KR20090114848A - 노즐을 이용한 태양광 발전 설비 유지 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 모듈의 발전효율을 유지하기 위한 세척, 냉각 및 제설 작업을 수행하는 무인자동화 장치에 관한 것으로, 특히 태양광 모듈 표면에 수압에 의해 물이 분사되는 노즐들이 여러 개 부착된 막대가 태양광 모듈 표면 위에서 직선 왕복 이동하며, 동시에 노즐에서 분사된 물이 태양광 모듈 표면을 세척, 냉각 및 제설하는 작용을 하는 것을 특징으로 하는 구조를 제공한다.
태양광 발전 설비는 장시간 외부 환경에 노출되면서 비산먼지, 조류 분비물, 황사 및 기타 오염물질에 의해 집광량이 감소하게 된다. 또한 태양광 집광에 의한 태양광 모듈의 온도상승은 출력저하 현상을 불러일으킨다. 그리고 동절기의 강설에 의한 태양광 발전 모듈 표면의 적설은 태양광 발전 출력의 감소에 직접적인 영향을 준다. 최근의 태양광 발전 설비는 무인화, 대형화되는 추세이며, 전력생산을 위해 비교적 대면적의 태양광 모듈의 설치가 필수적이므로, 설치장소가 주로 지붕이나, 건물벽, 주차장 지붕과 같은 사람의 접근이 힘든 장소가 선택되고 있다.
본 발명은 상기 문제점들에 기인한 태양광 발전 설비의 출력저하를 완화하여 발전량을 상승시키고, 무인 자동화 운전을 통한 유지비 절감을 제공하는 태양광 발전 설비 유지장치를 제공한다.
태양광 모듈, 세척, 냉각, 제설, 노즐
Description
본 발명은 태양광 모듈의 발전효율을 유지하기 위한 세척, 냉각 및 제설 작업을 수행하는 무인자동화 장치에 관한 것으로, 특히 태양광 모듈 표면에 수압에 의해 물이 분사되는 노즐들이 여러 개 부착된 막대가 태양광 모듈 표면 위에서 직선 왕복 이동하며, 동시에 노즐에서 분사된 물이 태양광 모듈 표면을 세척, 냉각 및 제설하는 작용을 하는 것을 특징으로 하는 구조를 제공한다.
태양광 발전이란, 태양 빛을 솔라셀{Solar Cell} 또는 태양광 모듈{Photovoltaic module}에 집광시켜 전기를 발생시키는 것을 말한다. 태양광 모듈은 태양광 전지{Solar Cell}의 집합체로 태양광 모듈이 모여서 태양광 어레이{Solar Array})를 이루며, 일반형, 창호형, 추적형, 하이브리드형(다른 청정 에너지 발전수단과 병행된 타입)등이 존재한다. 이러한 태양광 모듈을 이용한 태양광 발전 원리는 광기전력 효과{Photovoltaic effect}를 이용한 것으로, 실리콘 결정 위에 n형 도핑을 하여 p-n접합을 한 태양 전지판에 태양광을 조사하면 광 에너지에 의해 전자-정공에 의한 기전력이 발생하게 되는 것을 광기전력 효과라고 한다. 예컨대, 외부에서 빛이 태양광 모듈에 입사되었을 때, p형 반도체의 전도대(conduction band)의 전자(electron)가 입사된 광에너지에 의해 가전자대(valance band)로 여기되고, 이렇기 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공쌍(EHP:electron hole pair)를 형성하게 되며, 이렇게 발생된 전자-정공쌍 중 전자는 p-n 접합 사이에 존재하는 전기장(electron field)에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다. 이러한 광기전력 효과는 온도에 반비례한다. [문헌 1] Joseph. J. W. and Paul R., 1960, Vol.31, J. of Appiled Physics, 571-578쪽.
태양광은 화석원료를 바탕으로 하는 기존 에너지원과는 달리 지구 온난화를 유발하는 온실가스 배출, 소음, 환경파괴 등의 위험성을 초래하지 않는 청정 에너지원이며 무궁무진한 태양광을 바탕으로하기 때문에 고갈의 염려도 없다. 태양에너지의 이용 가능량은 2005년 기준 전 세계 연간 에너지 소요량의 2,890배이며 입지조건이 여타 풍력이나 해수력과 달리 설치가 자유롭고 유지비용이 저렴하다. 또한 기술혁신에 따른 원가절감과 효율성 제고로 발전단가가 1990년대 초반에 비해 2008년 현재 1/3 이상 발전단가가 하락하였고, 향후 박막형 태양전지 등의 기술개발로 발전단가는 더욱 하락할 것으로 예측된다. 따라서 부존자원이 빈약한 우리나라에서는 자원안보와 대체에너지 개발 관점에서 적극적으로 확산시키려는 노력이 최근 일어나고 있다.
태양광 발전기술은 실리콘 소재공정과 태양전지를 만드는 셀, 모듈 제작공정, 태양전원을 교류로 바꾸거나 저장하는 전력계통 관련 기술, 태양광 발전 시스템을 시공하고 유지,보수하는 설치,서비스 기술로 분류된다. 관련기술 세계시장의 규모는 설치,서비스 기술시장이 2005년 기준 44억달러로 39.3%의 비중으로 가장 크지만, 기술 진입 장벽이 낮아서 영업이익률이 상대적으로 작다. 반면 소재시장은 2005년 기준 17억달러로 15.2%의 비중을 차지하지만 영업이익률이 높다. 따라서 태양광 발전설비 설치, 서비스 시장은 자동화, 고효율화 등을 통한 기술개발을 통해 고부가가치화가 절실한 상황이다.
태양광 발전 설비는 장시간 외부 환경에 노출되면서 비산먼지, 조류 분비물, 황사 및 기타 오염물질에 의해 집광량이 감소하게 된다. 또한 태양광 집광에 의한 태양광 모듈의 온도상승은 출력저하 현상을 불러일으킨다. 그리고 동절기 강설에 의한 태양광 발전 모듈 표면에의 적설은 태양광 발전 출력 감소에 직접적인 영향을 준다. 최근의 태양광 발전 설비는 무인화, 대형화되는 추세이며, 전력생산을 위해 대면적 태양광 모듈의 설치가 필수적이므로, 설치장소가 주로 지붕이나, 건물벽, 주차장 지붕과 같은 사람의 접근이 힘든 장소로 결정되고 있다.
태양광 발전의 특성상, 태양광 발전량은 계절별 집광량과 평균온도에 따라 변동성을 갖는다. 태양광 집광량이 최대인 하절기에 과다 일사량에 의한 태양광 모듈 과열로 인해 최대치 대비 2~30%의 발전효율 저하가 발생하며, 태양광 발전량은 집광량이 많은 하절기 보다는 봄, 가을에 최고치를 갖는다. 이와 같이 과열로 인해 전력수요가 많은 하절기에 오히려 태양광 발전량이 줄어드는 문제는 태양광 발전의 잇점을 감소시키는 요인이다.
현재 일반적으로 쓰이는 태양광 발전 모듈의 효율은 약 15~16%의 범위를 갖는다. 발전효율은 태양광 발전의 경제성을 결정짓는 가장 중요한 요인으로써, 설비유지 장치를 통한 지속적인 발전효율의 유지는 필수적이다.
태양광 발전 설비 유지를 위한 기존 무인자동화 기술들은 주로 세척과 냉각에 초점이 맞춰져 있다. 종래의 태양광 모듈에 대한 세척에 관련된 기술은 세척액을 태양광 모듈의 경사를 이용하여 태양광 모듈의 표면으로 흘러내려 보내면서 동시에 고정되있거나 회전하는 브러쉬를 이용하여 태양광 모듈 표면의 오염물질을 물리적으로 제거하는 방법이 주를 이룬다. 종래의 태양광 모듈에 대한 냉각에 관련된 기술은 태양광 모듈에 냉각수를 태양광 모듈의 경사를 이용하여 태양광 모듈의 표면으로 흘러내려 주거나, 공중을 향해 냉각수를 발사하여 태양광 모듈 표면에 뿌려줌으로써 증발에 의한 잠열을 통해 냉각시키는 방법이 제안되었다. 또한 태양광 모듈에 대한 냉각에 관련하여, 태양광 모듈에 방열구조 내 냉매를 주입하여 태양광 모듈의 방열을 강화한 방법도 제안되었다. [문헌 2] DE 20 2006 00. 697 (Schulz) 2006.06.08, [문헌 3] DE 100 13 989 A 1 (Neumann) 2000.3.23, [문헌 4] KR 20-2007-0001305 (김경숙,김인찬) 2007.12.20 [문헌 5] DE 10 2005 007 200 A1 (Baumgartner, Hans) 2006.8.17,[문헌 6] JP 2002-273351,2002.9.24,
그러나 이러한 종래의 기술들은 세척과 냉각 또는 제설을 동시에 수행할 수 없어 각각에 대해 별도의 기술을 적용해야 하는 단점이 존재한다. 태양광 모듈의 세척에 있어서, 기존의 브러쉬를 이용하는 방법은 장기간 운전시 태양광 모듈 표면에 스크레치를 남겨서 집광량을 훼손할 수 있는 가능성이 상대적으로 크다. 또한 거친 외부환경에서 장시간 운전시, 브러쉬의 마모와 브러쉬를 구동하는 구동부의 내구성이 문제가 될 수 있다. 태양광 모듈의 냉각에 있어서, 태양광 모듈 표면으로 중력을 이용해 단순히 냉각수를 흘리는 기존 방법은 태양광 모듈의 각도와 태양광 모듈 표면 조건에 따라 태양광 모듈 전체에 대한 고른 냉각이 어렵다. 또한 냉각수를 공중으로 흩뿌려주는 기존의 방법은 세척과 냉각을 동시에 가능하지만, 풍량이 일정 수준 이상일 때면, 태양광 모듈 전체에 대한 살수가 어렵고, 태양광 모듈에 대한 세척효과가 상대적으로 미약하며, 제설에 대한 기능을 기대할 수 없다. 마찬가지로 태양광 모듈에 냉매를 주입한 방열구조를 갖는 기술의 경우, 세척효과는 기대할 수 없으며, 대면적 태양광 모듈에 따른 다량의 냉매는 누설과 폐기시 환경오염 문제를 야기한다.
본 발명은 수압에 의해 물 또는 물을 분사하는 하나의 노즐(20) 또는 하나 이상의 노즐(20)들이 고정된 노즐 고정 막대(21)가 태양광 모듈(10) 위를 이동하며 태양광 모듈(10)의 표면으로 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치를 제공한다.
본 발명은 상기 노즐 고정 막대(21)가 태양광 모듈(10)의 끝단으로 이동하게 되면 스위치(30)를 접촉하여 전기신호를 발생시켜 구동부의 회전 방향을 반대로 전환하여, 상기 노즐 고정 막대(21)가 왕복 이동할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치를 제공한다.
본 발명은 도 4를 참조하여, 전기 또는 수압으로 구동되는 구동모터(44)가 스위치(30)로부터 전기 신호를 받아 회전방향을 바꿀 수 있으며, 벨트 또는 체인(42)에 축바퀴 또는 축톱니바퀴(40)로 동력이 전달되어 상기 벨트 또는 체인(42)에 고정 연결된 상기 노즐 고정 막대(21)가 태양광 모듈(10) 위로 왕복이동 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치를 제공한다.
본 발명은 도 5를 참조하여, 상기 노즐 고정 막대(21)에 고정 연결된 서보 모터가 스위치(30)로부터 전기 신호를 받아 회전방향을 바꿀 수 있으며, 벨트 또는 체인(42)을 따라 상기 노즐 고정 막대(21)가 태양광 모듈(10) 위로 왕복이동 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치를 제공한다.
본 발명은 상기 노즐(20)에서 분사된 물이 태양광 모듈(10)의 표면에 부딪히고 난 후, 흘러내리는 오수를 수집하여 처리할 수 있도록 구배를 갖는 연결된 물받이를 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치를 제공한다.
본 발명은 상기 노즐(20)의 물 분사 방향이 수평(0o)에서 -90 o 의 범위를 갖음으로써, 물 분사제트에 의한 제설이 용이하게 한 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치를 제공한다.
본 발명을 통해서 태양광 모듈의 오염, 과열, 적설의 발전출력 저하 요인들을 제거 또는 완화함으로써, 태양광 모듈의 발전효율을 높게 유지하는 장치를 제공한다. 수압을 이용해 노즐을 통하여 분사된 물은 태양광 모듈 표면으로 직접 충돌 하여 태양광 모듈 표면의 오물을 제거하고, 태양광 모듈을 냉각시키며, 적설시 눈을 불어내거나 녹일 수 있다.
본 발명은 고압의 물을 분사함으로써 기존의 방식에 비해 태양광 표면의 손상이 상대적으로 적으며, 물의 충돌제트에 의한 세척, 냉각효과가 뛰어나고, 물의 충돌제트에 의한 운동량을 이용한 제설작용까지 가능하다. 본 발명의 물 분사 노즐은 태양광 모듈 표면 전체에 물을 분사할 수 있으므로 풍량이나 태양광 모듈의 설치각도에 상관없는 고른 세척, 냉각, 제설 작용이 가능한 장점이 있다. 또한 본 발명장치는 기존 기술에 비해 구동부가 단순하여 고장의 염려가 적고, 내구성이 상대적으로 높아 장시간 무인 자동화 운전에 유리하다.
본 발명은 장기간 외부환경에 노출되어 일정 수준 이상의 발전효율을 유지해야 하는 태양광 발전 설비에 있어서, 무인 자동화 세척, 냉각, 제설 장치를 제공하여 태양광 발전 출력을 향상시키고, 계절과 온도, 일기상황 및 기타 오염에 대한 발전 출력 감소를 완화시키고, 유지관리 비용을 낮추게 하여 태양광 발전 설비의 경쟁력을 재고하는데 도움이 될 것으로 기대한다. 덧붙여 본 발명은 대면적화, 무인화 되어가고, 사람이 접근하기 힘든 장소로 확산되어 가는 태양광 발전 설비의 추세에 따른 무인 자동화 설비 유지 장치의 산업상 요구에도 잘 부합할 것으로 생각된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하 여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 노즐(20)을 이용한 태양광 발전 설비 유지장치의 구성은 도 1에서 나타내고 있는 바와 같다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 모듈(10) 어레이과 본 발명장치를 함께 도시한 사시도이다. 도 2는 태양광 모듈(10) 어레이와 본 발명장치를 함께 도시한 정면도이다.
상기 도 1과 도 2를 참조하면, 수압에 의해 노즐 연결관(22)을 통해 공급된 물이 노즐 고정 막대(21)에 고정된 노즐(20)을 통해 태양광 모듈(10)의 표면 위로 분사된다. 이 때, 노즐 고정 막대(21)는 구동부의 동력에 의해 틀(51)에 설치된 벨트 또는 체인(42)을 따라 이동하게 된다. 노즐 고정 막대(21)의 이동에 따라 노즐(20)에 의한 물 분사 면적은 태양광 모듈(10)의 표면 전체 면적을 포함해 나가게 된다. 이동하던 노즐 고정 막대(21)가 태양광 모듈(10)의 끝부분에 이르게 되어 스위치(30)가 작동되면, 스위치(30)에서 전기신호가 발생하여 구동부의 동력전달 방향이 반대로 바뀌어 노즐 고정 막대(21)가 반대 방향으로 이동하게 된다. 반대 방향으로 이동하는 노즐 고정 막대(21)는 태양광 모듈(10)의 반대 끝 부분에 이르게 되어 스위치(30)가 작동하게 되며, 스위치(30)에서 전기신호가 발생하여 구동부의 동력전달 방향이 반대로 바뀌어 노즐 고정 막대(21)가 다시 정방향으로 이동하게 된다. 이와 같은 동작이 반복되면서, 노즐 고정 막대(21)는 벨트 또는 체인(42)을 따라 왕복 이동을 하게 되며, 이러한 왕복 이동 동작과 함께 노즐(20)에서는 태양광 모듈(10) 표면 위로 수압을 갖는 물을 분사시키게 된다.
도 4는 본 발명장치의 구동방식 중 하나를 나타낸 개념도이다. 도 5는 본 발명장치의 구동방식 중 다른 하나를 나타낸 개념도이다.
본 발명은 노즐 고정 막대(21)가 구동되는 방법은 두 가지를 제시하는데, 상기 도 1과 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 첫째는 전기 또는 수압으로 구동되는 회전 모터(44)로부터 축바퀴 또는 축톱니바퀴(40)로 동력을 전달 받아 노즐 고정 막대(21)가 연결된 벨트 또는 체인(42)을 이동시키는 방법이다. 이 경우에는 스위치(30)가 틀(51)에 설치되는 것이 작동에 용이하다.
두 번째는 노즐 고정 막대(21)에 서보모터와 스위치(30)가 직접 연결되어 틀(51)에 설치된 벨트 또는 체인(42)을 따라 상기 노즐 고정 막대(21), 서보모터 그리고 스위치(30)가 모두 함께 왕복 이동하는 방식이다.
노즐(20)로부터 분사된 물은 태양광 모듈(10)의 세척, 냉각 또는 제설 작업을 수행하게 되고 이후 태양광 모듈(10) 밑에 장착된 물받이(50)를 통해 모여져 배출되게 된다.
도 1은 본 발명장치와 태양광 모듈(10) 어레이를 함께 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명장치 태양광 모듈(10) 어레이를 함께 도시한 정면도이다.
도 3은 본 발명장치 태양광 모듈(10) 어레이를 함께 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명장치의 구동방식 중 하나를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명장치의 구동방식 중 다른 하나를 나타낸 개념도이다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 태양광 모듈{solar photovoltaic cell module}
11: 태양광 모듈 지지대{solar photovoltaic cell module support}
20: 노즐{nozzle}
21: 노즐 고정 막대{bar with nozzles}
22: 노즐 연결 관{horse to the nozzles}
30: 스위치{switch}
40: 축바퀴 또는 축톱니바퀴{wheel with axis or toothed wheel with axis}
41: 바퀴 또는 톱니바퀴{wheel or toothed wheel
42: 벨트 또는 체인{belt or chain}
43: 축{axis}
44: 구동모터{rotating motor}
50: 물받이{water collector}
51: 틀{frame}
Claims (6)
- 수압에 의해 물을 분사하는 하나의 노즐(20) 또는 하나 이상의 노즐(20)들이 고정된 노즐 고정 막대(21)가 태양광 모듈(10) 위를 이동하며 태양광 모듈(10)의 표면으로 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
- 제 1항에 있어서,상기 노즐 고정 막대(21)가 태양광 모듈(10)의 끝단으로 이동하게 되면 스위치(30)를 접촉하여 전기신호를 발생시켜 구동부의 회전 방향을 반대로 전환하여, 상기 노즐 고정 막대(21)가 왕복 이동할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
- 제 1항에 있어서,도 4를 참조하여, 전기 또는 수압으로 구동되는 구동모터(44)가 스위치(30)로부터 전기 신호를 받아 회전방향을 바꿀 수 있으며, 벨트 또는 체인(42)에 축바퀴 또는 축톱니바퀴(40)로 동력이 전달되어 상기 벨트 또는 체인(42)에 고정 연결된 상기 노즐 고정 막대(21)가 태양광 모듈(10) 위로 왕복이동 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
- 제 1항에 있어서,도 5를 참조하여, 상기 노즐 고정 막대(21)에 고정 연결된 서보 모터가 스위치(30)로부터 전기 신호를 받아 회전방향을 바꿀 수 있으며, 벨트 또는 체인(42)을 따라 상기 노즐 고정 막대(21)가 태양광 모듈(10) 위로 왕복이동 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
- 상기 노즐(20)에서 분사된 물이 태양광 모듈(10)의 표면에 부딪히고 난 후, 흘러내리는 오수를 수집하여 처리할 수 있도록 구배를 갖는 연결된 물받이를 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치
- 상기 노즐(20)의 물 분사 방향이 수평(0o)에서 -90 o 의 범위를 갖음으로써, 물 분사제트에 의한 제설이 용이하게 한 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비 유지장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020080040703A KR20090114848A (ko) | 2008-04-30 | 2008-04-30 | 노즐을 이용한 태양광 발전 설비 유지 장치 |
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|---|---|
| KR20090114848A true KR20090114848A (ko) | 2009-11-04 |
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ID=41556047
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-
2008
- 2008-04-30 KR KR1020080040703A patent/KR20090114848A/ko not_active Application Discontinuation
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