[논문]태양광발전의 태양추적기제어반 및 모니터링시스템 구현에 관한 연구

노태정; 박민용; 이승현

doi:10.5762/kais.2010.11.9.3161

태양광발전의 태양추적기제어반 및 모니터링시스템 구현에 관한 연구
A Study on an Implementation of Control Panel of Sun Trackers and Monitoring System for Photovoltaic Generation Plants 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.9, 2010년, pp.3161 - 3167

노태정 (동명대학교 메카트로닉스공학과) , 박민용 (동명대학교 메카트로닉스공학과) , 이승현 (동명대학교 메카트로닉스공학과)

초록
AI-Helper

제어를 위한 기구부의 위치 정보는 BLDC 모터의 홀센서를 이용하여 정확한 위치 및 속도제어가 가능하도록 알고리즘을 구현하였으며, 실제 기구부의 방위각과 고도각에 대한 제어 정밀도를 측정한 결과 최대 $2.02^{\circ}$, $1.01^{\circ}$. 오차범위 $1.86^{\circ}$이내로 비교적 정확하였다. 태양광 발전 모니터링 시스템은 LCU를 중심으로 한 통합 모니터링 제어 시스템으로 모든 장비들은 1:N 방식으로 다중 동시접속이 가능하고, 원격지에서 시스템의 제어 및 현재 상태에 대한 실시간 감시가 가능하도록 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hall sensors of BLDC(brushless DC) motor are used to detect a position information for a control mechanism, which implements an algorithm for velocity and position control. Actual azimuth and altitude were measured to evaluate a control precision. The measurement revealed comparatively good accuracy that the measured values were $2.02^{\circ}$ and $1.01^{\circ}$ respectively, and the maximum error falls within $1.86^{\circ}$. The developed monitoring system of photovoltaic generation plants is a LCU(Local Control Unit) based on an integrated monitoring system which supports 1:N method for multiple simultaneous connections, remote control and real-time system state monitoring.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 일반적인 프로그램방식의 단점을 보완하고 생산단가를 낮추면서도 정확한 태양위치 추적이 가능한 시스템을 개발하고자 한다. 이를 위해 기계적 원점을 설정하여 가조시간(可照時間)외에는 기계적 원점으로 복귀하여 오차의 누적을 방지하고 알고리즘 개선을 통해 저가의 범용마이크로프로세서를 사용하여 고도각(altitude)과 방위각(azimuth)의 정확한 위치제어를 구현하고자 하였다.

제안 방법

(1) BLDC 모터에 부착된 홀센서의 위치 피드백으로 PI제어를 통한 정밀한 위치결정제어를 구현하였다. 또한 기계적 원점을 설정하여 일출시 원점으로 복귀함으로써 하루단위의 누적 오차를 제거하였다.
(3) LCU기반 통합 모니터링 제어시스템을 구성하고 모든 장비들을 1:1 접속이 아닌 1:N 방식의 클라이언트 프로그램을 개발하여 다중 동시접속이 가능하고 원격지에서 시스템의 제어 및 현재 상태에 대한 실시간 감시가 가능하도록 개발하였다.
이를 위해 기계적 원점을 설정하여 가조시간(可照時間)외에는 기계적 원점으로 복귀하여 오차의 누적을 방지하고 알고리즘 개선을 통해 저가의 범용마이크로프로세서를 사용하여 고도각(altitude)과 방위각(azimuth)의 정확한 위치제어를 구현하고자 하였다. 개발된 시스템을 실제 2축 태양광 추적기에 적용하여 실제 고도각과 방위각을 측정하여 이를 검증하였다.
고도각, 방위각 측정은 위도35° 36‘ 00“ 경도 129° 42’00” 지역의 2010년 7월 9일 오전 11시∼오후2시까지 10분단위로 측정하여 한국천문연구원(KASI) 데이터와 비교하였다.
그리고 리밋스위치 중 어느 1개의 리밋스위치와 맞닿는다면 일몰시각으로 간주를 하고 일몰부터 익일 일출까지 동안 야간의 갑작스런 강풍을 대비하기 위하여 PV 모듈을 수평(방위각 90°와 고도각 90°)으로 유지하도록 설계되었으며 PV모듈의 풍속에 대한 영향을 최소화할 수 있도록 했다.
날씨정보와 연계하여 RS-485포트로 연결된 태양광 추적 장치의 제어기를 안전모드로 전환할 수 있도록 자체 제어기능을 개발 하였다. 이 기능을 통해 LCU는 연결된 풍향 풍속계의 측정값 또는 외부의 날씨정보를 활용하여 관리자의 직접적인 제어 없이도 외부환경요인에 유연한 대처가 가능하도록 하였다.
(1) BLDC 모터에 부착된 홀센서의 위치 피드백으로 PI제어를 통한 정밀한 위치결정제어를 구현하였다. 또한 기계적 원점을 설정하여 일출시 원점으로 복귀함으로써 하루단위의 누적 오차를 제거하였다.
또한 태양광 발전 설비의 체계적이고 효율적인 관리를 위해 일사량 및 발전과 관련된 상황과 시스템의 정상운전 여부를 확인할 수 있는 모니터링 시스템을 개발하여 유지보수에 따른 시간과 비용을 절감할 수 있도록 하였다.
보호운전 모드는 중앙 제어반에서 태풍 등의 비상운전에 대하여 태양광 추적기를 보호하기 위해 PV 모듈을 지면과 평행하게 위치시켜 바람과 PV 모듈이 접촉하는 면적을 줄임으로써 풍압 하중을 감소시켜 안전성을 확보하였다.
본 연구에서 개발된 태양광 추적기는 각 축에 설치된 전동실린더의 직선운동이 링크에 의해 회전운동으로 전환되어 PV 모듈이 스윙(swing)운동을 함으로써 방위각과 고도각을 추적하는 방식이고 제어에 필요한 위치정보가 홀센서를 통해 펄스로 피드백 되므로 각도에 대한 실린더 스트로크를 펄스로 환산하였다[5]. 실시간으로 기준 위치와 피드백 위치의 오차를 없애도록 PI 제어를 통하여 PWM(pulse width modulation) 속도전압 출력하여 정확한 위치에 정지될 수 있도록 하였다.
시스템의 위치 제어 및 태양위치 추적 성능 평가를 위해 실험을 실시하였다. 실험은 위치 제어 정밀도를 테스트하기 위한 이동거리의 펄스 측정 테스트와 실제 개발된 추적장치의 고도/방위각 제어 정밀도 테스트를 진행하였다.
본 연구에서 개발된 태양광 추적기는 각 축에 설치된 전동실린더의 직선운동이 링크에 의해 회전운동으로 전환되어 PV 모듈이 스윙(swing)운동을 함으로써 방위각과 고도각을 추적하는 방식이고 제어에 필요한 위치정보가 홀센서를 통해 펄스로 피드백 되므로 각도에 대한 실린더 스트로크를 펄스로 환산하였다[5]. 실시간으로 기준 위치와 피드백 위치의 오차를 없애도록 PI 제어를 통하여 PWM(pulse width modulation) 속도전압 출력하여 정확한 위치에 정지될 수 있도록 하였다.
시스템의 위치 제어 및 태양위치 추적 성능 평가를 위해 실험을 실시하였다. 실험은 위치 제어 정밀도를 테스트하기 위한 이동거리의 펄스 측정 테스트와 실제 개발된 추적장치의 고도/방위각 제어 정밀도 테스트를 진행하였다. 표 1은 방위각 원점 115°에서 125°로 10° 만큼 이동하였을 때 각 위치의 펄스값과 이동 펄스값, 그리고 실제 측정된 펄스값을 나타내고 있다.
따라서 본 연구에서는 일반적인 프로그램방식의 단점을 보완하고 생산단가를 낮추면서도 정확한 태양위치 추적이 가능한 시스템을 개발하고자 한다. 이를 위해 기계적 원점을 설정하여 가조시간(可照時間)외에는 기계적 원점으로 복귀하여 오차의 누적을 방지하고 알고리즘 개선을 통해 저가의 범용마이크로프로세서를 사용하여 고도각(altitude)과 방위각(azimuth)의 정확한 위치제어를 구현하고자 하였다. 개발된 시스템을 실제 2축 태양광 추적기에 적용하여 실제 고도각과 방위각을 측정하여 이를 검증하였다.

성능/효과

(2) ATmega128의 범용 마이크로프로세서를 기반한 프로그램 방식의 태양광 추적장치의 제어조작반을 개발하였고, 방위각과 고도각에 대한 위치결정 정밀도를 측정한 결과 최대 2.02°, 1.01°, 오차범위 1.86°, 0.62° 이내로서 매우 정확하였다.
각 계통 연계형 인버터로부터 측정되는 현재 발전량의 순시치를 합산한 현재 발전량과 더불어 기준일로부터 현재일 까지 누적발전량을 확인할 수 있다. 다수의 태양광 추적 장치제어가 가능하며 현재 동작상태, 주위환경 정보, 제어모드, 고도각, 방위각등 태양광 발전과 관계된 대부분의 정보를 모니터링할 수 있다[7].
측정은 범용마이크로 프로세서인 ATmega128을 이용하여 제작한 별도의 펄스 측정 회로와 오실로스코프를 사용하였으며, 그림 7은 홀센서로부터 피드백 되는 펄스 신호를 오실로스코프로 측정한 결과이다. 측정값은 10회 측정한 값의 평균값이며 최소값 2,545, 최대값 2,549로 매우 적은 편차를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전에 있어서 가장 큰 관심은 무엇인가?	태양광 발전에 있어서 가장 큰 관심은 발전효율을 높이는 것이며, 발전 효율을 높이기 위해 태양전지셀(solar cell) 자체의 효율을 높이거나 태양광 발전 제어용 전력변환 시스템의 변환효율을 높이는 방법, PV 모듈(photovoltaic module)을 태양과 항상 법선방향이 되도록 태양을 추적하는 방법 등이 사용되고 있다[1].
	태양광 발전에서 발전 효율을 높이기 위해 어떤 방법 등이 사용되고 있는가?	태양광 발전에 있어서 가장 큰 관심은 발전효율을 높이는 것이며, 발전 효율을 높이기 위해 태양전지셀(solar cell) 자체의 효율을 높이거나 태양광 발전 제어용 전력변환 시스템의 변환효율을 높이는 방법, PV 모듈(photovoltaic module)을 태양과 항상 법선방향이 되도록 태양을 추적하는 방법 등이 사용되고 있다[1].
	태양광 발전의 장, 단점은?	최근 태양광 발전은 지구의 환경문제, 급격한 유가상승으로 인하여 전 세계적인 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 무한한 청정 에너지원으로서 국내외적으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 이는 고청정, 무소음, 무인화, 무한정한 에너지원이지만, 일사시간과 기상조건에 따라 발전량이 좌우되는 한계점도 존재한다.

참고문헌 (7)

장미금, 고재섭, 최정식, 백정우, 강성준, 정동화, "센서방식 및 프로그램 방식에 의한 태양광 발전 추적 시스템의 비교 연구", 대한전기학회 전기기기 및 에 너지 변환시스템부문회 춘계학술대회논문집, pp.222-224, 2009.
백남춘, 정명웅, 김은일, 김미선, 박완순, "자연에너지의 활용", 한국에너지기술연구원, pp.49-72 2003.
서명환, 김윤식, 이희준, 홍정훈, 김선형, "고효율 태양광 추적장치 개발", 한국산학기술학회 추계학술발 표논문집, pp.640-644, 2009.
이양규, 강신영, 김광현, "소형 태양광 발전시스템 상용화를 위한 프로그램 방식의 태양위치추적기 개발", 전력전자학회논문지, 제8권 제3호, pp.260-265, 2003.

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노태정, 이승현, 박민용, "BLDC 모터-실린더 구동, 홀센서 피드백 방식의 2축 태양광 추적장치 개발", 한국산학기술학회논문지, 제11권 제7호, pp.2334-2340, 2010.

원문보기 상세보기
김형관, 이양원, 이칠우, "태양광발전 에너지 관리를 위한 .NET 기반 실속형 모니터링 시스템 개발", 대한전자공학회 2007 하계종합학술대회, Vol.30, No.1, pp.617-618, 2007.
소정훈, 유병규, 황혜미, 유권종, 최주엽, "50kW급 계통연계형 태양광발전시스템의 성능모니터링 결과 및 평가분석", 한국태양에너지학회논문집, Vol.27, No.2, pp.29-35, 2007.

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저자의 다른 논문 :

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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