태양전지판 펼침/접음 처리장치(25)에서 태양전지판 펼침/접음 제어 액추에이터(23)를 동작시켜
    태양전지판(24)을 접거나, 혹은, 태양전지판(24)을 말도록 구성하는 수단;
    태양전지판(24)에 작용하는 풍압에 의해 드론의 비행 상태가 불안정해지는 것을 차단함을 특징으로 하는 바람 세기에 대응하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  3. 제 1 항에 있어서,
    태양전지판 펼침/접음 처리장치(25)에서는 교신하는 지상국 혹은 조종장치에
    태양전지판의 펼침 혹은 접음 상태를 알리는 수단; 및
    태양전지판이 펼쳐있을 경우 생산되는 전력량 및 배터리 충전량 데이터를 전달하는 수단을 포함하여 구성함을 특징으로 하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  4. 드론에 태양전지판을 설치하는데 있어서,
    프로펠러(4)가 설치된 전기모터(5), 전기모터(5)를 드론 몸체(6)에 고정하는 수단;
    드론 몸체(6)에 필요한 개수만큼 태양전지판 지지대(7)를 설치하는 수단;
    태양전지판 지지대(7)에 펼치거나 접는(fold) 형태, 혹은, 펼치거나 마는 (roll) 형태의 태양전지판을 설치하는 수단;
    태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구(3)로 태양전지판 지지대(7)의
    태양전지판을 펼치거나 접도록, 혹은, 펼치거나 말도록 가변시키도록 구성함을 특징으로 하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  5. 제 4 항에 있어서,
    태양전지판을 펼치지 않았을 경우,
    태양전지판에 작용하는 풍압을 최소화하기 위해 태양전지판을 안쪽으로 접은 모습(2)으로 비행함을 특징으로 하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  6. 제 4 항에 있어서,
    태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구(3)에서
    태양전지판 지지대(7)의 접힌(fold) 태양전지판을 펼치거나, 혹은, 말은(roll) 태양전지판을 펼쳐서
    태양전지판 지지대(7) 상단에 태양전지판 펼친 모습(9)으로 동작하도록 구성함을 특징으로 하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  7. 제 4 항에 있어서,
    태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구(10)는
    엑츄에이터(15)의 회전에 의하여
    좌측 태양전지판 구동 풀리 및 기어(16)와 좌측 태양전지판 이동벨트(16)를 통해 좌측 태양전지판(13)을 펼치거나 접는(혹은 말음) 수단; 및
    우측 태양전지판 구동 풀리 및 기어(19)와 우측 태양전지판 이동벨트(17)를 통해 우측 태양전지판(14)을 펼치거나 접는(혹은 말음) 수단으로 구성함을 특징으로 하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  8. 제 4 항에 있어서,
    박막형 태양전지판을 줄자(tape measure)처럼 말고 펼치는 방식은
    케이스 내부에 토션 스프링으로 박막형 태양전지판을 항시 말리는 방향으로 힘이 작용하도록 구성하는 수단;
    태양전지판 끝단에 이동 벨트를 고정 설치하여
    이동벨트(16, 17)를 엑츄에이터(15)와 태양전지판 구동 풀리 및 기어(18, 19)로 잡아당겨서 박막형 태양전지판을 펼치거나 말도록 구성함을 특징으로 하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  9. 제 4 항에 있어서,
    접은 태양전지판 혹은 케이스에 말려있는 태양전지판이 설치된 태양전지판 지지대를 드론 몸체에 고정하는 수단에서,
    태양전지판 지지대 경사 각도를 변경하여 드론 몸체에 고정시키는 수단이 포함되어,
    발전 효율을 높이기 위해 태양전지판을 기울이도록 구성함을 특징으로 하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  10. 제 4 항에 있어서,
    드론이 추락하는 상태에서는
    지상국(혹은 조종장치)으로부터 발신되는 태양전지판 펼침 원격제어 신호에 대응하여,
    태양전지판 펼침/접음 제어 서보기구(3)에서 태양전지판을 펼쳐 대면적 태양전지판으로 인한 낙하산 효과로 드론 추락 속도를 감소시켜 보호함을 특징으로 하는 드론용 가변식 태양광발전장치 및 가변식 태양광발전장치를 설치한 드론
  11. 드론에 전기 에너지를 공급하는 장치에 있어서,
    드론 몸체(6) 하단 혹은 상단에
    풍력발전용 프로펠러와 발전기를 설치하는 수단;
    풍력 발전기에서 생산된 전력으로 배터리를 충전하거나 드론에 전력을 공급하는 배터리 충전 및 전력공급회로(26)를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 드론용 풍력 발전 장치 및 풍력 발전장치를 설치한 드론
  12. 제 11 항에 있어서,
    풍력 발전용 프로펠러의 회전에 의해 발생하는 토오크를
    드론 각각의 로터 회전수를 제어하여 상쇄시킴을 특징으로 하는 드론용 풍력 발전 장치 및 풍력 발전장치를 설치한 드론
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