본 연구에서는 AVR 마이크로 컨트롤러를 사용하여 임베디드 태양추적장치를 개발하였다. 본 시스템은 Atmega128 마이크로 컨트롤러, 스텝 모터, 스텝 드라이브 모듈, CdS 센서 그리고 GPS 모듈 및 기타 부품들로 구성되어 있다. 태양추적장치는 광학적 방법과 천문학적인 방법에 의해 작동된다. 최초 태양추적은 천문학적인 계산방법에 의해 얻어진 결과에 따라 이루어지고 CdS에 의해 미세 조정이 이루어진다. 태양추적장치가 설치된 지점에서 GPS는 UTC(Universal Time Coordinated)와 위도 및 경도 데이터를 마이크로 컨트롤러에 전송한다. 전송되어진 데이터에 의해 실시간으로 태양위치, 일출 및 일몰시간이 계산되어 진다. 태양 추적에 필요한 데이터들은 범용 비동기화 송수신기(UART)를 통하여 컴퓨터로 전송 받을 수 있다.
본 연구에서는 AVR 마이크로 컨트롤러를 사용하여 임베디드 태양추적장치를 개발하였다. 본 시스템은 Atmega128 마이크로 컨트롤러, 스텝 모터, 스텝 드라이브 모듈, CdS 센서 그리고 GPS 모듈 및 기타 부품들로 구성되어 있다. 태양추적장치는 광학적 방법과 천문학적인 방법에 의해 작동된다. 최초 태양추적은 천문학적인 계산방법에 의해 얻어진 결과에 따라 이루어지고 CdS에 의해 미세 조정이 이루어진다. 태양추적장치가 설치된 지점에서 GPS는 UTC(Universal Time Coordinated)와 위도 및 경도 데이터를 마이크로 컨트롤러에 전송한다. 전송되어진 데이터에 의해 실시간으로 태양위치, 일출 및 일몰시간이 계산되어 진다. 태양 추적에 필요한 데이터들은 범용 비동기화 송수신기(UART)를 통하여 컴퓨터로 전송 받을 수 있다.
An embedded two-axis solar tracking system was developed by using AVR micro controller for enhancing solar energy utilization. The system consists of an Atmega128 micro controller, two step motors, two step drive modules, CdS sensors, GPS module and other accessories needed for functional stability....
An embedded two-axis solar tracking system was developed by using AVR micro controller for enhancing solar energy utilization. The system consists of an Atmega128 micro controller, two step motors, two step drive modules, CdS sensors, GPS module and other accessories needed for functional stability. This system is controlled by both an astronomical method and an optical method. Initial operation is performed by the result from the astronomical method, which is followed by the fine controlled operation using the signals from Cds sensors. The GPS sensor generates UTC, longitude and latitude data where the solar tracker is installed. A database of solar altitude, azimuth, and sunrise and sunset times is provided by UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter).
An embedded two-axis solar tracking system was developed by using AVR micro controller for enhancing solar energy utilization. The system consists of an Atmega128 micro controller, two step motors, two step drive modules, CdS sensors, GPS module and other accessories needed for functional stability. This system is controlled by both an astronomical method and an optical method. Initial operation is performed by the result from the astronomical method, which is followed by the fine controlled operation using the signals from Cds sensors. The GPS sensor generates UTC, longitude and latitude data where the solar tracker is installed. A database of solar altitude, azimuth, and sunrise and sunset times is provided by UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter).
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문제 정의
본 연구에서는 태양에너지의 이용 시스템의 효율을 극대화시키기 위하여 AVR 기반의 2축 태양추적 장치를 개발 하였다. AVR 계열의 ATmega128 마이크로 컨트롤러를 사용하였으며 GPS, 기울기센서, 나침반센서가 사용되었다.
제안 방법
ATmega128는 8채널의 ADC를 가지고 있으며 F포트를 통해 입력된다. 1개의 채널은 기울기센서에서 출력되는 신호를 수집하고 4개의 채널은 CdS에서 출력되는 신호를 수집하도록 설계 되었다. 나침반 센서는 방위각을 PWM 신호로 출력을 하는데 ATmega128의 타이머/카운터 기능과 외부 인터럽트 기능을 사용하여 PWM 신호를 측정하였다.
ATmega128은 ADC변환 기능을 가지고 있으나 전류를 측정하기 위해 기울기센서의 출력에 250 Ω 저항을 연결하여 측정하였다.
1개의 채널은 기울기센서에서 출력되는 신호를 수집하고 4개의 채널은 CdS에서 출력되는 신호를 수집하도록 설계 되었다. 나침반 센서는 방위각을 PWM 신호로 출력을 하는데 ATmega128의 타이머/카운터 기능과 외부 인터럽트 기능을 사용하여 PWM 신호를 측정하였다.
일출 및 일몰시간은 일반적으로 태양의 상단 끝점이 지표면에 도달하는 시간으로 정의 된다. 따라서 태양의 중심이 지표면보다 태양의 반지름에 해당되는 각도만큼 낮은 지점에 도달하는 시간을 일출시간으로 설정하고 태양의 중심이 지표면으로부터 태양의 반지름에 해당되는 각도만큼 내려간 시간을 일몰시간으로 설정한다. 태양의 일출과 일몰시간은 식 (3)과 같이 구해진다 [6].
CdS센서는 태양추적 장치의 정밀제어를 위해 필요하다. 본 시스템은 총 4개의 CdS 센서를 사용하여 광가변 저항기의 원리를 이용하여 태양추적장치의 위치를 수정한다. 그림 3에서 와 같이 길이가 15 cm, 직경이 3 cm인 검은색 봉을 중심으로 상하좌우 위치에 CdS 센서를 장착하였다.
본 연구에서는 ATmega128을 이용하여 2축 방식의 태양추적장치를 개발하였으며 제어방식은 광학적 방법과 천문학적 방법을 모두 이용하였다.
UART 통신에 의해 GPS로부터 시간, 날짜, 경도, 위도 데이터를 실시간으로 공급받고 ATmeta128 CPU는 설치장소의 태양의 고도 및 방위각, 일몰 일출 시간을 계산한다. 시스템은 기울기 센서와 나침반세로의 신호를 참조하여 태양을 추적하고 CdS에서 발생되는 신호를 비교하여 정밀 제어를 수행한다. 본 시스템은 추후 자연채광시스템, 태양광 발전 시스템, 열 음향레이저(TAL) 시스템과 접목시켜 태양에너지 활용의 극대화에 많은 영향을 끼칠 것으로 사료되어 진다.
또한, Dir, PWM 신호만으로 모터 구동이 가능하며 가변저항을 사용하여 모터에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다. 한 개의 모듈로 두 개의 스텝모터제어가 가능하지만 본 연구에서는 두 스텝모터를 개별 제어 하므로 두 개의 마이크로 스텝 드라이버 모듈을 사용하여 시스템을 구성 하였다.
대상 데이터
그림 2는 태양추적 장치의 시스템 구성도를 보여주고 있다. ATmega128 마이크로 컨트롤러, GPS, 기울기 센서(Inclinometer), 나침반센서(Compass sensor), CdS 센서, 두 개의 스텝모터와 이를 구동하는데 필요한 두 개의 드라이브 모듈로 구성되어 있다. ATmega128은 동기 및 비동기 전송모드에서 전이중 통신이 가능한 UART를 2개 내장하고 있다.
본 연구에서는 태양에너지의 이용 시스템의 효율을 극대화시키기 위하여 AVR 기반의 2축 태양추적 장치를 개발 하였다. AVR 계열의 ATmega128 마이크로 컨트롤러를 사용하였으며 GPS, 기울기센서, 나침반센서가 사용되었다. 미세 조정을 위해서 4개의 CdS를 사용하였다.
나침반센서는 ETC사의 CMPS03 모듈을 사용하였다. 이 모듈은 지구 자기장을 측정할 수 있는 Philips KMZ51 자기장 센서를 사용하였고 지각으로 배치한 두 개의 자기장 센서를 사용하여 지구 자기장의 수직 요소의 방향을 계산하여 출력을 얻는다.
AVR 계열의 ATmega128 마이크로 컨트롤러를 사용하였으며 GPS, 기울기센서, 나침반센서가 사용되었다. 미세 조정을 위해서 4개의 CdS를 사용하였다. UART 통신에 의해 GPS로부터 시간, 날짜, 경도, 위도 데이터를 실시간으로 공급받고 ATmeta128 CPU는 설치장소의 태양의 고도 및 방위각, 일몰 일출 시간을 계산한다.
본 연구에서 사용된 마이크로 스텝 드라이버 모듈은 (주)뉴티씨의 A M-MS2으로 이 모듈은 1.8°의 스텝모터를 16 step으로 제어할 경우 최대 0.1125° 단위로 제어가 가능하다.
이론/모형
기울기센서와 CdS 센서의 출력을 수집하기 위하여 내장된 10비트 분해능의 ADC(Analog to Digital Converter)를 사용한다. ATmega128는 8채널의 ADC를 가지고 있으며 F포트를 통해 입력된다.
성능/효과
마이크로 컨트롤러는 소자 구조에 따라 크게 8051 계열, PIC 계열, AVR 계열로 구분되어 진다. 본 연구에서는 AVR 계열의 ATmega128을 사용하였는데 AVR은 PIC와는 다르게 ISP(In-System Programming) 및 JTAG(Joint Test Action Group) 방식을 이용하여 다운로딩 및 디버깅이 편리한 장점이 있다. ATmega128은 AVR RISC 구조에 기초하였으며 저전력 CMOS형의 8비트 마이크로 컨트롤러이다.
후속연구
시스템은 기울기 센서와 나침반세로의 신호를 참조하여 태양을 추적하고 CdS에서 발생되는 신호를 비교하여 정밀 제어를 수행한다. 본 시스템은 추후 자연채광시스템, 태양광 발전 시스템, 열 음향레이저(TAL) 시스템과 접목시켜 태양에너지 활용의 극대화에 많은 영향을 끼칠 것으로 사료되어 진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양추적 장치의 종류는?
최근 많은 태양에너지 시스템들의 효율을 극대화하기 위하여 태양추적 장치를 채택하여 사용하고 있는 추세이다. 태양추적 장치는 제어 방법에 따라 광학적 방법과 천문학적 방법으로 구분되어 지고 추적 방식에 따라 1축 추적방식과 2축 추적 방식으로 분류된다. 광학적 방식은 광센서의 출력 신호 비교에 의해 작동하는 방식이고 천문학적방식은 수치적 계산에 의하여 실시간으로 설치장소에서의 태양의 고도 값과 방위각을 추적하는 방식이다.
AVR 계열 마이크로 컨트롤러의 장점은?
마이크로 컨트롤러는 소자 구조에 따라 크게 8051 계열, PIC 계열, AVR 계열로 구분되어 진다. 본 연구에서는 AVR 계열의 ATmega128을 사용하였는데 AVR은 PIC와는 다르게 ISP(In-System Programming) 및 JTAG(Joint Test Action Group) 방식을 이용하여 다운로딩 및 디버깅이 편리한 장점이 있다. ATmega128은 AVR RISC 구조에 기초하였으며 저전력 CMOS형의 8비트 마이크로 컨트롤러이다.
태양 추적 장치에서 광학적 방법과 천문학적 방법 각각의 특징은 무엇인가?
태양추적 장치는 제어 방법에 따라 광학적 방법과 천문학적 방법으로 구분되어 지고 추적 방식에 따라 1축 추적방식과 2축 추적 방식으로 분류된다. 광학적 방식은 광센서의 출력 신호 비교에 의해 작동하는 방식이고 천문학적방식은 수치적 계산에 의하여 실시간으로 설치장소에서의 태양의 고도 값과 방위각을 추적하는 방식이다. 광학적제어에 의한 태양추적기는 광센서에 의해 작동하므로 흐린 날이나 태양이 구름에 가려진 경우 정확한 태양 추적이 되지 않는 단점이 있으며 이런 점을 보완하기 위해 천문학적인 제어 방식과 병행하여 사용된다. 1축 추적방식은 태양의 고도 혹은 방위각 중 하나를 고정 시켜 놓고 한 각도만 추적하는 방식인데 그 효율이 2축 추적방식에 비해 다소 떨어진다.
참고문헌 (8)
Clifford M.J, Eastwood D. Design of a novel passive solar tracker, Solar Energy. Elsevier 77, 269-280 (2004).
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, 32, 2053-2068 (2007).
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