KR100483291B1

KR100483291B1 - 태양열 관련설비의 태양위치 추적 제어방법.

Info

Publication number: KR100483291B1
Application number: KR10-2001-0000281A
Authority: KR
Inventors: 박상규
Original assignee: 박상규
Priority date: 2001-01-04
Filing date: 2001-01-04
Publication date: 2005-04-15
Also published as: KR20010025541A

Abstract

본 발명은 태양의 방위 및 고도는 주어진 Data Logger를 이용하고, 집열기/집광기가 태양 빛을 가장 많이 받을 수 있도록 집열기/집광기를 이동할 수 있는 위치제어 시스템을 구현하고 정밀한 위치 제어시스템과 정확한 Data Logger를 통하여 외부의 에너지 공급 없이 효율적이고 안정적 에너지를 공급받을 수 있는 시스템을 제안하고자 하는 것이다.

Description

태양열 관련설비의 태양위치 추적 제어방법.{METHOD OF CONTROL SOLAR POSITION PURSUIT}

본 발명은 태양에너지 획득의 극대화를 위한 태양열 관련설비에 관한 것으로서, 특히 자기 계측기(Data Logger)를 이용한 태양열 관련설비의 태양위치 추적 제어방법에 관한 것이다.

근래에는 화석 에너지의 사용으로 인하여 환경의 심각한 오염이 사회문제로 되고 있으며, 따라서 소위 크린 에너지의 개발이 전세계적으로 활발히 추진되고 있는 것이다. 그 대표적인 일예가 태양에너지의 개발이다. 이러한 태양에너지를 활용하기 위해서는 먼저 수집과정이 필요하게 되는데 태양은 항상 위치가 변화되는 것이므로 고정된 구조의 수집장치로는 그 효율이 저조하여 실용에 문제가 있는 것이다. 그러므로 최근에는 태양에너지의 수집장치가 태양의 방향을 추적하여 향일성(向日性)이 유지되도록 함으로써, 태양에너지가 효율적으로 태양에너지 이용기기에 전달될 수 있도록 하는 태양추적장치들이 제안된 바 있다.

이러한 태양추적장치들은 크게 보아 프로그램에 의하여 계산된 좌표에 따라 구동모터가 작동되므로서 태양을 추적하는 좌표 계산방식과, 수시로 광센서에 의하여 검출되는 신호출력에 따라 구동모터를 제어하여 태양을 추적하는 광센서방식의 두 가지로 분류할 수 있다.

그러나, 전술한 좌표 계산방식은 일기상태에 구애받지 않고 태양을 추종할 수 있다는 장점이 있는 반면에 오차의 누적으로 주기적인 번거로운 교정작업이 필수적이므로 유지, 보수의 번거로움이 있다. 또한 전술한 광센서 방식은 그 구조가 비교적 간결하다는 장점은 있으나 날씨가 흐른 경우에는 태양의 추적이 불가능하고 이러한 상태로 시간이 경과되어 태양의 위치가 상당히 변화된 경우에는 태양이 추적장치의 추적가능범위를 벗어나게 되어 추적 자체가 불가능하게 되는 것이며, 추종가능범위가 협소하여 작동의 연속성이 유지되기 어렵다는 등의 문제점이 발생한다.

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 태양고도에 따른 반사의 손실을 없애고, 날씨의 맑고 흐림에도 관계없는 집열기/집광기 등 태양열 관련설비에 항상 태양빛이 수직으로 향하도록 하는 태양위치 추적 제어방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 완벽한 최첨단 천문학적 이론의 정립과 실험으로 증명된 절대적인 순수 프로그램 제어방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 제1견지에 따른 본 발명은 집열기/집광기, 태양의 중심고도 및 방위를 산출하기 위한 천측력의 주표란의 태양에 관한 GMT, 적위, GHA, 당일의 SD등 태양에 관한 Data, 기기가 설치될 위도 및 경도, 집열판/집광기의 중심까지의 해발높이, 고도개정표, 위도와 관련된 계산고도방위각표 Data Logger, 80C196KC를 이용한 제어부, 증폭기, 16bit 분해능을 가지는 AD Converter, LCD, AC모터, AC모터 드라이브 및 PC를 이용하여 외부의 에너지 공급 없이 건물 내부의 온수 및 난방의 효과를 구현할 수 있는 태양위치 추적 제어방법을 제안한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 제2견지에 따른 본 발명은 태양열 집열판/태양전지판 등을 상/하 방향으로 회전(요동)시키며, 상기 설비의 연직방향을 측정하는 경사계와 태양중심과 상기 설비의 앙각을 측정하는 고도계로 구성된 고도 추적 구동부와; 방위환(Azimuth Circle: 방위표시)이 설치되어 태양의 방위를 추적하는 방위 추적 구동부와; 상기 고도 추적 구동부와 방위 추적 구동부는 평상시 외압에 견딜 수 있도록 웜 및 웜휠기어의 작동에 따라 구동되고, 기기의 전체모양이 접이형상(Collapsable Type)으로 태풍 및 강풍에 대비하여 안전을 고려하였을 뿐만 아니라 보수, 유지관리에 편리하도록 구성한 태양열 관련설비의 태양위치 추적장치를 제안한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로서 이는 사용자 혹은 칩 설계자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.또한, 아래에서 후술한 각 도면들의 설명에 있어서 천문학상에 나타난 용어 및 기호 해설을 서술하면 다음과 같다.(1)천(天)의 극(極)및 천(天)의 축(軸)지축(地軸)을 무한히 연장하여 천구(天球)와 만난 점을 천의 축(Celestial pole)이라고 하며, 천의 극 가운데 지구의 북극쪽에 있는 것을 천의 북극, 남극쪽에 있는 것을 천의 남극이라고 한다. 또 천의 극 가운데 관측자의 위도와 동명(Same name)인 극 즉 수평선 위쪽에 있는 극을 동명극(Elevated pole), 그 반대쪽에 있는 극을 즉 수평선 아래쪽에 있는 극을 다시 말해 이명(Contrary name) 인 극을 이명극(Dipressed pole)이라고 하며, 관측자가 북반구에 있으면 천의 북극이동명극이고 천의 남극은 이명극이다. 도면상 Pn(천의 북극), Ps(천의 남극)는 천의 극을, PnPs는 천의 축을 표시한다.(2) 천(天)의 적도(赤道)지구(地球)의 적도면(赤道面)을 무한히 연장하여 천구와 만나서 이루는 대권(Great circle)을 천의 적도(Celestial equator)이라고 한다. 따라서 천의 극에서 천의 적도까지의 각거리는 어디에서나 90이다. 도면상에서 QQ는 천의 적도를 표시한다.(3) 적위(赤緯)천체를 지나는 천의 자오선에서 천의 적도로부터 천체까지의 호(弧)를 그 천체의 적위(Declination: Dec. 또는 d)라 하며, 적도상의 0에서 남북으로 각각 90까지 재고 천체가 적도의 북쪽에 있으면 부호 N을, 남쪽에 있으면 부호 S를 붙인다. 도면상 PnM은 천체 M의 극거 즉 여적위(Codeclination)이다. 각국에서 간행하는 천측력 주표에 GMT에 상당하는 태양의 적위가 나타나 있다.(4) 극거(極距)천체를 지나는 천의 자오선에서 동명극과 천체 사이에 낀 호를 그 천체의 극거 또는 극거리(極距離: Polar distance/ p)라고 한다.P= 90±d (단 적위와 위도가 동명이면 -, 적위와 위도가 이명이면 +)도면상에서 PnM은 천체 M의 극거이다.(5) 천정(天頂)과 천저(天底)집열기, 집광기 또는 일차적/직접적으로 태양에너지를 입수하는 태양에너지 기기의 중심(이하 모든 설명에서 이해의 편의상 이것을 "관측자(觀測者)"로도 표현한다)과지구중심(地球中心)을 지나는 직선이 천구(天球)와 만난 점 가운데 관측자의 머리 위쪽에서 만난 점을 천정(天頂) 또는 정점(Zenith/ Z)이라고 하며, 발 아래쪽에서 만난 점을 천저(Nadier/ Na)라고 하며, 특히 특허 출원원본 전반부에 계산고도와 방위의 계산과 관련하여 부호 Z(방위각), Zn(방위)와 구별이 되어진다.(6) 관측자의 천(天)의 자오선(子午線)천정을 지나는 천의 자오선을 관측자의 천의 자오선(Observer's celestial meridian)이라고 부르며 PnZPs는 관측자의 천의 자오선이다.(7) 천의 자오선 또는 시권(時圈)천의 양극을 지나는 대권을 천의 자오선(Celestial meridian)이라고 하며, 어느 점이나 천체에 관련시켜 부를 때에는 시권(Hour circle) 또는 적위권(Circle of declination) 이라고 한다.(8) 진수평(眞水平)천정과 천저를 지나는 직선에 수직이고 천구의 중심을 지나는 평면이 천구상에서 이루는 대권을 진수평(Celestial horizon or Rational horizon) 이라고 하며 보통 수평권이라고 하면 이것을 의미한다.도면상 천정과 천저를지나는 대권(Zna)과 수직이고 NS를 지나는 대권이다.(9) 수직권(垂直圈)천정과 천저를 지나는 대권을 수직권(Vertical circle)이라고 하며, 방위를 측정하는 기준이 되기도 하므로 방위권(方位圈: Azimuth circle)이라고도 부른다.도면 ZMNa는 천체 M의 수직권을 표시한다.(10) 천체의 고도천체를 지나는 수직권(이를 천체의 수직권이라고 한다)상에서 천체와 진수평사이의 호를 천체의 고도(Altitude: Alt. 또는 h)라고 부른다.도면상 천체의 정거(頂距)ZM 즉 co-h는 여고도(Coaltitude)이다.그리고 천체의 수직권상에서 천체와 거소수평 사이의 호를 수정고도(Rectified altitude: hr) 또는 겉보기고도( Apparent altitude: App. Alt.)라고 부르는 경우가 있다.(11) 정거(頂距)천정에서 천체까지 수직권을 따라 측정한 호의 길이를 정거 또는 천정거리(天頂距離:Zenith distance/ ZD 또는 z)라고 하며, 고도의 여호 즉 90-h 이다도면에서 ZM은 천체 M의 정거이다.(12) 동서권(東西圈)동점(東點) E(도면상 서점(西點) W인 정반대 쪽에 위치 하지만 도면상 나타나 있지 않음)과 서점 W을 지나는 수직권을 동서권(Prime vertical circle/ PV)이라고 하며, 관측자의 자오선과 직교하므로 그 위에 있는 천체는 정동 또는 정서에 보인다.대권 ZENaW는 동서권을 표시한다.특히 남점과 북점을 지나는 수직권을 주수직권(主垂直圈: Principle vertical circle)이라고 부르는데 이것은 천의 자오선이기도 하다.(13) 방위(方位)천체를 지나는 수직권과 관측자의 천의 자오선이 천정에서 이루는 각 또는 수평권의 호를 북을 000로 하여 시게방향(clockwise)로 360까지 측정한 것을방위 (Azimuth: Zn)이라고 한다. 때로는 이 각 또는 호를 동명극을 0로 하여 동 또는 서쪽으로 180까지 측정하거나 가까운 쪽의 극을 기준으로 하여 90까지의 각으로 표현하는 것이 편리한 경우가 있다. 이 때에는 방위와 구별하기 위하여 이를 방위각(Azimuth angle: Z 또는 Az)이라고 부른다. 방위각의 앞에는 기준되는 점에 따라 N 또는 S를, 그 뒤에는 측정의 방향을 나타내기 위하여 E 또는 S를 붙인다.(14) 지방시각(地方時角)관측자의 천의 자오선과 천체의 시권이 극에서 이루는 각 또는 그 들 사이에 낀 적도의 호를 관측자의 천의 자오선을 기준으로 하여 서쪽으로 0에서 360까지 측정한 것을 지방시각(Local hour angle: LHA)이라고 하며 시간이 경과할수록 지방시각은 증가한다.특히 관측자의 자오선을 기중으로 하여 동 또는 서쪽으로 0에서 180까지 측정한 각을 자오선각(Meridian angle): t)이라고 하며 측정각 뒤에는 측정한 방향에 따라E 또는 W를 붙인다.지방시각과 자오선각 사이에는 다음관계가 성립한다.t(W) = LHA360 - t(W)= LHA 도면상에서 ZPnM은 지방시각이다.(15) 본초시각(本初時角)영국 Greenwich자오선에 대한 지방시각을 그리니치시각 또는 본초시각 (Greenwich hour angle/ GHA)이라고 한다. 따라서 지방시각과는 다음 관계가 성립한다.LHA = GHA ±(경도)(단 경도 가 E이면 +, 가 W이면 -이다)(16) 기타 기호 해설관측자의 위도 QZ인 L의 여각PnZ 는 여위도(Colatitude) co-L이고, 천체의 정거 ZM 즉 여고도(Coaltitude)인 co-h이며, 및 천체의 극거 PnM 즉 여적위 (Codeclination) 인 co-d이다.(17) 도 4 상에 나타난 기호 해설Z(천정: Zenith), C는 지구중심, CH는 진수평, Oh는 시수평, OH는 거소수평이다.(18) 세계시(世界時: GMT) 및 지방평시(地方平時: Local mean time/LMT)평균태양(平均太陽)을 기준으로 측정한 시(時)를 평균태양시(Mean solar time) 또는 간단히 평시(平時: Mean time/MT)라고 하며 평자정(平子正)은 0시(24시), 평정오(平正午)는 12시에 해당한다.평균태양의 자오선각을 t라고 하면,MT =12h-t(E) 또는MT =12h+ t(W) 관계가 성립한다.이 평시는 우리들이 일상생활에 사용하는 시(時)이며, 그런 이유로 평시를 상용시(常用時: Civil time), 또 평균태양일(平均太陽日)을 상용일(常用日: Civil day)이라고 부른다.특히 영국의 그리니치Greenwich )에 있어서의 평시를 그리니치평시 (Greenwich mean time: GMT) 또는 세계시(Universal time:UT)라 하며, 임의의 지점에 대한평시를 지방평시(地方平時: Local mean time/LMT)라고 한다.(19) 한국표준시(Korea standard time: KST)일상생활에서 평시가 이용되는데 지방평시는 그 지점의 천의 자오선을 기준하기 때문에 각 지점마다지방평시를 사용하면 같은 행정구역 안에서도 각기 위치에 따라 즉 경도가 다르면 다른 시를 사용하여야 하는 불편함이 있다. 그래서 우리나라는 표준자오선을 동경 13500.0을 표준자오선(Standard meridian)으로 정하고 이를 기준으로 한 평시를 사용하고 있으며, 이것을 한국표준시(Korea standard time: KST)라고 한다. 이와 같은 평시를 그 나라 또는 그 지방의 표준시(標準時: Standard time)라고 하며 보통 이것을 상용하므로 상용시(Civil time)라고도 한다.

우선 본 발명에서 제안하고자 하는 태양위치 추적시스템의 개념을 살펴보면, 태양의 방위 및 고도는 주어진 Data Logger를 이용하고, 집열기/집광기가 태양 빛을 가장 많이 받을 수 있도록 집열기/집광기를 이동할 수 있는 위치제어 시스템을 구현하여 정밀한 위치 제어시스템과 정확한 Data Logger를 통하여 외부의 에너지 공급 없이 효율적이고 안정적 에너지를 공급받을 수 있는 시스템을 제안하고자 하는 것이다.

전술한 태양 위치 추적시스템은 본 발명자의 각고의 노력 끝에 얻어진 수학식, 바람직하게는 천문학의 기초와 실무에서의 경험을 바탕으로 태양고도에 따른 반사 손실을 없애고, 날씨의 변화에 관계없이 태양열 관련설비에 항상 태양 빛이 수직으로 향하도록 하는 원리와 수학식을 얻게 되었으며, 이러한 원리와 수학식은 하기의 상세 설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.

1. 어떤 임의의 지점에서 태양의 고도 및 방위각을 계산하는 기본식

모든 해상의 선박에서 고도와 방위각을 이용하여 위치선을 결정하는데 이것을 활용하여 임의의 지점인 육상에서 선박의 속력을 0(zero)을 대입하였고, 실제 해상에서는 가정위치나 추측위치를 사용하나 육상에서는 집광기/집열기의 설치위치(위도와 경도)를 정확히 알 수 있으므로 실측위치를 사용한다는 점이 이 방법으로 위치선을 구하는 비행기 및 선박과 다르다.

2. 원리 및 응용

천체(태양)의 고도 및 방위각을 선박에서 위치선 결정하는 방법을 응용하였다. 위치선 요소인 고도와 방위각의 정확도는 곧 천측위치의 정확도와 직결되는 것이므로 고도 및 방위각의 계산법은 간편하고 정확성이 높은 것이 요구된다.

한편, 전술한 내용을 이해하기 위해서는 약간의 천문학적인 상식이 필요하므로 아래와 같이 도면과 설명을 기술한다.

고도 및 방위각의 계산식은 50여종에 이르는데 계산방식에 따라 다음 4종류로 구별 할 수 있다.

(1) 항해 삼각형 PnZM에 Cosine법칙과 Sine 법칙을 각각 적용한 것.

sin h = sin L sin d + cos L cos d cos t

sinZ = sin t cos d sec h

(2) 향해 삼각형 PnZM을 꼭지점 Z로부터 그 맞변에의 수선으로 나누어 Napier법칙을 적용한 것.

도 1에서

sin v =cos L sin t

cos w = sin L sec v

또는 tan w = cot L cos t

sin Z₁ = sin w sec L

또는 cot Z₁ = sin L tan t

sin h = cos v cos x

sin Z₂ = sin x sec h

또는 cos Z₂ = tan v tan h

(3) 항해삼각형 PnZM을 천체 M으로부터 그 맞변에의 수선으로 나누어 Napier법칙을 적용한 것.

도 2에서

sin v = cos d sin t

cos w = sin d sec v

또는 sin w = cot t tan v

sin h = cos v cos x

sin Z = sin v sec h

또는 cos Z = tan x tan h(단 x = 90°( w + L )

(4) 항해 삼각형을 직접 이용하지 않고 구한 것.

도 3에 도시한 구면 삼각형 PnCN에서 각 PnNC는 직각이므로 Napier법칙에 의하여,

sin L = - cot t tan(Z + F) 이므로

tan(Z + F) = -sin L tan t

또 cos t = tan L tan K 이므로

tan K = cos t cot L

또 cos C = cos L sin t

그런데 구면 삼각형 ACM에서 ∠MAC는 직각이므로 Napier법칙을 적용하여,

cos C = tan F cot(K + d)이므로

tan F = sin C sin(K + d)

Z = (Z+ F)-F 등이 이용된다.

3. 항해용 삼각형을 이용한 계산고도 및 방위

이하 여기에서 천체라고 함은 태양을 지칭한다.

천측력(Nautical Almanic)은 미국, 영국, 일본 등 우리나라도 현재 해양수산부에서 다음해에 사용되어지는 1년 분의 자료를 보통 몇 개월 전에 간행하고 있으며 천체에 관한 계산에서 아주 기본적이고 중요한 서적이다. 외국의 천측력 예를 들어 Brown's Almanac 등에서는 천체 등에 관한 정보가 우리 나라 것 보다 많이 수록되어 있다.

천측력 주표에는 태양의 GMT(Greenwich Mean Time)에 상당하는 GHA(Greenwich Hour Angle)와 적위(Declination)가 나타나있다.

어떤 임의 지점에서 측정시의 GMT를 구해 해당 GHA을 구하고, 적위도 개정량을 보간하여 정확히 구한다. 여기에서 구한 GHA(Greenwich Hour Angle)에 임의의 지점(집열기/집광기가 설치된 장소)의 경도를 구하여 GHA와 가감하면 LHA(Local Hour Angle)또는 자오선각(Meridian Angle)이 된다.

즉 LHA = GHA ±Long. (집열기/집광기가 설치된 장소의 경도)

t(W)자오선각 = LHA

360°- t(E) = LHA

이것을 이용하여 Hc(계산고도)를 구할 수 있다.

여기서 Hc(계산고도: Computed altitude))란 항해용 구면 삼각형을 이용하여 구한 고도를 말한다.

계산고도방위각표 활용에 관하여 언급하면 이 표는 항해용구면삼가형을 수학적으로 계산하여 실무에서 사용자가 편리하게 사용할 수 있도록 만들어 놓은 일종의 표이다. 이 표를 사용하여 위도(Latitude), 지방시각(LHA)/자오선각(t) 및 적위(Declination)에 대해 보간을 하여 실용상 정확하게 구할 수가 있고, 비행기나 선박에서 실제로 사용하고 있다. 항해삼각형에서 위도, 적위 및 자오선각 등 3요소를 알고 위치선항법에서 가장 중요한 고도와 방위각을 산출하는 표이며, 주로 사용되는 것이 미국해군수로국(U. S. Navy Hydrographic Office : U. S. N. H. O.)에서 간행한 계산고도방위각표( “ Tables of Computed Altitude and Azimuth”)이며 서지 번호(Published Number)가 214이므로 "Two Fourteen Table"이라고 불리며, 우리 나라도 이와 똑 같은 것을 서지번호 1301호로 간행하고 있다. 한편 요즈음 U. S. Naval Oceanography Office에서 H. O. Pub. No. 229으로 간행하고 있는 항해용 천측계산표( "Sight Reduction Tables for Marine Navigation”)가 있다. 흔히 이것도 "Two Two Nine”이라고 불리어 지고 있으며 후자는 전자보다 편리하여 실무에서 보편화되어 있으므로 이하 설명에서도 229테이블을 이용하기로 한다.

(a) 본 발명자는 그 동안 실무에서 수 없이 태양의 고도를 측정해 왔지만 이 이론을 정립하기 위해 2000년 10월 4일 부산, 영도구, 동삼동 중리 선착장(실제위치: Lat.35°- 03' .3N, Long.129°- 05´.0E)에서 실측을 한 것을 예를 들어보자.

이것을 임의의 지점이라고 생각하고 해발높이 3.4m에서 GMT 05시32분21초( KST 14시 32분 21초)에 태양의 하변고도를 Sextant로 hs(Sextant altitude) 38°23'.0으로 측정하였다, 태양의 Hc(계산고도)와 Zn(방위)를 구하면.( 천측력과 229 Table을 이용해서 구함)

(이하 설명에서 기호 hs는 태양의 하변고도, hs는 태양중심고도, hs는 태양의 상변고도를 표시한다.)

Sun(태양) d

04h 257° 49'.6 S 4 27´.6 (+1.0)

32m 21s 8° 05'.3 corr. +0´.5

GHA 265° 54' .9 dec. S 4° 28' .1

Long. 129° 05' .0E

LHA 394° 59' .9(=34°59' 9), t(자오선각): 34°59' .9W

dec. S 4° 28' .1

Lat. 35° 03' .3N

상기 LHA, dec., 및 Lat.로 229 Table에서 구하면 (LHA 와 Lat.에 대한 보간을 행한다)

그런데 마침 위의 LHA가 394°59' .9(=34°59' .9 ≒ 35°)이므로 약 35°로 간주하면 계산고도방위각표에서 LHA에 대해서는 보간이 필요치 않는다.

LHA가 35°(위도와 적위가 이명)

상기에서 위도 35° 03'.3에 상당하는 Hc(계산고도) 38°35'.0, Z(방위각) N133°.0W 및 Zn(방위) 227°가 됨을 알 수 있다.

(b) 예를 하나 더 들어보기로 하자. 상기 동지점에서 같은 날 GMT 05시33분29초(KST 14시33분29초)에 Sextant로 태양의 하변고도를 hs 38°13'.0으로 측정 하였다.

Hc(계산고도)와 방위를 구하면,

Sun(태양) d

04h 257°49'.6 S 4° 27'.6 (+1.0)

33m 29s 8°22'.3 corr. + 0′.6

GHA 266° 11'.9 dec.S 4 28'.2

Long. 129° 05'.0E

LHA 395° 16'.9(=35°16'9), t(자오선각): 35°16'.9W

dec. S 4° 28'.2

Lat. 35° 03'.3N

상기 LHA, dec., 및 Lat.로 229 Table에서 구하면 (LHA 와 Lat.에 대한 보간을 행한다).

LHA가 35°일 경우(적위와 위도가 이명)

상기에서 위도 35° 03'.3에 상당하는

Hc: 38°35' .4, Z: N133°.0W, Zn: 227°이다 ----------㉠

LHA가 36°일 경우(적위와 위도가 이명)

이것도 위와 마찬가지로 위도 35° 03'.3에 상당하는

Hc: 37°59'.2, Z: N131°.9W, Zn: 228.1° ---------------㉡

전술한 ㉠ 과 ㉡의 값에서 다시 LHA에 대한 증가분 16' .9 에 대한 보간을 해주면,

LHA Hc Z

35° 38°35' .4 133°.0

35°16' .9

36° 37°59' .2 131°.9

따라서 LHA 35°16' .9에 상당하는 Hc(계산고도)와 방위는,

Hc(계산고도): 38°25' .2, Z(방위각): N132°.7W, Zn(방위):227°.3 가 된다.

4. 관측고도에 관하여

천체의 고도는 수평권으로부터 천체중심까지 수직권을 따라서 잰 호의 길이인데 지구상에 있는 관측자는 진수평권을 볼 수 없으며 또 관측자는 지구중심에 있지 않기 때문에 직접 천체의 진고도를 측정할 수 없다. 그러므로 천체의 고도를 측정하기 위해서는 우선 Sextant(육분의)에 의하여 시수평을 기준으로 한 천체의 고도를 측정하고, 이를 마치 지구중심에 있는 관측자가 진수평권으로부터 고도를 측정한 것과 같은 고도로 고쳐야 한다.

Sextant로 천체를 측정하여 얻은 고도를 Sextant고도(Sextant altitude: hs)라고 부르며 이를 진고도로 고치기 위해서는 다음에 기술하는 여러가지 개정을 행하여야 하는데 Sextant고도에 모든 개정을 실시하여 얻어진 고도를 관측고도(Observed altitude: Ho)라고 부른다.

5. 태양의 고도개정

천체의 고도를 측정할 때는 그 중심고도를 측정하여야 하는데 항성이나 혹성의 경우에는 이것이 가능하지만 태양이나 달은 중심고도를 측정하기 곤란하다. 그러므로 이 들 두 천체를 관측하는 경우에는 일반적으로 그 하변이나 상변의 고도를 측정하고 하변고도를 측정하였을 때에는 그 반지름을 더해주고 상변고도를 측정하였을 때에는 빼주어 중심고도로 개정한다.

이 때 가감하여야 할 반지름은 그 천체의 실제 반지름이 관측자의 눈에서 이루는 각으로서 이를 겉보기 반지름(Apparent semidiameter: SD)이라 한다. 또 이 겉보기 반지름은 천측력의 고도개정표에서는 10월부터 3월까지는 평균치로 16' .15을 채택하고 4월부터 9월까지는 평균치로 15' .9을 채택하고 있으며, 측정 당일의 겉보기 반지름은 천측력 주표 태양란의 하단에 나타나 있다.

앞에서 서술한 바와 같이 지구 표면상에 있는 관측자가 측정한 천체의 Sextant고도를 지구중심에서 그 천체의 중심고도, 즉 그 천체의 진고도로 개정하기 위해서는 천체별로 개정요소가 다르지만 태양에 관해서 그 개정요소들로 수정해 보기로 하자. (관측고도을 얻기위한 그 개정 요소들은 천측력의 태양, 항성 및 행성의 고도개정표에 나타나 있으며, 고도계정표에 나와 있지 않은 일반적인 해발높이h(m)에 상당하는 안고차(Dip)를 구하는 표준식은 D =1.776 [단위 D;(분), h; m] 을 이용해서 구한다.)

6. 태양의 고도개정 기본식

도 4에서 O를 지구표면상 h인 해발고도(안고)를 가진 관측자의 눈의 위치, C를 지구중심, Z를 관측자의 천정, M을 태양중심의 진위치, M를 그 겉보기 위치, L 및 L를 각각 태양의 진위치 및 겉보기위치에 대한 하변이라고 하고 태양의 하변 고도를 관측하는 경우에 대하여 고찰하기로 한다.

또한 상기 도 4에서 LOL′= R(천문기차): 대기의 밀도는 지표면에 가까워 질수록 크기 때문에 천체에서 오는 광선은 대기를 통과할 때 지표면쪽으로 굴절 (Reflection)하여 곡선경로를 취하게 되며, 관측자는 그 천체를 그 곡선에서 그은 접선의 방향에서 보게 된다 . 이 천체를 보는 방향과 실제로 천체가 있는 방향 사이에 이루는 교각이 천문기차이다. 우리들이 보는 천체의 겉보기위치는 실제위치보다 천문기차만큼 높기 때문에 Sextant(집열기/집광기등)에 개정하여야 할 개정치의 부호는 모든 천체에 대하여 항상 "-" 이다.

∠H' Oh = D(안고차): 시수평면과 거소수평면이 관측자의 눈에서 이루는 각을 안고차(Dip of horizon : Dip 또는 D)라고 하며, 집열기/집광기의 중심이 거소수평과 시수평과 이루는 각이다.

∠MOL = SD(태양의 겉보기 반지름)

∠OMC = P(視差): 지구중심과 천체중심을 맺는 직선 관측자와 천체중심을 맺는 직선이 천체중심에서 이루는 각을 그 천체의 지심시차(Geocentric parallax) 또는 간단히 시차(Parallax)라고 한다. 천체가 항성인 경우에는 워낙 거리가 멀기 때문에 지구중심에서 천체를 보는 방향과 관측자의 위치에서 보는 방향이 거의 같으므로 문제가 되지않으나, 태양, 달, 혹성처럼 지구에서 거리가 비교적 가까운 천체에 있어서는 지구표면상에서 보는 방향과 지구중심에서 보는 방향에 차이가 있다. 그러므로 측정한 고도에 시차를 개정할 필요가 있다. 천체의 관측시에는 천체의 고도를 시차만큼 낮게 보는 셈이다. 천체의 진고도를 구하려면 겉보기고도에 視差를 더해야 하기 때문에 시차개정치의 부호는 항상 "+" 이다.

하변고도를 hs, 중심진고도를 Ho로 표시하면,

hs = L′Oh, Ho = ∠MCH이다.

따라서 이들 사이에는 다음과 같은 관계가 성립하는 것을 그림에서 쉽게 이해 할 수 있다.

Ho = hs ±IC - D - R + SD + P ------- ㉮

이때, 상기 IC는 Sextant 기차(器差)개정(Index Correction)이다.

그러나, 태양의 상변고도를 관측하는 경우에는 하변고도를 관측할 때와 SD부호가 반대가 되고, 광삼개정(J)이 추가되는점이 다르다. 그러므로 상변고도를 hs 라고 하면,

Ho = hs ±IC - D - R - SD + P - J(광삼개정) ----- ㉯ 가 된다.

상기 수식은 태양의 하변고도 측정 때와는 달리 광삼개정이 추가된다는 점이며, 태양의 상변고도 관측시에 진고도를 구하는 기본식이다. 실제 실무상 어느 것을 사용하여 고도를 측정해도 관계가 없으나 전자에 말했듯이 실무에서 태양의 중심고도를 측정 한다는 것은 불가능하다고는 말 할 수 없으나 측정상 오차를 최대한 줄이기 위해 위의 방법들을 사용하고 있다.

그런데 시수평을 기준으로 한 Sextant의 태양의 중심고도는 집열기/집광기의 중심이 시수평을 기준으로 태양중심과 이루는 각과 같으므로 우리는 여기서 Sextant고도를 산출 할 수 있다.

㉮ 식에서 Ho = hs ±IC - D - R + SD + P =( hs+ SD)±IC - D - R + P가 된다.

여기에서 hs +SD = hs (실측한 태양의 중심고도)가 되어 우리가 실제 태양의 하변고도를 측정했지만 이 계산에 의하여 태양의 중심고도를 측정한 것과 같다. 전자에 말했듯이 이 겉보기 반지름은 천측력 주표 태양란 하단에 나타나 있다.

만약 여기에서 IC가 0(측정하는 기기의 오차)라고 하면,

Ho = hs - D - R + P

천측력에서는 태양고도 개정에 필요한 개정표가 주어져 있는데 이 값은 굴절 및 안고차를 개정한 Sextant고도에 따른 개정치인데, 이 값은 기차(R), 시차(P) 및 태양의 겉보기 반지름(SD)의 개정치가 포함되어 있으며. 그 개정치에서 태양의 겉보기 반지름(SD)을 빼면 -R + P 의 값을 알 수 있고, 안고차 D(dip)는 이 표를 보고 해발 높이에 따라 구할 수가 있으며 이 고도계정표에 나와 있지 않은 일반적인 해발높이(h)에 상당하는 안고차(Dip)는 공식 D = 1.776 [단위 D; (분), h; m]을 이용해서 구한다.

7. 고도개정에 의한 관측고도 계산

고도개정에 관한 계산은 다음 순서로 행한다.

1) 일반적인 경우

① 고도측정에 사용한 Sextant의 IC(器差)를 구한다.

② 관측시의 안고에 대한 안고차(D)를 구한다.(이것은 집열기/집광기의 중심까지 해발 높이에 상당하는 안고차가 된다.)

③ 하변고도 관측인가 상변고도 관측인가에 따라 천측력의 고도개정표의 해당란에서 Sextant고도(집광기/집열기등)를 겉보기고도(App. Alt.)로 보고 개정치를 구한다.

여기서 주의할 점은 집광기/집열기등 태양에너지 관련기기들이 설치된 해발 높이가 통상적으로 낮을 경우에 겉보기고도는 다음에 설명하는 태양의 하변고도로부터 중심고도를 얻는 계산식에서 임의의 지점에 설치된 기기들의 계산고도와 관측고도는 같기 때문에 계산고도에서 당일의 태양의 SD(겉보기 반지름)가 나타나 있으므로 계산고도에서 이 값을 빼주어 겉보기고도(App. Alt.: 굴절 및 안고차를 개정한 Sextant 고도)로 간주해도 된다. 그러나 기기가 설치된 해발 높이가 높을 경우 안고차(Dip)까지 빼주어 겉보기고도로 보아야 한다.

이때, 겉보기고도란 천구에서 천체의 수직권상 천체와 거소수평(Sensible horizon) 사이의 호를 수정고도(Rectified altitude: hr) 또는 겉보기고도(Apparent altitude: App. Alt.)라고 부르는 경우가 있다.

④ 겉보기고도가 50°이하이고 대기가 평균상태와 다를 때는 기온 및 기압 개정치(TB)를 구하거나 기온개정치(T) 및 기압개정치를 각각 구한다.

⑤ ①～④에서 구한 개정치들의 대수합을 구하고 이를 그 부호에 따라 Sextant고도에 가감하여 관측고도(Ho)를 구한다.

2) 저고도(5°이하) 관측인 경우.(저고도라함은 학문적으로 5°이하라고 하나 실무적으로 10°이하로 간주하기도 한다.)

① Sextant기차를 구한다.

② 1)항 ②와 동일한 방법으로 구한다.

③ ①, ②에서 구한 개정치의 대수합을 그 부호에 따라 Sextant고도에 가감하여 개정고도(hr)로 하고 이것을 고도개정표의 겉보기고도로(App. Alt.)로 간주한다.

④ hr에 대한 하변 또는 상변고도 개정치를 태양고도 개정표의 해당하는 란에서 구한다.

⑤ 추가개정표를 이용하여 hr에 대한 기온 및 기압개정치(TB)를 구한다.

⑥ ④, ⑤에서 구한 개정치의 대수합을 그 부호에 따라 hr에 가감하여 관측고도(Ho)로 한다.

그러면 3. (a)와 (b)에서의 경우에 있어서 관측고도를 각각 구하여 보자.

이 때 대기와 기압은 각각 24.1°C, 1015.6mb이며(부산지방기상청제공 당일KST 15시 기준), IC는 0이다.

(a)의 경우

+ -

IC 0

D 3' .2

15' .0 하변고도개정치, 당일의 SD가 포함되어 있다

TB 0

sum 15' .0 3' .2

corr. (+ 11' .8)

hs (실측하변고도) 38°23' .3

Ho(관측고도) = 38° 35' .1

Hc(계산고도) = 38° 35' .4

Diff. 0.3'

상기에서 TB(추가개정):기온과 기압이 비표준 상태일 때 추가기차 개정이다.

태양의 hs(태양의하변고도)를 계산고도(Hc)로 부터 구하면 38°23' .6이 된다. 여기에 당일의 태양겉보기 반지름 16' .0을 더하면 집광기/집열기의 실용에 필요한 시수평(Visible horizon)을 기준으로 태양중심고도인 38°39' .6을 구할 수 있다.

상기에서 계산고도(Hc) 38°35' .4과 관측고도(Ho) 38°35' .1은 이론상 이 두 값은 일치 하여야 한다. 그러나 두 값의 차(difference)가 0.3' 이 되는데 이 오차는 관측자가 태양을 측정할 때 수평선을 잘 못 보았다든지, 태양을 수평선에 잘 못 올려놓은 것이 아니면 정확한 시각을 읽지 못한 것도 포함 될수 있다. 즉, 관측자인 본인의 측정 잘못에서 기인한 것이라고 할 수 있으며, 다시 말해 계산고도(Hc)를 이용하여 우리는 이것을 관측고도로 보고 다음과 같이 hs(Sextant, 집열기/지광기의 고도)를 얻는 식을 구할 수 있다.

+ -

IC 0

D 3' .2

-SD 1' .0 당일의 SD가 포함되어 있지 않다.

TB 0 (추가개정)

sum 4' .2

corr. (-4′.2)

hs +SD = hs 38°39' .6

Ho=Hc 38°35' .4

태양의 겉보기 반지름을 고도개정표에서 하변고도개정치에서 빼주고 이것을 하변고도측정치에 더해주어도 실측태양의 중심 고도라고 할 수 있고 실용에 필요한 고도가 되며, 시수평선을 기준으로 하여 집열기/집광기의 고도를 38°39' .6에 맞추면 된다.

(b)의 경우를 보면

+ -

IC 0

D 3' .2

15' .0 ------- 하변고도개정치, 당일의 SD가 포함되어있다.

TB 0

sum 15'. 0 3' .2

corr. (+11.8)

hs (실측하변고도)38°13' .0

Ho 38°24' .8

Hc 38°25 '.2

Diff. 0.4'

hs (태양의하변고도)는 Hc(계산고도)로부터 38°13' .4임을 알 수 있다, 여기에서 바로 당일을 태양의 겉보기반지름 16′.0을 더해주면 집광기/집열기의 실용에 필요한 시수평으로부터 태양중심고도는 38°29' .4이 된다

이 경우는 계산고도(Hc)와 관측고도(Ho)의 차가 0.4'임을 확인할 수가 있다, 이 오차도 관측자의 측정 잘못에 기인한다고 볼 수 있으며, Hc(계산고도)가 정확하다고 간주해야 한다.

이것도 위의 (a)처럼 식을 변형하면,

+ -

IC 0

D 3'.2

-SD 1'.0 당일의 SD가 포함되어 있지 않다.

TB 0 (추가개정)

sum 4'.2

corr. (-4'.2)

Ho=Hc 38°25'.2

여기서 몇 가지 주목 할만 한 것이 있다.

hs는 실제 수평선을 보고 기기로써 측정한 값인데 시수평선과 태양의 중심과 이루는 각을 말하며, 이 값은 관측자들 즉 개인간에 오차가 있다, 그러나 숙련된 사람이라면 서로의 측정치의 오차가 통상적으로 최대 0.2을 넘지 안으며 또한 실무에서 경험으로 비추어 이렇게 구한 Ho(관측고도)는 Hc(계산고도)와는 같아야 하며, 차이가 나지 않는다. 상기 두 예에서 각각 0′.3과 0′.4의 오차가 발생한 것은 본인이 실무를 떠나 약 20년만에 측정을 한 것인데 보다 더 정확한 천측이 이루어 졌으면 하는 아쉬움은 남지만 이 이론을 설명하는 데는 아무런 지장을 초래하지 않으리라 생각된다.

앞에서 말했듯이 그 오차도 날씨가 흐리다든지 하여 관측자가 수평선을 잘 못 보았다든지 아니면 수평선에 태양을 잘 못 올려놓았을 경우 또는 시각을 잘 못 측정하였을 때, 관측자의 숙련도 등이며 그 오차도 아주 미세하다. 즉 오차 없이 정확히 측정하였다면 Ho와 Hc가 같다는 의미이고 반대로 이 두 값이 같다면 정확히 측정하였다고 할 수 있다.

그리고 위에서 보듯이 태양의 고도계정에 있어 태양의 하변고도를 측정하였다고 가정할 때, 고도개정표에는 그 개정이 태양의 겉보기반지름이 포함되어 있으므로 Apparent Altitude에 상당하는 고도개정치에서 태양의 SD(겉보기 반지름)을 빼주고 이 값을 다시 태양의 하변고도측정치에 더해 주면 태양의 중심고도를 측정 했다고 말 할 수 있으며 아니면 태양의 하변고도 값을 구해 당일의 태양의 겉보기 반지름을 더해 주어도 된다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 도 5에 도시한 바와 같이 천측력(Nautical Almanac)에서 측정시각(GMT)에 상당하는 GHA와 적위(Declination)를 구해 GHA에 집광기/집열기가 설치될 장소의 위도와 경도(불변: 지도, 해도 또는 GPS로 경도 및 위도측정)를 가감하면 LHA/t 를 구할 수 있다. 이것을 가지고 구면삼각형의 계산방식에 따라 방위와 고도를 구하든지 또는 구면삼각형을 이용해 실무에 편리하게 만들어 놓은 계산고도 방위각표(214 Table 혹은 229 Table)에서 LHA/t와 적위 및 집광기/집열기가 설치될 장소의 위도에 대한 계산고도(Hc: Computed Altitude)와 방위를 보간에 의해 구한다.

이렇게 얻은 계산고도(Hc)와 방위는 시수평을 기준으로 하여 실측을 하여 얻은 hs(Sextant Altitude,집열기/집광기)에 여러가지 필요한 개정요소들(천측력의 고도개정표에 겉보기고도에 대한 개정치가 나타나 있음)로 수정한 관측고도(Ho: Oberved Altitude)와는 일치하여야 한다. 따라서 계산고도(Hc)를 관측고도(Ho)로 간주해서 고도개정요소들을 대수적으로 가감하면 Sextant(집광기/집열기)의 태양중심고도를 산출할 수 있으며, 방위는 계산방위 그대로 사용하면 된다.

그러면 태양의 hs 를 구하는데 있어 다음과 같은 식이 성립하는 것을 알 수 있다.

앞에서 서술하였듯이 계산고도(Hc)와 관측고도(Ho)가 같아야 하므로,

Hc = Ho = hs ±IC - D - R + SD + P

이때, D(Dip of horizon)는 임의의 지점인 해발높이에 상당하는 안고차(불변)를 말하며, IC(Index correction)는 Sextant(집열기/집광기)의 기차개정(Index error에 대한 개정)이다. SD(Apparent semidiameter)는 태양의 겉보기반지름이며, R(Reflection)은 천문기차이고, P(Parallax)는 시차이다. (단, P, R, SD, D는 양수이다)

Ho = ( hs + SD) ±IC - D - R + P

Hc = Ho 이고, hs + SD= hs 이므로

Hc + D + R - P = hs ±IC

IC = 0 라고 하면,

Hc + D + R - P = hs가 된다.

또는 Hc - (-R + SD + P) + D = hs 와 같이 태양의 하변고도(hs) 값을 구해 당일의 태양의 겉보기 반지름(천측력 주표하단에 나타나 있음)을 더해 주면 Sextant(집광기/집열기)의태양의 중심고도가 되며, 이 식은 하변고도측정시 천측력 고도개정표에 (-R + SD + P)의 값이 함께 포함되어 나타나 있으므로 편리하다.

위와 같이 임의의 지점(기기가 설치될 위도 및 경도는 불변: GPS, 해도 또는 지도로 측정)에서 임의의 시각에 계산고도(Hc)를 산출하여 이것을 관측고도(Ho)로 간주해서 Sextant(집광기/집열기)의 태양중심고도를 계산 할 수 있고, 이 Sextant의 태양중심고도와 집열기/집광기의 고도는 같으며 방위는 계산방위를 그대로 사용한다. 즉 이 이론을 바탕으로 임의의 시각,및 임의의 지점에서의 실제 실용에 필요한 시수평을 기준으로 한 집열기/집광기의 태양중심고도 및 방위를 산출할 수가 있으며, 시간에 따라 변하는 태양의 고도와 방위를 두 축으로 하고, 상기의 계산방법으로 프로그램화하여 자동제어시스템과 연동시켜 계속적으로 추적하여 집광기/집열기등 태양열 관련기기기에 항상 태양빛을 정확하게 수직으로 받아 태양열을 효과적으로 얻을 수 있으며, 또한 천측력에는 위도 S60에서 N72까지 집광기/집열기의 설치위치위도에 대한 항해박명(Naut. Twilight)과 상용박명(Civil Twilight)시각이 LMT(Local Mean Time)로 나타나 있어 항해박명시각을 기준으로하여 이 시스템이 해가지면 작동을 멈추고 다음 날 해를 맞을 준비를 할 수 있도록 이것도 함께 프로그램화 하여 기계적 조작이 가능하도록 하였다.

한편 상기에서 집광기/집열기라고 표기한 것은 집광기 및 집열기처럼 태양열전지판등 태양에너지를 직접적 또는 일차적으로 얻는 모든 태양열 관련 기기들을 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 의거 상세히 설명하겠는바, 상기 본 발명이 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

본 발명에 따른 태양열 추적시스템의 기계적인 메카니즘을 도 6과 도 7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선 도 6에 도시한 바와 같이, 참조번호 100은 통상의 태양광 집열판(Solar Collector)/태양전지판(Solar Cells Array)으로서 하기에 설명될 고도추적 구동부의 작동에 따라 상/하로 회전운동(요동)을 한다. 참조번호 102는 고도추적 구동부(Degree Actuator)로서 태양의 고도를 추적하고, 평상시에 외압(풍압 등)에 역회전 방지를 도 7에 도시한 바와 같이 웜(Worm) 120과 웜휠기어(Worm Wheel Gear) 118 및 구동모터 110으로 구성된다. 그리고 전술한 고도추적 구동부 100는 기기의 연직방향을 측정하는 경사계(Clinometer)와 태양중심과 기기의 앙각 즉 고도를 측정하는 고도계(Elevation Indicator)로 구성된다.

참조번호 104는 방위 추적 구동부(Rotating Actuator)로서, 태양의 방위를 추적하고, 평상시에 외압(풍압 등)에 역회전 방지를 도 7에 도시한 바와 같이 웜(Worm) 120과 웜기어(Worm Gear) 118 및 구동모터 116, 그리고 방위환(Azimuth Circle:각도표시)로 구성된다. 이때 방위환을 설치시에는 Gyro Compass의 Repeater로 Gyro Compass와 방위환의 진북(North:000°)을 일치시켜 태양의 방위를 측정한다. 한편 설치 후 방위환은 Compass 역할을 하며, Gyro Compass의 Repeater는 제거한다.

참조번호 106은 접이식 구조 구동부(Stand-lay Actuator)로서, 태풍 또는 강풍시 기기를 접을 때 사용 또는 정비, 보수, 유지관리 및 필요에 따라 사용한다.

참조번호 118은 고박장치(Stopper)이고, 참조번호 108은 제동장치(Break lining and Break band)이다.

[실시예 2]

본 발명에 따른 태양열 추적시스템의 회로적인 메카니즘, 바람직하게는 Data Logger를 이용하여 태양 위치(중심고도 및 방위)를 추적하는 시스템 및 제어방법을 도 8 내지 도 25를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 태양 집열기/집광기, 태양의 중심고도 및 방위를 산출하기 위한 천측력의 주표란의 태양에 관한 GMT, 적위, GHA, 당일의 SD등 태양에 관한 Data, 기기가 설치될 위도 및 경도, 집열판/집광기의 중심까지의 해발높이, 고도개정표, 위도와 관련된 계산고도방위각표 Data Logger, 80C196KC를 이용한 제어부, 증폭기, 16bit 분해능을 가지는 AD Converter, LCD, AC모터, AC모터 드라이브 및 PC를 이용하여 외부의 에너지 공급 없이 건물 내부의 온수 및 냉난방의 효과를 가져올 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 추적시스템은 전체 레인지(Range)가 ±1.0′범위의 미세한 정도까지 집열기/집광기가 태양을 추적할 수 있으며, 태양 방위 및 고도는 Data Logger를 통하여 가능하다. 또한 본 시스템은 초기 설치 시 하드웨어적인 영점 조정(방위, 고도)을 위해 LCD 및 외부 KEY PAD를 사용하였다.

한편, 이러한 태양위치 추적시스템의 하드웨어(H/W) 구성은 도 8과 도 9에 도시한 바와 같이, ① Controller(80C196KC), ② Motor Drive(AC Servo Motor), ③ Digital Part(LCD display, EEPROM, AD Converter, KEY), ④ MAIN PC로 구성되며, 이러한 추적시스템의 상세 구성은 하기의 설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.

1. 80C196KC Micro Controller

첫 번째로, 80C196KC의 내부구조는 도 10에 도시한 바와 같이, 8/16비트 데이터 전송 및 5개의 I/O, 8비트 연산 및 16비트 연산, 20개의 인터럽트 소스, 16비트 워치도그 타이머(Watchdog Timer), 4개의 16비트 소프트웨어 타이머(Software Timer), 2개의 16비트 타이머/카운터, 최대 64K 바이트 메모리, 고속 입출력 기능(HSI/HSO), 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 출력, 내부 232 바이트 레지스터 파일, 수평 및 수직윈도우로 구성된다.

즉, 전술한 80C196KC의 내부구조를 상세히 살펴보면, 마이크로 코드엔진(Microcode Engine) 및 RALU(Register Arithmetic Logic Unit) 등을 가지고 있으며, 80C196KC의 특징인 232 바이트의 레지스트 파일과 내부 RAM 및 인터럽트 컨트롤러, 메모리 컨트롤러 등으로 구성되어 있다.

또한 80C196KC는 여러 용도를 위해 다음과 같은 여러 가지 특별 기능들을 제공한다.

ⓐ 표준 I/O 포트(Standard I/O Ports)

- 5개의 8bit I/O 포트

- 포트 0 : 입력포트, A/D 변환의 아날로그 입력

- 포트 1 : 준 양방향 (Quasi-Bidirectional) 포트, 다중 입출력 버스 제어신호, 2개의 PWM

- 포트 2 : 3가지 형태, 준 양방향, 입력, 출력포트

- 포트 3, 포트 4 : 어드레스/데이터 버스

ⓑ 직렬 I/O 포트

UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)를 포함한 비동기/동기(Asynchronous/Synchronous) 포트. UART는 1개의 동기모드(Mode 1)와 3개의 비동기 모드(Modes 1, 2, 3)를 가지고 있는데, 비동기 모드는 양방향성(Full Duplex) 즉, 데이터를 동시에 주고받을 수 있다.

HSIO는 Timer1, Timer2, HSI(High Speed Input), HSO(High Speed Output)의 4개의 독립적인 모듈을 포함한다. CPU와 독립적으로 이루어지기 때문에 고속(High Speed)이라 부른다.

상기 Timer1은 매 8개의 State Time마다 자동으로 증가하는 타이머이다. HSI의 기준시간이 되고, 부가적으로 HSO의 기준 시간이 될 수도 있다. 상기 Timer2는 하이/로우 입력의 천이를 카운터 하는데, HSO의 기준 타이머, 업/다운 카운터 등으로 쓸 수 있다.

상기 HSI는 8개의 State Time을 기준으로 외부 이벤트(Event)를 카운터 해서 저장한다. 4개의 외부 이벤트를 감시하고, 이벤트 발생 시 상기 Timer1의 값을 저장한다.

상기 HSO는 CAM(Content Addressable Memory)을 이용하여 전술한 Timer1이나 Timer2를 기준으로 한 특정한 시간에서 이벤트를 시작하게 할 수 있다. 이 이벤트는 A/D 변환의 시작, Timer2 리셋, 4개의 소프트웨어 타이머(Software Timer) 동작 등을 포함한다. 일정한 주기로 펄스를 낼 수 있기 때문에 스텝모터 등을 구동시킬 수 있다.

ⓓ A/D 컨버터(Analog to Digital Converter)

8비트 또는 10비트의 분해능(Resolution)으로 아날로그 입력 전압을 디지털로 변환시킨다. 샘플 시간과 변환시간은 프로그램으로 조절할 수 있다.

ⓔ PWM

3개의 PWM 신호를 낼 수 있다. 필터를 이용하면 듀티 사이클(Duty Cycle)에 따른 DC 레벨을 만들 수 있다.

ⓕ 워치 도그 타이머(Watchdog Timer)

워치도그 타이머는 프로그램이 Down되었을 경우 CPU를 리셋 시킨다.

두 번째로, 80C196KC 핀구조는 도 11에 도시한 바와 같이 68핀 모양으로 구성되어 있으며, 그 사용 목적은 다음과 같다.

즉,

ⓐ Vcc

디지털 전원(5 volt)

ⓑ Vss

디지털 접지(0 volt), 모든 Vss 핀을 그라운드(Ground)로 묶어야 한다.

아날로그 전원으로서 A/D 컨버터에 기준 전압을 공급한다. 저항과 콘덴서로 연결하고 포트 0을 A/D 컨버터로 사용할 때에는 트리거를 위해 가변저항을 사용하는 것이 좋다.

ⓓ ANGND(Analog Ground)

Vref에 대한 그라운드, Vss와 같은 전위여야 한다.

ⓔ Vpp(Peak to Peak Voltage)

파워다운 회로에서 리턴하기 위한 타이밍 핀이다. 1uF 콘덴서와 Vss, 1MΩ 저항과 Vcc에 연결한다. 내장되어 있는 EPROM을 Write할 때 사용한다. 사용하지 않으면 Vcc와 같이 연결한다.

ⓕ XTAL1

내부 클럭 발생기와 발진기 인버터의 입력, 오실레이터 사용시 입력으로 사용한다. 여기서 XTAL2는 발진기 인버터 출력, 오실레이터 사용시 개방한다.

ⓖ CLKOUT

내부 클럭 발진기의 출력(동작 주파수의 1/2, 듀티 사이클 50%)

ⓗ

최소한 16스테이트 동안 'L'가 입력되어야 한다.

즉, 클럭 상승 모서리에서 CLKOUT와 다시 동기되어 10 스테이트동안 PSW 클리어하고, 2018H에서 CCB를 읽어 CCR에 저장한다. 2080H로 점프해서 프로그램 실행한다. 리셋회로 설계 시 16MHz 동작 시 16*1/16000000초 이상만큼의 시간이 필요하므로 RC 시정 수를 갖게 설계해야 한다.

ⓘ NMI(Non Maskable Interrupt)

상승모서리에서 샘플되어 203EH 번지로 점프한다.

ⓙ INST(Instruction Fetch)

H" 는 메모리에서 OPcode를 가져오는 중이다. "L"은 리셋 후 2018H에 있는 데이터를 읽어서 CCR에 저장하는 동안이나 인터럽트 벡터 테이블을 읽는 동안 또는 상수와 변수를 읽는 동안이다.

ⓚ (External Access)

H" 는 2000H～5FFFH의 내부 ROM 사용시이고, "L" 은 외부 ROM 사용시이다.

ⓛ BUSWIDTH

8비트/16비트 버스 폭 선택.

CCR의 1비트 : 1 , BUSWIDTH : 1 → 16비트

CCR의 1비트 : 1 , BUSWIDTH : 0 → 8비트

CCR의 1비트 : 0 → 무조건 8비트

ⓜ ALE/ ( Address Latch Enable/ Address Valid)

CCR의 3비트 : 1 → ALE 신호

CCR의 3비트 : 0 → ADV 신호(외부 메모리 칩 선택시 사용)

ⓝ

외부 메모리에서 데이터를 읽기 위한 신호이다.

ⓞ /(Write/Write Low)

CCR의 2비트: 0 → Write 신호로 사용되며 외부 메모리에 데이터를 쓸 때 사용한다.

CCR의 2비트 : 1 → 외부 메모리 짝수 어드레스로 데이터를 쓸 때 사용한다.

ⓟ /(Byte High Enable/Write High)

CCR의 2비트 : 0 → 버스 High Enable 신호로 사용되며 상위 데이터 버스 제어, 하위 데이터 버스는 A0 으로 제어한다.

CCR의 2비트 : 1 → 외부 메모리 홀수 어드레스로 데이터를 쓸 때 사용한다.

ⓠ READY

외부 메모리 사이클을 길게 하는데 사용한다.

1" 은 웨이트 없이 버스 사이클 진행하고, "0" 은 메모리 컨트롤러는 웨이트 모드로 동작, 웨이트는 CCR의 4, 5 비트를 사용한다.

아래의 표 1에 칩 설정 레지스터 CCR을 나타내었다. 상기 칩설정 레지스터 CCR은 리셋 동작 동안 단 한번 읽어오며 한번 읽어오면 다음 리셋까지 바꿀 수 없다.

세 번째로, 전술한 80C196KC의 메모리 구조를 설명하면, 80C196KC의 메모리 영역은 총 64K 바이트이며 대부분을 사용자가 프로그램 메모리나 데이터 메모리로 사용할 수 있다. 그러나 사용자가 프로그램이나 데이터 메모리 등 일반적인 용도로 사용할 수 없는 영역이 있는데, 이 영역은 레지스터 파일이나 인터럽트 벡터, 그리고 포트 등의 용도로 사용되는 영역으로 0000H～01FFH 영역이다. 나머지 영역은 모두 프로그램이나 데이터의 저장 또는 메모리 위의 주변장치 등으로 사용할 수 있다.

한편, 전술한 80C196KC의 상세한 메모리 맵은 표 2에 나타낸 바와 같다.

전술한 80C196KC는 내부 메모리는 상위 RAM(상위 레지스터 파일), 레지스터 파일, 스택 포인터, SFR( 이 3개를 하위 레지스터 파일 또는 그냥 레지스터 파일이라고도 함)로 구성되어 있다. 구조는 표 3과 같다.

즉,

ⓐ 상위 RAM(0100H～01FFH)

256 바이트의 범용 레지스터 RAM 이다. 수직 윈도우 기법을 이용하여, RALU로 하여금 이 상위 RAM을 레지스터 직접 번지지정으로 접근할 수 있게 한다.

ⓑ 레지스터 파일(Register File, 001AH ～ 00FFH)

레지스터 파일은 바이트, 워드, 더블워드로서 호출할 수 있는 232 바이트의 범용 레지스터 RAM 이다. RALU는 이 레지스터 파일을 레지스터 직접 번지 지정으로 접근할 수 있다. 이 레지스터 파일의 영역은 RALU에 의하여 이용될 수 있기 때문에 232 바이트의 어큐물레이터(Accumulator)가 있는 것과 같다.

2바이트, 레지스터 파일 내의 첫 번째 워드는 스택 포인터로 이용하기 위해 예약되어 있다. SP는 스택의 주소를 가지고 있고 스택은 상위 RAM이나 레지스터 파일 또는 외부 RAM 아무 곳이나 놓일 수 있다.

ⓓ SFR(Special Function Register)

24바이트, 메모리 영역의 00H에서 17H 사이의 영역은 특수 기능 레지스터 영역이다. SFR은 수평 윈도우(Horizontal windows : HWindow 0, 1, 15)를 통해 접근할 수 있다. 수평윈도우 0, 수평윈도우 1, 수평윈도우 15에 따라 SFR의 기능은 Read 또는 Write 에 따라 달라진다. 이 SFR을 통해 CPU의 모든 I/O와 다른 주변 기기들을 제어할 수 있다.(단 포트 3과 포트 4는 제외)

한편, 하기의 표 4와 표 5는 이러한 윈도우의 기능들을 나타낸 것이고, 표 6은 표 6은 SFR의 기능을 나타낸 것이다.

삭제

수평윈도우0 수평윈도우0 수평윈도우1 수평윈도우15 수평윈도우15

READ WRITE READ/WRITE READ WRITE

여기서, 보통 T2CONTROL 혹은 T2CNTC로 쓴다. 또한 RESERVED 바이트는 제로로 써진다.

2. 태양 추적 시스템에의 적용

본 발명에 따른 추적시스템에서는 80C196KC를 위치제어를 위한 제어기로 사용하고, 1년간의 태양 방위각 및 고도 DATA와 현재 위치에서의 방위각 및 고도 정보를 이용하여 태양 집광기의 위치를 제어한다.

본 시스템(태양 추적장치)의 추적제어 방식으로는 도 12에 도시한 바와 같이, 태양을 정확하게 추적하기 위하여 태양의 운행에 따른 방위각과 고도의 변화를 소형컴퓨터에 기억시키고, 이 정보와 현재 위치에서의 방위각 및 고도 정보를 이용하여 실제로 이동해야 할 방위각 및 고도를 계산한 후, 이 계산된 값만큼 추적장치가 이동할 수 있도록 80C196KC로써 제어하는 프로그램 추적방식을 사용한다.

한편, 전술한 80C196KC에서 행하는 제어방법은 도 13에 도시한 바와 같이 소형 컴퓨터에서 회전해야하는 각도를 입력포트를 통해서 입력받고, 실제 방위/고도용 전동기의 회전한 각도와 일정한 시간(Sampling time)마다 계속 비교하여 오차를 " 0" 으로 할 때까지 계속 전동기를 구동시킴으로써 이루어진다.

여기서 오차는 계산상 태양추적장치가 움직여야할 방위각 및 고도각과 실제로 태양추적장치가 움직인 방위각 및 고도 사이의 차이로써 정의된다. 태양추적장치가 실제로 움직인 방위각 및 고도는 엔코더를 통해서 알 수 있다. 그리고 전동기를 구동시키는 신호는 사용하는 모터가 AC 3상 모터이므로, 공급되는 전압의 평균값이 사인(Sine) 함수 형태를 갖는 PWM 신호를 만들어 줘야 한다. 이 PWM 신호를 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)이라 부른다.

첫 번째로, 전술한 태양위치 추적 제어시스템의 구성은, 위치제어는 원하는 위치, 즉 서보 모터를 회전시켜서 원하는 회전각을 얻어내는 것을 말하는데 직선운동기구 같은 경우 회전운동을 직선운동으로 변경시키는 기계적인 구조를 가지고 있어야 한다. 위치제어는 서보 모터를 일정한 속도로 회전시키고 또 정지시키는 것을 말하는데, 이것은 회전속도를 시간 축으로 적분한 것이 위치의 변화가 되며 반대로 속도라는 것은 단위시간 동안 위치의 변화를 말한다.

상기 서보 모터 위치 제어 시스템의 기본구성은 도 14에 도시한 바와 같이, 입력신호(위치명령)는 태양추적 시스템이 움직여야 하는 방위각 및 고도 정보이고, 엔코더를 통한 실제 AC 서보 모터의 회전각이 피드백(Feedback) 되어서 입력신호와 비교된다. 또한 AC 서보 모터 위치제어 시스템은 위치명령이 주어지면 검출센서를 통한 현재의 위치정보를 이용하여 위치오차 연산을 실시하고, 이 오차를 위치제어기(80C196KC)로 전달하게 된다. 이러한 제어구조를 가지고 있기 때문에 결국 서보 모터를 제어하는 것은 모터에 인가되는 전력, 즉 전류에 의하여 모터를 회전시키고 검출센서를 통하여 피드백 되는 신호와 기준신호를 비교, 연산하여 오차의 편차를 빠른 시간 내에 줄이고 최소화할 수 있도록 하는 것이다.

두 번째로, 80C196KC를 이용한 SPWM의 구현 방법을 설명하면, SPWM 신호는 정현 기준신호와 삼각 반송파를 비교함으로써 얻을 수 있고, 일반적으로 산업현장에서 널리 사용되고 있다. 도 15에서 한 상(One Phase)에 대한 SPWM의 기본원리를 나타내고 있다.

상기 도 15과 같은 SPWM 신호를 발생하기 위해서는 다음과 같은 스위칭 논리를 사용하면 된다.

즉, Vr ≥ Vc 일 때, H 출력, Vr 〈 Vc 일 때, L 출력

여기서 Vr은 Reference Signal 전압이고, Vc는 Carrier Signal의 전압이다.

이와 같은 스위칭 논리를 80C196KC에서 프로그램 상으로 구현하기 위해서는 매 샘플링 타임(Sampling Time)마다 사인 파와 톱니 파의 크기를 비교함으로써 가능하다. 샘플링 타임마다 타이머 인터럽트를 발생시켜, 사인 파와 톱니 파의 크기를 비교하는 루프를 구현하면 위와 같은 스위칭 논리를 구현할 수 있다. SPWM을 위한 프로그램의 Flow chart는 도 16과 같다.

그리고 본 추적 시스템에서 사용하는 모터는 AC 3상 모터이므로 이 같은 SPWM 신호를 3개를 만들면 된다.

SPWM을 발생시키는 또 하나의 방법으로는 하드웨어적인 방법이 있는데, 하드웨어적으로 만들기 위해서는 위에서 언급한 스위칭 논리를 이용하면 되고, 도 17에 그 원리를 나타내었다. SPWM 신호를 발생하기 위한 스위칭 논리는 다음과 같다.

Vr ≥ Vc 일 때, H 출력, Vr 〈 Vc 일 때, L 출력

상기 도 17에서 보면, 특정한 주파수의 톱니 파와 사인 파가 비교되고, 이들 두 파형의 교점이 스위칭 소자의 스위칭 타임을 결정하게 된다. 즉 이들 두 파형은 비교기에 입력되고, 비교기에서는 이들 두 파형의 크기를 비교하여 최종적으로 PWM 파형을 출력하게 된다.

한편, 80C196KC 마이크로 프로세서로 SPWM 신호를 발생했을 때, 이 신호는 방위각 및 고도 만큼의 회전을 위한 3상 AC 모터의 구동부에 입력된다. 실제의 3상 AC 모터 구동부는 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor) 6개로 구성되어 있다. 이때 대략적인 구성이 도 18에 나타나 있다.

여기서 문제가 되는 것은, Tr1과 Tr2에 SPWM 신호를 인가할 때에 발생한다. Tr1과 Tr2에는 하나의 SPWM 신호와 이 신호의 역상이 입력되는데, 이 두 개의 Tr이 동시에 켜지게 되면 AC 모터는 구동하지 않게 된다. 즉 Tr1이 ON 되면 Tr2는 반드시 OFF 되어야 한다.

다음의 도 19에는 이상적인 경우의 SPWM 신호를 나타내었다.

그러나 모든 전기적인 소자는 이상적이지 않으므로 Tr1이 ON 되면 Tr2는 바로 OFF 되지 않는다. 따라서 두 신호사이에 약간의 지연시간을 줘야 한다. 이 지연시간을 데드타임(Deadime)이라 부른다. 그러므로 지연시간(Deadtime)을 갖도록 신호를 조작할 필요가 있다.

도 20은 지연시간을 갖도록 신호를 조작하는 방법을 보여주고 있다.

상기 도 20에서 A상 AND B상 신호와 A상 NOR B상 신호를 그림 12의 Tr1, Tr2 신호 대신에 사용하면, 두 개의 Tr이 동시에 ON 되는 경우가 없이 사용할 수 있고, 하나의 Tr이 ON 되면 다른 하나의 Tr은 반드시 OFF 되어, AC 모터를 구동할 수 있다. 도 20에서 B상 즉 A 상을 시간지연(Deadtime) 시킨 것에서, 지연시간은 RC 지연회로에서 시정수인 RC값의 곱으로 구할 수 있다.

만일 지연시간을 2μs 로 하고 싶다면,

R(ohm) ×C(farad) = 2 × 이 되게 R 값과 C 값을 정하면 된다.

3. Motor Drive ( AC Servo Motor )

공장자동화(Factory Automation, FA) 분야에서 수치 제어기기, 산업용 로봇과 같은 FA 관련 장비들이 에너지 절약과 자동화를 위해 널리 사용되고 있는데, 이는 자동화를 통해서 생산성 향상과 품질개선을 이룩하기 위함이다. 이러한 상황하에서 서보 모터는 유지, 보수의 용이성과 고성능화를 목표로 발전하여 왔다. 동력원은 유압에서 보다 청결한 전기로 바뀌었으며, 동력원을 전기로 사용하는 전기식 서보방식에 있어서는 DC서보와 AC서보가 있으며, 그 제어회로는 아날로그 방식과 디지털 방식이 있다. 그리고 최근에는 하드웨어의 비중을 줄이고, 대부분의 제어동작을 소프트웨어에 의해서 처리하는 소프트웨어 서보가 주류를 이루게 되었다. FA 관련 장비들은 서보 모터 제어기술과 더불어 보다 전문화되어 가고 있다. 서보 모터 제어기술은 전기, 전자공학과 기계공학의 기술적 요소가 결합된 메카트로닉스공학이라는 분야에 바탕을 두고 있으며, 최근 전력 전자공학과 마이크로 전자공학 분야의 눈부신 기술력 향상에 기인하여 보다 진보된 서보 모터 제어기술이 실용화되고 있다. 이와 같은 배경 하에서 디지털 신호처리기는 제어기 또는 센서 신호처리기로 널리 사용되고 있다. 이는 디지털 신호처리기가 빠른 연산능력을 갖고 있으며, 내부구조가 제어기의 구성에 적합하도록 구성되어 있기 때문이다.

한편, 도 21에 도시한 바와 같이 AC 서보 모터의 구동 시스템은 회전자의 위치와 속도에 대한 정보를 검출하기 위한 위치센서와 속도센서가 모터의 회전축에 연결되어 있으며, 이러한 출력신호는 주 제어기로 입력된다. 또한 고정자 권선에 흐르는 각 상의 전류도 전류센서를 통해서 주 제어기로 궤환된다. 주 제어기는 궤환된 전류신호와 위치, 속도정보를 바탕으로 해서 입력되는 제어명령을 수행하게 되며, 제어명령을 수행한 후 최종적으로 PWM 인버터를 구동하는 게이트 신호를 출력하게 된다. 그 결과로 AC 서보 모터의 고정자 권선 에는 3상 사인파 형태의 전류가 흐르게 되고, 회전자는 제어명령을 추종하는 동작을 수행하게 된다.

도 22는 3상 전류 제어형 PWM 인버터를 도시한 도면으로서, 인버터(Inverter)는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환 장치로서, 입력되는 직류 전력으로부터 원하는 크기의 전압 및 주파수를 갖는 교류 전력으로 변환한다. 출력의 상수는 제어되는 모터가 AC 서보 모터이기 때문에 3상으로 구성되어 있으며, 모터의 각 상에 흐르는 전류의 파형을 사인 파에 가깝게 제어하기 위해서 각 상에 가해지는 구동신호의 발생방법으로 펄스-폭-변조방식(Pulse Width Modulation, PWM)을 적용하고 있다.

도 23은 AC 서보 모터 구동 시스템의 제어 블록도를 나타낸 것으로서, 전술한 도 21에 나타난 서보 모터 주 제어기를 전류 제어기를 중심으로 좀 더 구체적으로 나타낸 것이다. 회전자의 축에 부착된 각위치 검출기에서 발생되는 신호를 이용하여 3상의 사인 파가 생성된다. 이러한 3상의 사인 파는 전류 명령치 와 곱해져서 사인바 형태의 전류 명령치가 발생되고, 이 신호는 궤환된 3상의 실제 전류 파형과 비교된다. 이때 모터의 전류 치가 전류 명령치 보다 크면 인버터는 모터의 전류는 제한하는 방향으로 스위칭 하게 된다. 또한 모터의 전류 치가 전류 명령치 보다 작으면 인버터는 모터의 전류를 증가시키는 방향으로 스위칭 하게 된다. 결과적으로 모터의 고정자 권선에 흐르는 실제 전류 파형은 3상의 사인파 형태가 된다.

AC 서보 모터는 브러시와 정류자가 없기 때문에 유지비가 적게 들고, 수명이 길고, 신뢰성이 높다. 더욱이 먼지가 많거나 폭발성이나 부식성이 존재하는 환경 하에서도 사용이 가능하며, 높은 효율을 나타낸다. 또한 선형적인 토크-전류 특성을 갖고 있으며, 고정밀도, 양호한 전류 파형, 빠른 응답성 그리고 광범위한 속도 제어 범위를 갖고 있다. 그러므로 AC 서보 모터는 위치, 속도, 그리고 토크 제어에 적합한 특성을 갖고 있는 것이다.

도 25는 전원분리 부분과 인텔리전트 파워모듈을 포함한 모터 드라이브의 구성을 나타낸 것으로서, 모터 드라이브 부분을 구성하면, 80C196KC에서 발생한 PWM 신호를 이용해서 서보 모터의 구동이 가능하다.

한편, 앞에서 개시한 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 태양위치 추적 제어방법은 다음과 같은 효과를 달성한다.

첫 번째로, 본 발명은 방위 및 고도의 오차가 설치 초기 및 사용중에 발생한다고 하더라도 방위의 오차 및 고도의 오차를 초정밀을 용하는 Gyro Compass나 Sextant 처럼 Deviation 및 Index Error로 프로그램상에서 각각 처리하여 항상 정확한 태양의 중심고도와 방위를 추적할 수 있는 장점을 가지고 있다.

두 번째로, 본 발명은 장시간 비가 오는 날씨나 흐린 날씨에서도 정확하게 태양을 추적하여 언제라도 태양에너지를 최대로 얻을 수 있는 이점이 있다.

세 번째로, 본 발명은 태양열 발전, 태양열 전지판 등과 같이 태양에너지 획득을 극대화 하기 위한 모든 태양열 관련설비에 응용될 수 있으며, 나아가 태양열 관련 설비제작에 선도적인 역할을 하는 것은 물론 정밀하고 효율적인 하드웨어를 개발하여 수출로 이어져 국익 신장에 크게 기여할 수 있는 장점이 있다.

네 번째로, 에너지 자원이 절대적으로 부족한 우리나라로서는 보다 많은 에너지 수급과 동시에 CO₂ 배출량을 감소시켜 환경, 대기오염감소 및 지구온난화 현상을 방지할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 통상적인 고도 및 방위각 계산식을 설명하기 위한 도면.

도 4는 통상적인 태양의 하변고도 관측시의 주요한 고도개정요소를 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 태양열 관련설비의 태양위치 추적시스템을 구현하고자 할 때 때 이를 수학적 및 천문학적으로 상세히 서술하기 위한 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양위치 추적시스템의 기계적인 메카니즘을 도시한 도면.

도 7은 도 6에서 도시하고 있는 구동부의 상세 구성을 보인 도면.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양위치 추적시스템의 전체 개요를 나타낸 도면.

도 9는 도 8에서 도시하고 있는 추적시스템의 하드웨어 구성을 도시한 도면.

도 10은 도 9에서 도시하고 있는 80C196KC의 내부구조를 도시한 도면.

도 11은 도 9에서 도시하고 있는 80C196KC의 핀 구조를 도시한 도면.

도 12는 본 발명에 따른 태양위치 추적시스템의 프로그램 추적방식을 도시한 도면.

도 13은 도 12에서 도시하고 있는 프로그램 추적 제어방법을 흐름도로 나타낸 도면.

도 14는 본 발명에 따른 서보 모터 위치제어 시스템의 기본구성을 도시한 도면.

도 15는 본 발명에 따른 One Phase에 대한 SPWM의 기본원리를 그래프로 도시한 도면.

도 16은 도 15에서 도시하고 있는 SPWM을 위한 흐름도를 도시한 도면.

도 17은 본 발명에 따른 정현 펄스 폭 변조방식을 그래프로 도시한 도면.

도 18은 본 발명에 따른 AC 모터 구동부를 개략적으로 도시한 도면.

도 19은 도 18에서 두 개의 Tr이 동시에 커질 경우를 도시한 도면.

도 20은 본 발명에 따른 지연시간을 갖도록 신호를 조작하는 방법을 도시한 도면.

도 21은 본 발명에 따른 AC 서보 모터의 구동 시스템을 도시한 도면.

도 22은 본 발명에 따른 3상 전류 제어형 PWM 인버터를 도시한 도면.

도 23은 도 21에서 도시하고 있는 AC 서보 모터의 구동 시스템의 제어를 블록도로 나타낸 도면.

도 24는 본 발명에 따른 태양위치 추적시스템에 적용되는 모터 드라이브의 구성을 도시한 도면.

도 25는 본 발명에 따른 태양위치 추적시스템에 적용되는 또 다른 모터 드라이브의 구성을 도시한 도면.

Claims

태양의 고도 및 방위를 측정하는 방법에 있어서,

천측력에서 측정시각(GMT)에 상당하는 GHA와 적위를 구해 상기 GHA에 태양열관련설비가 설치될 장소의 위도와 경도를 가감하여 LHA/t를 구하는 과정과;

상기 LHA/t를 가지고 구면삼각형의 계산방식에 따라 방위와 고도를 구하든지 또는 구면삼각형을 이용해 실무에 편리하게 만들어 놓은 계산고도 방위각표에서 LHA/t와 적위 및 상기 설비가 설치될 장소의 위도에 대한 계산고도와 방위를 보간에 의해 값을 구하는 과정과;

상기 계산고도와 방위가 시수평을 기준으로 하여 실측을 하여 얻은 hs(Sextant Altitude, 태양열 관련설비[집열기/집광기, 태양열전지판] 등의 중심고도)에 여러가지 필요한 개정요소들로 수정한 관측고도와 일치하는지를 판단하는 과정과;

상기 계산고도를 관측고도로 간주해서 고도개정요소들을 대수적으로 가감하여 Sextant(태양열 관련설비)의 태양중심고도를 산출하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 태양열 관련설비의 태양위치 추적 제어방법.
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