1. 서 론

에너지 하베스팅(Harvesting) 기술은 미국과 유럽이 기술 개발을 선도하고 있으나, 전 세계적으로 기술도입 단계에 있으므로 국내 기업의 역량 집중을 통해 하베스팅 관련 우수기술을 확보하고 세계 시장에서의 선점을 위한 국가 차원의 투자가 필요하다. 에너지 하베스팅 기술을 통해 사용할 수 있는 전력 수준은 수 W급 이하의 저전력으로 응용이 제한적이지만, 몇 년 이상의 장기간에 걸쳐 수확된 에너지가 제공하는 단위 시간과 단위 면적당 제공할 수 있는 에너지 비용의 측면에서는 현재 사용되고 있는 배터리와 비교하여도 상당한 대체 의미가 있을 수 있다^(1,2).

따라서 본 논문에서는 전압체결 증폭조정 및 에너지 저장 기술을 통한 일출, 일몰 낮은 일조량 구간의 태양광 발전량 증대 연구로 인버터 동작 최저전압 인접에서의 전압체결 방식을 개발, 변환함으로 소멸하는 전력을 회수하여 발전량을 개선하고자 한다. 또한 태양광 모듈 전압 직·병렬 가변 접속 변환 기술을 통하여 인버터 동작 최저전압 아래에서도 전력 생산시간을 연장하여 발전량을 증대시키고자 한다.

2. 에너지 하베스팅에 따른 발전량 ^(3,4)

(1) 맑은 날과 흐린 날의 태양광발전 분석

그림 1(a)에서 일출과 일몰 전후 ±2시간의 태양광발전시스템의 발전효율은 극히 낮으며, 원인은 일사량의 부족과 발전을 진행하면서 모듈에서 공급되는 전력을 인버터에서 거의 다 소모하고 있다. 반면에 비가 오거나 구름이 많은 날에는 그림 1(b)와 같이 인버터의 소모 전력은 태양광 발전 시스템의 생산성에 많은 부분을 감소시키고 있다. 따라서 실제 모듈에서 발생한 전력량과 인버터가 한전에 공급한 전력량에서 차이가 발생하며 이는 인버터 내부의 전력변환 과정을 통해 발생한 손실 전력량이다. 그림 1(b) 빨간색 영역이 인버터에서 소모하는 전력으로 하늘색 영역의 30% 정도로 태양광 모듈에서 생산된 전기의 30%를 전력변환 시 소비한 결과를 볼 수 있다.

(2) 용량별 인버터의 실제 운영 소모 전력량 분석

그림 2(a)에서 A사의 인버터를 사용하였을 경우 태양전지 출력 19.8kW, 인버터 출력 18.3kW로 인버터에서 전력 소모량 1.6kW가 발생하여 전체 시스템 92.42%의 효율을 보여주고 있다. 또한 그림 2(b)에서 B사의 인버터를 사용하였을 경우 태양전지 출력 1,433W, 인버터 출력 1,275W로 인버터에서 전력 소모량 158W가 발생하여 3kW급 인버터의 경우 자체 소모전력은 120~200 W/h 수준으로 100kW의 경우 4~8kW를 전력 소모가 발생하는 것을 예상할 수 있다.

3. 날씨에 따른 에너지 하베스팅을 통한 태양광 발전량 증대

일출, 일몰, 흐린 날 등 저전력이 발생하는 영역에서는 태양광 인버터로 인하여 발생하는 전력 소비를 줄이면서 태양광 발전량 증대를 위해 발전량 구분에 따른 영역별 에너지 하베스팅을 적용할 수 있는 기술을 다음과 같이 분석하였다.

1) 그림 3(a)에서 ③구간은 정상 일조량 구간으로 3(b)와 같이 동작한다. 또한 ①, ⑤구간은 눈, 비가 오는 날이나 맑은 날(흐린 날 포함) 일출, 일몰 시 저전력이 발생하는 영역이다. 따라서 태양광 인버터로 인하여 발생하는 전력 소모를 줄이기 위하여, 배터리를 사용하여 발생하는 전기를 저장하도록 하여 에너지 하베스팅을 적용할 수 있다.

2) 그림 3(a)에서 ②, ④구간은 맑은 날에 비해 흐린 날씨에 전력 생산 Loss가 발생하는 형태로 에너지 하베스팅이 필요한 구간이다. 이때 태양전지 모듈 그룹은 5(c)와 같이 최적의 전압, 전류 상태로 되기 위해 제어 신호를 통해 모듈 그룹의 전압이 직렬로 접속 상태를 변경 및 연결하게 하여 인버터가 동작할 수 있다.

3) 그림 3(a)에서 ①, ⑤구간은 눈, 비 오는 날이나 맑은 날(흐린 날 포함) 일출, 일몰 시 저전력 생산으로 인해 인버터로 인하여 발생하는 전력 소모를 줄이기 위해, 태양광 모듈에서 배터리를 사용하여 발생하는 전기를 저장함으로써 에너지 하베스팅을 적용할 수 있다.

이러한 분석된 내용을 기반으로 그림 3(a)의 ① ⑤, ② ④구간에서 스위칭 제어를 위해 설계 및 제작을 통해 태양광 발전량 증대를 위한 에너지 하베스팅을 구현하였으며 구간별 날씨에 따라 인버터 적용 기능을 그림 4과 같이 적용하였다.

또한 그림 5은 본 논문에서 연구한 태양광 발전량 증대를 위한 에너지 하베스팅 적용시스템으로 발전효율 모니터링시스템, Low power 에너지 하베스팅용 ESS, 저전압 검출부, 저전압 에너지 하베스팅 모듈 등으로 구성하였다.

4. 태양광 발전량 증대를 위한 에너지 하베스팅을 적용한 시스템 연구 ^(5,6)

(1) 저전압 발전 검출부 개발

250~500V 전압 인가시 전압분배로 전압 강하 회로설계

(2) 전류 상태 검출부 개발

저항값/전압계측을 통한 전류 측정부 회로설계

태양광 발전량 증대를 위한 에너지 하베스팅 적용시스템을 구현하기 위해 그림 6~7은 저전압 발전 검출부로 250~500V 전압 인가시 전압분배에 따른 3CH 전압 계측용 저항 회로설계 부분과 계측 전압 OP Amp를 통한 신호 변환 회로설계 부분을 각각 보여주고 있다. 또한 그림 8~9는 전류 상태 검출부 회로설계로 저항값/전압계측을 통한 전류 측정부 회로설계와 계측 전류값 OP Amp를 통한 신호 변환 회로를 각각 나타내고 있다. 또한 메인 전원 및 MCU부 설계 및 제작을 위해 전원부 설계 및 32bit Arm Cotex MCU 구동부를 그림 10~11과 같이 적용 및 설계하였다.

(3) 메인 전원 및 MCU부 설계 및 제작

메인 전원부(12V 입력 → 5V, 3.3V 전원 설계)

(4) 발전량 모니터링을 통한 하베스팅 동작 로직회로

스위칭 기능 및 제어 프로토콜을 통한 제어 형태에 따라 동작 로직 구성

그림 12는 발전량 모니터링을 통한 하베스팅 동작을 위해 설계된 로직 회로로 스위칭 기능 및 프로토콜을 통한 제어 형태에 따라 발전량을 비교하여 사용된 SSR(Solid State Relay )을 제어하여 발전량을 증대할 수 있도록 구성하였다.

(5) 저전압 에너지 하베스팅 모듈 개발

이중 릴레이 구조 설계를 통한 기존 전력 차단 없이 쉽게 체결 이 가능하고 저전압 검출부로부터 수신된 전압값을 기반으로 SSR 제어 및 SSR 복귀 때 릴레이 지연시간 설정이 가능할 수 있도록 그림 13과 같이 다채널 SSR 제어 및 Relay 제어 모듈부를 설계하였고 그림 14와 같이 SSR 제어 알고리즘을 구성하였다.

그림 15는 본 논문에서 태양광 발전량 증대를 위해 연구 및 적용된 에너지 하베스팅 시스템에 대한 (a)태양광 발전량 증가시간과 (b)태양광 발전량 증가율에 대한 실험 결과를 보여주고 있다.

구성된 시스템은 입력 2.4kW 3CH, 7.2kW의 태양광 발전시스템으로 본 논문에서 연구된 에너지 하베스팅이 적용된 시스템의 측정 결과를 비교하기 위해 시제품인 태양광인버터, 태양광모듈만 적용한, 즉 하베스팅이 적용되지 않은 제품을 비교 시료로 사용하여 동일 환경 및 조건에서 시험을 하였다.

그림 17(a)에서는 시험 기간 5일 동안 각각 제품에 대한 발전량에 관한 결과로 시험 1~2일은 맑은 날, 3일은 부분 맑음, 4~5일은 흐린 날, 안개 낀 기상 상태로 본 논문에서 연구하여 하베스팅이 적용된 제품이 비교 시제품 대비 하루 발전량이 평균 1시간 이상 발전하는 결과를 볼 수 있다. 이에 따른 그림 17(b)에서는 태양광 발전량 증가율이 맑은 날, 부분 맑음. 그리고 흐린 날, 안개 낀 기상 상태의 전체조건에서 평균 150% 이상의 누적 발전량을 나타내고 있는 결과를 보여주고 있다.

5. 결 론

본 논문에서는 일출, 일몰 낮은 일조량 구간의 태양광 발전량 증대를 위해 인버터 동작 최저전압 인접에서의 전압체결 방식을 개발, 변환함으로 소멸하는 전력을 회수하여 발전량을 개선할 수 있도록 연구하였다. 따라서 본 논문에서 연구한 결과를 통해 다음의 내용들로 정리할 수 있다.

일출, 일몰의 시각에 해당하는 그림 5(a)의 ①, ⑤구간의 +2시간 정도와 흐린 날씨에 저전압 발생 구간인 그림 5(a)의 ②, ④구간의 +3시간을 에너지 발전 증가 시간으로 관리할 수 있다.

저전압 시 BYPASS 모듈은 버려지는 전력을 ESS에 저장하여, 접속함 내의 전원공급 수단으로 활용되며, 내부 감시 및 통신이 필요 없는 심야 시간에는 해당 모듈의 전원을 차단함으로써 접속한 자체의 소비 전력을 낮춤으로써 태양광 발전 시스템의 효율 향상에 기여할 수 있다.