[논문]날씨인식 결과를 이용한 GPS 와 비전센서기반 하이브리드 방식의 태양추적 시스템 개발

유정재; 강연식

doi:10.5302/j.icros.2014.13.1966

날씨인식 결과를 이용한 GPS 와 비전센서기반 하이브리드 방식의 태양추적 시스템 개발
A Hybrid Solar Tracking System using Weather Condition Estimates with a Vision Camera and GPS 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.5, 2014년, pp.557 - 562

Abstract ▼ AI-Helper

It is well known that solar tracking systems can increase the efficiency of exiting solar panels significantly. In this paper, a hybrid solar tracking system has been developed by using both astronomical estimates from a GPS and the image processing results of a camera vision system. A decision making process is also proposed to distinguish current weather conditions using camera images. Based on the decision making results, the proposed hybrid tracking system switches two tracking control methods. The one control method is based on astronomical estimates of the current solar position. And the other control method is based on the solar image processing result. The developed hybrid solar tracking system is implemented on an experimental platform and the performance of the developed control methods are verified.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

GPS를 이용한 천문학적 추적방법을 사용할 경우, 태양 추적 시스템의 설치 시 정북측정 오차, 또는 수직오차 등 여러 가지 예상하지 못한 이유로 인해 태양 추적 시스템의 패널이 태양 방향과 직각을 이루지 못할 수 있다. 따라서 본 논문 에서는 비전센서를 이용한 더욱 정확한 태양 추적 방법을 제안한다.
본 논문에서는 GPS를 이용한 태양 추적 알고리즘과 비전 센서를 이용한 태양 추적 알고리즘을 제안하였다. GPS를이용하여 천체식으로 구한 태양의 방위각과 고도각에 따라 태양광 집열판을 태양의 방향과 가깝게 하였다.
일반적으로 사용되는 태양광발전 시스템의 설치 방식에는 고정식, 1축형 그리고 2축형 방식이 있다. 본 연구에서는 두개의 축을 이용하여 다른 방법에 비해 높은 발전량을 보이는 2축형 태양 추적 시스템을 개발하였다.
본 연구에서는 정확한 태양 추적을 위해 GPS와 비전센서를 사용하여 태양을 추적한다. 그 중 GPS를 이용한 추적 방식은 GPS로부터 얻어낸 태양광 추적기의 위도, 경도 그리고 현재 시간을 천체식에 대입하여 태양의 현재 방위각과 고도각을 계산하여 태양 추적기의 2축을 제어하는 방법이다.
본 연구의 주된 목적은 태양 발전기의 효율을 높이기 위하여 하이브리드 방식의 태양 추적 알고리즘을 개발하는 것이다. 더욱 정밀한 태양의 추적을 위하여 GPS와 비전센서를 함께 사용하였다.
기존의 광센서를 이용한 추적 방법은 날씨가 흐려 태양빛이 산란될 경우 태양의 위치를 잘못 인식할 수 있다는 점에서 추적의 정확성이 떨어진다. 이에 본 논문에서는 가장 밝은 부분을 태양으로 인식하기보다는 이미지에서의 태양이라고 판단되는 픽셀이 가장 넓게 분포되어 있는 영역의 중심을 태양이라고 판단하는 방법을 제시한다. 본 연구에서는 41만 화소를 갖는 CCTV용 비전센서를 사용하였다.
기존에는 기상청을 통해 얻은 날씨 정보를 이용하여 태양 추적기가 운용될 수도 있으나, 오보의 영향을 받을 수 있다는 점에서 신뢰성이 떨어진다. 이에 본 논문에서는 추적시스템 스스로 날씨를 판단할 수 있는 방법을 제안한다.

제안 방법

본 논문에서는 GPS를 이용한 태양 추적 알고리즘과 비전 센서를 이용한 태양 추적 알고리즘을 제안하였다. GPS를이용하여 천체식으로 구한 태양의 방위각과 고도각에 따라 태양광 집열판을 태양의 방향과 가깝게 하였다. 그 후에 남아 있는 추적오차를 비전센서를 사용하여 줄일 수 있었다.
이에 본 연구에서는, 태양의 위치를 더욱 정확하게 추적하기 위하여 비전 카메라의 이미지 데이터를 사용하였다. 또한 비전 센서를 통해 얻은 기상상태를 인식하고 그 결과에 따라 추적방법을 스스로 결정하는 알고리즘을 제안한다.
또한 비전센서를 이용한 자체적인 날씨 판단 알고리즘을 제안하였다. 비전센서로부터 얻은 이미지 데이타를 이용하여 날씨를 자체적으로 판단할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
표 1은 같은 위치, 같은 시간에 맑은날과 흐린날의 한 시간 동안의 고정된 비전센서로부터 얻은 태양의 잔차 제곱합 (RSS: Residual Sum of Squares)을 보여준다. 본 연구에서는 1차방정식의 선형 회기(Linear Regression)를 통해 잔차 제곱합을 구하였다. 잔차 제곱합은 식 (26)과 같이 정의된다.
그림 5. 비전센서를 이용한 태양 추적.

대상 데이터

이에 본 논문에서는 가장 밝은 부분을 태양으로 인식하기보다는 이미지에서의 태양이라고 판단되는 픽셀이 가장 넓게 분포되어 있는 영역의 중심을 태양이라고 판단하는 방법을 제시한다. 본 연구에서는 41만 화소를 갖는 CCTV용 비전센서를 사용하였다. 그림 4는 비전 이미지 데이터를 이용한 태양 위치 판별 순서를 보여준다.
비전 카메라 센서는 광센서와 같은 다른 센서에 비해, 날씨를 판단할 수 있는 더 많은 정보를 갖고 있다. 이에 본 연구에서는, 태양의 위치를 더욱 정확하게 추적하기 위하여 비전 카메라의 이미지 데이터를 사용하였다. 또한 비전 센서를 통해 얻은 기상상태를 인식하고 그 결과에 따라 추적방법을 스스로 결정하는 알고리즘을 제안한다.

이론/모형

태양의 방위각과 고도각은 천문학에서 정의된 운동방정식을 이용하여 계산할 수 있다. 본 논문에서는 실시간으로 사용할 수 있으며 1~2분 내의 오차를 갖는 행성위치 계산법을 사용하였다. 행성위치계산식의 입력은 태양 추적기의 위도, 경도 그리고 현재 시간이다.
태양의 방위각과 고도각은 천문학에서 정의된 운동방정식을 이용하여 계산할 수 있다. 본 논문에서는 실시간으로 사용할 수 있으며 1~2분 내의 오차를 갖는 행성위치 계산법을 사용하였다.

성능/효과

T =1700 이전까지는 GPS만을 이용하여 얻은 추적오차 결과이다. 그래프에서 보이는 것과 같이 천체 식을 이용해 태양 추적기를 제어했음에도 불구하고, 실제 태양과의 각도 오차가 있음을 확인할 수 있다. T =1700 이후에는 비전센서를 이용하여 각도 보정을 하고 난 후의 추적 오차이다.
본 연구에서 제안된 시스템은 비록 추가적인 센서 비용을 발생시킬 수 있으나 하나의 센서로도 다수의 태양광 패널을 군집으로 제어할 수 있기 때문에 전체적인 가격상승은 크지 않을 것으로 판단된다.
또한 비전센서를 이용한 자체적인 날씨 판단 알고리즘을 제안하였다. 비전센서로부터 얻은 이미지 데이타를 이용하여 날씨를 자체적으로 판단할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양에너지의 장점은?	최근 화석연료의 사용에 따른 환경오염과 자원 고갈로 인해 지속가능한 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데, 태양광이나 풍력, 수력 등을 이용한 신재생 에너지에 연구 역시 증가하고 있다. 그 중, 태양에너지는 사용의 편리함과 안전함이라는 장점 때문에 활발한 연구가 진행되고 있다.
	비전센서를 이용한 더욱 정확한 태양 추적 방법을 제안한 이유는?	GPS를 이용한 천문학적 추적방법을 사용할 경우, 태양 추적 시스템의 설치 시 정북측정 오차, 또는 수직오차 등 여러 가지 예상하지 못한 이유로 인해 태양 추적 시스템의 패널이 태양 방향과 직각을 이루지 못할 수 있다. 따라서 본 논문 에서는 비전센서를 이용한 더욱 정확한 태양 추적 방법을 제안한다.
	태양광발전의 효율을 높이기 위해서는?	태양광발전의 효율을 높이기 위해서는 고정식 패널보다는 태양의 위치에 따라 회전이 가능한 태양추적시스템 방식이 더욱 효과적인 것으로 알려져 있다. 특히 렌즈를 통해 태양광을 한곳으로 모아 집중된 태양광을 이용하여 발전하는 CPV (Concentrated Photovoltaic) 방식은 기존의 PV (Photovoltaic) 방식 보다 일반적으로 더욱 높은 에너지 효율을 갖는다.

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