KR100440221B1

KR100440221B1 - 태양자동추적장치의 태양추적방법

Info

Publication number: KR100440221B1
Application number: KR1020030090692A
Authority: KR
Inventors: 김희구; 오명복; 강신영
Original assignee: (주)엘시스텍
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2004-07-12

Abstract

본 발명은 태양자동추적장치의 태양추적방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 태양광 발전 효율을 유지하면서 소형, 저소비전력으로 구동할 수 있으며, 특히 태양추적 구동장치의 기동 정지 횟수를 최소화할 수 있는 전진추적 제어방식의 태양자동추적장치의 태양추적방법에 관한 것이다.

본 발명의 태양자동추적장치의 태양추적방법은, 태양의 위치를 천구상 황도위치로 계산하고, 설치 위치에서의 방위각과 고도각을 계산하여 프로그램화하며, 태양을 향하는 PV 모듈의 법선의 방위각이 태양의 방위각과 소정의 오차각이 발생할 때 상기 PV 모듈을 구동하도록 하는 태양자동추적장치의 태양추적방법에 있어서, 상기 PV 모듈의 법선의 방위각이 상기 태양의 방위각보다 제1각도 뒤지게 될 때, 상기 PV 모듈의 법선의 방위각이 상기 태양의 방위각보다 제2각도 만큼 앞서도록 상기 PV 모듈을 구동시킴에 그 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 태양자동추적장치의 태양추적방법은 전진추적 제어방식을 취함으로써, 기존의 추적방식과 비교해 볼 때 같은 추적 횟수에서는 효율이 높아지며 같은 효율을 갖고자 한다면 구동부의 추적 횟수를 그만큼 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 추적 횟수를 기존 방식에 비해 줄임으로써 구동부의 손실을 감소시킬 뿐만 아니라 센서 및 구동부를 저가화할 수 있는 장점이 있고, 발전 전류량도 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

태양자동추적장치의 태양추적방법{Method of solar tracking by solar auto-tracker system}

태양광 발전기술은 햇빛에너지를 직접 직류 전기에너지로 변환하는 태양전지와 태양전지로부터의 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환 및 제어기술이라고 정의할 수 있다. 태양광기술은 태양으로부터 전달되는 복사 열에너지를 이용하는 태양열 기술과 구분된다.

태양광 발전은 청정에너지이며, 가동부분이나 고온, 고압의 부분이 없고, 보수가 용이하며, 무인화가 가능하며, 무한정한 에너지원이며, 양산성이 높고, 필요에 따라 소규모에서 대규모 시스템까지 설치 가능한 장점을 가지고 있다. 반면, 발전량이 일사시간에 좌우되고, 대전력을 얻기 위해서는 대면적이 필요하고, 상용전력에 비해 고가이며, 직류전력이 먼저 얻어지는 점 등에 유의해야 한다.

태양위치 계산은 지구에서 본 태양의 고도와 방위각을 계산해내는 것으로 추적시스템의 입력신호로서 사용되는 태양의 위치를 천문학에서 정의된 지구의 운동 관계식을 사용하여 계산해 낸 것이다. 그러나 천문학에서 사용되는 태양위치계산을 위한 관계식은 대단히 복잡하고 방대하여 작은 계산오차도 결과 값에 큰 영향을 주게 된다. 기상 관측 등에 사용되는 태양 추적 시스템은 고정밀도 마이컴과 연산장치를 사용하거나 센서 방식을 사용한다.

태양의 위치는 지평면으로부터 태양의 고도각(elevation) 및 방위각(azimuth)을 사용하여 정의한다. 태양의 고도각은 태양과 태양전지 모듈이 설치되어 있는 지점(좌표원점)을 연결하는 선분이, 지구 지표면과의 이루는 각으로 표시되는 값이다. 또한 태양의 방위각은 현재 태양의 위치를 지표면에 투영시켰을 때 투영된 태양과 좌표의 원점이 이루는 직선이 좌표상의 정북을 가르키는 직선과이루는 각으로 정의된다.

태양위치계산에서 태양의 궤적을 표시하기 위한 기준 좌표의 설정은, 일반적으로 천구 좌표계가 사용된다. 천구는 지구를 무한대의 반경을 갖는 구의 중심으로 간주된 천체상 가상의 구이다. 실제 지구는 고정된 태양을 중심으로 타원형의 궤도를 따라서 공전하며 동시에 23.5도의 경사각을 갖는 자전축을 기준으로 하여 회전하는 운동을 수행한다. 그러나 태양의 위치를 산출하기 위한 관계식을 유도하기 위해서는 천구의 정의에서와 같이, 지구를 고정된 기준으로 간주하고, 태양이 지구를 기준으로 하여 천구의 황도(ecliptic)를 따라서 년중 1회전하며, 또한 천구 스스로가 매일 1회전하는 가상의 천구의 개념을 사용하는 것이 편리하다.

천구상의 태양궤적을 표시하는 황도(ecliptic)는 천구의 적도면을 기준으로 하여 약 23.5도의 경사각을 가지고 있으며 춘분점 및 추분점에서 천구적도와 서로 교차한다. 또한 천구의 북극점과 천구의 남극점을 연결하며 춘분점을 통과하는 선을 춘분 시권이라 하고, 이를 천구상 태양의 위치를 표시하는 기준선으로 사용한다.

태양 위치를 계산하기 위하여 우선 태양위치 계산식에서 사용되는 시간(time)의 정의가 필요하다. 태양위치 계산에서 사용되는 시간은, 특정 시간을 기준으로 하여, 그로부터 경과된 경과시간을 일 단위를 사용하여 표시한 값이다. 지금까지 제시된 연구 결과에서 많은 각기 다른 기준 시간이 사용되었으나, 본 발명에서는 2000년 1월 1일 영국 그리니치(Greenwich) 평균 정오시간을 기준으로 하여 경과시간을 산정한 것을 사용한다.

태양전지의 정렬방식을 보면, 태양광의 발전효율을 극대화하기 위해 태양의 직사광선이 항상 태양전지 판의 전면에 수직으로 입사할 수 있도록 동력 또는 기기조작을 통하여 태양의 위치를 추적해 가는 추적식, 계절 또는 월별로 상하로 위치가 변화되는 반고정식, 위치가 고정되는 고정식 등이 있다. 본 발명은 태양추적 정렬방식에 관한 것이다.

추적장치란, 이동하는 태양을 추적하면서 집광성을 높이기 위해 집열기 또는 렌즈를 이동시키는 장치이다. 추적방법은 크게 프로그램 추적과 센서 추적이 있다. 프로그램 추적은 지구의 자전과 공전에 의한 태양의 이동을 미리 프로그램에 입력하여 수광체를 회전시키는 추적방법이다. 센서 추적은 태양광의 이동을 센서로 감지하여 수광체의 방향을 제어하는 것으로, 각종 관련 요소기술의 진보에 따라 여러 가지 개량이 이루어지고 있다. 추적장치 기술에는 태양위치 검출방법, 추적부재, 추적구동방식, 구동동력 등이 있다.

종래의 태양추적 정렬방식의 일예로서, 대한민국 등록실용신안 제297771호를 보면, 태양광을 집속하는 솔라모듈과 일체화되어 상기 솔라모듈을 좌우방향으로만 회전시킴과 아울러 회전 위치를 감지하는 엔코더가 내장된 트랙커를 볼 수 있는 바, 태양의 위치를 추적하는 원리는 상기 트랙커 내 엔코더로부터 검출정보를 입력받아 엔코더 제어부가 트랙커 동작을 제어하게 된다. 상기 엔코더로부터의 검출정보는 미리 저장된 입력 및 제어정보이지만 본 발명에 개시된 전진추적 제어방식을 제시하지는 못한다.

종래의 태양추적 정렬방식을 사용하는 기술들을 보면, 주로 센서를 적용한방식을 적용하여 낙엽이나 황사로 인한 오동작의 우려가 많고 추적 횟수가 많아져 구동장치 소비 전력이 많아지는 단점이 있었다. 프로그램 방식의 추적 장치는 기상관측이나 천문 관측용으로 주로 적용되었으나 부피가 크고 미세 추적 특성으로 인해 구동장치의 기동ㆍ정지 횟수가 많아진다. 또한 부피가 크고 고가여서 태양광발전용으로 부적합하였다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양의 천구상 위치를 계산하여 태양을 추적함으로서 센서 방식에서 발생하는 오차를 줄일 수 있도록 하였으며, 기존에 사용된 추적장치 제어 프로그램과 달리 태양광 전진추적 제어방식을 사용함으로써 추적횟수를 줄이면서도 발전 효율을 유지할 수 있도록 하는 태양자동추적장치의 태양추적방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전진추적 제어방식의 개념도

도 2는 기존의 태양 추적 제어방식과 본 발명에 따른 전진추적 제어방식을 시간에 따른 PV모듈의 수광량 변화를 기준으로 비교한 비교도

도 3은 태양광발전 시스템의 구성도

도 4는 상기 도 3의 PV모듈과 그 하부에 구비된 추적구동장치의 일예

도 5는 본 발명에 따른 태양추적시스템 구성도

본 발명의 상기 목적은, 태양의 위치를 천구상 황도위치로 계산하고, 설치 위치에서의 방위각과 고도각을 계산하여 프로그램화하며, 태양을 향하는 PV 모듈의 법선의 방위각이 태양의 방위각과 소정의 오차각이 발생할 때 상기 PV 모듈을 구동하도록 하는 태양자동추적장치의 태양추적방법에 있어서, 상기 PV 모듈의 법선의 방위각이 상기 태양의 방위각보다 제1각도 뒤지게 될 때, 상기 PV 모듈의 법선의 방위각이 상기 태양의 방위각보다 제2각도 만큼 앞서도록 상기 PV 모듈을 구동시키는 것을 특징으로 하는 태양자동추적장치의 태양추적방법에 의해 달성된다.

태양광발전(photovoltaic, 이하 PV)이나 태양열 온수 시스템 등에서 태양을 추적할 경우 태양전지나 집열판을 태양과 법선 방향으로 하여 수광량을 증대시킴으로서 발전 효율을 높인다. 태양광 추적장치는 무거운 PV 모듈을 움직이므로 구동부에 큰 부하가 걸리게 되며, 태양이 황도상을 움직이는 각속도는 매우 느리기 때문에 추적장치의 구동부는 느리고 큰 토크를 발생할 수 있도록 구성해야 한다. 따라서, 본 발명에서는 태양추적 방식을 PV 모듈의 법선과 태양이 이루는 각도에 일정 오차가 발생한 경우 추적을 시작하는 것은 종래 기술과 같으나, 정지 위치를 오차가 0°가 되는 위치를 지나 일정 각도 앞서게 위치시키는 전진추적 제어방식을 사용함으로써 PV 모듈과 태양은 일정 범위의 오차를 가지면서도 구동장치의 기동정지 횟수를 50% 가량 감소시킬 수 있다.

본 발명에서는 태양의 위치를 천구상 황도위치로 계산하여 현재 설치 위치에서 방위각과 고도각을 계산하여 법선 방향이 되도록 추적 제어한다. 소규모 독립형 태양광발전 시스템에서는 추적 장치의 기동·정지 횟수를 줄일수록 소비 전력이 감소하게 되는 바, 종래의 프로그램 방식의 태양광 추적장치는 사용되는 오차 각도를 1°이하가 되도록 불필요한 구동횟수를 발생시키는 제어방식을 취하였던 것을 본 발명에서는 기동·정지 횟수를 줄일 수 있는 전진추적 제어방식을 취한다. 즉, 본 발명에서의 전진추적 제어방식은 태양의 위치를 미리 예측하여 정위치보다 일정 각도 앞서게 제어하여 발전 효율을 동일하게 유지하면서도 기동·정지 횟수를 줄일수 있는 것이다.

본 발명의 태양 추적 방법은 태양의 방위각이 태양전지의 법선의 방위각에 비해 소정 각도(예를 들면 5°) 앞선 경우 동작이 시작되어 태양전지의 법선이 태양에 비해 소정 각도(예를 들면 5°) 앞설 때까지 구동되는 전진추적 제어방식이다. 상기와 같은 전진제어방식을 취할 경우 태양과 태양전지는 항상 소정 각도(예를 들면 5°) 이하의 편차를 유지하게 된다. 하기 설명에서는 상기 소정 각도의 예로서 5°로 대표하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전진추적 제어방식의 개념도를 나타낸 것이다. 도 1에서 태양이 r₁위치일 때 태양전지의 법선의 방위각은 태양보다 5°앞선 위치에 놓이게 된다. 일정 시간 후에 태양이 5°전진하여 r₂위치까지 오게 되면 태양과 태양전지의 법선은 일직선상에 위치하게 된다. 그리고 다시 태양이 5°전진하여 r₃에 위치하게 되면 태양전지의 법선의 각도가 태양보다 5°늦게 된다. 이때 위치 추적장치가 가동하여 태양전지의 위치를 10°전진시키게 되면 태양전지의 법선은 그때의 태양위치 r₃보다 5°앞선 위치에 오게 된다. 현재의 태양 위치는 프로세서에 의해 계산되며 프로세서는 10초에 1회씩 현재의 태양 위치를 계산한다. 태양의 고도각 추적은 방위각에 대한 추적이 완료된 후에 고도각에 대하여 방위각 추적과 같은 방법을 적용한다.

도 2는 기존의 태양 추적 제어방식과 본 발명에 따른 전진추적 제어방식을 시간에 따른 PV모듈의 수광량 변화를 기준으로 비교한 것이다. 전진추적 제어방식을 사용한 경우 추적 완료된 초기에는 기존 방법에 비해 수광량이 약간 낮게 나오지만 나머지 시간 영역 부분에서는 수광량이 증가하여 전체적으로 수광량이 증가됨을 알 수 있고, 최고 수광량과 최소 수광량 간의 차이도 전진추적 제어방식이 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. 따라서 수광량에 직접 영향을 받는 발전 전류량도 전진추적 제어방식이 커지게 됨을 알 수 있다. 즉, 같은 추적횟수에서는 전진추적 제어방식의 효율이 높은 것을 알 수 있으며, 같은 효율을 갖고자 한다면 전진추적 제어방식은 추적횟수를 그만큼 줄일 수 있는 것이다.

도 3은 태양광발전 시스템의 구성도이다. PV 모듈을 통해 얻어진 직류는 인버터와 제어부를 통해 상용계통으로 교류를 공급하게 된다. 도 4는 상기 도 3의 PV 모듈과 그 하부에 구비된 추적구동부를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 태양추적시스템 구성도이다. PV 모듈에 구비된 추적구동부는 태양위치 추적제어부의 신호에 따라 구동되고, 상기 PV 모듈에서 얻어진 전력은 시스템 제어부와 인버터에 의해 상용계통으로 전력을 공급하게 된다. 상기 태양위치 추적제어부는 본 발명의 전진추적 제어방식에 따른 프로그램이 내장된 마이컴을 포함하여 구성되고, 상기 시스템 제어부는 전체적인 전력의 제어와 데이타 수집의 역할을 하고 모니터링하는 기능을 수행한다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

태양의 위치를 천구상 황도위치로 계산하고, 설치 위치에서의 방위각과 고도각을 계산하여 프로그램화하며, 태양을 향하는 PV 모듈의 법선의 방위각이 태양의 방위각과 소정의 오차각이 발생할 때 상기 PV 모듈을 구동하도록 하는 태양자동추적장치의 태양추적방법에 있어서,

상기 PV 모듈의 법선의 방위각이 상기 태양의 방위각보다 제1각도 뒤지게 될 때, 상기 PV 모듈의 법선의 방위각이 상기 태양의 방위각보다 제2각도 만큼 앞서도록 상기 PV 모듈을 구동시키는 것을 특징으로 하는 태양자동추적장치의 태양추적방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제1각도는 5°임을 특징으로 하는 태양자동추적장치의 태양추적방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제2각도는 5°임을 특징으로 하는 태양자동추적장치의 태양추적방법.