히가시 타쿠야(Higashi Takuya) 요코가와전기 IA 사업부 네트워크 솔루션 사업센터 PMK Gr

원유나 석탄 등의 화석연료는 이르면 수십 년부터 수백 년 후에는 고갈될 정도의 매장량밖에 남아있지 않다. 지속가능한 사회 실현을 위해서는 오랜 기간에 걸쳐 공급 가능한 에너지원이 필요하다. 향후 수억 년 이상의 수명을 가진 태양이 방출하는 에너지는 화석연료와 비교해 훨씬 긴 기간에 걸쳐서 이용할 수 있다. 또한 연소에 의해 에너지를 만들어 내는 화석연료는 그 과정에서 이산화탄소나 질소산화물 등을 배출한다. 화석연료에 의존하고 있는 현대사회에서는 온실효과나 건강 장해를 일으키는 이러한 배출물 삭감을 위해, 화석연료보다 깨끗한 에너지 이용에의 전환이 요구되고 있다.

태양에너지는 환경을 오염시키지 않는 클린 에너지다. 요코가와전기의 태양 추적 컨트롤러 SolStation ‘HXS10’은 5W 이하의 낮은 전력을 소비하고, -20℃에서 ＋70℃까지의 동작을 보증하며, 원격지로부터 다수의 컨트롤러 프로그램을 일괄적으로 업데이트 할 수 있는 여러 특징을 가진 컨트롤러이다.

SolStation ‘HXS10’은 가혹한 온도 환경에서도 높은 신뢰성으로 태양을 계속해서 추적해 지속 가능한 저탄소화 사회의 실현에 공헌한다.

태양 추적이 사용되는 용도

태양 추적은 열원으로서 태양을 이용하는 경우와 태양으로부터 오는 빛을 전기로 변환하는 경우의 양쪽 모두에서 사용된다.

태양열발전에 이용할 때에는 소규모인 것에서 대규모인 것까지 다양한 용도가 있다. 단독주택의 지붕 위에 설치한 평면 패널, 혹은 파이프 안의 물을 태양열로 데워 가정용 온수로 이용하는 용도, 거울이나 렌즈로 집열해 100℃가 넘는 고온을 만들어 공업용의 열원으로서 이용하는 용도, 집열을 한층 더 진행해 400℃ 이상의 고온으로 만들어 증기에 의해 증기 터빈을 돌려 발전하는 태양열발전으로서의 용도, 그밖에도 보다 고온의 열원을 이용한 수소 제조나 해수의 담수화 등 다양한 이용 방법이 있다. 이 가운데 고온의 열원을 필요로 하는 공업용의 열원·발전용도·해수 담수화 등의 용도에 거울이나 렌즈를 사용한 태양 추적이 이용된다.

한편, 태양광을 전기로 변환할 때에는 태양전지가 이용된다. 태양전지는 그 종류의 차이에 따라 발전 효율과 가격이 다르다. 그러나 같은 종류의 태양전지를 사용했을 경우라도 집광의 유무나 추적의 유무에 따라서 발전 효율에 차이가 발생한다.

집광한 빛을 태양전지에 닿게 하는 경우에는 시시각각 패널을 움직이게 하는 태양의 추적이 필요하다. 집광배율로서 높게는 수백배부터 천배를 넘는 배율이 이용되고 있다. 집광배율이 높아지면 이용하는 태양전지의 면적은 적어진다. 그러나 높은 정확도로 태양을 추적하지 않으면 빛이 태양전지에 닿지 않게 된다.

집광하지 않는 빛을 태양전지에서 이용하는 경우에는 태양 추적은 반드시 필요하지 않다. 단독주택의 지붕 위에 고정 설치된 태양전지는 추적하지 않아도 맑을 때는 계속해서 발전한다. 그럼에도 불구하고 태양을 추적함으로써 발전량을 증가시킬 수 있다. 태양전지의 방향을 태양광에 대해 수직 방향으로 계속해서 향하게 하는 추적 제어를 실시함으로써 태양전지 패널의 표면에 닿는 광량을 늘릴 수 있기 때문이다. 이러한 추적 제어를 설치했을 경우, 설치하지 않았을 때와 비교해 30~40%의 발전량이 향상된다.

태양 위치의 확정 방법에 대해서

태양을 추적하려면 추적하는 장소·시각에 있어서 태양의 위치를 확정할 필요가 있다. 주된 태양의 위치를 확정하는 방법으로는 설치 장소와 시각 정보를 바탕으로 계산해 구하는 방법과 조도계나 CCD 등의 센서를 이용해 찾아내는 방법이 있다.

요코가와전기의 태양 추적 컨트롤러 SolStation ‘HXS10’은 유저 프로그램에 의해서 동작하는 컨트롤러이다. SolStation ‘HXS10’은 태양의 위치를 계산하는 알고리즘을 내장하고 있기 때문에 새로운 알고리즘을 프로그램으로 기술할 필요 없이 용이하게 이용할 수 있다. 센서 신호를 이용할 때에는 아날로그·디지털 입력 단자, 또는 통신 포트를 사용한다.

계산에 따른 태양 위치의 확정

계산에 따라 태양의 위치를 확정할 때에는 설치 장소와 시각 정보를 바탕으로 위치를 산출하는 알고리즘이 필요하다. SolStation ‘HXS10’는 NREL(National Renewable Energy Laboratory)가 개발한 태양 위치 계산 알고리즘(Solar Position Algorithm, SPA)을 탑재하고 있다. HXS10은 이 SPA를 64비트의 데이터 길이로 계산함으로써 ±0.0003도의 계산 정확도로 태양 위치를 산출한다.

실제로 이 알고리즘을 이용했을 경우의 계산 정확도에는 설치 장소 정보와 시각 정보의 정확도가 영향을 준다. 태양 추적은 통상 고정된 설치 장소에서 이용되기 때문에, 일단 설치한 후의 운용 중의 계산 오차는 주로 시각 정보의 정확도에 의존한다. SNTP 등을 이용해 정기적으로 정확한 시각과의 동기를 실시함으로써, SolStation ‘HXS10’은 높은 정확도의 시각 정보를 유지해 태양의 위치를 확정한다.

센서 신호에 의한 태양 위치의 확정

외부 센서의 신호를 바탕으로 태양의 움직임을 감지해 추적을 실시하는 방법이다. SolStation ‘HXS10’의 아날로그·디지털 입력, 혹은 통신 포트에 센서 신호를 입력한다. SolStation ‘HXS10’이 센서 신호의 변화를 읽어낸 후, 다음에 움직일 위치를 결정한다. 조사계 등의 센서는 흐린 날 태양을 파악할 수 없는 경우가 있다. 센서로부터 필요한 정보를 얻을 수 없는 경우에도 태양 위치 계산 알고리즘을 이용한 추적으로 전환함으로써 태양 추적을 계속할 수 있다.

태양 추적 타입

태양 추적에는 1축으로 추적하는 타입과 2축으로 추적하는 타입의 2종류가 있다. 트로프형이나 리니어 프레넬형의 태양열발전 시설에서는 1축만을 가동시켜 태양을 추적한다.

트로프형의 태양열발전 시설에서는 굽은 거울의 초점에 해당하는 부분에 집열용의 파이프가 고정되어, 반사한 빛은 초점 부분에 있는 파이프 내를 지나는 액체를 데운다. 이 액체의 온도를 이용해 수증기를 발생시켜 증기 터빈을 돌림으로써 발전을 실시한다.

태양 추적 컨트롤러는 중앙부에 설치되어, 실린더 타입 유압 액추에이터의 ON/OFF를 제어함으로써 트로프형의 거울과 거울의 중앙부에 고정된 파이프의 양방을 작동시켜 집열판이 태양을 향하게 한다. 한편, 리니어 프레넬형의 태양열발전 시설에서는 폭이 좁고 홀쭉한 복수의 평면거울이 이용된다. 다른 각도로 향한 복수의 평면거울에 의해 반사된 태양광은 중앙 상부에 있는 고정된 파이프 내에 흐르는 액체를 가열한다. 태양 추적 컨트롤러는 거울의 중앙부에 설치되어 AC모터 등을 이용해 각각의 거울을 회전시켜 중앙부의 파이프를 가열하도록 제어한다.

이러한 트로프형이나 리니어 프레넬형의 태양열발전 시설과 같이 솔라 필드 내의 파이프를 가열하는 시스템의 경우 파이프 내의 온도를 아는 것도 필요하다. SolStation ‘HXS10’의 채널간 절연된 아날로그 입력에 열전대나 측온저항체를 결선함으로써 파이프 내의 온도도 측정할 수 있다.

한편, 타워형이나 DISH형의 태양열발전 시설, 집광형 태양광발전 시스템은 2축을 가동시켜 태양을 추적한다. 태양 추적 컨트롤러는 통상 중앙 기둥 부분에 설치되어 AC모터 등을 이용해 거울이나 태양전지를 실은 가대의 방위각, 앙각의 2축을 가동시킨다.

요코가와전기의 태양 추적 컨트롤러 SolStation ‘HXS10’은 유저프로그램을 고쳐 씀으로써 1축으로의 구동과 2축으로의 구동, 양쪽 모두에 대응할 수 있다. 또한 프로그램에 의해 인버터, 서보 앰프, 유압 액추에이터 등의 다양한 구동 기기에 대응한다.

태양 추적의 정확도

태양 추적의 정확도에는 설치되는 가대의 건설 정확도와 설치 정확도, 사용되는 구동 기기의 정확도, 태양 위치 확정의 정확도 등의 요인이 복합적으로 영향을 준다.

또한 태양 추적 오차의 증가에 의해 집열량, 집광효율량이 얼마나 떨어지는가에 관해서는 사용되는 시스템에 따라서 다르다. 태양 추적이 사용되는 시스템으로부터 목표로 하는 요구 정확도를 설정한 후, 필요 충분한 정확도의 센서, 구동 기기 등을 선정함으로써 최적의 비용으로 태양 추적 시스템을 구축할 수 있다.

요코가와전기의 태양 추적 컨트롤러 SolStation ‘HXS10’은 유저 프로그램에 의해 동작한다. 프로그램 내에 설치 오차를 흡수하는 파라미터를 마련함으로써, 설치 오차에 의한 영향을 저감시킬 수 있다. 더욱이 구동 기기의 오차를 보정함으로써 추적 정확도를 향상시키는 것이 가능해진다. SolStation ‘HXS10’을 범용성이 높은 인버터 및 AC모터를 조합해 사용한 추적 제어에 있어서도, ±1도 미만의 정확도로 태양을 추적하는 것이 가능하다.

태양 추적을 하기 위해 AC모터나 유압 액추에이터를 구동함으로써 전력은 소비된다. 구동에 의한 집열·집광에 의한 메리트와 전력 소비의 밸런스를 고려해 구동의 간격을 설정할 필요가 있다. 최적인 구동 간격은 계절에 따라서도 바뀐다. 유저 프로그램에 의해서 동작하는 SolStation ‘HXS10’은 상황에 맞는 세심한 제어를 실현한다.

태양 추적 컨트롤러의 동작 모드

통상 태양 추적 컨트롤러는 집열, 집광이 최대가 되도록 거울이나 태양전지를 태양에 향하도록 추적한다. 그러나 컨트롤러는 항상 이러한 추적만을 실시하면 되는 것은 아니다. 강풍이 부는 경우에는 안전을 위해서 바람의 영향을 잘 받지 않는 방향으로 거울이나 태양전지를 옮길 필요가 있다. 모두 옮길 정도가 아닌 바람의 경우에는, 특정의 거울을 바람막이로 해 솎아낸 열의 거울만 집열 운용에 이용하면 바람을 피하면서 집열을 계속할 수 있다. 또한, 야간에 태양이 없는 경우에도 바람의 영향을 받지 않는 방향으로의 대피가 필요하다. SolStation ‘HXS10’은 미리 상정된 이러한 움직임을 기술한 프로그램을 사용해 동작시킴으로써 상위 기기나 기상 센서로부터의 신호에 의해 상황에 따른 동작 모드로의 변환을 실현한다.

태양 추적 컨트롤러의 사용 환경

태양 추적 컨트롤러는 옥외에서 판 안에 넣어 사용된다. 모래 연기가 흩날리는 사막, 주위 온도가 40℃를 넘는 고온 환경에서도 이용된다. 이러한 엄격한 환경 속에서도 계속 가동하기 위해, 넓은 동작 온도범위, 저소비 전력 등의 대환경 성능이 요구된다. 실내에서 이용을 상정한 범용 컨트롤러의 상당수는 ＋55℃ 정도까지의 동작 온도범위밖에 보증되어 있지 않다.

이러한 범용 컨트롤러를 ＋65℃나 ＋70℃의 온도 환경에서 사용한다고 해서, 갑자기 고장 나는 일은 없을지도 모른다. 그러나 상정 외의 높은 온도에서의 사용은 제품의 수명을 줄여 짧은 기간 내에 컨트롤러의 수리·교환을 발생시킨다. 또한 컨트롤러는 판 안에서 사용되기 때문에, 판 내의 온도를 올리지 않기 위해서 소비 전력을 낮게 억제하는 것도 중요하다. 요코가와전기의 태양 추적 컨트롤러 SolStation ‘HXS10’은 빛이 내리쬐는 솔라 필드에서의 태양 추적 제어를 목적으로 개발된 전용 컨트롤러이다. SolStation ‘HXS10’은 5W 이하의 저소비 전력으로, -20℃에서 ＋70℃의 넓은 주위 온도 환경에서의 동작을 보증한다.

더욱이 사람이 용이하게 상주할 수 없는 지역에서 운용되는 경우, 원격지로부터 운용이 요구된다. 원격지로부터 솔라 필드내의 태양 추적 컨트롤러에의 파라미터나 운용 프로그램의 다운로드는 메인터넌스 비용의 삭감에 기여한다.

SolStation ‘HXS10’은 필드 내의 많은 기기에의 파라미터 설정, 운용 프로그램 변경을 지원하기 위한 원격지로부터의 일괄 업데이트(배치 다운로드) 기능에 대응해, 원격지로부터의 운용을 지원한다.

태양 추적 컨트롤러의 설계 사상

SolStation ‘HXS10’은 요코가와전기가 오랜 세월에 걸쳐 길러온 제어 기술 요소, 측정 기술 요소를 이용해 개발되었다. 요코가와전기의 싱글 루프 컨트롤러 YS 시리즈나, 온도 조절계 UT 시리즈로 대표되는 30년 이상의 역사를 가진 고신뢰성 PID 컨트롤러의 제어 기술, 또한 전 세계에서 실적이 있는 레코더나 데이터 어퀴지션의 계측기술을 융합해, 태양 추적 컨트롤러로서 개발된 제품이 SolStation ‘HXS10’이다. 고품질 설계에 의해 장기적인 플랜트 가동을 서포트한다.

태양 추적 컨트롤러의 입출력 기능

SolStation ‘HXS10’은 최대 6ch의 아날로그 입력(AI), 최대 2ch의 아날로그 출력(AO), 최대 2계통의 펄스 인코더 입력, 12ch의 디지털 입력(DI), 12ch의 디지털 출력(DO), 이더넷 포트, 메인터넌스 전용 포트, RS232, RS485를 입출력에 제공한다.

아날로그 입출력, 펄스 인코더 입력, RS232, RS485의 통신 포트는 필요에 따라서 구성을 바꿀 수 있다. 필요한 하드웨어만을 탑재함으로써 하드웨어 코스트의 최적화를 서포트한다.

태양 추적 컨트롤러의 통신 기능

SolStation ‘HXS10’은 이더넷 포트 1개를 표준으로 탑재해, Modbus Server/Client 기능에 대응하고 있다. 솔라 필드 내에 수백 대 이상이나 있는 태양 추적 컨트롤러와 상위 시스템과의 통신 부하를 삭감하기 위해, 1대의 SolStation ‘HXS10’이 여러 대의 SolStation ‘HXS10’의 정보를 정리해 상위와 통신하는 구조를 서포트하고 있다. 상위 시스템이 직접 통신해야 하는 숫자를 줄임으로써 네트워크의 부하를 저감한다.

HXSS10, SolStation ‘HXS10’용 소프트웨어

HXSS10은 SolStation ‘HXS10’용 프로그램 작성 소프트웨어이다. 펑션 블록 다이어그램을 닮은 모듈 결합 방식으로의 그래피컬한 프로그램 작성을 서포트하고 있다. 정의한 기능 시퀀스를 서브루틴으로서 다른 프로그램으로부터 호출하는 것도 가능하다. 또한 이더넷을 개입시켜 복수의 SolStation ‘HXS10’에 파라미터나 프로그램을 일괄 다운로드하는 기능도 제공하고 있다.

태양열·태양광발전의 보급 확대를 위해

요코가와전기의 태양 추적 컨트롤러 SolStation ‘HXS10’는 뛰어난 환경 성능, 높은 신뢰성, 대규모 전개에 적절한 통신 기능 등의 특징을 높은 코스트 퍼포먼스로 실현한 컨트롤러이다. 향후 태양열발전, 태양광발전을 지금 이상으로 보급하기 위해서 보다 효율 높은 태양에너지의 활용이 요구되고 있다. 요코가와전기는 자유도가 높은 태양 추적 컨트롤러 SolStation ‘HXS10’의 발매에 따라 태양에너지의 이용 효율 향상을 촉진시켜 지속 가능한 저탄소화 사회의 실현에 공헌해 나가고 있다.

SOLAR TODAY 편집국 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com

SolarToday 다른기사 보기