집광형 태양광 발전 방법 및 시스템

본 발명은 집광형 태양광 발전 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광의 낮은 집광률을 개선하기 위하여 태양 추적 방식 및 온도 분포 측정을 이용한 집광형 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.

태양전지는 신재생 에너지원으로 화석 연료의 자원고갈 및 기구온난화 문제를 해결 할 수 있는 에너지원으로 각광받고 있다. 특히 집광형 태양광 발전 시스템은 일반적인 실리콘 태양전지보다 발전 효율이 높아서 차세대 태양광 발전으로 대두 되고 있다.

집광형 태양광 발전 시스템의 가장 중요한 이슈는 집광률(concentration ration)이다. 따라서 집광률을 높이기 위한 노력으로, 굴절형의 렌즈 또는 반사형의 미러를 사용하는 등 다양한 집광 소재를 개발하여 사용하고 있으며, 집광 효율을 높이기 위한 노력이 계속되고 있다.

특히, 집광형 태양광 발전 시스템은 집광된 태양광으로 발전을 하는데, 집광된 태양광이 태양전지 위에 정확하게 도달하지 않으면 태양광 발전 효율을 저하시킬 수 있다는 문제점이 있어, 선행기술인 한국 공개특허 제2015-0108524호의 '계절에 따른 태양전지판 각도조절장치'는 태양 고도에 맞게 태양전지판의 상하좌우 각도 조절이 가능한 각도조절장치를 제안하고 있다. 그러나 이러한 각도조절장치는 태양전지판에 집광되는 태양광의 일부 또는 전체에 대한 세밀한 조작이 어려워 실질적인 집광 효율을 증대시키는데 한계가 있다.

본 발명의 목적은 온도 분포 측정에 따라 스테이지 이동을 통해 집광되는 태양광의 위치를 보정하는 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 태양전지 단위 모듈별 또는 모듈 전체의 위치 보정을 통해 태양광 발전 시스템의 효율을 향상시키는 데 있다.

본 발명은 집광형 태양광 발전 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 상기 방법은 태양 추적 방식에 따라 태양의 황도를 계산하여 태양전지판을 조정하는 단계, 상기 태양전지판을 구성하는 하나 이상의 단위 모듈에서 태양광을 집광하는 단계,단위 모듈에 장착된 온도 센서를 이용하여, 온도 분포를 측정하는 단계 및 측정한 온도 분포 결과에 따라 하나 이상의 단위 모듈을 보정하는 단계를 포함한다.

선택적으로, 상기 온도 센서는 하나의 단위 모듈 또는 복수 개의 단위 모듈의 온도 분포를 측정하도록 배치될 수 있고, 상기 보정하는 단계는, 각각의 단위 모듈의 전지 아래에 배치된 무빙 스테이지(Moving Stage)를 자동으로 이동하여, 상기 태양광을 상기 전지 위에 위치시킬 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은 집광형 태양광 발전 시스템을 제안한다. 상기 시스템은, 태양 추적 방식에 따라 태양의 황도를 산출하여 태양전지판을 조정하는 트랙커; 및 상기 태양전지판을 구성하는 하나 이상의 단위 모듈을 포함하고, 단위 모듈은 하나 이상의 온도 센서를 포함하고, 온도 센서는 상기 단위 모듈의 온도 분포를 측정하고, 단위 모듈은 측정한 온도 분포 결과에 따라 개별적으로 또는 전체로 보정되는 것을 특징으로 한다.

이처럼, 본 발명은 기존의 태양 추적 방식의 문제점을 온도 분포 측정을 이용한 보정 방법으로 보완하여 집광의 정확성을 높이고, 태양광 발전 효율을 극대화 시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 태양광 센서의 오류 및 구름 낀 날씨의 문제점을 해결할 수 있어서 기존의 태양광 센서에서 태양 추적 에러를 최소화 할 수 있다.

또한 각각 태양광 단위 모듈마다 집광된 태양광의 위치를 조절할 수 있어서 각각 태양광 단위 모듈마다 효율을 극대화 시킬 수 있고, 나아가 태양광 발전 시스템 전체 효율을 높일 수 있다는 이점이 있다.

기존의 방식은 트랙커를 이용하여 태양광 전체 모듈만 위치를 변경하여 태양전지 전체 모듈의 휨 또는 다른 문제 등에 발생하는 태양광 전체 모듈의 가운데 부분과 가장 자리 부분의 집광 위치 문제를 해결할 수 없었으나. 본 발명에 의하면 각각의 태양광 모듈의 집광된 태양광 위치를 조절이 가능하여 태양광 발전 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 종래 기술에 따른 집광형 태양광 발전 시스템의 일 실시예를 도시한 것이다.

도 2은 본 발명의 일 실시형태에 따른 태양전지의 전체 모듈 및 단위 모듈의 집광 시스템을 설명하기 위한 것이다.

도 3는 본 발명의 일 실시형태에 따른 태양광 집광 시스템의 위치 보정 방법에 대해 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 태양광 집광 시스템의 집광 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

다수의 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

도 1은, 종래 기술에 따른 집광형 태양광 발전 시스템의 일 실시예를 도시한 것이다. 일반적으로 태양 추적 방식에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 시스템은 셀(110)과 모듈(120), 렌즈(130)를 포함한 태양 전지, 트랙커(tracker; 140), 인버터(150) 및 풋프린트(foot print; 160) 장치를 포함한다.

태양전지 모듈(120)은 태양으로부터의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로서, 실리콘을 이용한 태양 전지가 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 GaAs, InGaP와 같은 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체가 집광할수록 효율이 높아지는 장점이 있어 많이 이용되고 있다. 모듈(120)은 다수의 셀(110) 어레이를 포함하는 형태로 구성된다.

렌즈(120)는 태양을 셀(110)에 집광하기 위해 장착되는 구성요소로서, 렌즈의 굴절을 이용하여 태양광을 모으는 방식을 이용한다. 렌즈(120)는 반사형인 미러 타입에 비해 열 발생이 적고 양산 비용이 적으며, 집광이 용이하여 많이 쓰인다. 일반적으로는 Fresnel Lens가 상용화되어 있다.

인버터(150)는 전력변환 장치로서 태양전지 모듈에서 생산된 직류 전기를 교류 전기로 변환하는 장치로서, 일반적인 태양광 발전에 탑재되는 장치이다.

풋프린트 장치(160)는 트랙커 고정 장치로서, 외부 요인(예컨대, 태풍과 같은 강풍)에 의해 추적 장치가 움직이는 것을 방지하기 위해 트랙커를 고정하도록 구현된다.

트랙커(140)는 태양의 위치를 추적하는 추적 장치이다. 일반적으로, 트랙커는 황도 계산 방식과 광 센서 방식이 있다. 황도 계산 방식은 하지, 춘분, 추분, 동지에 따라 태양이 지나가는 경로인 황도를 계산하여 저장해두었다가 태양 추적시 이용하는 방식이다. 다만, 이러한 황도 계산 방식은 지역에 따라 차이가 있고 실제 태양과 부정확하다는 단점이 있다. 광 센서 방식은 이를 보완한 방식으로서, 태양광 이미지 센서를 이용하여 태양을 인식하여 태양을 추적한다. 최근에는 태양광 추적의 정확성을 높이기 위하여 황도 계산 방식 및 광 센서 방식을 혼합한 혼합 방식이 이용되고 있다.

다만, 태양광 이미지 센서는 흐린 날씨, 구름 낀 날씨, 비오는 날씨에는 에러가 자주 발생하고 집광 효율을 저하시켜, 날씨에 대한 제약이 따르고, 트랙커에 에러를 발생시킨다는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이미지 센서의 오작동 문제를 보완하고, 정확한 집광을 실현하기 위해 무빙 스테이지(Moving Stage)를 이용한 집광 방식을 제안한다.

또한 종래의 태양 전지는 다수의 모듈로 이루어지나, 각각의 단위 모듈이 완전히 동일하게 제작되고 탑재되기는 어려우며, 단위 모듈 간의 오차가 존재한다. 그러나 트랙커(140)는 정해진 방향으로 전체 모듈을 움직이기 때문에, 단위 모듈의 전류 특성이 제한되는 문제가 있다. 구체적으로, 단위 모듈들이 직렬로 연결되었을 때, 전류 제한(Current limit)이 단위 모듈 중 최소값의 전류로 걸리기 때문에 전체 모듈의 효율이 떨어지게 된다. 그러나 본 발명은 무빙 스테이지를 이용하여 단위 모듈을 제어함으로써 전체 모듈들에 흐르는 전류 평균치를 최대로 올릴 수 있고, 전체 효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

이하에서, 도 2 내지 4를 참조하여, 본 발명의 태양광 발전 시스템에 대해 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 태양전지의 전체 모듈 및 단위 모듈의 집광 시스템을 설명하기 위한 것이다. 도 2의 (a)는 태양 전지 전체 모듈을 표현한 것이고, (b)는 태양전지의 단위 모듈을 상세화한 것이며, (c) 및 (d)는 모듈의 무빙 스테이지의 실시예들을 도시한 것이다.

도 2의 (a)를 참조하면, 태양 전지는 여러 개의 단위 모듈(320)의 배열(array)로 태양전지 전체 모듈(310)을 구성한다. 도 2의 (b)를 참조하면, 단위 모듈(320)은 태양광(330)을 모으는 집광형 렌즈(340), 전지, PCB, 방열판(heat sink)을 포함하는 구성(350), 백커버(back cover; 370)을 포함한다. 본 발명은 이러한 단위 모듈(320)의 구성에 무빙 스테이지(360)을 추가로 탑재하는 구성을 제안한다.

본 발명의 무빙 스테이지(360)는 공냉식(도 2의 (c))과 수냉식(도 2의 (d))로 구현될 수 있다. 공냉식 실시예의 경우, 무빙 스테이지(360)에 4개의 온도 센서(380)를 탑재하도록 설계될 수 있다. 일 실시예로서, 온도 센서는 모듈마다 설치되거나, 복수의 모듈을 포함하는 영역에 배치되도록 설계될 수 있다. 또한 온도 센서는 전지(350) 아래 스테이지(360) 위에 탑재될 수 있고, 스테이지를 구성하는 매질 또는 공기 구성을 측정하도록 구현될 수 있다.

공냉식 및 수냉식 모두 무빙 스테이지(360)는 측정된 온도 분포 결과에 따라 자동으로 x축(411), y축(412) 및 z축(미도시) 방향으로 이동할 수 있다. 이동 기준에 대해서는 설계자가 미리 지정하거나, 여러가지 내부적, 외부적 요인을 고려하여 기준이 자동 또는 수동 지정되도록 구현할 수 있다. 실시예로서, 트랙커 내의 컨트롤러(예컨대, CPU)가 온도 분포 결과를 수집하고, 무빙 스테이지(360)의 이동 여부를 판단하여, 무빙 스테이지(360)에 이동 명령을 전송할 수 있다. 다른 실시예로서, 별도의 컨트롤러를 탑재하도록 구현할 수 있다. 다만, 각각의 모듈에 무빙 스테이지를 배치하여 단위 모듈을 보정하는 방식을 이용할 경우 대용량의 컨트롤러가 요구될 수 있다.

수냉식 실시예의 경우, 스테이지를 4등분하여, 하단에 액체 inlet(390), 상단에 액체 outlet(410)이 위치하도록 구현할 수 있고, oultet 부분(380 및 410을 포함한 동그라미 친 부분)에 온도 센서를 배치하도록 설계할 수 있다. 냉각에 이용되는 액체는 물을 포함한 다양한 액체가 이용될 수 있고, 세밀한 온도 변화의 측정을 위해 끓는점이 낮은 액체가 바람직하다.

이처럼, 단위 모듈의 무빙 스테이지(360)에 탑재된 온도 센서를 이용하여, 온도 분포를 측정하고, 온도에 따른 스테이지 이동을 통해 온도 분포가 정확하게 전지 위에 위치하도록 보정한다. 이처럼 온도 분포를 정확히 전지 위에 위치시킴에 따라 각 모듈의 집광 효율이 증대되고, 나아가 전체 모듈의 집광 효율을 극대화시킬 수 있다는 이점이 있다.

다른 실시예로서, 복수 개의 모듈의 온도 분포 측정을 위해 하나 이상의 온도 센서를 탑재하고, 온도 센서에 의한 온도 분포의 평균치를 계산하여, 트랙커에 전달하는 방식도 구현할 수 있다. 이러한 트랙커 및 온도 센서의 혼합형을 이용할 경우, 광 센서 혼합 방식보다 경제적이면서도 보정이 가능하다는 장점이 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 태양광 집광 시스템의 위치 보정 방법에 대해 도시한 것이다. 도 3의 (a)는 공냉식 방식의 경우 집광되는 태양광의 위치, (b)는 공냉식 방식의 그라데이션형 온도 분포, (c)는 수냉식의 그라데이션형 온도 분포를 도시한 것이다. 도 3의 210, 230, 250은 온도 센서가 측정한 온도 분포를 가리키고, 215, 235, 255는 온도 센서를 가리킨다.

도 3의 (a)는 공냉식을 이용할 경우 무빙 스테이지(360) 및 집광되는 태양광(350)의 위치를 도시한 것이다. 공냉식의 경우 무빙 스테이지 위 한 가운데 전지(방열판 포함)가 위치하고 전지를 둘러싸고 상, 하, 좌, 우 4개의 온도 센서(215)를 배치하도록 설계할 수 있다. 온도 센서(215)는 무빙 스테이지 상에 장착되거나 내장되도록 구현할 수 있다. 온도 센서는 소정의 시간 또는 주기마다 온도 분포를 측정하여 집광된 태양광(350)이 스테이지 위에 어디에 위치하는지를 인식하고, 무빙 스테이지(360)를 이동하도록 제어한다. 이 때, 태양광(350)의 온도 분포를 이용하여 태양광이 전지(350) 위에 정확하게 위치하도록 보정한다.

도 3의 (b), (c)는 도 3의 (a)와 같이 집광된 태양광의 온도 분포를 도시한 것이다.

도 3의 (b)와 같이 온도 분포는 그라데이션(gradation)형으로 점진적으로 표현될 수 있다. 이러한 온도 표현을 이용할 경우 태양열의 세밀한 위치 측정 및 보정이 가능해진다. 도 3의 (b)의 경우 좌측 온도 센서의 온도가 가장 높고, 그 다음 상측 온도 센서, 하측 온도 센서, 우측 온도 센서 순으로 온도 차가 측정될 수 있다. 이러한 측정 결과에 따라 집광된 태양열이 전지를 중심으로 좌측 상단부에 위치했다고 판단하고, 무빙 스테이지를 이동하여 태양열(240)이 전지 위에 위치하도록 보정한다.

도 3의 (c)는 수냉식 방식을 도시한 것으로서, 도 2를 참조하여 설명한 것처럼, 액체의 outlet 부분에 각각 온도 센서(255)가 배치될 수 있다. 4개의 온도 센서(255)는 outlet으로 빠져나오는 액체의 온도를 측정하여 온도 분포를 측정할 수 있다. 본 실시예에서는 스테이지를 4개의 영역으로 구분하여 4개의 outlet에 온도 센서를 부착하였으나, 더 세밀한 측정을 위해 스테이지를 더 세분화할 수 있다.

이처럼, 본 발명은 모듈에 설치된 무빙 스테이지를 이용하여 집광된 태양열의 온도 분포를 전지 위에 위치하도록 보정하는 방식으로, 태양 추적 방식의 한계를 보완하고, 태양열 발전의 단위 모듈 뿐만 아니라 전체 모듈의 집광 효율을 극대화할 수 있다는 이점이 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 태양광 집광 시스템의 집광 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 태양광 발전 시스템에 장착된 트랙커는 태양의 황도를 계산하여 전체 모듈을 이동시키고, 집광을 시작한다(420 단계). 황도 계산 및 집광 방식은 기존의 방식과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

본 발명은, 집광 시 소정의 시간 또는 주기마다, 단위 모듈에 장착된 온도 센서를 동작하여 온도 분포를 측정할 수 있다(430 및 440 단계). 보정을 위한 컨트롤러는 온도 분포가 허용 범위에 있는지 여부를 판단한다(450 단계). 온도 분포가 허용 범위에 있는 경우(예컨대, 전지 영역의 70% 이상을 커버하는 경우)에는 보정 없이 집광을 계속한다.

그러나 온도 분포가 허용 범위를 벗어나는 경우에는 컨트롤러의 명령에 따라 무빙 스테이지를 이동하고(460 단계), 온도 분퍼를 재측정하여 보정이 정확히 이루어졌는지를 판별하도록 구현된다.

실시예로서, 온도 센서와 무빙 스테이지는 단위 모듈마다 장착되어 단위 모듈 각각이 보정되도록 구현될 수 있다.

다른 실시예로서, 온도 센서가 복수의 모듈에 대해 장착될 수 있고, 단위 모듈 또는 복수의 모듈에 설치된 무빙 스테이지를 이동하여 복수개의 모듈 단위로 보정이 이루어지도록 구현될 수도 있다.

또 다른 실시예로서, 온도 센서가 복수의 모듈에 대해 장착될 수 있고, 온도 분포를 측정하고, 평균값을 산출하여 트랙커에 전달하고, 트랙커가 보정을 위해 이동하도록 구현될 수도 있다. 이 실시예의 경우 기존의 시스템에 최소한의 설비 변경(온도 센서 장착)만으로 태양광 보정이 가능해진다는 이점이 있다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한 각 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있다.

또한, 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.