GF 신에너지 재생에너지*

1. 태양에너지

• 태양광 발전: 태양빛을 직접 전기에너지로 변환하는 방식입니다. 태양전지를 이용하여 햇빛을 받아 전기를 생산하며, 가정용부터 대규모 발전소까지 다양하게 활용됩니다.
• 태양열 발전: 태양열을 이용하여 물을 끓여 증기로 만들고, 이 증기를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 주로 대규모 발전소에 활용됩니다.

2. 풍력에너지

바람의 운동 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 방식입니다. 풍력 터빈의 날개가 바람에 회전하면서 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환합니다. 육상과 해상에서 모두 활용 가능하며, 대규모 발전 단지 형태로 건설됩니다.

3. 수력에너지

물의 낙차를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 댐, 수력 발전소 등에서 주로 활용되며, 안정적인 전력 공급이 가능하지만, 환경적인 문제가 발생할 수 있습니다.

• 소수력 발전: 소규모 하천이나 댐을 이용하여 소규모로 전기를 생산하는 방식입니다.
• 양수 발전: 전력 수요가 적을 때 잉여 전력을 이용하여 물을 높은 곳으로 끌어올려 저장하고, 전력 수요가 많을 때 저장된 물을 낙차시켜 전기를 생산하는 방식입니다.

4. 지열에너지

지구 내부의 열에너지를 이용하여 전기를 생산하는 방식입니다. 지열을 이용하여 물을 끓이고, 발생한 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 지열 자원이 풍부한 지역에서 활용됩니다.

5. 해양에너지

바다의 파도, 조류, 온도차 등을 이용하여 전기를 생산하는 방식입니다.

• 파력 발전: 파도의 운동 에너지를 이용하여 부표나 터빈을 움직여 전기를 생산합니다.
• 조력 발전: 조수간만의 차를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.
• 해수 온도차 발전: 표층 해수와 심층 해수의 온도 차를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

6. 바이오에너지

생물체의 유기물을 이용하여 에너지를 생산하는 방식입니다.

• 바이오매스: 나무, 농작물 잔여물 등을 태워 열에너지를 얻거나, 발효시켜 바이오가스를 생산하여 전기를 생산합니다.
• 바이오디젤: 식물성 기름이나 동물성 지방을 이용하여 만든 바이오연료를 사용하여 전기를 생산합니다.

각 신재생 에너지의 장단점

기술 개발의 필요성: 아직까지 기술 개발이 완벽하게 이루어지지 않은 분야가 많습니다.

장점:

고갈되지 않는 에너지원: 지속 가능한 에너지 공급이 가능합니다.

환경 친화적: 화석 연료 사용 감소로 인한 환경 오염 감소 효과가 있습니다.

에너지 자립도 향상: 에너지 수입 의존도를 줄이고, 에너지 자립도를 높일 수 있습니다.

단점:

발전량의 불안정성: 태양광, 풍력 등은 자연 조건에 따라 발전량이 변동될 수 있습니다.

높은 초기 투자 비용: 설비 구축 비용이 높아 초기 투자 부담이 큽니다.

신재생에너지 단독운전 시 발생하는 문제점

• 주파수 불안정: 전력계통과 분리된 상태에서 신재생에너지 발전 시스템은 부하 변동에 따라 주파수가 불안정해질 수 있습니다. 이는 전력 품질 저하와 전력 시스템 손상으로 이어질 수 있습니다.
• 전압 불안정: 부하 변동에 따라 전압이 불안정해져 전력 시스템의 안정적인 운전을 저해할 수 있습니다.
• 고조파 발생: 인버터를 통해 전력 변환 과정에서 고조파가 발생하여 전력 품질을 저하시키고, 다른 전자 기기의 오동작을 유발할 수 있습니다.
• 계통 보호 장치 오동작: 단독 운전 상태에서 계통 보호 장치가 오동작하여 시스템이 정지될 수 있습니다.
• 섬 효과: 전력계통의 일부가 분리되어 섬처럼 독립적으로 운전되는 현상으로, 전력 품질 저하와 시스템 불안정을 야기합니다.

단독운전 방지 대책

• 단독운전 검출:
  • 주파수 감시: 시스템 주파수를 지속적으로 감시하여 설정된 기준 범위를 벗어나면 단독 운전으로 판단하고, 발전기를 정지시킵니다.
  • 전압 감시: 시스템 전압을 지속적으로 감시하여 설정된 기준 범위를 벗어나면 단독 운전으로 판단하고, 발전기를 정지시킵니다.
  • 무효전력 불균형 감시: 무효전력 불균형이 발생하면 단독 운전으로 판단하고, 발전기를 정지시킵니다.
  • 고조파 감시: 고조파 발생량을 감시하여 단독 운전으로 판단하고, 발전기를 정지시킵니다.
• 계통 연계 보호:
  • 역전력 보호: 발전기에서 계통으로 전력이 역류하는 것을 감지하여 발전기를 정지시킵니다.
  • 고주파 보호: 고주파 성분이 발생하면 단독 운전으로 판단하고, 발전기를 정지시킵니다.
• 통신 기반 보호:
  • 통신 두절 감시: 계통과의 통신이 두절되면 단독 운전으로 판단하고, 발전기를 정지시킵니다.
• 인공지능 기반 보호:
  • 머신러닝: 다양한 데이터를 기반으로 단독 운전을 예측하고, 사전에 조치를 취합니다.

추가적인 고려 사항

정기적인 점검: 단독 운전 방지 시스템을 정기적으로 점검하여 성능을 유지해야 합니다.

다중 검출 방식: 단일 검출 방식보다 다양한 검출 방식을 조합하여 단독 운전 검출의 신뢰성을 높일 수 있습니다.

빠른 응답 속도: 단독 운전이 발생했을 때 빠르게 감지하고 대응하여 시스템 손상을 최소화해야 합니다.

유연한 시스템: 부하 변동에 유연하게 대응할 수 있는 시스템을 구축해야 합니다.

1)전지원리

• 연료 중 수소와 공기 중의 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전하는 방식이다

• 연료극에 공급된 수소는
  ㄱ 수소이온과 전자분리→
  ㄴ 수소이온은 전해질 층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동→
  ㄷ 공기극쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물을 생성
  →최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열이 생성

2)System구성

• 개질기
  천연가스 등에서 수소를 걸러내는 장비

• 연료전지
  수소와 산소를 결합시켜 물과 열을 만들어내고 열을 전기에너지로 만들어 내는 설비

• 인버터
  직류 부하에서 사용하는 교류로 바꾸어 내는 설비

2️⃣연료전지의 종류

연료전지의 일반적인 특징

연료전지의 주요 특징:

• 높은 에너지 효율: 열에너지를 회수하여 활용할 수 있어 전체 에너지 효율이 높습니다.
• 친환경성: 연소 과정이 없어 대기오염 물질 배출이 거의 없습니다.
• 연속 발전: 연료가 공급되는 한 지속적으로 전기를 생산할 수 있습니다.
• 저소음: 소음이 적어 주거 지역이나 도시 지역에도 설치가 용이합니다.
• 다양한 연료 사용 가능성: 수소 외에도 천연가스, 바이오가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있습니다.

가정용 연료전지 시스템 구성

• 연료전지 스택: 실제로 전기를 생산하는 핵심 부품입니다. 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생성하며, 여러 개의 단위 셀이 쌓여 스택을 이룹니다.
• 연료 공급 시스템: 연료전지에 필요한 수소를 안전하게 공급하는 시스템입니다. 수소 저장 탱크, 수소 정제 장치 등으로 구성됩니다.
• 전력 변환 시스템: 연료전지에서 생성된 직류 전기를 가정에서 사용할 수 있는 교류 전기로 변환하는 시스템입니다.
• 열 회수 시스템: 연료전지 작동 시 발생하는 열을 회수하여 난방이나 온수 공급에 활용하는 시스템입니다.

가정용 연료전지 시스템의 장점

• 고효율: 전기와 열을 동시에 생산하여 에너지 효율을 높일 수 있습니다.
• 친환경: 대기 오염 물질 배출이 적어 쾌적한 주거 환경을 조성할 수 있습니다.
• 에너지 자립: 가정에서 스스로 전기를 생산하여 에너지 자립도를 높일 수 있습니다.
• 정전 시에도 사용 가능: 전력망과 무관하게 작동할 수 있어 정전 시에도 전기를 사용할 수 있습니다.

가정용 연료전지 도입 시 고려 사항

• 안전성: 수소는 가연성 물질이므로 안전 관리에 대한 철저한 교육이 필요합니다.
• 초기 설치 비용: 시스템 설치 비용이 비교적 높습니다.
• 수소 공급 인프라: 수소 공급 인프라가 아직 충분히 구축되어 있지 않아 불편함을 겪을 수 있습니다.

모노폴리스택이란?

• 모노폴리스택은 연료전지 스택의 한 종류로, 양극판과 음극판 중 하나를 공유하여 제작된 스택을 의미합니다. 일반적인 연료전지 스택은 양극판과 음극판이 각각 분리되어 있는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 사용하는 반면, 모노폴리스택은 양극판 또는 음극판 중 하나를 공유하여 스택을 구성합니다.

모노폴리스택의 특징 및 장단점

• 장점:
  • 제작 단순화: 바이폴라 플레이트를 사용하는 일반적인 스택에 비해 제작 과정이 간단하고, 제작 비용을 절감할 수 있습니다.
  • 경량화: 부품 수가 줄어들어 스택의 무게를 줄일 수 있습니다.
  • 고밀도 적층: 공간 효율성이 높아 더 많은 셀을 적층할 수 있습니다.
• 단점:
  • 성능 저하: 양극판 또는 음극판을 공유하기 때문에 성능이 일반적인 스택보다 다소 저하될 수 있습니다.
  • 내구성 문제: 공유된 전극에서 국부적인 전류 밀도가 높아져 부식이 발생하거나 성능이 저하될 가능성이 있습니다.
  • 가스 누출 가능성: 가스 밀봉이 어려워 가스 누출이 발생할 가능성이 있습니다.

모노폴리스택의 종류

• 단일 모노폴: 양극판 또는 음극판 중 하나만 공유하는 방식
• 이중 모노폴: 양극판과 음극판 모두 공유하는 방식

모노폴리스택의 활용 분야

• 모노폴리스택은 주로 소형 연료전지 시스템이나 특수한 환경에서 사용됩니다. 예를 들어, 드론, 로봇 등의 소형 기기에 적용되어 경량화와 소형화를 구현하는 데 활용될 수 있습니다.

연료전지 설비는 수소 등의 가연성 물질을 사용하고 고온, 고압의 환경에서 작동하기 때문에 안전 확보가 매우 중요합니다. 이를 위해 다양한 보호 장치, 비상 정지 장치, 모니터링 설비가 설치되어 운전 중 발생할 수 있는 위험을 사전에 감지하고 대처

1. 보호 장치

• 과전류 보호 장치: 연료전지에 과도한 전류가 흐를 경우, 시스템을 보호하기 위해 자동으로 전원을 차단
• 과압력 보호 장치: 연료 가스 또는 공기의 압력이 설정값을 초과할 경우, 안전밸브 등을 통해 압력을 해소하거나 시스템을 정지
• 과온도 보호 장치: 연료전지의 온도가 설정값을 초과할 경우, 냉각 시스템을 가동하거나 시스템을 정지
• 누수 감지 장치: 수소, 공기 등의 누수를 감지하여 경보를 발하고 시스템을 정지
• 화재 감지 장치: 화재 발생 시 자동으로 소화 시스템을 작동시키거나 시스템을 정지

2. 비상 정지 장치

• 비상 정지 버튼: 위험 상황 발생 시 운전자가 직접 누르는 비상 정지 버튼
• 안전 제어 시스템: 다양한 센서 데이터를 기반으로 위험 상황을 판단하고 자동으로 시스템을 정지시키는 시스템
• 연료 차단 장치: 위험 상황 발생 시 연료 공급을 차단하여 추가적인 사고를 방지
• 냉각수 차단 장치: 위험 상황 발생 시 냉각수 공급을 차단하여 시스템 손상을 방지

3. 모니터링 설비

• 온도 센서: 연료전지의 각 부분 온도를 측정하여 이상 유무를 감시
• 압력 센서: 연료 가스, 공기 등의 압력을 측정하여 이상 유무를 감시
• 유량 센서: 연료 가스, 공기 등의 유량을 측정하여 이상 유무를 감시
• 전압/전류 센서: 연료전지의 전압과 전류를 측정하여 성능을 감시하고 이상 유무를 판단
• 가스 센서: 수소, 일산화탄소 등 유해 가스 누출을 감지
• 진동 센서: 설비의 진동을 측정하여 이상 유무를 감시
• SCADA 시스템: 상위 감시 제어 시스템으로, 다양한 센서 데이터를 수집하고 분석하여 시스템 상태를 실시간으로 모니터링하고 제어

모니터링 데이터 활용

• 안전 관리: 이상 징후를 조기에 감지하여 안전 사고를 예방
• 고장 예측: 데이터 분석을 통해 고장 발생을 예측하고 사전에 조치를 취함으로써 시스템 가동률을 향상
• 성능 평가: 연료전지 시스템의 성능을 평가하고 최적화하기 위한 데이터를 제공
• 운전 최적화: 실시간 데이터를 기반으로 시스템 운전 조건을 최적화하여 효율을 높입

3)시스템 구성 요소

• 태양전지 어레이: 태양 빛을 흡수하여 직류(DC12V) 전기를 생산하는 핵심 부품입니다. 여러 개의 태양전지를 연결하여 모듈을 구성
• 전압제어장치(충,방전 조절기): 태양 전지판에서 발전된 직류전력을 축전지및 인버터에 공급하는 장치
• 인버터: 태양광 모듈에서 생산된 직류 전기를 우리가 사용하는 교류 전기로 변환해주는 장치입니다. 또한 전력망과 동기화하여 안정적인 전력 공급
• 축전지: 발전전력을 충전하고, 야간 및 기상관계로 발전량 부족 시 부하에 전력을 공급하는 설치
• 접속함: 태양광 모듈과 인버터를 연결하고, 각종 보호 장치를 설치하는 역할
• 계통연계기기: 생산된 전력을 안전하게 전력망에 연결하고, 과전류나 역류 등의 문제 발생 시 시스템을 보호하는 역할
• 모니터링 시스템: 태양광 발전 시스템의 운전 상태를 실시간으로 모니터링하고, 발전량, 고장 등을 확인할 수 있는 시스템

4)시스템 원리

• 태양광 모듈: 태양광이 태양광 모듈에 닿으면 광전 효과에 의해 직류 전기가 생성
• 인버터: 생성된 직류 전기는 인버터를 통해 교류 전기로 변환되고, 전력망과 동일한 주파수와 전압으로 조정
• 계통연계: 변환된 교류 전기는 계통연계기를 통해 전력망에 연결되어 사용되거나 판매
• 모니터링: 모니터링 시스템을 통해 발전량, 시스템 상태 등을 실시간으로 확인하고 관리

9️⃣건물용 태양광 발전시스템의 도입 이유

1. 에너지 비용 절감:

• 자체 발전: 태양광으로 직접 전기를 생산하여 전력 구매 비용을 줄일 수 있습
• 에너지 가격 상승에 대한 대비: 국제 유가 변동이나 전력 요금 인상에 영향을 덜 받아 에너지 비용 상승에 대한 부담을 줄일 수 있습

2. 친환경성:

• 탄소 배출 감소: 화석 연료 사용을 줄여 온실가스 배출량을 감소시키고 환경 보호에 기여
• 미세먼지 저감: 화력 발전소 가동 감소로 인해 미세먼지 발생량을 줄일 수 있습

3. 에너지 자립도 향상:

• 외부 전력 의존도 감소: 자체 생산한 전기를 사용하여 외부 전력 의존도를 낮추고 에너지 자립도를 높일 수 있습
• 재난 상황 대비: 정전 시에도 태양광 발전 시스템을 통해 일정량의 전기를 사용할 수 있어 편의성을 높입

4. 건물 가치 상승:

• 에너지 효율 건축물 인증: 태양광 발전 시스템 설치는 건물의 에너지 효율을 높여 건물 가치를 상승시키는 데 기여합
• 임대료 상승: 에너지 효율이 높은 건물은 임대료를 높게 받을 수 있습

5. 정부 지원 정책:

• 설치비 지원: 정부의 신재생에너지 지원 정책을 통해 설치 비용을 지원받을 수 있습
• 세제 혜택: 소득세 감면, 재산세 감면 등 다양한 세제 혜택을 받을 수 있습

6. 기타 이점:

• 기업 이미지 향상: 친환경 경영 이미지를 구축하여 기업의 사회적 책임을 실천하고 브랜드 가치를 높일 수 있습니다.
• 미래 가치 증대: 신재생 에너지 산업의 성장과 함께 태양광 발전 시스템의 가치는 더욱 높아질 것으로 예상됩니다.

서지 보호기란?

서지 보호기(Surge Protective Device, SPD)는 낙뢰나 스위칭 작용 등으로 인해 발생하는 순간적인 고전압, 고전류 서지를 흡수하여 전자기기 및 시스템을 보호하는 장치입니다. 태양광 발전 시스템의 경우, 외부 환경에 노출되어 있어 낙뢰나 스위칭 서지에 취약하기 때문에 서지 보호기 설치가 필수적입니다.

서지 보호기 설치 회로도

위 회로도는 일반적인 태양광 발전 시스템에 서지 보호기를 설치한 모습을 나타냅니다.

• DC측 서지 보호기: 태양광 모듈과 인버터 사이에 설치되어 태양광 모듈에서 발생하는 서지를 보호
• AC측 서지 보호기: 인버터 출력단과 계통연계기 사이에 설치되어 외부 전력망에서 발생하는 서지를 보호

서지 보호기 설치 위치 및 이유

• DC측: 태양광 모듈은 직접 외부 환경에 노출되어 있으므로 낙뢰나 스위칭 서지에 직접적인 영향을 받을 수 있습니다. DC측 서지 보호기는 태양광 모듈, 인버터, 기타 DC 부품을 보호하는 역할을 합니다.
• AC측: 외부 전력망은 다양한 전기 기기의 연결로 인해 서지가 발생할 수 있습니다. AC측 서지 보호기는 인버터, 계통연계기, 건물 내 전기 설비를 보호하는 역할을 합니다.

서지 보호기의 종류

• Type 1: 외부 낙뢰로부터 시스템을 보호하기 위한 최초 방어선으로, 높은 에너지의 서지를 흡수합니다.
• Type 2: Type 1 보호기 뒤에 설치되어 추가적인 보호를 제공하며, 중간 정도의 에너지 서지를 흡수합니다.
• Type 3: 전자기기 바로 앞에 설치되어 미세한 서지를 흡수하며, 민감한 전자 부품을 보호합니다.

서지 보호기 설치 시 주의사항

• 적절한 종류 선택: 시스템의 규모, 설치 환경, 보호 대상 등을 고려하여 적절한 종류의 서지 보호기를 선택해야 합니다.
• 정확한 설치 위치: 제조사의 설치 매뉴얼을 참고하여 정확한 위치에 설치해야 합니다.
• 정기적인 점검: 서지 보호기는 소모품이므로 정기적인 점검 및 교체가 필요합니다.
• 접지: 서지 보호기는 효과적인 접지를 통해 작동해야 합니다.

서지 보호기 설치의 중요성

• 서지 보호기는 태양광 발전 시스템의 수명을 연장하고 고장을 예방하며, 시스템의 안정적인 운전을 보장하는 데 필수적인 장치입니다. 낙뢰나 서지로 인한 피해는 시스템 전체에 영향을 미칠 수 있으므로, 반드시 서지 보호기를 설치하고 관리해야 합니다.

1. 계통연계형 태양광 발전 시스템

가장 일반적인 형태의 태양광 발전 시스템입니다. 태양광 모듈에서 생산된 전기를 가정이나 건물의 전력망에 직접 연결하여 사용하고, 남는 전력은 전력회사에 판매하는 방식입니다.

• 장점:
  • 자가 소비와 동시에 판매를 통해 경제적 이익을 얻을 수 있습니다.
  • 전력망과 연결되어 있어 안정적인 전력 공급이 가능합니다.
• 단점:
  • 전력망에 의존하기 때문에 정전 시에는 발전이 중단될 수 있습니다.

2. 독립형 태양광 발전 시스템

전력망과 연결되지 않고, 태양광으로 생산된 전기를 자체적으로 소비하는 시스템입니다. 주로 전력망이 닿지 않는 외딴 지역이나 비상 전원으로 사용됩니다.

• 장점:
  • 전력망에 의존하지 않아 정전 시에도 전력 공급이 가능합니다.
  • 완전한 에너지 자립이 가능합니다.
• 단점:
  • 초기 설치 비용이 높습니다.
  • 배터리를 사용하여 에너지를 저장해야 하므로 유지보수가 필요합니다.
  • 날씨에 따라 발전량이 변동되어 전력 공급이 불안정할 수 있습니다.

3. 하이브리드형 태양광 발전 시스템

계통연계형과 독립형의 장점을 결합한 시스템입니다. 태양광으로 생산된 전기를 우선 자체 소비하고, 남는 전력은 전력망에 판매하거나 배터리에 저장합니다. 정전 시에는 저장된 전력을 사용하여 전력을 공급합니다.

• 장점:
  • 계통연계형과 독립형의 장점을 모두 가지고 있습니다.
  • 에너지 자립도를 높이고 안정적인 전력 공급이 가능합니다.
• 단점:
  • 초기 설치 비용이 높습니다.
  • 시스템 구성이 복잡하여 관리가 어려울 수 있습니다.

어떤 시스템을 선택해야 할까요?

하이브리드형: 계통연계형과 독립형의 장점을 모두 누리고 싶을 때 선택하면 좋습니다.

계통연계형: 일반 가정이나 건물에서 가장 많이 사용되는 형태로, 경제적인 이점과 안정적인 전력 공급을 원하는 경우에 적합합니다.

독립형: 전력망이 없는 지역이나 비상 전원으로 사용하기 좋습니다. 완전한 에너지 자립을 원하는 경우에 적합합니다.

☑️설계시 고려사항(사용도안시허운준)

1. 부하 분석 및 용량 산정

• 부하 종류 및 사용 패턴: 가정, 상업용, 산업용 등 부하의 종류에 따라 필요한 전력량이 다릅니다. 또한 계절별, 시간대별 사용 패턴을 분석하여 최적의 시스템 용량을 산정해야 합니다.
• 일사량: 설치 지역의 일사량을 정확히 파악하여 발전량을 예측하고, 필요한 모듈 수를 계산합니다.
• 여유 용량: 시스템 확장 가능성, 기기 수명 등을 고려하여 여유 용량을 확보하는 것이 좋습니다.

2. 모듈 구성 및 배선

• 모듈 선택: 출력, 크기, 효율 등을 고려하여 적합한 모듈을 선택해야 합니다.
• 직렬 및 병렬 연결: 모듈을 직렬 연결하면 전압이 높아지고, 병렬 연결하면 전류가 증가합니다. 부하 특성에 맞게 적절한 연결 방식을 선택해야 합니다.
• 배선 규격: 모듈 출력에 맞는 적절한 규격의 케이블을 사용해야 하며, 전압 강하를 최소화하기 위해 짧고 굵은 케이블을 사용하는 것이 좋습니다.
• 접지: 안전을 위해 반드시 접지를 철저히 해야 합

3. 인버터 선정

• 용량: 모듈에서 생산되는 전력량에 맞는 용량의 인버터를 선택해야 합
• 효율: 높은 효율의 인버터를 선택하여 발전 효율을 높여야 합
• 기능: MPPT(최대 전력점 추종) 기능, 그리드 연계 기능 등 필요한 기능을 갖춘 인버터를 선택해야 합

4. 계통 연계

• 계통 연계 기준: 설치 지역의 전력 회사에서 정한 계통 연계 기준을 준수해야 합
• 안전 장치: 과전류 보호 장치, 접지 장치 등 안전 장치를 설치하여 시스템의 안전성을 확보해야 합

5. 모니터링 시스템

• 발전량 모니터링: 생산된 전력량을 실시간으로 모니터링하여 시스템의 효율성을 분석하고 관리해야 합
• 고장 진단: 시스템 이상 발생 시 신속하게 감지하고 조치를 취할 수 있도록 모니터링 시스템을 구축해야 합

6. 기타 고려 사항

• 일사량 변동: 일사량 변동에 따른 발전량 변화를 고려하여 시스템을 설계해야 합니다.
• 온도 변화: 온도 변화에 따른 모듈 효율 변화를 고려해야 합니다.
• 그늘: 모듈에 그늘이 지는 것을 최소화하여 발전 효율을 높여야 합니다.
• 풍하중: 강풍에 의한 모듈 손상을 방지하기 위해 충분한 강도의 구조물을 설치해야 합니다.

전기 설계 시 주의사항

• 안전 규정 준수: 전기 설비기술기준 등 관련 법규를 준수하여 설계 및 시공해야 합니다.
• 전문가와의 협력: 태양광 발전 시스템 설계는 전문적인 지식과 경험이 필요하므로, 전문가와 충분히 협력하여 설계해야 합니다.

1️⃣회로방식

1)상용주파 변압기를 사용하는 방식

• 태양전지의 직류 출력을 상용주파 변압기로 승압하는 방식
• 상용주파수 변압기를 이용하여 내부 신뢰성이나 Noise-Cut이 우수하다
• 회로가 간단하다
• 대용량에 적합하다
• 변압기로 인한 중량이 증가한다
• 효율이 저하되는 단점이 있다

2)고주파 변압기를 사용하는 방식

• 소형의 고주파 변압기로 절연하고 컨버터와 인버터를 사용하여 변환하는 방식
• 회로가 복잡하고 가격이 고가이다
• 소용량이다
• 특수구조가 아니면 사용하지 않는다.

3)변압기가 없는 방식

• DC-DC컨버터로 승압하고 인버터에서 상용 주파의 교류로 변환하는 방식
• 소형 경량으로 가격적인 측면에서 안정되고 신뢰성이 높다
• 발전과 사용전원 사이가 비절연된다
• 효율이 높다
• 대용량에 적합하다
• 일본에서 많이 사용하는 방식이다

2️⃣파워컨디셔너 기능

1)자동운전 정지 기능

• 일사강도의 증대로 파워컨디셔너가 운전가능한 조건이 되면 자동 발전개시한다
• 일몰등 태양전지 출력이 적어지면 자동으로 정지, 대기상태가 된다

2)단독운전 방지기능

• 간접검출방식

• 직접 전송차단 방식
  • 통신회선을 이용하여 분산형 전원의 단독운전을 직접적으로 제어하여 차단하는 방식이다
  • 한전차단기 개방-> 분산형 전원측에 신호전송-> 분산형 전원을 분리
  • 신뢰성이 높다
  • 통신설비가 필요하므로 설치 및 유지비용이 증가한다

3)최대전력 추종제어

• 최대 출력 추종 제어기능
• 태양전지 출력은 일사강도나 태양전지 온도에 따라 변동된다
• PCS는 항상 최대 점으로 운전할 수 있도록 직류 전압을 변동시켜 제어한다

4)자동전압 조정기능

• 역송전 운전을 행한 경우 수전점의 전압이 상승할 우려가 있다
• 이를 방지하기 위해 자동전압조정기능을 설치한다
• 진상무효전력제어
  • 일반적으로 역률 1로 운전한다
  • 연계점의 전압이 상승하면 무효전력제어를 위해 역률(0.8까지)을 제어한다
• 출력제어
  진상무효전력제어에 의한 전압제어가 한계 시 태양광발전시스템의 출력을 제한하여 연계점의 전압상승을 방지한다

5)직류 검출기능

• 고주파변압기 절연방식이나 트랜스라는 방식에서 문제가 된다
• 직류분이 존재하면 주상변압기의 자기포화등 계통측에 악영향을 미치게 된다
• 직류분이 정격교류 출력전류의 0.5%이하로 유지해야 한다
• 직류제어기능 문제시 파워컨디셔너를 정지시키는 보호기능이 내장되어 있다

6)지락 검출기능

• 트랜스리스 방식은 지락에 대한 안전대책이 필요
• 지락전류에 직류성분이 중첩되어 통상 누전차단기에서는 보호되니 않는 경우가 발생
• 파워컨디셔너 내부에 지락검출기가 설치되어 보호

1. 결정질 실리콘 태양전지

• 단결정 실리콘 태양전지: 순도가 높은 실리콘 덩어리를 잘라 만든 태양전지로, 효율이 가장 높지만 가격이 비쌉니다. 고온에서도 안정적인 특성을 가지며, 우주항공 분야에서 주로 사용됩니다.
• 다결정 실리콘 태양전지: 여러 개의 작은 결정으로 이루어진 실리콘을 사용하여 제작하며, 단결정에 비해 효율은 다소 낮지만 가격이 저렴하고 생산이 용이합니다. 일반적인 가정용 태양광 발전에 많이 사용됩니다.

2. 박막 태양전지

• 비정질 실리콘 태양전지: 얇은 막 형태의 실리콘을 사용하여 제작하며, 제조 공정이 간단하고 유연한 특징이 있습니다. 건물 일체형 태양광(BIPV)에 적합하지만, 효율이 낮고 온도 의존성이 큰 단점이 있습니다.
• CIGS(Copper Indium Gallium Selenide) 태양전지: 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물을 사용한 태양전지로, 비교적 높은 효율을 가지며, 얇고 가벼운 특징이 있습니다.
• CdTe(Cadmium Telluride) 태양전지: 카드뮴 텔루라이드 화합물을 사용한 태양전지로, CIGS 태양전지와 유사한 특징을 가지며, 대량 생산에 유리합니다.

태양전지의 특징 비교

태양전지 선택 시 고려 사항

• 정부 지원 정책: 정부의 지원 정책에 따라 선택 가능한 태양전지의 종류가 달라질 수 있습니다.
• 효율: 높은 효율의 태양전지를 선택하면 같은 면적에서 더 많은 전력을 생산할 수 있습니다.
• 가격: 예산에 맞는 가격대의 태양전지를 선택해야 합니다.
• 수명: 태양전지의 수명은 발전량에 직접적인 영향을 미치므로, 장기적인 관점에서 수명이 긴 제품을 선택하는 것이 좋습니다.
• 환경 조건: 설치 환경에 따라 내구성, 온도 특성 등을 고려해야 합니다.

뇌서지란?

뇌서지는 낙뢰와 같은 외부적인 요인이나 스위칭 작용 등에 의해 발생하는 순간적인 고전압 현상을 말합니다. 뇌서지는 전자기기의 고장을 유발하고, 심각한 경우 화재를 일으킬 수 있습니다.

태양광 발전설비의 피뢰 설비 및 뇌서지 대책

1. 피뢰침 설치:
   • 건물이나 구조물에 피뢰침을 설치하여 낙뢰를 직접 유도하고 안전하게 접지를 통해 대지로 방전시킵니다.
   • 피뢰침의 종류와 설치 기준은 관련 법규 및 규정을 준수해야 합니다.
2. 배선 보호:
   • 접지: 모든 전기 설비를 안전하게 접지하여 낙뢰 전류를 대지로 안전하게 흘려보냅니다.
   • 차폐: 배선을 금속관이나 차폐 케이블로 보호하여 외부 전자기장으로부터 보호합니다.
   • SPD(Surge Protection Device) 설치: SPD는 뇌서지를 흡수하여 전자기기를 보호하는 소자입니다. 태양광 모듈, 인버터, 계통 연계 부분 등에 설치하여 뇌서지로부터 시스템을 보호합니다.
   • 절연 거리 확보: 배선 간의 절연 거리를 충분히 확보하여 뇌서지에 의한 아크 발생을 방지합니다.
3. 태양광 모듈 보호:
   • 다이오드: 각 모듈에 다이오드를 설치하여 역전류를 방지하고, 부분적인 그림자 발생 시에도 다른 모듈에 영향을 미치지 않도록 합니다.
   • 접지: 모듈을 안전하게 접지하여 낙뢰 전류를 대지로 흘려보냅니다.
4. 인버터 보호:
   • 내부 보호 회로: 인버터 내부에 과전압, 과전류 보호 회로를 내장하여 뇌서지로부터 인버터를 보호합니다.
   • 외부 SPD: 인버터 입출력 단에 SPD를 설치하여 추가적인 보호를 합니다.
5. 계통 연계 부분 보호:
   • SPD 설치: 계통 연계 부분에 SPD를 설치하여 외부에서 유입되는 뇌서지를 차단합니다.
   • 변압기 보호: 변압기에 과전압 보호 장치를 설치하여 뇌서지로 인한 손상을 방지합니다.

뇌서지 대책 시 고려 사항

• 시스템 규모: 시스템의 규모에 따라 적절한 피뢰 설비를 설치해야 합니다.
• 설치 환경: 설치 환경 (지역, 건물 구조 등)에 따라 적절한 설계를 해야 합니다.
• 관련 법규 및 규정 준수: 관련 법규 및 규정을 준수하여 설치해야 합니다.
• 정기적인 점검: 피뢰 설비를 정기적으로 점검하여 성능을 유지해야 합니다.

결론

태양광 발전설비의 피뢰 설비 및 뇌서지 대책은 시스템의 안전하고 안정적인 운영을 위해 필수적입니다. 체계적인 설계와 정기적인 관리를 통해 낙뢰와 뇌서지로부터 시스템을 보호하고, 장기적인 관점에서 시스템의 수명을 연장할 수 있습니다.

1. 시스템 구성도

태양광 LED 가로등 시스템은 크게 태양광 패널, 배터리, 컨트롤러, LED 램프, 그리고 지지대와 같은 부가적인 요소들로 구성됩니다.

[이미지: 태양광 LED 가로등 시스템 구성도]

• 태양광 패널: 햇빛을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 역할을 합니다.
• 배터리: 태양광 패널에서 생산된 전기를 저장하여 밤이나 흐린 날에도 LED 램프에 전력을 공급합니다.
• 컨트롤러: 태양광 패널, 배터리, LED 램프를 제어하고, 충전 및 방전을 관리하며, 점등 시간을 설정하는 등 시스템 전체를 관리하는 역할을 합니다.
• LED 램프: 에너지 효율이 높고 수명이 긴 LED 광원을 사용하여 빛을 발산합니다.
• 지지대: 태양광 패널, 배터리, 컨트롤러, LED 램프 등을 지지하고 고정하는 역할을 합니다.

2. 구성 요소 및 특성

• 태양광 패널:
  • 특성: 고효율, 내구성, 방수 기능
  • 선택 시 고려 사항: 설치 환경, 일사량, 시스템 용량
• 배터리:
  • 특성: 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 넓은 작동 온도 범위
  • 종류: 리튬 이온 배터리, 납축전지 등
  • 선택 시 고려 사항: 방전 깊이, 충전 속도, 수명, 안전성
• 컨트롤러:
  • 특성: MPPT(최대 전력점 추종) 기능, 과충전/방전 방지, 조도 감지 기능
  • 선택 시 고려 사항: 시스템 용량, 기능, 통신 기능
• LED 램프:
  • 특성: 높은 광효율, 긴 수명, 다양한 색온도
  • 선택 시 고려 사항: 조도, 광 분포, 방수 등급
• 지지대:
  • 특성: 내구성, 안정성, 설치 용이성
  • 재질: 스테인리스, 알루미늄 등

3. 문제점 및 대책

문제점:

• 낮은 일사량: 흐린 날이나 겨울철에는 발전량이 감소하여 램프 점등 시간이 짧아질 수 있습니다.
• 배터리 수명: 배터리 수명이 제한적이어서 주기적인 교체가 필요합니다.
• 외부 환경: 폭우, 강풍, 낙뢰 등 외부 환경에 의해 시스템이 손상될 수 있습니다.
• 도난 및 파손: 태양광 가로등이 도난되거나 파손될 위험이 있습니다.

대책:

• 고효율 태양광 패널: 높은 효율의 태양광 패널을 사용하여 발전량을 늘립니다.
• 고성능 배터리: 수명이 길고 충전 속도가 빠른 배터리를 사용합니다.
• 방수 및 방진 설계: 모든 부품을 방수 및 방진 처리하여 외부 환경으로부터 보호합니다.
• 견고한 지지대: 강풍에도 견딜 수 있도록 견고한 지지대를 사용합니다.
• 보안 시스템: 도난 방지 시스템을 설치하고, 접근이 어려운 곳에 설치합니다.
• 원격 관리 시스템: 시스템 상태를 원격으로 모니터링하고, 고장 발생 시 신속하게 대처할 수 있도록 합니다.
• 유지보수: 정기적인 점검과 유지보수를 통해 시스템의 성능을 유지합니다.

100kW 규모의 태양광 발전 설비를 업무용 건물에 설치할 경우, 다양한 요인에 따라 에너지 절감 효과와 온실가스 감축 효과가 달라질 수 있습니다. 하지만 일반적으로 다음과 같은 효과를 기대할 수 있습니다.

1. 연간 에너지 절감 비용

• 전력 생산량: 100kW 태양광 발전 설비의 연간 발전량은 설치 지역의 일사량, 시스템 효율, 설치 각도 등 다양한 요인에 따라 달라지지만, 일반적으로 연간 10만 kWh 이상의 전력을 생산할 수 있습니다.
• 전력 요금: 생산된 전력을 자가 소비하면 그만큼 전력 요금을 절감할 수 있습니다. 절감되는 전력 요금은 계약 전력, 시간대별 요금제, 누진세 등에 따라 달라집니다.
• 절감 비용 계산:
  • 예시: kWh당 전력 요금이 100원이라고 가정하면, 연간 10만 kWh를 생산할 경우 1,000만 원의 전력 요금을 절감할 수 있습니다.
  • 실제 절감액: 실제 절감액은 계약 전력, 요금제 등에 따라 달라지므로, 정확한 계산을 위해서는 해당 건물의 전력 사용량 데이터와 전력 요금제를 분석해야 합니다.

2. 온실가스 감축 효과

• 탄소 배출량: 1kWh의 전력을 생산하기 위해 발생하는 이산화탄소 배출량은 발전 방식에 따라 다르지만, 화력 발전의 경우 평균적으로 0.4~0.5kg CO2/kWh 정도입니다.
• 감축량 계산:
  • 예시: 연간 10만 kWh를 생산할 경우, 약 4만 ~ 5만 kg의 이산화탄소 배출을 감축할 수 있습니다.
  • 실제 감축량: 실제 감축량은 지역별 석탄 발전 비중, 원자력 발전 비중 등에 따라 달라질 수 있습니다.

3. 기타 효과

• 에너지 자립도 향상: 자체적으로 전력을 생산하여 에너지 자립도를 높일 수 있습니다.
• 시스템 수명: 태양광 발전 시스템의 수명은 일반적으로 20년 이상으로, 장기적으로 안정적인 전력 공급이 가능합니다.
• 정부 지원 정책: 정부의 신재생에너지 지원 정책을 활용하여 설치 비용을 절감하고 추가적인 인센티브를 받을 수 있습니다.

4. 고려 사항

• 설치 환경: 건물의 구조, 일사량, 주변 환경 등을 고려하여 최적의 설치 위치를 선정해야 합니다.
• 시스템 구성: 태양광 모듈, 인버터, 배터리 등 시스템 구성 요소를 신중하게 선택해야 합니다.
• 유지보수: 시스템의 효율적인 운영을 위해 정기적인 점검과 유지보수가 필요합니다.
• 경제성 분석: 초기 투자 비용, 유지보수 비용, 절감되는 전력 요금 등을 종합적으로 고려하여 경제성을 분석해야 합니다.

결론

100kW 태양광 발전 설비를 설치하면 전력 요금 절감, 온실가스 감축, 에너지 자립도 향상 등 다양한 효과를 기대할 수 있습니다. 하지만 설치 환경, 시스템 구성, 유지보수 등을 종합적으로 고려하여 신중하게 결정해야 합니다.

태양광 발전 시스템은 외부 환경에 노출되어 낙뢰, 스위칭 서지 등 다양한 서지 현상에 취약합니다. 이러한 서지 현상은 시스템의 고장을 유발하고 수명을 단축시킬 수 있으므로, 서지 보호 장치(SPD)를 설치하여 시스템을 보호하는 것이 필수적입니다.

1. 서지 보호 장치의 종류와 특성

서지 보호 장치는 크게 세 가지 종류로 나눌 수 있습니다.

• Type 1 SPD: 외부로부터 유입되는 직접적인 낙뢰 서지를 보호하기 위한 장치로, 건물의 주 배전반에 설치됩니다. 높은 에너지를 흡수할 수 있으며, 접지 시스템과 연결되어 서지를 안전하게 방출합니다.
• Type 2 SPD: Type 1 SPD를 보완하여 내부 설비를 보호하는 장치로, 분전반에 설치됩니다. Type 1 SPD보다 낮은 에너지를 흡수하며, Type 1 SPD와 함께 사용하여 보다 효과적인 보호가 가능합니다.
• Type 3 SPD: 개별 기기나 장비를 보호하기 위한 장치로, 인버터, 모듈 등에 직접 설치됩니다. 가장 낮은 에너지를 흡수하며, Type 1, Type 2 SPD와 함께 사용하여 최종적인 보호를 제공합니다.

2. 서지 보호 장치 설치 방법

서지 보호 장치는 시스템의 구성과 설치 환경에 따라 다르게 설치됩니다. 일반적으로 다음과 같은 순서로 설치됩니다.

1. 설치 위치 선정: 각 Type별 적절한 설치 위치를 선정합니다.
2. 배선: 서지 보호 장치와 접지 시스템을 안전하게 연결합니다.
3. 고정: 서지 보호 장치를 단단히 고정합니다.
4. 접속: 전원 선과 서지 보호 장치를 안전하게 연결합니다.

3. 서지 보호 장치의 동작 원리

서지 보호 장치는 비선형 저항 소자를 이용하여 과전압을 흡수하고, 접지를 통해 안전하게 방출하는 원리로 작동합니다. 서지가 발생하면 서지 보호 장치 내부의 비선형 저항 소자가 낮은 저항 값으로 변하여 과전압을 흡수하고, 이후 다시 높은 저항 값으로 복귀하여 정상적인 상태를 유지합니다.

4. 서지 보호 장치의 중요성 및 적용

• 시스템 수명 연장: 서지 보호 장치는 낙뢰, 스위칭 서지 등으로 인한 시스템 손상을 방지하여 시스템의 수명을 연장시킵니다.
• 데이터 손실 방지: 서지로 인한 데이터 손실을 방지하여 시스템의 안정적인 운영을 보장합니다.
• 유지보수 비용 절감: 시스템 고장으로 인한 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.
• 보증 기간 연장: 일부 제조사에서는 서지 보호 장치를 설치할 경우 보증 기간을 연장해주는 경우도 있습니다.

5. 주의사항

• 정품 사용: 반드시 인증된 제품을 사용해야 합니다.
• 정기적인 점검: 서지 보호 장치는 소모품이므로 정기적으로 점검하고 교체해야 합니다.
• 전문가 설치: 전문가에게 설치를 의뢰하여 안전하게 설치해야 합니다.
• 접지 시스템: 효과적인 접지 시스템을 구축해야 합니다.

결론

태양광 발전 시스템의 안정적인 운영을 위해 서지 보호 장치는 필수적인 요소입니다. 적절한 종류의 서지 보호 장치를 선정하여 설치하고, 정기적인 점검을 통해 시스템을 보호해야 합니다.

최대 전력점이란?

태양광 발전 시스템에서 태양전지가 생산할 수 있는 전력량은 태양광의 세기, 온도 등 다양한 환경 조건에 따라 변화합니다. 이러한 조건에서 태양전지가 생성할 수 있는 최대 전력을 얻을 수 있는 특정한 전압과 전류의 조합을 **최대 전력점(Maximum Power Point, MPP)**이라고 합니다.

왜 최대 전력점이 중요한가요?

• 효율 극대화: 태양광 발전 시스템의 효율을 극대화하기 위해서는 태양전지를 항상 최대 전력점에서 작동시켜야 합니다.
• 에너지 손실 최소화: 최대 전력점에서 벗어나 작동하면 전력 손실이 발생하여 시스템의 효율이 떨어집니다.
• 시스템 수명 연장: 최대 전력점 추적을 통해 시스템의 부하를 줄여 시스템 수명을 연장할 수 있습니다.

최대 전력점 곡선 (P-V 곡선)

태양전지의 전압과 전류의 관계를 나타내는 곡선을 P-V 곡선이라고 합니다. 이 곡선에서 가장 높은 점이 바로 최대 전력점입니다.

[이미지: 태양광 P-V 곡선]

• 개방 전압(Voc): 외부 회로가 단락되었을 때 태양전지 양단에 나타나는 전압
• 단락 전류(Isc): 외부 회로가 단락되었을 때 태양전지를 흐르는 전류
• 최대 전력점(MPP): 전력이 최대가 되는 지점

최대 전력점 추적(MPPT)

태양광 발전 시스템의 효율을 높이기 위해 태양전지를 항상 최대 전력점에서 작동시키는 것을 **최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking, MPPT)**이라고 합니다. MPPT 알고리즘은 다양한 종류가 있으며, 대표적인 알고리즘으로는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• P&O(Perturb and Observe) 알고리즘: 전압을 미소량 변화시키면서 전력 변화를 관찰하여 최대 전력점을 찾는 방법
• IncCond 알고리즘: 전력 변화의 부호를 이용하여 최대 전력점을 찾는 방법
• Hill Climbing 알고리즘: 전력이 증가하는 방향으로 전압을 변화시켜 최대 전력점을 찾는 방법

MPPT의 중요성

MPPT는 태양광 발전 시스템의 효율을 높이고, 시스템의 수명을 연장하며, 에너지 손실을 최소화하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 따라서 태양광 인버터에는 MPPT 기능이 필수적으로 포함되어 있습니다.

결론

태양광 발전 시스템에서 최대 전력점을 추적하는 것은 시스템의 효율을 극대화하고 경제성을 높이는 데 매우 중요합니다. 다양한 MPPT 알고리즘을 통해 최적의 효율을 얻을 수 있으며, 태양광 발전 시스템을 설계하고 운영할 때 반드시 고려해야 할 요소입니다.

태양광 전지의 간이 등가회로

태양광 전지는 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 소자입니다. 이러한 태양광 전지를 간단하게 표현하기 위해 등가회로를 사용합니다. 등가회로는 실제 소자의 복잡한 특성을 간단한 회로 요소들로 나타내어 분석을 용이하게 합니다.

태양광 전지의 간이 등가회로는 다음과 같이 구성됩니다.

• 광전류원(Isc): 빛에 의해 발생하는 전류를 나타냅니다. 빛의 세기에 비례하며, 태양전지의 기본적인 전류원 역할을 합니다.
• 다이오드: 태양전지 내부의 PN 접합을 나타내며, 역방향 전압이 가해질 때 소량의 역전류가 흐르는 특성을 가지고 있습니다.
• 직렬 저항(Rs): 태양전지 내부의 저항을 나타내며, 전류 흐름에 따른 전압 강하를 발생시킵니다.
• 병렬 저항(Rp): 태양전지의 누설 전류를 나타내며, 역방향 전압이 가해질 때 다이오드와 병렬로 연결되어 추가적인 전류 경로를 제공합니다.

전류-전압 곡선 (I-V 곡선)

태양광 전지의 전류-전압 곡선은 태양전지의 특성을 나타내는 중요한 그래프입니다. 이 곡선을 통해 태양전지의 최대 출력점, 개방 전압, 단락 전류 등을 알 수 있습니다.

• 개방 전압(Voc): 외부 회로가 개방되었을 때 태양전지 양단에 나타나는 전압입니다.
• 단락 전류(Isc): 외부 회로가 단락되었을 때 태양전지를 흐르는 전류입니다.
• 최대 출력점(MPP): 태양전지가 제공할 수 있는 최대 전력이 발생하는 지점입니다.

I-V 곡선의 특징

• 4사분면: 태양광 전지는 일반적인 전원과 달리 4사분면에서 동작합니다. 즉, 전류가 외부 회로로 흐르면서 동시에 양의 전압이 발생합니다.
• 최대 출력점: I-V 곡선에서 전력(P = VI)이 최대가 되는 점이 최대 출력점입니다. 이 점에서 태양광 발전 시스템의 효율을 최대화하기 위해 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 사용합니다.
• 온도와 빛의 세기의 영향: 온도가 높아지거나 빛의 세기가 약해지면 I-V 곡선의 형태가 변화합니다. 일반적으로 온도가 높아지면 개방 전압은 감소하고 단락 전류는 증가하며, 최대 출력점은 낮은 전압 쪽으로 이동합니다.

결론

태양광 전지의 간이 등가회로를 통해 태양광 전지의 동작 원리를 이해할 수 있으며, I-V 곡선을 통해 태양광 전지의 특성을 정량적으로 분석할 수 있습니다. 태양광 발전 시스템을 설계하고 최적화하기 위해서는 태양광 전지의 등가회로와 I-V 곡선에 대한 이해가 필수적입니다.

1. 설계 순서

1. 부하 분석: 필요한 전력량, 사용 패턴 등을 분석하여 일일 소비 전력량을 산정합니다.
2. 태양광 모듈 용량 산정: 일일 소비 전력량, 지역의 일사량, 시스템 효율 등을 고려하여 필요한 태양광 모듈 용량을 계산합니다.
3. 축전지 용량 산정: 부조일, 방전 심도, 보수율 등을 고려하여 필요한 축전지 용량을 계산합니다.
4. 충방전 제어기 선정: 축전지의 수명을 보호하고 시스템의 효율을 높이기 위한 적절한 충방전 제어기를 선정합니다.
5. 시스템 구성 및 설계: 위에서 산정된 값들을 바탕으로 태양광 모듈, 축전지, 충방전 제어기 등을 연결하여 시스템을 구성하고 설계합니다.
6. 안전 장치 설치: 과충전, 과방전, 단락 등의 문제 발생 시 시스템을 보호하기 위한 안전 장치를 설치합니다.

2. 납축전지 용량 계산

주어진 조건:

• 일일 소비 전력량: 5kWh
• 부조일: 10일
• 보수율: 0.8
• 방전 심도: 65%
• 축전지 개수: 50개

계산 과정:

1. 총 필요 에너지: 5kWh/일 * 10일 = 50kWh
2. 실제 방출 가능 에너지: 50kWh / 0.65 = 76.92kWh (방전 심도를 고려하여 실제 사용 가능한 에너지 계산)
3. 보수율 적용: 76.92kWh / 0.8 = 96.15kWh (시스템 효율 저하 등을 고려한 보수율 적용)
4. 1개 축전지의 용량: 96.15kWh / 50개 = 1.923kWh/개

따라서, 1개의 납축전지 용량은 약 1.923kWh가 필요합니다.

주의:

• 축전지의 종류: 위 계산은 일반적인 납축전지를 기준으로 한 것이며, 사용하는 축전지의 종류에 따라 용량 및 효율이 달라질 수 있습니다.
• 온도: 온도에 따라 축전지의 용량이 변화하므로, 설치 환경의 온도를 고려해야 합니다.
• 충방전 효율: 충방전 과정에서 발생하는 에너지 손실을 고려하여 여유 용량을 확보하는 것이 좋습니다.
• 시스템 구성: 태양광 모듈, 충방전 제어기 등 다른 시스템 구성 요소와의 조합을 고려하여 최종 용량을 결정해야 합니다.

추가 고려 사항:

유지보수: 축전지는 주기적인 점검과 보수가 필요합니다.

축전지의 수명: 납축전지의 수명은 충방전 횟수, 방전 깊이, 온도 등에 영향을 받으므로, 적절한 관리가 필요합니다.

안전: 축전지는 화재나 폭발의 위험이 있으므로, 안전 규정을 준수하고 적절한 설치 장소를 선정해야 합니다.

조력발전은 달과 태양의 인력에 의해 발생하는 밀물과 썰물의 높이 차이를 이용하여 전기를 생산하는 발전 방식입니다. 즉, 자연이 제공하는 에너지를 활용하여 전력을 생산하는 친환경 에너지원

조력발전의 원리

1. 저수: 밀물 때 바닷물을 댐이나 방조제 안으로 유입시켜 저수지를 채웁니다.
2. 발전: 썰물 때 저수지의 물을 터빈을 통해 흘려보내면서 터빈을 회전시켜 발전기를 돌립니다. 이때 발생하는 기계 에너지를 전기에너지로 변환하는 것이죠.
3. 배수: 발전이 끝나면 남은 물을 다시 바다로 배출합니다.

조력발전의 특징

• 재생 가능 에너지: 밀물과 썰물은 주기적으로 반복되는 자연 현상이므로, 지속 가능한 에너지원입니다.
• 안정적인 발전: 밀물과 썰물의 시간과 높이를 예측할 수 있어 발전량을 어느 정도 예측할 수 있습니다.
• 환경 친화적: 화석 연료를 사용하지 않으므로 온실가스 배출이 없고, 환경오염의 우려가 적습니다.
• 대규모 발전 가능: 적절한 조건만 갖춰진다면 대규모 발전이 가능합니다.
• 건설 비용이 높고, 건설 기간이 길다: 댐이나 방조제 등 대규모 시설 건설이 필요하여 초기 투자 비용이 많이 듭니다. 또한, 자연 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위한 환경 평가 등 복잡한 절차를 거쳐야 하므로 건설 기간이 길어지는 단점이 있습니다.

조력발전의 종류

조력발전은 크게 두 가지 방식으로 나눌 수 있습니다.

• 단류식: 밀물 또는 썰물 중 한 방향으로만 물을 흘려보내 발전하는 방식입니다.
• 복류식: 밀물과 썰물 양쪽 방향으로 물을 흘려보내 발전하는 방식으로, 발전 효율이 높지만 시설이 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

조력발전의 장단점

태양광 설비에서 태양전지판이 생산하는 직류(DC) 전력을 상용 교류(AC) 전력으로 변환하는 역할을 하는 장치가 바로 전력 변환 장치입니다. 이 장치는 태양광 발전 시스템의 효율과 안정적인 운전에 있어 매우 중요한 역할을 합니다.

전력 변환 장치의 주요 기능

• DC/AC 변환: 태양전지에서 생성된 직류 전력을 상용 교류 전력으로 변환합니다.
• 최대 전력점 추종(MPPT): 태양광 발전량을 극대화하기 위해 태양전지의 출력 전압과 전류를 조절하여 최대 출력점을 찾는 기능을 수행합니다.
• 계통 연계: 변환된 교류 전력을 전력망에 안정적으로 연결하여 전력을 공급하거나 사용합니다.
• 보호 기능: 과전류, 과전압, 접지 누전 등 다양한 이상 상황 발생 시 시스템을 보호하는 기능을 수행합니다.

전력 변환 장치의 회로 구성

전력 변환 장치의 회로 구성은 크게 다음과 같이 나눌 수 있습니다.

• DC/DC 컨버터: 태양전지의 출력 전압을 인버터에 적합한 전압으로 변환하는 역할을 합니다.
• 인버터: DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 핵심 회로입니다.
• 제어 회로: MPPT 알고리즘을 구현하고, 시스템 전체를 제어하는 역할을 합니다.

다양한 인버터 토폴로지

인버터의 토폴로지는 크게 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

• 풀 브리지 인버터: 가장 기본적인 형태의 인버터로, 4개의 스위칭 소자를 이용하여 양극성의 AC 전압을 생성합니다.
• 반 브리지 인버터: 풀 브리지 인버터에 비해 소자 수가 적지만, 출력 전압이 낮은 단점이 있습니다.
• 멀티레벨 인버터: 여러 개의 DC 전압원을 이용하여 다단계의 AC 전압을 생성하여 고품질의 전력을 얻을 수 있습니다.
• 모듈형 멀티레벨 인버터: 멀티레벨 인버터의 모듈화를 통해 시스템의 확장성과 유연성을 높인 형태입니다.

전력 변환 장치의 선택 시 고려 사항

• 시스템 용량: 태양광 발전 시스템의 용량에 맞는 적절한 용량의 인버터를 선택해야 합니다.
• 효율: 높은 효율의 인버터를 선택하여 발전량을 극대화해야 합니다.
• 신뢰성: 장기간 안정적으로 운전될 수 있도록 높은 신뢰성을 갖춘 제품을 선택해야 합니다.
• 가격: 예산 범위 내에서 최적의 성능을 가진 제품을 선택해야 합니다.
• 환경 조건: 설치 환경에 적합한 제품을 선택해야 합니다.

결론

태양광 설비의 전력 변환 장치는 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 요소입니다. 다양한 종류의 인버터가 존재하며, 각각의 장단점이 있으므로, 시스템의 특성과 요구 조건에 맞는 최적의 제품을 선택하는 것이 중요합니다.

태양전지 모듈에는 다양한 종류의 다이오드가 사용되며, 각각의 다이오드는 모듈의 성능과 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 특히, 바이패스 다이오드는 태양전지 모듈에서 가장 흔하게 사용되는 다이오드 중 하나입니다.

바이패스 다이오드 (Bypass Diode)

• 역할:
  • 음영 및 오염 발생 시: 태양전지 모듈의 일부가 음영이나 오염으로 인해 효율이 떨어지거나 전류가 흐르지 않을 경우, 바이패스 다이오드는 해당 부분에 흐르는 역전류를 차단하여 다른 셀에 영향을 미치는 것을 방지합니다.
  • 핫스팟 현상 방지: 음영이나 오염으로 인해 전류가 흐르지 않는 셀에 전류가 집중되어 열이 발생하는 핫스팟 현상을 방지합니다. 핫스팟 현상은 모듈의 수명을 단축시키고 화재의 원인이 될 수 있습니다.
• 작동 원리:
  • 태양전지는 PN 접합으로 구성되어 있어 일정한 전압 이상이 가해지면 반대 방향으로 전류가 흐르지 않습니다.
  • 바이패스 다이오드는 음영이나 오염으로 인해 전압이 역전될 경우, 자신에게 전류가 흐르도록 하여 다른 셀에 영향을 미치는 것을 방지합니다.

블로킹 다이오드 (Blocking Diode)

• 역할:
  • 역전류 방지: 태양광 모듈에서 발생한 전류가 배터리 등 다른 시스템으로 역류하는 것을 방지합니다.
  • 시스템 보호: 역류되는 전류는 시스템에 손상을 입힐 수 있으므로, 블로킹 다이오드를 통해 이를 방지하여 시스템의 안정성을 높입니다.

다이오드의 종류와 특징

• 쇼트키 다이오드: 빠른 스위칭 속도와 낮은 전압 강하 특성을 가지고 있어 고주파 회로에 적합합니다.
• PN 접합 다이오드: 가장 일반적인 다이오드로, 가격이 저렴하고 내구성이 좋습니다.
• 평활 다이오드: 리플 전압을 감소시키는 데 효과적이며, 주로 전원 공급 장치에 사용됩니다.

결론

태양전지 모듈에 사용되는 다이오드는 모듈의 성능을 최대화하고 수명을 연장하는 데 중요한 역할을 합니다. 특히, 바이패스 다이오드는 음영이나 오염으로 인한 손실을 최소화하고, 블로킹 다이오드는 시스템의 안정성을 확보하는 데 기여합니다.

다이오드 선정 시 고려 사항

수명: 장기간 사용이 가능한 높은 수명의 다이오드를 선택해야 합니다.

모듈의 크기와 출력: 모듈의 크기와 출력에 따라 적절한 다이오드를 선택해야 합니다.

작동 환경: 온도, 습도 등 작동 환경에 적합한 다이오드를 선택해야 합니다.

계통인버터란 무엇인가요?

태양광발전 시스템에서 태양전지판이 생산하는 직류(DC) 전력을 상용 교류(AC) 전력으로 변환하여 전력망에 연결하는 장치를 계통인버터라고 합니다. 쉽게 말해, 태양광으로 생산된 전기를 우리가 사용하는 전기 형태로 바꿔주는 역할을 하는 것입니다.

계통인버터의 역할

• DC/AC 변환: 태양전지에서 생성된 직류 전력을 상용 교류 전력으로 변환합니다.
• 최대 전력점 추종(MPPT): 태양광 발전량을 극대화하기 위해 태양전지의 출력 전압과 전류를 조절하여 최대 출력점을 찾는 기능을 수행합니다.
• 계통 연계: 변환된 교류 전력을 전력망에 안정적으로 연결하여 전력을 공급하거나 사용합니다.
• 보호 기능: 과전류, 과전압, 접지 누전 등 다양한 이상 상황 발생 시 시스템을 보호하는 기능을 수행합니다.
• 주파수 및 전압 조절: 전력망의 주파수와 전압을 일정하게 유지하여 안정적인 계통 운전에 기여합니다.

계통인버터의 종류

• 중앙형 인버터: 대규모 태양광 발전 시스템에 주로 사용되며, 많은 양의 전력을 한꺼번에 변환합니다.
• 스트링형 인버터: 중소형 태양광 발전 시스템에 주로 사용되며, 태양전지 모듈을 여러 개씩 연결한 스트링 단위로 변환합니다.
• 마이크로 인버터: 각 태양전지 모듈에 개별적으로 연결되어 모듈 레벨에서 최적의 발전을 가능하게 합니다.

계통인버터 선택 시 고려 사항

• 용량: 태양광 발전 시스템의 용량에 맞는 적절한 용량의 인버터를 선택해야 합니다.
• 효율: 높은 효율의 인버터를 선택하여 발전량을 극대화해야 합니다.
• 신뢰성: 장기간 안정적으로 운전될 수 있도록 높은 신뢰성을 갖춘 제품을 선택해야 합니다.
• 가격: 예산 범위 내에서 최적의 성능을 가진 제품을 선택해야 합니다.
• 환경 조건: 설치 환경에 적합한 제품을 선택해야 합니다.

계통인버터의 중요성

계통인버터는 태양광 발전 시스템의 효율과 안정적인 운전을 위해 필수적인 장치입니다. 계통인버터의 성능에 따라 시스템 전체의 발전량과 수명이 달라질 수 있으므로, 신중하게 선택해야 합니다.

궁금한 점이 있으시면 언제든지 질문해주세요.

태양광 발전 시스템 설계 시 고려 사항

더 깊이 알고 싶은 내용:

각 인버터 종류별 특징 비교

MPPT 알고리즘의 종류

태양전지의 전압-전류 특성곡선은 태양전지의 출력 특성을 나타내는 그래프입니다. 이 곡선은 태양전지의 전압과 전류의 관계를 보여주며, 태양전지의 최대 출력점을 찾는 데 중요한 정보를 제공합니다.

• 개방전압 (Voc): 외부 회로가 개방되었을 때 태양전지 양단에 걸리는 전압
• 단락전류 (Isc): 태양전지의 양단이 단락되었을 때 흐르는 전류
• 최대 출력점 (MPP): 태양전지가 생산할 수 있는 최대 전력이 발생하는 지점

특성곡선에 영향을 미치는 요인:

• 일사량: 일사량이 증가할수록 단락전류와 최대 출력이 증가합니다.
• 온도: 온도가 높아질수록 개방전압은 감소하고, 단락전류는 증가하는 경향이 있습니다.
• 셀의 품질: 셀의 품질에 따라 특성곡선의 형태가 달라집니다.

인버터 및 모듈의 설치 기준

인버터 설치 기준:

• 용량: 태양광 모듈의 총 출력을 감안하여 충분한 용량의 인버터를 선택해야 합니다. 일반적으로 인버터 용량의 105% 이내로 모듈을 설치하는 것이 권장됩니다.
• MPPT 추적: 인버터는 태양전지의 최대 출력점을 찾아 효율을 극대화하는 MPPT 기능을 갖추어야 합니다.
• 계통 연계: 전력망과 안정적으로 연결될 수 있도록 계통 연계 기능을 갖추어야 합니다.
• 보호 기능: 과전류, 과전압, 접지 누전 등 다양한 이상 상황에 대한 보호 기능을 갖추어야 합니다.

모듈 설치 기준:

• 방향: 남향으로 설치하는 것이 일반적이며, 경사는 지역의 위도와 계절에 따라 조절해야 합니다.
• 음영: 모듈에 그림자가 지지 않도록 설치하여야 합니다. 음영은 발전 효율을 크게 저하시키는 주요 원인 중 하나입니다.
• 지지대: 모듈을 지지하는 지지대는 자중, 적재 하중, 풍압 등을 견딜 수 있도록 충분한 강도를 가져야 합니다.
• 방수: 모듈과 연결 부위는 방수 처리를 철저히 하여 누수로 인한 고장을 방지해야 합니다.
• 접지: 안전을 위해 모듈은 반드시 접지해야 합니다.

인버터와 모듈의 호환성:

• 통신 프로토콜: 인버터와 모듈 간의 통신 프로토콜이 호환되어야 합니다.
• 전압 및 전류: 인버터의 입력 전압 범위와 모듈의 출력 전압이 일치해야 합니다.

결론

태양광 발전 시스템 설계 시, 태양전지의 전압-전류 특성곡선을 이해하고, 인버터와 모듈의 설치 기준을 준수하는 것이 중요합니다. 이를 통해 시스템의 효율을 극대화하고 안정적인 운전을 보장할 수 있습니다.

주의: 위 내용은 일반적인 정보이며, 실제 시공 시에는 해당 지역의 조례 및 관련 법규를 반드시 확인하고 전문가와 상담하여야 합니다

문제 요약

• 건물 연면적: 10,000㎡
• 단위 에너지 용량: 231.33 kWh/㎡·yr
• 지역 계수: 1
• 용도별 보정 계수: 2.78
• 단위 에너지 생산량: 1358 kWh/kW·yr
• 원별 보정 계수: 4.14

해설

1. 건물의 총 에너지 소비량 계산:

• 총 에너지 소비량 = 연면적 * 단위 에너지 용량 * 지역 계수 * 용도별 보정 계수
• 총 에너지 소비량 = 10,000㎡ * 231.33 kWh/㎡·yr * 1 * 2.78 = 6,437,374 kWh/yr

2. 필요한 태양광 발전량 계산:

• 필요한 태양광 발전량 = 총 에너지 소비량 / 단위 에너지 생산량 / 원별 보정 계수
• 필요한 태양광 발전량 = 6,437,374 kWh/yr / 1358 kWh/kW·yr / 4.14 ≈ 1138.84 kW

3. 최소 태양광 설치 용량:

따라서, 주어진 조건에서 교육연구시설의 최소 태양광 설치 용량은 약 1138.84 kW 입니다.

결론

주어진 조건 하에서 교육연구시설의 최소 태양광 설치 용량은 약 1138.84 kW입니다.

주의사항

정확한 설계: 정확한 태양광 발전 시스템 설계를 위해서는 전문가의 도움을 받는 것이 좋습니다.

계산 결과의 유의: 위 계산은 주어진 조건에 따른 이론적인 값이며, 실제 설계 시에는 다양한 변수를 고려해야 합니다.

변수 고려: 태양광 모듈의 효율, 설치 각도, 지역의 일사량, 시스템 손실 등 다양한 변수를 고려하여 실제 설계에 반영해야 합니다.

수상태양광 발전설비란?

수상태양광 발전설비는 저수지, 호수 등의 수면 위에 태양광 모듈을 설치하여 태양광 에너지를 전력으로 변환하는 시스템입니다. 육상 태양광 발전과 비교하여 토지 사용량을 줄이고, 주변 환경과의 조화를 이룰 수 있다는 장점이 있습니다.

수상태양광 발전계통의 구성요소

• 부유체: 태양광 모듈, 인버터 등 발전 설비를 지지하는 구조물입니다. 수위 변동에 따라 움직일 수 있도록 설계되어야 합니다.
• 계류장치: 부유체를 안정적으로 고정하고, 수위 변동에 따라 부유체의 위치를 조절하는 장치입니다.
• 태양광 모듈: 태양광 에너지를 흡수하여 직류 전력으로 변환하는 장치입니다.
• 인버터: 태양광 모듈에서 생성된 직류 전력을 상용 교류 전력으로 변환하는 장치입니다.
• 변압기: 인버터에서 생성된 전압을 변환하여 전력망에 연결하는 장치입니다.
• 케이블: 태양광 모듈, 인버터, 변압기 등을 연결하는 케이블입니다.
• 감시제어시스템: 발전 시스템의 운전 상태를 실시간으로 모니터링하고 제어하는 시스템입니다.

수위적응식 계류장치

수위적응식 계류장치는 수위 변동에 따라 부유체의 높이를 자동으로 조절하여 안정적인 운전을 보장하는 장치입니다. 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 수위 변동 감지: 수위 센서를 통해 수위 변동을 감지합니다.
• 계류장치 조절: 수위 변동에 따라 계류장치의 길이를 조절하여 부유체의 높이를 일정하게 유지합니다.
• 안전성 확보: 폭풍우, 강풍 등 외부 환경 변화에 대응하여 부유체의 안전성을 확보합니다.

수상태양광 발전설비의 특징

• 토지 사용량 절감: 육상 태양광 발전에 비해 토지 사용량을 줄일 수 있습니다.
• 냉각 효과: 물이 태양광 모듈을 냉각시켜 발전 효율을 높일 수 있습니다.
• 주변 환경과의 조화: 육상 태양광 발전에 비해 주변 환경과의 조화를 이룰 수 있습니다.
• 설치 공간의 다양성: 저수지, 호수, 해상 등 다양한 공간에 설치할 수 있습니다.
• 유지보수의 어려움: 육상 태양광 발전에 비해 유지보수가 어려울 수 있습니다.
• 초기 투자 비용이 높음: 부유체, 계류장치 등 추가적인 설비가 필요하여 초기 투자 비용이 높습니다.

수상태양광 발전설비의 장단점 요약

결론

수상태양광 발전은 미래 에너지원으로서 큰 가능성을 가지고 있습니다. 하지만 기술적, 경제적, 환경적 측면에서 아직 해결해야 할 과제들이 많습니다. 앞으로 지속적인 연구 개발을 통해 수상태양광 발전의 경쟁력을 높여나가야 할 것입니다.

태양광 발전 시스템의 효율을 극대화하기 위해서는 태양전지 모듈 설치 시 다양한 기술적 요소를 고려해야 합니다. 발전에 가장 큰 영향을 미치는 3가지 기술 및 요인은 다음과 같습니다.

1. 최대 전력점 추종(MPPT) 기술

• 개념: 태양전지 모듈은 외부 환경 조건(일사량, 온도 등)에 따라 최대 출력점이 변합니다. MPPT 기술은 이러한 변화를 실시간으로 감지하여 모듈의 출력 전압과 전류를 조절하여 항상 최대 출력을 얻도록 하는 기술입니다.
• 작동 원리: 인버터에 내장된 알고리즘을 통해 모듈의 전압-전류 특성을 측정하고, 최대 출력점을 찾아 인버터의 동작점을 조절합니다.
• 종류: P&O(Perturb and Observe), IncCond(Incremental Conductance) 등 다양한 알고리즘이 있으며, 각각 장단점이 있습니다.

2. 트래커 시스템

• 개념: 태양광 모듈을 태양의 움직임을 따라 자동으로 추적하여 일사량을 최대화하는 시스템입니다.
• 종류:
  • 1축 추적: 하루 중 태양의 고도 변화만을 추적합니다.
  • 2축 추적: 태양의 고도와 방위각 변화를 모두 추적합니다.
• 장점: 일사량을 최대화하여 발전량을 증가시키고, 모듈의 온도 상승을 억제하여 효율을 높일 수 있습니다.

3. 모듈 배치 및 설치 각도

• 배치:
  • 음영 최소화: 건물, 나무 등에 의한 음영은 발전량을 크게 감소시키므로, 음영이 최소화되는 위치에 모듈을 설치해야 합니다.
  • 통풍: 모듈 주변에 충분한 공간을 확보하여 통풍을 원활하게 하여 모듈의 온도 상승을 방지해야 합니다.
• 설치 각도:
  • 위도: 설치 지역의 위도에 따라 최적의 설치 각도가 달라집니다. 일반적으로 남향으로 설치하며, 위도와 같은 각도로 기울이는 것이 일반적입니다.
  • 계절: 계절별 태양의 고도 변화를 고려하여 설치 각도를 조절할 수 있습니다.

기타 고려 사항:

• 모듈 종류: 단결정, 다결정, 박막형 등 모듈 종류에 따라 효율과 내구성이 다르므로, 설치 환경에 맞는 적절한 모듈을 선택해야 합니다.
• 지역 환경: 설치 지역의 기후 조건, 풍속, 지진 등을 고려하여 설치해야 합니다.
• 유지보수: 모듈의 청결 유지, 접속 불량 확인 등 정기적인 유지보수를 통해 발전 효율을 유지해야 합니다.

결론:

태양광 발전 시스템의 효율을 극대화하기 위해서는 위에서 언급한 기술적 요소들을 종합적으로 고려하여 설계 및 시공해야 합니다. 특히, MPPT 기술과 트래커 시스템은 발전량 증대에 큰 영향을 미치므로, 시스템 구성 시 필수적으로 고려해야 합니다.

태양광 인버터란?

태양광 인버터는 태양전지판에서 생성된 직류(DC) 전력을 상용 교류(AC) 전력으로 변환하여 전력망에 연결하는 장치입니다. 이는 태양광 발전 시스템에서 태양 에너지를 우리가 사용하는 전기 에너지로 변환하는 핵심적인 역할을 합니다.

인버터의 스테이지

인버터는 일반적으로 다음과 같은 스테이지로 구성됩니다.

1. DC/DC 컨버터: 태양전지에서 나오는 변동하는 DC 전압을 일정한 DC 전압으로 변환하여 인버터의 입력 전압을 안정화시킵니다. MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 통해 태양전지의 최대 출력점을 추종하여 효율을 높입니다.
2. 인버터: DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 핵심적인 부분입니다. 다양한 토폴로지(Full-bridge, Half-bridge 등)를 사용하여 변환하며, PWM(Pulse Width Modulation) 기술을 통해 정현파 AC 전압을 생성합니다.
3. 필터: 인버터 출력에 포함된 고조파 성분을 제거하고 전압과 주파수를 안정화시키는 역할을 합니다.

인버터의 종류와 특징

태양광 인버터는 크게 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

1. 스트링 인버터

• 특징: 여러 개의 태양전지 모듈을 직렬로 연결한 스트링 단위로 변환합니다. 가격이 저렴하고 설치가 간편하며, 중소형 태양광 시스템에 주로 사용됩니다.
• 장점: 가격 경쟁력, 설치 용이성
• 단점: 일부 모듈에 그림자가 지거나 고장이 발생하면 전체 스트링의 출력이 감소할 수 있습니다.

2. 마이크로 인버터

• 특징: 각 태양전지 모듈에 개별적으로 연결되어 모듈 레벨에서 최적의 발전을 가능하게 합니다.
• 장점: 모듈별 최적화, 그림자에 대한 내성이 강함, 시스템 신뢰성 향상
• 단점: 가격이 비싸고, 설치 공간이 많이 필요합니다.

3. 파워 옵티마이저

• 특징: 스트링 인버터와 마이크로 인버터의 장점을 결합한 형태로, 모듈 레벨에서 최적화를 수행하면서도 스트링 인버터의 경제성을 유지합니다.
• 장점: 모듈별 최적화, 그림자에 대한 내성, 스트링 인버터 대비 높은 효율
• 단점: 마이크로 인버터보다는 가격이 높습니다.

4. 중앙 인버터

• 특징: 대규모 태양광 발전소에 주로 사용되며, 많은 양의 전력을 한꺼번에 변환합니다.
• 장점: 높은 효율, 낮은 설치 비용
• 단점: 시스템 전체에 문제가 발생할 경우 발전이 중단될 수 있습니다.

인버터 선택 시 고려 사항

• 시스템 용량: 태양광 발전 시스템의 용량에 맞는 적절한 용량의 인버터를 선택해야 합니다.
• 효율: 높은 효율의 인버터를 선택하여 발전량을 극대화해야 합니다.
• 신뢰성: 장기간 안정적으로 운전될 수 있도록 높은 신뢰성을 갖춘 제품을 선택해야 합니다.
• 가격: 예산 범위 내에서 최적의 성능을 가진 제품을 선택해야 합니다.
• 환경 조건: 설치 환경에 적합한 제품을 선택해야 합니다.

결론

태양광 인버터는 태양광 발전 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 요소입니다. 다양한 종류의 인버터가 존재하며, 각각의 장단점이 있으므로, 시스템의 특성과 요구 조건에 맞는 최적의 제품을 선택하는 것이 중요합니다.

태양광 발전 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나인 인버터는 태양전지판에서 생성된 직류(DC) 전력을 상용 교류(AC) 전력으로 변환하는 역할을 합니다. 인버터의 토폴로지는 시스템의 크기, 효율, 비용 등에 따라 다양하게 구성될 수 있으며, 주로 다음과 같은 세 가지 주요 유형으로 분류됩니다.

1. MIC (Micro Inverter) 토폴로지

• 특징:
  • 각 태양전지판 또는 소규모 패널 그룹에 개별적인 인버터가 연결됩니다.
  • 모듈 레벨에서 최대 전력점 추종(MPPT)이 가능하여 시스템 효율이 높습니다.
  • 그늘이나 오염 등으로 인한 성능 저하가 다른 토폴로지에 비해 적습니다.
  • 설치 및 유지보수가 용이합니다.
• 장점:
  • 모듈 레벨의 MPPT로 인한 높은 효율
  • 그늘이나 오염에 대한 내성이 강함
  • 시스템 확장성이 용이함
• 단점:
  • 개별 인버터의 비용이 높아 시스템 전체 비용이 상승할 수 있음
  • 통신 및 제어 시스템이 복잡할 수 있음
• 적용 분야:
  • 소규모 태양광 발전 시스템
  • 상업용 및 주거용 루프탑 시스템
  • 그늘이 많은 환경

2. String Inverter 토폴로지

• 특징:
  • 여러 개의 태양전지판을 직렬로 연결하여 하나의 인버터에 연결합니다.
  • 스트링 레벨에서 MPPT가 수행됩니다.
  • MIC에 비해 시스템 비용이 저렴합니다.
• 장점:
  • 시스템 비용이 저렴함
  • 설치가 간단함
• 단점:
  • 스트링 내의 한 개의 모듈이 고장 나면 전체 스트링의 출력이 감소함
  • 그늘이나 오염에 대한 내성이 MIC에 비해 낮음
  • MPPT 효율이 MIC에 비해 낮을 수 있음
• 적용 분야:
  • 대규모 태양광 발전 시스템
  • 상업용 및 산업용 시스템

3. Central Inverter 토폴로지

• 특징:
  • 모든 태양전지판을 하나의 대형 인버터에 연결합니다.
  • 시스템 전체에 대한 MPPT가 수행됩니다.
• 장점:
  • 시스템 비용이 가장 저렴함
  • 설치가 간단함
• 단점:
  • 스트링 내의 한 개의 모듈이 고장 나면 전체 시스템의 출력이 감소함
  • 그늘이나 오염에 대한 내성이 가장 낮음
  • 시스템 확장성이 제한적임
• 적용 분야:
  • 매우 대규모 태양광 발전소

각 토폴로지 비교

결론

태양광 발전 시스템에 적합한 인버터 토폴로지는 시스템의 규모, 예산, 설치 환경, 요구되는 효율 등 다양한 요소를 종합적으로 고려하여 결정해야 합니다. 각 토폴로지의 장단점을 비교하여 프로젝트에 가장 적합한 솔루션을 선택하는 것이 중요합니다.

태양전지의 최대 전력점(MPP, Maximum Power Point)

태양전지는 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 소자입니다. 태양전지의 전압과 전류는 빛의 세기, 온도 등 다양한 요인에 따라 변화하며, 이에 따라 출력되는 전력도 달라집니다.

**최대 전력점(MPP)**이란 태양전지가 특정 조건에서 출력할 수 있는 전력이 가장 큰 지점을 의미합니다. 즉, 태양전지의 전압과 전류를 조절하여 이 지점에서 작동시키면 가장 많은 전력을 얻을 수 있습니다.

태양전지의 효율

태양전지의 효율은 태양전지에 입사된 빛 에너지 대비 전기에너지로 변환된 에너지의 비율을 의미합니다. 즉, 효율이 높을수록 같은 면적의 태양전지로 더 많은 전력을 얻을 수 있습니다.

최대 전력점과 효율의 관계

• 최대 전력점 추종(MPPT): 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 최대 전력점을 찾아 작동시켜야 합니다. 이를 위해 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어기를 사용하여 태양전지의 전압과 전류를 실시간으로 조절하여 최대 전력점을 추적합니다.
• 효율에 영향을 미치는 요인:
  • 태양전지의 종류: 단결정, 다결정, 박막형 등 태양전지의 종류에 따라 효율이 다릅니다.
  • 빛의 세기: 빛의 세기가 강할수록 일반적으로 효율이 높아집니다.
  • 온도: 온도가 높아질수록 효율이 감소하는 경향이 있습니다.
  • 셀의 품질: 셀의 품질이 좋을수록 효율이 높아집니다.
  • MPPT 알고리즘: MPPT 알고리즘의 성능에 따라 효율이 달라집니다.

왜 최대 전력점을 찾아야 할까요?

• 최대 전력 생산: 최대 전력점에서 작동시켜야 태양광 발전 시스템으로부터 최대한의 전력을 얻을 수 있습니다.
• 시스템 효율 향상: MPPT를 통해 시스템 전체의 효율을 높일 수 있습니다.
• 시스템 수명 연장: 최적의 작동 조건을 유지하여 태양전지의 수명을 연장할 수 있습니다.

결론

태양전지의 최대 전력점을 찾고, 이를 유지하는 것은 태양광 발전 시스템의 효율을 높이는 데 매우 중요합니다. MPPT 제어기를 사용하여 태양전지의 작동 조건을 최적화하면 더 많은 전력을 생산하고 시스템의 수명을 연장할 수 있습니다.

신재생에너지 지원 지침은 태양광 발전 시스템의 안전하고 효율적인 설치를 위해 다양한 기준을 제시하고 있습니다. 특히 태양광 모듈은 시스템의 성능을 직접적으로 좌우하는 핵심 요소이므로, 관련 규정이 까다롭게 정해져 있습니다.

태양광 모듈의 제품 기준

• KS 인증: 일반적으로 태양광 모듈은 KS 인증을 받은 제품을 사용해야 합니다. KS 인증은 국내 표준에 부합하는 품질을 보증하는 제도입니다.
• 성능 보증: 제조사에서 제공하는 성능 보증 기간과 내용을 확인해야 합니다. 일반적으로 25년 이상의 출력 보증 기간을 제공하는 제품이 많습니다.
• 안전성: 화재, 누수 등의 안전사고 발생 가능성을 최소화하기 위해 안전성 관련 인증을 확인해야 합니다.

태양광 모듈의 설치 용량 기준

• 인버터 용량과의 관계: 설치되는 태양광 모듈의 총 용량은 인버터의 용량을 초과할 수 없습니다. 일반적으로 인버터 용량의 105% 이내로 설치하는 것이 권장됩니다.
• 직렬 연결: 직렬로 연결되는 태양광 모듈의 개방 전압은 인버터의 입력 전압 범위 내에 있어야 합니다.

태양광 모듈의 설치 상태 기준

• 음영: 모듈 설치 시 앞열의 모듈이 뒷열의 모듈에 그림자가 지지 않도록 설치하여야 합니다. 음영은 발전 효율을 크게 저하시키는 주요 원인 중 하나입니다.
• 지지대: 모듈을 지지하는 지지대는 자중, 적재 하중, 풍압 등을 견딜 수 있도록 충분한 강도를 가져야 합니다.
• 방수: 모듈과 연결 부위는 방수 처리를 철저히 하여 누수로 인한 고장을 방지해야 합니다.
• 접지: 안전을 위해 모듈은 반드시 접지해야 합니다.
• 낙뢰 보호: 낙뢰로 인한 피해를 방지하기 위해 낙뢰 보호 장치를 설치해야 할 수 있습니다.

기타 고려 사항

미관: 주변 환경과 조화를 이루는 설계가 필요합니다.

지역 특성: 지역의 일사량, 기온, 풍속 등을 고려하여 적합한 모듈을 선택해야 합니다.

건물 구조: 건물의 구조와 특성에 맞는 설치 방식을 선택해야 합니다.

2️⃣풍력발전시스템 분류

1)회전축 방향에 따른 구분(구조상 분류)

수직축 풍력 발전기

(Vertical Axis Wind Turbine, VAWT)

• 개요: 회전축이 지면과 수직을 이루는 풍력 발전기로, 다양한 형태가 있습니다.
• 구조:
  • 사보니우스형: 반원통 형태의 블레이드를 사용하며, 구조가 간단하고 제작 비용이 저렴합니다.
  • 다리우스형: 에어포일 형태의 블레이드를 사용하며, 사보니우스형에 비해 효율이 높습니다.
• 장점:
  • 바람 방향에 구애받지 않음: 어떤 방향에서 불어오는 바람에도 회전이 가능합니다.
  • 저렴한 설치 비용: 타워가 낮아 설치 비용이 저렴합니다.
  • 소음이 적음: 수평축 풍력 발전기에 비해 소음이 적습니다.
• 단점:
  • 효율이 낮음: 수평축 풍력 발전기에 비해 효율이 낮습니다.
  • 기술 개발이 필요: 수평축에 비해 기술 개발이 상대적으로 덜 이루어져 있습니다.

• 수직축 풍력발전기에는 원호형 날개 2~3개를 수직축에 붙인 다리우스형과 2~4개의 수직 대칭형의 날개를 붙인 자이로밀형, 그리고 반원통형의 날개를 마주보게 한 사보니우스형등이 있다.

• 바람의 방향과 관계가 없어 사막이나 쳥원에 많이 설치하여 이용이 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 충파에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다.

수평축 풍력 발전기

(Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT)

• 개요: 가장 일반적인 형태의 풍력 발전기로, 회전축이 지면과 수평을 이루고 있습니다.
• 구조:
  • 블레이드: 바람을 받아 회전하는 날개 부분으로, 에너지 변환의 핵심입니다.
  • 나셀: 블레이드, 발전기, 변속기 등 주요 부품이 설치된 기둥 모양의 구조물입니다.
  • 타워: 나셀을 지지하는 높은 기둥으로, 바람이 강하고 균일한 고지대에 설치됩니다.
• 장점:
  • 높은 효율: 큰 직경의 블레이드를 사용하여 많은 양의 바람 에너지를 포획할 수 있습니다.
  • 기술 성숙도: 오랜 연구 개발을 통해 기술이 성숙되어 안정적인 운전이 가능합니다.
• 단점:
  • 높은 설치 비용: 타워가 높아 설치 비용이 많이 듭니다.
  • 소음: 회전하는 블레이드에서 소음이 발생할 수 있습니다.

• 수평축 충력발전기는 1개에서 4개까지의 날개를 가진 다양한 종류가 있지만, 현재 발전용으로 가장 많이 이용되고 있는 것은 3개의 날개를 가진 프로펠러형이다

• 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받음

• 중대형급 이상은 수평축을 사용하고, 1000[kW]급 이하 소형은 수직축도 사용한다

2)운전방식 따른 구분

(동력전달장치 구조에 따른 분류)

• 기어드형: 신뢰성이 높고 비용이 저렴하며, 소규모 풍력발전에 적합
• 기어리스형: 효율이 높고 수명이 길지만, 비용이 높고 기술적인 난이도가 높아 대규모 풍력발전에 적합

기어드형 풍력발전설비

• 개요:
  • 발전기의 출력주파수를 계통의 상용주파수에 맞추기 위하여 로터의 회전속도를 증가시키기 위한 기어박스를 사용하는 풍력발전기
• 장점:
  • 높은 신뢰성: 오랜 기간 사용되어온 기술로, 신뢰성이 높습니다.
  • 저렴한 비용: 기어리스형에 비해 제작 및 유지보수 비용이 저렴합니다.
  • 다양한 발전기 적용 가능: 다양한 종류의 발전기에 적용할 수 있습니다.
• 단점:
  • 효율 감소: 기어박스에서 마찰 손실이 발생하여 전체 시스템의 효율이 감소합니다.
  • 소음 발생: 기어박스에서 소음이 발생할 수 있습니다.
  • 수명이 짧음: 기어박스의 마모로 인해 수명이 짧을 수 있습니다.
  • 진동 발생: 기어박스에서 진동이 발생하여 시스템의 안정성을 저해할 수 있습니다.

기어리스형 풍력발전설비

• 개요:
  • 기어박스 없이 직접 구동되는 방식으로, 대용량 발전기에 주로 사용
  • 이러한 타입은 발전기의 출력을 계통이 요구하는 대로 제어하기 위하여 발전기 후단에 전력변환장치를 설치하게 되는 운전방식이다
• 장점:
  • 높은 효율: 기어박스가 없어 마찰 손실이 적어 효율이 높습니다.
  • 긴 수명: 기어박스가 없어 수명이 길고, 유지보수 비용이 적습니다.
  • 저소음: 기어박스가 없어 소음이 적습니다.
  • 진동 감소: 기어박스가 없어 진동이 적습니다.
  • AC/DC/AC방식으로 계통연계성이 우수
• 단점:
  • 높은 제작 비용: 고가의 영구자석형 발전기가 필요하여 제작 비용이 높습니다.
  • 기술 난이도: 고속 회전하는 발전기를 제작하기 위한 기술력이 필요합니다.
  • 무게 증가: 무거운 발전기를 사용해야 하므로, 타워의 하중이 증가합니다.
  • 계통연결을 위해서 AC/DC/AC변환필요

3)출력제한

Stall타입

• 개념 :
  블레이드 설계를 정격풍속 이상에서 발전기 출력이 증가하지 않고 정지풍속에서 Stall이 발생하도록 설계하는 방식

• 장단점

피치타입

• 개념
  • 블레이드의 깃각 제어를 통하여 정격충속 이상에서는 일정한 출력이 발생하도록 제어
  • 정지풍속에서는 블레이드를 Feathering(회전)함으로써 발전기가 정지하도록 제어하는 방식

• 장단점

1. 소음 및 진동:

• 저소음 블레이드: 주거 지역에 설치되는 만큼 소음을 최소화하기 위해 저소음 블레이드를 사용해야 합
• 진동 감쇠 장치: 발전기에서 발생하는 진동을 효과적으로 감쇠시키는 장치를 설치해야 합
• 소음 차단 시설: 소음 차단 울타리 등을 설치하여 주변 지역으로의 소음 전파를 방지해야 합

2. 미관:

• 디자인: 도시 경관과 조화를 이루는 디자인을 채택
• 조명: 야간에도 눈에 거슬리지 않는 조명을 설치

3. 안전성:

• 구조 안전성: 건물이나 다른 구조물에 충돌하거나 붕괴되는 것을 방지하기 위해 충분한 안전성을 확보
• 낙뢰 방지: 낙뢰로 인한 피해를 방지하기 위한 낙뢰 방지 시스템을 설치

4. 풍속 및 풍향:

• 풍속 측정: 정확한 풍속 및 풍향 데이터를 수집하여 발전량을 예측하고, 적절한 발전 시스템을 선정
• 건물 주변의 풍 환경 분석: 주변 건물에 의한 풍속 및 풍향 변화를 분석하여 최적의 설치 위치를 선정

5. 유지보수:

• 접근성: 유지보수가 용이하도록 접근성이 좋은 위치에 설치
• 원격 감시 시스템: 원격으로 시스템 상태를 모니터링하고, 이상 발생 시 신속하게 대응할 수 있도록 시스템을 구축

6. 법규 및 제한 사항:

• 건축법: 건축법 등 관련 법규를 준수해야 합
• 소음 규제: 소음 규제 기준을 준수해야 합
• 경관 규제: 도시 경관 규제를 준수해야 합

7. 기술:

• 수직축 풍력 발전기: 공간 제약이 심한 도시 환경에서는 수직축 풍력 발전기가 유리할 수 있습
• 소형 풍력 발전기: 건물 옥상 등에 설치할 수 있는 소형 풍력 발전기 기술 개발이 필요합
• 풍력 예측 기술: 정확한 풍력 예측을 통해 발전량을 최대화할 수 있습

8. 에너지 저장 시스템:

• 배터리: 생산된 전력을 저장하여 필요한 시기에 사용할 수 있도록 배터리 시스템을 연동해야 합

9. 스마트 그리드:

• 스마트 그리드 연동: 스마트 그리드와 연동하여 에너지 효율을 높이고, 전력망 안정성에 기여해야 합

TSR(Tip Speed Ratio)는 풍력 터빈 블레이드 끝단의 선속도와 풍속의 비율을 나타내는 값으로, 풍력 터빈의 성능을 평가하는 중요한 지표입니다.

TSR의 의미

• TSR = 블레이드 끝단의 선속도 / 풍속
• 블레이드 끝단의 선속도: 블레이드가 회전하면서 끝단이 움직이는 속도
• 풍속: 풍력 터빈에 부딪히는 바람의 속도

TSR 값은 풍력 터빈의 설계 및 운전 조건에 따라 달라지며, 일반적으로 5~7 정도의 값을 가집니다. TSR 값이 너무 작으면 블레이드가 충분히 회전하지 못해 출력이 감소하고, 너무 크면 블레이드에 과도한 하중이 가해져 손상될 수 있습니다.

TSR이 풍력 터빈 성능에 미치는 영향

• TSR이 작을 때:
  • 블레이드가 풍속에 비해 느리게 회전하여 출력이 감소합니다.
  • 토크는 증가하지만, 회전수가 적어 발전량이 적습니다.
• TSR이 클 때:
  • 블레이드가 풍속에 비해 빠르게 회전하여 출력이 증가합니다.
  • 토크는 감소하지만, 회전수가 많아 발전량이 증가합니다.
  • 하지만, 블레이드에 과도한 하중이 가해져 수명이 단축될 수 있습니다.

최적의 TSR

각 풍력 터빈은 설계에 따라 최적의 TSR 값을 가지며, 이 값에서 가장 높은 효율을 얻을 수 있습니다. 최적의 TSR은 다음과 같은 요인에 따라 달라집니다.

• 블레이드 형상: 블레이드의 에어포일 형상, 면적 등에 따라 최적의 TSR이 달라집니다.
• 발전기 특성: 발전기의 종류와 특성에 따라 최적의 TSR이 달라집니다.
• 운전 조건: 풍속, 기온 등 운전 조건에 따라 최적의 TSR이 달라질 수 있습니다.

TSR 제어

풍력 터빈은 변속기와 발전기 제어를 통해 TSR을 조절하여 항상 최적의 운전 상태를 유지합니다. 풍속 변화에 따라 적절한 TSR을 유지함으로써 발전 효율을 높이고, 풍력 터빈의 수명을 연장할 수 있습니다.

• 기어드형: 신뢰성이 높고 비용이 저렴하며, 소규모 풍력발전에 적합합니다.

• 기어리스형: 효율이 높고 수명이 길지만, 비용이 높고 기술적인 난이도가 높아 대규모 풍력발전에 적합합니다.

기어드형 풍력발전설비

• 개요:
  • 발전기의 출력주파수를 계통의 상용주파수에 맞추기 위하여 로터의 회전속도를 증가시키기 위한 기어박스를 사용하는 풍력발전기이다.
• 장점:
  • 높은 신뢰성: 오랜 기간 사용되어온 기술로, 신뢰성이 높습니다.
  • 저렴한 비용: 기어리스형에 비해 제작 및 유지보수 비용이 저렴합니다.
  • 다양한 발전기 적용 가능: 다양한 종류의 발전기에 적용할 수 있습니다.
• 단점:
  • 효율 감소: 기어박스에서 마찰 손실이 발생하여 전체 시스템의 효율이 감소합니다.
  • 소음 발생: 기어박스에서 소음이 발생할 수 있습니다.
  • 수명이 짧음: 기어박스의 마모로 인해 수명이 짧을 수 있습니다.
  • 진동 발생: 기어박스에서 진동이 발생하여 시스템의 안정성을 저해할 수 있습니다.

기어리스형 풍력발전설비

• 개요:
  • 기어박스 없이 직접 구동되는 방식으로, 대용량 발전기에 주로 사용됩니다.
  • 이러한 타입은 발전기의 출력을 계통이 요구하는 대로 제어하기 위하여 발전기 후단에 전력변환장치를 설치하게 되는 운전방식이다
• 장점:
  • 높은 효율: 기어박스가 없어 마찰 손실이 적어 효율이 높습니다.
  • 긴 수명: 기어박스가 없어 수명이 길고, 유지보수 비용이 적습니다.
  • 저소음: 기어박스가 없어 소음이 적습니다.
  • 진동 감소: 기어박스가 없어 진동이 적습니다.
  • AC/DC/AC방식으로 계통연계성이 우수
• 단점:
  • 높은 제작 비용: 고가의 영구자석형 발전기가 필요하여 제작 비용이 높습니다.
  • 기술 난이도: 고속 회전하는 발전기를 제작하기 위한 기술력이 필요합니다.
  • 무게 증가: 무거운 발전기를 사용해야 하므로, 타워의 하중이 증가합니다.
  • 계통연결을 위해서 AC/DC/AC변환필요

1. 블레이드 각도 (Pitch Angle)

• 목적: 발전량 조절, 구조물 하중 경감
• 제어 요소: 풍속 변화에 따라 블레이드 각도를 조절하여 발전량을 최적화하고, 강풍 시 구조물에 가해지는 하중을 줄입니다.

2. 발전기 속도 (Rotor Speed)

• 목적: 발전 효율 극대화, 그리드 연계 안정성 확보
• 제어 요소: 발전기 속도를 일정하게 유지하여 발전 효율을 높이고, 전력 계통과의 안정적인 연계를 유지합니다.

3. 요잉 각도 (Yaw Angle)

• 목적: 풍향 추적, 발전 효율 극대화
• 제어 요소: 풍향 변화에 따라 풍력 터빈의 방향을 조절하여 항상 최대 풍량을 받아 발전 효율을 높입니다.

4. 발전기 출력

• 목적: 전력 계통 안정화, 발전량 예측
• 제어 요소: 발전기 출력을 실시간으로 모니터링하고 제어하여 전력 계통의 안정성을 유지하고, 발전량을 예측합니다.

5. 구조물 변형

• 목적: 구조물 안전성 확보
• 제어 요소: 풍하중, 파랑 등 외부 환경 요인에 의한 구조물 변형을 모니터링하고, 허용 범위를 벗어나지 않도록 제어합니다.

6. 유압 시스템 압력

• 목적: 유압 시스템 성능 유지
• 제어 요소: 유압 시스템의 압력을 일정하게 유지하여 블레이드 피칭, 요잉 등의 동작을 안정적으로 수행합니다.

7. 온도

• 목적: 장비 보호, 성능 저하 방지
• 제어 요소: 발전기, 변환기 등 주요 장비의 온도를 모니터링하고, 과열을 방지하여 장비 수명을 연장합니다.

8. 진동

• 목적: 구조물 손상 방지, 소음 감소
• 제어 요소: 진동 센서를 통해 진동을 감지하고, 필요한 경우 제어하여 구조물 손상을 방지하고 소음을 감소시킵니다.

9. 부식

• 목적: 시스템 수명 연장
• 제어 요소: 해상 환경에서의 부식을 방지하기 위해 도료, 방식 처리 등을 통해 시스템을 보호합니다.

10. 전력 품질

• 목적: 그리드 연계 안정성 확보
• 제어 요소: 전력 품질을 모니터링하고, 고조파, 불균형 등을 제거하여 안정적인 전력을 공급합니다.

풍력발전용 발전기 선정 시 고려사항

• 풍속 변동성: 풍력은 태양광과 달리 변동성이 크므로, 발전기는 넓은 범위의 풍속에서 효율적으로 작동할 수 있어야 합니다.
• 발전기 효율: 발전기의 효율은 발전량과 직결되므로, 높은 효율을 가진 발전기를 선택해야 합니다.
• 신뢰성: 해상 환경은 극한 환경이므로, 혹독한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 높은 신뢰성을 갖춘 발전기가 필요합니다.
• 유지보수 편의성: 해상 환경에서 유지보수가 어렵기 때문에, 유지보수가 간편하고 부품 수급이 용이한 발전기를 선택해야 합니다.
• 발전기 종류:
  • 유도 발전기: 구조가 간단하고 가격이 저렴하지만, 효율이 낮고 무게가 무거운 단점이 있습니다.
  • 동기 발전기: 효율이 높고 전력 품질이 우수하지만, 가격이 비싸고 복잡한 제어 시스템이 필요합니다.
  • 영구자석형 동기 발전기: 효율이 높고, 기어리스 시스템에 적합하지만, 고가의 영구자석이 필요합니다.

풍력터빈 정지장치

• 정지장치 종류:
  • 기계식 브레이크: 급격한 정지 시 사용되는 장치로, 마찰력을 이용하여 회전을 멈춥니다.
  • 유압 브레이크: 유압을 이용하여 부드럽게 정지시키는 장치입니다.
  • 전기 브레이크: 전자기력을 이용하여 정지시키는 장치입니다.
• 정지 원리:
  • 풍속 과다: 풍속이 일정 기준을 초과하면 자동으로 정지합니다.
  • 발전기 고장: 발전기 고장 시 자동으로 정지합니다.
  • 제어 시스템 고장: 제어 시스템 고장 시 자동으로 정지합니다.
  • 외부 신호: 비상 정지 버튼 등 외부 신호에 의해 수동으로 정지합니다.

풍력터빈 정지 시 고려 사항

• 안전성: 신속하고 안전하게 정지되어야 합니다.
• 신뢰성: 비상 상황에서도 정확하게 작동해야 합니다.
• 내구성: 극한 환경에서도 오랫동안 사용할 수 있어야 합니다.
• 유지보수 편의성: 정기적인 점검 및 유지보수가 용이해야 합니다.

해상풍력발전에서 생산된 전력을 육상의 전력망에 안정적으로 공급하기 위해서는 효율적인 전력계통 연계 방안이 필요합니다. 일반적으로 해상풍력발전단지 내부전력망, 해상변전소, 외부전력망의 세 가지 요소로 구성되어 있으며, 각 요소별 역할과 연계 방식에 대해 자세히 알아보겠습니다.

1. 내부전력망

• 역할: 개별 풍력터빈에서 생산된 전력을 수집하여 해상변전소로 전송하는 역할을 합니다.
• 구성: 각 풍력터빈에 설치된 변압기를 통해 전압을 조정하고, 케이블을 통해 해상변전소로 연결됩니다.
• 고려 사항:
  • 케이블 종류: 해저 환경에 적합한 내구성이 강한 해저 케이블을 사용해야 합니다.
  • 전압 레벨: 내부전력망의 전압 레벨은 해상변전소의 전압 레벨과 맞춰져야 합니다.
  • 보호 계전: 단락사고 등 비상 상황 발생 시 시스템을 보호하기 위한 보호 계전 시스템이 필요합니다.

2. 해상변전소

• 역할: 내부전력망에서 수집된 전력을 육상 전력망에 적합한 전압으로 변환하고, 전력 품질을 향상시키는 역할을 합니다.
• 구성: 변압기, 차단기, 보호 계전기 등으로 구성되며, 해상 플랫폼 위에 설치됩니다.
• 고려 사항:
  • 변압기 용량: 설치된 풍력터빈의 총 용량에 맞는 적절한 용량의 변압기를 선정해야 합니다.
  • 냉각 방식: 해상 환경에서 효과적인 냉각 방식을 적용해야 합니다.
  • 내진 설계: 지진 등 자연재해에 대비한 내진 설계가 필요합니다.

3. 외부전력망

• 역할: 해상변전소에서 변환된 전력을 육상의 전력망에 연결하여 소비자에게 공급하는 역할을 합니다.
• 구성: 해저 케이블, 육상 변전소 등으로 구성됩니다.
• 고려 사항:
  • 케이블 길이: 해상풍력단지와 육상 변전소 사이의 거리에 따라 케이블 길이가 결정됩니다.
  • 전압 레벨: 외부전력망의 전압 레벨에 맞춰 변압기를 설치해야 합니다.
  • 계통 연계: 외부전력망과의 안정적인 연계를 위한 보호 계전 시스템이 필요합니다.

해상풍력발전의 전력계통 연계 방식

해상풍력발전의 전력계통 연계 방식은 크게 다음과 같이 구분할 수 있습니다.

• HVAC (High Voltage Alternating Current): 고압 교류 방식으로, 기존 전력망과의 연계가 용이하지만, 장거리 송전 시 손실이 크고, 무효전력 보상 시스템이 필요합니다.
• HVDC (High Voltage Direct Current): 고압 직류 방식으로, 장거리 송전 시 손실이 적고, 무효전력 문제를 해결할 수 있지만, 변환 과정에서 에너지 손실이 발생하고, 시스템이 복잡합니다.

결론

해상풍력발전의 전력계통 연계는 복잡하고 다양한 요소를 고려해야 하는 시스템입니다. 최근에는 HVDC 방식이 장거리 송전, 대규모 해상풍력단지 개발 등에 유리하여 주목받고 있습니다. 하지만, 각 방식의 장단점을 종합적으로 고려하여 프로젝트 특성에 맞는 최적의 연계 방식을 선택해야 합니다.

해상풍력발전의 전력계통 연계 시 고려해야 할 주요 요소

• 기술 발전: 지속적인 기술 발전을 통해 더욱 효율적이고 안정적인 시스템을 구축해야 합니다.
• 경제성: 초기 투자 비용, 운영 유지 비용 등을 고려하여 경제적인 측면을 고려해야 합니다.
• 안정성: 시스템의 안정적인 운영을 위해 보호 계전 시스템을 구축하고, 정기적인 유지보수를 실시해야 합니다.
• 환경: 해양 환경에 미치는 영향을 최소화하고, 주변 지역과의 공존을 위한 방안을 마련해야 합니다.

풍력발전설비 구성 요소

1)기계장치부

• 풍력터빈: 바람의 힘을 받아 회전하는 날개(Blade)와 회전축(Shaft), 회전자(Routor)으로 구성되어 있으며, 바람의 에너지를 기계적인 회전 에너지로 변환합니다.
• 나셀: 풍력터빈의 핵심 부품들이 설치되는 공간으로, 발전기, 변속기, 제어 시스템 등이 포함됩니다.
• 변속기(Gearbox): 풍력터빈의 회전 속도를 발전기에 적합한 속도로 변환하는 장치입니다.
• 타워: 풍력터빈을 지지하는 높은 기둥으로, 바람이 강한 상층부에 풍력터빈을 설치하여 발전 효율을 높입니다.
• 기초: 타워를 지지하고, 하중을 지반으로 전달하는 구조물입니다.
• 기동 제동 및 운용 효율성향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System등의 제어장치부문으로 구성

2)전기장치부

• 발전기: 회전 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치입니다. 유도발전기, 동기발전기, 영구자석형 동기발전기 등이 사용됩니다.
• 전력변환장치: 발전기에서 생산된 전력을 송전망에 적합한 전압과 주파수로 변환하는 장치입니다.

3)제어장치부

• 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 ControlSystem 및 Yawing & Pitching Controller와
• 제어시스템: 풍력터빈의 모든 구성 요소를 제어하고, 발전량을 최적화하며, 비상 상황에 대응하는 시스템입니다.
• 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능하게 하는 모니터링 시스템으로 구성

비상정지 및 안정장치 검사 사항

• 비상정지 버튼: 비상 상황 발생 시 정상적으로 작동하는지 확인합니다.
• 과속 보호 장치: 풍력터빈이 과속할 경우 정확하게 작동하는지 확인합니다.
• 과부하 보호 장치: 발전기가 과부하될 경우 정확하게 작동하는지 확인합니다.
• 지락 보호 장치: 지락 발생 시 정확하게 작동하는지 확인합니다.
• 피뢰침: 낙뢰로부터 시스템을 보호하는 기능이 정상적인지 확인합니다.
• 안전 펜스: 안전 펜스가 손상되지 않았는지 확인하고, 출입구 잠금 장치가 정상적으로 작동하는지 확인합니다.
• 비상 조명: 비상 상황 발생 시 정상적으로 작동하는지 확인합니다.

전력변환장치 검사 사항

• 변압기: 절연 상태, 온도 상승, 소음, 진동 등을 점검합니다.
• 반도체 스위치: 정상적인 동작 여부를 확인하고, 열화 상태를 점검합니다.
• 냉각 시스템: 냉각 팬, 냉각수 순환 등을 점검합니다.
• 보호 계전기: 정상적인 동작 여부를 확인합니다.
• 절연 저항: 절연 상태를 점검합니다.
• 접지 저항: 접지 상태를 점검합니다.
• 고조파: 전력 품질을 저해하는 고조파 발생 여부를 점검합니다.

풍력발전시스템의 구성

풍력발전설비 구성 요소

1)기계장치부

• 풍력터빈: 바람의 힘을 받아 회전하는 날개(Blade)와 회전축(Shaft), 회전자(Routor)으로 구성되어 있으며, 바람의 에너지를 기계적인 회전 에너지로 변환합니다.
• 나셀: 풍력터빈의 핵심 부품들이 설치되는 공간으로, 발전기, 변속기, 제어 시스템 등이 포함됩니다.
• 변속기(Gearbox): 풍력터빈의 회전 속도를 발전기에 적합한 속도로 변환하는 장치입니다.
• 타워: 풍력터빈을 지지하는 높은 기둥으로, 바람이 강한 상층부에 풍력터빈을 설치하여 발전 효율을 높입니다.
• 기초: 타워를 지지하고, 하중을 지반으로 전달하는 구조물입니다.
• 기동 제동 및 운용 효율성향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System등의 제어장치부문으로 구성

2)전기장치부

• 발전기: 회전 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치입니다. 유도발전기, 동기발전기, 영구자석형 동기발전기 등이 사용됩니다.
• 전력변환장치: 발전기에서 생산된 전력을 송전망에 적합한 전압과 주파수로 변환하는 장치입니다.

3)제어장치부

• 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 ControlSystem 및 Yawing & Pitching Controller와
• 제어시스템: 풍력터빈의 모든 구성 요소를 제어하고, 발전량을 최적화하며, 비상 상황에 대응하는 시스템입니다.
• 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능하게 하는 모니터링 시스템으로 구성

풍력발전의 원리

풍력발전은 바람의 운동 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 방식입니다. 바람이 풍력터빈의 블레이드를 회전시키면, 이 회전 에너지가 축을 통해 발전기로 전달됩니다. 발전기는 회전 에너지를 전기에너지로 변환하며, 이 전기에너지는 변환 과정을 거쳐 송전망에 연결됩니다.

전력계통 연계 시 미치는 영향

• 발전량 변동성: 풍속 변화에 따라 발전량이 불규칙적으로 변동되어 전력계통의 주파수와 전압을 불안정하게 만들 수 있습니다.
• 무효전력 문제: 풍력발전은 무효전력을 많이 소비하거나 생산하여 전력계통의 전압을 불안정하게 만들 수 있습니다.
• 고조파 발생: 전력변환 과정에서 고조파가 발생하여 전력 품질을 저하시킬 수 있습니다.

전력계통 연계 시 대책

• 발전량 예측: 정확한 발전량 예측 모델을 개발하여 전력계통 운영에 활용합니다.
• 무효전력 보상: 무효전력 보상 장치를 설치하여 전력계통의 전압을 안정화시킵니다.
• 고조파 필터: 고조파 필터를 설치하여 고조파를 제거하고 전력 품질을 향상시킵니다.
• 주파수 조정 시스템: 주파수 변동을 감지하고 발전량을 조절하여 주파수를 안정화시킵니다.
• 전력저장장치: 여유 전력을 저장하여 수요가 많은 시간대에 공급하거나, 발전량이 부족할 때 보충하여 전력계통의 안정성을 확보합니다.
• 스마트 그리드: 다양한 에너지원과 소비자를 연결하는 스마트 그리드를 구축하여 전력계통의 효율성을 높입니다.

1️⃣에너지하베스팅의 개념과 흐름도

1)개념

태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 수확하여 우용한 전기에너지로 사용할 수 있도록 하는기술

3️⃣압전의 구성 및 원리

1)압전의 구성 및 원리

• 압전물질인 PMN-PT를 사용하는 에너지 하베스팅 소자가 전기 에너지를 만들어내는 원리는 아래 그림과 같다

• 기계적 에너지를 받지 않은 상태에서 PMW-PT박막에 존재하는 쌍극자 폴링에 의해 소자의 표면에 수직으로 배열되어 있다

• 소자가 인장 응력을 받아 휘어지면 소자의 변형으로 인해 PMW박막내부에 압전전위가 형성된다

• 전자는 쌍극자에 의해 만들어진 전위의 균형을 맞추기 위하여 외부 회로를 통해 흐르며 결과적으로 위쪽 전극에 쌓이게 된다

• 소자에 작용하는 응력이 사라져 다시 처음상태로 돌아가면 전하 또는 회로를 통해 처음 자리로 되돌아 간다

• 전체적으로 소자에 압력이 가해지고 제거되는 반복적인 과정으 통해 양의 전기신호와 음의 전기신호가 번갈아 생기게 된다

2)압전발전의 흐름도

• 외부의 기계 에너지를 압전재료에 전달

• 전달된 기계적 에너지를 압전재료를 이용하여 전기에너지로 변환

• 변환된 에너지를 전기적인 회로를 통하여 수퍼 캐퍼시터나 2차전지에 축적

4️⃣압전효과

• 어느 물질에 일정한 압력을 가했을 때 전류가 생기는 현상

• 어릴 때 신었던 걸을 때 마다 불빛이 나는신발

• 우리가 걸어다니거나 자동차 지나갈 때 누르는 압력이 전기에너지가 될 수 있다는 원리가 압전효과

5️⃣기술동향