cooperation Society
Vol. 14, No. 2 pp. 828-834, 2013
*
Corresponding Author : Jae-Hong Ko (Gwangju Campus of Korea Polytechnics) Tel: +82-10-9545-2937 email: [email protected]
Received October 19, 2012 Revised (1st November 19, 2012, 2nd December 10, 2012) Accepted February 6, 2013
센서와 GPS를 이용한 TMC의 구현 및 성능 분석
고재홍1*
1
한국폴리텍대학 광주캠퍼스 전기과
TMC (Tracker Motion Controller) Using Sensors and GPS Implementation and Performance Analysis
Jae-Hong Ko
1*1
Dept. of Electricity, Gwangju Campus of Korea Polytechnics
요 약
본 논문에서는 태양광 집광 효율 향상을 위한 많은 연구 방법 중 하나로서 태양광을 효율적으로 집광할 수
있는 TMC(Tracker Motion Controller) 시스템 구성하여 발전효율의 향상성을 갖춘 집광형 태양광 발전시스템 (CPV) 과 실리콘을 이용한 PV 시스템으로 실험하였다 . 태양추적 발전시스템에 사용되는 마이크로프로세서는 실시간으로 태양 광의 고도와 위도 각을 계산한다 . 또 한 센서로부터 값을 받아들이고 , 태양의 현재 위치 값을 계산하여 모터를 제어 하며 중앙제어 시스템과의 통신을 하기 때문에 적용 가능성에 대한 부담이 커지고 있다 . 따라서 집광형 태양광 발전 시스템에 적합한 프로그램 방식과 센서방식을 혼합한 하이브리드 방식의 알고리즘 통하여 ARM 코어를 내장한 TMC 에 구현하였으며 , 구현된 TMC 를 통하여 기존 PV 시스템 , CPV 시스템 대비하여 국내에서의 발전효율을 비교 분석하 였다 . 실험결과 기존의 센서방식을 이용한 집광형 태양광 발전 시스템에 GPS 통신 값을 통해 프로그램 방식의 천문학 계산에 의하여 지평좌표계에서의 태양의 방위각과 고도각을 계산하는 하이브리드 태양위치추적 방식을 실험한 결과 를 보면 맑고 일사량이 높은 날에는 큰 차이를 보이진 않았다 . 그러나 흐리고 맑은 날 등 일사량이 없어 센서가 태양 의 위치를 추적하지 못하고 멈춘 상태에서 일정 시간이 지난 후 태양이 센서의 사각지대에서 나타나면 센서의 오류 가 생길 수 있는 기후변화에서는 오히려 센서방식보다 더 우수함을 확인할 수 있었다 . 태양전지의 발전효율이 높아지 고 생산발전 단가가 줄이는 부분에 대한 지속적인 연구 , 더불어 기후의 변화에 따른 최적의 발전 능력을 가진 TMC 를 적용한 고효율 집광형 시스템에 대한 연구가 지속적으로 필요할 것으로 기대된다 .
Abstract In this paper, TMC (Tracker Motion Controller) as one of the many research methods for condensing efficiency improvements can be condensed into efficient solar system configuration to improve the power generation efficiency of the castle with Concentrated solar silicon and photovoltaic systems (CPV)experiments using PV systems. Microprocessor used on the solar system, tracing the development of solar altitude and latitude of each is calculated in real time. Also accept the value from the sensor, motor control and communication with the central control system by calculating the value of the current position of the sun, there is a growing burden on the applicability. Through the way the program is appropriate for solar power systems and sensors hybrid-type algorithm was implemented in the ARM core with built-in TMC, Concentrated CPV system compared to the existing PV systems, through the implementation of the TMC in the country's power generation efficiency compared and analyzed. Sensor method using existing experimental results Concentrated solar power systems to communicate the value of GPS location tracking method hybrid solar horizons in the coordinate system of the sun's azimuth and elevation angles calculated by the program in the calculations of astronomy through experimental resultslook clear day at high solar irradiation were shown to have a large difference. Stopped after a certain period of time, the sun appears in the blind spot of the sensor, the sensor error that can occur from climate change, however, do not have a cloudy and clear day solar radiation sensor does not keep track of the position of the sun, rather than the sensor of excellence could be found. It is expected that research is constantly needed for the system with ongoing research for development of solar cell efficiency increases to reduce the production cost of power generation, high efficiency condensing type according to the change of climate with the optimal development of the ability TMC.
Key Words : Photovoltaic, Tracking system
1. 서 론
화석 자원의 고갈 및 지구환경 보존을 위한 새로운 에 너지로 태양에너지를 직접적으로 이용하는 대표적인 방 법인 태양광발전 시스템이 가장 빠르게 연구되어 성장하 고 있다. 특히나 태양에너지는 환경오염에 대한 문제가 없고, 거의 무한한 에너지 공급이 이루어질 수 있어 고유 가 시대에 화석에너지의 대체, 온실가스 절감효과, 에너 지원의 고갈에 대한 우려가 해소되어 에너지 수급안정, 환경보존, 경제 성장의 순환 고리를 이어주는 역할을 할 수 있다.[1]
태양광발전시스템의 발전효율을 높이기 위한 방법으 로 셀의 구조, 집광시스템, 추적방식 등으로 다양한 연구 가 진행되고 있으며, 본 논문은 태양광을 효율적으로 추 적하여 집광효율을 높일 수 있는 방법에 대해 센서와 GPS를 이용한 TMC(Tacker Motion Controller)를 구현하 고 성능을 분석하였다.
본 논문에서 구현한 TMC(Tracker Motion Controller) 방식은 광센서를 이용하여 태양의 위치를 추적하지만, 일 정시간 발전량이 나오지 않을 경우 GPS의 수신된 시간의 값을 받아 현재 지역에 대한 천문학 데이터를 통해 태양 의 위치를 추적하는 방식으로 실리콘 태양전지를 이용한 PV(Photovoltaic) 및 집광형 태양광 발전 CPV(Concentrating Photovoltaic)시스템과의 성능을 분석하여 지리적, 환경적 조건에 따른 적용가능성에 대해 입증하고자 한다.
2. 본 론
2.1 태양의 위치 추적 방식의 종류
태양광발전시스템의 가장 큰 특징은 트래킹 시스템 (tracking system)이 매우 중요하다는 것이다. 집광을 위 한 광학계는 기본적으로 망원경과 같은 원리라고 볼 수 있고, 이 경우에 먼 물체의 아주 작은 부분만을 보게 되 어 있다. 따라서 태양을 정확하게 향하지 않고 그 각도가 조금만 달라도 초점이 어긋나서 태양전지 셀에 집광할 수 없으므로, 항상 태양을 향하도록 이축(two-axis) 트랙 킹 시스템이 요구 되고, 집광도가 커질수록 더욱 정밀한 트랙킹 시스템을 필요로 한다. 보통 트랙킹 시스템은 광 센서와 두 개의 모터를 사용하여 언제나 태양을 향하게 고안된 시스템으로 고집광의 경우는 직사광만을 사용하 고, 산란광은 사용하지 않기 때문에 직사광이 강한 지역 에 적용하는 것이 유리하다. 트랙킹 시스템은 태양전지가 항상 태양을 수직으로 향하게 하여, 하루 종일 빛을 받아
들이는 양을 최대화하여 한 해 동안 생산되는 에너지를 높일 수 있으므로 집광하지 않는 실리콘 태양전지 판넬 에도 많이 사용되고 있으며, 이 경우는 높은 정밀도를 요 구하지는 않는다.[2-3]
태양 위치추적은 프로그램에 의한 방식과 센서를 이용 한 방식이 있다. 프로그램 방식은 태양의 위치를 계산하 는 프로그램 방식으로서 천문학에서 정의된 지구의 운동 관계식을 이용하여 태양의 위치를 실시간으로 연산 또는 미리 정의 된 테이블에 의하여 추적 장치를 구성하여 제 어하는 방법이다.[4] 프로그램 방식에서 사용되는 기본 구성장치는 추적 장치의 위치를 확인 할 수 있는 센서류 및 마이크로프로세스가 내장된 제어기, 모터 및 감속기 등으로 구성되어 기상변화에 상관없이 제어하며 일몰 후 에는 원하는 위치로 제어할 수 있다. 프로그램 방식의 장 점은 갠 날이나 흐린 날에 관계없이 동작하며, 잠깐 동안 태양이 구름에 가린 때에도 추적이 계속되므로 태양이 나타날 때에 바로 추적이 가능하고, 대체로 오동작이 적 으나, 추적 장치의 정확한 방위각 설정과 수평의 유지 및 입력 데이터 및 계산 등의 오차를 일정기간마다 보정하 여 주어야 한다. 또한 일사량이 적은 경우에는 날씨와 무 관하게 제어되므로 추적 장치의 구동으로 전력을 소비함 으로써 시스템의 발전효율 향상에 도움이 되지 못하는 단점이 있다. 센서를 이용한 태양 추적방식은 태양위치 센서 혹은 모듈 출력값 등과 같은 피드백을 이용하여 트 래커를 제어하는 방식으로, 환경적 요소 변화로부터 유액 밀도변화의 힘을 얻어 기계적으로 제어하는 방식으로서 센서 오차가 설정된 오차범위 보다 적거나 같을 때 추적 장치는 정지한다. 저 일사량일 경우에는 추적 장치가 설 정된 위치로 강제로 이동하거나 오 동작하는 경우가 발 생한다. 광센서 태양위치 추적 방식은 회로가 비교적 간 단하면서도 높은 정확도가 유지되며, 다른 입력장치가 필 요 없고, 설치할 때 정밀하지 않는 방향만 맞추어도 되므 로 편리하다. 그러나 센서방식 추적 장치는 광센서의 미 세한 오차로 인하여 데드밴드 폭을 적게 하여 제어 시에 는 산란광 때문에 추적 장치의 오동작이 발생하여 불필 요한 소비전력이 발생되고, 데드 밴드 폭을 크게 한 경우 에는 추적 장치의 미 동작으로 소비전력을 줄일 수 있으 나 태양의 방위 및 고도의 위치 오차가 크게 되어 발전량 이 적어 발전효율을 감소시킨다.[5]
2.2 센서와 GPS를 이용한 하이브리드 방식의 알고리즘
안개 및 구름, 비로 인한 저 일사량 경우 태양빛의 산
란효과(Refraction effect)는 태양광 발전에 많은 영향을
미친다. 태양 추적 장치가 실시간으로 태양의 방위각 및 고도각을 추정하는 경우에도 실제 태양광 발전량은 특정 한 위치에 고정되어 있는 경우보다 발전량이 증가하지 못하며, 추적 장치의 운전으로 인하여 불필요한 소비전력 이 발생한다. 또한, 센서방식 추적 장치인 경우에는 광센 서의 미세한 오차로 인하여 데드밴드 폭을 줄여 제어 시 에는 산란광 때문에 추적 장치의 오동작이 발생하고 불 필요한 소비전력이 발생되나 전체 발전량에는 영향을 미 치지 못한다. 그리고 데드 밴드 폭을 크게 한 경우에는 추적 장치의 미 동작으로 소비전력을 줄일 수 있지만 태 양의 방위 및 고도의 위치 오차가 크게 되어 발전량이 적 어 발전효율을 감소시킨다. 따라서 본 논문 에서는 우선 순위는 태양의 일사량이 설정 값 이상일 경우에는 광센 서 추적방식으로 동작하며, 설정 값보다 작을 경우, 즉 태 양이 구름에 장시간 가려질 경우와 비온 뒤에 해가 뜰 경 우에는 센서의 추적에 따른 오류가 발생할 확률이 높기 때문에 GPS를 통한 프로그램방식을 이용하여 동작하는 방식이다. 태양의 위치가 추적 가능한 위치일 때 광센서 로터 출력되는 일사량의 엣지(EDGE) 값을 계산하여 기 입력되는 주기의 값이 설정된 값 이상의 일사량이면 프 로그램 방식으로 태양의 위치와 어레이가 법선이 되도록 추적 장치를 제어하며 일사량이 설정된 값 이하가 되면 추적 장치는 프로그램 방식에 의해 입력되어 설정된 위 치로 이동 후 정지한다.
일사량 변화에 따른 새로운 제어 방법은 현재의 방위 각 및 고도, 일사량의 변수를 이용하여 일사량이 추적 장 치의 제어 가능한 범위에서 태양의 방위각 및 고도각에 따라 설정된 일사량의 값보다 적은 경우에는 설정된 위 치로 추적 장치가 강제로 이동 후 정지하게 된다. 또한 일사량은 구름에 의한 산란이나 낙엽 등에 의해서 줄어 드는 경우, 추적 장치의 오동작의 염려 가 있으므로 추적 장치의 제어기에서는 일정한 데드 밴드 폭을 설정하여 설정된 지연시간 후에 일사량을 샘플링하여 설정된 값 (200W/㎡) 이상의 일사량에서는 추적 장치는 프로그램 방식에 의해 트래커의 태양에 대한 방위각 및 고도각을 제어한다. 일사량이 200W/㎡ 이하일 경우에는 태양광에 의한 발전량이 미비하기 때문에 추적 장치를 동작하지 않게 설정한다.
프로그램 방식에 있어서는 시간의 데이터의 정확성이 가장 중요하기 때문에 GPS수신기를 이용하여 현재 실시 간의 시간을 위성으로부터 수신하여 구름 등에 의하여 3,000LUX 이하로 떨어져 센서에 의한 추적이 어려울 시 자칫 잘못하면 해가 다시 나온 후에 추적하지 못할 수 있 기에 시간데이터에 의한 추적이 필요하다.
Fig. 1는 본 논문에서 제안한 하이브리드 방식의 알고
리즘으로서 태양의 고도각 h는 (식 1)에 의하여 산출할 수 있다.
(식 1)
여기서 :지방의 위도, :시간각, :태양의 경사도 이다.
[Fig. 1] Algorithm of proposing hybrid method
2.3 TMC(Tracker Motion Controller)시스템 구성
2.3.1 TMC 회로구성 및 구현
제안 하이브리드방식의 알고리즘을 구현을 위해
Orcad 9.2 버전을 이용하여 TMC 컨트롤러의 메인 회로
및 모터드라이브 회로를 Fig. 2~3과 같이 회로도
(Schematic)를 구성하였다.
LB_RE#
2
LB_A9
LB_CS#5 2 LB_A1
LB_D[0..31]
2
EINT0 10
LB_D6 LB_D4
R2 0
LB_D14
LCD_R4 LB_A13
EINT21 ETH_INT 3
TRST#
8
TMS8
XP 5
DQM#1
TXD_B 8 SS#0
10
LB_D7
TXD_A EINT2
LB_A21
LB_A20
LCD_DE DQM#0
2 LB_D30 LB_D16
LB_A3
RTC_VCC EINT110
LB_A20 LB_A22
LCD_B3 LCD_G5
LB_A5
XP 3.3V
LCD_B5 LCD_VSYNC
LB_D21
GPB0 10
LCD_G7
GPB2
SPIMISO0
+ C1 47uF/10V
LB_A7
GPB3
LCD_GPIO3 5 EINT23
10
J1_28 LB_A24
AIN0
GPB4
LB_A[0..25]
2
LB_A4
LCD_R3 LCD_R7
GPH0 J1_27
EINT17
LCD_R6 LB_A11
YP 5
LB_A10
LB_A4
GPB110 EINT16
LB_D[0..31]
LB_D26
LCD_G3
LCD_G3 EINT18
SDA7,9,10 LB_A12
LB_A3 LB_A2
LB_A17
EINT0 LB_RDY#
2 LB_RE#
LB_A8
LB_D24
TXD_B
LB_A10
LB_CS#4 2 3.3V
CONSOLE_RX 8
LB_D23
LCD_PCLK GPB4
10
LCD_G6
LCD_HSYNC 5 YP
CORE_VCC
TDI8 LB_A24
TXD_A 8
LCD_B4 DQM#0
EINT6
LB_D[0..31]
LB_D31
AIN2
GPG11 AIN310
EINT710 XM 5
TRST#
EINT15
LB_D27
LB_A25
GPB0
LCD_PCLK 5 LB_A17 LB_D17
J1_28
EINT310
LB_D19 LB_D[0..31]
LCD_G4
LB_A0 CORE_VCC
LB_D12 CORE_VCC
DQM#2 2
LCD_GPIO2 5
LCD_B[3..7]
5 GPG11 5,10
LB_A23
LCD_R4
LB_A19
EINT23
RST_OUT# 9
LB_CS#3
LB_CS#5 EM-J2
J2
CON72A-EM-J2 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 GND LB_D16 LB_D18 LB_D20 LB_D22 LB_D24 LB_D26 LB_D28 LB_D30 DQM#0 DQM#2 GND LB_A12 LB_A14 LB_A16 LB_A18 LB_A20 LB_A22 LB_A24 39 41 43 45 47 49 51 GND 55 57 59 61 63 65 67 69 GND
GND LB_D17 LB_D19 LB_D21 LB_D23 LB_D25 LB_D27 LB_D29 LB_D31 DQM#1 DQM#3 GND LB_A13 LB_A15 LB_A17 LB_A19 LB_A21 LB_A23 LB_A25 40 42 44 46 48 50 52 GND 56 58 60 62 64 66 68 70 GND
LCD_B7 RXD_A
LB_A14
EINT3
GPH0 LB_D29
LB_D15
LCD_G4 LB_A23 LB_A18
EINT6 10
LB_A18
LCD_G2
YM 5
LCD_G7 DQM#3
LCD_HSYNC LB_D22
DQM#1 2 RST_IN#
8
SS#0 EINT2 10
LB_D10
EM-J4 J4
CON72A-EM-J4 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 GND LCD_PCLK LCD_VS LCD_B0 LCD_B2 LCD_B4 LCD_B6 LCD_G0 LCD_G2 LCD_G4 LCD_G6 LCD_R0 LCD_R2 LCD_R4 LCD_R6 31 33 GND CIF_HS CIF_CLK CIF_D0 CIF_D2 CIF_D4 CIF_D6 CIF_D8 51 SCL 55 57 TXD_A TXD_B 63 TRST#
TDO TCK GND
GND LCD_DE LCD_HS LCD_B1 LCD_B3 LCD_B5 LCD_B7 LCD_G1 LCD_G3 LCD_G5 LCD_G7 LCD_R1 LCD_R3 LCD_R5 LCD_R7 32 34 GND CIF_VS 40 CIF_D1 CIF_D3 CIF_D5 CIF_D7 CIF_D9 GND SDA 56 58 RXD_A RXD_B 64 GND TDI TMS GND AIN110
LCD_R6 LB_D1
TCK 8
LB_A15
LB_D0
RXD_B 8 GPH10 10
LB_A5
01. MODULE_BDCON v0.1 TMC-MAIN CPU
B
1 7
Title
SizeDocument Number Rev
Date: Sheet of
LB_D28
LB_A2
LCD_R5 LB_RDY#
LB_D11
SDA LCD_B5
EINT20
LB_A15
AIN3 EINT510 LB_D9
LB_A12
EINT5
GPB1
RXD_B CONSOLE_RX
SPIMISO0 10
LB_A13
EINT13
+ C2 47uF/10V 3.3V
LCD_R5 LB_A14
LCD_VSYNC 5 LCD_GPIO1 5
LCD_G[2..7]
5 EINT20 10
LB_A16
TMS LB_A7
LB_WE# 2
YM DQM#2
LCD_PWREN 5
GPB310 EINT22 10
LCD_R7 LB_D20
LB_D5
SPIMOSI0 LCD_HSYNC
AIN0 10
LB_D13 EM-J1 J1
CON72A-EM-J1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 3.3V 3.3V CORE_Vcc CORE_Vcc GND GND RST_IN#
LB_RE#
LB_RDY 19 21 23 LB_CS#2 LB_CS#4 LB_A0 LB_A2 LB_A4 LB_A6 LB_A8 LB_A10 GND LB_D0 LB_D2 LB_D4 LB_D6 LB_D8 LB_D10 LB_D12 LB_D14 rev_Vcc MEM_Vcc 63 65 67 Console_RX GND
3.3V 3.3V CORE_Vcc CORE_Vcc GND GND RST_OUT#
LB_WE#
18 20 22 LB_CS#1 LB_CS#3 LB_CS#5 LB_A1 LB_A3 LB_A5 LB_A7 LB_A9 LB_A11 GND LB_D1 LB_D3 LB_D5 LB_D7 LB_D9 LB_D11 LB_D13 LB_D15 RTC_Vcc MEM_Vcc 64 66 68 Console_TX GND
TDI
LCD_G5 DQM#3 2 LB_CS#2
2
LCD_DE EINT4
10
LCD_R3 LB_D8
SPICLK0 10 LB_WE#
EINT22
LB_A19
LB_D3
LB_A16
AIN1
GPH10
J1_27 EINT1
TDO 8 EINT11
EINT4
RXD_A 8 LB_A6
LCD_VSYNC LCD_B4
LCD_GPIO0 5
LCD_B6 LB_A1
LB_A6
EM-J3 J3
CON72A-EM-J3 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 GND AC97_SYNC AC97_DOUT AC97_RST#
9 11 13 15 GND ETH_INT 21 23 25 27 USBH_P0 USBH_P1 33 35 SDM_CLK SDM_D0 SDM_D2 43 45 47 49 51 53 GND 57 59 61 63 65 SDO(MOSI) 69 GND
GND AC97_CLK AC97_DIN 8 10 12 14 16 GND 20 22 24 26 28 USBH_N0 USBH_N1 34 36 SDM_CMD SDM_D1 SDM_D3 44 46 48 50 52 54 GND 58 60 62 64 66 SDI(MISO) SCK GND
SCL 7,9,10 LB_D2
EINT18 10
GPB2 10
LCD_B7 CONSOLE_TX 8
LCD_G6 LB_D[0..31]
LB_D18
LB_A9 LB_CS#2
LB_A25
SPICLK0
LCD_G2
TDO LB_A11
LB_A21
LCD_R[3..7]
5 LCD_B6
LB_CS#3 2
SPIMOSI0 10
AIN2 10
RST_IN#
XM
R1 0
TCK
LB_D25
GPH9
R3 10K EINT21
10
LCD_PCLK CONSOLE_TX
EINT7
LB_CS#4 LB_A22
GPH9 10
EINT13 5,10
LCD_B3
LCD_DE 5 RST_OUT#
LB_A0
LB_A8
[Fig. 2] TMC Circuit Schematic of Main Controller
[Fig. 3] Circuit Schematic of Motor Drive TMC
PCB layout은 P-CAD를 이용하여 양면으로 제작하고, 총 2층의 구조로 설계하였으며, 회로도(Schematic)상에 반영된 기능 중, UART Interface, Ethernet Controller, UART 2 port, Display port 등을 PCB면에 배열하여 PCB 의 LAYOUT을 Fig. 4와 같이 구성하였다.
[Fig. 4] TOP LAYER and BOTTOM LAYER
2.3.2 TMC 전기적 특성
TMC의 전기적 특성으로 사용 전원은 24V / 220V 60Hz이고, 소비전력은 최대/ 최소/(300W/10W)이다. DC Motor 소비전력은 DC 12V에서 90W, 통신 방식 RS-485 Broadcasting Communication사용하였고, 입력방식은
UART (RS-232) PWM이다. 또한 Fig. 5는 TMC의 하드 웨어적인 특성을 나태내고 있으며 구성과 동작내용을 설 명하였다.
[Fig. 5] Action contents by TMC's item
2.4 TMC를 적용한 CPV 시스템의 실험결과 및 분석
2.4.1 시스템의 실험환경
최적의 조건에서 발전량을 측정하기 위하여 Fig. 6과 같이 3kw 발전량을 가진 집광장치에 프로그램 방식과 센 서방식을 적용한 위치추적방식을 적용하였다. 구름이 없 는 날씨에는 센서를 이용한 방식으로 위치를 추적하여 발전하며 구름에 가려 센서가 구동되지 않을 시에는 프 로그램방식이 구동되어 현재의 날짜와 시간을 계산하여 태양의 위치의 방향으로 구동되는 방식을 적용하였다.
[Fig. 6] System Configuration
2.4.2 TMC를 적용 전 시스템의 태양광 발전량 성능 실험
본 논문에서는 TMC 적용한 시스템의 집광효율의 공 정성을 위해 CPV 및 PV 시스템의 적용전의 발전량을 Fig. 7, Fig. 8과 같이 측정하였다.
[Fig. 7] Voltage & Current comparison between CPV
module output and System output
[Fig. 8] Voltage of PV module and inverter output stage,
current price comparison
2.4.3 TMC를 적용한 시스템의 태양광 발전량 측 정 및 성능 분석
TMC를 적용하기 전 CPV 시스템과의 동일한 측정환 경에서 TMC를 적용한 발전량을 측정하여 비교 분석하였 다. 실험 결과를 토대로 기후 변화에 따라 얻어진 결과는 Fig. 9에는 청명한 날, Fig. 10는 청명하고 일사량이 높은 날, Fig. 11은 흐리고 맑은 날과 같이 각기 다른 환경 조 건에서 측정한 분석결과이다.
Fig. 9와 같은 청명한 날은 직달 일사량에 비하여 산랑 광 등이 많은 경우의 발전량을 분석해 보면 모듈 출력 값 이 PV가 CPV 방식들보다 더 우수하며 TMC를 제안한 방식은 기존의 CPV 방식에 비하여 1186W 정도 우수함 을 확인하였으며 크게 차이가 나지 않았다.
[Fig. 9] Module Power amount comparison(A fine day)
Fig. 10는 청명하고 일사량이 높은 날의 시스템들의 출력을 측정한 것으로 CPV 방식들이 PV방식에 비하여 발전량이 우수함을 화인할 수 있었고 TMC를 적용한 CPV 방식이 기존 CPV방식보다 약 400W 우수함을 확인 할 수 있다.
[Fig. 10] Module Power amount comparison(Is fine and a
day that quantity of solar radiation is high)
[Fig. 11] Module Power amount comparison(A cloudy
and clear day)
Fig. 11은 비오고 맑은 날의 발전량을 분석해 보면 센
서 방식의 PV 와 CPV는 비가 오고 3시간 이상 비가오
고 난 뒤 해가 뜨니 태양의 위치를 추적하지 못함을 확인
할 수 있었다. 하지만 TMC는 GPS의 현재시간을 이용하 여 태양의 위치를 추적한 결과 전력 발전량이 PV보다는 약 1465W, CPV 보다는 7,575W 더 우수함을 확인할 수 있다.
[Fig. 12] Power amount assay data of CPV and PV
system that apply TMC
TMC를 적용한 CPV 시스템 및 PV 시스템의 태양광 발전량 측정량에 따른 분석 자료는 Fig. 12에 나타내어지 고 있다. 측정 표준조건은 DNI > 850W/m2 이상에서의 데이터만 취합 분석하였으며, 또한 DNI > 850W/m2 이 상에서의 분포 시간은 10~14시(8~9월) / 11~14시(10~11 월)이다. 그리고 각 시스템의 정격 출력은 3.36[KW]이다.
3. 결 론
본 논문에서는 센서와 GPS를 이용한 TMC를 설계하 고 집광형 발전시스템을 통하여 실리콘 방식의 태양광 발전시스템과 같은 조건에서 직달일사량의 차이에 따른 각각의 발전량을 분석할 수 가 있었다. 집광형 발전 시스 템은 실험 데이터를 통하여 분석 결과 직달일사량의 강 도에 의한 발전량의 차이를 보였으며, 기후 변화조건에 따라 센서 추적방식의 오류가 발생할 수도 있음을 확인 하였으며, 집광형 발전 시스템을 구현하기 위한 기술적 조건을 갖추고 기후의 변화 조건에서도 최대 발전량을 생산해 낼 수 있도록 태양의 위치를 추적할 수 있는 최적 화된 TMC(Tracker Motion Controller)를 연구하였다.
집광형 발전 시스템에서 기존의 광센서로부터 입력된 값을 비교하고 태양의 위치를 추적하는 센서방식에 의한 태양위치 추적방식은 흐리거나 비가 오는 날씨에는 트래 커의 이동이 정지 상태로 있게 되는데, 센서의 사각지대 에서 태양이 떠오르게 될 경우 센서가 태양의 위치를 추 적하지 못하여 발전을 할 수 없는 경우가 발생한다.
따라서 이를 보완하고자 광센서를 이용하여 태양의 위
치를 추적하지만 일정시간 발전량이 나오지 않을 경우 기후 조건에 변화 생겼음을 예측하고, GPS의 수신된 시 간의 데이터 및 현재 지역에 대한 천문학 데이터를 통해 현재의 태양의 위치를 찾아서 태양의 위치를 추적하여 발전하는 방식의 알고리즘을 제안하고 TMC를 통해 집광 형 시스템에 적용 후 결과를 분석하여 보았다. 본 논문은 3개월의 발전량을 비교한 결과 센서 방식의 집광형 태양 광 발전 시스템이 평균 발전량은 2.78KW, 정격 대비 출 력비율이 82.72%, 태양광 발전 시스템의 평균 발전량은 3.2KW, 정격 대비 출력비율은 95.24% 그리고 TMC가 적 용된 집광형 태양광 발전 시스템의 발전량은 평균 발전 량이 2.97KW, 정격대비 출력비율은 88.47%로 나타났다.
이 결과로 TMC가 적용된 시스템이 기존 CPV 시스템 보다 평균 0.19 KW, 정격대비 출력 비율은 5.75% 더 효 율이 높음을 확인하였고, 기후변화가 심하면 더 차이가 발생할 것이라 판단된다.
그러나 실측기간이 3개월의 데이터를 검증하였기에 향후 지속적인 실증적인 연구의 필요성이 요구되고, 태양 전지의 발전효율이 높아지고 생산발전 단가가 줄이는 부 분에 대한 지속적인 연구, 더불어 기후의 변화에 따른 최 적의 발전 능력을 가진 TMC를 적용한 고효율 집광형 시 스템에 대한 연구가 지속적으로 필요할 것으로 판단되어 지며, 국내⦁외에서도 본 논문에서 제안된 시스템을 더욱 향상시킬 수 있는 집광형 태양광 발전 시스템이 적용되 고 연구되어 될 것으로 판단된다.
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