KR100709723B1 - 태양광을 이용한 버스승강장 조명장치 - Google Patents

태양광을 이용한 버스승강장 조명장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 낮에는 솔라셀에서 집광한 빛의 에너지를 전기에너지로 변환하여 축전지에 저장하였다가 밤에 축전지에 저장된 전력을 이용하여 LED램프로 버스 승강장을 조명하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 낮에는 태양전지에서 발전되는 전력을 축전지에 저장하고, 밤에는 축전지에 저장된 전력을 LED램프로 보내어 빛을 발생시키는 제어기(27)와; 승강장(20)의 지붕(28)위에 설치되는 솔라셀(21)과; 솔라셀(21)에서 나오는 전기에너지로 변환하여 저장하고 승강장(20)의 기둥(29)위의 축전지함(25)에 내장되는 축전지(26)와; 상기 축전지(26)에 축전된 전력을 이용하여 조명을 하는 LED램프(50∼ 52)로 구성되는 통상의 태양광을 이용한 승강장 조명장치에 있어서, 상기 축전지(26)의 과충전과 과방전을 방지하기 위하여 IC칩 내부에 과충전과 과방전 방지회로를 구성하되, 축전지(26)의 전압을 측정하여 과충전을 방지하는 제 1검출기(41)와, 과방전을 방지하는 제 3검출기(43)와; 외부 빛의 강도를 감지하여 LED램프의 전력공급 및 차단하기 위한 광센서가 연결되는 제 2검출기(42)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, LED램프를 사용하므로 소비전력을 줄일 수 있다. 전력소비가 매우 낮으므로 무상일수는 5일까지 가동되는 장점이 있다. 또한,. 축전지의 과충전, 과방전 제어장치를 채용하여 축전지에 내장된 병렬단위의 개별 셀전압을 조정하여 셀간 전압 불균형 현상 해결하여 수명을 연장을 통한 축전지 수명을 2배가량 연장할 수 있다.
태양광, 솔라셀, LED램프, 축전지, 과충전, 과방전

Description

태양광을 이용한 버스승강장 조명장치{Illuminating System for Bus Stand Using Solar Energy}
도 1은 종래의 실용신안등록 제 242899호 버스 승강장 사시도.
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 본 발명의 태양광을 이용한 버스승강장 조명장치 사시도.
도 4는 도 3의 정면도.
도 5는 본 발명의 단면도.
도 6은 LED 조명 전기회로 블록도.
도 7은 과충전, 과방전 축전지 보호회로도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
20 : 승강장 21 : 솔라셀
23 : 전면광고판 24 : 측면광고판
26 : 축전지 27 : 제어기
28 : 지붕 30 : 제어기 회로
40 : 마이컴 회로 51 ~ 53 : LED램프
본 발명은 태양광을 이용한 승강장 조명장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 낮에 태양광집열판(solar cell , 이하 "솔라셀"이라 한다)에서 빛의 에너지를 전기에너지로 변환하고 축전지에 저장하였다가 밤에 축전지에 저장된 전력을 이용하여 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 "LED"라 한다)램프로 조명하는 버스 승강장 조명장치에 관한 것이다.
종래의 버스 승강장 또는 택시 승강장은 교류전기를 공급하여 승강장 내부나 광고판을 조명하므로써 전기 감전사고의 문제점이 있다. 본 발명과 관련되는 선행기술로 대한민국 등록실용신안공보 제 20-0242899호(공고일 : 200.10.29) "자가발전장치를 갖는 승강장"에 의하면(도 1과 도 2참조), 승강장 지붕위에 설치된 솔라셀로 전기를 공급하여 조명하는 기술이 공개되어 있다.
도 1에 의하면, 승강장(1)은 태양열집열판(2)이 승강장(1)의 지붕후레임(3)위에 설치되고, 기둥후레임(3), 기둥(5), 바닥체(8), 의자(7), 투명플라스틱판(3)으로 구성된다. 도 2에 의하면, 태양열집열판(2)에서 빛의 에너지를 모아서 만들어진 전기가 축전지(11)에 충전되고 정전압장치에 의하여 축전된 전력을 출력하여 조명등(10)에 공급하면 전등이 켜지게 된다. 이 선행기술의 문제점은 조명등(10)은 40 W급 형광등을 사용하므로 소비전력이 높아, 천장조명에 최소수량인 2개 이상 사용시 태양전지의 크기가 승강장 지붕의 크기와 같고 측면 광고 조명에 최소 수량인 4개 이상 동시 사용시 태양전지의 크기는 승강장 지붕의 크기보다 커지므로 현실적으로 실현이 불가능하다. 일일 소비전력이 크므로 전기에너지의 사용량이 많아 장마등 우기에는 축전지에 저장되는 전기에너지량이 적어서 오랫동안 가동되지 못하는 단점이 있다.
미국특허공보 제 4525031호(공고일 : 1985.6.25) "태양광 에너지와 전기조명시스템"에 관한 기술이 있고, 대한민국 특허공보 제 10-0276184호(공고일 : 2000.9.27) "지붕부재 일체형 솔라셀 및 그 장착방법"에 관한 특허가 있다.
그러나 종래 기술은 형광등을 사용하므로 소비전력이 높고, 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 인버터를 사용하므로 인버터 효율의 저하와 안정기의 효율 저하로 인하여 전력소비가 증가되는 문제가 있다. 따라서 인버터와 안정기의 효율 저하 및 형광등의 높은 전력소비로 인하여 많은 태양전지를 필요로 하게 되며, 형광등 및 안정기의 잦은 고장으로 인한 유지보수 비용이 발생한다. 또한, 높은 전력 소비로 인하여 무광일수가 /짧고 무광일수 연장시 대용량 축전지가 필요하게 되고, 축전지의 과충전시 폭발위험성이 있고, 과방전시 축전지의 재충전이 불가능한 문제로 장시간 축전지를 사용하지 못한다는 문제점이 있었다.
그리고 태양전지 설치공간의 한계로 승강장 내를 비추어 주는 형광등 및 광고판을 비추어 주는 형광등을 동시에 사용시 소비전력이 높아 태양전지의 대형화로 인한 태양전지의 설치가 어려운 문제가 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창작한 발명으로, 본 발명의 목적은 솔라셀을 이용하여 집광한 빛의 에너지를 전기에너지로 변환하고 축전지에 저장하였다가 밤에 축전지에 저장된 전력으로 LED 조명을 하는 태양광을 이용한 승강장 조명장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 장시간 축전할 수 있고, 승강장의 천장조명, 측면광고용 조명을 동시에 할 수 있는 태양광을 이용한 승강장 조명장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적을 구현하기 위하여 본 발명은 낮에는 태양전지에서 발전되는 전력을 축전지에 저장하고, 밤에는 축전지에 저장된 전력을 LED램프로 보내어 빛을 발생시키는 제어기와; 승강장의 지붕위에 설치되는 솔라셀과; 상기 솔라셀에서 나오는 전기에너지로 변환하여 저장하고 승강장의 기둥위의 축전지함에 내장되는 축전지와; 상기 축전지에 축전된 전력을 이용하여 조명을 하는 LED램프로 구성되는 통상의 태양광을 이용한 승강장 조명장치에 있어서,
상기 축전지의 과충전과 과방전을 방지하기 위하여 상기 IC칩 내부에 과충전과 과방전 방지회로를 구성하되, 상기 축전지의 전압을 측정하여 과충전을 방지하는 제 1검출기와, 과방전을 방지하는 제 3검출기와; 외부 빛의 강도를 감지하여 LED램프의 전력공급 및 차단하기 위한 광센서가 연결되는 제 2검출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 IC칩에 기준전압을 공급하는 기준전압회로와 솔라셀에서 발생된 전력이 축전지에 축전시에 스위칭하는 제 1스위칭수단과 상기 IC칩의 제어신호가 앤드게이트를 통하여 축전지의 전력이 LED램프에 공급될 때 상기 LED램프)와 축전지 사이에 있는 부하용 제 2스위칭수단과, 외부의 빛을 검출하는 광센서가 결합 되고, 상기 LED램프에 공급되는 전력을 일정하게 하기 위하여 상기 LED 램프)입력단에 연결되는 정전압기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 LED램프는 승강장의 전면광고판, 측면광고판 및 천장조명등에 각각 나누어 배치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 버스 승강장, 간이휴게소, 사열대, 자전거보관소, 택시승강장 등에 이용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 토대로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 태양광을 이용한 버스승강장 조명장치 사시도이고, 도 4는 도 3의 정면도이다. 도 5는 본 발명의 단면도이고, 도 6은 LED 조명 전기회로 블록도이며, 도 7은 축전지의 과충전, 과방전 축전지 보호회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 버스승강장의 경우 승객이 앉는 의자, 승강장의 기둥(29)과 지붕(28)이 있고, 상기 지붕(28)위에 솔라셀(21)이 설치되며, 전면광고판(23), 측면광고판(24), 천장조명등(22)과 같은 조명시설이 부착된다. 솔라셀(21)에서 집광된 빛의 에너지는 전기에너지로 변환되어 축전지(26)에 저장되며, 제어기(27)의 제어에 의하여 어두워지면(밤에) 상기 조명장치에 전력을 공급하고 낮에는 전력공급이 중단된다.
본 실시예에서 특징은 조명시설을 전면광고판(23), 측면광고판(24), 천장조명등(22)으로 나누어 할 수 있다는 점이다. 또한 사용하는 램프는 LED를 이용하기 때문에 전력소비가 매우 낮다는 장점이 있다.
도 4는 도 3의 단면도이다. 버스 승강장(20)에서 종래의 기술에 추가되는 부분은 전면광고판(23)과 솔라셀(21)이다. 물론 종래에도 태양광을 이용한 승강장 구조물이 있었다. 그러나, 종래 기술은 미완성 발명으로 아이디어 불과하여 거절되었다.
본 실시예에서는 상용화가 가능할 수 있게 전력소비가 매우 낮은 LED를 램프로 채용하고 승강장의 조명시설은 측면광고판, 전면광고판, 천정조명등으로 나누어 설치한다. 전면광고판에서는 버스 노선의 안내, 요금, 시간 등을 자연스럽게 승객이 볼 수 있는 위치에 설치한다. 측면 광고판에는 그 지역의 지도, 지하철 위치, 주요건물 등을 광고하거나 제품에 대한 선전용 광고물을 게재할 수 있다. 천정조명등은 대부분의 버스 승강장의 조명이 어두워 시민의 안전에 문제가 되고 있어서, LED조명을 하게 되면 조도가 밝고 외관상 미려하게 설계할 수 있다.
도 5는 본 발명의 단면도이다. 승강장(20)의 지붕(28)밑에 축전지함(25)을 설치하여 축전지(26)와 제어기(27)를 설치하는 것은 여름철 및 겨울철 외부온도에 의한 축전지의 효율저하를 방지하기 위하여 축전지함(25) 내부에 단열재를 사용하고, 지면이나 지하에 축전지(26)를 배치하면, 고장이나 누전 등의 문제가 있어서 본 실시예에서는 승강장(20)의 상부에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 전면광고판(23)은 지붕(27)에 매다는 구조로 되어 있으나, 필요시 내부 장착하는 것으로 설계할 수 있다. 솔라셀(21)의 구조는 평면으로 되어 있으나 지붕(27)의 형태로 설계 변경할 수 있고, 모양은 곡선 형태나 반구형으로 할 수 있다. 설치장소의 일기, 특히 일조량, 우기시 일조량 등을 고려하여 솔라셀(21)의 크기와 모양을 설계하는 것이 바람직하다.
도 6은 LED 조명 전기회로 블록도이고, 도 7은 축전지의 과충전, 과방전 축전지 보호회로도이다.
본 발명의 실시예는 낮에는 솔라셀(21)에서 발생된 전력을 축전지(26)에 저장하고, 밤에는 축전지(26)에 저장된 전력을 LED램프(50∼ 52)로 보내 조명하는 기술이다. 즉, 솔라셀(21)에서 발생된 전력이 축전지(26)에 저장될 때에는 축전지(26)의 전압이 상승하게 되는데, 제 1검출기(41)에서 축전지(26)의 전압을 측정하고 기준전압(35)과 비교하여 축전지(26)의 측정전압이 기준전압(35)이상이 되면 축전지(26)의 과충전을 방지하기 위해 제 1검출기(41)의 출력은 LOW레벨이 되어 제1스위치(36)의 스위치를 OFF시켜 솔라셀(21)에서 발생된 전력이 축전지(26)에 저장되는 것을 차단하고, 축전지(26) 전압이 내려가 기준전압(35)이하가 되면 제1검출기(41)의 출력은 HIGH레벨이 되어 제 1스위치(36)를 ON하여 솔라셀(21)에서 발생된 전력이 축전지(26)에 저장 되도록 한다.
한편 밤에는 광센서(31)에서 검출되는 빛이 약해지면 전압이 상승하게 되는데, 제 2검출기에서는 광센서(31)의 전압을 측정하여 기준전압(35)과 비교하여 측정전압이 기준전압(35)이상이 되면 제2검출기(42)의 출력은 HIGH레벨이 되어 앤드게이트(32)의 (+)입력 신호가 되고, 제3검출기(43)에서는 축전지(26)의 전압을 측 정하여 기준전압(35)이하가 되면 제3검출기(43)의 출력이 HIGH레벨이 되어 앤드게이트(32)의 (-)입력신호가 된다.
앤드게이트(32)의 (+),(-)입력이 HIGH레벨이 되면 앤드게이트(32)의 출력은 HIGH레벨이 출력되어 부하용 전력공급용 스위치수단인 제2스위치(33)가 ON되면서 축전지(26)에 저장되어 있던 전력이 정전압기(34)를 거쳐 LED램프(50 ~ 52)에 공급된다.
또한, 축전지(26)의 측정전압이 기준전압(35)보다 높거나, 광센서(31)에서 검출되는 빛이 강하게 되어 측정전압이 기준전압(35)보다 낮아지게 되어, 제2검출기(42), 제 3검출기(43)의 출력중 하나의 출력이 LOW레벨이 되면 앤드게이트(32)의 (+),(-)입력중 한 개의 입력이 LOW레벨이 입력되어 게이트의 출력은 LOW레벨이 되어 축전지(26)에서 LED램프(50 ∼52)로 공급되는 전력은 차단된다. 또한, 제3검출기(43)의 출력이 LOW레벨이 되면 가로등의 고장신호를 출력시킨다.
축전지(26)의 전압이 변하더라도 LED램프(50∼ 52)의 일정한 광도유지 및 정격전력 사용으로 LED수명연장을 위하여 축전지에서 공급되는 전력을 제어기의 정전압기(34)를 통하여 LED램프(50∼52)로 공급하게 된다.
상기 광센서(31)는 황카드뮴(CDS)센서이고, 상기 제 1 스위치(36)는 SSR(Solid State Relay)스위치이며, 정전압기(34)는 regulator이다. LED램프(50∼52)는 조명등으로 부하(load)의 하나이다.
도 7에서 의하면, IC칩(40)내에 과충전과 과방전 방지회로를 구성한다. 또 한, LED램프(50∼ 52)에 공급하는 전력을 안정화시키기 위하여 정전압기(34)를 배치하여 LED램프(50∼52)의 수명단축을 방지한다.
본 발명의 실시예에서 LED 램프(50∼52)의 조도는 20 룩스(Lx) 내지 25 룩스(Lx)이다. 그러나, LED 램프(50∼52)의 광속을 개선하면 25 룩스 내지 30룩스의 조도를 갖는 조명장치를 실현할 수 있다. LED램프(50~52)에서 사용하는 랜즈는 점광원인 LED를 확산렌즈를 사용하여 면광원으로 구현한다.
본 발명에 사용하는 LED램프는 소비전력이 25W 내 30W로 종래 램프에 비하여 매우 낮다. 특히, 솔라셀(21)에서 발생된 직류전압을 LED램프로 직접 공급하여 사용하므로 소비효율이 높기 때문에 가로등, 정원등, 보안등을 비롯한 여러 가지 조명등에 응용할 수 있다.
당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명은 상기 설명한 실시예에만 한정되지 않고 본 발명은 발명의 기술사상으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 다른 형태로 실시될 수 있다. 특허청구범위와 균등한 기술 범위내에서 이루어지는 모든 설계 변경은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 간주된다.
본 발명에 의하면, 축전지의 과충전,과방전 제어장치와 태양광 전용배터리를 사용하여 축전지에 내장된 병렬단위의 개별 셀전압을 조정하여 셀간 전압 불균형 현상 해결하여 축전지 수명을 2배가량 연장할 수 있고, LED램프를 최소5년 이상 사용할 수 있다.
또한, 낮은 소비전력의 LED램프를 사용하므로 기존 버스 승강장의 조명등에 비해, 전력소비가 매우 낮아서 무상일수는 5일까지 사용할 수 있는 장점이 있다.
솔라셀에서 발생된 직류전압을 LED램프로 직접 공급하여 사용하므로 소비효율이 높다. 즉, 종래의 40W형광등을 전력이 낮은 LED로 사용하므로 솔라셀 개수를 줄일 수 있고 LED 램프의 수명이 반영구적이므로 유자보수비용이 적게 든다.

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  4. 낮에는 태양전지에서 발전되는 전력을 축전지에 저장하고, 밤에는 축전지에 저장된 전력을 LED램프로 보내어 빛을 발생시키는 제어기(27)와; 승강장(20)의 지붕(28)위에 설치되는 솔라셀(21)과; 상기 솔라셀(21)에서 나오는 전기에너지로 변환하여 저장하고 승강장(20)의 기둥(29)위의 축전지함(25)에 내장되는 축전지(26)와; 상기 축전지(26)에 축전된 전력을 이용하여 조명을 하는 LED램프(50∼ 52)로 구성되는 통상의 태양광을 이용한 승강장 조명장치에 있어서,
    상기 축전지(26)의 과충전과 과방전을 방지하기 위하여 IC칩 내부에 과충전과 과방전 방지회로를 구성하되, 상기 축전지(26)의 전압을 측정하여 과충전을 방지하는 제 1검출기(41)와, 과방전을 방지하는 제 3검출기(43)와; 외부 빛의 강도를 감지하여 LED램프의 전력공급 및 차단하기 위한 광센서가 연결되는 제 2검출기(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 승강장 조명장치.
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