본 연구에서는 LabVIEW를 활용한 임베디드 태양추적장치가 개발되었다. 이 시스템은 LabVIEW로 작성된 소프트웨어, CompactRIO, C-계열의 모션 인터페이스모듈, 아날로그 수집 모듈(DAQ:Data Acquisition), 스텝 드라이브, 스텝 모터, 피드백디바이스 그리고 기타 부품들로 구성되어져 있다. CompactRIO는 내부에 리얼타임 프로세서를 내장하고 있으며 이는 태양추적장치가 외부 제어없이도 자동으로 작동이 가능하게 한다. 태양 추적장치의 정확도를 높이기 위하여 천문학적인 방법과 광학적인 방법을 통합하여 개발하였다. 광학적인 방법에서는 피드백디바이스가 사용되었는데 4개의 CdS를 사용하여 지속적으로 피드백 신호를 컨트롤러로 공급하여 문제 발생시에도 태양을 지속적으로 추적한다. 태양의 고도 및 방위각의 데이터베이스는 미국의 Naval Observatory의 데이터와 비교하였다.
본 연구에서는 LabVIEW를 활용한 임베디드 태양추적장치가 개발되었다. 이 시스템은 LabVIEW로 작성된 소프트웨어, CompactRIO, C-계열의 모션 인터페이스 모듈, 아날로그 수집 모듈(DAQ:Data Acquisition), 스텝 드라이브, 스텝 모터, 피드백디바이스 그리고 기타 부품들로 구성되어져 있다. CompactRIO는 내부에 리얼타임 프로세서를 내장하고 있으며 이는 태양추적장치가 외부 제어없이도 자동으로 작동이 가능하게 한다. 태양 추적장치의 정확도를 높이기 위하여 천문학적인 방법과 광학적인 방법을 통합하여 개발하였다. 광학적인 방법에서는 피드백디바이스가 사용되었는데 4개의 CdS를 사용하여 지속적으로 피드백 신호를 컨트롤러로 공급하여 문제 발생시에도 태양을 지속적으로 추적한다. 태양의 고도 및 방위각의 데이터베이스는 미국의 Naval Observatory의 데이터와 비교하였다.
This paper introduces step by step procedures for the fabrication and operation of an embedded solar tracker. The system presented consists of application software, compactRIO, C-series interface module, analogue input module, step drive, step motor, feedback devices and other accessories to support...
This paper introduces step by step procedures for the fabrication and operation of an embedded solar tracker. The system presented consists of application software, compactRIO, C-series interface module, analogue input module, step drive, step motor, feedback devices and other accessories to support its functional stability. CompactRIO that has a real-tim processor allows the solar tracker to be a stand-alone real time system which operates automatically without any external control. An astronomical method and an optical method were used for a high-precision solar tracker. CdS sensors are used to constantly generate feedback signals to the controller, which allow a solar tracker to track the sun even under adverse conditions. The database of solar position and sunrise and sunset time was compared with those of those of the Astronomical Applications Department of the U.S. Naval Observatory. The results presented here clearly demonstrate the high-accuracy of the present system in solar tracking, which are applicable to many existing solar systems.
This paper introduces step by step procedures for the fabrication and operation of an embedded solar tracker. The system presented consists of application software, compactRIO, C-series interface module, analogue input module, step drive, step motor, feedback devices and other accessories to support its functional stability. CompactRIO that has a real-tim processor allows the solar tracker to be a stand-alone real time system which operates automatically without any external control. An astronomical method and an optical method were used for a high-precision solar tracker. CdS sensors are used to constantly generate feedback signals to the controller, which allow a solar tracker to track the sun even under adverse conditions. The database of solar position and sunrise and sunset time was compared with those of those of the Astronomical Applications Department of the U.S. Naval Observatory. The results presented here clearly demonstrate the high-accuracy of the present system in solar tracking, which are applicable to many existing solar systems.
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문제 정의
본 연구의 목표는 광학적인 방법과 천문학적인 방법에 의하여 작동되는 임베디드 태양추적장치를 LabVIEW를 사용하여 개발하는 것이다. Fig.
본 연구에서는 태양에너지의 이용 효율을 증가시키 기 위하여 LabVIEW를 사용하여 임베디드 태양추적 장치 개발에 대해 연구를 수행하였다. 기존의 Visual C, ANSI C를 비롯한 C 계열과 Visual Basic을 사용하지 않고 그래픽기반 언어인 LabVIEW를 이용하여 프로그래밍을 수행하였다.
제안 방법
본 연구에서는 모든 알고리즘과 어플리케이션 소프 트웨어를 그래픽 기반의 프로그래밍 환경인 LabVIEW를 사용하여 개발하였고 네셔널 인스트루먼트사의 CompactRIO를 사용하여 임베디드 태양추적장치를 개발하였다. 개발된 알고리즘으로 시뮬레이션을 한 태양위치 및 일출ㆍ일몰시간의 데이터베이스를 미국 Naval Observatory의 데이터와 비교하였다.
0072° 까지 가능하다. 스텝모터의 과열방지를 위해 쿨링패널을 장착하였으며, 토크를 증가시키기 위하여 20:1의 웜기어를 사용하였다.
앞서 언급했듯이, 태양추적장치의 정밀도를 위하여 천문학적인 방법과 광학적인 방법을 통합하여 개발하였다. 광학적인 방법으로 작동시에는 피드백 디바이스에서 위치 오류를 검출한다.
본 연구에서는 그래픽 기반의 프로그래밍 언어인 LabVIEW를 사용하여 알고리즘을 작성하고 어플리케이션 프로그램을 개발하였다. 또한, User Interface Mode로 개발되었으며, 프런트패널을 통하여 자동 및 수동으로 컨트롤을 할 수 있다.
이 기관은 몇 개 안되는 천문대중 하나이며, “Master Clock” 과 함께 “Alternate Master Clock”을 보유하고 있어 GPS 위성에 정확한 시간을 제공한다. 또한, 이 기관은 수많은 전 세계 공동연구자들과 함께 지구자전 파라미터를 계산한다. 이 기관은 광범위한 천문학적 데이터와 변수들을 제공한다.
부호가 (-)인 것은 본 연구에서 계산된 각도가 Naval Observatory의 데이터 값보다 큰 것을 의미한다. Naval Observatory에서 제공되는 데이터는 소수점 첫째자리 까지만 주어지고, 본 연구에서는 계산 값을 반올림하여 소수점 둘째자리까지 표기를 하였다. 시간 간격은 한 시간 간격으로 설정을 하였으며 시간대는 일출시간 전의 시간부터 일몰후의 시간까지 데이터를 비교하였다.
Naval Observatory에서 제공되는 데이터는 소수점 첫째자리 까지만 주어지고, 본 연구에서는 계산 값을 반올림하여 소수점 둘째자리까지 표기를 하였다. 시간 간격은 한 시간 간격으로 설정을 하였으며 시간대는 일출시간 전의 시간부터 일몰후의 시간까지 데이터를 비교하였다. Table 1과 2에서 알 수 있듯이, 월별 1일의 평균 오차는 0.
태양 고도 및 방위각, 일출·일몰시간을 계산하여 미국 Naval Observatory의 자료와 비교 하였으며 고성능 부품들을 사용하여 태양추적장치를 제작하였다.
기존의 Visual C, ANSI C를 비롯한 C 계열과 Visual Basic을 사용하지 않고 그래픽기반 언어인 LabVIEW를 이용하여 프로그래밍을 수행하였다. 또한, 개발된 태양추적장치는 천문학적인 방법과 광학적인 방법을 통합하였으 며 CompactRIO시스템을 사용하여 외부의 제어를 필요로 하지 않고 자동으로 작동한다. 태양 고도 및 방위각, 일출·일몰시간을 계산하여 미국 Naval Observatory의 자료와 비교 하였으며 고성능 부품들을 사용하여 태양추적장치를 제작하였다.
대상 데이터
3은 개발된 태양추 적장치의 기본 구성도를 보여주고 있다. 시스템은 크게 어플리케이션 소프트웨어, CompactRIO, 스텝 드라이브, 스텝 모터, 피드백 디바이스 등으로 구성된다.
태양추적장치가 작동이 시작되면 앞서 계산된 고도각, 방위각, 그리고 일출․일몰시간을 사용하여 장치가 태양을 추적하게 되며 강한 바람에 의하여 기어의 백래쉬(backlash)가 발생하거나 시스템의 초기위치가 정확하지 않아 정조준이 불가능 할 경우, 피드백 디바이스(빛감지 센서)에 의하여 오차를 줄여 나간다. 빛감지센서로 4개의 CdS 센서를 사용하였다. CdS 센서는 광 에너지에 대응하여 내부 저항이 변화하는 일종의 광가변 저항기이다.
상부에는 NEMA23규격의 스텝모터, 태양전지판 및 태양 집광기 등의 장착을 위한 마운트 프레임, 윔기어/웜휠, 기어비가 2:1인 사각기어, 쿨링패널(heat sink)로 구성되어 있다. 마운트 프레임은 알루미늄으로 제작되었으며, 가로가 30 cm 이고 세로가 16 cm 이다. 스템모터는 NEMA23 계열로 태양의 고도를 추적하며 180 oz-in의 홀딩 토크를 가지며, 1.
태양 방위각 추적에 사용된 스텝모터는 NEMA 17계열이며 과열방지를 위해 쿨링 패널이 부착되어있다. 파워 서플라이는 24VDC 및 5A 를 공급하며 CompactRIO, 인터페이스 모듈, 아날로그 입력모듈, 스텝드라이브의 전원공급을 위해 사용되었다.
광학적인 방법으로 작동시에는 피드백 디바이스에서 위치 오류를 검출한다. 피드백 디바이스는 총 4개의 CdS 센서로 구성되었다. 광 가변 저항기의 원리를 이용하여 태양추적장치의 위치를 수정한다.
본 연구에서는 고도 및 방위각 계산의 정확성을 검증하기 위해 제주도 제주시 지방(동경 126° 32' /북위 33° 30')에서의 2009년 매월 1일 하루 동안의 데이터를 Naval Observatory와 비교 하였다.
데이터처리
본 연구에서는 모든 알고리즘과 어플리케이션 소프 트웨어를 그래픽 기반의 프로그래밍 환경인 LabVIEW를 사용하여 개발하였고 네셔널 인스트루먼트사의 CompactRIO를 사용하여 임베디드 태양추적장치를 개발하였다. 개발된 알고리즘으로 시뮬레이션을 한 태양위치 및 일출ㆍ일몰시간의 데이터베이스를 미국 Naval Observatory의 데이터와 비교하였다.
태양의 일출·일몰시간은 2009년 한 해 동안의 값을 계산하였고 계산된 일출·일몰시간은 Naval Observatory의 데이터와 비교하였다.
본 연구에서는 태양에너지의 이용 효율을 증가시키 기 위하여 LabVIEW를 사용하여 임베디드 태양추적 장치 개발에 대해 연구를 수행하였다. 기존의 Visual C, ANSI C를 비롯한 C 계열과 Visual Basic을 사용하지 않고 그래픽기반 언어인 LabVIEW를 이용하여 프로그래밍을 수행하였다. 또한, 개발된 태양추적장치는 천문학적인 방법과 광학적인 방법을 통합하였으 며 CompactRIO시스템을 사용하여 외부의 제어를 필요로 하지 않고 자동으로 작동한다.
성능/효과
(2) 2009년도 한 해 동안의 일출·일몰시간을 계산 하여 Naval Observatory의 자료와 비교해 본 결과, 일출 및 일몰시간에 대한 월별 평균오차는 각각 16초, 37초 이내로 태양추적장치의 정확한 작동과 정지에 영향을 미치지 않는다.
(1) 2009년도 매월 1일 하루 동안의 태양 고도 및 방위각을 계산하여 Naval Observatory의 자료와 비교해 본 결과 해가 떠있는 동안의 매월 1일의 평균 오차는 0.20° 이하로 태양추적에 영향을 미치지 않는다.
(3) 본 연구에서 개발한 임베디드 태양추적 장치는 데이터 처리속도가 우수하며 사용자가 손쉽게 프로그래밍 및 수정할 수 있고, GUI(Graphical User Interface)형태의 작동소프트웨어로 전 세계어디서나 위치정보만 알고 있으면 사용할 수 있다. 또한, 태양에너지 활용 및 많은 분야에서 큰 역할을 할 것으로 사료되어진다.
후속연구
(3) 본 연구에서 개발한 임베디드 태양추적 장치는 데이터 처리속도가 우수하며 사용자가 손쉽게 프로그래밍 및 수정할 수 있고, GUI(Graphical User Interface)형태의 작동소프트웨어로 전 세계어디서나 위치정보만 알고 있으면 사용할 수 있다. 또한, 태양에너지 활용 및 많은 분야에서 큰 역할을 할 것으로 사료되어진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CompactRIO의 기능은?
이 시스템은 LabVIEW로 작성된 소프트웨어, CompactRIO, C-계열의 모션 인터페이스 모듈, 아날로그 수집 모듈(DAQ:Data Acquisition), 스텝 드라이브, 스텝 모터, 피드백디바이스 그리고 기타 부품들로 구성되어져 있다. CompactRIO는 내부에 리얼타임 프로세서를 내장하고 있으며 이는 태양추적장치가 외부 제어없이도 자동으로 작동이 가능하게 한다. 태양 추적장치의 정확도를 높이기 위하여 천문학적인 방법과 광학적인 방법을 통합하여 개발하였다.
태양추적 방식으로는 어떤 방식이 있는가?
태양추적 방식에는 크게 두 종류가 있는데 광학적 방식과 천문학적 방식이다. 광학적 방식은 추적장치에 광센서를 달고 이를 비교하여 빛이 많은 쪽 혹은 적은 쪽으로 추적장치가 움직이도록 하는 방식이다.
태양추적 방식 중 천문학적 방법의 장점은?
광학적 방식의 추적기는 센서에 의해 움직이므로 흐린 날이나 태양이 구름에 가려진 경우 정확한 태양추적이 되지 않는 단점이 있으며, 그 점을 보완하기위해 천문학적 계산에 의해 정확한 위치를 추적하는 방식을 사용할 수 있다. 천문학적 방법에 의해 태양의 위치를 찾아가므로 장시간 동안 태양이 나타나지 않은 경우도 태양추적이 가능하고 이물질에 의한 오동작을 일정범위 내에서 제한할 수 있으며 이 방식은 프로그램이 비교적 간단하면서도 정확한 태양의 위치를 추적이 가능하고 오류도 적어지는 장점이 있다. 하지만 이 방법에 의한 추적 방식 또한 몇 가지 문제점을 지니고 있다.
참고문헌 (7)
Clifford M.J, Eastwood D. Design of a novel passive solar tracker, Solar Energy. Elsevier 2004;77;269-280.
Canada J, Utrillas MP, Martinez-Lozano JA et al. Design of a sun tracker for the automatic measurement of spectral irradiance and construction of an irradiance database in the 330-1100nm range. Renewable Energy, Elsevier, 2007;32;2053-2068.
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