KR20190059134A - 태양추적 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 4개의 독립된 구성의 태양광 패널들; 각각의 상기 태양광 패널의 발전량을 측정하는 발전량 측정 모듈; 상기 발전량의 차이를 이용하여 태양의 위치를 추정하는 태양위치 추정 모듈; 및 상기 추정된 태양의 위치에 따라 상기 태양광 패널들의 위치를 제어하는 위치 제어 모듈을 포함하는, 태양추적 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 태양광 추적 장치는 광센서 없이 태양을 추적할 수 있다.

Description

태양추적 장치 및 방법{SOLAR TRACKER AND SUN TRACKING METHOD}
본 발명은 태양추적 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 발전 시스템에서 광센서 없이 태양을 추적하는 방법 및 이를 이용하는 태양을 추적하는 장치에 관한 것이다.
신재생에너지 분야의 발전으로 태양광 발전의 에너지 생산이 또한 전 세계적으로 크게 증가하고 있다. 이에 태양광 발전의 효율에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다. 태양광 발전 시스템의 효율 증가 방법에는, 예를 들면 패널의 효율 증가, 전력변환 장치의 효율 개선, 최대전력추종 알고리즘에 의한 효율 개선, 그리고 태양광 패널의 태양광 추적 등이 있다.
태양을 추적하는 방식은 크게 프로그램식과 감지식 추적법 두 가지로 분류될 수 있다. 프로그램식은 시간에 따른 태양의 위치를 계산하여 작동하는 방식이라면, 감지식은 태양광을 인식하여 추적하는 방식이다. 광 센서를 사용하여 동작하는 감지식 추적법의 경우 하나의 모듈 내의 여러 개의 광 센서 사이의 출력 값 차를 이용하여 추적기가 동작되고, 모듈 전체의 출력 값이 일정 이하일 경우 추적기의 동작은 정지하게 된다. 이러한 작동방식에서는 광 센서 모듈의 오염 또는 파손 등의 외부적 요인으로 인해 시스템의 오동작이 야기될 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 그룹형 프로트식 태양광 발전시스템의 도면이다.
도 1을 참조하면, 그룹 제어장치의 제어부는 프로그램 추적방식 또는 센서 추적방식 중 어느 하나로 태양을 추적하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래의 기술에 따라 광 센서를 사용하여 동작하는 감지식 추적 시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광 센서를 이용하지 않고, 하나의 시스템에서 패널 각각의 발전량 차이를 이용하여 태양을 추적하는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 광 센서가 제거된 프로토 타입은 기존 감지식 시스템과 동일하게 태양을 추적할 수 있음을 증명하였다.
등록특허공보 제10-1307574호(2013.09.04)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명이 해결하려는 과제는 광센서가 없는 태양추적 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 추가적으로 해결하려는 과제는, 광센서 대신에 발전량의 차이를 이용하여 태양을 추적하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 추가적으로 해결하려는 과제는, 태양의 위치에 관한 통계자료 없이도 현재의 발전량의 차이만을 이용하여 태양을 추적하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양추적 장치는, 적어도 4개의 독립된 구성의 태양광(photo voltaic, PV) 패널(panel)들; 각각의 상기 태양광 패널의 발전량을 측정하는 발전량 측정 모듈; 상기 발전량의 차이를 이용하여 태양의 위치를 추정하는 태양위치 추정 모듈; 및 상기 추정된 태양의 위치에 따라 상기 태양광 패널들의 위치를 제어하는 위치 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 태양광 패널들은, 2차원 좌표의 1사분면, 2사분면, 3사분면 및 4사분면 또는 상측, 하측, 좌측 및 우측에 각각 배치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 태양광 패널들 사이에 발전량의 차이를 크기하기 위해 태양의 위치에 따라 각각의 태양광 패널들 상에 서로 다른 그림자 분포를 생성시키는 셰이드 펜스(shade fence)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 태양광 패널들의 위치 제어에 따라, 상기 태양광 패널들의 위치를 이동시키는 모터 구동 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 발전량 측정 모듈은, 각각의 태양광 패널 또는 이들의 조합에 의한 태양광 패널들로부터 생산되는 전류 및/또는 전압의 크기를 측정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 태양광 패널들은, 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 태양위치 추정 모듈은, 측정된 전압 및/또는 전류의 크기를 이용하여 태양의 위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 위치 제어 모듈은, 추정된 태양의 위치를 이용하여 태양광 패널들이 태양을 향하도록 태양광 패널들의 위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양추적 방법은, 적어도 4개의 독립된 구성의 태양광(photo voltaic, PV) 패널(panel)들이 생산하는 전류들 또는 이들의 조합에 의한 제1 전류, 제2 전류, 제3 전류 및 제4 전류의 크기를 측정하는 단계; 상기 전류들의 합을 임계 값과 비교하는 단계; 및 상기 전류들의 합이 임계 값과 같거나 초과하는 경우 상기 전류들 중에서 제1 전류와 제2 전류의 크기를 비교하여 태양의 고도에 관련된 태양광 패널들의 위치를 제어하고, 상기 전류들 중에서 제3 전류와 제4 전류의 크기를 비교하여 태양의 방위각에 관련된 태양광 패널들의 위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 태양의 고도에 관련된 제어와 태양의 방위각에 관련된 제어는 동시에 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 태양광 추적 장치는 광센서 없이 태양을 추적할 수 있다.
또한, 태양광 추적 장치는 광센서 대신에 발전량의 차이를 이용하여 태양을 추적할 수 있다.
또한, 태양광 추적 장치는 태양의 위치에 관한 통계자료 없이도 현재의 발전량의 차이만을 이용하여 태양을 추적할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 그룹형 프로트식 태양광 발전시스템의 도면이다.
도 2는 태양전지의 다양한 조합을 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 패널들의 배치를 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 패널의 배치를 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 조합의 태양광 패널들을 나타내는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 셰이드 펜스를 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 형태의 셰이드 펜스를 나타내는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양추적 장치를 포함하는 태양광 발전 시스템의 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자 단말의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자 단말의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양추적 방법의 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양추적 장치에 의한 제어도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 태양광추적 방법 및 이를 이용하는 태양광추적 장치에 대한 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 패널에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 태양전지의 다양한 조합을 나타내는 예시도이다.
도 2를 참조하면, 셀(cell), 모듈(module), 스트링(string) 및 어레이(array)가 나타나 있다.
태양전지 셀은 태양전지의 기본 소자이다. 보통 실리콘 계열의 하나의 태양전지 셀은 약 0.5V 내지 0.6V의 전압과 4A 내지 8A의 전류를 생산한다.
태양전지 모듈(module)은 복수의 셀이 직렬로 연결된 형태로서 태양광 아래서 일정한 전압과 전류를 발생시키는 장치이다. 경우에 따라 모듈은 셀 간의 병렬 연결을 포함할 수 있다. 시제품으로 판매되는 태양전지는 보통 모듈 형태로 공장에서 생산된다.
태양전지 스트링(string)은 태양전지 모듈이 직렬로 연결된 장치이다.
태양전지 어레이(array)는 필요한 만큼의 전력을 얻기 위해서 한 장 또는 여러 장의 태양전지 모듈을 최상의 조건, 예를 들어 경사각 및 방위각을 고려하여 거치대를 설치하여 사용여건에 맞게 연결시켜 놓은 장치이다. 어레이는 시공에 따라 모듈 간의 직렬 및/또는 병렬이거나 스트링 간의 직렬 및/또는 병렬 연결을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 패널들의 배치를 나타내는 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광(photo voltaic, PV) 패널(panel)들이 배치되어 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 패널들(100)은 태양전지 셀, 태양전지 모듈, 태양전지 스트링 및 태양전지 어레이를 포함하는 개념이다. 도 3은 태양광 패널(100a)이 태양광 모듈인 경우를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 조합의 태양광 패널들을 나타내는 예시도이다.
도 4를 참조하면, 태양광 패널(100a)로서 태양전지 모듈의 직렬 및/또는 병렬 연결을 포함하는 태양광 어레이가 나타나 있다. 참고로 도 3 및 도 4에서 태양광 패널 사이의 간격은 서로를 구분하기 위한 것에 불과하다.
다시 도 3을 참조하면, 4개의 독립된 구성의 태양광 패널(100a 내지 100d)들이 배치되어 있다. 본 발명의 실시 예에 따라 X축 및 Y축으로 구성되는 2차원 좌표를 예를 들면, 4개의 태양광 패널들(100)은 1사분면, 2사분면, 3사분면 및 4사분면에 각각 행과 열을 맞추어 배치되어 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 패널의 배치를 나타내는 예시도이다.
도 5를 참조하면, 4개의 태양광 패널들(100)은 상, 하, 좌 및 우의 위치에 각각 배치될 수 있으며, 본 발명의 실시 예가 상기 예시에만 한정되는 것은 아니다. 도 5에서도 마찬가지로 패널들 사이의 간격은 다양한 크기로 조정될 수 있다.
도 3 내지 도 5에서, 태양광 패널들(100)이 배치되는 경우 무게중심점(0)이 형성되는 것이 특징이다. 태양광 패널(100a)의 위치 및 방향 제어의 목표는 상기 무게중심점에서의 법선 벡터가 태양 중심을 향하도록 하는 것을 포함할 수 있다. 이 경우 태양광 패널들(100)은 전체 균등한 양의 전력을 생산할 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 태양광 추적 장치(200)는 태양광 패널들(100)의 4분할 배치에 따라 다르게 출력되는 전류 값을 이용하여 태양광 패널들(100)의 제어 목표를 설정 및 실행할 수 있음이, 프로토 타입에 의한 실험에 의해 검증되었다. 다만 날씨 조건, 예를 들어, 구름의 양, 바람의 세기, 낙엽 등의 이물질로 인한 저해 요소를 극복하고 효과를 극대화화기 위해, 본 발명의 일 실시 예에서 태양광 패널(100a)은, 태양광 패널들 사이에 발전량의 차이를 크기하기 위해 태양의 위치에 따라 각각의 태양광 패널들 상에 서로 다른 그림자 분포를 생성시키는 셰이드 펜스(shade fence)를 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 셰이드 펜스를 나타내는 예시도이다.
도 6을 참조하면, 태양광 패널들(100) 사이에 4 개의 셰이드 펜스(shade fence)(110)가 배치되어 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 형태의 셰이드 펜스를 나타내는 예시도이다.
도 7을 참조하면, 도 6과 비교하여 길이가 연장된 셰이드 펜스(110)가 나타나 있다. 셰이드 펜스(110)는 그 형태를 불문하고, 태양광을 일부 차단하여 그림자를 생성시킬 수 있는 가로막의 역할을 한다. 그리고 셰이드 펜스(110)의 위치도 태양광 패널들(100) 사이 또는 태양광 패널의 바깥 테두리 또는 태양광 패널의 내부 등 다양하게 형성될 수 있으며, 상기 예시에만 한정되지 않는다.
세이드 펜스(110)는 기후 조건에 따른 태양광의 세기에 따라 태양광 패널 간의 발전량의 차이가 측정 가능한 범위를 나타내도록 하기 위함이다. 태양의 위치에 따라 서로 다른 위치에 배치된 셰이드 펜스(110)가 태양광 패널들(100) 상에 형성하는 그림자는 서로 다른 형태를 띤다. 따라서 태양광 패널들(100)이 생산하는 발전량은 서로 구별될 수 있는 범위에 놓일 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양추적 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 추적 장치를 포함하는 태양광 발전 시스템의 예시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템(1)은, 태양광 패널들(100), 2개의 구동 모터(111), 태양광추적 장치(200), 사용자 단말(300), 네트워크(400), 관리 서버(500), 인버터(600) 및 부하(700)를 포함한다.
태양광 패널들(100)은 상술한 바와 같이 태양전지의 다양한 조합체를 포함하고, 그 배치도 다양하게 구성될 수 있다.
구동 모터(111)는 태양광 패널들(100)의 위치 및 방향을 제어하기 위해 동력을 제공한다. 구동 모터(111)의 회전축에서 연장되는 모터 샤프트(motor shaft)는 적어도 하나 이상의 기어를 통해 태양광 패널 샤프트에 동력을 전달한다. 구동 모터(111)는 태양광 패널들(100)을 모터의 핏치 축(pitch axis)을 기준으로 상하 방향으로 제어하기 위한 것이고, 구동 모터(112)는 태양광 패널들(100)을 모터의 요 축(yaw axis)을 기준으로 좌우 방향으로 제어하기 위한 것이다. 즉 구동 모터(111)는 태양의 방위각 변화에 따라 태양광 패널들(100)의 위치 및/또는 방향을 제어하고, 구동 모터(112)는 태양의 고도 변화에 따라 태양광 패널들(100)의 위치 및/또는 방향을 제어한다. 구동 모터(111)의 제어 범위는 0도 내지 90도 범위이고 구동 모터(112)의 제어 범위는 0도 내지 180도 범위이다.
태양추적 장치(200)는 제어부(210), 통신부(220), 입력부(230), 출력부(240) 및 전원부(250)를 포함한다. 제어부(210)는 발전량 측정 모듈(211), 태양위치 추정 모듈(212), 위치 제어 모듈(213), 모터 구동 모듈(214) 및 인버터 제어 모듈(215)을 포함한다.
태양추적 장치(200)는 구동 모터(111, 112)에 태양광 패널을 제어하는 제어신호를 전달한다. 그리고 태양추적 장치(200)는 최대전력 추종(maximum power point tracking, MPPT) 제어방식을 이용하여 인버터(600)를 제어하여 태양광 패널(100)들이 부하(700)에 최대전력을 전달하도록 한다. 사용자는 네트워크(400)를 통해 태양추적 장치(200)를 제어할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
제어부(210)는 태양추적 장치(200)의 태양추적 프로세스 및 인버터(600)의 상기 기술된 기능을 제어한다. 또한, 제어부(210) 통신부(220), 입력부(230), 출력부(240) 및 전원부(250)를 제어한다.
통신부(220)는 사용자 단말(300)과 유선 및/또는 무선 통신을 수행한다. 따라서 통신부(220)는 네트워(400)을 고려하여 LAN, WAN 형태의 유선 통신, WiFi, 블루투스, 지그비 등의 근거리 무선 통신 및 다양한 종류의 셀룰러 무선통신을 위한 모듈을 포함한다.
입력부(230)는 태양추적 장치(200)의 기능과 관련하여 각종 설정과 관련된 파라미터 입력을 수행한다.
출력부(240)는 태양추적 장치(200)의 동작 상태, 고장여부를 나타내는 상태표시등 또는 계기판을 포함한다.
전원부(250)는 태양추적 장치(200)의 가동에 필요한 전력을 공급하는데, 전력 소스가 전력 계통인 경우 AC 전력을 변환하는 파워서플라이를 포함한다. 또는, 전원부(250)는 인버터(600)에서 공급되는 자체 생산된 전력을 사용할 수도 있다. 또는, DC/DC 컨버터와 배터리의 조합으로 전원부(250)가 구성될 수도 있다.
제어부(210)는 발전량 측정 모듈(211), 태양위치 추정 모듈(212), 위치 제어 모듈(213), 모터 구동 모듈(214) 및 인버터 제어 모듈(215)을 포함한다.
발전량 측정 모듈(211)은 태양광 패널들(100)이 생산하는 발전량을 측정한다. 여기서, 발전량은 전류, 전압 및 전력에 관한 것이고, 전력 측정을 위해서는 필연적으로 전류 및 전압의 측정이 요구된다.
태양위치 추정 모듈(212)은 측정된 발전량, 예를 들어 각각의 태양광 패널(100a 내지 100d)이 생산하는 전류 또는 전압 값을 이용하여 태양의 위치를 추정한다. 위치 추정에 관하 메커니즘은 후술하기로 한다.
위치 제어 모듈(213)은 추정된 태양의 위치에 따라 태양광 패널들(100)의 위치를 제어한다.
모터 구동 모듈(214)은, 태양광 패널들(100)의 위치 제어에 따라, 태양광 패널들의 위치를 이동시키기 위해 모터를 구동한다. 구체적으로 모터 구동 모듈(214)은 위치 제어 모듈(213)로부터 전류 또는 전압 지령치를 전달받아 모터(111, 112)의 속도 및 회전수를 제어한다.
인버터 제어 모듈(215)은 태양광 패널들(100)이 생산하는 발전량에 따라 해가 뜨는 시점에서 자동으로 기동하고, 해가 지는 시점에서 자동으로 동작을 종료한다. 또한 인버터 제어 모듈(215)은 다양한 최대전력 추적 알고리즘, 예를 들면 Perturb & Observe(P&O), Incremental Conductance(IncCond) 또는 Hysterisis-band 알고리즘을 이용하여 인버터(600)를 제어함으로서 최대전력을 생산할 수 있는 전류 및 전압을 찾아 부하에 공급되는 전력을 조절한다.
사용자 단말(300)은 태양광 패널들(100)의 발전 상황, 태양추적 장치(200)의 동작 상황을 모니터링할 수 있는 장치로서, 사용자는 사용자 단말(300)을 통해 관리 서버(500)에 접속하여 태양추적 장치(200)를 직접 제어하는 것도 가능하다.
사용자 단말(300)은 본 발명의 실시 예에 따른 태양추적 방법(S100)에 관한 컴퓨터 명령어 셋으로 구성된 태양추적 애플리케이션 모듈을 이용하여 태양추적 방법(S100)을 수행함으로써 태양추적 장치(200)를 제어할 수 있다.
사용자 단말(300)은 인스톨되지 않은 태양추적 애플리케이션 모듈이 저장된 미디어를 읽고, 이를 인스톨하여 사용자 단말(300) 내에 설치할 수 있다. 상기 미디어는 광학 저장 미디어, 예를 들어 CD-ROM 및 DVD-ROM을 포함한다. 또한, 태양추적 애플리케이션 모듈은 관리 서버(500)로부터 내려 받은(downloaded) 바이너리 파일 형태로 제공될 수도 있다. 사용자 단말(300)은 네트워크(400)를 통해서 관리 서버(500)로부터 각종 파일을 내려 받아 상기 애플리케이션 모듈을 업데이트할 수 있다.
사용자 단말(300)의 다양한 실시 예들은 셀룰러 전화기, 무선 통신 기능을 가지는 스마트 폰, 무선 통신 기능을 가지는 개인 휴대용 단말기(PDA), 무선 모뎀, 무선 통신 기능을 가지는 휴대용 컴퓨터, 무선 통신 기능을 가지는 디지털 카메라와 같은 촬영장치, 무선 통신 기능을 가지는 게이밍(gaming) 장치, 무선 통신 기능을 가지는 음악저장 및 재생 가전제품, 무선 인터넷 접속 및 브라우징이 가능한 인터넷 가전제품뿐만 아니라 그러한 기능들의 조합들을 통합하고 있는 휴대형 유닛 또는 단말기들을 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다.
네트워크(400)는 LAN, WAN 형태의 유선 네트워크, WiFi, 블루투스, 지그비 등의 근거리 무선 네트워크 및 다양한 종류의 셀룰러 무선통신망을 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다.
관리 서버(500)는 태양추적 장치(200)로부터 태양광 발전시스템의 각종 상태정보, 유지보수정보, 고장정보를 포함한 상태와 이력정보를 전달받아 데이터베이스에 저장한다.
여기서 관리 서버(500)는 웹기반으로 구성되어 관리자나 사용자가 언제든지 사용자 단말(300)을 통해서 관리 서버(500)에 접속해서 태양광 발전시스템의 상태를 조회할 수 있다. 이를 위해 관리 서버(500)는, 본 발명의 실시 예에 따른 태양추적 방법이 구현되는 태양추적 애플리케이션 모듈에 대응하는 서버 프로그램을 구동한다.
관리 서버(500)는 사용자 단말(300)과 마찬가지로 태양광 발전시스템(1) 및 태양추적 장치(200)가 수행하는 프로세스를 제어한다.
인버터(600)는 태양광 패널(100)들에서 생산된 직류를 교류로 변환한다. 또한 인버터(600)는 일사강도의 변화에 따라 해가 뜨면 자동으로 운전 해가 지면 자동정지된다. 또한 인버터(600)는 태양광 패널(100)들의 표면온도와 일사강도의 변화에 따라 태양광 패널(100)들의 출력을 최대로 이끌어내는 MPPT 제어를 수행한다.
인버터(600)의 기능 중에서 전력망에서 정전이 발생하면 보수 점검자의 감전을 방지하기 위한 단독 운전방지 기능도 중요하다. 태양광의 전기를 전력망에 송전하면 전압이 올라가는데, 인버터(600)는 전력망의 운영 범위 내로 전압 상승을 방지하기 위해 자동 전압조정을 한다. 인버터(600)는 DC 전력을 출력하는 DC/DC 컨버터로 대체되거나 공존할 수 있다.
부하(700)는 인버터(600)에서 출력되는 AC 전력을 소비한다. 구축된 태양광 발전 시스템의 종류, 예를 들어 계통연계형 태양광 발전 시스템, 독립형 태양광 발전 시스템, 하이브리드형 태양광 발전 시스템에 따라 부하는 추가적으로 배터리 및/또는 전력망에 연결되어 전력을 공급 받을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자 단말의 블록도이다.
도 9를 참조하면, 사용자 단말(300)은 입력 디바이스(input device)(310), 디스플레이 디바이스(display device)(320), 출력 디바이스(output device)(330), 저장 장치(storage device)(340), 통신 장치(communication device)(350), 전원 장치(power device)(360) 및 제어부(control unit)(370)를 포함한다.
입력 디바이스(310)는 문서 작성에 필요한 데이터 및 사용자 작업 환경의 각종 파라미터 설정을 위한 정보 입력을 수행하는 키보드, 터치스크린, 마우스, 전자펜 및 음성 입력장치, 예를 들어 마이크로폰을 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다. 실질적으로 사용자 입력을 통해 입력 디바이스(310)는 문자 및 개체를 문서 내에 입력한다. 여기서, 문자는 공백을 포함하는 개념이고, 개체는 아이콘, 그림, 도형, 표 및 차트와 같은 다양한 종류의 양식 개체를 포함한다.
디스플레이 디바이스(320)는 문서 작성을 위한 편집 화면의 프레임 출력을 수행하는 브라운관(cathode-ray tube, CRT), 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel, PDP), 발광다이오드 (light emitting diode, LED) 디스플레이, 유기 발광다이오드(organic light emitting diode, OLED) 디스플레이를 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다.
출력 디바이스(330)는 프린터, 플로터, 빔프로젝터, 텍스트 음성 변환(text to sound, TTS) 장치와 스피커 및 이어폰을 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다.
저장 장치(340)는 데이터 표시 및 입력 장치(300)로부터 분리가 가능/불가능한 모든 형태로서, 자기테이프, 자기드럼, 플로피 디스크, ZIP 드라이브 및 하드 디스크 드라이브(hard disk drive, HDD)와 같은 자기 방식의 저장장치, SD 카드, USB 메모리 및 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive, SSD)와 같은 플래시 메모리를 이용하는 전기 방식의 저장장치 및 CD-ROM 드라이브, DVD-ROM 드라이브, 블루레이 디스크(blu-ray disc) 드라이브와 같은 광학 방식의 저장장치를 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다.
통신 장치(350)는 네트워크(400)의 각종 통신망에 대응하는 통신 모듈, 예를 들어 블루투스 모듈, WiFi 모듈, 이더넷 인터페이스 카드, USB 모듈, 셀룰러 무선통신 모듈, 모뎀 및 무선 공유기를 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다.
전원 장치(360)는 AC를 DC로 변환하는 파워 서플라이, 어댑터, SMPS와 리튬이온 전지, 납축전지, 연료 전지 및 바이오에탄올 전지와 같은 2차 전지와 1차 전지를 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다.
제어부(370)는, 메모리에 로드된 운영체제(371) 및 본 발명의 실시 예에 따른 태양추적 방법에 관한 컴퓨터 명령어 셋으로 구성되는 태양추적 애플리케이션 모듈(372)을 포함한다. 구체적으로 제어부(370)는 인스톨되어 저장된 상기 태양추적 애플리케이션 및 운영체제(371)가 로드되는 메모리(memory) 영역 및 태양추적 애플리케이션에 의한 태양추적 방법의 수행에 따라 각종 연산을 수행하는 프로세서(processor)를 포함한다. 프로세서 메모리에 대해서는 다음 단락에서 설명하기로 한다.
컴퓨팅 장치(800)에 해당하는 본 발명의 실시 예에 따른 사용자 단말(300)은 다른 실시 예를 통해 보다 구체적으로 설명될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자 단말의 블록도이다.
도 10을 참조하면, 컴퓨팅 장치(800)에 해당하는 사용자 단말(300)은 입력 인터페이스 장치(810), 출력 인터페이스 장치(820), 메모리(831), 저장장치(832), 전원 장치(840), 프로세서(850), 네트워크 인터페이스 장치(860), 무선통신 장치(870) 및 버스(880)를 포함한다.
입력 인터페이스 장치(810)는 사용자의 입력에 따라 문서작성에 필요한 문자 또는 개체를 입력한다. 입력 인터페이스 장치(810)는 키보드(keyboard), 터치스크린(touch screen), 마우스(mouse), 전자펜(stylus pen) 및 펜 태블릿(pen tablet)을 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다.
출력 인터페이스 장치(820)는 문서를 표시하는 디스플레이(display) 및 문서를 프린트 출력하는 프린터(printer)를 포함한다. 또한, 출력 인터페이스 장치(820)는 문서 내의 문자를 음성합성(text to speech, TTS) 엔진을 이용하여 음성으로 출력하는 스피커(speaker), 헤드폰(head-phone) 및 헤드셋(head-set)을 포함한다.
프로세서(850)는 메모리(831) 및/또는 저장 장치(832)에 저장된 본 발명의 실시 예에 따른 데이터 표시 및 입력 방법에 관한 데이터 표시 및 입력 애플리케이션 모듈이 포함하고 있는 컴퓨터 명령을 실행할 수 있다. 프로세서(850)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU) 또는 본 발명에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(831)와 저장 장치(832)는 휘발성 저장 매체 및/또는 비휘발성 저장 매체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(831)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및/또는 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM)로 구성될 수 있다.
무선통신 장치(870)는 근거리 무선통신, 무선 데이터 통신 및 무선 음성 통신을 위한 장치를 포함한다.
컴퓨팅 장치(800)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(880)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행한다.
이하 상기 설명한 태양추적 장치(200)가 태양추적 애플리케이션 모둘(372)에 포함된 컴퓨터 명령어 셋의 실행을 통해 수행하는 본 발명의 실시 예에 따른 태양추적 방법(S100)을 도 8 및 도 11 내지 도 12를 참조하여 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양추적 방법의 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양추적 방법(S100)은 S110 단계 내지 S150 단계를 포함한다.
먼저, 발전량 측정 모듈(211)은 적어도 4개의 독립된 구성의 태양광(photo voltaic, PV) 패널(panel)들이 생산하는 전류들 또는 이들의 조합에 의한 제1 전류, 제2 전류, 제3 전류 및 제4 전류의 크기를 측정한다(S110).
제1 전류 내지 제4 전류가 측정되는 태양광 패널들(100)은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 또는 전류 대신 전압이 측정될 수 있는데, 이 경우 태양광 패널들(100)은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 또는 태양광 패널들이 독립적으로 결선되는 경우 전류 및 전압 중에서 선택된 값이 측정될 수 있다.
여기서, 제1 전류 내지 제4 전류는 태양광 패널(100) 각각 또는 2개의 태양광 패널의 조합이 생산하는 전류를 의미한다. 도 3 및 도 8을 참조하면, 제1 전류는, 상향 제어의 결과를 야기하므로, 태양광 패널(100a) 및 태양광 패널(100a)이 생산하는 전류의 합을 의미한다.
같은 방법으로 제2 전류는, 하향 제어의 결과를 야기하므로, 태양광 패널(100c) 및 태양광 패널(100d)이 생산하는 전류의 합을 의미하고, 제 3전류는, 좌향 제어의 결과를 야기하므로 태양광 패널들(100a, 100c)이 생산하는 전류의 합을, 제4 전류는, 우향 제어의 결과를 야기하므로 태양광 패널들(100b, 100d)이 생산하는 전류의 합을 각각 의미한다.
또는, 도 5를 참조하면, 제1 전류 내지 제4 전류는 순서대로 태양광 패널(101, 102, 103, 104)을 각각 의미한다. 이러한 제1 전류 내지 제4 전류의 구성은 상기 예에만 한정되는 것은 아니다.
다음으로 태양위치 추정 모듈(212)은 제1 전류 내지 제4 전류들의 합을 임계 값과 비교한다(S120). 여기서, 임계 값은 임계 전류 값을 의미하고, 0에서 설정된 임의의 값까지 분포할 수 있다. 임계 값과 비교 결과 전류들의 합이 임계 값 이상의 값인 경우, 태양광 발전이 시작될 수 있는 준비 상태가 되고, 인버터(600)가 자동으로 가동된다.
다음으로 태양위치 추정 모듈(212)은 제1 전류의 크기와 제2 전류의 크기를, 제3 전류의 크기와 제4 전류의 크기를 서로 비교한다(S131, S132). 여기서, S131 및 S132 단계는 동시에 수행될 수 있다. 즉 태양광 패널(100)들이 태양을 향하도록 하는 방위각과 고도각을 제어하는 과정은 동시에 수행될 수 있다. 결과적으로 2개의 서로 다른 모터(111, 112)들 중에서 모터(111)는 태양의 고도각을 쫓아 태양광 패널(100)들의 위치 및/또는 방향(orientation)을 제어하고, 모터(112)는 태양의 방위각을 쫓아 태양광 패널(100)들의 위치 및/또는 방향을 제어할 수 있다.
상기 비교 결과, 제1 전류의 크기가 제2 전류의 크기보다 큰 경우 위치 제어 모듈(213)은 큰 전류를 생산하는 태양광 패널(100) 방향으로 태양광 패널(100)들의 위치 및/또는 방향을 수정한다(S141). 예를 들어, 태양광 패널(100)들은 핏치 축(pitch axis)을 기준으로 상향(up) 제어될 수 있다.
또는 제1 전류가 제2 전류 보다 크지 않은 경우 위치 제어 모듈(213)은 큰 전류를 생산하는 태양광 패널(100) 방향으로 태양광 패널(100)들의 위치 및/또는 방향을 수정한다(S142). 예를 들어, 태양광 패널(100)들은 핏치 축(pitch axis)을 기준으로 하향(down) 제어될 수 있다(S142).
상기 비교 결과, 제3 전류의 크기가 제4 전류의 크기보다 큰 경우 태양추정 장치(200)는 큰 전류를 생산하는 태양광 패널(100) 방향으로 태양광 패널(100)들의 위치 및/또는 방향을 수정한다(S143). 예를 들어, 태양광 패널(100)들은 요 축(yaw axis)을 기준으로 좌향(left) 제어될 수 있다.
또는, 제1 전류가 제2 전류 보다 크지 않은 경우 태양추정 장치(200)는 큰 전류를 생산하는 태양광 패널(100) 방향으로 태양광 패널(100)들의 위치 및/또는 방향을 수정한다(S142). 예를 들어, 태양광 패널(100)들은 요 축(yaw axis)을 기준으로 우향(right) 제어될 수 있다(S142).
상기 일련의 과정을 통해 모터 구동 모듈(214)은 위치 제어 모듈(213)로부터 제어 신호를 받아 태양의 고도각 및 방위각과 관련된 태양광 패널(100)들의 위치가 제어되도록 모터(111, 112)를 구동한다.
상기 전류의 크기는 소수점 이하 최대의 자리까지 측정되므로, 비교 대상이 서로 같을 확률이 낮겠으나, 만약 서로 동일한 값이 측정되는 경우 제어동작 없이 다시 시작으로 회귀할 수 있다.
제어부(210)가 태양광 패널들(100)의 위치 및/또는 방향을 제어하는 메커니즘은 PID 제어기를 통해 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 추정 장치에 의한 제어도이다.
도 12를 참조하면, 기준값으로 I 1 = I 2 , I 3 = I 4 이 입력된다. 태양광 패널들(100)이 생산한 전류의 크기를 발전량 측정 모듈이 측정하고 이를 피드백 한다. 피드백된 측정 전류 값은 기준값과 비교하고, 그 차이가 없도록 제어부(210) 내의 태양위치 추정 모듈(212), 위치 제어 모듈(213) 및 모터 구동 모듈(214)는 모터(111, 112)를 제어하여 태양의 고도각 및 방위각을 쫓아 태양광 패널들(100)의 위치 및/또는 방향을 제어한다.
여기서, 태양광 패널들(100)은 그 규모에 따라 태양광 패널(100a 내지 100d)은 각각 독립적으로 제어될 수 있다. 예를 들어 태양광 패널이 모듈에 해당하는 경우 4장의 모듈이 한 몸으로 제어되는 것이 능률적이나, 태양광 패널이 대규모 어레이에 해당하는 경우에는 각각의 어레이가 독립적으로 제어될 수 있다. 이는 넓은 면적의 태양광 패널 구조에서는 각 태양광 패널 간에 최적의 위치 및/또는 방향에 있어서 오차가 발생할 수 있기 때문이다. 이 경우, 모터(111, 112)는 요 축 및 핏치 축에 대해 각각 한 개의 모터가 구비되고, 독립된 패널들과 병렬로 연결되어 각각의 패널을 제어할 수 있다.
또한, 발전량의 측정부터 모터의 구동까지 전체 태양추적 프로세스는 타이머 설정에 의해 일정 시간 싸이클에 따라 수행될 수 있다. 이 경우 싸이클의 크기에 따라 일회 동작시 제어되는 기준 각도 값이 미리 설정될 수 있다. 2회 동작부터는 PID 제어기는 최적의 각도 값을 쫓아 태양광 패널들(100)의 위치 및/또는 방향을 제어해 줄 것이다.
그리고 계절을 고려하여 상대적으로 느린 태양의 위치 변화가 예상되는 경우에는 싸이클의 크기를 크게 할 수 있다.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치인 데이터 표시 및 입력 장치(100)는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 상기 하드웨어와 결합되어 데이터 표시 및 입력 방법을 수행하는 적어도 하나의 소프트웨어 애플리케이션 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이처럼, 본 발명의 실시 예에 따르면, 태양광 추적 장치는 광센서 없이 태양을 추적할 수 있다.
또한, 태양광 추적 장치는 광센서 대신에 발전량의 차이를 이용하여 태양을 추적할 수 있다.
또한, 태양광 추적 장치는 태양의 위치에 관한 통계자료 없이도 현재의 발전량의 차이만을 이용하여 태양을 추적할 수 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
100: 태양광 패널들
110: 셰이드 펜스
200: 태양추적 장치
210: 제어부
211: 발전량 측정 모듈
212: 태양위치 추정 모듈
213: 위치 제어 모듈
214; 모터 구동 모듈
215: 인버터 제어 모듈
300: 사용자 단말
400: 네트워크
500: 관리 서버
600: 인버터
700: 부하
800: 컴퓨팅 장치

Claims (10)

  1. 적어도 4개의 독립된 구성의 태양광(photo voltaic, PV) 패널(panel)들;
    각각의 상기 태양광 패널의 발전량을 측정하는 발전량 측정 모듈;
    상기 발전량의 차이를 이용하여 태양의 위치를 추정하는 태양위치 추정 모듈; 및
    상기 추정된 태양의 위치에 따라 상기 태양광 패널들의 위치를 제어하는 위치 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양추적 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양광 패널들은,
    2차원 좌표의 1사분면, 2사분면, 3사분면 및 4사분면 또는 상측, 하측, 좌측 및 우측에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는, 태양추적 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양광 패널들 사이에 발전량의 차이를 크기하기 위해 태양의 위치에 따라 각각의 태양광 패널들 상에 서로 다른 그림자 분포를 생성시키는 셰이드 펜스(shade fence)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양추적 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양광 패널들의 위치 제어에 따라, 상기 태양광 패널들의 위치를 이동시키는 모터 구동 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양추적 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전량 측정 모듈은,
    각각의 태양광 패널 또는 이들의 조합에 의한 태양광 패널들로부터 생산되는 전류 및/또는 전압의 크기를 측정하는 것을 특징으로 하는, 태양추적 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양광 패널들은,
    서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는, 태양추적 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양위치 추정 모듈은,
    측정된 전압 및/또는 전류의 크기를 이용하여 태양의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는, 태양추적 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 제어 모듈은,
    추정된 태양의 위치를 이용하여 태양광 패널들이 태양을 향하도록 태양광 패널들의 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는, 태양추적 장치.
  9. 적어도 4개의 독립된 구성의 태양광(photo voltaic, PV) 패널(panel)들이 생산하는 전류들 또는 이들의 조합에 의한 제1 전류, 제2 전류, 제3 전류 및 제4 전류의 크기를 측정하는 단계;
    상기 전류들의 합을 임계 값과 비교하는 단계; 및
    상기 전류들의 합이 임계 값과 같거나 초과하는 경우 상기 전류들 중에서 제1 전류와 제2 전류의 크기를 비교하여 태양의 고도에 관련된 태양광 패널들의 위치를 제어하고, 상기 전류들 중에서 제3 전류와 제4 전류의 크기를 비교하여 태양의 방위각에 관련된 태양광 패널들의 위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양추적 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 태양의 고도에 관련된 제어와 태양의 방위각에 관련된 제어는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는, 태양추적 방법.
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