KR20140006500A - 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템에 관한 것으로, 솔라 에너지와 같은 그린 에너지를 LED 구동 에너지로 이용할 때 낮에는 솔라 에너지를 이용하고 밤에는 일반 전기 에너지를 이용하는데, 상기 솔라 에너지 및 전기 에너지를 배터리에 충전해 두고 솔라 에너지나 전기 에너지 충전이 불가능할 때 상기 배터리를 이용하여 LED가 구동되는 에너지로 이용하고자 하는, 본 발명은 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 전원 공급부; 태양광으로부터 솔라 에너지를 수신하는 솔라 에너지 수신부; 상기 전원 공급부의 전원 및 상기 솔라 에너지 수신부를 통해 출력되는 전원을 충전하는 배터리; 상기 솔라 에너지 수신부의 솔라 에너지량에 따라, 상기 솔라 에너지 수신부 또는 상기 전원 공급부로부터 상기 LED 드라이버로 전류가 공급되도록 스위칭하되, 지정된 낮 시간에는 상기 솔라 에너지 수신부의 전원이 LED 드라이버로 입력되도록 하고, 지정된 밤 시간에는 상기 전원 공급부의 전원이 LED 드라이버로 입력되도록 하는 MCU; 상기 솔라 에너지 수신부의 솔라 에너지 또는 전원 공급부로부터 공급되는 에너지(전원) 또는 상기 배터리로부터 공급되는 전원으로 LED가 구동되도록 하는 LED 드라이버;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템{SMART LIGHTING SYSTEM USING SOLAR ENERGY}
본 발명은 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템에 관한 것으로, 솔라 에너지와 같은 그린 에너지를 LED 구동 에너지로 이용할 때 낮에는 솔라 에너지를 이용하고 밤에는 일반 전기 에너지를 이용하는데, 상기 솔라 에너지 및 전기 에너지를 배터리에 충전해 두고 솔라 에너지나 전기 에너지 충전이 불가능할 때 상기 배터리를 이용하여 LED가 구동되는 에너지로 이용하고자 하는, 본 발명은 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템에 관한 것이다.
최근에는 주. 야별 전력 소모에 따른 전력공급 이슈들과 저전력 가로등, 신호등 등 광원들의 절전 광원 구축을 위하여 도시마다 LED 등으로 교체하고 있다.
그러나, 주·야간별로 조도센서를 이용한 밝기 제어가 이루어 지거나 Solar Cell or Windmill 등을 통한 전력 공급을 통한 파워 공급만 행해지고 있을 뿐이다. 이때, 조도센서가 고장나거나, 먼지, 곤충과 같은 이물질 등에 의한 빛 차단이 발생하는 경우 조도센서가 제대로 주변 밝기를 측정할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 LED등이 너무 어둡게 구동되는 문제점이 발생한다.
또한, 태양광이나, 바람이 없을 경우에는 태양광이나 바람을 이용한 전력공급이 이루어지지 않으므로 전력을 모두 발전소에 부담시켜야 하는 상황이다.
첨부된 도면 도 1 및 도 2는 종래의 솔라 에너지를 이용한 라이팅 시스템의 일 실시예도이다.
도 1에 도시된 LED 가로등은 Green Energy Source(태양광, 풍력 등)를 이용한 파워소스를 활용하여 LED lighting 시스템을 설계한 일 실시예이며, 도 1을 구성하는 회로도를 도 2를 통해 살펴보면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 종래의 시스템은 기존 지역전력공급소의 파워소스인 AC/DC와, Solar Panel 파워소스와, 두 가지 전원소스의 선택적 절환 제어를 위한 Q1, Q2 스위치와, 불안정한 솔라셀 전력을 충전하여 안정하게 사용하기 위한 Charger/Battery와, 주변 밝기에 따른 LED 밝기를 조절하기 위한 조광센서 및 전체 파워를 관장하고 모니터링 해주는 MCU(Micro Controller Unit)로 구성된다.
AC/DC는 기존 한국전력공사의 AC 전원소스를 받아서 LED Driver를 구동시키는 입력 전원으로 변환하기 위한 AC/DC 컨버터이며, Solar Panel에 연결된 Charger 및 배터리를 통해 태양광 조건에서 파워소스를 안정적으로 만들어 내기 위해 연결된 Battery에 충전하기 위한 Charger로 태양광 전원소스를 공급하게 된다.
이때 MCU는 ADC포트에 두 가지 전원소스의 전압이 입력되어 MCU에 의해 비교되어 Solar 전원이 충분할 경우, Q2 스위치를 On시켜 지역전력공급소의 전력을 절약할 수 있다.
그러나, 태양광 발전 조건이 되지 않는 흐린 날의 경우 배터리는 무용지물이 되게 된다. 즉, 태양광 조건하에서만 전력을 절감할 수 있는 단점이 있다.
또한, 주변 밝기를 센싱(감지)하는 조광센서를 설치하여 주변이 밝으면 LED 밝기를 밝게 제어하게 된다. 그러나, 주변 밝기를 센싱하는 조광센서의 경우에는 실외에 설치되므로 먼지나 이물질이 제거되도록 정기적으로 깨끗하게 관리해주어야 하는 불편함이 있다.
한국공개특허 제10-2010-0003090호(출원번호)의 '솔라모듈을 이용한 조명 제어 시스템'은, 솔라모듈을 이용한 조명 제어 시스템에 관한 것으로, 태양광 발전을 통해 획득한 직류전원을 이용하여 직접 건물 내의 광원을 동작시키되 배터리 수명의 극대화가 가능한 관리기법을 제공한다. 한편, 솔라모듈이 설치된 다수의 건물마다 상태정보를 통합하여 수집, 관리할 수 있는 조명 제어 시스템을 제공한다.
상기 특허는 단순 솔라모듈을 통해 수집한 전력을 LED의 광원으로 사용하되 배터리의 수명을 극대화할 목적으로 마스터 콘트롤러를 통해 배터리에 스트레스가 최소화되도록 충/방전을 제어하는 기술로 본 발명과는 근본 기술 목적 및 효과가 상이하다.
본 발명은 위에서 서술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전력 소비가 많은 주간에는 솔라 에너지를 이용하고 야간에는 전기 에너지를 이용하되, 상기 솔라 에너지와 전기 에너지를 배터리에 충전해 두고, 솔라 에너지를 이용할 수 없는 흐린 날의 경우에도 상기 배터리에 충전된 에너지를 활용할 수 있도록 하는 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.
즉, 전력 공급을 효과적으로 제어함으로써 LED의 구동 전력비를 최소화할 수 있는 스마트 라이팅 시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템은, 전원 공급부; 태양광으로부터 솔라 에너지를 수신하는 솔라 에너지 수신부; 상기 전원 공급부의 전원 및 상기 솔라 에너지 수신부를 통해 출력되는 전원을 충전하는 배터리; 상기 솔라 에너지 수신부의 솔라 에너지량에 따라, 상기 솔라 에너지 수신부 또는 상기 전원 공급부로부터 상기 LED 드라이버로 전류가 공급되도록 스위칭하되, 지정된 낮 시간에는 상기 솔라 에너지 수신부의 전원이 LED 드라이버로 입력되도록 하고, 지정된 밤 시간에는 상기 전원 공급부의 전원이 LED 드라이버로 입력되도록 하는 MCU; 상기 솔라 에너지 수신부의 솔라 에너지 또는 전원 공급부로부터 공급되는 에너지(전원) 또는 상기 배터리로부터 공급되는 전원으로 LED가 구동되도록 하는 LED 드라이버;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, AC/DC 파워나 솔라 에너지를 통해 배터리를 충전하고, 낮 시간에는 솔라 에너지 또는 충전된 전력을 사용하므로, 전력 사용비가 비싼 낮시간대에 지역 공급소의 전력을 사용하지 않게 되는 이점이 있다.
또한, 날씨가 흐리거나 비가 오는 등 태양광 발전 조건이 되지 않는 경우에도 배터리를 활용할 수 있으므로, 전력 사용비를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
또, 기존의 시스템에 설치된 조광센서의 먼지나 이물질을 정기적으로 깨끗하게 관리해주어 하는 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 솔라 에너지를 이용한 라이팅 시스템의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이고,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템의 일 실시예를 설명하기 위한 블록도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압과 태양광 광도의 관계를 나타낸 그래프도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에서 스마트 라이팅 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적인 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기록된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부된 도면 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템의 일 실시예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 기존 지역전력공급소(예를 들면, 한국전력공사)의 파워소스인 전원 공급부(10, AC/DC)와, 태양광으로부터 솔라 에너지를 수신(집약)하는 솔라 에너지 수신부(20, Solar Panel), 상기 전원 공급부(10)의 전원 및 상기 솔라 에너지 수신부(20)를 통해 출력되는 전원을 충전하는 배터리(40), 상기 솔라 에너지 수신부(20)의 솔라 에너지량에 따라, 상기 솔라 에너지 수신부(20) 또는 상기 전원 공급부(10)로부터 상기 LED 드라이버로 전류가 공급되도록 스위칭하되, 지정된 낮 시간에는 상기 솔라 에너지 수신부(20)의 전원이 LED 드라이버(50)로 입력되도록 하고, 지정된 밤 시간에는 상기 전원 공급부(10)의 전원이 LED 드라이버(50)로 입력되도록 하는 MCU(80), 상기 솔라 에너지 수신부(20)의 솔라 에너지 또는 전원 공급부(10)로부터 공급되는 에너지(전원) 또는 상기 배터리로부터 공급되는 전원으로 LED가 구동되도록 하는 LED 드라이버(50)를 포함하여 구성된다.
상기 솔라 에너지 수신부(20)는 일 실시예로 솔라 패널이 적용될 수 있으며 풍력 등과 같은 기타 그린 에너지(Green Energy)를 포함할 수 있다.
특히, 상기 MCU(80)는 상기 솔라 에너지 수신부(20)의 솔라 에너지량에 따라, 상기 솔라 에너지 수신부(20) 또는 상기 전원 공급부(10)로부터 상기 LED 드라이버로 전류가 공급되도록 스위칭하는데, 스위칭부(30)에서 이를 제어할 수도 있다.
스위칭부(30)는 도 4에 상세한 회로도로 도시되어 있다.
상기 MCU(80)는, 배터리(40), Solar Panel(20) 전원상황, Day/Night 전력공급상황에 따라서 전력소스 절환용 Q1, Q2 스위치부의 제어를 수행한다. 또한 고장에 대비하여 모든 전원을 모니터링 하고 있다.
도 3의 스위치 Q1과 Q2가 연결되는 조건은 아래의 표 1에 제시되어 있다.
Q1 Q2 LED 드라이버 소스 조건(Condition)
On Off AC/DC Night or Low-Battery and No-sun
Off On 솔라 에너지 Day(with Sun Light)
Off Off N.A AC/DC 고장 시
Day/Night는 기지정될 수 있으며, 전력 소모가 많은 am 8:00 - pm 8:00를 Day로, pm 8:00 - am 8:00를 Night로 지정할 수 있으며, 지역별, 계절별로 다르게 지정할 수 있음은 물론이다.
또, 상기 MCU(80)는 상기 솔라 에너지 수신부(20)의 출력전압에 비례하여 상기 LED 드라이버(50)의 구동 전원값을 제어한다. 즉, 태양광을 통해 솔라 에너지를 다량 수신할 수 있는 경우에는 맑은 날씨로 인해 주변 밝기가 밝은 것이므로 LED 드라이버(50)가 구동될 때 밝기를 더 밝게 한다. 주변이 밝은 경우(낮)에도 항시 구동되어야 하는 신호등이나 간판 등은 주변의 밝기와 비교하여 더욱 밝아야 표출되기 때문이다.
즉, 도 4에서처럼 Solar Panel과 AC/DC 파워소스 간에 비교기부를 통해 전압이 높은 것을 LED-light 구동부의 입력 전원으로 사용한다. 광입사량과 전압과의 자연 물리적인 관계를 이용하여 주변이 밝을 때(광입사량이 클 때) 더 큰 솔라에너지로 더 큰 전압에 비례하는 제어 입력값으로 LED-light구동전류를 크게 하여 화면을 밝게 하여 화면이 잘 보일 수 있도록 수행하게 된다.
즉, 솔라셀의 출력전압을 그대로 조광센서의 출력신호처럼 조도밝기 레벨로 사용하여 LED-light구동부의 LED 등의 출력전류를 제어하기 위한 입력신호로 사용하게 되므로, 조광센서가 필요치 않게 되므로 소비전력을 절약할 수 있게 된다.
첨부된 도면 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압과 태양광 광도의 관계를 나타낸 그래프도로, 태양광 광도와 출력전압의 관계를 도시하고 있다.
일반적으로, 효율을 높이기 위해 솔라셀 모듈에 은(Ag)을 추가하여 제조하게 되는데 이때 태양광 광도(Luminance)와 출력전압의 비례하는 관계를 도 5에서 나타내고 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에서 스마트 라이팅 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
MCU는 실시간과 배터리상태를 체크하고 또한, 솔라 판넬의 출력전압을 모니터링 한다.
1단계로 전력비용이 비싼 낮 시간대인지 전력비용이 저렴한 밤 시간대인지 실시간을 판단하여, 만약 밤 시간대이면 전력비용이 저렴한 지역 전력공급소의 전원을 통해 배터리에 충전도 하고, LED 또는 신호등 전원소스로 공급하게 된다.
이때, 비록 저녁시간 때이나 태양광 에너지가 LED 또는 신호등을 켜기에 충분하게 존재한다면 전원소스를 태양광을 이용하게 되며, 이때에는 지역 전력공급소의 전력비용을 절약하게 된다.
만약 낮 시간대이면 가급적 솔라 에너지 및 배터리로 LED 또는 신호등 전원소스로서 활용하여 전력비용을 최소화한다.
이때, 솔라셀 에너지가 부족하다면 밤시간대 충전된 배터리에서 LED 또는 신호등의 구동 전원소스로써 사용한다. 그리고 거의 드문 일이지만, 최악의 경우 배터리가 완전히 방전된 경우이고 또한 솔라셀 에너지가 LED 또는 신호등을 켜기에 부족한 경우에 한에서만 지역 전력공급소의 전력을 LED 또는 신호등의 전원 소스로 사용하게 된다.
상술한 시스템은 신호등이나 간판과 같은 실외 설치물에 적용될 뿐 아니라, 건물 등의 실내 LED를 구동시키기 위해 솔라 패널을 설치하는 경우, 솔라 패널과 지역 전력공급소의 전력을 상기 방식으로 적용할 수 있음은 물론이다.
10: 전원 공급부 20: 솔라 에너지 수신부
30: 스위칭부 40: 배터리
50: LED 드라이버 60: LED 램프
70: 디바이더 80: MCU

Claims (5)

  1. 전원 공급부;
    태양광으로부터 솔라 에너지를 수신하는 솔라 에너지 수신부;
    상기 전원 공급부의 전원 및 상기 솔라 에너지 수신부를 통해 출력되는 전원을 충전하는 배터리;
    상기 솔라 에너지 수신부의 솔라 에너지량에 따라, 상기 솔라 에너지 수신부 또는 상기 전원 공급부로부터 상기 LED 드라이버로 전류가 공급되도록 스위칭하되, 지정된 낮 시간에는 상기 솔라 에너지 수신부의 전원이 LED 드라이버로 입력되도록 하고, 지정된 밤 시간에는 상기 전원 공급부의 전원이 LED 드라이버로 입력되도록 하는 MCU;
    상기 솔라 에너지 수신부의 솔라 에너지 또는 전원 공급부로부터 공급되는 에너지(전원) 또는 상기 배터리로부터 공급되는 전원으로 LED가 구동되도록 하는 LED 드라이버;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 MCU는
    상기 솔라 에너지 수신부의 전원과 상기 전원 공급부의 전원을 비교하여 전원값이 더 큰 쪽의 전원이 상기 LED 드라이버의 구동 전원으로 사용되도록 하는 것을 특징으로 하는 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 MCU는
    상기 솔라 에너지 수신부의 출력전압에 비례하여 상기 LED 드라이버의 구동 전원값을 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 MCU는
    상기 솔라 에너지 수신부의 출력전압이 클수록 상기 LED 드라이버의 구동 전원값을 크게 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 MCU는
    상기 솔라 에너지 수신부의 출력전압에 비례하여 상기 LED 드라이버의 구동 전원값을 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라 에너지를 이용한 스마트 라이팅 시스템.
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