태양광 발전 시스템
1. 태양에너지
1년간에 지구 전체로 쏟아지는 태양 에너지양의 크기는, 대강 9.5×1020kcal이고, 이 분량의 크기는, 전세계에서 1년간에 소비되는 에너지양의 1만배 이상으로 상당합니다.
풍력에너지나 수력에너지 등 외에의 자연 에너지원은, 대부분 전부가 이 태양에너지를 기본으로 만들어 생산되는 에너지원입니다.
2. 태양전지
태양전지는, 성질이 다른 P형과 N형으로 불리는 반도체 물질을 얇은 판 타입의 구조로 붙였으며, solar 패널이라고도 불리고 있습니다. 태양전지의 표면에 빛을 닿으면, 이들 반도체 간에 기전력이 생겨 전류가 흐르는 특성을 이용한 발전기로, 일반 명칭으로서 태양전지라고 부르지만, 사실은 발전기이고, 전지와 같이 전력을 모아 놓는 기능은 없습니다.
태양전지는, 가동 부분이 전혀 없기 때문에, 장기간에 걸쳐 유지보수가 불필요하고, 내구성도 높아 수명이 대단히 긴 것이 특징입니다. (태양전지로서의 성능 보증기간은 20년간)
종래, 태양전지는 대단히 값이 비싸고, 극히 제한되었던 특수한 용도(우주선이나 학술 연구 등)에만 사용되게 되었지만, 현재는 제조 코스트가 크게 내리고, 특히 이 몇 년간의 사이에, 나라가 적극적인 보조금 정책에 의해 태양전지의 보급과 양산화가 진행되고 있으며 보급 가격대도 크게 내려오고 있습니다.
태양의 빛이 지상에 쏟아질 때의 에너지 밀도는, 청천시에 1평방미터당 약1kW정도이고, 태양전지의 에너지 변환 효율은, 대략적이게 말하면 10∼15% 정도이며, 태양전지1평방미터당 대강 100∼150W( 시간당 )정도의 발전량이 얻어집니다.
국내에서의 평균적인 유효 일사 시간은, 1일에 3∼4시간 정도이며, 이상적인 발전이 가능하다고 한 경우, 1평방미터당의 태양전지는, 1일에 300∼450W/day정도의 발전량을 기대할 수 있습니다. 단, 태양전지의 표면의 더러움이나 설치 각도, 전주나 전선 등에 의한 햇빛의 영향, 송전 loss, battery의 충, 방전 loss, 인버터의 전력 변환 효율 등의 여러가지 요인에 의해 실제로 이용 가능한 전력량은, 그 반 정도가 되기 때문에, 사전에 조사를 해야 합니다.
3. 태양광 발전 특징
태양의 빛이 얻어지는 장소이면, 태양전지에 의해 어디라도 발전이 가능합니다. 국내에 한해서 보면, 국내에서의 표준적인 유효 일사 시간은, 1일에, 대강 3∼4시간 정도이고, 이 수치는, 태양전지를 이용한 실용적인 발전이 충분히 기대할 수 있는 것을 의미하고 있습니다.
태양광 발전은, 풍력 등 외에의 자연 에너지를 이용한 발전과 비교하고, 지역 격차나 계절 변동이 비교적 적어 누구라도 도입하기 쉬운 발전 시스템입니다.
또 발전할 수 있는 상황이, 청천시의 낮 동안에 제일 많이 발전되고, 야간의 발전량은 제로이며, 밝은 흐린 날씨시는 적지만 발전하며, 두꺼운 구름에 덮인 흐린 날씨시나 어두운 강우시, 강설시 등에서는, 발전량은 거의 제로가 됩니다.
따라서 기대하는대로의 발전을 할 수 있는 것은, 청천시의 일중에 낮 동안만으로 생각하시고 용량을 계산하여 주십시오
4. 태양광 발전 시스템의 구성
태양광 발전 시스템의 일반적인 기기 구성은 크게 나누면, 독립 전원형과 계통 연계형의 2종류가 있기 때문에, 각각에 대해서 소개합니다.
*대표적인 독립 전원 시스템
발전한 전력을 그대로 자가 소비하고, 외부, 즉 상용 전력부터의 전력 보급을 받지 않고 운용하는 자급 자족적인 운용 방법으로, 상용 전력과 전기적인 접속을 하지 않은 방식을 "독립형 전원 시스템" 이라고 불리는 시스템 운용 형태입니다.
발전하고 있는 시간대와 전력을 소비하는 시간대에 시차가 있는 경우가 많기 때문에, 독립 전원 시스템의 대부분은, battery(축전지)를 구비하고 있으며, 발전한 전력을 일단 battery로 축전하고, 필요에 따라 battery부터 방전해 전력을 사용하는 형태가 되고 있습니다.
소규모인 것부터 대규모인 것까지 다종다양하고, 작은 것으로서는 태양전지를 이용한 탁상계산기나 시계 등도 독립 전원 시스템을 이용한 기기라고 부를 수 있을 것입니다. 대규모인 것은, 상용 전원이 없는 무전원 지대에서의 산장이나 별장, 연구 설비나 방재 설비 등의 전원으로 사용되고 있습니다. 상용 전원과 무관하기 때문에, 재해 등에 상용 전원이 정전된 때에도 독립해 운용할 수 있습니다.
1. 충전 콘트롤러
battery의 과충전 방지 때문에, 태양전지와 battery의 사이에 충전 콘트롤러라고 불리는 충전 제어장치를 배치합니다. 현재의 충전 콘트롤러는, PWM제어 방식을 채용하고 있고, battery의 충전 상태를 battery 전압에 맞추고, 충전 회로를 고주파로 단속적으로 on-OFF 하여, 충전되는 전류량을 조절하고 있습니다.
충전 콘트롤러는, 사용하는 태양전지의 최대 동작시 전류치를 충전할 수 있는 용량인 것을 선정합니다.
효율적인 battery 충전에는, 주위 온도에 의한 충전 전압의 보정이 필요하고, 각 메이커의 충전 콘트롤러에는, 온도 보상 기능이 표준으로, 혹은 옵션 parts가 제공되고 있습니다.
2. battery
deep 싸이클 battery를 사용하는 것을 권장하고 있습니다. battery 용량의 기준으로서는, 태양전지의 최대 동작시 전류의 10∼20시간분 정도가 되야 하며, 예를 들면, 사용하는 태양전지의 최대 동작시 전류가 5A(암페어)인 경우에는, 50∼100Ah(암페어·hour)정도의 battery 용량을 확보해 놓으면 좋을 것입니다.
( 국제 기준이 배터리 충전기의 전류용량에 10배의 배터리를 10시간에서 14시간내에 충전해야 됩니다. )
3. DC-AC 인버터
battery는, 직류 전원이므로, 부하로서 교류기기를 사용하는 경우에는, DC-AC 인버터에 의해 직류(DC)를 교류(AC)로 변환합니다.
battery 전압에 적합한 직류용 부하를 사용하는 경우에는, DC-AC인버터는 불필요합니다.
사용할 제품이 직류용 혹은 교류용 인지를 사전에 검토해 놓으면 좋을 것입니다.
* 대표적인 계통 연계 시스템
발전 시스템이 상용 전력과 전기적으로 접속되어 있고, 발전한 전력은 자가 소비함과 동시에, 만일 전력이 부족한 경우에는, 통상대로 전력회사에서 전력을 구입하는 운용 형태로, 전력회사의 전력 계통으로 접속한 운용 방법인 것을「계통 연계형 시스템」이라고 부르고 있습니다.
또 발전하여 소비하고 남은 전력을 전력회사로 매전하게 됩니다, 특히 매전이 가능한 계통 연계 시스템을 가리켜 " 계통 연계형 시스템 " 이라고 부르고 있습니다. 필요에 따라 상용 전원과 전력을 주고 받음을 하기 때문에, battery를 구비할 필요가 없는 것이 특징입니다.
몇 년간, 주택용 태양광 발전 시스템으로서 널리 인지되어 보급이 진행되어 있는 것이, 이 " 계통 연계형 시스템" 입니다. 상용 전원과의 연계 시스템이므로, 재해시 등의 정전에는 약하고, 이 때문에 battery를 백업 전원으로서 사용하는, 독립 전원의 메리트를 받아들인 시스템도 주목받게 되었습니다.
태양전지는, 광면에 받는 일사량에 따라 발전량이 변화하기 때문에, 태양전지면에 대해, 최대한 직각이 되도록 태양광이 마주하도록 설치하는 것이 이상입니다.
태양전지를 설치하는 방향은, (북반구에 있어서는)남쪽에 설치합니다.
태양 고도(수평선과 태양이 하는 각도)는, 일년 중에 변화하며, 여름철은 고각도, 동계는 저각도가 되기 때문에, 계절에 모두 태양전지의 각도를 변화시키는 것이 이상이지만, 통상은 고정 설치가 됩니다.
태양전지의 설치 각도의 사고방식에는 2종류 있고, 하나는, 연간의 총 발전량이 최대가 되는 듯한 설치 각도로, 다른 하나는, 연간의 최저 발전량 시(주로 동계간)의 발전량이 최대가 되는 듯한 각도입니다.
계통 연계형의 태양광 발전 시스템의 경우는, 연간의 총 발전량이 최대가 되는 듯한 각도로 태양전지를 설치합니다. 이 경우, 통상은 10∼40도 정도의 각도가 되고, 이 범위 내에 있어서 그다지 큰 차는 없습니다.
연중 운용하는 독립 전원 시스템의 경우는, 시스템 전체의 크기(태양전지 용량이나 battery 용량 등)을 무엇보다도 발전량이 저하하는 바닥에 모두 설계하기 때문에, 연간의 발전량이 최저가 되는 듯한 시기에, 무엇보다도 발전량이 많은 태양전지를 설치합니다. 이 경우는, 30∼60도의 비교적 고각도가 됩니다. 특히 고위도 지역이나 강설 지역에서는, 동계간의 일사량이 무엇보다도 부족하기 쉬워지기 때문에, 태양 고도가 낮은 동계에 맞추게 됩니다. 이 때문에, 태양전지의 설치 각도는 60도와 고각도가 됩니다. (고각도로 설치하는 것은, 적설 영향을 덜 받게 하기 위한 메리트도 얻어집니다. )
다만 이 설치방식은, 어디까지나 사업 용도 등으로의 실용 전원 시스템의 경우에 적용되는 경우이고, 일반적인 주택용 목적으로 태양광 발전 시스템을 운용하는 경우에는, 고위도 지역이나 강설 지역의 경우에도, 그다지 심각하게 생각할 필요는 않습니다.
태양전지에 경사각을 주는 것은, 더러움이나 퇴적물을 강우시에 씻어내는 작용이 얻어지기 때문에, 태양전지를 수평으로 설치하는 것은 피하시는 것이 좋을 것입니다.
5. 기대 발전량과 사용 가능 전력량
실제로 태양전지로 발전할 수 있는 전기의 분량은, 태양전지의 설치 방향이나 설치 각도, 설치하는 지역의 계절에 의하여 크게 변화하기 때문에, 발전량을 정확하게 예상하는 것은 곤란합니다.
사업용이 본격적인 실용 전원 시스템의 경우에는, 각지역의 실측 일사량 데이타를 사용해 기대 발전량을 구하지만, 일반인이 설계하는 것은 조금은 어려운 작업입니다.
그래서, 극히 대략적이게 간략화한 방법으로, 독립 전원 시스템의 경우의 기대 발전량을 계산하여 보겠습니다.
우선 전제로서, 태양전지는 남쪽, 수평 각도30도 정도로 설치하고 있는 것으로 합니다( 보편적으로 이상 설치).
국내에서의 평균적인 1일의 일사 시간은, 대강 3∼4시간 정도입니다.
다음으로 태양전지의 성능표에서, 최대 출력시 동작 전류의 항목을 참조하고, 태양전지 1매를 이용하는 경우는 그 수치를 계산하고, 병렬로 접속하는 경우는, 합계한 값을 계산하며, 1일당의 평균 일사 시간을 맞추면, 1일의 평균적인 발전량(Ah/day)를 구할 수 있습니다.
강원도와 같은 강설 지역의 경우, 동계간의 일사 시간은 한층 작아지고, 1일의 평균 일사 시간은, 1.5∼2.5(h/day)정도가 되기 때문에, 그 점은 사전에 고려해 놓습니다.
단, 실제의 태양광 발전으로는, 상기 계산과 같은 카탈로그 spec대로의 발전을 기대하는 것이 곤란하고, 태양전지 표면의 더러움이나 설치 각도가 어긋나고, 제품의 효율, 특성변화 등, 여러가지 요인에 의해 발전량이 낮아집니다. 또 실제로 사용 가능한 전력량은 battery의 방전 효율이나 DC-AC 인버터의 변환 효율 등도 영향을 주기 때문에, 더욱 더 낮은 값이 됩니다.
앞에서 말한 바와 같은 이유 때문에, 실제로 사용 가능한 전력량은, 최대 출력시 동작 전류(A)×평균 일사 시간(h/day)보다 구한 값의 반 정도가 됩니다.
예) 태양전지를 1매를 사용한 경우에 대해서
카탈로그에서 태양전지의 최대 출력시 동작 전류는 4(A)인 것 가정하여, 이 값에 1일의 평균 일사 시간인 3∼4(시간)의 수치를 계산하고, 그 수치를 반으로 합니다.
(즉 최대 출력시 동작 전류의 값의 1.5∼2배 만한 값이 됩니다. )
따라서 1일에 실제로 이용 가능한 전력량은, 대강 6.0∼8.0(Ah/day)가 되는 것으로 계산합니다.
상기에 계산한 방법은 태양전지의 특성에 따라서 차이가 있을 수 있으며 자세한 데이터는 태양전지를 생산하는 메이커의데이터를 참조하여 계산하여 주시기 바랍니다.
독립 전원 시스템 설계
1. 독립 전원 시스템의 실태
산속이나 낙도 등의 무전원 지대에 있어서, 기상 관측 장치나 각종 감시 장치, 통신 시설 등의 전원 설비로서, 독립 전원 시스템이 채용되고 있습니다.
통상, 독립 전원 시스템의 발전 방법은 보편적으로 태양전지가 사용됩니다. 태양전지에 의한 독립 전원 시스템은, 태양전지 외에, 충전 콘트롤러, battery로 시스템이 구성되고, 필요에 따라 DC-AC 인버터 또는 DC-DC컨버터 등이 추가됩니다.
독립 전원 시스템은, 무인 상태에서의 운용이 전제가 되는 경우가 대부분으로, 일단 설치되어 운전이 개시되면, battery 교환 시기까지는, 별도의 유지보수가 필요없이 운용하는 것이 일반적입니다. 그러기 위해서 전원 장치의 높은 신뢰성이 요구됩니다.
그러나, 지금까지 대단히 많은 채용 사례가 있으면서도, 독립 전원 시스템의 확립된 설계법은 없고, 어느 정도의 실측 데이터나 유경험자의 경험과 이론에 의해 개별적으로 설계되어 있는 것이 현실이라고 말씀드립니다.
2. 독립 전원 시스템의 설계 순서
태양전지를 사용하여 극히 일반적인 독립 전원 시스템의 설계법에 대해서, 당사의 설계 기준으로 표준적인 내용에 대해서 일부 말씀드립니다.
설계 순서
1. 사용하는 부하 및 시스템 전체의 소비전력량을 구합니다.
2. 사용할 제품의 직류용과 교류용을 구분하여 DC-AC 인버터 와 DC-DC 컨버터의 용량을 선정합니다.
3. 필요한 태양전지 용량을 구합니다.
4. 필요한 battery 용량을 구합니다.
가장 기본적인 재료에 대한 구성이며 필요에 따라서 Battery Chager, Fast action AC synchronized transfer switch 등의 옵션을 구입하여야 합니다.
3. 구체적인 설계 수법
보다 자세한 설계방법은 독립형 태양광 발전 시스템 설계에 대한 글을 보아 주시기 바라며 여기에 소개하는 방법으로, 어느 정도 신뢰성이 높은 독립 전원 시스템을 설계할 수 있습니다.
상기 내용 중에서 설명드린 내용은 당사가 내용이나 결과를 보증하는 것은 아닙니다. 외국에서 일반화된 수법으로서 정의된 것과 당사에서 시스템의 취급과정에서 구해진 내용이기에 실제적으로 설치를 하실 때는 공사 전문가와 상담하여 주시기 바랍니다.
특히, 독립 전원 시스템의 설계 업무에 대한 기술지원은 당사와 제휴하고 있는 각 분야의 전문가와 같이 상담해 주십시오.
출처 : 로얄엔지니어링
