[논문]반사판을 이용한 태양광발전시스템 실증연구

김용식; 강기환; 심상용; 이후락; 이진섭; 홍진기

문제 정의

본 논문에서는 집속형 Tracking 시스템이라 할 수 있는 3kW급 반사판을 이용한 단축형 Tracking 시스템과 고정식 태양광발전시스템을 설치하여 두 시스템의 실제 운전 특성을 비교분석하여 집속형 Tracking 시스템의 효율의 우수성을 증명 하고자 하였다.
본 논문은 3kW급 고정식 태양광발전시스템과 반사판을 이용한 단축형 Tracking 시스템의 실제 운전 특성을 비교 분석한 논문으로서 반사판과 단축형 Tracking의 적용에 의한 경제성은 고려되지 않았다.
하지만, 본 실증연구의 목적은 태양빛을 집속시키고 태양전지모듈을 태양과 직교시켜발전효율을 높이는데 있으므로 일조시간이 좋지 못한 흐린 날의 경우 발전효율이 감소하게 되어 전체 발전효율의 감소 요인으로 작용하게 된다. 그림 10의 ①번, ②번, ③번의 경우 데이터 수집 장치의 오류가 발생하게 되어 데이터가 수집되지 않아 두 시스템의 발전량이 0인 그래프가 그려지게 되었다.

제안 방법

고정형 시스템에 적용할 경우 고도각과 방위각의 변화에 대해 빛이 태양전지 모듈의 어느 한쪽 부분에 집중되는 현상이 발생하게 되고, 방위각이 낮은 오전과 오후에는 반사판에 의한 그림자 영향에 의해 효율이 감소하는 원인으로 작용하게 된다. Tracking 장치는 큰 하중의 모듈과 반사판을 움직이는데 웜기어를 이용한 시스템과 프로그램 방식을 채택하여 추적하였고, 추적장치의 회전각은 좌우 45°로서 90°의 회전각을 갖게 되며 고도각은 15° 의 경사를 갖는 다 일반적으로 국내에 설치되는 단축형 Tracking 시스템의 경우 방위각의 변화만을 고려해 수평으로 설치하게 되지만, 본 연구에서 적용된 단축형 Tracking 시스템은 방위 각과 고도 각 모두를 고려하여 설계 되었다. 하지만 본 시스템을 국내의 고정식 설치 각도인 약 30° ~ 35°로 설계 시 시스템의 상부를 지지하는 축의 높이가 2배로 증가하게 되며 추후 발생하는 결함을 방지하기 위해 경사각이 15°로 설계되었다 그림 6은 단축형 Tracking 시스템의 구동장치에 대한 전체 사진을 보여주고 있다.
43%로서 반사판에서 빛의 손실이 거의 발생하지 않고 반사를 하게 된다. 또한 반사판의 설치 용이성과 평판도를 유지하기 위한 반사판고정 구조물은 기계적인 성능과 내열성이 뛰어나고 내충격성, 성형성이 뛰어난 ABS(아크릴, 브티젠, 스틸렌) 열가소성 수지를 이용하여 제작하였다.
또한, 모니터링 시스템을 구축하여 데이터는 1분 단위로 하루에 1440회 수집하였으며 하루 발전량 (Wh)을 계산하여 고정식과 반사판을 이용한 단축형 Tracking 시스템과 비교분석 하였다
따라서 태양의 일조시간과 일사강도에 영향을 받는 태양광발전시스템은 측정 시기에 따라 발전량과 발전효율이 달라지게 된다. 본 논문에서 분석한 반사판을 이용한 태양광발전장치는 15°의 경사각을 갖는 단축형 Tracking 시스템을 적용하였다. 15°의 경사각에서 태양과 직교할 때 반사판에 의해 반사된 빛의 이득이 가장 크게 설계된 점을 고려한다면 고도가 낮은 동절기에 비해 고도가 높은 하절기에 반사에 의한 빛의 이득이 더 높게 된다.
본 논문에서 사용한 데이터는 2008년 11월 15일에서 2008년 12월 31일까지 47일간 분석한 자료로서 계통과 연계하여 인버터를 통해 MPPT (Maximum Power Point Tracking) 하였다. 또한, 모니터링 시스템을 구축하여 데이터는 1분 단위로 하루에 1440회 수집하였으며 하루 발전량 (Wh)을 계산하여 고정식과 반사판을 이용한 단축형 Tracking 시스템과 비교분석 하였다
본 시스템은 태양과 직교할 때 반사판에서 반사된 빛이 태양전지모듈의 1/2지점에 도달하게 설계된 점을 고려해 단축형 Tracking 시스템을 적용하였다. 고정형 시스템에 적용할 경우 고도각과 방위각의 변화에 대해 빛이 태양전지 모듈의 어느 한쪽 부분에 집중되는 현상이 발생하게 되고, 방위각이 낮은 오전과 오후에는 반사판에 의한 그림자 영향에 의해 효율이 감소하는 원인으로 작용하게 된다.
태양 빛을 반사시켜 집속시키는 반사 장치는 Aluminum재질의 반사판에 반사율을 높이고 코팅면을 보호하기 위해 유전체코팅 (SiO2 코팅)공정을 통하여 반사율과 내구성을 높였고, 추적장치의 회전각은 좌우 45°로서 총 90°의 회 전각을 갖게 되 며 고도각은 15°의 경 사를 갖는 단축형 Tracking 시스템을 적용하였다. 일조시간이 8시간 이상인 청명한 12월 18일, 26일, 27일의 일일 발전량을 비교한 결과 약 50%의 발전효율이 증가하게 되었다.

대상 데이터

시스템에 사용된 PV모듈은 170W 단결정실리콘 태양전지모듈로서 반사판을 이용한 단축형 Trancing 시스템과 고정식 태양광발전시스템에 각 18장의 태양전지모듈을 이용하여 구성하였다. 또한, 적용된 인버터는 계통연계형 인버터 3kW급으로, 입력의 동작 전압은 200~500V이고, 출력은 220V, 60Hz의 AC로 계통과 연계되어 전압과 주파수 및 위상이 동기 되도록 운전된다.

성능/효과

일조시간이 8시간 이상인 청명한 12월 18일, 26일, 27일의 일일 발전량을 비교한 결과 약 50%의 발전효율이 증가하게 되었다. 또한, 2008년 11월 15일부터 12월 31 일까지 반사판을 이용한 단축형 Tracking 시스템을 적용한 결과 42%의 발전효율이 증가하게 되었다. 하지만, 본 실증연구에는 15 의 경사각을 갖는 단축형 Tracking 시스템이 적용되었고, 태양과 직교할 때 반사판에 의해 반사된 빛의 이득이 가장 크게 설계 된 점을 고려한다면, 고도가 높은 하절기를 포함한 연간 분석 결과는 더 높은 발전량과 발전 증가율을 나타내게 될 것이다.
일반적으로 단축형 Tracking 시스템을 적용할 경우 20%의 발전효율이 증가하게 되지만 본 실증 연구에서 일조시간이 8시간 이상의 청명한 날을 기준으로 약 50%의 발전효율이 증가하게 되면서 반사판에 의해 30%의 발전효율이 추가로 증가하게 되었다. 그림 10 과 그림 11은 11월 15일부터 12월 31일까지의 고정식과 반사판을 이용한 단축형 Tracking 시스템의 발전량을 일조시간.
발전효율과 비교한 그래프이다. 표 2에서 보는 바와 같이 47 일의 총 발전증가율은 42%로서 청명한 날의 발전증가율에 비해 감소하였다.

후속연구

또한, 2008년 11월 15일부터 12월 31 일까지 반사판을 이용한 단축형 Tracking 시스템을 적용한 결과 42%의 발전효율이 증가하게 되었다. 하지만, 본 실증연구에는 15 의 경사각을 갖는 단축형 Tracking 시스템이 적용되었고, 태양과 직교할 때 반사판에 의해 반사된 빛의 이득이 가장 크게 설계 된 점을 고려한다면, 고도가 높은 하절기를 포함한 연간 분석 결과는 더 높은 발전량과 발전 증가율을 나타내게 될 것이다.
15°의 경사각에서 태양과 직교할 때 반사판에 의해 반사된 빛의 이득이 가장 크게 설계된 점을 고려한다면 고도가 낮은 동절기에 비해 고도가 높은 하절기에 반사에 의한 빛의 이득이 더 높게 된다. 하지만, 본 실증연구의 측정 기간은 동지를 포함한 11월 15일 ~ 12월 31일까지의 Data를 분석하였으므로 하절기를 포함한 연간 분석 결과는 더 높은 발전량과 발전효율을 나타내게 될 것으로 예상된다.

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