[논문]Heliostat 제어시스템

박영칠

문제 정의

본 연구는 1MW급 탑형 태양열 발전시스템의 통합 제어시스템 개발을 위한 중간 단계 연구 결과로서 헬리오스타트 제어시스템의 개발에 관한 것이다.
본 연구는 1MW급 태양열 발전시스템[2μ) 의 통합 제어시스템 개발을 목적으로 진행되고 있는 연구의 중간 결과로서, 태양위치 변화를 헬리오스타트의 방위각과 고도각 제어를 통하여 추종하는 헬리오스타트 제어시스템의 개발에 관한 것이다.
본 연구는 1MW급 태양열 발전시스템의 저가형 헬리오스타트 전용 제어기의 개발에 관한 것이다. 이를 위한, 본 연구에서는 우선 그림 1과 같은 제어 구조(control topology) 를 갖는 태양열 발전시스템의 통합제어시스템에서, 개별 헬 리오 스타트가 통합된 태 양열 발전시스템의 구성요소 시스템으로서의 역할을 수행하기 위한 헬 리오 스타트 제어시스템의 역할과 기능을 정의하였다.
본 연구에서는, 우선 탑형 태양열 발전시스템의 통합 제어시스템의 구조를 설정하고, 설정된 통합 제어시스템에서 헬리오 스타트 제어시스템이 담당하여야 하는 기능 및 역할을 정의한 후, 이의 실현을 위한 저가형 전용제어기를 개발하였다. 아울러 헬 리오 스타트의 태양추적 기능을 포함하는 헬리오 스타트 제어시스템의 운영 체계를 개발하였다.

제안 방법

이를 위한, 본 연구에서는 우선 그림 1과 같은 제어 구조(control topology) 를 갖는 태양열 발전시스템의 통합제어시스템에서, 개별 헬 리오 스타트가 통합된 태 양열 발전시스템의 구성요소 시스템으로서의 역할을 수행하기 위한 헬 리오 스타트 제어시스템의 역할과 기능을 정의하였다. 그 후 설정된 역할과 기능의 실행이 가능한 구조의 저가형 전용 제어기를 설계하고 제작하였으며, 또한 변화하는 태양위치를 추종하기 위한 태양추적 알고리즘을 개발하였다.
또한 헬리오스타트 제어시스템의 태양추적 기능을 확인하기 위하여, 년 중 낮의 길이가 가장 긴 하지(2008년 6월 21일 )에 , 그림 11에서와 같이 93m 높이에 흡수기가 설치되어 있는 태양 탑의 정북 100m 지점에 위치한 헬리오스타트가 일출(중국 북경 오전 4시 44분 26초) 이후 30분이 경과한 시간부터 일몰(중국 북경 오후 7시 51분 38초) 30분 전까지 헬리오스타트로 입사되는 태양광을 흡수기로 반사시키기 위해 요구되는 헬 리오 스타트의 자세가 정확하게 제어되는 지를 확인하였다. 이를 위해 우선 제어기의 RTC* 2008 년 6월 21일로 설정하고, 최초 정지 위치에 있는 헬리오스타트가 일출 이후 30분이 경과하여 헬리오스타트 필드제어시스템으로부터 동작 개시 지령을 전달 받아 일출 최초 기동 위치 (헬리오스타트 방위각 108.
개발하였다. 아울러 헬 리오 스타트의 태양추적 기능을 포함하는 헬리오 스타트 제어시스템의 운영 체계를 개발하였다.
이를 위한, 본 연구에서는 우선 그림 1과 같은 제어 구조(control topology) 를 갖는 태양열 발전시스템의 통합제어시스템에서, 개별 헬 리오 스타트가 통합된 태 양열 발전시스템의 구성요소 시스템으로서의 역할을 수행하기 위한 헬 리오 스타트 제어시스템의 역할과 기능을 정의하였다. 그 후 설정된 역할과 기능의 실행이 가능한 구조의 저가형 전용 제어기를 설계하고 제작하였으며, 또한 변화하는 태양위치를 추종하기 위한 태양추적 알고리즘을 개발하였다.
이를 위해 우선 제어기의 RTC* 2008 년 6월 21일로 설정하고, 최초 정지 위치에 있는 헬리오스타트가 일출 이후 30분이 경과하여 헬리오스타트 필드제어시스템으로부터 동작 개시 지령을 전달 받아 일출 최초 기동 위치 (헬리오스타트 방위각 108.129°, 고도각 38.03°, 방위각 구동축 모터 엔코더 좌표 12265936, 고도 각 구동축 모터 엔코더 좌표 6490427)로 이동한 후, 태양위치 변화에 따라 헬리오스타트 방위각 또는 고도각이 각각 독립적으로 현재 위치를 기준으로 0.05° 이상 변화되는 것이 요구되면, 헬리오스타트 제어시스템은 해당 모터를 최대 속도 3000RPM으로 구동함으로서 헬 리오 스타트가 태양 추적이 이루어지도록 하였다.
32비트의 디지털 입 . 출력(24비트 입력, 8비트출력)을 위한 로직은 FPGA를 사용하여 구현하였다. 헬리오스타트 방위각과 고도각 구동을 위한 서보모터의 엔코더는 단위 회전 당 2048 펄스를 생성하며, 구동축의 감속비가 최대 60, 000:1 이하인 것을 고려하여 FPGA에 구현된 엔코더 펄스 카운터를 32비트로 설정하였다 아울러 제어기는 서보모터 정 .
헬 리오 스타트 제어기의 동작 시험을 위하여, 우선 헬 리오 스타트 제어기가 헬리오스타트 필드 제어시스템으로부터 전송되어 오는 운전 모드를 신뢰성 있게 구현하는 지를 확인하였다. 이는 현재 임의의 위치에 있는 헬 리오 스타트가 LAN 통신을 통하여 전송되어오는 헬 리오 스타트 필드 제어시스템의 운전 모드 지령에 따라, 그림 10에서 와 같은 원점 복귀 (zero return, AH = 180°, ae= 0°)를 수행하고 원점 복귀 동작이 완료된 이후 모터의 엔코더 값을 방위각과 고도각에서 각각。으로 설정하는 기능, 임의의 자세 또는 일몰 추적 종료 위치로부터 정지위치로 이동하는 기능, 정지 위치로부터 일출 최초 기동 위치 또는 요구되는 임의의 위치로 이동하는 기능 등을 반복적으로 수행한 후, 지령된 엔코더 값과 동작 완료 후 모터 엔코더 값을 비교함으로서 확인하였으며, 실험 결과 3000RPM의 모터 회전 속도로 요구되는 거리만큼 이동하였을 경우, 최대 ±20 펄스(±0.
헬리오스타트 제어시스템의 제어기는 헬 리오 스타트의 역할과 기능을 실행하기 위한 제 어장 치로서, 본 연구에서는 그림 4와 같은 구조의 제어기로 개발되었다.

대상 데이터

. 또한 헬리오스타트 제어시스템의 제어기는, 태양 위치계산, 헬리오스타트 방위각 및 고도각 계산, 서보모터 제어 등과 같은 많은 계산의 실시간 처리를 위하여 중앙처리장치로서 DSP(TMS320F2812) 를 사용하고 있, 며, 아울러 회로의 간소화를 위하여 DSP 내부의 128K X 16 플레시 롬(flash rom) 을 사용하고, 데이터 메모리의 부족을 해결하고자 256Kbyte의 SRAM을 사용하였다.
헬리오스타트 방위각과 고도각 구동을 위한 서보모터의 엔코더는 단위 회전 당 2048 펄스를 생성하며, 구동축의 감속비가 최대 60, 000:1 이하인 것을 고려하여 FPGA에 구현된 엔코더 펄스 카운터를 32비트로 설정하였다 아울러 제어기는 서보모터 정 . 역 회전 제어신호와 같은 서보모터제어 신호의 생성을 위하여 MC₃₄87을 사용하였으며, 엔코더 펄스 입력을 위하여 MC₃₄86을 사용하얏녓다. 그림 5는 GPS 모듈 이 장착되어 있지 않은 헬 리오 스타트 제어 시스템의 제어 기 이다.
제어기는 우선 제어기의 동작 모드를 결정하는 자동/수동 운전 선택 스위치를 포함하여, 헬리오스타트의 수동 운전에서 사용되는 14개의 각종 스위치 신호입력부, 헬 리오 스타트의 동작 상태를 표시하기 위한 LED 및 LCD 출력부, 헬리오스타트 방위각 및 고도 각 구동축에 설치되어 있는 리 미트 센서 (limit sensor)오+ 근접 센서 신호 입 력부, 주변 기기 구동 제어를 위한 릴레 이 (relay) 출력부, 그리고 태양추적장치의 구동 모터로 사용되는 AC 서보모터의 속도 및 위치 제어를 위한서보모터 제어부로 구성되어 있다.

성능/효과

개발된 헬리오스타트 제어시스템은 모의시험 장치를 사용한 동작 시험을 통하여, 시스템의 동작과 요구되는 기능이 신뢰성 있게 구현되었음을 확인할 수 있었다.
041°, 방위각 구동축 모터 엔코더 좌표 -12261328, 고도 각 구동축 모터 엔코더 좌표 6492305) 까지헬리오스타트가 태양추적을 수행하는 동안, 모터 방위각 구동축과 고도각 구동축 엔코 더 좌표계의 계산 값(지령 값)과 동작이 완료된 이후의 실제 엔코더 값의 차, 즉 엔코더 좌표계에서의 위치 오차를 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 헬리오스타트 제어시스템은 일 중 변화하는 태양 위치 추종을 위한 헬 리오 스타트의 위치를 신뢰성 있게 제어하고 있는 것으로 확인되었으며, 최대 위치 오차는 ±44 펄스(±0.00026°) 이내인 것으로 나타났다.
헬 리오 스타트 제어기의 동작 시험을 위하여, 우선 헬 리오 스타트 제어기가 헬리오스타트 필드 제어시스템으로부터 전송되어 오는 운전 모드를 신뢰성 있게 구현하는 지를 확인하였다. 이는 현재 임의의 위치에 있는 헬 리오 스타트가 LAN 통신을 통하여 전송되어오는 헬 리오 스타트 필드 제어시스템의 운전 모드 지령에 따라, 그림 10에서 와 같은 원점 복귀 (zero return, AH = 180°, ae= 0°)를 수행하고 원점 복귀 동작이 완료된 이후 모터의 엔코더 값을 방위각과 고도각에서 각각。으로 설정하는 기능, 임의의 자세 또는 일몰 추적 종료 위치로부터 정지위치로 이동하는 기능, 정지 위치로부터 일출 최초 기동 위치 또는 요구되는 임의의 위치로 이동하는 기능 등을 반복적으로 수행한 후, 지령된 엔코더 값과 동작 완료 후 모터 엔코더 값을 비교함으로서 확인하였으며, 실험 결과 3000RPM의 모터 회전 속도로 요구되는 거리만큼 이동하였을 경우, 최대 ±20 펄스(±0.00012°)이내의 오차를 가지고 지령 된 지점으로 도달하는 것이 확인되었다.

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