KR20100001445A - 태양광 집광판의 각도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템에 있어서 최적의 발전 효율을 얻기 위하여 집광판의 각도를 조절/변경하는 추적식 발전시스템에 적용될 수 있는 집광판 각도 측정 장치에 관한 것이다.

종래의 태양광 발전 장치에 있어서 시간/계절의 변화에 따른 태양의 이동을 추적하여 집광판에 조사되는 입사광의 각도를 조절하는 추적식 발전 시스템은 제어 방식이 시퀀셜하기 때문에 집광판의 각도가 태양의 위치, 혹은 희망하는 각도로 정확히 제어/조절 되었는지 알 수 없었다.

특히 지면이 고르지 못하여 메인프레임이 수평으로 설치되지 못하거나 복수개의 나열된 추적식 집광 장치들을 기계적인 연결 수단을 이용하여 하나의 액츄에이터를 사용하여 제어할 경우 설치면의 지형과 기계적인 편차, 누적된 변형 등으로 인하여 집광판의 정확한 각도 조절이 어렵게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 집광판 혹은 집광판의 각도와 동일하게 움직이는 지지대의 일부에 경사계를 설치 고정하고 집광판의 경사도를 측정하여 측정된 데이터를 무선으로 데이터 수집 및 처리 장치에 전송하여 관리하므로써 최적의 발전 시스템을 유지시키기 위함이다.

태양광발전, 집광판, 경사계

Description

태양광 집광판의 각도 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING SOLAR COLLECTOR TILT}

본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 추적식 태양광 발전에 있어서 집광판의 각도를 측정하는 장치에 관한 것이다.

태양광을 이용하여 전기를 얻는 태양광 발전은 태양의 위치(각도)가 계절에 따라서 남, 북으로 변화하는 계절 변화와 일출부터 일몰까지 동, 서로 시간에 따라서 변화하는 시간 변화에 따라 집광판의 각도를 조절하는 추적식과 태양의 계절 및 시간에 따른 변화에 대하여 평균고도에 집광판을 고정하여 발전하는 고정식이 있다.

도4 는 계절과 시간에 따라 태양의 위치변화를 설명하는 지구를 포함하는 태양계의 일부를 나타내었다. 지구(30)은 태양(31,32)의 주위를 황도면(35)에 따라 일 년에 한번 씩 공전하며 황도면을 기준으로 약 23.5도 기울어진 상태로 매일 회전한다. 그 회전 축(37)의 방향은 북극성을 향하고 있다. 상술한 태양의 계절 변화는 황도면(35)에 위치한 태양의 위치(31,32)에 따른 것이며, 시간 변화는 지구의 자전에 의하여 태양의 위치가 지구(30) 위의 관측자(38) 기준으로 동에서 서로 변 하는 것이다.

태양광 발전에 있어서 추적식은 고정식에 비하여 프레임의 구조가 상대적으로 복잡하고 추적장치와 액츄에이터 등의 설치 비용이 증가하며 발전 시설의 용지가 증가하는 단점이 있으나 집광판의 단위 면적당 발전 효율이 높은 것이 장점이다. 추적식의 경우 남, 북의 변화와 동, 서의 변화를 모두 추적하는 2축식과 동, 서 혹은 남, 북만 추적하는 1축식으로 나눈다.

추적식 태양광 발전 시스템에서 집광판의 제어/조절의 목적은 발전 위치의 주어진 일조량 아래서 최대의 전력을 생산하는 것이다. 따라서 개개의 집광판의 제어/조절이 잘 이루어졌는가는 개개의 집광판에서 출력/생산 되는 전력을 측정하므로써 가능하지만 이러한 방법 역시 출력되는 전력을 측정하기 위한 장치가 각각의 집광판에 설치 되어야 하고, 그때 측정되는 전력양이 현재 주어진 일조량 아래서 최대의 발전효율인지를 판단하기 위해서는 태양전지의 발전 효율 등을 고려하여야 하는 어려움이 따른다.

또한 집광판을 이루고 있는 태양전지는 수명이 25년에서 30년 정도로 사용한 기간이 길어질 수록 발전 효율이 서서히 떨어지기 때문에 집광판의 정확한 발전 효율을 파악하고 이를 집광판 제어/조절의 정확성 판단에 사용한다는 것은 매우 까다로운 일이다.

집광판의 각도 측정이 가능한 또 다른 방법으로 지면에 고정된 메인 프레임(120)과 서브프레임(121)의 사잇각을 측정할 수 있도록 포텐쇼메터 등의 센서와 연결 치부를 설치하는 방안을 생각할 수 있으나 이 또한 설치상의 어려움과 비용증가 로 인해 실현하기에 어려움이 따르며 지면 및 메인 프레임의 수평을 보장 할 수 없으므로 측정의 부정확성이 예상된다.

본 발명은 태양광 발전, 더욱 상세하게는 추적식 태양광 발전에 사용되는 집광판의 각도를 측정하여 무선으로 데이터 수집 및 처리 장치에 전송하고 관리 하므로써 최적의 발전 시스템을 유지시키기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 경사계 센서와 측정된 경사도 값을 무선으로 전송할 수 있는 무선 전송 기능을 구비한 장치를 집광판 혹은 집광판이 체결되어 집광판의 각도와 동일하게 회동하는 지지 부재에 고정하여 집광판의 경사도를 측정, 전송하므로써 추적식 태양광 발전에 있어서, 태양의 방향으로 제어, 조절된 집광판의 각도를 확인하고 이를 원격에서 모니터링 할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 태양광 발전 시스템의 집광판 및 집광판 지지부재의 경사도를 측정하고 모니터링 하므로써 추적식 태양광 발전 시스템에서 집광판이 태양의 이동에 따라 변화하는 태양광의 입사각에 대응하도록 적절히 제어/조절 되었는지를 확인하고 지반 침하 및 강풍으로 인하여 발생하는 추적 오류를 모니터링 하여 발전 시스템의 유지, 관리를 용이하게 하고 태양광 발전 시스템이 최적의 발전을 유지하게 할 수 있게 된다.

또한 각도 측정의 기준이 수평 여부가 불분명한 지면이나, 그 지면에 고정된 메인프레임이 아니라 센서 내부의 질량체가 지구 중력가속의 방향인 지구 중심에 향하는 방향에 대한 상대각을 이용하는 경사계 센서를 이용 하므로써 태양광에 대한 집광판의 각도를 정확히 측정하는 것이 가능하다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 대한 상세한 설명을 위하여 도면을 참조하면,

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명은 집광판의 각도를 측정할 수 있도록 경사계 센서(11)와 집광판에 조사되는 태양광의 강도를 측정하는 조도계 센서(12)를 포함하고, Mux(13)에 의하여 경로가 제어된 상기 두 개의 신호들을 ADC(14)에 의하여 각각 순차적으로 변환하고, 이를 MCU(15)에 의하여 저장, 혹은 원격으로 전송하는 통신부(16)로 구성된다.

그리고 상기한 통신부(16)는 측정된 경사도와 조도 값을 원격 전송을 통하여 모니터링하기 위한 수단이므로 RS485등의 원거리 직렬통신 등의 유선 통신을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 배선의 불편함을 없애고 설치 및 관리의 용이함을 위하여 무선통신을 사용하는 것이 유리하다.

한편, 본 발명에 따른 태양광발전 시스템의 집광판 각도 측정 장치는 외부와 유선 연결을 통하여 전원을 공급 받거나 내부에 배터리를 내장하여 전원을 공급 받을 수 있으나, 바람직하게는 태양광에 노출되어 자가 발전이 가능한 소형의 태양전지부(17)와 발전된 전력을 경사계 센서(11)을 포함한 상술한 구성 요소에 공급(미 도시)해주는 전원부(18)을 포함 한다. 전원부(18)는 소형의 충전용 배터리를 내장하고 전력을 저장하여 일조가 부족한 시간에도 저장된 전력을 이용하여 본 발명인 집광판의 각도 측정과 통신 기능이 원활히 동작할 수 있도록 해준다.

한편 도2에 도시한 바와 같이 본 발명(100)이 태양전지(111) 혹은 태양전지 모듈을 포함한 어레이 혹은 그와 체결되어 동일한 각도로 회동하는 지지부재(110)에 결합된 예를 설명한다. 따라서 본 발명은 상술한 목적대로 태양전지를 포함한 집광판의 각도를 정확히 측정할 수 있게 된다.

도3은 본 발명의 구성을 설명하기 위하여 도시한 절제 사시도이다. 경사계 센서(101)은 케이스(107)의 내부에 고정되어 경사도를 측정하며 조도계 센서(102)는 태양전지(111)에 조사되는 태양광의 광량을 측정하기 위하여 케이스(107)의 외관 상부에 태양전지부(105)와 근접한 위치에 설치된다.

상기한 조도계 센서는 태양전지(111) 면의 법선 방향으로 수직 입사되는 방향(123)의 광량에 대하여 높은 감도를 가질 수 있도록 광학적 렌즈가 조도계 센서 상방에 부착 되어 있는 것을 설치하거나 케이스(107)에 관형의 슬릿 구조를 가지고 슬릿 구조의 내부 하방에 조도계를 설치하여 조도계 센서가 측정하는 광량에 대하여 방향성을 가질 수 있도록 하는 것이 바람직 하다.

조도계 센서에서 측정된 값은 집광판에 수직 입사되는 광량을 모니터링 하는 제1의 목적 외에도 다음의 제 2의 목적을 갖는다.

조도계 센서의 제 2의 목적은 일몰 후, 혹은 무조 시에, 다시 말해 집광판 각도의 빈번한 측정 및 계측 모니터링을 필요로 하지 않을 경우 신호처리부(103)에 포함된 MCU(15)에서 기 설정된 임의의 광량 레벨을 기준으로 현재의 광량 값을 판정하여 측정 및 전송의 빈도를 자체적으로 조절하므로서 불필요한 전력소모를 줄이고 동작의 안정성을 향상시키기 위함이다.

하지만 본 발명이 조도계 센서를 구비하지 않았을 경우에는 태양전지부(17)의 출력전압을 측정하여 상기한 조도계 센서의 제 2의 목적과 같은 동작이 가능하다.

다시 말해서 집광판에 수직 입사되는 광량을 모니터링 하는 조도계의 제1의 목적이 불필요할 경우에 본 발명은 조도계를 구성에서 제외하고 태양전지부(17)에서 출력되는 전압을 이용하여 상술한 측정 및 전송 빈도의 조절이 가능하게 된다.

전원부(104)는 충전 장치를 포함한 소형의 충전용 배터리를 포함한 것을 도시한 것으로 본 발명이 외부 전원공급 없이 자가 발전으로 반영구적으로 동작할 수 있게 된다. 신호처리부(103)은 상술한 Mux(13)와 ADC(14), MCU(15), 통신부(16)를 포함하며 안테나(106)은 무선전송을 위한 것이다.

도5에 도시한 바와 같이 본 발명인 태양광 발전 시스템의 집광판 각도 측정 장치는 지면에 고정/설치 되는 메인 프레임(120)의 상방에 설치되어 태양의 이동에 따라 집광판의 각도를 조절 할 수 있도록 회동축 상에 설치된 서브프레임(121)과 서브프레임에 체결된 지지부재(110), 태양전지 모듈(122)에 모두 설치가 가능하다.

도6a, 도6b 도6,c 는 도5에 도시한 추적식 태양광 발전 시스템의 집광판과 집광판의 각도를 측정하기 위하여 설치된 본 발명이 태양의 위치에 따라 회동하는 모습을 설명하기 위하여 나타낸 측면도이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 태양광 발전 시스템의 집광판 각도 측정 장치는 경사계 센서를 이용하여 지구 중심 방향에 대한 집광판의 각도를 측정하므로써 각도 측정이 용이하고 설치가 간편하다. 또한 1축식, 2축식 추적 방식에 모두 적용이 가능하고 무선통신을 이용한 측정 데이터의 전송이 가능하므로 적용 및 설치에 제약이 따르지 않는 것이 큰 장점이다.

상술한 본 발명을 설명하고자 도시한 일실시예는 설명을 위한 예시적인 수단에 그치는 것이며 본 발명으로부터 다양한 변형이 가능하다는 것은 당연한 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 태양광 집광판의 각도 측정 장치의 구성을 나타낸 블록도.

도 2 는 본 발명에 따른 본 발명이 집광판을 포함하는 지지부재에 결합된 모습을 나타내 보이는 일부 절제 사시도.

도 3 은 본 발명인 태양광 집광판의 각도 측정 장치의 절제 사시도.

도 4 는 지구의 자전과 공전에 의해 달라지는 태양의 위치 변화를 설명하는 그림.

도 5 는 본 발명이 1축 추적식 태양광 발전 장치에 설치된 일 실시 예를 나타낸 일부 절제 사시도.

도 6 은 본 발명이 1축 추적식 태양광 발전 장치에 설치되어 집광판의 각도와 동일하게 회동하는 것을 나타낸 측면도

(도면의 주요 부호에 대한 설명)

11, 101 : 경사계 센서 12, 102 : 조도계 센서

17, 105 : 태양 전지부 18, 104 : 전원부

100 : 태양광 집광판의 각도 측정 장치

103 : 신호 처리부

110 : 집광판 지지부재

120 : 메인 프레임

Claims (3)

1. 발전 효율을 높이기 위하여 태양의 위치 변화에 따라 집광판의 각도를 조절하는 추적식 태양광 발전에 있어서,

   집광판 혹은 집광판이 체결되어 함께 회동하는 지지부재의 일 측에 설치, 고정되어

   상기 집광판의 경사도를 측정하기 위한 경사계 센서와;

   상기 집광판에 수직으로 입사하는 태양광을 측정하기 위한 조도계 센서와;

   상기 경사계 센서와 조도계 센서에서 출력된 값을 검출하여 집광판의 각도와 태양광의 조도 데이터를 원격의 관리자에게 전송해 주는 신호처리부를 포함하는 태양광 집광판의 각도 측정 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   태양광을 이용한 자가 발전이 가능하여 본 발명의 장치에 전원을 자체적으로 공급하도록 집광판의 방향과 동일한 방향으로 케이스의 상면에 위치하는 태양전지부와;

   상기 태양전지부에서 자가 발전된 전력을 저장하여 안정된 구동 전원을 공급해 주는 소형 충전용 배터리 혹은 콘덴서를 포함하는 전원부를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광판의 각도 측정 장치.
3. 제 1항 및 제 2항에 있어서,

   상기 조도계 센서, 혹은 태양전지부에 의하여 측정된 광량의 정도에 의하여 자체적으로 측정 및 전송의 빈도를 조절하는 신호처리부와;

   상기 신호처리부에 의하여 불필요한 전력 소모를 줄여 안정적으로 동작 할 수 있는 태양광 집광판의 각도 측정 장치.

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