STEAM R&E 연구결과보고서
(태양열 집열판의 설치각도에 따른 최적 에너지 효율성을 갖는 집열판 설계에 관한 연구)
2015. 11. 20.
인천남고등학교
< 연구결과 요약 >
과 제 명 태양광 패널의 설치각도에 따른 최적 에너지 효율성을 갖는 패널 설계에 관한 연구
연구목표
- 태양의 입사각과 태양광 패널의 설치각도에 관한 수학적 이론 및 과학적 이론 탐구
- 태양의 입사각과 태양광 패널의 설치각도의 관계에 따른 에너지 효율성 탐구를 통하여 최적의 패널 설계 제안
연구방법
1. 설치각에 따른 태양광 에너지 효율 탐구
가. 패널 설치각이 일 때의 × 태양광패널과 × 태양광 패널, 일 때의 × 태양광 패널의 전압과 전류 측정을 통한 전력 효율성 비교
나. 설치 각도에 따른 패널의 태양광 에너지 효율성 탐구
다. 수학적 탐구 : 계절에 따라 남중고도 변화를 이용한 설치각의 조정에 따른 에너지 효율성 탐구
2. 고정형과 추적형 태양광 에너지 비교 및 탐구
가. 고정형과 추적형 태양광 패널의 전압과 전류 측정을 통한 전력 효율 비교
나. 수학적 탐구 : 추적형 패널의 최대 효율성 계산
3. 편평한 패널과 휘어진 패널의 태양광 에너지 비교 및 탐구
가. 편평한 패널과 휘어진 패널의 전압과 전류 측정을 통한 전력 효율 비 교 나. 수학적 탐구 : 평평한 패널과 휘어진 패널의 효율성의 수학적 계산
연구성과
1. 태양광 에너지에 관한 실험을 실험실에서 학생들이 간단하게 할 수 있도 록 실험도구 계발
2. 기존의 통계적 태양광 패널의 효율성 측정에서 좀 더 수학적인 태양광 패널의 효율성 측정 가능
3. 태양광 발전에 영향을 미치는 여러 요인 중 다른 요인을 모두 통제하고 설치각이 미치는 영향을 계산
4. 설치각에 따른 태양광 에너지가 기존의 연구보다 좀 더 높은 효율성을 확인
주요어 (Key words)
태양광 모듈, 전류, 전압, 전략, 방위각, 태양고도, 남중고도, 정사영, 정사영 의 넓이, cos함수
1. 개요
□ 연구 동기 및 목적
○ 연구 동기
- 과학 시간에 에너지 고갈, 지구 온난화 등 환경 문제에 공감하는 기회를 갖게 됨
- 환경 문제 해결에 관한 토론을 통하여 친환경 에너지를 탐구해보고 싶은 학생들끼리 모여 학습 동아리 구성
- 동아리 토론을 통하여 친환경 에너지 중에서 태양 에너지에 관한 탐구를 해보기로 결정
- 미래 사회는 공동 작업(co-work)이 절실히 필요한 시대임. 학생들이 문제를 인지한 후에 토론 과정을 통하여 학습 동아리를 구성했다는 점에서 학생들의 공동 작업의 우수성이 기대됨. 뿐만 아니라 연구를 통하여 미래 사회에 필요한 요소를 향상시킬 수 있음.
○ 연구 목적
- 태양의 입사각과 태양광 패널의 설치각도에 관한 수학적 이론 및 과학적 이론에 관한 탐구
- 태양의 입사각에 관한 각도와 태양광 패널의 설치각도의 관계에 따른 효율성 탐구를 통하여 최적 설계 제안
□ 연구범위
○ 각도에 따라 태양광의 들어오는 면적을 비교하여 효율성을 계산 - 설치각에 따른 태양광 에너지 효율성 탐구
- 고정형과 추적형 태양광에너지 비교 및 탐구
- 평평한 패널과 휘어진 패널의 에너지 비교 및 탐구
○ 수학적 이론(정상영)을 이용하여 실험에 얻은 결과와 비교 효율성 계산
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 이론적 배경
- 태양광 발전의 원리
태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 발 생된 전하들은 각각P극과 N극으로 이동하는데, 이 작용에 의해 P 극과 N극 사이에 전위차(광기전력) 이 발생하며, 이때 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
- 방위각과 태양고도
1)방위각 : 방위를 나타내는 각도이며, 관측점으로부터 정남을 향하는 직선과 주어진 방향과의 사이의 각으로 나타 낸다.
2) 태양고도 : 태양의 수평면으로부터의 각 거리를 말하며, 계절 에 따 른 태양고도가 자전축의 기울기 때문에 차이가 발생한다.
3) 계절에 따른 태양의 남중고도 공식 · 춘. 추분: 90° - 위도(인천)
· 하지: 90° - 위도(인천) + 23.5(황도와 적도의 기울기 상수) · 동지: 90° - 위도(인천) - 23.5(황도와 적도의 기울기 상수) - 정사영
평면 밖의 점 P 에서 평면 α에 그은 수선의 발 P′을 점 P 의 평면 위로의 정사영이라 한다. 또, 도형 F에 속하는 모든 점의 평면 위로의 정사영으로 이루어지는 도형 F′을 도형 F 의 평면 위로의 정사영이라 한다.
-정사영의 넓이
평면 위에 있는 도형의 넓이를 , 이 도형의 평면 위로의 정사영의 넓이를 ′이라고 할 때,
두 평면 , 가 이루는 각의 크기를
≤ ≤
라고 하면 ′cos
○ 선행 연구
- 차왕철, 2015, 온도와 풍속에 따른 태양광발전 효율 실증분석 연구 : 두 예측 프로그램 (경사명 일사량 예측 프로그램, 발전량 예측
프로그램) 결과를 비교해 보면 최적 경사각에 조금의 오차는 발생 하지만 경사면 일사량의 분포의 경향은 거의 차이를 나타내고 있지 않았다는 것을 알 수 있었다. 분포상 특징을 살펴보면 전국 평균적 으로 봄에는 35°, 여름에는 5°, 가을에는 45°, 겨울에는 60°가 최적 태양광 어레이 설치 각도로 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 김정환, 2009, 태양광 발전 시스템의 최적 설치 각도 예측에 관 한 연구
: 태양광 발전소가 설치된 지역의 온도와 풍속에 따른 발전설비의 효율을 실증 데이터를 분석하여 온도-풍속계수 방정식을 제안하 였다. 또한 우리나라 평균 월별 일사량,일조시간, 운량의 그래프 와 이를 통한 모젤 결과 그래프를 적용하여 발전량 예측이 가능 한 방법을 제안하였으며, 비교분석을 통해 제안한 방법이 기존 의 방법에 비해 정확한 예측 성능을 보이는 것을 확인하였다.
- 이옥재, 2013, 태양전지를 이용한 LED 가로등의 태양광 추적 장치 설계
: 고도 각을 동시에 추적하고 강풍에 적응할 수 있는 안전모드 기능과 청소모드 기능을 부가한 추적 장치를 개발하였다. 고정형 패널 대비 추적형의 발전 개선효율이 25% 이상이고, 여기에 MPPT(최대 전력점 추적) 기술을 적용하여 35% 이상의 개선 효 과를 볼 수 있다.
□ 연구주제의 선정
○ 20세기 들어 에너지 고갈, 지구 온난화 등 환경 문제에 직면함에 따라 더 이상 환경에 대해 무관심해 질 수 없게 되었다. 이러한 문제의 식은 과학 시간을 통하여 학생들에게 인지되었으며 공통 관심을 갖고 있는 학생들이 자발적으로 모여서 문제 해결을 위한 탐구 주제를 선정하였다.
○ 태양광 패널에 발전되는 에너지는 태양의 고도에 따라서 그 양이 결정되게 된다([그림 1] 참고). 따라서 패널의 설치각도를 바꾸게 되면 발전되는 에너지의 양을 조절할 수 있다. 뿐만 아니라 발전되는 에너지 의 양은 계절, 장소, 날씨 등에도 영향을 받는다([그림 2] 참고). 따라서 이러한 조건들을 모두 반영하여 태양광 패널의 설치각도에 따를 효율 성을 탐구하고자 하였다.
[그림 1] 절기에 따른 태양의 고도 [그림 2] 계절과 패널의 각도의 관계
□ 연구 방법
○ 실험실에 축적을 이용한 태양모형 제작
○ 경사각에 따른 태양광 패널 거치대 제작
○ 설치각도에 따른 태양광 패널의 효율성 측정
□ 연구 활동 및 과정
○ 가설 설정 : 태양광 에너지의 발전 효율은 빛의 입사각과 태양광 패널의 설치각에 따른 패널의 정사영 된 넓이에 비례한다.
○ 실험 설계
1. 자료 조사 및 준비 가. 자료 조사
1) 자료 조사 : 태양광 에너지의 가장 중요한 부분인 태양전지 의 효율에 영향을 미치는 다양한 요인들을 조사
2) 방법 : 인터넷, 뉴스, 논문, 전공 서적 등 나. 실험 모형 설계 준비
1) 전구와 태양광 패널 사이의 거리 설계 - 축척 ⇒ 1 : 1/185600000000
- 태양의 직경 1392000km → 전구의 직경 0.75cm - 지구의 직경 12756km
- 태양과 지구 사이의 거리 149597670km
→ 전구와 태양광 패널 사이의 거리 80.5875cm
2) 빛의 세기 및 각도 설계 ① 빛의 세기 조절
할로겐 등 – 백열전구에 비해 더 높은 온도에도 필라멘트 가 견딜 수 있고, 가장 태양광과 파장이 비슷하면서도 강 한 빛을 낼 수 있다.
② 각도 조절 : 전구를 고정시키고 태양광 패널의 각도 조절 을 위해 태양고도 측정기로 위치를 맞춘 후 태양광 패널 거치대를 설치하였다.
③ 실험실 설계 : 최적의 빛의 세기를 내기 위하여 주변의 빛이 들어오지 않는 공간을 설계하여 최적의 실험을 진행 하였다.
2. 탐구 실험체 제작
가. 축척을 이용한 태양모형 제작 축척 – 1:185600000000
태양 : 할로겐등 사용
기타 : - 실험실 섭씨온도 23℃~24℃, 습도50% 일정하게 유지 - 할로겐등의 온도를 일정하게 유지하기 위해서 1시 간 실험후 1시간 동안 식혔다.
준비물 : 방송용 마이크 거치대, 할로겐 조명
<그림4> 할로겐등과 거치대를 연결한 모습
나. 경사각에 따른 태양광 패널 거치대
편평한 태양광 패널의 발전 효율량 측정을 위해서 필요한 태 양고도 및 경사각 조절이 가능한 태양전지판 설치용 거치대를 직접 제작하고, 각 단계별 탐구실험을 위한 측정 장비도 설치 하여 실험체를 제작하였다.
① 거치대 기둥으로 사용할 화장대 거울 준비 ② 검은색 종이를 붙인 거치대
③ 경사각을 알기 위한 각도기 설치 ④ 경사각에 따른 태양광 패널 거치대
다. 아치형 이동식 태양광 패널 거치대
휘어진 태양광 패널의 발전 효율량 측정을 위해서 필요한 태 양 고도 및 경사각 조절이 가능한 태양전지판 설치용 거치대 를 직접 제작하고, 각 단계별 탐구실험을 위한 측정 장비도 설치하여 실험체를 제작하였다.
① 알루미늄판 준비 ② 측면 모형 제작(알루미늄, 우드락)
③ 측면 모형 제작
(알루미늄판에 우드락 접착)
④ 아치형 이동식 태양광 패널 거치대 완성
○ 실험 과정
1. 설치각에 따른 태양광 에너지 효율 탐구 가. 패널의 넓이에 대한 발전량 비교
1) 실험 단계
① 일 때의 14.2*11.3 태양광패널 의 전류, 전압 측정(mbl시스템)
② 일 때의 7.1*5.65 태양광패널 의 전류, 전압 측정(mbl시스템)
③ 일 때의 14.2*11.3 태양광 패
널의 전류, 전압 측정(mbl시스템) ④ 자료 분석을 통한 전력 측정
2) 측정 결과
구분 , × 패널 , × 패널 , × 패널
정사영 된 패널의
넓이 ()
× × × × cos
×
전류(mA)
전압(V)
전력(W)
평균 전류
(mA) 0.611604 0.32853 0.335610989
평균 전압
(V) 3.698154 2.922162 2.93352527
평균 전력
(W) 0.001985768 0.000959985 0.000984491
나. 설치 각도에 따른 패널의 태양광 에너지 효율 탐구 1) 실험 단계
① 실험장치 설치 ② 에서 로 태양광패널를 회 전하며 전류, 전압 측정(mbl시스템)
2) 측정 결과
구분 에서 로 태양광패널를 회전하며 전류, 전압 측정(mbl시 스템)
5회 평균 전류(mA)
5회 평균 전압(V)
5회 평균 전력(W)
다. 결과 분석 및 수학적 탐구 : 계절에 따라 남중고도 변화를 이용한 설치각의 조정에 따른 에너지 효율성 탐구
1) 정사영 된 패널의 넓이에 대한 발전량 비교
구분 , × 패널 , × 패널 , × 패널
정사영 된 패널의
넓이 ()
× × × × cos
×
평균 전력
(W) 0.001985768 0.000959985 0.000984491
오차 · 3.31% 0.09%
2) 설치각에 따른 발전량 비교
설치각이 이고 패널의 넓이가 이면 정사영 된 넓이는 이므로 발전량은 cos에 비례한다.
전력,
cos함수
※그래프의 축은 초가 와 같음
3) 계절에 따라 남중고도 변화를 이용한 설치각의 조정에 따른 에너지 효율성 탐구
- 계절에 따른 태양의 남중고도 공식 · 춘. 추분: 90° - 위도(인천)
· 하지: 90° - 위도(인천) + 23.5(황도와 적도의 기울기 상수)
· 동지: 90° - 위도(인천) - 23.5(황도와 적도의 기울기 상수) - 계절에 따른 태양광 모듈 설치각
· 90°- 남중고도
2. 고정형과 추적형 태양광에너지 비교 및 탐구
가. 고정형과 추적형 태양광 패널의 전압과 전류 측정을 통ㅎ산 효율성 비교
1) 실험 단계
① 고정형 태양광패널의 전류, 전압 측정(mbl시스템)
② 추적형 태양광패널의 전류, 전압 측정(mbl시스템)
2) 측정 결과
구분 전력(W)
추적형
구분 전력(W)
고정형 (5회 평균)
나. 결과 분석 및 수학적 탐구 : 추적형 패널의 최대 효율성 계산 1) 고정형과 추적형의 발전량 비교
구분 고정형 추적혁
발전량 합 (엑셀 합
이용)
0.261280937 0.427941486
비 1.62
2) 수학적 계산
- 고정형 :
- 추적형 :
- 고정형과 추적형의 비 : 1.57
3) 추적형 태양광 발전은 고정형보다 최대 57%의 효율을 높일 수 있다.
3. 평평한 패널과 휘어진 패널의 태양광에너지 비교 및 탐구
가. 평평한 패널과 휘어진 패널의 전압과 전류 측정을 통한 전 력 효율 비교
1) 실험 단계
① 에서 까지 회전하여 평 평한 태양광패널의 전류, 전압 측정 (mbl시스템)
② 에서 까지 회전하여 휘 어진 태양광패널의 전류, 전압 측정 (mbl시스템)
2) 측정 결과
구분 전력(W)
평평한 패널 (5회평균)
휘어진 패널 (5회평균)
나. 결과 분석 및 수학적 탐구 : 평평한 패널과 휘어진 패널의 효율 성의 수학적 계산
1) 평평한 패널과 휘어지 패널의 발전량 비교
구분 평평한 패널 휘어진 패널
발전량 합 (엑셀 합
이용) 0.261280937 0.136846
최대 전압 0.002343068 0.001132
최소 전압 0.000129668 0.000267
전력,
cos함수
※그래프의 축은 초가 와 같음 2) 수학적 분석
- 추적형 일 때는 하루 종일 평평한 판이 전략 생산량이 많음(정사영된 넓이가 평평한 판이 휘어진 판보다 항상 넓음.)
- 고정형 일 때는 1일 생산량은 평평한 판이 많고 시간 단 위로 살펴보면 해가 뜰 때와 해가 질 때를 잠깐의 시간을 제외하고 평평한 판이 많음.
○ 시행착오 극복
오차를 줄이기 위해 측정은 모두 5회 이상으로 하고 결과를 5회의 평균치로 계산
구분 1회 5회 평균
전압 (V)
○ 월별 연구 활동 및 외부 전문가 자문 내용
시 기 연구 활동 외부 전문가 자문
5월 1-2주 동아리 구성 5월 3-4주 실험설계
6월 1-2주 이론적 배경 및 선행연구 탐구
6월 3-4주 실험 계획 수립을 위한 협의회 실험의 타당성 및 현실성 자문
7월 실험 계획 수립
실험 도구 제작을 위한 협의회 실험 도구의 적합성 자문
8월 실험 도구의 적합성 판정 실험 도구 제작
9월 실험
10월 실험 결과 분석
11월 보고서 작성 및 결과 발표 12월 관내 자체 발표회 및 일반화
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 태양광 에너지는 빛을 받는 패널의 면적의 정사영 된 넓이에 비례한다.
○ 추적형 패널을 사용하면 최대 57%의 효율을 높일 수 있다.
○ 추적형와 고정형 일 때 모두 평평한 패널이 효율성이 높다.
□ 시사점
○ 미래 사회는 공동 작업(co-work)이 절실히 필요한 시대이다. 학생들 이 자발적으로 문제를 인지한 후에 토론 과정을 통하여 학습 동아리를 구성하였을 뿐 아니라 공동의 연구 주제를 선정하였다는 점은 함께 연구하는 풍토 구성함.
○ 연구과정의 모든 실험 도구 및 실험, 이론적인 부분을 모두 학생들이 논의하고 설계하여 이루어짐으로써 수학, 과학, 환경의 융합적 사고를 기를 뿐 아니라 창의적 사고를 기를 수 있는 기회를 가짐.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 교내 발표대회에서 연구 결과를 발표함으로써 학생들과 연구의 전반 적인 내용을 공유한다.
○ 2015학년도 인천 수학, 과학 발표대회에 참가한다.
○ 일반화할 수 있도록 교수-학습 자료를 제작하여 교내 뿐 아니라 교외 에 배포한다.
○ 관내 실험 발표회를 계획하여 실험 결과를 일반화시키고 “재생 에너 지 연구”의 필요성을 홍보한다.
5. 참고문헌
○ 김해경 외 23명(2013). 기하와 벡터. ㈜더텍스트.
○ 차왕철, 2015, 온도와 풍속에 따른 태양광발전 효율 실증분석 연구
○ 김정환, 2009, 태양광 발전 시스템의 최적 설치 각도 예측에 관한 연구
○ 이옥재, 2013, 태양전지를 이용한 LED 가로등의 태양광 추적 장치 설계
