신재생에너지 활용 및 저장기능을 이용한 교육용 모의 태양광발전 가로등 설계

Design of Simulated Photovoltaic Power Streetlight for Education using Renewable Energy Utilization and Storage Function

Abstract

태양광발전 가로등은 태양광에너지를 사용하여 2차전지에 충전 후 램프를 통해 야간조명에 활용하는 시스템으로서 부하 단 LED 가로등을 설치하여 독립형 또는 계통연계형으로 구성할 수 있다. 태양전지모듈을 통해 발전된 에너지는 충방전 제어장치를 통해 2차전지에 충전 후 일사량 감시에 따른 발전전압과 충전전압의 비교, 또는 일몰, 일출 후 특정시간 설정으로 LED 가로등을 점등 소등을 할 수 있다. 따라서 이러한 내용을 기반으로 본 논문에서는 신재생에너지 활용 및 저장기능을 이용한 교육용 모의 태양광발전 가로등 설계 및 제작을 통해 대학의 학생들에게 1) 태양광을 포함한 신재생에너지를 이용하여 전기에너지로 활용하는 에너지 변화의 흐름 이해, 2) 신재생에너지 이해 및 관련 제품의 기초설계와 제작 응용력 함양, 3) 전력변환을 통한 신재생에너지 활용과 하드웨어 제작을 통한 실습과 분석력 강화를 심어줄 수 있다.

A Photovoltaic power streetlight is a system that uses solar energy to charge a secondary battery and then uses it for night lighting through a lamp, and can be configured as a standalone or grid-connected type by installing an LED streetlight at the load end. The energy generated through the solar cell module can be charged to the secondary battery through the charge/discharge control device, and then the LED street light can be turned on and off by comparing the power generation voltage and the charging voltage according to the monitoring of solar radiation, or by setting a specific time after sunset or sunrise. Based on these contents, this paper designed and manufactured a simulated solar power streetlight for education using new and renewable energy utilization and storage functions. Using these educational equipment, students can 1) understand the flow of energy change using renewable energy including sunlight as electric energy, 2) understand new and renewable energy, and cultivate basic design and manufacturing application power of related products, 3) The use of new and renewable energy through power conversion and strengthening of practical training and analysis through hardware production can be instilled.

Ⅰ. 서론

신재생에너지 활용 및 저장기능을 이용한 태양광발전 가로등은 태양전지를 이용하여 주간에 발생한 전기에너지를 2차전지에 저장하였다가 이를 이용하여 야간에 고효율 LED 조명등을 점등하는데 이용하거나 기타 IT 기기와 접목하여 유용한 정보를 확산하기 위해 설계된 제품을 의미한다 (그림 1).

그림 1. 태양광에너지를 이용한 가로등

Fig. 1. Streetlight using photovoltaic energy

기본적인 용도는 기존 가로등과 같이 야간조명을 위한 수단이나 다양한 IT 기술과 접목함으로써 산불감시, 조난방지, 버스정류장 정보표시, 주변 환경 및 기후 정보확산과 같은 다양한 응용 분야로도 그 쓰임새를 확대해 나갈 수 있는 기술을 통칭한다고도 할 수 있다. 이를 위해서는 태양전지, 충·방전 제어장치 및 2차전지, LED 조명등, 유무선 통신, 시스템 제어와 같은 세부 핵심부품에 대한 활용기술 및 원천기술에 대한 연구개발도 병행해 나가야 한다^[1].

태양광에너지를 사용하여 2차전지에 충전 후 램프를 통해 야간조명에 활용하는 시스템으로서 기본적 시스템 구성은 그림 2와 같이 부하 단에 LED 가로등을 설치하여 독립형 또는 계통연계형으로 구성할 수 있다. 태양전지 모듈을 통해 발전된 에너지는 충·방전 제어장치를 통해 2차전지에 충전 후 일사량 감시에 따른 발전전압과 충전전압의 비교, 또는 일몰, 일출 후 특정 시간 설정으로 LED 가로등을 점등 소등을 할 수 있다. 태양광발전시스템은 신재생에너지를 이용하여 전기에너지로 변환하는 발전방식으로 빛을 받아서 전기로 전환해주는 부분과 생산된 전기를 수요에 맞도록 교류로 변환시키고 계통에 연결하는 부분 (PCS, 축전장치 등, BOS)으로 추가로 구성할 수 있다^[2].

그림 2. 태양광에너지를 이용한 에너지 활용 구성도

Fig. 2. Diagram of energy utilization using photovoltaic energy

본 논문에서는 신재생에너지 활용 및 저장기능을 이용한 교육용 모의 태양광발전 가로등 설계 및 제작하였다. 따라서 이러한 교육용 기재를 통해 대학의 학생들에게 1) 태양광을 포함한 신재생에너지를 이용하여 전기에너지로 활용하는 에너지 변화의 흐름 이해, 2) 신재생에너지 이해 및 관련 제품의 기초설계와 제작 응용력 함양, 3) 전력변환을 통한 신재생에너지 활용과 하드웨어 제작을 통한 실습과 분석력 강화를 심어줄 수 있다^[3-5].

Ⅱ. 모의 태양광발전 가로등 설계^[6]

신재생에너지의 하나인 태양광에너지를 활용하기 위해 주간에 태양전지모듈을 통해 발전된 에너지를 에너지저장장치인 Lithium-ion battery에 저장 후 일몰 후 조명 용도로 활용할 수 있다. 따라서 이러한 개념을 바탕으로 모의 태양광발전 가로등을 설계하였다. 본 연구는 모의 태양광장치, 태양전지모듈, 태양광인버터, 에너지저장장치 (Lithium-ion battery)를 기반으로 모니터링 시스템을 통해 발전전력에 대한 상태정보를 확인할 수 있으며 태양의 이동에 따른 발전량을 최대화하기 위해 태양전지 모듈의 각도를 제어할 수 있도록 설계하였다.

표 1은 모의 태양광발전 가로등의 설계 및 제작을 위해 구성한 각 구성품의 사양을 보여주고 있으며 그림 3은 전체 시스템 구성도로 태양광에너지를 모의하기 위해 할로겐램프를 추가하였다. 따라서 실제 태양에너지의 일사량에 의해 에너지를 발전시킬 수 있지만, 모의 태양에너지를 통해 발전함으로써 대학의 학생 교육 목적에 초점을 두고 설계하였으며 세부 설계내용은 다음과 같다.

표 1. 모의 태양광발전 가로등 구성품

Table 1. Simulated solar power street light components

그림 3. 모의 태양광발전 가로등 구성도

Fig. 3. Diagram of simulated solar power streetlight

■ 컨트롤시스템에서는 태양광의 최대전력추종제어 (MPPT) PWM 제어

■ 스트로크를 설치(최대 700mm)하여 태양전지모듈의 각도제어

■ DC-DC 컨버터 구성

■ 2차전지 (Lithium-ion battery) 충방전 제어기에 의한 동작

■ 2차전지 22V 이하 시 과방전에 따른 보호기능 동작

■ GUI 모니터링 및 데이터 로깅 가능

■ 기타 보호기능

그림 4는 컨트롤시스템에서 LED 가로등 점등 및 소등 기능으로 다음과 같은 내용을 고려하여 기능을 설정할 수 있다.

그림 4. 컨트롤시스템 LED 점등, 소등기능

Fig. 4. Control system LED on/off function

■ LED 가로등 점등 후 점등시간 설정

■ LED 가로등 상시 점등 (사용자 조작에 따라 가능)

■ 태양광 충전전압이 24V 이하 시 LED 가로등 점등

Ⅲ. 모의 태양광발전 가로등 제작

모의 태양광발전 가로등의 에너지 활용 및 저장기능을 적용하기 위해 그림 5와 같이 리튬이온 배터리와 배터리 홀더 보호보드를 선정하였다. 선정된 리튬이온 배터리의 cell 공칭전압은 3.7V, 2.8Ah, 10.36Wh 사양으로 배터리 홀더 & 보호보드를 사용하여 7직렬 4병렬회로구성으로 cell module 25.9V, 11.4Ah, 295.26Wh의 사양을 가지며 과충전 및 과전압 등의 배터리 보호기능을 가지고 있다.

그림 5. 리튬이온 배터리와 배터리 홀더&보호보드

Fig. 5. Lithium-ion battery and Battery holder & protection board

신재생에너지(태양광에너지)를 전기에너지로 변환하여 발전하는 태양전지모듈은 60cell의 260W급 2개를 사용하였으며 단락전류(Isc) 9.05A, 개방전압 (Voc) 37.7V의 사양을 가지고 있다 (그림 6). 또한 그림 7과 같이 충방전 제어장치 및 컨트롤시스템이 사용되어 태양전 지모듈을 통해 발전된 전압을 통한 전력변환 (DC-DC 컨버터), 리튬이온의 충방전 및 LED 가로등의 점등, 소등, 상태정보 모니터링, 과전압 보호기능 등 전체 시스템을 제어하는 기능이 있다. 실례로 운영 중 입력에 해당하는 모의 태양광장치를 통해 발전 및 2차전지 충전, LED 가로등 점등의 과정에 해당하는 영역별 상태정보를 그림 8의 모니터링 프로그램을 통해 확인할 수 있다. 따라서 모니터링 프로그램을 통해 태양에너지를 변환하여 전기 에너지를 활용하는 에너지의 흐름을 이해할 수 있으며 로깅된 데이터의 그래프 처리로 영역별 전압, 전류, 전력의 상태정보를 확인할 수 있다.

그림 6. 태양전지모듈

Fig. 6. Photovoltaic cell module

그림 7. 충방전 제어장치 및 컨트롤시스템

Fig. 7. Charge/discharge control device and control system

그림 8. 컨트롤시스템의 모니터링 프로그램

Fig. 8. Monitoring program of control system

그림 9. 모의 태양광발전 가로등 형상

Fig. 9. Shape of simulated Photovoltaic power street light

제작된 실험장비의 성능을 확인하기 위해 그림 10은 모의 태양광장치의 일사량 변화에 따른 태양전지모듈 각도 제어 실험으로 실제 태양에너지의 일사량 변화를 모의하여 각도에 따른 발전전력 및 충전전압의 상태를 확인할 수 있다. 따라서 태양에너지의 일사량 변화와 태양전지 모듈의 각도에 따라 생산되는 전기에너지의 변화를 확인할 수 있는 실험내용이다.

그림 10. 모의 태양광장치의 일사량 변화에 따른 태양전지모듈 각도제어

Fig. 10. Photovoltaic module angle control according to the change in solar radiation of the simulated photovoltaic device

그림 11 또한 태양의 고도 변화에 따른 최대전력을 발전시키기 위한 실험내용으로 설치된 스트로크를 이용하여 태양전지모듈의 각도변화에 따른 발전전력의 차이를 확인할 수 있다.

그림 11. 스트로크 장치를 이용한 태양전지모듈 각도제어

Fig. 11. Photovoltaic module angle control using stroke device

그림 12는 모의 태양광발전 가로등 동작에 따른 상태정보와 로깅 데이터를 그래프를 통한 결과들을 보여주고 있다. 그림 12(a)는 모의 태양광장치를 이용하여 발전된 전압이 2차전지인 리튬이온에 충전되는 과정으로 실제 일사량이 존재하는 주간 상황을 모사한 결과를 보여주고 있다. 태양전지모듈 (Solar), 2차전지 (Battery)의전류, 전압, 전력의 상태정보를 각각 확인할 수 있다.

그림 12. 모의 태양광발전 가로등 동작에 따른 상태정보와 로깅 데이터

Fig. 12. Status information and logging data according to the operation of simulated solar power street lights

또한 설계된 2차전지는 7직렬 4병렬 회로구성에 cell module 25.9V로 최대전압 (Max Voltage) 25.97V, 최소전압 (Min Voltage) 24.95V, 2차전지 충전상태 (Battery SOC) 62%의 정보들의 결과를 통해 정상적으로 발전 및 발전전압이 2차전지에 충전되고 있음을 알 수 있다.

그림 12(b)는 주간+야간 상황을 모사하여 LED 가로등 점등과 태양광발전이 동시에 이루어지는 단계로 부하로 사용되고 있는 LED 가로등의 점등 시 태양광발전전압과 2차전지의 전압의 떨어지는 결과를 확인할 수 있다. 따라서 주간에 발전하여 저장된 전압을 이용하여 부하인 LED 가로등의 동작을 통해 신재생에너지를 변환 및 저 장하여 활용하는 단계적 기능들을 보여주고 있다.

그림 12(c)는 그림 12(b)의 단계에서 LED 가로등 소등을 통한 입력에너지인 모의 태양광전원을 통한 발전전 압 및 2차전지의 충전전압이 다시 증가하는 상황으로 부하 유무에 따른 각 영역의 상태정보를 보여주고 있다.

그림 12(d)는 태양에너지인 일사량이 존재하지 않는 실제 야간의 상황을 모사한 실험으로 태양광발전이 되지 않으면서 LED 가로등이 동작 시 결과이며 그림 12(e)는 앞서 설명한 모드 변화에 따른 영역별 전류와 전력의 값들을 보여주고 있다. 따라서 본 논문에서 설계 및 제작, 실험을 통해 신재생에너지 활용 및 저장기능을 이용한 교육용 모의 태양광발전 가로등이 정상적으로 동작하고 있음을 알 수 있다.

Ⅴ. 결론

신재생에너지 활용, 에너지 저장 및 변환, 부하단에서 에너지 소비 등의 기본개념을 대학의 학생들에게 실험적으로 전달하고자 본 논문에서는 신재생에너지 활용 및 저장기능을 이용한 교육용 모의 태양광발전 가로등을 설계 및 제작하였다. 따라서 이러한 교육용 기자재를 통해 각 영역에 (태양전지모듈, 태양광인버터, 모니터링 프로그램, 2차전지 등) 해당하는 요소기술을 습득할 수 있으며 전기전자 및 신재생에너지 분야에서의 소프트웨어/하드웨어설계 능력을 심화시킬 수 있다.

※ 본 결과물은 2020년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다.