KR200328264Y1 - 기후변화에 능동적으로 대응하는 지능형 태양광 가로등 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 기후 변화에 따라 태양전지에서 공급되는 에너지의 1일 충전량을 검출하고 램프가 하루 방출하여 소모하는 에너지량을 미리 예측하여 상기 충전량과 비교 후 시스템 상태를 최적의 조건으로 유지할 수 있는 가로등의 밝기와 점등시간을 자동으로 설정하여 최적의 절전효과와 합리적인 도로 조명을 할 수 있는 지능형 태양광 가로등 제어장치에 관한 것으로, 상기 목적을 위한 본 고안은 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자인 태양전지(1)와, 1일 충전량과 예측한 소모량을 저장하는 데이터 저장부(2)와, 태양전지에서 발전한 에너지를 충전하는 충전회로부(3)와 충전된 에너지로 램프를 구동시키는 램프구동부(4)와, 램프 오픈 시, 과전압 발생과 에너지 소모를 차단하기 위해 공급 전원의 전류량을 측정하여 램프 점등 차단 및 절전모드로 전환하는 램프 오픈 감지부(5)와, 태양전지와 배터리의 전압, 전류를 검출하는 센서감지부(6)와, 상기 충전량 계산과 소모량 예측과 최적 상태 제어 알고리즘을 수행하는 마이크로프로세서부(7)와, 충전회로부 및 램프구동부를 제어하는 전용 컨트롤러부(8)와, 제어기와 사용자간의 인터페이스 기능을 담당하는 입력부(9)와 시스템 상태를 사용자가 쉽게 인식할 수 있도록 알려주는 상태표시부(10)와, 상기 태양전지에서 충전회로부를 통해 충전에너지를 저장하는 배터리(11)와, 현재 실용 광원 중 효율이 가장 높은 저압 나트륨 램프(12)로 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

Description

기후변화에 능동적으로 대응하는 지능형 태양광 가로등 제어장치 {An intelligent photovoltaic street lamp control unit which actively copes with a change in weather}

종래에 개발된 제어기는 태양광을 효율적으로 집속하기 위해 태양광의 이동을 추적하는 제품(등록실용신안20-0297513, 등록실용신안20-0297771)과 축전지의 용량에 맞게 충전과 방전을 하는 제품(공개실용신안1998-060992)과 배터리의 잔존용량을 검출하여 램프의 밝기를 조절하는 제품(등록실용신안20-0286046), 그리고 연 평균 일출과 일몰 시간 데이터에 의해 일률적으로 램프를 점등하는 제품과 같이 태양광 가로등 시스템의 가장 취약한 부분인 축전지의 충전과 상태를 좋게 하여 부조일수를 늘려 가로등의 기능을 유지 하는데 목적을 두고 있다.

하지만 기후 조건의 변화가 일률적이지 않고 예측할 수 없기 때문에 상기의 제안들은 아무리 정확한 추적 장치를 적용한다 하여도 날씨가 좋지 못한 경우 태양전지가 발전 자체를 할 수 없으므로 시스템 효율이 저하되는 문제점을 안고 있다. 그리고 축전지 상태에 의한 시스템 조정은 능동적이지 못한 수동적인 조치로 장기간 기후 조건이 나쁠 경우 축전지 상태 개선엔 비효율적인 조치가 된다. 또 하나 기후 변화에 대한 평균 데이터를 적용한 시스템은 자연환경에 확률적인 시스템 관리 밖에 될 수 없는 취약점을 안고 있다.

이와 같이 상기 제안들은 기후 변화에 따른 능동적인 대응을 못하므로 장마와 안개 등의 기상 악화가 장기간 계속 될 경우 축전지의 충전 실패와 일정한 램프 방전이 지속되므로 발생되는 축전지의 전압 강하 및 수명 단축으로 인해 가로등 시스템의 주 목적을 수행할 수 없게 되는 문제점이 있다.

본 고안은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하고 시스템 효율을 높이기 위한 것으로, 본 고안의 목적은 상기의 여러 가지 수동적인 시스템 기능 향상 접근 방법이 아닌, 환경변화에 능동적으로 대처하여 시스템 효율을 높이기 위한 방법으로 기후 변화에 따라 태양전지에서 공급되는 에너지의 1일 충전량을 검출하고 램프가 하루 방출하여 소모하는 에너지량을 미리 예측하여 상기 충전량과 비교 후 시스템 상태를 최적의 조건으로 유지할 수 있는 가로등의 밝기와 점등시간을 자동으로 설정하여 최적의 절전효과와 합리적인 도로 조명을 할 수 있는 지능형 태양광 가로등 제어장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 고안의 지능형 태양광 가로등 제어장치의 블록도.

도 2는 1일 충전량 측정 및 램프 1일 소모량 예측 알고리즘 순서도.

도 3은 충전량과 소모량의 차에 비례한 램프 점등 밝기 및 절전 모드 자동

결정 알고리즘 순서도.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징은 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자인 태양전지(1)와, 1일 충전량과 예측한 소모량을 저장하는 데이터 저장부(2)와, 태양전지에서 발전한 에너지를 충전하는 충전회로부(3)와 충전된 에너지로 램프를 구동시키는 램프구동부(4)와, 램프 오픈 시 과전압 발생과 에너지 소모를 차단하기 위해 공급 전원의 전류량을 측정하여 램프 점등 차단 및 절전모드로 전환하는 램프 오픈 감지부(5)와, 태양전지와 배터리의 전압, 전류를 검출하는 센서감지부(6)와, 상기 충전량 계산과 소모량 예측과 최적 상태 제어 알고리즘을 수행하는 마이크로프로세서부(7)와, 충전회로부(3) 및 램프구동부(4)를 제어하는 전용 컨트롤러부(8)와, 제어장치(13)와 사용자간의 인터페이스 기능을 담당하는 입력부(9)와 시스템 상태를 사용자가 쉽게 인식할 수 있도록 알려주는 상태표시부(10)와, 상기 태양전지(1)에서 충전회로부(3)를 통해 충전에너지를 저장하는 배터리(11)와, 현재 실용 광원 중 효율이 가장 높은 저압 나트륨 램프(12)로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안을 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 태양광 가로등 제어장치(13)를 적용한 시스템을 도시한 블록도이다. 상기 도면에 적용한 시스템은 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자인 태양전지(1)와, 태양광 가로등 시스템에 적합한 완전 무보수형 축전지인 배터리(11)와, 현재 실용 광원 중 가장 효율이 높은 저압 나트륨 램프(12)와 본 고안에서 제안한 지능형 태양광 가로등 제어장치(13)로 구성된다.

상기 지능형 태양광 가로등 제어장치(13)는 충전회로부(3)를 통해 시스템에 필요한 에너지를 태양전지(1)로부터 공급받아 축전지인 배터리(11)에 에너지를 저장한다.

상기 충전회로부(3)는 전력변환용 전용 컨트롤러부(8)와 상기 태양전지(1)의 전압과 자체 발전되어 공급되는 전류를 검출하는 센서감지부(6)와 정전압 충전, 정전류 충전, 세류충전과 같은 충전 제어 알고리즘 및 최대 출력점 추종 제어 알고리즘을 수행하여 제어를 담당하는 마이크로프로세서부(7)에 의해 에너지 전달을 수행한다.

상기 충전 제어 알고리즘은 센서감지부(6)에서 검출한 배터리(11)의 전압 상태에 따라 자동으로 설정되며, 상기 세류충전은 충전을 통해 축전지가 만충 전압에 도달했을 경우, 과충전으로 발생하는 배터리의 소모를 줄이기 위해 충전을 종료하고, 자가 방전을 통해 방출 되는 에너지양을 보충해주어 축전지의 상태를 최적의 조건으로 유지할 수 있도록 한다. 그리고 상기의 충전모드들은 일출 확인 후 태양전지(1)가 자체 발전을 통해 배터리(11)에 에너지를 공급할 수 있는 일정 전압 이상에서 동작을 수행하도록 하여 태양전지(1)의 전압이 배터리(11)의 전압보다 낮거나 자체 발전을 할 수 없는 전압에서는 충전회로부(3)의 구동을 멈추어 불필요한 에너지 소비를 줄여준다.

상기 충전모드를 통해 충전되는 충전 에너지는 도 2의 순서도와 같이 일출 확인 후 충전이 시작되는 시점부터 일정 시간 간격으로 에너지량을 누적하여 일몰 확인 후 충전이 종료되는 시점까지 계속된다. 일몰이 되면 낮 동안 누적된 충전 에너지를 데이터 저장부(2)에 1일 충전량으로 저장한다. 상기 데이터 저장부(2)는 비휘발성 데이터 메모리로 전원 공급이 중단되어도 자체 전원에 의해 저장된 데이터를 10년 이상 보전할 수 있어 시스템의 신뢰성을 높여준다.

상기 일출확인과 일몰확인은 센서감지부(6)에서 검출한 태양전지(1)의 전압으로 판단하며 일정한 히스테리시스 전압 폭과 일출 및 일몰 판단을 위한 전압 유지 기간을 통해 확인 과정을 거치므로, 순간적인 일기변화에 따른 판단 오류를 방지하여 가로등의 정확한 점등과 소등 동작을 수행할 수 있도록 한다.

상기의 일출과 일몰이 확인되면 도 2와 같이 마이크로프로세서부(7)에 의해 데이터 저장부(2)에 일출시간과 일몰시간이 저장되고, 상기의 데이터 저장부(2)에 저장된 일출 및 일몰 시간은 램프를 통해 방출될 소모량을 예측하는 기준으로 사용된다.

상기에서 램프를 통해 방출될 소모량의 예측은 일몰 확인 후 데이터 저장부(2)에 저장되어 있는 일몰시간과 일출시간의 차에 의해 램프 점등 시간을 구하고 램프 방전시 검출하여 저장된 평균 전류량을 곱하면 하루 동안 소모될 램프의 방전 에너지량을 알 수 있게 된다. 상기 에너지 계산에서 전압은 충전 때와 공통으로 사용되므로 무시하고 전류량을 기준으로 에너지량을 판단한다.

도 3은 일몰 시 데이터 저장부(2)에 저장되어 있는 1일 충전 총 에너지량과 상기에서 예측하여 계산된 소모량을 비교하여 램프 밝기와 점등 시간을 자동으로 설정하는 알고리즘 순서도이다. 상기에서 비교된 에너지량과 배터리의 잔존 용량을 검출하여 보상한 값에 비례해서 램프 구동 때 필요한 배터리의 소비전력을 줄이는 적절한 램프(12) 밝기와 점등 시간을 자동으로 설정한 후 램프(12)를 점등하게 된다. 배터리(11)가 만충 상태이거나 시스템 초기 설치 후 운전 시는 기본적으로 설정된 점등시간과 밝기에 따라 램프를 점등시키므로 데이터 손실이나 노이즈에 의한 시스템 오작동으로 리셋이 된 경우 등에 대처할 수 있도록 하여 상기 제어 방법의 신뢰성을 높인다.

본 고안의 제어장치(13)에는 설치 지역 및 상태에 따라 수동으로 점등 시간 및 밝기를 사용자가 임의로 조정할 수 있는 타이머 기능도 공급한다. 상기 본 고안의 제어장치(13)는 기본적으로 시스템 상태를 효율적으로 유지하기 위해 가로등의 이용률이 낮고, 적은 밝기에도 그 기능을 높일 수 있는 새벽 시간동안 절전 점등(소비전력을 30% 낮추는 밝기의 점등)을 제공한다.

상기의 상태표시부(10)는 사용자와의 효율적인 인터페이스를 위해 그래픽을 이용하였고 실시간으로 시스템 정보 변화를 디스플레이를 통해 공급해 준다.

램프(12)의 소손 등으로 램프 점등 시 발생될 수 있는 문제점등을 차단하기 위해 램프 점등 후 일정시간 동안 공급되는 전원 전류의 값이 일정 기준 값 이하인 경우 램프 소손으로 판단하여 램프구동부(4)의 동작을 즉시 차단하고 절전모드로 동작하므로 불필요한 에너지 소모를 차단하였다. 그리고 램프 소손을 상태표시부(10)에 디스플레이하고, 데이터 저장부(2)에 날짜와 시간을 저장하여 상태표시부(10)를 통해서 확인할 수 있게 하였다.

이상과 같이, 태양전지에서 발전된 에너지의 1일 충전량과 램프 점등으로 소비되는 1일 소모량을 예측한 값 등을 저장하고 비교량에 따라 가장 적정한 램프 밝기와 점등 시간의 설정을 통해 배터리가 최적 상태로 유지되도록 하므로 기후 변화에 능동적으로 대응하는 환경 친화적인 지능형 태양광 가로등 제어장치를 제공하여 태양광 가로등 시스템의 효율과 신뢰성을 높일 수 있게 된다. 또한 종래 개발된 태양광 가로등 제어장치 및 시스템에 본 고안에서 제안한 1일 충전량에 의한 시스템 관리를 접목할 수 있으므로 기존 시스템에 환경적응 능력이 추가되어 효율과 성능이 개선되고 효과적인 가로등 시스템을 구성할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 기후 변화에 따라 태양전지에서 공급되는 에너지의 1일 충전량을 검출하고 램프가 하루 방출하여 소모하는 에너지량을 미리 예측하여 상기 충전량과 비교 후 배터리의 잔존요량을 검출하여 보상된 에너지량에 비례하여 시스템 상태를 최적의 조건으로 유지할 수 있는 가로등의 밝기와 점등시간을 자동으로 설정하여 최적의 절전효과와 합리적인 도로 조명을 할 수 있는 지능형 태양광 가로등 제어장치.
2. 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자인 태양전지와, 1일 충전량과 예측한 소모량을 저장하는 데이터 저장부와, 태양전지에서 발전한 에너지를 충전하는 충전회로부와 충전된 에너지로 램프를 구동시키는 램프구동부와, 램프 오픈 시 과전압 발생과 에너지 소모를 차단하기 위해 공급 전원의 전류량을 측정하여 램프 점등 차단 및 절전모드로 전환하는 램프 오픈 감지부와, 태양전지와 배터리의 전압, 전류를 검출하는 센서감지부와, 상기 충전량 계산과 소모량 예측과 최적 상태 제어 알고리즘을 수행하는 마이크로프로세서부와, 충전회로부 및 램프구동부를 제어하는 전용 컨트롤러부와, 제어기와 사용자간의 인터페이스 기능을 담당하는 입력부와 시스템 상태를 사용자가 쉽게 인식할 수 있도록 알려주는 상태표시부와, 상기 태양전지에서 충전회로부를 통해 충전에너지를 저장하는 배터리와, 현재 실용 광원 중 효율이 가장 높은 저압 나트륨 램프로 구성된 태양광 가로등 제어장치.