KR20050105300A - 솔라 조명장치에 적합한 제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 솔라시스템을 이용하여 주간에 충전하였다가 야간에 각종 조명장치에 사용토록 하는 시스템에 있어서, 각 조명장치의 특성에 따라 적절하게 제어가 가능하고 자체적으로 시스템을 보호할 수도 있음은 물론, 여러가지 효과적인 기능들을 추가하여 매우 효율적으로 조명장치를 제어할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

구성의 요지로는 태양에너지를 전기적 에너지로 변환하여주는 태양전지(10)와, 여기서 발생한 전기에너지를 충전할 수 있는 배터리(20)와, 부하포트(70)를 통하여 배터리를 통한 솔라전원을 사용 가능토록 하며, 배터리(20)를 통한 솔라전원 또는 일반전원으로부터 전원을 받아 작동하면서 주야간 판별에 따른 충전과 점등/점멸을 작동케 하는 처리장치(40)와, 처리장치(40)에 연결되어 설정을 위한 입력장치(50)와 작동상태를 알 수 있도록하는 표시장치(60) 및 센서로 구성되는 솔라 제어시스템에 있어서, 조도센서를 구성하여 주야판별을 더욱 명확히 하고 주파수 제어를 이용한 조도 Dimming 효과를 갖게 하며, 회전스위치를 이용하여 점멸 및 점등주기를 선택토록 하고 외부 누름스위치(Push Switch)를 이용하여 초기상태를 구현토록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

솔라 조명장치에 적합한 제어시스템{Controller for Solar Powered Lighting System}

본 발명은 태양에너지를 전기적 에너지로 변환하는 솔라시스템을 이용하여 주간에 충전하였다가 야간에 각종 조명장치에 사용토록 하는 시스템에 있어서, 각 조명장치의 특성에 따라 적절하게 제어가 가능하고 자체적으로 시스템을 보호할 수도 있음은 물론, 여러가지 효과적인 기능들을 추가하여 매우 효율적으로 조명장치를 제어할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 솔라시스템은 무한한 태양에너지를 이용하고 환경오염과 에너지원에 대한 비용 소요가 없다는 점에서 매우 각광받는 대체 에너지의 한가지로서, 근래에 그 사용이 확대되고 있고 좀더 효율적인 사용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.

이러한 태양에너지를 이용한 사용의 한가지 예가 각종 조명장치에 태양에너지를 이용하는 것으로, 태양에너지를 전기적 에너지로 변환하여 충전하였다가 태양광선이 없는 야간에도 사용할 수 있다는 장점에 의해 24시간 연속적인 사용이 필요하지 않은 경우나 전기 소모량이 비교적 크지 않은 조명인 경우에 매우 유용하게 사용되는 것이다.

일반적으로 태양에너지를 전기적인 에너지로 변환하여 사용하는 시스템은 오래전의 기술인 바, 일반적으로 사용되던 조명제어 시스템으로는 태양에너지를 사용하는 솔라조명에는 적합지 아니하여 효율적으로 제어 또는 사용이 이루어지지 못하여 그 활용성에 제한이 있었고 효율성이 매우 저조한 실정이라 할 것이다.

본 발명은 상기한 문제점과 필요성에 의해 안출된 것으로, 각종 교통안전용 조명, 광고용 조명, 조경용 조명 등 각종 조명등에 필요한 제어 시스템을 솔라시스템에 적합하도록 개선함으로써 솔라시스템의 효율성을 향상시키고 매우 효율적으로 조명등을 관리할 수 있도록 함을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에 의한 시스템이 적용되는 조명장치의 구체적인 예로는 철로표지판, 무인단속 표지판, 어린이 보호구역 표지판, 장방형 경광등, 공사현장 표지판, 교통안전 표지판, 항공장애등, 가로등, 도광판, 외부조명, 안전표시 드럼 등과 같이 24시간 사용될 필요가 없으면서 지속적이고 집중적인 보수 점검이 필요한 각종 조명장치들이라 할 것이다.

본 발명은 태양에너지를 이용하는 솔라시스템이 효율적으로 작동하고 관리되도록 하기 위하여 태양전지를 이용한 충전기능, 상태 표시기능 등의 기본적인 기능 외에도, Dimming 효과, Sequence 콘트롤 기능, PWM 주파수 조정을 이용한 LED점등, 펄스 ON/OFF를 이용한 LED점멸 등 사용의 편리성과 효율성을 증진시키도록 함을 특징으로 하는 것으로, 이하 첨부된 도면에 의거 구체적인 실시예의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명을 이루기 위한 기본적인 구성도로서,

태양에너지를 전기적 에너지로 변환하여주는 태양전지(10)와 여기서 발생한 전기에너지를 충전하였다가 필요시 사용할 수 있는 배터리(20)를 구성하였고, 외부로부터 인입되는 일반전원 공급라인(30)을 구비하여 배터리(20)를 통한 솔라전원 또는 외부 일반전원을 자동/수동에 의해 선택적으로 사용 가능토록 하였다.

배터리(20)를 통한 솔라전원 또는 일반전원으로부터 전원을 받아 작동하면서 각종 작용을 제어하는 처리장치(40)가 구성되며, 처리장치(40)에는 키버튼, 회전스위치, 푸시스위치 등의 입력장치(50)와 세븐 세그먼트, LED, 램프 등을 이용한 표시장치(60)가 연결 구성된다.

이러한 처리장치(40)의 제어에 의해입력 전원을 사용할 수 있도록 하는 부하포트(70)가 구성되어 각 조명에 연결토록 구성되고, 필요한 위치에 여러가지 센서를 연결하여 처리장치(40)에 입력됨과 동시에 표시장치(60)를 통하여 표시되도록 하였는데, 상기 각 센서의 구체적인 구성 예로는,

-솔라전원과 배터리전원 및 부하의 전압/전류를 감지하는 센서

-주야판별을 위한 조도센서

-회로기판 상에 설치되어 온도를 감지하는 온도 센서

-일정시간 점등 또는 점멸하기 위한 타이머장치 등이다.

그리고 본 발명의 구체적인 작용을 위하여 처리장치(40)에 설정되는 작용단계를 하나씩 살펴보면,

1. 솔라전원을 이용한 배터리 충전:

주간에 태양전지(10)에서 발생하는 솔라전원이 배터리(20)를 충전토록 하고 이러한 충전된 배터리(20)의 전원을야간에 사용토록 하는데, 솔라전원의 전압과 배터리(20)의 전압을 비교하여 솔라전원의 전압이 더 크면 충전회로가 작동하여 충전을 시작하고, 그 반대로 솔라전원의 전압이 배터리전원의 전압보다 낮으면 충전회로의 작용을 중지한다.

2. 솔라전압을 이용한 주야 판별:

솔라전원이 입력되는 정도를 판단하여 주간인지 야간인지를 판단하여 주간일 경우에는 충전회로를 가동하여 솔라전원을 배터리에 충전시키고 야간일 경우에는 충전을 중지한 후 배터리(20)의 전원을 점등 또는 점멸에 사용토록 한다.

판단기준이 되는 전압은 임의로 설정할 수 있겠으나, 예를 들어 태양전지에서 발생하는 솔라전원의 전압이 3V 이하이면 야간으로 판단하여 배터리(20) 전원으로 조명을 점등 또는 점멸시키토록 하며, 6V 이상이면 주간으로 판단하여 부하를 차단(사용중단)하고 배터리(20) 충전을 시작토록 한다.

3. 배터리 과충전을 방지하기 위한 충전회로의 ON/OFF:

배터리의 한계전압(cutoff voltage)을 설정하여 두고 배터리의 전압을 감지하는 센서가 한계전압에 다다르면 충전을 중단하게 된다.

4. 배터리 과방전을 방지하기 위한 부하 ON/OFF:

배터리 전원을 사용하여 조명을 점등 또는 점멸하는 중에 배터리의 전압을 센서가 감지하여 일정수준 이하에 도달하면 부하를 차단토록 함으로써 과방전을 방지한다.

5. 과충전/과방전 상태 해소시 시스템 자동복구:

과충전 방지 동작 후 배터리 전압이 과충전 전압이하로 충분히 떨어졌을 때 재충전을 시작하고 과방전 방지 동작에 의해 부하가 OFF 되었다가 이 후 배터리 전압이 충분히 재충전된 후 부하 동작을 재개하여 시스템이 처음의 단계인 충전작용부터 정상작용 상태가 되도록 한다.

6. 일시적인 빛이나 어둠에 의한 주야판별 오류방지:

야간에 순간적으로 빛이 유입되어 솔라전원이 발생할 경우에 이러한 상황을 주간으로 판단할 우려가 있으므로 일시적인 솔라전원이 발생하더라도 이를 곧바로 주간으로 판단하지 않고, 이러한 상태가 일정시간 연속되는 상태를 판단하여 주야간 판단에 오류가 없도록 연속되는 시간을 설정토록 한다.

7. 동일한 조절기 내에서의 솔라 구동식과 전기 구동식 선택기능:

하나의 조절시스템으로 솔라전원을 충전한 배터리전원을 사용하는 것과 일반전원을 사용하는 것이 자동 또는 수동으로 선택적인 작용이 가능토록 한다.

8. 일반전원 시스템에서 정전상황 발생시 시스템 구동 전원을 배터리로 전환하여 무정전 동작:

일반전원 모드로 사용중 입력이 중단(정전)시에는 자동으로 배터리전원을 사용토록 한다.

이상의 기능 설정으로 인하여 솔라 조명장치에 적합한 기본적인 제어가 이루어지게 되는 것이며,

이하 도 2를 통하여 본 발명의 시스템이 작동되는 순서를 단계별로 살펴본다.

초기설정 단계:

최초에 사용자가 buffer를 초기화시키고 필요한 설정을 실시한다.

스위치 체크 단계:

스위치가 ON 상태인가를 판단하여 ON이면 다음의 주기 설정 단계로 넘어가고 Off 상태이면 에러 체크 단계로 이어진다.

주기 설정 단계:

스위치가 ON일 때는 점멸 주기와 점등 주기를 설정하여 주고 동시에 표시장치를 통하여 솔라전원의 전압 및 전류, 배터리전원의 전압, 부하 전압 및 전류를 각 센서가 감지하여 표시하게 된다.

에러 체크 단계:

각 부분에 에러가 있는지를 판단하는 단계로서 에러가 없다면 다음의 주야 판별 단계로 연결되고 에러가 발생하였다면, 전류, 전압, 온도 등의 장애를 표시하고 또한 에러 복구기능이 작동한 후 다시 스위치 체크 단계로 이어진다.

주야 판별 단계:

솔라전원의 전압을 체크하는 단계로서, 일정전압 이하이면 다음의 작동인 야간 사용 단계로 이어지고 일정전압을 넘어서면 충전단계인 주간 충전 단계의 동작이 이루어지는데, 이때는 예를 들어 솔라전원의 전압이 3V 이하이면 야간이므로 점등 또는 점멸을 실시하는 단계로 이어지고, 그 반대로 솔라전원의 전압이 6V 이상이면 주간이므로 배터리 충전을 실시하는 단계로 이어진다.

야간 사용 단계:

야간 사용 단계로서 설정된 작동이 점등 모드인지 점멸 모드인지를 판단하여 선택적으로 작동이 이루어지고 작동이 시작됨과 동시에 설정된 시간만큼 타이머가 작동하면서 스위치 체크 단계로 계속 작용이 이어진다.

주간 충전 단계:

솔라전원의 전압이 일정전압을 넘어서면 주간이므로 충전모드가 작용을 하는데, 솔라전원의 전압이 배터리 전압보다 크면 충전을 시작하게 되어 스위치 체크 단계로 동작이 연속 이어지고, 솔라전압이 배터리 전압보다 적으면 충전작용 없이 그대로 스위치 체크 단계로 이어진다.

이하는 상기 본 발명의 기본적인 시스템에 더불어 추가함으로써 기타 특정용도의 조명장치에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

9. 조도센서를 이용한 주야판별 기능:

상기의 솔라전원의 전압으로 주야판별을 하는 기능과 더불어 조도센서가 감지하는 밝기를 주간 및 야간으로 설정하여 줌으로써 주야 판별에 오류가 없도록 한다. 예를 들어 300lux 이상이면 주간, 200lux 이하이면 야간으로 판별하는 것이다.

10. 주파수 제어를 이용한 조도 Dimming 효과 구현:

주파수 제어를 이용하여 발광체의 조도를 원하는 대로 자유롭게 조절하는 것이 가능토록 한다. 즉, 여러 개의 발광체를 순차적으로 점멸할 때 서서히 밝아지고 서서히 어두워지게 하여 순차 연속 점멸로 인한 눈부심 현상을 방지한다.

Dimming 효과 구현을 위해서는 1초 동안에 수십회 이상 발광체를 ON/OFF 하여 항상 켜져 있는 듯한 효과를 주도록 한다. 이 때 초저녁이나 새벽에는 한 주기 내에서 발광체 광원 ON 시간이 광원 OFF 시간보다 크게 하여 발광체의 조도를높이고 한 밤중에는 그 반대로 주변 조도가 어두움으로 한 주기 내에서 발광체 광원 OFF 시간이 광원 ON 시간보다 크게 하여 발광체의 조도를 상대적으로 낮게 한다.

11. 두개 이상의 광원체에 대한 Sequence Control 기능:

여러 개의 광원을 순차적이고 독립적으로 점등 및 소등할 수 있는 기능을 구비한다. 이러한 기능은 가로등과 같이 점등상태만 유지하는 경우에는 필요하지 아니한 기능이다.

12. PWM(Pulse Width Modulation) 주파수 조정(Control)을 이용한 LED 점등기능:

LED의 점등일 경우 펄스 폭의 제어를 이용하여 전력손실을 최소화하면서 LED의 밝기조절을 이룩하도록 한다.

13. 펄스 ON/Off를 이용한 LED 점멸기능:

LED를 점멸하도록 된 조명장치인 경우에 펄스 ON/OFF를 이용하여 점멸토록 한다. 즉, 펄스 ON 시간 동안 켜지고 펄스 OFF 시간 동안은 LED가 소등되도록 하는데 이러한 펄스 폭을 조정하여 점등 시간과 점멸 시간(점멸주기)를 조정할 수 있도록 한다.

14. 시스템 보호를 위한 과전류 차단 기능:

각 부분의 전압 및 전류센서를 통하여 과전류가 입력되면 즉시 작동을 중지토록 한다. 예를 들어 퓨즈를 사용할 수 있을 것이다.

15. 특정온도에서의 시스템 동작 차단및 동작 복구 기능:

시스템을 이루는 회로기판에 근접하여 설치되는 온도센서를 통하여 온도를 감지하고 제한된 온도에 도달하면 모든 작용을 중지시키며, 그 아래의 설정된 온도에 다다르면 자동으로 다시 시스템을 작동토록 한다.

16. 타이머를 이용한 특정 시간 자동 ON/OFF 기능:

타이머를 이용하여 특정시간에 ON 또는 OFF되도록 설정토록 한다.

17. 입력원(일반전원 또는 솔라전원), 배터리 및 출력원(LED 또는 램프)의 전기/전자적인 상태(status) 값 시각적 확인기능:

세븐 세그먼트, LED, 램프 등의 표시장치를 통하여 상기 모든 상태를 숫자 또는 표시로서 확인 가능토록 한다.

18. Led를 이용한 시스템 상태 표시기능:

충전상태 배터리의 방전상태 등을 LED로 표시함으로써 편리하게 확인이 가능토록 한다.

19. 회전스위치(Rotary Switch)를 이용한 점멸주기 선택기능:

작동이 용이한 회전스위치를 이용하여 점멸주기를 설정 가능토록 한다.

20. 회전스위치를 이용한 점등시간 선택기능:

작동이 용이한 회전스위치를 이용하여 점등/소등되는 시간을 설정 가능토록 한다.

21. 외부 누름스위치(Push Switch)를 이용한 초기상태 동작 구현기능:

푸시버튼 타입의 스위치를 이용하여 시스템이 초기상태로 복귀하는 것이 가능토록 한다.

등이다.

이러한 단계별 작용으로 이루어지는 본 발명의 작용에 대하여 실시 예에 의하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제어장치를 사용하기 위하여 우선 기본적으로 처리장치의 프로그램입력을 통하여 시스템보호를 위한 전류의 한계, 충전전압의 한계, 부하전압의 한계, 위험온도 등을 설정하여 입력해 두어야 한다.

사용을 위해서는 회전스위치를 이용하여 일반적인 점등이나 점멸 등 사용용도에 따라서 점등주기 및 점멸주기를 설정하여 준다.

주간에 태양광선이 집열판에 의해 전기적 에너지로 변환이 이루어지고 이러한 솔라전원이 배터리에 충전되는데, 이러한 충전작용은 솔라전원의 전압이 설정된 전압 이상이 되면 주간이라는 판단 하에서 이루어지고 또한 조도센서에 의해서도 주야간이 판별된다.

이러한 충전작용은 솔라전원의 전압이 배터리의 전압보다 낮다면 충전회로는 작동하지 않고 반대로 솔라전원의 전압이 배터리 전압보다 높을 경우에만 충전이 이루어지며, 충전이 이루어지는 도중에 과충전보호 기능에 의해 과도한 충전이 이루어지지 않게 된다.

이러한 상태가 지속되다가 야간이 되면 솔라전원의 전압이 설정된 전압보다 낮아지게 되는데, 이러한 판단에 의해 설정된 주기로 전구, LED 등의 조명이 점등 또는 점멸된다.

배터리의 충전상태가 부족하여 부하전류가 정해진 수치 이하가 되면 부하전원이 OFF된다.

또 야간 작동 중에 일시적인 빛이 유입되어 솔라 전압이 발생하더라도 설정된 임의의 시간 동안 유지되지 않으면 시스템은 주간 작동을 유지한다.

반대로 주간 작동 중에 일시적인 어둠으로 인하여 솔라 전압이 발생하지 않더라도 설정된 임의의 시간 동안 어둠이 유지되지 않으면 시스템은 주간 작동을 유지한다.

사용자의 선택에 의해 배터리에 충전된 솔라전원을 이용하지 않고 일반전원을 사용할 수도 있는데, 이때도 상기한 솔라전원을 사용하는 것과 같은 동작이 이루어지며, 이러한 일반전원을 사용하는 중에 일반전원이 공급되지 않는 것이 센서에 의해 감지되면 배터리의 전원을 사용하는 모드로 자동 전환된다.

상기와 같이 솔라전원 또는 일반전원을 이용하는 중에 과전류가 유입될 경우는 자동으로 시스템이 정지되고,또한 온도센서가 과도한 온도를 감지하여도 시스템을 정지하게 되며, 이러한 상태가 해소되면 다시 자동으로 시스템을 복구하여 처음의 상태부터 작동을 시작한다.

상기 본 발명의 작동 중에서 펄스 ON/OFF를 이용한 LED 점멸기능이 추가됨에 의해 점멸이 필요한 철로표지판, 무인단속 표지판, 어린이 보호구역 표지판, 공사현장표지판, 항공장애등, 도광판, 안전표시 드럼 등에 유용하게 사용될 수 있으며, PWM 주파수 조정을 이용한 LED 점등기능에 의해 LED를 점등하여야 하는 무인단속 표지판, 어린이 보호구역 표지판 등의 교통안전표지판 등에 유용하게 적용된다.

또 두개 이상의 광원체에 대한 Sequenc Control 기능에 의해 순차적으로 점멸을 하여야 하는 장방형 경광등 등을 유용하게 사용할 수 있는 것이다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 솔라전원을 사용하고 충전하는 일반적인 솔라시스템의 작용은 물론이고, 좀더 효율적으로 사용하고 관리하기 위한 배터리 및 시스템의 보호기능, 입력원 및 출력원의 상태를 시각적으로 용이하게 확인할 수 있는 기능 등을 모두 구비한 것으로, 점멸이 필요한 교통, 공사 등의 안전표시, 시간을 제어하여 점등하여야 하는 가로등, 광고판, 외부조명 등 솔라를 적용한 조명시스템에 안정적이고 효율적으로 사용할 수 있게 되므로 태양전지를 이용한 각종 조명시스템의 기능을 한 차원 더 발전시키게 되는 유용한 발명이라 할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 시스템의 작동 순서도

도 2는 본 발명에 의한 제어장치의 구성 예시도

***도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명***

10: 태양전지

20: 배터리

30: 일반전원 공급라인

40: 처리장치

50: 입력장치

60: 표시장치

70: 부하포트

Claims (6)

1. 태양에너지를 전기적 에너지로 변환하여주는 태양전지(10)와, 여기서 발생한 전기에너지를 충전할 수 있는 배터리(20)와, 부하포트(70)를 통하여 배터리를 통한 솔라전원을 사용 가능토록 하며, 배터리(20)를 통한 솔라전원 또는 일반전원으로부터 전원을 받아 작동하면서 주야간 판별에 따른 충전과 점등/점멸을 작동케 하는 처리장치(40)와, 처리장치(40)에 연결되어 설정을 위한 입력장치(50)와 작동상태를 알 수 있도록하는 표시장치(60) 및 센서로 구성되는 솔라 제어시스템에 있어서,

   조도센서를 구성하여 주야판별을 더욱 명확히 하고 주파수 제어를 이용한 조도 Dimming 효과를 갖게 하며, 회전스위치를 이용하여 점멸 및 점등주기를 선택토록 하고 외부 누름스위치(Push Switch)를 이용하여 초기상태를 구현토록 하는 것을 특징으로 하는 솔라 조명장치에 적합한 제어 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   두개 이상의 광원체에 대한 Sequence Control 기능을 포함하여 순차적인 점멸발광에 적합하도록 함을 특징으로 하는 솔라 조명장치에 적합한 제어 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   PWM(Pulse Width Modulation)방식의 주파수 조정(Control)을 이용하여 LED 점등토록 함으로써 점등 기능만을 갖는 조명장치에 적합토록 함을 특징으로 하는 솔라 조명장치에 적합한 제어 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   펄스 ON/Off를 이용하여 LED를 점멸토록 하는 것을 특징으로 하는 솔라 조명장치에 적합한 제어 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   시스템 보호를 위한 과전류를 차단토록 하고 온도센서에 의해 특정온도에서 시스템 동작을 차단 및 복구토록 하며, 타이머를 이용하여 특정 시간에 자동으로 ON/OFF되도록 하고 입력원과 배터리 및 출력원의 전기/전자적인 상태 값을 시각적으로 확인토록 하며, LED를 이용하여 시스템 상태를 표시하도록 하는 것을 포함함을 특징으로 하는 솔라 조명장치에 적합한 제어 시스템.
6. 제 5항에 있어서,

   두개 이상의 광원체에 대한 Sequence Control 기능을 포함하고 PWM방식의 주파수 조정을 이용하여 LED를 점등토록 하며, 펄스 ON/Off를 이용한 LED 점멸 기능을 포함하여 광고조명에 적합토록 함을 특징으로 하는 솔라 조명장치에 적합한 제어 시스템.