태양광 발전에 있어서 태양전지는 일사량, 온도와 부하에 의해 크게 변동하기 때문에 태양전지에 대한 특성 해석이 필요하다. 또한 태양광 발전에 있어서 가능한 많은 에너지를 얻기 위해서는 환경변화에 따른 태양의 위치추적이 필요하며 태양전지의 출력을 항상 최대로 제어할 필요가 있다. 본 논문에서는 태양광 발전의 효율을 높이기 위하여 센서와 마이크로프로세서를 이용한 태양광 위치추적 장치를 설계하여 고정방식의 태양광 발전과 위치 추적 방식의 태양광 발전에 대하여 비교해 보았으며, 태양전지에 대한 특성 해석과 수학적 모델링을 통한 시뮬레이션을 행하여 태양전지 특성 사양과 비교해 보았다. 또한 전력변환 시스템을 Boost 컨버터와 전압형 인버터로 구성하여 각각에 대하여 실험하였으며, Boost 컨버터 제어에서 최대 전력점 추적을 위해 일정전압 제어법을 사용하였으며 인버터의 제어에서는 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 제어법을 사용하여 실험해 보았다. 그 결과 태양전지 수학적 모델링 한 것의 시뮬레이션 결과와 태양전지 특성 사양과 비교하였을 때 5%이하의 오차를 보였으며. Boost 컨버터의 승압율은 167%로 시뮬레이션 한 것과 근사적으로 나타났고, 인버터는 시뮬레이션 한 것과 근사적 파형을 얻었으나 손실이 큰 것으로 나타났다.
태양광 발전에 있어서 태양전지는 일사량, 온도와 부하에 의해 크게 변동하기 때문에 태양전지에 대한 특성 해석이 필요하다. 또한 태양광 발전에 있어서 가능한 많은 에너지를 얻기 위해서는 환경변화에 따른 태양의 위치추적이 필요하며 태양전지의 출력을 항상 최대로 제어할 필요가 있다. 본 논문에서는 태양광 발전의 효율을 높이기 위하여 센서와 마이크로프로세서를 이용한 태양광 위치추적 장치를 설계하여 고정방식의 태양광 발전과 위치 추적 방식의 태양광 발전에 대하여 비교해 보았으며, 태양전지에 대한 특성 해석과 수학적 모델링을 통한 시뮬레이션을 행하여 태양전지 특성 사양과 비교해 보았다. 또한 전력변환 시스템을 Boost 컨버터와 전압형 인버터로 구성하여 각각에 대하여 실험하였으며, Boost 컨버터 제어에서 최대 전력점 추적을 위해 일정전압 제어법을 사용하였으며 인버터의 제어에서는 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 제어법을 사용하여 실험해 보았다. 그 결과 태양전지 수학적 모델링 한 것의 시뮬레이션 결과와 태양전지 특성 사양과 비교하였을 때 5%이하의 오차를 보였으며. Boost 컨버터의 승압율은 167%로 시뮬레이션 한 것과 근사적으로 나타났고, 인버터는 시뮬레이션 한 것과 근사적 파형을 얻었으나 손실이 큰 것으로 나타났다.
The solar cell need the characteristic interpreting because the solar cell changes greatly according to the isolation, temperature and load in the photovoltaic development. Moreover, to get many energy in photovoltaic development need the position tracking of the sun according to the environment cha...
The solar cell need the characteristic interpreting because the solar cell changes greatly according to the isolation, temperature and load in the photovoltaic development. Moreover, to get many energy in photovoltaic development need the position tracking of the sun according to the environment change. Also, The solar cells should be operated at the maximum power point. In this paper, I used microprocessor and sensor and designed to improve the efficiency of the photovoltaic system the photovoltaic position tracker device, and compared the normal photovoltaic system of fixed form with the photovoltaic system of solar position tracked form. Moreover, compared the catalogue of solar cell module and the simulation through a mathematics modelling with the solar cell's characteristic interpreting and composed an power conversion system with boost converter and voltage source inverter. Used the constant voltage control method for maximum power point tracking in boost converter control and, used the SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) control method in inverter control. The result was less then 5% when compared the catalogue of solar cell module and the simulation through a mathematics modelling. The boost rate of boost converter was similar to 167 % with the simulation.
The solar cell need the characteristic interpreting because the solar cell changes greatly according to the isolation, temperature and load in the photovoltaic development. Moreover, to get many energy in photovoltaic development need the position tracking of the sun according to the environment change. Also, The solar cells should be operated at the maximum power point. In this paper, I used microprocessor and sensor and designed to improve the efficiency of the photovoltaic system the photovoltaic position tracker device, and compared the normal photovoltaic system of fixed form with the photovoltaic system of solar position tracked form. Moreover, compared the catalogue of solar cell module and the simulation through a mathematics modelling with the solar cell's characteristic interpreting and composed an power conversion system with boost converter and voltage source inverter. Used the constant voltage control method for maximum power point tracking in boost converter control and, used the SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) control method in inverter control. The result was less then 5% when compared the catalogue of solar cell module and the simulation through a mathematics modelling. The boost rate of boost converter was similar to 167 % with the simulation.
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문제 정의
본 논문에서는 태양광 발전의 효율을 높이기 위하여 센서와 마이크로프로세서를 이용한 태양광 위치추적 장치를 설계하여 고정방식의 태양광 발전과 위치 추적 방식의 태양광 발전에 대하여 비교해 보았으며, 태양전지에 대한 특성 해석과 수학적 모델링을 통한 시뮬레이션을 행하여 태양전지 특성 사양과 비교해 보았다. 또한 전력변환 시스템을 Boost 컨버터와 전압형 인버터로 구성하여 각각에 대하여 실험하였으며, Boost 컨버터 제어에서 최대 전력 점 추적을 위해 일정전압 제어법을 사용하였으며 인버터의 제어에서는 SPWM(sinusoidal pulse width modulation) 제어법을 사용하여 실험해 보았다.
가설 설정
그중에서도 신 에너지원으로서 무공해이며 무구한 태양에너지를 이용한 태양광 발전시스템이 새로이 각광받고 있다. 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량(insolation)의 강도에 따라 발전량이 변하게 된다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 사용자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직·병렬로 연결한 태양전지 어레이와 전력 저장용 축전지(storage battery), 전력 조정기(power controller) 및 직·교류 변환장치(Inverter)등의 주변장치로 구성된다.
제안 방법
그림 4는 태양광 위치추적 장치에서 마이크로프로세서에서의 흐름을 나타낸 것으로 초기 LCD와 ADC를 초기화시키고, 5개의 센서로부터 Sensing된 값을 A/D 컨버젼하여 LCD에 각각의 값을 표시하고, 각각의 값 중 센서에 따른 최대 또는 최소값을 계산하며 Sensing의 계산된 값에 따라서 스텝모터의 좌우방향으로 회전 및 정지하게 프로그램하였다.
본 논문에서는 태양전지 어레이를 고정방식과 추적방식으로 나누어 각각 4개씩 설치하여 일사량 획득에 따른 발전량을 비교 조사 하였으며 전력변환기를 구성하여 입출력과정을 실험하였다. 그림 13은 추적장치 제어 보드를 나타내고, 그림 14는 태양광 어레이에서 나온 전압을 Boost 컨버터를 이용하여 승압한 파형을 나타낸다.
본 연구에서는 센서와 마이크로프로세서를 사용하여 환경 변화에 대해서도 위치추적이 가능하도록 설계하였다.
시뮬레이션에서는 캐리어인 정현파 한 주기당 기준파인 삼각파를 20회를 주었으나 본 실험에서는 10회만 주어 실험하였으며, 오픈루프방식으로 방식으로 실험하였다.
이러한 태양의 위치를 추적하기 위하여 태양의 위상 차가 계절 및 시간에 따라 어떻게 변하는지 또 좌표를 어떻게 나타내는지 등을 살펴보고 태양의 위치를 계산하는 알고리즘에 대하여 살펴보고 간단한 태양 위치 계산 프로그램을 작성하여 그 결과를 이용하여 태양 추적 장치를 구성해야 한다.
태양전지에서 발생하는 전압과 전류의 관계는 매우 비선형 특성을 갖기 때문에, 보다 정확한 시스템 특성을 알기 위하여 태양전지 어레이의 모델링과 PSIM을 통하여 시뮬레이션을 하였다.
대상 데이터
집광형 태양광발전시스템은 집광형 태양광전지 모듈부, 추적 시스템부, 전력변환부로 구성되며 부하는 LED램프를 채택하였다. 그림 1은 태양광 위치추적 장치에서 마이크로프로세서에서의 흐름을 나타낸 것으로 초기 LCD와 ADC를 초기화 시키고, 5개의 센서로부터 Sensing된 값을 A/D 컨버젼하여 LCD에 각각의 값을 표시하고, 각각의 값 중 센서에 따른 최대 또는 최소값을 계산하며 Sensing의 계산된 값에 따라서 스텝모터의 좌·우방향으로 회전 및 정지하게 프로그램 하였다.
이론/모형
본 논문에서는 태양광 발전의 효율을 높이기 위하여 센서와 마이크로프로세서를 이용한 태양광 위치추적 장치를 설계하여 고정방식의 태양광 발전과 위치 추적 방식의 태양광 발전에 대하여 비교해 보았으며, 태양전지에 대한 특성 해석과 수학적 모델링을 통한 시뮬레이션을 행하여 태양전지 특성 사양과 비교해 보았다. 또한 전력변환 시스템을 Boost 컨버터와 전압형 인버터로 구성하여 각각에 대하여 실험하였으며, Boost 컨버터 제어에서 최대 전력 점 추적을 위해 일정전압 제어법을 사용하였으며 인버터의 제어에서는 SPWM(sinusoidal pulse width modulation) 제어법을 사용하여 실험해 보았다.
성능/효과
8시 ~ 10시, 4시 이후에 태양광 위치추적 방식이 고정방식에 비해 더 많은 전압을 출력하고 있음을 알 수 있으며 11시와 12시 반 사이에 환경적인 요인에 의해 출력에 변화가 있음을 알 수 있다.
[1] 태양전지에 대한 특성해석과 수학적 모델링을 통하여 시뮬레이션 한 결과 태양전지 사양과 시뮬레이션 결과가 5 %이하의 오차로 거의 일치함을 알 수 있었으며, 이를 이용한 전력변환장치 시뮬레이션에 효과적으로 이용 가능하였다.
[2] 태양전지 특성상 최대 전력을 얻기 위하여 최대 출력점 제어방식 중 일정전압 제어법을 사용하여 Boost 컨버터 제어를 하였으며 실제 실험한 결과를 시뮬레이션 한 결과와 비교 하였을 때 오차 2 %이하의 거의 동일한 승압율을 얻을 수 있었다.
[4] 보다 많은 태양광 발전을 위하여 센서와 마이크로프로세서를 이용하여 태양광 위치추적 장치를 설계하였으며, 고정방식의 태양광 발전과 태양광 위치 추적방식을 비교하였을 때 태양광 위치추적 방식이 고정방식에 비해 5% 이상의 발전량이 증가한 것을 알 수 있었다.
따라서 태양전지의 정확한 특성해석이 필요하다. 또한, 태양은 시간과 계절에 따라 위치가 항상 변하고 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 태양전지의 출력은 저밀도 에너지형인 관계로 태양광 위치추적 장치를 사용하여 지속적인 태양추적을 수행한다면 태양광 추적시스템은 이미 적용되고 있는 고정 방식의 태양전지 모듈이 설치된 시스템에 대해 가지는 이점을 생각 할 수 있다.
Data Aquisition Time은 01월 28일∼ 29일이고 DB Scanning Time은 6,000 msec 로 설정되어 있다. 모니터링 결과, CPV Module의 최대 출력은 60 W 가 산출되었고 모듈의 표면온도는 20~30℃, 태양전지 표면 온도는 >60℃를 유지하였다. 전력변환부는 출력전압 12~14.
본 실험에서 사용된 태양전지 모듈의 특성 사양과 수학적 모델링을 시뮬레이션 한 것을 나타내며 특성 사양과 시뮬레이션 값을 비교하였을 때 5 %이하의 오차가 나는 것을 알 수 있다. 이는 근사적으로 시뮬레이션이 이루어 졌음을 알 수 있다.
본 연구에서는 태양광 발전의 효율을 높이기 위하여 태양광 위치추적 장치를 구성하였으며, 태양광 발전시스템에서 태양전지에 대한 특성해석과 수학적 모델링을 통하여 시뮬레이션을 행하였으며 시뮬레이션을 근거로 하여 Boost 컨버터와 SPWM방식의 인버터로 구성된 전력변환기를 이용하여 실험을 수행한 결과 고정방식의 태양광 발전과 태양광 위치 추적방식을 비교하였을 때 태양광 위치추적 방식이 고정방식에 비해 5%이상의 발전량이 증가한 것을 알 수 있었다. 향후 소용량 시스템을 구성 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
위와 같은 실험을 통하여 본 실험에 사용한 태양광 위치추적 장치가 양호한 위치추적을 보이고 있으며, 고정 방식에 비해 위치추적 방식이 더욱 많은 집광을 하여 전체 발전량에서 5 %의 차이가 있음을 알 수 있었다.
태양광 발전을 위해서는 태양전지로부터 출력되는 개방전압과 단락전류가 얼마나 최대 출력전압과 최대 출력전류에 가깝게 출력되도록 설계하느냐에 따라서 태양광 발전성능이 달라진다는 것을 알 수 있다. 이러한 이유로 태양광 위치추적 장치를 생각하게 되었다.
후속연구
본 연구에서는 태양광 발전의 효율을 높이기 위하여 태양광 위치추적 장치를 구성하였으며, 태양광 발전시스템에서 태양전지에 대한 특성해석과 수학적 모델링을 통하여 시뮬레이션을 행하였으며 시뮬레이션을 근거로 하여 Boost 컨버터와 SPWM방식의 인버터로 구성된 전력변환기를 이용하여 실험을 수행한 결과 고정방식의 태양광 발전과 태양광 위치 추적방식을 비교하였을 때 태양광 위치추적 방식이 고정방식에 비해 5%이상의 발전량이 증가한 것을 알 수 있었다. 향후 소용량 시스템을 구성 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적인 태양광 발전 시스템의 구성은?
태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량(insolation)의 강도에 따라 발전량이 변하게 된다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 사용자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직·병렬로 연결한 태양전지 어레이와 전력 저장용 축전지(storage battery), 전력 조정기(power controller) 및 직·교류 변환장치(Inverter)등의 주변장치로 구성된다.[1]~[6]
태양전지의 일반적인 특성은?
그중에서도 신 에너지원으로서 무공해이며 무구한 태양에너지를 이용한 태양광 발전시스템이 새로이 각광받고 있다. 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량(insolation)의 강도에 따라 발전량이 변하게 된다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 사용자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직·병렬로 연결한 태양전지 어레이와 전력 저장용 축전지(storage battery), 전력 조정기(power controller) 및 직·교류 변환장치(Inverter)등의 주변장치로 구성된다.
태양 광선의 방향을 태양 전지 모듈 집광면 법선 방향과 일치가 요구되는 이유는?
태양 추적 장치（solar tracking system）는 태양 전지 모듈로 입사되는 태양 광선의 방향을 태양 전지 모듈 집광면 법선 방향과 일치시키기 위하여 태양 전지 모듈에 부착하는 자동 제어 장치이다. 즉, 태양 추적 장치는 계절과 시간에 따라 변화하는 태양 의 위치에 따라 항상 태양 전지 모듈이 태양을 향하도록 하여 태양 전지 모듈이 태양광 선과 수직으로 놓여있지 않음으로 인하여 발생하는 손실인 cosine 손실을 최소화하여 태양에너지를 가능한 많이 이용할 수 있도록 하는 제어 장치이다.
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