KR20200091268A - 양면 수광형 태양광 발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 앞면과 뒷면이 모두 태양광 발전이 가능한 양면 수광형 태양광 발전 모듈을 적용한 태양광 발전장치에 있어서, 월별로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면과 뒷면이 바라보는 방위에 따른 자세각도와, 지면과 이루는 경사 각도를 제어하여 발전하는 양면 수광형 태양광 발전장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 양면 수광형 태양광 발전 모듈을 갖는 태양광 발전장치에 관한 것으로, 특히 태양광 발전 중에 태양광 발전 모듈의 전면뿐만 아니라 후면 발전을 통해 고효율 달성이 가능하고 모듈 제작 공정에 있어 기존 태양광 발전 모듈 제조 장비를 그대로 사용하여 제작이 가능하다.
또한, 단면 수광형 태양광 발전장치와 같이 전면에 입사되는 햇빛을 이용하여 전기를 생산하는 동시에 지표면과 주변 사물에 의해 반사되는 태양광을 후면에서도 수광하여 전기로 변환하게 된다. 바닥면의 반사율(Albedo) 변화를 통해 단면 수광형 태양광 발전장치보다 발전 성능을 높일 수 있다.
그리고 양면 수광형 태양 전지를 수직으로 설치를 할 경우 공간적 제약을 받는 곳에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 방향을 동-서로 설치를 할 경우 오전, 오후 시간에 각기 피크(Peak)전력을 얻을 수 있는 특징이 있어, 전기를 발전함에 있어 다양한 알고리즘을 개발하고 실험을 통해 가장 효율적으로 전기를 발전하는 알고리즘을 채택하여 활용하여 다양한 환경 조건 속에서 태양광 발전 효율을 높일 수 있다.
하지만, 양면 수광형 태양 전지의 발전 성능은 후면 및 주변조건 등 다수의 인자에 의존하기 때문에 발전 성능에 대한 정량적 기준을 설정하기 어려워 본원 발명에서는 기준 태양광 발전 모듈을 도입하여 태양의 위치에 따라 실시간으로 가장 많은 전기를 발전하는 방향을 확인하고 이를 양면수광형 태양광 발전 모듈에 자세각도 제어에 즉시 활용함으로써 모듈의 동일한 조건 하에서 다양한 운영 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션을 수행하여 최적의 발전 조건을 만족시키는 양면 수광형 태양광 발전장치 개발에 관한 것이다.
일반적으로 널리 사용되는 화석에너지는 그 양이 한정되어 있으므로 언젠가는 고갈되고, 여러 오염물질을 배출하기 때문에 대부분의 국가에서는 이를 대체하여 사용할 수 있는 대체에너지를 개발하고 있다.
화석에너지를 대체할 수 있는 친환경 에너지는 파도를 이용하여 에너지를 생성하는 파력, 바람의 힘을 이용하여 에너지를 생성하는 풍력, 그리고 땅속의 열을 이용하여 에너지를 생성하는 지열, 태양의 에너지 이용 등이 있다.
이들 중에서 태양에너지를 이용하는 방법은 크게 태양열을 이용하는 방법과 태양광을 이용하는 방법으로 구분된다.
태양열을 이용하는 방법은 태양에 의해 데워진 물 등을 이용하여 난방 및 발전을 하는 방법이며, 태양광을 이용하는 방법은 태양의 빛을 이용하여 전기를 생성함으로써 이 생성된 전기로 각종 기계 및 기구를 작동시킬 수 있도록 하는 방법으로 태양광발전이라고 한다.
이러한 태양광발전은, 무한정, 무공해의 태양 에너지를 이용하므로 대기오염이나 폐기물 발생이 없으며, 기계적인 진동과 소음이 없으며, 태양발전장치의 수명이 최소 20년 이상으로 길고, 발전 시스템을 자동화시키기에 용이하며, 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점을 지니고 있다.
그러나 태양 발전 장치는 태양광의 각도에 따른 발전 효율의 변화를 가지고 있고, 우리나라는 사계절이 뚜렷하고, 지역별로 일사량의 차이가 있는 주변환경에 효과적으로 대처하지 못하는 문제가 있다.
또한, 태양의 에너지를 한 면에서만 수광하는 단면 수광형 태양광 발전 모듈에 비해 발전 효율이 우수한 양면에서 태양의 에너지를 수광할 수 있는 양면 수광형 태양광 발전장치가 산업발전에 따라 저렴하게 공급되고 있으나, 주위 환경에 따른 효율적이 발전장치의 제어에 관하여 명확하게 제시되지 않은 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개특허 제10-2013-0006778호의 태양전지모듈 거치대와, 대한민국 등록특허 제10-1035388호의 각도 조절이 가능한 태양광 구조물은 정확한 데이터와 환경에 따른 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 설치 및 운영 각도가 제시되지 않고, 제조자의 제시에 따는 운영 각도로 작업자가 직접 조작해야 하는 문제점을 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 양면 수광형 태양광 발전 모듈을 적용하여 전기를 발전함에 있어 다양한 알고리즘을 개발하고 실험을 통해 가장 효율적으로 전기를 발전하는 알고리즘을 채택하여 활용하는데 목적이 있다
또한 본발명은 기준 태양광 발전 모듈을 도입하여 태양의 위치에 따라 실시간으로 가장 많은 전기를 발전하는 방향을 확인하고 이를 양면수광형 태양광 발전 모듈에 자세각도 제어에 즉시 활용함으로써 효율적인 전기를 발전하는데 목적이있다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 발명은 앞면과 뒷면이 모두 태양광 발전이 가능한 양면 수광형 태양광 발전 모듈을 적용한 태양광 발전장치에 있어서, 월별로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면과 뒷면이 바라보는 방위에 따른 자세각도와, 지면과 이루는 경사 각도를 제어하여 발전하는 양면 수광형 태양광 발전장치가 제공된다.
바람직하게는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈장치에는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈장치의 상기 자세각도와 상기 경사 각도를 제어하기 위해 제어하고자 하는 시점의 각 방위별 발전량을 판단하는 기준 태양광 발전 모듈이 더 구비되어 이루어진다.
그리고 상기 기준 태양광 발전 모듈은 앞면만 태양광 발전이 가능한 단면 수광형 태양광 발전 모듈을 사용하되 상기 단면 태양광 발전 모듈은 각각의 방위를 향하도록 배치되어, 각각의 방위별로 발전되는 발전량을 판단하는 것으로 이루어진다.
또한, 상기 기준 태양광 발전 모듈은 크기가 동일한 단면 태양광 발전 모듈 3개를 사용되되 지면에 수직이면서 앞면이 동쪽을 향하도록 설치된 제1 모듈과, 지면에 수직이면서 앞면이 남쪽을 향하도록 설치된 제2 모듈과, 지면에 수직이면서 앞면이 서쪽을 향하도록 설치된 제3 모듈로 형성된다.
또한, 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈에는 상기 자세각도를 제어하는 제1 제어장치와, 상기 경사 각도를 제어하는 제2 제어장치가 더 포함되어 이루어진다.
또한, 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈은 태양이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 질 때까지의 경로에 맞추어 상기 자세각도를 제어하도록 형성된다.
또한, 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 자세각도는 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈과 상기 제3 모듈의 발전량을 기준하여 변경하되, 상기 제1 모듈의 발전량을 P1이라 하고, 상기 제2 모듈의 발전량을 P2이라 하며, 상기 제3 모듈의 발전량을 P3이라 할 때, P1 > P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하고, P1 < P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 남쪽을 뒷면은 북쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하며, P2 < P3 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 모듈의 발전량인 P1과, 상기 제2 모듈의 발전량인 P2와, 상기 제3 모듈의 발전량인 P3와의 관계를 분석하여 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 경사각도를 제어하도록 형성된다.
그리고 상기 제1 모듈의 발전량인 P1이 상기 제2 모듈의 발전량인 P2 보다 크거나, 상기 제3 모듈의 발전량인 P3이 상기 제2 모듈의 발전량인 P2 보다 클 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 경사각도는 지면과 수직인 90도로 제어하도록 형성할 수 있다.
또한, 상기 제2 모듈의 발전량인 P2가 상기 제1 모듈의 발전량인 P1 또는 상기 제3 모듈의 발전량인 P3 보다 클 경우에는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 경사각도는 지면과 수직인 90도로 제어하거나 또는 지역별로 측정된 최적의 경사각을 갖도록 제어하거나, 또는 0도로 제어하는 것 중의 하나를 선택하여 제어하도록 형성한다.
또한, 상기 1월 내지 12월까지 상기 자세각도를 제어하여 발전하되 상기 자세각도는 P1 > P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하고, P1 < P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 남쪽을 뒷면은 북쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하고, P2 < P3 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전하도록 형성된다.
또한, 상기 1월 내지 12월까지 상기 경사각도를 제어하여 발전하되, 1월 및 2월과 10월 내지 12월에는 상기 경사각도를 P1, P2, P3의 상태와 관계없어 지면에 수직인 90도로 고정한 상태로 제어하고, 3월 내지 9월까지는 P1 < P2 인 경우와 P3 < P2 인 경우 지면에 수직인 90도로 고정한 상태로 제어하고, P2 > P1 인 경우에는 지면과 수직인 90도로 제어하거나, 지역별로 측정된 최적의 경사각을 갖도록 제어하거나, 0 도로 제어하는 것 중의 하나를 선택하여 제어하여 발전한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명의 양면 수광형 태양광 발전장치는 전면의 패널은 태양으로부터 받는 직달 일사와 산란 일사에 의하여 발전할 수 있고, 후면 패널의 경우 전면 패널을 통과한 투과 일사와 지면 반사에 의한 일사에 의하여 발전하므로서, 단순 고정형을 제외한 가변 조건의 발전에서 비교대상인 단면 태양광 발전 모듈은 남향을 바라보는 고정형이며, 지역별 최적 경사각을 추적하여 가변하는 발전장치에 비하여 발전효율이 높은 효과가 있다.
또한, 고정형 및 최적 조건에 따라 연동하도록 제어하는 시스템에 대한 정밀한 데이터를 제공하여, 지형 및 공간에 제약이 있거나 설비의 투자 대비 경제적 효율에 따라 최적의 조건을 선택할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 기준 태양광 발전 모듈의 각각의 방위각별로 설치되는 태양광 단면 발전 모듈에서 발전되는 발전량 상태를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 기준 태양광 발전 모듈을 이용하는 양면 수광형 발전장치의 제어시스템 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A1)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A1)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제 2실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A2)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A2)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제 3실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A3)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제 3실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A3)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제 4실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A4)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 10은는 본 발명의 제 4실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A4)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 제 5실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A5)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 제 5실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A5)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 제 6실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A6)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 제 6실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A6)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 제 7실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A7)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 제 7실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A7)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 기준 태양광 발전 모듈을 이용하는 양면 수광형 발전장치의 제어시스템 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A1)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A1)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제 2실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A2)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A2)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제 3실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A3)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제 3실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A3)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제 4실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A4)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 10은는 본 발명의 제 4실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A4)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 제 5실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A5)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 제 5실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A5)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 제 6실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A6)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 제 6실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A6)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 제 7실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A7)의 월간 발전량 및 효율을 비교하여 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 제 7실시 예에 따른 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A7)의 일간 최대 효율 발전 상태를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시 예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
본원 발명에서 태양이 아침에 동쪽에서 일출하여 저녁에 서쪽으로 일몰까지 위도에 따라 지역과 월별로 변화하는 일사량을 방향별로 측정하여 태양의 궤적에 따라 시간별로 변화하는 최적 방향을 추적하여, 최적 방향을 적용하기 위하여 기준태양광 발전 모듈을 설치하고,
상기 기준 태양광 발전 모듈은 크기가 동일한 단면 수광형 태양광 발전 모듈 3개를 사용되되 지면에 수직이면서 앞면이 동쪽을 향하도록 설치된 제1 모듈과, 지면에 수직이면서 앞면이 남쪽을 향하도록 설치된 제2 모듈과, 지면에 수직이면서 앞면이 서쪽을 향하도록 설치된 제3 모듈로 형성되어 있는 구성으로 형성된다.
도 1을 참조하면, 상기 기준 태양광 발전 모듈을 사용하여 상기 본 발명의 기준 태양광 발전 모듈에서 제1 모듈의 발전량을 P1이라 하고, 상기 제2 모듈의 발전량을 P2이라 하며, 상기 제3 모듈의 발전량을 P3이라 하면, 일출시간을 6시로, 일몰시간을 18시로 가정하에 동쪽에서 태양이 06시에 일출되면 각각의 모듈에서는 발전을 시작하여 태양의 고도에 따라 발전량인 P1 , P2, P3가 변화하는 것을 볼 수 있다. 이때 A시점은 태양광의 발전량이 동쪽에서 남쪽으로 이동하는 시점이고, B시점은 태양광의 발전량이 남쪽에서 서쪽으로 이동하는 시점을 나타내고, 18시에 일몰되면 발전량이 0로 정지되짐을 보여 주고 있다.
따라서 도2에 도시된 바와 같이 기준 태양광 발전 모듈(100)에서 각각의 모듈에서 발전된 P1, P2, P3의 발전량의 변화에 따라 제어부(200)에서 A시점 B시점에서는 양면 수광형 태양광 발전 모듈(500)의 앞면과 뒷면이 바라보는 방위에 따른 자세각도와, 지면과 이루는 경사 각도를 제어할 수 있도록 자세각도구동부(300)과 경사각도구동부(400)을 구비하여 형성된다.
또한, 본원 발명의 양면 수광형 태양광 발전장치는 기본적으로 월별로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면과 뒷면이 바라보는 방위에 따른 자세각도와, 지면과 이루는 경사 각도를 제어할 수 있도록 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈(500)에는 상기 자세각도구동부(300)과 경사각도구동부(400)를 구비할 수 있고, 이들을 제어하는 제어부(200)가 구비되어 이루어진다.
상기 제어부는 기준 태양광 발전 모듈(100)의 발전량 데이터를 기준으로 제어할 수 있고, 또는 정해진 프로그램에 의해서도 제어 할 수 있다.
본원 발명의 제1 실시 예(A1)는 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 방위(azimuth)를 남향으로 고정하고, 태양광 발전 모듈의 수광면이 지면과 이루는 경사 각도를 지역별 최적 경사각을 유지시키는 조건으로 발전하는 단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A1)의 월간 일간 발전 특성 비교하여 살펴보면,
M과 A1은 단면 수광형 모듈을 양면 수광형 모듈로 대체했을 때 지역별 월간, 일간 별로 비교 분석을 하고, Table 1은 지역별 양면 수광형 최적 경사각으로 대체했을 때의 효율을 비교한 표이다.
Table 1 A1 월간 발전 효율 (%)
위의 도표에서 전체적인 발전량을 살펴보더라도 단면 수광형 태양광 발전장치(M)보다 양면 수광형 태양광 발전장치(A1)의 효율이 높은 것을 알 수 있다. 즉 서울, 대전, 제주 지역에서 A1과 같이 단면 수광형 모듈을 양면 수광형 모듈로 대체만 하면 약 5% 정도 효율이 높아짐을 알 수 있다.
도3은 M과 A1의 월간 발전량 및 효율을 나타내고 도4는 M과 A1의 일간 최대 효율 발전 그래프를 나타내고 있다.
도3 및 도 4에서 나타난 바와 같이 단면 수광형 모듈을 양면 수광형 모듈로 대체하면 일간 발전량이나, 효율 등이 향상됨을 알 수 있다.
도5와 도 6은 본원 발명의 제2 실시 예(A2)로서 제1 제어장치로 상기 양면수광형 태양광 발전 모듈의 방위는 동, 서로 바라보고 고정되도록 제어하고, 상기 제2 제어장치로 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 수광면이 수평면에 대해서 90°를 이루는 각도로 고정되도록 제어하는 조건으로 즉, 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 방위는 동서로 수광면은 수직으로 선택할 수 있는 대지 사용 조건과 경제성 측면 및 설치 제한 지역에서의 설치 옵션으로써 우리나라 지역적 발전 특성을 월간, 일간으로 실험해보았다.
단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A2)의 월간 일간 발전 특성 비교하여 살펴보면,
Table 2 A2 월간 발전 효율 (%)
지역별 월간 발전효율 및 도 5, 6에서 도시된 바와 같이 우리나라의 경우 동-서향 수직 설치 시 여름철을 제외하면 오전 오후 시간에 전면, 후면 발전량이 적기 때문에 연간 발전 효율이 단면 태양 전지 모듈보다 떨어짐을 알 수 있다.
도7과 도 8은 본원 발명의 제3 실시 예(A3)로서 제1 제어장치로 상기 양면수광형 태양광발전 모듈의 방위는 남, 북으로 바라보고 고정되도록 제어하고, 상기 제2 제어장치로 양면수광형 태양광발전 모듈의 수광면이 수평면에 대해서 90°를 이루는 각도로 고정되도록 제어하는 조건으로 즉, 태양광발전 모듈을 방위는 남북으로 수광면은 수직으로 선택할 수 있는 대지 사용 조건과 경제성 측면 및 설치 제한 지역에서의 설치 옵션으로써 우리나라 지역적 발전 특성을 월간, 일간으로 실험해보았다.
단면 수광형 태양광 발전장치(M)와 양면 수광형 태양광 발전장치(A3)의 월간 일간 발전 특성 비교하여 살펴보면,
Table 3 A3 월간 발전 효율 (%)
Table 3과 도면 7에서는 본원 발명의 제3 실시 예의 발전효율을 보여주며, 준다. 양면모듈 발전장치의 남-북향 수직 설치의 월간 발전 효율은 겨울철은 제외한 나머지 달에서 많이 떨어짐을 알 수 있다.
도 9와 도 10은 본원 발명의 제4 실시 예(A4)로서 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 자세각도는 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈과 상기 제3 모듈의 발전량을 기준하여 변경하되, 상기 제1 모듈의 발전량을 P1이라 하고, 상기 제2 모듈의 발전량을 P2이라 하며, 상기 제3 모듈의 발전량을 P3이라 할 때, P1 > P2 인 경우는 제1 제어장치로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하고, P1 < P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 남쪽을 뒷면은 북쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하며, P2 < P3 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전 조건이다.
즉, 제2 실시 예(A2)와 같이 수직 고정형의 경우, 정오의 발전량이 적기 때문에 간단한 제1 제어장치만의 제어를 통해 정오 발전량을 높이고자 적용한 실시 예로 지역적 발전 특성을 월간, 일간으로 실험해보았다.
Table 4 A4 월간 발전 효율 (%)
Table 4와 도면 9, 10에서는 본원 발명의 제4 실시 예의 발전효율을 보여주며 겨울철을 제외한 날에는 오전 호우 발전이 충분히 되며 P1 < P2 인 경우의 발전은 후면 발전이 되지는 않지만, 전면에서의 발전은 단면 수광 태양광 발전 모듈 발전량과 거의 같아 효율이 향상됨을 알 수 있다.
도 11과 도 12는 본원 발명의 제5 실시 예(A5)로서, P1 > P2 인 경우는 제1 제어장치로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하고, P1 < P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 남쪽을 뒷면은 북쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하며, P2 < P3 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어하며, 제2 제어장치로 P1 < P2 인 경우에 시작하여 P2 < P3 인 경우가 될 때까지 지역별로 측정된 최적의 경사각을 갖도록 제어하여 발전하는 실시 예이다.
Table 5 A5 월간 발전 효율 (%)
위에서 살펴 본 바와 같이 실시 예 1 내지 4보다 효율이 향상됨을 알 수 있으며, 태양광발전 모듈이 남쪽으로 제어되면, 남향 최적 경사각으로 유지하여 운영하는 부분에서 실시 예 4(A4)와 차이가 있고, 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 남쪽방향으로 운영시에 전면 발전이 수직으로 유지하는 경우보다 발전량이 많으며, 후면 발전도 약간 발생하기 때문에 월간 발전효율이 높아지고, 오전 오후 수직으로 운영함으로써 겨울철에도 오전 오후 발전량이 증가하여 실시 예 1(A1)보다 발전 효율이 높음을 알 수 있다.
도 13과 도 14는 본원 발명의 제6 실시 예(A6)로서, 제1 제어장치로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면을 태양의 고도를 따라 움직이는 추적(Tracking)제어를 도입하여 상기 자세각도를 제어하고, 상기 제2 제어장치로 양면수광형 태양광발전 모듈의 수광면이 수평면에 대해서 90°를 이루는 각도로 고정되도록 제어하는 조건으로 발전하는 실시 예이다.
Table 6 A6 월간 발전 효율 (%)
위의 테이블에서 나타난 바와 같이 서울은 1월에 최대 37%, 7월에 최소 -5%, 대전은 1월에 최대 43%, 7월에 최소 -4%, 제주는 12월에 최대 23%, 6월에 최소 1.5%의 효율을 보여주며, 도 12와 도 13에는 실시 예 6(A6)의 월간 발전 효율은7월을 제외하고는 향상됨을 내고, 여름철 오전 오후 발전량은 단면 수광 태양광 발전 모듈보다 조금 많으나 정오의 발전량은 상대적으로 많이 줄어듦을 나타내고 있다.
도 15와 도 16은 본원 발명의 제7 실시 예(A7)로서, 제1 제어장치로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면을 태양의 고도를 따라 움직이는 추적(Tracking)제어를 도입하여 상기 자세각도를 제어하고, 상기 제2 제어장치로 양면수광형 태양광발전 모듈의 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 경사각도를 최적 경사각으로 움직이는 추적(Tracking)제어를 도입하여 제어하는 조건으로 발전하는 실시 예이다.
도 15와 도 16에 도시된 내용과 아래 테이블에서 나타난 바와 같이 이론상으로는 가장 높은 발전 효율을 나타내야 하나, 실제에 있어서는 이론과 차이가 있음을 알 수 있다.
Table 7 A7 월간 발전 효율 (%)
전체적으로 단면 수광 태양광 발전 모듈에 대비 효율이 좋지만, 앞서 비교한 7가지의 실시 예에서 연간 발전 효율은 두 번째로 높았고, 실시 예 5(A5)보다는 떨어짐을 알 수 있다.
본원 발명의 실시 예를 서울, 대전, 제주에서 실시한 것을 종합하여 보면,
Table 8. 서울지역의 실시 예별 월간 발전량[Unit : W]
Table 9. 대전지역의 실시 예별 월간 발전량[Unit : W]
Table 10. 제주지역의 실시 예별 월간 발전량[Unit : W]
위의 테이블에서와 같이, 최고 효율을 위해서는 10월에서 2월까지의 동절기에는 실시 예 6(A6)을 선택하여 제1 제어장치로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면을 태양의 고도를 따라 움직이는 추적(Tracking)제어를 도입하여 상기 자세각도를 제어하고, 상기 제2 제어장치로 양면수광형 태양광발전 모듈의 수광면이 수평면에 대해서 90°를 이루는 각도로 고정되도록 발전하며,
상기 동절기를 제외한 3월에서 9월에는 실시 예 5(A5)을 선택하여 P1 > P2 인 경우는 제1 제어장치로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하고, P1 < P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 남쪽을 뒷면은 북쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하며, P2 < P3 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어하며, 제2 제어장치로 P1 < P2 인 경우에 시작하여 P2 < P3 인 경우가 될 때까지 지역별로 측정된 최적의 경사각을 갖도록 제어하여 발전하는 방식을 선택하면 연간 최고의 발전량을 생산하는 효과가 있다.
또한, 동일한 조건에서라면 전체적인 발전량을 살펴보더라도 단면 수광형 태양광 발전장치(M) 보다는 양면 수광형 태양광 발전장치(A1)가 높은 발전량을 생산하는 효과가 있다.
또한, 상기 제1 모듈의 발전량인 P1과, 상기 제2 모듈의 발전량인 P2와, 상기 제3 모듈의 발전량인 P3와의 관계를 분석하여 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 경사각도를 제어하도록 형성된다.
그리고 상기 제1 모듈의 발전량인 P1이 상기 제2 모듈의 발전량인 P2 보다 크거나, 상기 제3 모듈의 발전량인 P3이 상기 제2 모듈의 발전량인 P2 보다 클 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 경사각도는 지면과 수직인 90도로 제어하도록 형성할 수 있다.
또한, 상기 제2 모듈의 발전량인 P2가 상기 제1 모듈의 발전량인 P1 또는 상기 제3 모듈의 발전량인 P3 보다 클 경우에는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 경사각도는 지면과 수직인 90도로 제어하거나 또는 지역별로 측정된 최적의 경사각을 갖도록 제어하거나, 또는 0도로 제어하는 것 중의 하나를 선택하여 제어하도록 형성한다.
또한, 상기 1월 내지 12월까지 상기 자세각도를 제어하여 발전하되 상기 자세각도는 P1 > P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하고, P1 < P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 남쪽을 뒷면은 북쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하고, P2 < P3 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전하도록 형성된다.
또한, 상기 1월 내지 12월까지 상기 경사각도를 제어하여 발전하되, 1월 및 2월과 10월 내지 12월에는 상기 경사각도를 P1, P2, P3의 상태와 관계없어 지면에 수직인 90도로 고정한 상태로 제어하고, 3월 내지 9월까지는 P1 < P2 인 경우와 P3 < P2 인 경우 지면에 수직인 90도로 고정한 상태로 제어하고, P2 > P1 인 경우에는 지면과 수직인 90도로 제어하거나, 지역별로 측정된 최적의 경사각을 갖도록 제어하거나, 0 도로 제어하는 것 중의 하나를 선택하여 제어하여 발전할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.
P1 : 제1 모듈의 발전량
P2 : 제2 모듈의 발전량
P3 : 제3 모듈의 발전량
A시점 : P1 > P2 가 되는 시점
B시점 : P2 > P3 가 되는 시점
100 : 기준태양광 발전 모듈
200 : 제어부
300 : 자세각도구동부
400 : 경사각도구동부
500 : 양면 수광형 태양광 발전 모듈
M : 단면 수광형 태양광 발전장치
A1 :제 1실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A2 :제 2실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A3 :제 3실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A4 :제 4실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A5 :제 5실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A6 :제 6실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A7 :제 7실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A1 :제 1실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
P2 : 제2 모듈의 발전량
P3 : 제3 모듈의 발전량
A시점 : P1 > P2 가 되는 시점
B시점 : P2 > P3 가 되는 시점
100 : 기준태양광 발전 모듈
200 : 제어부
300 : 자세각도구동부
400 : 경사각도구동부
500 : 양면 수광형 태양광 발전 모듈
M : 단면 수광형 태양광 발전장치
A1 :제 1실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A2 :제 2실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A3 :제 3실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A4 :제 4실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A5 :제 5실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A6 :제 6실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A7 :제 7실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
A1 :제 1실시 예에 따른 양면 수광형 태양광 발전장치
Claims (8)
- 앞면과 뒷면이 모두 태양광 발전이 가능한 양면 수광형 태양광 발전 모듈을 적용한 태양광 발전장치에 있어서
월별로 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면과 뒷면이 바라보는 방위에 따른 자세각도와, 지면과 이루는 경사 각도를 제어하여 발전하는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 태양광 발전장치.
- 제 1항에 있어서
상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈장치에는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈장치의 상기 자세각도와 상기 경사 각도를 제어하기 위해 제어하고자 하는 시점의 각 방위별 발전량을 판단하는 기준 태양광 발전 모듈이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 태양광 발전장치.
- 제 2항에 있어서
상기 기준 태양광 발전 모듈은 앞면만 태양광 발전이 가능한 단면 태양광 발전 모듈을 사용하되 상기 단면 태양광 발전 모듈은 각각의 방위를 향하도록 배치되어, 각각의 방위별로 발전되는 발전량을 판단하는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 태양광 발전장치.
- 제 3항에 있어서
상기 기준 태양광 발전 모듈은 크기가 동일한 단면 태양광 발전 모듈 3개를 사용되되 지면에 수직이면서 앞면이 동쪽을 향하도록 설치된 제1 모듈과, 지면에 수직이면서 앞면이 남쪽을 향하도록 설치된 제2 모듈과, 지면에 수직이면서 앞면이 서쪽을 향하도록 설치된 제3 모듈로 형성된 것을 특징으로 하는 양면 수광형 태양광 발전장치.
- 제 4항에 있어서
상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈에는 상기 자세각도를 제어하는 제1 제어장치와, 상기 경사 각도를 제어하는 제2 제어장치가 더 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 태양광 발전장치.
- 제 5항에 있어서
상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈은 태양이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 질 때까지의 경로에 맞추어 상기 자세각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 태양광 발전장치.
- 제 6항에 있어서
상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 자세각도는 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈과 상기 제3 모듈의 발전량을 기준하여 변경하되, 상기 제1 모듈의 발전량을 P1이라 하고, 상기 제2 모듈의 발전량을 P2이라 하며, 상기 제3 모듈의 발전량을 P3이라 할 때,
P1 > P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하고,
P1 < P2 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 남쪽을 뒷면은 북쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하며,
P2 < P3 인 경우는 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 앞면은 동쪽을 뒷면은 서쪽을 향하도록 제어되어 발전을 하는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 태양광 발전장치.
- 제 7항에 있어서
상기 제1 모듈의 발전량인 P1과, 상기 제2 모듈의 발전량인 P2와, 상기 제3 모듈의 발전량인 P3와의 관계를 분석하여 상기 양면 수광형 태양광 발전 모듈의 경사각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 태양광 발전장치.
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| KR1020190008334A KR102207664B1 (ko) | 2019-01-22 | 2019-01-22 | 태양의 위치에 따라 최적 조건으로 발전할 수 있도록 자동제어하는 양면 수광형 태양광 발전장치 |
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2019
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