KR101494420B1 - 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기 - Google Patents

최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기 Download PDF

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성창통신 주식회사
이재진
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Abstract

본 발명은 저비용의 간단한 설치 및 최소 제어 방식으로 고정형 태양광 발전기의 발전 효율을 극대화시키기 위한 고정형 태양광 발전기에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기는, 집광면이 태양의 남중을 향하도록 설치된 집광판; 상기 집광판의 동측면과 서측면에 각각 회동 가능하게 설치된 제1 및 제2 반사경; 태양의 위치가 일출부터 남중까지의 제1 구간에 있을 경우에 남중부터 일몰까지의 제2 구간에 있을 경우보다 더 많은 광량을 감지하기 위한 제1 센서, 및 남중부터 일몰까지의 제2 구간에 있을 경우에 일출부터 남중까지의 제1 구간에 있을 경우보다 더 많은 광량을 감지하기 위한 제2 센서를 포함하는 센서 모듈; 및 상기 제1 센서로부터 감지된 제1 광량값과 상기 제2 센서로부터 감지된 제2 광량값을 기초로 상기 제1 및 제2 반사경 중 적어도 하나의 회동 각도를 제어하기 위한 제어 모듈을 포함할 수 있다.

Description

최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기{Fixed type Solar Generator equipped with Reflector}
본 발명은 고정형 태양광 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최소 제어 방식의 반사경을 구비하여 발전량을 증대시키는 고정형 태양광 발전기에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 발전기는 태양전지와 축전지 그리고 전력변환장치로 구성되어 있으며, 태양전지가 다수 설치되어 있는 태양광 집광판으로 태양광을 집광하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전설비이다.
이러한 태양광 발전기는 태양전지의 설치수량에 따라 발전용량이 달라지므로 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있어서 대규모 발전뿐만 아니라 소규모 발전이 가능하여 가정용, 산업용으로 널리 이용되고 있는 추세이다.
태양광 발전기는 태양광 집광판의 설치방식에 따라 고정형과 태양 추적형으로 구분할 수 있다.
고정형 태양광 발전기는 일조량을 가장 많이 받을 수 있는 각도로 태양광 집광판이 고정된 형태인데, 이는 구조가 단순하여 설치가 용이하고, 내구성이 높아 유지보수가 간편하다는 장점이 있지만, 태양광의 입사각에 따라 발전량의 편차가 심하여 평균 발전효율이 좋지 않다는 단점이 있다.
태양 추적형 태양광 발전기는 일출에서 일몰까지 동에서 서로 이동하는 태양의 운동을 추적하도록 태양광 집광판을 회전시키는 1축 회전식과, 태양의 남중고도 변화까지 추적하도록 태양전지 모듈을 회전시키는 2축 회전식으로 구분할 수 있는데, 1축 회전식은 상대적으로 구동장치의 구조가 간단하지만 2축 회전식에 비해 발전효율이 떨어지는 문제점이 있고, 이에 비해 2축 회전식은 태양광의 입사 방향이 태양전지 모듈과 항상 수직을 이루어 발전효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.
그러나, 태양 추적형 태양광 발전기는 기존에 저가의 중국 및 국내 부품 등을 적용해 온 업체들에 의해 트래커의 잦은 고장 문제가 대두되고 있고, 기존 트랙커 방식의 사용 시 전원 문제에 의한 트랙커 동작 정지 혹은 내구성 문제로 인해 외부 요인으로부터 충격을 견디지 못하고 고장난 트래커가 빈번하게 발생하고 있다.
따라서, 현재 국내 태양광 시장의 95% 이상이 전술한 문제점으로 인해 추적형 방식 사용시 효율이 높은 것을 알고 있음에도 고정형 방식을 채택하여 발전하고 있다.
즉, 태양광 추적 트랙커는 높은 발전효율에 비해 잦은 고장과 오작동이 발생하기 때문에, 국내 설치 태양광 발전소의 95%가 고정형 태양광 발전소를 채택하고 있고, 따라서 고정형 태양광 발전소를 위한 발전량 증가 대책이 필요한 실정이다.
등록특허 제10-1359438호(2014.01.29. 등록)
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 저비용의 간단한 설치 및 최소 제어 방식으로 고정형 태양광 발전기의 발전 효율을 극대화시키기 위한, 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기는, 집광면이 태양의 남중을 향하도록 설치된 집광판; 상기 집광판의 동측면과 서측면에 각각 회동 가능하게 설치된 제1 및 제2 반사경; 태양의 위치가 일출부터 남중까지의 제1 구간에 있을 경우에 남중부터 일몰까지의 제2 구간에 있을 경우보다 더 많은 광량을 감지하기 위한 제1 센서, 및 남중부터 일몰까지의 제2 구간에 있을 경우에 일출부터 남중까지의 제1 구간에 있을 경우보다 더 많은 광량을 감지하기 위한 제2 센서를 포함하는 센서 모듈; 및 상기 제1 센서로부터 감지된 제1 광량값과 상기 제2 센서로부터 감지된 제2 광량값을 기초로 상기 제1 및 제2 반사경 중 적어도 하나의 회동 각도를 제어하기 위한 제어 모듈을 포함할 수 있다.
상기 제어 모듈은 상기 제1 광량값이 기 설정된 제1 기준값 이상이고 상기 제2 광량값이 상기 제1 기준값 미만일 경우 상기 제1 반사경 및 제2 반사경의 회동 각도를 각각 180도 및 90도로 제어하고, 상기 제2 광량값이 상기 제1 기준값 이상이고 상기 제1 광량값이 상기 제1 기준값 미만일 경우 상기 제1 반사경 및 제2 반사경의 회동 각도를 각각 90도 및 180도로 제어하며, 상기 제1 광량값 및 제2 광량값 모두가 상기 제1 기준값 이상일 경우 상기 제1 반사경과 제2 반사경의 회동 각도를 모두 180도로 제어할 수 있다.
상기 제어 모듈은 상기 제1 광량값 및 제2 광량값 모두가 기 설정된 제2 기준값 이하일 경우 상기 제1 반사경과 제2 반사경의 회동 각도를 모두 180도로 제어할 수 있다.
상기 제1 센서는 그 제1 센서의 수광면이 일출부터 남중까지의 태양의 위치를 향하도록 사선(경사면)으로 배치되고, 상기 제2 센서는 그 제2 센서의 수광면이 남중부터 일몰까지의 태양의 위치를 향하도록 사선(경사면)으로 배치될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 고정형 태양광 발전소를 위한 발전량을 증가시키되, 독립적으로 새로 제작하거나 또는 기존 고정 태양광 시설을 철거하지 않고 개량 설치할 수 있으므로 기존 시설을 개량할 경우 설치 비용을 대폭 절감할 수 있다.
또한, 초 경량 광량 센서 2개의 비교에 의한 최소 제어 방식(90도 제어 또는 비제어)에 따라 반사경을 제어할 수 있으므로, 제어 회로의 오작동을 최소화하고 소비전력을 절감하여, 센서 구조물의 단순화, 제어회로 단순화, 고장 최소화, 및 수명 최대화 등의 장점을 가지면서 고정형 태양광 발전기의 발전 효율을 기존과 비교하여 매우 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기의 구성도,
도 2는 도 1의 센서 모듈의 구성의 일 예를 나타낸 도면,
도 3은 시간에 따른 태양 위치별 제1,2 센서의 센서 감도를 그래프로 나타낸 도면,
도 4는 일출부터 일몰까지의 태양의 경로를 나타낸 예시도,
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 반사경 회동 각도를 제어하는 각종 예를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기의 설치 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 대한 설명 시 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기의 구성도로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 집광판(10), 반사경(21,22), 제어 모듈(30), 및 센서 모듈(40)을 포함할 수 있다.
집광판(10)은 집광면(10a)이 태양의 남중(또는 남중시 방위각이라 칭함)을 향하도록 설치되어 태양광을 집광하기 위한 것으로, 예를 들어, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같은 기존의 고정형 태양광 발전기의 집광판과 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
반사경(21,22)은 집광판(10)의 면적을 벗어나서 노출되는 태양광을 반사시켜 해당 집광면(10a)으로 입사시키기 위한 것으로, 예를 들어, 집광판(10)의 동측면에 회동 가능하게 설치된 제1 반사경(21) 및 집광판(10)의 서측면에 회동 가능하게 설치된 제2 반사경(22)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면 고강도 경량의 반사경(21,22)이 최소 제어 방식에 따라 일정 각도로 움직이는 구조로서, 반사경(21,22)은 강화유리, 실리콘, 박막소재로 모터진동 및 풍압 파손에 취약한 태양광 모듈 대신 유리, 알루미늄, 초박형 고강도 스테인레스 등과 같은 경량/고강도의 소재를 사용하여 구성할 수 있으므로, 타공 또는 절편, 바람구멍 등 구조 변형이 자유롭고, 소재 경량화에 따라 반사경을 회동시키기 위한 구조물로서의 엑츄에이터, 모터 등도 경량화 및 저전력화 할 수 있으며 이에 따라 발전량 증가 대비 소비전력을 최소화 할 수 있다.
본 실시예에서 반사경(21,22)은 집광판(10)에 연결된 일측을 회전축으로 하여 반사경(21,22)의 반사면(22a)과 집광판(10)의 집광면(10a) 간에 이루는 각도(이하 회동 각도라 약칭함)가 약 180도 이내가 되도록 회동할 수 있는데, 반사경(21,22)을 회동시키기 위한 물리적인 구조는 기존의 방식에 따라 다양한 구조로 설계 가능하므로 그 설명은 생략하기로 한다.
센서 모듈(40)은 태양의 위치에 따른 빛의 세기(또는 광량이라 칭함)를 검출(감지)하기 위한 것으로, 예를 들어, 태양의 위치가 일출부터 남중까지의 제1 구간에 있을 경우에 남중부터 일몰까지의 제2 구간에 있을 경우보다 더 많은 광량을 감지할 수 있도록 설치된 제1 센서(41), 및 남중부터 일몰까지의 제2 구간에 있을 경우에 일출부터 남중까지의 제1 구간에 있을 경우보다 더 많은 광량을 감지할 수 있도록 설치된 제2 센서(42)를 포함할 수 있으며, 구체적인 구조의 일 예는 도 2를 참조로 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 센서 모듈(40)은 태양의 남중을 향하는 일면(45)과, 그 일면(45)을 제1 영역 면(45a)과 제2 영역 면(45b)으로 나누기 위해 일면(45)의 중앙에 수직으로 세워진 연직면(47a,47b: 47)을 포함하는 센서 구조물을 가정하면, 센서 모듈(40)의 제1 센서(41)는 제1 영역 면(45a)과 연직면(47a) 간의 사이를 잇도록 일정 각도의 사선으로 경사지게 설치되고, 센서 모듈(40)의 제2 센서(42)는 제2 영역 면(45b)과 연직면(47b) 간의 사이를 잇도록 일정 각도의 사선으로 경사지게 설치될 수 있다. 따라서, 제1 센서(41)는 그 제1 센서(41)의 수광면이 일출부터 남중까지의 태양의 위치를 향하도록 사선(경사면)으로 배치되고, 제2 센서(42)는 그 제2 센서(42)의 수광면이 남중부터 일몰까지의 태양의 위치를 향하도록 사선(경사면)으로 배치된다.
다시 도 1에서, 제어 모듈(30)은 제1 및 제2 반사경(21,22)의 회동 동작을 제어하여 반사경(21,22)의 반사면(21a,22a)과 집광판(10)의 집광면(10a) 간의 각도(이하, 회동 각도라 칭함)를 제어하기 위한 것으로, 예를 들어, 동일 시점에 대해 제1 센서(41)로부터 감지된 제1 광량값과 제2 센서(42)로부터 감지된 제2 광량값을 서로 비교하고 그 비교 결과에 따라 제1 및 제2 반사경(21,22) 중 적어도 하나의 회동 각도를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기의 센서 모듈(40)에서 시간에 따른 태양 위치별 제1,2 센서(41,42)의 센서 감도를 그래프로 나타낸 도면이고, 도 4는 일출부터 일몰까지의 태양의 경로를 예시한 도면이다.
본 실시예에 따르면, 도 3,4에 도시된 바와 같이, 시간에 따른 태양 위치별 제1,2 센서(41,42) 간의 센서 감도(또는 광량값이라 칭함)를 비교하면, 일출부터 남중까지에 해당하는 제1 구간에서는 제1 센서(41)로부터 획득된 광량값이 제2 센서(42)로부터 획득된 광량값보다 상대적으로 더 크고, 남중부터 일몰까지의 구간에서는 제2 센서(42)로부터 획득된 광량값이 제1 센서(41)로부터 획득된 광량값보다 상대적으로 더 크다.
또한, 본 실시예에 따르면 일출부터 남중까지의 제1 구간에서는 제1 센서(41)로부터 획득된 광량값만이 일부 구간(예를 들어, 오전10시경부터 남중까지의 구간)에서 기 설정된 제1 기준값 이상으로 검출될 수 있고, 남중부터 일몰까지의 제2 구간에서는 제2 센서(42)로부터 획득된 광량값만이 일부 구간(예를 들어, 남중부터 오후2시경까지의 구간)에서 기 설정된 제1 기준값 이상으로 검출될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면 태양의 위치가 남중 및 인근에 있을 경우에는 제1,2 센서(41,42)로부터 획득된 2개의 광량값 모두가 제1 기준값 이상으로 검출될 수 있고, 일출 또는 일몰 구간에서는 제1,2 센서(41,42)로부터 획득된 2개의 광량값 모두가 기 설정된 제2 기준값 이하로 검출될 수 있다.
제어 모듈(30)은 제1 센서(41)로부터 획득된 광량값이 기 설정된 제1 기준값 이상이고 제2 센서(42)로부터 획득된 광량값이 제1 기준값 미만일 경우 제1 반사경(41) 및 제2 반사경(42)의 회동 각도를 각각 180도 및 90도로 제어할 수 있다.
대조적으로, 제어 모듈(30)은 제2 센서(42)로부터 획득된 광량값이 기 설정된 제1 기준값 이상이고 제1 센서(41)로부터 획득된 광량값이 제1 기준값 미만일 경우 제1 반사경(41) 및 제2 반사경(42)의 회동 각도를 각각 90도 및 180도로 제어할 수 있다.
또한, 제어 모듈(30)은 제1,2 센서(41,42)로부터 획득된 2개의 광량값이 기 설정된 제1 기준값 이상일 경우 제1 반사경(41)과 제2 반사경(42)의 회동 각도를 모두 180도로 제어할 수 있다.
또한, 제어 모듈(30)은 제1,2 센서(41,42)로부터 획득된 2개의 광량값이 기 설정된 제2 기준값 이하일 경우 제1 반사경(41)과 제2 반사경(42)의 회동 각도를 모두 180도로 제어할 수 있다.
본 실시예에서, 제1 기준값과 제2 기준값은 각각 상한 기준값과 하한 기준값을 나타내는 것으로 실험을 통해 설정할 수 있으며, 예를 들어, 제1 기준값은 약 5000Lux로 설정하고 제2 기준값은 약 1000Lux로 설정할 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 반사경의 회동 각도를 제어하는 각종 예를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일출부터 남중까지의 제1 구간 중 약 오전10시 경에 태양(1b)이 위치할 경우에는, 도 5의 (a)(b)에 도시된 바와 같이 센서 모듈(40)의 제1 센서(41)에서만 기 설정된 제1 기준값인 5000Lux 이상의 광량값이 검출되고 제2 센서(42)에서는 제1 기준값 미만의 광량값이 검출될 수 있으며, 이러한 검출 결과를 기초로 제어 모듈(30)은 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 제1 반사경(21) 및 제2 반사경(22)의 회동 각도를 각각 180도 및 90도로 제어할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 남중부터 일몰까지의 제2 구간 중 약 오후2시 경에 태양(1d)이 위치할 경우에는, 도 6의 (a)(b)에 도시된 바와 같이 센서 모듈(40)의 제2 센서(42)에서만 기 설정된 제1 기준값인 5000Lux 이상의 광량값이 검출되고 제1 센서(41)에서는 제1 기준값 미만의 광량값이 검출될 수 있다. 따라서 제어 모듈(30)은 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 제1 반사경(21) 및 제2 반사경(22)의 회동 각도를 각각 90도 및 180도로 제어할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 태양(1c)이 남중에 위치할 경우에는, 도 7의 (a)(b)에 도시된 바와 같이 센서 모듈(40)의 제1,2 센서(41,42) 모두에서 기 설정된 제1 기준값인 5000Lux 이상의 광량값이 검출될 수 있고, 이러한 검출 결과를 기초로 제어 모듈(30)은 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 제1 반사경(21) 및 제2 반사경(22)의 회동 각도를 모두 180도로 제어하여, 강한 직달 광선 및 산란광 모두를 집광판(10)에서 흡수할 수 있도록 할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 일몰 구간 또는 일출 구간에 태양(1e 또는 1a)이 위치하거나 흐린 날의 경우에는, 도 8의 (a)(b)에 도시된 바와 같이 센서 모듈(40)의 제1,2 센서(41,42) 모두에서 기 설정된 제2 기준값인 1000Lux 이하의 광량값이 검출될 수 있고, 이러한 검출 결과를 기초로 제어 모듈(30)은 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 제1 반사경(21) 및 제2 반사경(22)의 회동 각도를 모두 180도로 제어하여, 집광판(10)에서 대부분의 산란광을 흡수할 수 있도록 할 수 있다.
도 9는 도 1의 설치 예를 나타내는 도면으로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 도 9의 (a)에 도시된 바와 같은 기존의 고정형 태양광 발전기의 집광판(10)의 양측에 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 반사경(21,22)을 추가로 설치하여 구성할 수 있으므로, 기존의 설비에 대한 개량 설치가 쉽고 이에 따라 설치 비용이 대폭 절감될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 집광판
10a: 집광면
21,22: 반사경
21a,22a: 반사면
30: 제어 모듈
40: 센서 모듈
41,42: 제1,2 (광량) 센서

Claims (5)

  1. 집광면이 태양의 남중을 향하도록 설치된 집광판;
    상기 집광판의 동측면과 서측면에 각각 회동 가능하게 설치된 제1 및 제2 반사경;
    태양의 위치가 일출부터 남중까지의 제1 구간에 있을 경우에 남중부터 일몰까지의 제2 구간에 있을 경우보다 더 많은 광량을 감지하기 위한 제1 센서, 및 남중부터 일몰까지의 제2 구간에 있을 경우에 일출부터 남중까지의 제1 구간에 있을 경우보다 더 많은 광량을 감지하기 위한 제2 센서를 포함하는 센서 모듈; 및
    상기 제1 센서로부터 감지된 제1 광량값과 상기 제2 센서로부터 감지된 제2 광량값 간의 크기를 상호 비교하고 그 비교 결과를 기초로 상기 제1 및 제2 반사경 중 적어도 하나의 회동 각도를 90도 또는 180도로 제어하기 위한 제어 모듈을 포함하고,
    상기 회동 각도는 반사경의 반사면과 집광판의 집광면 간의 각도를 나타내고,
    상기 제어 모듈은, 상기 제1 광량값이 기 설정된 제1 기준값 이상이고 상기 제2 광량값이 상기 제1 기준값 미만일 경우 상기 제1 반사경 및 제2 반사경의 회동 각도를 각각 180도 및 90도로 제어하고, 상기 제2 광량값이 상기 제1 기준값 이상이고 상기 제1 광량값이 상기 제1 기준값 미만일 경우 상기 제1 반사경 및 제2 반사경의 회동 각도를 각각 90도 및 180도로 제어하며, 상기 제1 광량값 및 제2 광량값 모두가 상기 제1 기준값 이상일 경우 상기 제1 반사경과 제2 반사경의 회동 각도를 모두 180도로 제어하고, 상기 제어 모듈은 상기 제1 광량값 및 제2 광량값 모두가 기 설정된 제2 기준값 이하일 경우 상기 제1 반사경과 제2 반사경의 회동 각도를 모두 180도로 제어하며, 상기 제1 기준값은 기 설정된 상한 기준값이고 상기 제2 기준값은 기 설정된 하한 기준값인
    것을 특징으로 하는 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서는 그 제1 센서의 수광면이 일출부터 남중까지의 태양의 위치를 향하도록 사선(경사면)으로 배치되고, 상기 제2 센서는 그 제2 센서의 수광면이 남중부터 일몰까지의 태양의 위치를 향하도록 사선(경사면)으로 배치된 것을 특징으로 하는 최소 제어 방식의 반사경이 구비된 고정형 태양광 발전기.
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