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문제 정의
- 본 논문에서는 무전극 램프를 부하로 사용하는 독립형 태양광 조명 설비를 설계하여 인천지역에 설치하고 기상 조건에 따른 동작 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 조명 부하를 응용한 태양광발전시스템의 운전데이터를 통해 시스템의 성능을 평가하고 운전특성에 대하여 고찰하였다. 소형 독립형 태양광 조명 시스템의 5개월간의 운전 특성을 분석하였으며 주요 결과로는 발전효율 10.
제안 방법
- 본 연구에서는 수평면 일사량을 이용하여 최적 경사각을 추정할 수 있는 Roberts 의 방법(4)을 이용하였다. 각 경사각에 따른 tilt factor를 수평면 일사량에 적용하고 이로써 산출된 Peak-hour/day 수치를 비교하여 경사각을 산정한다. 그림 1은 위 방법을 이용하여 산출한 인천지역의 월별 Peak-hour/day 그래프이다.
- 또한 LabVIEW의 그래픽 인터페이스를 이용하여 측정 데이터를 실시간으로 모니터링하고 저장한다. 각 전기적 요소들의 측정 간격은 1분이며 주기적으로 모니터링 데이터와 실측값들을 비교하여 측정 오차를 ±5% 이하로 하였다.
- 겨울철 저일사량을 고려하여 경사각도를 50° 로 결정하였다.
- 대부분 기존의 태양광 발전 설비를 평가하는 방법은 각각의 구성품에만 초점이 맞추어져 있기 때문에 전체적인 시스템의 신뢰성을 평가하기에는 부족한 실정임을 감안하여, 일일 시스템 출력전력을 기초로한 시스템 발전 효율과 PR (Performance ratio) 그리고 부하 사용율을 이용하여 시스템의 성능 및 신뢰도를 평가하였다. 시스템 발전 효율은 식(3)에 의하여 계산되어진다⑻
- 독립형 태양광 조명 시스템을 약 5개월간 운영하면서 얻은 데이터를 이용하여 시스템을 분석하였다. 대부분 기존의 태양광 발전 설비를 평가하는 방법은 각각의 구성품에만 초점이 맞추어져 있기 때문에 전체적인 시스템의 신뢰성을 평가하기에는 부족한 실정임을 감안하여, 일일 시스템 출력전력을 기초로한 시스템 발전 효율과 PR (Performance ratio) 그리고 부하 사용율을 이용하여 시스템의 성능 및 신뢰도를 평가하였다.
- PR(Performance ratio) 은 PV 시스템의 특성을 분석하고 평가하는 데에 가장 중요한 지표이다. 따라서 신속하고 정확한 평가를 분석할 수 있는 PR을 사용하여 분석기간 동안 시스템의 성능을 평가 분석하였다.⑼
- 현재까지의 태양광발전시스템 성능평가는 계통연계형 위주의 중대형시스템에 대하여 발표되어지고 있고 평가 방법도각 구성품의 효율에 초점이 맞추어져 있었다. 따라서 응용 범위가 폭넓은 소형 독립형 태양광 발전시스템을 연구대상으로 하여 발전효율, Performance ratio, 부하이용율을 이용하여 시스템의 성능을 종합적으로 검토하였다.
- 본 설계 시스템에서는 규모의 증가를 방지하고 부하 제어의 편리성을 제고하여 고정부하 방식을 채택하고 부하동작 시간을 하루 7시간으로 산정하였다. 부하동작은 타이머를 이용하여 제어하였다.
- 부조일을 많이 산정할수록 시스템 신뢰성은 높아지지만 설치비용이 증가하므로 신중히 고려해야한다. 본 설계에서는 부조일을 4일로 채택하고 축전지 충방전 효율 및 방전심도를 각각 0.85와 0.5로하여 식(2)를 이용하여 계산하였다. 축전지 용량은 3623.
- 본 연구에서 설치를 고려하는 태양광 발전설비는 독립형 (Stand-alone) 태양광 발전 설비이며, 태양전지 모듈의 설치 방식은 지지대에 태양전지모듈을 고정시키는 고정형 어레이 (Fixed Array) 방식으로 하였다. 따라서 고정형 어레이 방식의 경우 경사각에 따라 월별로 일사량이 변화하므로년 간 최대의 일사량을 받을 수 있는 어레이 경사각을 결정해야 한다.
- 따라서 부하로써 사용되는 램프는 자체 소비전력이 적은 에너지 절약형의 고효율이어야 하고 수명이 길어야 한다. 이러한 이유로 인해 수명 및 광속 특성이 우수한 55〔W〕무전극 램프를 옥외용 독립형 태양광 조명 설비에 적용하였다. 무전극 램프는 다른 방전등과는 달리전극의 열화가 없어 수명이 60, 000시간에 달하며고 주파동작으로 인해 고효율이다.
- 5로하여 식(2)를 이용하여 계산하였다. 축전지 용량은 3623.53[Wh] 로 산출되므로 12〔V〕x200〔Ah〕납축전지 2개를 병렬로 연결시키는 방식으로 시스템을 설계하였다.
- 태양광 조명 시스템의 동작특성을 알아보기 위해 컴퓨터 기반의 Lab VIEW Graphic Program Language를 이용해 실시간으로 전기적인 요소들을 측정하였다.
이론/모형
- 관련 업체 및 연구소에서 측정한 몇몇 특정지역의 경사면 일사량 데이터가 보고 되고 있는 실정이며 그역시 단기간의 측정데이터이므로 경년변화등의 분석을 할 수 없다. 본 연구에서는 수평면 일사량을 이용하여 최적 경사각을 추정할 수 있는 Roberts 의 방법(4)을 이용하였다. 각 경사각에 따른 tilt factor를 수평면 일사량에 적용하고 이로써 산출된 Peak-hour/day 수치를 비교하여 경사각을 산정한다.
성능/효과
- 계절에 따른 일조시간의 특성을 보면 봄과 가을의 일조시간이 연평균 이상이었으며, 겨울 및 여름의 경우는 강우와 강설의 영향으로 일조시간이 짧게 조사됐다.
- 이는 효율이 높은 단결정 실리콘 태양전지를 사용하고 시스템의 구성이 적절했기 때문으로 판단된다. 설계시 사용한 평균 일사량(3.8 [kWh/m2 . day)을 기준으로 일일 전일사량을 저일사량과 고일사량으로 나누어 각 경우의 발전효율을 계산한 결과 고일사량일때 9.28〔%〕, 저일사량일 때 11.79〔%〕로 나타났다. 그림 8의 분산도를 보면일일 총일사량이 증가할수록 시스템 효율이 감소하는 것을 알 수 있는데 이는 태양광 모듈 설치시경사각 산출 근거를 연간 총일사량이 아닌 동절기최대 일사량으로 하였기 때문이다.
- 운전특성에 대하여 고찰하였다. 소형 독립형 태양광 조명 시스템의 5개월간의 운전 특성을 분석하였으며 주요 결과로는 발전효율 10.8±2 %, PR 0.72+0.2 정도로 양호한 시스템 성능을 나타냈으며 부하 사용율은 96.08 %인 것으로 분석되어 기상 조건이 시스템의 신뢰성에 영향을 많이 미침을 알 수 있었다. 시스템 성능에 영향을 미치는 요소로는 일사량, 운량, 온도등의 기상요소와 전력변환기 효율과 같은 전기적 요소등으로 나눌 수 있다.
- 여기서 PRe 성능계수, Epvuse는 시스템 줄력전력량, Rstg는 표준조건(STC) 에서 모듈 효율, Eirre 전일사량을 나타내고 있다, 분석 기간 동안의 PR평균은 0.72로써 시스템이 잘 운영되고 있음을 알 수 있다. 일반적으로 PR이 0.
- 우리나라의 계절별 수평면 일사량의 조건을 1 년을 기준으로 분석하여 보면 표1에서 보는 바와 같이 일사조건이 가장 좋은 계절은 봄과 여름철로 나타났으며, 연평균 일사량보다도 각각 24%, 21% 높게 나타났다. 반면에 가을철과 겨울철의 일사 조건은 각각 13%, 33%정도 상대적으로 낮게 나타나 연 평균치에도 훨씬 못 미치는 낮은 수준인 것으로 밝혀졌다.
- 무전극 램프의 점등이 오후 8:00부터 시작되므로 그 때를 기준으로 부하전류가 증가하고 소등 시점인 오전 3:00에 부하전류가 다시 감소하였다. 점등 초기에 전류가 4.9A까지 상승한 후 4.7A에서 안정화 되었으며 안정 상태로 유지되는 시간은 평균 30 분정도로 측정되었다. 소등 후에도 약 Q.
- 해안지역에 가까운 도시와 산간지역 도시가 깨끗한 대기상태를 유지하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 대도시와 공업단지가 들어선 도시들은 오염이 심해 청명도가 매우 낮은 것으로 조사됐다'
후속연구
- 따라서 독립형 태양광 발전시스템의 성능평가에 대한 연구는 소형 태양광 응용 제품의 개발 및 평가에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 본 시스템 평가는 단기간의 운전실적을 기초로 작성되었으며 장기운전의 연간 분석치는 다소 차이를 보일 것으로 사료된다.
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