위성항법장치를 이용한 태양광 트랙커{SOLAR ENERGY TRACKER USING GPS}

본 발명은 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양광발전기에서 태양광의 입사위치에 따라 가변하면서 태양광이 최적으로 입사될 수 있도록 하는 태양광집광기의 각도를 자동으로 조절하는 태양광 트랙커에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위성항법장치(GPS: Global Positioning System)를 이용하여 태양광이 최적으로 입사될 수 있도록 집광기의 각도를 조절함과 아울러 자체 전원에 의하여 구동되어 발전된 전력을 송출할 수 있도록 하는 위성항법장치를 이용한 태양광 트랙커에 관한 것이다.

일반적으로 태양광 발전기는 태양전지와 축전지 그리고 전력변환장치로 구성되어 있으며, 태양전지가 다수 설치되어 있는 태양광집광판으로 태양광을 집광하여 광에너지를 전기에너지로 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.

이러한 태양광 발전기는 태양광집광판의 설치방식에 따라 고정형과 태양추적 형으로 구분할 수 있다.

고정형 태양광 발전기는 일조량을 가장 많이 받을 수 있는 각도로 태양광집판이 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.

한편, 태양추적형 태양광 발전기는 일출에서 일몰까지 동에서 서로 이동하는 태양의 운동을 추적하도록 태양광집광판을 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 입사방향이 태양전지 모듈과 항상 수직을 이루어 발전효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.

이러한 태양추적형 태양광 발전기들은 크게 보아 프로그램에 의하여 계산된 좌표에 따라 구동모터가 작동되어 태양을 추적하는 좌표 계산방식과, 수시로 광센서에 의하여 검출되는 신호출력에 따라 구동모터를 제어하여 태양을 추적하는 광센서방식의 두 가지로 분류할 수 있다.

그러나, 전술한 좌표 계산방식은 일기상태에 구애받지 않고 태양을 추종할 수 있다는 장점이 있는 반면에 오차의 누적으로 주기적으로 교정작업을 하여야 하므로 유지, 보수의 번거로움이 있고, 광센서 방식은 그 구조가 비교적 간결하다는 장점은 있으나 날씨가 흐린 경우에는 태양의 추적이 불가능하고 이러한 상태로 시 간이 경과되어 태양의 위치가 상당히 변화된 경우에는 태양이 추적장치의 추적가능범위를 벗어나게 되어 추적 자체가 불가능하게 될 수도 있어서 작동의 연속성이 유지되기 어렵다는 등의 문제점이 있다.

한편, 태양광발전기는 제어방법에 따라 계통연계형과 독립형으로 나뉘는데, 계통연계형은 태양광 발전과 상용전원을 연계하여 태양광 발전이 부족할 경우에는 상용전원을 사용하는 시스템이고, 독립형은 외딴 섬이나 산악지역과 같이 상용전원이 들어오지 않는 지역에서 태양광발전된 전력을 자체 축전지에 저장하여 사용하는 시스템으로써, 일반적으로 상용전원의 전력선이 연결되지 않는 곳에서는 축전지를 구비할 필요가 있다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 상용전원이 공급되지 않는 지역에서 사용가능하도록 하고, 위성항법장치를 이용하여 태양의 위치를 판단하고 G센서(중력센서)를 이용하여 태양광집광판의 각도를 판단한 후 스텝모터의 구동에 의해 태양광집광판을 태양광이 수직으로 입사되는 방향으로 자동조절할 수 있도록 된 위성항법장치를 이용한 태양광 트랙커를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.

또한, 태양광집광판의 각도를 조절하기 위한 회전축을 수평축으로 설치하여 대용량 소형화가 가능하게 하며, 상기 회전축을 회전시키는 스텝모터는 착탈식으로 구성하여 태양광집광판의 무게에 따라 스텝모터를 용이하게 부하에 맞는 것으로 교체할 수 있도록 된 위성항법장치를 이용한 태양광 트랙커를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지군이 설치되어 있는 태양광집광판; 상기 태양광집광판을 스텝모터의 구동으로 수평방향으로 회전시키는 수평구동부와 상기 태양광집광판을 스텝모터의 구동으로 수직방향으로 회전시키는 수직구동부가 일체로 이루어진 집광판 방향조절기구; GPS위성으로부터 위도, 경도 및 시간정보를 수신하는 GPS수신부; 상기 태양광집광판의 경사도를 감지하는 G센서; 상기 GPS수신부와 G센서의 수신정보로부터 계 절별, 날짜별로 상기 수평구동부와 수직구동부를 제어하여 태양광집광판을 태양광이 수직으로 입사하는 방향으로 제어하는 제어부; 상기 태양전지군에서 발전된 전기를 축전하는 축전지를 포함하여 이루어져 있다.

상기 집광판 방향조절기구는 수평회전축과 수직회전축이 하단과 상단에서 서로 직교하는 방향으로 평행하면서 선회가능하게 축결합되어 있는 축고정구, 상기 수직회전축의 양단에 축결합되며 중앙에 태양광집광판고정부가 형성된 상부프레임, 상기 수평회전축의 양단에 축결합되며 중앙에 설치대고정부가 형성된 하부프레임, 상기 수평회전축의 일단에 수평회전축을 수평방향으로 회전시키도록 기어박스를 매개로 결합되는 수평회동 스텝모터, 상기 수직회전축의 일단에 수직회전축을 수직방향으로 회전시키도록 기어박스를 매개로 결합되는 수직회동 스텝모터를 포함하여 이루어져 있다.

상기에 있어서, 상기 수직회전축과 수평회전축에서 스텝모터가 부착되는 끝단의 반대쪽 끝단은 브레이크부착 축베어링을 매개로 각각의 프레임에 고정되는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 수평회동 스텝모터와 수직회동 스텝모터의 기어박스는 각각 스텝모터의 회전축에 결합되는 워엄이 형성된 워엄축과, 상기 워엄에 맞물리면서 각각의 수평회전축과 수직회전축에 고정되는 워엄기어로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 수평회동 스텝모터와 수직회동 스텝모터의 회전축에는 축심을 관통하는 체결핀이 결합되고, 모터회전축에 결합되는 워엄축에는 상기 체결 핀이 끼워지는 체결홈이 형성되어 상기 체결홈과 체결핀의 결합에 의해 모터회전축과 워엄축이 착탈가능하게 결합되는 한편, 스텝모터의 몸체는 기어박스에 볼트체결되어 스텝모터가 기어박스에 착탈가능하게 고정된 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 태양광집광판의 방향제어에 필요한 전원은 외부동력없이 자체 축전지에서 공급되는 독립형인 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 제어부는 일몰시부터 일출시까지 태양광집광판이 수평상태를 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 위성항법장치를 이용한 태양광 트랙커는 계절 및 날짜에 따라 태양광집광판의 방향을 조절하여 태양광이 태양광집광판에 수직으로 입사되도록 함으로써 최적의 발전효율을 도모할 수 있고, 수직 및 수평 회전축을 수평축구조를 이용함으로써 대용량 소형화가 가능한 방향조절기구를 구현할 수 있으며, 상용전원에 연계하지 않고 독립적으로 생성되는 전원을 이용할 수 있도록 함으로써 상용전원이 공급되지 않는 산간벽지, 도서지방 등 취약지역에서 편리하게 사용할 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 일실시예에 대한 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 사용상태도를 나타낸 것으로, 특히 태양광집광판(1)의 방향조절기구의 설치상태를 설명하기 위해 태양광집광판(1)을 후면측에서 본 사시도 를 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 태양광발전설비는 태양광집광판(1)과 설치대(2) 및 집광판 방향조절기구(3)로 이루어져 있다.

태양광집광판(1)은 태양으로부터 입사되는 광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지가 전면에 다수 설치되어 있으며, 후면의 프레임이 집광판 방향조절기구(2)를 통해 설치대(3)에 고정되어 있다.

집광판 방향조절기구(2)는 일측에 상기 태양광집광판(1)이 취부되고 다른 일측이 설치대(3)에 고정되어, 태양광집광판(1)을 수직방향과 수평방향으로 독립적으로 제어하여 회동시킴으로써 태양빛이 태양광집광판(1)에 수직으로 입사될 수 있도록 한다.

상기 설치대(3)는 상기 집광판 방향조절기구(2)의 다른 일측이 고정되어 상기 태양광집광판(1)을 지지한다. 아울러 도면에는 도시되어 있지 않으나 설치대(3)의 일측에는 태양광집광판(1)에서 발전할 전기를 사용할 부하가 취부될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 집광판 방향조절기구의 사시도, 도 3은 도 2에 도시된 집광판 방향조절기구의 요부 분해사시도를 나타내는 것으로, 이하에서는 도 2 및 도 3에 의거 집광판 방향조절기구의 구조에 대해 설명한다.

집광판 방향조절기구(2)는 축고정구(10)의 상부와 하부에 상부프레임(20)과 하부프레임(30)이 각각의 수평회전축(21)과 수직회전축(31)에 의하여 선회가능하게 축결합되어 있다.

상기 수평회전축(21)과 수직회전축(31)은 축고정구(10)의 하단과 상단에서 서로 직교하는 방향으로 평행하면서 선회가능하게 축결합되어 있다. 이와 같은 구조는 수평회전축(21)과 수직회전축(31)이 수평축으로 고정됨으로서 소형으로 이루어지면서도 대용량의 태양광집광판(1)을 지지할 수 있다.

이러한 수평회전축(21)의 일단은 베어링(22)을 매개로 하부프레임(20)의 축홈(23)에 결합됨과 아울러 그 끝단에 기어박스(24)를 매개로 수평회동 스텝모터(25)가 결합되어 있는 한편, 수평회전축(21)의 다른 일단에는 브레이크 베어링(26)을 매개로 하부프레임(20)의 축홈(27)에 결합된다.

이와 마찬가지로, 수직회전축(31)의 일단은 베어링(32)을 매개로 상부프레임(30)의 축홈(33)에 결합됨과 아울러 그 끝단에 기어박스(34)를 매개로 수직회동 스텝모터(34; 도시되지 않음)가 결합되어 있는 한편, 수직회전축(31)의 다른 일단에는 브레이크 베어링(36)을 매개로 상부프레임(30)의 축홈(37)에 결합된다.

상기 브레이크 베어링(26,36)은 이에 축결합되는 수평회전축(21)과 수직회전축(31)을 전기적 신호에 따라 제동 또는 회동가능하게 작동가능한 브레이크 기능을 구비하고 있는 것이다. 이는 태양광집광판(1)을 고정하고 있을 때 수평회전축(21)과 수직회전축(31)에 제동력을 부가하여, 바람에 의한 태양광집광판(1)의 흔들림이 수평회전축(21) 또는 수직회전축(31)을 통해 기어박스(24)(34) 및 스텝모터(25)(36)에 전달되어 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다.

하부프레임(20)은 축홈(23)(27)이 형성되어 있는 지지대가 설치대고정부(28)의 양편에 설치된 구조로써, 설치대고정부(28)에는 집광판 방향조절기구(2)를 설치 대(3)에 고정하기 위한 체결홈(29)이 다수 형성되어 볼트 등의 체결부재를 이용하여 설치대(3)에 결합된다.

상부프레임(20)은 축홈(33)(37)이 형성되어 있는 지지대가 태양광집광판고정부(38)의 양편에 설치된 구조로써, 태양광집광판고정부(38)에는 집광판 방향조절기구(2)에 태양광집광판(1)을 고정하기 위한 체결홈(39)이 다수 형성되어 볼트 등의 체결부재를 이용하여 태양광집광판(1)이 결합된다.

도 4는 본 발명에 따른 스텝모터의 동력전달구조를 나타낸다.

수평회동 스텝모터(25)와 수직회동 스텝모터(35)의 동력전달구조는 동일하게 구성된 것이므로 이하에서는 중복설명을 피하기 위하여 수평회동 스텝모터(25)의 동력전달구조에 대하여 설명한다. 그러나 수직회동 스텝모터(35)의 동력전달구조 에 대하여도 동일 사상으로 이해되어야 한다.

수평회동 스텝모터(25)의 회전축(251)에는 워엄(241)이 형성된 워엄축(242)이 고정되고, 상기 워엄(241)과 맞물려있는 워엄기어(243)는 수평회전축(21)에 고정되어있다. 상기 워엄(241) 및 워엄기어(243)는 수평회동 스텝모터(25)의 회전속도를 감속하여 수평회전축(21)에 전달함과 아울러 태양광집광판(1)이 바람에 흔들림에 의해 발생하는 역동력이 수평회동 스텝모터(25)에 전달되는 힘을 최소화시켜 수평회동 스텝모터(25)의 손상을 방지하도록 한다. 이와 같은 동작은 앞서 설명한 브레이크 베어링(26,36)의 작용과 함께 이루어져 수평회동 스텝모터(25)의 손상을 최대한 방지하는 작용을 한다.

도 5는 본 발명에 따른 스텝모터의 동력축 연결구조를 나타낸다.

수평회동 스텝모터(25)의 회전축(251)에는 회전축(251)을 관통하는 체결핀(252)이 결합되어 있다. 그리고 회전축(251)과 결합되는 워엄축(242)에는 상기 체결핀(252)이 삽입되는 체결홈(244)이 형성되어 있다. 따라서 상기 체결핀(252)과 체결홈(244)이 맞물려서 수평회동 스텝모터(25)의 동력이 워엄축(242)으로 전달된다. 아울러, 수평회동 스텝모터(25)의 몸체에는 워엄축(242)을 수용하고 있는 기어박스(24)의 몸체에 볼트 등의 체결부재를 사용하여 체결할 수 있는 체결홈(253)이 형성되어 있다.

따라서 수평회동 스텝모터(25)는 체결홈(253)을 통해 기어박스(24)의 몸체에 착탈가능하게 고정되는바, 이때 수평회동 스텝모터(25)의 회전축(251)과 기어박스(24)의 워엄축(242)은 체결핀(252)과 체결홈(244)에 의해 축결합 또는 축분리됨으로써, 수평회동 스텝모터(25)는 용이하게 기어박스(24)로부터 착탈가능하게 되고, 이는 필요에 따라 수평회동 스텝모터(25)를 적정 용량의 것으로의 대체를 가능하게 한다.

도 6은 본 발명에 따른 트랙커의 제어회로를 나타낸다.

태양광집광판(1)에 설치되어 있는 다수의 태양전지(41)에서는 태양으로부터 입사되는 광에너지를 전기에너지로 변환하고 이는 제어부(40)에 의해 제어되는 전원제어기(42)를 매개로 축전지(43)에 축전된다.

상기 제어부(40)의 입력단에는 GPS수신부(44)가 연결되어, GPS위성으로부터 위도, 경도 및 시간정보를 수신한다. 이로부터 제어부(40)는 현재의 날짜와 시간 및 위치를 판단한다.

또한 상기 제어부(40)의 입력단에는 G센서(45)가 연결되어 있는데, 상기 G센서(45)는 태양광집광판(1)에 설치되어 태양광집광판(1)의 경사정보를 제어부(40)에 입력한다. 상기 G센서(45)는 물체의 공간 좌표상에서 세축을 중심으로 가속도를 감지하고, 그 감지된 가속도를 토대로 자기의 현재 움직임 방향을 계산 해 내어 그 자체에서 세축 방향의 기울기 데이터를 직접 출력하는 센서이다.

이에 따라 제어부(40)는 G센서(45)로부터 입력되는 정보로부터 태양광집광판(1)의 현재 지향방향을 판단하고 아울러 GPS수신부(44)에 의한 정보로부터 현재의 날짜와 시간 및 위치를 판단한 후, 상기 정보들로부터 현재 시점에서 태양광이 수직으로 입사되는 방향으로 수평회동 스텝모터(25)와 수직회동 스텝모터(35)를 제어하여 태양광집광판(1)의 방향을 조절하게 된다.

즉 수평회동 스텝모터(25)는 태양광집광판(1)이 태양의 방위각 변동을 추적하도록 구동되고, 수직회동 스텝모터(35)는 태양광집광판(1)이 태양의 고도각 변동을 추적하도록 구동되어 태양광집광판(1)이 항상 태양빛이 수직으로 입사되는 방향을 향하게 된다.

한편, 상기 제어부(40)를 포함하여 수평회동 스텝모터(25)와 수직회동 스텝모터(35)를 구동하는 전원은 태양전지(1)에서 발전되어 축전지(43)에 축전된 전원에서 공급받도록 이루어져 있어서, 상기 태양광집광판(1)의 방향제어에 필요한 모든 구성요소들의 구동에 따른 전원은 외부 동력없이 자체 축전지(43)에서 공급되는 독립형으로 이루어져 있다. 특히 태양광이 입사되지 않는 야간에 축전지(43)에서 공급되는 전원으로모든 구성요소들의 작동을 제어한다.

평소에 수평회전축(21)과 수직회전축(31)은 각각의 브레이크 베어링(26)의 제동작용으로 회전이 억제된다. 이는 앞서 설명된 바와 같이 바람에 의한 태양광집광판(1)의 흔들림이 수평회전축(21)과 수직회전축(31)을 통해 각각의 스텝모터(25)(35)로 전달되는 것을 방지하여 역동력에 의한 스텝모터(25)(35)의 손상을 방지하게 된다.

또한 상기 제어부(40)는 GPS수신부(44)에 의한 정보로부터 일몰시간과 일출시간을 판단한 후, 일몰후부터 일출시까지는 태양광집광판(1)을 G센서(45)로부터 수신되는 태양광집광판(1)의 수평위치로 제어하여 태양광이 없는 야간에 최대한 안정된 상태를 유지하여 바람에 의한 영향을 최소화하도록 하고, 일출시간부터 일몰시간까지는 태양광이 태양광집광판(1)에 수직으로 입사되는 방향으로 태양광집광판(1)의 방향을 자동으로 조절한다. 태양광집광판(1)의 지향방향을 조절할 때에는 GPS수신부(44)로부터 수신되는 정보로부터 계절, 날짜, 위치를 판단하고 G센서(45)로부터 현재 태양광집광판(1)의 3축 방향의 경사도를 판단하여 조절한다.

이와 같이 본 발명은 태양에 대한 시간적 공간적 환경을 고려하여 태양광집광판(1)의 방향을 제어함으로써 최적의 발전효율을 기대할 수 있고, 태양광집광판(1)의 방향조절기구가 태양광집광판(1)을 수평축으로 지지함으로써 소형으로써도 대용량의 태양광집광판(1)을 지지할 수 있으며, 상용전원을 사용하지 않고 독립된 전원을 사용함으로써 전력설비의 설치가 곤란한 지역에서도 사용가능하다.

도 1은 본 발명의 사용상태도,

도 2는 본 발명에 따른 집광판 방향조절기구의 사시도,

도 3은 도 2에 도시된 집광판 방향조절기구의 요부 분해사시도,

도 4는 본 발명에 따른 스텝모터의 동력전달구조를 설명하는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 스텝모터의 동력축 연결구조를 나타내는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 트랙커의 제어회로도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 -- 태양광집광판, 2 -- 설치대,

3 -- 집광판 방향조절기구, 10 -- 축고정구,

20 -- 상부프레임, 30 -- 하부프레임,

21,31 -- 회전축, 22,32 -- 베어링,

23,33 -- 축홈, 24,34 -- 기어박스,

26,36 -- 브레이크 베어링, 27,37 -- 축홈,

38 -- 태양광집광판고정부, 39 -- 체결홈,

241 -- 워엄, 242 -- 워엄축,

243 -- 워엄기어, 244 -- 체결홈,

251 -- 수평회동 스텝모터 회전축,

252 -- 체결핀.