1.서 론

태양에너지는 값싸고, 깨끗하며, 재생 가능하여 에너지 비 용을 낮출 수 있어 점점 더 그 인기가 높아지고 있다. 따라 서 대체에너지로써 태양을 활용한 분야의 연구가 매우 많이 진행되고 있다. 태양광으로부터 에너지로 변환하는 시스템 의 효율을 높이기 위해서는 태양광으로부터 최대의 출력을 얻는 것이 무엇보다도 필요하다. 최근 높은 효율의 태양에 너지를 전기에너지로 변환하기 위한 다양한 태양광 추적장 치들이 개발되어 왔다. 2축 태양광 추적장치는 패널각도를 회전시킬 수 있도록 2개의 자유도를 가지도록 되어 있다. 따 라서 고정식에 비해서 구조적으로 복잡한 형태를 가지며, 제작 단가도 비싼 편이다. 그러나 2축 태양광 추적장치는 상 하 좌우로 움직일 수 있으므로 태양의 위치에 상관없이 그 위 치를 찾아 마주 보게 할 수 있다. 태양광 패널로부터 최대의 출력을 얻을 수 있고, 고정식에 비해 추적시스템을 활용 시 약 30%에서 60%의 출력증대를 얻을 수 있다(CleanTechnica, 2014). 따라서 본 논문에서도 태양에너지로부터 최대의 효율 을 얻을 수 있는 2축 추적장치에 대한 연구를 진행하였다. 국내외 연구에서는 축의 2 태양광패널의 추적을 위해 마이크 로프로세서에 내장된 PWM 기능을 활용한 예가 주로 사용되 고 있고(Lho et al., 2010), 또한 제어기로는 P 또는 PID제어를 활용한 전통적인 제어기법을 활용을 하고 있다. 하지만 본 논 문에서는 시스템의 전체 효율과 태양에너지의 활용도를 향상 시키기 위한 전지패널의 움직임을 제어하기 위해 퍼지 의사 결정시스템을 제안 및 설계하였고, 이들 제어기를 서보모터에 적용해 본 결과 각도 분해능(0.12°)과 회전동작속도(353°/s)로 태양광 패널을 매우 부드럽고 정확하게 움직일 수 있었다.

LabVIEW를 기반으로 이미지 취득 및 처리와 FLC(Fuzzy Logic Control)의 이론을 2축 태양광 추적시스템에 적용하여 실험적으로 확인하였고, 모든 파라미터들을 실시간으로 제 어 및 감시하고 그 결과를 저장하여 분석해 볼 수 있었다. 또한 최대의 에너지 효율을 얻기 위해 태양을 향해 패널이 자동적으로 향하도록 자동 추적 시스템을 개발하였다.

2.실험장치

2.1.전체적인 실험장치의 구성

Fig. 1은 실험 장치의 블록선도를 나타낸다. 태양의 위치 정보는 4개의 SC(solar cell)로부터 전압신호로 제어시스템에 입력되고 이를 분석하여 패녈의 경사와 회전을 제어하기 위 한 서보모터 A와 B로 신호가 출력되어, 패널이 항상 태양을 향하도록 제어하게 된다.

Fig. 2는 실험을 위하여 설치한 태양광 패널로 (a) 고정식 패널을 나타내며, (b)는 2축 태양광 추적 패널 장치를 나타내 고 있다. 실험을 위해 실제 제작을 한 사진이며, 이동 및 고 정을 위해 카메라 삼각대 위에 패널과 센서 및 구동 모터를 설치하였다.

2.2.서보모터

태양광 패널의 경사와 회전을 제어하기 위해 2개의 HiTec HS-5485HB 모델의 서보모터를 사용하였다. 이 모터의 PWM 신호는 Fig. 3과 같다. 서보모터는 펄스폭에 의해 0° 에서 180°로 제어되며, 모터내부에 컨트롤러가 장착되어 있다.

2.3.센서와 태양광 패널

빛의 밝기를 응용한 측정용 센서(Photocells, 2014; Tamara and Wong, 2007)로 본 논문에서는 일반적으로 많이 사용되고 있는 CdS 센서, 태양광 패널 센서를 이용하여 특성을 검토 한 결과 솔라 센서가 그림자에 반응하는 비례특성이 있어 솔라셀을 센서로 사용하기로 결정하였다. 센서들의 기둥이 나 벽을 만들어 그림자를 만들 수 있는 방법을 사용하여 그 림자만큼 기전력의 양을 제한하는 방법으로 실험 하였다.

2.3.1.태양전지 센서

Fig. 4는 태양전지셀의 기본 단위를 이용한 것으로 H 모양 의 칸막이를 만들어 태양의 고도에 따른 그림자를 만드는 벽을 만들어 실험하였다. 회로도는 Fig. 4(b)와 같다. 태양전 지는 Fig. 4의 (a)와 같은 형태로 여러 개의 모듈을 직렬과 병 렬연결로 전력을 생산하는 장치이다. 태양전지 모듈중 하나 의 셀을 잘라 내어 기본 센서로 사용하였고 1셀의 센서에서 발생되는 전압은 최대전압이 1.0 V의 출력이 나왔다. 그림 (b)에서 셀로부터 출력된 전압은 증폭기를 통해 증폭되어 태 양의 고도를 추정하는 프로그램에 입력된다.

2.3.2.태양광 패널

태양전지는 광기전 효과에 의해 태양광을 바로 전기에너지 로 변화하는 장치로, 다량의 이들 태양전지 모듈을 이용하여 자연친화적인 전기를 생산할 수 있다. Fig. 5의 사진 상단 패 널은 실험에 사용된 것으로 그 상세 사양은 Table 1과 같다.

사진 하단의 Fig. 4(a)의 태양전지 센서와 상단의 태양광 센서의 패널을 일체화하여 구성하였다.

3.태양광 패널의 제어

태양광 추적 시스템에는 각각 4개의 방향으로 출력되는 전압 V_E, V_W, V_S, V_N 들을 출력하는 4개의 태양광센서가 있 다. 이들 센서의 출력은 FLC의 크리스프 입력 데이터를 계 산하는 값들이며, 이 데이터를 기반으로 FLC는 태양광 패널 이 최고의 에너지를 얻는 방향으로 향하도록 모터 A(회전제 어)와 모터 B(기울기 제어)를 제어하기 위한 크리스프 출력 데이터를 보내게 된다.

3.1.태양광 패널의 회전 제어

태양광 패널이 정확하게 최대 에너지를 발생하는 위치로 추적할 때, 움직이는 궤도를 퍼지 로직 알고리즘으로 제어하 였고, 블록 다이어그램을 Fig. 6에 나타내었다(Lee et al., 2009; Wang and Lu, 2013; Hughes, 1980; Semma and Imamura, 1981).

FLC 입력은 동쪽과 서쪽방향의 태양광의 강도를 나타내 는 전압 e₁과 이들의 시간변화량 de₁/dt 사이의 차이이다. 차 이에 대한 정도를 각각 축약된 용어로써 NB(Negative Big), NM(Negative Medium), NS(Negative Small), ZO(Zero), PS(Positive Small), PM(Positive Medium) 및 PB(Positive Big)로 나타낸다

모터를 제어하기 위한 출력으로는 모터의 형식이나 드라이 버에 따라 달라지지만 주로 PWM이나 전압신호를 사용한다. 본 논문에서는 PWM 신호를 이용하여 모터를 제어하였다. NB, NM, NS … PB의 멤버쉽 함수에 따른 위치를 제어하기 위한 서보모터의 PWM 값은 NF(Negative Fast), NM(Negative Medium), NS(Negative Slow), ST(Stop), PS(Positive Slow), PM(Positive Medium) 및 PF(Positive Fast) 중의 하나에 대응하 여 출력된다.

3.2.태양광 패널의 기울기 제어

태양광 패널의 기울기 제어도 회전제어와 비슷한 방법으 로 구현된다. 따라서 블록 다이어그램 Fig. 6과 같이 동일함 을 알 수 있다. 다만 FLC 입력은 남쪽과 북쪽방향의 태양광 의 강도를 나타내는 전압 e₂와 이들의 시간변화량 de₂/dt, 센 서가 1, 2에서 센서 3과 4에서 받아들이는 것이 다르다. 그 밖의 축약된 용어 NB…PB 및 PWM 제어 값인 NF…PF도 동일하게 사용되었다.

3.3.LabVIEW 기반의 Fuzzy logic controller

태양광 추적 시스템에는 두 개의 디지털신호(2개의 서보 모터 제어를 위한 PWM 신호), 2개의 전류신호(추적 패널과 고정 패널의 전류) 및 6개의 전압신호(4개의 태양광 센서의 전압신호와 2개의 추적 및 고정패널의 전압신호)가 있다. 이 들 신호선들과 PC와의 인터페이스를 위해 NI cDAQTM-9271, NI9474, NI9207 모듈을 사용하여 구성하였다.

3.3.1.시스템의 연결

2.2절에서 보는 바와 같이 0도에서 180도에 해당하는 펄스 폭의 PWM 신호를 발생시키는 서보모터를 제어하기 위해서 는 항상 전원이 공급되어야 한다. 실제 시스템에서 4개의 고 속 디지털출력을 가진 NI9474 모듈이 이들 서보모터를 제어 하기 위해 사용되었다. 서보1은 패널의 기울기를 제어하는 데 사용되며, 서보2는 패널의 회전제어에 사용된다. Fig 7

Fig. 8과 같이 전류신호를 얻기 위해 4개의 메인 블록이 사용된다. ‘Channel Settings’ 블록은 최소 전류(-0.02 = -20 mA), 최대 전류(0.02 = 20mA)와 물리적 채널(cDAQ1Mod4/ai8)의 입력 을 가진다. ‘Timing Settings’ 블록은 어떠한 모드로 샘플을 얻 을 지와 주파수 및 클럭 소스의 종류를 설정한다. 출력데이 터는 ‘Acquire Data’ 블록에서 얻어지고, ‘Closed’ 블록에서 종 료한다.

전압 데이터도 전류 데이터와 동일한 방법으로 얻어지며, 다만 채널 설정범위만 -0.02와 0.02대신 -10과 +10으로 변경 하면 된다.

메인 프로그램은 여러 개의 서브 VI프로그램(패널의 전류 측정, 전압 측정, PWM, 퍼지 제어기, PD 계산, 서보컨트롤, 기상 상태 설정, 시간과 계절 설정)을 포함하고 있다.

3.3.2.Monitoring and Control program

사용자 모드에는 Fig. 9와 같이 제어와 모니터링이 가능하 다. 제어는 Manual과 Auto 모드가 있으며, 모니터링 화면상 의 토클 스위치로 해당 모드를 선택할 수 있다. 매뉴얼 모드 인 경우 서보모터의 경사와 회전제어는 화면상 슬라이드 스 위치를 조작하면 동작하게 된다.

오토 모드인 경우 패널의 위치는 프로그램에 의해 자동적 으로 동작한다. 시스템의 민감도는 경사와 회전의 민감도를 조절함으로써 변경될 수 있다.

모니터링으로는 패널에서 발생한 전력을 실시간 그래프 로 확인할 수 있으며, 관련 데이터들은 엑셀 파일로 저장하 여 추후 쉽게 분석할 수 있도록 되어 있다. 화면을 통하여 태양광 패널의 움직임과 전력량 등을 실시간으로 확인할 수 있다.

4.실험결과 및 고찰

4.1.태양광 패널의 설치 및 모니터링

실험에 사용된 시스템에는 Fig. 10과 같이 하나의 자동 추 적패널과 4개의 고정식 패널로 구성되어 있다. 자동 추적패 널은 태양광에 따라 경사와 회전이 자동으로 조절되고, 고 정식 패널들은 MPP(Maximum Power Point) 즉, 최대전력을 낼 수 있는 위치로 여러 시간대별로 설정되어 있다. 4개의 고정 패널은 각각 11시, 12시, 13시 및 14시에 최대 전력을 낼 수 있도록 위치로 설정하여 세워 두었다. 그리고 이들 패널로 부터 얻어진 각각의 전압과 전력을 비교 분석하였다.

4.2.실험 분석

Fig. 11 및 Fig. 12에서 보는 바와 같이 2014년 12월 9일과 12일 측정에 의하면 태양광 패널의 전압은 태양광 추적장치 로 추적하는 V _auto 는 10시부터 16시까지 높은 전압을 출력 하는 것을 알 수 있고, V _fix1 은 11시 방향으로 패널이 바라 보게 되어 있어 10시 30분에 최대가 되고 이후는 출력 전압 이 점점 약해지는 것을 알 수 있다. V _fix2 는 12시 방향으로 바라보는데 11시30분에 최대를 나타내고 이후 감소하는 상 황을 나타내고 있다. 같은 방법으로 V_fix3 와 V _fix4 도 마찬 가지이다. 3시경에는 구름이 끼여 출력이 낮아졌고, 태양추 적의 경우 고정 패널 식보다는 전부 높은 전압을 나타내며 추적과 알고리즘이 정확함을 나타내고 있다.

Fig. 13과 Fig. 14에서 보는 바와 같이 전압과 마찬가지로 전력도 비슷한 경향의 특성을 나타냄을 알 수 있다.

Fig. 15는 자동 추적패널 대비 고정 패널의 효율을 나타내 고 있고, 이는 아래 식(1)을 통하여 계산되었다.

계측을 통하여 고정 및 추적용 패널 시스템으로부터 얻 어진 전기에너지는 평균값으로 계산되었고, 자동 추적패널 대비 고정 패널의 경우 각각 2014년 12월 9일에 62.14[%], 67.90[%], 70.29[%] 및 67.43[%]가 얻어졌다. 같은 달 12일에는 고정패널에서 69.07[%], 82.16[%], 81.73[%] 및 81.53[%]의 상대 적으로 높은 효율이 얻어졌다. 이는 날씨가 좋은 12월 9일에 는 자동추적 패널에서 태양을 추적하면서 더 많은 에너지를 얻어 고정패널이 얻은 에너지에 비해 높아짐으로써 고정패 널의 효율이 더 낮아지고, 날씨가 흐린 12일에는 날씨의 영 향을 받아 패널이 태양을 잘 추적함에도 불구하고 자동추적 을 통하여 얻어진 에너지가 적어 상대적으로 고정패널이 높 은 효율을 얻었음을 실험적으로 알 수 있었다. 이러한 날씨 변화에 따른 태양에너지의 증가는 이미 이루어진 여러 연구 결과와도 일치한다(Yan and Jiaxing, 2010; Bajpai and Kumar, 2011; Serhan and El-Chaar, 2010; Deepthi et al., 2013)

패널이 바라보는 방향이 12시에서 2시 사이 출력의 효율 이 비슷한 것을 나타내지만 1시 방향의 것이 효율이 좋은 것으로 나타났다.

태양의 위치에 따른 패널의 추적은 Fig. 16과 같이 서보모 터에 의해 회전과 기울기 제어를 통하여 잘 추종함을 확인 하였다.

5.결 론

태양으로부터 효율 좋게 에너지를 얻기 위해 태양광 패널 에 2축을 제어할 수 있는 서보모터 및 제어기를 구성하고, 자동으로 태양광을 추적할 수 있는 시스템을 제작하여 그 성능을 확인하였다. 제안된 제어 퍼지 제어와 알고리즘은 최대의 태양 에너지를 얻기 위해 태양광 패널이 태양을 향 할 수 있도록 그 움직임을 지시한다. 2축의 태양광 자동추적 시스템 실험을 통하여 다음의 결과를 얻었다.

향후 연구로 대형 패널의 제작과 운전, 안전성, 신뢰성을 갖는 시스템의 구성이 필요하고, 고정식으로 했을 경우 데 이터를 축적하여 목포지역에서 가장 효율이 좋은 방향을 선 택할 수 있는 자료의 분석과 수집이 요구된다