KR101751668B1 - 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양의 위치에 따라 변화되는 그림자의 위치를 이용하여 태양의 위치를 추적하고, 추적된 태양의 위치에 근거하여 태양광과 수직한 방향으로 태양광 프레임을 전환시키며, 상기 태양광 프레임과 동일 방향으로 그림자를 발생시켜 태양광 프레임의 각도를 보정할 수 있는 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템은, 태양광 어레이, 태양광 접속반, 인버터 및 태양광 추적장치를 포함하여 구성되고, 상기 태양광 추적장치는 태양광 어레이가 구비되는 태양광 프레임에 설치되어 태양의 위치를 검출하는 추적센서부; 상기 추적센서부에서 검출된 영상을 분석하여 태양의 방위각 및 고도를 산출하는 제어부; 및 상기 제어부에서 산출된 태양의 방위각 및 고도에 대응하여 상기 태양광 프레임의 방향을 전환시키는 복수 개의 액추에이터를 포함하여 구성되고, 상기 추적센서부는 상기 태양광 프레임과 평행하게 설치되어 태양의 고도에 따른 그림자를 촬영하고, 상기 촬영된 영상을 상기 제어부에 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템{PHOTOVOLTAICS SYSTEM WITH SUN TRACKING DEVICE}
본 발명은 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양의 위치에 따라 변화되는 그림자의 위치를 이용하여 태양의 위치를 추적하고, 추적된 태양의 위치에 근거하여 태양광과 수직한 방향으로 태양광 프레임을 전환시키며, 상기 태양광 프레임과 동일 방향으로 그림자를 발생시켜 태양광 프레임의 각도를 보정할 수 있는 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전시스템은 태양광을 이용하여 발전된 직류 전원을 인버터가 교류 전원으로 변환하여 각 수용가에 공급하게 된다. 이러한 태양광 발전 시스템은 수광된 태양광에 상응하는 직류 전원을 생산하는 태양 전지셀과 이를 직렬로 연결한 태양광 어레이, 태양광 어레이와 인버터 사이에서 많은 배선의 결선을 용이하게 해주고 각종 보호 기능을 수행하는 태양광 접속반, 태양광 어레이에서 발전된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터, 상기 인버터에서 출력되는 교류 전원을 소비하는 부하로 구성된다.
상기와 같은 태양광의 에너지를 전기로 변환하는 기술은 태양 전지셀을 이용하는 것인데, 최적의 발전효율을 얻기 위해서는 집광(集光)되는 에너지를 최대화하는 것이 필요하고, 이를 위해서는 태양 전지셀(또는 태양광 어레이)과 태양광이 이루는 각도가 수직으로 이루어져야 한다.
이에, 태양광 발전시스템에서 가장 주요한 부분인 태양광 어레이는 발전효율을 극대화시키기 위하여 태양광이 항상 태양광 어레이의 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 동력 또는 기기 조작을 통해 태양의 위치를 추적해 가는 추적식, 계절 또는 월별로 상하로 위치가 변화되는 반고정식, 태양과의 고도에 관계없이 항상 위치가 고정되는 고정식 등이 있다.
상기 방식 중에서, 추적식 어레이는 태양광 발전시스템의 효율을 극대화하기 위해 태양광선이 태양광 어레이 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 태양을 추적해가는 방식이다. 이러한 추적식 어레이는 태양광 발전시스템의 효율을 높일 수 있으나, 비용이 고가이며 유지 관리에도 어려움이 있는 문제점이 있다.
추적식 어레이에 대한 기술 중 하나로서, 등록특허공보 제10-131282호에 하이브리드 방식의 태양위치 추적 시스템 및 그 방법이 개시되었다.
상기 기술은 기준점의 위도 및 경도를 포함하는 위치정보, 시간정보 및 날짜정보를 수신하는 GPS 모듈; 상기 위치정보, 상기 시간정보 및 상기 날짜정보를 기초로 태양의 위치를 산출하는 위치산출부; 상기 위치산출부에서 산출된 상기 태양의 위치를 기준으로 촬상하여 태양을 포함하는 영상을 주기적 또는 비주기적으로 획득하는 이미지 센서모듈; 상기 영상에서 태양을 검출하고, 미리 설정된 기준좌표계에서의 상대적인 태양의 위치 좌표값을 획득하는 좌표계산부; 상기 태양의 위치 좌표값을 상기 기준좌표계의 중앙에 대응시키기 위한 보정값을 산출하고, 상기 보정값에 따라 상기 위치산출부에서 산출된 상기 태양의 위치를 보정하는 위치보정부; 및 태양의 상기 위치 좌표값의 상호비교를 통해 시간에 따른 태양의 변위량을 산출하여 상기 위치보정부에 의한 보정 여부를 결정하고, 상기 결정에 대응한 제어신호를 출력하여 상기 위치보정부의 가동 여부를 제어하는 보정결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기의 기술은 위치산출부에서 산출된 태양의 위치를 획득하고, 이에 근거하여 이미지센서로 태양을 포함하는 영상을 촬영하게 되는데, 산출된 태양의 위치로 이미지센서를 동작시켜야 하는 문제점이 발생된다. 즉, 산출된 태양의 위치에 대응하는 방향으로 이미지센서의 촬영 방향을 전환시켜야 태양을 포함하는 영상을 얻을 수 있게 된다. 아울러, 이미지센서로 촬영된 영역에서 태양의 위치 좌표값을 산출해야 하는 데, 촬영각도에 근거하여 상기 태양의 위치 좌표값을 산출함에 따라 복잡한 연산을 수행해야 하는 단점이 있다.
또한, 추적식 어레이에 대한 기술 중 하나로서, 등록특허공보 제10-1661712호에 태양에너지 이용장치의 태양 위치추적장치가 개시되어 있다.
상기 기술은 바닥에 고정되는 테이블받침대, 상기 테이블받침대의 중앙을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 원판형상의 턴테이블, 및 상기 턴테이블을 상기 테이블받침대에서 회전시켜 태양에너지 이용장치의 방위각을 조절하는 테이블구동기구를 포함하고, 상기 턴테이블의 가운데 양측에 세워져 태양에너지 이용장치가 상하로 회전 가능하도록 지지하는 한 쌍의 메인지지대, 상기 메인지지대의 각각에서 상기 턴테이블의 회전중심을 향해 경사지도록 세워지는 제1 보강대, 및 상기 메인지지대 각각에서 상기 메인지지대에 설치되는 태양에너지 이용장치가 태양을 바라보는 반대방향의 후방으로 경사지게 세워지는 제2 보강대를 포함하여 구성된다.
상기의 기술은 풍압 등의 외력에 의한 파손을 방지할 수 있다는 장점이 있으나, 턴테이블 등의 복잡한 구성에 의해서 유지 보수가 어려운 단점이 있다.
KR 10-1313282 B1 (2013. 09. 24.) KR 10-1661712 B1 (2016. 09. 26.)
본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 이미지센서를 이용하여 태양의 위치에 따라 변화되는 중심점 그림자의 위치를 촬영하고, 상기 촬영된 이미지에 근거하여 태양을 추적할 수 있는 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 추적된 태양의 위치에 수직한 방향으로 태양광 패널을 전환시키고, 상기 태양광 패널과 동일 방향으로 그림자를 발생시켜 태양광 패널의 위치를 보정할 수 있는 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템은, 태양광 어레이, 태양광 접속반, 인버터 및 태양광 추적장치를 포함하여 구성되고, 상기 태양광 추적장치는 태양광 어레이가 구비되는 태양광 프레임에 설치되어 태양의 위치를 검출하는 추적센서부; 상기 추적센서부에서 검출된 영상을 분석하여 태양의 방위각 및 고도를 산출하는 제어부; 및 상기 제어부에서 산출된 태양의 방위각 및 고도에 대응하여 상기 태양광 프레임의 방향을 전환시키는 복수 개의 액추에이터를 포함하여 구성되고, 상기 추적센서부는 상기 태양광 프레임과 평행하게 설치되어 태양의 고도에 따른 그림자를 촬영하고, 상기 촬영된 영상을 상기 제어부에 제공하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 추적센서부는 투명 재질의 반구 형태로 이루어진 태양광 캡; 상기 태양광 캡의 하부에 설치되는 플레이트; 상기 플레이트에 형성되되, 상기 태양광 캡의 중심부 직하방에 형성되는 가이드라인; 상기 태양광 캡의 중심부에 설치되어 태양 그림자를 형성하게 하는 그림자형성점; 및 상기 가이드라인과 상기 그림자 형성점에 의해 형성된 태양 그림자를 포함하여 촬영하는 이미지센서를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 이미지센서로 촬영된 영상에서 가이드라인과 상기 태양 그림자를 검출하고, 상기 태양 그림자의 위치를 상기 가이드라인의 내측으로 이동시키기 위한 변위를 산출하며, 상기 산출된 변위에 근거하여 상기 복수 개의 액추에이터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지센서는 상기 태양광 캡의 내부면 북쪽에 설치되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 액추에이터는 남쪽방향으로 설치되어 상기 태양광 프레임을 각각 지지하는 제1 액추에이터와 제2 액추에이터; 및 북쪽방향으로 설치되어 상기 태양광 프레임을 각각 지지하는 제3 액추에이터와 제4 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 태양의 위치에 따라 변화되는 중심점 그림자의 위치를 촬영함에 따라, 태양의 위치를 그림자 발생영역으로 제한할 수 있으므로, 태양 추적에 따른 영역이 중심점 그림자가 생성되는 영역으로 좁아지게 되어, 태양의 위치를 용이하게 검출할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이미지센서가 태양광 패널의 방향과 일치하여 전환됨에 따라 태양광 패널의 각도 변경에 대응하여 중심점 그림자가 발생되면서, 태양광 패널이 보정된 상태에서 태양광에 수직한 방향으로 제어될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 태양광 프레임 및 태양광 추적장치의 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 태양광 프레임 및 태양광 추적장치의 측면도.
도 4는 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 태양광 추적장치의 구성도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 태양광 추적장치에 적용된 추적센서부의 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 촬영된 영상으로부터 태양 변위의 검출 과정을 나타낸 도면
도 8은 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 메모리에 저장 관리되는 데이터 테이블의 일 실시 예를 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 태양의 위치에 따라 변화되는 그림자의 위치를 이용하여 태양의 위치를 추적하고, 추적된 태양의 위치에 근거하여 태양광과 수직한 방향으로 태양광 프레임을 전환시키며, 상기 태양광 프레임과 동일 방향으로 그림자를 발생시켜 태양광 프레임의 위치를 보정할 수 있는 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템은 태양광 어레이(10), 태양광 접속반(20), 인버터(30), 부하(40) 및 태양광 추적장치(50)를 포함하여 구성된다.
상기 태양광 어레이(10)는 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 상기 태양전지 어레이(10)는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다.
상기 태양전지 어레이(10)는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 구성될 수 있고, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다. 이러한 태양전지 어레이(10)의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지 셀은 복수 개로 사용된다. 즉, 가정에서 사용되는 필요 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V 이상인데 비하여, 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문에 다수의 단위 태양전지들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다. 또한, 태양전지 어레이(10)가 야외에 설치됨에 따라 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용한다.
또한, 상기 태양광 어레이(10)는 태양광 프레임(11)에 설치되고, 상기 태양광 프레임(11)은 태양광 추적장치(50)의 제어에 의해 태양광에 수직한 상태로 전환되게 된다.
상기 태양광 접속반(20)은 태양전지 어레이(10)로부터 생산된 직류 전류를 취합하여 인버터(30)에 출력하는 장치로서, 태양전지 어레이(10)로부터 발전된 직류전력 중에서 동일한 극성의 전력선(이하 '스트링'이라고 한다)을 취합하여 단상으로 출력한다. 즉, (+) 스트링은 (+) 스트링으로 연결하고, (-) 스트링은 (-) 스트링으로 연결하여 (+)극의 스트링과 (-)극의 스트링으로 이루어진 단상의 전력을 인버터(30)에 공급한다.
상기 인버터(30)는 태양광 접속반(20)에서 취합되어 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 장치로서, 그 구성은 전력변환부, 출력필터 및 고주파 필터 등을 포함하여 이루어진다.
부하(40)는 상기 인버터(30)에서 교류 전원으로 변환된 전기에너지를 사용하는 것으로서, 그 대상은 주택, 가로등 및 통신장치 등의 소규모 부하에서부터 공장 및 빌딩 등의 대규모 부하를 포함할 수 있다. 또한, 설계조건에 따라서 태양광 발전 시스템은 전력계통과 연계될 수 있다.
상기 태양광 추적장치(50)는 태양의 위치에 따라 변화되는 그림자의 위치를 이용하여 태양의 위치를 추적하고, 추적된 태양의 위치에 근거하여 태양광과 수직한 방향으로 태양광 프레임을 전환시키는 기능을 수행한다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 태양광 프레임과 태양광 추적장치의 분해 사시도 및 측면도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 2 및 도 3을 참조하면, 태양광 프레임(11)은 태양광 어레이(10)를 지지하는 것으로서, 그 상면에는 태양광 어레이(10)가 설치된다.
또한, 상기 태양광 프레임(11)의 하부는 액추에이터(400)에 의해 지지되어 지면과 소정의 간격을 유지하게 된다.
아울러, 상기 태양광 프레임(11)에는 추적센서부(100)가 설치되는데, 상기 추적센서부(100)는 상기 태양광 프레임(11)과 연장되어 평행하게 설치된다. 즉, 상기 태양광 프레임(11)의 방향과 동일한 방향을 향하도록 상기 태양광 프레임(11)을 따라 변위되도록 구성된다.
상기 액추에이터(400)는 제어신호에 따라 길이가 신장되게 동작하는 것으로서, 지면(베이스)에 수직으로 입설되고 상기 태양광 프레임(11)의 하부를 받치도록 설치된다.
이러한 상기의 액추에이터(400)는 태양광 프레임(11)의 규모에 따라 복수 개 설치될 수 있으며, 각각 다른 제어신호에 의해 신장되어 상기 태양광 프레임(11)의 각도를 조절하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 태양광 추적장치의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 태양광 추적장치(50)는 추적센서부(100), 제어부(200), 메모리부(300) 및 액추에이터(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 추적센서부(100)는 상기 태양광 프레임과 평행하게 설치되어 태양의 고도에 따른 그림자를 촬영하고, 상기 촬영된 영상을 상기 제어부에 제공하게 된다.
상기 추적센서부(100)에 대한 일 실시 예의 구성을 첨부된 도 4를 통해 설명한다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 태양광 추적장치에 적용된 추적센서부의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 따른 추적센서부는 태양광 캡(110), 플레이트(120), 가이드라인(130), 그림자 형성점(140) 및 이미지센서(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
태양광 캡(110)은 투명 재질의 반구 형태로 이루어진 것으로서, 태양광이 투과되도록 유지 또는 투명 재질의 합성수지로 구성될 수 있다.
플레이트(120)는 상기 태양광 캡(110)의 하부에 설치되는 베이스 패널로서, 불투명 재질로 이루어질 수 있다.
가이드라인(130)은 상기 플레이트(120)에 형성되되, 상기 태양광 캡(110)의 중심부에서 직하방에 형성된다. 상기 가이드라인(130)은 상기 태양광 캡(110)의 기준을 안내하기 위한 것으로서, 상기 플레이트(120)에 원의 형태로 인쇄되거나 양각 또는 음각될 수 있다.
즉, 상기 가이드라인(130)은 촬영에 의해 상기 플레이트(120)와 구별될 수 있는 정도이면 충분하다.
그림자 형성점(140)은 상기 태양광 캡(110)의 중심부에 설치되어 태양의 그림자를 형성시키는 것으로서, 태양광을 흡수하거나 전반사시킬 수 있는 것이면 어떠한 재질로도 가능하다. 상기 그림자 형성점(140)에 의해서 형성된 태양 그림자는 상기 플레이트(120)에 맺히게 된다.
여기서, 상기 그림자 형성점(140)에 의해서 생성된 태양 그림자의 직경은 상기 가이드라인(130)의 직경보다 상대적으로 작게 형성될 수 있다. 즉, 상기 태양 그림자의 중심점과 상기 가이드라인(130)의 중심점이 일치되는 경우, 상기 가이드라인(130)의 내측으로 상기 태양 그림자가 포함되게 구성된다.
이미지센서(150)는 상기 가이드라인과 상기 그림자 형성점에 의해 형성된 태양 그림자를 포함하여 촬영하는 것으로서, 이미지 촬영을 위한 카메라를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 이미지센서(150)에 의한 상기 그림자 형성점(140)에 의해 생성된 태양 그림자와의 중첩 또는 간섭을 방지하기 위해, 상기 이미지센서(150)는 북쪽 방향에서 남측 하방을 촬영하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 이미지센서(150)의 외부 노출을 방지하도록 상기 태양광 캡(110)의 내측면에 부착되어 설치될 수 있다.
즉, 상기 이미지센서(150)에 의한 그림자가 태양 그림자를 간섭하지 않도록 하면서 외부와의 접촉을 차단할 수 있도록, 상기 이미지센서(150)는 상기 태양광 캡(110)의 내측면 북쪽 상단에 설치되어 상기 가이드라인과 상기 그림자 형성점에 의해 형성된 태양 그림자를 포함하여 촬영되도록 설치된다.
설계조건에 따라서, 상기 이미지센서(150) 주변으로 제1 및 제2 이미지센서가 더 부설될 수 있다.
부설되는 상기 제1 및 제2 이미지센서는 상기 이미지센서(150)를 기준으로 각각 동측 및 서측에서 상기 가이드라인과 상기 그림자 형성점에 의해 형성된 태양 그림자를 포함하여 촬영되도록 설치된다.
상기의 제1 및 제2 이미지센서는 상기 태양광 프레임(11)이 각도가 조절된 이후에 상기 가이드라인과 상기 그림자 형성점에 의해 형성된 태양 그림자를 포함하여 촬영하여 상기 가이드라인의 내측 범위에 상기 태양 그림자가 위치하였는지를 판단하기 위한 영상으로 사용될 수 있다. 부연하면, 상기 제1 및 제2 이미지센서는 액추에이터(400)의 동작을 보정하기 위한 영상 촬영에 사용될 수 있다.
제어부(200)는 상기 추적센서부(100)에서 검출된 영상을 분석하여 태양의 방위각 및 고도를 산출하고, 산출된 방위각 및 고도에 근거하여 액추에이터를 제어하는 신호를 출력한다.
부연하면, 상기 제어부(200)는 상기 이미지센서로 촬영된 영상에서 가이드라인과 상기 태양 그림자를 검출하고, 상기 태양 그림자의 위치를 상기 가이드라인의 내측으로 이동시키기 위한 변위를 산출하며, 상기 산출된 변위에 근거하여 상기 복수 개의 액추에이터를 제어하게 된다.
여기서, 방위각은 북쪽에서 동쪽방향으로 측정한 각도이고, 고도는 지평선과 태양사이의 각도를 의미한다.
아울러, 상기 제어부(200)는 상기 이미지센서(150)의 촬영 시점을 제어하도록 구성될 수 있으며, 촬영 시점을 제어하는 신호는 소정의 주기로 하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 주기는 10분 또는 20분으로 설정될 수 있으나, 사용자의 조작에 의해 변경 가능하도록 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 촬영된 영상으로부터 태양 변위의 검출 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 추적센서부(100)와 태양광 프레임(11)이 평행하게 설치된다. 따라서, 태양광이 태양광 프레임에 수직으로 입사되게 되면, 상기 그림자 형성점(140)에 의해서 생성된 태양 그림자(SH)는 상기 가이드라인(130)의 내측에 맺히게 된다.
예를 들어, 도 7에서와 같이 직경보다 그림자 형성점(140)에 의해서 생성된 태양 그림자(SH)가 가이드라인(130)의 범위를 벗어난 경우, 태양광은 상기 태양광 프레임(11)과 수직으로 입사되지 않음을 의미한다.
따라서, 도 7과 같은 영상이 추적센서부(100)로부터 입력된 경우에는 태양광 프레임(11)의 각도를 변경하여 태양 그림자가 상기 가이드라인(130)의 내측에 맺히도록 상기 태양광 프레임의 변위를 조정해야 한다.
이때, 조정되는 변위값은 가이드라인(130)의 중심점과 태양 그림자(SH)의 중심점을 찾고, 각각의 중심점의 X축 거리와 Y축 거리를 산출하는 것으로 이루어진다.
여기서, 상기 가이드라인(130)의 중심점은 초기값으로 설정될 수 있다. 즉, 추적센서부(100)의 이미지센서(150)가 촬영되는 중심점을 상기 가이드 라인의 중심으로 선정하고, 이를 2축 좌표계의 중심점으로 표현하면 (0, 0)으로 정의될 수 있다.
다음으로, 태양 그림자(SH)의 중심점을 검출하게 되는 데, 먼저 태양 그림자(S)가 어디에 있는지를 검출해야 한다. 이때, 태양 그림자(SH)의 검출은 차영상 방식을 통하여 검출될 수 있다. 즉, 태양 그림자가 맺히지 않은 기준 영상과 촬영된 영상을 비교하여 차영상 방식을 통해 태양 그림자(SH)가 검출된다.
상기 차영상 방식은 기준 영상의 픽셀값(RGB 값)과 촬영된 영상의 픽셀값(RGB 값)을 비교하여 태양 그림자에 대한 위치가 검출되게 구성될 수 있다.
상기 태양 그림자(SH)가 검출되면, 절대값이 가장 큰 X축 및 Y축 픽셀값과 가장 작은 X축 및 Y축 픽셀값을 산술평균으로 계산하여 상기 태양 그림자(SH)의 중심점이 검출된다.
상기 태양 그림자(SH)의 중심점이 검출되면 상기 가이드 라인의 중심점에 대한 이격 거리가 산출되게 된다.
이에 따라, 제어부(200)는 상기 이격 거리를 산출하고, 산출된 이격 거리에 대응하는 제어신호를 출력하게 된다.
한편, 도 7에서와 같이 태양 그림자(SH)와 가이드라인(130)이 촬영된 영상인 경우, x축 이동을 위해 상기의 동쪽(E)에 위치한 액추에이터를 수축시키거나 또는 서쪽(W)에 위치한 액추에이터를 신장시켜 태양 그림자(SH)의 중심축을 y축으로 이동한 후, 남쪽(S)에 위치한 액추에이터를 수축하거나 또는 북쪽(N)에 위치한 액추에이터를 신장시켜 태양 그림자(SH)의 중심축을 x축으로 이동시킴으써, 상기 태양 그림자(SH)를 상기 가이드라인(130)의 내측으로 이동시키게 된다.
본 발명에서 태양의 위치 추적은 태양광의 그림자를 이용하여 추적된다. 이때, 기상의 악화로 인하여 태양광에 의한 그림자가 일시적 또는 지속적으로 발생되지 않는 경우, 태양광을 추적하기가 곤란하다. 아울러, 일몰 이후에 태양광 프레임은 일출 지점을 향하도록 변위가 조정되어야 태양광의 추적이 가능해진다.
이에, 태양광을 추적할 수 없는 기상조건 또는 일몰 이후의 태양광 프레임의 변위를 조정하기 위한 정형화된 정보가 이용될 수 있다.
메모리(300)는 설치기준점의 위도 및 경도를 포함하는 위치정보, 시간정보 및 날짜정보에 대한 태양의 방위각 및 고도를 저장 관리한다.
여기서, 상기 설치기준점은 태양의 위치를 추적하는 장소를 의미하는 것으로, 예컨대, 태양광 발전 시스템이 설치된 위도를 의미하며, 설계조건에 따라서 경도가 더 포함될 수 있다. 또한, 시간정보와 날짜정보는 태양 위치의 추적이 이루어지는 때의 시간과 날짜를 의미한다.
이러한 구성에서 상기 위치정보, 시간정보 및 날짜정보는 GPS를 이용하여 그 정보가 저장 관리되도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 메모리(300)에 저장되는 정보는 데이터 테이블로 이루어질 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템에서 메모리에 저장 관리되는 데이터 테이블의 일 실시 예를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 8을 참조하면, 일 실시 예의 데이터 테이블은 대전지역의 12월 모일 태양의 방위각 및 고도에 대한 데이터 테이블이다.
상기 데이터 테이블에서 실제 필요한 데이터는 고도가 양의 값을 가지는 구간으로서, 첨부된 도 8에서는 08시부터 17시까지의 방위각 및 고도가 이용된다.
이에 따라, 제어부(200)는 일정 시간 이내에 태양의 위치를 검출하지 못하는 것으로 판단되는 경우, 상기 메모리(300)에 저장된 현재시간에 대응되는 위치정보, 시간정보 및 날짜정보에 대한 태양의 방위각 및 고도를 검출하여 태양광 프레임의 변위를 조정하는 제어신호가 출력되도록 구성된다.
또한, 일몰 이후 제어부(200)는 익일 태양의 방위각 및 고도를 검출하여 상기 태양광 프레임의 변위를 일출 시점의 방위각 및 고도에 대응되는 변위를 조정하는 제어신호가 출력되도록 구성된다. 즉, 상기 제어부(200)는 메모리(300)에 저장된 데이터 테이블에 근거하여 일몰 이후에는 그 다음날의 일출 시점에 맞추어서 태양광 프레임의 변위를 미리 조정하도록 구성될 수 있다.
액추에이터(400)는 상기 제어부에서 산출된 태양의 방위각 및 고도에 대응하여 신장의 가변에 따라 상기 태양광 프레임의 방향을 전환시킨다.
본 발명에서의 액추에이터(400)는 전기, 유압 또는 공기압 등의 에너지를 인가받아 길이가 가변될 수 있는 것이면 충분하다.
이때, 상기 액추에이터(400)는 상기 태양광 프레임의 크기에 따라 복수 개 구비될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 남측 방향에 제1 및 제2 액추에이터(401, 402)가 설치되고, 북측 방향에 제3 및 제4 액추에이터(403, 404)가 설치될 수 있다.
이러한 구성에서 복수 개의 상기 액추에이터의 규격이 사용될 수 있다. 즉, 복수 개의 액추에이터가 동일한 규격으로 사용됨에 따라 동일한 제어신호에 의해 동일한 신축이 가능하다. 즉, 제어부(200)에서 산출된 이격 거리에 대응하는 각각의 액추에이터에 대한 제어신호의 생성이 간소해지는 장점이 있다.
상기에서 복수 개의 액추에이터가 동일한 규격으로 사용되는 경우, 상기 태양광 프레임은 위도에 대응하여 소정의 경사도를 갖도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 북측에 위치한 상기 제3 액추에이터(403) 및 제4 액추에이터(404)는 남측에 위치한 제1 액추에이터(401) 및 제2 액추에이터(402) 보다 상대적으로 높게 설정되어야 한다. 따라서 상기 제3 액추에이터(403) 및 제4 액추에이터(404)는 단차기둥(405)의 상부에 설치되도록 구성된다.
또한, 복수 개의 상기 액추에이터(400)의 신축 동작에 따라 상기 태양광 프레임(11)은 틸팅 동작 및 패닝 동작의 2축 회전을 수행하게 된다.
여기서, 상기 틸팅 동작은 고도를 변위시키는 것이고, 패닝 동작은 방위각을 변위시키는 것을 의미한다.
이에, 상기 태양광 프레임(11)에 2축 회전에 대한 자유도를 부여하기 위해서 상기 태양광 프레임(11)과 상기 액추에이터(400) 사이에는 2자유도를 갖는 십자형 연결구(410)가 구비된다.
상기 십자형 연결구(410)는 2자유도 회전운동을 수행할 수 있도록 내부에 십자형 기계축(예를 들면, 유니버설 조인트 등)을 포함하는 것으로서, 신축되는 액추에이터의 동작에 따라 상기 태양광 프레임(11)의 2축 회전이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 태양의 위치에 따라 변화되는 중심점 그림자의 위치를 촬영함에 따라, 태양의 위치를 그림자 발생영역으로 제한할 수 있으므로, 태양 추적에 따른 영역이 중심점 그림자가 생성되는 영역으로 좁아지게 되어, 태양의 위치를 용이하게 검출할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이미지센서가 태양광 패널의 방향과 일치하여 전환됨에 따라, 태양광 패널의 각도 변경에 대응하여 중심점 그림자가 발생되면서, 태양광 패널이 보정된 상태에서 태양광에 수직한 방향으로 제어될 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
10: 태양광 어레이 20: 태양광 접속반
30: 인버터 40: 부하
50: 태양광 추적장치 100: 추적센서부
110: 태양광 캡 120: 플레이트
130: 가이드라인 140: 그림자 형성점
150: 이미지센서 200: 제어부
300: 메모리부 400: 액추에이터
401: 제1 액추에이터 402: 제2 액추에이터
403: 제3 액추에이터 404: 제4 액추에이터
405: 단차기둥 410: 십자형 연결구

Claims (5)

  1. 태양광 어레이, 태양광 접속반, 인버터 및 태양광 추적장치를 포함하여 구성되는 태양광 발전 시스템에 있어서,
    상기 태양광 추적장치는,
    태양광 어레이가 구비되는 태양광 프레임에 설치되어 태양의 위치를 검출하는 추적센서부;
    상기 추적센서부에서 검출된 영상을 분석하여 태양의 방위각 및 고도를 산출하는 제어부;
    설치기준점의 위도와 경도를 포함하는 위치정보, 시간정보 및 날짜정보에 대한 태양의 방위각 및 고도가 데이터 테이블로 저장 관리되는 메모리; 및
    상기 제어부에서 산출된 태양의 방위각 및 고도에 대응하여 상기 태양광 프레임의 방향을 전환시키는 복수 개의 액추에이터;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 추적센서부는,
    투명 재질의 반구 형태로 이루어진 태양광 캡;
    상기 태양광 캡의 하부에 설치되는 플레이트;
    상기 플레이트에 형성되되, 상기 태양광 캡의 중심부 직하방에 형성되는 가이드라인;
    상기 태양광 캡의 중심부에 설치되어 태양 그림자를 형성하되, 생성된 태양 그림자의 직경이 상기 가이드라인의 직경보다 상대적으로 작게 형성되게 하는 그림자형성점; 및
    상기 태양광 캡의 내부면 북쪽에 설치되되, 상기 가이드라인과 상기 그림자 형성점에 의해 형성된 태양 그림자를 포함하여 촬영하는 이미지센서;
    를 포함하여 구성되어, 상기 태양광 프레임과 평행하게 설치되어 태양의 고도에 따른 그림자를 촬영하고, 상기 촬영된 영상을 상기 제어부에 제공하며,
    상기 제어부는,
    상기 이미지센서를 통해 촬영된 영상에서 가이드라인과 상기 태양 그림자를 검출하고, 상기 태양 그림자의 위치를 상기 가이드라인의 내측으로 이동시키기 위한 변위를 산출하며, 상기 산출된 변위에 근거하여 상기 복수 개의 액추에이터를 제어하고, 일정 시간 이내에 태양의 위치를 검출하지 못하는 것으로 판단되는 경우, 상기 메모리에 저장된 현재시간에 대응되는 위치정보, 시간정보 및 날짜정보에 대한 태양의 방위각 및 고도를 검출하여 태양광 프레임의 변위를 조정하는 제어신호가 출력되도록 구성되며, 상기 메모리에 저장된 데이터 테이블에 근거하여 일몰 이후에는 그 다음날의 일출 시점에 맞추어서 태양광 프레임의 변위를 미리 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 액추에이터는,
    남쪽방향으로 설치되어 상기 태양광 프레임을 각각 지지하는 제1 액추에이터와 제2 액추에이터; 및
    북쪽방향으로 설치되어 상기 태양광 프레임을 각각 지지하는 제3 액추에이터와 제4 액추에이터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치가 구비된 태양광 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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