세계적으로 온실가스 감축 정책, 전기전자제품 유해물질 사용제한 지침(RoHS: Restriction of Hazardous Substances) 등 환경 규제 제도의 본격 시행으로 전통적인 조명이 친환경 고효율 LED(Light Emitting Diode)로 빠르게 대체되고 있으며, 에너지 효율의 극대화를 위한 효과적인 조명 제어 기술이 요구되고 있다. 본 논문에서는 여러 광원으로 이루어진 LED 조명 광원의 효과적인 제어를 통해 실내의 각 위치에 따라 요구되는 조도를 만족하면서 LED 조명 시스템의 에너지 소비를 개선하는 조명제어 기법을 제안한다. 실내 각 영역별 사용자 유무, 요구조도 수치 등을 반영하여 조명제어 최적화 문제를 구성하고, 이에 관한 해를 도출하여 LED 조명의 개별 광원 광도(luminous intensity)를 효과적으로 조절한다. 이를 통해 제시되는 각 위치별 요구조도를 만족하고, LED 조명 시스템 에너지 소모를 효율적으로 감소시킨다. 모의실험 결과 제안된 방식이 기존 방식 대비 사용자 실내 점유율 증가에 따라 약 40%, 조명과 피조면 사이 높이 변화에 따라 약 24~71%의 소비전력을 절감 효과를 얻음을 보인다.
세계적으로 온실가스 감축 정책, 전기전자제품 유해물질 사용제한 지침(RoHS: Restriction of Hazardous Substances) 등 환경 규제 제도의 본격 시행으로 전통적인 조명이 친환경 고효율 LED(Light Emitting Diode)로 빠르게 대체되고 있으며, 에너지 효율의 극대화를 위한 효과적인 조명 제어 기술이 요구되고 있다. 본 논문에서는 여러 광원으로 이루어진 LED 조명 광원의 효과적인 제어를 통해 실내의 각 위치에 따라 요구되는 조도를 만족하면서 LED 조명 시스템의 에너지 소비를 개선하는 조명제어 기법을 제안한다. 실내 각 영역별 사용자 유무, 요구조도 수치 등을 반영하여 조명제어 최적화 문제를 구성하고, 이에 관한 해를 도출하여 LED 조명의 개별 광원 광도(luminous intensity)를 효과적으로 조절한다. 이를 통해 제시되는 각 위치별 요구조도를 만족하고, LED 조명 시스템 에너지 소모를 효율적으로 감소시킨다. 모의실험 결과 제안된 방식이 기존 방식 대비 사용자 실내 점유율 증가에 따라 약 40%, 조명과 피조면 사이 높이 변화에 따라 약 24~71%의 소비전력을 절감 효과를 얻음을 보인다.
Due to many recent activities on enforcement of the intensified environmental regulation such as the policies of curbing the greenhouse gas and the Restriction of Hazardous Substances (RoHS), the usage of Light emitting diode (LED) has been rapidly increased and energy efficient management of LED li...
Due to many recent activities on enforcement of the intensified environmental regulation such as the policies of curbing the greenhouse gas and the Restriction of Hazardous Substances (RoHS), the usage of Light emitting diode (LED) has been rapidly increased and energy efficient management of LED light system is regarded as an important technology to enhance the energy efficiency. In this paper, we propose an energy-efficient control scheme of LED light, being composed of multiple light sources. The proposed scheme controls the intensity of LED light source to minimize the total intensity while providing the quality of lighting service. The intensity of light is assumed to be proportional to power consumption, thus the objective is to minimize the total power consumption. A linear programming problem is formulated to find the optimal intensity of each light source and procedure to apply the proposed scheme in the real system is suggested. The performance evaluation results elucidate that the proposed scheme achieves over 20% improvement in power consumption of light intensity in comparison with the conventional dimming control scheme.
Due to many recent activities on enforcement of the intensified environmental regulation such as the policies of curbing the greenhouse gas and the Restriction of Hazardous Substances (RoHS), the usage of Light emitting diode (LED) has been rapidly increased and energy efficient management of LED light system is regarded as an important technology to enhance the energy efficiency. In this paper, we propose an energy-efficient control scheme of LED light, being composed of multiple light sources. The proposed scheme controls the intensity of LED light source to minimize the total intensity while providing the quality of lighting service. The intensity of light is assumed to be proportional to power consumption, thus the objective is to minimize the total power consumption. A linear programming problem is formulated to find the optimal intensity of each light source and procedure to apply the proposed scheme in the real system is suggested. The performance evaluation results elucidate that the proposed scheme achieves over 20% improvement in power consumption of light intensity in comparison with the conventional dimming control scheme.
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문제 정의
본 논문에서는 최근 LED 조명의 보급과 시장이 확대됨에 따라 이를 이용한 조명분야 에너지 효율 향상에 목적을 두었다 이를 위해 실내 세부 영역별 사용자 유무에 따라 요구되는 실내 조도를 최소 광도를 사용하여 만족할 수 있도록 다수의 광원으로 이루어진 LED 조명의 개별 광도를 조절하는 LED 조명제어 기법을 제안하였다. 실내 전체 피조면 면적이 사용자가 위치하는 단일 피조면 면적에 비해 충분히 큼을 가정하고 사용자 피조면 위치가 고정된 조명 시스템 환경을 고려하였다.
본 논문은 그림 1과 같이 사용자가 위치하는 피조면에서 LED 조명을 통해 사용자 요구 조도를 만족시키는 조명 시스템을. 고려한다.
본 장에서는 人]용자 요구조도를 만족하면서 LED 조명 시스템의 에너지 소비를 최소화하는 조명제어기법을 제시한다. LED 광원의 소비전력이 LED 광원의 광도에 비례함을 가정한다冋.
가설 설정
제시한다. LED 광원의 소비전력이 LED 광원의 광도에 비례함을 가정한다冋. 이때 실내 사용자 요구조도를 만족하면서 전체 LED 조명의 소비전력의 합을 최소로 하는 최적화 문제(P)를 고려하여 조명 시스템 에너지 소비를 최소화 하며, 다음과 같이 표현된다
사용자가 점유하는 피조면 정归卜 사용자 유무 인지 센서 등을 통해 오류 및 전송지연 없이 가능함을 가정한다. LED 조명은 실내 천장에 고르게 위치하며, 각 LED 조명에는 다수의 광원이 일정한 간격으로 균일하게 자리하고 있음을 가정한다. 실내 바닥은 사용자가 위치하는 피조면으로 그리드 형태로 영역을 구분한다.
표 2에 모의실험 환경에 대한 파라미터를 나타내었다. 가로 5m, 세로 5m의 피조면에 피조면 격자간격을 lm로 가정하여 사용자가 위치할 수 있는 피조면 영역이 총 25개인 조명 시스템을 고려한다. 실내에 4개의 LED 조명이 균일하게 배치되고 10x10 배열의 조명 광원이 6cm간격으로 이격되어 구성되어 있음을 가정한다.
또한 조명기구의 제어를 위해 수집되는 정보에 대한 오류가 없으며 사용자가 임의의 피조면에 위치함을 가정한다. 그리고 일정시간 이상 사용자가 동일 피조면에 충분히 긴 시간 동안 위치함을 가정한다.
56cd (1401m) 이다 각 피조면에서 수신되는 조도는 조명기구에 의한 것이고 식 (1)과 같이 표현됨을 가정한다. 또한 조명기구의 제어를 위해 수집되는 정보에 대한 오류가 없으며 사용자가 임의의 피조면에 위치함을 가정한다. 그리고 일정시간 이상 사용자가 동일 피조면에 충분히 긴 시간 동안 위치함을 가정한다.
피조면은 동일 크기의 정사각형이고 사용자마다 각기 다른 하나의 피조면 영역에 위치함을 가정한다. 사용자가 점유하는 피조면 정归卜 사용자 유무 인지 센서 등을 통해 오류 및 전송지연 없이 가능함을 가정한다. LED 조명은 실내 천장에 고르게 위치하며, 각 LED 조명에는 다수의 광원이 일정한 간격으로 균일하게 자리하고 있음을 가정한다.
사용자의 실내 점유 비율은 전체 공간의 면적 대비 사용자 위치 피조면 면적의 합의 비율로 정의하며, 실내 점유 비율 변화를 감안할 수 있도록 단일피조면 대비 전체 공간의 면적이 충분히 큰 상황을 가정한다. 즉 실내 전체 공간이 충분히 커 사용자가 극히 일부 지역에 위치하는 경우에서부터 사용자 수 증가 등에 따라 사용자가 위치하는 피조면 영역이 전체 공간에 이르는 경우를 고려한다.
기법을 제안하였다. 실내 전체 피조면 면적이 사용자가 위치하는 단일 피조면 면적에 비해 충분히 큼을 가정하고 사용자 피조면 위치가 고정된 조명 시스템 환경을 고려하였다. 모의실험 결과 제안된 방식이 기존 방식 대비 사용자 실내 점유율 증가에 따라 LED 조명의 소비전력을 약 40%, 조명과 피조면 사이 높이 변화에 따라 약 24~71%의 소비전력 절감 효과를 보였다.
가로 5m, 세로 5m의 피조면에 피조면 격자간격을 lm로 가정하여 사용자가 위치할 수 있는 피조면 영역이 총 25개인 조명 시스템을 고려한다. 실내에 4개의 LED 조명이 균일하게 배치되고 10x10 배열의 조명 광원이 6cm간격으로 이격되어 구성되어 있음을 가정한다. LED 면광원의 방사각이 60。이고 광원 광도의 가변 범위는 0~44.
기법의 에너지 소비를 분석한다. 조명의 광도 사용량이 조명에서 소모되는 전력에 비례함을 가정하고 이를 성능분석 지표로 삼는다. 제안 기법 외에 LED 조명별 동일 광도를 적용하는 방법에 대한 성능을 제시하여 소비전력 절감 성능을 비교 분석한다.
고려한다. 피조면은 동일 크기의 정사각형이고 사용자마다 각기 다른 하나의 피조면 영역에 위치함을 가정한다. 사용자가 점유하는 피조면 정归卜 사용자 유무 인지 센서 등을 통해 오류 및 전송지연 없이 가능함을 가정한다.
제안 방법
조명의 효과적인 운용이 에너지 절감 및 효율 개선을 위해 중요한 기술로 인식되고 있으며 최근 관련 연구가 큰 관심 속에 진행되고 있다. 우선적으로 실내 사용자가 요구하는 조도를 만족하기 위한 조명의 광도(luminous intensity) 제어에 관한 연구가 진행되었다。1 ⑸에서 사용자의 위치에 따라 실내 각 영역에서 요구조도를 달리하여 에너지 소모를 최소화하는 문제를 고려하고 선형계획법 (Liner Programming)에 기반을 두어 조명의 광도를 제어하는 기법이 제안되었다冋. 그리고 [6] 에서 사용자 만족과 에너지 소비에 관한 효용함수 (utility function)를 정하고 이를 최대화하는 광도 제어 기법이 제안되었다闽.
본 논문에서는 사용자의 요구조도를 만족하면서 LED 조명 시스템 에너지 효율 극대화를 위한 LED 조명 개별 광원의 광도를 제어하는 방안을 제안한다 제안 기법은 먼저 실내 각 영역별로 사용자 유무 등에 따라 요구조도를 만족하면서 LED 조명 시스템에서 소비하는 에너지를 최소화하는 최적화 문제를 구성한다. 이어 최적화 문제의 해를 도출하여 각 위치별 요구조도를 만족하고 LED 조명 시스템에너지 소모를 효율적으로 절감하는 LED 광원의 광도를 제어한다.
구성한다. 이어 최적화 문제의 해를 도출하여 각 위치별 요구조도를 만족하고 LED 조명 시스템에너지 소모를 효율적으로 절감하는 LED 광원의 광도를 제어한다.
조명의 광도 사용량이 조명에서 소모되는 전력에 비례함을 가정하고 이를 성능분석 지표로 삼는다. 제안 기법 외에 LED 조명별 동일 광도를 적용하는 방법에 대한 성능을 제시하여 소비전력 절감 성능을 비교 분석한다. 표 2에 모의실험 환경에 대한 파라미터를 나타내었다.
성능/효과
실내 전체 피조면 면적이 사용자가 위치하는 단일 피조면 면적에 비해 충분히 큼을 가정하고 사용자 피조면 위치가 고정된 조명 시스템 환경을 고려하였다. 모의실험 결과 제안된 방식이 기존 방식 대비 사용자 실내 점유율 증가에 따라 LED 조명의 소비전력을 약 40%, 조명과 피조면 사이 높이 변화에 따라 약 24~71%의 소비전력 절감 효과를 보였다. 향후 보다 실제적이고 안정적인 조명 시스템 구축을 위한 사용자 이동모델, 균제도 요구 성능 등을 반영한 연구 진행이 요구된다.
법에 비해 각 요구조도에서 모두 약 40%의 LED 조명 소비전력 절감 효과가 있음을 보인다 이는 조명단위의 광도 제어에 비해 광원단위의 광도 제어를 통해 더 나은 최적 해를 도출하여 적용한 이득으로 볼 수 있다
피조면과 조명 높이를 2m로 하고, 2001X, 4001x 등 2가지 요구 조도에 대한 결과이다. 사용자의 실내 점유 비율이 증가함에 따라 0이 아닌 요구조도를 가지는 면적이 증가하여 두 기법 모두 LED 조명의 광도 사용량이 증가하는 추세를 보인다. 또한 제안 기법이 기존기
사용자 실내 점유율이 100%이고 2001x, 4001X 각각의 요구조도에 대한 성능 결과이다. 조명과 피조면 간 높이가 증가함에 따라 요구조도를 만족시키기 위해 두 기법 모두 LED 조명 광도 사용량이 증가하는 경향을 보인다. 조명과 피조면 사이 높이 변화에 따라 제안기법이 기존기법에 비해 약 24-71%의 소비전력 절감 효과가 있음을 보인다.
조명과 피조면 간 높이가 증가함에 따라 요구조도를 만족시키기 위해 두 기법 모두 LED 조명 광도 사용량이 증가하는 경향을 보인다. 조명과 피조면 사이 높이 변화에 따라 제안기법이 기존기법에 비해 약 24-71%의 소비전력 절감 효과가 있음을 보인다. 조명과 피조면 간 거리가 상대적으로 가까운 경우 제안기법의 절감율이 높게 나타난다.
후속연구
모의실험 결과 제안된 방식이 기존 방식 대비 사용자 실내 점유율 증가에 따라 LED 조명의 소비전력을 약 40%, 조명과 피조면 사이 높이 변화에 따라 약 24~71%의 소비전력 절감 효과를 보였다. 향후 보다 실제적이고 안정적인 조명 시스템 구축을 위한 사용자 이동모델, 균제도 요구 성능 등을 반영한 연구 진행이 요구된다.
참고문헌 (10)
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