Michalsky의 방위각, 고도각, 일출/일몰시각에 대한 태양위치 계산은 국립천문대의 태양위치 정보와 비교했을 때, 최대 각각 $1.5^{\circ}$, $0.88^{\circ}$, 2분 이내의 오차로서 비교적 정확하였다. 현재 시각과 설치위치(경도, 위도)에 대하여 BLDC 모터-실린더를 구동하여 홀센서 위치 피드백으로 Michalsky의 계산식의 태양의 고도각과 방위각을 제어하는 양축 태양광 추적장치를 개발하였다. BLDC 모터의 사용으로 유지보수가 우수하며, 홀센서로 위치피드백으로 모터의 정밀한 위치결정제어가 가능하며, 또한 원점복귀기능으로 누적 오차를 최소화한다.
Michalsky의 방위각, 고도각, 일출/일몰시각에 대한 태양위치 계산은 국립천문대의 태양위치 정보와 비교했을 때, 최대 각각 $1.5^{\circ}$, $0.88^{\circ}$, 2분 이내의 오차로서 비교적 정확하였다. 현재 시각과 설치위치(경도, 위도)에 대하여 BLDC 모터-실린더를 구동하여 홀센서 위치 피드백으로 Michalsky의 계산식의 태양의 고도각과 방위각을 제어하는 양축 태양광 추적장치를 개발하였다. BLDC 모터의 사용으로 유지보수가 우수하며, 홀센서로 위치피드백으로 모터의 정밀한 위치결정제어가 가능하며, 또한 원점복귀기능으로 누적 오차를 최소화한다.
Sun position computed by Michalsky shows maximum $1.5^{\circ}$, $0.88^{\circ}$ and 2 minutes differences in azimuth, altitude, and sunrise and sunset times respectively compared with Korean Almanac. The 2-axis solar tracking system, which consist control panel with ATmega128 CP...
Sun position computed by Michalsky shows maximum $1.5^{\circ}$, $0.88^{\circ}$ and 2 minutes differences in azimuth, altitude, and sunrise and sunset times respectively compared with Korean Almanac. The 2-axis solar tracking system, which consist control panel with ATmega128 CPU, BLDC motor-cylinder actuator and 2-axis link mechanism, was developed. Computed azimuth and altitude of sun for a current time, and latitude and longitude of tracker position built are controlled in real time by BLDC motor-cylinder actuators comparing with the position feed-backed by Hall sensor. The use of BLDC motor is free in maintenance. Implementation of a home-return function by Hall sensor is to minimize the cumulative error.
Sun position computed by Michalsky shows maximum $1.5^{\circ}$, $0.88^{\circ}$ and 2 minutes differences in azimuth, altitude, and sunrise and sunset times respectively compared with Korean Almanac. The 2-axis solar tracking system, which consist control panel with ATmega128 CPU, BLDC motor-cylinder actuator and 2-axis link mechanism, was developed. Computed azimuth and altitude of sun for a current time, and latitude and longitude of tracker position built are controlled in real time by BLDC motor-cylinder actuators comparing with the position feed-backed by Hall sensor. The use of BLDC motor is free in maintenance. Implementation of a home-return function by Hall sensor is to minimize the cumulative error.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 현재 시각과 트랙커의 설치위치 (경도, 위도)에서 태양위치 계산식에 의하여 방위각과 고도각을 구하여 실시간으로 태양을 추적할 수 있는 2축 구동 트랙커를 개발하며, 특히 태풍이나 강풍에 대하여 추적기를 보호하기 위하여 PV모듈을 수평으로 유지하도록시스템을 개발한다.
가설 설정
또한 풍압에 의한 구조물의 변형이 유체의경로를 바꿀 만큼 크지 않다고 가정하여 단방향 연성 해석을 수행하였다.
제안 방법
풍속은 지난 약 100년간 국내에서 관측된 태풍 내습시최대 순간풍속인 60m/s 로 설정하였으며, 유동격자의 생성은 ANSYS C"MESH를 이용하였다. 유동해석의 격자수는 약 23만개, 요소수는 96만개이고, 구조해석의 격자수는 약 25만개, 요소수는 10만개로 생성하였다.
(4) 제어조작반은 설정모드, 수동운전모드, 자동운전모드, 보호모드로서 응용프로그램을 구성하였고, 조작하기 편리하고, RTC 를 이용하여 현재 시각을기반으로 실시간으로 태양추적기를 구동하며, 또한 외부에서 통신이 가능하도록 RS485 통신포트기능을 개발하였다.
구성되어 있다. BLDC 모터는 일반 DC 모터의 특성과 동등하고, 브러시를 사용하지 않아서 유지보수 면에서 우수하며, 모터에 장착된 홀센서 (Hall sensor) 를 이용하여 모터의 속도 및 위치 피드백으로 실린더 스트로크의 이동속도 및 위치를 정밀하게 제어할 수 있도록 하였다.
실제 구조물에서 풍압에 의한 최대 하중은 전체 구조를 지지하는 메인 프레임에 비해 내하중이 작은 메인링크와 서브링크가 연동된 부위에서 발생되므로 메인 프레임은 해석에서 제외하고 메인링크 고정부를 지지점으로 설정하였다. 또한 풍압에 의한 구조물의 변형이 유체의경로를 바꿀 만큼 크지 않다고 가정하여 단방향 연성 해석을 수행하였다.
유동해석을 위해 각 해석 모델은 반경 19.431m 의 원통형 유동장 중심에 위치시키고 일정 풍속에 대한 풍향의 각도를 변수로 설정하여 적용하기 위해 유동장의 0°~ 90°범위를 10°간격으로 분할함으로써 조건변화에 따른유동 격자망 생성작업의 반복을 피할 수 있도록 하였다. [7]
제어조작반의 운전은 설정모드, 수동운전모드, 자동운전모드, 보호모드로서 응용프로그램을 구성하였고, 조작하기 편리하고, RTC를 이용하여 현재 시각을 기반으로 실시간으로 태양추적기를 자동으로 구동하며, 또한 외부에서 통신이 가능하도록 RS485 통신포트 기능을 개발하였다.
조작반에서 현재 시각에 대한 방위각과 고도각에 해당하는 실린더 스트로크를 구동하기 위하여 PWM 방식으로 속도전압을 모터 드라이버로 출력하고 모터가 주어진속도로 구동되어 홀센서로부터 모터의 속도 및 회전위치가 피드백되어 모터드라이버에 전달되고, 이때 모터 드라이버는 조작반으로 모터 1회전당 18펄스(즉, 1펄스당 20° 회전각도)를 피드백 한다. 이때 조작반에서는 입력펄스를 카운팅하여 링크 기구부의 방위각과 고도각의 위치를 파악하여 모터의 위치를 제어한다.
풍압하중에 의해 태양광 모듈의 표면에 작용하는 압력분포를 알아보기 위해 유동해석을 수행하였다. 유동해석을 통해 얻어진 태양광 모듈의 압력분포는 구조해석에서 하중조건으로 사용되어 전체 구조물에 발생되는 응력분포를 해석하는데 사용된다.
대상 데이터
ANSYS C"MESH를 이용하였다. 유동해석의 격자수는 약 23만개, 요소수는 96만개이고, 구조해석의 격자수는 약 25만개, 요소수는 10만개로 생성하였다. 특히, 유동해석에 있어서 솔리드와 유체가 접하는 부분에는 해석의 정밀도를 위하여 레이어 격자를 5층 이상 삽입하였다.
이론/모형
태양위치의 계산식은 국립천문대 (Korean Almanac) 기록과 비교하여 그 정확성이 검증되며, 본 연구에서는 대표적인 Michalsky, Walraven, JeanMeeus 태양위치 계산식 중에서 가장 정확도가 높은 Michalsky 계산식을 사용하였다. [4, 5, 6]
성능/효과
(1) 방위각, 고도각, 일출일몰시각에 대하여 Michalsky 태양위치 계산법을 적용하여 국립천문대의 태양위치 정보와 비교했을 때, 각각 최대 1.5°, 0.88°, 2분 이내의 오차로서 매우 정확하였다.
(3) BLDC 모터의 사용으로 유지보수가 우수하며, 홀센서로 위치피드백으로 모터의 정밀한 위치결정제어가 가능하며, 또한 원점복귀기능으로 누적 오차를 최소화하였다.
(5) 강풍 및 태풍이 발생시 PV 모듈을 수평으로 유지하는 보호하는 기능을 부여하였고, BLDC 모터 과부하시 모터 정지 및 알람신호 발생으로 모터를 보호하는 기능을 개발하였다.
유동.구조해석을 한 결과, 0.899mm 최대 변형량과 42.69mPa 최대응력이 발생하여 설계에 반영하였다.
참고문헌 (7)
이재민, "신재생 에너지 시스템을 위한 축전지 충방전 컨트롤러 설계", 한국산학기술학회논문지, Vol.8, No.6, pp.1363-1368, 2007.
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