KR20220082995A - 반사형 태양광 발전 시스템 - Google Patents

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KR20220082995A
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Abstract

본 발명은 영농용이나 수상용에 적합하게 사용될 수 있는 태양광을 반사하는 반사체를 구비하는 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양광 발전 시스템은, 태양전지 패널과, 상기 태양전지 패널과 소정 간격 이격되어 배치되는 반사체를 포함하고, 상기 반사체에 있어서 상기 태양전지 패널과 대향하는 면 중에서 적어도 상부가 불록하게 굴곡진 곡면형으로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.

Description

반사형 태양광 발전 시스템 {Reflective Solar Cell System}
본 발명은 영농용이나 수상용에 적합하게 사용될 수 있는 태양광을 반사하는 반사체를 구비하는 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
지구 온난화와 일본에서의 원전 사고 등으로 인하여 지속가능하면서 안전하게 사용할 수 있는 에너지로서 재생에너지에 대한 관심과 필요성이 부각되고 있다. 화석 연료에 대한 의존도가 높은 국내에서도 태양광 발전은 필연적으로 방안으로써 보급이 추진되고 있으며 정책적인 지원도 활발하게 이루어지고 있다.
그러나 육상에서 이루어지고 있는 현재의 태양광 발전 시스템은 주로 산림과 농지에 설치되고 있어, 자연을 훼손할 뿐 아니라 주위의 동식물에도 악영향을 끼칠 가능성에 대한 우려가 있다.
이러한 상황을 개선하기 위하여 적용되고 있는 영농용 태양광 발전은 농지를 경작하면서 동시에 태양광 발전을 병행하는 방법으로, 일조량의 약 30%를 태양광 발전에 이용하고 나머지는 농작물 생산에 이용하여 수확량을 80% 이상 유지할 수 있어, 농가의 부가가치를 개선하고 농촌을 활성화할 수 있는 대안으로 부각되고 있다.
그런데 영농용 태양광 발전에는 농작물의 작황이 일정 이상 유지되어야 하므로 일조량 보전을 위해, 통상 지면으로부터 높게 설치되는 지지대 상에 32셀과 같은 협소형 태양전지 패널을 설치하여 적용한다.
태양전지 패널이 부착되는 구조물은 지지대, 트러스형 지지대, 독립형 지지대를 포함하고 지상에서 3m 이상의 이격 높이를 가지며 차광율은 약 30%를 유지하도록 설치하는 것이 일반적이다. 그리고 농지 면적에 대비하여 설치되는 패널의 면적에도 제한이 있어 단위 면적당 발전량에 한계가 있는 문제가 있다.
한편, 수상 태양광 발전은 호수나 바다 등의 유휴 수면을 자원으로 활용할 수 있고 수면을 통한 자연 냉각 효과를 가질 수 있어, 태양광 발전량의 향상에 유리한 것으로 기대되고 있으나, 발전효율을 더 향상시킬 필요가 있다.
공개특허공보 제2020-0134065호
본 발명의 목적은 농작물이 재배되는 농지에 설치되는 태양전지의 차광율을 낮추면서도 발전효율을 유지하거나 높일 수 있는 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 해상 또는 수상에 설치되는 태양전지의 발전효율을 높일 수 있는 태양광 발전 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 태양전지 패널과, 상기 태양전지 패널과 소정 간격 이격되어 배치되는 반사체를 포함하고, 상기 반사체에 있어서 상기 태양전지 패널과 대향하는 반사면 중에서 적어도 일부가 볼록한 곡면으로 이루어져 있는, 태양광 발전 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 태양광 발전 시스템에서는 반사체의 반사면 상부는 표면을 향하여 볼록한 형태의 곡면을 가지기 때문에 입사광이 상대적으로 고각도로 반사되고 반사면의 하부는 입사광이 상대적으로 저각도로 반사되기 때문에, 대향하는 위치에 배치되는 태양전지 패널의 전면을 조사할 수 있어 태양전지 패널의 발전효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 반사체의 하면은 상기 태양전지 패널에 연접하거나 소정 간격 이격되어 부착될 수 있다. 반사체의 하면과 태양전지 패널 간의 간격은 설치되는 장소와 차광율을 고려하여 조절될 수 있으며, 차광율을 고려할 때 연접하여 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 태양광 발전 시스템은 지지대를 더 포함하고, 상기 지지대 상에 상기 태양전지 패널과 상기 반사체가 배치되게 할 수 있다. 상기 지지대는 태양광 발전 시스템에 의한 음영을 최소화하기 위한 것으로 지상으로부터 일정 이상의 높이(통상 3m 이상)를 가지는 것이 사용될 수 있다. 또한, 지지대의 형상은 트러스 형상이나 독립 지주 형상 등 다양한 것이 사용될 수 있으며, 지지대의 형상은 농작물 재배에 큰 영향(예를 들어, 차광율)을 주지 않는 범위 내에서 다양한 형상의 것이 사용될 수 있다.
또한, 상기 태양전지 발전 시스템은 농작물이 재배되는 농지에 설치되는 것일 수 있다. 본 발명에 따른 태양전지 발전 시스템은 농지에의 차광율을 최소화하면서 발전량을 유지할 수 있는 구조이므로 영농용으로 적합하게 사용될 수 있다.
또한, 상기 태양전지 패널은 지면과의 경사각이 60 ~ 120°가 되도록 설치될 수 있다. 태양전지 패널이 지면에 대해 설치되는 각도는 태양광 발전 시스템에 의한 차광율에 직접적으로 영향을 미치는 인자이다. 따라서 태양전지 패널은 최대한 세워진 형태로 설치되는 것이 바람직하다. 지면에 대한 설치각도가 60 ~ 120°를 벗어날 경우 본 발명에 목적하는 농작물에 대한 차광율 저감이라는 효과를 얻기 어렵기 때문에 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 각도는 80 ~ 100°이다.
또한, 상기 반사체의 높이는 상기 태양전지 패널의 높이 이하일 수 있다. 상기 반사체의 높이가 높아질수록 차광율이 높아질 뿐 아니라, 반사체의 높이가 높아질 경우 반사체의 상부면에서 반사되는 고각도 반사광이 태양전지 패널에 반사되지 않게 되므로 1/2 이하가 바람직하다.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 태양전지 패널과 반사체의 하부에 배치되어 상기 태양전지 패널과 반사체를 수상에서 부유하도록 하는 부유 구조체와, 상기 부유 구조체 상에 배치되어 태양전지 패널에 파도가 충돌하는 것을 방지하는 방파 구조체를 더 포함하고, 상기 방파 구조체에 상기 반사체가 형성되는, 태양광 발전 시스템을 제공한다. 이 시스템에서는 태양전지 패널을 보호하는 방파 구조체에 반사체를 형성함으로써, 태양전지 패널의 보호와 함께 반사광에 의해 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 부유 구조체는 방파 구조체를 포함할 수 있다. 즉, 부유 구조체와 방파 구조체를 일체로 형성할 수 있다. 이를 통해 부유 구조체와 방파 구조체의 안정성을 높일 수 있다.
또한, 상기 반사체는 상기 방파 구조체에 일체로 형성될 수 있다. 즉, 방파 구조체의 경사면에 반사체를 형성할 수 있다.
또한, 상기 반사체는 그 하면과 상기 태양전지 패널의 하면이 이루는 내각이 60 ~ 150°가 되도록 경사지게 설치될 수 있다. 이는 상기 설치 각도가 60 ~ 150°의 범위를 벗어나는 경우, 지면에 대한 차광율이 높아지거나 발전효율이 저하되기 때문이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 태양광 발전 시스템에서는 태양전지 패널을 지면에 대해 고각도로 설치하고 태양전지 패널에 인접하여 곡면형을 포함하는 반사체를 설치함으로써 발전량을 보전함과 동시에 농지에 대한 차광율을 줄일 수 있다. 이에 따라 단위 면적당 농작물의 생산량 및/또는 발전량을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 태양광 발전 시스템에서는 반사체가 태양전지 패널을 보호하는 방파 구조물에 형성되도록 함으로써, 태양전지 패널의 보호와 발전량 향상을 함께 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 영농용 태양광 발전 시스템의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 영농용 태양광 발전 시스템의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 사용된 곡면형 반사체의 반사각도를 설명하기 위한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1과 종래의 영농용 태양광 발전 시스템의 차광면적을 비교한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 수상용 태양광 발전 시스템의 측면도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 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.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 영농용 태양광 발전 시스템의 측면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 영농용 태양광 발전 시스템의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예 1에 사용된 곡면형 반사체의 반사각도를 설명하기 위한 것이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 영농용 태양광 발전 시스템(100)은, 지면에 고정되는 지지대(110)와, 상기 지지대(110)의 상부 일측에 고정되는 거치대(120)와, 상기 거치대(120) 상에 거치되면서 상기 지지대(110)에 고정되는 태양전지 패널(130)과, 상기 태양전지 패널(130)로부터 소정 거리 이격되어 경사지게 배치되는 반사체(140)를 포함하여 이루어진다.
상기 지지대(110)는 농작물이 재배되는 농지에 대략 수직하게 세워지는 것으로 금속, 콘크리트와 같은 재료로 이루어진 봉상으로 이루어진 것이 사용된다. 상기 지지대(110)의 일단은 농지에 설치되는 콘크리트와 같은 고정대에 견고하게 고정된다. 상기 지지대(110)는 지지대(110)에 결합되는 거치대(120)와 태양전지 패널(130)과의 결합을 용이하게 하기 위하여 원형 또는 다각형의 관형 부재로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 실시예 1에서는 독립 지주형으로 이루어진 지지대를 제시하였으나, 트러스트 형과 같이 다양한 형상의 지지대가 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 거치대(120)는 상기 지지대(110)의 상단으로부터 소정 거리 아래에 상기 지지대(100)에 대해 수직하게 설치되는 판상의 부재이다. 상기 거치대(120)를 지지대(110)에 고정시키는 체결수단은 볼트와 너트와 같이 공지의 다양한 체결수단이 사용될 수 있다.
상기 태양전지 패널(130)은 태양전지 셀을 고정하는 대략 사각형의 프레임의 내부에 하나 또는 다수의 태양전지 셀이 고정된 형태로 이루어진 것으로, 입사되는 태양광에 의해 발전을 수행하는 모듈이다. 상기 태양전지 패널(130)에는 발전된 전기를 외부로 전달하기 위한 출력단자를 구비하고 있다.
상기 태양전지 패널(130)의 하부 프레임은 상기 거치대(120)에 볼트와 같은 체결수단을 통해 고정되고, 상기 태양전지 패널(130)의 상부 프레임은 상기 지지대(110)에 볼트와 같은 체결수단을 통해 고정 설치된다. 이때 태양전지 패널(130)은 지면에 대해 대략 수직하게 고각도로 설치되어 있다. 본 발명의 실시예 1에서는 태양전지 패널(130)을 지면에 대해 수직하게 설치하였으나, 전술한 바와 같이, 60 ~ 120°의 범위 내에서 약간 경사지게 설치할 수도 있다. 태양의 차광 면적이 큰 태양전지 패널(130)을 지면에 대해 고각도로 설치하게 되면 태양전지 패널(130)의 아래에서 경작되는 경작물에 대한 차광율을 크게 줄일 수 있다.
상기 반사체(140)는 도면 상 상부는 볼록하게 굴곡지고 하부는 편평한 형상으로 이루어진 판상의 기판의 일면에 태양광을 반사할 수 있는 반사층이 형성된 것이다. 상기 반사체(140)의 하부는 상기 거치대(120)에 볼트와 같은 체결수단을 사용하여 상기 태양전지 패널(130)에 대해 소정의 각도로 경사지게 배치된다.
이때 상기 반사체(140)의 설치 각도는 상기 반사체(140)의 편평한 하부와 태양전지 패널(130)의 하부가 이루어는 내각이 60 ~ 150°가 되도록 설치되는 것이 바람직하다. 상기 각도가 60°미만일 경우 발전효율이 저하되고, 150°를 초과할 경우 반사체(140)에 의한 차광면적이 증가하여 차광율이 높아지기 때문이다.
본 실시예에서는 반사체 상부에 곡면 형상을 포함하는 것에 대하여 기술하였으나 그밖에 상부 및 하부면 또는 좌우면에 대해서도 곡면 형상을 갖도록 적용하거나, 전체적으로 곡면 형상(반구형을 포함)을 갖도록 적용하더라도 차광율을 감소시키는 효과를 얻을 수 있으므로 곡면 형상을 반사체에 전반적으로 확대하여 적용하는 것도 포함한다.
또한, 상기 반사체(140)의 높이는 상기 태양전지 패널(130)의 높이에 대해 그 이하가 되도록 설치되는 것이 바람직한데, 이를 초과하게 되면 상기 반사체(140)의 상부에서 고각도로 반사되는 태양광이 상기 태양전지 패널(130)로 입사되지 않는 것이 많아질 뿐 아니라, 차광면적이 증가하기 때문이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 사용된 곡면형 반사체의 반사각도를 설명하기 위한 것이다.
도 3에서 확인되는 것과 같이, 실시예 1의 곡면형 반사체의 상부는 볼록하게 굴곡되어 있기 때문에, 입사광이 태양전지 패널에 대해 상대적으로 고각도로 반사되고, 편평한 하부에서는 입사광이 태양전지 패널에 대해 상대적으로 저각도로 반사된다. 본 발명에서 '상대적으로 고각도로 반사된다'는 것은 지면에 대한 반사각도가 크다는 의미하고, '상대적으로 저각도로 반사된다'는 것은 지면에 대한 반사각도가 작다는 의미이다.
이에 따라, 반사체의 굴곡진 상부에서 고각도로 반사된 반사광은 근접하게 배치되더라도 태양전지 패널(130)의 상부로 향하게 되고, 반사체의 편평한 하부에서 반사된 반사광은 태양전지 패널(130)의 하부로 향하게 된다. 이를 통해, 반사체의 크기가 패널의 크기보다 협소하더라도 고각도 경사각의 패널 전면에 태양광이 반사됨으로써 패널과 반사체에 의한 음영을 최소화할 수 있고 차광율을 낮게 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 1과 종래의 영농용 태양광 발전 시스템의 차광면적을 비교한 것이다.
도 4에 도시된 것과 같이, 종래 지면에 대해 저각도의 경사각으로 설치된 태양전지 패널과 이 태양전지 패널에 인접하여 설치된 평면형 반사체를 적용한 경우와, 고각도의 경사각으로 설치된 태양전지 패널에 곡면형 부분을 포함하는 반사체를 적용한 경우를 비교하면, 각각에 수직광이 입사하는 경우를 상정할 때, 본 발명의 실시예 1에 따른 경우가 종래의 예에 비해 음영의 면적이 현저하게 감소됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예 1에 따른 영농용 태양광 발전 시스템이 종래의 영농용 태양광 발전 시스템에 비해 차광율을 현저하게 줄이거나, 동일한 차광율에는 더 나은 발전효율을 얻을 수 있다.
[실시예 2]
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 수상형 태양광 발전 시스템의 측면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 수상형 태양광 발전 시스템(200)은, 수면에 배치되어 부력을 제공하는 부유체(210)와, 상기 부유체(210)의 상부 일측에 고정되는 방파체(220)와, 상기 부유체(210)의 상부 타측에 고정되는 거치대(230)와, 상기 거치대(230)에 고정되는 태양전지 패널(240)과, 상기 방파체(220)에 형성되는 반사체(250)를 포함하여 이루어진다.
상기 부유체(210)는 대략 직육면체 형상으로 이루어지고 필라멘트 와인딩 방식에 의해 제작하며, 내부에는 스티로폼 알갱이를 충전하여 외부 충격에 의해 부유체가 파손을 입었을 경우에도 부유체의 기능을 소정 기간 유지하여 보수할 수 있도록 하는 것이 일반적이다.
상기 방파체(220)는 대략 판상의 부재로 이루어지고, 내부식성이 우수하고 단위중량당 강도가 큰 구조용 부재로써 대량생산이 가능한 PFRP(Pultruded Fiber Reinforced Polymeric Plastic)을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 방파체(220)는 수면에서 발생하는 파도가 태양전지 패널로 넘어가 태양전지 패널을 파손시키는 소위 월파 방지를 위한 상기 태양전지 패널(240)에 대해 소정 각도 경사지게 배치된다. 또한, 상기 방파체(220)에서 상기 태양전지 패널(240)에 대향하는 면의 상부는 볼록하게 굴곡진 굴곡면을 가지며, 하부는 편평한 면을 가지도록 형성된다.
본 실시예에서는 반사체 상부에 곡면 형상을 포함하는 것에 대하여 기술하였으나 그밖에 상부 및 하부면 또는 좌우면에 대해서도 곡면 형상을 갖도록 적용하거나, 전체적으로 곡면 형상(반구형을 포함)을 갖도록 적용하더라도 차광율을 감소시키는 효과를 얻을 수 있으므로 곡면 형상을 반사체에 전반적으로 확대하여 적용하는 것도 포함한다.
상기 거치대(230)는 상기 부유체(210) 상에 상기 태양전지 패널(240)을 고정하기 위한 지지용의 구조물로 상기 거치대(230)로는 봉상의 파이프재가 사용된다.
상기 태양전지 패널(240)은 태양전지 셀을 고정하는 대략 사각형의 프레임의 내부에 하나 또는 다수의 태양전지 셀이 고정된 형태로 이루어진 것으로, 입사되는 태양광에 의해 발전을 수행하는 모듈이다. 상기 태양전지 패널(240)에는 발전된 전기를 외부로 전달하기 위한 출력단자를 구비하고 있다.
상기 태양전지 패널(240)은 상기 거치대(230)에 의해 수면에 대해 소정 각도로 경사지게 배치된다.
상기 반사체(250)는 상기 방파체(220)의 태양전지 패널(240)을 대향하는 면에 부착되는 것으로, 상기 고분자 필름이나, 스테인레스 강 박판 등의 비금속 및 금속 재료를 포함하는 기판과, 상기 기판 상에 형성되는 수지필름과, 상기 수지필름 상에 형성되는 반사층과, 상기 반사층 상에 형성되는 보호층을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 반사체(250)는 상기 방파체(220) 상에 접착, 접합 또는 체결 방식등으로 결합될 수 있다.
이와 같이 곡면 형상으로 이루어진 반사체(250)를 이용하여 태양전지 패널(240)에 태양광이 반사되도록 설치하면 반사체(250)의 크기를 축소하면서도 태양전지 패널(240)의 전면에 대하여 고각도 및 저각도 반사광을 만들 수 있으므로 발전량을 개선할 수 있다. 즉, 수직 경사각으로 설치된 태양전지 패널에 대하여 곡면형 및 평면형을 포함하는 반사체를 적용한 결과, 반사체 없이 30도 경사각으로 설치된 모듈에 비교하여 일사량이 변화함에 따라 5.7~13.5% 범위에서 일중 발전량이 향상되는 것을 확인하였다.
100: 영농용 태양광 발전 시스템
110: 지지대
120: 거치대
130: 태양전지 패널
140: 반사체
200: 수상용 태양광 발전 시스템
210: 부유체
220: 방파 구조체
230: 거치대
240: 태양전지 패널
250: 반사체

Claims (11)

  1. 태양전지 패널과, 상기 태양전지 패널과 소정 간격 이격되어 배치되는 반사체를 포함하고,
    상기 반사체에 있어서 상기 태양전지 패널과 대향하는 반사면 중에서 적어도 일부가 볼록한 곡면으로 이루어져 있는, 태양광 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사체의 하면이 상기 태양전지 패널에 연접하여 부착되어 있는, 태양광 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    지지대를 더 포함하고,
    상기 지지대 상에 상기 태양전지 패널과 상기 반사체가 배치되는, 태양광 발전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 태양광 발전 시스템은 농작물이 재배되는 농지에 설치되는, 태양광 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 태양전지 패널은 지면과의 경사각이 60 ~ 120°가 되도록 설치되는, 태양광 발전 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 태양전지 패널은 지면과의 경사각이 80 ~ 100°가 되도록 설치되는, 태양광 발전 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사체의 높이는 상기 태양전지 패널의 높이 이하인, 태양광 발전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지 패널과 반사체의 하부에 배치되어 상기 태양전지 패널과 반사체를 수상에서 부유하도록 하는 부유 구조체와,
    상기 부유 구조체 상에 배치되어 태양전지 패널에 파도가 충돌하는 것을 방지하는 방파 구조체를 더 포함하고,
    상기 방파 구조체에 상기 반사체가 형성되는, 태양광 발전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 부유 구조체는 방파 구조체를 포함하는, 태양광 발전 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 반사체는 상기 방파 구조체에 일체형으로 부착되는, 태양광 발전 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사체는 그 하면과 상기 태양전지 패널의 하면이 이루는 내각이 60 ~ 150°가 되도록 경사지게 배치되는, 태양광 발전 시스템.
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