효과적인 태양 추적 장비 제조를 위한 신뢰성 있는 자동화 설비 필요

태양 추적기는 광전지판, 반사판, 렌즈 또는 그 밖의 광학장치들을 태양을 향해 지향시킨다. 하늘에서 태양의 위치는 계절과 하루의 시간에 따라서 변하기 때문에, 추적기를 사용하여 집광 시스템을 정렬시켜 에너지 생산을 극대화한다.

추적기 사용을 결정할 때는 여러 가지 요인들이 평가되어야 한다. 태양광 기술의 종류, 직사광선 조사량, 시스템이 설치되는 지역의 기준가격 지원제도, 추적기 설치 및 유지 보수 비용. 또한, 장비제조업체는 태양추적기를 구동시키는 자동화 시스템을 고려해야 한다.

태양추적기의 기초

집속형 태양 전지판(concentrated photovoltaic panels, CPV) 또는 집속형 태양 광발전 (concentrated solar power, CSP)은 반사판 또는 렌즈의 초점에서 햇빛의 정밀한 방향을 달성하기 위하여 높은 정확도를 필요로 한다. 비집속형 적용분야는 추적을 필요로 하지 않지만 추적기를 사용하면 시스템에 의해 생성되는 총출력을 개선할 수 있다.

다양한 비용과 정교함 및 성능을 가진 많은 종류의 태양추적기가 있다. 추적기의 두 가지 기본 범주는 단축형과 이축형이다.

단축형 태양추적기는 수평축 또는 수직축을 가질 수 있다. 수평축은 태양이 정오에 매우 높지만 주간이 짧은 열대 지역에서 사용된다. 수직형은 태양이 매우 높지는 않지만, 여름날이 매우 길 수 있는 고위도에서 사용된다. 집속형 태양발전 분야에서 단축형 추적기는 타원형 및 선형 프레넬(Fresnel) 거울 설계와 함께 사용된다.

이축형 태양추적기는 수평축과 수직축을 모두 갖고 있으며, 이로 인하여 실제로 세계 어느 곳에서든지 태양의 겉보기 움직임 추적이 가능하다.

2개의 축을 사용하는 CSP 분야는 태양광 발전탑과 접시(Stirling 엔진) 시스템을 포함하고 있다. 이축형 추적은 거울과 타워 구조물에 위치한 중앙 수신기 사이의 긴거리로부터 발생되는 각도 오차로 인하여 태양광 타워에서 매우 중요하다.

전형적으로 많은 태양 PV 분야들이 이축형 추적기를 활용하여 태양 전지판을 태양광선에 수직으로 위치시킨다. 이것은 전지판을 하루에 최대 시간 동안 직사광선에서 유지함으로써 총 출력을 극대화시킨다.

핵심 구성요소

추적 시스템의 주요 요소들은 다음과 같다.

• 태양 추적 알고리즘: 이것은 태양 전지판이나 반사판을 태양을 향한 지점에 정치시키는데 사용되는 태양 방위각과 천정각을 계산한다. 일부 알고리즘은 수학적이며 천문학적 기준을 기반으로 하는 반면, 다른 것들은 실시간 광도 기록 값을 활용한다.

• 제어장치: 제어장치는 태양추적 알고리즘을 실행하고 측위 시스템의 움직임을 조정한다.

• 측위 시스템: 측위 시스템은 전지판이나 반사경을 움직여 최적 각도에서 태양을 향하도록 한다. 일부 측위 시스템은 전동식이며 일부는 유압식이다. 전동식 시스템은 인코더와 가변 주파수 구동장치 또는 선형 액추에이터를 사용하여 전지판의 현재 위치를 모니터하고 원하는 위치로 이동시킨다.

• 구동장치/전달장치: 구동장치는 선형 액추에이터, 선형 구동장치, 유압 실린더, 선회 구동장치, 웜 기어(worm gear), 유성기어 및 나사형 스핀들을 포함하고 있다.

• 감지장치: 추적 알고리즘에서 광도를 사용하는 추적기를 위해서는 광도를 읽기위하여 일시계(pyranometer)를 필요로 한다. 압력, 온도 및 습도에 대한 주변조건 모니터링 역시 효율성 및 출력 최적화에 필요하다.

추적기 제어 알고리즘

추적기 제어 알고리즘은 일반적으로 개(open)루프와 폐(closed)루프 제어 사이의 복합방식인 제어전략을 통합하고 있다. 개방 루프 구성품은 태양이 구름에 의해 방해를 받아 피드백 신호를 제거하거나 왜곡시킬 수 있기 때문에 필요하다. 폐 루프 구성품은 설치, 조립, 교정 및 인코더 장착시 가변성으로부터 발생하는 오차의 위험을 줄이는데 필요하다.

폐 루프 시스템은 태양에 지향되어 제한된 시야를 갖는 일련의 렌즈나 센서에 의존하여 태양을 추적하며, 항상 햇빛에 의하여 충분히 조광된다. 태양의 움직임에 따라서 이것은 하나 또는 그 이상의 센서를 가리기 시작한다. 시스템은 이것을 감지하여 모터나 액추에이터를 활성화시켜서 장치를 모든 센서가 다시 동일하게 조광 되는 원래 위치로 움직인다.

개 루프 시스템은 센서를 통하여 물리적으로 태양을 따르지 않고(교정을 위해 센서가 사용될 수 있음) 태양을 추적한다. 이러한 시스템은 일반적으로 장치 모터나 액추에이터를 조절하여 수학공식을 바탕으로 태양을 추적하는 전자식 논리를 바탕으로 하고 있다.

극립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL) 기술보고서(NREL/TP-560-34302, 2008년 1월 개정)는 태양복사 응용분야에서 태양위치 알고리즘을 위한 정보와 코드의 예를 제공한다.

이 보고서는 알고리즘을 수행하여 태양천정각과 방위각을 계산하는 단계별 절차서이다. 로크웰 오토메이션은 이 보고서를 사용하여 추적기 장비를 개발하는 장비제조업체가 작성할 수 있도록 표준 논리 서식을 확립하였다.

수학적 계산이 정확하게 수행되기 위해서는 위치에 해당하는 데이터를 입력하여야 한다. 그 값에는 시간대, 경도, 위도, 압력, 고도, 온도, 표면 경사, 표면 방위각 회전 및 델타 T(지구 회전시간과 지상 시간 사이의 차이)가 포함된다.

지역 변수들이 입력되면 프로그램은 수평회전을 판단하는데 사용되는 방위각과 수직 기울기 또는 고도를 판단하는데 사용되는 천정각을 계산한다. 장비제조업체는 원하는 장비를 사용하여 계산된 각도를 바탕으로 추적기를 정치시킨다.

In Position

태양추적기를 위한 로크웰 오토메이션 제어 구조는 Allen-Bradley® MicroLogix™ 컨트롤러를 기반으로 한다. 이 컨트롤러는 태양전지판, 거울 또는 렌즈를 태양으로 정치하여 태양 에너지를 포착하는데 도움을 준다.
MicroLogix 컨트롤러는 하루 시간에 대해 최적 추적기 위치를 수학적으로 해결하는 측위 알고리즘을 구비하고 있다. 계산 출력은 천정각과 방위각이다. 사용되는 추적기의 종류에 따라서(단축형 또는 이축형) 이각도의 하나 또는 모두를 사용하여 태양광 집속장치를 정치시킨다.

위치 루프(position loop)는 축이 그렇게 구비된 경우에 컨트롤러 또는 드라이브에서 폐쇄될 수 있다. 컨트롤러가 사용되는 경우에는 내장형 고속카운터(High Speed Counter, HSC) 명령어와 MicroLogix 컨트롤러로의 해당 입력이 사용된다.
외부 인코더를 수용하는 드라이브를 사용하면 위치 루프가 해당 드라이브 안에서 관리되도록 한다.
집속형 태양광 분야는 최대의 일정한 출력 발생을 제공하기 위해 보다 정밀한 측위를 필요로 하기 때문에 측위 능력을 가진 드라이브가 종종 사용된다. Allen-Bradley PowerFlex® 드라이브 제품군 중 일부 모델은 위치를 관리하고 유지하는 적절한 기어 박스 감속비와 결합될 수 있는 측위 특성을 제공한다.

태양광 단지에서 많은 추적기 설치를 필요로 하는 분야에서는 추적기를 조정하고 모니터하기 위하여 중앙 컨트롤러가 종종 필요하다. Allen-Bradley ControlLogix® 또는 CompactLogix™ PAC는 이를 만족시키며, 로크웰 오토메이션 통합 아키텍처(Integrated Architecture™)의 능력에 대한 여지를 열어 두고 있다. 통합형 구조 시스템은 복합제어 엔진, 네트워킹, 확장형 시각화 플랫폼 및 효율적인 제품 개발에 필요한 정보 기술을 통합하고 있다.

단일 또는 중앙 컨트롤러는 단지의 각 추적기로부터 핵심 가동 상태에 대한 데이터를 수집한다. 뿐만 아니라, 수집된 데이터는 FactoryTalk® View SE와 같은 SCADA 시스템에 표시될 수 있으며, 경보 및 상태정보는 또한 중앙 위치에 표시되거나 원격으로 접근이 가능하다.

협력의 힘

신뢰를 바탕으로 로크웰 오토메이션과 협력하는 장비제조업체는 태양에너지를 효율적이고 비용 효과적으로 포착하여 변환할 수 있는 기술을 전개하고 있다. 범 국제적으로 인정되는 표준으로 구축된 상용 구성품을 이용하여 장비제조업체들은 엔드유저들에게 경쟁력 있는 가격의 견고한 솔루션을 제공하며, 안전한 원격 접근과 모니터링 및 고장추적 기능을 통하여 운용 및 유지보수비용을 절감할 수 있도록 한다.

로크웰오토메이션 www.automation.co.kr

아이씨엔 매거진 2012년 10월호