Show HN: 자작 자동화 태양광 집중기

 (github.com/remipch)
2P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 1개
  • Solar Concentrator는 방향 조절 가능한 거울 패널, 고정 타깃, 전자 제어 장치로 구성된 자작 자동화 태양광 집중기이며, 현재 48개 집광 거울로 총 1m² 면적을 사용함
  • 2024년 6월 26일 오븐 내부에 알루미늄 포일을 추가해 단열을 개선했을 때, 오븐 온도가 30분 후 210°C까지 상승함
  • 이 장치는 전력 3.8W를 소비하면서 최대 약 1000W의 열을 만들 수 있고, 저렴하고 구하기 쉬운 표준 부품과 재료로 제작 가능함
  • 현재 버전은 안전 계층이 없고, 자동 추적 전 수동으로 패널 방향을 맞춰야 하며, 한 개 패널만 제어하고 흐린 날에는 동작하지 않음
  • 다음 단계는 임의 개수의 패널을 제어해 수 kW 출력을 얻는 것이며, 대량 액체 가열, 담수화·살균, 조리·살균, 재료 용융, 집광형 태양광 발전 출력 증가에 활용될 수 있음

프로젝트 구성과 동작

  • Solar Concentrator는 자작 자동화 태양광 집중기 프로젝트임
  • 현재 구성은 세 부분으로 나뉨
    • 방향 조절 가능한 거울 패널: 현재 48개 집광 거울, 총 1m²
    • 고정 타깃: 현재 검은 금속판과 강화유리가 있는 단순 콘크리트 오븐
    • 감독 장치(supervisor): 타깃을 측정하고, 모터 명령을 계산해 전송하는 전자 제어 장치
  • 2024년 7월 8일 동작 영상은 두 부분으로 구성됨
    • 전반부는 조립 과정을 10배속으로 보여줌
    • 후반부는 약 7시간 동안 자동 태양 추적을 600배속으로 보여줌

성능과 제작 방향

  • 2024년 6월 26일, 오븐 내부에 알루미늄 포일을 추가해 단열을 개선했을 때 오븐 온도가 30분 후 210°C까지 상승함
  • 주요 특징은 다음과 같음
    • 전력 3.8W를 소비하면서 최대 약 1000W의 열을 생산 가능
    • 표준적이고 저렴하며 구하기 쉬운 부품과 재료 사용
    • 고정밀 제작이 필요 없고, 일반 공구로 손 제작 가능
    • 조립과 분해가 쉬움
    • 이해와 수정이 쉬움
    • 오픈소스로 공개됨

안전 경고와 현재 한계

  • 이 프로젝트는 주변 사람이나 동물에게 영구 실명, 피부 화상, 물체 발화를 일으킬 수 있음
  • 전원이 꺼져 있어도 태양광은 작은 영역 하나에 48배로 집중됨
  • 초점은 예측하기 어려운 경로를 따라 계속 이동함
  • 현재 상태에서는 장치를 지속적으로 감시해야 하며, 이상이 발생하면 거울을 빠르게 덮어야 함
  • 현재 버전의 한계는 다음과 같음
    • 안전 계층이 구현되어 있지 않음
    • 자동으로 태양을 추적하기 전 패널 방향을 맞추는 초기 수동 단계가 필요함
    • 한 개 패널만 제어 가능
    • 흐린 날에는 동작하지 않음
    • 다양한 저전력 모드를 구현하면 전력 소비를 크게 줄일 수 있음

사용된 부품과 재활용된 제품

기술 구성

  • 프로젝트 구조는 기술 구성을 반영함
  • 주요 하위 구성은 다음과 같음

다음 목표와 라이선스

  • 다음 단계는 임의 개수의 패널을 제어해 수 kW 출력을 얻는 것임
  • 가능한 활용은 다음과 같음
    • 대량의 액체를 빠르게 끓임
    • 대량의 물을 담수화하거나 살균함
    • 대량의 음식을 조리하거나 살균함
    • 플라스틱, 금속, 유리를 녹임
    • 집광형 태양광 발전으로 태양광 패널 출력을 높임
  • 라이선스는 구성에 따라 나뉨
    • 소프트웨어는 GNU GPL v3
    • 전자·기계 하드웨어 설계는 CERN Open Hardware Licence v2 Strongly Reciprocal로 배포됨

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 멋진 작업임. 비영상 광학(nonimaging optics), 즉 태양 집광기에서 높은 집광비나 오차 허용폭을 얻는 광학을 연구하고 있음
    폐루프 제어를 구현한 점이 좋음. 대규모 헬리오스타트 필드에서도 요즘 핵심 주제임. 전통적인 헬리오스타트는 대부분 개루프 제어라 기계 구조, 구동기, 운동학 모델에 매우 엄격한 요구가 걸리고, 그 결과 비싸고 강성이 높은 장치가 필요해짐
    그래서 추적 정밀도를 폐루프 제어로 확보하는 더 저렴한 헬리오스타트로 이동하는 흐름이 있음. 수천 개 거울의 초점이 겹치는 상황에서는 더 까다롭지만, 표적 주변 카메라가 헬리오스타트 필드를 되돌아보는 방식 같은 접근이 개발 중이고 Heliogen도 이런 방식을 다룸
    하루에 몇 시간만 빛이 집중되는 어려움도 언급했는데, 대형 헬리오스타트 필드에서도 같은 문제이며 활발한 연구 분야임. University of Arizona의 Roger Angel 교수 그룹은 하루 동안 능동적으로 변형되어 최적 형상을 유지하는 헬리오스타트를 개발하고 있고, 호주 Heliosystems는 중력으로 수동 변형되어 가능한 한 올바른 형상을 유지하는 헬리오스타트를 만들고 있음
    이 프로젝트처럼 단일 헬리오스타트만 쓴다면, 표적을 지나는 단일 축의 극축 정렬 추적축 위에 두는 Scheffler 반사판도 고려할 수 있음. 그러면 하루 동안은 단일 축 추적만 필요하고, 계절별 조정은 일부 수동으로 가능함
    집중된 햇빛의 본질적 위험을 강조한 점도 반가움. 추적이 제대로 안 되면 물건에 불이 붙었다는 이야기가 꽤 많음

    • 친절하고 자세한 답변에 감사함. 폐루프 제어는 평범한 도구로 기계 부품을 손으로 만들 수 있겠다고 확신하게 한 초기 아이디어였음
      말하자면 소프트웨어의 “똑똑함”이 기계적 “투박함”을 보완하는 구조임
      또 다른 초기 아이디어는 여러 개의 방향 조절 패널과 표적을 보는 카메라 하나로 다중 패널을 구성하는 것이었음. 실제로 쉽지 않아서 결국 단일 패널로 완성해 공개하는 쪽으로 돌아왔음
      그래도 카메라를 몇 개 더 써서 다중 패널을 구현하는 아이디어가 있고, 가까운 시일 내에 작업해보고 싶음. 참고 자료들도 시간을 들여 살펴보겠음
      거울 형상을 조정하는 데 진공을 쓰는 회사도 있는데, 찾아서 여기에 올려보겠음
      이 프로젝트는 완제품이 아니라 진행 중인 개념 증명이라, 본질적 위험을 강조하고 싶었음
    • 위험과 화재 얘기가 나와서 말인데, 집광으로 도달 가능한 온도에 알려진 한계가 있는지 궁금함. 이 방식으로 텅스텐 조각을 녹일 수 있을지 생각해 봄
    • “계절별 조정은 일부 수동으로 가능”하다는 부분과 관련해, 부유식 태양광 계절 조정 장치에 참고할 만한 자료가 있을까?
      높이 5m 프리즘에 한쪽 면을 따라 패널을 붙인다면, 패널 경사각의 계절 조정을 어떻게 구현할 수 있을까
      조절식 또는 팽창식 밸러스트가 가장 단순해 보임

  • 멋진 프로젝트임. 특히 전력 비교가 좋았음. 1m²에서 1kW의 에너지를 얻을 수 있다니 누가 생각했겠나
    비슷한 방향의 질문인데, 터빈 엔진을 구동하는 용융염 반응기를 태양 집광기로 가열하는 방식이 가능할까? 그래도 뒷마당에서 만들 수 있을 정도의 비교적 작은 규모로
    위 설명은 기억에 의존한 이해였고, 실제로 말하려던 건 이쪽임: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower
    조금 파고들다 보니, 태양 집광을 이용한 소규모 발전에 관해 결국 이런 걸 찾았음
    https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-powered_Stirling_engine
    [https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo....](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo.jpg)
    태양광 패널의 반쯤 viable한 대안일 수도 있겠음. 다만 태양광 패널과 보조 하드웨어가 워낙 범용화되어서, 비용 면에서는 지금 꽤 비쌀 듯함

    • 1kW/m²는 태양 복사에서 얻는 열에너지의 표준 경험칙임. 원글 작성자가 계산한 것인지, 아니면 표준 수치를 인용한 것인지는 모르겠음. 계산한 것이라면 잘 만든 시스템이라는 점에서 인정할 만함
      뜨거운 오일로 동작하는 대형 Stirling 엔진도 있음. 피스톤 직경이 크면 작은 온도차만으로도 꽤 큰 토크를 만들 수 있음. 오일은 기존 태양열 온수기처럼 집광 없이도 가열할 수 있고, 집광을 더해도 나쁠 건 없음
    • 태양 집광기로 터빈 엔진이나 Stirling 엔진을 구동하는 산업 응용은 여럿 있음
      다만 소규모 발전 방식으로 viable한지는 잘 모르겠음. 높은 열역학 효율에는 큰 온도차가 필요하고, 태양광 패널은 대량생산되며 효율도 계속 올라가고 있기 때문임
      개인적으로 소규모 집광 태양열은 요리, 담수화, 주조처럼 직접 열이 필요한 응용에 가장 유용하다고 봄. 이런 경우에는 태양광 발전이 효율이 낮고 수명도 더 짧음
    • 2011년에 학부 졸업 논문 프로젝트로 정확히 이걸 했음. 태양 집광기로 전기 생산을 시도했음
      프로젝트를 시작할 때는 태양광 발전보다 경제성이 더 낫다고 생각했는데, 학년이 끝날 무렵 이미 태양광 패널 가격이 절반으로 떨어졌음. 독일과 중국이 태양광 보조금 경쟁을 하던 시기였음
      지금쯤이면 태양 집광 발전은 태양광 패널에 비해 엄청 비쌀 듯함
    • Stirling 엔진은 태양광 패널에 비해 유지보수가 너무 많아서 수지가 안 맞을 수도 있음
      엔진은 부품 교체 없이 몇 년씩 돌아가진 않음
    • 태양광 패널은 정말 저렴함. 같은 크기의 거울과 비교할 만한 수준으로 저렴함

  • 집중된 햇빛은 겉보기보다 훨씬 강력함. 작은 손잡이 돋보기로 태양을 작은 점에 모아 종이나 작은 나무 조각을 태워본 경험은 대부분 있을 것임
    어릴 때 오래된 프로젝터 같은 데서 나온 지름 2피트쯤 되는 프레넬 렌즈가 있었는데, 아스팔트에 거의 즉시 불을 붙일 수 있었음. 편리하진 않겠지만 햇빛으로 강철 용접도 가능할 것 같음

    • 몇 년 전 사막 모래를 태양 소결로 3D 프린팅하는 시연 프로젝트가 있었음: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S09596... 아주 멋진 아이디어임
    • 모래를 소결해서 3D 구조물로 만들 수도 있음
      https://www.youtube.com/watch?v=ptUj8JRAYu8
      이론적으로 렌즈와 광섬유를 만들 수 있다면, 햇빛이 충분한 곳 어디서든 태양에너지로 동작하는 구조물을 3D 프린팅할 수 있음. 화성 현지에서 가열된 실리카겔 순환을 이용한 물 수집기가 붙은 작은 병 정원을 3D 프린팅한다고 상상해볼 수 있음. 대기압은 여전히 낮겠지만 더 따뜻하고 습해질 것임
    • 두꺼운 강철을 몇 초 만에 녹이는 거대한 태양 집광기가 있음
      https://youtu.be/8tt7RG3UR4c
      1분 25초쯤부터 볼만함
    • 실제로 여러 집광 방식과 렌즈를 이용한 태양상 투영을 가지고 놀아봤음. US 레터 크기 프레넬 렌즈만으로도 몇 초 안에 부싯감에 불을 붙일 수 있고, 태양 필터를 끼우지 않은 채 렌즈를 몇 초 동안 태양 쪽으로 향하게 했다가 실수로 많은 걸 녹여본 적도 있음

  • 여기 태양열 수집 관련 흥미로운 실험이 많음: https://www.youtube.com/@sergiyyurko8668/videos

    • 링크 고마움. 정말 흥미로움
      몇몇 프로젝트는 작은 정사각형 거울의 격자 구조라는 같은 아이디어를 따르고 있음
      다만 그쪽은 거울을 바닥에 두는 방식을 택했는데, 이건 더 단순함. 대신 표적을 초점 위치로 움직이는데, 이건 덜 단순함
      좋은 영감원이라 영상들을 봐야겠음

  • 젖은 모래로 지름 1m 이상의 큰 곡면 덩어리를 만들면, 그 위에 유리섬유 포물면을 성형한 뒤 굳은 다음 포물면 안쪽을 크롬 도금하거나 칠하거나 다른 방식으로 마감할 수 있음
    이렇게 하면 현재 48배 제한보다 태양광을 더 집중할 수 있음

    • 좋은 아이디어임. 고마움
      다만 어떤 응용에서는 20cm x 20cm 정사각형 초점이 더 나을 수 있음
      무언가를 요리하려면 열을 베이킹 시트 전체에 퍼뜨리는 편이 균일 조리에 더 좋음
    • 수십 년 전, 형이 큰 우산 안쪽에 알루미늄 포일을 붙여 쓴 적이 있음. 손잡이에 작은 그릴을 붙여 핫도그를 구웠음
      어떻게 올바른 방향으로 고정했는지는 잘 모르겠음. 이 경우에는 표면 형상이 완벽하지 않은 게 오히려 좋았을 수도 있음

  • 공유 고마움. 정말 멋짐. 마당이나 만들 공간이 있었다면, 작은 열기관을 구동하도록 하나 조립해보고 싶음

    • 좋은 댓글 고마움
      직접 만들고 태양에서 오는 공짜 에너지를 쓰는 건 확실히 재미있음
      첫 태양열 그라탱을 먹었을 때 특히 기뻤음
    • 태양이 추출수와 스팀 완드, 그리고 에스프레소 펌프를 돌리는 증기기관용 보일러까지 데우는 태양열 에스프레소 머신이라니
      사실 날씨 안 좋은 날 침대에 더 누워 있을 핑계를 찾는 중임

  • 아주 멋짐. 비영상 집열기(anidolic solar collector) 를 살펴봤는지 궁금함. 내가 이해하기로는 거울이나 렌즈 기반 집열기보다 실제로 더 효율적임. 정밀 조준이 필요 없고 간접 햇빛도 모을 수 있기 때문임

    • 그런 시스템은 몰랐음
      제대로 이해했다면 핵심 특징은 초점에 모으는 것이 아니라 빛을 확산한다는 점임
      그래서 내 프로젝트에 적용 가능할지는 잘 모르겠음
      정확히 어떻게 동작하는지 완전히 이해하려면 더 파봐야겠음. 힌트 고마움

  • 각 거울 조각과 뒷판 사이의 각도는 제작 중 한 번 고정되고, 이후에는 동적으로 변하지 않는다는 이해가 맞을까?

    • 정확함
      이 방식은 거울마다 모터 두 개가 필요한 대신, 패널 전체에 모터 두 개만 필요하다는 장점이 있음
      단점은 하루 중 몇 시간만 빛이 집중된다는 것임

  • 2000년쯤 Directv 위성 접시로 만든 비슷한 걸 기억함
    매우 단순했음. 위성 접시의 포물면을 거울처럼 만들고, 접시에 구멍을 뚫은 뒤, 그 구멍을 통해 지붕에 비치는 빛줄기를 광센서로 추적함. 모터 몇 개와 IC로 태양 위치에 맞춰 접시를 움직이는 방식이었음

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