A Study on Modeling of Tracking-Type Floating Photovoltaic System based on Matlab/Simulink

매틀랩/시뮬링크 기반 추적식 수상태양광 발전시스템의 모델링에 관한 연구

Abstract

Floating photovoltaic systems have been developed by the construction process such as design, construction, operation and management. Therefore, the power of floating photovoltaic systems has been calculated by using simple formulas and the optimal tracking interval is set by operation experience. But, flow characteristics have a decisive effect on it unlike land based PV systems. In this paper, a tracking floating photovoltaic system is modeled by using Matlab/simulink. The modeling for the floating photovoltaic system is verified through applying the flow characteristics based on actual operating data of 100㎾ class tracking floating photovoltaic.

1. 서 론

Energy Statics Yearbook(2010년)에 의하면 세계에서 사용되고 있는 에너지는 화력발전이 약 68.7 %, 원자력 발전이 약 12.8 % 그리고 수력발전 등이 나머지를 차지하고 있다[1]. 이렇듯 전기에너지는 대부분 화력발전이나 원자력발전에 의존하고 있으며 전 세계적으로도 화석연료의 고갈과 온난화 현상을 저감하고자 친환경적인 에너지 사용이 급부상하고 있다. 친환경적인 에너지로 고려되고 있는 대체에너지의 종류로는 풍력, 수력, 파력, 태양광 등이 거론되고 있지만 그 중에 가장 크게 관심을 두고 있는 에너지는 태양광을 사용하여 에너지를 생산하는 태양광 분야이다. 태양에서 복사형태로 공급되는 태양에너지는 1×1018 ㎾h/㎡로 전 세계 에너지 요구량의 약10,000배에 해당하는 것으로 현재인류가 필요로 하는 총 에너지량의 0.01 %에 해당된다[2]. 에너지 사용량의 98 %를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 현실에서도 태양광발전의 중요성은 매우 크다고 할 수 있다. 이러한 에너지수입 의존도를 줄이고 환경적인 문제를 어느 정도 해결할 수 있는 방안의 하나로 국내에서는 댐 및 저수지의 수면을 활용한 수상태양광 개발을 추진하고 있으며 국내의 경우 저수지 수면의 5%를 활용하더라도 약 4,200㎿의 태양광 발전시설을 건설 할 수 있다[3]. 현재 합천댐에 100㎾급 실증플랜트를 설치하여 검증과정을 거- 500㎾급 상용화 플랜트를 운영 하고 있고 추풍령저수지에는 2㎿급 시설이 설치되어 운영 중이다.

육상태양광과 마찬가지로 발전생산량을 최대화하기 위해서 추적식 제어방식을 적용하여 설치되고 있으며 반월저수지에 최초로 10㎾급을 설치하였고 합천댐에는 태양광모듈을 지지하고 있는 하부 구조체를 회전시키며 추적 제어하는 100㎾급을 설치하여 운영하고 있으나 구조체가 고정되어 있지 않아 변위변동이 바람 등 환경적 영향에 의해 발생되고 있다.

현재까지 수상태양광은 설계, 시공, 운영관리의 건설프로세스에 의해 개발되어 왔다. 따라서 유동특성에 의해 수상태양광 발전량에 미치는 영향이나, 최적 추적 주기선정 등에 대해 간단한 계산 및 경험에 의해 예측, 설정하고 있는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 Matlab/simulink를 이용하여 추적식 수상태양광을 모델링하고, 합천댐 100㎾급 추적식 수상태양광의 실측 운영데이타에 근거한 유동특성을 적용하여 수상태양광 모델링을 검증하고자 한다.

 

2. 수상태양광 현황

수상태양광의 역사는 그리 길지 않다. 국내·외적으로 2007년도 이후부터로 최초의 수상태양광은 2007년 7월에 SPG solar社가 포도 농장으로 유명한 미국 캘리포니아 나파밸리 Far Niente 농장 저수지에 194㎾를 설치한 것이 처음인 것으로 알려져 있다.

국내의 경우는 2009년 2월에 한국농어촌공사에서 ㈜쏠라비전을 통해 당진의 석문저수지에 2.8㎾를 처음으로 설치하였으며, 그해 8월 K-water에서 주암다목적댐에 2.4㎾ 파일롯 플랜트용 수상태양광을 설치하였고, 2011년에는 고정식으로 합천다목적댐에 100㎾급 실증플랜트를 설치하여 검증과정을 거쳐 고정식 500㎾급 상용화 플랜트를 운영 중에 있다[4-6]. 2013년에는 동서발전 에서 당진화력에 1,000㎾를 설치하였으며, 농어촌공사에서는 청호저수지에 30㎾ 및 달성지구에 200㎾를 설치하였다.

앞으로 수상태양광의 개발 전망은 매우 높다고 전망된다. K-water의 다목적댐 저수지와 농어i공사 및 지자체 소유의 저수지를 대상으로 한 우리나라의 수상태양광 개발 잠재량은 표 1에서와 같이 저수지 수면 68.8㎢의 5 %만 활용하더라도 4,170㎿의 설비를 건설할 수 있는 규모이다[4]. 이는 100만㎾급 원전 4기에 해당하는 것으로 화석연료로 인한 온실가스 배출이나 원전과 같이 방사성물질의 위험성이 전혀 없어 지구온난화 저감을 위해 적극적인 개발이 필요하다. 이에 정부에서도 수상태양광에 대한 신재생에너지인증서(Renewable Energy Certificate) 가중치를 1.5 배로 인정하는 정책을 통해 수상태양광 개발 활성화를 적극적으로 유도하고 있다.

표 1수상태양광 개발 잠재량 Table 1 Development Potential of Floating Photovoltaic System

정부의 이러한 개발 활성화 정책에도 불구하고 개발을 위해 가장 큰 난관은 육상태양광 대비 1.5배에 달하는 원가문제를 해결하는 것이다. 원가문제를 해결하기 위해 부력재와 구조체 소재에 대한 다양한 시도가 이루어지고 있으며, 원가절감 뿐 아니라 발전량 증대를 통한 수익을 증대시켜 경제성을 확보하고자 하는 노력을 병행하고 있다. 이에 육상에서와 같이 태양을 추적할 수 있도록 추적식 수상태양광 시스템 개발이 추진되고 있다. 이를 위해 국내에서는 처음으로 반월저수지에 10㎾ 실증용 추적식 수상태양광이 설치되었고 K-water에서는 추적식으로 100㎾급(25㎾급 4개 그룹)을 설치하여 최대발전을 통한 경제적 타당성에 대한 근거를 확보함으로서 개발활성화에 기여하고자 노력하고 있다. K-water의 25㎾급 4개 그룹에 대한 추적식 중 2개 그룹은 모듈 경사각을 고정식으로 하고 다른 1개 그룹은 모듈경사각을 수동으로 가변 할 수 있도록 하였으며 나머지 1개 그룹은 모듈경사각이 자동으로 가변되도록 설치하여 발전량을 비교검토 중에 있다. 하지만 이들 추적식 수상태양광의 추적제어 방식은 기존의 육상 태양광 추적제어방식을 적용하고 있어 수상환경에 적합한 새로운 추적제어 알고리즘 개발이 필요하며, 또한 이를 플랜트 적용전에 시뮬레이션으로 검증 할 수 있는 수상태양광 모델링이 필요한 실정이다.

그림 1추적식 수상태양광 설치 전경 Fig. 1 View of Tracking-Type Floating Photovoltaic System

 

3. 추적식 수상태양광 설계·시공

3.1 추적식 수상태양광 발전시스템의 개념

추적식 수상 태양광발전 시스템은 “수상” 태양광발전 시스템과 “추적식” 태양광발전 시스템의 결합으로 볼 수 있다. 태양광의 입사각이 모듈면에 직각으로 입사할 때 가장 효율이 좋기 때문에 추적식 시스템은 태양광발전의 효율을 최대로 하기 위한 방법으로 태양광이 항상 태양전지판에 수직으로 입사될 수 있도록 구동장치 및 광센서 등을 이용하여 태양의 방향을 추적하는 방식이다[6-8].

지상에서 사용하고 있는 추적식 시스템은 한 개의 추적장치 (트래커)를 통해 구동할 수 있는 태양광모듈이 한정적(3㎾이내)이며 잦은 고장으로 인하여 활용이 제한적이다. 이러한 이유는 한개의 회전점에서 캔틸레버로 구조물을 설치해야하고, 캔틸레버 길이가 자중 및 외력 등의 영향으로 제한되기 때문에 단위 모듈용량을 크게 할수록 구조물의 비용이 커지는 단점이 있다.

그러나 수상 부유식 태양광발전에서는 구조물의 자중을 포함한 외력은 중력방향으로 부력체를 통하여 수중으로 전달되기 때문에 중력방향에 대해 저항할 수 있는 구조체의 길이는 지상형에 비해 비교적 자유롭게 설치할 수 있다. 또한 수상에 부유하고 있기 때문에 단위 회전용량(20㎾이상)이 커도 작은 에너지로 회전이 가능하므로 수상 부유식 태양광시스템에 추적식을 적용할 경우 육상 추적형 보다 구조를 간단하게 할 수 있어 고장발생 확률이 줄어 더 효율적일 수 있다.

3.2 추적 시스템의 설계 및 시공

추적식 수상태양광 실증플랜트는 그림 5(a)와 같이 두 개의 경사 고정형 회전체와 한 개의 수동 경사 가변형 회전체, 한 개의 자동 경사 가변형 회전체 등 총 4개의 회전체로 설계 및 시공하였다. 각각의 회전체는 25kW의 발전용량을 가지고 있다. 방위각을 추적하기 위한 수평회전 개념도는 그림 5(b)와 같다 [6-8]. 구동장치는 각각 1기씩 총 4개의 모터가 장착되어있으며 회전축이 각각의 중심부에 위치해 있다.

본 추적식 수상태양광 발전시스템은 각 회전체 안에 트래킹에 필요한 정보(위치, 환경요소) 및 태양광 발전 원격감시에 필요한 정보를 구조체 내부 센서들의 데이터를 수집하여 최적 발전량을 얻을 수 있도록 제어하고 육지의 중앙통제실 PC로 정보가 전송되도록 구성되어 있다[9].

그림 2추적식 수상태양광 시스템 개요 Fig. 2 Concept of Tracking-Type Floating Photovoltaic System

태양광 발전은 일출 후로부터 시작하여 일몰 시간까지 태양광을 받아 태양에너지를 전력으로 변환시키는 것이다. 발전효율을 극대화하기 위하여서는 집광판을 일출로부터 일몰까지 일조방향에 직교하도록 정렬하는 것이 요구된다. 그러나 실질적인 발전가능시간은 발전설비의 설치 위치의 국지적인 특성과 계절에 따라 다르므로 대체로 일출 시 부터 일몰 후 발전량이 소멸되는 시점까지 집광판의 방향을 제어하게 된다. 집광판의 방향은 태양의 고도를 매 순간 간단한 관계식으로 구할 수 있으므로 이에 맞추어 집광판의 방향을 제어하게 된다. 그런데 일조 방향은 대체로 시간당 15ﾟ정도의 각 변화를 일으키며 그에 따른 투광면적의 변화는 3%정도이므로 매 10분마다 집광판이 태양을 향하도록 집광판의 경사방향을 측정하고 계산으로 구하여지는 해당 시간의 이상적인 일조방향과의 차이를 수정하는 것을 제어의 기본으로 한다.

 

4. 추적식 수상태양광 모델링

4.1 Matlab/Simulink 모델링

수상태양광 시스템의 경우 계류시스템이 적용되었음에도 불구하고 바람과 같은 외부환경요인은 고정위치로부터 일정범위 내에서 전체 구조물을 이동 및 회전을 일으키는 원인으로 작용되어 결과적으로 태양광모듈의 방위각 변화를 주게 된다. 특히 저수지와 같은 수상환경에서는 그림 3의 고정식 모듈의 방위각 실측결과에서 보여주는 것과 같이 시간대별 변화되는 방위각 오차는 일정한 패턴을 가진다.

그림 3유동에 따른 월별 구조체 최대/최소 변위각 크기 및 일일 변위각(12.18) Fig. 3 Max. & Min displacement angle of structure by flow characteristics

이와 같이 수상태양광 시스템의 경우 육상태양광 시스템과 달리 바람과 같은 외부환경요인의 변화에 의한 방위각 오차가 상대적으로 크게 작용할 수 있기 때문에 천문추적식 방법보다는 센서제어식 방법이 발전효율적인 측면에서 유리하다. 그러나 센서제어식 방법의 경우에 있어서도 이러한 외부환경요인에 의한 시간대별 방위각 변화와 태양추적을 위한 제어방법 및 제어주기에 따라 발전효율에 대한 영향이 다르게 나타날 수 있다.

본 논문에서 제시한 센서제어식 수상태양광시스템에 대한 시뮬레이션 모델은 그림 4와 같이 태양의 궤도에 따른 태양의 방위각 변화와 태양광모듈의 현재 방위각 정보를 기준으로 태양추적센서로 부터 출력되는 신호를 계산하고 각 센서의 출력신호의 변화는 PID제어기의 제어입력으로 사용되어 최대일사량 추적을 위한 보정출력을 발생하는 형태로 구성된다. 특히 실제 수상환경에서의 방위각변화에 따른 응답특성을 분석하기 위하여 고정식 모듈로 부터 측정된 일일 방위각 변화에 대한 실측데이터를 이용하여 시간대별 방위각 오차 입력을 적용하였다.

그림 4추적식 수상태양광 시스템 모델링 Fig. 4 Modeling of Tracking-Type Floating Photovoltaic System

태양의 궤도에 따른 태양의 방위각을 측정하기 위한 태양 추적 센서모듈은 그림 5와 같이 수평방향(접선방향)을 기준으로 좌우에 위치한 광량 측정센서로 구성된다. 센서별 출력되는 신호는 이상적인 상황에서 태양과 법선방향일 때 센서모듈에 구성된 각 센서는 동일한 값을 출력한다. 그러나 법선방향과 일치하지 않는 경우 법선을 기준으로 변화된 방위각에 따라 센서출력신호는 상대적인 차이가 발생하게 된다. 태양 추적 센서모듈에 대한 시뮬레이션 모델은 그림 5와 같이 구성되며 각 센서 입력단에 가우시안 노이즈를 적용하여 센서오차 및 측정시스템에 대한 계측오차를 반영하였다.

그림 5태양광 추적 센서모델 Fig. 5 Solar tracking sensor model (STS Calculation)

4.2 시뮬레이션 결과

수상태양광시스템의 응답특성과 발전효율에 대한 시뮬레이션은 일일태양각의 변화를 기준으로 고정식 수상태양광모듈에서 실측된 일일 방위각 오차변화의 입력조건에서 각 제어주기별 태양추적센서 입력변화에 따른 태양추적 응답특성과 효율을 분석하는 방법으로 수행하였다. 그림 6, 그림7, 그림8 제어주기별 응답특성분석 결과에서 보여주는 것과 같이 실측된 수상환경에서의 방위각 오차입력 조건에서 실시간 변화에 따른 흔들림은 발생하였지만 전반적인 최대일사량 추적성능은 안정적인 응답특성을 나타내었다. 제어주기별 추적효율은 표 2에 나타낸 것과 같이 10분의 경우 99.9%, 30분 제어의 경우 99.4%, 60분 제어의 경우 98.5%로 태양추적을 위한 구동장치의 전력소비량 등을 고려하였을 때 30분 이내로 제어주기를 설정하여도 발전효율에는 큰 영향이 없는 것으로 확인하였다.

표 2수상태양광의 제어주기별 추적효율 분석 Table 2 Tracking Efficiency Analysis of Floating Photovoltaic System by Control interval

그림 6수상태양광시스템의 제어주기별 태양방위각 추적 시뮬레이션 결과 (제어주기 = 60분) Fig. 6 Simulation result of Tracking-Type Floating Photovoltaic System (Control interval=60 min, Azimuth tracking)

그림 7수상태양광시스템의 제어주기별 태양방위각 추적 시뮬레이션 결과 (제어주기 = 30분) Fig. 7 Simulation result of Tracking-Type Floating Photovoltaic System (Control interval=30 min, Azimuth tracking)

그림 8수상태양광시스템의 제어주기별 태양방위각 추적 시뮬레이션 결과 (제어주기 = 10분) Fig. 8 Simulation result of Tracking-Type Floating Photovoltaic System (Control interval = 10 min, Azimuth tracking)

그림 9추적식 수상태양광시스템의 제어주기별 최대일사량 효율 Fig. 9 Maximum Radiation Efficiency of Tracking-Type Floating Photovoltaic System by Control interval

 

5. 결 론

본 논문에서는 수상태양광의 국내외 현황에 대해 조사하였으며, Matlab/simulink를 이용하여 추적식 수상태양광을 모델링하 였다. 합천댐 100㎾급 추적식 수상태양광의 실측 운영데이타에 근거한 유동특성을 시뮬레이션에 적용하여 수상태양광 모델링의 유용성을 검증하였다. 향후 본 연구에서 제안한 모델링을 이용해 수상태양광 건설 기본계획 수립 시 유동특성 및 일사량 변화 등 환경변수 등을 고려한 사전 시뮬레이션이 가능할 것으로 판단되며 그 활용도가 높을 것으로 기대된다.