KR200272678Y1 - 렌즈를 이용한 태양광 추적장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 렌즈를 이용하여 태양광을 집광한 후 집광된 태양광을 분석하여 적은 양의 태양광에서도 태양의 방위각과 고도각을 오동작없이 정확히 추적할 수 있도록 하는 렌즈를 이용한 태양광 추적장치에 관한 것으로, 종래에는 아침이나 저녁과 같이 태양 빛이 약하거나 혹은 태양이 구름 등에 의해 가리워지면 감지되는 태양광이 미약함에 따라 오동작이 발생할 수 있는 문제점을 가지고 있었다.

상기한 문제점을 개선하기 위한 본 고안은 원통형 센서하우징의 상측 중앙개구부에 렌즈가 설치되고, 상기 렌즈의 초점위치에 상당하는 상기 원통형 센서하우징의 하단 중앙에는 태양의 위치를 감지하기 위해 다이아몬드형태로 포토다이오드가 설치됨과 아울러 상기 원통형 센서하우징의 상면 가장자리와 하단의 내주면 인접부에는 태양광의 유무를 감지하기 위한 포토다이오드가 각각 설치되어 태양추적센서가 이루어지고, 상기 태양위치감지용 포토다이오드와 태양광유무감지용 포토다이오드로 이루어진 태양추적센서에는 마이크로프로세서를 이용한 태양추적기기 콘트롤러를 통해 태양추적기기의 구동을 위한 모터제어부가 연결된 고안임.

Description

렌즈를 이용한 태양광 추적장치{Solar tracking device using optical lens}

본 고안은 태양광을 감지하여 태양의 방위각과 고도각을 측정함으로써 태양의 이동을 추적하도록 하는 태양광 추적장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 렌즈를 이용하여 태양광을 집광한 후 집광된 태양광을 분석하여 적은 양의 태양광에서도 태양의 방위각과 고도각을 정확히 추적할 수 있도록 하는 렌즈를 이용한 태양광 추적장치에 관한 것이다.

종래의 태양추적센서로는 2001년 7월 1일 공개된 특허공개 제2001-0060471호에서 '포토다이오드를 이용한 태양추적센서'가 개시되어 있다. 상기 공개특허에는 태양광의 유무와 태양의 방위각 및 고도각 변화를 감지하여 태양추적을 필요로 하는 장치에 태양광의 유무 및 태양위치의 변화를 전기적 신호 또는 디지털 신호로 송출시킬 수 있도록 하기 위한 것으로서, 태양광량의 변화를 전기적 신호로 출력하는 포토다이오드(1), 원통형 센서하우징(2)으로 구성되는 태양추적센서(3), 상기 포토다이오드(1)에서 생성되는 전류를 전압으로 변환하고 이를 디지털 신호로 변환하여 컴퓨터로 전송하는 태양추적센서제어기(4)로 구성되어 있다.

그러나, 이와 같은 방식은 아침이나 저녁과 같이 태양 빛이 약하거나 혹은 태양이 구름 등에 의해 가리워지면 감지되는 태양광이 미약함에 따라 오동작이 발생할 수 있는 문제점을 가지고 있다.

본 고안은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 고안한 것으로, 미약한 태양광에 대한 보완책으로 원통형의 센서하우징에 렌즈를 부착하여 집광된 빛을 포토다이오드로 감지하고, 이 신호를 비교 분석하여 디지털신호로 전환한 후 콘트롤러로 전송하여 이로부터 태양의 방위 및 고도를 예측하도록 함으로써 태양광 추적에 따른 오동작을 방지할 수 있도록 된 렌즈를 이용한 태양광 추적장치를 제공하고자 함에 고안의 목적이 있다.

도 1은 종래 태양추적센서의 구성도,

도 2는 본 고안의 구성도,

도 3은 본 고안에 따른 센서부의 상세구성도,

도 4a 및 도 4b는 서로 다른 태양광 입사방향에 대한 센서의 감지작용을 설명하기 위한 도면,

도 5는 본 고안에 따른 제어부의 상세회로도,

도 6은 본 고안의 다른 실시예에 따른 포토다이오드 신호의 처리회로를 나타낸다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 -- 태양광추적센서, 11 -- 원통형 센서하우징,

12 -- 렌즈, 14,16 -- 방위각감지용 포토트랜지스터,

15,17 -- 고도각감지용 포토트랜지스터,

13,18 -- 태양광유무감지용 포토트랜지스터,

20 -- 콘트롤러, 21,23,25 -- 비교기,

22,24,26 -- 아날로그/디지탈변환기,

28 -- 마이크로프로세서, 30 -- 모터제어부,

PA -- 프리앰프.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 렌즈를 이용한 태양광 추적장치는, 원통형 센서하우징의 상측 중앙개구부에 렌즈가 설치되고, 상기 렌즈의 초점위치에 상당하는 상기 원통형 센서하우징의 하단 중앙에는 태양의 위치를 감지하기 위해 동,서,남,북 방향에 다이아몬드형태로 포토다이오드가 설치됨과 아울러 상기 원통형 센서하우징의 상면 가장자리와 하단의 내주면 인접부에는 태양광의 유무를 감지하기 위한 포토다이오드가 각각 설치되어 태양추적센서가 이루어지고, 상기 태양위치감지용 포토다이오드와 태양광유무감지용 포토다이오드로 이루어진 태양추적센서에는 마이크로프로세서를 이용한 태양추적기기 콘트롤러를 통해 태양추적기기의 구동을 위한 모터제어부가 연결된 구조로 되어 있다.

또한, 본 고안에 따른 콘트롤러는 렌즈의 초점위치에서 동서방향으로 각각 배치된 방위각감지용 포토트랜지스터의 각 출력단에 각각의 프리앰프가 연결되어 제1비교기의 양 입력단에 연결되고, 렌즈의 초점위치에서 남북방향으로 각각 배치된 고도각감지용 포토트랜지스터의 각 출력단에 각각의 프리앰프가 연결되어 제2비교기의 양 입력단에 연결되며, 원통형 센서하우징의 상면과 하단에 각각 설치되는 태양광유무감지용 포토트랜지스터의 각 출력단에 각각의 프리앰프가 연결되어 제3비교기의 양 입력단에 연결되어, 상기 제1∼제3 비교기의 출력단에 각각의 아날로그/디지탈변환기를 매개로 마이크로프로세서가 연결되는 한편, 상기 마이크로프로세서의 출력단에 모터제어부가 연결되어 이루어진 구조로 되어 있다.

아울러, 본 고안의 다른 실시예에 있어서 각각 1쌍으로 이루어진 방위각감지용 포토트랜지스터와 고도각감지용 포토트랜지스터 및 태양광유무감지용 포토트랜지스터 신호의 전처리회로는 각 1쌍의 포토트랜지스터가 직렬로 연결되어 일측의 애노드가 접지되고, 접지되지 않은 포토트랜지스터의 캐소드는 제4비교기의 반전단자에 연결됨과 아울러 저항을 통해 제4비교기의 출력단에 연결되며, 상기 제4비교기의 출력단에는 저항을 통해 제5비교기의 반전단자가 연결됨과 아울러 일측이 접지된 포토트랜지스터의 캐소드에는 상기 제5비교기의 반전단자가 연결되는 한편, 상기 제5비교기의 반전단자와 출력단사이에는 저항이 연결되어, 상기 제5비교기의 출력단에 아날로그/디지탈변환기를 매개로 콘트롤러의 입력단이 연결된 구조로 되어 있다.

이하 예시도면에 의거 본 고안의 실시예에 대한 구성 및 작용효과에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 고안의 구성도를 도시한 것이다.

본 고안은 태양광추적센서(10)의 출력단에 마이크로프로세서를 이용한 태양추적장치 센서제어기인 콘트롤러(20)를 통해 모터를 이용한 태양추적기기인 모터제어부(30)가 연결되어 이루어진 것이다.

태양광추적센서(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 원통형 센서하우징(11)의 상측 중앙개구부에 렌즈(12)가 설치되어 있고, 상기 렌즈(12)의 초점위치에 상당하는 위치인 상기 원통형 센서하우징(11)의 하단 중앙에는 태양의 방위각과 고도각을 감지하기 위해 동,서,남,북 방향에 다이아몬드형태로 포토다이오드(14∼17)가 설치되어 있다.

동서방향으로 배치되는 포토다이오드(14)(16)는 두 포토다이오드(14)(16)로 입사되는 광량을 감지하여 그 광량차에 따라 태양의 방위각을 감지할 수 있도록 된 것이고, 남북방향으로 배치되는 포토다이오드(15)(17)는 두 포토다이오드(15)(17)로 입사되는 광량을 감지하여 그 광량차에 따라 태양의 고도각을 감지하기 위해 사용되는 것이다.

또한, 상기 원통형 센서하우징(11)의 상면 가장자리와 하단의 내주면 인접부에는 태양광의 유무를 감지하기 위한 포토다이오드(13)(18)가 각각 설치되어 있다. 여기서 포토다이오드(13)는 원통형 센서하우징(11)의 외부에 설치되고 포토다이오드(18)는 원통형 센서하우징(11)의 내부에 설치됨으로써 두 포토다이오드(13)(18)로 입사되는 광량의 차에 따라 태양광의 존재여부를 감지할 수 있게 된다. 즉, 아침이나 저녁으로 인해 태양광이 미약하거나 혹은 구름에 가리워진 경우라 할지라도 포토트랜지스터(13)로 입사되는 광량이 포토트랜지스터(18)로 입사되는 광량보다많으므로써 이로부터 태양광의 유무를 판별할 수 있게 된다. 이와 같이, 원통형 센서하우징(11)의 외부와 내부에서 태양광의 유무를 감지하도록 함으로써 아침이나 저녁의 약한 태양광이나 구름에 가리워진 태양광인지 혹은 야간으로 인해 태양광 신호가 없는 것인지 여부를 정확하게 판별할 수 있게 된다.

도 4a 및 도 4b는 서로 다른 태양광 입사방향에 대한 센서의 감지작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 4a는 예컨대 동쪽방향에서 태양광이 입사되는 경우이고, 도 4b는 도 4a의 경우와는 달리 예컨대 서쪽방향에서 태양광이 입사되는 경우를 나타낸 도면으로써, 도 4a의 경우에는 렌즈(12)에 의해 초점위치에 집광되는 태양광은 서쪽에 배치되어 있는 포토다이오드(16)로 집진되고 도 4b의 경우에는 렌즈(12)에 의해 초점위치에 집광되는 태양광은 동쪽에 배치되어 있는 포토다이오드(14)로 집진된다.

상기에서 사용된 포토다이오드(14)(16)는 입사되는 태양광의 세기에 따라 전압의 변화량은 미세하지만 전류의 변화량이 큰 특성을 갖는 소자로서, 본 고안에서 사용된 것은 가로,세로의 길이가 각각 5㎜인 것이며, 렌즈(12)에서 포커스된 빛의 지름은 12㎜를 유지하도록 한 것이다. 따라서, 도 4a와 도 4b와 같이 태양의 방위에 따라 렌즈(12)에 의해 포커스되는 태양광에 의해 어느 한 쪽의 방위각 감지용 포토다이오드측에 많은 전류량이 발생되면 후술되는 콘트롤러(20)와 모터제어부(30)의 작동에 따라 이를 이용하여 두 포토트랜지스터(14)(16)에 의한 광검출량이 같아지는 방향으로 태양추적장치의 방위각을 조정하여 태양의 방위방향에 대한 위치추적작용을 하게 된다.

이와 마찬가지로, 태양의 고도각감지에 있어 태양의 고도에 따라 두 포토트랜지스터(15)(17)로 입사되는 광량의 차이가 생기면 그 차가 발생되지 않는 방향으로 본 고안이 적용되는 태양추적장치의 고도각을 조정하여 태양의 고도방향에 대한 위치추적작용을 하게 된다.

도 5는 본 고안에 따른 제어부의 상세회로도를 도시한 것이다.

1쌍으로 이루어진 방위각감지용 포토트랜지스터(14)(16)에서 출력되는 신호는 각 출력단에 연결되어 있는 각각의 프리앰프(PA)에 의해 증폭된후 제1비교기(21)의 양 입력단으로 입력된다. 이에따른 차등신호는 아날로그/디지탈변환기(22)에 의해 디지털신호로 변환된 다음에 마이크로프로세서(28)의 데이터입력단으로 입력된다.

또한, 이와 마찬가지로 1쌍으로 이루어진 고도각감지용 포토트랜지스터 (15)(17)에서 출력되는 신호는 각 출력단에 연결되어 있는 각각의 프리앰프(PA)에 의해 증폭된후 제2비교기(23)의 양 입력단으로 입력되고, 이에따른 차등신호는 아날로그/디지탈변환기(24)에 의해 디지털신호로 변환된 다음에 마이크로프로세서 (28)의 다른 데이터입력단으로 입력됨과 아울러, 1쌍으로 이루어진 태양광유무감지용 포토트랜지스터(13)(18)에서 출력되는 신호는 각 출력단에 연결되어 있는 각각의 프리앰프(PA)에 의해 증폭된 후 제3비교기(25)의 양 입력단으로 입력되고, 이에따른 차등신호는 아날로그/디지탈변환기(26)에 의해 디지털신호로 변환된 다음에마이크로프로세서(28)의 또다른 데이터입력단으로 입력된다.

상기 마이크로프로세서(28)는 매 초마다 신호를 처리하여 출력단에 연결되어 있는 모터제어부(30)의 구동에 의해 도시되지 않은 스테핑모터를 작동시켜 태양을 지속적으로 추적하도록 하는 작용을 한다.

이와 같은 과정에서 구름이나 외부 환경의 영향으로 태양이 없을 경우 마이크로프로세서(28)에 매 월의 태양궤적을 입력하여 입력된 궤적으로 스테핑모터를 작동시켜 가상으로 태양을 추적하게 된다.

미설명 부호 27은 모터제어부(30)를 수동으로 조작하기 위한 수동제어부이다.

도 6은 본 고안의 다른 실시예에 따른 포토다이오드 신호의 처리회로를 나타낸다.

각각 1쌍으로 이루어진 방위각감지용 포토트랜지스터(14)(16)와 고도각감지용 포토트랜지스터(15)(17) 및 태양광유무감지용 포토트랜지스터(13)(18)에 의한 태양광감지신호의 전처리 작용은 동일하므로 설명의 중복을 피하기 위해 일례로 방위각감지용 포토트랜지스터(14)(16)의 전처리작용에 대해서만 설명한다.

방위각감지용 포토트랜지스터(14)(16)는 직렬로 연결되어 포토트랜지스터 (14)의 애노드는 접지됨과 아울러 캐소드는 제5비교기(32)의 반전단자에 연결되어 있다. 또한, 포토트랜지스터(16)의 애노드는 상기 포토트랜지스터(14)의 캐소드에 연결되는 한편, 포토트랜지스터(16)의캐소드는 제4비교기(31)의 반전단자에 연결됨과 아울러 저항(R1)을 통해 제4비교기(31)의 출력단에 연결되어 있다. 그리고, 상기 제4비교기(31)의 출력단에는 저항(R2)을 통해 제5비교기(32)의 반전단자가 연결되는 한편, 상기 제5비교기(32)의 반전단자와 출력단사이에는 저항(R3)이 연결되어, 상기 제5비교기(32)의 출력단에 아날로그/디지탈변환기(22)를 매개로 마이크로프로세서(28)의 입력단이 연결되어 있다.

따라서, 포토트랜지스터(14)에 의해 감지된 광전류는 제5비교기(32)의 반전단자로 입력되는 한편, 포토트랜지스터(14)(16)에 의해 감지된 광전류는 제4비교기 (31)의 반전단자로 입력되어 반전증폭된 후 다시 상기 제5비교기(32)의 반전단자로 인가된다. 그리하여 포토트랜지스터(14)에 의한 전압과 포토트랜지스터(16)에 의한 전압은 제5비교기(32)에 의해 차동증폭되어 출력되어진 후 태양의 방위각을 감지하는데 이용될 수 있게 된다.

이와 마찬가지 작용으로, 태양의 감지에 따라 포토트랜지스터(15)(17)에 의한 전압은 차동증폭되어 태양의 고도각을 감지하는데 이용될 수 있게 되며, 포토트랜지스터(13)(18)에 의한 전압은 차동증폭되어 태양광의 유무를 감지하는데 이용될 수 있게 된다.

본 고안의 실시예에서는, 먼저 포토트랜지스터(13)(18)의 신호에서 태양 유무를 확인한 후 포토트랜지스터(14)(16) 및 포토트랜지스터(15)(17)로부터 방위각신호와 고도각신호를 각각 입력받아 태양의 위치를 확인하게 되며, 콘트롤러(20)의 마이크로프로세서(28)에서는 2초마다 방위각과 고도각에 대한 태양위치신호를 입력받아 태양추적장치의 추적방향을 제어하도록 함으로써 태양의 이동각도를 매우 미세하게 추적할 수 있도록 한 것이다.

상기한 바와 같이 본 고안은 태양광을 렌즈로 집광하고 그 집광된 태양광을 분석하여 방위 및 고도를 예측하여 태양을 추적할 수 있도록 함으로써, 아침 및 저녁과 같이 적은 양의 태양광에서도 정확한 태양의 위치추적이 가능하고, 센서하우징의 외부와 내부에 각각 포토다이오드를 부착하여 태양빛의 유무를 감지하도록 함으로써 구름에 의해 태양이 가리워지는 경우와 같이 태양빛이 미약한 경우의 오동작을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 원통형 센서하우징의 상측 중앙개구부에 렌즈가 설치되고, 상기 렌즈의 초점위치에 상당하는 상기 원통형 센서하우징의 하단 중앙에는 태양의 위치를 감지하기 위해 동,서,남,북 방향에 다이아몬드형태로 포토다이오드가 설치됨과 아울러 상기 원통형 센서하우징의 상면 가장자리와 하단의 내주면 인접부에는 태양광의 유무를 감지하기 위한 포토다이오드가 각각 설치되어 태양추적센서가 이루어지고, 상기 태양위치감지용 포토다이오드와 태양광유무감지용 포토다이오드로 이루어진 태양추적센서에는 마이크로프로세서를 이용한 태양추적기기 콘트롤러를 통해 태양추적기기의 구동을 위한 모터제어부가 연결되어 이루어진 렌즈를 이용한 태양광 추적장치.
2. 제1항에 있어서, 태양추적기기 콘트롤러는 렌즈의 초점위치에서 동서방향으로 각각 배치된 방위각감지용 포토트랜지스터의 각 출력단에 각각의 프리앰프가 연결되어 제1비교기의 양 입력단에 연결되고, 렌즈의 초점위치에서 남북방향으로 각각 배치된 고도각감지용 포토트랜지스터의 각 출력단에 각각의 프리앰프가 연결되어 제2비교기의 양 입력단에 연결되며, 원통형 센서하우징의 상면과 하단에 각각 설치되는 태양광유무감지용 포토트랜지스터의 각 출력단에 각각의 프리앰프가 연결되어 제3비교기의 양 입력단에 연결되어, 상기 제1∼제3 비교기의 출력단에 각각의 아날로그/디지탈변환기를 매개로 마이크로프로세서가 연결되는 한편, 상기 마이크로프로세서의 출력단에 모터제어부가 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 렌즈를 이용한 태양광 추적장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 각각 1쌍으로 이루어진 방위각감지용 포토트랜지스터와 고도각감지용 포토트랜지스터 및 태양광유무감지용 포토트랜지스터 신호의 전처리회로는 각 1쌍의 포토트랜지스터가 직렬로 연결되어 일측의 애노드가 접지되고, 접지되지 않은 포토트랜지스터의 캐소드는 제4비교기의 반전단자에 연결됨과 아울러 저항을 통해 제4비교기의 출력단에 연결되며, 상기 제4비교기의 출력단에는 저항을 통해 제5비교기의 반전단자가 연결됨과 아울러 일측이 접지된 포토트랜지스터의 캐소드에는 상기 제5비교기의 반전단자가 연결되는 한편, 상기 제5비교기의 반전단자와 출력단사이에는 저항이 연결되어, 상기 제5비교기의 출력단에 아날로그/디지탈변환기를 매개로 콘트롤러에 있는 마이크로프로세서의 입력단이 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 렌즈를 이용한 태양광 추적장치.