태양광 추적기

섬네일|2축 태양광 추적기
대체 텍스트=태양광 추적|섬네일|선택틱스(Suntactics)의 2축 태양광 추적기는 중소형 태양광 발전소에 사용된다. 소규모 사업장의 태양광 발전 및 배터리 충전에 유용하다.

태양광 추적기()는 태양을 향해 페이로드(payload)를 지향시키는 장치이다. 페이로드는 일반적으로 태양 전지판, 포물형 트로프, 컴팩트 선형 프레넬 반사경, 렌즈 또는 헬리오스탯의 거울이다.

평판형 태양광 발전 시스템의 경우, 추적기는 입사 햇빛과 태양 전지판 사이의 입사각을 최소화하는 데 사용되며, 때때로 코사인 오차라고도 불린다. 이 각도를 줄이면 설치된 고정 발전 용량에서 생산되는 에너지 양이 증가한다.

단축 추적기의 가격, 신뢰성 및 성능이 향상되면서 유틸리티 규모 프로젝트에서 시스템 설치 비율이 증가하고 있다. 전 세계 태양광 추적기 시장은 2024년에 111 GW를 기록했으며, 2023년에는 94 GW, 2022년에는 73 GW, 2017년에는 14 GW였다. 2008-2009년에는 표준 태양광 발전 애플리케이션에서 추적기가 2009년부터 2012년까지 1 메가와트 이상의 상업용 설치의 최소 85%에서 사용될 것으로 예측되었다.

집광형 태양광 발전 (CPV) 및 집광형 태양열 발전 (CSP) 애플리케이션에서는 추적기가 CPV 및 CSP 시스템의 광학 부품을 작동시키는 데 사용된다. 집광형 태양열 애플리케이션의 광학 부품은 햇빛의 직접 성분을 받아들이므로 에너지를 수집하기 위해 적절하게 지향되어야 한다. 추적 시스템은 이러한 시스템이 광학 축이 입사 태양 복사와 정렬될 때 최대 효율로 태양 에너지를 수집하기 때문에 모든 집광형 애플리케이션에서 발견된다.

기본 개념
섬네일|평판형 태양열 집열기의 유효 집열 면적은 태양 전지판과 태양 사이의 오차 각도의 코사인에 따라 달라진다.

햇빛은 두 가지 구성 요소로 나뉜다. 태양 에너지의 약 90%를 전달하는 "직접광"과 나머지를 전달하는 "산란광"이다. 산란광은 맑은 날의 푸른 하늘이며, 흐린 날에는 전체 중 더 큰 비율을 차지한다. 에너지의 대부분이 직접광에 있으므로 최대한 많은 에너지를 수집하려면 태양 전지판이 가능한 한 오랫동안 태양을 볼 수 있어야 한다. 그러나 흐린 날에는 직접광 대 산란광의 비율이 60:40 또는 그 이하로 낮아질 수 있다.

직접광으로 인한 에너지 기여는 입사광과 패널 사이 각도의 코사인에 따라 감소한다. 또한, 반사도 (모든 편광에 걸쳐 평균화됨)는 입사각이 약 50°까지는 거의 일정하게 유지되다가 그 이상에서는 급격히 증가한다.

참고

예를 들어, ± 5°의 정확도를 가진 추적기는 직접광으로 전달되는 에너지의 99.6% 이상과 산란광의 100%를 포착할 수 있다. 결과적으로, 비집광형 PV 애플리케이션에서는 고정밀 추적이 일반적으로 사용되지 않는다.

추적 메커니즘의 목적은 태양이 하늘을 가로질러 움직일 때 태양을 따라가는 것이다. 다음 섹션에서는 각 주요 요소를 조금 더 자세히 설명하며, 태양의 일일 동서 이동과 계절에 따른 연간 남북 변화를 분리하여 태양의 복잡한 경로를 단순화한다.

 가로채진 태양 에너지 
직접광에서 수집 가능한 태양 에너지의 양은 패널이 가로채는 빛의 양이다. 이는 패널 면적에 직접광의 입사각 코사인 값을 곱한 값으로 주어진다(위 그림 참조). 다시 말해, 가로채진 에너지는 패널이 직접광에 수직인 표면에 드리우는 그림자의 면적과 동일하다.

이 코사인 관계는 1760년에 람베르트의 코사인 법칙으로 공식화된 관찰과 매우 밀접하게 관련되어 있다. 이 법칙은 물체의 관찰된 밝기가 그것을 비추는 빛의 입사각 코사인에 비례한다고 설명한다.

 반사 손실 
550 px|섬네일|입사각에 따른 반사율 변화. 이 그래프는 굴절률이 1.5(유리)인 경우이며, 맨 실리콘에는 적용되지 않는다.
가로채진 모든 빛이 패널 안으로 투과되는 것은 아니다. 일부는 표면에서 반사된다. 반사되는 양은 표면 재료의 굴절률과 입사광의 입사각에 따라 달라진다. 반사되는 양은 입사광의 편광에 따라서도 다르다. 입사 햇빛은 모든 편광의 혼합이며, 직사광선에서는 동일한 양이 존재한다. 모든 편광에 대해 평균화할 때, 반사 손실은 입사각이 약 50°까지는 거의 일정하게 유지되다가 그 이상에서는 급격히 증가한다. 예를 들어, 유리에 적합한 첨부 그래프를 참조하라.

태양 전지판은 종종 반사 방지 코팅으로 코팅되는데, 이는 실리콘과 공기 사이의 중간 굴절률을 가진 하나 이상의 얇은 물질층으로 구성된다. 이는 반사된 빛에서 상쇄간섭을 일으켜 반사량을 감소시킨다. 태양광 제조업체들은 개선된 반사 방지 코팅과 질감 있는 유리로 반사율을 줄이기 위해 노력해왔다.

 태양의 일일 동서 운동 
태양은 하루에 동서로 360°를 이동하지만, 어떤 고정된 위치에서 보면 평균적으로 낮 시간(여름에는 더 길고, 봄과 가을에는 약간 짧으며, 겨울에는 훨씬 짧음) 동안 보이는 부분은 180°이다. 지역 지평선 효과로 인해 이 값이 다소 줄어들어 실제 유효 이동은 약 150°가 된다. 일출과 일몰 극단 사이의 고정된 방향에 있는 태양 전지판은 양쪽으로 75°의 움직임을 보게 되며, 따라서 위 표에 따르면 아침과 저녁에 에너지의 75% 이상을 잃게 된다. 패널을 동서로 회전시키면 이러한 손실을 다시 회수할 수 있다. 태양의 동서 이동만 보정하려는 추적기를 단축 추적기라고 한다.

 태양의 계절별 남북 운동 
지구 자전축의 기울기 때문에 태양은 일 년 동안 남북으로 46°를 이동한다. 따라서 두 지역 극단의 중간에 설치된 동일한 패널 세트는 태양이 양쪽으로 23° 이동하는 것을 보게 된다. 따라서 위 표에 따르면 최적으로 정렬된 단축 추적기(아래 극 방향 정렬 추적기 참조)는 여름과 겨울의 계절 극단에서 8.3%만 손실하거나, 일 년 평균 약 5%를 손실한다. 반대로 수직 또는 수평으로 정렬된 단축 추적기는 태양 경로의 이러한 계절적 변화로 인해 훨씬 더 많은 손실을 입게 된다. 예를 들어, 위도 60° 지역의 수직 추적기는 여름에 가용 에너지의 최대 40%를 잃는 반면, 위도 25° 지역의 수평 추적기는 겨울에 최대 33%를 잃는다.

일일 이동과 계절별 이동을 모두 고려하는 추적기를 2축 추적기라고 한다. 일반적으로, 계절 각도 변화로 인한 손실은 일광 시간의 변화로 인해 복잡해지며, 이는 북반구 또는 남반구 위도에서 여름철 집열량을 증가시킨다. 이는 집열량을 여름철로 편향시키므로, 패널이 평균 여름철 각도에 가깝게 기울어지면 총 연간 손실은 봄/가을 분점 각도(현장 위도와 동일)로 기울어진 시스템보다 줄어든다.

업계에서는 단축 추적기와 2축 추적기 간의 연간 집열량의 작은 차이가 2축 추적기의 복잡성 증가를 정당화할 만큼 가치가 있는지에 대해 상당한 논쟁이 있다. 최근 온타리오주 남부의 실제 생산 통계 검토에 따르면 그 차이는 전체적으로 약 4%였으며, 이는 2축 시스템의 추가 비용보다 훨씬 적었다. 이는 고정 배열과 단축 추적기 사이의 24-32% 개선과 비교하여 불리하다.

 기타 요인 
 구름 
위 모델은 하루 또는 연중 다른 시간에 구름의 균일한 발생 가능성을 가정한다. 다른 기후대에서는 계절에 따라 구름의 양이 달라질 수 있으며, 이는 위에 설명된 평균 성능 수치에 영향을 미친다. 또는 구름이 하루 동안 평균적으로 증가하는 지역에서는 아침 햇빛을 모으는 데 특별한 이점이 있을 수 있다.

 대기 
햇빛이 대기를 통과하는 거리는 태양이 지평선에 가까워질수록 증가하는데, 이는 햇빛이 대기를 비스듬히 통과하기 때문이다. 대기를 통과하는 경로 길이가 증가함에 따라 집열기에 도달하는 태양광 강도는 감소한다. 이 증가하는 경로 길이는 에어 매스(AM) 또는 에어 매스 계수라고 하며, AM0는 대기 상층, AM1은 태양이 머리 위에 있을 때 해수면까지의 직접 수직 경로를 나타내며, AM1보다 큰 값은 태양이 지평선에 가까워질 때의 비스듬한 경로를 나타낸다.

이른 아침이나 겨울철에는 태양이 특별히 뜨겁게 느껴지지 않을지라도, 대기를 통과하는 대각선 경로는 태양광 강도에 예상보다 적은 영향을 미친다. 태양이 지평선 위 15°에 불과할 때도 태양광 강도는 최대값의 약 60%에 달할 수 있으며, 10°에서는 약 50%, 지평선 위 5°에서는 25%에 불과하다. 따라서 추적기가 지평선에서 지평선까지 태양을 따라갈 수 있다면 태양 전지판은 상당한 양의 에너지를 수집할 수 있다.

 태양 전지 효율 

태양광 발전 셀의 기본 전력 변환 효율은 추적 장치를 사용하든 사용하지 않든 최종 결과에 큰 영향을 미친다.

 온도 
태양광 태양 전지 효율은 온도가 증가함에 따라 약 0.4%/°C의 비율로 감소한다. 예를 들어, 이른 아침이나 겨울철 10°C에서는 한낮이나 여름철 60°C보다 효율이 약 20% 더 높다. 따라서 추적기는 셀이 가장 높은 효율로 작동하는 이른 아침 및 겨울철 에너지를 수집함으로써 추가적인 이점을 제공할 수 있다.

 요약 
집광형 집열기의 추적기는 집열기를 초점 지점에 유지하기 위해 고정밀 추적을 사용해야 한다.

비집광형 평판형 추적기는 고정밀 추적이 필요 없다.
 낮은 전력 손실: 25° 오차에서도 10% 미만의 손실
 반사율은 약 50° 오차까지도 일정하다
 산란광은 방향과 무관하게 10%를 기여하며, 흐린 날에는 그 비율이 더 높다.

비집광형 평판형 집열기를 추적하는 이점은 다음과 같다.
 30° 오차를 넘어서면 전력 손실이 급격히 증가한다.
 태양이 지평선에 매우 가까울 때도 상당한 전력을 얻을 수 있다. 예를 들어, 지평선 위 15°에서는 전체 전력의 약 60%, 10°에서는 약 50%, 심지어 5°에서는 25%까지 가능하다. 이는 특히 고위도 지역 및 겨울철에 중요하다.
 태양광 패널은 한낮의 더위와 비교할 때 이른 아침의 서늘한 날씨에는 약 20% 더 효율적이다. 마찬가지로 여름보다 겨울에 더 효율적이다. 그리고 이른 아침과 겨울 태양을 효과적으로 포착하려면 추적이 필요하다.

 태양열 집열기 종류 
태양열 집열기는 비집광형 평판(주로 태양광 발전 또는 온수)이거나 다양한 유형의 집광형 시스템일 수 있다.

태양열 집열기 장착 시스템은 고정형(수동으로 정렬) 또는 추적형일 수 있다. 태양열 집열기의 종류와 위치(위도)에 따라 다른 유형의 추적 메커니즘이 필요하다. 추적 시스템은 고정형 집열기/이동 거울(즉 헬리오스탯) 또는 이동형 집열기로 구성될 수 있다.

 비추적 고정 마운트 
주거용 및 소규모 상업용 또는 산업용 옥상 태양 전지판 및 태양열 온수기 패널은 일반적으로 고정되어 있으며, 종종 적절한 방향의 경사진 지붕에 매립식으로 장착된다. 추적기보다 고정 마운트의 장점은 다음과 같다.
 기계적 장점: 제조가 간단하고 설치 및 유지보수 비용이 저렴하다.
 풍하중: 견고한 마운트를 제공하는 것이 더 쉽고 저렴하다. 고정 매립형 패널을 제외한 모든 마운트는 노출이 더 크기 때문에 풍하중을 고려하여 신중하게 설계해야 한다.
 간접광: 입사 태양 복사열의 약 10%는 산란광이며, 태양과의 정렬 오차 각도에 관계없이 이용 가능하다.
 정렬 불량에 대한 허용 오차: 평판의 유효 집열 면적은 태양과의 상당히 높은 수준의 정렬 불량에 상대적으로 둔감하다(위 기본 개념 섹션의 표 및 다이어그램 참조). 예를 들어 25°의 정렬 불량도 직접 태양 에너지 수집량을 10% 미만으로 감소시킨다.

고정 마운트는 일반적으로 비집광형 시스템과 함께 사용된다. 그러나 제3세계에서 특히 가치가 있는 중요한 비추적 집광형 집열기 종류는 휴대용 태양광 조리기이다. 이들은 일반적으로 2~8 태양 정도의 비교적 낮은 집광률을 사용하며 수동으로 정렬된다.

 추적기 
고정형 평판 패널이 정오 시간의 사용 가능한 에너지의 많은 부분을 수집하도록 설정될 수 있지만, 이른 아침과 늦은 오후에도 상당한 양의 전력을 얻을 수 있다. 이때 고정형 패널과의 정렬 불량이 너무 커서 사용 가능한 에너지의 합리적인 비율을 수집할 수 없게 된다. 예를 들어, 태양이 지평선 위 10°에 불과할 때도 사용 가능한 에너지는 정오 시간 에너지 수준의 약 절반에 달할 수 있다(위도, 계절 및 대기 조건에 따라 더 클 수도 있음).

따라서 추적 시스템의 주요 이점은 하루 중 가장 긴 시간 동안 태양 에너지를 수집하고, 태양 위치가 계절에 따라 변할 때 가장 정확한 정렬로 수집하는 것이다. 또한 집광 수준이 높을수록 정확한 추적의 중요성이 커지는데, 이는 직접 복사열에서 얻는 에너지의 비율이 높고, 그 집광된 에너지가 집중되는 영역이 더 작아지기 때문이다.

 고정형 집열기 / 이동 거울 

열 액체 또는 가스(예: 증기)로 에너지를 회수하는 고온 집열기 등 많은 집열기는 움직일 수 없다. 다른 예로는 건물 직접 난방 및 조명, 셰플러 반사경과 같은 고정 내장형 태양광 조리기가 있다. 이러한 경우 태양이 하늘에 어디에 있든 태양 광선이 집열기로 재지정되도록 움직이는 거울을 사용해야 한다.

하늘을 가로지르는 태양의 복잡한 움직임과 태양 광선을 목표물에 정확하게 조준하는 데 필요한 정밀도 때문에, 헬리오스탯 거울은 일반적으로 최소한 하나의 축이 기계화된 2축 추적 시스템을 사용한다. 다양한 응용 분야에서 거울은 평평하거나 오목할 수 있다.

 움직이는 집열기 
추적기는 추적기 축의 수와 방향에 따라 분류될 수 있다. 고정 마운트와 비교할 때 단축 추적기는 연간 생산량을 약 30% 증가시키고, 2축 추적기는 추가로 10~20%를 증가시킨다.

태양광 추적기는 표준 태양광(PV) 추적기와 집광형 태양광(CPV) 추적기 두 가지 유형으로 분류될 수 있다. 이들 추적기 유형은 축의 수와 방향, 작동 구조 및 구동 방식, 의도된 응용 분야, 수직 지지대 및 기초에 따라 추가로 분류될 수 있다.

 플로팅 마운트 
네덜란드, 중국, 영국, 일본의 저수지와 호수에 태양 전지판 부유 섬이 설치되고 있다. 패널 방향을 제어하는 태양 추적 시스템은 연중 시기에 따라 자동으로 작동하며, 부표에 부착된 밧줄을 이용해 위치를 변경한다.

 부유식 지상 설치 
태양광 추적기는 침습적인 콘크리트 기초가 필요 없이 지상에 설치되는 "부유식" 기초를 사용하여 건설될 수 있다. 추적기를 콘크리트 기초 위에 놓는 대신, 추적기는 자갈 팬 위에 놓여지며, 이 팬은 모래나 자갈과 같은 다양한 재료로 채워져 추적기를 지면에 고정시킬 수 있다. 이러한 "부유식" 추적기는 기존의 고정식 추적기와 동일한 풍하중을 견딜 수 있다. 부유식 추적기의 사용은 상업용 태양광 프로젝트의 잠재적 부지 수를 증가시킨다. 왜냐하면 이들은 폐쇄된 쓰레기 매립지 위나 굴착 기초가 불가능한 지역에 설치될 수 있기 때문이다.

 움직임 없는 광학 추적 
태양광 추적기는 기계적 추적 장비 없이도 만들 수 있다. 이를 움직임 없는 광학 추적이라고 한다. 렌큐브(Renkube)는 움직임 없는 광학 추적 기술을 사용하여 빛을 재지향시키는 유리 기반 설계를 개척했다.

 비집광형 태양광(PV) 추적기 
태양광 패널은 하늘에서 오는 직접광과 산란광을 모두 받아들인다. 표준 태양광 추적기의 패널은 사용 가능한 직접광과 산란광을 모두 수집한다. 표준 태양광 추적기의 추적 기능은 입사광과 태양광 패널 사이의 입사각을 최소화하는 데 사용된다. 이는 입사 햇빛의 직접 성분에서 수집되는 에너지 양을 증가시킨다.

표준 태양광 추적기 뒤에 숨겨진 물리학은 모든 표준 태양광 모듈 기술에 적용된다. 여기에는 모든 유형의 결정질 실리콘 패널(단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘)과 모든 유형의 박막 태양 전지 패널(비정질 실리콘, CdTe, CIGS, 미세 결정)이 포함된다.

 집광형 태양광(CPV) 추적기 

CPV 모듈의 광학 장치는 입사광의 직접 구성 요소를 받아들이므로 수집되는 에너지를 최대화하기 위해 적절하게 방향이 지정되어야 한다. 저집광 애플리케이션에서는 하늘에서 오는 확산광의 일부도 포착할 수 있다. CPV 모듈의 추적 기능은 입사광이 태양광 집광기로 집중되도록 광학 장치의 방향을 지정하는 데 사용된다.

한 방향으로 집광하는 CPV 모듈은 한 축에서 태양에 수직으로 추적되어야 한다. 두 방향으로 집광하는 CPV 모듈은 두 축에서 태양에 수직으로 추적되어야 한다.

정확도 요구사항

CPV 광학 장치 뒤에 숨겨진 물리학은 시스템의 집광비가 증가함에 따라 추적 정확도가 증가해야 한다고 요구한다. 그러나 주어진 집광에 대해 비결상 광학은 가능한 가장 넓은 수용각을 제공하여 추적 정확도를 줄이는 데 사용될 수 있다.

일반적인 고집광 시스템에서는 정격 전력 출력의 약 90%를 제공하려면 추적 정확도가 ± 0.1° 범위여야 한다. 저집광 시스템에서는 정격 전력 출력의 90%를 제공하려면 추적 정확도가 ± 2.0° 범위여야 한다. 결과적으로 고정밀 추적 시스템이 일반적이다.

지원되는 기술

집광형 태양광 추적기는 굴절식 및 반사식 집광기 시스템과 함께 사용된다. 이러한 시스템에는 다양한 신흥 태양광 전지 기술이 사용된다. 이들은 기존의 결정질 실리콘 기반 태양광 수신기부터 게르마늄 기반 다중접합 태양 전지 수신기에 이른다.

 단축 추적기 
단축 추적기는 자유도 하나를 가지며, 이는 회전축으로 작용한다. 단축 추적기의 회전축은 일반적으로 진북 자오선을 따라 정렬된다. 고급 추적 알고리즘을 사용하면 어떤 기본 방향으로도 정렬할 수 있다. 단축 추적기에는 몇 가지 일반적인 구현 방식이 있다. 여기에는 수평 단축 추적기(HSAT), 기울어진 모듈을 가진 수평 단축 추적기(HTSAT), 수직 단축 추적기(VSAT), 기울어진 단축 추적기(TSAT), 극 정렬 단축 추적기(PSAT)가 포함된다. 추적기 축에 대한 모듈의 방향은 성능 모델링에서 중요하다.

 수평 
수평 단축 추적기 (HSAT)

수평 단축 추적기의 회전축은 지면에 대해 수평이며, 이 축은 남북선 또는 동서선에 놓일 수 있다. 수평 단축 추적기의 회전축 양 끝에 있는 지지대는 추적기 간에 공유되어 설치 비용을 낮출 수 있다. 이 유형의 태양광 추적기는 저위도 지역에 가장 적합하다. 수평 단축 추적기를 사용한 현장 배치는 매우 유연하다. 간단한 기하학적 구조 덕분에 모든 회전축을 서로 평행하게 유지하는 것만으로도 추적기를 서로 적절히 배치할 수 있다. 적절한 간격을 두면 에너지 생산 대 비용 비율을 최대화할 수 있으며, 이는 지역 지형 및 음영 조건과 생산된 에너지의 시간별 가치에 따라 달라진다. 퇴각검색은 패널의 배치를 계산하는 한 가지 방법이다. 수평 추적기는 일반적으로 모듈의 면이 회전축과 평행하게 배치된다. 모듈이 추적할 때 회전축을 중심으로 회전 대칭을 이루는 원통을 훑게 된다. 단축 수평 추적기에서는 긴 수평 튜브가 파일론 또는 프레임에 장착된 베어링에 지지된다. 패널은 튜브 위에 장착되며, 튜브는 하루 종일 태양의 겉보기 움직임을 추적하기 위해 축을 중심으로 회전한다. 추적은 빔 광선과 패널의 법선 사이의 각도를 항상 최소화하는 것을 목표로 한다.

기울어진 모듈을 가진 수평 단축 추적기 (HTSAT)

HSAT에서 모듈은 0°로 평평하게 장착되는 반면, HTSAT에서는 모듈이 특정 기울기 각도로 설치된다. 이는 HSAT와 동일한 원리로 작동하며, 튜브 축을 남북선에서 수평으로 유지하고 태양 모듈을 하루 종일 동에서 서로 회전시킨다. 이러한 추적기는 일반적으로 고위도 지역에 적합하지만, 수직 단축 추적기(VSAT)만큼 많은 토지 공간을 차지하지 않는다. 따라서 수평 추적기의 VSAT 장점을 가져오고 태양광 프로젝트의 전체 비용을 최소화한다.

 수직 
수직 단축 추적기 (VSAT)

섬네일|수직 추적 시스템은 남향 태양광 배열보다 약 25% 더 효율적이다.

수직 단축 추적기의 회전축은 지면에 대해 수직이다. 이 추적기는 하루 동안 동에서 서로 회전한다. 이러한 추적기는 수평 단축 추적기보다 고위도 지역에서 더 효과적이다. 불필요한 에너지 손실을 피하고 토지 사용을 최적화하기 위해 현장 레이아웃은 음영을 고려해야 한다. 또한, 밀집 배치를 위한 최적화는 연중 음영의 특성으로 인해 제한된다. 수직 단축 추적기는 일반적으로 모듈 면이 회전축에 대해 각도를 이루도록 배치된다. 모듈이 추적할 때 회전축을 중심으로 회전 대칭을 이루는 원뿔을 훑게 된다.

 기울어진 
경사 단축 추적기 (TSAT)
섬네일|중국 스쯔왕치(Siziwangqi)에 있는 경사 단축 추적기.

회전축이 수평과 수직 사이에 있는 모든 추적기는 경사 단축 추적기로 간주된다. 추적기 경사각은 종종 풍력 프로필을 줄이고 높은 끝 부분의 높이를 낮추기 위해 제한된다. 백트래킹(backtracking)을 사용하면 어떤 밀도에서도 회전축에 수직으로 음영 없이 배치할 수 있다. 그러나 회전축에 평행하게 배치하는 것은 경사각과 위도에 따라 제한된다. 경사 단축 추적기는 일반적으로 모듈 면이 회전축과 평행하게 배치된다. 모듈이 추적할 때 회전축을 중심으로 회전 대칭인 원통을 훑는다.

 다양한 유형의 단축 추적기가 성능에서 어떻게 다른가 
단축 추적기는 항상 직접 햇빛의 입사각을 최소화하려고 노력하므로, 당장 드는 질문은 다양한 구현 방식 또는 유형의 단축 추적기가 서로 및 2축 추적기와 비교하여 직접 햇빛을 포착하거나 가로채는 데 얼마나 효율적인가이다. 2025년 학술지 Solar Energy에 게재된 한 논문은 단축 추적기의 태양 기하학에 대한 벡터 기반의 보편적인 공식을 개발하고 이를 대기 상층부 및 이상적인 맑은 하늘 모델에 적용하여 남극에서 북극까지 모든 위도에서 HSAT E-W(축이 동서 방향), HSAT N-S(축이 남북 방향), PSAT, VSAT 및 VTSAT(기울기 각도가 위도의 절댓값과 같음)의 성능을 시간과 공간에서 비교함으로써 이 질문에 답하려고 시도한다. 그렇다면 연간 기준으로 어떤 유형이 가장 좋은가? 결과는 위도에 따라 달라진다는 것을 보여준다. 그럼에도 불구하고 PSAT는 열대 및 대부분의 온대 지역에서 연간 기준으로 직접 햇빛을 포착하는 데 가장 효율적인 것으로 나타났으며, 극지방에서는 기울기 각도가 위도의 절댓값과 같은 VTSAT에 의해서만 능가된다.

 2축 추적기 
2축 추적기는 두 가지 자유도를 가지며, 이는 회전축으로 작용한다. 이 축들은 일반적으로 서로 수직이다. 지면에 고정된 축을 주축으로 간주할 수 있다. 주축에 대해 참조되는 축을 보조축으로 간주할 수 있다. 2축 추적기에는 몇 가지 일반적인 구현 방식이 있다. 이들은 지면에 대한 주축의 방향에 따라 분류된다. 일반적인 구현 방식으로는 팁-틸트 2축 추적기(TTDAT)와 방위-고도 2축 추적기(AADAT)가 있다. 성능 모델링 시 추적기 축에 대한 모듈의 방향이 중요하다. 2축 추적기는 일반적으로 모듈이 보조 회전축에 평행하게 배치된다. 2축 추적기는 수직 및 수평으로 태양을 따라갈 수 있는 능력 덕분에 최적의 태양 에너지 수준을 제공한다. 태양이 하늘의 어느 위치에 있든 2축 추적기는 태양을 직접 향하도록 각도를 조절할 수 있다.

 팁-틸트 
섬네일|폴에 장착된 2축 추적기. 스쯔왕치(Siziwangqi) 프로젝트

팁-틸트 2축 추적기(TTDAT)는 패널 배열이 폴 상단에 장착되어 있어 그렇게 이름 붙여졌다. 폴 상단에는 패널의 효과적인 수평 회전과 수직 기울기를 모두 제공하고 배열의 고정 하중 지지 능력을 제공하는 2축 유니버설 조인트가 있다. 팁핑(tipping)과 틸팅(tilting)은 외부 액추에이터에 의해 관리된다. 지평선을 중심으로 한 움직임은 폴 상단에서 배열을 회전시켜 구동된다. 이는 폴 주위의 케이블 꼬임이 없으므로 지상 장비에 대한 페이로드 연결의 유연성을 크게 높인다.

간단한 기하학적 구조는 추적기를 서로 적절히 배치하는 데 필요한 것은 회전축을 서로 평행하게 유지하는 것뿐임을 의미한다. 일반적으로 추적기는 태양이 낮게 떠 있을 때 한 추적기가 다른 추적기에 그림자를 드리우는 것을 피하기 위해 상당히 낮은 밀도로 배치해야 한다. 배열에서 추적기 간격을 적절하게 유지하는 것이 아침/저녁 태양 에너지를 수확할 수 있는 유일한 방법이다. 아침/저녁 태양 에너지 수확은 2축 추적기를 고정식 또는 1축 추적기와 구별시키는 요소이다. 1축 추적기는 자체 음영을 설명하기 위해 "백트래킹"을 사용하지만, 이는 2축 추적에서는 문제가 되지 않는다. 2축 추적기를 설치하는 데 비용을 들일 거라면 저녁 태양을 제한함으로써 타협하지 말고, 추적기 간격을 적절히 배치하여 최대 수확량을 즐겨야 한다.

초기 세대 팁-틸트 2축 추적기의 회전축은 일반적으로 진북 자오선을 따라 또는 동서 위도선을 따라 정렬된다.

이 문단에 설명된 태양 추적기는 수평 주 회전축과 항상 주축에 직교하는 보조 회전축을 가지고 있다. 수직 축(폴 마운트)을 중심으로 한 배열 회전은 없다. 주축과 보조축을 중심으로 한 순 회전은 배열이 수직 축(폴 상단)을 중심으로 "회전"할 수 있도록 한다. 이 팁-틸트 구성 및 컨트롤러의 독특한 기능 덕분에 휴대용 또는 고정 플랫폼에서 사용할 수 있는 완전 자동 추적이 가능하다. 이 "태양 추적" 추적기는 태양의 위치 또는 흐린 하늘의 가장 밝은 영역(산란 조명)에만 반응한다. 결과적으로 북극의 24시간 여름 동안 태양이 지평선을 따라 움직이는 것을 추적할 수 있다. 태양의 위치를 찾기 위한 천문학적 계산이 필요 없으며, 추적기 축의 방향은 특별히 중요하지 않으며 필요에 따라 배치할 수 있다.

섬네일|스페인 톨레도에 있는 방위-고도 2축 추적기.

 방위-고도 
방위-고도(또는 경위대) 2축 추적기(AADAT)는 주축(방위축)이 지면에 수직이다. 종종 고도축이라고 불리는 보조축은 일반적으로 주축에 수직이다. 이들은 작동 방식은 팁-틸트 시스템과 유사하지만, 일일 추적을 위해 배열이 회전하는 방식이 다르다. 폴 상단에서 배열을 회전시키는 대신, AADAT 시스템은 지면에 장착된 큰 링과 일련의 롤러에 장착된 배열을 사용할 수 있다. 이 배열의 주요 장점은 배열의 무게가 링의 일부에 분산된다는 점이며, 이는 TTDAT의 폴 단일 지지점과 대조된다. 이를 통해 AADAT는 훨씬 더 큰 배열을 지지할 수 있다. 그러나 TTDAT와 달리 AADAT 시스템은 링 직경보다 가깝게 배치될 수 없으므로 시스템 밀도를 줄일 수 있으며, 특히 추적기 간의 그림자 효과를 고려해야 한다.

 건설 및 (자체) 제작 
패널과 추적기 비용 간의 경제적 균형이 중요하다. 2010년대 초반 태양광 패널 가격의 급격한 하락으로 합리적인 해결책을 찾기가 더욱 어려워졌다. 첨부된 미디어 파일에서 볼 수 있듯이 대부분의 건설물은 소규모 또는 수공예 작업장에 적합하지 않은 산업용 및 중장비 재료를 사용한다. 상업용 제품조차도 안정화를 위해 다소 부적절한 해결책(큰 바위)을 제시할 수 있다. 소규모(아마추어/열성적인) 건설의 경우, 경제성, 자연 재해에 대한 최종 제품의 안정성, 재료 취급 용이성, 목공 등의 기준이 충족되어야 한다.

 추적기 유형 선택 
추적기 유형의 선택은 설치 규모, 전기 요금, 정부 인센티브, 토지 제약, 위도 및 지역 날씨를 포함한 여러 요인에 따라 달라진다.

수평 단축 추적기는 일반적으로 대규모 분산 발전 프로젝트 및 유틸리티 규모 프로젝트에 사용된다. 에너지 효율성 향상, 낮은 제품 비용 및 낮은 설치 복잡성의 조합은 대규모 배포에서 매력적인 경제성을 제공한다. 또한, 강력한 오후 성능은 대규모 계통 연계 태양광 발전 시스템에서 특히 바람직하며, 이는 생산량이 최대 수요 시간과 일치하도록 한다. 수평 단축 추적기는 태양이 하늘에 높이 떠 있는 봄 및 여름 시즌 동안 상당한 양의 생산성을 추가한다. 지지 구조의 내재된 견고성과 메커니즘의 단순성 또한 높은 신뢰성을 가져와 유지 보수 비용을 낮게 유지한다. 패널이 수평이므로 자체 음영 위험 없이 차축 튜브에 밀집하게 배치할 수 있으며 청소도 쉽게 접근할 수 있다.

수직축 추적기는 수직 축을 중심으로만 회전하며, 패널은 고정, 조절 가능 또는 추적되는 고도 각도를 갖는다. 고정 또는 (계절에 따라) 조절 가능한 각도를 가진 이러한 추적기는 태양 경로가 특별히 높지 않지만 여름에는 일조 시간이 길고 태양이 긴 호를 그리는 고위도 지역에 적합하다.

2축 추적기는 일반적으로 소규모 주거용 설치 및 정부 발전차액지원제도가 매우 높은 지역에서 사용된다. 물론, 태양광 관련 산업이 최대 수요 기간 동안 발생하는 30%의 에너지 수확 손실의 중요성을 깨닫게 되면 상황은 변할 것이다. 가장 필요할 때 태양광을 생산하도록 하는 인센티브는 2축 추적기에 대한 새로운 관심을 불러일으킬 것이다.

 다중 거울 집광형 PV 
섬네일|반사 거울 집광 장치

이 장치는 수평면에 여러 개의 거울을 사용하여 햇빛을 위쪽으로 반사시켜 집광형 태양열 발전이 필요한 고온 시스템으로 보낸다. 거울이 바람의 하중에 크게 노출되지 않으므로 구조적 문제와 비용이 크게 절감된다. 특허 받은 메커니즘을 사용하여 각 장치에는 단 두 개의 구동 시스템만 필요하다. 이 장치의 구성 덕분에 평평한 지붕과 저위도 지역에서 사용하기에 특히 적합하다. 그림에 있는 각 장치는 약 200 피크 직류 와트를 생산한다.

중앙 발전 타워와 결합된 다중 거울 반사 시스템은 캘리포니아 랭커스터에 위치한 시에라 선타워에서 사용되었다. eSolar가 운영했던 이 발전소는 2009년부터 2014년까지 가동되었다. 이 시스템은 남북 방향으로 여러 개의 헬리오스탯을 사용했으며, 시동 및 운영 비용을 줄이기 위한 방법으로 사전 제작된 부품과 건설을 활용했다.

 구동 방식 
 능동 추적기 
능동 추적기는 모터와 기어 트레인을 사용하여 태양 추적을 수행한다. 마이크로프로세서와 센서, 날짜 및 시간 기반 알고리즘 또는 이 둘의 조합을 사용하여 태양의 위치를 감지할 수 있다. 이러한 거대한 구조물의 움직임을 제어하고 관리하기 위해 특별한 선회 구동장치가 설계되고 엄격하게 테스트된다. 추적기를 지시하는 데 사용되는 기술은 끊임없이 진화하고 있으며, Google과 Eternegy의 최근 개발에는 일부 고가의 취약한 부품을 대체하기 위한 와이어 로프와 윈치의 사용이 포함된다.

섬네일|왼쪽|선회 구동장치 기어박스

고정 각도 지지대를 사이에 둔 역회전 선회 구동장치를 적용하여 종방향 정렬에 대한 회전을 없애는 "다축" 추적 방법을 만들 수 있다. 이 방법은 기둥이나 받침대에 놓일 경우 고정형 PV보다 더 많은 전기를 생산하며, PV 배열은 주차장 진입로로 회전하는 일이 없다. 또한 원형 또는 곡선형을 포함하여 사실상 모든 주차장 차선/열 방향에서 최대 태양광 발전을 가능하게 한다.

능동형 2축 추적기는 헬리오스탯의 방향을 지정하는 데도 사용된다. 헬리오스탯은 햇빛을 중앙 발전소의 흡수체로 반사하는 이동식 거울이다. 넓은 들판의 각 거울은 개별적인 방향을 가지므로, 중앙 컴퓨터 시스템을 통해 프로그램적으로 제어되며, 필요할 때 시스템을 종료할 수도 있다.

광 감지 추적기는 일반적으로 광다이오드와 같은 두 개 이상의 광센서를 사용하며, 동일한 광속을 받을 때 널(null)을 출력하도록 차등적으로 구성된다. 기계적으로는 전방향(즉, 평평)이어야 하며 90도 간격으로 조준된다. 이는 코사인 전달 함수의 가장 가파른 부분이 가장 가파른 부분에서 균형을 이루도록 하여 최대 감도로 이어진다. 컨트롤러에 대한 자세한 내용은 능동 채광을 참조하라.

모터는 에너지를 소비하므로 필요한 만큼만 사용하는 것이 좋다. 그래서 연속적인 움직임 대신, 헬리오스탯은 불연속적인 단계로 움직인다. 또한, 빛이 특정 임계값 아래이면 방향 재조정을 정당화할 만큼 충분한 전력이 생성되지 않는다. 이는 구름이 머리 위를 지나갈 때처럼 한 방향에서 다른 방향으로의 빛 수준 차이가 충분하지 않을 때도 마찬가지이다. 흐린 기간 동안 추적기가 에너지를 낭비하지 않도록 고려해야 한다.

 수동 추적기 
섬네일|오른쪽|200px|봄/여름 기울기 위치의 수동 추적기 헤드. 밝은 파란색 랙 위의 패널이 스톱에 대해 아침 위치로 회전되어 있다. 진한 파란색 물체는 유압 댐퍼이다.

가장 일반적인 수동 추적기는 낮은 끓는점을 가진 압축 가스를 사용한다. 이 가스는 태양열로 가스 압력을 생성하여 불균형에 반응하여 추적기가 한쪽 또는 다른 쪽으로 움직이도록 한다. 이는 부정확한 방향이기 때문에 특정 유형의 집광형 태양광 집열기에는 적합하지 않지만 일반적인 PV 패널 유형에는 잘 작동한다. 이들은 바람 돌풍에 대한 과도한 움직임을 방지하기 위해 점성 댐퍼를 가지고 있다. 셰이더/반사경은 이른 아침 햇빛을 반사하여 패널을 "깨우고" 태양 쪽으로 기울이게 하는 데 사용되며, 이는 음영 조건에 따라 몇 시간이 걸릴 수 있다. 이를 위한 시간은 패널을 약간 천정을 지나도록 위치시키는 자체 해제 타이다운을 추가하고 저녁에 타이다운을 사용하여 크게 줄일 수 있다. (느슨하게 당기는 스프링은 바람이 부는 야간 조건에서 해제를 방지한다.)

새롭게 등장하는 태양광 패널용 수동 추적기 유형은 태양광 셀 스트라이프 뒤에 홀로그램을 사용하여 햇빛이 모듈의 투명한 부분을 통과하여 홀로그램에 반사되도록 한다. 이를 통해 햇빛이 뒤에서 셀을 비추어 모듈의 효율성을 높인다. 또한, 홀로그램이 항상 올바른 각도에서 셀을 향해 햇빛을 반사하기 때문에 패널을 움직일 필요가 없다.

 수동 추적 
일부 개발도상국에서는 드라이브 장치를 추적기를 조절하는 작업자가 대체하고 있다. 이는 견고성, 유지보수를 위한 인력 확보, 그리고 현장 주변 인구의 고용 창출이라는 이점을 제공한다.

 회전 건물 
독일 프라이부르크 임 브라이스가우에서 롤프 디쉬는 1996년 헬리오트롭이라는 주거 건물을 건설했는데, 이 건물은 태양을 따라 회전하며 지붕에 추가로 2축 태양광 세일이 설치되어 있다. 이 건물은 건물이 소비하는 에너지량의 4배를 생산한다.

제미니 하우스는 수직축 추적기의 독특한 예이다. 오스트리아에 있는 이 원통형 집(위도 북위 45도 이상)은 전체가 태양을 추적하기 위해 회전하며, 건물 한쪽에 수직 태양 전지판이 설치되어 독립적으로 회전하여 태양으로부터의 자연 난방을 제어할 수 있다.

리볼트 하우스(ReVolt House)는 TU 델프트 학생들이 마드리드에서 열린 솔라 데카슬론 유럽 대회에서 설계한 회전하는 부유 주택이다. 이 집은 2012년 9월에 완공되었다. 불투명한 외관은 여름에는 태양 쪽으로 향하여 내부가 과열되는 것을 방지한다. 겨울에는 유리 외관이 태양을 향하여 집을 수동적으로 태양열로 난방한다. 이 집은 물 위에서 마찰 없이 떠다니므로 회전하는 데 많은 에너지가 필요하지 않다.

 단점 
추적기는 시스템에 비용과 유지보수를 추가한다. 만약 비용을 25% 증가시키고 출력을 25% 향상시킨다면, 시스템을 25% 더 크게 만들어서 추가 유지보수 없이 동일한 성능을 얻을 수 있다. 과거에는 태양광 모듈이 오늘날보다 비쌌기 때문에 추적 기능이 매우 비용 효율적이었다. 모듈이 비쌌기 때문에 주어진 전력 출력으로 시스템에 사용되는 패널 수를 최소화하기 위해 추적 기능을 사용하는 것이 중요했다. 그러나 패널 가격이 저렴해지면서 추적 대 더 많은 패널 사용의 비용 효율성은 감소한다. 하지만 배터리가 야간 사용을 위해 전력을 저장하는 독립형 설치에서는 추적 시스템이 저장된 에너지가 사용되는 시간을 줄여 배터리 용량을 덜 필요로 한다. 배터리 자체는 비싸므로(전통적인 납산 정지형 셀이든 최신 리튬 이온 배터리든) 비용 분석에 포함되어야 한다.

추적 기능은 일반적인 주거용 옥상 태양광 설비에는 적합하지 않다. 추적 기능은 패널이 기울어지거나 다른 방식으로 움직여야 하므로 이를 허용하는 조치가 필요하다. 이는 패널이 지붕에서 상당한 거리를 두고 떨어져 있어야 함을 의미하며, 이는 값비싼 랙킹이 필요하고 풍하중을 증가시킨다. 또한, 이러한 설정은 주거용 옥상에 미관상 좋지 않다. 이러한 이유(및 이러한 시스템의 높은 비용) 때문에 추적 기능은 주거용 옥상 설비에는 사용되지 않으며, 그러한 설비에 사용될 가능성도 낮다. 이는 태양광 모듈 비용이 계속 감소하여 더 많은 전력을 위해 모듈 수를 늘리는 것이 더 비용 효율적인 옵션이 될수록 더욱 그러하다. 추적 기능은 지상 설치용 주거용 설비에는 사용될 수 있으며(때때로 사용되기도 함), 여기서는 더 큰 움직임의 자유가 가능하다.

추적은 또한 음영 문제를 야기할 수 있다. 패널이 하루 동안 움직일 때, 패널이 서로 너무 가깝게 위치하면 프로파일 각도 효과로 인해 서로에게 그림자를 드리울 수 있다. 예를 들어, 동서로 여러 패널이 한 줄로 배치된 경우 태양 정오에는 그림자가 없지만, 오후에는 패널이 충분히 가까이 있으면 서쪽 인접 패널에 의해 그림자가 드리워질 수 있다. 이는 추적 시스템에서 패널이 음영을 방지하기 위해 충분히 멀리 떨어져 있어야 함을 의미하며, 이는 피크 일조 시간 동안 주어진 면적에서 사용 가능한 전력을 줄일 수 있다. 패널을 넓게 배치할 충분한 토지 면적이 있다면 큰 문제는 아니다. 그러나 이는 고정 배열에 비해 하루 중 특정 시간(즉, 태양 정오 무렵)에 출력을 감소시킨다. 이 문제를 수학적으로 최적화하는 것을 백트래킹(backtracking)이라고 한다.

또한, 단축 추적 시스템은 비교적 적당한 풍속(갤로핑)에서 불안정해지기 쉽다. 이는 단축 태양광 추적 시스템의 비틀림 불안정성 때문이다. 자동 보관 및 외부 댐퍼와 같은 갤로핑 방지 조치가 구현되어야 한다.

 같이 보기 

 에어 매스 계수
 양면 태양 전지 - 수직 양면 태양광 배열
 헬리오스탯
 태양 에너지
 태양 경로
 넥스트랙커

 각주 

분류:태양 에너지
분류:태양광 발전
분류:추적