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태양광 발전시스템 설계 예제

[태양광발전 설계의 예]
∙부지조건: 150m×70m
∙주위온도: -10 ~ 40[℃]
∙태양의 고도각(발전한계시각): 21°
∙모듈 설치 경사각: 33°
∙태양전지 모듈 사양
- Voc: 37.5[V]
- Vmpp: 30.5[V]
- 최대출력(Pmax): 250[W]
- 온도계수(Voc): -0.33[%/℃]
- NOCT: 46[℃] @ 일사강도(800[W/㎡]), 주변온도(20℃), 풍속(1[m/s])
- 크기: 1,800㎜×950㎜

∙PCS 사양
- 입력전압 범위: 350 ~ 820[V]
- 용량: 200[kW]

NOCT를 적용한 모듈 표면온도 환산

\[T_{cell(40℃)}=40+\frac{46-20}{800}\times1,000=72.5[℃]\]

최대 주위온도 40[℃]에서 모듈의 표면온도는 NOCT 조건을 적용하면 72.5[℃]
∴ 모듈의 표면온도 범위는 –10[℃] ~ 72.5[℃]

모듈 표면의 최고온도 및 최저온도에서 Voc, Vmpp 환산

1) 최고온도

\[T_{cell(72.5℃)}=37.5-{(37.5\times 0.0033)\times(72.5-25)}=31.62[V]\] \[T_{mpp(72.5℃)}=30.5-{(30.5\times 0.0033)\times(72.5-25)}=25.71[V]\]

2) 최저온도

\[V_{oc(-10℃)}=37.5+{(37.5\times 0.0033)\times35}=41.83[V]\] \[V_{mpp(-10℃)}=30.5+{(30.5\times 0.0033)\times35}=34.02[V]\]

태양전지 모듈의 배치(사방에 3[m]의 이격을 두고 설치한 경우)

1) 가로 모듈배치
(1) 모듈의 최소이격거리 계산

\[X=1.8\times{cos(33)+sin(33)\times tan(90-21)} = 4.06[m]\]

(2) 최대 배치수

\[N_1=\frac{150-6}{4.06}+1=36.47\]

36(열)
검증

\[(4.06\times 35)+(1.8\times \cos 33)\]\[=143.61[m]\lt144[m]\]

2) 세로 모듈배치

\[N_2=\frac{70-6}{0.95}=67.37\]

3) 최대모듈 배치수

\[N=N_1\times N_2=36\times 67=2412[장]\]

4) 최대 발전가능 용량

P=2,412*250=603[kW]

모듈의 가능 직렬수 산정

-> 1년중 어느 시점라도 PCS의 입력전압범위 내에서 운전
1) 최대 직렬수(겨울)

\[최대직렬수\] \[\lt\frac{PCS입력전압 변동범위의 최고값}{모듈 표면온도가 최저인 상태의 V_{oc}}\]\[=\frac{V_{max}}{V_{oc(-10℃)}}=\frac{820}{41.83}=19.6\]

2) 최저 직렬수(여름)

\[최소직렬수\] \[\gt\frac{PCS입력전압 변동범위의 최저값}{모듈 표면온도가 최저인 상태의 V_{mpp}}\]\[=\frac{V_{min}}{V_{mpp(72.5℃)}}=\frac{350}{25.71}=13.6\]

∴ 모듈의 직렬수 가능 범위는 “[13.6<직렬수<19.6]” 이므로 선정 가능한 직렬수는 14, 15, 16, 17, 18, 19개 이다. 이중에서 총 출력이 최대가 되는 병렬수의 조합으로 선정하는 것이 바람직하다. 즉, 총 모듈수량에서 직렬수를 나누었을 때 나머지가 적은 직렬수가 된다.

모듈의 최적의 직·병렬수 산정

1) 19직렬인 경우 병렬수 및 총 소요수량
=2412/19=126.9 -> 최대가능 병렬수 126[열]
총 모듈 소요수량 =19×126=2394[장]

2) 18직렬인 경우 병렬수 및 총 소요수량
=2412/18=134-> 최대가능 병렬수 134[열]
총 모듈 소요수량=18×134=2412

3) 17직렬인 경우 병렬수 및 총 소요수량
=2412/17=141.9-> 최대가능 병렬수 141[열]
총 모듈 소요수량=17×141=2397 [장]

4) 16직렬인 경우 병렬수 및 총 소요수량

=2412/16=150.75

5) 15직렬인 경우 병렬수 및 총 소요수량

=2412/15=160.8

6) 14직렬인 경우 병렬수 및 총 소요수량

=2412/14=172.3

∴ 최적의 직렬수는 18(열) 및 병렬수는 134(열)에서 최대 출력을 얻을 수 있다.

태양광발전 어레이의 총 출력(발전시스템 용량)

-> P=(18×134)×250=603[kW]

연간 예상 발전량 및 발전수익

[조건]
∙1일 평균운전 시간: 3.5시간
∙판매단가 = SMP+(REC×가중치) = 250[원/kWh]

1) 연간 예상 발전량[MWh/year]
->W=P×365×3.5=603×365×250≃770[MWh/year]

2) 연간 예상 판매액=770×10³×250≃1.93[억]

인버터(PCS)의 대수

-> 200[kW] 인버터(PCS) 3대를 설치하면 충족

n=603/200=3.015

->인버터의 설치용량은 설계용량 이상이어야 하고, 인버터에 연결된 모듈의 설치용량은 인버터의 설치용량의 105[%] 이내여야 한다. 단, 직렬군의 태양전지 개방전압은 인버터 입력전압 범위 안에 있어야 한다.

※ 연상환액 = (연간 판매액 – 연간 유지관리비)

※ 연간 유지관리비 = 법인세 및 제세, 보험료, 운전유지 보수비 및 수선비, 인건비

1) 연간 판매액

=(160+210) × 135,050 = 49,968,500(원)

2) 연간 유지관리비

=350,000,000 × (0.003 + 0.01) = 4,550,000(원)

3) 연상환액

=49,968,500-4,550,000=45,418,500(원)

4) 판매 수익
= 연상환액×(1+물가 상승률)×시스템 효율

– 연상환액에 물가상승률을 고려(SMP 및 REC는 물가상승률과 연동된다고 볼수는 없으나 향후 상승한다는 가정 하에 보수적으로 고려하며, 운전유지비 및 수선비는 실물가 상승률에 가장 밀접하나 계산 편의상 동일하게 적용)

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