Labview를 이용한 고정도 태양 추적 장치에 관한 연구

Abstract

화석 에너지의 고갈과 환경오염에 대한 문제 그리고 고유가 시대에 접어들면서 신재생 에너지 개발의 관심도가 높아지고 있다. 신재생 에너지 개발은 국내 시장과 국제 시장에 이르기 까지 그 시장이 점차 성장하고 있으며 21세기의 주요 에너지로 선정되었고 최근 EU(유럽 연합회)에서는 신재생 에너지 비율을 20%까지 활용 결의안을 채택하고 지구 온난화 방지하는 시점에 경제적이고 안전하며 친환경적인 대체 에너지원인 태양광을 이용한 태양 추적 시스템을 연구하였다.[1] 태양 추적 시스템은 중·고온 태양열 활용 시스템과, 실내 조명장치 등의 태양광 집광 장치에 사용되고 있으며 태양에너지의 이용 효율을 극대화하기 위해서 태양 추적 시스템의 연구가 국내외적으로 연구되어지고 있다.[2] 태양 추적 방법은 천문학적 알고리즘 제어방식과 태양광 센서를 이용한 방식 등이 있다. 천문학적 알고리즘 제어방식은 설치지역의 위도와 경도를 년, 월, 일, 시간에 따라 계산하여 태양과 최적의 각(90도)을 항상 이루도록 하는 방법이다. 광학적 방식의 추적기는 센서에 의해 움직이므로 흐린 날이나 태양이 구름에 가려진 경우 정확한 태양추적이 되지 않는 단점이 있으며, 그 점을 보완하기 위해 천문학적 계산에 의해 정확한 위치를 추적하는 방식을 사용할 수 있다. 천문학적 방법으로 태양의 위치를 추적하므로 장시간 동안 태양이 나타나지 않은 경우도 추적이 가능하고 프로그램이 비교적 간단하면서도 정확한 태양의 위치를 추적 가능하고 오류도 적어지는 장점이 있다. 반면에 강한 바람에 의하여 구동모터에 장착된 감쇠기의 백래쉬(backlash)가 발생할 수 있으며 추적시스템의 초기 위치가 정확해야 한다는 단점이 있다.[3] 본 연구에서는 천문학적 알고리즘 제어 방식을 사용하며 PI와 PID 제어기 설계에 따른 출력 응답과 바람과 같은 외란에 의한 시스템 성능 저하에 따른 칼만필터를 사용함으로서 외란에 의한 출력응답의 변화를 억제 시킨다.[4]. 그러나 대부분의 경우 시스템에 가해지는 외란의 크기나 주파수 특성을 정확히 알기 어렵다. 이런 경우 회전하는 물체에 엔코더나 타코미터 등의 센서를 이용하여 외란의 주파수 특성을 계측한다. 외란이 발생하는 위치에 센서가 위치한다면 외란의 특성을 추정 할 수 있을 것이다. 광학적 센서에 의한 태양추적시스템의 단점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 천문학적 알고리즘을 이용한 태양추적시스템에 대하여 연구 하였다. 따라서 본 연구에서는 태양추적시스템을 구현하고 천문학적 알고리즘을 Labview로서 계산하여 방위각 및 고도각을 추정 계산한다. 계산되어진 방위각 및 고도각은 RS-485의 통신을 통하여 구동장치의 입력으로 전송된다. 전송되어진 방위각, 고도각은 방위각 구동장치와 고도각 구동장치의 입력으로 인가되어 태양의 위치를 추적하도록 한다. 본 연구에서는 정밀한 제어를 하기 위하여 PI 및 PID 제어를 하였다. 시스템을 구현하고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 타당성을 고찰하였다. 제 1장에서는 본 연구의 연구배경 및 목적을 서술 하였다. 제 2장 에서는 태양추적장치의 구성 및 천문학적인 알고리즘을 이용하여 방위각 및 고도각을 추정 계산하였다. 그리고 이 시스템의 모델링을 나타내었다. 제 3장에서는 PI 및 PID 설계기법과 외란에 대한 보상법을 설계하고 제 4장에서는 구현한 모델링을 토대로 한 시뮬레이션 제 5장 실험 및 고찰로서 질적 시스템구현과 그 결과에 대한 응답을 비교하였다. 6장에서는 구현한 태양추적장치의 성능에 대하여 고찰 , 평가 및 응용에 대하여 결론을 맺었다.