KR101510436B1 - Solar position tracker system based on precision optical lenses. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학렌즈 기반으로 구성하여 계절에 상관없이 정밀한 정확도를 가질 수 있으며 이로 인하여 고성능 태양위치 추적시스템을 제공할 수 있는 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an optical lens-based sun position tracking system, and more particularly, to an optical lens-based sun tracking system capable of providing precise accuracy regardless of the season, And a position tracking system.
Description
본 발명은 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학렌즈 기반으로 구성하여 계절에 상관없이 정밀한 정확도를 가질 수 있으며 이로 인하여 고성능 태양위치 추적시스템을 제공할 수 있는 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to an optical lens-based sun position tracking system, and more particularly, to an optical lens-based sun tracking system capable of providing precise accuracy regardless of the season, And a position tracking system.
태양광발전시스템의 효율을 높이기 위해서는 태양전지나 전력변환기와 같은 개별부품의 절대적인 효율을 높이고, MPPT와 같은 전력추종제어를 수행해야 하며, 태양이 태양전지표면에 항상 법선방향으로 향하도록 태양추적시스템의 적용이 필요하다.In order to increase the efficiency of the PV system, it is necessary to increase the absolute efficiency of the individual components such as the solar cell and the power converter, to perform the power follow-up control such as MPPT and to set the solar tracking system Application is required.
태양위치 추적기시스템에 대한 연구개발은 단위면적당 발전량을 증가시켜 고밀도 에너지화를 추구함으로서 상대적으로 약점으로 지적되는 태양광발전시스템의 면적대비 적은 발전량의 문제점을 극복할 수 있으며 최근 관심이 증가되고 있으며 산업계에서 점차 자리잡아가고 있는 집광형 태양광발전시스템 시장에서 매우 중요한 BOS의 한부분으로 중대한 역할을 수행한다.The research and development of the solar locator system can overcome the problems of the solar power generation system, which is pointed out as a weak point by pursuing high density energy by increasing the generation amount per unit area, And as a part of the BOS, which is very important in the convergent photovoltaic system market,
고효율 태양광발전 추적기시스템과 집광형 태양광발전시스템의 적용을 위한 기본 연구를 통해 집광형 태양전지에 적합하고 국내 기후환경에 최적 적용할 수 있는 유효추적 시간범위 및 최적 적용타입, 그리고 사용자의 Tracking offset 횟수 및 그에 따른 최종 획득 전력량의 비교 분석 통한 적용가능성을 검토하여, 국내 기상조건에 적합한 최적 장치를 개발하고 이를 실증연구를 수행하여 신뢰성을 확보하고 추적기 시스템에 대한 성능평가 기준을 정립해야 하며 이에 대한 다양한 검증시스템이 확립되어야 한다.The basic research for the application of the high efficiency PV tracker system and the concentrating photovoltaic power system is based on the effective tracking time range and optimum application type suitable for the condensing type solar cell, offset, and the final acquired power, we have developed an optimal device suitable for domestic weather conditions and conducted an empirical study to establish reliability evaluation and performance evaluation criteria for tracker system. Various verification systems should be established.
태양위치 추적장치는 센서를 이용한 방법, 천문계산에 의한 방법, Hybrid 방식 등 다양화되고 있으며 그에 따른 태양위치 추적의 정밀도 측정 및 성능평가에 대한 측정 및 평가기술이 요구된다. The solar tracking system is diversified into various methods such as sensor method, astronomical method, and hybrid method. Therefore, it is required to measure and evaluate the accuracy of solar tracking and performance evaluation.
NREL에서 추적정밀도에 대한 표준화 및 규격화가 진행 중에 있으며 IEC/TS 62727에 정밀도 추적의 컨셉이 표현되어 있다. In NREL, standardization and standardization of tracking accuracy is underway and the concept of precision tracking is expressed in IEC / TS 62727.
그러나, 상기한 태양위치 추적장치는 오차가 발생할 수밖에 없으므로 오차를 최소화하거나 계절과는 상관없이 정밀한 태양 위치를 추적할 수 있는 시스템을 요구하게 되었다.
However, since the above-described sun position tracking device can not avoid errors, it is required to minimize the error or track the sun position accurately regardless of the season.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 광학렌즈 기반으로 고성능 태양위치 추적시스템을 구성하여 계절에 상관없이 정밀한 정확도를 제공할 수 있도록 하는데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a high-performance solar location tracking system based on an optical lens, thereby providing accurate accuracy regardless of the season.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여,In order to achieve the object of the present invention,
본 발명의 일실시예에 따른 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템은,According to an embodiment of the present invention, an optical lens-
입사되는 태양빛을 굴절시키는 볼록렌즈로 형성되는 접안렌즈(110)와,An
상기 접안렌즈의 후측에 형성되는 제1볼록렌즈(120)와,A first
제1볼록렌즈의 후측에 형성되는 제2볼록렌즈(130)와,A second
상기 제2볼록렌즈의 후측에 형성되는 볼록렌즈로 형성되는 제3렌즈(140)와,A
상기 제3렌즈의 후측에 형성되는 제4볼록렌즈(150)를 포함하여 구성되는 광학렌즈수단(100)과;An
광감응소자를 이용하여 메트릭스 구조의 타켓면을 형성하고 있는 센싱부(210)와,A
임의의 포인트에 포컬에어리어가 형성되면 전기적인 신호가 변화되는 셀의 좌표를 검출하기 위한 좌표정보검출부(220)와,A coordinate
상기 검출된 좌표를 참조하여 태양전지모듈을 상하 방향으로 이동시키는 이동수단에 동작 신호를 송출하기 위한 구동신호제공부(230)를 포함하여 구성되는 태양위치추적수단(200);을 포함하여 구성되어 본 발명의 과제를 해결하게 된다.
And a driving signal providing unit (230) for sending an operation signal to a moving unit for moving the solar cell module in the vertical direction with reference to the detected coordinates Thereby solving the problems of the present invention.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템은,The optical lens-based sun position tracking system according to the present invention having the above-
광학렌즈 기반으로 고성능 태양위치 추적시스템을 제공하여 계절에 상관없이 정밀한 정확도를 도출할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
By providing a high-performance solar tracking system based on an optical lens, it is possible to obtain precise accuracy regardless of the season.
도 1은 태양위치 추적기의 기본 구조도이다.
도 2는 일반적인 센서를 이용한 태양위치 추적기 제어블록다이어그램이다.
도 3은 표준화된 IEC/TS 62727에서 제시한 태양위치 추적기 정밀도 측정 개념도이다.
도 4는 거리가 1,000mm 인 경우에서의 오차각 검출사례이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템의 전체 구성도이다.
도 6은 볼록렌즈의 초점과 빛의 경로를 나타낸 예시도이다.
도 7은 시뮬레이션 결과도이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템을 나타낸 예시도이다.
도 9는 태양위치 추적정밀도 측정에 따른 평가 분석방법의 접근방법을 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템의 포컬에어리어 타겟면에 광감응소자를 적용한 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템의 태양위치추적수단 블록도이다.
도 12는 S1 센서가 직사광을 받고 S2 센서가 직사광을 받지 않을 경우 센서의 각도를 나타낸 예시도이며, 도 13은 S1 과 S2 센서가 직사광을 받을 경우 센서의 각도를 나타낸 예시도이며, 도 14는 S1 센서가 직사광을 받지 않고 S2 센서가 직사광을 받을 경우 센서의 각도를 나타낸 예시도이다.1 is a basic structure diagram of a solar locator.
2 is a block diagram of a sun locator control using a general sensor.
Fig. 3 is a conceptual diagram of the measurement of the sun locator precision, which is presented in the standardized IEC / TS 62727. Fig.
4 is an example of detecting an error angle in the case where the distance is 1,000 mm.
FIG. 5 is an overall configuration diagram of an optical lens-based sun position tracking system according to an embodiment of the present invention.
6 is an exemplary view showing the focus of the convex lens and the light path.
FIG. 7 is a simulation result diagram, and FIG. 8 is an exemplary view showing an optical lens-based sun position tracking system according to an embodiment of the present invention.
9 is an exemplary view showing an approach of an evaluation analysis method according to the measurement of the sun positioning accuracy.
10 is an exemplary diagram illustrating the application of a photo-sensitive device to a focal area target surface of an optical lens-based sun position tracking system according to an embodiment of the present invention.
11 is a block diagram of a means for tracking the sun position of an optical lens-based sun positioning system according to an embodiment of the present invention.
12 is an exemplary view showing the angle of the sensor when the S1 sensor receives the direct light and the S2 sensor does not receive the direct light, FIG. 13 is an exemplary view showing the angle of the sensor when the S1 sensor and the S2 sensor receive the direct light, S1 is an example of the angle of the sensor when the sensor does not receive the direct light and the S2 sensor receives the direct light.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템은,According to an aspect of the present invention, there is provided an optical lens-
입사되는 태양빛을 굴절시키는 볼록렌즈로 형성되는 접안렌즈(110)와,An
상기 접안렌즈의 후측에 형성되는 제1볼록렌즈(120)와,A first
제1볼록렌즈의 후측에 형성되는 제2볼록렌즈(130)와,A second
상기 제2볼록렌즈의 후측에 형성되는 볼록렌즈로 형성되는 제3렌즈(140)와,A
상기 제3렌즈의 후측에 형성되는 제4볼록렌즈(150)를 포함하여 구성되는 광학렌즈수단(100)과;An
광감응소자를 이용하여 메트릭스 구조의 타켓면을 형성하고 있는 센싱부(210)와,A
임의의 포인트에 포컬에어리어가 형성되면 전기적인 신호가 변화되는 셀의 좌표를 검출하기 위한 좌표정보검출부(220)와,A coordinate
상기 검출된 좌표를 참조하여 태양전지모듈을 상하 방향으로 이동시키는 이동수단에 동작 신호를 송출하기 위한 구동신호제공부(230)를 포함하여 구성되는 태양위치추적수단(200);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.And a driving signal providing unit (230) for sending an operation signal to a moving unit for moving the solar cell module in the vertical direction with reference to the detected coordinates .
상기 광학렌즈수단(100)을 통해 입사각보다 출사각이 크게 나타나는 것을 특징으로 한다. And an outgoing angle is larger than an incident angle through the optical lens means (100).
이때, 상기 광감응소자는,At this time, the photo-
실리콘, 화합물반도체, CIGS와 같은 태양전지 셀, CdS, 포토다이오드, 포토트랜지스터와 같은 포토센서 중 어느 하나로 적용되는 것을 특징으로 한다.A solar cell such as silicon, a compound semiconductor, CIGS, a photo sensor such as a CdS, a photodiode, and a phototransistor.
이때, 제1볼록렌즈(120)와, 제2볼록렌즈(130) 및 제4볼록렌즈(150)는,At this time, the first
수차를 줄이기 위하여 초저분산유리(apochromatic lens)를 사용하는 것을 특징으로 한다.And an ultra low dispersion glass (apochromatic lens) is used to reduce the aberration.
이하, 본 발명에 의한 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of an optical lens-based sun position tracking system according to the present invention will be described in detail.
본 발명은 기하광학을 기반으로 한 태양위치 추적기의 오차분석방법을 제안하고 그에 따른 물리적 계측방법의 실효성과 타당성을 설명하고자 한다.The present invention proposes an error analysis method of a sun locator based on geometrical optics and explains the feasibility and feasibility of the physical measurement method accordingly.
태양위치 추적시스템(Solar Tracking System)에는 센서에 의한 방식, 프로그램방식, 복합형이 있다. Solar Tracking System has sensor type, program type and hybrid type.
또한, 구동축의 수에 따라 단축 또는 양축 추적형 시스템으로 분류된다. Also, it is classified as a shortened or biaxial tracking system depending on the number of drive shafts.
단축형 추적시스템은 1개의 회전축에 의하여 추적 대상물을 회전시킴으로서 태양의 위치 변화에 따른 고도각 또는 방위각만을 추적할 수 있도록 설계 제작된 추적기이다. The short tracking system is designed to track only the elevation angle or azimuth according to the position of the sun by rotating the tracked object by one axis of rotation.
일반적으로 회전축은 시스템의 설치점을 기준으로 하여 동서 또는 남북으로 고정되어 있다. In general, the axis of rotation is fixed east-west or north-south based on the installation point of the system.
또한 일부 시스템의 경우, 추적 대상물은 설치 지방의 위도를 갖는 경사각으로 고정되고, 회전축은 지구의 자전축과 평행하도록 설계되어 채광부의 회전은 태양의 시간 축만을 추적하도록 하는 경우도 있다. Also, in some systems, the object to be tracked is fixed at an inclination angle with the latitude of the installation fat, and the rotation axis is designed to be parallel to the earth's rotation axis, so that the rotation of the mining section may track only the time axis of the sun.
축 구동형 태양 위치 추적시스템은 태양의 고도각은 물론 시간각에 대하여서도 태양 위치를 추적함으로서 보다 정확한 추적이 가능한 시스템이다. The axis - driven solar position tracking system is able to track the sun position with respect to the altitude angle of the sun as well as the time angle.
-청명도가 낮아도 추적가능- Accurate traceability
- Traceable even at low clarity
-고급프로세서- Orientation is required for initial installation
- Advanced processor
-직관적 알고리즘- Simple structure
- Intuitive algorithm
방식Astronomy / Sensor Complex
system
-높은 정밀도- Compensation of calculation and sensor method
- High precision
-높은가격- Structural complexity
- High price
천문계산방식의 추적기는 고급 프로세서연산과정을 통해 매우 정확한 추적이 가능하나 최대 단점인 backlash가 존재한다. The astronomical tracker is able to track very precisely through advanced processor operations, but there is a backlash which is the biggest disadvantage.
backlash는 추적기의 드라이브 시스템에서 자유운동에 의해 정의되며 각각의 축의 메이팅과정에서 또는 핀이나 다른 기계적인 결합부의 동작, 또는 유압장치에서 탄성, 시스템특성에 따른 다른 메카니즘 그리고 강한 풍력에 의해 나타나기도 한다.Backlash is defined by free motion in the tracker's drive system and may be caused by mating of individual axes or by the action of pins or other mechanical couplings, or by elasticity in the hydraulic system, other mechanisms depending on system characteristics, and strong wind forces.
천문계산에 의한 태양위치 추적장치의 입력데이터는 방위각과 고도각이며 지구표면좌표면에서의 태양고도각(elevation)과 방위각(azimuth)을 적용하여 표시하며 태양고도각은 태양과 태양위치 추적장치 설치되어 있는 지점을 연결하는 직선이 지구표면과 이루는 각도이다. The input data of astronomical solar locator is represented by applying azimuth and azimuth to the azimuth angle and elevation angle on the surface of the earth. Is the angle between the straight line connecting the point to the Earth's surface.
방위각은 태양의 위치를 지표면에 투영시켰을 때, 투영된 태양광 좌표의 원점이 이루는 직선이 좌표상의 정북으로부터 시계방향으로 측정된 각도이다.The azimuth angle is an angle measured from the north of the coordinate point in the clockwise direction by the straight line formed by the origin of the projected solar coordinates when the position of the sun is projected on the ground surface.
태양의 고도각은 수학식1, 방위각은 수학식2와 같이 구해진다.The altitude angle of the sun is obtained by the equation (1) and the azimuth angle is obtained by the equation (2).
여기서, δ는 태양의 적위로 천구적도면에서 시간권을 따라 별까지 잰 각이며 0°~ ±90°의 값을 가지며, ø는 측정자소 위도, H는 자오선과 천체를 지나는 내원이 이루는 각인 시간각을 의미한다.Where δ is the sun's declination and is the angle measured from the celestial equatorial plane along the time axis to the star, and has a value of 0 ° to ± 90 °, where ø is the latitude of the measurand, H is the time interval between the meridian .
천문계산에 의한 태양위치 계산방법은 고속 프로세서룰 채택하여 부동소수점연산을 수행하거나 컴퓨터를 연산기능을 지원받는 경우에 더욱 우수한 태양위치 추적결과를 가질 수 있다. The astronomical calculation of the sun position can be achieved by adopting a high-speed processor rule to perform floating point operation or to obtain a better sun position tracking result when the computer is supported by an arithmetic function.
그러나 생산단가의 상승이나 현장적용의 어려움, 백래쉬와 같은 구조적인 오차발생요인으로 인해 높은 정밀도를 위해서 self-compensation 기능과 같은 보정기능이 필요하다. However, a correction function such as a self-compensation function is required for high precision due to a rise in production unit price, difficulty in field application, and a structural error such as backlash.
또한 고정밀 추적기 구현은 소내소비전력의 증가를 가져오므로 그에 따른 최적설계가 필요한 부분이 존재한다. Also, the implementation of a high-precision tracker leads to an increase in the power consumption of the plant, and therefore there is a need for optimum design.
이는 발전단가와 발전량의 산출에 따른 평형조건에 따라 산출되어야 한다.This should be calculated according to the equilibrium condition according to the calculation of the generation unit price and the power generation amount.
일반적으로 회전축은 태양전지 어레이의 설치점을 기준으로 도 1과 같이 동서 또는 남북으로 고정되어 있다. Generally, the rotation axis is fixed to the east-west or north-south direction as shown in FIG. 1 based on the installation point of the solar cell array.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 센서를 이용하는 방식은 포토다이오드나 solar cell, 포토센서와 같은 광감응소자 및 부품을 이용하여 센서의 반응상태나 위치, 또는 기구적인 명암 조건을 확립하여 센서로 입력되는 값을 토대로 A/D변환과정을 거쳐 마이크로프로세서를 통해서 조건 판단을 수행하고 이를 모터 드라이브로 신호를 전송하여 태양위치를 판단하여 위치를 추적하도록 하는 형태가 일반적이다.Meanwhile, as shown in FIG. 2, in a method using a sensor, a reaction state or position of a sensor or a mechanical light / dark condition is established by using a photo-sensitive device such as a photodiode, a solar cell, Based on the input value, A / D conversion process is performed, condition determination is performed through the microprocessor, and a signal is transmitted to the motor drive to determine the position of the sun to track the position.
태양의 위치를 검출하는 센서모듈의 구조는 다양하다. The structure of the sensor module for detecting the position of the sun varies.
그러나 렌즈나 기구적인 지원시스템의 구성으로 인해 센서 검출값을 검출하는 시간이 계절에 따라 일정하지 않으며 산란일사량에 대한 대비 또한 요구된다.However, due to the configuration of the lens or the mechanical support system, the time to detect the sensor detection value is not constant depending on the season, and a preparation for the scattering radiation amount is also required.
이를 위해 고감도의 포토센서를 활용하는 경우도 있으며 기구적인 개선을 통해 검출시간을 일정하게 하려는 시도가 있으나 구조적인 한계가 있다. There are some cases where high sensitivity photosensors are used for this purpose, and there is an attempt to make the detection time constant by improving the mechanism, but there is a structural limit.
한편, 태양광발전용 추적장치는 구동장치기동ㆍ정지 횟수를 줄일수록 소비전력이 감소하게 되고 고장율도 감소하게 된다. On the other hand, as the number of times of starting and stopping the driving device is reduced, the tracking device for the photovoltaic power generation causes the power consumption to decrease and the failure rate to decrease.
그리고 추적장치의 추적횟수는 태양광의 오차각을 어느 정도로 하느냐에 따라 결정되므로 태양위치 추적기의 정밀도에 대한 정확한 절대 측정값을 확보해야만 한다. And the number of tracking times of the tracking device is determined by the degree of sunlight error angle, it is necessary to obtain an absolute absolute value of the accuracy of the sun position tracker.
표준화된 IEC/TS 62727에 따르면 도 3과 같은 태양위치 추적기 정밀도 측정 개념을 제공해주고 있다. According to the standardized IEC / TS 62727, the sun locator provides the concept of precision measurement as shown in Fig.
이 방식은 입사광에 대한 cos각도를 계산하여 수직으로 된 입사각과 동작 각도간의 차이를 확인할 수 있다. This method can calculate the cosine angle of the incident light and confirm the difference between the vertical incident angle and the operating angle.
IEC/TS 62727에서 제시한 개념은 포인팅 오차를 이용한 측정방법으로 이는 특정한 시간에 포인팅오차 결정방법을 통해 실험적으로 태양위치 추적기의 정확도를 측정하는 방식이다. The concept proposed by IEC / TS 62727 is a measurement method using pointing error, which measures the accuracy of the solar locator by experimentally determining the pointing error at a specific time.
이 방식은 두 개의 평판에 특정한 거리를 두고 다른 한편에 프로젝터와 같은 형태로 천공하여 태양의 위치를 측정하는 형태이다. This is a type of measuring the position of the sun by punching the two planes at a specific distance and on the other side in the form of a projector.
한 면에서 특정 거리에서 태양광이 입사될 수 있는 핀 홀을 만들고 다른 한편의 평판 내부는 0.1, 0.2, 0.3° 각도의 원형 타겟면을 만든다. A pinhole is made on one side to allow sunlight to be incident at a certain distance, while the other side of the plate creates a circular target surface of 0.1, 0.2, 0.3 °.
투과된 태양의 이미지는 감광지나 포토다이오드 어레이 또는 이미지센서를 통해 분석될 수 있다. The image of the transmitted sun can be analyzed through a photosensitizer, a photodiode array or an image sensor.
감광지(sensitizing paper)는 지면에 감광성을 부여하기 위해 감광제로 처리한 종이를 이용하여 태양빛을 마킹하는 방식으로 태양위치 추적기의 성능을 판정할 수 있다.Sensing paper can be used to determine the performance of a solar locator in a manner that marks the sun using a paper treated with a photosensitizer to impart photosensitivity to the paper.
다음은 정밀광학렌즈 기반의 오차 측정방법을 설명하도록 한다.The following describes how to measure errors based on precision optical lenses.
기본의 포인팅 오차방식은 f가 커짐에 따라 빛이 분산되는 현상으로 인해 결상이 타겟면에서 커지는 문제가 발생한다. The basic pointing error method has a problem that the image becomes larger on the target surface due to the phenomenon that the light is dispersed as f becomes larger.
포컬에어리가 커지면 추적장치의 정밀도측정에 따른 측정의 정밀도가 낮아지고 광량의 차이로 인해 센서의 오작동을 발생시키기도 한다. The larger the focal area, the lower the accuracy of the measurement depending on the accuracy of the tracking device and the malfunction of the sensor due to the difference in the amount of light.
또한, 두 평판의 거리를 가까이할수록 포커스는 좋은 특성을 보이지만 cos오차를 계산하는데는 어려움이 있다. Also, the closer the distance between the two plates is, the better the focus is, but it is difficult to calculate the cosine error.
도 4는 포인팅오차 측정방법에 따른 계산을 수행한 결과를 나타낸다. 4 shows the result of performing calculation according to the pointing error measurement method.
포컬길이가 1,000mm인 위치에서 타겟이 있다고 가정하면 측정오차는 약 1.15도의 각도 오차를 측정할 수 있다. Assuming that the target is located at a focal length of 1,000 mm, the measurement error can be measured at an angle error of about 1.15 degrees.
이때, θ가 1.15일 때 포컬에어리어는 20mm의 거리만큼 떨어지게 되는데 이 거리는 θ가 작아질 때 더욱 좁아져서 물리적인 검출이 어려워진다. At this time, when θ is 1.15, the focal area is separated by a distance of 20 mm, which becomes narrower when θ becomes smaller, and physical detection becomes difficult.
측정거리가 추적정밀도를 측정하는 장치는 계산의 범위가 0.001도 수준의 오차각도를 측정해야 하므로 입사각의 확대가 필수적이다. The device that measures the measurement distance and the tracking accuracy is required to increase the angle of incidence because the range of calculation is to measure the error angle of 0.001 degree level.
따라서, 본 발명은 굴절형 스코프의 개념을 도입하여 접안렌즈에 볼록렌즈를 사용하여 상의 상하좌우가 바뀌어 나타나는 형태의 설계이다. Therefore, the present invention introduces the concept of the refraction type scope, and is a design in which the top, bottom, left and right sides of the image are changed by using a convex lens in the eyepiece.
색수차를 제거하기 위해 서로 다른 특성을 갖는 볼록렌즈와 오목렌즈를 결합하여 사용하고 볼록렌즈 부분은 초저분산유리(apochromatic lens)를 사용하여 수차를 줄인다.In order to remove the chromatic aberration, a convex lens and a concave lens having different characteristics are used in combination, and a convex lens portion is aberrated using an ultra low dispersion glass (apochromatic lens).
본 발명의 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템에 따른 광학구조는 도 5와 같다.The optical structure according to the optical lens-based sun positioning system of the present invention is shown in Fig.
즉, 도 5에 도시한 바와 같이, θ1 ≪ θ2 와 같이 나타나 적은 입사각에서 타겟면에서 큰 변화를 만들어 효과적인 측정이 가능하도록 한 구조이다.That is, as shown in FIG. 5, the structure is such that effective measurement can be made by making a large change in the target surface at a small angle of incidence represented by? 1 ?? 2 .
구체적으로 본 발명의 광학렌즈수단(100)은,Specifically, in the optical lens means 100 of the present invention,
입사되는 태양빛을 굴절시키는 볼록렌즈로 형성되는 접안렌즈(110)와,An
상기 접안렌즈의 후측에 형성되는 제1볼록렌즈(120)와,A first
제1볼록렌즈의 후측에 형성되는 제2볼록렌즈(130)와,A second
상기 제2볼록렌즈의 후측에 형성되는 볼록렌즈로 형성되는 제3렌즈(140)와,A
상기 제3렌즈의 후측에 형성되는 제4볼록렌즈(150)를 포함하여 구성되게 된다.And a fourth
상기 접안렌즈(110)를 통해 입사되는 태양빛을 굴절시키게 되고, 제1볼록렌즈와 평행하게 일정 거리 이격되게 제2볼록렌즈를 구성하게 된다.Refracts the sunlight incident through the
그리고, 제2볼록렌즈의 후측에 제3렌즈를 형성하고, 제3렌즈의 후측에 제4볼록렌즈를 구성하게 되면, θ1 ≪ θ2 이 되는 것이다.In the second form when the third lens at the rear side of the convex lens, the configuration of a fourth positive lens on the rear side of the third lens, to which the θ 1 «θ 2.
광학렌즈는 세 부분(접안렌즈, 제1볼록렌즈-제2볼록렌즈, 제3렌즈-제4볼록렌즈)으로 구성으로 되어 있다. The optical lens is composed of three parts (eyepiece, first convex lens - second convex lens, third lens - fourth convex lens).
피사체와 동일한 모양의 상을 큰 각도의 θ2를 만들기 위하여 구성되어 있다. An image of the same shape as the subject is formed to make a large angle of? 2 .
이를 위해 곡면의 두께나 곡률을 조절하여 출사각을 크게하며 빛을 모으는 역할을 수행한다.For this purpose, it controls the thickness and curvature of the curved surface to increase the angle of incidence and collect the light.
광선의 진행은 굴절의 법칙에 따르며 수학식3과 같고, 굴절구면의 결상방정식은 수학식4와 같다. The progression of the light ray follows the law of refraction and is expressed by Equation (3), and the imaging equation of the refracting spherical surface is expressed by Equation (4).
굴절률이 n인 렌즈의 곡률반지름 r이다.The radius of curvature r of the lens with a refractive index n.
도 3에서는 측정에 적용된 광학렌즈의 f값을 조절하여 포컬에어리어를 직경 1mm 이내로 조절한 구조를 나타낸다. 3 shows a structure in which the focal length of the focal area is adjusted within 1 mm by adjusting the f value of the optical lens applied to the measurement.
입사면부터 타겟면까지 665mm 이다.It is 665mm from the incident surface to the target surface.
굴절형 렌즈를 이용하여 태양의 법선방향으로 입사되도록 설정하고 적도의 각도를 0.1°조절하여 입사각의 오차를 임의의로 부여하였을 경우에 포컬에어리어가 입사광의 반대 방향으로 5mm shift되는 현상을 관찰할 수 있었다. We can observe the phenomenon that the focal area is shifted by 5mm in the opposite direction of the incident light when the incidence angle error is arbitrarily set by setting the incident angle to the normal direction of the sun using the refraction type lens and adjusting the equatorial angle by 0.1 ° there was.
굴절형 렌즈는 경통부가 봉합이 되어 있기 때문에 광학계를 철저히 보호해주며 공기의 흐름을 감소함으로서 안정된 성능을 발휘할 수 있으며 애로환경에서 고성능을 그래도 유지할 수 있다. The refraction type lens is a sealed lens barrel, which protects the optical system thoroughly and reduces the air flow, so it can achieve stable performance and still maintain high performance in difficult environments.
그리고, 본 발명의 경우에는 3군 5렌즈로 구성된 구조로 이루어진다. In the case of the present invention, the lens is constituted by a lens composed of three lenses and five lenses.
도 6은 볼록렌즈의 초점과 빛의 경로를 나타낸다. 6 shows the focus of the convex lens and the light path.
a가 물체와 렌즈의 거리라고 하고 b를 상과 렌즈의 거리라고 하고 f0를 초점거리라고 하면 다음 수학식5와 같다.a is the distance between the object and the lens, b is the distance between the image and the lens, and f 0 is the focal distance.
태양의 관측에 적용되는 경우에 f0가 거의 ∞라고 한다면 수학식6과 같다.When applied to the observation of the sun, if f 0 is almost infinite, it is expressed by Equation (6).
대물렌즈에 의한 상은 대물렌즈의 제 2초점에 맺힌다. The image by the objective lens is formed at the second focus of the objective lens.
대물렌즈는 무한대에 있는 물체의 빛을 모아 상 (1)을 만든다. The objective lens collects the light of an infinite object to form an image (1).
태양빛의 관측에서 대물렌즈의 초점과 접안렌즈의 초점이 일치하도록 하고 대물렌즈로 평행하게 입사된 빛은 접안렌즈를 통해 다시 평하게 나가 포컬에어리어를 형성하게 된다. In the observation of sunlight, the focus of the objective lens is made to coincide with the focus of the eyepiece lens, and the light incident parallel to the objective lens is flattened again through the eyepiece lens to form a focal area.
접안렌즈로부터 평행하게 입사된 빛은 센서면에 초점을 맺는다. Light incident in parallel from the eyepiece focuses on the sensor surface.
광학렌즈의 초점의 위치를 조절하여 상의 위치와 정확도를 수정하며 교정할 수 있다.The position and the accuracy of the image can be corrected and corrected by adjusting the position of the focus of the optical lens.
도 7은 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이며, 도 8은 본 발명의 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템을 나타낸 예시도이다.FIG. 7 shows a simulation result, and FIG. 8 is an exemplary view showing an optical lens-based sun positioning system according to the present invention.
한편, 태양위치 추적기 시스템에 대한 측정시스템은 성능을 진단, 유지관리, 규격화와 표준화과정을 통해 품질의 향상을 도모할 수 있다. On the other hand, the measurement system for the solar locator system can improve the quality through diagnosis, maintenance, standardization and standardization process.
이를 위해 계측분석의 정확도 향상과 손실을 정량화하고 그에 따른 성능분석이 이루어져서 성능과 품질을 통한 계측데이터를 확립하는 과정이 요구된다. For this purpose, it is required to improve the accuracy of measurement analysis and to quantify the loss and perform the performance analysis accordingly, and to establish measurement data through performance and quality.
도 9는 태양위치 추적정밀도 측정에 따른 평가 분석방법의 접근방법을 제시하고 있다.FIG. 9 shows an approach of the evaluation analysis method according to the measurement of the sun positioning accuracy.
본 발명인 광학렌즈를 기반으로 한 정밀도 측정방법은 태양의 궤적에 대한 천문학적 해석을 기반으로 한 기술로 추적기의 태양위치 추적정밀도를 효과적으로 분석하고 이를 real time 데이터 검출이 가능하며 물리적 계측방법의 재현성 확립, 태양빛의 수직입사에 따른 오차각도의 산출 및 물리적 오차를 최소화할 수 있는 광학계의 정밀 설계를 가능하게 한다.The precision measurement method based on the optical lens of the present invention is based on the astronomical analysis of the sun's trajectory, effectively analyzing the sun position tracking accuracy of the tracker, real time data detection, establishing the reproducibility of the physical measurement method, It is possible to calculate the error angle according to the normal incidence of sunlight and to precisely design an optical system capable of minimizing the physical error.
즉, 태양위치추적수단(200)을 통해 제공하게 된다.That is, through the sun position tracking means 200.
입사광이 확산되지 않고 포컬에어리어를 형성시키는 구조의 광학적인 기반은 타겟면에 포컬에어리어를 형성시켜 다양한 어플리케이션이 가능한 구조를 형성할 수 있다. The optical base of the structure in which the focal area is formed without diffusing the incident light can form a focal area on the target surface to form a structure capable of various applications.
도 10과 같이, 메트릭스 구조의 타겟면을 다양한 광감응센서를 통해 구성한다. As shown in Fig. 10, the target surface of the matrix structure is constituted by various optical sensors.
광감응센서로는 실리콘, 화합물반도체, CIGS와 같은 태양전지 셀, CdS, 포토다이오드, 포토트랜지스터와 같은 포토센서 등이 적용될 수 있다. Photodiode sensors such as silicon, compound semiconductors, CIGS, CdS, photodiodes, and phototransistors can be applied as the photo-sensitive sensor.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템의 태양위치추적수단 블록도이다.11 is a block diagram of a means for tracking the sun position of an optical lens-based sun positioning system according to an embodiment of the present invention.
상기 태양위치추적수단(200)은,The sun position tracking means (200)
광감응소자를 이용하여 메트릭스 구조의 타켓면을 형성하고 있는 센싱부(210)와,A
임의의 포인트에 포컬에어리어가 형성되면 전기적인 신호가 변화되는 셀의 좌표를 검출하기 위한 좌표정보검출부(220)와,A coordinate
상기 검출된 좌표를 참조하여 태양전지모듈을 상하 방향으로 이동시키는 이동수단에 동작 신호를 송출하기 위한 구동신호제공부(230)를 포함하여 구성되게 된다. And a driving
즉, 센싱부(210)는 광감응소자를 이용하여 메트릭스 구조의 타켓면을 형성하고 있게 된다.That is, the
이때, 좌표정보검출부(220)는 임의의 포인트에 포컬에어리어가 형성되면 전기적인 신호가 변화되는 셀의 좌표를 검출하게 된다.At this time, when the focal area is formed at an arbitrary point, the coordinate
이때, 상기 구동신호제공부(230)는 검출된 좌표를 참조하여 태양전지모듈을 상하 방향으로 이동시키는 이동수단에 동작 신호를 송출하게 된다.At this time, the driving
상기 태양전지모듈을 상하 방향으로 이동시켜 태양 위치를 추적하는 이동수단의 구성 및 동작 원리는 이미 널리 알려진 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.The construction and operation principle of the moving means for moving the solar cell module in the up and down direction to track the sun position are well known technologies and will not be described in detail.
본 발명을 통해 구현된 광학렌즈수단을 이용하여 태양위치 추적시스템을 구현할 수 있게 된다.It is possible to implement a solar position tracking system using the optical lens means implemented by the present invention.
도 12 내지 도 14에 도시한 바와 같이, 기존의 센서방식은 센서 감응동작을 위한 기구적인 장치를 이용하므로 센서 방식임에도 불구하고 겨울철의 고도각과 여름철의 고도각의 차이가 발생하며, 그로 인해 태양위치 추적의 정밀도가 크게는 5도 각도 이상의 차이가 발생하는 경우를 볼 수 있다.As shown in FIGS. 12 to 14, since the conventional sensor system uses a mechanical device for the sensor response operation, the altitude angle of the winter season and the altitude of the summer season are different in spite of the sensor system, It can be seen that the accuracy of the tracing largely varies by more than 5 degrees.
그러나, 본 발명에서는 광학렌즈를 기반으로 하였기 때문에 별도의 외부적인 기구가 없으므로 태양위치의 판별에 높은 정확성을 갖는다. However, since the present invention is based on an optical lens, there is no separate external mechanism, so that it has high accuracy in discrimination of the sun position.
종래의 광센서나 광감응소자를 이용하는 태양위치 추적기 방식은 도 12 내지 도 14와 같은 형태의 태양위치 판별을 위한 기구에 의한 감응면의 차이가 발생한다.In the conventional solar locator system using an optical sensor or a photo-sensitive device, there is a difference in the response surface due to the apparatus for discriminating sun position as shown in Figs. 12 to 14. Fig.
도 12는 S1 센서가 직사광을 받고 S2 센서가 직사광을 받지 않을 경우 센서의 각도를 나타낸 것이며, 도 13은 S1 과 S2 센서가 직사광을 받을 경우 센서의 각도를 나타낸 것이며, 도 14는 S1 센서가 직사광을 받지 않고 S2 센서가 직사광을 받을 경우 센서의 각도를 나타낸 것이다.Fig. 12 shows the angle of the sensor when the S1 sensor receives the direct light and the S2 sensor does not receive the direct light. Fig. 13 shows the angle of the sensor when the S1 and S2 sensors receive the direct light, And the angle of the sensor when the S2 sensor receives direct light.
상기한 센서기구는 종류와 형태가 다를 뿐 원리는 동일하며, 이와 관련된 기술들은 널리 알려진 기술들이다.The above-described sensor mechanisms are different from each other in kind and form, but the principle is the same, and related technologies are well-known technologies.
상기 방식은 여름철에는 태양의 고도각이 높아 높은 추적 정확도를 가질 수 있으나, 겨울철에는 태양의 고도각이 낮은 상태에서는 태양광선의 길이가 길어지므로 인해 오차각이 매우 커지는 현상이 발생한다.In this method, high altitude of the sun is high in summer, and high tracking accuracy can be obtained. However, in the winter, when the altitude of the sun is low, the length of the sun ray becomes long.
그러나, 본 발명의 경우에는 광학렌즈를 기반으로 하기 때문에 계절에 상관없이 매우 높고 정밀한 정확도를 가질 수 있으며 그로 인한 고성능 태양위치 추적장치 성능을 구현할 수 있게 된다.However, in the case of the present invention, since it is based on an optical lens, it can have a very high and precise accuracy irrespective of the season, thereby realizing the performance of a high-performance solar locator.
특히, 센서의 크기와 배열을 고려할 때, 최대 0.5°의 오차각도를 가질 정도의 고정밀 태양위치 추적시스템을 제공할 수 있게 된다.In particular, when considering the size and arrangement of the sensors, it is possible to provide a high-precision solar locating system that has an error angle of up to 0.5 degrees.
이상에서와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. It will be appreciated by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is to be understood, therefore, that the embodiments described above are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
100 : 광학렌즈수단
110 : 접안렌즈
120 : 제1볼록렌즈
130 : 제2볼록렌즈
140 : 제3렌즈
150 : 제4볼록렌즈
200 : 태양위치추적수단100: Optical lens means
110: eyepiece
120: first convex lens
130: second convex lens
140: Third lens
150: fourth convex lens
200: Solar locating means
Claims (4)
입사되는 태양빛을 굴절시키는 볼록렌즈로 형성되는 접안렌즈(110)와,
상기 접안렌즈의 후측에 형성되는 제1볼록렌즈(120)와,
제1볼록렌즈의 후측에 형성되는 제2볼록렌즈(130)와,
상기 제2볼록렌즈의 후측에 형성되는 볼록렌즈로 형성되는 제3렌즈(140)와,
상기 제3렌즈의 후측에 형성되는 제4볼록렌즈(150)를 포함하여 구성되는 광학렌즈수단(100)과;
광감응소자를 이용하여 메트릭스 구조의 타켓면을 형성하고 있는 센싱부(210)와,
임의의 포인트에 포컬에어리어가 형성되면 전기적인 신호가 변화되는 셀의 좌표를 검출하기 위한 좌표정보검출부(220)와,
상기 검출된 좌표를 참조하여 태양전지모듈을 상하 방향으로 이동시키는 이동수단에 동작 신호를 송출하기 위한 구동신호제공부(230)를 포함하여 구성되는 태양위치추적수단(200);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템.
In a solar location tracking system,
An eyepiece 110 formed of a convex lens that refracts incident sunlight,
A first convex lens 120 formed on the rear side of the eyepiece lens,
A second convex lens 130 formed on the rear side of the first convex lens,
A third lens 140 formed of a convex lens formed on the rear side of the second convex lens,
An optical lens unit 100 including a fourth convex lens 150 formed on the rear side of the third lens;
A sensing unit 210 forming a target surface of a matrix structure using an optical sensing element,
A coordinate information detecting unit 220 for detecting coordinates of a cell in which an electrical signal changes when a focal area is formed at an arbitrary point,
And a driving signal providing unit (230) for sending an operation signal to a moving unit for moving the solar cell module in the vertical direction with reference to the detected coordinates Wherein the optical lens-based sun tracking system comprises:
상기 광학렌즈수단(100)을,
통해 입사각보다 출사각이 크게 나타나는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템.
The method according to claim 1,
The optical lens means (100)
And the outgoing angle is larger than the incident angle.
상기 광감응소자는,
실리콘, 화합물반도체, CIGS와 같은 태양전지 셀, CdS, 포토다이오드, 포토트랜지스터와 같은 포토센서 중 어느 하나로 적용되는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템.
The method according to claim 1,
The photo-
A solar cell such as silicon, a compound semiconductor, CIGS, a photosensor such as a CdS, a photodiode, and a phototransistor.
제1볼록렌즈(120)와, 제2볼록렌즈(130) 및 제4볼록렌즈(150)는,
수차를 줄이기 위하여 초저분산유리(apochromatic lens)를 사용하는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 기반 태양위치 추적시스템.
The method according to claim 1,
The first convex lens 120, the second convex lens 130, and the fourth convex lens 150,
And an ultra low dispersion glass (apochromatic lens) is used to reduce the aberration.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR20070108666A (en) * | 2006-05-08 | 2007-11-13 | 엘에스전선 주식회사 | System for tracking the sun |
| KR100913074B1 (en) | 2008-09-10 | 2009-08-21 | (주) 파루 | Solar tracking device and method for high-effective concentration photovoltaic |
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2013
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|---|---|---|---|---|
| JP2000196125A (en) | 1998-12-25 | 2000-07-14 | Honda Motor Co Ltd | Sun position sensor |
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