[논문]기상예보를 이용한 태양광 LED 가로등의 효율적 운용에 관한 연구

표세영; 권오석; 김기환

doi:10.7236/jiibc.2015.15.2.129

기상예보를 이용한 태양광 LED 가로등의 효율적 운용에 관한 연구
A Study on Efficient Management of Solar Powered LED Street Lamp Using Weather forecast 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.15 no.2, 2015년, pp.129 - 135

표세영 (세명대학교 전자공학과) , 권오석 (한국폴리텍대학 다솜학교) , 김기환 (세명대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 가로등 운용에 있어서 일기예보 및 일조량을 고려한 알고리즘을 제안하였다. 이 알고리즘에 의해 생성된 Weather Factor를 적용하여 보행자가 있을 시에는 가로등의 광량을 최대로 유지하고 보행자가 없을 경우 최대전력을 사용하지 않고 일정한 밝기를 유지하는 대기전력모드를 사용하여 전력소비를 줄였다. 이렇게 함으로써 배터리의 잔량을 확보할 수 있으며 이를 이용하여 부조일이 지속될 경우 운용일수를 최대한 연장하기 위한 적절한 알고리즘을 제안하였다. 또한 이러한 알고리즘에 필요한 Weather Factor의 값을 실험을 통하여 결정하였으며. 모의실험을 통해 알고리즘의 적합성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study, in the operation of street lamp, suggests appropriate algorithm to extend the number of days of street lamp operation as much as possible if the number of sunless days continues and experimentally determines the value of Weather Factor necessary for this algorithm. This is conducted by reducing electricity consumption and securing battery remains through the use of standby power mode, in which maximum amount of light is maintained if there is a pedestrian, and constant brightness is maintained without utilizing maximum electric power if no pedestrians exist, with the application of WFactor value created by the algorithm considering weather forecast and amount of sunlight.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

세 가지 방식으로는 기존가로등 방식으로 운용되는 방식, 일기예보를 적용하여 운용되는 방식, 일기예보와 일조량을 고려하여 운용한 방식이며 이세 가지 방식에 같은 조건에서 모의실험을 실시하였다. 또한 본 논문에서 일기예보 및 일조량을 적용하기 위하여 반드시 필요한 WFactor을 구하기 위하여 실질적인 일기에 따른 발전량을 측정하기 위한 실험을 실시하였다. 이 실험을 통하여 일기예보에 따른 발전량의 정도에 따라 WFactor를 결정하였다.
본 논문에서 다루게 되는 방식은 농촌이나 공원 등에서 자립형으로 운용될 필요가 있는 가로등이나 보안등의경우 태양광을 이용하여 배터리를 충전하고 일기예보를 취득하여 날씨에 따라 인공지능 방식을 도입하여 에너지 사용량을 조절하고 충전되는 에너지와 소비되는 에너지를 상황에 맞게 분배함으로써, 에너지 사용의 효율성을 높이기 위한 방법에 대한 연구이다.
본 논문에서는 일기예보를 적용하여 대기전력을 변화 시켜 전력절감을 위한 방식, 일기예보와 일조량을 적용 하여 대기전력을 변화시켜 전력절감을 위한 방식의 알고리즘과 시스템 구성을 제안하고 이를 검증하고 확인하기 위한 Weather Factor(WFactor)를 구하기 위한 실험을 실시하였다.

가설 설정

본 실험에서는 표 4에서 최대 일조시간을 기준으로 최대발전량을 설정하였다. 최대발전량, 최대소비전력 등은 모두 위의 실험들과 동일하게 적용하였다.

제안 방법

또한 운량의 정도에 따라 편차가 발생 하여 가중치를 기준으로 삼을 때 표 2의 값을 기준으로 각각 최대치를 100%, 80%, 40%, 20%로 근사화 하여 표3과 같이 산정하였다. 또한 그동안 잘 정리된 데이터를 가지고 있는 혼다사의 데이터를 기준으로 태양광 발전의 발전량과 일기를 참고로 산출하여 본 논문의 WFactor를 결정하였다.^[4][7]
일기예보는 수시로 변동되어 근거로 삼기가 곤란한 어려움이 있었다. 또한 운량의 정도에 따라 편차가 발생 하여 가중치를 기준으로 삼을 때 표 2의 값을 기준으로 각각 최대치를 100%, 80%, 40%, 20%로 근사화 하여 표3과 같이 산정하였다. 또한 그동안 잘 정리된 데이터를 가지고 있는 혼다사의 데이터를 기준으로 태양광 발전의 발전량과 일기를 참고로 산출하여 본 논문의 WFactor를 결정하였다.
기상정보를 바탕으로 앞으로의 대략적인 발전량의 예측이 가능하다. 본 논문에서 실행한 실험에서는 4일간의 예보를 본 논문에서 제안한 알고리즘의 파라미터 값으로 적용하였고 일기예보는 무작위로 실시하였다.
본 논문에서는 세 가지 방식에 대하여 모의실험 및 실험을 실시하였다. 세 가지 방식으로는 기존가로등 방식으로 운용되는 방식, 일기예보를 적용하여 운용되는 방식, 일기예보와 일조량을 고려하여 운용한 방식이며 이세 가지 방식에 같은 조건에서 모의실험을 실시하였다.
본 논문에서는 세 가지 방식에 대하여 모의실험 및 실험을 실시하였다. 세 가지 방식으로는 기존가로등 방식으로 운용되는 방식, 일기예보를 적용하여 운용되는 방식, 일기예보와 일조량을 고려하여 운용한 방식이며 이세 가지 방식에 같은 조건에서 모의실험을 실시하였다. 또한 본 논문에서 일기예보 및 일조량을 적용하기 위하여 반드시 필요한 WFactor을 구하기 위하여 실질적인 일기에 따른 발전량을 측정하기 위한 실험을 실시하였다.
그림 2는 본 시스템 구동을 위한 알고리즘을 나타낸다. 이 시스템의 알고리즘은 CDMA모듈을 통하여 기상청으로 접속을 하여 일기예보를 취득하고 이 일기예보를 이용하여 WFactor를 생성한다. 생성된 WFactor는 대기 모드 전력을 결정하는 요소로 사용되어지며 보행자가 감지되지 않고 밤일 경우 대기모드의 전력으로 가로등을 운영하다가 보행자가 나타나고 밤일 경우 최대 광량을 확보한다.
또한 본 논문에서 일기예보 및 일조량을 적용하기 위하여 반드시 필요한 WFactor을 구하기 위하여 실질적인 일기에 따른 발전량을 측정하기 위한 실험을 실시하였다. 이 실험을 통하여 일기예보에 따른 발전량의 정도에 따라 WFactor를 결정하였다.
평상시 지속적인 전력소모를 하여 배터리로 운용가능한 날이 3일밖에 안 되는 것보다는 불 필요시 광량을 줄이고 필요시에는 최대 광량을 확보하여 보행자의 안전을 도모하는 것이 전력소모에 유리할 것이다^[8]. 이것을 위한 방법으로 본 논문에서 제안하는 것이 일기예보를 이용하여 전력소모를 계획적으로 행하는 방식이다. 기상청에서 제공하는 일기예보에서는 태양광 발전과 관련하여 가져올 수 있는 정보는 일조량과 관련된 부분인데 표 1에서 볼 수 있듯이 0∼10으로 날씨의 운량을 수치화하여 나타낸다.
일기예보를 이용한 가로등 운용은 일기예보에 대한 WFactor를 부여하는 것에서부터 시작된다. 일기예보의운량에 따라 가중치를 두고 4일치의 일기정보를 각각 가중치를 주어 평균값을 구함으로써 WFactor를 부여하였다. 이때 가중치를 구하기 위하여 그림 3의 회로를 이용 하여 일기예보를 바탕으로 발전량을 측정하였다.
이렇게 생성되고 저장된 에너지는 LED 시스템으로 공급된다. 제어보드는 CDMA 모듈을 통하여 기상청에 접속하여 일기예보에 대한 정보를 취득하고 수집된 일기예보를 이용하여 앞으로의 전력계획을 수립하여 대기전력을 결정한다. 또한 여러 가지 센서부를 통하여 밤과 낮의 구별, 보행자의 유무판단을 하게 되고 적정시간이 되면 가로등을 점등한다.

성능/효과

가로등의 운용에 있어서 기존의 방식에서 일기예보를 이용한다면 전력소비를 절감할 수 있다는 것을 실험을 통하여 입증하였다. 평상시 대기모드에서의 전력배분을 현실적으로 어느 정도까지 설정가능 하느냐에 따라 전력 절감은 그 크기의 차이가 크다.
그림 6에서 보여 지듯이 같은 일기조건일 경우 부조일이 지속되는 9일차부터는 기존의 가로등이 배터리잔량을 확보하지 못하는 반면 일기예보를 적용한 모델의 경우 대기전력을 줄여줌으로써 배터리의 잔량을 확보하고 있는 모습이 확연히 차이가 난다. 기상조건이 발전에 악영향을 주는 부조일이 빈번히 일어나는 25일차 전후로는기존방식의 배터리잔량이 최저수준을 유지하는 반면 일기예보를 적용한 방식은 점차 회복되는 모습이 확인된다. 또한 배터리에 저장되는 전력이 일기가 바뀌기 전에 미리 대기전력이 바뀜으로 인하여 배터리의 잔량을 미리 확보함을 알 수 있다.
기상조건이 발전에 악영향을 주는 부조일이 빈번히 일어나는 25일차 전후로는기존방식의 배터리잔량이 최저수준을 유지하는 반면 일기예보를 적용한 방식은 점차 회복되는 모습이 확인된다. 또한 배터리에 저장되는 전력이 일기가 바뀌기 전에 미리 대기전력이 바뀜으로 인하여 배터리의 잔량을 미리 확보함을 알 수 있다. 이렇게 일기가 바뀜으로 인하여 미리 능동적으로 배터리의 잔량을 확보하여 가로등의 운용 가능일을 충분히 늘릴 수 있다.
세 가지 비교 모의실험을 통해 기존 방식의 가로등의 경우에 비하여 일기예보를 적용한 모델은 84.8%의 전력을 소비하여 15.2%의 전력절감을 하였고 일기예보와 일조량을 모두 고려한 방식은 69.1%의 전력을 소비함으로써 30.9%의 전력절감이 가능함을 알 수 있었다.
그림 11은 세가지 방식에 대한 누적 전력 그래프이다. 여기에서 36일차에서 보면 누적전력은 기존의 가로등방식을 100%로 볼 때 일기예보를 적용한 모델은 84.8%의 전력소모를 보여주고 일기예보와 일조량을 적용한 모델의 경우 69.1%의 전력소모를 보여주고 있다. 여기에서 각각 일기예보를 적용한 모델은 16.
1%의 전력소모를 보여주고 있다. 여기에서 각각 일기예보를 적용한 모델은 16.2%의 전력절감을, 일기예보와 일조량을 적용한 모델의 경우 30.9%의 전력절감이 됨을 확인 할 수 있다.

후속연구

본 논문에서 제안한 방식은 여러 가지 변수가 많은 만큼 향후 여러 변수를 고려한 현실적인 방안을 마련해야 하는 것이 앞으로의 과제라 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가로등이란 무엇인가?	가로등은 어두운 도로나 보도에서 운전자나 보행자의 시야확보를 통한 사고예방 및 범죄 예방을 위해 길 가장 자리에 높게 설치하는 등을 말하며 광원종류로는 나트륨 램프(100W, 250W, 400W), 메탈헬라이드 가로등램프 (70W, 100W, 150W, 200W, 350W, 400W)등이 주로 사용 되고 있다. LED 가로등은 기존가로등 200W∼400W를 90W∼150W로 교체 시 동일한 밝기의 유지가 가능하여 50∼70% 정도의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
	국제에너지기구가 발표한 2010년 국가별 소득과 에너지 소비에서 한국의 1인당 전력소비량은 몇등인가?	1인당 전력 소비량이 세계 최고 수준을 기록하고 있는 실정이다. 국제에너지기구가 발표한 2010년 국가별 소득과 에너지 소비를 보면, 한국의 1인당 전력소비량은 주요 8개국(한국, 프랑스, 독일, 이탈리아, 일본 영국, 미국, 호주) 중 미국과 호주에 이어 3위를 기록했다.[1] 과도한 전력사용량으로 인해 정부도 블랙아웃을 대비해 다양한 대안을 내 놓고 있는 실정이다.
	가로등 또는 보안등은 어떻게 바뀌고 있는 추세인가?	이러한 관점에서 볼 때 현재 운용 중인 가로등 또는 보안등은 필요 유무와 상관없이 항상 일정한 전력을 소비하고 있으며 전력소비를 위해 일정 시간이 지나면 전력을 차단하는 방식이다. 또한 환경오염이나 전력절감을 위하여 기존의 수은등에서 LED등으로 바뀌고 있는 추세이다.

참고문헌 (11)

KETEP "World Energy Outlook 2012 Energy efficiency, Present and Future(1)" [KETEP Issue Paper], 2013-01, 2013
www.kma.go.kr/weather/climate/past_cal.jsp
Institute of Korea Testing Certification, "Analysis of LED Lighting Certification's Trend and Performance"
www.honda.co.jp/solar-power/
Dok-ki Jo, In-Soo Choi "A Study on the optimal Installation Angle of Solar Absorber Plates in Korea" Solar Energy Vol.18.No2, 1998
National Weather Service "Weather Resources Analysis report for the optimal utilization of solar energy" Publication of the registration number 11-1360000-00425-01
www.kma.go.kr/weather/climate/past_cal.jsp
KS C 7658
JaydyLee, chul-hwan Kim "An Analysis of Optimal Installation Condition and Maximum Power Generation of Photovoltaic Systems Applying Perez Model" The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 61, No. 5, pp. 683-689, 2012

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Sun-Hee Kim, Young-Guen Lee, Su-Hong Seo, Hyung-Joong Joo, Soon-Jong Yoon "Structural Design and Installation of Tracking-type Floating PV Generation System", Composites research v.27 n.2 (Apr. 2014), pp.59-65

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K. H. Kim, S. Y. Pyo, O. S. Kwon "Intelligent street light with forecasts", 2014 Domestic Conference of IWIT vol.12 no. 1, pp. 85-87

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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