KR950013139B1 - 마이크로컴퓨터를 이용한 태양추적장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

마이크로컴퓨터를 이용한 태양추적장치 및 그 방법

제 1 도는 본 발명에 의한 센서출력신호 검출 회로도.

제 2 도는 본 발명에 의한 태양추적장치의 구조를 보인 블록 다이어그램.

제 3 도는 본 발명에 의한 태양추적 방법을 보인 플로우 챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광센서 2 : 총광량센서

3 : 광센서 4 : A/D변환기

5, 5', 5" : PPI 6 : CPU

7 : 롬 8 : 램

9 : 콘트롤러 10 : 모우터 드라이브

11 : 실시간 클럭세팅수단 12 : 위도, 경도 세팅수단

13 : 표시장치 14 : 리미트 스위치

15 : 실시간클럭

본 발명은 CPU와 주변장치를 결합하여 태양에너지 수집장치가 태양을 정확히 향하도록 모우터를 구동, 제어하기 위한 마이크로컴퓨터를 이용한 태양추적장치 및 그 방법에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 근래에는 화석 에너지의 사용으로 인하여 환경의 심각한 오염이 사회문제로 되고 있으며, 따라서 소위 크린 에너지의 개발이 전세계적으로 활발이 추진되고 있는 것이다. 그 대표적인 일예가 태양에너지의 개발이다. 이러한 태양에너지를 활용하기 위하여는 먼저 수집과정이 필요하게 되는데 태양은 항상 위치가 변화되는 것이므로 고정된 구조의 수집장치로는 그 효율이 저조하여 실용에 문제가 있는 것이다. 그러므로 최근에는 태양에너지의 수집장치가 태양의 방향을 추적하여 향일성(向日性)이 유지되도록 함으로써, 태양에너지가 효율적으로 태양에너지 이용기기에 전달될 수 있도록 하는 태양추적장치들이 제안된 바 있다.

이러한 태양추적장치들은 크게 보아 프로그램에 의하여 계산된 좌표에 따라 구동모우터가 작동됨으로써 태양을 추종하는 좌표계산방식과, 수시로 광센서에 의하여 검출되는 신호출력에 따라 구동모우터를 제어하여 태양을 추종하는 광센서방식의 두가지로 분류할 수 있다.

이러한 좌표계산 방식은 일기상태에 구애받지 않고 태양을 추종할 수 있다는 장점이 있는 반면에 오차의 누적으로 주기적인 번거로운 교정작업이 필수적이므로 유지, 보수의 번거로움이 있으며, 광센서 방식은 그 구조가 비교적 간결하다는 장점은 있으나 날씨가 흐린 경우에는 태양의 추적이 불가능하고 이러한 상태로 시간이 경과되어 태양의 위치가 상당히 변화된 경우에는 태양이 추적장치의 추적가능범위를 벗어나게 되어 추적 자체가 불가능하게 되는 것이며, 추종가능범위가 협소하여 작동의 연속성이 유지되기 어렵다는 등의 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 이러한 각 방식들이 지니고 있는 장점을 취합하고 각 방식들의 문제점들을 해결하여 이상적인 태양추적방법과 태양추적장치를 제어공함을 목적으로 하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적은 먼저 태양의 위치를 프로그램에 의하여 태양에너지응용기기가 설치된 지점의 경도, 위도와 년, 월, 일, 시, 분, 초를 입력하여 프로그램에 의하여 태양의 고도각과 방위를 계산하여 구동모우터를 작동시킴으로써 태양의 위치로 수집장치를 이동시키고 이어서 광센서에 의하여 신호를 검출하여 태양을 향하는 정확한 위치로 되도록 재차 구동모우터를 가동시키도록 함으로써, 일기가 양호한 경우에는 프로그램에 의하여 계산되고 광센서에 의한 검출신호에 의하여 수집장치가 매우 정확한 고도각과 방위를 유지하여 수집효율을 극대화할 수 있도록 하고, 아울러 일기가 불순한 경우에는 프로그램에 의하여 계산된 고도각과 방위각으로 되도록 수집장치 구동 모우터를 작동시켜 줌으로써 태양에너지 이용기기의 수집효율을 크게 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있도록 한 것이다.

이와같이 본 발명을 첨부도면에 따라 상세히 설명하기로 한다.

제 1 도에 본 발명에 사용되는 센서출력신호 검출회로를 보였다.

제 2 도에서 볼수 있는 바와같이 본 발명에서는 태양을 추적하기 위한 수단으로 동서남북측으로 향한 광센서(1)와 총광량센서(2)등 광센서(3)들의 신호를 마이크로컴에서 입력신호로 활용되기 위하여 일정한 크기 이상으로 증폭하게 되는 것이며 이때의 신호크기는 가변저항으로 조절하게 되는 것이고 이와 같이하여 얻어진 신호는 출력단자로 출력되는 것이다.

이러한 출력신호는 각 광센서(3) 마다 접속된 신호증폭기에서 출력되는 것이다.

제 2 도에서는 본 발명에 의한 태양추적장치의 전체적인 구성을 도시하였다.

이에서는 다수개의 광센서(3)의 신호출력을 아날로그에서 디지탈신호로 반전시켜주기 위한 A/D(ANALOG TO DIGITAL)변환기(4)와, A/D변환기(4)의 출력신호를 CPU(6)의 명령에 의하여 선택적으로 출력시키기위한 PPI(5)와, CPU(6)의 명령에 의하여 리미트스위치와 실시간 클럭(15), 그리고 실시간 클럭(15)의 세팅과 위도, 경도의 세팅출력을 선택적으로 출력시키도록 하는 PPI(5')와, 콘트롤러(9)로 CPU(6)의 명령를 전달하는 PPI(5")와, PPI(5)로부터 전달되는 CPU(6)의 명령과 리미트 스위치(14)에 의하여 모우터(M)(M')의 구동을 위한 각종의 출력을 발생시키는 논리회로로 구성된 콘트롤러(9)와, 콘트롤러(9)에 의하여 공급되는 신호를 증폭하여 모우터(M)(M')를 구동하는데 필요한 대전류의 스위칭이 가능하도록 하는 모터 드라이브(10)와, 태양의 고도각과 방위각, 그리고 광센서(3)에 의한 신호출력에 의하여 PPI(5")를 통하여 콘트롤러(9)에 출력을 공급하도록 하는 프로그램이 탑재된 롬(7)과, 작동에 필요한 데이타의 수록등을 위하여 사용되는 램(9)과, 상기의 PPI(5, 5', 5")들과 콘트롤러(9) 그리고 롬(7)과 램(8)으로부터 각종의 데이타를 수신하고 명령을 출력시키도록 하는 CPU(6)로 된 것이다.

그리고 본 발명에서의 실시간 클럭(15)과 램(8)에는 데이타 백업을 위하여 전지를 접속하였으며, 아울러 실시간 클럭 세팅 수단(11) 및 위도, 경도세팅수단(12)과 PPI(5')사이에 세팅상황을 표시하여 세팅작업을 돕는 표시장치(13)를 접속하였다.

이와같은 구성으로 된 본 발명에 의한 태양추적 방법을 제 3 도로 보였으며, 편의상 이를 참조하여 구체적인 작동과 추적방법을 아울러 설명하면 다음과 같다.

전원을 인가하면 가장 먼저 램(8)에 있는 데이타가 초기화되고 이어서 CPU(6)는 모우터(M),(M')를 작동시켜 원점으로 복귀되도록 하는 것이다.

이때 모우터(M),(M')의 작동에 의해서 태양에너지 이용기기가 일정방위각과 고도각이 되도록 하여 정지시키게 되는 것이며, 이를 의하여 예를 들면 태양에너지 이용기기를 정남향으로 설시할 경우 북에서 동으로 30°위치에 리미트스위치를 설치하여 방위각의 원점으로 하고, 태양에너지 이용기기가 지면과 수직이 되는 위치에 리미트스위치를 설치하여 고도각의 원점으로 할 수 있는 것이다.

이러한 원점의 설정은 프로그램에 데이타를 입력시켜 설정할수도 있으나 리미트스위치를 사용하여 누적오차를 줄이도록 한 것이다.

이와같이 하여 태양에너지 이용기기가 이동하여 방위각과 고도각이 원점의 위치로 이동하면 리미트스위치가 온되므로 CPU(6)는 이를 인식하고 모우터(M),(M')로 공급되던 전원을 차단함과 동시에 표시장치(13)를 리세트시켜 주게 되는 것이다.

이어서 CPU(6)는 PPI(5)를 경유하여 사용자가 실시간 클럭 세팅 수단(11)과 위도, 경도세팅수단(12)를 조작하여 입력시킨 년월일시분초데이타와 설치지역의 위도 및 경도데이타를 읽어 들이게 되는 것이다.

이러한 데이타의 확보가 이루어진 후에는 먼저 태양의 고도각(高度角)을 계산하여 고도각이 0°이하인 경우에는 아직 해가 뜨지 않은 시간이므로 예를 들면 5분간 시간지연시킨 다음 다시 년월일시분초데이타와 설치지역의 위도 및 경도 데이타를 읽어 들이게 되는 것이다.

이와 같은 과정을 반복하다보면 태양이 뜨게 되어 고도각이 0°를 넘게 되며 이때 CPU(6)는 전기의 입력된 데이타에 의하여 방위각(方位角)을 계산하게 되는 것이다.

이러한 CPU(6)에 의한 일련의 고도각 및 방위각 계산은, 위도를 α라 하고 경도를 β라고 할때 한지점에서의 태양의 시간각(時間角)을 h, 태양의 편위를 δ라고 하면 태양의 고도각 θ 및 태양의 방위각는

sinθ=sinαsinδ+cosαcosδcosh ……………………………………… (1)

cosθsinα-sinδ

cos= ………………………………………………………………………… (2)

cosθcosα

로 된다.

또한 시간각 h는 그 지역의 태양이 남중하는 시간인 12시를 0°로 하여 오전에는 음(-)의 값을, 오후에는 양(+)의 값을 갖게 되며 대한민국의 경우 동경 135°를 기준으로 한 표준시(標準時)를 채택하고 있으므로, 상기 시간각 h는

h=(τ-12)×15°+β-135°……………………………………………… (3)

로 되며 여기서 τ는 24시간을 기준으로 한 시간이다.

또한 태양의 편위 δ는 춘추분에 0°이며 동지와 하지를 정점으로 -23.5°에서 +23.5°까지 월일에 따라 변화되는 값으로 이러한 값은 천문역표에서 구할수 있으므로 천문역표를 롬(7)에 입력시켜 독출하도록 하는 것이다.

상기한 바와 같은 공식을 프로그램화하여 롬(7)에 입력시키게 되는 것이며 이와 같이 하여 고도각 및 방위각을 산출하게 되는 것이다.

그리고 산출된 방위각이 0°내지 180°의 범위밖에 있는 경우에는 작동이 불가능한 상태로 된 것이므로 시스템을 초기화 하여 태양에너지 수집장치가 원점에서 대기하며 전술한 바의 진동을 다시 시작하게 되는 것이다.

이와 같이 하여 산출된 고도각 및 방위각에 의하여 CPU(6)는 PPI(5")와 콘트롤러(9) 그리고 모우터 드라이브(10)가 작동되도록 함으로써 모우터(M),(M')가 태양에너지 이용기기의 수집장치를 이동시켜 태양으로 향하도록 하는 것이며, 이때의 고도각 및 방위각은 누산 카운터가 이를 기록하게 되는 것이다.

이러한 상태에서 태양에너지 수집효율은 어느 정도 보장되는 것이다.

그러나 점차 시간이 경과함에 따라 누적오차가 발생하고 그러므로 교정의 필요가 있는 것이다.

이를 위하여 CPU(6)는 PPI(5)를 경유하여 총광량센서(2)의 디지탈 신호를 읽어 들여 센서가 받는 광량이 15,000 1×인 경우에 출력신호를 1로 하여 1 보다 클 경우에는 맑은날로 보고 1 보다 작은 경우에는 흐린날로 판단하며 흐린날인 경우에는 광센서(3)에 의한 교정이 불가능하므로 전기의 식(1), (2)에 의하여 계산된 결과에 의하여 고도각 및 방위각을 얻고 이에 의하여 모우터(M), (M')를 가동하여 태양에너지 수집장치를 이동시키는 전술한 바의 과정을 반복하며, 맑은날인 경우에는 각 광센서(1)의 디지탈 출력신호의 크기가 같은가를 비교하여 같은 경우에는 현재의 위치가 태양을 향하고 있는 정확한 것이므로 계속 실시간클럭(15) 및 경도, 위도세팅값을 근거로 식(1), (2)에 의하여 고도각 및 방위각을 계산하는 전술한 바의 과정을 반복하며, 각 광센서(1)의 디지탈 출력신호의 크기가 다른 경우에는 동측 광센서(1)와 서측 광센서(1)의 출력의 합이 총광량센서(2)의 출력과 같은지를 판단한다.

이러한 판단 결과 같은 경우에는 현재의 방위각이 정확한 것이므로 총광량센서(2)의 출력값이 1 이상인가를 판단하는 전술한 바의 과정으로 복귀하는 것이다.

또한 북측광센서(1)와 남측광센서(1)의 출력의 합이 총광량센서(2)의 출력과 같은지를 판단하는 것이며 같은 경우에는 현재의 고도각이 정확한 것이므로 총광량센서(2)의 출력값이 1 이상인가를 판단하는 전술한 바의 과정으로 복귀하는 것이다.

만일 이때의 판단결과 총광량센서(2)의 값과 두 광센서(1)들의 값이 다른 경우에는 방위각이나 고도각이 부정확한 것이며, 이러한 경우에는 즉시 총광량센서(2)의 값에서 두센서의 출력값을 합하여 빼는 것이며, 그 결과 동측센서의 출력값이 서측센서의 출력값보다 큰 경우에는 반시계방향으로 태양에너지 수집장치가 회전되도록 하며, 작은 경우에는 시계방향으로 태양에너지 수집 장치를 회전시켜 주고 다시 총광량센서(2)의 출력값이 1 이상이 되는지를 판단하는 전술한 바의 과정으로 복귀하여 계속 태양에너지 수집장치를 회전시킴으로써 총광량센서(2)의 값이 동측 광센서(1)와 서측 광센서(1)의 출력값을 합한 것과 동일하게 되는 시점까지 도달하는 것이고, 동일하게 된 시점에서 다시 총광량센서(2)의 출력값이 1 이상인가를 판단하는 전술한 바의 과정을 복귀하는 것이다.

아울러 남측센서의 출력값이 북측센서의 출력값보다 큰경우에는 반시계방향으로 태양에너지 수집장치가 회전되도록 하며, 작은 경우에는 시계방향으로 태양에너지 수집 장치를 회전시켜주고 다시 총광량센서(2)의 출력값 1 이상이 되는지를 판단하는 전술한 바의 과정으로 복귀하여 계속 태양에너지 수집장치를 회전시킴으로써 총광량센서(2)의 값이 남측 광센서(1)와 북측광센서(1)의 출력값을 합한 것과 동일하게 되는 시점까지 도달하는 것이고, 동일하게 된 시점에서 다시 총광량센서(2)의 출력값이 1 이상인가를 판단하는 전술한 바의 과정으로 복귀하는 것이다.

이와 같은 일련의 과정으로 본 발명은 먼저 프로그램에 의하여 태양의 고도각과 방위각을 계산하여 태양에너지 수집장치를 이동시키고 이어서 누적오차등에 의한 오류를 제거하기 위하여 광센서에 의하여 검출된 값으로 재차 위치 조정함으로써 태양을 매우 정확하게 추종할 수 있게 되는 것이어서 본 발명에 의한 장치를 방위각 조정을 위한 모우터(M)와 고도각 조정을 위한 모우터(M')로 1펄스당 0.9°씩 움직이는 스탭핑모우터(M)와 감속비 1/40인 웜 감속기 그리고 감속비 1/2인 기어로 구성 제작하여 운용한 결과 이론상 추적 정밀도는 0.9'×1/40×1/2=0.01125°이었으나, 감속기의 백래쉬에 의하여 실제로는 오차가 0.015°로 되었으며, 이러한 수준은 매우 우수한 추적성능이어서 만족할만한 태양에너지 수집성능을 얻을수 있는 것으로 평가되었다.

아울러 리미트스위치가 눌러지면 현상태에서 정지하여 익일의 태양추적을 위하여 점검 및 보수가 가능하게 되는 것이며, 익일에는 전원이 재차 공급되면서 전술한바의 동작을 반복하여 정상적인 작동을 수행하게 되는 것이다.

그리고 본 발명에서 사용되는 광센서는 적외선 영역에서 최고의 감도를 갖는 포토다이오드를 이용하는 것이 바람직한 것이다.

이와 같이 하여 본 발명은 일기에 구애 받지 않고 태양의 추적이 가능하며 누적오차의 보상을 위한 교정작업이 불필요한 상태에서 고도의 정확한 향일성을 확보할 수 있으므로 태양에너지수집 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 유지보수에 따른 인건비를 최소화할 수 있게되어 시설 운용비를 절감할 수 있게 되고, 태양의 위치에 불문하고 항상 태양의 추적이 가능하게 되어 작동의 연속성을 유지할수 있으므로 태양에너지의 안정적 공급에 기여할 수 있게 되는 등의 유용한 효과를 갖는 것이다.

Claims (2)

1. 다수개의 광센서(3)의 신호출력을 아날로그에서 디지탈신호로 반전시켜주기 위한 A/D(ANALOG TO DIGITANL)변환기(4)와, A/D변환기(4)의 출력신호를 CPU(6)의 명령에 의하여 선택적으로 출력시키기 위한 PPI(5)와, CPU(6)의 명령에 의하여 리미트스위치와 실시간 클럭(15), 그리고 실시간 클럭(15)의 세팅과 위도, 경도의 세팅출력을 선택적으로 출력시키도록 하는 PPI(5)와, 콘트롤러(9)로 CPU(6)의 명령를 전달하는 PPI(5)와, PPI(5)로부터 전달되는 CPU(6)의 명령과 리미트 스위치(14)에 의하여 모우터(M)의 구동을 위한 각종의 출력을 발생시키는 논리회로로 구성된 콘트롤러(9)와, 콘트롤러(9)에 의하여 공급되는 신호를 증폭하여 모우터(M), (M')를 구동하는데 필요한 대전류의 스위칭이 가능하도록 하는 모터 드라이브(10)와, 태양의 고도각과 방위각, 그리고 광센서(3)에 의한 신호출력에 의하여 PPI(5")를 통하여 콘트롤러(9)에 출력을 공급하도록 하는 프로그램이 탑재된 롬(7)과, 작동에 필요한 데이타의 수록등을 위하여 사용되는 램(8)과, 상기의 PPI(5, 5', 5")들과 콘트롤러(9) 그리고 롬(7)과 램(8)으로부터 각종의 데이타를 수신하고 명령를 출력시키도록 하는 CPU(6)와, 실시간 클럭 세팅 수단(11) 및 위도, 경도세팅수단(12)과 PPI(5')사이에 세팅상황을 표시하여 세팅작업을 돕는 표시장치(13)로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로컴퓨터를 이용한 태양추적장치.
2. 전원을 인가한 초기에 램(8)에 저장된 램 데이타를 초기화하고 고도각 조정용 모우터(M)와 방위각 조정용 모우터(M')를 가동시켜 태양에너지 수집장치의 위치를 원점으로 한다음 실시간 클럭데이타와 위도, 경도 데이타를 근거로 태양의 고도각과 방위각을 계산한 다음 고도각이 0이상이고 방위각이 0에서 180의 범위에 있는 경우에 산출된 고도각과 방위각으로 태양에너지 수집장치를 이동시키며, 이어서, 총광량센서(2)의 값이 일정값 미만인 경우에는 흐린날로 간주하여 다시 실시간 클럭(15)값과 위도, 경도 데이타에 의하여 산출된 고도각과 방위각으로 태양에너지 수집장치를 이동시키는 전술한 과정을 반복하고 일정값 이상인 경우에는 동서남북측 광센서(1)의 값이 모두 같은지를 검사하고 같은 경우에는 다시 실시간 클럭(15)값과 위도, 경도 데이타에 의하여 산출된 고도각과 방위각으로 태양에너지 수집장치를 이동시키는 전술한 과정으로 복귀하며, 다른 경우에는 총광량센서(2)의 값과 동, 서측 광센서(1)의 값 그리고 총광량센서(2)의 값과 남, 북측 광센서(1)의 값이 같은 지를 보고 같은 경우에는 총광량센서(2)의 값이 일정값 이상인지를 판단하는 전술한 바의 과정으로 복귀하고, 다른 경우에는 총광량센서(2)의 값에서 동, 서측 광센서(1)의 값을 빼거나 총광량센서(2)의 값에서 남, 북측 광센서(1)의 값을 빼어 방위각조정용 모우터(M)나 고도나 조정용 모우터(M)를 시계방향으로 반시계방향으로 회전시키는 과정을 반복함을 특징으로 하는 마이크로컴퓨터를 이용한 태양추적방법.