KR101091936B1 - 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치는 동서축(EW) 방향의 태양광 방위각(선회각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 사각뿔 또는 반구형의 복수의 제1일사량 센서와; 남북축(NS) 방향의 태양광 방위각(고저각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 사각뿔 또는 반구형의 복수의 제2일사량 센서와; 수직 정중앙(CE)의 방향의 태양광 방위각(수직각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 사각뿔 또는 반구형의 하나의 제3일사량 센서와; 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE) 방향의 복수의 제1,2,3 일사량 센서에서 측정된 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE)의 3방향 방위각 각각의 일사량 검출신호를 증폭하는 복수의 신호증폭부와; 3방향의 증폭된 각각의 검출신호를 전압제한시켜 필터링하는 복수의 신호처리부; 및 신호처리부로부터 출력되는 3방향의 복수의 출력신호 중에서 1방향 또는 2방향의 일사량 값이 동일하고, 1방향의 일사량 값이 최고일 때 태양전지판을 정지시키도록 태양전지판 구동모터로 제어신호를 출력하는 주제어 마이컴을 포함한다.
일사량 센서, 신호증폭, 신호처리, 마이컴, 태양전지판

Description

일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치{Apparatus for detecting sunlight incident angle using pyranometer sensor}
본 발명은 태양광 발전을 위한 태양광 입사각 검출장치에 관한 것으로, 특히 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치에 관한 것이다.
일반적으로 태양광은 자외선 3%, 가시광선 43%와 적외선 54%으로 구성된다. 태양광에서 발전의 에너지 밀도가 높은 파장은 가시광선의 380㎚~780㎚이고, 다음으로 적외선 중에서 파장이 상대적으로 짧은 근적외선 840㎚인데, 태양전지(solar cell or photovoltaic cell)는 상기 가시광선의 380㎚~780㎚와 근적외선 840㎚를 주로 이용하여 태양광을 전기에너지로 에너지 변환을 수행하게 된다.
종래의 태양광 입사각을 검출하는 방식으로는 황화카드뮴 광전도셀(CdS) 조도센서를 이용하여 태양광이 최대로 입사되는 입사각을 측정하도록 되어있다.
그런데 이 CdS 조도센서를 이용한 태양광 입사각 검출은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 태양광의 에너지 밀도가 높은 파장대인 가시광선의 380㎚~780㎚ 중에서 380㎚~450㎚(저역 가시광선)의 일부 파장대만 검출이 가능하고, 태양광 입사각 에 대하여 비선형성을 나타내어 검출감도가 떨어지므로 태양광의 정밀검출이 어렵고, 검출출력이 2차 함수 특성을 나타내므로 흐린 날씨나 일기변화가 심한 날씨에는 출력이 미약하므로 정확한 태양광 입사각 검출이 어려워 태양광 발전효율을 더욱 향상시킬 수가 없었다.
둘째, CdS 조도센서는 삼각뿔형이므로 태양광 입사 검출각이 한정되어 동서남북 각각의 방위에 대한 태양광 방위각을 검출할 수가 없어 2개를 설치하여 사용하는데, 2개를 설치하여도 일기변화가 심한 날씨에서 신속한 태양광 추적이 어렵다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 개선하고자 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE)의 3방향 일사량 측정이 가능한 복수의 일사량 센서를 이용하여 태양광 발전에 필요한 파장대 380㎚~840㎚의 에너지 밀도를 정밀하게 측정함으로써 가장 에너지 밀도가 높은 태양광의 입사각을 측정하여 태양광 발전효율을 더욱 향상시키고자 한 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치를 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적은 동서축(EW) 방향의 태양광 방위각(선회각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 사각뿔 또는 반구형의 복수의 제1일사량 센서와; 남북축(NS) 방향의 태양광 방위각(고저각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 사각뿔 또는 반구형의 복수의 제2일사량 센서와; 수직 정중앙(CE)의 방향의 태양광 방위각(수직각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 사각뿔 또는 반구형의 하나의 제3일사량 센서와; 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE) 방향의 복수의 제1,2,3 일사량 센서에서 측정된 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE)의 3방향 방위각 각각의 일사량 검출신호를 증폭하는 복수의 신호증폭부와; 3방향의 증폭된 각각의 검출신호를 전압제한시켜 필터링하는 복수의 신호처리부; 및 신호처리부로부터 출력되는 3방향의 복수의 출력신호 중에서 1방향 또는 2방향의 일사량 값이 동일하고, 1방향의 일사량 값이 최고일 때 태양전지판을 정지시키 도록 태양전지판 구동모터로 제어신호를 출력하는 주제어 마이컴을 포함하는 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치에 의해 달성된다.
본 발명의 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치에 있어서, 일사량 값이 동일한 1방향은 동서축(EW) 방향이고, 일사량 값이 동일한 2방향은 동서축(EW) 방향과 남북축(NS) 방향이며, 일사량 값이 최고인 1방향은 수직 정중앙(CE) 방향인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치에 있어서, 주제어 마이컴의 출력 제어신호의 이상동작 여부를 모니터링하여 이상동작시 주제어 마이컴을 리셋 또는 대기상태로 제어하는 자가진단 마이컴을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치에 있어서, 신호 증폭부는 제1,2,3 일사량 센서에 의해 검출된 3방향 일사량에 대한 각각의 출력전압을 푸쉬풀 증폭기 트랜지스터에 의해 증폭하여 전류로 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치에 있어서, 신호처리부는 제1,2,3 일사량 센서의 각각의 증폭신호를 5V 이내로 제한하는 전압제한부와; 전압제한된 증폭신호를 버퍼링하는 제1입력단 완충용 버퍼와; 버퍼링된 증폭신호를 필터링하는 필터; 및 필터링된 증폭신호를 버퍼링하여 주제어 마이컴으로 출력하는 제2출력단 완충용 버퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 기술구성에 의해 태양광 발전에 필요한 파장대 380㎚~840㎚의 에너지 밀도를 정밀하게 측정할 수 있고, 태양광 입사각에 대하여 일사량 센서의 출력특성이 선형적인 로그출력 특성을 나타내므로 검출감도가 우수하여 태양광의 정밀검출이 가능하고, 일사량 센서의 선형적인 로그출력 응답특성으로 흐린 날씨부터 쾌청한 날씨의 다양한 일기조건에서도 태양광 입사각 검출이 매우 용이하여 태양광 발전효율을 더욱 향상시킬 수 있고, 일기변화가 심한 날씨에서도 신속한 태양광 추적이 가능하다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 통하여 상세하게 기술하기로 한다.
도 1은 본 발명의 기술구성을 도시한 구성 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 사각뿔 또는 반구형의 일사량 센서의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 제1,2,3 일사량 센서 및 신호증폭부의 회로도이며, 도 4는 본 발명의 제1,2,3 일사량 센서의 신호처리부의 회로도이다.
본 발명의 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 제1,2,3 일사량 센서(10)(20)(30), 복수의 신호증폭부(40), 복수의 신호처리부(50), 주제어 마이컴(60)을 포함한다.
복수의 제1,2,3 일사량 센서(10)(20)(30)는 모두, 도 2에 도시된 바와 같이 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 사각뿔(도 2의 (a)) 또는 반구형(도 2의 (b))으로서, 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE) 방향의 태양 광 발전에 필요한 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출한다.
복수의 제1일사량 센서(10)는 동서축(EW) 방향의 태양광 방위각(선회각)을 측정하고, 복수의 제2일사량 센서(20)는 남북축(NS) 방향의 태양광 방위각(고저각)을 측정하며, 하나의 제3일사량 센서(30)는 수직 정중앙(CE)의 방향의 태양광 방위각(수직각) 측정하여 해당 태양광 방위각에서 380㎚~840㎚ 파장대의 가장 에너지 밀도가 높은 태양광 입사각을 측정할 수 있다.
도 3에서 복수의 제1일사량 센서(10)는 U1∼U4이고, 복수의 제2일사량 센서(20)는 U5∼U8이며, 하나의 제3일사량 센서(30)는 U9이다. 이렇게 복수의 제1,2,3 일사량 센서에 의한 측정된 일사량은 제1일사량 센서(10)가 U1인 경우 서로 병렬연결된 저항(R4)과 콘덴서(C1)에 의해 전압으로 출력된다.
한편, 태양광 입사각에 대한 일사량 센서의 출력특성은 선형적인 로그출력 응답특성을 나타내어 흐리거나 화창한 날씨 등의 일기변화에 관계없이 태양광의 정밀검출이 가능하다.
복수의 신호증폭부(40)는 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE) 방향의 복수의 제1,2,3 일사량 센서(10)(20)(30)에서 측정된 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE)의 3방향 방위각 각각의 일사량 검출신호를 증폭하는데, 제1,2,3 일사량 센서에 의해 검출된 3방향 일사량에 대한 각각의 출력전압을 푸쉬풀 증폭기 트랜지스터(도 3의 Q1∼Q18)에 의해 증폭하여 전류로 출력한다.
도 3의 푸쉬풀 증폭기 트랜지스터 Q1∼Q18에서 복수의 제1일사량 센서(10) 중에서 하나의 제1일사량 센서 U1의 푸쉬풀 증폭기 트랜지스터는 Q1과 Q3이다.
복수의 신호처리부(50)는 3방향의 증폭된 각각의 검출신호를 전압제한시켜 필터링하여 주제어 마이컴(60)으로 출력하는 전압제한부(51), 제1입력단 완충용 버퍼(52), 필터(53), 제2출력단 완충용 버퍼(54)로 구성된다.
전압제한부(51)는 복수의 제1,2,3 일사량 센서의 각각의 증폭신호를 5V 이내로 제한하는 회로소자로서, 예를 들면 도 3의 제1일사량 센서 U1의 증폭신호 EW1은 도 4의 저항(R3), 콘덴서(C3), 제너다이오드(D1)에 의해 5V 이내로 제한된다.
제1입력단 완충용 버퍼(52)는 5V 이내로 전압제한된 증폭신호를 버퍼링하는 회로소자로서, 도 4의 R3,C3,D1에 연결된 비교기(U1A)이다.
필터(53)는 제1입력단 완충용 버퍼(52)에 의해 버퍼링된 증폭신호를 필터링하는 회로소자로서, 도 4의 비교기(U1A)에 연결된 1차 저역통과필터인 저항(R4)과 콘덴서(C4)에 의해 필터링한다.
제2출력단 완충용 버퍼(54)는 필터링된 증폭신호를 버퍼링하여 주제어 마이컴(60)으로 출력하는 회로소자로서, 도 4의 R4,C4에 연결된 비교기(U1B)이다.
주제어 마이컴(60)은 신호처리부(50)로부터 출력되는 3방향의 복수의 출력신호 중에서 동서축(EW) 방향의 1방향 또는 동서축(EW) 방향과 남북축(NS) 방향의 2방향 의 출력값이 동일하고, 수직 정중앙(CE) 방향의 1방향의 출력값이 최고일 때 태양전지판(70)을 정지시키도록 태양전지판 구동모터(71)로 제어신호를 출력한다.
상술한 복수의 제1,2,3 일사량 센서에는 전원장치(90)에 의해 센서작동을 위한 정전압이 가해진다.
그리고 상술한 본 발명의 구성요소 외에 자가진단 마이컴(80)이 더 포함되는 데, 이 자가진단 마이컴(80)은 주제어 마이컴(60)이 태양전지판(90)을 구동시키는 제어신호를 출력하였지만 태양전지판 제어작동에 문제 발생시 주제어 마이컴(60)을 진단하여 주제어 마이컴(60)의 출력 제어신호의 제어오류 등의 이상동작으로 진단될 경우에는 주제어 마이컴(60)을 리셋 또는 대기상태로 제어함으로써 관리자가 유지보수할 수 있게 한다.
상술한 바와 같은 기술구성을 가진 본 발명일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치의 운용모드로는 조작입력스위치(미도시)에 의해 수동모드와 자동모드로 동작된다. 자동모드의 경우는 제1,2,3 일사량 센서(10)(20)(30)의 측정신호에 따른 주제어 마이컴(60)의 제어신호에 의해 태양전지판(70)이 태양광을 자동으로 추적하는 한편, 흐린 날씨에는 일사량 센서의 측정값이 일정 기준값 미만이 되면 주제어 마이컴(60)이 내부의 실시간 타이머(미도시)를 이용하여 시간함수에 대한 태양광 입사각 계산 프로그램에 의하여 태양전지판(70)이 태양광을 자동으로 추적하게 된다. 따라서 쾌청한 날씨부터 흐린 날씨까지 다양한 일기조건에서도 태양광 입사각 검출이 매우 용이하다.
이와 같은 자동모드 운용에 따라 주제어 마이컴(60)은 태양전지판 구동모터(71)에 제어신호를 출력하여 복수의 제1일사량 센서(10)의 일사량 값이 동일하게 나오도록 태양전지판(70)을 동서축(EW) 방향으로 구동시키면서 수직 정중앙(CE)의 하나의 제3일사량 센서(20)로부터 출력되는 일사량 값이 최고인 지점에서 태양전지판(70)의 구동을 정지시킨다.
이와 같이 복수의 동서축(EW) 방향 일사량 센서인 제1일사량 센서(10) 및 수 직 정중앙(CE)의 하나의 일사량 센서인 제3일사량 센서(20)를 이용하여 단축(선회축) 추적제어를 수행한다.
또한, 주제어 마이컴(60)은 태양전지판 구동모터(71)에 제어신호를 출력하여 복수의 제1방향 일사량 센서(10)에서 출력되는 일사량 값이 동일하게 나오도록 태양전지판(70)을 동서축(EW) 방향으로 구동시키고, 복수의 제2일사량 센서(30)에서 출력되는 일사량 값이 동일하게 나오도록 태양전지판(70)을 남북축(NS) 방향으로 구동시키면서 수직 정중앙(CE)의 하나의 제3일사량 센서(20)로부터 출력되는 일사량 값이 최고인 지점에서 태양전지판(70)을 정지시킨다.
이와 같이 복수의 동서축(EW) 방향 일사량 센서인 제1일사량 센서(10), 남북축(NS) 방향의 복수의 일사량 센서인 제2일사량 센서(30), 및 수직 정중앙(CE)의 하나의 일사량 센서인 제3일사량 센서(20)를 이용하여 양축(선회축과 고저축) 추적제어를 수행한다.
도 1은 본 발명의 기술구성을 도시한 구성 블럭도.
도 2는 본 발명의 사각뿔 또는 반구형의 일사량 센서의 평면도.
도 3은 본 발명의 제1,2,3 일사량 센서 및 신호증폭부의 회로도.
도 4는 본 발명의 제1,2,3 일사량 센서의 신호처리부의 회로도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 제1일사량 센서 20 : 제3일사량 센서
30 : 제2일사량 센서 40 : 신호증폭부
50 : 신호처리부 60 : 주제어 마이컴
80 : 자가진단 마이컴

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  4. 동서축(EW) 방향의 태양광 방위각(선회각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 복수의 제1일사량 센서와; 남북축(NS) 방향의 태양광 방위각(고저각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 복수의 제2일사량 센서와; 수직 정중앙(CE)의 방향의 태양광 방위각(수직각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 하나의 제3일사량 센서와; 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE) 방향의 복수의 제1,2,3 일사량 센서에서 측정된 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE)의 3방향 방위각 각각의 일사량 검출신호를 증폭하는 복수의 신호증폭부와; 3방향의 증폭된 각각의 검출신호를 전압제한시켜 필터링하는 복수의 신호처리부; 및 신호처리부로부터 출력되는 3방향의 복수의 출력신호 중에서 동서축(EW) 방향의 1방향 또는 동서축(EW) 방향과 남북축(NS) 방향의 2방향의 일사량 값이 동일하고, 수직 정중앙(CE) 방향의 1방향의 일사량 값이 최고일 때 태양전지판을 정지시키도록 태양전지판 구동모터로 제어신호를 출력하는 주제어 마이컴을 포함하며, 상기 제1,2,3 일사량 센서 전체는 사각뿔 또는 반구형인 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치에 있어서,
    신호 증폭부는 제1,2,3 일사량 센서에 의해 검출된 3방향 일사량에 대한 각각의 출력전압을 푸쉬풀 증폭기 트랜지스터에 의해 증폭하여 전류로 출력하는 것을 특징으로 하는 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치.
  5. 동서축(EW) 방향의 태양광 방위각(선회각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 복수의 제1일사량 센서와; 남북축(NS) 방향의 태양광 방위각(고저각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 복수의 제2일사량 센서와; 수직 정중앙(CE)의 방향의 태양광 방위각(수직각) 측정이 가능하고, 380㎚~840㎚ 파장대의 태양광의 일사량을 검출하는 하나의 제3일사량 센서와; 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE) 방향의 복수의 제1,2,3 일사량 센서에서 측정된 동서축(EW), 남북축(NS), 및 수직 정중앙(CE)의 3방향 방위각 각각의 일사량 검출신호를 증폭하는 복수의 신호증폭부와; 3방향의 증폭된 각각의 검출신호를 전압제한시켜 필터링하는 복수의 신호처리부; 및 신호처리부로부터 출력되는 3방향의 복수의 출력신호 중에서 동서축(EW) 방향의 1방향 또는 동서축(EW) 방향과 남북축(NS) 방향의 2방향의 일사량 값이 동일하고, 수직 정중앙(CE) 방향의 1방향의 일사량 값이 최고일 때 태양전지판을 정지시키도록 태양전지판 구동모터로 제어신호를 출력하는 주제어 마이컴을 포함하며, 상기 제1,2,3 일사량 센서 전체는 사각뿔 또는 반구형인 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치에 있어서,
    신호처리부는 전압제한된 증폭신호를 버퍼링하는 제1입력단 완충용 버퍼와; 버퍼링된 증폭신호를 필터링하는 필터; 및 필터링된 증폭신호를 버퍼링하여 주제어 마이컴으로 출력하는 제2출력단 완충용 버퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 일사량 센서를 이용한 태양광 입사각 검출장치.
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