해상에서 운용되는 일점계류형 해양플랜트의 태양광 발전 시스템은 독립 전원 체계를 가지고 있으며, 해상 환경, 부조일수 등의 영향으로 안정적인 전력을 공급하는 것이 중요하다. 이러한 이유로 태양광 패널을 여러 방향으로 설치하게 되는데, 이 때 각 패널마다 입사되는 광량이 달라지므로 부분음영현상이 발생하게 된다. 육상용 태양광 발전시스템의 발전량은 위도의 영향을 받으므로 우리나라의 경우 $30{\sim}36^{\circ}$ 사이의 각도로 설치하는 것이 일반적이나, 일점계류형 해양플랜트에 설치되는 태양광 발전 시스템의 경우 부분 음영 현상에 의해 최대전력점이 제어 가능 범위 밖에 존재하는 경우가 발생하게 되고 이는 전력 발전 손실이 된다. 이 때 두 패널의 광량차이를 줄임으로써, 최대 전력점을 MPPT 알고리즘이 추종 가능한 범위에 존재하게 하여 발전 효율을 더 높일 수 있으며, 시뮬레이션 결과 설치각도 $20^{\circ}$에서 가장 높은 발전 효율 가짐을 확인하였다.
해상에서 운용되는 일점계류형 해양플랜트의 태양광 발전 시스템은 독립 전원 체계를 가지고 있으며, 해상 환경, 부조일수 등의 영향으로 안정적인 전력을 공급하는 것이 중요하다. 이러한 이유로 태양광 패널을 여러 방향으로 설치하게 되는데, 이 때 각 패널마다 입사되는 광량이 달라지므로 부분음영현상이 발생하게 된다. 육상용 태양광 발전시스템의 발전량은 위도의 영향을 받으므로 우리나라의 경우 $30{\sim}36^{\circ}$ 사이의 각도로 설치하는 것이 일반적이나, 일점계류형 해양플랜트에 설치되는 태양광 발전 시스템의 경우 부분 음영 현상에 의해 최대전력점이 제어 가능 범위 밖에 존재하는 경우가 발생하게 되고 이는 전력 발전 손실이 된다. 이 때 두 패널의 광량차이를 줄임으로써, 최대 전력점을 MPPT 알고리즘이 추종 가능한 범위에 존재하게 하여 발전 효율을 더 높일 수 있으며, 시뮬레이션 결과 설치각도 $20^{\circ}$에서 가장 높은 발전 효율 가짐을 확인하였다.
A solar power generation system on single point moored offshore plant has independent power system In order to satisfy the maritime environment and account for the number of sunless days, it is important to supply stable electric power to the systems. For these reasons, solar panels are installed in...
A solar power generation system on single point moored offshore plant has independent power system In order to satisfy the maritime environment and account for the number of sunless days, it is important to supply stable electric power to the systems. For these reasons, solar panels are installed in multiple directions. However, a partial shading effect occurs because the amount of light incident on each panel is different. The generated power by the solar generation system installed on land is affected by the latitude, then it is installed at an angle of 30 to $45^{\circ}$. in the case of Korea. In the case of a solar power generation system installed in a mooring type of marine plant, there is a possibility that the maximum power point is outside of the controllable range due to the partial shading effect. Therefore, a power generation loss occurs. By reducing the light amount difference between both panels, the maximum power point can exist in a range where the MPPT algorithm can track the power. The purpose is so the power generation efficiency can be further increased. In this paper, simulation results show that the highest power generation efficiency is obtained at an installation angle of $20^{\circ}$.
A solar power generation system on single point moored offshore plant has independent power system In order to satisfy the maritime environment and account for the number of sunless days, it is important to supply stable electric power to the systems. For these reasons, solar panels are installed in multiple directions. However, a partial shading effect occurs because the amount of light incident on each panel is different. The generated power by the solar generation system installed on land is affected by the latitude, then it is installed at an angle of 30 to $45^{\circ}$. in the case of Korea. In the case of a solar power generation system installed in a mooring type of marine plant, there is a possibility that the maximum power point is outside of the controllable range due to the partial shading effect. Therefore, a power generation loss occurs. By reducing the light amount difference between both panels, the maximum power point can exist in a range where the MPPT algorithm can track the power. The purpose is so the power generation efficiency can be further increased. In this paper, simulation results show that the highest power generation efficiency is obtained at an installation angle of $20^{\circ}$.
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문제 정의
최대전력점은 태양광 패널의 출력이 최대가 되는 점을 의미한다. MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대전력추종) 알고리즘이 추종하고자하는 목표가 된다.
우리나라의 육상 태양광 발전 시스템의 경우 30~36° 사이의 각도로 설치할 때 가장 높은 발전 효율을 보인다. 본 논문에서는 우리나라의 위도와 부분음영현상을 고려하여 최적의 설치 각도를 도출하고자 한다.
본 논문에서는 태양광 패널을 모델링하고 일일 광량에 따른 태양광 어레이의 발전량 변화를 시뮬레이션하였다. 먼저 태양광 패널 간의 입사되는 광량이 차이가 나게 될 경우 부분 음영 효과에 의해 GMPP와 LMPP의 발생으로 최대전력점을 추종하지 못하는 결과가 발생한다.
제안 방법
광량차이에 따른 특성곡선의 변화와 GMPP의 이동에 대해 확인하기 위해 태양광 패널 1에 입사되는 광량이 100W/m2일때, 패널 2에 입사되는 광량을 100W/m2에서 100단위로 1000W/m2까지 변화시켜가며 시뮬레이션을 하였으며, 패널 1의 광량 또한 100W/m2에서 100단위로 1000W/m2까지 변화시켰다.
부분음영현상을 고려한 태양광 패널의 설치각도를 도출하기 위해서 위치에 따른 태양광량 시뮬레이션, 태양광 패널 시뮬레이션, 광량차이와 GMPP와 관계 시뮬레이션, 두 패널의 설치각도에 따른 발전량 시뮬레이션을 수행하였다.
수행된 100번의 시뮬레이션을 바탕으로 GMPP의 위치와 태양광량의 관계를 분석하였다. 그 중 대표적인 예로 GMPP의 위치가 오른쪽, 왼쪽, 양쪽이 비슷하게 나타나는 세 가지 상태를 선정하였으며, 앞선 상태에 해당되는 패널 1에 입사되는 광량이 300W/m2, 500W/m2, 700W/m2인 경우에 대해서 시뮬레이션 결과를 다음 Fig 17~19에 정리하였다.
태양광 패널의 설치 각도를 0°에서 90°까지 변화시켜가며 일일 발전량을 분석하였다. 앞서 일일 광량 시뮬레이션을 통해 도출된 광량을 태양광 어레이 모델에 입력하여 결과를 도출하였다. 다음 Table 4는 각도에 따른 평균 광량비와 각 패널당 평균발전전력, 그리고 서칭 가능한 범위에서 평균발전 전력을 나타내었다.
이상의 내용을 바탕으로 45°로 각각 다른 방향을 향하도록 설치한 태양광 패널 두 장에 대해 입사되는 태양광량을 시뮬레이션을 수행하였다.
태양광 패널의 설치 각도를 0°에서 90°까지 변화시켜가며 일일 발전량을 분석하였다.
대상 데이터
수행된 100번의 시뮬레이션을 바탕으로 GMPP의 위치와 태양광량의 관계를 분석하였다. 그 중 대표적인 예로 GMPP의 위치가 오른쪽, 왼쪽, 양쪽이 비슷하게 나타나는 세 가지 상태를 선정하였으며, 앞선 상태에 해당되는 패널 1에 입사되는 광량이 300W/m2, 500W/m2, 700W/m2인 경우에 대해서 시뮬레이션 결과를 다음 Fig 17~19에 정리하였다.
태양광 패널은 Matlab Simulink로 Fig 12와 같이 구성하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 모델은 광량입력부(irradiation), 태양광 패널부(solar panel), 특성곡선 출력부(curve display), 솔버설정부(solver configuration)로 구성된다.
까지 변화시켰다. 총 100번의 시뮬레이션이 수행되었다.
태양광 출력특성을 반영한 태양광 어레이 모델을 설계하기 위해 태양광 셀의 등가회로를 선정하였다. 태양광 셀의 전기적 등가회로로는 Single Diode Model, Two Diode Model 등이 있으며,[5] 본 논문에서는 싱글 다이오드 모델을 태양광 셀 등가회로로 선정하여 모델링을 진행하였다. 다음 Fig 2는 태양광 셀의 전기적 등가회로인 단일 다이오드 모델을 나타내고 있다[6].
또한 비선형 전원으로 부하 측 전압에 따라 출력특성이 변화하게 된다. 태양광 출력특성을 반영한 태양광 어레이 모델을 설계하기 위해 태양광 셀의 등가회로를 선정하였다. 태양광 셀의 전기적 등가회로로는 Single Diode Model, Two Diode Model 등이 있으며,[5] 본 논문에서는 싱글 다이오드 모델을 태양광 셀 등가회로로 선정하여 모델링을 진행하였다.
이론/모형
태양광 패널은 Matlab Simulink로 Fig 12와 같이 구성하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 모델은 광량입력부(irradiation), 태양광 패널부(solar panel), 특성곡선 출력부(curve display), 솔버설정부(solver configuration)로 구성된다.
성능/효과
특히 태양광 패널 간의 광량차이가 클 때(광량비 40% 이하)에는 최대전력점이 배터리보다 낮은 전압 범위에 위치하여 MPPT 제어로 추종하지 못하는 것을 확인하였다. 두 번째로 부분음영현상이 발생하기 쉬운 해상 태양광 발전 시스템에서는 설치각도를 줄여 기존 육상 태양광 발전 시스템 보다 두 패널 간의 광량 차이를 적게 해야할 필요가 있음을 확인하였다. 세 번째로 설치각도에 따른 발전량 시뮬레이션을 통해 해상 태양광 발전 시스템의 패널 설치 각도를 육상에서 제안되는 30~36°가 아닌 20°에서 높은 발전량을 보이는 것을 확인하였다.
두 번째로 부분음영현상이 발생하기 쉬운 해상 태양광 발전 시스템에서는 설치각도를 줄여 기존 육상 태양광 발전 시스템 보다 두 패널 간의 광량 차이를 적게 해야할 필요가 있음을 확인하였다. 세 번째로 설치각도에 따른 발전량 시뮬레이션을 통해 해상 태양광 발전 시스템의 패널 설치 각도를 육상에서 제안되는 30~36°가 아닌 20°에서 높은 발전량을 보이는 것을 확인하였다.
의 값이 작을수록 광량의 차이가 많이 나고, 클수록 광량의 차이가 작은 것을의미한다. 시뮬레이션 결과 Rirr이 45% 이하에서 GMPP가 왼쪽에 나타나며, 45% 이상에서는 오른쪽에 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 양방향으로 태양광 패널을 설치할 시에는 육상 태양광 발전 시스템 보다 광량 차이가 적게 나도록 설치각도를 설계할 필요가 있다.
먼저 태양광 패널 간의 입사되는 광량이 차이가 나게 될 경우 부분 음영 효과에 의해 GMPP와 LMPP의 발생으로 최대전력점을 추종하지 못하는 결과가 발생한다. 특히 태양광 패널 간의 광량차이가 클 때(광량비 40% 이하)에는 최대전력점이 배터리보다 낮은 전압 범위에 위치하여 MPPT 제어로 추종하지 못하는 것을 확인하였다. 두 번째로 부분음영현상이 발생하기 쉬운 해상 태양광 발전 시스템에서는 설치각도를 줄여 기존 육상 태양광 발전 시스템 보다 두 패널 간의 광량 차이를 적게 해야할 필요가 있음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양광 패널을 여러방향으로 설치하는 이유는?
해상에서 운용되는 일점계류형 해양플랜트의 태양광 발전 시스템은 독립 전원 체계를 가지고 있으며, 해상 환경, 부조일수 등의 영향으로 안정적인 전력을 공급하는 것이 중요하다. 이러한 이유로 태양광 패널을 여러 방향으로 설치하게 되는데, 이 때 각 패널마다 입사되는 광량이 달라지므로 부분음영현상이 발생하게 된다.
SPM시스템이란?
SPM(Single Point Mooring) 시스템은 선박의 계류 역할 및 육상 시설과 유조선을 연결하여 원유, 가스 등을 이송시키는 역할을 하는 일점계류형 해양플랜트이다. SPM 시스템은 육상과 떨어진 해양에 설치되는 독립형 전력체계로 HPU(Hydraulic Power Uint) 시스템, 포그혼, 통신장치 등을 사용하기 위한 전력 공급원으로 배터리를 이용한다[1].
최근 SPM 시스템에서 전력의 수요가 증가하는 이유는?
배터리만으로 전원을 공급하는 시스템은 외부로부터 충전이 필요하기 때문에 유지 및 관리가 어렵다는 단점이 있다. 또한 최근 SPM 시스템은 선박의 대형화, AIS(Auto Identification System) 등의 추가 기능을 요구하면서 전력의 수요가 증가하고 있어 보다 안정적으로 전력을 공급하기 위해 태양광 발전 시스템 등을 추가하고 있다. 다음 Fig.
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