WO2014081160A1 - Solar tracker, and method for operating same - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a solar tracking device, and more particularly, to adjust the azimuth and altitude according to the position change of the sun by the circumference movement and the playing movement so that the solar energy collector can track the path of the sun moving on the celestial sphere for a long time
- the present invention relates to a solar tracking device and a method of operating the same.
- the solar tracking device aims to adjust the altitude and the azimuth angle by adjusting each rotation axis of the mechanism part so that the light collecting device is positioned vertically toward the sun to maintain optimum efficiency.
- the solar tracking device can be classified into one degree of freedom solar tracking device or two degrees of freedom solar tracking device according to the degree of freedom of the mechanism part. Since the degree of freedom of the mechanism is usually the same as the number of rotational axes used in the solar tracking device, rather than using the term "freedom", it is simply referred to as one-axis system or two-axis system.
- the solar tracking device in the case of the 1-axis system to first consider the sun's circumferential movement to rotate each other in the east every day to follow the sun, and to manually correct for the mid-high altitude of the sun that changes throughout the year have.
- This manual adjustment method is not only inconvenient, but even if the quarterly correction is performed four times a year, the maximum tracking error that can occur is about 23.5 degrees as the tilt of the earth's axis.
- the sun tracking device rotates from east to west daily to track the sun's diurnal movement for about 1 hour and 30 minutes. It is larger than the error caused by stopping and not tracking.
- the error of the tracking device can be drastically reduced because it automatically adjusts the change of the southern middle altitude according to the movement of the sun as well as the circumference of the sun.
- additional driver and controllers are required, which not only increases the initial facility cost, but also require the power consumption and cost of maintaining additional drivers and controllers, resulting in improved power generation efficiency over the added costs. It must be able to be used as a economically meaningful solar tracker if it can be kept larger. In reality, it is not easy to implement an economical two-axis system with reliable operation given the added initial cost and the maintenance cost due to frequent failures.
- the present invention has been devised to solve the above problems, but by installing two rotary shafts to respectively handle the right ascension and declination, the rotary shafts are not independent of each other movement, one rotary shaft mechanically restrains the other rotary shaft By having a dependent movement along the correlation between the circumference of the sun and the movement of movement of the sun, as a result, not only the movement of the circumference of the sun is changed by the single actuator, but also the movement of the south middle altitude changes according to the season. It is an object of the present invention to provide a solar tracking device and a method of operating the same.
- the right ascension rotation axis is installed in parallel with the Earth's rotation axis to track the change in the right ascension according to the circumferential motion of the sun;
- a right ascension rotation driving device for driving the right ascension rotation shaft;
- a declination axis of rotation perpendicular to the right ascension axis of rotation and correcting a change in declination according to the playing motion of the sun;
- a declination driving mechanism unit configured to transfer a part of the driving force of the RA rotating device to the declination rotating shaft to reciprocate. It consists of.
- declination drive mechanism portion it may include additional components described below in order to enhance the effect.
- the RA rotation axis By transmitting the unidirectional rotational component of the driving force generated in the RA rotation, the RA rotation axis to selectively transmit only the rotational amount to track the sun's circumference movement to the declination rotation axis, the declination from the RA rotation device It can be configured to include a one-way clutch installed at a point of the power transmission path to the rotation axis.
- the declination rotating shaft By adjusting the period in which the declination rotating shaft reciprocates once and up and down, from the right ascension rotation driving device so that the reciprocating rotation cycle of the declination rotating shaft can be precisely matched with the period in which the right ascension rotating shaft tracks about 365 round trips. It may be configured to include a reduction ratio adjustment device installed at a point of the power transmission path to the declination rotation axis.
- the power transmission path from the right ascension rotation driving device to the declination rotation shaft can be adjusted independently without affecting the right ascension rotation shaft. It can be configured to include a coupling installed at one point of the.
- the declination rotation axis reciprocates with a displacement equal to the inclination of the earth's axis while the RA axis tracks about the 365th movement, reflecting the correlation between the circumference of the sun and the play movement.
- the mechanical part shall be designed to have As one method for realizing this, the declination reducer for receiving a part of the driving force of the RA rotational device and outputs by changing the rotation ratio;
- a crank attached to an output shaft of the deceleration reducer;
- a rocker fixed to the declination rotating shaft and reciprocating up and down by the inclination of the earth's rotation axis according to the change of the declination by the sun's playing motion;
- a connecting rod connecting one end of the crank and one end of the rocker to form a trimming link and converting the rotational movement of the crank into a reciprocating motion of the rocker up and down;
- the declination drive mechanism can be configured.
- a declination display device for converting the rotational amount of the declination rotation axis into an angle or a season display device for converting the rotational amount into a season in the year It can be configured to include a solar tracking device.
- the solar tracking device Using the solar tracking device according to the present invention, it is possible to simultaneously track the circumference movement and the play movement of the sun through one driver. This has the effect of maximizing the efficiency of photovoltaic power generation and at the same time reducing the initial equipment cost and maintenance costs.
- FIG. 1 is a preferred embodiment of a solar tracking device according to the present invention.
- FIG. 2 shows the diurnal motion of the sun at the vernal equinox observed at a point in the northern hemisphere
- Figure 6 is the declination of the sun changes along the ecliptic in the equatorial coordinate system and the operating principle of the solar tracking device according to the present invention
- FIG. 7 is an embodiment of the pedestal and the column according to the present invention can adjust the altitude and azimuth of the RA rotation axis;
- FIG. 8 shows a solar tracking device according to the present invention, a preferred embodiment constituting a frame and a two degree of freedom equivalent mechanism
- FIG. 9 is a solar tracking device according to the present invention, an embodiment using a weight balance to evenly distribute the load of the rotating shaft;
- FIG. 10 is a preferred embodiment constituting the right ascension rotation driving apparatus of the solar tracking device according to the present invention.
- FIG. 11 is a preferred embodiment constituting the declination drive mechanism portion of the solar tracking device according to the present invention.
- FIG. 13 is an embodiment of the declination drive mechanism of the present invention comprising a coupling or a one-way clutch or a reduction ratio adjusting device;
- Figure 14 is a solar tracking device of the present invention, the operation of the day and night according to the season;
- FIG. 15 is a view illustrating a solar tracking device of the present invention, including a season display device, a declination display device, or a right ascension display device;
- 16 is a flow chart of a method of operating a solar tracking device with four operational steps in accordance with the present invention
- 17 is a flowchart illustrating a method of operating a solar tracking device in an operation step of seven according to the present invention.
- RA rotation drive device 210 actuator
- declination drive mechanism 410 declination reducer
- gear ratio control device 450 one-way clutch
- RA display device 500 frame
- pedestal 520 pillar
- a05 tilt of the Earth's axis (about 23.5 degrees)
- a10 equatorial coordinate system
- the changes in the azimuth a21 and altitude a22 of the sun a01 observed along the horizon coordinate a20 are due to the rotational and revolving motions of the earth a02.
- FIG. 2 when looking at the circumferential motion of the celestial sun a01 observed from the horizon a29, if the earth a02 rotates once during the day, the sun is in the horizon a29.
- the azimuth (a21) of (a01) changes from east to east
- the altitude (a22) gradually rises to its peak at lunchtime and then decreases gradually, disappearing below the horizon (a29) in the evening and turning the other side of the earth (a02) again to the east You will experience the rising circle movement.
- the angle at which the sun a01 passes through the meridian a24 and the altitude a22 rises to the highest point based on the south point a25 is called the south middle altitude a23.
- the sunlight a03 is incident almost in parallel at any point of the earth a02, which means that the distance between the sun a01 and the earth a02 is smaller than the diameter of the earth a02. Because it is far away.
- Parallel incident incident sunlight a03 is observed at different angles at each point on the earth a02.
- the altitude a22 of the sun a01 observed is a high path passing near the ceiling.
- the latitude a32 increases, the altitude a22 of the observed sun a01 decreases.
- the sun (a01) observed at the poles (a35 and a36) travels along a low path near the horizon.
- the south mid-altitude (a23) will depend on the latitude (a32) of the observation point, and in the case of the southern hemisphere, as the diurnal path of the sun (a04) passes through the north sky rather than the south sky, as opposed to the northern hemisphere,
- the south middle altitude (a23) based on (a25) it is preferable to use the north middle altitude based on the north point (a26) because the value exceeds 90 degrees after the ceiling.
- the northern hemisphere is described as a reference, and in the case of the southern hemisphere, the solar tracking device 1000 of the present invention can be used in the same manner by applying a corresponding observation value.
- the diurnal motion of the sun (a01) depends on the latitude (a32) of the observation point, and the south middle altitude (a23) is 90 degrees minus the latitude (a32) of the observation point, that is, based on the latitude (a33). Will change.
- the south middle altitude (a23) of the sun (a01) observed from the earth (a02) will vary depending on not only the latitude (a32) of the observation site, but also where the earth (a02) is located on the orbit. This occurs because the earth axis a34 is inclined about 23.5 degrees with respect to the axis of revolution.
- the inclination angle of the earth axis a34 remains unchanged, but the earth a02 revolves around the sun a01. Depending on where it is located, the direction of inclination relative to the sun a01 changes, and as a result, it affects the south middle altitude a23 of the sun a01 observed at the earth a02 at each observation point.
- FIG. 4 illustrates the correlation between the relative direction of the inclination of the earth's axis a34 and the south middle altitude a23 in the orbital motion of the earth a02 through an example of one region of the northern hemisphere.
- the Northern Hemisphere when the Earth's axis of rotation a34 is inclined so that the Northern Hemisphere faces the sun a01, the path of the diurnal movement of the sun a01 increases and the southern mid-altitude a23 rises.
- the density of solar energy reached per unit area of the horizon increases.
- the temperature is kept high around the lower ground (a42) where the south middle altitude (a23) is the maximum, and in the illustrated region, this period is classified as summer by season.
- the orbital period of the earth a02 when the earth axis a34 is inclined in a direction in which the northern hemisphere is less exposed to the sun a01, the south middle altitude a23 is lowered.
- the temperature of the region is kept low before and after the winter solstice (a44) where the southern middle altitude (a23) becomes the lowest, and this period is classified as winter season.
- each path a04 changes according to the season, but each path a04 is generated along the circumference of the disk perpendicular to the Earth's axis a34 on the celestial sphere a19, and each path ( Note that the plates containing a04) are parallel to each other.
- the sun's circumferential path (a04) is created along the equator plane (a17) on the celestial sphere (a19). The time to stay in the sky is half the day until the sun (a01) rises exactly from the east and disappears to the west.
- the path exposed above the horizon (a29) is longer in the disk perpendicular to the Earth's axis of rotation (a34), and the time to stay in the sky until the sun (a01) rises in the northeast and disappears northwest is more than 12 hours.
- the path exposed above the horizon (a29) is shorter in the disk perpendicular to the Earth's axis (a34), and the time to stay in the sky when the sun (a01) rises from the southeast and disappears southwest is less than 12 hours. do.
- the direction of (a34) is close to the vertical of the horizontal plane (a29), and the circumferential motion path a04 of the sun is close to the circumferential motion along the horizon.
- the sun (a01) does not disappear from the sky, but a polar day phenomenon occurs around the horizon all day, and in the winter sol (a44) the sun (a01) rotates below the ground, There is a continuous polar night.
- Figure 5 shows the change of the south middle altitude (a23) according to the playing movement of the sun (a01).
- the change is the same no matter where you are on the Earth, but changes based on different reference values depending on the latitude (a32) of each observation point.
- the southern middle altitude (a23) rises, reaches the highest point in the lower limb (a42), and then gradually decreases, and then returns to the southern mid-altitude (a23), such as the vernal equinox (a41). It continues to decrease, reaching the lowest point in winter sol a44.
- After the increase again to the vernal equinox (a41) is to restore the original south middle altitude (a23).
- the change in the south middle altitude a23 according to the season a40 is the same as the change period and the displacement even if the reference value varies depending on the observation site.
- the period of change of the southern middle altitude (a23) is about 365 days when the earth (a02) orbits around the sun (a01), more precisely about 365.24219 days based on the solar time (solar time).
- the maximum displacement occurring in the lower leg a42 and the winter sol a44 is equal to the inclination a05 of the earth's rotation axis, respectively.
- the south middle altitude (a23) of the sun (a01) observed in the) changes little by little every day, and becomes a period of playing movement that returns to the original south middle altitude (a23) through the highest and lowest points according to the season (a40).
- the difference between the highest point and the lowest point from the reference value is about 23.5 degrees, which is equal to the tilt of the earth's axis (a05).
- the change in the south middle altitude (a23) of the sun (a01) at each observation point is expressed as follows.
- an observation point located at the equator (a36) varies from 90 degrees to as low as 66.5 degrees to as high as 113.5 degrees, depending on the season at 90 degrees minus 0 degrees, which is latitude (a32) of the equator (a36).
- latitude (a32) of the equator (a36) when the position is located in the north pole (a35), it changes from the highest 23.5 degrees to the lowest -23.5 degrees based on 0 degrees minus 90 degrees, the latitude (a32) of the north pole (a35). That is, staying on the horizon in the spring and autumn, the sun (a01) is located below the surface during the six months passing through the winter, a polar night phenomenon that can not observe the sun (a01) occurs.
- Equation 1 uses latitude (a32), which is commonly used in geographical coordinates, but when using a mathematical spherical coordinate system, it is described using latitude (a33) rather than latitude (a32). It is preferable. That is, when using the spherical coordinate system used in mathematics, Equation 1 is expressed as follows.
- the change caused by the playing motion of the sun a01 included in Equations 1 and 2 is represented by a periodic function similar to the trigonometric function, as shown in FIG. 5.
- the vernal equinox (a41) passes the standard elevation corresponding to the observation latitude (a33) and monotonically increases to have a maximum value at the lower limb (a42).
- the maximum displacement is equal to the slope of the earth's axis (a05).
- the weight is returned to the original reference altitude at the abutment (a43) and is inverted to have a minimum value at the winter sol (a44).
- the angular displacement is roughly equal to the inclination (a05) of the Earth's rotation axis.
- the middle altitude a23 increases again and returns to its original altitude at the vernal equinox a41.
- Expressing the playing movement of the sun a01 by a trigonometric function is as follows.
- Equation 2 the change in the south middle altitude (a23) of the sun (a01) according to the playing motion based on the trigonometric function finally derived can be formulated as follows.
- Equation 4 is an approximation of macroscopic change, and should include various variables in order to display more accurate change.
- the influence of the difference between the orbital velocity and the near point generated by the orbit of the earth a02 is an ellipse rather than an exact circle.
- the factors influencing the minute can be ignored from an engineering point of view.
- the equatorial coordinate system a10 is a method of the celestial coordinate system. As shown in FIG. 6, the equatorial coordinate system a10 assumes a huge sphere fixed in the universe surrounding the earth a02 and is called the celestial sphere a19. The location of fixed objects is defined through spherical coordinates.
- the equatorial coordinate system (a10) is a right ascension (a11) measured from the west to the east at the vernal equinox (a45) where the equatorial plane (a17) of the celestial sphere (a19) and the ecliptic (a18) meet, and the equator plane (a19) of the celestial sphere (a19). It is a method of expressing the position on the celestial sphere a19 through the declination a12 which measured the angle in the direction of the axial axis a13 which extended the earth rotation axis a34 to the celestial sphere a19 from a17).
- the azimuth angle (a21) and altitude (a22) are different depending on the observation point when the horizon coordinate system (a20) is used.
- Right ascension a11 and declination a12 are represented by fixed values. Therefore, in the field of astronomy, astronomical maps based on right ascension (a11) and declination (a12) are widely used, and observers install astronomical telescopes at the equatorial mount, and determine right ascension (a11) and declination (a12). By adjusting, the object can be easily found within the field of view of the telescope.
- Earth (a02) makes one revolution each day in the fixed celestial sphere (a19).
- the constellations on the celestial sphere (a19) seem to rotate little by little in the east over time, which is called the circumferential movement of the celestial body.
- the rotation speed coincides with the rotation speed of the earth (a02), and the circular motion is performed at an angular velocity of about 15 degrees per hour. Therefore, even if one constellation is found in the wide night sky, it gradually flows westward, and the effect becomes more severe when observing an enlarged area through astronomical telescope. Even if you have the object you want to observe in view, if you don't move the telescopes from east to west, they will soon disappear.
- the position is slightly changed on the celestial sphere (a19), and gradually moves along the ecliptic (a18) to rotate the celestial sphere (a19) once a year. Since the speed at which the sun a01 rotates the celestial sphere a19 is less than about 1 degree per day, its effect can be neglected for short time observation. That is, when observing the sun a01, it is possible to observe the change of the declination a12 while ignoring the change in the declination a12, fixing the declination a12 rotation axis, and turning only the right axis of rotation a11.
- the solar tracking device 1000 not only tracks the change in the right ascension a11 of the sun a01 according to the diurnal movement, but also changes the declination a12 of the sun a01 due to the playing movement. It is designed specifically to solve the error of declination (a12) accumulated over a long period of time by automatically correcting.
- the solar tracking device 1000 according to the present invention has the right ascension rotation axis 100 in consideration of the correlation between the right ascension a11 and the declination a12 of the sun a01 moving along the ecliptic a18 on the celestial sphere a19.
- declination drive mechanism 400 that can mechanically restrain the declination rotation shaft 300, by rotating the right ascension rotation shaft 100 through the right ascension driving device 200, as well as tracking the circumferential movement of the sun, By transmitting a part of the rotational force of the right ascension driving device 200 to the declination rotating shaft 300, it characterized in that it automatically compensates for the change in the declination a12 of the sun a01.
- Essential components for the solar tracking device 1000 provided by the present invention is composed of a right ascension rotation shaft 100, a right ascension rotation driving device 200, the declination rotation shaft 300, the declination drive mechanism 400, each part It will be described in detail by way of detail, and will be described in detail how to increase the convenience of the present invention through additional components.
- the main mechanism connected from the ground to the solar light collecting device 600 is as follows. Fixing the pedestal 510 to the ground, and after connecting the pillars 520, the right ascension rotation support 530 is installed at an end inclined at an appropriate angle. The right ascension rotation support 530 is installed on the right ascension rotation support 530 to connect the declination rotation support 540 to allow free rotation. The declination rotating support 540 and the light collecting device holder 550 are installed to be freely rotated through the declination rotating shaft 300, and finally, the light collecting device 600 is attached to the light collecting device holder 550.
- a right ascension rotation drive device 200 for driving the right ascension rotation shaft 100, and installs the declination drive mechanism 400 for transmitting a portion of the driving force of the right ascension rotation drive device 200 to the declination rotation shaft 300.
- the preferred embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is mechanically equivalent to a two-degree-of-freedom two-stage link, which is illustrated in FIG. 8 (b). That is, the pedestal 510, the pillar 520, and the right ascension rotation support forms a base link L0 as one rigid body connected to the ground, and the declination rotation support 540 forms the first link L1, and the light collecting device
- the cradle 550 serves as a second link (L2), the right ascension rotation shaft 100 and the declination rotation shaft 300, respectively, the first joint connecting the base link (L0) and the first link (L1) ( It operates as a second joint J2 connecting J1), first link L1, and second link L2.
- the mechanical form of the solar tracking device of the present invention adopts a two degree of freedom mechanism, and in practice, the first joint J1 and the second joint J2 do not independently move, but depend on the restraint relationship. Strictly, one freedom should be defined as a device.
- the right ascension rotation shaft 100 is installed in parallel with the Earth's rotation axis (a34), the declination rotation axis 300 is installed perpendicular to the right ascension rotation axis 100, the two rotation shafts It aims to be firmly supported so as to move smoothly in a predetermined direction.
- the frame 500 is composed of a pedestal 510, a pillar 512, a right ascension rotation support 530, a declination rotation support 540, and a condensing equipment support 550, a pedestal
- the 510 and the pillar 520 are provided with means for adjusting the azimuth a21 and the altitude a22 so that the RA rotation axis 100 can be installed in parallel with the earth rotation axis a34.
- an embodiment using one pillar 520 will be described in detail with reference to FIG. 7A.
- the pedestal 510 After installing the pedestal 510 grounded on the ground and processed with several screw holes on the surface, the pedestal 510 is fixed to the ground, and the pillars 520 are erected on the pedestal 510 fixed to the ground. At this time, if the azimuth angle a21 can be changed by fastening the bolts along the side screw holes of the pedestal 510 so that the pillar 520 faces the north, the right ascension rotation shaft 100 is later parallel to the earth axis a34. Easy to adjust
- the right ascension rotation support 530 is installed on the pillar 520 to fix the right ascension rotation shaft 100. At this time, to provide a means for adjusting the altitude a22 of the eligible rotary shaft 100 according to the latitude a32 of the installation site.
- the frame 500 may be configured by using two pillars 520.
- Two pillars 520a and 520b are erected on the pedestal 510 and connected to both ends of the RA shaft 100 at the ends of the pillars 520a and 520b.
- the two pillars 520a and 520b are adjusted to be precisely facing north and south while moving the pillars 520a or 520b in the east-west direction.
- the height of the column 520a or 520b is adjusted to appropriately change the angle formed between the right ascension rotation shaft 100 and the ground.
- the north pole 520b is installed higher than the south pole 520a according to the latitude a32.
- the north side is low and the south side is fixed high.
- bending may occur in the RA rotating shaft 100 while changing the height of the pillar 520a or 520b.
- the pillar 520 is rotatable in the deflection direction of the shaft, the deformation due to the bending may be eliminated. have.
- the pedestal 510 and the pillar 520 of the present invention are implemented by various modifications to adjust the azimuth a21 and the altitude a22 of the RA shaft 100 as well as some embodiments described above. can do.
- the right ascension rotation shaft 100 is installed in parallel with the earth's rotation axis a34, and rotates in the opposite direction by the same angular speed of the earth's rotation, thereby canceling the circumference movement of the sun a01 according to the earth's rotation, and daily It aims to track the position of the sun (a01) from east to west.
- the declination rotation shaft 300 according to the present invention is installed perpendicular to the right ascension rotation shaft 100, positioned parallel to the equator plane a17 of the celestial sphere, and reciprocating up and down by the inclination a05 of the earth's rotation axis about 365 days. To compensate for the change in the south middle altitude (a23) of the sun (a01), which changes as shown in Equation 4 according to the season (a40), and offset the playing movement of the sun (a01) according to the earth revolution.
- the RA rotating shaft 100 is installed and the declination rotating support 540 rotates freely.
- the declination rotation support 540 After the declination rotation shaft 300 is installed to be perpendicular to the right ascension rotation shaft 100, the declination rotation support 540 and the light collecting device holder 550 through the declination rotation shaft 300. Connect it.
- the declination support 540 is rotated along the declination rotation shaft 300, the right angle of view of the right ascension a11 facing the installed solar light collecting device 600 changes only the declination a12 angle.
- the right ascension rotation shaft 100 is installed in parallel with the Earth's rotation axis a34, even if the declination rotation support 540 is rotated along the right ascension rotation shaft 100, the light concentrator mounting base 550 and the light concentrating device are installed. 600 is also rotated along, but only the right ascension a11 angle changes independently, the declination a12 angle does not change.
- the right ascension rotation shaft 100 is installed to coincide with the earth's rotation axis a34 according to the place where the solar tracking device 1000 of the present invention is installed, the right ascension rotation shaft 100 and the declination rotation shaft 300 are installed vertically.
- the right ascension a11 and the declination a12 coordinates on the celestial sphere a19 to which the attached light collecting device 600 is directed can be adjusted independently, and can be freely adjusted in all directions on the celestial sphere.
- 6 is a preferred embodiment in which the right ascension rotation shaft 100 of the present invention is installed in parallel with the earth rotation axis a34, and rotates in the opposite direction to the rotation direction of the earth a02, thereby fixing the position fixed on the celestial sphere a19 for a long time. Show how it works.
- the balance weight 560 aims to balance the load transmitted to the right ascension rotation shaft 100 or the declination rotation shaft 300 to drive the device with the same rotational force at any angle.
- the balance weight 560 is not essential in implementing the functionality of the present invention, but helps to increase the efficiency of the device.
- the RA rotating shaft 100 and declination The load added to the rotating shaft 200 will be different. If the weight of these components is not properly distributed around each axis of rotation, there may be a problem that the required driving force is changed as the angle of the axis of rotation changes. In other words, it is easily rotated in one direction but requires a large driving force to move in the opposite direction, resulting in a decrease in the efficiency of the actuator used.
- the weight should be well distributed along each axis of rotation so that it is well balanced without tilting to one side, so that the axis of rotation can be driven smoothly with the same torque at any angle.
- the weight of the solar light collecting device 600 since the weight of the solar light collecting device 600 generally occupies a large specific gravity, it becomes difficult to achieve structural balance.
- the counterweight counter balancing weight
- the right ascension rotation shaft 100 moves at an angular speed of 15 degrees per hour corresponding to the rotational speed of the earth (a02) the sun (a01) moving in each other in the same day on the celestial sphere (a19) every day
- the purpose is to provide a rotational force to track the circumference of the.
- Right ascension rotation drive device 200 is composed of an actuator 210 and a right ascension reducer 220, a rotary actuator 210 is installed on the declination support 450, the right ascension reducer 220 is mounted on the actuator 210. It consists of a right ascension deceleration reduction gear 221, a right ascension worm gear 222 and a right ascension worm wheel 223.
- Rotation force generated from the actuator 210 is amplified through the RA right angle reducer 221 to drive the RA right worm gear 222, while engaging the RA right worm wheel 223 fixed to the RA right support 530, declination support 540 By driving to rotate along the right ascension rotation shaft 100.
- the actuator 210 since the actuator 210 is fixed to the declination support 540 so as to easily implement the declination drive mechanism 400 described later, the actuator 210 is declination rotated. It rotates with the support 540.
- the actuator 210 and the right ascension worm gear 222 may be installed on the right ascension rotation support 530, and the right ascension worm wheel 223 may be fixed to the declination rotation support 540 to prevent the actuator from moving. .
- Right ascension rotation drive device 200 to rotate the right ascension rotation axis 100 from east to west every day, the rotational speed can maintain an angular speed of about 15 degrees per hour, that is, the rotational speed of the earth (a02) In addition to being able to be present, it must be capable of outputting a torque to provide sufficient acceleration to allow for quick maneuvering.
- the actuator 210 may utilize a variety of rotary actuators 210, and it is also possible to use the linear actuator 210 in combination with a suitable transducer such as a crank-slider. In the case of using a general electric motor, it is preferable to use the RA reduction gear 220 because the rotation speed is high but the torque is small.
- An integral reduction gear directly connected to the electric motor can be adopted, and additional deceleration can be made externally as needed. If the reduction ratio is high, it is preferable to use planetary gears or harmonic drives. By combining spur gears, the input and output shafts can be configured in parallel, or bevel gears or worm gears can be configured in such a way that the input and output shafts are not parallel. The design method can be applied. In addition to the combination of gears of various sizes, it can also be configured using timing belts or cables to reduce errors caused by backlash. In constructing the right ascension reducer 220, it is possible to apply not only the mentioned method but also various types of reducers used in industrial sites. In addition, when the torque of the actuator 210 to be used is sufficient, it is also possible to remove the RA ascendant 220 and drive the actuator 210 by directly connecting to the RA ascending shaft 100.
- the declination drive mechanism 400 by restraining the right ascension rotation shaft 100 and the declination rotation shaft 300 to have a dependent movement in accordance with the correlation between the circumferential movement of the sun a01 and the playing movement, While the RA rotating shaft 100 rotates to track the circumferential movement of the sun a01, the declination rotating shaft 300 reciprocates up and down to compensate for the playing movement of the sun a01 in conjunction with the rotation amount.
- Right ascension rotation shaft 100 is to move along the circumferential movement of the sun (a01) from east to west every day by the right ascension rotation drive device 200, in which part of the driving force of the right ascension rotation drive device 200 declination
- the declination rotating shaft 300 By transmitting to the declination rotating shaft 300 through the drive mechanism 400, the declination rotating shaft 300 to move dependently on the right ascension rotating shaft 100, in particular, the declination while the right ascension rotating shaft 100 tracks about 365 times the round motion
- the declination drive mechanism 400 so that the rotating shaft 300 can move similarly to Equation 4.
- the declination drive mechanism 400 as shown in FIG. 11, the declination reducer 410 having a point on a path through which power is transmitted from the right ascension rotation drive device 200 to the right ascension rotation shaft 100. ), It may be configured as a reciprocating rotation conversion mechanism unit 420 to transfer the rotational movement of the output shaft of the declination reducer 410 to convert into a reciprocating rotational movement of the declination rotating shaft (300).
- the driving force is extracted at one point of the RA gear 220, and more specifically, the rotational force of the RA gear 222 is transmitted to the declining gear 410.
- the output shaft of the declination reducer 410 with respect to the amount of rotation generated while the right ascension rotation shaft 100 tracks the circumferential movement of the sun (a01) about 365 times
- the design of the reciprocating rotation conversion mechanism 412 is facilitated.
- the reduction gear ratio is selected so that the output shaft of the deceleration reducer 410 rotates about one day, declination reducer 410
- the crank 421 is fixed to the output shaft of the crankshaft, and the declination rotation shaft 300 is fixed to the rocker 422 pivoting up and down together in accordance with the performance of the sun a01, and the crank 421 and the rocker 422 With a connecting rod 423 connecting one end of the) to form a four-section link as a whole.
- a pin joint is provided on the side of the light collecting device holder 550 so that the light collecting device holder 550 also serves as the rocker 422.
- the crank 421 rotates one time through the declination reducer 410 while the RA rotating shaft 100 tracks about 365 times the circumference movement, the rocker 422 reciprocates up and down about 365 days. Done.
- the angle change of the light collecting device holder 550 attached to the declination rotation shaft 300 according to the season a40 will be described in detail with reference to FIG. 12. Since the crank 421 rotates about one quarter every three months, the crank 421 rotates about 90 degrees after each season (a40), each of the top dead center at the lower leg (a42) and the winter sol (a44). Adjust to position at bottom dead center and bottom dead center. Therefore, at the spring equinox a41, the light collecting device holder 550 is located at a neutral point. As the crank 421 pulls the connecting rod 423 past the vernal equinox a41, the angle of the light collecting device holder 550 gradually increases to reach the maximum angle at the lower leg a42.
- crank 421, the connecting rod 423, and the rocker 422 such that the maximum angle at which the declination rotation shaft 300 reciprocates has an angle corresponding to the inclination a05 of the earth's rotation axis up and down, respectively.
- the relative length of and the position of each joint should be selected as appropriate.
- the crank 421 or the rocker 422 or the connecting rod 423 includes a means 424 for adjusting the position and the link length of the joint
- the crank 421 or the rocker 422 or the connecting rod 423 may be configured to reciprocate up and down the rocker 422. Since the displacement and the speed for each section can be finely adjusted, the declination rotation axis 300 can be driven similarly to the change in the south middle altitude a23 of the sun a01 shown in Equation 4.
- the amount of rotation of the RA rotating shaft 100 varies depending on the season in operating the solar tracking device 1000, and the angle accumulated by the declination rotating shaft 300 also changes. For example, if the rotation amount of the RA rotating shaft 100 increases in summer, the change of the declination rotating shaft 300 also becomes faster, and conversely, in winter, the cumulative amount of the angle transmitted to the declination rotating shaft 300 decreases. In addition, due to the difference in the revolving speed of the earth (a02) between the far point and the near point, in practice, the short-term error may be larger. In order to reflect these changes, the movement of the rocker 422 can be finely controlled by using the means 424 for adjusting the position and the link length of the joint.
- crank 421 is not simply rotated quarter-turns for each season a40, but is specifically designed to vary the speed for each section in consideration of the change in idle speed and the corresponding difference in the idle point and near point. Designed.
- the reciprocating rotation conversion mechanism unit 420 configured through the four-link, even if the cam follower, crank-slider system, four-link, five-link, etc. It is possible to achieve the purpose of the reciprocating rotation conversion mechanism unit 420 of the present invention to simulate the correlation between the circumference movement and the playing movement.
- the relation between the rotational movement of the right ascension rotation shaft 100 and the movement of vertically reciprocating rotation of the declination rotation shaft 300 is Even if the difference with Equation 4, if the range is not large, it does not limit the operation of the solar tracking device 1000 provided by the present invention.
- Coupling 430 aims to release the restraint relationship between the right ascension rotation shaft 100 and the declination rotation shaft 300 as necessary.
- the angle of the declination rotation shaft 300 should be appropriately set in accordance with the season (a40) according to the installation time.
- an error may occur between the angle of the declination axis of rotation 300 and the declination a12 of the actual sun a01, in order to solve this declination axis ( It should be possible to reset the angle of 300).
- the right ascension rotation shaft 100 and the declination rotation shaft 300 of the solar tracking device 1000 provided by the present invention are constrained through the declination drive mechanism 400 to have a constant correlation, due to this correlation the declination rotation shaft 300 It becomes inconvenient to reset the angle of).
- the restraint relationship between the right ascension rotation shaft 100 and the declination rotation shaft 300 should be released, and a means for independently adjusting the declination rotation shaft 300 should be provided.
- the driving force for driving the declination rotating shaft 300 is supplied from the right ascension rotation driving device 200 and is transmitted through the reducer or link mechanism.
- the coupling 430 at any point of the path from which the power is transmitted from the RA rotation apparatus 200 to the DEC rotation shaft 300, by selectively connecting or blocking the transmitted rotation force, the RA rotation shaft 100
- the interlocking relationship between the declination rotation shaft 300 can be interlocked or released.
- a coupling 430 is installed at a portion connecting the final output shaft of the declination reducer 410 and the crank 421 of the reciprocating rotation converter mechanism 420, and when the coupling 430 is released, the right ascension is performed.
- the angle of the light collecting device holder 550 may be changed by freely adjusting the rotation angle of the crank 421 without affecting the rotation shaft 100.
- One-way clutch 450 is intended to only interlock with the declination rotation shaft 300 of the one-way rotational movement of the right ascension rotation shaft 100.
- the right ascension rotation shaft 100 does not rotate continuously and reciprocates in both directions to avoid interference. That is, as shown in FIG. 14, during the daytime, the right ascension rotation shaft 100 rotates about half a turn until the sun a01 rises from the east to the west, and at night, reverses in the opposite direction and passes through the day. Return to the eastern position back on the route and wait to trace the sun a01 the next morning.
- the rotational movement of the right ascension rotation shaft 100 must be ignored at night, and the sun (a01) from east to west normally during the day.
- the amount of rotation to be tracked must be selectively extracted and transmitted to the declination rotation shaft 300 through the declination drive mechanism 400.
- FIG. 13 illustrates an embodiment in which the one-way clutch 450 is added to the declination driving mechanism 400. In the embodiment of FIG.
- the one-way clutch 450 is installed at the front end of the input shaft of the deceleration reducer 410 so that only one-way rectified rotating component can be input to the deceleration reducer 410.
- the one-way clutch 450 is installed at any point from which the driving force is transmitted from the right ascension rotation driving apparatus 200 to the declination rotation shaft 300, the same role is performed.
- the volume of the light collecting device 600 is small and there is no interference, the sun a01 can be tracked while continuously rotating the RA shaft 100, and there is no need to use the one-way clutch 450.
- the right ascension rotation shaft 100 normally operates except for reverse rotation to return to the east position at night.
- the amount of weekly rotation generated while tracking the diurnal movement of (a01) is about half a day, and the crank 421 of the declination drive mechanism 400 is about 1/365 rotations about the rotation of about half a day.
- the reduction ratio should be set. At this time, the rotation amount of about half a day will vary depending on the surrounding terrain, seasons, mechanical motion range of the right ascension axis, etc., so that the deceleration reducer 410 or the reduction ratio adjusting device 440 is appropriately adjusted according to the installation environment. do.
- Reduction ratio adjusting device 440 aims to adjust the ratio of the amount of rotation of the declination rotation shaft 300 according to the rotational movement of the right ascension rotation shaft 100.
- the declination rotation shaft 300 is driven little by little in conjunction with the amount of rotation for which the right ascension rotation shaft 100 tracks the daily movement of the sun every day.
- the amount of rotation of the declination rotating shaft 300 accumulated little by little every day is a slight amount of only 23.5 degrees in three months. If the deceleration ratio of the deceleration reducer 410 is not set correctly, errors accumulate during long-term use, thereby degrading accuracy.
- the movement range of the right ascension rotation shaft 100 is changed according to the surrounding environment or installation conditions, and in the operation of the one-way clutch 450. Additional errors may occur. For example, unlike the beach without obstacles in the surroundings, in the mountain region, the time to track the sun during the day is significantly reduced, the movement range of the RA rotation axis 100 should be reduced.
- a reduction ratio adjusting device 440 it is preferable to include a reduction ratio adjusting device 440 so that the reduction ratio of the deceleration reducer 410 can be easily adjusted.
- the reduction ratio adjusting device 440 As one embodiment of implementing the reduction ratio adjusting device 440, as shown in Figure 13, to extract the rotational force from the right ascension worm gear 222 of the right ascension rotation drive device 200 to be input to the reduction ratio adjusting device 440. It was.
- a pulley-belt transmission device capable of varying a rotation radius mainly used in a continuously variable transmission may be used. Two rotating wheels having inclined surfaces are installed to face each other to constitute a v-groove pulley, and the distance between the two rotating wheels can be adjusted.
- Increasing the spacing of the v-groove pulleys reduces the effective radius of rotation of the belt, and reducing the spacing of the v-grooves pulley increases the effective radius of rotation of the belt, thereby increasing or decreasing the reduction ratio.
- it is possible to adjust the reduction ratio by installing multi-stage pulleys with different radii on both shafts and hanging the belt at the appropriate position.
- a variety of mechanisms for adjusting the radius of the pulley are possible, and the reduction ratio can be adjusted through other mechanisms as well as the pulley.
- the focus should be on adjusting the period of one year of reciprocating up and down, rather than reflecting the short-term error of the declination rotation shaft 300.
- the amount of rotation of the right ascension rotation shaft 100 varies according to the season, and the angle accumulated by the declination rotation shaft 300 also changes. For example, if the rotation amount of the RA rotating shaft 100 increases in summer, the change of the declination rotating shaft 300 also becomes faster, and conversely, in winter, the cumulative amount of the angle transmitted to the declination rotating shaft 300 decreases.
- the declination display device 460 of the present invention aims to display the declination a12 in a direction toward the celestial sphere a19 by the light collecting device 600 attached to the solar tracking device 1000 at an angle.
- the season display device 470 of the present invention shows that the condensing device 600 attached to the solar tracking device 1000 converts the declination a12 in the direction toward the celestial sphere a19 into the season a40.
- the purpose When the solar tracking device 1000 of the present invention is first installed, the direction of the light collecting device holder 550 and the light collecting device 600 attached thereto are adjusted by appropriately adjusting the angle of the declination rotating shaft 300 according to the installation time. It should be adjusted according to the declination a12 of a01).
- the angle of the declination axis of rotation 300 and the declination a12 of the actual sun (a01) currently floating in the sky may occur, it is necessary to correct this
- There is. 15 illustrates an embodiment of the declination display device 460 for displaying the angle of the declination rotation shaft 300.
- the light collecting device holder 550 is in a neutral state parallel to the right ascension rotation axis 100 at the spring equinox a41 and the autumn equinox a43 where the declination a12 of the sun a01 is 0 degrees.
- the declination measuring needle 461 is fixed to the condenser holder 550 that rotates together with the condenser 600, and the declination scale ( 462 is attached to measure the angle between the light collecting device holder 550 and the right ascension rotation shaft 100.
- the declination display device 460 it is possible to easily determine the declination a12 on the celestial sphere a19 to which the solar tracking device 1000 is actually directed.
- Equation 4 there is a constant correlation between the declination a12 of the sun a01 and the season a40, and the declination of the sun a01 is calculated by counting dates in most countries of the world. Since the solar calendar is based on, the declination a12 of the sun a01 is easily converted to the date of the calendar.
- FIG. 15 illustrates an embodiment of a season display device 470 that displays the angle of the declination rotation shaft 300 in terms of the season a40. Install the season measurement needle 471 on the crank 421 connected to the output shaft of the deceleration reducer 410 to rotate together, and by providing the season scale 472 on the declination support 540, the rotation of the crank 421 Read the entire amount converted to the corresponding season (a40).
- the season scale 472 is largely divided into four, and the spring equinox (a41), the lower limb (a42), the autumn equinox (a43), and the winter sol (a44) are respectively displayed and rotated like the crank 421, and the season measurement needle 471 Through) to convert the current angle of rotation of the crank 421 to the corresponding season (a40) to be able to read.
- the season measurement needle 471 Through to convert the current angle of rotation of the crank 421 to the corresponding season (a40) to be able to read.
- not only four seasons, but also the 12 seasons, monthly, or a daily scale can be measured more precisely.
- the interval of the scale may be changed in consideration of this. Looking at the angle change of the crank 421 of Figure 12, the summer section is designed to be longer than the winter section, therefore, the interval of the summer scale should be longer than the winter.
- the solar tracking device 1000 of the present invention When the solar tracking device 1000 of the present invention is properly installed and the error is properly corrected and operated, when the right ascension rotation shaft 100 moves little by little along the circumference of the sun every day, the season scale that the season measuring needle 471 passes is passed. (472) will also increase day by day, and after one year through four seasons, the season scale 472 will turn around and return to the original date.
- the tracking error of the declination axis of rotation 300 is intuitive. It can be grasped, by reflecting the trend of the tracking error that is a little faster or slower to the reduction ratio control device 440 can be taken to enable accurate tracking.
- the declination display device 460 and the season display device 470 described above are the same in principle only in the unit of the scale.
- the scale is displayed on the declination display device 460 as the season (a40), it can be used as the season display device 470.
- the declination display device 460 And the season display device 470 may be integrated and used as one display device.
- a separate rotating shaft for the measurement can be laid and a rotating plate marked with a scale at the end thereof can be measured.
- the RA drive shaft 100 reciprocates and transmits a one-way rotational component to the declination rotation shaft 300 through the one-way clutch 450, the power to which the rectified rotational component is transmitted via the one-way clutch 450 is transmitted.
- the declination indicator 460 or the season indicator 470 should be installed.
- the right ascension display device 480 also includes the right ascension rotation shaft 100, it is easy to know whether the solar tracking device 1000 of the present invention is malfunctioning.
- FIG. 15 an example of configuring the RA display device 480 is illustrated by including the RA measuring needle 481 and the RA scale 482 in the Dec. rotation support 540 and the RA rotation support 530, respectively.
- FIG. 19 illustrates a method of operating all the fifth, sixth, and seventh steps that may be additionally included.
- the first thing to do in carrying out the solar tracking device 100 of the present invention is to provide a solid foundation on the ground, the level of reference to the slope of the ground, the goniometer to measure the tilt, the distance meter to measure the distance, the magnetic north to measure
- a measuring device such as a compass, a deodorant or a total station for measuring true north
- the RA rotating shaft 100 is installed to coincide with the earth's rotation axis a34.
- the two angles that is, the azimuth angle a21 in the horizontal plane a29 and the altitude a22 toward the sky must be matched at the same time.
- the method of matching the azimuth angle a21 is to project the right ascension rotation shaft 100 onto the ground so that the right ascension rotation shaft 100 lies on a plane through which the meridian a24 passes, so that both ends face south and north, respectively.
- the pillar 520 is properly rotated to adjust the direction.
- the relative positions of the pillars are adjusted to adjust directions.
- the method of adjusting the altitude a22 is to adjust the angle formed between the right ascension rotation shaft 100 and the horizontal plane a29 in consideration of the latitude a32 of the installation site. For example, in the northern hemisphere, the angle formed by the right ascension rotation axis 100 and the ground from the north point a26 is inclined by the latitude a32 of the installation place, and in the case of the southern hemisphere, the right ascension rotation axis 100 from the south point a25. Tilt the angle of the ground with the latitude (a32) of the installation site.
- the right ascension rotation shaft 100 is parallel to the horizontal plane a29, and when the installation is at the north pole a35 or the south pole a36, the right ascension rotation shaft 100 is the column 520.
- the altitude a22 of the RA shaft 100 may be adjusted by inclining the RA rotation support 530 fixed to the pillar 520.
- the altitude a22 of the RA shaft 100 may be adjusted by adjusting the height of the pillar 520a or 520b whose length can be changed. .
- the second step S02 of matching the angle of the declination axis of rotation 300 with the declination a12 of the sun a01 according to the season a40 will be described in detail.
- the second step S02 is to adjust the angle of the declination rotation axis 300 according to the interval between the equatorial surface a17 and the ecliptic a18 according to the season a40, that is, the declination a12 of the sun a01 according to the season.
- the angle of the light collecting device holder 550 is changed and aligned so that the light collecting device 600 to be attached faces the sun a01.
- the declination a12 of the sun a01 passes through a point that is 0 degrees at the spring equinox a41, that is, the equatorial plane a17 of the celestial sphere a19, and the tilt of the Earth's axis at the lower limb a44. Forging increases until the angle of (a05).
- the angle of the declination rotation shaft 300 which moves in conjunction with the right ascension rotation shaft 100 while moving in conjunction with the season ( Adjust to have appropriate declination a12 according to a40). Since the declination rotation shaft 300 performs only one cycle of movement while the right ascension rotation shaft 100 rotates about 365 times, the inconvenience of having to turn the right ascension rotation shaft 100 a lot even when attempting to move the declination rotation shaft 300 only slightly.
- the constraint of the right ascension rotation shaft 100 and the declination rotation shaft 300 can be released immediately, and the declination rotation shaft 300 can be adjusted independently. That is, when the coupling 430 installed on the power transmission shaft of the declination drive mechanism 400 is released, the angle of the declination rotation shaft 300 and the light collecting device mounting base 550 attached thereto without affecting the right ascension rotation shaft 100. You can freely adjust.
- the concentrating device 600 is directed toward the light converging device 600 through the declination scale 462 of the declination display device 460.
- the declination a12 on a19) can be easily known, and the declination rotation shaft 300 may be adjusted with reference to this.
- the season display device 460 is provided, the inconvenience of converting the declination a12 of the sun a01 according to the seasonal season a40 and thus adjusting the angle of the declination rotation axis 300 can be eliminated. .
- the declination axis of rotation 300 is displayed in terms of the seasonal season a40, the declination axis of rotation 300 It is not necessary to compare the angle of) with the declination a12 of the sun a01, and simply read the season scale 472 to match the current time period a40. In other words, it is more intuitive because it uses a matching method that compares time and time, not comparing angles and angles.
- the first step (S01) and the second step (S02) described above are for the essential operation step in the initial installation of the solar tracking device 1000 of the present invention.
- the third step (S03) and the fourth step (S04) to be described later relates to the essential operation step in the process of tracking the sun after the initial installation of the solar tracking device 1000 of the present invention.
- the third step (S03) for tracking the circumferential movement of the sun (a01) by driving the right ascension rotation shaft 100 through the right ascension rotation drive device 200 According to the first step (S01) and the second step (S02), after the initial installation of the solar tracking device 1000 provided by the present invention, the light collecting device 600 attached to the solar tracking device 1000 occurs every day The sun tracking device 1000 should be driven to move along the circumferential motion of the sun a01.
- the simplest way to track diurnal motion starts at a certain angle in the east at a specific time in the morning, according to a predetermined program, and then drives the RA axis 100 at a constant angular speed of about 15 degrees per hour when the earth rotates.
- the passive tracking method based on the program has a disadvantage that it is impossible to correct in real time when an error occurs due to an external factor such as slippage of the driving device.
- a sensor for detecting the sun a01 may be provided to measure the position of the sun a01 in real time, and may drive the right ascension rotation shaft 100 according to the identified position. .
- an active tracking method based on a sensor even if an external problem such as a failure of the device occurs, it has an advantage of operating by confirming the position of the actually confirmed sun a01 in real time.
- the most preferable method is to use two methods in combination, and basically operate the solar tracking device 1000 according to the time based on the observation data according to a predetermined program, and use the sensor to track the tracking state of the sun (a01). It can be monitored and corrected in real time if the error is large.
- the fourth step (S04) will be described in detail.
- the fourth step S04 is automatically generated by the third step S03.
- the right ascension rotation shaft 100 rotates along the circumferential direction of the sun in the third step S03, the right ascension rotation shaft 100 The rotation angle of) is transmitted to the declination rotation shaft 300 through the declination drive mechanism 400 to reciprocate up and down in accordance with the playing movement of the sun.
- the driving force is extracted from one point of the driving force transmission path of the RA rotating device 200 to drive the declination rotating shaft 300 through the installed declination driving mechanism 400, and the RA rotating shaft 100 is continuous in one direction.
- the one-way clutch 450 is used to selectively deliver only the unidirectional rotational component that purely tracks the circumference of the sun a01.
- the declination driving mechanism unit 400 is designed so that the amount of rotation accumulated for one year coincides with the movement period of reciprocating up and down the declination rotation shaft 300.
- the design of the mechanism is easy.
- the crank 421 is installed on the output shaft of the declination reducer 410
- the rocker 422 is installed on the declination rotation shaft 300 to rotate up and down together according to the performance of the sun, and the four-link is formed.
- the crank 421 rotates once a year
- the rocker 422 and the fixed declination rotating shaft 300 are reciprocated up and down once a year.
- the relative length of the crank 421, the connecting rod 423, the rocker 422 and the position of each connecting joint can be adjusted, the movement range of the four-link link is changed to tilt the earth's axis up and down respectively (a05). It is easy to adjust to have an angle.
- the operating method of the solar tracking device 1000 according to the present invention it is possible to operate basically only four steps from the first step (S01) to the fourth step (S04).
- a fifth step (S05) or a sixth step (S06) or a seventh step (S07) may be additionally included and operated.
- the movement displacement of the declination rotation shaft 300 is smaller or larger than the inclination (a05) of the earth's rotation axis, for the fifth step S05 of changing the movement displacement of the declination rotation shaft 300 by adjusting the declination drive mechanism 400.
- the sun a01 is The tracking error will be large.
- the movement displacement of the declination axis of rotation 300 is a value determined according to the mechanical configuration of the declination drive mechanism 400, and should be precisely designed to have an appropriate range.
- the movement displacement and the speed for each section To adjust.
- the length of the link and the position of each connection joint not only the movement displacement of the declination axis of rotation 300 but also various driving characteristics such as movement trajectory, section speed, and the like can be adjusted.
- the movement displacement of the declination rotating shaft 300 does not need to be changed depending on the installation position or the surrounding environment, and the same operation is installed wherever it is on the earth, and the adjustment situation does not frequently occur.
- the movement period of the declination rotation shaft 300 becomes longer or shorter than the revolving period of the earth a02, in the sixth step S06 of adjusting the reduction ratio adjusting device 440 to change the movement period of the declination rotation shaft 300.
- the movement period of the declination rotation axis 300 may be slightly faster or slower than the period of the playing movement of the sun a01.
- the rotation range of the RA rotating shaft 100 to track the daily round motion according to the environmental conditions, such as the surrounding features of the installation place it is necessary to adjust the reduction ratio of the declination drive mechanism 400 accordingly. .
- the period in which the rotational movement up and down of the declination rotation shaft 300 is shorter than the actual revolution period of the earth while operating the solar tracking device 1000 of the present invention is because the deceleration ratio of the declination drive mechanism 400 is insufficient, thereby increasing the reduction ratio. To do that.
- the movement period of the declination rotation shaft 300 is longer than the actual revolution period of the earth because the reduction ratio is large, so as to reduce the reduction ratio.
- the declination display device 460 or the season display device 470 it is easy to check the error of the exercise period.
- Periodically check the movement cycle of the declination rotation shaft 300 if an error occurs to adjust to reduce the deceleration ratio of the declination drive mechanism 400 appropriately to solve.
- the deceleration ratio of the declination drive mechanism 400 is fixed, since it is inconvenient to change the movement period of the declination rotation shaft 300, in the present invention, it is recommended to attach the deceleration ratio adjusting device 440.
- the seventh step S07 of releasing the coupling 430 and resetting the angle of the declination axis of rotation 300 will be described in detail. I would like to. If the solar tracking device 1000 provided by the present invention is operated for a long time, an error may occur in the movement displacement or the movement period of the declination rotation shaft 300, and in this case, the fifth step (S05) or the sixth step described above. In the method proposed in (S06) to reduce the error that occurs later. However, since the accumulated error remains, it is desirable to perform an additional step to solve it.
- the declination rotation shaft 300 first releases the coupling 430 in a similar manner to the second step S02, By independently rotating 300 to eliminate the accumulated error, and by connecting the coupling 430 again, the declination rotation shaft 300 is constrained to move in conjunction with the right ascension rotation shaft 100.
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Abstract
Description
본 발명은 태양추적장치 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양에너지 수집장치가 장시간 천구상에서 이동하는 태양의 경로를 추적할 수 있도록, 일주운동 및 연주운동에 의한 태양의 위치변화에 따라 방위각과 고도를 조절하는 태양추적장치 및 그 운영방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar tracking device, and more particularly, to adjust the azimuth and altitude according to the position change of the sun by the circumference movement and the playing movement so that the solar energy collector can track the path of the sun moving on the celestial sphere for a long time The present invention relates to a solar tracking device and a method of operating the same.
태양추적장치는 기구부의 각 회전축을 조절하여 집광장치가 태양을 향해 수직하게 위치하여 최적의 효율을 유지하도록 고도와 방위각을 조절하는 것을 목적으로 한다. 태양추적장치는 기구부의 자유도에 따라 1자유도 태양추적장치 또는 2자유도 태양추적장치로 구분 할 수 있다. 보통 기구부의 자유도는 태양추적장치에 사용된 회전축의 개수와 동일하기 때문에, "자유도" 라는 전문용어를 사용하기 보다, 단순히 1축 시스템 또는 2축 시스템으로 명칭하기도 한다. The solar tracking device aims to adjust the altitude and the azimuth angle by adjusting each rotation axis of the mechanism part so that the light collecting device is positioned vertically toward the sun to maintain optimum efficiency. The solar tracking device can be classified into one degree of freedom solar tracking device or two degrees of freedom solar tracking device according to the degree of freedom of the mechanism part. Since the degree of freedom of the mechanism is usually the same as the number of rotational axes used in the solar tracking device, rather than using the term "freedom", it is simply referred to as one-axis system or two-axis system.
종래 기술에 따른 태양추적장치를 살펴보면, 1축 시스템의 경우 태양의 일주운동을 우선적으로 고려하여 매일 동에서 서로 회전하며 태양을 추종하도록 하고, 연중 변화하는 태양의 남중고도에 대해서는 수동으로 보정하도록 하고 있다. 이러한 수동조정 방법은 불편할 뿐 아니라, 통상 연중 4회에 걸쳐서 분기별로 보정한다 하더라도, 발생할 수 있는 추적오차의 최대값은 지구자전축의 기울기 만큼으로 약 23.5도에 달한다. 상기 태양의 연주운동으로 발생하는 최대 오차각도를 태양의 일주운동을 추적하는 관점에서 비교해 보면, 태양추적장치가 매일 동에서 서쪽으로 회전하면서 태양의 일주운동을 추적함에 있어서 약 1시간 30분 동안 태양을 추적하지 못하고 멈춰서서 발생하는 오차보다도 큰 것이다. Looking at the solar tracking device according to the prior art, in the case of the 1-axis system to first consider the sun's circumferential movement to rotate each other in the east every day to follow the sun, and to manually correct for the mid-high altitude of the sun that changes throughout the year have. This manual adjustment method is not only inconvenient, but even if the quarterly correction is performed four times a year, the maximum tracking error that can occur is about 23.5 degrees as the tilt of the earth's axis. When comparing the maximum error angle generated by the sun's playing movement from the perspective of tracking the sun's diurnal motion, the sun tracking device rotates from east to west daily to track the sun's diurnal movement for about 1 hour and 30 minutes. It is larger than the error caused by stopping and not tracking.
2축 시스템의 경우 태양의 일주운동 뿐 아니라 연주운동에 따른 남중고도의 변화를 자동적으로 조절하기 때문에 추적장치의 오차를 획기적으로 줄일 수 있다. 그러나, 추가적인 구동기와 제어기가 필요하기 때문에 초기 시설비가 증가할 뿐 아니라, 추가된 구동기와 제어기를 유지관리하기 위한 전력소모 및 비용을 감수하여야 하며, 결과적으로 추가된 제반 비용보다 향상된 발전효율로 인한 이득을 더 크게 유지할 수 있어야만 경제적으로 의미있는 태양추적장치로 활용할 수 있다. 현실적으로는 추가된 초기비용과 잦은 고장으로 인한 유지보수 비용을 감안할 때, 신뢰성있는 동작으로 경제성을 갖춘 2축 시스템을 구현하기가 쉽지 않은 실정이다.In the case of the 2-axis system, the error of the tracking device can be drastically reduced because it automatically adjusts the change of the southern middle altitude according to the movement of the sun as well as the circumference of the sun. However, additional driver and controllers are required, which not only increases the initial facility cost, but also require the power consumption and cost of maintaining additional drivers and controllers, resulting in improved power generation efficiency over the added costs. It must be able to be used as a economically meaningful solar tracker if it can be kept larger. In reality, it is not easy to implement an economical two-axis system with reliable operation given the added initial cost and the maintenance cost due to frequent failures.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로서, 2개의 회전축을 설치하여 각각 적경과 적위를 담당하도록 하지만, 회전축들이 서로 독립된 운동을 하는 것이 아니라, 하나의 회전축이 다른 하나의 회전축을 기구적으로 구속하고, 태양의 일주운동과 연주운동의 상관관계를 따라 종속적인 움직임을 갖도록 함으로써, 결과적으로 하나의 액츄에이터에 의해 태양의 일주운동을 추적할 뿐 아니라, 절기에 따라 남중고도가 변화하는 연주운동을 자동으로 보정할 수 있도록 하는 태양추적장치 및 그 운영방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been devised to solve the above problems, but by installing two rotary shafts to respectively handle the right ascension and declination, the rotary shafts are not independent of each other movement, one rotary shaft mechanically restrains the other rotary shaft By having a dependent movement along the correlation between the circumference of the sun and the movement of movement of the sun, as a result, not only the movement of the circumference of the sun is changed by the single actuator, but also the movement of the south middle altitude changes according to the season. It is an object of the present invention to provide a solar tracking device and a method of operating the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양추적장치는, 지구자전축과 평행하게 설치되어 태양의 일주운동에 따른 적경의 변화를 추적하는 적경회전축; 상기 적경회전축을 구동하는 적경회전구동장치; 상기 적경회전축과 수직하며 태양의 연주운동에 따른 적위의 변화를 보정하는 적위회전축; 그리고 상기 적경회전구동장치의 구동력의 일부를 상기 적위회전축으로 전달하여 왕복회동하도록 하는 적위구동기구부; 로 구성한다. A solar tracking device according to the present invention for achieving the above object, the right ascension rotation axis is installed in parallel with the Earth's rotation axis to track the change in the right ascension according to the circumferential motion of the sun; A right ascension rotation driving device for driving the right ascension rotation shaft; A declination axis of rotation perpendicular to the right ascension axis of rotation and correcting a change in declination according to the playing motion of the sun; And a declination driving mechanism unit configured to transfer a part of the driving force of the RA rotating device to the declination rotating shaft to reciprocate. It consists of.
상기 적위구동기구부에 있어서, 그 효과를 높이기 위하여 이하에서 설명하는 추가적인 구성요소를 포함할 수 있다. In the declination drive mechanism portion, it may include additional components described below in order to enhance the effect.
상기 적경회전구동장치에서 발생하는 구동력의 단방향 회전성분을 전달 함으로써, 적경회전축이 주간에 태양의 일주운동을 추적하는 회전량만을 선별적으로 적위회전축에 전달할 수 있도록,상기 적경회전구동장치로부터 상기 적위회전축까지의 동력전달경로의 한 지점에 설치되는 원웨이클러치를 포함하여 구성할 수 있다. By transmitting the unidirectional rotational component of the driving force generated in the RA rotation, the RA rotation axis to selectively transmit only the rotational amount to track the sun's circumference movement to the declination rotation axis, the declination from the RA rotation device It can be configured to include a one-way clutch installed at a point of the power transmission path to the rotation axis.
상기 적위회전축이 상하로 한번 왕복회동하는 주기를 조절함으로써, 상기 적위회전축의 왕복회동 주기를 상기 적경회전축이 약 365번 일주운동을 추적하는 주기와 정밀하게 일치시킬 수 있도록, 상기 적경회전구동장치로부터 상기 적위회전축까지의 동력전달경로의 한 지점에 설치되는 감속비조절장치를 포함하여 구성할 수 있다. By adjusting the period in which the declination rotating shaft reciprocates once and up and down, from the right ascension rotation driving device so that the reciprocating rotation cycle of the declination rotating shaft can be precisely matched with the period in which the right ascension rotating shaft tracks about 365 round trips. It may be configured to include a reduction ratio adjustment device installed at a point of the power transmission path to the declination rotation axis.
상기 적경회전축과 상기 적위회전축의 구속관계를 선택적으로 연결하거나 해제함으로써, 상기 적위회전축을 상기 적경회전축에 영향을 주지 않고 독립적으로 조절할 수 있도록, 상기 적경회전구동장치로부터 상기 적위회전축까지의 동력전달경로의 한 지점에 설치하는 커플링을 포함하여 구성할 수 있다. By selectively connecting or releasing the restraint relationship between the right ascension rotation shaft and the declination rotation shaft, the power transmission path from the right ascension rotation driving device to the declination rotation shaft can be adjusted independently without affecting the right ascension rotation shaft. It can be configured to include a coupling installed at one point of the.
상기 적위구동기구부에 있어서, 태양의 일주운동과 연주운동의 상관관계를 반영하여, 적경회전축이 약 365번 일주운동을 추적하는 동안, 적위회전축이 지구자전축의 기울기 만큼의 변위를 가지고 왕복회동하는 특징을 갖도록 기구부를 설계해 주어야 한다. 이를 구현하는 하나의 방법으로서, 상기 적경회전구동장치의 구동력의 일부를 받아서 회전비를 변경하여 출력하는 적위감속기; 상기 적위감속기의 출력축에 부착된 크랭크; 상기 적위회전축에 고정되어 태양의 연주운동에 의한 적위의 변화에 따라 지구자전축의 기울기 만큼 상하로 왕복 회동하는 로커; 상기 크랭크의 한 끝과 상기 로커의 한 끝을 연결하여 사절링크를 구성하고 상기 크랭크의 회전운동을 상기 로커의 상하로 왕복 회동하는 운동으로 변환하는 커넥팅로드; 로 적위구동기구부를 구성할 수 있다. In the declination drive mechanism, the declination rotation axis reciprocates with a displacement equal to the inclination of the earth's axis while the RA axis tracks about the 365th movement, reflecting the correlation between the circumference of the sun and the play movement. The mechanical part shall be designed to have As one method for realizing this, the declination reducer for receiving a part of the driving force of the RA rotational device and outputs by changing the rotation ratio; A crank attached to an output shaft of the deceleration reducer; A rocker fixed to the declination rotating shaft and reciprocating up and down by the inclination of the earth's rotation axis according to the change of the declination by the sun's playing motion; A connecting rod connecting one end of the crank and one end of the rocker to form a trimming link and converting the rotational movement of the crank into a reciprocating motion of the rocker up and down; The declination drive mechanism can be configured.
상기 4절링크를 활용하여 적위구동기구부를 구성하는 방법에 있어서, 상기 크랭크 또는 상기 로커 또는 상기 커넥팅로드의 조인트의 위치 또는 링크 길이를 조절하는 수단을 구비하면, 상기 적위회전축의 상하로 왕복회동하는 운동의 변위 및 구간별 속도를 변경할 수 있다. In the method for configuring the declination drive mechanism using the four-section link, if provided with a means for adjusting the position or link length of the joint of the crank or the rocker or the connecting rod, the reciprocating rotation up and down the declination axis of rotation The displacement of the movement and the speed of each section can be changed.
덧붙여, 태양추적장치가 연주운동을 잘 추적하고 있는지 확인하기 위하여, 적위회전축의 회전량을 각도로 환산하여 표시하는 적위표시장치 또는 상기 회전량을 연중 시간상의 절기로 환산하여 표시하는 절기표시장치를 포함하여 태양추적장치를 구성할 수 있다.In addition, in order to check whether the solar tracking device tracks the playing movement well, a declination display device for converting the rotational amount of the declination rotation axis into an angle or a season display device for converting the rotational amount into a season in the year It can be configured to include a solar tracking device.
본 발명에 따른 태양추적장치를 사용하면, 하나의 구동기를 통해 태양의 일주운동과 연주운동을 동시에 추적할 수 있다. 이를 통해 태양광발전 효율을 극대화하면서, 동시에 초기 설비비용과 유지보수비용을 절감하는 효과를 가진다. Using the solar tracking device according to the present invention, it is possible to simultaneously track the circumference movement and the play movement of the sun through one driver. This has the effect of maximizing the efficiency of photovoltaic power generation and at the same time reducing the initial equipment cost and maintenance costs.
도 1은 본 발명에 따른 태양추적장치의 바람직한 실시예;1 is a preferred embodiment of a solar tracking device according to the present invention;
도 2은 북반구의 한 지점에서 관측된 춘분때의 태양의 일주운동;FIG. 2 shows the diurnal motion of the sun at the vernal equinox observed at a point in the northern hemisphere;
도 3은 북반구의 관측지점에 따른 춘분때의 태양의 남중고도의 변화;3 is the change of the south mid-altitude of the sun during the vernal equinox according to the observation point of the northern hemisphere;
도 4은 북반구의 한 지점에서 관측된 계절에 따른 태양의 남중고도 및 일주운동의 변화;4 is the change in the southern mid-altitude and diurnal movement of the sun according to the seasons observed at a point in the northern hemisphere;
도 5는 위도 및 계절에 따른 남중고도의 변화;5 is the change of the south middle altitude according to latitude and seasons;
도 6은 적도좌표계에서 황도를 따라 변화하는 태양의 적위와 본 발명에 따른 태양추적장치의 작동원리;Figure 6 is the declination of the sun changes along the ecliptic in the equatorial coordinate system and the operating principle of the solar tracking device according to the present invention;
도 7은 적경회전축의 고도 및 방위각을 조절 할 수 있는 본 발명에 따른 받침대 및 기둥의 실시예;7 is an embodiment of the pedestal and the column according to the present invention can adjust the altitude and azimuth of the RA rotation axis;
도 8는 본 발명에 따른 태양추적장치에 있어서, 프레임을 구성하는 바람직한 실시예 및 2자유도 등가 기구;8 shows a solar tracking device according to the present invention, a preferred embodiment constituting a frame and a two degree of freedom equivalent mechanism;
도 9은 본 발명에 따른 태양추적장치에 있어서, 회전축의 하중을 균등하게 배분하기 위하여 균형무게추를 활용하는 실시예;9 is a solar tracking device according to the present invention, an embodiment using a weight balance to evenly distribute the load of the rotating shaft;
도 10은 본 발명에 따른 태양추적장치의 적경회전구동장치를 구성하는 바람직한 실시예;10 is a preferred embodiment constituting the right ascension rotation driving apparatus of the solar tracking device according to the present invention;
도 11는 본 발명에 따른 태양추적장치의 적위구동기구부를 구성하는 바람직한 실시예;11 is a preferred embodiment constituting the declination drive mechanism portion of the solar tracking device according to the present invention;
도 12는 본 발명에 따른 태양추적장치의 적위구동기구부에 의한 절기에 따른 집광장치거치대의 각도변화;12 is a change in the angle of the light collecting device cradle according to the season by the declination drive mechanism of the solar tracking device according to the present invention;
도 13은 본 발명의 적위구동기구부에 있어서, 커플링 또는 원웨이클러치 또는 감속비 조절장치를 포함하여 구성하는 실시예;13 is an embodiment of the declination drive mechanism of the present invention comprising a coupling or a one-way clutch or a reduction ratio adjusting device;
도 14는 본 발명의 태양추적장치에 있어서, 절기에 따른 주간 및 야간의 작동예;Figure 14 is a solar tracking device of the present invention, the operation of the day and night according to the season;
도 15는 본 발명의 태양추적장치에 있어서, 절기 표시장치 또는 적위 표시장치 또는 적경 표시장치를 포함하여 구성하는 실시예;15 is a view illustrating a solar tracking device of the present invention, including a season display device, a declination display device, or a right ascension display device;
도 16은 본 발명에 따른 4단계의 운영단계로 태양추적장치를 운영하는 방법의 흐름도;16 is a flow chart of a method of operating a solar tracking device with four operational steps in accordance with the present invention;
도 17은 본 발명에 따른 7단계의 운영단계로 태양추적장치를 운영하는 방법의 흐름도 이다.17 is a flowchart illustrating a method of operating a solar tracking device in an operation step of seven according to the present invention.
본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000)의 기본적인 실시방법 및 이를 변형한 다양한 실시예들을 설명하기에 앞서서, 먼저 태양(a01)의 일주운동 및 연주운동의 상관 관계에 대해 설명하고자 한다. 아하에서 자세한 설명에 사용된 부호는 다음과같이 정의한다. Before explaining the basic implementation method of the
1000 : 태양 추적장치 100 : 적경회전축1000: solar tracking device 100: RA rotating shaft
200 : 적경회전구동장치 210 : 액츄에이터200: RA rotation drive device 210: actuator
220 : 적경감속기 300 : 적위회전축220: right ascension reducer 300: declination rotating shaft
400 : 적위구동기구부 410 : 적위감속기 400: declination drive mechanism 410: declination reducer
420 : 왕복회동변환기구부 421 : 크랭크420: reciprocating rotation conversion mechanism 421: crank
422 : 로커 423 : 커넥팅로드422: rocker 423: connecting rod
424 : 조인트 위치 및 링크 길이 조절 수단 430 : 커플링424: joint position and link length adjusting means 430: coupling
440 : 감속비조절장치 450 : 원웨이클러치440: gear ratio control device 450: one-way clutch
460 : 적위표시장치 470 : 절기표시장치460: declination display device 470: season display device
480 : 적경표시장치 500 : 프레임 480: RA display device 500: frame
510 : 받침대 520 : 기둥510: pedestal 520: pillar
530 : 적경회전지지대 540 : 적위회전지지대530: right ascension rotation support 540: declination rotation support
550 : 집광장치거치대 560 : 균형무게추550: condenser mounting stage 560: weight balance
600 : 집광장치600: condenser
a01 : 태양 a02 : 지구a01: the sun a02: the earth
a03 : 태양광선 a04 : 태양의 일주운동 경로a03: solar rays a04: the sun's motion path
a05 : 지구자전축의 기울기(약 23.5도) a10 : 적도좌표계a05: tilt of the Earth's axis (about 23.5 degrees) a10: equatorial coordinate system
a11 : 적경 a12 : 적위a11: right ascension a12: declination
a13 : 천축 a15 : 천구 북극a13: India sheet a15: celestial pole
a16 : 천구 남극 a17 : 적도면a16: celestial antarctic a17: equatorial plane
a18 : 황도 a19 : 천구a18: zodiacal a19: celestial sphere
a20 : 지평좌표계 a21 : 방위각a20: horizontal coordinate system a21: azimuth
a22 : 고도 a23 : 남중고도a22: altitude a23: south middle altitude
a24 : 자오선 a25 : 남점a24: meridian a25: south
a26 : 북점 a27 : 동점a26: north a27: east
a28 : 서점 a29 : 지평면a28: bookstore a29: horizon
a30 : 지구좌표계 a31 : 경도a30: earth coordinate system a31: longitude
a32 : 위도 a33 : 여위도a32: latitude a33: latitude
a34 : 지구자전축 a35 : 북극a34: Earth's rotation axis a35: Arctic
a36 : 남극 a37 : 적도a36: antarctica a37: equator
a40 : 절기 a41 : 춘분 (절기)a40: seasons a41: vernal equinox (seasons)
a42 : 하지 (절기) a43 : 추분 (절기)a42: summer (season) a43: autumn (season)
a44 : 동지 (절기) a45 : 춘분점 (천구상의 위치)a44: winter solstice (season) a45: vernal equinox (heavenly position)
a46 : 하지점 (천구상의 위치) a47 : 추분점 (천구상의 위치)a46: lower point (position in the celestial sphere) a47: autumnal point (position in the celestial sphere)
a48 : 동지점 (천구상의 위치)a48: location of the celestial sphere
a51 : 지구의 자전운동 a52 : 지구의 공전운동 a51: earth rotation movement a52: earth rotation movement
a53 : 태양의 연주운동 a54 : 천구의 일주운동 a53: sun movement a54: celestial circle movement
a55 : 일주운동을 추적하는 적경회전축의 회전운동 a55: rotational movement of the RA shaft to track the circumference
a56 : 연주운동을 보상하는 적위회전축의 왕복회동운동 a56: reciprocating rotational movement of the declination axis to compensate for the playing movement
L0 : 베이스링크 L1 : 제1링크L0: Base link L1: First link
L2 : 제2링크 J1 : 제1조인트L2: 2nd link J1: 1st joint
J2 : 제2조인트J2: Joint
지평좌표계(a20)를 따라 관측되는 태양(a01)의 방위각(a21) 및 고도(a22)의 변화는 지구(a02)의 자전운동과 공전운동에 기인한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 지평면(a29)에서 관측되는 천구상의 태양(a01)의 일주운동을 살펴보면, 하루의 시간이 흐르는 동안 지구(a02)가 한 바퀴 자전하게 되면, 지평면(a29)에서는 태양(a01)의 방위각(a21)이 동에서 서로 변화하면서 고도(a22)가 점차 높아지다가 점심 쯤 정점에 다다르고 이후에는 점차 낮아져서 저녁에 지평면(a29) 아래로 사라지고 지구(a02) 반대편을 돌아서 다시 동쪽으로 떠오르는 일주운동을 경험하게 된다. 이때 정오 즈음에서 태양(a01)이 자오선(a24)을 통과하며 고도(a22)가 남점(a25)을 기준으로 최고 정점에 오르는 각도를 남중고도(a23)라 한다. The changes in the azimuth a21 and altitude a22 of the sun a01 observed along the horizon coordinate a20 are due to the rotational and revolving motions of the earth a02. As shown in FIG. 2, when looking at the circumferential motion of the celestial sun a01 observed from the horizon a29, if the earth a02 rotates once during the day, the sun is in the horizon a29. As the azimuth (a21) of (a01) changes from east to east, the altitude (a22) gradually rises to its peak at lunchtime and then decreases gradually, disappearing below the horizon (a29) in the evening and turning the other side of the earth (a02) again to the east You will experience the rising circle movement. At this time, the angle at which the sun a01 passes through the meridian a24 and the altitude a22 rises to the highest point based on the south point a25 is called the south middle altitude a23.
도3 에서 도시한 바와 같이, 태양광선(a03)은 지구(a02)의 어느 지점에서나 거의 평행하게 입사되는데, 이는 지구(a02)의 지름에 비해서 태양(a01)과 지구(a02)사이의 거리가 훨씬 멀기 때문이다. 평행하게 입사하는 태양광선(a03)은 지구(a02)상의 각 지점에서 다른 각도로 관측되는데, 적도(a37)에 근접한 곳에서는 관측되는 태양(a01)의 고도(a22)는 천정 근처를 지나는 높은 경로를 따라 이동하지만, 위도(a32)가 높아질수록 관측되는 태양(a01)의 고도(a22)가 낮아지게 된다. 결국 극지방(a35,a36)에서 관측되는 태양(a01)은 지평선근처를 지나는 낮은 경로를 따라 일주운동을 하게 된다. 이와 같이, 남중고도(a23)는 관측지의 위도(a32)에 따라 달라지게 되며, 남반구의 경우에는 북반구와 반대로 태양의 일주운동 경로(a04)가 남쪽 하늘이 아닌 북쪽 하늘을 거쳐가기 때문에, 남점(a25)을 기준으로 하는 남중고도(a23)을 관측하는 경우 천정을 지나 그 값이 90도를 넘기 때문에, 북점(a26)을 기준으로 하는 북중고도를 사용하는 것이 바람직하다. 이후 특별한 언급이 없는 경우 북반구를 기준으로 서술하며, 남반구의 경우에도 상응하는 관측값을 적용하면 본 발명의 태양추적장치(1000)를 동일하게 사용할 수 있다. As shown in Fig. 3, the sunlight a03 is incident almost in parallel at any point of the earth a02, which means that the distance between the sun a01 and the earth a02 is smaller than the diameter of the earth a02. Because it is far away. Parallel incident incident sunlight a03 is observed at different angles at each point on the earth a02. At a location close to the equator a37, the altitude a22 of the sun a01 observed is a high path passing near the ceiling. However, as the latitude a32 increases, the altitude a22 of the observed sun a01 decreases. As a result, the sun (a01) observed at the poles (a35 and a36) travels along a low path near the horizon. As such, the south mid-altitude (a23) will depend on the latitude (a32) of the observation point, and in the case of the southern hemisphere, as the diurnal path of the sun (a04) passes through the north sky rather than the south sky, as opposed to the northern hemisphere, When observing the south middle altitude (a23) based on (a25), it is preferable to use the north middle altitude based on the north point (a26) because the value exceeds 90 degrees after the ceiling. After that, unless otherwise specified, the northern hemisphere is described as a reference, and in the case of the southern hemisphere, the
이와 같이 태양(a01)의 일주운동은 관측지의 위도(a32)에 따라 달라지며, 남중고도(a23)는 90도에서 관측지의 위도(a32)를 뺀 값, 즉 여위도(a33)를 기준으로 변화하게 된다. 이때, 지구(a02)에서 관측되는 태양(a01)의 남중고도(a23)는 관측지의 위도(a32) 뿐 만 아니라, 지구(a02)가 공전궤도상에서 어디에 위치하는 가에 따라서도 달라지게 된다. 이는 지구자전축(a34)이 공전축에 대해 약 23.5도 기울어져 있기 때문에 발생하는 것으로서, 지구자전축(a34)의 기울어진 각도는 변화가 없으나, 지구(a02)가 태양(a01)의 주위를 공전하면서 어느 위치에 있는가에 따라서 태양(a01)에 대한 상대적인 기울기 방향이 변화하게 되고, 결과적으로 각 관측지에서 지구(a02)에서 관측되는 태양(a01)의 남중고도(a23)에 영향을 주게 된다. As such, the diurnal motion of the sun (a01) depends on the latitude (a32) of the observation point, and the south middle altitude (a23) is 90 degrees minus the latitude (a32) of the observation point, that is, based on the latitude (a33). Will change. At this time, the south middle altitude (a23) of the sun (a01) observed from the earth (a02) will vary depending on not only the latitude (a32) of the observation site, but also where the earth (a02) is located on the orbit. This occurs because the earth axis a34 is inclined about 23.5 degrees with respect to the axis of revolution. The inclination angle of the earth axis a34 remains unchanged, but the earth a02 revolves around the sun a01. Depending on where it is located, the direction of inclination relative to the sun a01 changes, and as a result, it affects the south middle altitude a23 of the sun a01 observed at the earth a02 at each observation point.
도 4는 지구(a02)의 공전운동에 있어서 지구자전축(a34)의 기울기의 상대적인 방향과 남중고도(a23)의 상관관계를 북반구의 한 지역의 예를 통해 자세히 설명한 것이다. 예시된 북반구의 한 지역에 있어서, 북반구가 태양(a01) 쪽을 향하도록 지구자전축(a34)의 방향이 기울어진 경우, 태양(a01)의 일주운동의 경로가 높아지고 남중고도(a23)가 상승하여 지평면의 단위면적당 도달하는 태양에너지의 밀도가 증가하게 된다. 이와 같이 남중고도(a23)가 최대가 되는 하지(a42)를 전후로 기온이 높게 유지되는데, 예시된 지역에서는 이러한 시기를 계절상으로 여름으로 분류하게 된다. 반대로 지구(a02)의 공전주기에서, 북반구가 태양(a01)에 적게 노출되는 방향으로 지구자전축(a34)이 기울어진 경우, 남중고도(a23)가 낮아진다. 남중고도(a23)이 최저가 되는 동지(a44)를 전후로 그 지역의 온도가 낮게 유지되며, 이러한 시기를 계절상으로는 겨울로 분류하게 된다. 4 illustrates the correlation between the relative direction of the inclination of the earth's axis a34 and the south middle altitude a23 in the orbital motion of the earth a02 through an example of one region of the northern hemisphere. In one illustrated region of the Northern Hemisphere, when the Earth's axis of rotation a34 is inclined so that the Northern Hemisphere faces the sun a01, the path of the diurnal movement of the sun a01 increases and the southern mid-altitude a23 rises. Thus, the density of solar energy reached per unit area of the horizon increases. In this way, the temperature is kept high around the lower ground (a42) where the south middle altitude (a23) is the maximum, and in the illustrated region, this period is classified as summer by season. On the contrary, in the orbital period of the earth a02, when the earth axis a34 is inclined in a direction in which the northern hemisphere is less exposed to the sun a01, the south middle altitude a23 is lowered. The temperature of the region is kept low before and after the winter solstice (a44) where the southern middle altitude (a23) becomes the lowest, and this period is classified as winter season.
도 4에 있어서, 계절에 따라 태양의 일주운동 경로(a04)가 변화하지만, 각 경로(a04)는 천구(a19)상에서 지구자전축(a34)과 수직하는 원판의 원주를 따라 생성되며, 각 경로(a04)를 포함하는 원판이 서로 평행한 것에 유의하여야 한다. 춘분(a41) 또는 추분(a43)때에 천구(a19)상의 적도면(a17)을 따라 태양의 일주운동 경로(a04)가 생성되는데, 지평면(a29) 위로 노출되는 경로와 지구반대편에 머무는 경로는 정확하게 반으로 나뉘어 지며, 태양(a01)이 정확히 동쪽에서 떠서 서쪽으로 사라질 때 까지 하늘에 머무는 시간은 하루의 절반이 된다. 하지(a42)의 경우, 지구자전축(a34)과 수직하는 원판에서 지평면(a29) 위에 노출되는 경로가 더 길고, 태양(a01)이 북동쪽에서 떠서 북서쪽으로 사라질 때 까지 하늘에 머무는 시간은 12시간 이상이 된다. 동지(a44)의 경우, 지구자전축(a34)과 수직하는 원판에서 지평면(a29) 위에 노출되는 경로가 더 짧고, 태양(a01)이 남동쪽에서 떠서 남서쪽으로 사라질 때 하늘에 머무는 시간은 12시간 이하가 된다. 위도(a32)가 높아질수록, 즉 여위도(a33)가 낮아질수록, 이러한 영향이 더 커지게 되는데, 예를 들어 여위도(a33)가 지구자전축의 기울기(a05) 보다 낮은 북극지방에서는, 지구자전축(a34)의 방향이 지평면(a29)의 수직에 가깝고, 태양의 일주운동 경로(a04)는 지평선을 따라 가는 원주운동에 가깝게 된다. 하지(a42)에는 태양(a01)이 하늘에서 사라지지 않고 하루 종일 지평선 주위를 맴도는 백야 (polar day) 현상이 발생하게 되고, 동지(a44)에는 태양(a01)이 지면 아래로 돌면서 하루 종일 밤이 계속되는 극야 (polar night) 현상이 발생하게 된다.In FIG. 4, the sun's circumferential motion path a04 changes according to the season, but each path a04 is generated along the circumference of the disk perpendicular to the Earth's axis a34 on the celestial sphere a19, and each path ( Note that the plates containing a04) are parallel to each other. At the vernal equinox (a41) or the autumn equinox (a43), the sun's circumferential path (a04) is created along the equator plane (a17) on the celestial sphere (a19). The time to stay in the sky is half the day until the sun (a01) rises exactly from the east and disappears to the west. For the lower leg (a42), the path exposed above the horizon (a29) is longer in the disk perpendicular to the Earth's axis of rotation (a34), and the time to stay in the sky until the sun (a01) rises in the northeast and disappears northwest is more than 12 hours. Becomes For winter sol (a44), the path exposed above the horizon (a29) is shorter in the disk perpendicular to the Earth's axis (a34), and the time to stay in the sky when the sun (a01) rises from the southeast and disappears southwest is less than 12 hours. do. The higher the latitude a32, that is, the lower the latitude a33, the greater the influence, for example in the Arctic region where the latitude a33 is lower than the tilt of the global axis a05. The direction of (a34) is close to the vertical of the horizontal plane (a29), and the circumferential motion path a04 of the sun is close to the circumferential motion along the horizon. In the lower leg (a42), the sun (a01) does not disappear from the sky, but a polar day phenomenon occurs around the horizon all day, and in the winter sol (a44) the sun (a01) rotates below the ground, There is a continuous polar night.
도 5는 태양(a01)의 연주운동에 따른 남중고도(a23)의 변화를 도시한 것이다. 지구의 어디에서 관측하더라도 그 변화는 동일하며, 다만 각 관측지의 위도(a32)에 따라 서로 다른 기준값을 바탕으로 변화하게 된다. 춘분(a41)을 시작으로 남중고도(a23)가 높아지다가, 하지(a42)에 최고점에 다다르고, 이후에는 점차 낮아져서 추분(a43)에는 춘분(a41)과 같은 남중고도(a23)로 복귀하였다가, 계속 감소하여 동지(a44)에 최저점에 이르게 된다. 이후 다시 증가하여 춘분(a41)이 되면 원래의 남중고도(a23)를 회복하게 된다. 이렇게 절기(a40)에 따른 남중고도(a23)의 변화는, 관측지에 따라 그 기준값이 달라지더라도, 변화의 주기와 변위는 동일하다. 남중고도(a23) 변화의 주기는 지구(a02)가 태양(a01)주위를 도는 약 365일이 되며, 보다 정확하게는 태양시 (solar time)를 기준으로 약 365.24219 일로 관측된다. 남중고도(a23) 변화의 변위에 있어서, 하지(a42)와 동지(a44)에 발생하는 최대변위는 각각 지구자전축의 기울기(a05)와 동일하다. 즉, 일년의 시간이 흐르는 동안, 지구(a02)가 태양(a01)주위를 한 바퀴 돌게 되면, 지구(a02)에서 관측하는 태양(a01)의 일주운동은 약365번 발생하게 되고, 지구(a02)에서 관측하는 태양(a01)의 남중고도(a23)는 날마다 조금씩 변화하여 절기(a40)에 따라 최고점과 최저점을 거쳐서 원래 남중고도(a23)로 돌아오는 한 주기의 연주운동이 된다. 이때, 기준값으로 부터 최고점과 최저점의 차이는 지구자전축의 기울기(a05)와 같은 약23.5도가 된다. 각 관측지점에서 태양(a01)의 남중고도(a23)의 변화를 수식으로 표현하면 다음과 같다.Figure 5 shows the change of the south middle altitude (a23) according to the playing movement of the sun (a01). The change is the same no matter where you are on the Earth, but changes based on different reference values depending on the latitude (a32) of each observation point. Starting at the vernal equinox (a41), the southern middle altitude (a23) rises, reaches the highest point in the lower limb (a42), and then gradually decreases, and then returns to the southern mid-altitude (a23), such as the vernal equinox (a41). It continues to decrease, reaching the lowest point in winter sol a44. After the increase again to the vernal equinox (a41) is to restore the original south middle altitude (a23). The change in the south middle altitude a23 according to the season a40 is the same as the change period and the displacement even if the reference value varies depending on the observation site. The period of change of the southern middle altitude (a23) is about 365 days when the earth (a02) orbits around the sun (a01), more precisely about 365.24219 days based on the solar time (solar time). In the displacement of the south middle altitude a23 change, the maximum displacement occurring in the lower leg a42 and the winter sol a44 is equal to the inclination a05 of the earth's rotation axis, respectively. That is, if the earth (a02) rotates around the sun (a01) during the year, the movement of the sun (a01) observed from the earth (a02) occurs about 365 times, and the earth (a02) The south middle altitude (a23) of the sun (a01) observed in the) changes little by little every day, and becomes a period of playing movement that returns to the original south middle altitude (a23) through the highest and lowest points according to the season (a40). At this time, the difference between the highest point and the lowest point from the reference value is about 23.5 degrees, which is equal to the tilt of the earth's axis (a05). The change in the south middle altitude (a23) of the sun (a01) at each observation point is expressed as follows.
수학식 1
예를 들어, 적도(a36)상에 위치하는 관측지에서는 90도에서 적도(a36)의 위도(a32)인 0도를 뺀 90도를 기준으로 계절에 따라 최저 66.5도에서 최고 113.5도까지 변화하게 된다. 또 다른 예로써, 북극(a35)에 위치하는 경우, 90도에서 북극(a35)의 위도(a32)인 90도를 뺀 0도를 기준으로 최고 23.5도에서 최저 -23.5도로 변화하게 된다. 즉, 봄과 가을에 지평선 상에 머무르며, 겨울을 지나는 6개월 동안에는 지표 이하로 태양(a01)이 위치하게 되어 태양(a01)을 관측할 수 없는 극야 (polar night) 현상이 발생하게 된다.For example, an observation point located at the equator (a36) varies from 90 degrees to as low as 66.5 degrees to as high as 113.5 degrees, depending on the season at 90 degrees minus 0 degrees, which is latitude (a32) of the equator (a36). . As another example, when the position is located in the north pole (a35), it changes from the highest 23.5 degrees to the lowest -23.5 degrees based on 0 degrees minus 90 degrees, the latitude (a32) of the north pole (a35). That is, staying on the horizon in the spring and autumn, the sun (a01) is located below the surface during the six months passing through the winter, a polar night phenomenon that can not observe the sun (a01) occurs.
학문적으로는 관측지의 위도(a32)를 표현함에 있어서, 측지위도 (Geodetic latitude), 지심위도(Geocentric latitude ), 지리학적위도(Geographic latitude) 등 다양한 위도(a32) 표현 방법이 있는데, 수식1 에서는 지구(a02)의 타원체를 구체로 단순화 하여 표현한 측지위도를 사용하여도 오차가 크지 않다. 또한 수식1은 지리학적 좌표계 (Geographical coordinate)에서 통용되는 위도(latitude, a32)를 사용하였으나, 수학적인 구면좌표계를 사용하는 경우 위도(latitude, a32)보다는 여위도(colatitudes, a33)를 통해 기술하는 것이 바람직하다. 즉, 수학에서 사용하는 구면좌표계를 사용하는 경우 수식1은 다음과 같이 표현된다.In terms of academic latitude (a32), there are various ways of expressing latitude (a32), such as geodetic latitude, geocentric latitude, and geographic latitude. Even when using geodetic latitude represented by simplifying the ellipsoid of (a02) into a sphere, the error is not large. In addition, Equation 1 uses latitude (a32), which is commonly used in geographical coordinates, but when using a mathematical spherical coordinate system, it is described using latitude (a33) rather than latitude (a32). It is preferable. That is, when using the spherical coordinate system used in mathematics, Equation 1 is expressed as follows.
수학식 2
수식1과 수식2에 포함된 태양(a01)의 연주운동에 의한 변화는, 도 5에서 도시한 바와 같이, 삼각함수와 유사한 주기함수로 나타난다. 춘분(a41)에서 관측지의 여위도(a33)에 준하는 기준고도를 통과하고 단조증가하여 하지(a42)에서 극대값을 갖게 되는데, 그 최대 변위는 지구자전축의 기울기(a05)와 같다. 이후 단조감소하여, 추분(a43)에서 원래의 기준고도로 복귀하고 변곡하여 동지(a44)에서 극소값을 갖게 되는데, 그 각도변위는 마찮가지로 지구자전축의 기울기(a05)와 같다. 이후 남중고도(a23)는 다시 증가하며 춘분(a41)에서 원래 고도로 복귀한다. 태양(a01)의 연주운동을 삼각함수로 근사화하여 표현하면 다음과 같다.The change caused by the playing motion of the sun a01 included in Equations 1 and 2 is represented by a periodic function similar to the trigonometric function, as shown in FIG. 5. At the vernal equinox (a41), it passes the standard elevation corresponding to the observation latitude (a33) and monotonically increases to have a maximum value at the lower limb (a42). The maximum displacement is equal to the slope of the earth's axis (a05). After the monotony decreases, the weight is returned to the original reference altitude at the abutment (a43) and is inverted to have a minimum value at the winter sol (a44). The angular displacement is roughly equal to the inclination (a05) of the Earth's rotation axis. Afterwards, the middle altitude a23 increases again and returns to its original altitude at the vernal equinox a41. Expressing the playing movement of the sun a01 by a trigonometric function is as follows.
수학식 3
이를 수식 2에 대입하여 최종적으로 도출된 삼각함수에 기반한 연주운동에 따른 태양(a01)의 남중고도(a23)의 변화는 다음과 같이 수식화 할 수 있다.Substituting this into Equation 2, the change in the south middle altitude (a23) of the sun (a01) according to the playing motion based on the trigonometric function finally derived can be formulated as follows.
수학식 4
수식 4는 거시적인 변화를 근사화하여 표현한 것으로서, 보다 정확한 변화를 표시하기 위해서는 다양한 변수를 포함하여야 한다. 예를 들어, 지구(a02)의 공전궤도가 정확한 원이 아니라 타원이기 때문에 발생하는 근일점과 원일점에서의 공전속도의 차이의 영향을 생각해 볼 수 있다. 일반적인 태양 추적장치(1000)에 포함된 기계요소의 오차를 생각할 때, 미세한 영향을 미치는 인자들은 공학적인 관점에서 무시할 수 있다. Equation 4 is an approximation of macroscopic change, and should include various variables in order to display more accurate change. For example, the influence of the difference between the orbital velocity and the near point generated by the orbit of the earth a02 is an ellipse rather than an exact circle. Considering the error of the mechanical elements included in the general
한편, 태양(a01)을 비롯한 천체의 위치를 기술하는데 있어서 방위각(a21)와 고도(a22)에 기초한 지평좌표계(a20)를 사용하는 것보다 적경(a11)과 적위(a12)를 통해 기술하는 적도좌표계(a10)를 사용하는 것이 용이하다. 지구(a02)의 공전궤도와 비교할 때, 일반적으로 천문에서 관측하는 별이나 은하와 같은 천체들은 수 백배이상 먼 거리에 존재한다. 따라서, 일반적인 천체의 위치는 지구(a02)의 공전의 영향을 거의 받지 않기 때문에 적도좌표계(a10)를 사용하면 천구(a19)상에 고정된 점으로서 표현된다. 태양(a01) 및 태양계의 행성 등은 지구(a02)의 공전궤도와 비교하여 상대적으로 거리가 가깝기 때문에, 천구(a19)상의 위치가 변화하게 된다. 도 6에 도시한 바와 같이, 태양(a01)의 경우, 지구(a02)의 공전에 따라 천구(a19)상의 적도(a16)로 부터 지구자전축의 기울기(a05) 만큼 기울어진 황도(a18)를 따라 움직이게 된다. On the other hand, in describing the positions of celestial bodies including the sun a01, the equator described through the right ascension a11 and the declination a12 rather than using the horizontal coordinate system a20 based on the azimuth angle a21 and the altitude a22. It is easy to use the coordinate system a10. Compared to the orbit of Earth (a02), astronomical objects, such as stars and galaxies, are generally hundreds of times more distant. Therefore, the general position of the celestial body is hardly influenced by the orbit of the earth a02, and therefore, when the equatorial coordinate system a10 is used, it is represented as a fixed point on the celestial sphere a19. Since the sun a01 and the planets of the solar system are relatively close in distance to the orbit of the earth a02, the position on the celestial sphere a19 changes. As shown in FIG. 6, in the case of the sun a01, along the ecliptic a18 inclined by the inclination a05 of the Earth's axis from the equator a16 on the celestial sphere a19 according to the orbit of the earth a02. Will move.
본 발명에서 제공하는 태양 추적장치(1000)에 대한 이해를 돕기 위하여, 천문연구분야에서 사용되는 장비에 대해 간단히 설명하고자 한다. 별, 은하, 또는 성운을 관측하는 천문장비들은 천체를 지속적으로 추적하여 관측하기 용이하도록 대부분 적도좌표계(a10)를 채택하고 있다. 적도좌표계(a10)는 천구좌표계의 한 방법으로서, 도 6에 도시한 바와 같이, 지구(a02)를 둘러싸는 우주상에 고정된 거대한 구를 가정하여, 이를 천구(a19)라 명칭하고, 천구상에 고정된 천체들의 위치를 구면좌표를 통해 정의한다. 적도좌표계(a10)는, 천구(a19)의 적도면(a17)과 황도(a18)가 만나는 춘분점(a45)을 원점으로 서쪽에서 동쪽방향으로 측정한 적경(a11)과, 천구(a19)의 적도면(a17)으로부터 지구자전축(a34)을 천구(a19)로 연장한 천축(a13)방향으로의 각도를 측정한 적위(a12)를 통해, 천구(a19)상의 위치를 표현하는 방법이다. 이와 같이 은하와 별자리와 같은 천체를 관측할 때, 지평좌표계(a20)를 사용하면 관측지에 따라 방위각(a21)과 고도(a22)가 달라지게 되지만, 적도좌표계(a10)를 사용하면 관측지와 관계없이 적경(a11)과 적위(a12)가 고정된 값으로 표현된다. 따라서, 천문분야에서는 적경(a11)과 적위(a12)를 기반으로 작성된 천체지도가 널리 사용되고 있으며, 관측자는 천체망원경을 적도의(Equatorial Mount)에 설치하고, 적경(a11)과 적위(a12)를 조절함으로써, 망원경의 시야 안에서 대상 천체를 쉽게 찾을 수 있다. In order to help the understanding of the
지구(a02)는 우주상에 고정된 천구(a19) 안에서 매일 1회전 한다. 지구(a02)상의 관측자의 눈에는 천구(a19)상의 별자리가 시간에 따라 동에서 서로 조금씩 회전하는 것으로 느껴지는데, 이를 천체의 일주운동이라 명칭한다. 그 회전속도는 지구(a02)가 자전하는 속도와 일치하며, 시간당 약 15도의 각속도로 일주운동을 하게 된다. 따라서, 넓은 밤하늘에서 하나의 별자리를 찾더라도 조금씩 서쪽으로 흘러가게 되며, 천체망원경을 통해 좁은 영역을 확대하여 관측하는 경우에는 그 영향이 더욱 심해진다. 관측하고자 하는 천체를 시야 안에 확보했다 하더라도, 망원경의 방향을 동에서 서로 이동해 주지 않으면, 곧 시야 안에서 사라지게 된다. 방위각(a21)과 고도(a22)를 조절하는 일반적인 망원경의 경우, 일주운동을 하는 천체를 추적하기 위해서 두 개의 회전축을 동시에 조절해 주어야 한다. 그러나 적도의(Equatorial Mount)를 사용하는 망원경의 경우, 적위(a12)회전축을 고정하고 적경(a11)회전축만을 조금씩 돌려주면, 도 6에 도시한 바와 같이, 일주운동을 상쇄하면서 장시간 동안 동일한 천체를 관측할 수 있어서 매우 편리하다. Earth (a02) makes one revolution each day in the fixed celestial sphere (a19). In the eyes of the observer on the earth (a02), the constellations on the celestial sphere (a19) seem to rotate little by little in the east over time, which is called the circumferential movement of the celestial body. The rotation speed coincides with the rotation speed of the earth (a02), and the circular motion is performed at an angular velocity of about 15 degrees per hour. Therefore, even if one constellation is found in the wide night sky, it gradually flows westward, and the effect becomes more severe when observing an enlarged area through astronomical telescope. Even if you have the object you want to observe in view, if you don't move the telescopes from east to west, they will soon disappear. In the case of a general telescope that adjusts the azimuth angle (a21) and the altitude (a22), the two axes of rotation must be adjusted at the same time to track the celestial body moving around. However, in the case of a telescope using an equatorial mount, if the fixed declination (a12) axis of rotation is fixed and only the right axis of rotation (a11) is rotated little by little, as shown in FIG. It is very convenient to observe.
태양(a01)을 관측하는 경우, 다른 천체와 달리 천구(a19)상에서 그 위치가 조금씩 변화하는데, 황도(a18)를 따라 서서히 이동하여 매년 천구(a19)를 한 바퀴 돌게 된다. 상기 태양(a01)이 천구(a19)를 회전하는 속도는 매일 약 1도 이하로 미미하기 때문에, 짧은 시간 관측함에 있어서는 그 영향을 무시할 수 있다. 즉, 태양(a01)을 관측할 때, 적위(a12)의 변화를 무시하여 적위(a12)회전축을 고정하고 적경(a11)회전축만을 조금씩 돌려주면서 관측할 수 있다. 그러나, 장기간 태양(a01)을 관측하는 경우에는, 날이 갈수록 오차가 누적되기 때문에, 이를 해소할 필요가 있다. 즉, 태양(a01)의 적위(a12)의 변화를 무시할 수 없고, 적경(a11)회전축을 돌려주면서 일주운동을 상쇄할 뿐 아니라, 동시에 적위(a12)회전축을 돌려주면서 연주운동을 상쇄하여 주어야 한다. 연주운동에 의한 태양(a01)의 적위(a12)의 변화는 천구(a19)상에서 기울어진 황도(a18)를 따라 이동하면서 발생하는데, 수식 3으로 기술된 남중고도(a23)의 변화와 일치한다. When observing the sun (a01), unlike other objects, the position is slightly changed on the celestial sphere (a19), and gradually moves along the ecliptic (a18) to rotate the celestial sphere (a19) once a year. Since the speed at which the sun a01 rotates the celestial sphere a19 is less than about 1 degree per day, its effect can be neglected for short time observation. That is, when observing the sun a01, it is possible to observe the change of the declination a12 while ignoring the change in the declination a12, fixing the declination a12 rotation axis, and turning only the right axis of rotation a11. However, in the case of observing the sun a01 for a long period of time, errors accumulate as the days go by, so it is necessary to eliminate this. In other words, the change of the declination a12 of the sun a01 cannot be ignored, and the rotational axis of the right ascension a11 should not only cancel the circumferential movement, but at the same time, the play movement should be offset while the declination a12 rotation axis is turned. . The change in the declination a12 of the sun a01 due to the playing movement occurs as it moves along the tilted ecliptic a18 on the celestial sphere a19, which coincides with the change in the south middle altitude (a23) described by Equation 3. .
본 발명에 따른 태양추적장치(1000)의 실시예를 도1을 통해 자세히 설명하고자 한다. 본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000)는, 일주운동에 따른 태양(a01)의 적경(a11)의 변화를 매일 추적할 뿐 아니라, 연주운동에 의한 태양(a01)의 적위(a12)의 변화를 자동으로 보정하여 장기간 누적되는 적위(a12)의 오차를 해소할 수 있도록 특별히 고안된 것이다. 본 발명의 태양추적장치(1000)는, 천구(a19)상에서 황도(a18)를 따라 이동하는 태양(a01)의 적경(a11)과 적위(a12)의 상관관계를 고려하여, 적경회전축(100)과 적위회전축(300)을 기구적으로 구속할 수 있는 적위구동기구부(400)를 구비함으로써, 적경구동장치(200)를 통해 적경회전축(100)을 회전시켜 태양의 일주운동을 추적할 뿐 아니라, 적경구동장치(200)의 회전력의 일부를 적위회전축(300)로 전달하여 태양(a01)의 적위(a12)의 변화를 자동으로 보상하여 주는 것을 특징으로 한다. An embodiment of the
본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000)를 위한 필수적인 구성요소는 적경회전축(100), 적경회전구동장치(200), 적위회전축(300), 적위구동기구부(400)로 구성되며, 이를 각 부분별로 자세히 설명하고, 추가적인 구성요소를 통해 본 발명의 편의성을 높이는 방법을 자세히 설명하고자 한다. Essential components for the
도1 은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 지면으로부터 태양광 집광장치(600)까지 연결되는 주요 기구부는 다음과 같다. 지면에 받침대(510)를 고정하고, 기둥(520)을 연결한 후, 그 끝에 적경회전지지대(530)를 적절한 각도로 기울여서 설치한다. 상기 적경회전지지대(530)에 적경회전축(100)을 설치하여 자유로운 회전이 가능하도록 적위회전지지대(540)을 연결한다. 상기 적위회전지지대(540)와 집광장치거치대(550)를 적위회전축(300)을 통해 자유로운 회전이 가능하도록 설치하고, 마지막으로 집광장치(600)를 상기 집광장치거치대(550)에 부착한다. 적경회전축(100)을 구동하기위한 적경회전구동장치(200)를 구비하고, 적경회전구동장치(200)의 구동력의 일부를 적위회전축(300)으로 전달하는 적위구동기구부(400)을 설치한다.1 shows a preferred embodiment of the present invention. The main mechanism connected from the ground to the solar
도 1에 도시한 본 발명의 바람직한 실시예는 기구학적으로 2자유도 직렬형 2절링크와 등가를 이루는데, 이를 도 8(b)에 도시하였다. 즉, 받침대(510), 기둥(520), 및 적경회전지지대는 지면과 연결된 하나의 강체로서 베이스링크(L0)를 이루고, 적위회전지지대(540)은 제1링크(L1)를 이루고, 집광장치거치대(550)은 제2링크(L2)의 역할을 하게 되는데, 적경회전축(100)과 적위회전축(300)은 각각 상기 베이스링크(L0)와 제1링크(L1)을 연결하는 제1조인트(J1)와 제1링크(L1)와 제2링크(L2)를 연결하는 제2조인트(J2)로서 동작하게 된다. 이와 같이 본 발명의 태양추적장치의 기구적인 형태는 2자유도 메커니즘을 채택하고, 실제로는 제1조인트(J1)와 제2조인트(J2)가 독립적으로 운동하지 않고 구속관계를 따라 종속적인 움직임을 만들기 때문에 엄밀하게는 1자유도 장치라고 정의해야 한다. 이하에서, 먼저 언급된 링크들(L0, L1, L2) 및 조인트들(J1, J2)을 구성하는 각 구성요소의 설치 및 연결방법을 설명하고, 계속해서 각 조인트(J1, J2)에 해당하는 적경회전축(100)과 적위회전축(300)을 종속해서 구동하는 방법을 자세히 설명하고자 한다. The preferred embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is mechanically equivalent to a two-degree-of-freedom two-stage link, which is illustrated in FIG. 8 (b). That is, the
본 발명에 따른 프레임(500)은, 적경회전축(100)이 지구자전축(a34)과 평행하게 설치되고, 적위회전축(300)이 상기 적경회전축(100)과 수직으로 설치되어, 상기 두 개의 회전축이 정해진 방향으로 원활하게 움직이도록 튼튼히 받쳐주는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 바람직한 하나의 실시예로서 프레임(500)을 받침대 (510), 기둥(512), 적경회전지지대(530), 적위회전지지대(540), 및 집광장비거치대(550)로 구성하는데, 받침대(510)와 기둥(520)은 적경회전축(100)을 지구자전축(a34)과 평행하게 설치할 수 있도록, 방위각(a21)와 고도(a22)를 조절하는 수단을 구비하도록 한다. 예를 들어, 하나의 기둥(520)을 사용하는 실시예를 도 7(a)를 통해 자세히 설명한다. 지면에 기초를 다지고 표면에 여러 개의 나사 구멍이 가공된 받침대(510)를 설치한 후 지면에 고정하고, 기둥(520)을 상기 지면에 고정된 받침대(510)위에 세우도록 한다. 이때 상기 받침대 (510)의 측면 나사 구멍을 따라 볼트를 체결하여 기둥(520)이 북쪽을 향하도록 방위각(a21)을 변경할 수 있도록 하면, 추후 적경회전축(100)을 지구자전축(a34)과 평행하게 조절하기가 용이하다.
상기 기둥(520) 위에 적경회전지지대(530)을 설치하고 적경회전축(100)을 고정하도록 한다. 이 때, 설치하는 장소의 위도(a32)에 따라 상기 적격회전축(100)의 고도(a22)를 조절하는 수단을 제공하도록 한다. 도7에 도시한 실시예에서는, 기둥(520)과 적경회전지지대(530)을 연결할 때 회전이 가능하도록 하고, 플랜지에 나사 구멍을 내어서, 설치하는 장소의 위도(a32)에 따라 적경회전지지대(513)를 적절하게 기울인 체로 기둥(520)에 고정하도록 하였다. 결과적으로, 받침대(510)에 고정하는 기둥(520)의 회전방향과 적경회전지지대(530)의 기울기를 조절함으로써, 도 6에 도시한 바와 같이, 설치장소의 위도(a32)에 따라 지구자전축(a34)의 방향과 적경회전축(100)의 방향이 평행을 이루도록 하였다. The right
도 7(b)에 도시한 또 다른 실시예와 같이, 두 개의 기둥(520)을 사용하여 프레임(500)을 구성할 수도 있다. 받침대(510)위에 두 개의 기둥 (520a, 520b)을 세우고, 상기 기둥(520a, 520b)의 끝에 적경회전축(100)의 양단에 연결하도록 한다. 적경회전축(100)의 방위각(a21)을 조절하는 방법으로서, 기둥(520a 또는 520b)을 동서방향으로 이동하면서 상기 두 기둥(520a, 520b)이 정확히 남북방향을 향하도록 조절해 준다. 적경회전축(100)의 고도(a22)를 조절하는 방법으로서, 기둥(520a 또는 520b)의 높이를 조절하여, 적경회전축(100)과 지면이 이루는 각도를 적절히 변경해준다. 북반구의 경우 위도(a32)에 따라 북측의 기둥(520b)을 남측의 기둥(520a)보다 높게 설치하게 되고, 남반구의 경우에는 반대로 북측이 낮고 남측이 높게 고정된다. 이때 기둥(520a 또는 520b)의 높이를 변경하면서 상기 적경회전축(100)에 휨이 발생할 수 있는데, 기둥(520)의 양단에서 축의 처짐방향으로 회전가능하도록 하면, 상기 휨에 의한 변형을 해소할 수 있다. As in still another embodiment illustrated in FIG. 7B, the
본 발명의 받침대(510)와 기둥(520)은 상기에서 설명한 몇 가지 실시예 뿐만 아니라, 이를 참조하여 적경회전축(100)의 방위각(a21)과 고도(a22)를 조절할 수 있도록 다양하게 변형하여 실시할 수 있다. The
본 발명에 따른 적경회전축(100)은, 지구자전축(a34)과 평행하게 설치되어, 지구자전의 같은 각속도 만큼 반대방향으로 회전시킴으로써, 지구자전에 따른 태양(a01)의 일주운동을 상쇄하고, 매일 동에서 떠서 서쪽으로 지는 태양(a01)의 위치를 추적하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 적위회전축(300)은 상기 적경회전축(100)과 수직하게 설치되어, 천구의 적도면(a17)과 평행하게 위치하고, 약365일을 주기로 지구자전축의 기울기(a05)만큼 상하로 왕복 회동시킴으로써, 지구공전에 따른 태양(a01)의 연주운동을 상쇄하고, 절기(a40)에 따라 수식 4와 같이 변화하는 태양(a01)의 남중고도(a23)의 변화를 보상하는 것을 목적으로 한다.The right
도 8에 도시한 바와 같이, 받침대(510)와 기둥(520)을 통해 지면에 고정된 적경회전지지대(530)의 끝단에, 적경회전축(100)을 설치하고 적위회전지지대(540)가 자유롭게 회전하도록 연결한다. 상기 적위회전지지대(540)에는, 적경회전축(100)과 수직을 이루도록 적위회전축(300)을 설치한 후, 상기 적위회전축(300)을 통해 적위회전지지대(540)와 집광장치거치대(550)을 연결하도록 한다. 상기 적위회전축(300)을 따라 적위회전지지대(540)를 회전시키면, 설치된 태양광 집광장치(600)가 향하는 적경(a11) 각도는 변화가 없으면 적위(a12) 각도만 변화하게 된다. 뿐만 아니라, 적경회전축(100)이 지구자전축(a34)과 평행하게 설치되면, 적경회전축(100)을 따라 적위회전지지대(540)를 돌려주더라도, 부착된 집광장치거치대(550) 및 설치된 집광장치(600) 역시 따라 회전하게 되지만, 적경(a11) 각도만이 독립적으로 변화할 뿐, 적위(a12) 각도는 변하지 않는다. 이와 같이, 본 발명의 태양 추적장치(1000)가 설치하는 장소에 따라 적경회전축(100)이 지구자전축(a34)과 일치하도록 설치하면, 수직하게 설치된 적경회전축(100)과 적위회전축(300)을 각각 조절함으로써, 부착된 집광장치(600)가 향하는 천구(a19)상의 적경(a11) 및 적위(a12) 좌표를 독립적으로 조절할 수 있으며, 천구상의 모든 방향으로 자유롭게 조절할 수 있다. 도6은 본 발명의 적경회전축(100)을 지구자전축(a34)과 평행하게 설치한 바람직한 실시예와 이를 통해 지구(a02)의 자전방향과 반대로 회전하면서 천구(a19)상에 고정된 위치를 장시간 추적하는 작동원리를 보여준다.As shown in FIG. 8, at the end of the
본 발명에 따른 균형무게추(560)는, 적경회전축(100) 또는 적위회전축(300)에 전달되는 하중이 균형을 이루도록 하여, 어떤 각도에서나 동일한 회전력으로 장치를 구동하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 기능을 구현함에 있어서 균형무게추(560)는 필수적인 요소는 아니지만, 장치의 효율을 높이는데 도움을 준다.The
본 발명의 실시예에서, 직위회전지지대(540), 집광장치거치대(550), 태양광 집광장치(600), 및 이에 부착되는 여러 구성요소의 형상과 무게에 따라, 적경회전축(100)과 적위회전축(200)에 부가되는 하중이 달라지게 된다. 이러한 구성요소의 무게가 각 회전축을 중심으로 적절히 배분되지 않는 경우, 회전축의 각도가 변함에 따라 필요한 구동력이 달라지는 문제가 생길 수 있다. 즉, 한 방향으로는 쉽게 회전되지만 반대방향으로 움직이기 위해서는 큰 구동력을 필요로 하게 되어, 사용하는 액츄에이터의 효율이 떨어지게 된다. In an embodiment of the present invention, according to the shape and weight of the
따라서, 각 회전축을 따라 무게를 잘 배분하여 한쪽으로 기울어지지 않고 균형을 잘 이루도록 해야만, 어떤 각도에서든지 동일한 토크로 부드럽게 회전축을 구동할 수 있다. 태양 추적장치(1000)에 있어서 일반적으로 태양광 집광장치(600)의 무게가 큰 비중을 차지하기 때문에, 구조적으로 균형을 이루기 어렵게 된다. 이때, 도 9에서 도시한 바와 같이, 무거운 질량을 가지는 중량물의 반대편에 카운터밸런스를 이루는 무게추(counter balancing weight)를 설치하여 균형을 맞추어 주면, 각 회전축방향으로 부드러운 회전이 가능하다. 적경회전축(100)을 중심으로 양쪽의 무게가 잘 배분되도록 적절한 무게의 적경균형무게추(561)를 부착하고, 필요에 따라 적위회전축(300)을 중심으로 양쪽의 무게가 잘 배분되도록 적절한 위치에 적절한 무게의 적위균형무게추(562)를 부착하도록 한다. 각 회전축의 회전중심을 기준으로 기구부의 균형이 잘 잡히게 되면, 어느 각도로 회전시키더라도 동일한 토크가 작용하여 적은 동력으로도 부드럽게 회전시킬 수 있다. Therefore, the weight should be well distributed along each axis of rotation so that it is well balanced without tilting to one side, so that the axis of rotation can be driven smoothly with the same torque at any angle. In the
지금까지 본 발명의 태양 추적장치(1000)을 구현하기 위해서, 적경회전축(100)과 적위회전축(300)을 통해 2자유도의 기구부를 구성하는 방법을 설명하였다. 이하에서, 각 회전축을 구동하는 방법과, 특히 두 개의 회전축을 구속하여 1개의 자유도로 전체기구를 작동하는 방법에 대해 자세히 설명하고자 한다. In order to implement the
본 발명에 따른 적경회전구동장치(200)는, 상기 적경회전축(100)이 지구(a02)의 자전속도에 해당하는 시간당 15도의 각속도로 움직이면서 매일 천구(a19)상에서 동에서 서로 움직이는 태양(a01)의 일주운동을 추적하기 위한 회전력을 제공하는 것을 목적으로 한다. Right ascension
본 발명에 따른 적경회전구동장치(200)의 하나의 바람직한 실시예를 도 10를 통해 자세히 설명하고자 한다. 적경회전구동장치(200)는 액츄에이터(210)과 적경감속기(220)으로 구성하는데, 회전형 액츄에이터(210)를 적위회전지지대(450)에 설치하였고, 적경감속기(220)는 액츄에이터(210)에 직결된 적경직결감속기(221)와 적경웜기어(222) 및 적경웜휠(223)로 구성하였다. 액츄에이터(210)에서 발생한 회전력은 적경직결감속기(221)를 통해 증폭되어 적경웜기어(222)를 구동하고, 적경회전지지대(530)에 고정된 적경웜휠(223)에 맞물리면서, 적위회전지지대(540)를 구동하게 됨으로써 적경회전축(100)을 따라서 회전하게 된다. 도 10에 도시한 하나의 실시예에서는, 추후 설명하는 적위구동기구부(400)를 구현하기 용이하도록, 액츄에이터(210)을 적위회전지지대(540)에 고정하도록 하였기 때문에, 액츄에이터(210)가 적위회전지지대(540)와 함께 회전하게 된다. 필요에 따라서 액츄에이터(210) 및 적경웜기어(222)를 적경회전지지대(530)에 설치하고, 적경웜휠(223)을 적위회전지지대(540)에 고정하여, 액츄에이터가 움직이지 않도록 설계하여도 무방하다. One preferred embodiment of the
적경회전구동장치(200)는 적경회전축(100)을 매일 동쪽에서 서쪽으로 회전시키도록 하는데, 그 회전속도는 지구(a02)의 자전속도와 같이 하루 한 바퀴, 즉 시간당 약 15도의 각속도를 유지할 수 있어야 할 뿐 아니라, 빠른 기동이 가능하도록 충분한 가속력을 내기 위한 토크를 출력할 수 있어야 한다. 상기 액츄에이터(210)는 다양한 회전형 액츄에이터(210)를 활용할 수 있으며, 크랭크-슬라이더와 같은 적절한 변환기구와 조합하여 선형 액츄에이터(210)를 사용하는 것도 가능하다. 일반적인 전기모터를 사용하는 경우, 회전속도는 빠르지만 토크가 작기 때문에 적경감속기(220)를 사용하는 것이 바람직하다. 전기 모터에 직결하는 일체형 감속기를 채택할 수 도 있고, 필요에 따라 외부에 추가적인 감속을 시행할 수 있다. 감속비가 높은 경우 유성기어나 하모닉드라이브를 사용하는 것이 바람직하다. 평기어를 조합하여 입력축과 출력축이 평행한 형태로 구성할 수 있고, 베벨기어나 웜기어 등을 통해 입력축과 출력축이 평행하지 않은 형태로 구성할 수도 있는데, 후자의 경우 동력전달 경로가 다양해 지면서 보다 자유로운 설계방식을 적용할 수 있게 된다. 다양한 사이즈의 기어의 조합 뿐 만 아니라, 백래시로 인한 오차를 줄일 수 있도록 타이밍밸트 또는 케이블을 이용하여 구성할 수 도 있다. 상기 적경감속기(220)를 구성함에 있어서, 언급된 방법 뿐만 아니라 산업현장에서 사용되는 다양한 형태의 감속기를 변형하여 적용할 수 있다. 또한 사용하는 액츄에이터(210)의 토크가 충분한 경우 상기 적경감속기(220)를 제거하고 액츄에이터(210)를 적경회전축(100)에 직접 연결하여 구동하는 것도 가능하다.Right ascension
본 발명에 따른 적위구동기구부(400)는, 적경회전축(100)과 적위회전축(300)을 태양(a01)의 일주운동과 연주운동의 상관관계를 따라 종속적인 움직임을 갖도록 기구적으로 구속함으로써, 적경회전축(100)이 태양(a01)의 일주운동를 추적하기 위해 회전하는 동안, 상기 회전량과 연동하여 적위회전축(300)이 태양(a01)의 연주운동을 보상하기 위해 상하로 왕복회동하게 하는 것을 목적으로 한다. The
본 발명에 따른 적경회전축(100)은 적경회전구동장치(200)에 의해 매일 동에서 서쪽으로 태양(a01)의 일주운동을 따라 움직이게 되는데, 이때 적경회전구동장치(200)의 구동력의 일부를 적위구동기구부(400)통해 적위회전축(300)에도 전달함으로써, 적위회전축(300)이 적경회전축(100)에 종속적으로 움직이도록 하고, 특히 적경회전축(100)이 약 365번 일주운동을 추적하는 동안 적위회전축(300)이 수식 4와 유사하게 움직일 수 있도록 적위구동기구부(400)를 구성하도록 한다. Right
본 발명에 따른 적위구동기구부(400)는, 도 11에 도시한 바와 같이, 적경회전구동장치(200)로부터 적경회전축(100)까지 동력이 전달되는 경로상의 한 지점을 입력으로 하는 적위감속기(410), 상기 적위감속기(410)의 출력축의 회전운동을 전달하여 적위회전축(300)의 왕복회동운동으로 변환하는 왕복회동변환기구부(420)로 구성할 수 있다. 도 11에 도시한 실시예에서는 적경감속기(220)의 내부의 한 지점에서 구동력을 추출하였으며, 보다 자세하게는 적경웜기어(222)의 회전력을 적위감속기(410)에 전달하도록 하였다.The
이때, 상기 적위감속기(410)의 감속비를 선택함에 있어서, 적경회전축(100)이 약 365번 태양(a01)의 일주운동을 추적하는 동안 발생하는 회전량에 대해서 상기 적위감속기(410)의 출력축이 한 바퀴 회전하도록 하면, 상기 왕복회동변환기구부(412)의 설계가 용이해진다. 도 11을 통해 왕복회동변환기구부(420)를 구현하는 하나의 실시예를 보다 자세하게 설명하면, 상기 적위감속기(410)의 출력축이 약 365일에 한 바퀴 회전하도록 감속비를 선정하고, 적위감속기(410)의 출력축에 크랭크(421)를 고정하고, 상기 적위회전축(300)에는 태양(a01)의 연주운동을 따라 함께 상하로 회동하는 로커(422)를 고정하고, 상기 크랭크(421) 및 로커(422)의 한 끝을 연결하는 커넥팅로드(423)를 구비하여 전체적으로 4절 링크를 이루도록 한다. 도 11의 실시예에서는 집광장치거치대(550)의 측면에 핀조인트를 구비하여 상기 집광장치거치대(550)가 상기 로커(422)의 역할을 겸하도록 하였다.At this time, in selecting the deceleration ratio of the
상기 4절 링크로 구성된 왕복회동변환기구부(420)가 작동하는 원리를 살펴 보면, 먼저 커넥팅로드(423)를 통해 크랭크(421)의 회전운동이 로커(422)의 상하 왕복회동운동으로 변환하게 되는데, 적경회전축(100)이 약365번 일주운동을 추적하는 동안 적위감속기(410)를 통해 상기 크랭크(421)가 1회전하게 되면, 상기 로커(422)는 약 365일을 주기로 하여 상하로 왕복회동하게 된다. Looking at the principle of operation of the four-way link
도 12를 통해 절기(a40)에 따른 적위회전축(300)에 부착된 집광장치거치대(550)의 각도변화를 자세히 설명하고자 한다. 크랭크(421)는 매 3개월 마다 약 1/4회전하므로, 각 절기(a40)를 지날 때 마다 약 90도 회전하게 되는데, 하지(a42)와 동지(a44)에서 각각 상사점(top dead center)과 하사점(bottom dead center)에 위치하도록 조절한다. 따라서, 춘분(a41)때 집광장치거치대(550)가 중립지점에 위치한다. 춘분(a41)을 지나서 크랭크(421)이 커넥팅로드(423)를 당기면서 집광장치거치대(550)의 각도는 점점 증가하여 하지(a42)에서 최대각에 도달한다. 크랭크(421)가 하지(a42)에서 상사점을 지나게 되면 커넥팅로드(423)를 위로 밀면서 집광장치거치대(550)의 각도는 점점 감소하여 추분(a43)에서 중립지점으로 복귀한다. 약 9개월 후 동지(a44)가 되면 크랭크(421)은 하사점에 이르게 되어 최소각을 이루며, 이후 다시 커넥팅로드(423)를 아래로 당기면서 집광장치거치대(550)의 각도가 증가한다. 약 1년이 지나서 크랭크(421)가 완전히 1회전 하게 되면, 다시 춘분(a41)때가 되어 집광장치거치대(550)는 중립위치로 복귀한다.The angle change of the light
상기 설명된 과정에서, 적위회전축(300)이 왕복회동하는 최대각이 상하로 각각 지구자전축의 기울기(a05) 만큼의 각도를 가지도록, 크랭크(421), 커넥팅로드(423), 로커(422)의 상대 길이 및 각 연결조인트의 위치를 적절히 선정하여 주어야 한다. 상기 크랭크(421) 또는 상기 로커(422) 또는 상기 커넥팅로드(423)에, 조인트의 위치 및 링크 길이를 조절하는 수단(424)을 구비하면, 상기 로커(422)의 상하로 왕복 회동하는 운동의 변위 및 구간별 속도를 세밀하게 조절할 수 있어서, 수식 4에서 제시한 태양(a01)의 남중고도(a23)의 변화와 유사하게 적위회전축(300)을 구동할 수 있다. In the above-described process, the
실제적으로는 태양추적장치(1000)를 운영함에 있어서 계절에 따라 적경회전축(100)의 회전량이 달리 하게 되며, 적위회전축(300)으로 누적되는 각도도 변화한다. 예를 들어, 여름에 적경회전축(100)의 회전량이 늘어나면 적위회전축(300)의 변화도 더 빨라지게 되고, 반대로 겨울에는 적위회전축(300)에 전달되는 각도의 누적량이 적어지게 된다. 또한 원일점과 근일점에서 지구(a02)의 공전속도 차이로 인하여, 실제적으로는 단기간의 오차가 더 커질 수 있다. 이러한 변화까지 반영하기 위해서는, 상기 조인트의 위치 및 링크 길이를 조절하는 수단(424)을 활용하여 상기 로커(422)의 운동을 세밀하게 조절하도록 한다. 도 12에 도시된 크랭크(421)의 회전각도와 집광장치거치대(550)의 왕복회동 각도의 변화를 살펴보면, 춘분(a41)에서 하지(a42)를 거쳐 추분(a43)으로 가는 구간이, 추분(a43)에서 동지(a44)를 거쳐 춘분(a41)으로 가는 구간보다 더 긴 것을 알 수 있다. 도 12의 실시예에서는 크랭크(421)가 각 절기(a40)마다 단순하게 1/4바퀴 회전하도록 하는 것이 아니라, 원일점과 근일점에서는 공전속도 변화 및 이에 따른 균시차를 감안하여 구간별로 속도를 달리하도록 특별히 설계하였다. In practice, the amount of rotation of the RA
본 발명에서 4절링크를 통해 구성한 왕복회동변환기구부(420)의 일실시예 뿐 만 아니라, 캠 팔로워 방식, 크랭크-슬라이더 방식, 4절링크, 5절링크, 등 다양한 메커니즘을 변형하여 구성하더라도, 일주운동과 연주운동의 상관관계를 모사하고자 하는 본 발명의 왕복회동변환기구부(420)의 목적을 달성할 수 있다. 덧붙여, 본 발명의 왕복회동변환기구부(420)의 실시예를 변형한 다양한 구현방법에 있어서, 상기 적경회전축(100)의 회전운동과 적위회전축(300)의 상하 왕복회동하는 운동사이의 구속관계가 수식 4와 차이가 난다 하더라도, 그 범위가 크지 않으면 본 발명에서 제공하는 태양 추적장치(1000)를 운영하는데 제한을 주지 아니한다. In the present invention, as well as one embodiment of the reciprocating rotation
본 발명에 따른 커플링(430)은 필요에 따라 적경회전축(100)과 적위회전축(300)의 구속관계를 해제하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000)를 초기에 설치함에 있어서, 설치하는 시간에 따라 해당 절기(a40)에 맞추어 적위회전축(300)의 각도를 적절히 설정해 주어야 한다. 본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000)를 장기간 운영하는 경우, 적위회전축(300)의 각도와 실제 태양(a01)의 적위(a12) 사이에 오차가 발생할 수 있으며, 이를 해소하기 위해 적위회전축(300)의 각도를 재설정 할 수 있어야 한다. 본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000)의 적경회전축(100)과 적위회전축(300)은 적위구동기구부(400)를 통해 구속되어 일정한 상관관계를 갖게 되는데, 이러한 상관관계로 인하여 적위회전축(300)의 각도를 재설정하기 불편해 진다. 이러한 불편을 해결하기 위해서는, 필요에 따라 적경회전축(100)과 적위회전축(300)의 구속관계를 해제하고, 적위회전축(300)을 독립적으로 조절할 수 있는 수단을 제공하여야 한다. 적위회전축(300)을 구동하는 구동력은 적경회전구동장치(200)로부터 공급되어 감속기 또는 링크기구를 통해 전달된다. 따라서 적경회전구동장치(200)로부터 적위회전축(300)까지 동력이 전달되는 경로의 어느 한 지점에 커플링(430)을 설치하고, 전달되는 회전력을 선택적으로 연결하거나 차단함으로써, 적경회전축(100)과 적위회전축(300)의 구속관계를 연동하거나 해제할 수 있다. Coupling 430 according to the present invention aims to release the restraint relationship between the right
도 13의 실시예에서는 적위감속기(410)의 최종 출력축과 왕복회동변환기구부(420)의 크랭크(421)을 연결하는 부분에 커플링(430)을 설치하였으며, 커플링(430)을 해제하면 적경회전축(100)에 아무런 영향을 주지 않고 크랭크(421)의 회전각도를 자유롭게 조절하여 집광장치거치대(550)의 각도를 변경 할 수 있다. In the embodiment of FIG. 13, a
본 발명에 따른 원웨이클러치(450)는 적경회전축(100)의 단방향 회전운동만을 적위회전축(300)과 연동하도록 하는 것을 목적으로 한다. 일반적으로 태양추적장치(1000)에 부착하는 집광장치(600)의 부피가 커서 주변과 간섭이 발생하기 때문에, 적경회전축(100)을 연속회전 시키지 않고 양방향으로 왕복회동하면서 간섭을 피해 사용하게 된다. 즉, 도 14에 도시한 바와 같이, 주간에 태양(a01)이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 질 때까지 적경회전축(100)을 약 반 바퀴 정도 회전하여 움직이고, 야간에는 반대방향으로 역회전하여 낮에 거쳐온 경로를 거슬러서 동쪽 위치로 복귀하고, 다음날 아침에 다시 태양(a01)을 추적할 수 있도록 대기한다. 본 발명에서 적위회전축(300)을 적경회전축(100)과 연동하여 구동함에 있어서, 야간에 적경회전축(100)이 역행하는 회전운동을 무시하여야 하고, 주간에 정상적으로 동에서 서쪽으로 태양(a01)을 추적하는 회전량을 선별적으로 추출하여 적위구동기구부(400)를 통해 적위회전축(300)으로 전달하여 주어야 한다. One-way clutch 450 according to the present invention is intended to only interlock with the
원웨이클러치(450)를 사용하면 양방향 왕복회동운동으로부터 단방향 회전력을 선별적으로 추출할 수 있다. 적경회전축(100)이 주간에 태양(a01)의 일주운동을 동에서 서쪽 방향으로 추적하는 회전성분 만을 추출할 수 있으며, 야간에 적경회전축(100)이 반대로 역회전하는 운동은 적위회전축(300)에 전달되지 않게 된다. 도 13에서 적위구동기구부(400)에 원웨이클러치(450)를 추가하여 구성한 실시예를 도시하였다. 도 13의 실시예에서는 적위감속기(410)의 입력축 전단에 원웨이클러치(450)를 설치하여 단방향의 정류된 회전성분만 적위감속기(410)로 입력될 수 있도록 하였다. 원리적으로는 적경회전구동장치(200)로부터 적위회전축(300)까지 구동력이 전달되는 어느 지점에 원웨이클러치(450)를 설치하여도 동일한 역할을 수행하게 된다. 물론 집광장치(600)의 부피가 작고, 주변의 간섭이 없는 경우에는 적경회전축(100)을 연속회전하면서 태양(a01)을 추적할 수 있으며, 원웨이클러치(450)를 사용할 필요가 없다.By using the one-
원웨이클러치(450)을 사용하는 본 발명의 태양추적장치(1000)에 있어서, 도 14에 도시한 바와 같이, 적경회전축(100)이 야간에 동쪽위치로 복귀하기 위한 역회전을 제외하고 정상적으로 태양(a01)의 일주운동을 추적하면서 발생하는 주간 회전량은 하루에 약 반바퀴가 되는데, 상기 하루 약 반바퀴의 회전량에 대해 적위구동기구부(400)의 크랭크(421)가 약 1/365회전하는 감속비를 설정하여야 한다. 이때 상기 하루 약 반바퀴의 회전량은 주변 지형, 계절, 적경축의 기구적 운동범위, 등에 따라 달라지게 되므로, 설치하는 환경에 따라 적위감속기(410) 또는 감속비조절장치(440)을 적절히 조절하여 주어야 한다. In the
본 발명에 따른 감속비조절장치(440)는 적경회전축(100)의 회전운동에 따른 적위회전축(300)의 회전량의 비율을 조절하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 태양추적장치(1000)는 적경회전축(100)이 매일 태양의 일주운동를 추적하는 회전량과 연동하여 적위회전축(300)이 매일 조금씩 구동된다. 매일 조금씩 누적되는 적위회전축(300)의 회전량은 3개월에 23.5도에 불과한 미미한 양이다. 적위감속기(410)의 감속비가 정확히 설정되지 않으면 장기간 사용시 오차가 누적되어 정확성이 떨어지게 된다. 특히, 적경회전축(100)이 주야간에 반대방향으로 왕복회동하도록 운영하는 경우, 주변환경이나 설치조건 등에 따라 적경회전축(100)의 운동범위가 달라질 뿐 아니라, 원웨이클러치(450)의 작동에 있어서 추가적인 오차가 발생할 수 있다. 예를 들어, 주변에 장애물이 없는 해변가와 달리, 산간지역에서는 주간에 태양을 추적하는 시간이 현저히 줄어들고, 적경회전축(100)의 운동범위를 줄여주어야 한다. 여러 개의 태양추적장치(1000)를 설치하는 경우에, 서로 태양광을 가리지 않도록 배치함에 있어서, 적경회전축(100)의 회전량을 제한 할 수 있다. 이와 같이, 장기간 운행에 따라 누적되는 오차가 발생 할 수 있으므로, 적위감속기(410)의 감속비를 손쉽게 조절 할 수 있도록 감속비조절장치(440)을 구비하는 것이 바람직하다. Reduction
감속비조절장치(440)를 구현하는 하나의 실시예로서, 도13에 도시한 바와 같이, 적경회전구동장치(200)의 적경웜기어(222)로부터 회전력을 추출하여 감속비조절장치(440)에 입력되도록 하였다. 감속비조절장치(440)의 하나의 실시예로써 무단변속기에 주로 사용되는 회전반경을 가변할 수 있는 풀리-벨트 전달장치를 사용할 수 있다. 경사면을 갖는 두 개의 회전바퀴를 서로 마주보게 설치하여 브이홈풀리를 구성하는데, 두 개의 회전바퀴의 간격을 조절 가능하도록 한다. 브이홈풀리의 간격을 늘이면 벨트가 구동되는 유효 회전반경이 줄어들고, 브이홈풀리의 간격을 줄이면 벨트가 구동되는 유효 회전반경이 커지는데, 이를 통해 감속비를 높이거나 줄일 수 있다. 이와 달리, 반경을 달리하는 다단의 풀리를 양축에 설치하고 적절한 위치에 벨트를 걸어줌으로써 감속비를 조절할 수 도 있다. 이 외에도 풀리의 반경을 조절하는 다양한 기구구성이 가능하며, 풀리 뿐 아니라 다른 메커니즘을 통해 감속비를 조절할 수도 있다. As one embodiment of implementing the reduction
감속비를 조절함에 있어서, 적위회전축(300)의 단기간의 오차를 반영하기보다는 상하로 왕복회동하는 1년의 주기를 맞추는 데에 초점을 맞추어야 한다. 일반적으로 계절에 따라 적경회전축(100)의 회전량이 달리 하게 되며, 적위회전축(300)으로 누적되는 각도도 변화하기 때문이다. 예를 들어, 여름에 적경회전축(100)의 회전량이 늘어나면 적위회전축(300)의 변화도 더 빨라지게 되고, 반대로 겨울에는 적위회전축(300)에 전달되는 각도의 누적량이 적어지게 된다. 결과적으로 적위회전축(300)의 변화가 단기적으로는 수식4에서 제시된 곡선에서 벗어나서 오차가 발생하더라도, 여름과 겨울에 누적되는 오차가 상쇄되어, 전체 1년의 주기가 흐르면 오차가 스스로 해소하게 된다. In adjusting the reduction ratio, the focus should be on adjusting the period of one year of reciprocating up and down, rather than reflecting the short-term error of the
본 발명의 적위표시장치(460)는 태양추적장치(1000)에 부착된 집광장치(600)가 천구(a19)를 향하는 방향의 적위(a12)를 각도로 표시하여 주는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명의 절기표시장치(470)는 태양추적장치(1000)에 부착된 집광장치(600)가 천구(a19)를 향하는 방향의 적위(a12)를 절기(a40)로 환산하여 표시하여 주는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 태양추적장치(1000)를 처음 설치할 때, 설치하는 시기에 따라 적위회전축(300)의 각도를 적절히 조절하여 집광장치거치대(550)와 이에 부착된 집광장치(600)의 방향을 태양(a01)의 적위(a12)에 맞추어 주어야 한다. 또한 본 발명의 태양추적장치(1000)를 장시간 운영하다 보면, 적위회전축(300)의 각도와 현재 하늘에 떠있는 실제 태양(a01)의 적위(a12)와 차이가 발생할 수 있으며, 이를 보정할 필요가 있다. 적위회전축(300)의 각도를 표시하기 위한 적위표시장치(460)의 하나의 실시예를 도 15에 도시하였다. 집광장치거치대(550)는 태양(a01)의 적위(a12)가 0도가 되는 춘분(a41)과 추분(a43)에서 적경회전축(100)과 평행한 중립상태가 된다. 본 발명의 적위표시장치(460)의 실시예에서는, 집광장치(600)와 함께 회전하는 집광장치거치대(550)에 적위측정바늘(461)을 고정하고, 적위회전지지대(540) 에 적위눈금(462)을 부착하여 집광장치거치대(550)와 적경회전축(100)이 이루는 각도를 측정할 수 있도록 하였다. 상기 적위표시장치(460)을 통해 태양추적장치(1000)가 실제로 향하고 있는 천구(a19)상의 적위(a12)를 손쉽게 파악할 수 있다. The
태양추적장치(1000)를 장시간 운영하면서, 정확하게 작동하고 있는지 확인하는 것은 매우 중요한 일이다. 이를 위해, 적위표시장치(460)에서 측정된 태양추적장치(1000)의 실제 방향과 측정 시기에 따른 태양(a01)의 적위(a12)를 비교하여 확인하는 것은 다소 불편하다. 수식 4에서 정리한 바와 같이, 태양(a01)의 적위(a12)와 절기(a40) 사이에는 일정한 상관관계가 있으며, 세계 대부분의 나라에서 날짜를 셈하는 방법으로 태양(a01)의 적위(a12)에 근거한 태양력을 사용하기 때문에, 태양(a01)의 적위(a12)는 달력의 날짜로 쉽게 환산된다. 따라서, 태양추적장치(1000)의 실제 방향을 적위표시장치(460)를 통해 각도로 표현하는 것보다, 상기 각도를 태양추적장치(1000)가 추적하고 있는 절기(a40)로 환산하여 표시하면 보다 직관적으로 오차를 파악할 수 있다. 적위회전축(300)의 각도를 시간상의 절기(a40)로 환산하여 표시하는 절기표시장치(470)의 하나의 실시예를 도 15에 도시하였다. 적위감속기(410)의 출력축에 연결된 크랭크(421)에 절기측정바늘(471)을 설치하여 같이 회전하도록 하고, 적위회전지지대(540)에 절기눈금(472)을 구비함으로서, 크랭크(421)의 회전량을 그에 상응하는 절기(a40)로 환산하여 읽도록 한다. 예를 들어, 상기 크랭크(421)가 한 해에 한 바퀴 회전하도록 설계된 경우, 크랭크(421)의 회전량과 절기(a40)와의 상관관계는 도 15에 도시한 바와 같다. 따라서, 절기눈금(472)을 크게 4등분하여 춘분(a41), 하지(a42), 추분(a43), 동지(a44)를 각각 표시하여 상기 크랭크(421)과 같이 회전하고, 절기측정바늘(471)을 통해 현재 크랭크(421)의 회전각도를 해당하는 절기(a40)로 환산하여 읽을 수 있도록 한다. 물론, 4절기뿐 아니라, 12절기, 매월, 또는 하루 단위의 세부 눈금을 두면 보다 정밀한 측정이 가능하다. 또한 여름과 겨울에 누적되는 회전량이 다른 경우에 이를 감안하여 눈금의 간격을 달리할 수도 있다. 도 12의 크랭크(421)의 각도변화를 보면, 여름의 구간이 겨울 구간보다 길도록 설계하였으며, 따라서 여름의 눈금의 간격을 겨울보다 길게 하여야 한다. While operating the
본 발명의 태양추적장치(1000)가 제대로 설치되고 오차가 적절히 보정되어 운영되는 경우, 매일 적경회전축(100)이 태양의 일주운동을 따라 조금씩 움직이면, 상기 절기측정바늘(471)이 통과하는 절기눈금(472)도 하루씩 증가하게 되고, 4절기를 거쳐서 일년이 지나면, 절기눈금(472)이 한 바퀴를 돌아서 원래 날짜로 돌아오게 된다. 절기표시장치(470)를 통해 정기적으로 적위회전축(300)의 각도를 시간상의 절기(a40)로 환산하고, 이를 현재 달력상의 날짜와 일치하는지 비교하면, 적위회전축(300)의 추적오차를 직관적으로 파악할 수 있으며, 조금씩 빨라지거나 늦어지는 추적 오차의 추이를 감속비조절장치(440)에 반영하여 정확한 추적이 가능하도록 조치할 수 있다. When the
상술한 적위표시장치(460)와 절기표시장치(470)는 눈금의 단위의 차이일 뿐, 원리적으로 동일하다. 상기의 적위표시장치(460)에 눈금을 절기(a40)로 표시하면 절기표시장치(470)로 사용할 수 있으며, 각 장치의 눈금에 각도와 절기(a40)를 병기하면, 적위표시장치(460)와 절기표시장치(470)를 통합하여 하나의 표시장치로 사용할 수 있다. 또한 적경회전구동장치(200)로부터 발생한 구동력이 적위구동기구부(400)를 통해 적위회전축(300)에 전달되기까지 거치는 모든 구동축에서 태양추적장치(1000)가 향하고 있는 적위(a12)와 절기(a40)의 정보를 포함하고 있기 때문에, 상기 동력 전달 경로의 어느 지점에 눈금을 표시하더라도, 적위회전축(300)의 회전각 또는 그에 상응하는 절기(a40)를 파악할 수 있다. 따라서, 상기의 실시예 뿐 만 아니라 이에 응용하는 다양한 방법이 가능하다. The
예를 들어, 적경회전구동장치(200)으로 부터 적위회전축(300)까지 동력이 전달되는 한 지점으로부터, 측정을 위한 별도의 회전축을 부설하고 그 끝에 눈금이 표시된 회전판을 설치하여 측정할 수 있다. 물론, 적경구동축(100)이 왕복회동하고 원웨이클러치(450)를 통해 단방향의 회전성분을 적위회전축(300)에 전달하는 경우, 원웨이클러치(450)를 거쳐서 정류된 회전성분이 전달되는 동력축의 한 지점에서 적위표시장치(460) 또는 절기표시장치(470)를 설치하여야 한다. For example, from one point from which the power is transmitted from the
적경회전축(100)에 대해서도 적경표시장치(480)가 있으면 본 발명의 태양추적장치(1000)의 오작동 여부를 손쉽게 알 수 있다. 도 15에서 적경측정바늘(481)과 적경눈금(482)을 각각 적위회전지지대(540)과 적경회전지지대(530)에 구비하여 적경표시장치(480)를 구성하는 하나의 실시예를 도시하였다. When the right
본 발명에 따른 태양추적장치(1000)의 운영방법은, 도 18과 같이,The operating method of the
적경회전축(100)의 방향을 지구자전축(a34)과 일치시키는 제1단계(S01);A first step (S01) of matching the direction of the right
적위회전축(300)의 각도를 태양(a01)의 적위(a12)와 일치시키는 제2단계(S02);A second step S02 of matching the angle of the declination axis of
적경회전구동장치(200)를 통해 적경회전축(100)을 구동하여 태양(a01)의 일주운동을 추적하는 제3단계(S03);A third step (S03) of driving the right
적경회전구동장치(200)의 구동력의 일부를 적위구동기구부(400)를 통해 적위회전축(300)으로 전달하여 연주운동에 따른 태양(a01)의 남중고도(a23)의 변화를 추적하는 제4단계(S04);로 구성한다. A fourth part which transfers a part of the driving force of the right ascension
필요에 따라 다음의 단계들을 추가적으로 포함하여 운영할 수 있다If necessary, the following steps may be additionally operated.
적위회전축(300)의 운동변위가 지구자전축의 기울기(a05)보다 작거나 큰 경우, 적위구동기구부(400)를 조절하여 적위회전축(300)의 운동변위를 변경하는 제5단계(S05); 또는A fifth step (S05) of changing the movement displacement of the
적위회전축(300)의 운동주기가 지구(a02)의 공전주기보다 길어지거나 짧아지는 경우, 감속기조절장치(440)를 조절하여 적위회전축(300)의 운동주기를 변경하는 제6단계(S06); 또는A sixth step (S06) of changing the movement period of the
적위회전축(300)의 각도가 태양(a01)의 적위(a12)와 차이가 큰 경우, 커플링(430)을 해제하고 적위회전축(300)의 각도를 재설정하는 제7단계(S07); A seventh step (S07) of releasing the
를 포함할 수 있다. It may include.
상기 추가적으로 포함할 수 있는 제 5단계, 제 6단계, 및 제 7단계를 모두 포함하여 운영하는 방법을 도 19에 도시하였다.FIG. 19 illustrates a method of operating all the fifth, sixth, and seventh steps that may be additionally included.
본 발명에 따른 태양추적장치(1000)의 운영방법에 따른, 각 단계에 대해 자세히 설명하고자 한다. 본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000)가 제대로 기능하기 위해서는, 본 발명에 따른 태양추적장치(1000)의 운영방법에서 제공하는 제1단계 및 제2단계를 참조하여, 정확하게 설치해 주어야 한다. Each step according to the operating method of the
적경회전축(100)의 방향을 조절하여 지구자전축(a34)과 일치시키는 제1단계(S01)에 대해 설명하고자 한다. 본 발명의 태양추적장치(100)를 실시함에 있어서 가장 먼저 해야 할 일은 지면에 튼튼한 기초를 마련하고, 지면의 기울기를 기준하는 수평계, 기울기를 측정하는 각도계, 거리를 측정하는 거리계, 자북을 측정하는 나침반, 진북을 측정하기 위한 데오도라이트 또는 토탈스테이션, 등의 계측장비를 활용하여, 적경회전축(100)이 지구자전축(a34)과 일치하도록 설치하는 것이다. 이를 위해, 두 개의 각도, 즉 지평면(a29)에서의 방위각(a21)와 하늘을 향하는 고도(a22)를 동시에 맞추어 주어야 한다. 상기 방위각(a21)을 맞추는 방법은, 적경회전축(100)이 자오선(a24)이 통과하는 평면에 놓이도록, 적경회전축(100)을 지면에 투영하여 양끝이 각각 남쪽과 북쪽을 향하도록 하는 것이다. 도 7(a)에 도시한 하나의 기둥(520)을 사용한 실시예에서는 기둥(520)을 적절히 회전시켜서 방향을 맞추어 준다. 도 7(b)에 도시한 두 개의 기둥(520a, 520b)을 활용한 실시예에서는 각 기둥의 상대적 위치를 조절하여 방향을 맞추어 준다. It will be described with respect to the first step (S01) to adjust the direction of the right
상기 고도(a22)를 맞추는 방법은, 설치장소의 위도(a32)를 고려하여 적경회전축(100)과 지평면(a29)이 이루는 각도를 조절하는 것이다. 예를 들어, 북반구의 경우 북점(a26)으로부터 적경회전축(100)과 지면이 이루는 각도가 설치장소의 위도(a32)만큼 기울어지도록 설치하고, 남반구의 경우 남점(a25)으로 부터 적경회전축(100)과 지면이 이루는 각도를 설치장소의 위도(a32)만큼 기울여 준다. 따라서, 설치장소가 적도(a37)인 경우, 적경회전축(100)이 지평면(a29)과 평행하게 되고, 북극(a35) 또는 남극(a36) 에 설치하는 경우 적경회전축(100)이 기둥(520)과 같이 지평면(a29)으로부터 수직하게 세워지게 되며, 대한민국에 설치하는 경우 북점(a26)으로부터 약 37도, 남점(a25)으로 부터 천정을 지나 약 143도 정도 지평면(a29)으로부터 기울어지게 설치한다. 본 발명의 하나의 기둥(520)을 사용한 실시예에서는 기둥(520)에 고정된 적경회전지지대(530)를 적절히 기울여 줌으로써 적경회전축(100)의 고도(a22)를 조절할 수 있다. 본 발명의 두 개의 기둥(520a, 520b)을 가진 지지대(510)의 실시예에서는 길이 변경이 가능한 기둥(520a 또는 520b)의 높이를 조절하여 적경회전축(100)의 고도(a22)를 조절할 수 있다. The method of adjusting the altitude a22 is to adjust the angle formed between the right
적위회전축(300)의 각도를 절기(a40)에 따른 태양(a01)의 적위(a12)와 일치시키는 제2단계(S02)에 대해 자세히 설명하고자 한다. 본 발명의 태양추적장치(1000)를 초기 설치함에 있어서, 제1단계(S01)뿐 만 아니라 적위회전축(300)을 조절하는 제2단계(S02)를 올바르게 수행하여야 한다. 상기 제2단계(S02)는 절기(a40)에 따른 적도면(a17)과 황도(a18)의 간격, 즉 계절에 따른 태양(a01)의 적위(a12)에 따라 적위회전축(300)의 각도를 조절하는 것으로서, 결과적으로 집광장치거치대(550)의 각도를 변경하고 부착되는 집광장치(600)가 태양(a01)을 향하도록 맞추어 주게 된다. 수식 4에서 정리된 바와 같이, 태양(a01)의 적위(a12)는 춘분(a41) 때에 0도인 지점, 즉 천구(a19)의 적도면(a17)을 통과하여, 하지(a44)때 지구자전축의 기울기(a05)의 각도에 이르기까지 단조 증가한다. 하지(a44)에서 최대각도의 남중고도(a23)에 올랐다가 이후 다시 감소하여, 추분(a43)이 지나면 천구(a19)의 적도면(a17)을 지나 남반구에 머무르게 되는데, 동지(a44)때에 태양(a01)의 남중고도(a23)는 최소각도를 갖는다. 지구(a02)의 남반구에서는 계절의 변화가 북반구와 반대로 나타나고 측정상의 기준점이나 계절상의 절기(a40)가 달라지기 때문에, 이를 감안하여 본 발명이 제공하는 태양추적장치(1000)를 실시하여야 한다. The second step S02 of matching the angle of the declination axis of
본 발명의 태양추적장치(1000)를 구현함에 있어서, 커플링(430)을 구비하지 않은 경우에는, 적경회전축(100)을 계속 돌려주면서, 이와 연동하여 움직이는 적위회전축(300)의 각도가 절기(a40)에 따라 적절한 적위(a12)를 가지도록 조절한다. 적경회전축(100)이 약 365번 회전하는 동안 적위회전축(300)이 단지 한 주기의 운동을 하기 때문에, 적위회전축(300)을 조금만 움직이려고 해도, 적경회전축(100)을 많이 돌려주어야 하는 불편함이 따른다. 커플링(430)을 포함하는 본 발명의 태양추적장치(1000)의 경우, 적경회전축(100)과 적위회전축(300)의 구속을 즉시 해제하고, 적위회전축(300)을 독립적으로 조절할 수 있다. 즉, 적위구동기구부(400)의 동력전달축상에 설치된 커플링(430)을 풀게되면, 적경회전축(100)에 영향을 주지 않고 적위회전축(300)과 이에 부착된 집광장치거치대(550)의 각도를 자유롭게 조절할 수 있는 것이다.In the implementation of the
적위표시장치(460)가 구비된 본 발명의 태양추적장치(1000)의 경우, 별도의 측정장비가 없더라도 적위표시장치(460)의 적위눈금(462)을 통해 집광장치(600)가 향하는 천구(a19)상의 적위(a12)를 쉽게 알 수 있으며, 이를 참조하여 적위회전축(300)을 조절해 주면 된다. 절기표시장치(460)를 구비하면, 계절상의 절기(a40)에 따른 태양(a01)의 적위(a12)를 환산하고, 이에 따라 적위회전축(300)의 각도를 조절하는 불편함을 해소할 수 있다. 절기표시장치(460)를 포함하는 본 발명의 태양추적장치(1000)의 실시예에 있어서, 적위회전축(300)의 각도가 계절상의 절기(a40)로 환산되어 표시되기 때문에, 상기 적위회전축(300)의 각도를 태양(a01)의 적위(a12)와 비교할 필요 없이 절기눈금(472)을 읽어서 현재 시간상의 절기(a40)에 맞추어 주기만 하면 된다. 즉, 각도와 각도를 비교하는 것이 아니라, 시간과 시간을 비교하는 맞추어주는 방식을 사용하기 때문에 보다 직관적이다.In the case of the
상기 설명된 제1단계(S01)과 제2단계(S02)는 본 발명의 태양추적장치(1000)를 초기 설치함에 있어서 필수적인 운영단계에 대한 것이다. 이후 설명하는 제3단계(S03)와 제4단계(S04)는 본 발명의 태양추적장치(1000)의 초기 설치를 마치고 태양을 추적하는 과정에 있어서 필수적인 운영단계에 관한 것이다. The first step (S01) and the second step (S02) described above are for the essential operation step in the initial installation of the
적경회전구동장치(200)를 통해 적경회전축(100)을 구동하여 태양(a01)의 일주운동을 추적하는 제3단계(S03)에 대해 자세히 설명하고자 한다. 제1단계(S01)와 제2단계(S02)에 따라, 본 발명이 제공하는 태양추적장치(1000)의 초기 설치가 끝나면, 태양추적장치(1000)에 부착된 집광장치(600)가 매일 발생하는 태양(a01)의 일주운동을 따라 움직이도록, 태양추적장치(1000)를 구동하여야 한다. 일주운동을 추적하는 가장 단순한 방법은 미리 정해진 프로그램에 따라 아침의 특정시간에 동쪽의 특정각도에서 시작하여 적경회전축(100)을 지구가 자전하는 시간당 약 15도의 일정한 각속도로 구동하다가 저녁의 특정시간에 서쪽의 특정각도에서 멈추도록 하고, 야간에 동쪽으로 복귀하도록 한다. 이와 같이 시간에 기반한 프로그램에 의한 수동적추적방법은, 태양추적장치(1000)가 설치된 장소의 위도(a32) 및 경도(a31)의 데이터가 정확하고, 적경회전축(100)의 방향이 정밀하게 설치되면, 큰 오차 없이 태양(a01)을 정밀하게 추적할 수 있다. 시간에 기반한 프로그램을 운용함에 있어서, 또한 지구(a02)의 공전궤도가 정확한 원이 아니라 타원이기 때문에 근일점과 원일점에서의 공전속도의 차이로 인하여 최대 약 8분 정도 (각도로 환산하면 약 2.5도의 추적오차에 상응) 균시차가 발생할 수 있으므로, 케플러 법칙을 통해 평균태양시에서 균시차를 보정함으로써 보다 정밀한 프로그램을 운용할 수 있다. 다만, 상기 프로그램에 기반한 수동적 추적방법은 구동장치의 슬립현상과 같은 외부요인으로 인하여 오차가 발생한 경우 이에 대한 실시간 보정이 불가능한 단점을 가진다. 상기 수동적 추적방법의 단점을 보완하는 방법으로서 태양(a01)을 감지하는 센서를 구비하여 태양(a01)의 위치를 실시간으로 측정하고, 파악된 위치에 따라 적경회전축(100)을 구동하도록 할 수 있다. 이와 같이 센서에 기반한 능동적 추적방법의 경우, 기기의 고장과 같은 외부적인 문제가 발생하더라도, 실제 확인된 태양(a01)의 위치를 실시간으로 확인하여 작동하는 장점을 가진다. 반대로, 날씨의 영향이나 지나가는 장애물로 인하여 일시적으로 작동을 멈출 수 있으며, 진동에 취약하여 일정한 속도를 유지하지 못하고 가다서다를 반복하며 속도의 변화가 심한 단점이 발생할 수 있다. 가장 바람직한 방법은 두 가지 방법을 병용하여, 기본적으로는 미리 정해진 프로그램에 따라 관측지의 데이터에 기반하여 시간에 따라 태양추적장치(1000)를 운용하되, 센서를 사용하여 태양(a01)의 추적상태를 모니터링하고, 오차가 큰 경우 실시간으로 이를 보정하도록 할 수 있다. It will be described in detail with respect to the third step (S03) for tracking the circumferential movement of the sun (a01) by driving the right
적경회전구동장치(200)의 구동력의 일부를 적위구동기구부(400)를 통해 적위회전축(300)으로 전달하여 절기(a40)에 따른 태양(a01)의 남중고도(a23)의 변화를 추적하는 제4단계(S04)에 대해 자세히 설명하고자 한다. 제4단계(S04)는 제3단계(S03)에 의해 자동으로 발생하는 것으로서, 상기 제3단계(S03)에서 적경회전축(100)이 태양의 일주방향을 따라 회전하게 되면, 상기 적경회전축(100)의 회전각도는 적위구동기구부(400)를 통해서 적위회전축(300)에 전달되어 태양의 연주운동을 따라 상하로 왕복회동하게 된다. 이를 위해 적경회전구동장치(200)의 구동력전달경로의 한 지점에서 구동력을 추출하여, 설치된 적위구동기구부(400)를 통해 적위회전축(300)을 구동하도록 하는데, 적경회전축(100)이 한방향으로 연속회전하지 않는 경우에는, 원웨이클러치(450)을 사용하여 순수하게 태양(a01)의 일주운동을 추적하는 단방향 회전성분만을 선별적으로 전달하도록 한다. 적경회전축(100)이 태양(a01)의 일주운동을 추적하면서 1년동안 누적되는 회전량이 적위회전축(300)의 상하로 왕복회동하는 운동주기와 일치하도록 적위구동기구부(400)를 설계하게 되는데, 상기 적위구동기구부(400)의 적위감속기(410)의 출력축이 1년에 1회전하도록 감속비를 조절하면 기구부의 설계가 용이하다. 예를 들어 적위감속기(410)의 출력축에 크랭크(421)를 설치하고, 적위회전축(300)에는 태양의 연주운동에 따라 함께 상하로 회동하는 로커(422)를 설치하고, 4절링크를 구성하여 크랭크(421)가 1년에 1회전하게 되면, 로커(422)와 고정된 적위회전축(300)은 1년을 주기로 상하 왕복회동하게 된다. 이때 크랭크(421), 커넥팅로드(423), 로커(422)의 상대 길이 및 각 연결조인트의 위치를 조절할 수 있도록 하면, 4절링크의 운동범위를 변경하여 상하로 각각 지구자전축의 기울기(a05) 각도를 가지도록 조절하기가 용이하다. 본 발명에 따른 태양추적장치(1000)의 운영방법에 있어서, 기본적으로 제1단계(S01)에서 제4단계(S04)까지의 4단계 만으로 운영하는 것이 가능하다. 유지보수의 편의를 위하여 제5단계(S05) 또는 제6단계(S06) 또는 제7단계(S07)를 추가적으로 포함하여 운영할 수 있다Passing a part of the driving force of the right ascension
적위회전축(300)의 운동변위가 지구자전축의 기울기(a05)보다 작거나 큰 경우, 적위구동기구부(400)를 조절하여 적위회전축(300)의 운동변위를 변경하는 제5단계(S05)에 대해서 자세히 설명하고자 한다. 본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000) 에 있어서, 1년을 주기로 하는 적위회전축(300)의 상하 회동하는 운동변위가 지구자전축의 기울기(a05)보다 작거나 커지게 되면, 태양(a01)을 추적하는 오차가 커지게 된다. 적위회전축(300)의 운동변위는 적위구동기구부(400)의 기구적 구성에 따라 결정되는 값으로서, 적절한 범위를 가지도록 정밀하게 설계되어야 한다. 본 발명의 적위구동기구부(400)를 구현한 일 실시예에서는, 크랭크(421), 로커(422), 또는 커넥팅로드(423)의 조인트의 위치 및 링크의 길이를 조절하여 운동변위 및 구간별 속도를 조절하도록 하였다. 상기 링크의 길이 및 각 연결조인트의 위치를 조절하면, 적위회전축(300)의 운동변위 뿐 만 아니라 운동궤적, 구간속도 등을 비롯한 다양한 운전특성을 조절할 수 도 있다. 다만, 적위회전축(300)의 운동변위는 설치하는 위치나 주변환경에 따라 변경할 필요가 없는 것으로서, 지구상의 어디에 설치하든지 동일하게 운영되며, 조절할 상황이 자주 발생하는 것은 아니다.When the movement displacement of the
적위회전축(300)의 운동주기가 지구(a02)의 공전주기보다 길어지거나 짧아지는 경우, 감속비조절장치(440)를 조절하여 적위회전축(300)의 운동주기를 변경하는 제6단계(S06)에 대해 자세히 설명하고자 한다. 본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000)를 장시간 운영하다 보면, 적위회전축(300)의 운동주기가 태양(a01)의 연주운동의 주기보다 조금씩 빨라지거나 느려질 수 있다. 무엇보다, 설치하는 장소의 주변 지형지물과 같은 환경조건에 따라 하루 일주운동을 추적하는 적경회전축(100)의 회전범위를 조절게되는데, 이에 따라 적위구동기구부(400)의 감속비를 조절해 주어야 한다. 예를 들어, 해변가와 같이 주변이 트인 곳에서는 하루 최대 180도까지 운동하게 되고, 산간지방의 경우에는 주변에 장애물이 많아서 일출시간이 늦어지고 일몰시간은 빨라지기 때문에 하루 회전량이 줄어든다. 이와 같이 적경회전축(100)의 회전량이 지역에 따라 달라지더라도, 적위회전축(300)이 태양(S01)의 연주운동을 추적하기위해서 하루 움직여야 하는 회전각도는 수식4에 명시된 바와 같이 변함이 없기 때문에, 설치하는 장소의 환경을 고려한 적경회전축(100)의 가동범위에 따라 적위구동기구부(400)의 감속비를 조절해 주어야 한다. 본 발명의 태양추적장치(1000)을 운영하면서 적위회전축(300)의 상하로 회동운동하는 주기가 지구의 실제 공전주기보다 짧아지는 것은, 적위구동기구부(400)의 감속비가 부족한 것이므로, 감속비를 증가시키도록 한다. 적위회전축(300)의 운동주기가 지구의 실제 공전주기보다 길어지는 것은, 감속비가 큰 것이므로, 감속비를 감소시키도록 한다. 적위표시장치(460) 또는 절기표시장치(470)을 구비한 경우 이를 참조하면 상기 운동주기의 오차를 확인하는 것이 용이하다. 주기적으로 적위회전축(300)의 운동주기를 확인하고, 오차가 발생하는 경우 상기 적위구동기구부(400)의 감속비를 적절하게 가감하도록 조절하여 해소하도록 한다. 적위구동기구부(400)의 감속비가 고정된 경우, 적위회전축(300)의 운동주기를 변경하는 것이 불편하기 때문에, 본 발명에서는 감속비조절장치(440)를 부착하는 것을 권장하였다. When the movement period of the
적위회전축(300)의 각도가 태양(a01)의 적위(a12)와 차이가 큰 경우, 커플링(430)을 해제하고 적위회전축(300)의 각도를 재설정하는 제7단계(S07)를 자세히 설명하고자 한다. 본 발명에서 제공하는 태양추적장치(1000)를 장시간 운영하게 되면, 적위회전축(300)의 운동변위 또는 운동주기에 있어서 오차가 발생할 수 있으며, 이러한 경우 상기 설명된 제5단계(S05) 또는 제6단계(S06)에서 제시된 방법으로 추후 발생하는 오차를 줄이도록 한다. 그러나 이미 누적된 오차가 그대로 남아있기 때문에, 이를 해소하기 위한 추가적인 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 적위회전축(300)이 태양(a01)의 적위(a12)를 추적하면서 누적된 오차를 해소하기 위해서는, 제2단계(S02)와 유사한 방법으로, 먼저 커플링(430)을 해제하고, 적위회전축(300)을 독립적으로 회전시켜 누적된 오차를 해소하고, 다시 커플링(430)을 연결함로써 적위회전축(300)이 적경회전축(100)과 연동하여 움직이도록 구속한다. If the angle of the declination axis of
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