[논문]태양광발전시설 무인 유지보수 로봇 개발

이현규; 이상순

태양광발전시설 무인 유지보수 로봇 개발
Development of Unmanned Cleaning Robot for Photovoltaic Panels 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.3, 2019년, pp.144 - 149

이현규 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부) , 이상순 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the results of a study on the unmanned maintenance robot that simultaneously performs the cleaning and inspection of the photovoltaic panels. The robot has a special adsorptive device, an infrared sensor, a vacuum level sensor and a camera. The robot uses two SSC (Sliding Suction Cup) adsorptive devices to move up and down the slope. First, the forces generated when the robot moves up the slope are mechanically analyzed, and the required design and control of the adsorption system are suggested. The robot was designed and manufactured to operate stably by using the presented results. Next, the normal force between the panel and the wheel was measured to confirm that the robot was manufactured and operated as intended, and the robot motion was tested on the inclined panel. It has been proven that robots are well designed and built to clean and inspect sloped panels.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

검사는 SBC로 제어되는데, 일반 카메라와 FLIR카메라를 통해 패널의 외부 및 내부를 동시에 확인하여 패널의 효율을 감소 시키는 요인이 있는지 검사한다. 두개의 카메라가 SBC로 영상을 보내고 SBC에서는 이를 영상 처리한 후 문제가 있어 보이는 이미지를 사용자(Host PC)에게 무선통신을 통해서 보내준다.
본 논문에서는 2개의 SSC(Sliding Suction Cup)를 사용한 흡착식 태양광 패널 유지보수로봇의 개발에 대해서 다루고 있다. 첫 번째로, 로봇이 경사면을 올라갈 때 발생하는현상을 역학적으로 분석하였고, 이를 극복하기 위해 필요한 흡착 시스템 디자인 및 제어를 제시하였다.
따라서 흡착력 차이를 적절히 조절하는 게 매우 중요하다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 2개의 흡착기를 사용하여 수직항력 차이를 개선하여 로봇의 방향제어가 힘들어지는 문제를 효과적으로 극복하고 있다. 하나의 흡착기는 앞바퀴들의 사이에, 다른 흡착기는 뒤 바퀴들의 사이에 위치하고 있다.
본 연구에서는 Fig. 1에 나타나 있는 것처럼 경사면을 오르내리면서 평판을 청소하는 로봇을 개발하고 있다. 4개의 바퀴로 운행되는 로봇으로, 평판을 오르내릴 때 안정된 구동을 위해서 진공펌프로 작동하는 2개의 SSC(sliding suction cup)를 사용한 흡착 시스템을 장착하고 있다.
제시된 결과들을 가지고 견고하게 동작되도록 로봇을 설계하였다.여기에 로봇이 유지보수 로봇으로서 역할을 하기 위해 탑재된 청소, 검사, 무인구동 기능 등을 소개하였다.

제안 방법

경사각도가 θ인 경사면에 오르는 로봇에 작용하는 흡착기의 영향을 살펴보기 위해서 흡착기가 2개인 로봇의 경우를 살펴본다.
로봇이 패널을 올라갈 때 생기는 앞 뒤 수직항력 차이가 생기는데 이를 두 개의 흡착기를 채택하여 극복하였다. 또한 패널은 설치된 각도가다르므로, 6축 센서를 통해서 패널의 각도를 측정하여 어떠한 각도에서도 적절한 흡착력을 사용하게 하여 필요이상의 과도한 수직항력이 흡착기와 바퀴에 발생하지 않게 했다.
패널의 청소는 로봇 앞 뒤에 달린 나선형 브러쉬를 통하여 물리적인 방법으로 청소를 하게 된다. 로봇의 무인주행을 구현하기 위해서는 로봇의 끝단을 감지하고 로봇이 현재 어떤 상황에 있는지 파악해야할 필요가 있는데 이를 위해서 적외선 센서를 사용하였다. 로봇의 상하좌우에 UV 센서 4개가 달려있는데, 이 센서들의 신호 조합을 통해서 로봇이 어떠한 상황에 있는지 판단하게 되고 이를 시리얼 통신을 통해서 로봇의 세 번째 부분인 MCU2에 보내주게 된다.
로봇은 경사각이 최대 45도에서까지 안정적으로 동작해야 하는데, 흡착력이 없는 경우 로봇은 27도에서 미끄러지기 시작하므로 흡착시스템이 필요하였다. 로봇이 패널을 올라갈 때 생기는 앞 뒤 수직항력 차이가 생기는데 이를 두 개의 흡착기를 채택하여 극복하였다. 또한 패널은 설치된 각도가다르므로, 6축 센서를 통해서 패널의 각도를 측정하여 어떠한 각도에서도 적절한 흡착력을 사용하게 하여 필요이상의 과도한 수직항력이 흡착기와 바퀴에 발생하지 않게 했다.
5는 로봇의 전체 구성도를 나타낸다. 본 로봇은 태양광 패널 위를 무인으로 주행하면서 패널을 청소 및 검사해야하기 때문에 검사, 흡착, 주행, 엣지감지, 청소 등 총 5가지의 기능이 필요하다. 해당 기능들은 SBC, MCU1, MCU2에서 제어된다.
로봇이 주행하면서 패널도 검사한다. 일반 카메라와 FLIR 카메라로 패널의 외부 및 내부를 동시에 검사한다. 만약 SBC가 문제가 있는 이미지를 찾으면 사용자에게 무선통신을 사용하여 알려주게 된다.
첫 번째로, 로봇이 경사면을 올라갈 때 발생하는현상을 역학적으로 분석하였고, 이를 극복하기 위해 필요한 흡착 시스템 디자인 및 제어를 제시하였다. 제시된 결과들을 가지고 견고하게 동작되도록 로봇을 설계하였다.여기에 로봇이 유지보수 로봇으로서 역할을 하기 위해 탑재된 청소, 검사, 무인구동 기능 등을 소개하였다.
본 논문에서는 2개의 SSC(Sliding Suction Cup)를 사용한 흡착식 태양광 패널 유지보수로봇의 개발에 대해서 다루고 있다. 첫 번째로, 로봇이 경사면을 올라갈 때 발생하는현상을 역학적으로 분석하였고, 이를 극복하기 위해 필요한 흡착 시스템 디자인 및 제어를 제시하였다. 제시된 결과들을 가지고 견고하게 동작되도록 로봇을 설계하였다.
해당 논문에서는 먼저 2개의 SSC를 사용하여 임의의 경사 각도에서 동작하는 로봇을 이론적으로 분석하고 관계식을 도출하고 있다. 도출된 관계식을 따라 설계된 로봇이 납득할 만한 성능을 내는지를 보이기 위해서 시뮬레이션 및 실험을 통해서 확인된 결과를 설명한다.
외란의 경우 의도치 않게 흡착기 내부의 압력을 증가시키는 요소인데, 여기서는 패널의 거칠기, 크랙으로 인한 공기 유출, 리니어 모터에 의해 가해지는 외부힘 등이 있다. 해당 요소들을 고려하여 흡착시스템을 PID제어기를 통하여 제어하였다. 이에 대한 블록선도는 Fig.

대상 데이터

1에 나타낸 태양광 패널 유지보수 로봇의 하드웨어 및 제어파트를 살펴본다. 로봇은 7.4V 와 11.1V LIPO 배터리를 통해서 구동되는데, 로봇의 총 무게는 8.08kg이고 크기는 세로 54cm, 가로 40cm 높이 17.3cm이다.

이론/모형

3은 로봇의 썩션 시스템을 도식화 한 그림이다. 시스템은 공압 및 전자 시스템이 융합된 시스템이므로 효과적으로 모델을 분석하기 위해 bondgraph방법을 사용했다.[10] bondgraph method를 사용하는데 있어서 각 기계 요소들은 bondgraph 성분으로 변환하고 유동시스템을 모델링하여 연립 미분방정식을 풀면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
이 논문에서는, 미끄러지지 않고 로봇이 경사면을 오를 수 있는 흡착력을 구하기 위해서 쿨롱 마찰 모델을 사용한다. 흡착기와 경사면 사이의 마찰을 무시하면 다음과 같은 조건식이 주어진다.
태양광패널청소를 빠르게 수행하려면 로봇의 크기가 기존 흡착 로봇들에 비해 상대적으로 커야하고, 배터리 및 검사장치들과 같은 추가적인 무게들을 탑재하고 원활히 동작해야한다. 이번 연구에서는 패널의 매끄로운 표면이라는 특징을 잘 활용하여서 저마찰 썩션컵과 진공펌프를 활용한 SSC(Sliding Suction Cup) 방식을 사용하였다.

성능/효과

하나의 흡착기는 앞바퀴들의 사이에, 다른 흡착기는 뒤 바퀴들의 사이에 위치하고 있다. 로봇의 바퀴로 메카넘 휠을 사용하는데, 메카넘 휠은 일반 바퀴에 비해 진동 및 슬립현상이 있을 수 있지만, 흡착시스템에서 충분한 수직항력을 만들어내기 때문에 안정적인 구동이 가능하고 메카넘 휠를 사용하여 청소 시간이 단축되는 효과를 얻을 수 있다. 본 로봇은 청소 뿐만 아니라 패널 내부 및 외부를 검사할 수 있게 설계되어 있다.
실험 결과 로봇은 사용자의 조작없이 45도의 태양광 패널 모형위에서 오르고, 회전하고, 옆으로 가고, 내려오는 동작을 문제없이 수행하는 것을 확인할 수 있었다. 로봇이 주행을 시작할 때부터 패널을 오르는데 10초, 전체 패널을 청소하고 검사하는데 30초가 소요되었다. 해당 실험을 통해 앞에서 도출한 식 들이 정확하며 로봇이 잘 설계되었다는 것을 확인할 수 있다.
9에 나오는 패널은 태양광 패널 모형으로, 크기는 가장 많이쓰이는 300kW급 태양광 패널과 같이 2m × 1m이다. 실험 결과 로봇은 사용자의 조작없이 45도의 태양광 패널 모형위에서 오르고, 회전하고, 옆으로 가고, 내려오는 동작을 문제없이 수행하는 것을 확인할 수 있었다. 로봇이 주행을 시작할 때부터 패널을 오르는데 10초, 전체 패널을 청소하고 검사하는데 30초가 소요되었다.
제작된 로봇이 의도된 대로 제작되고 동작하는지 확인하기 위해 바퀴의 수직항력 측정실험과 모형패널 주행실험을 진행하였고, 그 결과 로봇이 의도에 맞게 훌륭하게 설계되고 제작됐다는 것을 검증할 수 있었다.
로봇이 주행을 시작할 때부터 패널을 오르는데 10초, 전체 패널을 청소하고 검사하는데 30초가 소요되었다. 해당 실험을 통해 앞에서 도출한 식 들이 정확하며 로봇이 잘 설계되었다는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

본 논문에서는 로봇거동 중 제일 중요한 로봇이 위로 올라가는 경우를 분석하고 있는데, 이후 연구에서는 회전하는 경우에 대해서도 분석 및 실험을 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SSC방식이란?	태양광패널청소를 빠르게 수행하려면로봇의 크기가 기존 흡착 로봇들에 비해 상대적으로 커야하고, 배터리 및 검사장치들과 같은 추가적인 무게들을탑재하고 원활히 동작해야한다. 이번 연구에서는 패널의매끄로운 표면이라는 특징을 잘 활용하여서 저마찰 썩션컵과 진공펌프를 활용한 SSC(Sliding Suction Cup) 방식을 사용하였다.
	태양광 발전이 각광 받는 이유는?	신 재생 에너지 발전 방법 중, 태양광 발전은 유지보수가 다른 신 재생에너지 발전에 비해 상대적으로 간단하고, 초기 설치가 간단해 각광을 받고 있다. 하지만 태양광발전은 사용과정 중에 먼지에 의한 패널의 오염에 의해서 발전 효율이 30~40%까지 감소할 수 있다.
	다이아프램 방식의 진공펌프가 청소하는 로봇으로는 효율적이지 않는 이유는?	[5] 이를 극복하기 위해 다이아프램 방식의 진공펌프가사용되고 있는데, 해당 방식은 펌프내의 체크밸브에 의해서 차압이 유지되기 때문에 항상 팬이 돌지 않아도 된다.[6] 그러나 해당 로봇처럼 단일 진공펌프와 스프링과같은 수동적인 방법으로 수직항력 보상방법을 사용하는경우 다양한 각도로 경사져 있는 태양광 패널을 안정되고 신속하게 청소하는 로봇으로는 효율적이지 않다.

참고문헌 (6)

Kontges, M. et al., "The risk of power loss in crystalline silicon based photovoltaic modules due to micro-cracks," Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol.95, pp. 1131-1137, 2011.

상세보기
Chaichan, M. T., Bashar A. M., and Hussein A. K.,. "Effect of pollution and cleaning on photovoltaic performance based on experimental study," International Journal of Scientific and Engineering Research Vol.6 , pp.594-601, 2015.
Macomber, H. L., John B. R., and Frederick A. C., "Photovoltaic Stand Alone Systems," DOE/NASA/0195-1, 1981.
Sayyah, A., Mark N. H., and Malay K. M., "Energy yield loss caused by dust deposition on photovoltaic panels," Solar Energy Vol.107, pp. 576-604, 2014.

상세보기
Song, Y. K., et al., "Development of wall climbing robotic system for inspection purpose," 2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2008.
Miyake, T. and Hidenori, I., "Mechanisms and basic properties of window cleaning robot," Advanced Intelligent Mechatronics, IEEE/ASME International Conference, Vol.2, 2003.

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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