[논문]다중 추적식 태양광 발전 감성형 LED 가로등

이재민; 김용; 배철수; 권대식

doi:10.5762/kais.2011.12.2.920

[국내논문] 다중 추적식 태양광 발전 감성형 LED 가로등
Solar Power Emotional LED Lightening Street Lamps with Multiple Control Sun Tracker 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.2, 2011년, pp.920 - 926

이재민 (관동대학교 전자공학과) , 김용 (관동대학교 전자공학과) , 배철수 (관동대학교 의료공학과) , 권대식 (토탈테크)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 신재생에너지 활용을 위한 다중 추적식 태양광 발전 감성형 LED 가로등을 제안한다. 제안하는 가로등 시스템은 다중 추적방식의 태양광 추적기능을 갖추고 있고 감성형 고품위 LED 램프와 제어회로를 사용하여 센서를 통해 입력되는 온도 및 습도를 기반으로 최대의 일조량을 받을 수 있도록 하였다. 신재생에너지 활용의 핵심 요소인 효율적인 축전지 활용을 위해 충방전 컨트롤러를 개발하였고 원격모니터링 기능 및 제어기능도 구현 하였다. 제안하는 가로등 시스템은 기존 기술에 비하여 추적 동작이 우수하고 에너지효율이 향상되었으며 기존에 개발되지 않았던 추적식 태양광 발전 시스템과 감성형 LED를 결합함으로써 차세대 가로등 시스템의 모델로서의 활용될 수 있게 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a solar power emotional LED lightening street lamps with multi control sun tracker is presented. The proposed system has a multiple control sun tracking function and high quality emotional LED lamps. The system is designed to absorb maximum sun lights by temperature sensor and humidity sensor of control circuits. A battery charge-discharge controller is developed for high efficient usage of battery charger for utilization of new and renewal energy. An interface circuit for remote monitoring and controlling is included in the developed system. The proposed multi tracking solar power emotional LED street lamps is better than conventional systems in aspect of tracking operation and energy efficiency, and expected to be a leading model for next generation solar power street lamp system, because it is a new technology combining sun tracking solar power system and emotional lightening system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 태양광 발전시스템의 효율을 향상시키기 위하여 태양 이동에 대한 천문학적 데이터와 광센서방식의 추적기능을 결합한 새로운 복합 추적 방식의 태양광 발전 시스템을 구현하고 이를 감성형 LED 가로등에 적용한 복합 추적식 태양광 발전 감성형 LED 가로등을 설계 구현하고 그 성능을 검증한다.
본 논문에서는 다중 추적식 태양광 발전 감성형 LED 가로등을 제안하였다.
축전지 충방전 컨트롤러의 성능은 정확한 충방전 전압제어 및 충방전 전류의 고품위 제어와 편리한 기능성의 구현에 달려있다[8]. 여기서는 최신 산업용 마이크로프로세서를 사용하여 기존의 충방전 컨트롤러의 성능 개선과 회로 최적화를 통하여 전력소모가 적고 동작의 정확성과 편리성을 향상시킨다. 그림 2는 축전지 충방전 컨트롤러 회로도이다.

제안 방법

모터드라이버 속도 가변회로는 2축에 각각 적용하여 속도 및 토오크의 조절이 쉽게 이루어 지도록 하였다. P채널 FET를 사용하여 + 출력형으로 하고 인덕터를 통하여 평활하여 펄스를 평활된 전압으로 변환하였다.
구동부에는 N 채널 FET를 연결하여 사용한다. RS-232 통신포트를 사용하여 메인 컨트롤 보드로부터 온도와 습도, 계절(월)별 데이터를 수신하고, 그 특성에 맞는 색상 표시를 위한 구동을 한다. 그림 6은 여기서 독창적으로 개발한 우산형 LED 가로등의 램프 기판을 나타낸 것이다.
드라이브단에는 N형 FET를 사용한다. RS-232통신포트를 사용하여 메인 콘트롤 보드로부터 온도와 습도, 계절(월) 데이터를 수신하여 색상 표현을 위한 제어 동작을 한다.마이크로프로세서는 PWM 채널이 6개이므로 LED의 RGB제어에 최적이다.
특히 최근 주목받고 있는 감성 조명을 LED 가로등에 접목하고 에너지원으로서 추적식 태양광 발전을 이용한 새로운 가로등은 매우 주목 받는 신재생에너지 활용의 모델이 될 것이다. 개발하는 시스템은 인간의 감성요소를 고려하여 센서로부터 입력된 값을 판단하고 이를 바탕으로 LED 컬러를 제어한다. 기준색은 백색광이며 봄에는 녹백색, 여름에는 청백색, 가을 갈백색 그리고 겨울에는 적백색이 발광하도록 구동한다.
제안한 가로등 시스템에는 기존 시스템들에서 구현하지 않았던 다중 추적방식의 태양광 추적 장치를 설계 구현하여 사용하였으며 아직 가로등에 적용하지 않은 감성형 LED 조명을 위한 구동회로와 기구설계를 통해 실현가능성을 보였다. 또한 신재생에너지 활용을 위해 필수적인 장치인 축전지 충방전 컨트롤러를 전류제어기능을 구현하여 설계함으로써 응용 환경에 따라 다양하게 사용할 수 있도록 하였다.
16개의 ADC를 가지고 있어 여러개의 광센서를 사용하는데 충분하다. 모터드라이버 속도 가변회로는 2축에 각각 적용하여 속도 및 토오크의 조절이 쉽게 이루어 지도록 하였다. P채널 FET를 사용하여 + 출력형으로 하고 인덕터를 통하여 평활하여 펄스를 평활된 전압으로 변환하였다.
2축 기구장치는 좌.우 회전축과 상하 업다운 회전축에 워엄기어를 적용하여 백러시를 최소화 하고, 감속비를 고비율로 할 수 있도록 설계, 제작하였다.
그림 1은 제안하는 복합 추적 방식의 태양광 발전 감성형 LED 가로등 시스템의 구성도이다. 전체 시스템은 추적식 태양광 발전장치와 감성형 LED 램프 시스템으로 구성되며 추적식 태양광 시스템 부는 추적장치, 제어부, 센서부등으로 구성되며 감성형 LED 램프부는 감성 제어회로, 램프 구동회로 및 LED 램프등으로 구성된다.
제안하는 시스템에서는 태양광 발전을 하지 않는 저녁 시간에는 마이크로프로세서가 MPPT (Maximum Power Point Tracking) 제어신호를 생성하지 않는 대신, 다음날 태양의 고도와 방위각에 대한 최적 값을 계산한다. 이와 같은 동작은 실제 발전을 할 때 기존 방식보다 프로세서의 점유율을 낮추어 태양광 발전량이 급격히 변동하는 시점에 최대 전력점 추적 효율을 높이게 된다[6].
제안하는 시스템은 그림 7과 같이 태양광 추적장치로부터 각종정보를 수신하여 표시하고, 가로등제어 및 동작을 제어 할 수 있다. 원격 모니터링 주화면에는 GPS 정보(option), 환경정보, 발전 및 충전정, 동작 정보 (고도와 방위각 및 추적위치) 및 원격제어 모드가 갖추어져 있다.
지금까지 설계하여 제작한 모듈들을 조합하여 그림 8과 같은 추적식 태양광 발전 감성형 LED 가로등 전체 시스템을 구현하였다.
태양이동에 관한 천문학적 좌표를 이용하여 태양전지판을 천문학적 좌표계로 향하도록 제어한다. 동시에 광도를 측정하여, 특정 광량이상이면 +, - 5도 범위 내에서 가장 밝은 위치의 광원을 추적한다.

성능/효과

표 1은 제안하는 추적식 태양광 발전 감성형 LED 가로등의 특징을 비교한 것이다. 비추적식 또는 단일 추적식과 비교할 때 최대 30% 이상의 높은 발전 효율을 보였고 기존 시스템들이 거의 갖추고 있지 않은 감성형 조명 기능과 원격 제어기능들을 통하여 활용도가 크게 향상됨을 알 수 있다. 새롭게 개발한 축전지 충방전 컨트롤러는 정밀 전류제어 기능을 갖는 등 기존 충방전 컨트롤러들에 비하여 향상된 기능을 보였다.
비추적식 또는 단일 추적식과 비교할 때 최대 30% 이상의 높은 발전 효율을 보였고 기존 시스템들이 거의 갖추고 있지 않은 감성형 조명 기능과 원격 제어기능들을 통하여 활용도가 크게 향상됨을 알 수 있다. 새롭게 개발한 축전지 충방전 컨트롤러는 정밀 전류제어 기능을 갖는 등 기존 충방전 컨트롤러들에 비하여 향상된 기능을 보였다.
실험 결과 제안한 다중 추적방식의 태양광 발전 시스템은 추적 동작을 위한 마이크로프로세서의 계산량이 많지 않고 기존 단일 추적 방식에 비해 최대 30%이상 발전량을 증가시킬 수 있다는 장점을 확인할 수 있었다.
천문우주지식정보 인터넷사이트[10]에 있는 태양의 고도와 방위각을 계산 메뉴를 이용하여 년월일시분 및 위치를 입력하면 시간대별 태양의 고도와 방위각을 구할 수 있다. 여기서 얻은 자료와 본 연구 추적 장치의 결과값을 비교하여 데이터가 일치함을 확인하였다. 그림 9는 실험에 사용한 천문우주지식정보 사이트에서 제공하는 데이터 그래프이다.
제안한 가로등 시스템에는 기존 시스템들에서 구현하지 않았던 다중 추적방식의 태양광 추적 장치를 설계 구현하여 사용하였으며 아직 가로등에 적용하지 않은 감성형 LED 조명을 위한 구동회로와 기구설계를 통해 실현가능성을 보였다. 또한 신재생에너지 활용을 위해 필수적인 장치인 축전지 충방전 컨트롤러를 전류제어기능을 구현하여 설계함으로써 응용 환경에 따라 다양하게 사용할 수 있도록 하였다.
충방전 컨트롤러를 제작하여 테스트한 결과 설계 사양과 일치하는 시스템 동작을 확인할 수 있었다. 디지털 제어부의 동작을 검증을 위해 입력 전압을 9V에서 15V까지 증가시키면서 측정했을 때 축전지 충전 동작은 14.

후속연구

여기서 개발한 시스템은 발전 시스템의 효율면에서 기존의 고정식 태양광 발전 시스템 보다 우수할 뿐만 아니라 고휘도 LED 램프를 사용하므로 형광등이나 수은 등과 비교하여 동일한 전력을 사용할 때 월등한 조도를 나타내며 내구성 및 관리의 편리성등의 이유 때문에 최근 조성되고 있는 저탄소녹색도시 및 친환경 에너지 시스템 구축에 활용될 수 있다. 최근 도시가 녹색 개념으로 바뀌어 가고 쾌적성과 편리성이 크게 추구되고 있어 제안한 기술과 시스템은 차세대 감성형 LED 가로등 모델로서 주목 받을 수 있을 것이다.
제안하는 시스템을 이용하면 일사량이 부족한 때에도 확산광에 의한 발전도 가능하여 발전 효율을 극대화 할 수 있을 것으로 기대된다. 최근 저탄소 녹색 도시 건설이 활성화 되고 있어 제안한 추적식 태양광 발전 감성형 LED 가로등의 활용 대상이 될 것으로 기대된다.
여기서 개발한 시스템은 발전 시스템의 효율면에서 기존의 고정식 태양광 발전 시스템 보다 우수할 뿐만 아니라 고휘도 LED 램프를 사용하므로 형광등이나 수은 등과 비교하여 동일한 전력을 사용할 때 월등한 조도를 나타내며 내구성 및 관리의 편리성등의 이유 때문에 최근 조성되고 있는 저탄소녹색도시 및 친환경 에너지 시스템 구축에 활용될 수 있다. 최근 도시가 녹색 개념으로 바뀌어 가고 쾌적성과 편리성이 크게 추구되고 있어 제안한 기술과 시스템은 차세대 감성형 LED 가로등 모델로서 주목 받을 수 있을 것이다.
제안하는 시스템을 이용하면 일사량이 부족한 때에도 확산광에 의한 발전도 가능하여 발전 효율을 극대화 할 수 있을 것으로 기대된다. 최근 저탄소 녹색 도시 건설이 활성화 되고 있어 제안한 추적식 태양광 발전 감성형 LED 가로등의 활용 대상이 될 것으로 기대된다.
특히 태양광 발전 시스템과 결합하여 활용할 경우 그 효과는 배가 될 것이다. 특히 최근 주목받고 있는 감성 조명을 LED 가로등에 접목하고 에너지원으로서 추적식 태양광 발전을 이용한 새로운 가로등은 매우 주목 받는 신재생에너지 활용의 모델이 될 것이다. 개발하는 시스템은 인간의 감성요소를 고려하여 센서로부터 입력된 값을 판단하고 이를 바탕으로 LED 컬러를 제어한다.
향후 연구로는 센서의 노이즈 허용 범위와 데드엔드 폭을 조절하는 알고리듬과 일사량, 온도, 눈, 태풍, 등의 자연환경 변화를 고려한 자동 추적 시스템의 개발 등이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전 시스템 기술의 단점과 문제점은?	이러한 기존의 추적식 태양광 발전 시스템 기술들은 각각 효율의 한계성 및 다양한 일조조건을 충분히 고려하지 못한다는 단점 그리고 센서의 추적조건에 대한 인식의 복잡성과 한계 때문에 시스템 구현이 어렵다는 문제점을 가지고 있어 이를 개선할 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
	태양 추적 중 일출로부터 광추적 동작은 어떻게 진행하는가?	태양이동에 관한 천문학적 좌표를 이용하여 태양전지판을 천문학적 좌표계로 향하도록 제어한다. 동시에 광도를 측정하여, 특정 광량이상이면 +, - 5도 범위 내에서 가장 밝은 위치의 광원을 추적한다. 특정 광량 이하이면 좌표계에 의한 추적을 실시한다.
	감성형 가로등의 역할은?	태양광 에너지의 활용 방법가운데 하나인 태양광 발전은 타 신재생에너지발전에 비해 실용적 구현 가능성이 높고 필요한 장소에 필요한 만큼의 발전을 할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 또한 유지보수가 용이하며 무인화가 가능하고 상용전력과 계통연계하여 효율적인 전력운용에 적합한 것등 많은 장점을 가지고 있어 국가적 관심과 지원 속에 연구, 개발 및 설비투자가 크게 확대되고 있다[2].

참고문헌 (10)

"2010 LED 조명 및 LED 애플리케이션 산업 총람", 산업경제리써치, 2010.
유춘식, "그린에너지의 이해와 태양광 발전시스템", 연경문화사, 2009.
www.intersolar.us 2010.
유석주, 이성수, 박왈서, "태양광 센서에 의한 태양광 전지의 최대전력추적과 신경회로망 제어알고리즘적용", 조명.전기설비학회논문지, 제24권 제2호, pp. 33-38, 2010.
박정국, 김지훈, 김대곤, 서진연, 김동휘, 조금배, 백형래, "추적식과 고정식의 태양광발전시스템의 운전효율분석", 전력전자학술대회논문집, pp.68-70 2005.
Woo-Cheol Lee, "Maximum Power Tracking Control for a Grid-Tie Photovoltaic Inverter", Journal of Korea Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers Vol. 23, No.5 pp, 72-79, 2009.

원문보기 상세보기
김형자, "친환경 LED 감성조명으로 빛난다.", Science Technology, pp. 18-19, 2009.
Singh et al., "Fuzzy Logic-Based Solar Charge Controller for Micro-batteries," photo-voltaic Specialists Conference, pp. 15-22, 2000.
이재민, 신재생에너지 시스템을 위한 축전지 충방전 컨트롤러 설계, 제 8권 제 6호 한국산학기술학회논문지, pp.1363-1368, 2007.
http://astro.kasi.re.kr/Life/SolarHeightForm.aspx?MenuID108.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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