KR200386062Y1 - 태양전지 발전식 ｌｅｄ 조명장치 - Google Patents

Abstract

태양전지 발전식 LED 조명장치를 개시한다. 본 고안에 따른 태양전지 발전식 LED 조명장치는, 태양전지 발전시스템을 통해 자체 전력를 생성ㆍ축전하여 전원으로 활용함은 물론, 외부조도환경과 인체를 감지하여 이에 가장 알맞은 조명환경을 제공할 수 있는 것으로, 간이 버스정류장, 공중전화부스, 가로등, 교통안내표지판 등의 다양한 분야에 적용될 수 있는 태양전지 발전식 LED 조명장치에 관한 것이다.

Description

태양전지 발전식 ＬＥＤ 조명장치{LED Lighting Apparatus with Photovoltaic Generating system}

본 고안은 태양전지 발전식 LED 조명장치에 관한 것으로, 본 시스템은 경제성과 편익성을 추구하기 위하여 최소의 태양전지 발전시스템을 통해 주간에는 발전한 전력을 축전하여, 주야간 감지로 낮에는 조명을 하지 않고 야간에만 조명을 하며, 야간에도 사람의 유무를 감지하여 사람이 없을 때는 1/3만 점등하고 사람이 있을 때에는 완전 조명하는 최적의 제어시스템으로 운용되는 태양전지 발전식 LED 조명장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 근래에 들어, 화석연료의 고갈과 환경보존을 목적으로 풍력, 수력, 지열, 태양에너지 등의 자연에너지를 효율적이고도 적절히 이용하기 위한 대체에너지의 활용방안에 대한 기술개발이 매우 적극적으로 전개되고 있다.

이러한 대체에너지 중에서도 언제 어디서나 가장 손쉽게 얻을 수 있으며 설치와 효율적인 측면을 고려하여 볼 때, 앞서 언급된 태양에너지의 활용방안이 가장 권장되고 있는 실정이다.

이는, 현재까지 개발된 대체에너지를 이용한 발전시스템에 있어 광기전력을 이용한 태양전지시스템이 가장 널리 사용되고 있으며, 설치와 유지보수 등에 소요되는 비용이 기타 다른 자연에너지와 대비하여 가장 저렴하다는 데에 기인한다.

이러한 이유로, 전술한 태양전지시스템은, 가로등, 가정 등의 자가발전시스템 등의 분야에서 빠르게 확산ㆍ보급되고 있다.

그러나, 앞서 언급된 가로등 자가발전시스템은 외부의 조도환경에 따른 제어시스템 또는, 종합통제시스템 등에 의해 운용되고 있어 조도가 급변하는 특수한 기후환경하에서의 잦은 에러 발생율이라는 문제점과, 항상 일정한 조도로써 조명광을 출력하는 정도의 기술수준에 머물러 있어 태양전지시스템에 구성되는 배터리와 조명광원의 수명을 크게 저하시켜 이들의 유지보수에 소요되는 작업량과 소요비용이 크게 증대되고 있다는 등의 문제점이 대두되었다.

또한, 외부 조도환경과 부합하는 조명광을 조절 출력할 수 없어 항상 필요 이상의 밝은 광도를 고정출력함에 따라 눈부심현상 등을 초래하였다.

한편, 가로등과 인접된 일정범위 내에 행인 등이 없을 시에도 항상 점등되어 있어 에너지의 효율적인 활용방안이라는 원취지와 반하였던 바, 가로등 이외의 간이 버스정류장 등의 조명장치 또는 표시장치, 공중전화부스, 교통안내표지판 등의 다양한 분야에 적용할 수 없었다는 등의 문제점이 있었다.

이와 더불어, 전술한 버스정류장 등의 조명장치 및/또는 표시장치를 구현하고자 할 경우에는 설치하고자 하는 해당 설치장소와 인접하는 기존의 전력선으로부터의 선로작업이 요구되며, 장치를 구동시키기 위한 소모전력이 요구됨은 물론, 이들의 설치작업과 유지보수 등에 소요되는 비용 등이 과다하게 소요될 수밖에 없었다. 따라서, 이용자가 많지 않은 산간 벽지 등의 장소에서는 그 필요성이 절실히 요구됨에도 불구하고 경제적인 측면을 고려하여 볼 때 설치 및 구현될 수 없었다는 등의 문제점이 있었다.

본 고안은 전술한 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 외부의 조도환경과 본 고안에 따른 장치가 설치된 일정범위 내에서의 인체의 유무를 종합 감지하여 이에 상응하는 광도의 조명환경 및/또는 표시환경 등을 자동 조절함으로써 에너지의 효율적인 운영을 달성할 수 있는 태양전지 발전식 LED 조명장치를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

본 고안의 다른 목적은, 태양전지시스템에 구성되는 배터리의 출력전압이 조명광원의 점등에 소요되는 기준전압보다 낮을 경우에 상기 조명광원에 입력되는 출력전원을 자동차단하여 과도한 방전에 따른 배터리의 수명저하를 해소하여 그 수명을 크게 연장시킬 수 있는 태양전지 발전식 LED 조명장치를 제공함에 있다.

이와 같은 본 고안의 목적들은, 태양전지와, 배터리와, 상기 배터리의 충전이 완료되면 상기 태양전지로부터 발생된 전기의 충전작업을 중지시키는 충전모듈을 구비하는 태양전지발전시스템; 복수의 LED 어레이가 병렬 구성되는 LED 광원; 외부의 조도를 감지하는 광센서; 일정범위 내의 사용자 유무를 감지하는 모우션 센서; 상기 광센서를 통해 어두운 밤에만 작동하며, 밤에도 상기 모우션 센서를 통해 사용자가 감지될 경우에만 상기 LED 광원을 자동점등시키는 제어부; 를 포함하도록 구현됨이 바람직하다.

여기에서, 상기 제어부는, 상기 배터리의 출력전압이 상기 LED 광원의 점등에 요구되는 소요전압보다 낮을 경우에 상기 배터리와 상기 LED 광원을 전기적으로 차단 제어하는 배터리보호기능이 추가로 구비됨이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는, 야간에는 상기 LED 광원의 소정개수의 LED 어레이만을 점등토록 제어하며, 야간이며 상기 모우션 센서를 통해 사용자의 감지가 이루어진 경우에는 상기 LED 어레이 전체가 완전 점등되도록 제어 구현될 수도 있다.

본 고안의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 태양전지 발전식 LED 조명장치에 관하여 첨부된 도면과 더불어 설명하기로 한다.

이하에서 제시되는 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 고안의 기술사상이 이들 실시예로부터 한정되는 것은 아니며, 기재의 편의 상 동일한 작용효과를 갖는 구성물에 대하여는 동일한 도면부호를 부여하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 고안에 따른 태양전지 발전식 LED 조명장치의 시스템 블록도이다.

도 1을 살펴보면, 본 고안에 따른 태양전지 발전식 LED 조명장치는, 태양전지(11)와 충전모듈(12) 및 배터리(13)가 전기적으로 연결되어 이루어지는 통상의 태양전지시스템(10)과, 광센서(50) 및, 모우션 센서(40) 그리고, LED 광원(30)이 각각 제어부(20)와 전기적으로 연결된 구성을 갖는다.

그 작동원리를 살펴보면, 상기 태양전지(11)에 태양광이 입사되면 광기전력에 의해 소정의 전류가 발생된다. 이후, 발생된 전류는 상기 충전모듈(12)을 경유하여 상기 배터리(13)에 충전되는 바, 상기 충전모듈(12)은 상기 배터리(13)의 충전시에 수용전력 한계치에 도달되면 이를 감지하여 상기 태양전지(11)로부터 발생된 전기를 상기 배터리(13)로 입력되지 못하도록 차단하는 바, 상기 배터리(13)의 과충전방지에 따른 배터리(13)의 수명을 연장시킬 수 있도록 하는 역할을 한다.

이와 같이, 발생된 전기에너지는, 상기 배터리(13)를 통해 제어부(20)에 제공되며 상기 제어부(20)는 상기 광센서(50)와 모우션 센서(40)로부터 해당 감지시그널이 수신될 경우에만 상기 LED 광원(30)에 전원을 공급한다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 상기 제어부(20)는 앞서 언급된 광센서(50)를 통해 외부의 조도를 계속적으로 감지하여 조도가 낮은 야간에만 상기 LED 광원(30)으로 전원 공급을 실시하여 상기 LED 광원(30)이 발광되도록 제어한다.

한편, 상기 제어부(20)는 상기 모우션 센서(40)와도 전기적으로 연결되어 있는 바, 본 고안에 따른 조명장치의 일정범위 내에서 인체의 감지가 이루어지면 앞서 살펴본 바와 같이 상기 LED 광원(30)을 점등시키도록 제어한다.

본 고안은 다양하게 변형 실시 가능하다. 예컨데, 상기 제어부(20)는, 야간일 경우라도 상기 모우션 센서(40)를 통하여 인체의 감지가 이루어지지 않을 시에 상기 LED 광원(30)을 소등시키거나, 전류치를 감소시켜 낮은 광도로써 광표출을 이루도록 구현될 수도 있으며, 상기 LED 광원(30)을 구성할 시에 다수의 LED 어레이로 구현 설계하여 위와 같은 상황에서 특정 LED 어레이만을 점등시키도록 제어하고 상기 모우션 센서(40)에 의해 사용자 등의 감지가 이루어지면 상기 LED 어레이 전체에 전원공급을 실시하여 표출광도를 높이는 형태로 구현 가능하다.

물론, 주간의 경우에는 인체감지가 이루어질 시에만 앞서 기재된 해당 구현원리에 따라 점등되거나, 원천적으로 점등되지 않도록 제어 구현될 수도 있다.

따라서, 태양에너지를 이용한 청정에너지의 자체생산이 가능하고, 이를 주야간 변화와 인체의 유무에 따라 절전 조명을 할 수 있도록 제어되는 장치로서, 효율적으로 운용하여 100AH 수준의 소형배터리와 50W~80W 정도의 태양전지로 콤팩트하게 시스템을 구현하였으며, 배터리의 수명연장, 소비전력의 절감 등을 이룰 수 있도록 절전형 제어회로도가 구비된다는 장점이 있다. 본 시스템에서 더 밝게 장시간 조명을 필요로 하면 배터리와 태양전지의 용량을 크게 설계 시공하면 필요에 따라 적절히 대응 적용시킬 수 있다.

도 2는 본 고안에 따른 태양전지 발전식 LED 조명장치의 제어 회로도로서 전술한 구현예의 일부를 구체화한 것이고, 도 3 내지 도 6은 도 2의 전원발생부(1), 주야간 검출 회로부(2), 배터리보호 회로부(3), 재인 검출 회로부(4)를 각각 도시한 상세도이다.

도 2를 살펴보면, 본 고안에 따른 태양전지 발전식 LED 조명장치는, 앞서 언급된 태양전지발전시스템이 채택된 전원발생부(1)와, 외부의 조도환경에 따라 야간에만 LED 광원(30)을 점등시키는 주야간 검출 회로부(2)와, 상기 배터리(13)에 수용된 전기량이 상기 LED 광원(30)을 점등시키기 위한 출력전압보다 낮은 수용전압을 가질 경우에 상기 LED 광원(30)으로의 전원출력을 자동 차단하여 과방전에 따른 배터리(13)의 수명저하를 방지하기 위한 배터리보호 회로부(30) 및, 본 고안에 따른 조명장치가 설치된 일정범위 내에서 사용자의 유무를 감지하여 사용자가 감지될 경우에만 상기 LED 광원(30)으로 전원공급을 개시함으로써 전력의 효율적인 운용 등이 가능하게 하는 재인 검출 회로부(4) 그리고, 표출광도조절 등을 보다 용이하도록 구현된 다수의 LED 에레이(31, 32, 33)로 구성됨에 따라 전술한 다양한 상황에서 광도를 달리하여 출력 제어되는 LED 광원(30)으로 이루어진다.

도 2를 참조하여 도 3을 살펴보면, 도 1의 설명에서와 같이, 상기 태양전지(11)에 태양광이 입사되면 광기전력에 의해 소정의 전류가 발생되며, 발생된 전류는 상기 충전모듈(12)을 통해 상기 배터리(13)에 충전된다.

이 때, 상기 충전모듈(12)은 상기 배터리(13)의 충전이 완료되었을 시에 상기 태양전지(11)와 상기 배터리(13)를 전기적으로 차단시켜 상기 배터리(13)의 과충전에 따른 배터리(13)의 수명저하를 방지하도록 작동된다.

이와 같이, 발전작용 및 충전작용과 더불어 상기 배터리(13)의 출력전압이 입출력신호(100, 200)의 형태로써 상기 조도반응 회로도(2)에 입력된다.

도 2를 참조하여 도 4을 살펴보면, 본 고안에 따른 주야간 검출 회로도(2)는, 광센서(50)가 구비되는 바, 상기 광센서(50)는 태양광선의 직접적인 입사가 이루어지지 않은 상태에서 외부의 조도를 감지할 수 있도록 설치되는 통상의 CDS소자로 구현된다.

상기 광센서(50)에 빛이 감지되는 주간의 경우에는, 트랜지스터(71)의 베이스에 전압이 인가됨에 따라 에미터(Emitter)를 통해 전류의 흐름이 이루져 저항(R3)을 경유하는 동안 유입된 전류가 상기 저항(R3)에 의해 상쇄되어 다시 상기 광센서(50)의 후단으로 피드백됨을 계속적으로 반복 실시함에 따라 아무런 작용효과가 발생되지 않는다.

그러나, 상기 광센서(50)로부터 빛이 감지되지 않는 야간의 경우에는, 상기 광센서(50)의 내부저항이 크게 증대되는 바, 상기 트랜지스터(71)에 유입되는 전류가 존재하지 않는다.

이와 동시에, LED 광원(30)의 입력전단에 구비된 트랜지스터(72)의 베이스에 전압이 인가되어 에미터(Emitter)를 통해 LED 광원(30)으로의 전원공급이 개시되어 상기 LED 광원(30)이 점등된다.

한편, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 트랜지스터들(71, 72)의 사이에서 전류의 입출력신호(300, 400)의 형태로써 앞서 언급된 배터리보호 회로부(3)와 연결됨에 따라 상기 배터리(13)로부터 공급되는 전원이 상기 LED 광원(30)의 점등시 요구되는 소요전압이 동일할 경우에만 상기 LED 광원(30)으로 전원공급이 이루어져 과방전에 따른 배터리(13)의 수명저하를 방지할 수 있도록 구현된다.

도 2를 참조하여 도 5를 살펴보면, 본 고안에 따른 배터리보호 회로부(3)는, 비교기(60)가 구비되어 전술한 LED 광원(30)의 점등시에 요구되는 소요전압과 상기 배터리(13)로부터 출력되는 출력전압이 상기 소요전압보다 작을 경우에 상기 LED 광원(30)으로 입력되는 전원을 자동차단하여 과방전에 따른 배터리(13)의 수명저하를 방지할 수 있도록 작동된다.

이를 보다 상술하면, 상기 비교기(60)의 2개의 입력단(b, c) 중 c 즉, 비반전 입력단(Non-inverting Input)에 배터리의 최저 방전레벨 전압인 기준전압(Av)을 설정하고, b 즉, 반전 입력단(Inverting Input)에 배터리(13)의 출력단이 연결되어, 상기 비교기(60)에서 이를 판별하여 배터리(13)에 출력신호가 출력되어 전원파워용 스위치(73)을 구동시켜 LED 광원(30) 중 마이너스 전극이 접지된 LED 어레이(31)만이 점등된다. 따라서, 자동제어에 따른 배터리(13)의 과방전을 방지하여 그 수명을 크게 연장시키는 기능을 하게 되는 것이다.

한편, 전술한 바와 같이 사용자의 유무에 따라 LED 광원(30)을 구성하는 LED 어레이(31)만을 점등시킴으로써 상기 LED 광원(30)을 1/3만 점등시키거나, 완전점등 시킴으로써 소비전력을 저감시켜 이용시간을 늘려 사용자의 편의성과 경제성을 제고시키는 기능을 하게 된다.

본 고안에 따른 재인 검출 회로부(4)는, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 모우션 센서(40)를 통해 사람이 있을 경우와 없을 경우를 판별하여 사람이 없을 때는 LED 광원(30)을 전술한 바와 같이 1/3만 점등시키고, 사람이 있을 때에는 상기 LED 광원(30)을 완전점등시키도록 작동된다.

상기한 모우션 센서(40)는, 본 고안에 따른 조명장치가 설치된 어느 위치에건 설치 가능하나, 특정부위면 즉, 남녀노소의 인체를 용이하게 감지할 수 있도록 지상으로부터 30cm 내지 2m의 범위 내의 특정부위면 상에 위치되어 본 고안에 따른 조명장치와 인접된 특정범위 내에서 사용자의 유무를 감지하는 적외선 센서, 근접센서, 송ㆍ수광센서 등으로 구현될 수 있다.

그 작동원리를 살펴보면, 상기 모우션 센서(40)를 통해 사용자가 감지될 시에는, 상기 모우션 센서(40)로부터 출력된 전압이 트랜지스터(74)의 베이스에 인가되어 트랜지스터(74)의 콜렉터와 트랜지스터(75)의 베이스에 전류가 흘러 상기 트랜지스터(75)를 구동시키게 되는 바, 상기 트랜지스터(75)가 스위칭되어 도통되면 상기 LED 광원(30)의 LED 어레이(32, 33)의 마이너스극이 접지되어 상기 LED 어레이(32, 33)가 자동 점등된다.

물론, 상기 모우션 센서(40)에 사용자가 감지되지 않으면 상기 트랜지스터들(74, 75)이 작동되지 않으므로 전술한 작용효과는 발생되지 않는 다.

이와 같이 구현된 본 고안에 따른 조명장치는 제조자의 제조목적과 적용분야에 따라 다양하게 변형실시 가능하다.

즉, 공중전화부스, 간이 버스정류장 등의 조명장치에 구현하고자 할 경우에는, 위의 전반적인 구성을 전부 구성할 수도 있을 것이나, 주야간 검출 회로부(2) 또는 재인 검출 회로부(4) 중 어느 하나를 선택적으로 구현하고 나머지는 생략 구성할 수도 있다.

또한, 위의 분야에 적용되기 위한 광고용도 등의 표시장치 등에 구현하고자 할 경우에는, 주야간 검출 회로부(2)를 채택하고 재인 검출 회로부(4)를 생략함으로써 야간에는 항시 점등상태를 유지할 수 있도록 구현할 수도 있다.

이와 더불어, LED 광원(30)을 구현함에 있어 복수의 LED 어레이(31, 32, 33)를 병렬 구성하여 야간상황에서 인체의 감지가 이루어질 경우에는 상기 LED 어레이(31, 32, 33)를 전부 점등시켜 광도를 증대시키고, 인체의 감지가 이루어지지 않을 경우에는 상기 LED 어레이 중의 어느 하나 또는 특정 개수만큼만 점등시키는 형태로 이루어져 에너지의 효율적인 운용을 도모할 수 있다.

이상과 같이, 본 고안에 의할 것 같으면, 외부의 조도환경과 본 고안에 따른 장치가 설치된 일정범위 내에서의 인체의 유무를 종합 감지하여 이에 상응하는 광도의 조명환경 및/또는 표시환경 등을 자동 조절함으로써 에너지의 효율적인 운영을 달성할 수 있다는 등의 장점이 있다.

또한, 태양전지시스템에 구성되는 배터리의 전압이 조명광원의 점등에 소요되는 기준전압보다 낮을 경우 상기 배터리로부터 출력되어 상기 조명광원으로 입력되는 전원을 자동차단시켜 배터리의 수명을 크게 연장시킬 수 있다는 등의 이점이 있다.

이와 더불어, 자가발전/축전/전원공급의 메카니즘을 가짐으로써, 별도의 전력선이 요구되지 않음에 따라 설치가 간단하고 유지보수가 용이하며, 이에 소요되는 비용을 크게 절감시킬 수 있어 종래에 문제시 되었던 산간벽지 등의 오지에도 용이하게 적용 구현할 수 있다는 등의 효과가 인정되는 매우 유용한 고안인 것이다.

도 1은 본 고안에 따른 태양전지 발전식 LED 조명장치의 시스템 블록도.

도 2는 본 고안에 따른 태양전지 발전식 LED 조명장치의 제어 회로도.

도 3은 도 2의 전원발생부.

도 4는 도 2의 주야간 검출 회로부.

도 5는 도 2의 배터리보호 회로부.

도 6은 도 2의 재인검출 회로부.

※도면의 주요부위에 대한 도면부호의 설명

1 : 전원발생부 2 : 주야간 검출 회로부

3 : 배터리보호 회로부 4 : 재인 검출 회로부

10 : 태양전지 시스템 11 : 태양전지

12 : 충전모듈 13 : 배터리

20 : 제어부 30 : LED 광원

40 : 모우션 센서 50 : 광센서

60 : 비교기 71, 72, 73, 74 : 트랜지스터

Claims (3)

1. 태양전지(11)와, 배터리(13)와, 상기 배터리(13)의 충전이 완료되면 상기 태양전지(11)로부터 발생된 전기의 충전작업을 중지시키는 충전모듈(12)을 구비하는 태양전지발전시스템(10);

   복수의 LED 어레이(31, 32, 33)가 병렬 구성되는 LED 광원(30);

   외부의 조도를 감지하여 주야간을 식별토록 하는 광센서(50);

   일정범위 내의 사용자 유무를 감지하는 모우션 센서(40);

   상기 광센서(50)를 통해 어두운 밤에만 작동하며, 밤에도 상기 모우션 센서(40)를 통해 사용자가 감지될 경우에만 상기 LED 광원(30)을 자동점등시키는 제어부(20); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 발전식 LED 조명장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부(20)는,

   상기 배터리(13)의 출력전압이 상기 LED 광원(30)의 점등에 요구되는 소요전압보다 낮을 경우에 상기 배터리(13)와 상기 LED 광원(30)을 전기적으로 차단 제어하는 배터리보호기능이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 태양전지 발전식 LED 조명장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부(20)는,

   야간에는 상기 LED 광원(30)의 소정개수의 LED 어레이(31)만을 점등토록 제어하며, 야간이며 상기 모우션 센서(40)를 통해 사용자의 감지가 이루어진 경우에는 상기 LED 어레이(31, 32, 33) 전체가 완전 점등되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양전지 발전식 LED 조명장치.