KR101737971B1 - 태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양의 방향 변화에 대응하여 태양전지 모듈의 배치각도와 배치방향을 시간대별로 변화시킬 수 있고, 태양광 발전을 통하여 발생되는 전기를 직접 공급하거나 축적하여 상시 전원을 공급할 수 있도록 한 태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치에 관한 것으로서, 태양광 발전을 통해 전기를 생산하는 태양광 발전장치와, 상기 태양광 발전장치로부터 생산된 전기를 받아 충전하는 배터리와, 상기 배터리에 연결되어 충전된 전기를 공급받아 동작하는 전기기기를 포함하여 구비하고, 상기 태양광 발전장치는 설치면에 수직방향으로 설치되고 내부면이 다각형 형태를 갖는 고정 프레임과, 상기 고정 프레임에 탈부착이 가능하고 상기 고정 프레임의 다각형 형상에 대응되게 외부면이 다각형 형태를 갖고 태양전지 모듈을 지지하는 지지 프레임을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치{Stand by power supply apparatus using the photovoltaic power generation}

본 발명은 태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치에 관한 것으로서, 상세하게는 태양의 고도 및 방향에 따라서 태양전지 패널의 배치방향을 변화시켜 발전 효율을 향상시키도록 한 태양광 발전을 이용한 상시 전원공급장치에 관한 것이다.

현재 석유, 석탄과 같은 화석연료가 고갈됨에 따라서 대체에너지의 개발이 진행되고 있는데, 특히 태양에너지를 활용하는 에너지 자원 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

태양에너지를 활용하여 전기를 생산하는 발전기술로는 태양열을 이용하여 열기관을 구동시켜 전기를 발전시키는 태양열 발전과, 태양광을 이용하여 태양전지로부터 전기를 발생시키는 태양광 발전이 있다.

여기서, 태양광 발전에 사용되는 태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 반도체 화합물 소자를 포함한다.

상기 태양광발전에 이용되는 태양전지는, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다.

대부분의 태양전지는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다.

이러한 태양전지의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다.

실제 사용되는데 필요한 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 볼트(V) 이상인데 비하여 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문인데, 이 때문에 다수의 단위 태양전지들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다.

또한, 태양전지가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 한 태양전지모듈(solar cell module)로 구성하여 사용한다.

그러나 태양전지 모듈은, 일정 전력을 얻기 위하여 다량 사용되어야 하기 때문에 설치장소에 제한이 따르고, 태양전지 모듈의 배치 구조에 따른 하부 지지구조의 변형에 제약이 따를 뿐만 아니라, 태양전지 모듈은 건물 옥상이나 옥외 시설물 등에 설치할 때는 별문제가 없지만, 주택의 상당수를 차지하는 공동주택에 설치하는 경우에는 세대 내 개별 설치가 어려운 문제점이 있다.

또한 종래의 태양전지 모듈을 지지하기 위한 지지구조물은 메인 프레임들과 태양전지 모듈을 지지하는 지지대들, 메인프레임을 지면에 대해서 지지하는 지지기둥 등이 각각 용접에 의하여 접합되는 경우가 많아서 일단 한번 위치가 정해진 후 용접이 완료되면 배치상태 조정에 어려움이 있었다.

특히, 수많은 태양전지 모듈을 대량으로 지지하는 고정형 지지구조물의 경우, 그 배치각도가 고정되어 있어서, 절기 변화에 따른 태양 고도에 변화에 따라 태양전지 모듈의 배치각도를 조정하는데 한계가 있어서 집광효율 및 전기생산효율이 떨어지는 문제점도 여전히 내포한다.

우리나라의 경우, 위도(38°)를 고려한 각 계절별 태양의 남중고도를 살펴보면, 춘분 또는 추분에는 태양의 남중고도가 대략 52°정도이고, 하지에는 75.5°가 되며, 동지에는 28.5°정도가 된다.

그러나 종전의 태양광 발전장치는 정남향을 향하여 고정된 각도를 가진 채 설치되어 있어서 계절별로 전기생산량의 편차가 크게 발생하는데 따른 대책이 시급한 실정이다.

게다가 친환경 에너지 사업이 가시화되고, 태양광 발전에 이목이 집중되면서 대용량 태양광 발전을 통하여 전기를 공급 및 축적할 수 있는 설비를 절실히 필요로 하고 있다.

(특허문헌 1) 등록특허공보 제10-1335550호(2013. 11. 26.)
(특허문헌 2) 공개특허공보 제10-2013-0054754호(2013. 05. 27.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 태양의 방향 변화에 대응하여 태양전지 모듈의 배치각도와 배치방향을 시간대별로 변화시킬 수 있고, 태양광 발전을 통하여 발생되는 전기를 직접 공급하거나 축적하여 상시 전원을 공급할 수 있도록 한 태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치는 태양광 발전을 통해 전기를 생산하는 태양광 발전장치와, 상기 태양광 발전장치로부터 생산된 전기를 받아 충전하는 배터리와, 상기 배터리에 연결되어 충전된 전기를 공급받아 동작하는 전기기기를 포함하여 구비하고, 상기 태양광 발전장치는 설치면에 수직방향으로 설치되고 내부면이 다각형 형태를 갖는 고정 프레임과, 상기 고정 프레임에 탈부착이 가능하고 상기 고정 프레임의 다각형 형상에 대응되게 외부면이 다각형 형태를 갖고 태양전지 모듈을 지지하는 지지 프레임을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 태양광 발전을 통하여 전기를 공급하거나 또는 미사용 전기를 배터리에 축적하여 태양광 발전이 불가능한 저녁 시간에 활용할 수 있다.

둘째, 태양의 이동경로에 따라서 최적의 발전효율이 가능하도록 시간별 또는 계절별로 연동하여 회동할 수 있어 최적의 태양광 발전을 통해 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

셋째, 태풍과 같은 바람이 불 경우에 고정 프레임으로부터 지지 프레임을 분하여 태양전지 패널과 함께 실내 공간에 배치함으로써 태양전지 패널의 파손을 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 상시 전원공급장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 도 1의 고정 프레임을 나타낸 도면
도 3은 도 1의 지지 프레임을 나타낸 도면

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 상시 전원공급장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 태양광 발전을 통해 전기를 생산하는 태양광 발전장치(100)와, 상기 태양광 발전장치(100)로부터 생산된 전기를 받아 충전하는 배터리(200)와, 상기 배터리(200)에 연결되어 충전된 전기를 공급받아 동작하는 전기기기(300)를 포함하여 구비하고, 상기 태양광 발전장치(100)는 설치면(A)에 수직방향으로 설치되고 내부면이 다각형 형태를 갖는 고정 프레임(110)과, 상기 고정 프레임(110)에 탈부착이 가능하고 상기 고정 프레임(110)의 다각형 형상에 대응되게 외부면이 다각형 형태를 갖고 태양전지 모듈(130)을 지지하는 지지 프레임(120)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 태양광 발전장치(100)는 설치면(A) 상에 고정되어 설정된 고도각을 유지하여 태양의 이동경로를 따라서 방위각이 조절된다. 여기서 상기 설치면은 건물의 지붕이나 옥상 또는 벽면을 일 예로써 설명하며, 상기 설치면(A)이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 설치되는 태양광 발전장치(100)의 규모에 따라서 태양전지패널의 개수가 변경될 수 있음은 물론이다.

상기 고정 프레임(110)은 상기 설치면(A)에 고정수단(140)을 통해 고정되게 된다. 상기 고정 프레임(110)의 내부 공간으로 상기 지지 프레임(120)이 삽입되어 고정되게 된다.

상기 배터리(200)는 리튬 이온 전지에 한정되지 않고, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery) 등이 적용될 수도 있다. 또한, 상기 배터리(200)의 과충전(over-charging)을 방지하기 위하여 별도의 과충전 보호회로(도시되지 않음)를 탑재할 수 있다.

또한, 상기 배터리(200)의 일면에는 충방전 표시등(210)이 구성되는데, 상기 충방전 표시등(210)은 배터리(200)가 충전 중일때 적색을 나타내고 있다고 충전이 완료되면 녹색으로 변환되어 충전이 완료되었다는 것을 사용자가 직접 눈으로 확인할 수가 있다.

상기 충방전 표시등(210)은 눈금형태로 구성되어 단계별로 충방전 상태를 알 수 있을 뿐만 아니라 배터리(200)에 충전된 전원을 사용할 때 방전되는 량도 눈으로 확인할 수가 있기 때문에 사용자는 배터리(200)의 잔량을 확인할 수가 있다.

상기 배터리(200)의 사용시간은 온도에 따라 영향을 받게 되는데 온도가 영하로 떨어지거나 40℃이상이 될 때 강제적으로 충·방전이 이루어지지 않도록 함으로써 배터리의 수명을 한층더 연장시킬 수가 있다.

예를 들면, 배터리는 열이 발생할 경우 내부의 전해액 온도가 상승함에 따라 저항도 상승하게 되고, 온도가 낮은 경우에 전해액의 비중이 작아짐에 따라 전력 방출이 감소되어 시동성이 저하되며, 온도가 높은 경우 전해액이 증발되어 배터리의 수명이 급격하게 줄어들게 되므로 온도가 40℃이상 상승하게 되면 자동으로 배터리의 충·방전을 정지시켜 배터리의 수명을 연장하게 된다.

상기 태양광 발전장치(100)는 태양광을 전기 에너지로 변환하기 위하여 복수개의 태양전지를 구비한다. 이때, 상기 태양전지는 주로 실리콘과 복합재료로 제작된다. 구체적으로, 상기 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전 효과를 이용하는 것이다.

이와 같이, 대면적의 P-N 접합 다이오드로 제작되면, P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결할 수 있게 되어 태양광을 전기 에너지로 쉽게 변환할 수 있게 된다.

이러한 태양전지는 복수개의 셀(Cell) 단위로 제작되는데, 실제 필요한 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 볼트(V) 이상인데 비하여 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문에 다수의 셀 단위의 태양전지들을 직렬 또는 병렬 연결하여 매우 높은 전기 에너지를 생산할 수 있게 된다.

상기 고정수단(140)은 상기 고정 프레임(110)을 상기 설치면(A)에 고정하기 위해 앵커 볼트를 통해 고정하게 된다.

상기 전기기기(300)는 텔레비전을 실시예로 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 라디오, 냉장고나 컴퓨터와 같은 가전기기 어떤 것을 사용해도 상관없다. 이때 상기 냉장고는 열대 지방에서 필요한 의약품을 보관할 수도 있다.

도 2는 도 1의 고정 프레임을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1의 지지 프레임을 나타낸 도면이다.

상기 고정 프레임(110)은 도 2에서와 같이, 내부 공간이 다각형 형태를 갖는 지주 파이프로 이루어져 있고, 상기 지지 프레임(120)은 도 3에서와 같이, 외부 형태가 상기 고정 프레임(110)의 다각형 형태와 대응되게 다각형 형태를 갖는 지주 파이프로 구성되어 있다.

상기 지주 파이프(210)는 지면에 고정되므로 습기와 같은 부식을 방지하기 위하여 알루미늄이나 그 합금으로 이루어진다.

상기 지지 프레임(120)은 상기 고정 프레임(110)의 내부에 삽입되어 고정되게 되는데, 각각 내부와 외부가 다각형 형태로 이루어져 있기 때문에 별도의 고정 수단이 필요없고 유동 등을 미연에 방지할 수가 있다.

상기 고정 프레임(110)의 설치면(A)에 고정된 상태로 되어 있고, 상기 설치면(A)에 고정된 고정 프레임(110)에 상기 지지 프레임(120)을 다양한 각도로 삽입하여 태양전지 패널(130)의 방향을 태양광 최적의 위치가 되도록 조절함으로써 태양광 발전 효율을 한층더 향상시킬 수가 있다.

상기 지지 프레임(120)은 상기 고정 프레임(110)에 용이하게 탈부착이 가능하도록 상기 고정 프레임(110)의 내부 공간은 상기 지지 프레임(120)보다 넓은 지름을 가지고 형성되어 있다.

한편, 상기 고정 프레임(110)의 내부 공간이 다각형 형태를 갖는 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 상기 고정 프레임(110)의 외관을 다각형 형태로 구성하고 지지 프레임(120)의 내부 형태를 다각형 형태로 구성하여 상기 고정 프레임(110)을 감싸도록 상기 지지 프레임(120)을 끼워 고정할 수도 있다.

또한, 상기 고정 프레임(110)과 지지 프레임(120)에 형성된 다각형은 육각형이나 팔각형 등과 같이 다양한 형태로 구성할 수가 있고, 미세한 방향 조절을 위해 그 이상의 형태로 구성할 수도 있다.

상기 지지 프레임(120)은 상면에 하나 또는 복수개의 태양전지 패널(130)이 설치되며, 이를 지지하는 기능을 제공한다. 상기 태양전지 패널(130)은 발전 규모에 따라서 설치 개수가 설정된다.

한편, 상기 배터리(200)의 출력단에 추가적으로 인버터(도시되지 않음)를 구성하여 전기기기(300)가 AC 전원으로 동작할 수도 있도록 한다.

뿐만 아니라 기상 날씨로 인하여 태양광 발전장치(100)가 정상적으로 발전하지 못하여 상기 배터리(200)가 충전되지 못할 경우에는 상기 전기기기(300)는 외부의 상용전원을 공급받아 동작하거나 상기 배터리(200)가 상기 상용전원을 공급받아 저장하여 사용할 수도 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 태양광 발전장치 110 : 고정 프레임
120 : 지지 프레임 130 : 태양전지 패널
140 : 고정수단 200 : 배터리
300 : 전기기기

Claims (3)

1. 태양광 발전을 통해 전기를 생산하는 태양광 발전장치와,
   상기 태양광 발전장치로부터 생산된 전기를 받아 충전하는 배터리와,
   상기 배터리의 일면에 구성되는 충방전 표시등과,
   상기 배터리에 연결되어 충전된 전기를 공급받아 동작하는 전기기기를 포함하여 구비하고,
   상기 태양광 발전장치는 설치면에 수직방향으로 설치되고 내부면이 다각형 형태를 갖는 고정 프레임과, 상기 고정 프레임의 내부공간으로 삽입되어 고정되고 상기 고정 프레임의 다각형 형상에 대응되게 외부면이 다각형 형태를 갖고 태양전지 모듈을 지지하는 지지 프레임을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치.
2. 삭제
3. 태양광 발전을 통해 전기를 생산하는 태양광 발전장치와,
   상기 태양광 발전장치로부터 생산된 전기를 받아 충전하는 배터리와,
   상기 배터리의 일면에 구성되는 충방전 표시등과,
   상기 배터리에 연결되어 충전된 전기를 공급받아 동작하는 전기기기를 포함하여 구비하고,
   상기 태양광 발전장치는 설치면에 수직방향으로 설치되고 외부면이 다각형 형태를 갖는 고정 프레임과, 상기 고정 프레임의 내부공간으로 삽입되어 고정되고 상기 고정 프레임의 다각형 형상에 대응되게 내부면이 다각형 형태를 갖고 태양전지 모듈을 지지하는 지지 프레임을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 상시 전원 공급장치.

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