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분산전원

태양광 발전

태양광 발전

태양광 발전설비에 사용되는 태양전지의 종류와 특징에 대해 설명하시오.

태양광발전(PV: Photo Voltaic)에서 최대 전력점(MPP: Maximum Power Point)를 설명하시오.

태양광 모듈의 특성 중 FF(Fill Factor)를 설명하시오.

태양광 전지의 간이 등가회로를 구성하고 전류-전압 곡선을 설명하시오.

태양광 발전시스템의 Power Conditioner (Inverter)의 기능과 회로방식에 대해 설명하시오.

태양광 발전시스템의 종류를 들고 간단히 설명하시오

태양광 발전 시스템의 어레이(Array)설치 방식별 종류 및 특징에 대해 설명하시오.

개요

1) 태양전지가 광 에너지를 흡수하여 전기에너지를 발생(광전효과)
2) 태양전지 셀(Solar Cell)을 직·병렬 연결하여 태양전지 모듈화(Module)
3) 태양전지 모듈을 직·병렬 연결하여 태양광 시스템의 어레이(Array) 구성
4) 인버터(DC -> AC)를 통한 출력을 직접 부하 또는 상용계통과 연결하여 전력공급

태양광발전

※ 다이오드

태양광발전_다이오드

P형과 N형반도체를 접합시키면 다수 캐리어(P: 정공, N: 전자)들의 확산이 일어나는데, 접합면을 중심으로 전자는 P형쪽으로, 정공은 N형쪽으로 이동한다. 이들 사이에 내부전계가 형성으로 공핍층(전자가 존재할 수 없는 영역)을 만들고 이것은 전위장벽으로 작용하여 전자의 이동이 발생되지 않는다. 외부에서 내부전계와 반대방향으로 0.7V이상의 전위를 인가했을 때 정공이 전위장벽을 뛰어넘어 이동하기 시작한다. 이것을 우리는 다이오드가 도통되었다고 한다.

※ 광전효과

접합부에 태양광이 조사되면 공핍층의 정공(+)는 P형 반도체로, 전자(-)는 N형 반도체로 이동하여 공핍층을 없애고 전위를 형성하며 외부에 부하가 연결되면 전류가 흐를 수 있는 전기에너지원으로 바뀐다. 이것을 광전효과라고 한다.

태양광발전_광전효과

태양전지의 종류

태양전지의종류

태양전지의 전기적 특성

태양전지의 전기적인 특성을 해석하기 위해 Townsend에 의해서 4-파라메터의 간이등가회로가 개발되었다.

태양전지의전기적특징

1) 단락전류(Isc: Short-Circuit Current)

특정한 온도와 일사량에서 단락상태에서 있는 태양전지 및 모듈의 전류

2) 개방전압(Voc: Open-Circuit Voltage)

특정한 온도와 일사랑에서 개방상태에서 태양전지 및 모듈의 양단의 전압

3) 최대출력(PMPP: Maximum Power)

태양전지 또는 모듈의 전류-전압 특성에서 전류와 전압의 곱이 최대인 점에서의 태양광발전 장치 출력을 말하며, 전류-전압 곡선상 그 점을 최대 전력점(MPP)라고 한다.

\[최대전력(P_{MPP})\]\[=최대 전력전류(I_{MPP})\times 최대 전력전압(V_{MPP})\]
태양전지의 최대출력

4) 최대출력점 전압(VMPP)

최대 전력점(MPP)에서 전압값으로 최대출력을 발생하는 전압으로 최적운전 전압이라고도 부른다.

5) 최대출력점 전류(IMPP)

최대 전력점(MPP)에서 전류값

태양전지의 최대출력전류
태양전지의 최대출력전류

4) 충진율(FF: Fill-Factor)

개방전압과 단락전류의 곱에 대한 최대출력의 비율로 태양전지의 성능을 평가하는 지표로 사용된다. 부하저항의 크기는 이 면적의 넓이가 최대인 범위에 오도록 해야 한다. FF는 항상 1.0보다 작으며, 보통 0.75~8.5수준이다.

태양전지_충진율
\[FF=\frac{P_{MPP}}{V_{∞}\times I_{sc}}=\frac{V_{MPP}\times I_{MPP}}{V_{∞}\times I_{SC}}\]

5) 태양전지의 변환효율(Conversion Efficiency)

태양전지의 최대출력[W], 입사량(E)[W/cm2], 태양전지의 면적(A)[cm2]을 알면 FF에 의해서 태양전지의 효율을 산출할 수 있다.

\[\eta=\frac{P_{MPP}}{E\times A}=\frac{FF\times V_{oc}\times I_{sc}}{E\times A}\]

6) 태양전지 출력 특성변수

태양전지의 출력은 태양의 일사량, 주변 온도, 전지의 저항, 태양전지와 태양과의 입사각도 등의 자연조건에 의해 크게 영향을 받는다.

태양전지 출력 특성변수
태양전지 출력 특성

7) 태양전지의 온도계수

∙최대출력  온도가 증가할수록 감소 ex) -0.45[%/℃]
∙개방전압(최대전압)  온도가 증가할수록 감소 ex) -0.35[%/℃]
∙단락전류(최대전류)  온도가 증가할수록 미소하게 증가 ex) +0.06[%/℃]

8) STC(Standard Test Condition, 표준시험조건)

태양광발전 모듈이나 태양전지 시험의 조건이며, 태양전지(태양전지 셀)와 태양광발전 모듈 특성을 측정할 때의 기준으로 사용되는 다음의 상태를 말한다.

1) 일사강도: 1,000[W/m2]
2) 태양전지(모듈) 표면온도: 25[℃]
3) 분광분포(AM): 1.5

태양전지 모듈과 어레이

1) 모듈(Module)

⦁태양전지의 직렬 연결 모듈: 비례적으로 전압 증가
⦁태양전지의 병렬 연결 모듈: 비례적으로 전류 증가
⦁태양전지의 직·병렬 연결 모듈: 비례적으로 전압과 전류가 증가

전지의 직렬연결 V-I 곡선

[전지의 직렬연결 V-I 곡선]

2) 어레이(Array)

대규모 태양광 발전 시스템은 모듈의 직렬과 병렬로 연결하여 요구되는 구조적 모양과 필요한 전기적 특성을 계산하면 그의 형상이 구성된다.

⦁태양전지 모듈의 직렬연결 어레이
⦁태양전지 모듈의 병렬연결 어레이
⦁태양전지 모듈의 직·병렬연결 어레이

태양광 발전시스템의 구성

태양광 발전시스템의 구성

1) 태양전지 Array

최소 단위는 Cell로 구성되어 있으며, Cell의 다수가 모여 module 형태로 제작, 입사하는 태양광을 집적하여 전기에너지로 변환하는 장치

2) 파워 컨디션너(Power Conditioner)

(1) 초퍼: DC/DC 변환 기능

태양광 어레이에서 출력된 전압을 DC/DC 최적 운전전압 변환하여 최대 출력점 추종운전(MPPT)이 되도록 제어한다.

(2) 인버터: DC/AC 변환 기능

IGBT, PWM 방식의 전압형 인버터를 주로 사용하며, 입력된 직류전압을 사용을 위한 적절한 교류전압으로 변환하는 부분이다.

태양광 인버터

(3) 보호 및 제어기능

① 최대전력점 추종(MPPT: Maximum Power Point Tacking)제어
② 전압, 주파수, 위상제어  동기화 제어
③ 유효전력 및 무효전력 제어
④ 단독운전 검출 및 방지  상용전원 중지시 신속히 검출하여 인버터 정지
⑤ 태양광 발전의 원격감시
⑥ 계통연계 보호동작(과전압, 저전압, 저주파수, 과주파수 등)

태양광 발전시스템과 전력계통의 이상을 검출하여 전력계통과의 연계를 즉시 차단하는 기능

∙ 발전설비의 이상 또는 고장이 생긴 경우
∙ 연계된 전력계통에 단락사고 또는 지락사고가 발생된 경우
∙ 발전설비 등이 단독운전이 된 경우 또는 역조류가 발생 된 경우

4) 축전지

일사량이 많을 때 잉여전력을 축전지에 보관하였다가 흐린 날이나 야간에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 전기저장 장치이다. 축전지 설비는 독립시스템에서 반드시 갖춰야 할 설비이다.

※ 독립형 태양광발전시스템의 축전지 용량산정

\[C=\frac{1}{L}\times \frac{1일적산부하량\times 불일조일\times 1000}{(축전지공칭전압\times 개수)\times DOD}\]

※ 방전심도(DOD)

방전심도를 30~40% 정도로 낮게 설정하면 전지의 수명이 길어지고, 방전심도를 70~80%까지 설정하면 축전지의 이용률은 높아지는 대신 수명이 단축된다.

\[방전심도[\%]=\frac{실제 방전량}{축전지의 정격용량}\times 100\]
[예] 독립형 태양광발전시스템의 축전지 용량

태양광 발전의 독립형 전원시스템용 축전지의 용량을 설계하려고 한다. 다음 조건을 만족하는 납축전지 용량을 계산하시오.
[조 건]
1일 소비전력량: 5kWh, 부조일: 10일, 보수율: 0.8
방전심도: 65%, 축전지개수: 50개
\[C=\frac{L_d\times D_f\times 10^3}{L\times V_b\times N\times DOD}\]\[=\frac{5\times 10\times 10^3}{0.8\times (2\times 50)\times 0.65}=962[Ah]\]

최대전력점 추종(MPPT) 제어

태양광발전 시스템

태양광 발전의 특징

1) 장점

① 무한 무공해 에너지원
② 설치 및 시스템이 단순하고 보수가 용이
③ 규모에 관계없이 발전효율이 일정
④ 수명이 길다(20년)
⑤ 소비에서 필요에 따라 발전으로 소규모 분산형 전원으로 적합

2) 단점

① 에너지 밀도가 낮다
② 기상조건에 따라서 출력에 영향을 받는다.
③ 태양 전지가 고가임
④ 전력전자 변환시에 고조파의 발생
⑤ 넓은 설치장소가 필요하다.

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