KR20070092695A - 무선 통신을 이용한 태양광 집열판 위치제어 시스템 구현방법 - Google Patents

Abstract

현재 지구온난화에 따른 온실가스감축 등이 전 지구의 최대 현안으로 떠오른 가운데, 자체적으로는 공해문제 해결 등 대안으로 신 재생에너지가 부각되고 있으며 향후 우리의 미래를 대비하기 위해서는 태양에너지 등 무한한 에너지원을 어떻게 하면 잘 활용할 것인가에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이에 본 발명은 태양열을 집열 하여 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산해내는 시스템에 있어 태양열의 집열판을 효과적으로 제어하여 같은 시간대에 보다 효율적인 집열을 할 수 있어 전력생산을 극대화할 수 있는 제어시스템을 구현하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 무선 통신을 이용한 태양광 집열판 위치제어 시스템 구현을 하기 위하여 서브 제어시스템과 메인 제어시스템 및 집열판제어를 위한 모터로 구성되어 있으며 메인 제어시스템에서 명령을 무선으로 송신하면 이 명령을 서브 제어시스템에서 수신하여 그 명령을 해석하고 모터를 구동하던가 서브제어시스템에 부착된 각도 센서 및 그림자 센서를 구동하여 집열판의 위치 제어에 필요한 정보를 수집할 수 있게 구성되어 있다. 특히 여기서 집열판을 설치시에 앞쪽의 집열판이 뒷쪽의 집열판을 가리게 되어 그림자를 형성하게 되는데 이로 인하여 뒤쪽의 집열판의 집열 효과가 반감되는 경우가 생겨 이를 보완 하기 위하여 뒤쪽의 집열판에 그림자 센서를 설치하여 앞의 집열판에 최소한의 영향을 받게 하는 것이 이 제어 시스템의 특징이라 할 수 있다.

태양광,집열판제어,위치제어,각도제어,무선 통신

Description

무선 통신을 이용한 태양광 집열판 위치제어 시스템 구현 방법{The system realization method for the location control of solar panel by using wireless communication }

본 발명은 무선 통신을 이용한 제어 시스템을 기초로 두고 있으며 그 항목을 세부적으로 나누면 무선통신기술과 임베디드 제어기술로 나누어질 수 있다.

무선통신기술은 최근 급속도로 발전하고 있는 휴대폰 기술과 그 맥락을 같이하고 있으며 또한 무선통신 분야인 IEEE801.11a의 통신규약을 따르고 있다.

그리고 임베디드 시스템의 경우 End-User에 맞게 시스템을 설계 제어할 수 있는 시스템을 총칭하여 사용하므로 그 기술은 전자 분야에 바탕을 두고 있다.

그리고 이 두 가지 기술을 접목시켜 USN(Ubiquitous Sensor Network)기반하에서 각종 센서를 제어할 수 있는 시스템을 구축하기 위한 방법 중에 하나이다.

본 발명은 기존의 시스템들이 유선을 통하여 제어되고 있으며 이로 인하여 제어상의 문제 및 설치에 관련된 문제가 발생 됨과 동시에 전자기술의 발전으로 무선소자들이 발달함에 따라 이들을 시스템에 접목시킬 수 있는 환경이 조성되고 있다.

또한 각종 센서소자들의 발전으로 기존의 아날로그 환경에서 제어해왔던 기술들이 디지털 제어 세계로 넘어오면서 더 세밀하고 정밀한 제어 기술을 요구하게 되었다.

본 발명은 이런 시대적 요구와 상업적인 결합을 통하여 USN기반에서의 적절한 솔루션을 구축하는데 그 배경이 있다고 할 수 있다.

본 발명은 기존에 태양열 제어시스템들은 태양광을 따라 집열판을 이동하며 태양광을 집열하여 왔다. 이로 인하여 집열판의 설치문제상 앞쪽에 설치된 집열판이 뒤쪽에 설치된 집열판에 영향을 주어 뒤쪽의 집열판이 집열 효과가 그리 좋지 않은 문제가 발생하였다. 또한 설치시에 여러 가닥의 제어용 신호선이 설치되어 작업 및 안전성에도 문제가 발생하였다. 뿐만 아니라 태양이 구름에 가리거나 비가 오는 날 등과 같이 태양광을 집열 하는데 천재지변이 있는 경우에도 집열을 해야 하나 태양과는 관계없이 집열판이 이동하여 집열 효과를 보지 못하는 경우가 발생한다.

상기의 문제들처럼 앞쪽의 집열판과 뒤쪽의 집열판을 효과적으로 제어 함으로써 상기의 문제를 해결할 수 있으며 또한 기존의 유선방식을 무선 통신의 제어 방식으로 해결하여 설치할 때의 문제와 안전문제를 해결할 수 있고 정확한 태양위치를 파악하여 비가 오는 날에도 태양광을 채집하는데 큰 효과를 볼 수 있어 상기의 문제점을 해결하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 메인 제어시스템과 서브 제어시스템 사이에 무선RF통신을 이용하여 제어 신호를 송수신하며 그림자센서를 이용하여 앞쪽의 집열판과 뒷쪽의 집열판을 제어하여 집열 효과를 극대화하고 각도 센서를 이용하여 정확한 태양광의 일사 각도를 검출하며 집열판을 제어함으로써 태양광을 효과적으로 채집하는데 그 특징 이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 무선 통신을 이용한 태양광 집열판 위치제어 시스템 구현 방법을 사용하면 다름과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 태양광 센서 및 각도 센서를 이용하여 태양을 추적하며 태양광을 채집하여 신재생에너지의 효율적인 채집을 향상시킬 수 있어 전력생산에 큰 효과를 볼 수 있다.

둘째, 시간대별로 태양의 정확한 위치를 파악하여 태양광 집열판을 제어하며 태양광을 추적함으로써 태양광의 채집을 극대화할 수 있다.

셋째, 태양광 집열판의 설치시에 나타날 수 있는 그림자 문제를 해결함으로써 설치 면적 대비 전력생산의 효율을 증가시킬 수 있다.

넷째, 무선RF모뎀을 사용하여 각각의 서브제어시스템과 메인제어시스템과의 통신을 구현함으로써 설치 작업상 및 유지보수상의 문제를 간단하게 해결하였다.

상기의 발명을 달성하기 위하여 크게 두 가지 제어시스템을 구축하여야 한다. 그 분류로는 크게 메인 제어 시스템과 서브 제어시스템으로 나누어지며 첫 번째로 메인제어시스템을 설명하자면 태양광 집열판이 설치된 지면의 현재 위도와 경도를 알기 위하여 GPS(Global Positioning System)수신기(203)을 사용하여 현재의 위도와 경도를 알아낸다. GPS수신기는 지구주위를 공전하며 군사적 기상적인 정보 및 위치정보를 인공위성에서 수신하여 상대적 위치를 파악하는 장치이다.

이로써 현재 설치되어 있는 태양광 집열판의 위치의 좌표를 파악하여 좌표로 획득할 수 있다.

그리고 이 획득한 좌표를 바탕으로 Main CPU(201)는 태양과 집열판과의 상대적 위치의 거리를 파악하여 획득할 수 있다. 이 거리 데이터는 일조량에 관련된 데이터로 그 거리에 따라 태양의 이동 거리를 추측할 수 있다.

그리고 이 거리 데이터는 서브 제어시스템의 초기데이터 및 집열판의 이동방향의 기준점이 된다. 이를 위하여 메인제어시스템은(200) 메인 제어시스템(200) 안에 내장되어 있는 무선RF모뎀(207)을 통하여 이 거리 데이터를 각각의 서브제어시스템으로 송신한다.

그리고 메인 제어시스템 안에 내장되어 있는 RTC(Real-Time Clock)(208)와 Display 및 버튼(204)을 통하여 현재의 년,월,일,시,분을 수정하여 저장하다. RTC(208)는 현재의 날짜 및 시간을 기록하는 장치로 태양광이 시간에 따라 이동하는 통계자료와 비교하며 집열판의 위치를 이동하는 수단이 되며 또한 서브 제어시 스템 안에 내장되어 있는 RTC(109)의 기준이 되는 날짜데이터이다.

이 또한 메인제어시스템(200) 안에 내장되어 있는 무선RF모뎀(207)을 사용하여 서브제어시스템으로 송신하게 된다. 여기서 메인제어시스템(200)과 서브제어시스템이(100) 매일 일출시에 상기에서 서술한 2가지 데이터를 송신하며 초기화 작업을 자동으로 실행한다.

그리고 여러 대의 서브시스템이 1대의 메인 제어시스템과 통신하기 때문에 각각의 서브제어시스템 중에 오동작이나 서브시스템에 이상이 있는지를 파악하기 위하여 서브시스템에 주기적으로 자신들의 고유ID를 송신하게 하여 서브시스템의 이상 유무를 파악하게 한다.

메인제어시스템에는 풍압과 풍속센서(202)가 내장되어 있어 장마철이나 폭우 및 기상이변에 따른 돌풍이 발생하여 태양광 집열판에 영향을 줄 수 있어 그 수위가 설정 값 이상이 될 경우 태양광의 집열판을 일자로 세우게 서브시스템에 무선RF모뎀(207)을 통하여 명령을 전송하여 바람의 영향을 최소한으로 받게 한다.

그리고 메인제어시스템(200)에는 서브제어시스템(100)에서 전송되는 고화질의 디지털 영상을 무선RF모뎀을 통하여 수신되면 이를 영상압축 신장기(206)를 통하여 압축을 풀고 이를 다시 인코더(205)를 거쳐 display화면(204)에 나타내어 준다. 이로써 원격지에서도 시스템의 상황을 감시할 수 있다.

그리고 상기에서 획득한 정보들을 PC인터페이스(210)를 통하여 PC로 전송하여 그 정보들을 기록 보관하게 되며 이 정보들은 다시 인터넷망을 통하여 전세계로 전송되게 된다.

두 번째로 서브제어시스템(100)은 집열판의 위치를 직접제어하며 태양광에 따른 궤적이동에 관한 제어 및 앞쪽의 집열판이 뒤쪽의 집열판에 영향을 주는지를 감시하며 그 위치제어에 관련된 역할을 담당한다.

그 구성으로는 각도센서(102)와 그림자센서(103) 태양광 센서(105),RTC(109) 및 모터 제어회로(104) 등이 장착되어 각종의 정보를 수집하여 메인제어시스템(200)으로 전송하게 된다.

서브제어시스템(200)은 현재의 위도와 경도에 관련된 정보를 메인제어시스템에서 무선RF모뎀(110)을 통하여 수신받아 현재의 위치를 저장하고 그리고 또한 상대적인 환산된 거리를 수신받아 다시 각각의 위치에 맞는 상대거리를 환산하여 기록 저장하게 된다.

여기서 각각의 서브제어시스템(100)의 위도와 경도는 메인제어시스템(200)에서 수신된 정보를 바탕으로 설치시의 상대적 거리를 참조하여 다시 그 좌표를 획득하게 된다.

이 획득한 정보를 바탕으로 일출시에 태양의 상대적 위치를 파악하여 태양광을 추적하게 되는데 여기서 태양의 궤적은 첫 번째로 태양광 센서(105)를 통하여 현재의 태양광에 최대 발광 값을 중심으로 태양의 위치를 검출하고 두 번째로 RTC(109)를 통하여 통계적인 시간대별 태양의 위치를 환산하여 태양의 위치를 계산하게 된다. 여기서 태양광을 추적하는 태양광센서는 포토TR로 구성되어 있으며 이 포터TR에서 태양광과 일직선상에 있을 때의 값을 최댓값으로 맞춰 태양광의 위치를 찾게하고 태양광의 통계적인 데이터는 기상청에서 연중 통계자료를 이용하여 미리 시스템메모리(111)에 저장하여 그 정보를 참조하게 된다.

또한 시간대별로 태양의 이동에 따라 각도센서(102)를 이용하여 현재의 각도와 비교하며 태양광 집열판을 이동시킨다.

각도센서는 두 개의 마그네틱 소자로 구성되어 있으며 이 소자가 기울어지면 일정한 값이 나오게 되는데 이를 이용하여 각의 기울기의 값을 획득할 수 있다.

또한 이동은 모터제어회로(104)에서 출력되는 신호를 바탕으로 집열판에 장착된 모터를 구동하게 된다.

여기서 만약 앞쪽의 집열판이 뒤쪽의 집열판에 그림자에 의해 영향을 주면 그림자 센서로(103)가 감지되어 뒤쪽의 집열판이 이동시에 그 범위만큼 더 이동하여 그림자의 영향을 피하게 된다.

조금 자세히 설명하자면 오전10시 현재 태양의 위치는 지평선을 기준으로 30도 위쪽에 있을 경우 앞쪽의 집열판은 30도 방향으로 이동하지만 뒤쪽의 집열판은 앞쪽의 집열판의 영향을 받아 그림자가 형성하게 되어 그림자 분 만큼 더 위쪽 방향으로 이동하게 된다. 그러나 정오 12시를 기준으로 그림자의 길이가 최소로 바뀌는 시점에서는 다음 이동시에 그 오차 분 만큼 차감 이동하게 되어 앞쪽 집열판의 그림자에 영향을 받지 않게 된다.

그리고 집열판의 이동궤적은 태양광 센서(105)가 최우선적으로 동작하여 이동하는데 참조를 하며 RTC(109)의 경우 보조적인 역할을 하게 된다.

그러나 태양광 센서(105)에서 최저의 값이 추출되면 이것은 날씨가 안 좋은 경우로 비가 오거나 구름이 태양을 가로 막는 경우로 이럴 때에는 RTC(109)를 이용 하여 시간대별로 태양이 이동되는 것으로 알고 집열판의 이동은 규칙적으로 시간당 지정된 값으로 이동하게 된다.

이때에도 그림자센서(103)에 의해 앞쪽의 집열판이 뒤쪽의 집열판에 영향을 줄 경우에 상기에서 서술하였듯이 뒤쪽의 그림자 센서(103)가 검출되지 않을 때까지 뒤쪽의 집열판이 조금씩 더 이동하여 앞쪽의 집열판의 그림자를 피하게 된다.

여기서 그림자 센서는 CDS(Cadmium Sulphide)로 구성되어 빛에 따라 그 값이 변화하는 소자로 그림자가 비치면 그 값이 작아져 그림자가 비치는지 알 수 있게 구성되어 있다.

그리고 시스템의 동작을 육안으로 확인할 시에 서브제어시스템에 장착된 CCD카메라(106)를 이용한 영상을 촬영하고 이것을 다시 디코더(107)를 이용하여 디지털화시키고 이것을 다시 압축 신장기(108)를 사용하여 영상을 압축하고 이 압축된 정보는 무선RF모뎀(110)을 통하여 메인시스템(200)으로 전송하게 되며 그리고 날씨가 흐리거나 야간에는 Light(115)를 이용하여 카메라 주변을 밝게 하여 영상을 취득할 수 있다. 이로써 시스템의 관리를 집열판이 설치된 장소에 직접 가지 않아도 원격지에서 볼 수 있다.

서브시스템은 배터리(113)를 이용하여 구동하므로 Main CPU(101)는 배터리체커(112)를 이용하여 배터리의 수명을 계속해서 확인하며 이 확인된 정보는 메인시스템으로 무선RF모뎀(110)을 이용하여 송신하게 되며 배터리의 교체가 필요한 서브시스템이 발견시에는 메인제어시스템(200)의 display(204)창에 표시하여 알려줌으로써 사용자가 배터리 교환이 필요한 서브시스템의 배터리를 교환하게 된다.

그리고 서브제어시스템의 초기설치시에 RTC(109)에 관련된 정보를 Display & 선택버튼(116)을 이용하여 설정하게 되면 설정 이후에는 메인제어시스템에서 전송되는 RTC(208)를 기준으로 비교하여 날짜 및 시간을 자동으로 수정하게 된다.

서브제어시스템에서 자체적으로 연산하여 획득한 정보는 무선RF모뎀(110)을 통하여 메인시스템으로 전송되고 서브제어시스템 내에 장착된 백업용 저장장치(114)에도 저장되어져 배터리가 소진되어 시스템이 off 되었다가 배터리를 교체하여 시스템이 on 되었을 때 백업저장장치(114)에서 정보를 읽어들여 처음에 설정된 정보를 유지하게 된다.

특히 도면에는 설명하지 않았으나 여러 개의 서브시스템을 집열판에 장착되기 때문에 서브시스템 각각의 고유ID를 부여하고 저장하여 통신시에 각자의 서브시스템을 구별할 수 있게 되어 있다.

무선 통신을 이용한 태양광 집열판 위치제어 및 장거리 무선RF통신을 사용하여 제어할 수 있는 시스템과 산업용 제어 시스템에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시를 위한 시스템의 일례를 도시한 구성도

도 2은 본 발명의 메인 제어시스템을 도시한 구성도

도 3는 본 발명의 서브 제어시스템을 도시한 구성도

도 4은 본 발명에서 메인 제어시스템의 흐름을 도시한 흐름도

도 5은 본 발명에서 메인시스템에서 수신한 명령을 해석하여 일련의 제어을 수행하는 서브제어시스템에 대한 흐름도

Claims (4)

1. 무선 통신을 이용하여 태양광 집열판 위치제어를 하는 시스템에 있어서 메인제어시스템과 서브제어시스템으로 나누어지고 서로 무선RF통신을 하며 집열판을 제어하는 장비중에 풍속과 풍압 센서를 이용하여 풍속과 풍압을 감지하여 폭우나 강풍이 발생하였을 때 태양열 집열판의 위치를 이동할 수 있게 하고, GPS수신기를 이용하여 설치시에 현재의 지상 좌표를 획득하여 태양광을 추적하는데 그 초기 데이터로 삼고, RTC을 이용하여 시간대별로 태양의 위치를 파악하고, 태양광 센서 및 그림자 센서를 사용하여 태양광을 추적하며 태양광의 집열판을 제어함으로써 태양광 채집을 극대화할 수 있으며, CCD카메라 및 영상압축기 및 엔코더,디코더를 구비하여 이들을 이용하여 집열판의 상태 및 주변 상황을 관찰할 수 있게 하는 제어시스템 구현방법
2. 제1항에 있어 집열판제어를 위하여 초기값으로 GPS수신기에서 수신한 현재의 위치정보를 바탕으로 각도센서와 RTC를 이용하여 태양광의 위치 궤적을 환산하여 그 환산된 정보를 바탕으로 집열판을 이동하게 하는 방법
3. 제1항에 있어 집열판을 이동시에 앞의 집열판이 이동 후에 뒤쪽의 집열판에 그림자가 그려지고 그 그림자로 인하여 채집효과가 반감되는데 이를 막기 위하여 그림자 센서를 사용하여 그림자를 검출하고 그 그림자를 벗어나게 뒤쪽의 집열판을 이동하는 하는 일련의 방법
4. 제1항에 있어 집열판을 육안으로 볼 수 있고 제어할 수 있게 카메라를 장착하는데 이 카메라에서 취득한 영상을 디지털화하고 이것을 다시 압축신장기를 통하여 압축하고 이 정보를 무선RF통신을 이용하여 메인 제어시스템으로 전송하는 장치구현방법

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