STEAM R&E 연구결과보고서
(사물인터넷 환경에서 감성 조명 제어를 통한 전력 절감 시스템 개발 및 어플 제작)
2017. 11. 30.
브니엘고등학교
과 제 명 사물인터넷 환경에서 태양광 추적기를 통한 효율적인 태양광 발전 방법 (Solar Tracker) 연구목표 태양 에너지를 가장 효율적으로 집광하는 장치 만들기
연구개요 및 내용
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 태양 에너지를 집광하는 장치와 태양이 법선 방향에 있을 때 에너지 효율이 가장 큼.
○ 태양 추적 방법에는 프로그램식 추적 방법, 센서식 추적 방법 그리고 센서 및 프로그램 혼합식이 있음.
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 태양 에너지를 가장 효율적으로 집광하는 장치 만들기.
○ 태양 고도와 방위를 따라가는 태양열 집광 장치 만들기.
□ 연구방법
○ 4개의 방향으로 태양광을 나누어서 상단과 하단, 그리고 좌측과 우측의 조도 값을 평균하여 수직방향, 수평방향의 차이값의 절대값을 구하여 수평 방향은 Pan 모터를 회전시키고 수직 방향은 Tilt 모터를 회전시켜 태양과 장치가 법선 방향을 이루게 함.
□ 연구 활동 및 과정
○ 아두이노와 조도센서를 활용하여 태양의 방위각과 고도에 따라 움직이도록 하는 장치를 만듦.
○ 판의 윗부분의 넓이를 달리하여 넓이에 따라 어떻게 달라지는지 알아봄.
연구성과 [그림 1] 조도센서를 이용한 추적기
[그림 2] 태양 전지판을 이용한 배터리충전
□ 연구 결과
○ 그림 1은 아두이노, 조도센서, 서보모터 그리고 포텐셔미터로 구성한 추적기이다.
추적기는 4방향으로 그림자를 발생시켜 상 ㅂ 하, 좌우의 센서 값을 이용하여 서보 모터를 구동하여 태양광에 수직으로 추적기를 위 치시킨다.
○ 그림 2는 태양 전지판을 이용하여 배터리를 충전하는 것이다. 패널은 2W, 6V 용량이며 배터리는 3.7V 리포배터리를 사용하여 충전한다.
그리고 전류센서를 부착하여 태양광 패널이 생산하는 전류량을 저장하여 솔라 트래커의 효율을 분석하였다.
연구성과
[그림 3] 완성한 솔라 트래커
[그래프 1] 방위각 측정
[그래프 2] 고도각 측정
그림 3은 태양광 패널을 추적기에 연결한 그림이다.
1. 방위각 측정
방위각과 솔라트래커의 팬 서보모터의 각도를 측 정한 결과이다. [그래프 1]에서 보듯이 트래커는 태 양의 방위각 움직임에 따라 잘 추적하고 있는 것을 알 수 있다. 그러나 오차가 약 8.7도 정도 발생하였 는데 이는 서보모터를 정밀하게 제어하지 못한 결 과로 판단된다.
2. 고도각 측정
왼쪽 그래프는 고도각의 측정 결과이 다. 고도각의 경우 오차가 약 1도 정도 발생하였다. 이는 트래커의 상하 센서 가 태양광을 보다 정밀하게 센싱한 결과로 판단된다.
연구성과
3. 생산 전력량 측정
프로젝트에서 사용한 태양광 패 널은 6V에 최대 2W 전력을 생 산하는 용량을 가진다고 기술되 어 있다. 실험에서는 1 초마다 전류량 센서를 통해 나오는 전류 량(mA) 을 오전 9시부터 5시까 지 저장하여 DC 전력량을 계산 하는 공식(W = V * A )에 의해 왼쪽 그림과 같이 구하였다. 실 제는 2W에 미치지 못하는 것으 로 보이는데 이것은 태양광 셀의 효율에 의한 것으로 판단된다.
□ 시사점
○ 태양 추적 방식에는 프로그램식, 센서식, 센서 및 프로그램식이 있다는 것을 알았고, 태양과 장치가 법선 방향에 있을 때 가장 빛을 많이 받는다는 것을 알았다.
□ 향후 계획
○ 만약 많은 건물에서 이와 같은 솔라 트래킹 기술을 활용하면 지금보다 더 효율 적인 태양광 발전이 가능해 질 것이다. 또한 건물뿐만 아니라 신호등과 전봇대 위에서도 활용할 수 있다. 이 솔라 트래커를 소형화하여 휴대용 태양광 휴대폰 충전기를 만들 수도 있다.
[그래프 3] 시간에 따른 전력량
주요어 (key words)
Solar Tracker, Servo Motor, Pan, Tilt, LT, RT, LD, RD 고도, 방위각, Difference, Tolerance 등
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
-
최근 지구의 환경문제 및 급격한 유가 상승으로 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 무한한 청정 에너지원으로서 국내외적으로 태양 에너지에 관한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 태양 에너지는 환경 친화적이고 소음이나 대기 오염이 없으며, 화석 연료와는 달리 고갈될 염려가 없는 순수한 자연 에너지원이라 할 수 있다. 헌데 현재의 태양광 발전의 방식으로는 태양광 집열판이 한 방향으로만 설치되어 있어 태양의 방위각과 고도가 달라짐에 따라 낭비되는 태양광이 많다. 이러한 단점을 보안하 고 태양 에너지를 가장 효율적으로 집광하기 위해 태양과 태양 에너지를 집광하는 장치가 항상 법선 방향을 이루도록 하는 기계를 제작하였다.□ 연구범위
○ 태양 추적 방법, 태양광발전 방법
1. 태양추적 장치 활용2. 태양추적 방법
3. 태양추적에 사용되는 모터의 종류
4. 서브모터와 조도센서를 이용한 태양광 추적 장치의 구현 5. 태양 고도에 따른 에너지 복사량.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 태양 추적 장치 활용 분야
태양 에너지의 활용 분야로는 태양광을 전기로 변환하는 소자를 이용해 전기를 발생시켜주는 태양광 발전시스템, 태양열을 이용하여 온수 및 난방 보조 시스템으로 사용되는 태양열 집열 시스템, 건물 내부 에 정원을 조성하는 것과 같이 자연 채광이 부족한 곳에 정확하게 많은 양의 태양 빛을 전달하기 위한 채광 시스템으로 나눌 수 있다.
[그림 4] 태양광 집열판 [그림 5] 태양 빛 채광판[그림 1] 태양광 집열판
2. 태양 추적 방법
태양의 위치를 추적하고 제어하는 방법으로는 크게 센서식, 프로그램식, 센서 및 프로그램 혼합식으로 나눌 수 있다.
첫째, 프로그램식 추적 방법은 태양의 위치 경로를 가지고 태양의 고도각과 방위각을 계산하여 태양을 추적하는 방식으로 비교적 높은 추적 정확도를 나타낸다. 그러나 태양 추적 장치가 설치되는 장소의 GPS 좌표를 정확하게 입력해야 하므로 별도의 장치가 필요하다. 또한, 복잡한 프로그램 계산으로 연산 속도가 빠른 높은 사양의 제어기가 필요하다.
둘째, 센서식 추적 방법은 태양 빛의 양을 감지하는 CdS 센서와 같은 광센서를 이용하여 태양의 위치 를 판단하는 방식으로, 읽어드린 CdS 센서 값만을 이용하기 때문에 제어기 사양이 단순하여 저렴하게 구현할 수 있다. 그러나 태양 빛의 산란으로 인해 태양의 위치를 정확하게 판단하기 위해 위치 정밀도 를 높일 수 있는 CdS 센서 모듈 설계 기술이 필요하다.
셋째, 센서 및 프로그램 혼합식은 두 방식의 장점만을 사용하고 각 방식의 단점을 보완하는 방식으로 더욱 정확한 태양 추적을 해야 하는 시스템에 사용되며, 계산된
태양 위치와 CdS 센서로 부터 읽힌 값을 조합하여 태양을 추적하는 시스템이다.
3. 태양 추적에 사용되는 모터의 종류
태양 추적 장치를 구동하기 위해 사용되는 모터는 크게 AC 모터, 스테핑 모터, 서보 모터로 나눌 수 있다.
첫째, AC 모터는 I/O 동작으로 모터를 제어하기 때문에 동작 제어가 손쉽고 제어기 회로 구성이 간단 하여 가격이 저렴한 장점이 있으나, 위치 정밀도가 낮아 위치 정밀도를 높이기 위한 별도의 제어 알고 리즘이 필요하다.
둘째, 스테핑 모터는 위치 제어기가 별도로 장착되어 원하는 위치를 정확하게 제어할 수 있으나, 기구 부하에 의한 탈조로 인해 위치 틀어짐이 발생할 수 있다.
셋째, 서보 모터는 스테핑 모터와 같이 위치 제어기가 별도로 장착되어 원하는 위치를 정확하게 제어 할 수 있으나, 목표 위치를 지속해서 찾으려는 특성으로 기계 장치에 맞는 모터의 게인 설정이 필요하 고 모터를 제어하기 위한 프로그램이 복잡한 단점이 있다.
4. 서보모터와 조도센서를 이용한 태양광 추적 장치의 구현
태양광 추적기는 태양의 방위각과 고도를 추적하는 두 개의 서버모터와 4개의 조도 센서를 통하여 구 현하였다. 서보모터의 추적 범위는 태양 추적 가능 위치를 고려하여 방위각은 180도, 고도 180도 범위 내에서 움직일 수 있도록 설계하였다. 일반적으로 서보 모터가 170~ 180도 정도 움직이므로 충분히 태 양 전지판을 태양광과 수직으로 일치시킬 수 있다.
프로젝트에서 사용한 센서는 CdS 포토 셀처럼 마이크로 컨트롤러를 필요로 하지 않으므로 아날로그 전압 출력은 센서 표면에 비치는 빛의 양에 따라 증가한다. 일반 포토 셀보다 가장 큰 개선은 빛의 수 준과 진정한 로그 관계로 대부분의 광센서는 광 레벨과 선형 관계가 있다. 즉, 어두운 영역의 변화에 매 우 민감하지 않으며 많은 빛이 있을 때 매우 쉽게 '최대'를 의미한다.
때로는 어둡거나 밝은 빛에서 더 좋게 만들기 위해 저항을 조정할 수 있지만 양 끝에서 좋은 성능을 얻기가 어렵다. 이 센서는 3 ~ 55,000 Lux의 넓은 다이나믹 레인지에 대해 대수적이므로 저조도에서는 많은 감도를 갖지만 코드 나 보정을 변경하지 않고 실내 또는 실외에서 사용할 수 있다.
센서는 칩 상에 제조되기 때문에 제조 편차도 적기 때문에 한 기판에서 다른 기판으로 센서를 보정 할 필요가 없다.
[그림 6] 조도센서 [그림 7] 조도 센서의 배치
Right Top
Right Bottom Left
Top
Left Bottom
5. 태양 고도에 따른 에너지 복사량
태양에서 복사되는 에너지양은 일정하고, 태양은 항상 같은 자리에 있기 때문에 지구의 위치나 지구가 바라보는 방향에 따라 단위면적 당 복사되는 에너지양에 차이가 난다.
태양 고도는 지표면을 기준으로 하여 태양의 높이를 각도로 나타낸 것이다. [그래프 4]에서 보면 알 수 있듯이 태양의 고도가 높을수록 지표면에 복사되는 태양 에너지양은 크다. 그 이유는 태양의 고도가 높으면 태양이 지표면에서 가장 높게 떠 있다는 것이고, 태양이 지표면에서 가장 떠 있다는 뜻은 태양과 지표면이 수직을 이룬다는 것을 의미한다. 태양과 지표면이 수직을 이룬다면 태양 고도가 낮을 때에 비해 복사되는 태양 에너지의 면적이 좁아 단위면적 당 복사되는 태양 에너지양이 가장 커진다.
따라서 태양 에너지를 가장 효율적으로 집광하기 위해서는 태양과 태양 에너지를 집광하는 장치가 수직을 이루어야 한다.
□ 연구주제의 선정
○
4차 산업혁명이 한 발짝 앞으로 다가온 요즘 시대에 어떠한 연구가 가장 우리의 미래와 연관이 있을지 생각해 보았다. 4차 산업혁명의 대표적인 키워드 중 사물 인터넷이라는 개념이 가장 우리 생활과 밀접하게 연관되어 있었기 때문에 교수님의 자문을 얻어 어떤 주제로 할지 정하였으나 시간이 부족했던 관계로 주제를 바꾸었다. 그래서 우리가 선정한 주제는 태양과 항상 법선 방향을 이루도록 하는 장치 만들기이다. Ardunio를 이용하여 코딩만 한다면 쉽게 작동시킬 수 있는 장치일 뿐만 아니라 화석 연료에 과도한 비중을 두고 있는 현대의 문제점을 해결해 줄 수 있는 좋은 주제라고 생각되어 시작하게 되었다.□ 연구 방법
○
가. 실험 방법1) 태양광을 아래의 추적기 그림처럼 4개의 방향으로 태양광을 나누어서 상단과 하단, 그리고 좌 측과 우측의 조도 값을 측정한다.
2) 측정된 값들을 평균하여 수직방향, 수평방향의 차이값의 절대값을 구하여 수평 방향은 Pan 모 터를 회전시키고 수직 방향은 Tilt 모터를 회전시켜 차이값이 특정 임계치 또는 허용치내에 위치하 도록 모터를 움직인다. 이를 통해서 그림의 추적기가 태양광과 수직에 위치하도록 한다.
[그래프 4] 태양 고도에 따른 기온 변화
○
나. 실험 방법1) 태양열을 집광하는 장치를 판을 제외하고 3개를 만든다.
2) 판의 폭을 하나는 넓게, 하나는 좁게하여 구분한다.
3) 3개의 집광 값을 측정한다.
아래는 위 실험을 위한 알고리즘이다.
tolerance speed
average_Top = ( LT + RT ) / 2 average_Down = ( LD + RD ) / 2 average_Left = ( LT + LD ) / 2 average_Right = ( RT + RD ) / 2
difference_Vertical = abs( average_Top - average_Down ) difference_Horizontal = abs( average_Left - average_Right )
if ( difference_Vertical > tolerance ) if ( average_Top > average_Down )
move TiltServoMotor++;
else if ( average_Top < average_Down ) move TiltServoMotor--;
else
nothing;
if ( difference_Horizontal > tolerance ) if ( average_Left > average_Right )
move PanServoMotor++;
else if ( average_Left > average_Right ) move PanServoMotor--;
else
nothing;
□ 연구 활동 및 과정
○
우리는 우리의 솔라트래커가 측정한 방위각과 고도를 한국 천문연구원이 측정한 값과 비교해 보았다.그리고 오전 9시부터 오전 5시 까지 1초 간격마다 전류량 센서를 통해 나오는 전류량을 저장하고 DC전력량 공식(W=V*A)을 이용하여 우리가 생산한 전력량을 측정해 보았다. 패널은 2W, 6V 용량이며 배터리는 3.7V 리포배터리를 사용하여 충전한다. 그리고 전류센서를 부착하여 태양광 패널이 생산하는 전류량을 저장하여 솔라 트래커의 효율을 분석하였다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○
가. 방위각 측정한국천문연구원 홈페이지의 방위각과 솔라트래커의 팬 서보모터의 각도를 측정한 결과이다. [그래프 5]에서 보듯이 트래커는 태양의 방위각 움직임에 따라 잘 추적하고 있는 것을 알 수 있다. 그러나
<표 1>에서 보면 오차가 약 8.7도 발생하였다. 이것은 서보모터를 정밀하게 제어하지 못한 결과로 판 단된다.
시 천문연구원 솔라트래커 오차(절대값)
9 129 120 9
10 142 139 3
11 159 160 1
12 177 180 3
13 196 189 7
14 213 200 13
15 227 213 14
16 238 228 10
17 248 229 19
<표 1> 방위각 측정 데이터
[그래프 5] 방위각 측정
나. 고도각 측정
[그래프 6]은 고도각의 측정 결과이다. <표 2>에서 보듯이 고도각의 경우 오차가 거의 1 도 정도이 다. 방위각보다 오차가 적은 것은 트래커의 상하 센서가 태양광을 보다 정확하게 센싱을 하고 좌우 센서는 그림자의 영향으로 정밀도가 떨어지기 때문으로 분석된다.
[그래프 6] 고도각 측정
시 천문연구원 솔라트래커 차이(절대값)
9 23 22 1
10 31 30 1
11 37 38 1
12 40 41 1
13 38 39 1
14 33 32 1
15 25 24 1
16 15 17 1
17 4 5 1
<표 2> 고도각 측정 데이터
다. 생산 전력량 측정
프로젝트에서 사용한 태양광 패널은 6V에 최대 2W 전력을 생산하는 용량을 가진다고 기술되어 있 다. 실험에서는 1 초마다 전류량 센서를 통해 나오는 전류량(mA) 을 오전 9시부터 5시까지 저장하여 DC 전력량을 계산하는 공식(W = V * A )에 의해 [그래프 7]과 같이 구하였다. 실제는 2W에 미치지 못하는 것으로 보이는데 이것은 태양광 셀의 효율에 의한 것으로 판단된다.
○
아두이노, 조도센서, 서보모터 그리고 포텐셔미터로 구성한 추적기를 만들었다. 추적기의 원리는 왼쪽 위, 왼쪽 아래, 오른쪽 위, 오른쪽 아래 4방향으로 그림자를 발생시켜 왼쪽 위와 왼쪽 아래의 평균, 왼쪽 위와 오른쪽 위의 평균, 오른쪽 위와 오른쪽 아래의 평균, 왼쪽 아래와 오른쪽 아래에서 구한 데이터 값의 평균을 구하여 어느 쪽의 빛이 가장 밝은지를 알아내고 이를 이용하여 서보 모터를 구동시켜 태양과 장치가 수직을 이루도록 하였다. 두 번째 실험에서는 판 윗부분의 폭의 넓이가 넓을수록 더 에너지 효율이 넓다는 것을 알았다. 판 윗부분의 폭이 넓을수록 각 방향에서 흡수하는 빛의 값이 다른 방향에서 들어오는 빛의 영향을 많이 받지 않게끔 하여 더 정확한 수치를 측정할 수 있었다. 프로젝트 결과물로 만든 솔라 트래커는 태양의 방위와 고도를 잘 따라 갔으며 태양광 패널의 생산 전력량은 양호하였다□ 시사점
○
태양 추적 방식에는 프로그램식, 센서식, 센서 및 프로그램식이 있다는 것을 알았고, 태양과 장치가 법선 방향에 있을 때 가장 빛을 많이 받는다는 것을 알았다.4. 홍보 및 사후 활용
□
만약 많은 건물에서 이와 같은 솔라 트래킹 기술을 활용하면 지금보다 더 효율적인 태양광 발전이 가능해 질 것이다. 또한 건물뿐만 아니라 신호등과 전봇대 위에서도 활용할 수 있다. 이 솔라 트래커를 소형화하여 휴대용 태양광 휴대폰 충전기를 만들 수도 있을 것이라고 생각하였다.[그래프 7] 시간에 따른 전력량
5. 참고문헌
□
산업자원부 - “2005년 신재생 에너지 백서”, 신재생에너지센터, (2006) - 국회 신재생에너지 정책연구회.[1] 최정식, 고재섭, 정동화 - 태양광 발전의 효율 향상을 위한 자동추적 제어 알고리즘 개발 [2] 한국 과학기술정보 연구원, (2007) - “신재생에너지 개발현황과 최신동향”.
[3] Ali Al-Mohamad. (2004). “Efficiency improvements of photo-voltaic panels using a Sun-tracking system” Applied Energy, 79, 345–354.
[4] B. P. Edwards. (1998). "Computer based sun following system", Solar Energy, Vol. 21, pp.
491-496.
[5] BLANCO-MURIEL. MANUEL, et. al., (2001). "COMPUTING THE SOLAR VECTOR", Solar Energy Vol. 70, No. 5, pp. 431–-441.
[6] E. A. barber, H. A. Ingley, C. A. Morrison. (1997). "A solar powered tracking device for driving concentrating collectors", Alternative Energy Source, Vol. 1, pp. 527-539.
[7] H. J. Noh, D. Y. LEE, D. S. Hyun. (2002). "An improved MPPT converter with current compensation method for small scaled PV-applications", IEEE IES, Vol.2, pp. 1113-1118.
[8] L. Reda, A, Andreas. (2004). “Solar Position Algorithm for Solar Radiation Applications, Solar Energy”, Vol. 76, No. 5, pp. 577-589.
[9] P. L. Swart, J. D. Van Wyk. (1998). "Source tracking and power flow control of terrestrial photovoltaic panels for concentrated sunlight", 12th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Vol. 1, pp. 700-795.
[10] P. O. Carden. (1998). "Steering A Field of Mirrors Using a Shared Computer-based Controller", Solar Energy, Vol. 20, pp. 351-356.
[11] P.Roth, A. Georgiev, H. Boudinov. (2004). “Design and construction of a system for sun-tracking”, Renewable Energy, 29 393-402.
[12] P.Roth, A. Georgiev, H. Boudinov. (2005). “Cheap two axis sun follow device”, Energy Conversion and Management 46, 1179-119.
[13] R. Andoubi, A. Mami, G. Dauphin, M. Annabi. (2002). "Bond graph modelling and dynamic study of a photovoltaic system using MPPT buck-boost converter", IEEE ICS, Vol. 3, pp. 200-205.
