WO2026010060A1 - 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치 - Google Patents

유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치

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WO2026010060A1
WO2026010060A1 PCT/KR2025/003090 KR2025003090W WO2026010060A1 WO 2026010060 A1 WO2026010060 A1 WO 2026010060A1 KR 2025003090 W KR2025003090 W KR 2025003090W WO 2026010060 A1 WO2026010060 A1 WO 2026010060A1
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thermal expansion
temperature
fluid
formula
cylinder
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최상완
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Korea Hydro and Nuclear Power Co Ltd
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a solar power generation tilt-variable device using fluid thermal expansion, which is installed between a fixed structure and a solar panel and adjusts the angle of the solar panel according to the altitude of the sun.
  • Korean Patent Publication No. 10-2010-0081616 discloses a solar tracking device using a thermal expansion fluid, which uses solar heat and a thermal expansion fluid whose volume expands due to solar heat as a driving source to rotate the solar collection panel in a direction that tracks the sunlight according to the direction of the sun, thereby saving energy by eliminating the need for a driving motor or the like to rotate the solar collection panel.
  • a solar tracking device using a thermal expansion fluid comprises a support pillar erected on the ground, a swing axis supported on the support pillar so as to be rotatable left and right, and a solar collection panel connected to the swing axis by a connecting frame so as to be rotated integrally with the swing axis around the swing axis.
  • It has a pair of light-receiving sections in which a thermal expansion fluid that expands in volume as the temperature rises is filled inside, and the collector plates are arranged so that the solar heat collected by each collector plate differs depending on the direction of the sun.
  • It has a pair of thermal expansion cylinders each having a rod that is connected to the inside of a pair of light-receiving sections and moves forward and backward according to the pressure of thermal expansion fluid flowing into the body.
  • It includes a power transmission means that is driven by the displacement difference between the loads of the thermal expansion cylinder and rotates the solar collector panel in a direction that tracks the sunlight according to the direction of the sun.
  • a solar automatic tracking device using a thermally expandable fluid that tracks the position of the sun and focuses sunlight while positioning the solar panel so that it is as perpendicular to the sun as possible is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1854111.
  • a solar automatic tracking device using a thermal expansion fluid is provided with a fluid mining tank including a first fluid mining tank and a second fluid mining tank filled with a thermal expansion fluid, which are arranged left and right on both ends of the lower part of the solar panel that receives solar heat.
  • first fluid mining tank It is arranged adjacent to the first fluid mining tank, and includes a first cylinder whose upper part is connected to a solar panel by a rotary joint, a body capable of containing a thermal expansion fluid therein, a sealing ring inserted into the body and raised and lowered, a spring arranged below the sealing ring and elastically deformed according to the pressure of the thermal expansion fluid, and a connecting part connected to the cylinder and the fluid mining tank.
  • the first cylinder is configured to include a first cylinder body having an internal space, and a first cylinder rod inserted into the first cylinder body and moved up and down according to the pressure of a thermal expansion fluid.
  • the fluid absorption tank is configured to include a sealing ring that is inserted into the body and raised, a spring and cylinder that are placed under the sealing ring and elastically deformed according to the pressure of the thermally expanding fluid, and a connecting part that is connected to the fluid collection tank.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. KR 10-2010-0081616 A (July 15, 2010)
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication KR 10-1854111 B1 (June 14, 2018)
  • the purpose of the present invention is to provide a solar power tilt-variable device installed between a fixed structure and a solar panel, which automatically adjusts the angle of a solar panel for solar power generation to match the altitude of the sun by using fluid thermal expansion.
  • the solar power generation tilt variable device using fluid thermal expansion of the present invention includes a thermal expansion cylinder device and an automatic deviation correction device that simultaneously corrects deviations in the altitude and inclination angle of the solar panel.
  • the thermal expansion cylinder device of the present invention is composed of a thermal expansion fluid, a main piston, and a cylinder, and is configured such that the thermal expansion fluid is filled inside the cylinder, and the volume of the filled thermal expansion fluid expands or contracts according to the temperature (hereinafter, in the present invention, the temperature is used interchangeably as “air temperature” depending on the weather) to move the main piston in the longitudinal direction.
  • the linear displacement of the thermal expansion cylinder device installed between the solar panel of the present invention and the fixed structure is configured to contract when the ambient temperature (air temperature) is low, such as in the winter solstice, to increase the inclination angle of the solar panel, and the thermal expansion cylinder device is configured to expand when the air temperature is high, such as in the summer solstice, to decrease the inclination angle of the solar panel.
  • the automatic deviation correction device of the present invention comprises an expansion volume receiving device, a spring, an auxiliary piston, a check valve, and a push rod, and the main piston is configured such that its forward length is limited after the upper limit setting value is set.
  • the check valve is opened by the pressure of the thermal expansion fluid of the present invention, allowing the fluid to flow into the over-expansion volume receiving device, the auxiliary piston retracts to compress the spring, and when the maximum temperature is reached and the device descends again, the check valve is closed by the spring elasticity and pressure deviation.
  • the check valve (10) remains closed, and the stroke length is reduced as the main piston retreats due to the contraction of the thermal expansion fluid.
  • the main piston continues to retreat, and when the check valve push rod is forcibly retreated near the minimum point, which is the lower limit setting value, the check valve opens again, and the high-pressure thermal expansion fluid in the over-expansion volume receiving device flows into the main cylinder, and this continues until the minimum temperature, and when the temperature rises again, the main piston advances and the check valve remains closed.
  • the check valve is closed in the spring, which is the temperature rising section, the check valve is opened in the summer, which is the temperature range from the upper limit to the highest temperature, the check valve is closed in the fall, which is the temperature falling section, and the check valve is opened in the winter, which is the temperature range from the lower limit to the lowest temperature.
  • the solar altitude that changes according to the season corresponds to the linear displacement of the following thermal expansion cylinder device and the inclination angle of the solar panel in the following (Formula 1) and (Formula 2) relationships
  • the length of the thermal expansion cylinder device is automatically adjusted to compensate for the deviation of the solar altitude and temperature.
  • the length adjustment of the thermal expansion cylinder device is configured to correct the expansion length of the thermal expansion cylinder device to a positive (+) value in the temperature rising section from the winter solstice to the summer solstice, thereby increasing the length of the device, and to correct it to a negative (-) value in the temperature decreasing section from the summer solstice to the winter solstice, thereby decreasing the length of the device.
  • the expansion length of the thermal expansion cylinder device is adjusted so that the inclination angle of the solar panel is corrected according to the following (Formula 3), and the maximum and minimum lengths are limited in summer (June to August) and winter (December to February), respectively, and the length of the thermal expansion cylinder device is automatically adjusted according to the relationship between the solar altitude and the temperature, thereby varying the inclination angle of the solar panel.
  • ⁇ is a correction value (design variable) that is positive (+) when the temperature rises and negative (-) when the temperature falls.
  • the thermal expansion fluid storage unit and the cylinder are separated, and the thermal expansion fluid storage unit and the cylinder are configured as a separate structure connected by a tube.
  • the principle of amplification using the area ratio which is the difference in the cross-sectional areas of the main piston and the auxiliary piston, is applied, and the displacement and inclination angle in the case where there is no thermal expansion of the hydraulic oil of the amplification section are characterized in that they change in response to the related relations of the following (Formula 6) and (Formula 7).
  • the automatic deviation correction device of the present invention comprises a piston shaft, an adjusting device, a spring, a damper, a latch, a push rod, and a guide.
  • the main piston continues to advance due to the expansion of the thermal expansion fluid as the temperature rises, and when it reaches the upper limit set value, the longitudinal displacement is limited by the guide.
  • the main piston advances to compress the spring and the piston shaft is locked by a latch.
  • the spring is compressed, the piston shaft remains locked, and the main piston retreats due to the contraction of the thermal expansion fluid.
  • the push rod is pushed to release the latch, the spring and adjusting device are inflated again, and a damper is provided to alleviate the shock when the latch is released.
  • the main piston advances, and when the temperature reaches the upper limit setting point, it enters a locked state limited by a latch, and in the fall, which is the temperature decreasing section, the spring is compressed, the piston shaft maintains the locked state, and the main piston retracts due to the contraction of the expanding fluid.
  • the push rod is pushed, the latch is released, and the spring and adjusting device are configured to return to the expanded state.
  • the present invention is easy to maintain because it operates automatically according to temperature without a separate driving force, and because it continuously changes according to temperature and responds to daily solar altitude changes according to the daily temperature range, it can increase power generation compared to existing fixed variable types.
  • Figures 1(a) and (b) are a schematic and a schematic diagram, respectively, of a thermal expansion cylinder used in a solar power generation tilt-variable device using fluid thermal expansion.
  • Figures 2(a) and (b) are installation drawings showing the application of a thermal expansion cylinder device of a solar power generation tilt variable device between a solar panel and a fixed structure, and installation drawings showing the state in which the tilt angle of the solar power generation tilt variable device changes according to temperature, respectively.
  • Figures 3(a) and (b) are drawings explaining the relationship between temperature and piston displacement in a thermal expansion cylinder device of a solar power generation tilt-variable device, and the relationship between temperature and the inclination angle of a solar panel in a thermal expansion cylinder device of a solar power generation tilt-variable device, respectively.
  • Figure 4 is a graph showing the relationship between solar altitude and the vertical incidence angle of the solar panel.
  • Figure 5 is a predicted graph of solar altitude tracking of a thermal expansion cylinder including a correction function for correcting solar altitude and temperature deviation of Figure 4.
  • FIGS 6(a), (b), (c), and (d) illustrate a solar power generation tilt variable device using fluid thermal expansion having a hydraulic type deviation automatic compensation device according to temperature rise and temperature drop.
  • FIGS 7(a), (b), (c), and (d) illustrate a solar power generation tilt variable device using fluid thermal expansion having a mechanical type deviation automatic compensation device according to temperature rise and temperature drop.
  • Figures 8(a) and (b) are a conceptual diagram and a manufacturing example diagram of a separate structure in which the thermal expansion fluid storage unit and the cylinder are separated to reduce the weight of the driving unit of the thermal expansion cylinder of a solar power generation tilt variable device, respectively.
  • Figures 9(a) and (b) illustrate a multi-type structure employed when distributing the load of the driving part of a thermal expansion cylinder, and an amplified structure employed when the piston stroke length must be long, respectively.
  • Figure 10 is a test photograph confirming the slope change performance as the temperature changes from low to high.
  • the present invention proposes a solar power generation tilt variable device that is installed between a fixed structure and a solar panel by using fluid thermal expansion, and automatically adjusts the angle of the solar panel according to the solar altitude.
  • Figures 1(a) and (b) are a schematic and a schematic diagram, respectively, of a thermal expansion cylinder used in a solar power generation tilt-variable device using fluid thermal expansion.
  • a thermal expansion cylinder device of a solar power generation tilt variable device using fluid thermal expansion is configured to include a thermal expansion fluid (1), a main piston (2), and a cylinder (3).
  • a thermal expansion fluid (1) is filled inside the cylinder (3), and the volume of the filled thermal expansion fluid (1) expands or contracts depending on the temperature (hereinafter, in the present invention, the temperature is used interchangeably as “air temperature” depending on the weather), thereby moving the main piston (2) in the longitudinal direction.
  • Figures 2(a) and (b) are installation drawings showing the application of a thermal expansion cylinder device of a solar power generation tilt variable device between a solar panel and a fixed structure, and installation drawings showing the state in which the tilt angle of the solar power generation tilt variable device changes according to temperature, respectively.
  • the thermal expansion cylinder device (4) is installed between the solar panel (5) and the fixed structure (6), and is configured to correspond to the solar altitude that changes with the seasons by contracting when the ambient temperature is low, such as in the winter solstice, to increase the inclination angle of the panel, and expanding when the temperature is high, such as in the summer solstice, to decrease the inclination angle.
  • Figures 3(a) and (b) are drawings explaining the relationship between temperature and piston displacement in a thermal expansion cylinder device of a solar power generation tilt-variable device, and the relationship between temperature and the inclination angle of a solar panel in a thermal expansion cylinder device of a solar power generation tilt-variable device, respectively.
  • the relationship between the inclination angle of the solar panel and temperature in a variable structure with a thermal expansion cylinder device installed is as follows.
  • the temperature is predicted using past weather data or data from the Korea Meteorological Administration.
  • the slope angle according to the expected temperature is calculated using (Formula 1).
  • the response characteristics are optimized by adjusting the thermal expansion coefficient of the fluid ( ⁇ ), the fluid filling volume (V 0 ), the piston diameter (d), and the structure installation location (a, b, c 0 ).
  • Figure 4 is a graph showing the relationship between solar altitude and the vertical incidence angle of the solar panel.
  • the black line represents the solar altitude
  • the red line represents the vertical angle of the solar panel
  • the dotted line represents the inclination angle of the thermal expansion cylinder device.
  • Figure 5 is a predicted graph of solar altitude tracking of a thermal expansion cylinder including a correction function for correcting solar altitude and temperature deviation of Figure 4.
  • the sun's altitude is at its lowest point (around June 21), but the temperature continues to rise due to energy accumulation, reaching its highest temperature in July and August.
  • a structure that simply expands according to temperature has the characteristic of following the sun's altitude slightly behind, as shown in Fig. 5.
  • the solar tracking performance of a solar panel can be improved by automatically adjusting the length of the thermal expansion cylinder device (c in Fig. 3(b)) to compensate for deviations in solar altitude and temperature.
  • the length adjustment of the thermal expansion cylinder device is performed by correcting the expansion length of the thermal expansion cylinder device to a positive (+) value in the temperature rising section from the winter solstice to the summer solstice, thereby increasing the length of the device, and by correcting it to a negative (-) value in the temperature decreasing section from the summer solstice to the winter solstice, thereby decreasing the length of the device.
  • the relationship for correcting the inclination angle by adjusting the expansion length of the thermal expansion cylinder device is as follows.
  • ⁇ is a correction value (design variable) that is positive (+) when the temperature rises and negative (-) when the temperature falls.
  • the amount of solar power generation can be increased.
  • a hydraulic or mechanical type automatic deviation correction device having a function of automatically correcting the deviation of a thermal expansion cylinder device of a solar power generation tilt variable device can be provided.
  • FIGS 6(a), (b), (c), and (d) illustrate a solar power generation tilt variable device using fluid thermal expansion having a hydraulic type deviation automatic compensation device according to temperature rise and temperature drop.
  • the hydraulic deviation automatic compensation device is equipped with an expansion volume receiving device (7), a spring (8), an auxiliary piston (9), a check valve (10), and a push rod (11).
  • the forward length of the main piston (2) is mechanically limited, and when the temperature rises beyond that, the check valve (10) is opened by the expansion pressure of the thermal expansion fluid (1), and the thermal expansion fluid (1) flows into the over-expansion volume receiving device (7).
  • the auxiliary piston (9) retracts to compress the spring (8), and when it descends again after reaching the maximum temperature, the check valve (10) closes due to the spring elasticity and pressure deviation.
  • the main piston (2) continues to retreat and forcibly retreats the check valve push rod (11) near the minimum point (lower limit setting value), which is the same as the check valve (10) opens again and the high-pressure thermal expansion fluid in the over-expansion volume receiving device (7) flows into the main cylinder (2), which continues until the lowest temperature.
  • the spring (8) can be changed to a cylinder structure with gas enclosed within it.
  • FIGS 7(a), (b), (c), and (d) illustrate a solar power generation tilt variable device using fluid thermal expansion having a mechanical type deviation automatic compensation device according to temperature rise and temperature drop.
  • the mechanical deviation automatic compensation device is equipped with a piston shaft (17), an adjusting device (20), a spring (21), a damper (22), a latch (23), a push rod (24), and a guide (25).
  • a damper (22) is provided to absorb shock when the latch (23) is released.
  • Figures 8(a) and (b) are a conceptual diagram and a manufacturing example diagram of a separate structure in which the thermal expansion fluid storage unit and the cylinder are separated to reduce the weight of the driving unit of the thermal expansion cylinder of a solar power generation tilt variable device, respectively.
  • Figure 10 is a test photograph confirming the slope change performance as the temperature changes from low to high.
  • This photo shows the slope change performance as it goes from low temperature on the left to high temperature on the right.
  • the present invention has the following advantages.
  • variable-slope structure As a variable-slope structure, it is expected to have a significant effect of more than 5% in power generation compared to a fixed structure.

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Abstract

본 발명의 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치는 열팽창 실린더장치 및 태양광 패널의 고도와 경사각을 동시에 편차를 보정을 하는 편차 자동보정장치를 포함하고, 열팽창 실린더장치는 열팽창유체, 주 피스톤 및 실린더로 구성되고, 실린더 내부에 열팽창유체 충전되고, 온도에 따라 충전된 열팽창 유체의 체적이 팽창 또는 수축에 따라 주 피스톤을 길이 방향으로 이동시키고 있으며, 태양광 패널과 고정구조물사이에 설치되는 열팽창 실린더장치의 직선 변위는 동지와 같이 주변 기온이 낮을 때는 수축하여 태양광 패널의 경사각을 높이고, 열팽창 실린더장치는 하지와 같이 기온가 높을 때는 직선 변위는 팽창하여 태양광 패널의 경사각을 낮추게 되며, 편차 자동보정장치는 팽창체적수용장치, 스프링, 보조피스톤, 체크밸브 및 푸시로드를 구비하고, 주 피스톤은 상한 설정 값을 설정된 하지 이후에 전진 길이가 제한되고, 열팽창 유체 압력에 의해 체크밸브가 개방되어 초과팽창체적수용장치 내부로 유체가 유입되고, 보조피스톤은 후퇴하여 스프링을 압축시키고, 최고 온도 도달 후 다시 하강할 때는 체크밸브가 스프링 탄성력 및 압력편차로 닫히게 되는 것을 특징으로 한다.

Description

유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치
본 발명은 고정구조물과 태양광패널 사이에 설치되어 태양 고도에 따라서 태양광 패널의 각도를 조정하게 되는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치에 관한 것이다.
태양광수집판넬을 태양의 방위에 따라 태양광을 추적하는 방향으로 회동시키기 위한 구동원으로 태양열 및 태양열에 의해 부피가 팽창되는 열팽창유체를 이용함으로써 상기 태양광수집판넬을 회동시키기 위한 구동모터 등이 요구되지 않아 에너지를 절약할 수 있는 열팽창유체를 이용한 태양광 추적 장치에 관한 것이 한국공개특허공보 제10-2010-0081616호에 기재되어 있다.
열팽창유체를 이용한 태양광 추적 장치는 지면에 세워진 지지기둥, 지지기둥에 좌우방향으로 회동가능하게 지지된 스윙축, 스윙축을 중심으로 스윙축과 일체로 회동되도록 스윙축에 연결프레임에 의해 결합된 태양광수집판넬을 구비한다.
온도의 상승에 따라 부피가 팽창되는 열팽창유체가 내부에 충진되되, 태양의 방위에 따라 각각의 집열판에 집열되는 태양열에 차이가 발생되도록 집열판이 각각 동쪽 방향 및 서쪽 방향으로 편향되게 배치되는 한 쌍의 수광부를 구비하고 있다.
한 쌍의 수광부의 내부와 각각 연통되고, 몸체 내부로 유입되는 열팽창유체의 압력에 따라 진퇴되는 로드가 구비된 한쌍의 열팽창실린더를 구비하고 있다.
열팽창실린더의 로드 상호간의 변위차에 의해 구동되어 태양광수집판넬을 태양의 방위에 따라 태양광을 추적하는 방향으로 회동시키는 동력전달수단을 포함하고 있다.
태양의 위치를 추적하면서 태양광판을 최대한 태양과 수직이 되도록 위치시키면서 태양광을 집광하는 열팽창 유체를 이용한 태양 자동 추적 장치가 한국등록특허공보 제10-1854111호에 개시되어 있다.
열팽창 유체를 이용한 태양 자동 추적 장치는 태양열을 수광하는 태양광, 태양광판 하부의 양단에 좌우방향으로 배치되며, 내부에 열팽창 유체가충진된 제1유체채광통 및 제2유체채광통을 포함하는 유체채광통을 구비한다.
제1유체채광통에 인접하게 배치되며, 상단부는 회전 조인트에 의해 태양광판과 결합되는 제1실린더 및 내부에 열팽창 유체를 수용할 수 있는 몸체, 몸체 내에 삽입되어 승강되는 실링, 실링 하부에 배치되어 열팽창 유체의 압력에 따라 탄성 변형되는 스프링 및 실린더와 유체채광통에 연결되는 연결부를 포함한다.
유체채광통과 제1실린더 사이에 배치되어 실린더 내의 압력이 높아질 경우, 실린더의 유체를 흡수하여 압력을 조절하는 유체 흡수통을 포함하고, 있는 구성이다.
제1실린더는 내부 공간을 갖는 제1실린더 몸체, 제1실린더 몸체 내부로 삽입되어 열팽창유체의 압력에 따라 승강 이동되는 제1실린더 로드를 포함하는 구성이다.
제1유체채광통은 제1실린더 로드 위의 내부 공간에 호스를 통해 연통되고, 제2유체채광통은 상기 제1실린더 로드 아래의 내부 공간에 호스를 통해 연통되는 구성이다.
유체 흡수통은 몸체 내에 삽입되어 승강되는 실링과 실링 하부에 배치되어 열팽창 유체의 압력에 따라 탄성 변형되는 스프링 및 실린더와 유체채광통에 연결되는 연결부를 포함하는 구성이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국공개특허공보 KR 10-2010-0081616 A (2010.07.15)
(특허문헌 2) 한국등록특허공보 KR 10-1854111 B1 (2018.06.14)
현재 태양광발전량 증대를 위한 방식 중 계절에 따라 경사각을 변경시키는 고정가변형 구조에서 경사각을 수동으로 조절하므로 인건비가 지속적으로 발생하며, 적절한 시기에 알맞은 각도로 태양광패널 경사각을 변경시키지 못하는 경우가 종종 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 유체 열팽창을 이용하여 태양광발전용 태양광 패널의 각도를 태양 고도에 맞추어 자동으로 각도 조정이 이루어지도록 하는 고정구조물과 태양광패널 사이에 설치되는 태양광발전 경사가변장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치는 열팽창 실린더장치 및 태양광 패널의 고도와 경사각을 동시에 편차를 보정을 하는 편차 자동보정장치를 포함한다.
본 발명의 열팽창 실린더장치는 열팽창유체, 주 피스톤 및 실린더로 구성되고, 실린더 내부에 열팽창유체 충전되고, 온도(이하, 본 발명에서 온도는 날씨에 따른 "기온"으로서 혼용하여 사용한다)에 따라 충전된 열팽창 유체의 체적이 팽창 또는 수축에 따라 주 피스톤을 길이 방향으로 이동시키고 있는 구성이다.
본 발명의 태양광 패널과 고정구조물사이에 설치되는 열팽창 실린더장치의 직선 변위는 동지와 같이 주변 온도(기온)가 낮을 때는 수축하여 태양광 패널의 경사각을 높이고, 열팽창 실린더장치는 하지와 같이 기온가 높을 때는 직선 변위는 팽창하여 태양광 패널의 경사각을 낮추게 되는 구성이다.
본 발명의 편차 자동보정장치는 팽창체적수용장치, 스프링, 보조피스톤, 체크밸브 및 푸시로드를 구비하고, 주 피스톤은 상한 설정 값을 설정된 하지 이후에 전진 길이가 제한되고 있는 구성이다.
본 발명의 열팽창 유체 압력에 의해 체크밸브가 개방되어 초과팽창체적수용장치 내부로 유체가 유입되고, 보조피스톤은 후퇴하여 스프링을 압축시키고, 최고 온도 도달 후 다시 하강할 때는 체크밸브가 스프링 탄성력 및 압력편차로 닫히게 되는 구성이다.
본 발명의 기온이 하강하는 가을과 겨울에 온도 지속 하강 시에도 체크밸브는(10) 닫힘 상태로 유지되며, 열팽창 유체의 수축에 의해 주 피스톤은 후퇴하면서 행정길이는 줄어들고 있다.
본 발명의 온도 하강에 따라 주 피스톤이 지속 후퇴하여 동지인 하한 설정 값인 최소점 부근에서 체크밸브 푸시로드를 강제 후퇴시키면 체크밸브는 다시 개방되고 초과팽창체적수용장치내에 있던 고압 열팽창 유체는 주 실린더 내부로 유입되며 이는 최저 온도까지 지속되고, 이후 다시 온도가 상승할 때 주 피스톤은 전진하고 체크밸브는 닫힘 상태를 유지하고 있는 구성이다.
본 발명에서 온도가 상승하는 구간인 봄에 체크밸브는 닫히게 되고, 온도가 하지인 상한에서 최고 온도 구간인 여름에는 체크밸브는 열리게 되고, 온도가 하강하는 구간인 가을에 체크밸브는 닫히게 되고, 온도가 하한인 동지에서 최저 온도 구간인 겨울에 체크밸브는 열리게 되는 구성이다.
본 발명에서 계절에 따라 변화하는 태양 고도는 다음의 열팽창 실린더장치의 직선 변위와 태양광 패널의 경사각은 다음의 (수식 1) 및 (수식 2)의 관계식에 대응하고, 태양 고도와 온도의 편차를 보완하기 위해 열팽창 실린더장치의 길이를 자동으로 조절하는 기능을 갖도록 열팽창 실린더 장치의 길이 조정은, 동지에서 하지까지의 온도 상승 구간에서 열팽창 실린더장치의 팽창 길이를 양(+)의 값으로 보정하여 장치의 길이가 늘어나게 하고, 하지에서 동지까지의 온도 하강 구간에서는 음(-)의 값으로 보정하여 장치의 길이가 줄어들게 하는 구성이다.
(수식 1) 온도-실린더 직선변위의 관계식
: 실린더 변위, : 유체열팽창계수, : 기준온도(0℃)에서 체적, : 온도
(수식 2) 온도-태양광 패널 경사각의 관계식
: 패널경사각, : 기준온도(0℃)에서 장치길이
본 발명에서 태양에너지는 태양광이 패널에 수직으로 입사될 때 가장 크므로 태양고도와 그때의 기온에 따른 태양광 패널의 수직입사각을 일치시키기 위하여, 열팽창 실린더 장치의 팽창 길이를 조정하여 경사각은 다음의 (수식 3)에 따라 태양광 패널 경사각이 보정되며, 여름(6월~8월)과 겨울(12월~2월)에는 각각 최대길이 및 최소길이가 제한되고, 태양 고도와 기온 관계에 의해 열팽창 실린더 장치의 길이를 자동 조절하는 하여 태양광 패널의 경사각을 가변시키는 것을 특징으로 한다.
(수식 3) 보정 태양광 패널 경사각 관계식
여기서, γ는 보정값(설계변수)으로 기온 상승 시 양(+), 기온 하강 시 음(-)의 값이다.
본 발명에서 태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더의 구동부 경량화하기 열팽창 유체 저장부와 실린더를 분리하고, 열팽창 유체 저장부와 실린더를 튜브로 연결하는 분리형 구조로 구성하고 있다.
본 발명에서 하중을 분산할 필요가 있거나 횡방향으로 길게 어레이가 설치된 경우에는 매니폴드(34)를 통해 열팽창 유체 저장부를 실린더가 여러 개 설치된 다중형식을 적용한 경우에 각 피스톤이 동일 하중을 받는 경우의 실린더 변위 및 태양광 패널의 경사각은 다음의 (수식 4). (수식 5)의 관련 관계식에 대응하여 변경되는 것을 특징으로 한다.
(수식 4) 다중형의 변위 관계식
(: 실린더 수)
(수식 5) 다중형의 경사각 관계식
본 발명에서 피스톤 행정길이가 길어야 할 경우, 주 피스톤과 보조피스톤의 단면적 차이인 면적비를 이용한 증폭 원리를 적용한 것으로, 증폭부 유압유의 열팽창이 없는 경우의 변위 및 경사각은 다음의 (수식 6). (수식 7)의 관련 관계식에 대응하여 변경되는 것을 특징으로 한다.
(수식 6) 증폭형의 변위 관계식
(수식 7) 증폭형의 경사각 관계식
본 발명의 편차 자동보정장치는 피스톤축, 조정장치, 스프링, 댐퍼, 래치, 푸시로드 및 가이드를 구비하고 있다.
본 발명의 기온 상승 구간인 봄과 가을에는 기온상승에 따라 열팽창 유체의 팽창에 의해 주 피스톤은 계속 전진하여 상한 설정 값인 하지에 도달하면 길이방향 변위가 가이드에 의해 제한되고 있는 구성이다.
본 발명의 기온이 계속 상승함에 따라 주 피스톤이 전진하면서 스프링을 압축시키고 피스톤축은 래치에 의해 잠금 상태가 되며, 기온이 하강하는 가을과 겨울에 기온하강 시 스프링은 압축되고, 피스톤축은 잠금 상태를 유지하며 열팽창 유체의 수축에 의해 주 피스톤은 후퇴하고 있는 구성이다.
본 발명의 기온의 지속적인 하강으로 하한 설정 값인 동지에 도달하면 푸시로드가 밀리면서 래치는 풀리게 되고, 스프링 및 조정장치는 다시 팽창상태가 되며, 래치가 풀릴 때 충격완화를 위한 댐퍼가 구비되어 있다.
본 발명의 온도가 상승하는 구간인 봄에 주 피스톤은 전진하게 되고, 온도가 상한 설정 시점인 하지에 도달하면 래치에 의해 제한되는 잠금 상태가 되고, 온도가 하강하는 구간인 가을에 스프링은 압축되고, 피스톤축은 잠금 상태를 유지하며 팽창 유체의 수축에 의해 주 피스톤은 후퇴하고 있다.
본 발명에서 기온의 지속적인 하강으로 하한 설정 값인 동지에서 최저온도 구간인 겨울에 도달하면 푸시로드가 밀리면서 래치는 풀리게 되고, 스프링 및 조정장치는 다시 팽창상태가 되는 구성이다.
본 발명은 별도의 구동력 없이 기온에 따라 자동으로 작동되므로 유지관리 용이하며, 온도에 따라 연속적으로 변동되며 일일 태양고도 변화에도 일교차에 따라 대응되므로 기존 고정가변형 대비 발전량을 높일 수 있다.
그리고 경사가변형의 고정형 구조물 대비 발전량 5% 이상 중대 효과가 예상되고, 원리 및 구조가 단순하여 제작이 쉽고 다양하게 개발 가능하고, 온도에 따른 경사각을 정량적으로 산출할 수 있으므로 최적화가 가능하다.
또한 경사각 조절범위를 크게 할 수 있어 동절기 높은 경사각으로 적설하중에 유리하며 하절기 낮은 경사각으로 풍하중(태풍)에 유리하게 운영할 수 있는 장점 있으며, 특히 자동보정 기능이 포함된 구조의 경우 태양고도 대비 기온 후행 특성을 보완하여 발전량을 더 높일 수 있다.
도 1(a), (b)는 각각 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치에 사용되는 열팽창실린더의 개략도 및 구상도이다.
도 2(a), (b)는 각각 태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더 장치를 태양광패널과 고정구조물 사이에 적용한 설치도, 온도에 따른 태양광발전 경사가변장치의 경사각이 변화된 상태를 나타내는 설치도이다.
도 3(a), (b)는 태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더 장치에서 온도와 피스톤 변위의 관계, 태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더 장치에서 온도와에 태양광 패널의 경사각과의 관계를 각각 설명하는 도면이다.
도 4는 태양 고도와 태양광패널 수직 입사각과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 4의 태양 고도와 기온 편차를 보정하는 보정기능이 포함된 열팽창실린더의 태양 고도의 추종 예상 그래프이다.
도 6(a), (b), (c), (d)는 온도 상승 및 온도 하강에 따른 유압식 형태의 편차 자동보정장치를 갖는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치를 도시하고 있다.
도 7(a), (b), (c), (d)는 온도 상승 및 온도 하강에 따른 기계식 형태의 편차 자동보정장치를 갖는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치를 도시하고 있다.
도 8(a), (b)는 각각 태양광발전 경사가변장치의 열팽창실린더의 구동부 경량화하기 위해 열팽창 유체 저장부와 실린더를 분리한 분리형 구조의 개념도 및 제작 예시도이다.
도 9(a), (b)는 각각 열팽창실린더의 구동부의 하중을 분산할 경우 채용하는 다중형 구조, 피스톤 행정 길이가 길어야 하는 경우에 채용하는 증폭형 구조를 도시하고 있다.
도 10은 기온에 따른 저온에서 고온으로 감에 따라 경사 가변 성능을 확인하는 시험 사진이다.
태양광발전량 증대를 위한 방식 중 계절에 따라 경사각을 변경시키는 고정가변형 구조가 사용되고 있다.
경사각을 수동으로 조절하므로 인건비가 지속적으로 발생하며, 작업인력의 전문성 부족으로 적절한 시기에 알맞은 각도로 패널 경사각을 변경시키지 못하는 경우가 종종 발생하는 문제가 있다.
이에 본 발명은 유체 열팽창을 이용하여 고정구조물과 태양광 패널 사이에 설치되어 태양 고도에 따라서 태양광 패널의 각도가 자동으로 조정이 이루어지는 태양광발전 경사가변 장치를 제안하게 되었다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치에 대하여 보다 상세히 구체적으로 설명한다.
도 1(a), (b)는 각각 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치에 사용되는 열팽창실린더의 개략도 및 구상도이다.
유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더장치는 열팽창유체(1), 주 피스톤(2) 및 실린더(3)를 포함하는 구성이다.
실린더(3) 내부에 열팽창유체(1)가 충전되고, 온도(이하, 본 발명에서 온도는 날씨에 따른 "기온"으로서 혼용하여 사용한다)에 따라 충전된 열팽창 유체(1)의 체적이 팽창 또는 수축에 따라 주 피스톤(2)을 길이 방향으로 이동시키고 있다.
도 2(a), (b)는 각각 태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더 장치를 태양광패널과 고정구조물 사이에 적용한 설치도, 온도에 따른 태양광발전 경사가변장치의 경사각이 변화된 상태를 나타내는 설치도이다.
열팽창 실린더장치(4)는 태양광패널(5)과 고정구조물(6) 사이에 설치하게 되며, 동지와 같이 주변 온도가 낮을 때는 수축하여 패널의 경사각을 높이고, 하지와 같이 온도가 높을 때는 팽창하여 경사각을 낮춤으로써 계절에 따라 변화하는 태양고도에 대응되는 구성으로 되어 있다.
도 3(a), (b)는 태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더장치에서 온도와 피스톤 변위의 관계, 태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더 장치에서 온도와에 태양광 패널의 경사각과의 관계를 각각 설명하는 도면이다.
열팽창 실린더 장치에서 온도에 따른 실린더 직선 변위와의 관계식은 다음과 같다.
(수식 1) 온도-실린더 직선변위의 관계식
: 실린더 변위, : 유체열팽창계수, : 기준온도(0℃)에서 체적, : 온도
열팽창 실린더 장치가 설치된 가변구조에서 온도에 따른 태양광 패널의 경사각과의 관계식은 다음과 같다.
(수식 2) 온도-태양광 패널 경사각의 관계식
: 패널경사각, : 기준온도(0℃)에서 장치길이
(수식 1) 및 (수식 2)에 따라서 열팽창 실린더 장치의 경사각을 최적화하기 위해 다음과 같은 방법을 채용한다.
태양에너지는 태양광이 패널에 수직으로 입사될 때 가장 크므로 태양고도와 그때의 기온에 따른 패널 수직입사각(=θ)이 일치하도록 한다.
특정위치에서 특정시간의 태양 고도는 계산 또는 천문 데이터를 통해 얻을 수 있으므로, 기온은 과거 기상 데이터 또는 기상청 자료 등을 활용해 예측한다.
예상 기온에 따른 경사각은 (수식 1)을 통해 산출한다.
응답특성은 유체의 열팽창계수(β), 유체충진체적(V0), 피스톤직경(d) 및 구조물 설치위치(a, b, c0) 등을 조절하여 태양 고도 추종 특성을 최적화한다.
2022년도 부산 낮 12시 월평균 기온 기준의 태양광 패널 수직입사각 거동을 온도-태양광 패널 경사각의 관계식을 활용하여 추정한 것은 다음의 [표 1]과 같다.
월 정오
월평균기온 		장치길이 패널
수직입사각 		태양
남중고도 		패널
경사각
1월 4.04 12.25 37.22 34.20 52.78
2월 3.44 11.99 36.13 43.31 53.87
3월 10.40 15.00 48.53 54.21 41.47
4월 14.95 16.98 56.66 66.03 33.34
5월 18.98 18.72 64.01 74.28 25.99
6월 21.59 19.85 68.87 79.99 21.13
7월 26.07 21.79 77.52 73.85 12.48
8월 26.59 22.02 78.56 66.12 11.44
9월 22.89 20.42 71.35 55.26 18.65
10월 17.78 18.20 61.80 44.04 28.20
11월 14.61 16.83 56.05 35.80 33.95
12월 3.24 11.90 35.79 31.08 54.21
도 4는 태양 고도와 태양광패널 수직 입사각과의 관계를 나타낸 그래프이다.
2022년도 부산 낮 12시 월평균 기온 기준의 태양 고도에 대한 추종 특성은 살펴보면, 흑색은 태양 고도, 적색은 태양광패널 수직각, 점선은 열팽창 실린더 장치의 경사각을 각각 나타내고 있다.
도 5는 도 4의 태양 고도와 기온 편차를 보정하는 보정기능이 포함된 열팽창실린더의 태양 고도의 추종 예상 그래프이다.
태양 고도는 하지(6월 21일 경)이나 에너지 축적에 의해 기온은 계속 상승하여 7월, 8월에 최고 기온이 된다.
따라서 기온에 따라 단순 팽창하는 구조는 도 5에 도시된 바와 같이 태양 고도를 약간 후행하면서 추종하는 특성을 갖게 된다.
태양 고도와 온도의 편차를 보완하기 위해 열팽창 실린더 장치의 길(도 3(b)의 c)이를 자동으로 조절하는 기능을 갖도록 하여 태양광 패널의 태양 추종 성능을 향상시킬 수 있다.
열팽창 실린더 장치의 길이 조정은 동지에서 하지까지의 온도상승 구간에서 열팽창 실린더 장치의 팽창 길이를 양(+)의 값으로 보정하여 장치의 길이가 늘어나게 하고, 하지에서 동지까지의 온도하강 구간에서는 음(-)의 값으로 보정하여 장치의 길이가 줄어들게 한다.
열팽창 실린더 장치의 팽창 길이를 조정하여 경사각을 보정하는 관계식은 다음과 같다.
(수식 3) 보정 태양광 패널 경사각 관계식
γ는 보정값(설계변수)으로 기온 상승 시 양(+), 기온 하강 시 음(-)의 값이다.
도 5의 봄(3월~6월)과 가을(9월~12월)인 Ⅰ, Ⅲ 구간에서 경사각 관계식은 (수식 3)과 같이 보정될 수 있으며, 여름(6월~8월)과 겨울(12월~2월)인 Ⅱ, Ⅳ 구간에서는 각각 최대길이 및 최소길이가 제한되고, 설정 값 초과 온도에 영향을 받는다.
태양 고도와 기온 관계에 의해 경사각을 추종 가변시키는 기능과 태양 고도에 따른 열팽창 실린더 장치의 길이를 자동 조절하여, 태양광발전 패널의 경사각을 자동으로 가변시켜 태양광 발전량을 더 높일 수 있다.
태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더 장치의 편차를 자동보정하는 기능을 갖는 유압식 또는 기계식 형태의 편차 자동보정장치를 구비할 수 있다.
도 6(a), (b), (c), (d)는 온도 상승 및 온도 하강에 따른 유압식 형태의 편차 자동보정장치를 갖는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치를 도시하고 있다.
유압식 편차 자동보정장치는 팽창체적수용장치(7), 스프링(8), 보조피스톤(9), 체크밸브(10) 및 푸시로드(11)를 구비하고 있다.
기온 상승하는 계절인 봄과 여름에 기온이 상승함에 따라 유체(1) 열팽창으로 주 피스톤(2)은 전진한다.
하지(상한 설정 값) 이후 주 피스톤(2)의 전진 길이가 기계적으로 제한되고, 그 이상으로 온도가 상승하면 열팽창유체(1)의 팽창압력에 의해 체크밸브(10)가 개방되어 초과팽창체적수용장치(7) 내부로 열팽창 유체(1)가 유입된다.
보조피스톤(9)은 후퇴하여 스프링(8)을 압축시키고, 최고 온도 도달 후 다시 하강할 때는 체크밸브(10)가 스프링 탄성력 및 압력편차로 닫힌다.
기온이 하강하는 가을과 겨울에 온도 지속 하강 시에도 체크밸브는(10) 닫힘 상태로 유지되며, 열팽창 유체(1)의 수축에 의해 주 피스톤(2)은 후퇴하면서 행정길이는 줄어 든다.
온도 하강에 따라 주 피스톤(2)이 지속 후퇴하여 동지인 최소점(하한 설정 값) 부근에서 체크밸브 푸시로드(11)를 강제 후퇴시키면 체크밸브(10)는 다시 개방되고 초과팽창체적수용장치(7)내에 있던 고압 열팽창 유체는 주 실린더(2) 내부로 유입되며 이는 최저 온도까지 지속된다.
이후 다시 온도가 상승할 때 주 피스톤(2)은 전진하고 체크밸브는(10) 닫힘 상태를 유지한다.
스프링(8)은 기체가 봉입된 실린더 구조로 변경하는 것이 가능하다.
온도가 상승하는 구간인 봄(Ⅰ)에 체크밸브(10)는 닫히게 된다(도 6(a)).
온도가 상한(하지)에서 최고 온도 구간인 여름(Ⅱ)에는 체크밸브(10)는 열리게 된다(도 6(b)).
온도가 하강하는 구간인 가을(Ⅲ)에 체크밸브(10)는 닫히게 된다(도 6(c)).
온도가 하한(동지)에서 최저 온도 구간인 겨울(Ⅳ)에 체크밸브(10)는 열리게 된다(도 6(d)).
도 7(a), (b), (c), (d)는 온도 상승 및 온도 하강에 따른 기계식 형태의 편차 자동보정장치를 갖는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치를 도시하고 있다.
기계식 편차 자동보정장치는 피스톤축(17), 조정장치(20), 스프링(21), 댐퍼(22), 래치(23), 푸시로드(24) 및 가이드(25)를 구비하고 있다.
기온 상승 구간인 봄과 가을(Ⅰ, Ⅱ 구간)에는 기온상승에 따라 열팽창 유체(1)의 팽창에 의해 주 피스톤(2)은 계속 전진하여 상한 설정 값(하지)에 도달하면 길이방향 변위가 가이드(25)에 의해 제한된다.
기온이 계속 상승함에 따라 주 피스톤(2)이 전진하면서 스프링(21)을 압축시키고 피스톤축(17)은 래치(23)에 의해 잠금 상태가 된다.
기온이 하강하는 가을과 겨울(Ⅲ, Ⅳ 구간)에 기온하강 시 스프링(21)은 압축되고, 피스톤축(17)은 잠금 상태를 유지하며 열팽창 유체(1)의 수축에 의해 주 피스톤(2)은 후퇴한다.
기온의 지속적인 하강으로 하한 설정 값(동지)에 도달하면 푸시로드(24)가 밀리면서 래치(23)는 풀리게 되고, 스프링(21) 및 조정장치(20)는 다시 팽창상태가 된다.
래치(23)가 풀릴 때 충격완화를 위한 댐퍼(22)를 구비되어 있다.
온도가 상승하는 구간인 봄(Ⅰ)에 주 피스톤(2)은 전진하게 된다(도 7(a)).
온도가 상한 설정 시점(하지)에 도달하면 래치(23)에 의해 제한되는 잠금상태가 된다(도 6(b)).
온도가 하강하는 구간인 가을(Ⅲ)에 스프링(21)은 압축되고, 피스톤축(17)은 잠금 상태를 유지하며 팽창 유체(1)의 수축에 의해 주 피스톤(2)은 후퇴한다(도 7(c)).
기온의 지속적인 하강으로 하한 설정 값(동지)에서 최저 온도 구간인 겨울(Ⅳ)에 도달하면 푸시로드(24)가 밀리면서 래치(23)는 풀리게 되고, 스프링(21) 및 조정장치(20)는 다시 팽창상태가 된다(도 7(d)).
도 8(a), (b)는 각각 태양광발전 경사가변장치의 열팽창실린더의 구동부 경량화하기 위해 열팽창 유체 저장부와 실린더를 분리한 분리형 구조의 개념도 및 제작 예시도이다.
열팽창실린더의 구동부 경량화하기 위해 열팽창 유체 저장부(33)와 실린더(31)가 분리 되어 있고, 열팽창 유체 저장부(33)와 실린더(31)를 튜브(32)로 연결하는 구성을 적용할 수 있다. 이때 관계식은 기본형과 같은 (수식 1), (수식 2)를 적용 할 수 있다.
도 9(a), (b)는 각각 열팽창실린더의 구동부의 하중을 분산할 경우 채용하는 다중형 구조, 피스톤 행정 길이가 길어야 하는 경우에 채용하는 증폭형 구조를 도시하고 있다.
하중을 분산할 필요가 있거나 횡방향으로 길게 어레이가 설치된 경우에는 매니폴드(34)를 통해 열팽창 유체 저장부(33)가 여러 개 설치된 다중형식 적용할 수 있다.
각 피스톤이 동일 하중을 받는 경우의 변위 및 경사각 관련 관계식은 다음과 같다.
(수식 4) 다중형의 변위 관계식
(: 실린더 수)
(수식 5) 다중형의 경사각 관계식
피스톤 행정길이가 길어야 할 경우, 열팽창계수가 상대적으로 작은 유체를 사용할 경우, 또는 소형화가 필요한 경우는 변위 증폭이 가능한 구조를 적용할 수 있다.
주 피스톤(36)과 보조피스톤(35)의 단면적 차이인 면적비를 이용한 증폭 원리를 적용한 것으로, 증폭부 유압유(37)의 열팽창이 없는 경우의 변위 및 경사각 관련 관계식은 다음과 같다.
(수식 6) 증폭형의 변위 관계식
(수식 7) 증폭형의 경사각 관계식
도 10은 기온에 따른 저온에서 고온으로 감에 따라 경사 가변 성능을 확인하는 시험 사진이다.
좌측의 저온에 우측의 고온으로 감에 따라 경사 가변 성능을 확인하는 사진이다.
이상과 같이, 본 발명은 다음과 같은 이점들이 있다.
별도의 구동력 없이 기온에 따라 자동으로 작동되므로 유지관리 용이하다.
온도에 따라 연속적으로 변동되며 일일 태양고도 변화에도 일교차에 따라 대응되므로 기존 고정가변형 대비 발전량을 높일 수 있다.
경사가변형으로써 고정형 구조물 대비 발전량 5% 이상 중대 효과가 예상된다.
원리 및 구조가 단순하여 제작이 쉽고 다양하게 개발 가능하고, 온도에 따른 경사각을 정량적으로 산출할 수 있으므로 최적화가 가능하다.
자동보정 기능이 포함된 구조의 경우 태양고도 대비 기온 후행 특성을 보완하여 발전량을 더 높일 수 있다.
경사각 조절범위를 크게 할 수 있어 동절기 높은 경사각으로 적설하중에 유리하며 하절기 낮은 경사각으로 풍하중(태풍)에 유리하게 운영할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
[부호의 설명]
1: 열팽창유체
2: 주 피스톤
3: 실린더
4: 열팽창 실린더장치
5: 태양광패널
6: 고정구조물
7: 팽창체적수용장치
8: 스프링
9: 보조피스톤
10: 체크밸브
11: 푸시로드
17: 피스톤축
20: 조정장치
21: 스프링
22: 댐퍼
23: 래치
24: 푸시로드
25: 가이드
31: 실린더
32: 튜브
33: 열팽창 유체 저장부
34: 매니폴드
35: 보조피스톤
36: 주 피스톤

Claims (15)

  1. 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치는 열팽창 실린더장치 및 태양광 패널의 고도와 경사각을 동시에 편차를 보정을 하는 편차 자동보정장치를 포함하고,
    열팽창 실린더장치(4)는 열팽창유체(1), 주 피스톤(2) 및 실린더(3)로 구성되고,
    실린더(3) 내부에 열팽창유체(1)가 충전되고, 온도에 따라 충전된 열팽창 유체(1)의 체적이 팽창 또는 수축에 따라 주 피스톤(2)을 길이 방향으로 이동시키고 있으며,
    태양광패널(5)과 고정구조물(6) 사이에 설치되는 열팽창 실린더장치(4)의 직선 변위는 동지와 같이 주변 온도가 낮을 때는 수축하여 태양광 패널의 경사각을 높이고,
    열팽창 실린더장치(4)는 하지와 같이 온도가 높을 때는 직선 변위는 팽창하여 태양광 패널의 경사각을 낮추게 되며,
    편차 자동보정장치는 팽창체적수용장치(7), 스프링(8), 보조피스톤(9), 체크밸브(10) 및 푸시로드(11)를 구비하고,
    주 피스톤은 상한 설정 값을 설정된 하지 이후에 전진 길이가 제한되고, 열팽창 유체(1) 압력에 의해 체크밸브(10)가 개방되어 초과팽창체적수용장치(7) 내부로 유체가 유입되고, 보조피스톤(9)은 후퇴하여 스프링(8)을 압축시키고,
    최고 온도 도달 후 다시 하강할 때는 체크밸브(10)가 스프링(8) 탄성력 및 압력편차로 닫히게 되는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기온이 하강하는 가을과 겨울에 온도 지속 하강 시에도 체크밸브는(10) 닫힘 상태로 유지되며, 열팽창 유체(1)의 수축에 의해 주 피스톤(2)은 후퇴하면서 행정길이는 줄어들고,
    온도 하강에 따라 주 피스톤(2)이 지속 후퇴하여 동지인 하한 설정 값인 최소점 부근에서 체크밸브 푸시로드(11)를 강제 후퇴시키면 체크밸브(10)는 다시 개방되고 초과팽창체적수용장치(7)내에 있던 고압 열팽창 유체는 주 실린더(2) 내부로 유입되며 이는 최저 온도까지 지속되고,
    이후 다시 온도가 상승할 때 주 피스톤(2)은 전진하고 체크밸브는(10) 닫힘 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    온도가 상승하는 구간인 봄에 체크밸브(10)는 닫히게 되고, 온도가 하지인 상한에서 최고 온도 구간인 여름에는 체크밸브(10)는 열리게 되고,
    온도가 하강하는 구간인 가을에 체크밸브(10)는 닫히게 되고, 온도가 하한인 동지에서 최저 온도 구간인 겨울에 체크밸브(10)는 열리게 되는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 중 어느 한 항에 있어서,
    계절에 따라 변화하는 태양 고도는 다음의 열팽창 실린더장치의 직선 변위와 태양광 패널의 경사각은 다음의 (수식 1) 및 (수식 2)의 관계식에 대응하여,
    태양 고도와 온도의 편차를 보완하기 위해 열팽창 실린더장치의 길이를 자동으로 조절하는 기능을 갖도록 열팽창 실린더 장치의 길이 조정은,
    동지에서 하지까지의 온도 상승 구간에서 열팽창 실린더장치의 팽창 길이를 양(+)의 값으로 보정하여 장치의 길이가 늘어나게 하고,
    하지에서 동지까지의 온도 하강 구간에서는 음(-)의 값으로 보정하여 장치의 길이가 줄어들게 하는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
    (수식 1) 온도-실린더 직선변위의 관계식
    : 실린더 변위, : 유체열팽창계수, : 기준온도(0℃)에서 체적, : 온도
    (수식 2) 온도-태양광 패널 경사각의 관계식
    : 패널경사각, : 기준온도(0℃)에서 장치길이
  5. 제 1 항 내지 제 3 중 어느 한 항에 있어서,
    태양에너지는 태양광이 패널에 수직으로 입사될 때 가장 크므로 태양고도와 그때의 기온에 따른 태양광 패널의 수직입사각을 일치시키기 위하여, 열팽창 실린더 장치의 팽창 길이를 조정하여 경사각은 다음의 (수식 3)에 따라 태양광 패널 경사각이 보정되며,
    여름(6월~8월)과 겨울(12월~2월)에는 각각 최대길이 및 최소길이가 제한되고, 태양 고도와 기온 관계에 의해 열팽창 실린더 장치의 길이를 자동 조절하는 하여 태양광 패널의 경사각을 가변시키는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
    (수식 3) 보정 태양광 패널 경사각 관계식
    여기서, γ는 보정값(설계변수)으로 기온 상승 시 양(+), 기온 하강 시 음(-)의 값이다.
  6. 제 1 항 내지 제 3 중 어느 한 항에 있어서,
    태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더(3)의 구동부 경량화하기 열팽창 유체 저장부(33)와 실린더(31)를 분리하고, 열팽창 유체 저장부(33)와 실린더(31)를 튜브(32)로 연결하는 분리형 구조로 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 중 어느 한 항에 있어서,
    하중을 분산할 필요가 있거나 횡방향으로 길게 어레이가 설치된 경우에는 매니폴드(34)를 통해 열팽창 유체 저장부(33)가 여러 개 설치된 다중형식을 적용한 경우에 각 피스톤이 동일 하중을 받는 경우의 실린더 변위 및 태양광 패널의 경사각은 다음의 (수식 4). (수식 5)의 관련 관계식에 대응하여 변경되는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
    (수식 4) 다중형의 변위 관계식
    (: 실린더 수)
    (수식 5) 다중형의 경사각 관계식
  8. 제 1 항 내지 제 3 중 어느 한 항에 있어서,
    피스톤 행정길이가 길어야 할 경우, 주 피스톤(36)과 보조피스톤(35)의 단면적 차이인 면적비를 이용한 증폭 원리를 적용한 것으로, 증폭부 유압유(37)의 열팽창이 없는 경우의 변위 및 경사각은 다음의 (수식 6). (수식 7)의 관련 관계식에 대응하여 변경되는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
    (수식 6) 증폭형의 변위 관계식
    (수식 7) 증폭형의 경사각 관계식
  9. 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치는 열팽창 실린더장치 및 태양광 패널의 고도와 경사각을 동시에 편차를 보정을 하는 편차 자동보정장치를 포함하고,
    열팽창 실린더장치(4)는 열팽창유체(1), 주 피스톤(2) 및 실린더(3)로 구성되고,
    실린더(3) 내부에 열팽창유체(1)가 충전되고, 온도에 따라 충전된 열팽창 유체(1)의 체적이 팽창 또는 수축에 따라 주 피스톤(2)을 길이 방향으로 이동시키고 있으며,
    태양광패널(5)과 고정구조물(6) 사이에 설치되는 열팽창 실린더장치(4)의 직선 변위는 동지와 같이 주변 온도가 낮을 때는 수축하여 태양광 패널의 경사각을 높이고,
    열팽창 실린더장치(4)는 하지와 같이 온도가 높을 때는 직선 변위는 팽창하여 태양광 패널의 경사각을 낮추게 되며,
    편차 자동보정장치는 피스톤축(17), 조정장치(20), 스프링(21), 댐퍼(22), 래치(23), 푸시로드(24) 및 가이드(25)를 구비하고,
    기온 상승 구간인 봄과 가을에는 기온상승에 따라 열팽창 유체(1)의 팽창에 의해 주 피스톤(2)은 계속 전진하여 상한 설정 값인 하지에 도달하면 길이방향 변위가 가이드(25)에 의해 제한되고,
    기온이 계속 상승함에 따라 주 피스톤(2)이 전진하면서 스프링(21)을 압축시키고 피스톤축(17)은 래치(23)에 의해 잠금 상태가 되며,
    기온이 하강하는 가을과 겨울에 기온하강 시 스프링(21)은 압축되고, 피스톤축(17)은 잠금 상태를 유지하며 열팽창 유체(1)의 수축에 의해 주 피스톤(2)은 후퇴하고,
    기온의 지속적인 하강으로 하한 설정 값인 동지에 도달하면 푸시로드(24)가 밀리면서 래치(23)는 풀리게 되고, 스프링(21) 및 조정장치(20)는 다시 팽창상태가 되며,
    래치(23)가 풀릴 때 충격완화를 위한 댐퍼(22)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    온도가 상승하는 구간인 봄에 주 피스톤(2)은 전진하게 되고, 온도가 상한 설정 시점인 하지에 도달하면 래치(23)에 의해 제한되는 잠금상태가 되고,
    온도가 하강하는 구간인 가을에 스프링(21)은 압축되고, 피스톤축(17)은 잠금 상태를 유지하며 팽창 유체(1)의 수축에 의해 주 피스톤(2)은 후퇴하고,
    기온의 지속적인 하강으로 하한 설정 값인 동지에서 최저 온도 구간인 겨울에 도달하면 푸시로드(24)가 밀리면서 래치(23)는 풀리게 되고, 스프링(21) 및 조정장치(20)는 다시 팽창상태가 되는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    계절에 따라 변화하는 태양 고도는 다음의 열팽창 실린더장치의 직선 변위와 태양광 패널의 경사각은 다음의 (수식 1) 및 (수식 2)의 관계식에 대응하여,
    태양 고도와 온도의 편차를 보완하기 위해 열팽창 실린더장치의 길이를 자동으로 조절하는 기능을 갖도록 열팽창 실린더 장치의 길이 조정은,
    동지에서 하지까지의 온도 상승 구간에서 열팽창 실린더장치의 팽창 길이를 양(+)의 값으로 보정하여 장치의 길이가 늘어나게 하고,
    하지에서 동지까지의 온도하강 구간에서는 음(-)의 값으로 보정하여 장치의 길이가 줄어들게 하는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
    (수식 1) 온도-실린더 직선변위의 관계식
    : 실린더 변위, : 유체열팽창계수, : 기준온도(0℃)에서 체적, : 온도
    (수식 2) 온도-태양광 패널 경사각의 관계식
    : 패널경사각, : 기준온도(0℃)에서 장치길이
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    태양에너지는 태양광이 패널에 수직으로 입사될 때 가장 크므로 태양고도와 그때의 기온에 따른 태양광 패널의 수직입사각을 일치시키기 위하여, 열팽창 실린더 장치의 팽창 길이를 조정하여 경사각은 다음의 (수식 3)에 따라 태양광 패널 경사각이 보정되며,
    여름(6월~8월)과 겨울(12월~2월)에는 각각 최대길이 및 최소길이가 제한되고, 태양 고도와 기온 관계에 의해 열팽창 실린더 장치의 길이를 자동 조절하는 하여 태양광 패널의 경사각을 가변시키는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
    (수식 3) 보정 태양광 패널 경사각 관계식
    여기서, γ는 보정값(설계변수)으로 기온 상승 시 양(+), 기온 하강 시 음(-)의 값이다.
  13. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    태양광발전 경사가변장치의 열팽창 실린더(3)의 구동부 경량화하기 열팽창 유체 저장부(33)와 실린더(31)를 분리하고, 열팽창 유체 저장부(33)와 실린더(31)를 튜브(32)로 연결하는 분리형 구조로 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
  14. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    하중을 분산할 필요가 있거나 횡방향으로 길게 어레이가 설치된 경우에는 매니폴드(34)를 통해 열팽창 유체 저장부(33)가 여러 개 설치된 다중형식을 적용한 경우에 각 피스톤이 동일 하중을 받는 경우의 실린더 변위 및 태양광 패널의 경사각은 다음의 (수식 4). (수식 5)의 관련 관계식에 대응하여 변경되는 것을 특징으로 하는 유체 열팽창을 이용한 태양광발전 경사가변장치.
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