태양에너지 하베스팅을 위한 자가발전 아두이노 시스템의 설계 및 동작

Design and Operation of Self-Powered Arduino System for Solar Energy Harvesting

본 논문에서는 태양에너지 하베스팅을 위한 자가발전 아두이노 시스템을 설계하고 이의 동작을 설명한다. 이를 위해서 아두이노 시스템이 시시각각 변하는 태양에너지의 양을 센싱하고 이에 따라서 active mode와 sleep mode의 동작 시간의 비율을 스스로 조정해서 주어진 태양 빛의 세기에 대해서 최적으로 동작할 수 있는 동작 조건을 스스로 찾아가는 방법을 설명하고 이의 동작을 검증한다. 본 논문에서 개발한 active mode와 sleep mode의 동작 시간의 비율의 자가 조절을 통해서 태양 빛의 세기가 충분히 강할 경우에는 아두이노 시스템이 active mode로 지속적으로 구동되고, 태양광으로부터 전력을 충분히 공급받을 수 없는 경우 sleep mode를 사용하여 전력 소모를 최소화한다. 그 결과 active mode를 지속적으로 구동하는 것에 비해 sleep mode를 사용하는 경우 전력 소모를 최대 81.7% 줄여 에너지 소비를 최소화할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 빛의 세기가 중간 수준일 때에는 active mode와 sleep mode의 비율을 빛의 세기에 맞게 적정하게 배분하여 동작하게 한다. 본 논문에서 제안한, 스스로 active mode와 sleep mode의 동작 시간 비율을 조절하는 방법은 특히 높은 전력 소비 효율 특성이 필요한 웨어러블 및 바이오-헬스용 자가발전 시스템을 에너지 효율적으로 동작시킬 때에 도움이 될 것으로 생각된다.

In this paper, we design a self-powered Arduino system for solar energy harvesting and explain its operation. To perform the operation, the Arduino system senses the amount of solar energy that changes every moment and adjusts the ratio of the active mode and sleep mode operation time according to a given solar light intensity. If the intensity of sunlight is strong enough, the Arduino system can be continuously driven in active mode and receive sufficient power from sunlight. If not, the system can run in sleep mode to minimize power consumption. As a result, it can be seen that energy consumption can be minimized by reducing power consumption by up to 81.7% when using sleep mode compared to continuously driving active mode. Also, when the light intensity is at an intermediate level, the ratio between the active mode and the sleep mode is appropriately adjusted according to the light intensity to operate. The method of self-control of the operating time ratio of active mode and sleep mode, proposed in this paper, is thought to be helpful in energy-efficient operation of the self-powered systems for wearables and bio-health applications.