KR102613156B1 - 실시간 광원 입사각 추적 방법 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따른 로봇매니퓰레이터를 구비하는 집광 장치의 실시간 광원 입사각 추적 방법은, 상기 집광 장치의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 사용하여 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계; 상기 로봇매니퓰레이터의 단부에 배치된 집열부의 평면이 상기 광원의 이론적 각도에 직각이 되도록 상기 로봇매니퓰레이터를 작동시키는 단계; 상기 로봇매니퓰레이터의 일측에 장착되고 상기 광원의 실제 입사각을 측정 가능한 측정부에서 측정된 값을 읽어 상기 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계; 및 상기 오프셋 각도에 따라 상기 집열부의 지향 방향을 변경하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

실시간 광원 입사각 추적 방법{Real-time light source incident angle tracking method}

실시간 광원 입사각 추적 방법이 개시된다.

연중 특정 장소 및 시간에 태양의 위치는 기존에 알려진 공식을 사용하여 연산할 수 있다. 해당 장소 및 시간 값이 달라지면 이 값들을 다시 제공하여 공식을 재연산해야 한다. 또한, 공식을 사용하여 반환된 이론적인 태양의 위치는 실제 광원의 입사 위치와 다를 수 있다. 이러한 편차는 태양광을 산란시키는 여러 원인들(예, 구름, 안개, 황사 등)에 의해 기여된다. 따라서 태양광 및 인공광의 입사각은 시시각각 변할 수 있어 실제 광원의 위치를 실시간으로 규명 및 추적하는 방법이 필요하다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지 기술이라고 할 수는 없다.

일본 공개특허공보 특개평7-260261

일 실시예에 따른 목적은 이론식을 활용하여 연산한 로컬 태양위치, GPS로 획득한 로봇매니퓰레이터 설치위치, Compass로 획득한 로봇매니퓰레이터 설치방향 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간 값을 사용하여 태양광 입사각을 이론치로 자동화된 6자유도 로봇매니퓰레이터를 초기화하여 집광렌즈(프레넬렌즈)가 해당 입사각을 갖도록 조절하고, 빛의 산란 및 반사에 기인하는 실제 입사각 변화를 실시간 추적하는 입사각 측정기에서 측정된 측정값으로 로봇매니퓰레이터를 미세 조정하여 보정함으로써 집광효율을 최대화하는 실시간 광원 입사각 추적 방법을 제공하는 것이다.

실시 예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 로봇매니퓰레이터를 구비하는 집광 장치의 실시간 광원 입사각 추적 방법은, 상기 집광 장치의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 사용하여 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계; 상기 로봇매니퓰레이터의 단부에 배치된 집열부의 평면이 상기 광원의 이론적 각도에 직각이 되도록 상기 로봇매니퓰레이터를 작동시키는 단계; 상기 로봇매니퓰레이터의 일측에 장착되고 상기 광원의 실제 입사각을 측정 가능한 측정부에서 측정된 값을 읽어 상기 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계; 및 상기 오프셋 각도에 따라 상기 집열부의 지향 방향을 변경하는 단계;를 포함할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 측정부는, 각각 일면이 개방된 육면체로 이루어지고 정각행렬로 배열된 복수의 격실을 포함하는 격실부재; 및 각각의 상기 격실의 일면에 대향하는 면에 설치되는 광 의존 저항기;를 포함하고, 상기 격실부재는 중심에 배치된 격실들로 구성된 중앙격실세트; 상기 중앙격실세트를 중심으로 좌측에 배치된 좌측격실세트; 상기 중앙격실세트를 중심으로 우측에 배치된 우측격실세트; 상기 중앙격실세트를 중심으로 상측에 배치된 상측격실세트; 상기 중앙격실세트를 중심으로 하측에 배치된 하측격실세트;를 포함하고, 상기 중앙격실세트의 높이는 다른 격실들의 높이보다 더 높고, 상기 광 의존 저항기는 상기 격실에 도달하는 광 입자량으로부터 전압값을 획득할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 오프셋 각도를 계산하는 단계는, 상기 광 의존 저항기에 도달하는 광 입자량에 따라 획득되는 전압값이 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 오프셋 각도를 계산하는 단계는, 상기 광 의존 저항기에 도달하는 광 입자량에 따라 획득되는 전압값이 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계 전에, 상기 광 의존 저항기를 칼리브레이션하는 단계를 더 포함하고, 상기 광 의존 저항기를 칼리브레이션하는 단계는 최소값 및 최대값의 두 단계로 보정되며 상기 오프셋 각도를 계산하는 단계 중 최초 1회만 수행될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 오프셋 각도를 계산하는 단계는, 상기 광 의존 저항기를 칼리브레이션하는 단계 및 상기 광 의존 저항기에 도달하는 광 입자량에 따라 획득되는 전압값이 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계 사이에, 상기 광 의존 저항기(520)의 임계값을 설정하는 단계를 더 포함하고, 상기 광 의존 저항기(520)의 임계값을 설정하는 단계는 최대 임계값을 설정할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계에서, 상기 광 의존 저항기에서 획득된 전압값이 모두 임계값을 초과하는 경우, 상기 집열부의 지향 방향을 변경하지 않을 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계는, 상기 중앙격실세트에서 획득된 전압값이 임계값의 미만인 경우, 상기 좌측격실세트, 우측격실세트, 상측격실세트 및 하측격실세트 중 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실세트를 판별하는 단계를 포함할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 중앙격실세트에서 획득된 전압값이 임계값의 미만이 아니거나, 상기 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실세트를 판별하는 단계에서 상기 좌측, 우측, 상측 및 하측격실세트 중 어느 것도 전압값이 임계값의 미만이 아닌 경우, 상기 광 의존 저항기의 임계값을 설정하는 단계를 수행하여 임계값을 다시 설정할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실세트를 판별하는 단계에서, 판별된 격실세트의 인접하는 외곽측 격실 중 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실을 판별하여, 상기 집열부의 지향 방향을 판별된 방향으로 설정치만큼 이동하도록 신호를 전달할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 인접하는 외곽측 격실 중 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실이 없는 경우, 상기 외곽측 격실과 인접한 다음 열 또는 행에 위치하는 다른 외곽측 격실의 전압값을 확인할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 설정치만큼 이동 후, 상기 측정부에 대한 상기 광원의 실제 입사각이 상기 집열부의 평면에 직각이 될 때까지, 상기 로봇매니퓰레이터를 작동시키는 단계; 상기 로봇매니퓰레이터의 일측에 장착되고 상기 광원의 실제 입사각을 측정 가능한 측정부에서 측정된 값을 읽어 상기 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계; 및 상기 오프셋 각도에 따라 상기 로봇매니퓰레이터의 단부에 배치된 집열부의 지향 방향을 변경하는 단계;를 반복 수행하고, 반복 수행한 결과로 이전에 선별된 격실세트의 반대측 격실세트의 전압값이 임계값 미만으로 측정되는 경우, 상기 반대측 격실세트의 방향으로 이전 설정치보다 더 작은 값으로 상기 집열부의 지향 방향을 변경하도록 신호하며, 반복 수행한 결과로 이전에 선별된 격실세트와 동일측 격실세트의 전압값이 임계값 미만으로 측정되는 경우, 상기 동일측 격실세트의 방향으로 상기 집열부의 지향 방향을 판별된 방향으로 설정치만큼 이동하도록 신호를 전달할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 오프셋 각도에 따라 상기 집열부의 지향 방향을 변경하는 단계가 완료되면, 설정 대기시간이 지난 후 상기 집광 장치의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 사용하여 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계부터 다시 수행할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 집광 장치의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 사용하여 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계 및 상기 로봇매니퓰레이터를 작동시키는 단계 사이에 설정 온도에 도달했는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 실시간 광원 입사각 추적 시스템은, 로봇매니퓰레이터를 구비하는 집광 장치; 상기 집광 장치의 위치와 방향 정보를 획득하는 감지부; 상기 집광 장치에 대한 광원의 실제 입사각을 측정하는 측정부; 상기 감지부의 정보를 이용하여 상기 광원의 이론적 위치값을 규명하는 연산부; 상기 연산부 및 상기 측정부의 정보를 이용하여 상기 로봇매니퓰레이터를 제어하는 제어부; 및 상기 로봇매니퓰레이터의 단부에 배치되고, 태양광을 집광하여 초점을 가열하는 집열부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 집열부의 평면이 태양의 입사각과 직각을 이루도록 상기 로봇매니퓰레이터를 정밀 보정할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 연산부는 상기 집열부가 상기 광원을 향하도록 역기구학을 풀어 상기 로봇매니퓰레이터의 위치 및 자세를 계산하고, 상기 연산부는 상기 측정부에서 측정된 센서값을 읽어 상기 광원의 실제 위치 및 방향과의 오프셋값을 계산할 수 있다.

일 실시예에 따른 실시간 광원 입사각 추적 방법에 의하면, 이론식을 활용하여 연산한 로컬 태양위치, GPS로 획득한 로봇매니퓰레이터 설치위치, Compass로 획득한 로봇매니퓰레이터 설치방향 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간 값을 사용하여 태양광 입사각을 이론치로 자동화된 6자유도 로봇매니퓰레이터를 초기화하여 집광렌즈(프레넬렌즈)가 해당 입사각을 갖도록 조절하고, 빛의 산란 및 반사에 기인하는 실제 입사각 변화를 실시간 추적하는 입사각 측정기에서 측정된 측정값으로 로봇매니퓰레이터를 미세 조정하여 보정함으로써 집광효율을 최대화할 수 있는 효과가 있다.

일 실시예에 따른 실시간 광원 입사각 추적 방법의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 집광 장치를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 집광 장치를 이용한 집광 시스템을 도시한다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 집광 장치의 연산부에서 태양 고도각 및 방위각을 연산하는 방법을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 집광 장치의 측정부의 광 의존 저항기 규격, 치수 및 시방과의 관계를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 집광 장치의 측정부의 사시도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 집광 장치의 측정부의 평면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 집광 장치의 측정부의 정면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 집광 장치의 측정부의 측면도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 집광 장치의 실시간 광원 입사각 추적 방법을 도시하는 순서도이다.
도 11 내지 도 14는 측정된 값을 읽어 상기 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계를 도시하는 순서도이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 집광 장치(10)를 도시한다.

도 2는 일 실시예에 따른 집광 장치(10)를 이용한 집광 시스템을 도시한다.

도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 집광 장치(10)의 연산부에서 태양 고도각 및 방위각을 연산하는 방법을 도시한다.

도 5는 일 실시예에 따른 집광 장치(10)의 측정부(500)의 LDR(520) 규격, 치수 및 시방과의 관계를 도시한다.

도 6은 일 실시예에 따른 집광 장치(10)의 측정부(500)의 사시도이다.

도 7은 일 실시예에 따른 집광 장치(10)의 측정부(500)의 평면도이다.

도 8은 일 실시예에 따른 집광 장치(10)의 측정부(500)의 정면도이다.

도 9는 일 실시예에 따른 집광 장치(10)의 측정부(500)의 측면도이다.

도 10은 일 실시예에 따른 집광 장치(10)를 이용하여 실시간 광원 입사각 추적하는 방법을 도시하는 순서도이다.

도 11 내지 도 14는 측정된 값을 읽어 상기 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계(S3)를 상세하게 도시하는 순서도이다.

일 실시예에 따른 집광 장치(10)는, 감지부(100), 집열부(200), 로봇매니퓰레이터(300), 연산부(미도시), 측정부(500), 제어부(600) 및 배터리(700)를 포함할 수 있다.

감지부(100)는 집광 장치(10)의 위치와 방향 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 감지부(100)는 GPS 센서, IMU 센서 등을 포함할 수 있다. IMU 센서는 예를 들어 Compass 센서로 마련될 수 있다. GPU 센서는 위치 정보를 제공하고, Compass 센서는 자세정보를 제공할 수 있다.

집열부(200)는 태양광을 집광하여 초점을 가열할 수 있다. 예를 들어, 집열부(200)는 프레넬렌즈와 같은 집광렌즈로 마련될 수 있다.

로봇매니퓰레이터(300)는 단부에 집열부(200)가 배치될 수 있다. 로봇매니퓰레이터(300)는 태양을 추적하도록 조작될 수 있다. 로봇매니퓰레이터(300)는 6자유도를 가질 수 있다.

연산부는 감지부(100)에서 획득된 정보를 이용하여 태양의 이론적 위치값을 규명할 수 있다. 연산부에는 태양 추적 알고리즘이 설정되어 있을 수 있다. 이러한 알고리즘에 의해 장치(10)가 설치된 위치에서 태양의 이론적 위치를 규명할 수 있다.

측정부(500)는 집열부(200)에 대한 태양의 실제 입사각을 측정할 수 있다. 측정부(500)는 빛의 산란 및 반사에 기인하는 실제 입사각 변화를 실시간으로 추적할 수 있다. 이러한 측정부(500)는 도 1에 도시된 바와 같이 로봇매니퓰레이터(300)의 일측에 장착될 수 있다. 이때, 측정부(500)는 집열부(200)에 인접하도록 로봇매니퓰레이터(300) 상에 배치될 수 있다.

제어부(600)는 연산부 및 측정부(500)에서 획득된 정보를 이용하여 로봇매니퓰레이터(300)를 제어할 수 있다. 이러한 제어부(600)는 집열부(200)의 평면이 태양의 입사각과 직각을 이루도록 로봇매니퓰레이터(300)를 정밀 보정할 수 있다.

배터리(700)는 태양 전지 어레이와 함께 장치(10) 내부에 장착되어 전술한 구성 요소들을 구동할 수 있도록 전력을 저장 및 공급할 수 있다.

전술한 바와 같이, 일 실시예에 따른 집광 장치(10)는 이론식을 활용하여 연산한 로컬 태양위치, GPS로 획득한 장치(10) 및 로봇매니퓰레이터(300)의 설치 위치 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간 값을 사용하여 태양광 입사각을 이론치로 집열부(200)를 초기화하고, 빛의 산란 및 반사에 기인하는 실제 입사각 변화를 실시간 추적하는 측정부(500)를 사용하여 보정하고, 자동화된 6자유도 로봇매니퓰레이터(300)로 집열부(200)를 해당 입사각을 갖도록 조절하여 집광 효율을 최대화할 수 있다.

이를 위해, 제어부(600)는 태양의 이론적 위치값을 사용하여 집열부(200)의 평면이 이론적 입사각에 직각이 되도록 로봇매니퓰레이터(300)를 초기화시킬 수 있다.

측정부(500)가 구동되어 초기값(이론적 입사각)에서 탐색을 시작하여 최적해(빛의 산란에 의해 발생한 실제 입사각)를 규명함으로써, 제어부(600)는 집열부(200)의 평면이 실제 입사각에 직각이 되도록 정밀 보정할 수 있다. 즉, 실제 입사각은 집광 양이 최대가 되도록 조절될 수 있다.

측정부(500)는 격실부재(510) 및 광 의존 저항기(520)를 포함할 수 있다.

격실부재(510)는 각각 일면이 개방된 육면체로 이루어지고 정각행렬로 배열된 복수의 격실로 구성될 수 있다.

광 의존 저항기(LDR)(520)는 각각의 격실의 일면에 대향하는 면에 설치될 수 있다. 이러한 광 의존 저항기(520)는 격실에 도달하는 광 입자량으로부터 전압값을 획득할 수 있다.

격실부재(510)는 제1격실세트(511) 및 제2격실세트(512)를 포함할 수 있다.

제1격실세트(511)는 제1높이의 격벽을 가지는 적어도 하나의 격실을 포함할 수 있다.

제2격실세트(512)는 제1격실세트(511)의 둘레에 배치된 복수의 격실들을 포함할 수 있다. 이러한 제2격실세트(512)의 격실들은 제2높이의 격벽을 가질 수 있다. 이때, 제1높이가 제2높이보다 더 높을 수 있다.

구체적으로, 격실부재(510)는 16개의 격실로 구성될 수 있다.

이때, 제1격실세트(511)는 4개의 격실로 구성되고, 제2격실세트(512) 12개의 격실로 구성될 수 있다. 제1격실세트(511)는 중앙에 배치될 수 있고, 제2격실세트(512)는 제1격실세트(511)를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이때, 제1격실세트(511)의 높이는 제2격실세트(512)의 높이보다 높을 수 있다.

제어부(600)는 연산부로부터 연산된 태양의 이론적 입사각과 측정부(500)의 법선이 일치되도록 로봇매니퓰레이터(300)를 회전시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 집광 시스템은 회전열교환기, 감지부(100), 로봇매니퓰레이터(300), 집열부(200) 및 모터를 포함할 수 있다.

회전열교환기는 원형실린더로 형성될 수 있다. 회전열교환기에는 집광 장치(10)가 구비될 수 있다.

감지부(100)는 집광 장치(10)의 위치와 방향 정보를 획득할 수 있다.

로봇매니퓰레이터(300)는 감지부(100)에서 측정된 값에 따라 작동하며 6자유도를 가질 수 있다. 로봇매니퓰레이터(300)는 집열부(200)에 의한 집광 포커스가 회전열교환기의 표면에 분산 조사되도록 위치와 자세가 제어될 수 있다.

집열부(200)는 로봇매니퓰레이터(300)에 배치되어 회전열교환기로 태양광을 집광할 수 있다.

도 2를 참조하여, 집광 장치(10)는 아래와 같은 순서로 작동될 수 있다. 아래의 작동 순서는 이후 도 10 내지 도 14를 참조하여 설명될 일 실시예에 따른 실시간 광원 입사각 추적 방법의 순서에 대응될 수 있다.

1. 감지부(100)의 GPS 및 Compass 센서값을 바탕으로, 태양의 위치와 방향을 계산한다.

2. 로봇매니퓰레이터(300)의 end-effector(frenel lens가 장착될 수 있음)가 태양을 향하도록 연산부를 통해 역기구학을 풀어 로봇매니퓰레이터(300) 6자유도의 위치와 자세를 계산하고 제어한다.

3. 연산부가 측정부(500)의 LDR(520) 16 array의 센서값을 읽어 태양의 실제 위치와 방향과의 offset 계산한다.

4. 연산부가 offset값의 미세조정을 위해 역기구학을 다시 풀고 제어부(600)가 로봇매니퓰레이터(300)를 제어한다.

구체적으로, 연산부는 제1연산부재, 제2연산부재 및 제3연산부재를 포함하여 연산을 수행할 수 있다.

제1연산부재는 감지부의 GPS 및 Compass 센서값을 바탕으로, 태양의 위치와 방향을 계산할 수 있다.

제2연산부재는 측정부(500)의 LDR(520) 16 array의 센서값을 읽어 태양의 실제 위치와 방향과의 offset을 계산할 수 있다.

제3연산부는 end-effector(frenel lens가 장착될 수 있음)가 제1연산부재 또는 제2연산부재에서 계산한 태양의 위치와 방향을 향하도록 역기구학을 풀 수 있다.

모터는 회전열교환기를 회전시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 집광 시스템은 온도센서를 더 포함할 수 있다.

온도센서는 회전열교환기에 부착될 수 있다. 온도센서를 통해 측정된 온도값이 지정된 임계치에 도달하면 로봇매니퓰레이터(300)는 집열부(200)의 각도를 입사각에서 90도 회전시켜 집광 장치(10)가 대기모드로 전환될 수 있다. 또한, 입사광의 완전차단 명령이 주어지면 집열부(200)의 집광렌즈에 커버를 씌워 집광 장치(10)가 휴면모드로 전환될 수 있다.

전술한 바와 같이, 일 실시예에 따른 집광 장치(10) 및 집광 시스템은 전기 및 탄소 에너지원에 접근할 수 없는 경우에도 급탕을 위한 에너지를 태양으로부터 직접 수집할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 집광 장치(10) 및 집광 시스템은 최소한의 크기와 비용으로, 더 많은 사람들과 더 많은 지역에서 액세스할 수 있도록 휴대 가능하다. 또한, 일 실시예에 따른 집광 장치(10)를 사용하는 집광 시스템은 운전 중 탄소배출이 발생하지 않아 친환경적인 난방 방식이다. 또한, 일 실시예에 따른 집광 장치(10) 및 집광 시스템은 기존 보일러 시스템과의 연동 및 열전소자 시스템과 연동하는 것과 같은 추가 요구사항을 용이하게 수용하여 확장할 수 있다.

일 실시예에 따른 집광 장치(10)는 대기매질에서 집광렌즈(예, 프레넬렌즈)(200)매질로 입사하는 광선(태양광선 혹은 인공광선)의 입사각을 실시간 규명하고, 3가지 선(집광렌즈의 광축, 광원의 입사광축 및 집열판의 법선)을 일치시키며, 집광렌즈(200)의 초점거리(Focal length)를 집광렌즈(200)의 매질 중심에서 집열판 평면(coplanar)까지의 거리를 동일하게 조정하여 고밀도 집광초점(Focal point)이 집열판의 공평면(coplanar)에 투영되도록 집광렌즈(200)의 3축 공간위치 및 6축 각도를 조정한다.

이하에서는 (1) 집열부(200)의 집광렌즈 위치 초기화 방법, (2) 측정부(500)의 제조방법, (3) 연산부에서의 실시간 광원 입사각 규명 및 추적 연산 알고리즘 및 (4) 제어부(600)의 집광렌즈 자동보정 방법으로 구성된다.

집열부(200)의 집광렌즈 위치 초기화 방법

천구 상 태양의 위치는 4가지 속성 값(위도, 경도, 고도 및 시간)에 수반하여 달라진다. 도 3 및 도 4를 참조하여, 이들 속성 값을 태양경로를 계산하는 연산부, 예를 들어, 천문공식(예, PV Lighthouse Solar Path Calculator)에 입력함으로써, 특정 관측위치에서 하루 중 시간변화에 수반한 태양의 위치를 정확히 연산할 수 있다. 또한, 이때 천문공식에 Module installation처럼 로봇매니퓰레이터(300)의 설치 방향도 고려할 수 있다. 같은 관측위치에서 로봇매니퓰레이터(300)의 초기 방향에 따라 로봇매니퓰레이터(300)를 기준으로 태양의 위치와 방향이 달라질 수 있기 때문이다. 즉, body-fixed 좌표값이 다를 수 있다. 이 값이 다르면 역기구학 결과도 달라질 수 있다. 따라서, GPS뿐만 아니라, compass 센서도 사용될 수 있다. 관측위치 속성 값(예, 위도, 경도 및 고도)은 감지부(100)의 GPS를 활용하여 직접 측정하며, 시간 속성 값(날짜 및 시간)은 관측위치, 즉 장치가 설치된 위치의 관할구역 기상대로부터 실시간으로 지역 날짜 및 시간 값을 획득한다. 시간 속성 값은 GPS로 측정한 경도, 위도 및 고도 (Longitude, Latitude and Altitude) 값을 활용하여 시간대(Time Zone : GMT) 값을 제공하는 앱(예, www.timeanddate.com)으로부터 실시간 획득한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 연산부에서 천문공식을 활용하여 연산한 태양의 이론적 위치 값(고도각 및 방위각), 즉 이론 입사각은 실제 측정한 입사각(이후 실제 입사각)과 다르다. 특정 지역이 낮의 길이가 길더라도 해당 지역의 지리 및 기상 특성(예, 구름, 비, 황사 및 미세먼지 등)에 수반하여 산란 및 반사등의 영향으로 실제 입사각이 달라지며, 일조량 측면에서 유불리가 달라질 수 있다. 분명, 이론 입사각과 실제 입사각은 편차가 발생한다. 일 실시예에 따른 집광 장치(10)는 다양한 산란 및 반사 원인들에 의해 시시각각 변하는 실제 입사각을 규명 및 추적하고, 이를 활용하여 광원(태양광원 혹은 인공광원)을 효율적으로 집광할 수 있으며, 이를 위한 제어알고리즘을 제공할 수 있다.

탐색된 이론 해(즉 이론 입사각)는 6 자유도 조작이 가능한 로봇매니퓰레이터(300)에 제공되며, 로봇매니퓰레이터(300)는 6번째 단말에 부착된 집광렌즈(200)가 이론 입사각 및 초점거리를 갖도록 공간좌표위에 최단시간에 집광렌즈(200)를 초기화한다. 이처럼 이론 입사각 규명 및 초기화 장치는 이론 입사각에서부터 해 탐색을 시작하도록 기여하기 때문에 실제 광원 입사각을 규명하기 위한 해 탐색범위를 최소화고, 해 탐색 시간을 괄목할만하게 단축시킨다.

1. 감지부(100)의 GPS를 활용하여 관측위치(로봇매니퓰레이터(300)의 회전축 중심)의 속성 값(예, 위도, 경도 및 고도)을 직접 측정하고, 이 값을 시간대(Time Zone : GMT) 값을 제공하는 앱(예, www.timeanddate.com)에 입력하여 장치가 설치된 위치의 실시간 속성 값(일자 및 시간)을 획득한다. 또한, 감지부(100)의 Compass 센서도 사용하여 지자계값을 읽어 방향값도 속성 값으로 사용할 수 있다.

2. 상기 4가지 관측위치 속성 값들(예, 위도, 경도, 고도, 일자 및 시간)을 연산부를 통해 천문공식에 입력하여 하루 중 특정 시간에 관측위치에서의 태양의 이론 입사각(예, 고도각(α) 및 방위각(β))을 연산하고, 시간변화에 수반하여 이 값들을 갱신할 수 있다.

3. 전술한 단계 1 및 2를 실행하여 획득한 이론 입사각이 지시하는 구형좌표 상의 점을 사각좌표 상의 점으로 획득한다. 그리고 이 사각좌표 상의 점에 의해 지시되는 end-effector의 방향을 로봇매니퓰레이터(300)에 제공하여 집광렌즈가 해당 이론 입사각과 일치하도록 각도 및 위치(집광렌즈의 초점거리)를 초기화시킬 수 있다.

4. 측정부(500)는 연산부에서 천문공식을 활용하여 연산한 이론 입사각 및 집광렌즈가 가지고 있는 고유의 초점거리를 활용하여 측정부(500)의 법선을 초기화하고, 초기화한 위치 및 각도에서부터 해 탐색을 시작하여 대기매질로부터 집광렌즈(예, 프레넬렌즈) 매질로 입사하는 광선(태양광선 혹은 인공광선)의 실제 광원 입사각을 규명 및 추적할 수 있다. 이는 해 탐색 시간을 대폭 줄이는데 기여한다.

측정부(500) 제조방법

측정부(500)는 광 의존 저항기(520)(LDR)를 정각행렬로 배치한 장치이며, 광원(즉, 태양 또는 인공광)의 입사각을 추적하는 HW 및 SW로 구성된 시스템이다. 격실부재(510)의 각 격실의 중앙 하부에 LDR(520)을 설치하고, 이 격실들을 정각행렬로 배열하는 전기기계 부품이다. 측정부(500)의 공평면 법선을 입사광선의 실제 입사각과 정확히 일치시켜 시시각각 변하는 빛의 입사각을 정확하게 추적한다. 이는 각 격실에 도달하는 광 입자량으로부터 전압값을 획득하여 전압 테이블을 생성 및 갱신하며, 이 데이터를 활용하여 시시각각 변하는 최적 입사각을 규명하고, 집광렌즈(200)가 이 입사각 및 초점거리를 확보하도록 집광렌즈(200)의 위치 및 6축 각도를 조작하여 집광효율을 최대화한다.

측정부(500) HW 제작방법

1. 측정부(500)는 LDR(520)이 매립된 정각행렬(즉, 4x4)로 구성되며, 16개의 격실을 지닌다. 도 5에 도시된 바와 같이 각 격실의 치수는 특정 LDR(520)이 주어지면, LDR(520)의 사양 및 치수 속성 값 (개구각(a), 허용반경(D) 및 초점거리(f)) 사이의 관계를 이용하여 결정된다. 예를 들어, LDR(520)은 개구각 60도 및 두께 2 mm를 반영하여 조립될 수 있다.

2. 도 6 내지 도 9를 참조하여, 측정부(500)의 16개 격실들 각각은 중앙 하단에 LDR(520)이 내장된다. 각 격실의 내부 1변 길이, 벽두께 및 모듈의 1변 길이는 도 6 내지 도 9에 도시된 치수로 마련될 수 있다. LDR(520)의 두께를 수용한 후, 제2격실세트(512)인 주변부에 위치하는 12개의 격실들과 제1격실세트(511)인 중심부에 위치하는 4개의 격실들의 높이는 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이 다를 수 있다. 도 6 내지 도 9에 제시된 것처럼 서로 인접한 16개 격실(chamber)들이 방사대칭으로 배열된다. 각 격실의 내부 바닥 중앙에 1개의 LDR(520)(동일 규격 및 표준을 지님)이 매립되어, 총 16개 LDR(520) 센서 행렬을 형성한다. 격실의 형태는 정사각형 혹은 원형, 개수는 16개, 격실 그룹 수는 2개 그리고 그룹별 격실 높이차는 각각 2배이나, 이들 특정 형태 및 수치로 제한되지 않으며, 정확도 향상을 위해 변화될 수 있다.

3. 측정부(500)는 서로 인접한 16개 격실(chamber)들이 방사대칭으로 배열되고, 각 격실의 중앙 하부에 1개의 LDR(520)(동일 규격 및 표준을 지님)이 매립되어, 총 16개 LDR(520) 센서 매트릭스를 형성한다. 격실의 형태는 정사각형(혹은 원형)으로 고정되는 반면, 격실의 개수, 격실그룹 수 및 그룹별 격실 높이는 특정되지 않으나, 예를 들어, 각각 16개, 2개로 구성할 수 있다.

4. 16개 격실들은 제1격실세트(511) 및 제2격실세트(512)로 구분되며, 제1격실세트(511)에 소속된 4개의 격실들의 높이는 제2격실세트(512)에 소속된 12개 격실들의 높이의 2배이다. 정각행렬을 구성하는 16개 격실들을 동등 4사분면으로 분할하는 X 및 Y축이 교차하는 원점을 중심으로 상호 방사대칭 위치에 있는 격실들은 높이가 동일하다. 즉, 제1격실세트(511)에 소속된 4개의 격실들의 높이는 서로 동일하며, 제2격실세트(512)에 소속된 12개 격실들은 높이가 서로 동일하다. 주목할 점은 제1격실세트(511)의 격실 높이가 제2격실세트(512)의 격실 높이의 2배이므로 제1격실세트(511)의 격실들은 제2격실세트(512)의 격실들보다 더 긴 그림자를 생성하여 차광효과를 발생시킨다. 따라서 광원이 3사분면에 격실(chamber)에 편중되어 위치하면 1사분면 제2격실세트(512)의 격실들은 제1격실세트(511)의 격실들이 생성하는 그림자에 가려지게 되고, 광입자가 제2격실세트(512)의 격실들 중 일부에 위치하는 LDR(520)들에 도달되지 않는다. 따라서, 입사광 광축과 장치의 법면을 일치시키기 위해 X축을 회전축으로 시계방향 및 Y축을 회전축으로 반시계방향으로 회전 탐사를 시작한다. 이처럼 일 실시예에 따른 집광 장치(10)의 측정부(500)는 제1격실세트(511)의 격실높이 및 제2격실세트(512)의 격실 높이를 다르게 하여 실제 광원의 입사각을 용이하게 추적하는데 기여할 수 있다.

측정부(500) SW 구현방법

16개의 LDR(520)은 멀티플렉서의 16개 채널에 연결될 수 있다. 내부적으로 16개 채널 핀 중 하나를 컨트롤러(Arduino)의 "아날로그" 입력 채널로 언제든지 라우팅할 수 있다. 멀티플렉서 스캔 속도(16개 채널 모두를 커버할 수 있는 속도)는 100Hz일 수 있다. 따라서 컨트롤러(Arduino)는 아날로그 값(전압)을 읽고 직렬 버스 통신을 통해 각 10밀리초마다 값의 4x4 매트릭스로 중앙 암 컨트롤러(Raspberry pi)로 보낼 수 있다.

제어부(600)의 실시간 집광렌즈 자동보정 방법

집광렌즈 자동 보정을 위해, 제어부(600)는 측정부(500)가 규명한 집광렌즈 위치 초기값을 로봇매니퓰레이터(300)에 전송하고, 이 매니퓰레이터(300)는 집광렌즈(200) 초점거리 및 해당 입사각 초기값을 사용하여 렌즈의 위치 및 6축 각도를 변화시켜 집광효율을 최대화한다.

측정부(500)가 측정한 실제 입사각 값이 로봇매니퓰레이터(300)로 전달되고, 이 로봇매니퓰레이터(300)는 3가지 선(집광렌즈의 광축, 입사광의 광축 및 측정부(500) 공평면의 법선) 모두를 일치시킨다. 그리고 집광렌즈의 광축에 직교하는 매질 중심선으로부터 집열판 평면(coplanar)까지의 거리가 집광렌즈의 초점거리(Focal length)와 동일하게 조정하여 고밀도로 집광된 초점(Focal point)을 집열판 공평면(coplanar)에 투사되도록 3축 공간좌표 상에 집광렌즈의 위치 및 6축 각도를 조정할 수 있다.

도 2를 다시 참조하여, 도 2는 제어부(600)를 사용한 태양광 입사각 규명 및 집광 장치(10)의 개념 및 구성을 제시한다. 측정부(500)를 설계 및 구현하여 최대로 입사광을 수신하는 각도를 현재 최적해가 실제 최적해 위치에 수렴할 때까지 최대전압이 발생하는 공간좌표 위치로 로봇매니퓰레이터(300)를 자동제어한다. 이 장치(10)는 측정부(500)의 공평면 법선이 광원의 실제 입사각과 일치하는 정도를 제시하며, 집광렌즈(200)가 광원으로부터 최대 조사량을 지속적으로 얻을 수 있도록 추적 시스템을 조정한다.

일 실시예에 따른 집광 장치(10)는 측정부(500)의 공평면 법선을 이론 입사각(예, 고도각과 방위각)으로 초기화하고, 본 장치의 공평면의 중심을 원점으로하는 좌표계를 구성하고, X축과 Y축을 회전축으로 사용하여 공평면을 각각 남북 및 동서 방향으로 특정 각도 증가만큼 회전하면서 각 격실에 도달하는 광입자양(즉, 전압 값)을 측정한다. X축과 Y축을 회전축으로 로봇매니퓰레이터(300)가 측정부(500)의 공평면의 법선 벡터를 회전시킴으로써 최적해를 탐색한다. 광원의 실제 고도각 및 방위각은 빛의 복사, 반사 및 분산에 영향을 미치는 요인들(예: 음영, 구름, 먼지, 안개, 황혼 등)에 의해 영향을 받을 수 있다. 이 각도들은 LDR(520)에 도달하는 태양 에너지를 감소 혹은 증가시키는 데 기여할 수 있다.

일 실시예에 따른 집광 장치(10)는 16개 방사대칭 격실들 중심에 센서를 고정하고 도달하는 광 입자량(전압값으로 획득됨)을 측정하는 방식에 국한되지 않는다. 이는 1개의 센서가 매립된 1개의 격실을 매 회전마다 회전반경을 격실 1변 길이만큼 증가시키면서 원뿔 회전시키며 실제 광원의 위치를 규명하는 방식으로 대체될 수도 있다.

도 10을 참조하여, 일 실시예에 따른 실시간 광원 입사각 추적 방법은, 집광 장치(10)의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 사용하여 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계(S1), 역기구학을 풀어 로봇매니퓰레이터(300)의 조인트 각도를 계산하는 단계(S2-1), 로봇매니퓰레이터(300)를 작동시키는 단계(S2-2), 측정부(500)에서 측정된 값을 읽어 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계(S3), 및 오프셋 각도에 따라 집열부(200)의 지향 방향을 변경하는 단계(S4)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 실시간 광원 입사각 추적 방법에서, 측정부(500)는 전술한 바와 같이 격실부재(510) 및 광 의존 저항기(520)를 포함할 수 있다.

이때, 격실부재(510)는 중앙격실세트, 좌측격실세트, 우측격실세트, 상측격실세트 및 하측격실세트를 포함할 수 있다.

중앙격실세트는 중심에 배치된 격실들로 구성될 수 있다.

좌측격실세트는 중앙격실세트를 중심으로 좌측에 배치될 수 있다.

우측격실세트는 중앙격실세트를 중심으로 우측에 배치될 수 있다.

상측격실세트는 중앙격실세트를 중심으로 상측에 배치될 수 있다.

하측격실세트는 중앙격실세트를 중심으로 하측에 배치될 수 있다.

중앙격실세트의 높이는 다른 격실들의 높이보다 더 높을 수 있다.

즉, 일 실시예에 따른 실시간 광원 입사각 추적 방법에서는, 격실부재(510)가 16개 미만 또는 이상의 격실로 구성된 경우를 포괄하기 위하여, 전술한 바와 같이 격실부재(510)를 중앙격실세트, 좌측격실세트, 우측격실세트, 상측격실세트 및 하측격실세트로 구분하였다. 따라서, 전술한 집광 장치(10)의 경우에는, 예를 들어 제1격실세트(511)가 중앙격실세트에 대응될 수 있고, 제2격실세트(512)는 좌측격실세트, 우측격실세트, 상측격실세트 및 하측격실세트에 대응될 수 있다.

다시 도 10을 참조하여, 오프셋 각도를 계산하는 단계(S3)는, 광 의존 저항기(520)를 칼리브레이션하는 단계, 광 의존 저항기(520)의 임계값을 설정하는 단계, 및 광 의존 저항기(520)에 도달하는 광 입자량에 따라 획득되는 전압값이 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

오프셋 각도를 계산하는 단계(S3)에서, 광 의존 저항기(520)를 칼리브레이션하는 단계 및 광 의존 저항기(520)의 임계값을 설정하는 단계가 사전에 수행된 후에 광 의존 저항기(520)에 도달하는 광 입자량에 따라 획득되는 전압값이 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계가 수행될 수 있다.

광 의존 저항기(520)를 칼리브레이션하는 단계는 광 의존 저항기(520)들 간의 내부 차이로 인해 필요한 과정이며, 최소값 및 최대값의 두 단계로 보정될 수 있다. 광 의존 저항기(520)를 칼리브레이션하는 단계는 초기화 과정에 해당되며, 오프셋 각도를 계산하는 단계(S3)에서 최초 1회만 수행될 수 있다.

광 의존 저항기(520)의 임계값을 설정하는 단계에서는, 최대 임계값을 설정할 수 있다. 광 의존 저항기(520)의 임계값을 설정하는 단계는 측정부(500)의 thread에서 100Hz 주기로 항상 수행될 수 있다.

도 11 내지 도 14를 참조하여, 광 의존 저항기(520)에 도달하는 광 입자량에 따라 획득되는 전압값이 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계는 각각의 광 의존 저항기(520)에서 획득된 전압값에 따라 단부에 집열부(200)가 배치되어 있는 로봇매니퓰레이터(300)의 지향 방향 변경 여부 또는 변경 방향을 결정할 수 있다.

여기서, 가장 진하게 칠해진 부분은 임계값을 초과한 부분으로, 광 의존 저항기(520)의 법선과 광원의 입사각이 일치하였음을 의미하므로, 집광 장치(10)의 위치 및 방향을 조정할 필요가 없음을 의미한다. 회색 부분은 각각의 판별 단계에서 고려하지 않는 부분이다.

도 11 내지 도 14를 참조하여, 광 의존 저항기(520)들에서 획득된 전압값이 모두 임계값을 초과하는 경우, 로봇매니퓰레이터(300)의 회전 거리가 X=0, Y=0 이므로, 제어부(600)는 집열부(200)의 지향 방향을 변경하지 않는다. (X, Y는 단계 출력값을 의미하는 스케일이며, X 및 Y는 예를 들어 각각 X={-1, 0, +1} 및 Y={-1, 0, +1}의 값을 가질 수 있다. 또한, 스케일은 각도 또는 거리 등일 수 있다.)

그러나, 광 의존 저항기(520)들 중 중앙격실세트에 위치한 광 의존 저항기(520)들에서 획득된 전압값이 임계값의 미만인 경우에는 중앙격실세트를 제외한 나머지 격실세트 중 임계값 미만의 전압값이 획득되는 격실세트를 판별하는 단계를 수행할 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이 좌측격실세트, 우측격실세트, 상측격실세트 및 하측격실세트 중 어느 방향의 광 의존 저항기(520)들에서 임계값 미만의 전압값이 획득되는지를 판별하는 단계를 수행할 수 있다. 이를 통해, 측정부(500)에 대해 광원이 어느 방향으로 치우쳐졌는지를 대략적으로 파악할 수 있다. 예를 들어, 좌측격실세트 또는 우측격실세트에서 임계값 미만의 전압값이 획득된 경우, 광원은 X축 방향 또는 반대방향을 중심으로 회전된 상태이므로, 집광장치(10)를 X축을 중심으로 회전시켜 조정할 수 있다.

한편, 도 11에 도시된 바와 같이, 첫 번째 판별 단계에서는 광 의존 저항기(520)들에서 획득된 전압값이 모두 임계값을 초과하지 않았으나, 두 번째 판별 단계에서는 중앙격실세트에 위치한 광 의존 저항기(520)들에서 획득된 전압값이 임계값의 미만이 아닌 것으로 판별되는 경우에는, 측정이 잘못된 것으로 간주하여 제어부(600)가 임계값을 재보정하도록 명령할 수 있다.

마찬가지로, 세 번째 판별 단계, 즉 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실세트를 판별하는 단계에서, 좌측격실세트, 우측격실세트, 상측격실세트 및 하측격실세트 중 어느 것도 전압값이 임계값의 미만이 아닌 경우에도 제어부(600)는 임계값을 다시 칼리브레이션하도록 명령할 수 있다. 즉, 광 의존 저항기(520)의 임계값을 설정하는 단계를 수행하여 임계값을 다시 설정할 수 있다.

도 11 내지 도 13을 참조하여, 중앙격실세트의 전압값이 임계값의 미만이면서, 좌측격실세트, 우측격실세트, 상측격실세트 및 하측격실세트 중 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실세트가 판별되면, 네번째 판별 단계를 진행할 수 있다.

네 번째 판별 단계에서는, 판별된 격실세트의 인접하는 외곽측 격실 중 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실을 판별할 수 있다. 즉, 도 11을 참조하여, 우측격실세트에서 임계값 미만의 전압값이 획득된 경우, 우측격실세트에서 가장 인접한 주변부의 격실들인 우측격실세트 상하에 위치한 격실의 전압값을 측정할 수 있다. 이때도 마찬가지로, 연산부가 상하 중 임계값 미만의 전압값이 측정되는 격실을 판별하며, 제어부(600)로 신호를 전달하여 제어부(600)는 해당 격실의 위치에 따라 로봇매니퓰레이터(300)의 지향 방향을 설정치만큼 이동시킬 수 있다. 이때, 로봇매니퓰레이터(300)는 X축 및 Y축의 두 방향으로 미세 조정될 수 있다.

도 14를 참조하여, 네 번째 판별 단계에서 인접한 외곽측 격실 중 임계값 미만의 전압값이 획득되는 격실이 없는 경우, 그 다음으로 인접한 열 또는 행의 격실들의 전압값을 측정하여 광원의 위치 및 방향을 추적해볼 수 있다. 이러한 과정은 인접한 외곽측 격실의 전압값만으로 판별하기에 충분하지 않은 경우가 발생했을 때를 고려한 것이다. 이러한 과정은 전술한 좌측, 우측, 상측 또는 하측격실세트에 인접한 외곽측 격실 중 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실을 판별하는 과정과 함께 반복 수행될 수 있다.

일 실시예에 따른 실시간 광원 입사각 추정 방법은, 처음 상기 단계들(S1-S4)을 수행하여 설정치만큼 이동 후, 측정부(500)에 대한 광원의 실제 입사각이 상기 집열부(200)의 평면에 직각이 될 때까지, 즉, 연산부로부터 연산된 태양의 이론적 입사각과 측정부(500)의 법선이 일치될 때까지, 역기구학을 풀어 로봇매니퓰레이터(300)의 조인트 각도를 계산하는 단계(S2-1), 로봇매니퓰레이터(300)를 작동시키는 단계(S2-2), 측정부(500)에서 측정된 값을 읽어 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계(S3), 및 오프셋 각도에 따라 집열부(200)의 지향 방향을 변경하는 단계(S4)를 반복 수행할 수 있다.

이에 따른 결과로, 이전에 임계값 미만으로 선별된 격실세트와 달리 반대측 격실세트의 전압값이 임계값 미만으로 측정되는 경우, 제어부(600)는 이전 설정치보다 더 작은 값으로 집열부(200)의 지향 방향을 변경하도록 신호할 수 있다.

예를 들어 5도씩 회전하도록 값이 설정된 경우, 최초에는 X=+1 로 이동하도록 판별되어 X축을 중심으로 로봇매니퓰레이터(300)를 5도씩 회전시킨 후, 반복 수행의 결과로 X=-1로 판별된 경우에는 로봇매니퓰레이터(300)를 절대값이 더 작은 각도로, 예를 들어 X축을 중심으로 하여 -방향으로 4도 회전시킬 수 있다.

한편, 반복 수행의 결과로, 이전에 선별된 격실세트와 동일측 격실세트의 전압값이 임계값 미만으로 측정되는 경우, 제어부(600)는 이전 설정치와 동일한 값으로 집열부(200)의 지향 방향을 변경하도록 신호할 수 있다.

예를 들어, 최초에는 X=+1 로 이동하도록 판별되어 X축을 중심으로 로봇매니퓰레이터(300)를 5도씩 회전시킨 후, 상기 단계(S2-1 내지 S3)들의 반복 수행 결과로 동일하게 X=+1 로 판별된 경우에는 다시 로봇매니퓰레이터(300)를 동일한 설정치인 및 +방향으로 5도 회전시킬 수 있다.

도 10을 다시 참조하여, 전술한 바와 같이 오프셋 각도에 따라 집열부(200)의 지향 방향을 변경하는 단계(S4)가 완료되면, 설정 대기시간이 지난 후, 집광 장치(10)의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 사용하여 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계(S1)를 반복할 수 있다. 대기시간은 예를 들어 2분으로 설정될 수 있다.

구체적으로, 집광 장치(10)는 이동형 장치가 아니므로, 설정 대기시간이 지난 후 집광 장치(10)의 위치와 방향 정보를 다시 획득할 필요는 없지만, 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계(S1)에서 지역 기상대로부터 시간 값을 다시 쿼리할 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이 연산부로부터 연산된 태양의 이론적 입사각과 측정부(500)의 법선이 일치될 때까지 상기 단계(S2-1 내지 S3)들을 반복하여 일치된 것으로 확인되면, 대기모드 상태에서 설정 대기시간까지 대기할 수 있다. 만약, 반복하여 미세조정했음에도 불구하고, 설정 대기시간까지도 일치되지 않은 경우에는 해당 loop를 빠져나와 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계(S1)로 넘어갈 수 있다.

도 10을 다시 참조하여, 일 실시예에 따른 실시간 광원 입사각 추적 방법은, 역기구학을 풀어 로봇매니퓰레이터(300)의 조인트 각도를 계산하는 단계(S2-1) 및 로봇매니퓰레이터(300)를 작동시키는 단계(S2-2) 사이에 설정 온도에 도달했는지 여부를 판단하는 단계(T1)를 더 포함할 수 있다. 이는 전술한 집광 시스템에 포함된 온도센서에서 측정된 온도값에 따라 설정 온도 도달 여부를 판단할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 온도센서를 통해 측정된 온도값이 지정된 임계치에 도달하면, 제어부(600)는 로봇매니퓰레이터(300)를 리셋하여 초기 위치로 이동시키며 집광 장치(10)가 대기모드로 전환될 수 있다.

반면, 온도값이 임계치에 도달하지 않은 것으로 판단되면, S2-2 단계에서와 같이 로봇매니퓰레이터(300)가 작동되며, 측정부(500)에서 측정된 값을 읽어 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계(S3)를 진행할 수 있다.

한편, 전술한 집광 장치(10), 감지부(100), 측정부(500), 연산부 및 제어부(600)를 포함하여 실시간 광원 입사각 추적 시스템을 구성할 수 있다.

이때, 집광 장치(10)는 로봇매니퓰레이터(300)를 구비할 수 있다.

또한, 감지부(100)는 집광 장치의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 획득할 수 있다.

또한, 측정부(500)는 집광 장치(10)에 대한 광원의 실제 입사각을 측정할 수 있다.

또한, 연산부는 감지부(100)의 정보를 이용하여 광원의 이론적 위치값을 규명할 수 있다. 이때, 연산부는 로봇매니퓰레이터(300)의 단부가 광원을 향하도록 역기구학을 풀어 로봇매니퓰레이터(300)의 위치 및 자세를 계산할 수 있다. 또한, 연산부는 측정부(500)에서 측정된 센서값을 읽어 광원의 실제 위치 및 방향과의 오프셋값을 계산할 수 있다.

또한, 제어부(600)는 연산부 및 측정부(500)의 정보를 이용하여 로봇매니퓰레이터(300)를 제어할 수 있다. 제어부(600)는 집열부(200)의 평면이 태양의 입사각과 직각을 이루도록 로봇매니퓰레이터(300)를 정밀 보정할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 집광 장치
100: 감지부
200: 집열부
300: 로봇매니퓰레이터
500: 측정부
510: 격실부재
511: 제1격실세트
512: 제2격실세트
520: 광 의존 저항기
600: 제어부
700: 배터리

Claims (15)

1. 로봇매니퓰레이터를 구비하는 집광 장치의 실시간 광원 입사각 추적 방법에 있어서,
   상기 집광 장치의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 사용하여 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계;
   상기 로봇매니퓰레이터의 단부에 배치된 집열부의 평면이 상기 광원의 이론적 각도에 직각이 되도록 상기 로봇매니퓰레이터를 작동시키는 단계;
   상기 로봇매니퓰레이터의 일측에 장착되고 상기 광원의 실제 입사각을 측정 가능한 측정부에서 측정된 값을 읽어 상기 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계; 및
   상기 오프셋 각도에 따라 상기 집열부의 지향 방향을 변경하는 단계;
   를 포함하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 측정부는,
   각각 일면이 개방된 육면체로 이루어지고 정각행렬로 배열된 복수의 격실을 포함하는 격실부재; 및
   각각의 상기 격실의 일면에 대향하는 면에 설치되는 광 의존 저항기;
   를 포함하고,
   상기 격실부재는 중심에 배치된 격실들로 구성된 중앙격실세트;
   상기 중앙격실세트를 중심으로 좌측에 배치된 좌측격실세트;
   상기 중앙격실세트를 중심으로 우측에 배치된 우측격실세트;
   상기 중앙격실세트를 중심으로 상측에 배치된 상측격실세트;
   상기 중앙격실세트를 중심으로 하측에 배치된 하측격실세트;
   를 포함하고,
   상기 중앙격실세트의 높이는 다른 격실들의 높이보다 더 높고,
   상기 광 의존 저항기는 상기 격실에 도달하는 광 입자량으로부터 전압값을 획득하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 오프셋 각도를 계산하는 단계는, 상기 광 의존 저항기에 도달하는 광 입자량에 따라 획득되는 전압값이 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계를 포함하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 오프셋 각도를 계산하는 단계는, 상기 광 의존 저항기에 도달하는 광 입자량에 따라 획득되는 전압값이 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계 전에, 상기 광 의존 저항기를 칼리브레이션하는 단계를 더 포함하고,
   상기 광 의존 저항기를 칼리브레이션하는 단계는 최소값 및 최대값의 두 단계로 보정되며 상기 오프셋 각도를 계산하는 단계 중 최초 1회만 수행되는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 오프셋 각도를 계산하는 단계는, 상기 광 의존 저항기를 칼리브레이션하는 단계 및 상기 광 의존 저항기에 도달하는 광 입자량에 따라 획득되는 전압값이 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계 사이에, 상기 광 의존 저항기의 임계값을 설정하는 단계를 더 포함하고,
   상기 광 의존 저항기의 임계값을 설정하는 단계는 최대 임계값을 설정하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계에서,
   상기 광 의존 저항기에서 획득된 전압값이 모두 임계값을 초과하는 경우, 상기 집열부의 지향 방향을 변경하지 않는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
   
7. 제3항에 있어서,
   상기 임계값 이상 또는 미만인지를 판단하는 단계는,
   상기 중앙격실세트에서 획득된 전압값이 임계값의 미만인 경우, 상기 좌측격실세트, 우측격실세트, 상측격실세트 및 하측격실세트 중 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실세트를 판별하는 단계를 포함하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 중앙격실세트에서 획득된 전압값이 임계값의 미만이 아니거나, 상기 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실세트를 판별하는 단계에서 상기 좌측, 우측, 상측 및 하측격실세트 중 어느 것도 전압값이 임계값의 미만이 아닌 경우, 상기 광 의존 저항기의 임계값을 설정하는 단계를 수행하여 임계값을 다시 설정하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실세트를 판별하는 단계에서, 판별된 격실세트의 인접하는 외곽측 격실 중 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실을 판별하여, 상기 집열부의 지향 방향을 판별된 방향으로 설정치만큼 이동하도록 신호를 전달하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 인접하는 외곽측 격실 중 임계값 미만의 전압값이 획득된 격실이 없는 경우, 상기 외곽측 격실과 인접한 다음 열 또는 행에 위치하는 다른 외곽측 격실의 전압값을 확인하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
    
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 설정치만큼 이동 후, 상기 측정부에 대한 상기 광원의 실제 입사각이 상기 집열부의 평면에 직각이 될 때까지, 상기 로봇매니퓰레이터의 일측에 장착되고 상기 광원의 실제 입사각을 측정 가능한 측정부에서 측정된 값을 읽어 상기 광원의 실제 각도와의 오프셋 각도를 계산하는 단계; 및 상기 오프셋 각도에 따라 상기 집열부의 지향 방향을 변경하는 단계;를 반복 수행하고,
    반복 수행한 결과로 이전에 선별된 격실세트의 반대측 격실세트의 전압값이 임계값 미만으로 측정되는 경우, 상기 반대측 격실세트의 방향으로 이전 설정치보다 더 작은 값으로 상기 집열부의 지향 방향을 변경하도록 신호하며,
    반복 수행한 결과로 이전에 선별된 격실세트와 동일측 격실세트의 전압값이 임계값 미만으로 측정되는 경우, 상기 동일측 격실세트의 방향으로 상기 집열부의 지향 방향을 판별된 방향으로 설정치만큼 이동하도록 신호를 전달하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 오프셋 각도에 따라 상기 집열부의 지향 방향을 변경하는 단계가 완료되면, 설정 대기시간이 지난 후 상기 집광 장치의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 사용하여 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계부터 다시 수행하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 집광 장치의 위치와 방향 정보 및 지역 기상대로부터 쿼리한 시간값을 사용하여 광원의 이론적 각도를 계산하는 단계 및 상기 로봇매니퓰레이터를 작동시키는 단계 사이에 설정 온도에 도달했는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는, 실시간 광원 입사각 추적 방법.
    
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