회전 반사판을 이용한 태양광발전장치의 발전량 향상

Improvement of the Power Generation of Photovoltaic Generation System using Rotating Reflector

Abstract

기존의 태양광발전장치 중에서 반사판을 갖춘 장치는 태양에너지(일사량)를 태양광 모듈 표면에 집중적으로 입사되는 방식이지만 태양광 모듈을 통해 다시 반사되어 손실되는 태양에너지(일사량)는 고려되지 않는 구조로 되어있다. 또한, 태양광 모듈 주위에 반사판을 설치하여 발전량을 높이는 방안이 제시되고 있지만, 이는 다른 태양광 모듈의 음영에 따른 발전 저하에 영향을 주고 있다. 따라서 이러한 문제점을 개선하고자 본 논문에서는 1) 음영에 따른 태양광 모듈의 발전에 영향을 주지 않으면서 2) 태양광 모듈에서 반사되어 손실되는 태양에너지(일사량)를 회전하는 반사판을 이용하여 태양광 모듈에 다시 입사되는 방법을 연구 및 제안한다. 따라서 손실된 태양에너지(일사량)의 무수한 반사 각도에 따른 태양에너지를 재활용할 수 있는 방법을 통해 태양에너지(일사량)에 대한 손실을 최소화, 동일 일사량에 대한 발전량을 최대화하므로 태양광발전장치의 발전량을 증가시킬 수 있다.

In the existing photovoltaic generation system, the system equipped with the reflecting plate is a method in which solar energy (insolation) is concentrated on the surface of the photovoltaic module. However, the solar energy (insolation) lost by being reflected back through the solar module is not considered. Although a method of increasing the amount of power generated by installing a reflector around the solar modules has been proposed, this affects the power generation degradation caused by the shading of other solar modules. Therefore, in order to improve this problem, in this paper, 1) without affecting the development of photovoltaic module according to the shade, 2) photovoltaic module using a reflector rotating the solar energy (insolation) lost by the solar module Study and suggest how to join again. Therefore, the loss of solar energy (insolation) can be minimized through the method of recycling the solar energy according to the countless reflection angle of the lost solar energy (insolation). As a result, it is possible to increase the amount of power generation of the photovoltaic generation system by maximizing the amount of power generation for the same solar radiation.

Ⅰ. 서론

현재 태양에너지를 이용한 태양광발전장치의 상용화가 급속하게 진행되고 있으며 추가로 일사량에 따른 태양광발전장치의 발전량을 최대화할 수 있는 많은 연구가 이루어지고 있다. 기존의 태양광발전장치 중에서 반사판을 갖춘 장치는 태양에너지(일사량)를 태양광 모듈 표면에 집중적으로 입사되는 방식이지만 태양광 모듈을 통해 다시 반사되어 손실되는 태양에너지(일사량)는 고려되지 않는 구조로 되어있다. 또한, 태양광 모듈 주위에 반사판을 설치하여 발전량을 높이는 방안이 제시되고 있지만, 이는 다른 태양광 모듈의 음영에 따른 발전 저하에 영향을 주고 있다.^[1~2]

따라서 이러한 문제점을 개선하고자 본 논문에서는 1) 음영에 따른 태양광 모듈의 발전에 영향을 주지 않으면서 2) 태양광 모듈에서 반사되어 손실되는 태양에너지(일사량)를 회전하는 반사판을 이용하여 태양광 모듈에 다시 입사되는 방법을 연구 및 제안한다. 그림 1은 태양에너지(일사량) 입사 및 반사 구조를 고려하여 제안된 회전 반사판을 이용한 태양광발전장치의 구조를 보여주고 있다.

그림 1. 회전 반사판을 이용한 태양에너지(일사량) 입사 및 반사

Fig. 1. Incident and reflection of solar energy (insolation) using rotating reflector

회전 반사판에 일차적으로 입사되는 태양에너지(일사량)는 여러 각도로 반사가 되어 다시 태양광 모듈에 이차적으로 입사될 수 있으며 반대로 태양광 모듈에 의해 직접 반사되는 태양에너지(일사량)는 회전 반사판을 통해 태양광 모듈에 다시 입사하는 구조로 이루어졌다. 따라서 태양광 모듈에서 발생할 수 있는 태양에너지(일사량)에 대한 손실을 최소화하며 동일 일사량에 대한 발전량을 최대화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 반사판을 회전하는 방법으로 외부의 전원이 아닌 풍력(바람)을 이용하여 블레이드를 회전시키는 구조로 전기적 손실이 없는 무동력 방식의 회전 반사판을 갖는 태양광발전장치를 제안하였다.

Ⅱ. 기존 태양광발전장치 사례^[4∼5]

그림 2는 반사판을 이용한 저집속 집광형 태양광 발전장치 형상으로 태양광 모듈 위에 반사판을 한 줄씩 설치한 것으로 반사판이 모듈 음영에 영향을 많이 끼치며, 태양의 고도의 영향을 받아서 낮에는 발전량이 증가하지만, 오후 이후부터는 발전량이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

그림 2. 반사판을 이용한 저집속 집광형 태양광발전장치

Fig. 2. Low concentrating photovoltaic generation system using reflector

추적식 태양광발전장치는 기존의 고정식 태양광발전장치를 개선한 제품로 태양을 실시간으로 추적하는 추적 장치를 이용하여 전력을 생산하는 방식이다. 이 방식은 태양에너지(일사량)가 존재할 때는 일사량 센서가 태양의 위치를 추적하여 발전하지만, 비가 오거나 미세먼지 등으로 인한 추적식 제어의 단점을 가지고 있다. 또한, 태양을 추적하여 발전하는 모터 구동으로 인한 구동 전력과 고정식 대비 추가 설치비용을 필요로 하는 단점을 가지고 있다.

그림 3은 각도조절 반사판을 적용한 태양광발전장치의 형상으로 태양광 모듈 옆에 반사판을 설치하여 반사된 태양에너지(일사량)를 태양광 모듈의 전체 면으로 입사시키는 구조로 이루어졌다. 그러나 반사판이 태양광 모듈보다 너무 큰 관계로 바람에 영향을 많이 받고 설치비용이 상승하는 문제점을 가지고 있다.^[3]

그림 3. 각도조절 반사판을 적용한 태양광발전장치

Fig. 3. Photovoltaic generation system with angle control reflector

Ⅲ. 회전 반사판을 이용한 제안된 태양광발전장치

태양광발전장치의 발전량을 높이기 위해서는 태양광 모듈 표면에 입사되는 일사량을 얼마나 오랫동안, 많이 조사될 수 있게 하는 것이 중요하다. “Ⅱ. 기존 태양광발전장치 사례”를 통해 살펴본 내용과 같이 기존제품들의 문제점을 개선하기 위해 그림 4와 같이 회전 반사판을 이용하여 제안된 태양광발전장치 구조와 각부의 형상을 보여주고 있다.

그림 4. 회전 반사판을 이용하여 제안된 태양광발전장치 구조

Fig. 4. Proposed photovoltaic generation system structure with rotating reflector

그림 4(a)는 본 논문에서 제안한 회전 반사판을 이용한 태양광발전장치와 무동력 회전 반사판의 형상을 보여주고 있다. 그림 4(b)는 태양광 모듈에 의해 직접 반사되는 태양에너지(일사량)가 회전 반사판을 통해 태양광 모듈에 다시 입사하는 구조를 보여주고 있다. [태양에너지 입사 및 반사(태양광 모듈) → 반사(회전 반사판) → 입사(태양광 모듈)]로 이루어졌다. 또한, 그림 4(c) 경우 회전 반사판에 일차적으로 입사되는 태양에너지(일사량)가 여러 각도로 반사가 되어 다시 태양광 모듈에 이

차적으로 입사되는 태양에너지의 입사 및 반사 구조를 보여주고 있다. [태양에너지 입사 및 반사(회전 반사) → 입사(태양광 모듈)] 따라서 그림 4에서 설명한 제안된 태양광발전장치 구조를 통해 다음과 같은 기대효과를 얻을 수 있다.

(1) 무동력 회전 반사판이 회전하면서 발생하는 태양 에너지의 무수한 반사 각도가 태양의 고도에 영향을 많이 받지 않는다. 또한, 태양에너지의 직접적인 입사뿐만 아니라 태양광 모듈에 반사되어 손실되는 태양에너지(일사량)까지 이용할 수 있어서 태양광전장치의 발전량을 증가시킬 수 있다.

(2) 무동력으로 회전 반사판을 구동함으로써 별도의 유지보수나 모터 구동으로 인한 전력 손실이 없다.

(3) 바람을 이용하여 반사판을 회전시키는 방식으로 설계되어 추가적인 손실이 없으며 반사판이 회전 하면서 발생할 수 있는 태양에너지(일사량)의 무수한 반

사 각도에 따른 태양에너지를 재활용할 수 있다. 또한, 설치면적을 크게 차지하지 않아 소형화가 가능하여 제한된 가로등, 주택 등에 설치되는 소규모 태양광발전장치에 활용할 수 있다.

그림 5는 제작된 회전 반사판을 이용한 태양광발전장치형상으로 태양에너지(일사량)를 통해 얻은 에너지를 2차 전지에 저장하여 활용할 수 구조를 그림 5(a), 태양광 모듈의 음영을 고려하여 회전 반사판의 높이 및 설치 각도조절 기능을 적용한 그림 5(b), 풍력(바람)을 이용하여 무동력 구조로 추가 전력 손실이 없게 설계된 무동력 회전 반사판을 그림 5(c)에서 각각 보여주고 있다.[6] [6]

그림 5. 제작된 회전 반사판을 이용한 태양광발전장치

Fig. 5. Manufactured photovoltaic generation system using the rotating reflector

그림 6은 본 논문에서 회전 반사판을 이용하여 제안된 태양광발전장치의 발전량을 확인하기 위해 회전 반사판 적용 여부에 따른 태양광 발전전압값의 비교결과를 보여주며 표 1은 적용된 태양광 모듈의 사양을 나타내고 있다. 그림6에서 태양광 발전장치에 입사된 빛은 발전장치에서 반사판으로 재반사된다. 재반사된 빛은 X축의 반사판 설치각도에 따라서 포화되는 현상이 발생하였다. 이는 회전반사판의 설치 각도에 의해 회전반사판 미작용보다도 발전량이 증가하였다. 반사되는 빛은 회전반사판에서 태양광모듈로 모두 재반사되지 않고 일부는 그냥 지나치기 떄문이라 사료된다.

그림 6. 회전 반사판 적용 여부에 따른 태양광 발전전압 비교

Fig. 6. Comparison of photovoltaic power generation voltage with and without rotating reflector

 

표 1. 태양광 모듈 사양

Table 1. PV Module Specification

그림 5와 같이 제작된 태양광발전장치를 이용하여 설치된 태양광 모듈의 각도에 따른 반사판 작용&반사판 미 작용에 대한 각각의 실험 결과를 통해 회전 반사판을 적용시 발전전압이 약간의 차이를 두고 더 발전되는 결과를 보여주고 있다. 이는 본 실험에서 적용한 태양광 모듈의 정격 용량이 25W로 저용량모듈에 따른 결과로 중대용량 적용 시 본 실험 결과보다 많은 발전전압의 차이가 발생할 것으로 고려된다.

또한, 반사판 작용&반사판 미작용에 대한 발전전압의 차이는 회전 사판을 통하여 태양광 모듈에서 반사되어 손실되는 태양에너지(일사량)까지 재활용을 통한 발전량의 차이로 해석할 수 있다. 따라서 제안한 태양광발전장치를 통해 태양광 모듈의 발전 손실을 줄이며, 풍력(바람)을 이용하는 무동력 구조로 추가 전력 손실 없이 발전량을 최대화할 수 있다.

그림 7과 같이 기존 태양광 가로등에 사용되는 고정식 태양광발전장치에 추가로 제안한 무동력 회전 반사판을 내용을 적용한다면 태양광 모듈에서 손실되는 일사량을 재활용함으로써 발전량을 최대화할 것으로 사료된다. 또한, 풍력(바람)을 최대한 활용할 수 있는 산이나 해안가, 현재 많이 개발하고 있는 염전에 설치되는 태양광발전장치에 유리하게 작용할 것으로 본다.

그림 7. 회전 반사판을 이용한 제안된 태양광발전장치 적용

Fig. 7. Application of proposed photovoltaic generation system using rotating reflector

Ⅳ. 결론

회전 반사판을 이용한 태양광발전장치의 발전량 최대화 목적으로 태양에너지(일사량)의 입사 및 반사 구조를 활용하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

1) 태양광 모듈의 발전 손실을 줄이기 위해 태양광 모듈로부터 반사되어 나가는 태양에너지(일사량)를 회전 반사판에 의해 다시 태양광 모듈에 입사 및 회전하는 반사판을 이용해 반사된 태양에너지(일사량)를 태양광 모듈에 입사할 수 있는 구조로 발전량을 최대화할 수 있다.

2) 손실된 태양에너지(일사량)의 무수한 반사 각도에 따른 태양에너지를 재활용할 수 있다.

3) 무동력으로 회전 반사판을 구동함으로써 별도의 유지보수나 모터 구동으로 인한 전력 손실이 없다.