[논문]태양광 추적장치 연구

서명환; 김윤식; 홍진우; 이희준; 박상구; 김선형

doi:10.5762/kais.2010.11.8.2951

태양광 추적장치 연구
Research of the PV Tracking System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.8, 2010년, pp.2951 - 2957

서명환 (순천향대학교 정보통신공학과) , 김윤식 (순천향대학교 정보통신공학과) , 홍진우 (주 미래에너지 기술) , 이희준 (순천향대학교 대학원) , 박상구 (청주대학교 건축학과) , 김선형 (순천향대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

태양광 산업에 있어서 PV추적 발전장치의 개발은 고정식 발전장치에 비하여 효율적이다. 추적식 발전장치는 단위면적당 태양의 일사량을 유지하고, 태양 전지의 효율을 최대화 한다. 따라서 정확하면서 저렴한 태양 위치 추적장치의 경제성을 개선하는 것과 투자 가격을 내리는 것이 중요하다. 본 연구는 태양위치를 감지하는데 센서를 사용하지 않고 천문학과 수학을 이용하여 1분($0.016^{\circ}$)이내의 태양의 위치 알고리즘에 관한 것이다. 이 논문에 제안된 알고리즘은 장치의 비용을 내리고 발전효율도 높여준다. 지금까지 알고리즘을 적용한 결과를 고려하면, 최대오차는 30초 ($0.008^{\circ}$)를 보인다. 그리고 이 알고리즘으로 적용한 태양광 발전시스템은 고정식 대비 평균 23W(약18%)의 이득을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In solar industry the development of tracking PV power generation devices progresses favorably because of its efficiency, comparing with fixed PV power generation devices. Tracking PV power generation device are not only preserving the amount of solar radiation per unit area but also maximizing the efficiency of solar battery. Therefore accurate and low-priced solar position tracking devices are very important to improve the economical efficiency and lower invest price. This research is concerned with solar position algorithm with uncertainties equal to 1 minute($0.016^{\circ}$) using the mathmatics and astronomg. Proposed algorithm in this paper, lowers the implementation price and improves power generation efficiency. In view of the result so far achieved, maximum error has 30 secend($0.008^{\circ}$). And the solar cell generating system applied by this algorithm showed the gain of the fixed type contrast average 23W(about 18%).

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

무한 청정 에너지원으로서의 태양열은 무한한 활용 가능성을 가진 에너지원이다. 본 연구는 태양전지를 이용한 태양광 발전장치의 태양추적시스템을 위한 태양위치계산에 관한 것이다.
본 연구에서는 알고리즘을 간략화하고 시간 복잡도와 공간 복잡도를 최소화한 태양추적 알고리즘으로 구현 한 제안된 추적 방식과 고정식방법과 비교하여 보았다.

제안 방법

3장에서 기술된바와 같이 구성된 실험장비로 1개월간 운용하여 대표적인 유형의 세 가지 날씨- 맑은 날, 흐린날, 오전에 비가오고 오후에 흐린 날에 대해 측정하였다.
그림 4의 태양광 추적/제어보드는 태양의 위치를 계산하며, 고각/방위각을 움직이기 위한 모터를 제어한다. MCU로는 Atmega128을 사용하였으며, 이 보드상에는 여러 가지 Analog값을 받아들이기 위한 외부 16-bit ADC와, RS485통신부, 모터제어를 위한 H-Bridge회로등을 구현하였다.
고도/방위각 테스트는 한국천문연구원에서 제공하는 태양 고도/방위각 정보 기준으로 하였으며 같은 시간, 같은 장소에서의 태양위치 계산을 실행하여 비교하였다.
실측을 위한 모니터링 구성도는 다음의 그림 5와 같다. 고정식과 추적식 각각에서 생산된 전력은 모두 대전력형 메탈저항기을 이용해 소모시켰으며, 저항에 걸리는 전압과 저항을 지나가는 전류, 그리고 모듈의 표면온도를 측정하였다. 일사량은 고정식과 추적식 모두에게 동일하게 일사되는 것으로 간주하고 하나의 일사량센서만을 사용하였고 데이터취득을 위해 NI사의 데이터수집기를 사용하였으며, 출력 전압, 전류, 모듈온도, 일사량을 측정하였다.
본 논문에서 사용한 태양위치 계산 알고리즘의 정확도는 1분이내(0.016°)이므로 이 정도의 정확도 위해 최대한으로 간단한 계산방식을 사용하며, 다음과 같은 오차요소들을 갖는다.
시스템의 실제 태양위치계산 성능 평가를 위해 실험을 실시하였다. 실험은 본 논문에서 구현한 태양위치계산 프로그램의 정확도를 테스트하기 위한 고도/방위각 계산결과 테스트와 실제 발전량의 차이를 확인하기 위한 실운용 테스트를 진행하였다.
실제 본 논문에서 구현한 태양광 추적장치를 적용한 태양광 추적식 발전시스템을 구현하고 이를 모니터링 하였으며, KS C 8535『태양광발전시스템 운전 특성의 측정법』에 의거하여 연속최단 측정기간인 1개월 동안 측정하였으며, 측정주기는 1분으로 하였다[10].
시스템의 실제 태양위치계산 성능 평가를 위해 실험을 실시하였다. 실험은 본 논문에서 구현한 태양위치계산 프로그램의 정확도를 테스트하기 위한 고도/방위각 계산결과 테스트와 실제 발전량의 차이를 확인하기 위한 실운용 테스트를 진행하였다.
고정식과 추적식 각각에서 생산된 전력은 모두 대전력형 메탈저항기을 이용해 소모시켰으며, 저항에 걸리는 전압과 저항을 지나가는 전류, 그리고 모듈의 표면온도를 측정하였다. 일사량은 고정식과 추적식 모두에게 동일하게 일사되는 것으로 간주하고 하나의 일사량센서만을 사용하였고 데이터취득을 위해 NI사의 데이터수집기를 사용하였으며, 출력 전압, 전류, 모듈온도, 일사량을 측정하였다.
태양전지모듈과 트랙커, 생산된 전력을 바로 소모시키기 위한 200W메탈저항기로 구성된 태양광 추적식 발전 시스템과, 비교를 위한 기존의 고정식 시스템, NI 데이터 수집기, 퍼스널컴퓨터로 구성되는 모니터링 시스템을 구현하고 출력전력, 일사량, 모듈온도를 측정 하였다[11].

성능/효과

구름이 끼거나 비가 오는 날씨에 구름의 그림자로 인하여 아주 잠시 동안 고정식 발전기의 발전량이 태양광 추적식 발전기의 발전량을 넘어섰던 경우를 제외 하면 세 가지 날씨유형 모두에서 태양광 추적식 발전기의 발전량이 대체로 높게 나오는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 알고리즘을 적용한 태양광 추적식 발전 시스템 구현 및 측정 실험에서는 맑은 날의 경우 발전량에 있어서 고정식대비 평균 23W(약18%)의 이득을 보았고, 구름이 있거나 흐리거나 비오는 날에도 추적식 발전 시스템의 출력이 우수했다. 반면, 고정식과 추적식의 발전효율의 차이는 분명이 존재하기는 했지만 처음 예상했던 것보다는 매우 미미한 수준이었다.
본 연구에서 제시된 태양위치 계산 알고리즘은 저가의 마이크로프로세서를 사용하는 태양추적시스템에서의 활용이 가능할 정도로 간결하고 가벼우면서도, 한국천문연구원의 태양위치정보와 비교했을 때 1분(0.016°)이내의 오차를 보였고, 그 알고리즘으로 적용한 태양광 추적식 발전 시스템이 고정식 대비 평균 23W(약18%)이득을 보았다.

후속연구

016°)이내의 오차를 보였고, 그 알고리즘으로 적용한 태양광 추적식 발전 시스템이 고정식 대비 평균 23W(약18%)이득을 보았다. 본 연구에서 구현한 추적식 태양광 발전장치의 제어장치를 활용한다면 성능대비 투자비용을 낮추어 태양광 발전 산업의 경제성을 높이고 추적식 태양광발전 장치의 보급을 촉진시켜 줄 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지의 일사량에 따른 출력 특성은 어떠한가?	태양광 발전의 핵심인 태양전지의 일사량에 따른 출력 특성은 태양광이 태양전지 표면에 조사될 때에 일사량이 많을수록 태양전지의 출력이 커지고, 작을수록 출력이 작아진다[1]. 이러한 태양전지의 일사량에 따른 출력 변화 특성을 고려할 때 발전량을 증가시키기 위해서는 최대로 많은 일사량이 태양전지 표면에 조사되도록 해야 하고, 그러기 위해서는 태양전지 표면이 태양과 항상 수직을 유지하도록 해야 한다[2].
	태양전지를 태양과 수직방향으로 항상 유지시키기 위한 태양 추적 방법으로 센서방식을 사용할 경우 어떤 단점이 있는가?	센서방식은 날씨 변화에 약하고 이물질에 의한 오동작이 자주 발생하는 등의 단점이 있어 최근에는 태양의 위치를 계산하여 추적하는 프로그램을 이용하는 방식으로 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다[6].
	태양전지의 발전량을 증가시키기 위해서는 무엇이 필요한가?	태양광 발전의 핵심인 태양전지의 일사량에 따른 출력 특성은 태양광이 태양전지 표면에 조사될 때에 일사량이 많을수록 태양전지의 출력이 커지고, 작을수록 출력이 작아진다[1]. 이러한 태양전지의 일사량에 따른 출력 변화 특성을 고려할 때 발전량을 증가시키기 위해서는 최대로 많은 일사량이 태양전지 표면에 조사되도록 해야 하고, 그러기 위해서는 태양전지 표면이 태양과 항상 수직을 유지하도록 해야 한다[2].

참고문헌 (13)

윤정훈, "태양광 기술 현황", 한국에너지기술연구원 태양전지연구센터, 대전, pp.2-14, 2004.
D.M. Nosher, R.E. Boese and R. J. Soukupt, "The advantage of sun tracking for planar silicon solar cells", Solar Energy, Vol 19, pp.91-97, 1977.

상세보기
이양규, "태양 위치 추적기를 이용한 독립형 태양광발전시스템의 효율개선", 전남대학교 석사학위논문, 2003.
백남춘, 정명웅, 김은일, 김미선, 박완순, "자연에너지의 활용", 한국에너지기술연구원, 대전, pp.49-72, 2003.
황락훈, 나승권, "병실 냉.난방장치용 태양 위치 추적기를 이용한 태양광 발전시스템에 관한 연구," 한국산학기술학회논문지, Vol. 8, No. 6, pp.1355-1362, 2007.

원문보기 상세보기
박영칠, 강용혁, "센서식 태양추적시스템의 추적정밀도 평가", 한국태양에너지학회 논문집, 2000

원문보기 상세보기
박영칠, 김기용, "태양추적시스템을 위한 태양위치 계산", 진주산업대학교논문집 47('98.7) pp.265-273 1344-6193, 1998.
장미금, "태양광 발전의 효율 향상을 위한 이중모드추적 시스템 제어", 대한전기학회, 2009.
파루(http://www.paru.co.kr)
NREL(http://www.nrel.gov)
미래에너지기술(http://www.mirae-et.com)
KS C 8535 태양광발전시스템 운전 특성의 측정법
서종준, "고효율 하중 분산형 새로운 태양광 추적장치", 전남대학교, 석사학위논문, 2006.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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