[논문]낮은 일조량 구간에서 에너지 하베스팅 기술을 통한 발전량 향상

윤용호

doi:10.7236/jiibc.2022.22.3.201

낮은 일조량 구간에서 에너지 하베스팅 기술을 통한 발전량 향상
Improvement of Power Generation through Energy Harvesting Technology in Low Sunlight Section 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.22 no.3, 2022년, pp.201 - 206

초록
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에너지 하베스팅(Harvesting)은 1954년 미국 벨 연구소가 태양광을 에너지로 바꾸는 태양전지 연구를 진행하면서 소개된 개념이다. 이러한 에너지 하베스팅 기술은 일상생활 속 버려지거나 미활용 되는 에너지를 모아 전력으로 재활용하는 기술로서 에너지를 효율적으로 활용할 수 있게 하는 친환경 에너지 방안 중 하나로서 다양한 에너지를 적용할 수 있다. 특별히 태양광발전시스템의 경우 맑은 날에 비해 흐린 날씨에 전력생산 Loss가 발생하는 형태로 인버터에서 발생하는 전력 소모를 줄이기 위해, 배터리를 이용하여 발생하는 전기를 저장함으로써 에너지 하베스팅을 적용할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 일출, 일몰, 흐린 날씨 등의 낮은 일조량 구간에서 에너지 하베스팅 기술을 적용하여 인버터 동작 최저전압 이하 및 소멸하는 전력을 회수하여 발전량을 개선하고자 한다. 이에 따라 태양광발전 전력량에 따른 시스템 및 알고리즘 개발과 일몰, 일출, 그 밖에 환경에서 발전되는 저 전력을 이용한 시스템과 알고리즘 개발을 통해 연구내용을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Energy harvesting is a concept introduced in 1954 by Bell Labs in the US while conducting research on solar cells that convert sunlight into energy. Such energy harvesting technology is a technology that collects wasted or unused energy in daily life and recycles it as electric power. In particular In the case of a photovoltaic power generation system, energy harvesting can be applied by storing electricity generated by using a battery to reduce power consumption generated by the inverter in the form of loss of power generation in cloudy weather compared to sunny days. Therefore, in this paper, energy harvesting technology is applied in the low sunlight section such as sunrise, sunset, and cloudy weather to improve the amount of power generation by recovering the power that is below the minimum operating voltage of the inverter and dissipated. Accordingly, the research contents were verified through the development of systems and algorithms according to the amount of solar power generation and the development of systems and algorithms using low power generated in sunset, sunrise, and other environments.

주제어

표/그림 (15)

그림 그림 1. 태양광 발전량에 따른 Mode Fig. 1. Mode according to the amount of solar power generation
그림 그림 2. 시간대별 태양광발전 시스템 이용률 Fig. 2. Photovoltaic power generation system utilization rate by time period
그림 그림 3. 계절별 태양광발전 시간 Fig. 3. Photovoltaic power generation time by season
그림 그림 4. 발전량 증가를 위한 에너지 하베스팅 시스템 구성도 Fig. 4. Diagram of energy harvesting system to increase power generation
그림 그림 5. 태양광 발전량에 따른 태양광&ESS의 출력모드 Fig. 5. Photovoltaic & ESS output mode according to the amount of solar power generation
그림 그림 6. 1번 Mode 시스템 구성도 Fig. 6. Mode 1 system configuration diagram
그림 그림 7. 2번 Mode 시스템 구성도 Fig. 7. Mode 2 system configuration diagram
그림 그림 8. 3번 Mode 시스템 구성도 Fig. 8. Mode 3 system configuration diagram
그림 그림 9. 4번 Mode 시스템 구성도 Fig. 9. Mode 4 system configuration diagram
그림 그림 10. 에너저저장장치(ESS) 충전 모드 (일출, 일몰시간) Fig. 10. ESS charging mode (sunrise, sunset time)
그림 그림 11. 저전력 태양광연계 모드 Fig. 11. Low power solar connection mode
그림 그림 12. 일반 태양광 발전 모드 Fig. 12. Normal solar power mode
그림 그림 13. 에너지저장장치(ESS) 방전 모드 Fig. 13. ESS Discharge Mode
그림 그림 14. 개발시스템 및 일반 태양광전시스템의 발전량 비교 Fig. 14. Comparison of power generation between development system and general photovoltaic system
표 표 1. 에너지 하베스팅이 적용된 제품과 일반 태양광발전시스템의 실험결과 Table 1. Experimental results of products to which energy harvesting is applied and general solar power generation systems

AI 본문요약
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제안 방법

그림 4에서 나타낸 발전 효율 분석용 모니터링 장치를 통하여 태양광발전 전력량을 분석하여 낮은 일조량 구간에서 각 모드별 발전량 증가를 위해 다음과 같이 시스템이 기능별로 동작될 수 있도록 설계하였다. 또한 비, 눈, 흐린 날에는 태양광 발전량을 감지하여 최고 발전효율을 발전할 수 있도록 하였다.
낮은 일조량 구간에서 발전량 증가를 위한 에너지 하베스팅 연구”에서 서술된 “태양광발전 전력량에 따른 시스템 구성”과 “일몰, 일출, 그 밖에 환경에서 발전되는 저전력을 이용한 시스템 구성”을 통해 개발된 시스템을 이용하여 태양광 발전 실증을 시행하였다.
● 일출, 일몰시간 : 에너지저장장치(ESS) 충전 모드 일출, 일몰 시간 때는 발전한 전력량이 인버터 소모전력보다 낮기에 계통으로 보내기에 어려운 상황이다. 따라서 3개의 태양광 채널을 연계하여 에너지저장치 (ESS)에 충전이 가능하도록 알고리즘을 구성하였으며 그 상태를 사용자가 쉽게 확인 할 수 있도록 GUI를 그림 10과 같이 개발하였다.
또한 구성한 시스템을 통하여 일출, 일몰, 흐린 날씨 등의 낮은 일조량 구간에서 에너지 하베스팅 기술을 적용하기 위하여 본 논문에서는 태양광 모듈, 태양광인버터, 에너지저장장치(ESS)의 Battery를 그림 7과 같이 태양광의 발전량에 따라 출력 Mode를 분류하여 시스템을 설계하였다.
그림 4에서 나타낸 발전 효율 분석용 모니터링 장치를 통하여 태양광발전 전력량을 분석하여 낮은 일조량 구간에서 각 모드별 발전량 증가를 위해 다음과 같이 시스템이 기능별로 동작될 수 있도록 설계하였다. 또한 비, 눈, 흐린 날에는 태양광 발전량을 감지하여 최고 발전효율을 발전할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 일출, 일몰, 흐린 날씨 등의 낮은 일조량 구간에서 에너지 하베스팅 기술을 적용하여 인버터 동작 최저 전압 이하 및 소멸하는 전력을 회수하여 발전량을 개선하였다. 이에 대한 연구결과로 비교군 대비 150~228%의 발전 증가율과 69~86분의 발전 증가분이 발생하였으며 두 제품에 따른 발전량을 측정 결과 평균 하루 발전량이 800Wh정도 증가하였으며 1.
저전력이 발생되는 각 상황에 따른 모드별 시스템이 적용될 수 있도록 구성하였으며 각 모드는 태양광에서 출력되는 전력량을 기준으로 모드에 맞게 자동으로 동작할 수 있게 설계하였다. 각 모드에 따른 상태 및 개발된 GUI는 다음과 같이 정리할 수 있다.

성능/효과

본 논문에서는 일출, 일몰, 흐린 날씨 등의 낮은 일조량 구간에서 에너지 하베스팅 기술을 적용하여 인버터 동작 최저 전압 이하 및 소멸하는 전력을 회수하여 발전량을 개선하였다. 이에 대한 연구결과로 비교군 대비 150~228%의 발전 증가율과 69~86분의 발전 증가분이 발생하였으며 두 제품에 따른 발전량을 측정 결과 평균 하루 발전량이 800Wh정도 증가하였으며 1.2kWh까지 증가하는 결과를 얻었다.
시험 1일차부터 시험 5일차까지 총 5일 동안 에너지하베스팅이 적용된 제품은 비교군 대비 150~228%의 발전 증가율과 69~86분의 발전 증가분이 발생하였으며 두 제품에 따른 발전량을 그림 14에서 확인할 수 있다. 측정 결과 평균 하루 발전량이 800Wh정도 증가하였으며 1.2kWh까지 증가하는 결과를 얻었다.

후속연구

따라서 태양광 발전 시스템 저전압 검출 에너지 하베스팅 기술을 적용한 차별화된 제품으로 기업의 기술경쟁력 강화와 Power Management System의 최적의 에너지 제어 수행으로 에너지효율 개선 효과를 얻을 것으로 사료된다.

참고문헌 (6)

S.H. Kim, "Energy harvesting for energy efficiency," Weekly KDB Report, 2021.
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상세보기
T. W Lim, S. J Lee and Y. M. Kim, "Smart energy harvesting for monitoring power utilities in real time," Proc. of the KIEE Conference, 1671-172, 2021.
Maria Gorlatova, Aya Wallwater, and Gil Zussman, "Networking Low-Power Energy Harvesting Devices: Measurements and Algorithms," IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 12, no. 9, 2013. http://doi.org/10.1109/TMC.2012.154

상세보기
Y. H. Yoon, "Energy Harvesting Research to Increase Solar Power Generation," Journal of KIEE, vol. 70, no. 12, pp. 2064~2069, 2021. https://doi.org/10.5370/KIEE.2021.70.12.2064

상세보기
S. H. Park, H. J. Lee and J. G. Shon, "Configuration and Efficiency Computation of the DPP System for Energy Harvesting of Renewable Energy," Journal of KIEE, vol. 67P, no. 3, pp. 137~142, 2018. http://doi.org/10.5370/KIEEP.2018.67.3.137

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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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