KR-20260061696-A - Multi-sensor fusion solar position tracking and energy production system for automobiles

Abstract

본 발명은 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 태양이미지 센서, CdS, 디지털 나침반, 3축 자력계를 활용한 정밀 태양위치 감지 시스템, 프로그램 방식과 센서 방식을 결합한 하이브리드 추적 알고리즘으로 주행 중 태양 추적, 그리고 실시간 MPP(Maximum Power Point) 추적을 통한 에너지 생산을 통해 배터리 충전 최적화 기능을 제공하기 위한 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 다중센서 융합 기술로 주행 중에도 ±1° 이내의 정밀한 태양위치 추적이 가능하여 발전 효율을 15 ~ 20% 향상시키게 된다. 또한, 하이브리드 추적 알고리즘으로 다양한 주행 환경에서도 안정적인 태양 추적이 가능하여 시스템의 신뢰성을 크게 높이게 된다.

Inventors

• 정병호

Assignees

• 남부대학교산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (10)

1. 자동차에 설치되는 태양전지 시스템에 있어서, 광량, 방향을 감지하기 위한 다중센서 융합 태양위치 감지 시스템(100); 프로그램 방식과 센서 방식을 결합한 하이브리드 태양 추적 알고리즘(200); 집광형 태양전지 모듈의 전압과 전류를 고속으로 샘플링하고, 적응형 MPPT 알고리즘을 적용하는 실시간 MPP 추적 시스템(300); 차량의 주행 상태, 배터리 상태, 전력 소비 상황을 종합적으로 고려하여 시스템을 제어하는 통합 제어 시스템(400); 시스템의 상태를 표시하고, 제어할 수 있는 사용자 인터페이스(500); 평볼록 렌즈 어레이와 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양전지 셀로 구성된 집광형 태양전지 모듈(600);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 다중센서 융합 태양위치 감지 시스템(100)은, 태양 이미지센서, CdS 센서, 디지털 나침반, 3축 자력계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 다중센서 융합 태양위치 감지 시스템(100)은, 실시간 속응성을 갖도록 다중 센서를 이용하여 이동체가 어느 방향을 향하더라도 태양 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 하이브리드 태양 추적 알고리즘(200)은, 프로그램 방식으로 계산된 태양의 위치와 센서 방식에서 측정된 실제 데이터를 비교하여 최적의 추적 경로를 결정하는 하이브리드 알고리즘부(210);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.
5. 제 1항에 있어서, 상기 하이브리드 태양 추적 알고리즘(200)은, 프로그램 방식으로 계산된 태양의 위치와 센서 방식에서 측정된 실제 데이터를 비교하여 최적의 추적 경로를 결정하는 하이브리드 알고리즘부(210); 차량이 주행하는 환경에서 발생하는 주행 방향 변화나 그림자 등의 환경적 요인을 학습하여 오차를 지속적으로 줄여가기 위한 적응형 학습 기능부(220);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 하이브리드 태양 추적 알고리즘(200)은, 환경 변화에 대한 태양위치 추적을 위한 고속 응답 특성을 확보하기 위해 태양 위치를 계산하여 산출하고, 여기에 센서 정보를 통합하여 태양 위치를 추적하여 집광형 태양전지 모듈(600)이 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.
7. 제 1항에 있어서, 상기 실시간 MPP 추적 시스템(300)은, 집광형 태양전지 모듈(600)에서 발생하는 전압과 전류를 고주파로 샘플링하는 고속 샘플링 회로부(310);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.
8. 제 7항에 있어서, 상기 실시간 MPP 추적 시스템(300)은, P&O(Perturb and Observe) 방식의 변형된 알고리즘을 사용하여 급격한 일사량 변화에도 빠르게 적응할 수 있도록 하기 위한 적응형 MPPT 알고리즘부(320);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.
9. 제 7항에 있어서, 상기 실시간 MPP 추적 시스템(300)은, 차량의 움직임이나 주변 환경 변화를 예측하여 선제적으로 MPP를 추적하는 예측 기반 MPPT부(330);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.
10. 제 1항에 있어서, 상기 집광형 태양전지 모듈(600)은, 평볼록 렌즈 어레이(610); 상기 평볼록 렌즈 어레이의 초점 위치에 배치된 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양전지 셀(620); 상기 Ⅲ-Ⅴ 화합물 태양전지 셀에 연결된 히트싱크(630);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템.

Description

자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템{Multi-sensor fusion solar position tracking and energy production system for automobiles} 본 발명은 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 태양이미지 센서, CdS, 디지털 나침반, 3축 자력계를 활용한 정밀 태양위치 감지 시스템, 프로그램 방식과 센서 방식을 결합한 하이브리드 추적 알고리즘으로 주행 중 태양 추적, 그리고 실시간 MPP(Maximum Power Point) 추적을 통한 에너지 생산을 통해 배터리 충전 최적화 기능을 제공하기 위한 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템에 관한 것이다. 태양전지산업의 시작은 1839년 EBecquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltaic effect)를 발견하고 1870년대 H Hertz의 Se의 광전효과 연구이후 효율 1 ~ 2%의 Se cell이 개발되어 사진기의 노출계에 사용하였고, 1956년에 고순도 단결정 실리콘 제조 방법이 개발되어 Bell 연구소에서 최초로 4% 효율의 단결정실리콘 태양전지를 제작하였다. 최근까지 태양전지 기술 개발 방향은 발전 단가를 낮추는 저가형 태양전지 개발 연구와 변환효율을 높이는 고효율 태양전지 개발 연구가 병행하여 진행되고 있다. 태양전지 변환 효율 향상을 위한 연구는 현재는 물질 합성과 적층 구조 등을 이용하여 광흡수 대역을 넓혀 변환 효율을 높이는데 주력하고 있으며, 에너지변환시스템의 특성상 고효율 및 고집적화된 소재의 개발과 장수명 및 높은 안정성을 확보한 발전시스템의 지향은 미래에너지원으로서의 생존여부와 직결되는 기술동향이다. 현재의 태양전지기술은 대부분이 낮은 가격의 실리콘 태양전지기술에 집중되어 있으나, 실리콘 태양전지는 열적 성능이 좋지 않고 수직하중에 약한 점 등의 단점 또한 존재한다. 열적 성능이 약한 실리콘 태양전지모듈을 대체하여 사막지역이나 적설이 많은 지역에서는 구조적으로 견고하고 열적성능이 우수하고 구조적으로 강고한 집광형 태양전지모듈은 사막지역이나 고온지역에서 발전특성이 우수하여 신재생에너지 산업에 적용할 수 있다. 집광형 태양전지는 단결정실리콘 태양전지의 열적 에너지효율을 높이기 위해 빛의 흡수대역을 확장시켜 광흡수율을 높이는 구조로 다중접합구조의 태양전지를 주로 이용한다. 집광형 태양광 발전시스템은 조사되는 태양광을 렌즈나 거울 등의 형태를 이용하여 넓은 면적에 입사되는 태양광을 작은 면적의 태양전지에 빛을 모으는 집광구조이며 집광형 태양전지는 가격이 저렴한 플라스틱 렌즈나 알루미늄 코팅 거울을 사용함으로써 집광도가 높을수록 제조 단가가 비싼 태양전지의 면적을 줄일 수 있어 태양전지 모듈 제조 단가를 대폭 줄일 수 있다. 집광형 태양전지는 1970년대 초반부터 연구가 시작되었지만 실리콘 계열의 태양전지는 열화현상 때문에 최대 전기생산 효율이 18% 이하이므로 되도록 소량 사용하는 박막형이나, 실리콘 재료가 필요 없는 화합물 계열의 태양전지 개발을 추진하여 상당한 기술개발이 이루어진 상태이다. 화합물 계열 태양전지는 원재료 자원이 무한하며 실험실 측정효율 42%에 달하며 III-V 화합물 반도체 태양전지의 집광률이 200배 이상에서 효율이 증가하고 500배 이후에는 고집광으로 인해 많은 전류가 발생하여 전극에 저항이 발생하여 효율이 감소되고 현재 III-V족 화합물 반도체 태양전지는 미국 SpectroLab과 엠코어사에 의해서 2007년도부터 대량 판매가 개시되어 화합물 반도체 태양전지를 이용한 국산 모듈 개발이 절실히 필요한 시점이며, 상업용 모듈을 설계 제작하여 6개월 이상의 테스트기간이 요구되기 때문에 신속한 기술개발이 필요하다. 최근에 미국, 일본, EU, 호주 등의 선진 태양광발전 기업들은 경쟁적으로 화합물 반도체 태양전지를 이용한 집광형 태양광발전 상용제품을 출시하고 있으며 고집광 태양광발전 시스템에서는 태양전지의 크기가 1㎠ 이하인 III-V 족 화합물을 주로 이용하는 기술적인 추세에 있다. 종래의 태양전지 시스템은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 첫째, 단일 센서에 의존하는 태양위치 추적 시스템은 주행 중 발생하는 다양한 환경 변화에 대응하기 어렵다. 이는 정확한 태양 추적을 방해하여 발전 효율을 저하시키는 원인이 된다. 둘째, 기존의 프로그램 방식 또는 센서 방식만을 사용하는 추적 알고리즘은 주행 중 발생하는 급격한 방향 변화나 그림자 등의 간섭에 취약하다. 이로 인해 태양 추적의 정확도가 떨어지고 시스템의 안정성이 저하된다. 셋째, 일반적인 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 시스템은 자동차의 주행 상황에 따른 급격한 일사량 변화에 신속하게 대응하지 못한다. 이는 배터리 충전 효율을 저하시키는 요인이 된다. 넷째, 기존 시스템은 자동차의 주행 상태, 배터리 상태, 전력 소비 상황 등을 종합적으로 고려하지 않아 전체 시스템의 효율을 최적화하지 못한다. 따라서, 상기한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위하여 새로운 시스템을 제안하게 된 것이다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 전체 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 다중센서 융합 태양위치 감지 시스템(100) 구성 개념도이다. 도 2a는 일반적인 실리콘 태양광발전시스템과 태양위치 추적장치를 적용하지 않는 집광형 태양광발전시스템, 그리고 태양위치 추적장치를 적용한 집광형태양광발전시스템의 발전량을 개념화한 그래프이다. 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 집광형 태양전지 모듈(600)을 구성하는 평볼록 렌즈(혹은 돔형 렌즈)의 형상을 나타낸 도면이다. 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 픽셀 좌표를 태양 벡터 표현으로 변환하는 예시도이다. 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 고정형 애플리케이션 프로세스 흐름도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 태양 이미지센서, CdS 센서, 디지털 나침반, 3축 자력계의 데이터를 나타낸 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 하이브리드 태양 추적 알고리즘(200) 구성 개념도이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 하이브리드 알고리즘에서 시간이 지남에 따라 오차가 점점 감소하는 것을 나타낸 그래프이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 실시간 MPP 추적 시스템(300) 구성 개념도이다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 전압, 전류, 전력의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 통합 제어 시스템(400) 구성 개념도이다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 속도, 배터리 상태, 전력 소비량에 따른 에너지 효율의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 사용자 인터페이스(500) 구성 개념도이다. 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 태양전지의 발전량과 배터리 충전 상태의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 집광형 태양전지 모듈(600) 구성 개념도이다. 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 집광비에 따른 태양전지 셀의 효율 변화를 나타낸 그래프이다. 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 태양광 패널의 전류-전압(IV) 그래프이다. 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 두 개 이상의 피크가 있는 태양광 셀 곡선을 나타낸 예시도이다. 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 굴절형 렌즈(평볼록 렌즈)가 적용된 CPV 모듈의 기본구조를 나타낸 예시도이다. 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 CPV모듈을 설계하기 위한 프로세서이다. 도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 CPV 모듈을 설계하기 위한 구성요소를 나타낸 예시도이다. 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 CPV모듈의 볼록 렌즈와 빛의 나아감을 나타낸 이미지이다. 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 CPV모듈의 렌즈와 상 사이의 거리를 나타낸 예시도이다. 도 21a 내지 도 21b는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 CPV모듈의 렌즈 형상과 리시버의 구조를 나타낸 예시도이다. 도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 다중센서 융합 태양위치 추적 및 에너지 생산 시스템의 디지털 나침반 및 3축 자력계의 예시도이다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정