[논문]단축식 태양광 추적장치의 설계와 발전량 증대기술

이재진; 이교범; 정규원

doi:10.5762/kais.2020.21.7.212

초록
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태양광 발전 시스템은 태양광 패널을 통해 발전된 전력을 계통연계를 통해 전송하는 종합 시스템이다. 발전량을 증대시키는 기술로써 태양광 입사각을 변화시켜 발전량을 증대시키는 추적식 태양광 발전장치 기술이 있다. 본 논문은 입사각을 변화시켜 발전량을 증대시키는 단축 추적식 태양광 발전장치의 구조물과 제어에 관한 연구이다. 핵심 내용은 태양광 구조물이 남북축을 중심으로 동서 방향으로 축회전하도록 구성한 단축 제어장치 및 기술이다. 일출로부터 일몰까지 동서방향으로 태양을 추종하는 태양광 구조물은 구조적 안정성과 태양광 추종 제어 성능 확보가 필요하다. 단축 추적 발전장치는 최대 25% 이상의 발전량 증대를 기대할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The PV power generation system is a comprehensive system that transmits the power generated through a PV panel to a grid connection and is composed of a solar panel, a structure, and an inverter grid connection system. One technology to increase the amount of power generated involves changing the in...

The PV power generation system is a comprehensive system that transmits the power generated through a PV panel to a grid connection and is composed of a solar panel, a structure, and an inverter grid connection system. One technology to increase the amount of power generated involves changing the incident angle of sunlight. This study examined the structure and control of a single-axis tracking PV system that increases the amount of power generated by changing the incident angle. The core content is a single-axis control system and technology configured to rotate the solar structure in the east-west direction around the north-south axis. A solar structure that follows the sun from sunrise to sunset in the east-west direction needs to secure structural stability and solar tracking control performance. A single-axis tracking system can generate up to 25% more power.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Technology classification
그림 Fig. 2. 1st prototype
그림 Fig. 3. Rear view at 60 degree
그림 Fig. 4. Pressure contour of structure
그림 Fig. 5. Product testbed
그림 Fig. 6. Working drawing
그림 Fig. 7. View at 60 degrees
그림 Fig. 8. Pressure contour of structures
그림 Fig. 9. Main controller
그림 Fig. 10. Test appearance
그림 Fig. 11. SungChang Co. Monitoring program
표 Table 1. Azimuth table over hours
표 Table 2. Rate of power increase

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 수평축 고정방식의 단축 추적식 태양광발전장치 및 시스템에 대해 설명하고자 하는 바, 남북방향으로 고정된 축의 단축 트래커 장치로써 동서 방향으로 태양을 추종하는 제어장치를 포함한 발전장치를 설계하고 발전량을 비교 한다.

제안 방법

10과 같이 실험하였다. 가장 동쪽의 1단축, 2단축을 태양의 방위각을 추종하여 제어 하였으며, 3고정은 수평상태로 지속 관찰하여 각각의 발전량을 비교 하였다.
광센서 추종방식과 절대 시간 좌표에 따른 각도 산출방식 사용이 모두 사용 가능하나, 본 논문에서는 절대시간에 의한 각도제어 방식으로 제어하였다.
단축 추적식 태양광 발전장치를 설계하기 위하여 구조물 유한해석 방법으로 계산하였으며, 동서 방향으로 각각 최대 60°까지 기동하며, 시간별 제어 테이블에 의한 절대위치 제어방식의 제어기를 채택하였다.
태양광 패널에 작용하는 바람에 의한 풍압을 상용CFD 코드인 CFX v.17을 사용하여 수치해를 구하였다. 태양광 모듈은 실외에 설치하는 구조로 난류유동이 적용된다.

대상 데이터

2019. 8. 1부터 10.17까지 78일간 성창주식회사에서 개발한 모니터링 프로그램(Fig 11)을 통해 매일 발전량을 계측하였으며, 그 누적 합계와 3고정 대비 발전량 증대 결과는 다음 Table. 2와 같다.

데이터처리

35Kg이다. 위를 바탕으로 한 3D모델링을 ANSYS workbench를 사용하여 구조해석 시뮬레이션을 실행하였다.

이론/모형

PTC사에서 제공하는 상용코드인 Pro-Engineer을사용하여 모델링 하였다. 간결한 해석을 위하여 모듈사이의 간격을 고정으로 하였고 경사각 또한 최대각도인 60°를 기준으로 해석하였다.
본 논문에서는 ‘건축구조기준’(국토교통부고시 제2015-769호,2015.10.30.)을 기준으로 설계하중을 계산하였다[5].
태양광 모듈은 실외에 설치하는 구조로 난류유동이 적용된다. 본 논문에서는 박리 모델이 잘 표현되는 k - ∊ 난류 모델과 k - ω 난류 모델이 결합된 전단응력이송(shear-stress transport(SST)) 모델을 사용하였다. 이 모델은 벽 근처에서는 난류-주파수 기반 모델을 사용하고, 벌크유동에는 k - ∊ 난류 모델을 사용 한다[6,7].
본 논문에서는 박리 모델이 잘 표현되는 k - ∊ 난류 모델과 k - ω 난류 모델이 결합된 전단응력이송(shear-stress transport(SST)) 모델을 사용하였다. 이 모델은 벽 근처에서는 난류-주파수 기반 모델을 사용하고, 벌크유동에는 k - ∊ 난류 모델을 사용 한다[6,7].

성능/효과

(1) 풍압해석의 결과 기둥 및 지지부에 최대의 부하가 걸리며 기둥간 지지형태로 구조하는 것이 설계상 유리한 결과 얻을 수 있다.
(2) 단축추적식 태양광 발전장치의 발전량 증대에 작용하는 최대변수는 정확한 태양추종 각도와 그림자 여부이며, 그 증대 정도는 맑은 날일수록 증대되고 1일 기준으로 수평면대비 최대 25%까지 증대될 수 있다.
(3) 추적식 발전량 증대 기술은 발상은 단순하지만 실제 운용 시 내구성과 기술의 복잡도, 지속 가능성 등의 어려움으로 현장 적용 시 반드시 모니터링 시스템 등 상시 관리 시스템과 함께 구축되어야한다.
78일간의 실험결과 수평발전량 대비 평균 16%의 발전량 증대를 확인할 수 있었다.
실험기간 중 일기가 불순한 날이 많아 일평균 발전시간(일발전량/모듈용량)은 1단축(4.25시간), 2단축(4.6시간), 3고정(3.8시간) 정도였으며, 맑은 날만 표본으로 하면 최대 25% 증대의 큰 차이를 확인할 수 있었다. 오전 중 동쪽 펜스에 의해 그림자가 발생하고 오후 늦은 시간 60°이상의 각도로 제어되는 시간 2단축에 의해 그림자가 발생하는 1단축은 2단축에 비해 발전량 증대량이 적음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전 시스템은 무엇인가?	태양광 발전 시스템은 태양광 패널을 통해 발전된 전력을 계통연계를 통해 전송하는 종합 시스템이다. 발전량을 증대시키는 기술로써 태양광 입사각을 변화시켜 발전량을 증대시키는 추적식 태양광 발전장치 기술이 있다.
	태양광 발전 시스템의 발전량을 증대하는 기술은 무엇이 있는가?	태양광 발전 시스템은 태양광 패널을 통해 발전된 전력을 계통연계를 통해 전송하는 종합 시스템이다. 발전량을 증대시키는 기술로써 태양광 입사각을 변화시켜 발전량을 증대시키는 추적식 태양광 발전장치 기술이 있다. 본 논문은 입사각을 변화시켜 발전량을 증대시키는 단축 추적식 태양광 발전장치의 구조물과 제어에 관한 연구이다.
	태양광 산업이 필요한 이유는 무엇인가?	전 지구적 문제로써 화석에너지의 고갈 가능성은 인류가 함께 고민하고 해결하여야할 문제이다. 석유 및 석탄등 화석에너지의 고갈 우려와 함께 환경오염의 문제를해결하기 위해서는, 화석에너지의 에너지로써의 역할을 최소화 하고 대체 에너지개발에 힘써야한다.

참고문헌 (9)

B. Kim, J. Y. Kang, S. N. Park, J. M. Jang, J. H. Hong, "Study of Unit Cost Estimation for the Appropriate Treatment of End-of-Life Photovoltaic (PV) Modules," New & Renewable Energy, vol. 15, no. 1, pp36-46, Mar. 2019. DOI: https://doi.org/10.7849/ksnre.2019.3.15.1.036

상세보기
Ministry of Trade, Industry and Energy(MOTIE), 3rd Basic Energy Plan, https://www.motie.go.kr/common/download.do?fidbbs&bbs_cd_n81&bbs_seq_n161753&file_seq_n1(acessed May, 2020)
T. K. S. Freddy, J. H. Lee, H. C. Moon, K. B. Lee, and N. A. Rahim, "Modulation Technique for Single-Phase Transformerless Photovoltaic Inverters with Reactive Power Capability," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 9, pp. 6989-6999, Sep. 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/tie.2017.2686366

상세보기
Y. E. Kim, K. W. Jeong, J. J. Lee, "Wind Load Analysis for Designing a Tracking Solar Generator," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 18, no. 2, pp. 672-680, 2017 DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.2.672
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT), Korea Building Code 2016, https://www.codil.or.kr/filebank/construction/DC/CIGCDC190010/CIGCDC190010.pdf?streamT (accessed May, 2020).
Florian R. Menter, "Review of the Shear-Stress Trans port Turbulence Model Experience from an Industrial Perspective," International Journal of Computational Fluid Dynamics, vol. 23, no. 4, pp.305-316, April-May 2009. DOI: https://doi.org/10.1080/10618560902773387

상세보기
J. H. Lee, K. J. Jung, "Aerodynamic Analysis of a Three-dimensional Wing using Transition SST Turbulence Model,", Korea Society for Computational Fluids Engineering, pp. 45-48, Nov. 2010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cja.2016.06.002
Ansys, Inc. ANSYS CFX-Solver Modeling Guide, Release 15.0, Nov. 2013.
Korea Astronomical Research Institute Information on Astronomy and Space, https://astro.kasi.re.kr/life/pageView/10?useElevation1&lat37.54980&lng126.9671&elevation0&output_range1&date2020-03-21&hour&minute&second&address%EC%B6%A9%EC%B2%AD%EB%B6%81%EB%8F%84+%EC%B2%AD%EC%A3%BC%EC%8B%9C+%ED%9D%A5%EB%8D%95%EA%B5%AC+%EB%8F%99%EC%B4%8C%EB%A1%9C+149 (acessed May, 2020)

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