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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 이러한 구성장치에 의해 넓은 부지가 필요하며 햇빛의 방향에 따라 또는 태양전지에 입사하는 일사량의 정도에 따라 많은 발전전력에 차이가 있으므로 태양광 발전의 경우 발전단가가 높고 효율이 낮기 때문에 일사량에 따른 전력을 측정하여 효율적인 발전에 필요한 조건을 알아 보기위해 2007년 1년간의 실증운전을 통한 일사량과 전력발생량을 비교 분석하였으며 또한 햇빛의 일사량은 시간대별, 일별, 월별, 년별로 각각 달리 측정되므로 각각의 일사량에 따른 전력패턴을 분석하여 태양광 발전에 필요한 일사량과 전력과의 상관관계를 연구하였다.
제안 방법
- Soft-start는 부하의 기기 또는 제품의 장치가 전원스위치 ON 상태에서 전원을 공급해야 할 경우가 있으므로 돌입전류를 방지하기 위하여 2~20초의 대기시간 기능을 갖도록 하며 최대출력점 추적제어(Maxim Power Point Tracking)는 태양전지의 출력특성은 온도, 습도 등에 따라 변동하므로 태양전지로부터 외부 변화 요인에 따라 최대출력을 낼수 있도록 최대출력점 추종제어를 하도록 하였다.
- 계측사항 백업 메모리 기간은 31일이고 PC사양으로 P4 core2 1[GHz], 120[Gbyte], 모니터는 21" LCD 모니터로 구성하였으며 디지털 감시 화면을 통하여 태양광, 인버터 등의 동작상태를 확인하며 인버터 보호 계전기(온도, 과전류, 과/저전압, 과/저주파수) 동작 상태를 확인할 수 있게 되었다. 계측 화면은 각 감시 요소별 아날로그 값을 막대 그래프와 디지털 값으로 분리 표시하여 나타내었으며 주요 계측 요소는 태양전지 풍력전지출력 (직류전류, 전압, 전류), 인버터 출력 (단상 전압, 전류, 유효전력, 전력량, 역률, 주파수) 그리고 기후 조건(외기온도, 태양전지 표면온도, 일사량 및 풍향 풍속)이다.
- 태양광발전설비 원격감시 및 운전상태 감시 장치의 구성은 설치된 태양전지 지지대 부위에 온도 2개소 일사량 1개소의 센서를 연결하여 기상관측반을 통하여 개별모니터링 메인 통신부위에 기후조건에 대한 신호를 송출하도록 하였으며 인버터의 통신보드 내에서는 태양광발전에 각각의 대한 발전량, 전압, 전류, 주파수, 역률 등 전기적 특성을 MAIN 컴퓨터에 각종 자료를 보내어 감시 및 측정하도록 하였다. 고정식, 발전량, 전압, 전류, 주파수, 역률 등 전기적 특성 자료를 감시 및 측정, 비교, 판단 분석할 수 있도록 구성하였고 모든 기기는 현장 제어실에서 1인 제어방식으로 구성 하였다.
- 그래프 감시(일보1)는 일 단위별로 경사면 일사량, 태양전지 발전전력 그리고 부하 전력소비량을 표시할 수 있도록 1일 24시간 그래프로 출력토록 소프트웨어를 개발하여 적용되었다. 이때 그래프 우측 상단에 일사량 적산치, 최대치, 발전 적산치, 최대치 및 부하량 최대치, 적산치를 표시할 수 있도록 되었다.
- 년간 전력발생량이 최대인 5월을 기준으로 월간 일사량 누계와 전력발전량 누계를 분석하였다. 일사량은 자연환경에 기인한 것으로 자연환경은 수시로 변화하며 일사량 또한 변화가 매우 크며 년간 발전량이 가장 큰 5월의 경우에도 25% 정도 일사량이 20,000 [W/m²] 이하이고 이때의 전력발전량이 2,000 [Wh]로 측정되었다.
- 본 논문은 에서는 태양광 발전의 경우 발전단가가 높고 효율이 낮기 때문에 일사량에 따른 전력을 측정하여 효율적인 발전에 필요한 조건을 알아보았으며, 햇빛의 일사량은 시간대별, 일별, 월별, 년별로 다르게 측정되므로 각각의 일사량에 따른 전력패턴을 분석하여 태양광 발전에 필요한 일사량을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 태양전지 모듈은 수평면 기준으로 정남향 방향으로 45[°]기울어져 설치되었으며 모니터링 결과는 1년을 기준으로 분석하였다. 실험장치가 구성된 태양광발전 어레이 출력 800[W], 인버터출력 1[kW] 태양광 발전설비에 대해 1년간의 Data를 전력량 측정기로 춘계, 하절기, 동절기별로 가장 일사량이 많은 달을 선정하여 특정일 외기 온도 변화에 따른 PV (photovoltaic) 어레이의 출력값(Vdc, Idc)을 15분 단위로 측정된 결과를 분석하였다.
- 일사량센서의 민감성은약 9 [μV/Wm-2]이며 임피던스는 약 650[Ω], 온도 의존성은 ±1%이상의 외기온도이며 반응 시간은 1초이며 온도 범위는-20∼+40[°C]이고 ±3% 70-80[°] 천정 각도로 구성하였다.
- 이때 그래프 우측 상단에 일사량 적산치, 최대치, 발전 적산치, 최대치 및 부하량 최대치, 적산치를 표시할 수 있도록 되었다. 일일 발전 현황(일보2)으로 일일 시간대별 기상현황(경사면 일사량, 수평면 일사량, 외기온도, 태양전지 표면온도), 태양전지 발전 현황, 부하 현황 등을 표시할 수 있도록 소프트웨어를 구성하였으며 월간 발전 현황(월보1)으로 월간 일자별 기상현황(경사면 일사량, 수평면 일사량, 평균 외기온도), 태양 전지 발전전력, 부하 소비전력 등을 표시할 수 있도록 하였다.
- 출력 과전류 검출회로(Output Over Current, O.O.C)는 과부하시 또는 선로의 단락시에 전류제한 모드에 의해 주어진 시간동안 동작하여야 하며, 순간단락이나 급격한 부하변동에 의한 출력과 전류변동현상이 수초이상 계속되면 인버터는 정지해야하며 주어진 시간내에 과전류 모드가 해제 되면 인버터는 정상적인 모드에서 운전되는 기능을 갖추도록 하였고 과열검출 및 정지 (Over Temp.)는 전력소자에서 발생한 열에 의한 기기손상을 방지하기 위하여 일정온도 이상 운전시 thermal relay 동작에 의하여 인버터를 정지하도록 해야 하며 단독운전 방지 (Islanding)는 한전 배전선로의 단락 또는 인버터 고장시 운전을 중단하고 계통 및 부하를 분리하도록 하였고, 트립후 재기동은 계통 이상에 따라 발전설비 운전중단 상태에서 계통정상화 될 경우 일정시간 경과후 발전설비가 정상 가동되도록 설계하였다.
- 출력과전압 검출회로(Output Over Volatge, O.O.V)는 인버터 제어회로 이상으로 출력전압이 상승될 경우 기기 또는 제품의 손상을 방지하기 위하여 출력전압이 ± 10 %를 벗어나면 정지되는 기능을 갖추도록 하였다.
- 태양광 발전설비의 출력 및 상태를 감시하여 항상 최적의 상태로 동작되도록 하며 기동은 태양전지의 개방 전압을 감시하여 설정치를 넘으면 자동적으로 기동하며 정지는 태양전지의 출력 전류를 감시하여 설정치 이하가 되면 자동적으로 운전을 정지하도록 설계하였다.
- 태양광발전설비 원격감시 및 운전상태 감시 장치의 구성은 설치된 태양전지 지지대 부위에 온도 2개소 일사량 1개소의 센서를 연결하여 기상관측반을 통하여 개별모니터링 메인 통신부위에 기후조건에 대한 신호를 송출하도록 하였으며 인버터의 통신보드 내에서는 태양광발전에 각각의 대한 발전량, 전압, 전류, 주파수, 역률 등 전기적 특성을 MAIN 컴퓨터에 각종 자료를 보내어 감시 및 측정하도록 하였다. 고정식, 발전량, 전압, 전류, 주파수, 역률 등 전기적 특성 자료를 감시 및 측정, 비교, 판단 분석할 수 있도록 구성하였고 모든 기기는 현장 제어실에서 1인 제어방식으로 구성 하였다.
대상 데이터
- 송신기의 종류는 Pt 100 급A이며 하우징은 ABS이고 크기는 100 x 83 x 42[mm]이다. 보호는 IP65이고 케이블 그립은 7[mm]의 직경이다. 출력은 4-20[mA]이고 전력 공급은 24 [Vac/dc] +/-10%이며 동작 온도는 -10 +50[°C]이고 무게는 145[g]이다.
- 4 [°C]이며 온도 범위는-20~+80[°C]이고 측정 시간은 20초이다. 송신기의 종류는 Pt 100 급A이며 하우징은 ABS이고 크기는 100 x 83 x 42[mm]이다. 보호는 IP65이고 케이블 그립은 7[mm]의 직경이다.
- 태양전지 모듈은 수평면 기준으로 정남향 방향으로 45[°]기울어져 설치되었으며 모니터링 결과는 1년을 기준으로 분석하였다.
성능/효과
- 년간 전력발생량은 각월별로 일사량과 전력발생량의 누계를 분석하였으며 각 월별 일사량과 전력 패턴을 분석한 결과, 5월에 일사량 누계가 626,622[W/m²]이고 이때 전력발생량은 110,601 [Wh]로 최대였으며 10월과 3월 순으로 측정되었다. 계절별로 보면 봄과 가을이 가장 전력발생량과 일사량이 높고 그 다음 여름, 겨울 순으로 일사량과 전력 발생량이 측정된 것을 알 수 있었다.
- 계측사항 백업 메모리 기간은 31일이고 PC사양으로 P4 core2 1[GHz], 120[Gbyte], 모니터는 21" LCD 모니터로 구성하였으며 디지털 감시 화면을 통하여 태양광, 인버터 등의 동작상태를 확인하며 인버터 보호 계전기(온도, 과전류, 과/저전압, 과/저주파수) 동작 상태를 확인할 수 있게 되었다.
- 또한 월간 일사량누계와 전력 발생량 누계의 경우 5월과 10월에 최대 일사량과 최대 전력발생량이 측정되었고 봄, 가을, 여름, 겨울 순으로 일사량과 전력 발생량 누계가 감소되는 것으로 측정되었다.
- 또한, 일사량이 약 600 [W/m²] 이상일 때 전력발전량이 100 [Wh] 이상으로 양호한 것으로 관측되었다.
- 그림 5는 일사량과 온도변화에 의한 전력패턴변화를 비교한 결과로서, 전력량이 최대일 때는 164[Wh]로 이때의 일사량은 911[W/m²]이고 모듈온도가 40[°C], 외기온도는 25[°C]가 측정되었으며, 일사량이 최대일 때는 922[W/m²]이고 이때의 전력발생량이 162[Wh]이고 모듈온도는 43[°C], 외기온도는 27[°C]가 측정되었다. 실험 결과 값 에서와 같이 일사량에 의해서만 전력발생량이 변화하지 않고 외기온도와 모듈온도, 모듈과 태양과의 각도에 의해서도 좌우됨을 알 수 있었다.
- 일사량 변화가 양호한 하루를 측정한 결과 일출 시점인 6시 이후 일사량이 측정되면서 전력량도 같이 측정되기 시작하여 일사량이 가장 많은 12시부터 13시까지 최대의 전력 발생량이 측정되었다. 최대전력량은 12시 30분에 164 [Wh]로 이때의 일사량은 911 [W/m²]로 측정되었다.
- 일사량이 200[W/m²]일 때 전압은 약 290[V]이고 전류는 약 0.6[A] 정도로 측정되었고, 일사량이 600[W/m²]일 때 전압은 약 270[V]이고 전류는 약 1.8[A] 정도로 측정되었으며 이는 일사량이 증가할수록 직류전압은 감소하고 적류전류는 증가하는 것을 알 수 있고 이 또한 비례하여 변화하지 않음을 알 수 있었다.
- 일사량이 약 600 [W/m²] 이상일 때 전력발전량이 100 [Wh] 이상으로 양호한 것으로 측정되었고, 일사량에 의해 전력발생량이 변화하지만 일사량증가에 따라 전력량이 비례하여 증가하지는 않았으며 이는 전력발생량은 일사량에 의해서만 적용되는 것이 아니고 모듈온도와 일사량의 방향등에 의해 발생전력이 변화됨을 알 수 있었다.
- 태양광 발전시스템의 일사량에 따른 전력패턴은 일사량 증가에 전력발생 량이 증가함을 알 수 있었다. 일사량이 약 600 [W/m²] 이상일 때 전력발전량이 100 [Wh] 이상으로 양호한 것으로 측정되었고, 일사량에 의해 전력발생량이 변화하지만 일사량증가에 따라 전력량이 비례하여 증가하지는 않았으며 이는 전력발생량은 일사량에 의해서만 적용되는 것이 아니고 모듈온도와 일사량의 방향등에 의해 발생전력이 변화됨을 알 수 있었다.
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