태양광 추적기반의 파라볼릭을 이용한 태양열 집열장치 프로토타입에 관한 연구
정세훈
*
․심춘보**
․박성균***
․김종호****
A Novel of Solar Heat Collection Device Prototype using Parabolic based on Solar Light Tracking
Se-Hoon Jung
*․Chun-Bo Sim
**․Sung-Kyun Park
***․Jong-Ho Kim
****요 약
석탄과 석유를 대신할 새로운 대체 에너지의 연구 및 개발은 지난 수년간 계속해서 연구되고 있다. 최근엔 유한 에너지 가격 상승으로 인하여 무공해 신재생 에너지의 관심이 증가하고 있다. 특히 기존에 활발히 연구 되고 상용화된 신재생 에너지 분야 중 태양에너지는 태양광 에너지에 주된 연구가 이루어져 있다. 그러나 태 양광 에너지의 효율성은 이미 포화상태에 도달하였다. 이에 본 논문에서는 태양광이 아닌 태양열 에너지를 활 용할 수 있는 태양광 추적형 파라볼릭 집열장치를 제안한다. 제안하는 태양열 집열장치는 효과적으로 태양열 을 집열하기 위하여 파라볼릭 형태로 제안하고, 계절 및 시기에 따른 태양의 위치변화를 감지할 수 있도록 5 축 센서 방식의 태양광 추적형 트래킹 기술을 결합한 태양열 집열장치의 프로토타입을 제안한다. 또한 집열장 치의 효율적인 관리를 위하여 관리자 인터페이스를 설계 및 구현한다.
ABSTRACT
Efforts have continued in recent years to research and develop new alternative energy sources to replace coal and oil. These days interest is exploding in new pollution-free renewable energy due to the rising prices of finite energy sources. In the field of solar energy, one of new renewable energy that has been actively researched and commercialized, research efforts have been focused on solar light energy, whose efficiency has, however, reached a saturation point already. Thus, this paper proposed a solar tracking-type parabolic heat collection device to utilize solar thermal energy rather than solar light energy. The proposed device was designed in a parabolic form to collect solar heat effectively. The investigator made its prototype by incorporating a five-axis censor-based solar tracking technology in it to sense changes to the location of the sun according to the seasons and periods. In addition, an administrator interface was designed and implemented for the efficient management of heat collection device.
키워드
Solar Heat, Collection Device, Parabolic, Monitoring system 태양열, 집열 장치, 파라볼릭, 모니터링 시스템
* 광양만권 SW융합연구소 팀장([email protected])
** 순천대학교 멀티미디어공학과([email protected])
*** ㈜휴머닉스 연구소장([email protected])
**** 교신저자 : 순천대학교 멀티미디어공학과 ㆍ접 수 일 : 2016. 03. 28
ㆍ수정완료일 : 2016. 04. 13 ㆍ게재확정일 : 2016. 04. 24
ㆍReceived : Mar. 28, 2016, Revised : Apr. 13, 2016, Accepted : Apr. 24, 2016 ㆍCorresponding Author : Jong-Ho Kim
Dept. of Multimedia Engineering, Sunchon National University, Email : [email protected]
http://dx.doi.org/10.13067/JKIECS.2016.11.4.411
Ⅰ. 서 론
지구의 유한 자원인 석탄 및 석유를 대신할 대체 에너지 자원의 개발은 지난 몇 년간 꾸준히 연구되고 있으며 개발되고 있는 실정이다. 기존 에너지 자원의 대체 에너지 개발은 미래 에너지원 확보 및 환경보호 차원에서 새로 개발되는 에너지원들은 환경 친화적 에너지자원 개발과 활용이라는 측면으로 그 중요성을 계속 커지고 있는 실정이다[1-3]. 지금까지 연구 및 개발되어 가장 효율화 및 고도화 보급이 잘 된 대체 에너지는 태양 에너지의 분야이다. 그러나 태양을 이 용한 대체 에너지 개발은 에너지 가격의 상승으로 인 하여 적용범위가 넓어지고 있지만 에너지 효율적인 측면에서는 포화상태에 도달하고 있다. 이러한 에너지 효율성 측면에서 활발한 연구가 진행된 태양광이 아 닌 태양열을 이용한 신재생 에너지 개발의 연구가 현 재 진행중이다[4]. 태양열 에너지는 태양열의 유입이 불가능하거나 부족한 실내/외 공간에 다양한 장치를 이용하여 태양열을 유입시키는 시스템이다[5]. 태양열 에너지 이용 분야는 기존의 태양광 에너지 분야와 함 께 신재생 에너지 분야의 핵심 중 하나로 분류되고 있다. 친환경 저탄소 배출 에너지로서의 신재생 에너 지 분야에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있음에도 불구하고 태양열 분야는 전체 신재생 에너지 사용량 중에 차지하는 비율은 현재 약 2%에 불과하다[6-7].
현재 연구개발 및 활용성에 대한 문제점으로 신재생 에너지 부분의 일부분은 차지하고 있으며, 태양열 집 열기의 대부분의 시장을 중국이 차지하고 있는 실정 이다. 또한 지식재산권 및 관연 연구 기술 보유 역시 중국이 상당 부분을 차지하고 있는 실정이다. 국내 연 구에서 태양열 집열장치의 연구가 활발히 진행되지 않는 부분은 일정 시간의 태양열을 회득하여 에너지 로 변경하기가 불가능한 단점을 가지고 있다.
따라서 본 연구에서는 태양을 장시간 추적하고 추적 된 위치에 따라 태양열을 효율적으로 활용할 수 있도 록 태양광 추적형 파라볼릭 집열장치 및 에너지 모니 터링 시스템을 제안한다. 제안하는 태양광 추적 기술 은 보편적인 연구 방식으로 프로그램 방식과 센서방 식이 존재하고 있다. 본 논문에서는 적용한 태양광 추 적형 센서방식은 현재 2축, 4축 방식에 대한 연구가 대부분이다. 2축, 4축 방식은 태양의 일출에서 일몰까
지 연속적으로 추적한다. 일반적으로 광센서 2개 이용 하여 추적이 단순하고 가격이 저렴한 반면에 계절에 따른 광원의 고도각이 바뀔 때 태양을 추적할 수 없 다는 단점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 기존의 1축, 2축 센서방식이 아닌 5축 센서방식[8]을 적용하 여 계절 및 시간에 구애 받지 않도록 설계한다. 또한 태양열 집열을 통한 집열장치의 에너지를 활용하기 위하여 급수(냉수)를 집열 에너지 온수로 변환하는 프로토타입을 제안한다. 그리고 태양광 추적형 집열장 치의 위험 상황 및 정보를 확인하기 위하여 C#기반의 관리자 인터페이스를 설계한다.
Ⅱ. 관련 연구
이번 장에서는 기존 연구에서 진행되고 있는 신재 생에너지 집열장치 연구를 크게 3가지 관련 연구로 구분하여 제시한다.
첫째, [9]의 연구에서는 한 쌍의 파라볼릭 반사경과 중앙에 추적센서가 배치된 구조를 적용하고 실린더 타입으로 외부 마감한 집광부와 SOF 광섬유를 광전 송부로 하여 개발된 태양광 추적식 집광시스템을 제 안하였다. 제안된 연구에서는 기존의 옥상에 설치된 태양광의 집광장치를 다양한 장소에서 활용할 수 있 도록 SOF 광섬유를 적용하여 장치를 제안하였다.
둘째, [10]의 연구에서는 태양광을 추적하기 위한 장치를 제안하였다. 태양광을 이용한 독립형 LED 조 명 시스템기반의 방위각과 고도각을 동시에 추적하고 강풍에 적응할 수 있는 안전모드 기능과 청소모드 기 능을 부가한 추적 장치를 제안하였다.
셋째, [11]의 연구에서는 세계적으로 상용화가 이루
어지는 소형 태양열 조리기를 제작하여 성능평가 방
법을 제안하였다. 해당 연구에서는 요소 기술인 고집
광기술에 대한 원리 분석과 조리기 및 태양열펌프용
태양 추적기 기술에 대한 추적제어 시스템을 설계하
였다. 단열상자 위에 투명한 유리를 올려놓은 형태로
서 직접 도달하는 태양빛에 의하여 가열하는 방식으
로 상단의 유리는 들어온 열이 외부로의 열손실을 줄
이기 위해 이중유리를 활용하였다. 그러나 해당 연구
에서는 소형 조리기에 국한된 성능평가를 제시하였다.
Ⅲ. 제안하는 파라볼릭 집열장치 및 모니터링 시스템
3.1 파라볼릭 집열장치 시스템 구조
본 논문에서 제안하는 태양열기반의 추적형 파라볼 릭 집열장치와 이를 분석 및 관리하기 위한 파라볼릭 모니터링 시스템을 설계 및 구현하는 것이다. 태양열 의 집열을 파라볼릭 형태로 설계하여 집열된 에너지 의 열 교환을 통하여 온수를 공급하게 된다. 또한 열 효율을 높이기 위해 태양열을 추적하는 시스템, 에너 지 변환 효율이 높은 집열 장치 및 열 교환기, 변환된 에너지를 저장할 수 있는 축열 시스템을 통하여 태양 열 기반의 신재생에너지를 저장한다. 제안된 시스템은 에너지의 관리 및 효율성을 분석하기 위한 모니터링 GUI와 효율성 분석 시스템을 포함한다. 그림 1은 제 안하는 파라볼릭 집열장치 및 모니터링 시스템의 전 체 구조도를 나타내고 있다.
그림 1. 제안하는 전체 시스템 구조도 Fig. 1 Structure map of proposed overall system
3.2 파라볼릭 집열장치 시스템 하드웨어 설계 그림 2는 설계회로는 태양열기반의 파라볼릭 집열 장치 및 모니터링 시스템의 MCU 설계 회로이다.
MCU 회로도는 태양열 추적을 위한 액츄에이터, 열교 환, 환경 센서 정보 통제, 전력공급의 기능을 포함하 고 있다. 태양열기반의 추적형 파라볼릭 집열장치의 하드웨어는 태양열의 집열을 파라볼릭 형태로 설계하 여 집열된 에너지의 열 교환을 통하여 온수를 공급하 게 된다. 그러므로 열효율을 높이기 위해 태양열을 추 적하는 시스템, 에너지 변환 효율이 높은 집열 장치 및 열 교환기, 변환된 에너지를 저장할 수 있는 축열 시스템을 통하여 태양열 기반의 신재생 에너지를 저 장하며, 일사량, 온도, 풍속 등 환경 데이터를 저장할
수 있는 데이터로거를 구축하여 다양한 환경변수를 고려하고, 효율성을 분석할 수 있도록 한다. 이러한 과정들을 무전력으로 구현하기 위하여 태양광 기반의 전원시스템을 구축하고, 모터회전, 벨브 구동, 데이터 로거 등 필요한 전력을 충분히 공급할 수 있도록 하 였다.
FAIL LED2 FAIL LED3 FAIL LED4
EXT RETURN1
IMPACT1 RETURN2 IMPACT2
PB1
PB5 PB0 PB2 PB3
PB7 PB6 PB4
PE0 RxD0 PE1 TxD0
RETURN3
PE3 PE2
PE6 IMPACT4
RETURN4
IMPACT3 PE5
PE4 PD1
PE7 PD2 RxD1 PD0
TxD1 PD3 PD5 PD4
RST
PD6 PD7 SU2
ATmega128 PB0 (SS) 10
PB1 (SCK) 11
PB2 (MOSI) 12
PB3 (MISO) 13
PB4 (OC0) 14
PB5 (OC1A) 15
PB6 (OC1B) 16
PB7 (OC2/OC1C) 17
PC0 (A8) 35
PC1 (A9) 36
PC2 (A10) 37
PC3 (A11) 38
PC4 (A12) 39
PC5 (A13) 40
PC6 (A14) 41
PC7 (A15) 42
(SCL/INT0) PD0 25 (SDA/INT1) PD1 26 (RxD1/INT2) PD2 27 (TxD1/INT3) PD3 28 (IC1) PD4 29 (XCK1) PD5 30 (T1) PD6 31 (T2) PD7 32 (RxD0/PDI) PE0 2 (TxD0/PDO) PE1 3 (XCL0/AIN0) PE2 4 (OC3A/AIN1) PE3 5 (OC3B/INT4) PE4 6 (OC3C/INT5) PE5 7 (T3/INT6) PE6 8 (IC3/INT7) PE7 9
(TDI/ADC7) PF7 54 (TDO/ADC6) PF6 55 (TMS/ADC5) PF5 56 (TCK/ADC4) PF4(ADC3) PF3(ADC2) PF2(ADC1) PF1(ADC0) PF0 5758596061 PA7 (AD7)
44 PA6 (AD6) 45 PA5 (AD5) 46 PA4 (AD4) 47 PA3 (AD3) 48 PA2 (AD2) 49 PA1 (AD1) 50 PA0 (AD0) 51
(WR) PG0 33 (RD) PG1 34 (ALE) PG2 43 (TOSC2) PG3 18 (TOSC1) PG4 19 AVCC 64 AREF 62 RESET
20 1 PEN
XTAL1 24
XTAL2 23
VCC21 VCC52GND22 GND53 GND63 PA2
AVCC PA0
PA3
PA7 PA1
PA5 PA4 PA6
SR12 1K/2012
SX-TAL1 16MHz SC13 33pF SC12 33pF PC0
SC7 104/2012
PC3 PC2 PC1
PC7 PC5 PC4 PC6
PG0 PG1 PG2 LCD
PG3 시시
PG4 VCC
PB1_1
SW1 SW SW3 SW2
BUZZER LCD BACKLIGHT LED(STATUS)
H1_SW SW4
PF0 PF1 PF3 PF6 PF5 PF2 PF4
PF7 SL1
100nH/300mA/2012
H2_SW FUSE1
H3_SW FUSE2
FUSE3
H4_SW
RELAY(FAIL) FUSE4
AVCC
RELAY(RUN) OVER_I_1
OVER_I_2 OVER_I_3 OVER_I_4
AUTO FAIL LED1
RESET
그림 2. 집열장치 MCU 설계도 Fig. 2 Design of heat collection device MCU
그림 3은 저 전력 구동을 위한 Sloar Cell 및 배터 리 충전 설계도이다. 태양광 기반의 추적형 파라볼릭 집열장치 및 모니터링 시스템의 모든 동작은 저 전력 시스템으로 동작하도록 설계하였다. 즉 독립된 공간에 서 가정용 전원 220V의 공급 없이 동작하도록 설계 되었는데 낮 동안에 Solar Cell을 이용 태양광 발전 시스템을 구축하여 배터리로 에너지를 저장하는 동시 에 모든 동작에 필요한 전기를 배터리에서 공급받아 동작하도록 설계하였다.
그림 3. Solar Cell 및 배터리 충전 설계도
Fig. 3 Design of solar cell and battery charger
그림 4는 MCU 전압의 컨트롤을 위한 설계 회로도 이다. 추적형 파라볼릭 집열장치의 데이터 신호의 전 송을 위해 +12VDC의 전압과 Rx, Tx의 신호를 사용 한다. 그리고 CPU IC에는 +5V의 전압 및 신호 레벨 을 사용하게 된다.
PS3
MES0510 1 +DI 2 DR 3 NC 4 -DI
GNDNC 56 +OUTNCNC 789 C2 +
10uF/450V
12
PS2
MES1206 1 +DI 2 DR 3 NC 4 -DI
GNDNC 56 +OUTNCNC 789
+ C8 470uF/35V
12
C3 474/400V
SC5 104/2012
L2 RING COIL 13PI_10uH
C9 + 470uF/35V
12
SC6 104/2012 VCC 5V +
C4 470uF/35V
12
SC3104/2012 L1 RING COIL 13PI_10uH
+ 470uF/35VC1
12
SC2104/2012 12V
0V
POWER
C7 + 10uF/450V
12
C6 474/400V
VCC 12V
D2
1N4007
1 2
D1
1N4007
1 2
그림 4. 전압 컨트롤 도면 설계도 Fig. 4 Design of voltage control circuit
+C10
10uF/450V
12
PB0
I1 H1_R
F2 250V/5A
12
SLED4 GREEN/2012
12
R5 62K/2W
PB1_1
R21 0.01R/5W
H1_H SLED8
GREEN/2012
12
R13 62K/2W
D11 1N5406
12
D15 1N4007
12 C18
474/400V R17 68R/2W Q2
IRFP350
3
1
2
PC3
PC817
12 43
SR34 1K/2012
D3 1N5406
12
SR42 10K/2012
12V VCC
SR38 470R/2012
SC26 104/2012
PC1 PC817
12
43
H1_P R1
100K/2W
I2 D7
1N4007
12 C14
474/400V R9 68R/2W SC16
104/2012 SR18
10K/2012 VCC
Q1 IRFP350
3
1
2
PC0
PC2
PC817
12 43
SR22 1K/2012
SR30 10K/2012
310V
+C11
10uF/450V
12
PB2
H2_R F3 250V/5A
12
SLED5 GREEN/2012
12
PB3
R6 62K/2W
R22 0.01R/5W
H2_H SLED9
GREEN/2012
12
R14 62K/2W 12V
D12 1N5406
12
D16 1N4007
12
I2 C19 474/400V
R18 68R/2W Q4
IRFP350
3
1
2
PC6
PC817
12 43
VCC
D4 1N5406
12
SR35 1K/2012
SR43 10K/2012 VCC
12V
SR39 470R/2012 SC14
104/2012
SC27 104/2012
PC4 PC817
12
43
SR26 470R/2012
H2_P R2
100K/2W
D8 1N4007
12 C15
474/400V R10 68R/2W SC17
104/2012 0V
SR19 10K/2012
VCC
Q3 IRFP350
3
1
2
PC1
PC5
PC817
12 43
SR23 1K/2012
SR31 10K/2012
310V
12V VCC SC15 104/2012
SR27 470R/2012
SC23 104/2012 SC22
104/2012
그림 5. 액츄에이터 모터 구동을 위한 FET 제어 설계도 Fig. 5 Design of FET control for actuator motor driven
그림 5는 액츄에이터 모터 설계도이다. 엑츄에이터 모터 구동을 위해서 H-브릿지 제어회로를 활용하여 설계하였다. H-브릿지 제어회로는 정전압으로 모터의 회전방향 변경 즉, 정방향 회전 제어 및 역방향 회전
제어가 용이하다. 과전류로 인한 보호회로 및 역기전
력 흡수를 위한 다이오드를 내장하여, 과전압과 과전
류로부터 회로를 보호할 수 있도록 설계하였다.
if (s_c <= 750) // center sensor 에 빛이 들어오면 { if (s_l <= 180) // left sensor 에 빛이 강하면 {
if ( limit_l ==1) // limit_r 이 1 이면 {
for (a=0;a<=100;a++) {
if ( limit_l == 1) {
motor_l = 1; // motor _r 구동 delay_ms(1);
} else motor_l = 0;
} motor_l=0;
delay_ms(1);
3.3 태양광 추적형 트래킹 설계
태양광을 수직으로 입력받아 태양열을 집열하면 최 대의 태양광 에너지를 얻을 수 있다. 4개의 센서를 사 용하여 센서를 통해서 들어오는 값이 모두 일정하면 태양을 수직으로 바라보며 집광하고 있다는 것을 조 건으로 설계한다. 또한 고감도 센서를 사용하여 태양 의 특수 파장만 선변하여 인식하도록 설계하였으며, 하루 8시간을 30분 단위로 추적하도록 설계하였다. 저 전력 구동 및 에너지 효율을 고려하여, 30분 단위로 구동 후 대기모드로 진입하도록 설계하였다. 태양열 추적을 위한 광센서는 직육면체의 동서남북 방향으로 해당면의 중앙 4곳에 부착하고 각 면의 센서위치는 지상으로부터 45도 방향으로 설치하여 직육면체의 벽 면으로부터 발생하는 그림자에 따라서 광량을 측정하 도록 설계한다. 실제 태양광의 방향은 직선성이 강하 므로 지구와 태양의 고도에 따라 그림자가 발생하는 원리를 이용하여 태양의 위치를 추적한다. 제안된 방 식을 통하여 태양의 일사량이 광센서에 도달하는 빛 의 양과 비례하여 측정할 수 있다. 그림 6은 태양광 추적을 위한 센서 설계도이다.
- +
U6A
LM2904 3
2 1
84
R20 330R
R24 10K
R21 10K VR2
9532-100K VCC
SN0 -
+ U6B
LM2904 5
6 7
84
R29 330R
R31 10K
R30 10K VR3
9532-100K VCC
SN1
- +
U7A
LM2904 3
2 1
84
R32 330R
R34 10K
R33 10K VR4
9532-100K VCC
SN2
- +
U7B
LM2904 5
6 7
84
R39 330R
R41 10K
R40 10K VR5
9532-100K VCC
SN3
ADC0 ADC1
ADC2
ADC3
그림 6. 태양열 추적을 위한 센서 설계도 Fig. 6 Sensor circuit for solar heat tracking
그림 7은 태양광 추적을 위한 광센서의 위치를 나 타낸 것이며, a1, b1, a2, b2 는 태양으로부터 입사되 는 광량을 전기신호를 나타내고 식 1 및 식 2의
, 는 각각 좌우(x), 상하(y) 값의 편차를 표현하고 비교된 값은 많은 양으로 입사되는 전기적 신호의 위치로 추적하게 된다. 여기서 추적되는 오차
를 줄이기 위해서 Op-amp에 입력되는 저항의 값 (VR6)을 조정하여 전기적신호로 변환하고 어떠한 환 경에서도 최적화된 값을 얻도록 설계하였다. 일정크기 의 일사량에서 상하 좌우의 센서에서 출력되는 전기 적신호를 A1, A2, B1, B2라고 한다면 정규화된 (normalizing) 식 3 및 식 4에서는 각각 좌(식 1), 우 (식 2), 상(식 3), 하(식 4) 방향의 센서에서 출력되는 정규화된 신호의 차를 나타낸다[8].
(1)
(2)
(3)
(4)
그림 7. 광센서의 위치 Fig. 7 Location of light sensor
그림 8은 태양광 추적을 위한 컨트롤러의 제어
S/W 소스코드[8]이다. 컨트롤러 제어는 광량의 차이
에 따른 모터 구동 및 상하좌우 제어를 통해 측정 범
위를 벗어나지 못하게 제어하는 코드의 일부분이다.
}
if (s_r <= 180) // right sensor 에 빛이 강하면 { if ( limit_l ==1) // limit_r 이 1 이면 {
for (b=0;b<=100;b++) {
if ( limit_r == 1) {
motor_r = 1; // motor _l 구동 delay_ms(1);
} else motor_r = 0;
} motor_r=0;
delay_ms(1);
} }
그림 8. 태양광 추적 및 Limit S/W 제어 코드 Fig. 8 Solar light tracking and limit S/W control
code
3.4 파라볼릭 집열장치 모니터링 SW 설계 그림 9는 태양열기반의 파라볼릭 집열장치의 관리 자 모니터링 유스케이스 다이어그램이다. 모바일 및 웹페이지를 이용하는 관리자가 센서정보를 확인하는 기능을 포함하고 있으며, 집열 에너지 데이터가 기준 치를 넘어서 서버에 입력될 경우 경고 알림을 알려주 는 에너지 환경 경보 기능을 정적으로 나타낸 유스케 이스 다이어그램이다.
Administrator
Alert
Above Numerical Value Below Numerical Value Compare to Sensor Value
Default Numerical Value
<<include>>
<<include>>
<<include>>
<<include>>
Upload to DataLLoger Heater
Humidity Fire
Illumination
Temperature
<<include>>
<<include>>
<<include>>
<<include>>
<<include>>
<<include>>
그림 9. 유스케이스 다이어그램(센서정보 확인) Fig. 9 Usecase diagram(sensor information confirm)
그림 10은 실시간으로 업데이트 되는 집열 장치의 센서 데이터를 기반으로 사용자 알림 서비스를 제공 하는 흐름을 동적으로 표현하는 시퀀스 다이어그램이
다. 관리자 및 사용자는 request 메소드로 모바일 및 웹 페이지의 Main 객체를 확인하며 태양열 집열 장 치 하드웨어에서 업데이트 되는 각종 센서 데이터를 확인한다. 모든 센서 데이터를 hardwaresorting 메소 드를 요청하며 하드웨어 일련번호로 구분한 각 정보 를 하나씩 필터링하는 SensorData 객체를 이용한다.
일련의 센서 데이터는 디폴트 센서 데이터와 비교하 기 위하여 compare 객체에 requesting 메소드를 전 달한다. 만약 위험 수치에 도달하지 않을 경우 fail 메 소드와 failresult 메소드를 통해 결과값을 Main 객체 에 전송하게 된다. 그러나 위험 수치에 도달할 경우 해당 센서데이터를 DBMS에 저장하게 되며,
alerttrans 메소드를 Alert 객체에 전달하게 된다.Alert 객체는 alertresult 메소드와 alertresponse 메
소드를 통해 관리자 및 사용자에게 경고 알림과 경고 데이터를 전송하게 된다.
: User : DBMS
Main Alert SensorData Comfirm Compare
1 : request()
2 : hardware sorting()
3 : comfirmtosensor()
4 : requsting() 5 : DataSave()
6 : fail() 7 : failresult()
8 : failresponse()
9 : alerttrans() 10 : alertresult()
11 : alertresponse()
그림 10. 시퀀스 다이어그램(센서정보 확인) Fig. 10 Sequence diagram(sensor information confirm)
3.5 파라볼릭 집열장치 데이터베이스 설계
그림 11은 제안하는 파라볼릭 집열장치 및 모니터
링 시스템의 데이터베이스 스키마이다. 총 9개의 테이
블을 포함하고 있다. Parabolic 테이블을 부모 테이블
로 설정하고 Parabolic
Energy, SolarHeatData, Image, History, Search 테이블의 기본키는 Parabolic테이블의 기본키를 외래키로 설정하여 모든 정보를
검색하도록 설계하였다.
그림 11. 데이터베이스 스키마 설계 Fig. 11 Design of database schema
Ⅳ. 제안하는 시스템 구현
4.1 시스템 구현 환경
제안하는 태양열 추적형 파라볼릭 집열장치 시스템 설계 및 구현 환경은 표 1과 같다.
Item Context
OS Windows7 Professional SP1 Tool Visual Studio 2012
CPU Atmega128 Language C, C#
Design Tool
StarUML 5.0.2, Microsoft Visio 2007, ExERD, Artwork 표 1. 설계 및 구현 환경
Table 1. Design and Implementation environment
4.2 열추적형 파라볼릭 집열장치 H/W 구현 그림 12는 본 논문에서 제안하는 태양광 추적형 파 라볼릭 집열장치 프로토타입이다. 태양광 추적을 위한 5축 센서 기반의 태양광 추적 장치상단에 파라볼릭 형태의 집열 장치를 설계하여 태양의 위치에 따라 집 열장치가 이동하도록 하였다.
그림 12. 태양광 추적형 파라볼릭 집열장치 프로토타입
Fig. 12 Solar tracking parabolic collection device prototype
집열된 태양열 에너지는 집광장치에 모이게 되어 태양열을 에너지화할 수 있도록 하였다. 그림 13은 MCU(Main Control Board)와 주요 센서 처리부이다.
그림 13. MCU 및 주요 센서 처리 장치 Fig. 13 MCU and primary sensor processing device
태양광 추적형 파라볼릭 집열장치는 수집데이터 및
장치의 제어를 위한 MCU와 주변의 환경 데이터 수
집을 위하여 풍속, 온도, 일사량 센서를 포함하고 있
으며, 순간적인 열에 의한 안전사고를 예방하기 위하
여 근접센서와 불꽃감지기를 장치 주변에 설치하여
안전사고를 예방할 수 있도록 하였다. 서버와의 통신
을 위한 RS-232C 포트도 포함되어 있다.
4.3 파라볼릭 집열장치 시스템 모니터링 GUI C# 기반의 관리자 인터페이스는 태양광 추적형 파 라볼릭 집열장치 프로토타입 시스템에서 관리자의 편 의성을 제공하는 부분이다. 해당 인터페이스를 통해 원하는 등록된 집열장치를 구분하여 집열장치별 환경 정보등을 확인할 수 있도록 하였다.
그림 14. 관리자 인터페이스(집열장치 환경정보) Fig. 14 Administrator interface(collection device
environment information)
그림 14는 집열장치의 환경정보를 확인할 수 있는 인터페이스이며, 그림 15는 집열장치 주변의 풍속 데 이터를 실시간 그래프 형태로 표현한 GUI이다.
그림 15. 환경정보 출력 GUI(그래프) Fig. 15 Environment information output GUI(graph)
Ⅴ. 결론 및 향후연구
기존에는 태양열 집열장치가 태양의 특정 위치에 기반하여 집열되는 연구가 진행되어 왔지만 본 논문 에서는 태양열 집열의 효율성을 극대화하기 위하여 태양의 위치에 따른 집열장치의 이동성을 보장하도록 5개의 태양광 센서를 집열장치의 트래킹 시스템에 적 용하였다. 이를 위하여 태양광 측정을 위한 직육면체 상의 5개 면을 활용하였고 4개의 면에는 태양광 센서 를 부착하여 태양광의 광량이 비추는 면과 1개의 면 에는 그림자가 생기는 반대면의 광량을 비교하여 일 정값이 넘어갈 경우 그림자가 생성되는 태양광 센서 의 반대편으로 움직이는 집열장치를 제안하였다. 또한 집열장치 및 트래킹 시스템의 현재 상태를 확인할 수 있는 관리자 인터페이스를 구현하여 집열장치의 효율 적인 관리가 가능하도록 하였다.
향후 연구로는 개발된 프로토타입을 적용하여 생 산할 온수 측정과 생산된 온수 생산량의 에너지 효율 성을 측정할 수 있는 알고리즘을 개발할 것이다. 그리 고 태양열 집열장치를 활용한 온수 생산량이 기존 에 너지 장치 및 전기 에너지와의 비교를 통해 성능 평 가를 실시할 예정이다.
감사의 글
본 논문은 중소기업청에서 지원하는 2015년도 산학연공동기술개발사업(No. C0277167)의 연구수 행으로 인한 결과물임을 밝힙니다. 본 논문은 2015년도 한국전자통신학회 가을철 종합학술대회 우수논문을 확장한 논문입니다.
References
[1] K. Lee, “Solar cell Power System Optimization Trend,” Conf. of the Korean Vacuum Soiety, vol.
30, no. 2, Changwon, Korea, Aug. 2015, p. 81.
[2] H. Han, C. Moon, Y. Chang, M. Choi, Y. Kim, and M. Jeong, “A Study on non-linear trajectory shaped apparatus applied solar tracking device,”
J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 11, 2015, pp.
1277-1284.
[3] J. Woo, “A Study on standardized
instrumentation for solar power plants operated remote control,” J. of the Korea Institute of
Electronic Communication Science, vol. 10, no. 5,2015, pp. 707-712.
[4] T. Sung, C. Lee, Y. Park, J. Kim, C. Joung, S.
Kang, J. Kang, K. Hwang, and H. Lee,
“Development of a Cylinderical Daylight Collecting System with Parabolic Reflectors,”
Conf. of the Korean Solar Energy Society, Busan,
Korea, Nov. 2012, pp. 291-296.
[5] J. Lee and G. Kang, “International/Domestic Technology Status of Photovoltaic Recycling,”
Mag. of Korean Solar Energy Society, vol. 15, no.
1, 2015, pp. 3-10.
[6] T. Chun and Y. Ahn, “Study on Analysis and Evaluation of Performance for Evacuated Tubular Solar Collector System,” J. of Energy
Engineering, vol. 22, no. 2, 2013, pp. 112-119.[7] Y. Park and K. Kim, “A Study on Horizontal Ground Source Heat Pump Systems,” J. of
Energy Engineering, vol. 15, no. 3, 2006, pp.160-165.
[8] S. Park, S. Jung, M. Oh, C. Sim, D. Park, and K. You, “A Design and Implementation of Control and Management System for Water Culture Device using Solar Tracking Method,” J.
of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 9, no. 2, 2014, pp. 231-242.
[9] C. Lee, J. Kim, Y. Park, T. Sung, C. Joung, S.
Kang, and B. Kim, “Development of Tracking Daylighting System Using Multi-Parabolic Reflector,” J. of the Korean Solar Energy Society, vol. 33, no. 2, 2013, pp. 56-63.
[10] O. Lee, “A Design of the Solar Tracker for LED Streetlight in Using Solar Cell,” J. of the Korean
Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 27, no. 12, 2013, pp. 1-9.[11] M. Kang, Y. Kang, and H. Yoon, “A Study on the Thermal Performance of Solar Concentrating Cooker,” J. of the Korean Solar Energy Society, vol.
24, no. 1, 2004, pp. 1-6.
저자 소개
정세훈(Se-Hoon Jung)
2010년 순천대학교 멀티미디어공 학과 졸업(공학사)
2012년 순천대학교 대학원 멀티 미디어공학과 졸업(공학석사) 2014년 순천대학교 대학원 멀티미디어공학과 졸업 (공학박사수료)
2015년 ∼현재 광양만권SW융합연구소 팀장
※ 관심분야 : 객체지향 모델링, IoT 상황인식, 빅 데이터 처리
심춘보(Chun-Bo Sim)
1996년 2월 전북대학교 컴퓨터공 학과 졸업 (공학사)
1998년 2월 전북대학교 대학원 컴퓨터공학과 졸업(공학석사) 2003년 2월 전북대학교 대학원 컴퓨터공학과 졸업 (공학박사)
2005년 ~ 현재 순천대학교 멀티미디어공학과 교수
※ 관심분야 : 멀티미디어 DB & IR, u-GIS, 유비 쿼터스 컴퓨팅
박성균(Sung-Kyun Park)
2002년 2월 진주산업대학교 전자 공학과 졸업 (공학사)
2015년 2월 순천대학교 대학원 멀티미디어공학과 졸업(공학석사) 현재 (주)휴머닉스 연구소장
※ 관심분야 : MCU 설계, 신재생에너지,
RFID/USN 응용
김종호(Jong-Ho Kim)
![그림 8은 태양광 추적을 위한 컨트롤러의 제어 S/W 소스코드[8]이다. 컨트롤러 제어는 광량의 차이 에 따른 모터 구동 및 상하좌우 제어를 통해 측정 범 위를 벗어나지 못하게 제어하는 코드의 일부분이다.](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5414983.424010/5.774.70.373.556.765/태양광-컨트롤러의-소스코드-컨트롤러-상하좌우-벗어나지-제어하는-일부분이다.webp)
