쌍입력 기술함수를 이용한 태양광 트래킹 시스템에 관한 연구

Abstract

오늘날 현대 사회는 경제성장과 더불어 에너지의 사용이 지속적으로 증가하는 추세에 있으며, 무분별한 화석연료의 사용으로 인한 자원의 고갈문제, 유가 상승 및 지구 온난화 현상과 관련된 세계적인 환경 영향으로 인해 화석연료의 사용 억제뿐만 아니라 보다 친환경적인 신·재생에너지의 개발 및 사용의 중요성이 새롭게 인식되고 있다. 다른 에너지원에 비해 신·재생에너지는 초기에 과다 투자가 요구되는 큰 장애요인에도 불구하고 우리나라는 물론 선진 각국에서도 이에 대한 과감한 연구 개발과 보급 정책 등을 추진해오고 있다. 신·재생에너지원으로는 태양열, 태양광, 풍력, 조력, 파력 및 연료전지 등의 많은 부분이 있으며, 현재 연료전지, 풍력 및 태양광에너지의 활용에 보다 많은 노력을 쏟고 있는 실정이다.[1~5] 태양광 에너지는 대체 에너지로써 사용의 편리함과 무공해 에너지라는 장점이 부각되어 점점 사용이 증가되고 있으며, 현재 적용되고 있는 태양광 에너지 시스템은 태양광 에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 태양전지를 사용하고 있다. 그러나 태양전지는 에너지 변환효율이 낮고, 전기에너지를 다시 사용가능한 전원으로 변환시키는 전력변환 장치가 요구된다. 본 연구에서는 태양광을 전기에너지로 변환하지 않고 이를 집광한 후 광화이버를 통하여 전송한 후 광을 직접 조명에 활용하는 태양광 조명시스템에 대하여 기술한다. 태양광 조명시스템은 직접 태양광을 이용하기 때문에 집광시스템은 효율적인 측면에서 태양의 궤적을 반드시 추적하는 시스템이 되어야 한다. 태양 추적 방식에는 크게 두 종류가 있으며, 광학적 방식과 천문학적 방식이다. 광학적 방식은 추적 장치에 설치된 광센서의 광량을 비교 분석하여 항상 빛이 많은 쪽으로 추적장치가 움직이도록 하는 방식이며, 천문학적 추적방식은 시스템이 설치된 지역의 위도와 경도를 바탕으로 시간에 따라 계산하여 태양을 추적하는 방법이다. 그러나 광학적 추적방식은 센서에 의해 움직이므로 일정 각도가 벗어난 경우 정확한 태양추적이 되지 않는 단점이 있으며, 천문학적 추적방식은 누적오차나 외란 등에 의해 효과적인 집광이 곤란한 경우가 발생하는 단점을 가지고 있다. 본 연구에 사용되는 시스템은 집광판의 기본 궤적은 천문학적 추적방식을 바탕으로 하고, 외란에 의해 예측되는 미세한 동작은 광학적 추적방식을 적용하여 효율적인 집광이 되도록 집광판을 각각 개별로 제어한다. 이는 천문학적 추적방식에 의한 프로그램에 의해 항상 집광에 근접한 위치를 먼저 찾아가므로 야간이나 장시간 동안 태양이 나타나지 않은 경우도 지속적인 태양추적이 가능하고 이물질에 의한 오동작을 일정범위 내에서 제한할 수 있으며, 프로그램이 비교적 간단하면서도 정확한 태양의 위치 추적이 가능하고 오류도 적어지는 장점이 있다. 시스템은 외란에 대한 효율적인 집광을 위하여 광학적 추적방식에 쌍입력 기술함수(DIDF: Dual-Input Describing Function)를 적용한 제어시스템으로 구성되며, 시뮬레이션 및 실험을 통하여 향상된 태양광 추적 시스템이 되도록 한다. 본 논문은 제 2장에서는 태양 추적 장치의 구성에 대하여 기술하고 제 3장에서 전통적인 기술함수를 확장하는 형식의 쌍입력 기술함수(DIDF: Dual-Input Describing Function)에 관하여 기술한다. 제 4장에서는 시스템에 대한 시뮬레이션을 하였으며 ,5장에는 실험 및 고찰을 하고 그 결과를 바탕으로 제 6장에서 결론을 맺었다.