KR20180057243A - 태양광 패널 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법 - Google Patents
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Abstract
기존의 고정 방식의 지지구조체 및 추적 방식 지지구조체(1축 및 2축)뿐만 아니라, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에 대해 태양광 발전량을 예측할 수 있으며, 또한, 태양광 발전량 예측시 역추적(Inverse Tracking) 알고리즘을 이용함으로써, 태양의 고도각 및 방위각이 변함에 따라 인접한 태양광 패널에 음영이 발생하는 것을 방지할 수 있는, 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체, 및 태양광 발전량 예측 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 태양광 패널 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 태양광 패널의 지지구조체에 있어서, 제1축(동-서 방향)으로는 매일 자동으로 태양을 추적하고, 제2축(남-북 방향)으로는 연중 제한된 횟수만큼 수동으로 지지구조체의 경사각을 변경하는 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법에 관한 것이다.
태양광 발전(Solar Photovoltatic Power Generation)은 태양전지(Solar Cell), 축전지 및 전력변환장치로 구성되며, 태양광이 P형과 N형 반도체를 접합시킨 태양전지에 조사되면, 태양광이 지니는 광에너지에 의해 정공과 전자가 발생되며, 이러한 정공과 전자의 이동에 의해 전위차가 발생되면서 전류가 흐르게 된다.
태양광 패널(또는 태양과 모듈)은 다수의 태양전지를 전후 및 횡 방향으로 직렬 또는 병렬 연결하여 결합한 형태로서, 태양전지 각각에서 생산된 전기가 모이게 되며, 결합된 태양전지의 수가 증가할수록 생산되는 전기의 양은 증가하게 된다. 최근에는 태양광 패널의 크기도 점차적으로 증가되고 있는 추세이며, 다수의 태양광 패널을 구비할 수 있도록 안전하게 지지하는 태양광 패널 지지구조체의 설계가 중요한 관심으로 대두되고 있다.
한편, 태양광에 의한 발전량은 태양광 패널을 지지하는 지지구조체의 형식에 따라 달라지며, 이러한 태양광 패널의 지지구조체 형식은 크게 고정 방식의 지지구조체(Fixed Array)와 추적 방식의 지지구조체(Tracking Array)로 구분될 수 있다.
구체적으로, 고정 방식의 지지구조체는 태양의 위치와 관계없이 태양광 패널의 방향이 고정된 완전 고정 방식의 지지구조체, 및 남-북 방향으로 사전에 정해져 있는 횟수만을 인력에 의해 태양광 패널의 방향을 변경할 수 있는 수동가변 방식의 지지구조체(Semi-Fixed Array)(경사가변 방식의 지지구조체라고도 함)로 구분될 수 있다. 여기서, 상기 수동가변 방식의 지지구조체는 경사각을 계절 또는 월별로 남-북 방향으로 상하 위치를 변경시킬 수 있고, 이때, 경사각은 설치 지역의 위도와 시간에 따라 달라지며, 통상적으로 계절별로 경사각을 조정하여 사용한다.
또한, 추적 방식의 지지구조체는 동-서 방향 또는 남-북 방향 중에서 어느 하나의 방향만을 추적하는 1축(단방향)-추적 방식의 지지구조체와 두 개의 방향을 동시에 추적하는 2축(양방향)-추적 방식의 지지구조체로 구분될 수 있다.
예를 들면, 전술한 고정 방식의 지지구조체로서, 대한민국 등록특허번호 제10-928435호에는 "태양광 모듈 고정형 거치대"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 기술에 따른 태양광 패널의 고정 방식의 지지구조체를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1a는 태양광 패널의 고정 방식의 지지구조체인 태양광 모듈 거치대의 사용 상태를 나타낸 측면도이고, 도 1b는 태양광 모듈 거치대의 사용 상태를 나타낸 평면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 기술에 따른 태양광 패널의 고정 방식의 지지구조체인 태양광 모듈 고정형 거치대(10)는, 소정의 길이를 가지는 다수의 수평바(13) 및 수직바(14); 상기 수평바(13)와 수직바(14)의 상부에 장착되고 그 상부에 태양광 모듈(12)이 설치되는 다수의 경사바(15); 상기 수평바(13)와 수직바(14)의 하부에 장착되고, 볼트(30)를 관통시켜 지면 또는 콘크리트 바닥면(19)에 고정 결합되고, 저면에 고정브라켓(21)이 형성되는 고정프레임(18); 상기 수평바(13)와 수직바(14)의 교차공간에 장착되는 연결브라켓(16); 및 상기 경사바(50)의 상부에 장착되고 태양광 모듈(12)을 지지 및 거치하는 모듈브라켓(17)으로 구성된다.
종래의 기술에 따른 태양광 패널의 고정 방식의 지지구조체인 태양광 모듈 고정형 거치대(10)는, 태양광 모듈을 거치하는 다수의 수평바와 수직바 사이에 알파벳 'T'자 형상의 연결브라켓을 장착하여 원하는 길이만큼 수평바와 수직바의 길이를 조절하면서 고정할 수 있을 뿐만 아니라 경사바에는 덮개부가 상, 하 돌출 형성되고, 결합부가 하부를 향해 함몰 형성되는 모듈브라켓을 장착하여 상부에 장착되는 다수의 태양광 모듈의 구획 및 지지할 수 있다.
종래의 기술에 따른 고정 방식의 지지구조체는 태양을 추적하기 위한 구동장치가 필요하지 않기 때문에 상기 추적 방식의 지지구조체와 비교하면 설치 및 유지관리 비용이 적게 발생하는 장점이 있지만, 태양광 패널이 완전 고정되어 있으므로 태양광 발전량이 추적 방식의 지지구조체와 비교하면 상대적으로 작다는 단점이 있다.
따라서 이러한 고정 방식의 지지구조체는 설치면적에 제한을 받지 않는 넓은 지역에 다수의 태양광 패널을 설치하여 전력을 생산하는데 유리한 장점이 있지만, 태양광 패널이 완전 고정되어 있으므로 필요한 발전량을 얻기 위해서는 상기 추적 방식의 지지구조체와 비교하면 상대적으로 많은 태양광 패널이 필요하다는 단점이 있다.
또한, 전술한 추적 방식의 지지구조체로서, 대한민국 등록특허번호 제10-941459호에는 "양축식 태양광 추적시스템의 회전장치 및 그 구동 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 종래의 기술에 따른 태양광 패널의 2축-추적 방식의 지지구조체를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2a는 양축식 태양광 추적시스템의 정면도이고, 도 2b는 양축식 태양광 추적시스템의 요부 측면도이다.
도 2a를 참조하면, 종래의 기술에 따른 태양광 패널의 2축-추적 방식의 지지구조체가 적용되는 양축식 태양광 추적시스템은, 태양전지를 지지하기 위한 태양광 발전모듈 지지장치(40); 상기 태양광 발전모듈 지지장치를 움직이게 하여 태양전지의 방위각을 변화시키는 회전장치(50); 양축식 태양광 추적시스템이 강풍에 효과적으로 견딜 수 있도록 상기 태양광 발전모듈 지지장치(40)를 구조적으로 보강하기 위한 수동적인 안전모듈(60); 기준 풍속 이상일 때 작동하여 상기 태양광 발전모듈 지지장치(40)를 소정의 위치에 고정하도록 능동적으로 자동 작동되는 능동적 안전모듈(70; 및 풍속 및 일사량 등과 같은 운전요건을 확인하여 상기 능동적 안전모듈(70)을 제어함과 동시에 태양전지의 고도각과 방위각을 정밀오차 범위 내에서 제어하기 위한 전자제어장치(80)를 포함한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 기술에 따른 2축-추적 방식의 지지구조체인 태양광 발전모듈 지지장치(40)는, 지면 또는 콘크리트 블록 상에 수직하게 고정된 제1 기둥부재(41); 상기 제1 기둥부재(41) 상부에 길게 배치되는 주 지지보(42); 및 상기 주 지지보(42)에 대해 직각으로 나란히 배치되어 태양광 발전모듈이 설치되는 복수의 모듈지지부재를 포함하여 구성된다. 여기서, 도 2b에 도시된 미설명 도면부호 61은 제2 기둥부재를 나타내며, 미설명 도면부호 71은 액추에이터를 나타내고, 미설명 도면부호 73은 제1 탄성부재를 나타내며, 미설명 도면부호 74는 제2 탄성부재를 각각 나타낸다.
종래의 기술에 따른 1축 또는 2축 추적 방식의 지지구조체는 태양광 패널이 태양을 추적하므로 전술한 도 1a 및 도 1b에 도시된 고정 방식의 지지구조체와 비교하면 발전량이 크다는 장점이 있지만, 태양을 추적하기 위해 추가적으로 구동장치가 설치되어야 하고, 이에 따라 구동장치의 설치 및 유지관리 비용이 상대적으로 크게 발생할 수 있다는 단점이 있다.
따라서 종래의 기술에 따른 1축 또는 2축 추적 방식의 지지구조체는 설치 면적에 제한을 받는 좁은 지역에도 태양광 패널을 설치할 수 있다는 장점이 있지만, 태양광 패널의 설치 개수가 많아질수록 설치 및 유지관리에 소요되는 비용이 크게 발생한다는 단점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는,
기존의 고정 방식의 지지구조체 및 추적 방식 지지구조체(1축 및 2축)뿐만 아니라, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에 대해 태양광 발전량을 예측할 수 있는, 태양광 패널의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 태양광 발전량 예측시 역추적(Inverse Tracking) 알고리즘을 이용함으로써, 태양의 고도각 및 방위각이 변함에 따라 인접한 태양광 패널에 음영이 발생하는 것을 방지할 수 있는, 태양광 패널의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 태양광 패널의 지지구조체로서, 제1축(동-서 방향)으로는 매일 자동으로 태양을 추적하고, 제2축(남-북 방향)으로는 연중 제한된 횟수만큼 수동으로 지지구조체의 경사각을 변경할 수 있는, 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서,
본 발명에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법은, 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법에 있어서, a) 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 위도, 경도, 태양광 패널의 크기, 패널간 거리, 패널 경사각, 수평면 평균 직달일사량 및 수평면 평균일사량을 각각 결정하는 단계; b) 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 적위, 시간각, 일출 및 일몰 시간, 일출 및 일몰 시간각을 각각 결정하는 단계; c) 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 대기권 밖의 수평면 일사량, 수평면 전일사량, 수평면 산란일사량 및 수평면 직달일사량을 각각 결정하는 단계; d) 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 상기 결정된 위도, 시간각 및 태양과 지구 사이의 적위에 의해 태양의 고도각 및 방위각을 각각 결정하는 단계; e) 태양광 패널의 지지구조체 형식을 확인하고, 상기 지지구조체에 대해 태양이 태양광 패널과 이루는 각도를 결정하는 단계; f) 상기 태양이 태양광 패널과 이루는 각도에 따라 태양광 패널의 직달일사량, 산란일사량 및 반사일사량을 각각 결정하는 단계; 및 g) 상기 태양광 패널의 지지구조체 형식별로 상기 태양광 패널의 직달일사량, 산란일사량 및 반사일사량의 합으로 주어지는 태양광 패널의 전일사량을 각각 산출하고, 태양광 발전량을 예측하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 태양광 패널의 지지구조체 형식은 고정 방식의 지지구조체, 추적 방식의 지지구조체, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 태양광 패널의 지지구조체가 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체인 경우, 상기 e) 단계의 태양광 패널의 방향 결정시, 역추적 알고리즘을 이용하여 태양의 고도각 및 방위각이 변함에 따라 인접한 태양광 패널에 음영이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 상기 f) 단계에서 태양광 패널의 산란일사량(
)은 등방성(Isotropic) 모델, HDKR 모델 또는 Perez 모델에 따라 결정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1축(동-서 방향)으로는 매일 자동으로 태양을 추적하고, 제2축(남-북 방향)으로는 연중 제한된 횟수만큼 수동으로 지지구조체의 경사각을 변경하는 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 형성함으로써, 기존의 고정 방식의 지지구조체와 비교하면 발전량이 우수하고, 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체와 비교하면 설치 및 유지관리 비용이 적게 소요될 수 있다. 즉, 기존의 고정 방식의 지지구조체와 비교하면 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 제2축(남-북 방향)으로 구동장치가 필요하지 않기 때문에 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체와 비교하면 설치비 및 유지관리비를 절감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 모듈형으로 개발함으로써 태양광 패널 지지구조체의 설치 위치에 관계없이 설치 및 유지보수가 용이해진다.
본 발명에 따르면, 기존의 고정 방식의 지지구조체 및 추적 방식 지지구조체(1축 및 2축)뿐만 아니라, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에 대해 태양광 발전량을 예측할 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양광 발전량 예측시 역추적(Inverse Tracking) 알고리즘을 이용함으로써, 태양의 고도각 및 방위각이 변함에 따라 인접한 태양광 패널에 음영이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양광 발전량 예측 방법을 이용하여 태양광 패널이 설치되는 위치의 태양광 발전량을 정확하게 예측할 수 있으므로 태양광 패널을 효율적으로 설치할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 기술에 따른 태양광 패널의 고정 방식의 지지구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 종래의 기술에 따른 태양광 패널의 2축-추적 방식의 지지구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체가 설치된 정면 및 배면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체의 측면도, 정면도 및 배면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체의 제1축-추적 방식의 동작을 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법의 동작흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에서 태양광 패널의 방향벡터를 산출하는 것을 예시하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 각각 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법에 의해 예측되는 4가지 지지구조체 형식에 대한 일사량을 나타내는 도면들이다.
도 10a 내지 도 10c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법에 의해 예측되는 4가지의 지지구조체 형식에 대한 산란일사량 모델별 연간 전일사량 예측값을 나타내는 도면들이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 종래의 기술에 따른 태양광 패널의 2축-추적 방식의 지지구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체가 설치된 정면 및 배면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체의 측면도, 정면도 및 배면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체의 제1축-추적 방식의 동작을 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법의 동작흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에서 태양광 패널의 방향벡터를 산출하는 것을 예시하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 각각 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법에 의해 예측되는 4가지 지지구조체 형식에 대한 일사량을 나타내는 도면들이다.
도 10a 내지 도 10c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법에 의해 예측되는 4가지의 지지구조체 형식에 대한 산란일사량 모델별 연간 전일사량 예측값을 나타내는 도면들이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)]
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체가 설치된 정면 및 배면 사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체의 측면도, 정면도 및 배면도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체의 제1축-추적 방식의 동작을 예시하는 도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)는, 태양광 어레이(Solar Array: 110), 태양광 패널(Solar Panel: 120), 구동장치(Actuator: 130), 태양광 패널-구동장치 연결부재(140), 패널 회전축(Panel Rotation Axis: 150), 태양광 어레이 지지대(Solar Array Support: 160) 및 남-북 방향 수동가변 고정장치(South-North Direction Manually Variable Fixing Apparatus)(170)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)는 기존의 고정 방식의 지지구조체와 기존의 추적 방식의 지지구조체의 장점을 살리고 단점을 최소화할 수 있는 태양광 패널 지지구조체로서, 제1축(동-서 방향)으로는 매일 자동으로 태양을 추적하고, 제2축(남-북 방향)으로는 연중 제한된 횟수만 수동으로 지지구조체의 경사각을 변경하는 방식이다.
특히, 기존의 수동가변 방식의 지지구조체(Semi-Fixed Array)가 경사각을 계절 또는 월별로 남-북 방향으로 상하 위치를 변경시킬 수 있는데 반해서, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)는 제1축(동-서 방향)으로는 매일 자동으로 태양을 추적하고, 제2축(남-북 방향)으로는 연중 제한된 횟수만 수동으로 지지구조체의 경사각을 변경하는 방식이다. 즉, 기존의 수동가변 방식의 지지구조체(Semi-Fixed Array)의 경우, 태양광 패널이 제1축(동-서 방향)으로 고정되어 있기 때문에 태양광 패널 각각을 제1축(동-서 방향)으로 이동시켜 추적할 수 없다는 특징이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)의 태양광 발전량을 예측하기 위해서 임의의 각도로 기울어진 제2축(남-북 방향)을 중심으로 제1축(동-서 방향)으로 회전하는 태양광 패널(120)에 대한 최적 방향을 결정할 수 있어야 한다. 여기서, 태양광에 의한 발전량은 태양광 패널(120)의 일사량에 의해 결정되므로, 최대 발전량을 예측하기 위해서는 일사량이 최대가 되도록 태양광 패널(120)의 방향을 적절히 결정해주어야 한다.
태양광 어레이(110)는 소정의 경사각으로 설치되는 외곽 프레임으로서, 다수의 태양광 패널(120)이 내부에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 태양광 어레이(110)는, 도시된 바와 같이, 16개의 태양광 패널(120)이 설치될 수 있는 프레임일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
태양광 패널(120)은 다수의 태양전지(도시되지 않음)를 전후 및 횡 방향으로 직렬 또는 병렬 연결하여 결합한 형태로서, 도 6의 b) 및 c)에 도시된 바와 같이, 매일 자동으로 태양을 추적할 수 있도록 동-서 방향(제1축)으로 이동(Axial Movement)하고, 또한, 수동으로 지지구조체의 경사각을 변경할 수 있도록 남-북 방향(제2축)으로 연중 제한된 횟수만 상하로 이동한다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 16개의 태양광 패널(120)이 설치될 수 있는데, 이러한 태양광 패널(120)의 개수는 설치되는 위치에 따라 면적대비 발전 효율을 극대화시킬 수 있도록 가변적으로 선택할 수 있다.
구동장치(130)는 상기 태양광 패널(120)이 자동으로 태양을 추적할 수 있도록 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)를 구동하며, 상기 구동장치(130)가 구동되면, 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)에 연결된 태양광 패널(120)이 동-서 방향(제1축)으로 이동하여 자동으로 태양을 추적할 수 있다.
태양광 패널-구동장치 연결부재(140)는 상기 태양광 어레이(110)의 하부에 동-서 방향(제1축)으로 설치되어, 상기 태양광 패널(120)이 동-서 방향(제1축)으로 이동할 수 있도록 상기 태양광 패널(120) 및 구동장치(130)를 연결한다. 예를 들면, 상기 구동장치(130)에 의해 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)가 회전하게 되고, 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)가 회전하게 되면, 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)에 체결된 패널 회전축(150)이 회전하게 되며, 이에 따라 상기 태양광 패널(120)은, 도 6의 b) 및 c)에 도시된 바와 같이 동-서 방향(제1축)으로 이동하여 자동으로 태양을 추적할 수 있다.
패널 회전축(150)은 일측이 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)에 연결되고, 타측이 상기 태양광 어레이(110)에 회동 가능하도록 연결되고, 이때, 상기 패널 회전축(150)의 상부에 각각 태양광 패널(120)이 적어도 하나 이상 설치된다.
태양광 어레이 지지대(160)는 상기 태양광 어레이(110)의 내측에 적어도 하나 이상 체결되어 상기 태양광 어레이(110)를 지지한다.
남-북 방향 수동가변 고정장치(170)는 상기 태양광 어레이 지지대(160)와 체결되어 연중 제한된 횟수만 수동으로 조작되고, 상기 태양광 패널(120)이 수동으로 경사각을 변경할 수 있도록 상기 태양광 어레이(110)의 경사각을 남-북 방향(제2축)으로 변경한다. 예를 들면, 상기 남-북 방향 수동가변 고정장치(170)는 상기 태양광 어레이(110)의 경사각을 계절별 또는 월별로 남-북 방향으로 변경하는 역할을 한다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)는 동-서 방향(제1축)으로는 매일 자동으로 태양을 추적하고, 남-북 방향(제2축)으로는 계절별 또는 월별로 연중 제한된 횟수만 수동으로 지지구조체의 경사각을 변경하는 방식이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)는, 전술한 도 1a 및 도 1b에 도시된 기존의 고정 방식의 지지구조체와 비교하면 발전량이 우수하고, 또한, 전술한 도 2a 및 도 2b에 도시된 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체와 비교하면 설치 및 유지관리 비용이 적게 소요될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)는 기존의 고정 방식의 지지구조체와 비교하면 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 또한, 남-북 방향(제2축)으로 구동장치가 필요하지 않으므로 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체와 비교하면 설치비 및 유지관리비를 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)는 설치 위치에 관계없이 설치 및 유지보수가 용이하도록 모듈형으로 형성된다.
도 4의 a)는 상기 태양광 어레이(110)가 소정의 경사각으로 설치된 것을 나타내는 정면 사시도이고, 도 4의 b)는 상기 태양광 어레이(110)의 경사각을 계절별 또는 월별로 남-북 방향으로 변경하는 남-북 방향 수동가변 고정장치(170)가 상기 태양광 어레이(110)의 후면에 설치된 것을 나타내는 측면 사시도이다. 또한, 도 5의 a)는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)가 소정의 경사를 갖도록 설치된 것을 나타내는 측면도이고, 도 5의 b)는 정면도이며, 도 5의 c)는 배면도이다. 또한, 도 6의 a)는 액추에이터(130)를 구동하기 이전 상태를 나타내며, 도 6의 b)는 액추에이터(130)를 구동하여 태양광 패널(120)의 자동으로 우측의 태양을 추적하는 것을 나타내고, 도 6의 c)는 액추에이터(130)를 구동하여 태양광 패널(120)의 자동으로 좌측의 태양을 추적하는 것을 나타낸다.
도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)는, 액추에이터(130)를 구동하면, 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)에 연결된 상기 패널 회전축(150)이 회전하게 되고, 이에 따라 상기 태양광 패널(120)이 동-서 방향(제1축)으로 이동할 수 있게 되며, 또한, 상기 남-북 방향 수동가변 고정장치(170)에 의해 상기 태양광 어레이(110)의 경사각을 계절별 또는 월별로 남-북 방향으로 변경할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1축(동-서 방향)으로는 매일 자동으로 태양을 추적하고, 제2축(남-북 방향)으로는 연중 제한된 횟수만큼 수동으로 지지구조체의 경사각을 변경하는 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 형성함으로써, 기존의 고정 방식의 지지구조체와 비교하면 발전량이 우수하고, 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체와 비교하면 설치 및 유지관리 비용이 적게 소요될 수 있다.
즉, 기존의 고정 방식의 지지구조체와 비교하면 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 제2축(남-북 방향)으로 구동장치가 필요하지 않으므로 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체와 비교하면 설치비 및 유지관리비를 절감시킬 수 있다. 또한, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 모듈형으로 개발함으로써 태양광 패널 지지구조체의 설치 위치에 관계없이 설치 및 유지보수가 용이해진다.
[태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법]
이하, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100)의 태양광 발전 효율을 예측하도록 태양광 발전량 예측 방법을 설명하기로 한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전량 예측 방법은, 태양광 패널의 지지구조체 형식별로 전술한 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체(100) 이외에도 기존의 고정 방식의 지지구조체, 1축(단방향) 또는 2축(양방향) 추적 방식의 지지구조체에도 적용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법의 동작흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법은, 먼저, 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 위도(
), 경도, 태양광 패널의 크기, 패널간 거리, 패널 경사각, 수평면 평균 직달일사량 및 수평면 평균일사량을 각각 결정한다(S110).
다음으로, 상기 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 적위(Declination: 
), 시간각(
), 일출 및 일몰 시간, 일출 및 일몰 시간각을 각각 결정한다(S120).
다음으로, 상기 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 대기권 밖의 수평면 일사량, 수평면 전일사량, 수평면 산란일사량 및 수평면 직달일사량을 각각 결정한다(S130).
다음으로, 상기 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 상기 결정된 위도(
), 시간각(
) 및 태양과 지구 사이의 적위(Declination: 
)에 의해 태양의 고도각(
)과 방위각(
)을 각각 결정한다(S140).
다음으로, 상기 태양광 패널의 지지구조체 형식을 확인한다(S150). 즉, 상기 태양광 패널의 지지구조체가 고정 방식의 지지구조체, 1축 또는 2축 추적 방식의 지지구조체, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체인지 여부를 확인한다.
다음으로, 상기 태양광 패널의 지지구조체가 고정 방식의 지지구조체인 경우, 태양이 태양광 패널과 이루는 각도를 결정하거나(S160a), 또는, 상기 태양광 패널의 지지구조체가 추적 방식의 지지구조체인 경우, 태양이 태양광 패널과 이루는 각도를 결정하거나(S160b), 또는, 상기 태양광 패널의 지지구조체가 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체인 경우, 태양이 태양광 패널과 이루는 각도를 결정한다(S160c).
다음으로, 상기 태양이 태양광 패널과 이루는 각도에 따라 태양광 패널의 직달일사량, 산란일사량 및 반사일사량을 각각 결정한다(S170).
다음으로, 상기 지지구조체 형식별로 상기 태양광 패널의 직달일사량, 산란일사량 및 반사일사량을 결정의 합으로 결정되는 태양광 패널의 전일사량을 산출하고, 이에 따른 태양광 발전량을 예측한다(S180).
본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 고정 방식의 지지구조체 및 추적 방식 지지구조체(1축 및 2축)뿐만 아니라, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에 대해 태양광 발전량을 예측할 수 있는데, 각각에 대해 후술하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전량 예측 방법을 이용하여 태양광 패널의 방향을 결정하면, 태양광 패널에 음영이 발생하지 않으므로 최대 발전량을 정확하게 예측할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 태양광 발전량 예측 방법을 이용하여 태양광 패널의 방향을 결정할 경우, 역추적(Inverse Tracking) 알고리즘을 이용함으로써 태양의 고도각 및 방위각이 변함에 따라 인접한 태양광 패널에 음영이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 최대 발전량을 정확하게 예측할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 태양광 발전량 예측 방법을 이용하여 태양광 패널이 설치되는 위치의 태양광 발전량을 정확하게 예측할 수 있으므로 태양광 패널을 효율적으로 설치할 수 있다.
일반적으로, 태양광 발전량 예측을 위해 태양광 패널의 방향을 결정하는 방법은, 크게 프로그램(Program) 방식과 센서(Sensor) 방식으로 구분할 수 있다.
이러한 프로그램 방식은 태양광 패널의 직달일사량(Beam Radiation)이 최대가 되도록 태양광 패널의 방향을 결정하는 방식이다. 또한, 상기 센서 방식은 태양광 패널의 전일사량(Global Radiation)이 최대가 되도록 태양광 패널의 방향을 결정하는 방식으로서, 이러한 센서 방식은 직달일사량(Beam Radiation) 또는 산란일사량(Diffuse Radiation)의 크기에 따라 결정될 수 있는데, 일반적으로 산란일사량이 직달일사량보다 매우 큰 지역에서 센서 방식이 프로그램 방식보다 유리할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전량 예측 방법의 경우, 태양광 패널의 전일사량(Global Radiation)이 최대가 되도록 태양광 패널의 방향을 결정하게 된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전량 예측 방법에서, 태양광에 의한 발전량은 태양광 패널의 전일사량(Global Radiation)에 의해 결정되므로, 최대 발전량을 예측하기 위해서는 전일사량이 최대가 되도록 태양광 패널의 방향을 적절히 결정해주어야 하며, 이러한 태양광 패널의 전일사량은 후술하는 바와 같이 결정할 수 있다. 여기서, 상기 태양광 패널은 전술한 기존의 고정 방식 지지구조체, 기존의 추적 방식의 지지구조체 및 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에 모두 적용될 수 있다.
구체적으로, 태양광 패널의 전일사량(
)은 다음의 수학식 1과 같이 태양광 패널의 직달일사량(
), 태양광 패널의 산란일사량(
) 및 태양광 패널의 반사일사량(
)의 합으로 결정되며, 또한, 상기 태양광 패널의 전일사량(
)은 수평면에서의 직달일사량(
)과 수평면에서의 산란일사량(
)의 조합으로 결정될 수 있다.
여기서, 
는 태양광 패널의 직달일사량을 나타내고, 
는 태양광 패널의 산란일사량을 나타내며, 
는 태양광 패널의 반사일사량을 나타낸다.
구체적으로, 상기 태양광 패널의 직달일사량(
)는 다음의 수학식 2와 같이 결정된다.
여기서, 
는 수평면 직달일사량을 나타내고, 
는 기하학적 계수를 나타낸다.
또한, 상기 태양광 패널의 산란일사량(
)은 Isotropic 모델, HDKR 모델 및 Perez 모델에 따라 각각 다음의 수학식 3과 같이 다양하게 결정될 수 있다.
여기서, 
는 수평면 산란일사량을 나타내고, 
는 태양광 패널의 수평면과의 기울기를 나타내며, 
는 비등방성 지수를 나타내고, 
는 HDKR 모델에서의 조절인자를 나타내며, 
는 Perez 모델에서의 밝기 계수를 나타내며, 
및 
는 각각 태양과 경사면의 입사각을 고려한 계수를 나타내고, 
및 
는 각각 천공의 상태를 나타내는 변수를 나타낸다.
구체적으로, 등방성(Isotropic) 모델은 일사량을 예측하는 가장 간단한 방법으로 가장 널리 사용되고 있다. 이때, 직달성분은 수평면 직달성분을 이용하여 경사면에 대한 입사각을 고려하여 계산하게 되며, 천공확산 성분의 경우, 천구를 균일한 돔(Dome)으로 가정하여 경사면의 각도에 따른 뷰팩터(View Factor)만큼의 산란일사량이 유입되는 것으로 계산한다.
또한, HDKR 모델은 비등방성(Anisotropic) 산란일사량 모델로서, 전술한 등방성(Isotropic) 모델을 기본으로 태양 주위의 밝기(Circumsolar Brightening)와 지표면 주위의 밝기(Horizon Brightening)를 고려한 방법이다.
또한, Perez 모델은 전술한 모델들에 비해 태양 주위의 밝기와 지표면 주위의 밝기에 대한 영향을 보다 적극적으로 고려하고 있다. 이때, 경험적으로 만든 계수인 
및 
, 그리고 태양과 경사면의 입사각을 고려한 계수인 
및 
를 제시하여 산란일사량을 정확하게 예측할 수 있다. 여기서, 
및 
는 각각 천공의 상태를 나타내는 변수로서, 천정각, 천공비, 및 밝기 계수로부터 계산된 태양 주변 산란일사계수 및 수평 산란일사계수를 각각 나타낸다.
또한, 상기 태양광 패널의 반사일사량(
)은 다음의 수학식 4와 같이 결정된다.
여기서, 
는 수평면 전일사량을 나타내고, 
는 반사율을 나타내며, 
는 태양광 패널과 수평면 사이의 각을 각각 나타낸다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에서 태양광 패널의 방향벡터를 산출하는 것을 예시하는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 태양의 방향벡터(
)와 태양광 패널의 방향벡터(
)는 다음과 같이 결정할 수 있다.
구체적으로, 태양과 수평면이 이루는 고도각을 
라 하고, 정남방향과 이루는 방위각을 
라고 하면, 태양의 방향벡터(
)는 다음의 수학식 5와 같이 결정할 수 있다.
여기서, 태양의 고도각(
)과 방위각(
)는 태양광 패널이 설치되는 지역의 위도(
), 시간각(
) 및 태양과 지구 사이의 적위(Declination: 
)에 의해 결정된다. 구체적으로, 태양의 고도각(
)은 다음의 수학식 6과 같이 결정되고, 태양의 방위각(
)은 다음의 수학식 7과 같이 결정되며, 이때, 상기 시간각(
)은 다음의 수학식 8과 같이 결정될 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 태양광 패널의 방향벡터(
)와 천구의 천정(Zenith)이 이루는 각도로서, 태양광 패널의 수평면과의 기울기를 
라 하고, 정남방향과 이루는 방위각을 
라고 하면, 태양광 패널의 방향벡터(
)는 다음의 수학식 9와 같이 결정할 수 있다.
한편, 기존의 남-북 방향 1축-추적 방식의 지지구조체에 대한 태양광 패널의 최적 방향은 다음과 같이 결정할 수 있다.
구체적으로, 기존의 남-북 방향 1축-추적 방식의 지지구조체의 방향벡터(
)는 다음의 수학식 10과 같이 결정할 수 있다. 즉, 기존의 남-북 방향 1축-추적 방식의 지지구조체의 방향벡터(
)는 전술한 수학식 9에서 정남방향과 이루는 방위각(
)이 0이 되므로, 다음의 수학식 10과 같이 주어진다.
이때, 전술한 수학식 5에서 결정된 태양의 방향벡터(
)와 전술한 수학식 10에서 결정된 태양광 패널의 방향벡터(
)가 이루는 각이 최소가 되기 위해서, 상기 태양광 패널의 방향벡터(
)가 다음의 수학식 11에 의해 태양광 패널의 수평면과의 기울기(
)가 결정되어야 한다.
다음으로, 기존의 동-서 방향 1축-추적 방식의 지지구조체에 대한 태양광 패널의 최적 방향은 다음과 같이 결정할 수 있다.
구체적으로, 동-서 방향 1축-추적 방식의 지지구조체에서, 태양광 패널의 방향벡터(
)는 다음의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
또한, 태양의 방향벡터(
)와 태양광 패널의 방향벡터(
)가 이루는 각이 최소가 되기 위해서는 상기 태양광 패널의 방향벡터(
)가 다음의 수학식 13에 의해 태양광 패널의 수평면과의 기울기(
)가 결정되어야 한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에 대한 태양광 패널의 최적 방향은 다음과 같이 결정될 수 있다.
구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 태양광 패널의 중심축이 수평면과 
의 각도를 이루고, 동-서 방향(제1축)으로 추적하는 지지구조체에서 태양광 패널의 방향벡터(
)는 다음의 수학식 14와 수학식 15에 의해 결정되어야 한다.
여기서, 
은 태양광 패널의 방향벡터를 나타내고, 
은 태양의 방향벡터를 나타내며, 
는 태양광 패널의 기울기벡터를 나타내고, 
는 태양광 패널의 수평면과의 기울기를 나타내며, 
는 태양광 패널의 방위각을 나타내고, 
는 태양의 고도각을 나타내며, 
는 태양의 방위각을 나타내고, 
는 태양광 패널축의 지표면과의 기울기를 각각 나타낸다.
도 8에서 태양광 패널의 방향벡터(
)는 태양광 패널의 기울기벡터(
)에 수직하며 태양의 방향벡터(
)와 이루는 각도(
)가 최소가 되어야 하는 것을 알 수 있다. 따라서 전술한 수학식 14를 수학식 15에 대입한 후, 수학식 15의 값이 최소가 되도록 하는 태양광 패널의 방위각(
)을 산정하고, 이를 수학식 14에 대입하여 태양광 패널의 수평면과의 기울기(
)를 산정함으로써, 상기 태양광 패널의 방향벡터(
)를 결정할 수 있다.
다음으로, 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체에 대한 태양광 패널의 최적 방향은 다음과 같이 결정될 수 있다.
구체적으로, 2축-추적 방식의 태양광 패널의 방향벡터는 태양의 방향벡터와 동일해야 하므로 다음의 수학식 16과 수학식 17에 의해 태양광 패널의 수평면과의 기울기(
) 및 태양광 패널의 방위각(
)이 각각 결정되고, 이에 따라 태양광 패널의 방향벡터가 결정될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 일사량 예측 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체가 설치되는 위치와 가장 근접한 서울에서의 일사량을 분석한 결과, 수평면에서의 직달일사량과 산란일사량이 비슷한 크기로 측정되는 것을 확인하였다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 태양광 패널의 직달일사량이 최대가 되도록 태양광 패널의 방향을 결정하여 일사량을 예측하였으며, 이때, 태양광 패널의 산란일사량을 예측하기 위해 전술한 수학식 3으로 나타낸 바와 같이, Isotropic 모델, HDKR 모델 및 Perez 모델을 각각 적용하였다.
보다 구체적으로, 고정 방식의 지지구조체, 남-북 방향 추적 방식(1축)의 지지구조체, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체, 및 2축-추적 방식의 지지구조체의 4가지 지지구조체 형식별 일사량 예측 방법은 다음과 같다.
도 9a 내지 도 9d는 각각 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법에 의해 예측되는 4가지 지지구조체 형식에 대한 일사량을 나타내는 도면들로서, 고정 방식의 지지구조체, 남-북 방향 추적 방식(1축)의 지지구조체, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체, 및 2축-추적 방식의 지지구조체로 구분하여 각각의 일사량을 예측하였다.
도 9a는 고정 방식의 지지구조체에 대한 일사량을 나타내고, 도 9b는 남-북 방향 추적 방식의 지지구조체에 대한 일사량을 나타내며, 도 9c는 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에 대한 일사량을 나타내고, 도 9d는 2축-추적 방식의 지지구조체에 대한 일사량을 나타낸다.
도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 4가지의 모든 지지구조체 형식에 대해 직달일사량 > 산란일사량 > 반사일사량의 크기 순서로 태양광 패널의 일사량이 예측되었으며, 또한, 산란일사량에 대해서는 Perez 모델 > HDKR 모델 > Isotropic 모델의 크기 순서로 일사량이 예측되었다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체에 대한 연간 일사량 예측 방법은 다음과 같다.
도 10a 내지 도 10c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법에 의해 예측되는 4가지의 지지구조체 형식에 대한 산란일사량 모델별 연간 전일사량 예측값을 나타내는 도면들이다.
도 10a는 Isotropic 모델에 따른 4가지의 지지구조체 형식에 대한 산란일사량 모델별 연간 전일사량 예측값을 나타내고, 도 10b는 HDKR 모델에 따른 4가지의 지지구조체 형식에 대한 산란일사량 모델별 연간 전일사량 예측값을 나타내며, 도 10c는 Perez 모델에 따른 4가지의 지지구조체 형식에 대한 산란일사량 모델별 연간 전일사량 예측값을 각각 나타낸다.
도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체는 기존의 고정 방식의 지지구조체와 비교하면 약 19~27%의 효율 향상이 예측되는 것을 확인할 수 있으며, 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체와 비교하면 약 2~3% 효율 차이만이 예측되는 것을 확인할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전량 예측 방법을 이용하여 분석한 결과에 따르면, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체의 경우, 기존의 고정 방식의 지지구조체와 비교하면 19% 이상의 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 또한, 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체와 비교하면 3% 이하의 효율 차이만이 발생하므로, 본 발명의 실시예에 따른 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체를 현장에 적용할 경우, 기존의 2축-추적 방식의 지지구조체와 비교하면 보다 작은 비용으로 유사한 수준의 태양광 발전 효율을 얻을 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체
110: 태양광 어레이(Solar Array)
120: 태양광 패널(Solar Panel)
130: 구동장치(Actuator)
140: 태양광 패널-구동장치 연결부재
150: 패널 회전축(Panel Rotation Axis)
160: 태양광 어레이 지지대(Solar Array Support)
170: 남-북 방향 수동가변 고정장치
110: 태양광 어레이(Solar Array)
120: 태양광 패널(Solar Panel)
130: 구동장치(Actuator)
140: 태양광 패널-구동장치 연결부재
150: 패널 회전축(Panel Rotation Axis)
160: 태양광 어레이 지지대(Solar Array Support)
170: 남-북 방향 수동가변 고정장치
Claims (9)
- 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법에 있어서,
a) 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 위도, 경도, 태양광 패널의 크기, 패널간 거리, 패널 경사각, 수평면 평균 직달일사량 및 수평면 평균일사량을 각각 결정하는 단계;
b) 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 적위(Declination), 시간각, 일출 및 일몰 시간, 일출 및 일몰 시간각을 각각 결정하는 단계;
c) 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 대기권 밖의 수평면 일사량, 수평면 전일사량, 수평면 산란일사량 및 수평면 직달일사량을 각각 결정하는 단계;
d) 태양광 패널의 지지구조체가 설치될 지역 및 위치에서 상기 결정된 위도, 시간각 및 태양과 지구 사이의 적위에 의해 태양의 고도각 및 방위각을 각각 결정하는 단계;
e) 태양광 패널의 지지구조체 형식을 확인하고, 상기 지지구조체에 대해 태양이 태양광 패널과 이루는 각도를 결정하는 단계;
f) 상기 태양이 태양광 패널과 이루는 각도에 따라 태양광 패널의 직달일사량, 산란일사량 및 반사일사량을 각각 결정하는 단계; 및
g) 상기 태양광 패널의 지지구조체 형식별로 상기 태양광 패널의 직달일사량, 산란일사량 및 반사일사량의 합으로 주어지는 태양광 패널의 전일사량을 각각 산출하고, 태양광 발전량을 예측하는 단계를 포함하는 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 상기 태양광 패널의 지지구조체는 고정 방식의 지지구조체, 추적 방식의 지지구조체, 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법. - 제2항에 있어서,
상기 태양광 패널의 지지구조체가 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체인 경우, 상기 e) 단계의 태양광 패널의 방향 결정시, 역추적(Inverse Tracking) 알고리즘을 이용하여 태양의 고도각 및 방위각이 변함에 따라 인접한 태양광 패널에 음영이 발생하는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법. - 제1항에 있어서,
상기 f) 단계에서 태양광 패널의 산란일사량()은 등방성(Isotropic) 모델, HDKR 모델 또는 Perez 모델에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 지지구조체 형식별 태양광 발전량 예측 방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 제1축-추적 및 제2축-수동가변 방식의 지지구조체인 (a)단계의 태양광 패널 지지체는
경사지게 설치되는 외곽 프레임으로서, 태양광 패널(120)이 내부에 배치되는 태양광 어레이(110);
태양광 발전을 위한 다수의 태양전지(Solar Cell)가 전후 및 횡 방향으로 직렬 또는 병렬 연결하여 결합한 형태로서, 상기 태양광 어레이(110) 내에 배치되는 적어도 하나 이상의 태양광 패널(120); 및
상기 태양광 패널(120)이 동-서 방향(제1축)으로 이동하여 자동으로 태양을 추적할 수 있도록 상기 태양광 패널(120)을 구동하는 구동장치(130);를 포함하는 태양광 패널의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법. - 제5항에 있어서,
상기 태양광 패널 지지체는
상기 태양광 어레이(110)의 하부에 동-서 방향(제1축)으로 설치되어, 상기 태양광 패널(120)이 동-서 방향(제1축)으로 이동할 수 있도록 상기 태양광 패널(120) 및 구동장치(130)를 연결하는 태양광 패널-구동장치 연결부재(140);
상부에 상기 태양광 패널(120)이 체결되고, 일측이 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)에 연결되고, 타측이 상기 태양광 어레이(110)에 회동 가능하도록 연결되는 패널 회전축(150);
상기 태양광 어레이(110)의 내측에 적어도 하나 이상 체결되어 상기 태양광 어레이(110)를 지지하는 태양광 어레이 지지대(160); 및
상기 태양광 어레이 지지대(160)와 체결되어 수동으로 조작되고, 상기 태양광 어레이(110)의 경사각을 남-북 방향(제2축)으로 변경하는 남-북 방향 수동가변 고정장치(170)를 더 포함하는 태양광 패널의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법. - 제6항에 있어서,
상기 구동장치(130)가 구동되면, 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)에 연결된 태양광 패널(120)이 동-서 방향(제1축)으로 이동하여 매일 자동으로 태양을 추적하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법. - 제 7항에 있어서,
상기 구동장치(130)에 의해 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)가 회전하게 되고, 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)가 회전하게 되면, 상기 태양광 패널-구동장치 연결부재(140)에 체결된 패널 회전축(150)이 회전하게 되며, 상기 패널 회전축(150) 상부에 적어도 하나 이상 체결된 태양광 패널(120)은 동-서 방향(제1축)으로 이동하여 매일 자동으로 태양을 추적하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법. - 제 6항에 있어서,
상기 남-북 방향 수동가변 고정장치(170)는 계절별 또는 월별로 수동으로 상기 태양광 어레이(110)의 경사각을 남-북 방향으로 변경하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널의 지지구조체를 이용한 태양광 발전량 예측 방법.
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