[신재생에너지 기술 현황과 전망] 산업용 태양광발전 시스템 설계·시공 방법 - 일본편

개요

태양전지는 발전할 때 이산화탄소 등 온실가스를 배출하지 않는 재생 가능 에너지로서 가장 우수한 특성을 가지며, 이러한 태양전지 시스템은 여러 용도 및 장소에서 사용되고 있다. 일본에서의 태양전지 도입 현황은 약 2GW로, 이는 원자력발전소 2기분에 해당하지만, 실제 발전량은 발전을 하지 않는 비 오는 날이나 밤 시간대 등을 고려하면 0.5기분 정도이다. 2010년까지 태양광발전 482만㎾를 도입하겠다는 일본의 목표를 달성하기 위해서는 일반 가정용 소규모 시스템과 함께, 산업 분야 및 공공시설 등에 설치되는 중 · 대규모 태양광발전 시스템 역시 중요한 도입 영역 중 하나이다. 그러나 일반 가정용 소규모 시스템과 비교하면 여전히 도입량이 적어 앞으로 산업 분야 등으로의 도입 확대가 필요
하다. 또한 지구온난화 대책이 시급한 지금, 에너지 대책과 병행해 태양광발전을 비롯한 신(新)에너지의 적극적인 도입이 중요하다. 따라서 중 · 대규모 태양광발전 시스템인 산업용 태양광발전 시스템 도입에 있어서 태양광발전 시스템의 개요 및 종류에 대해, 그리고 시스템을 구성하는 기기, 시스템을 설계 · 시공할 때의 개요에 대해 서술한다.

태양광발전 시스템이란

1. 태양광발전 시스템 개요
태양광발전 시스템(이하 Photovoltaic Power Generating System으로부터 약칭해 PV 시스템이라고 함)을 구성하는 기기로는 태양전지 어레이(태양전지 모듈 · 태양전지 가대 포함) · 파워컨디셔너 · 접속함 등이 있으며, 수요 측 설비는 수변전 설비 · 분전반(연계점) 등으로 구성된다(<그림 1> 참조). 또한 설치할 건물에 따라 주택용 시스템과 공공 · 산업용 시스템으로 크게 나눌 수 있다.
시스템 형태는 그 구성 및 부하 종류 등에 따라 <그림 2>와 같은 시스템으로 분류된다. 먼저 계통연계형과 독립형으로 크게 나눌 수 있으며, 또한 부하의 형태(직류 · 교류)나 축전지 유무 등에 따라 분류된다. PV 시스템을 도입할 때에는 그 용도에 따라 적합한 시스템을 선택하게 된다. 여기서는 시스템 별로 설명한다.

⑴ 계통연계형 시스템
역조류가 있는 시스템과 역조류가 없는 시스템 두개로 나눌 수 있다(<그림 3> 참조). 또한 PV 시스템을 연계하는 전력계통의 전압 구분에 따라 설치할 보호 장치 등의 연계 요건을 정하고 있기 때문에, 수전점의 전압에 따라 저압연계 · 고압연계 등으로 분류한다.

⒜ 역조류가 있는 시스템
태양전지 출력이 구내 수요에 대해 부족할 경우에는 부족한 만큼 전력회사의 배전선으로부터 흘러들어오고, 역으로 태양전지의 출력에 잉여가 나면 전력회사의 배전선으로 역조류해 판매를 할 수도 있다.
또한 정전 시 비상용부하(방송설비, 비상용조명등)에 전력을 공급하는 축전지를 탑재한 시스템도 있다.
⒝ 역조류가 없는 시스템
구내의 전력 수요가 항상 PV 시스템 출력보다 크며, 역조류 전력을 발생시킬 가능성이 없는 경우에 채용된다. 이 시스템에서는 전력회사의 배전선으로 PV 시스템의 잉여전력을 역조류시키는 일이 인정되지 않으므로, 역방향의 전류가 조금이라도 발생한 경우 PV 시스템 출력을 떨어뜨리든지 운전을 정지하든지 하는 기능이 필요하다.

⑵ 독립형 시스템
전력회사의 배전선과 연계하지 않는 시스템이다. 일반적인 구성은 <그림 4>와 같다.
야간이나 우천 시와 같이 발전을 기대할 수 없는 경우를 대비해 축전지를 접속해 전력을 비축해 둘 필요가 있다. 이 시스템은 전력회사의 배전선으로 부터 멀리 떨어진 산악지역이나 섬 등에서 주로 사용되고 있다. 수십 W~수십㎾의 시스템까지 다양한 시스템이 실용화 되고 있다.

2. 시스템 구내 기기
⑴ 태양전지 모듈(이하 모듈이라고 함)
⒜ 종류
① 사용 재료에 따른 분류
ⓐ 실리콘계
· 결정계(단결정 실리콘, 다결정 실리콘), 비결정계(아모르퍼스 실리콘)
ⓑ 화합물 반도체계
· 결정계(단결정 화합물 반도체, 다결정 화합물 반도체)
② 설치 부위 · 설치 방식에 따른 분류
ⓐ 지붕에 설치
· 지붕 설치형 : 지붕재 위에 가대를 설치해 그 위에 태양전지를 설치한 것
· 지붕 건재형 : 태양전지가 지붕재로서 기능하는 것
ⓑ 벽에 설치
· 벽 설치형 : 벽에 가대(지지금물)를 설치해 그 위에 설치한 것
· 벽 건재형 : 태양전지가 벽재로서 기능하는 것
ⓒ 창에 설치
· 창재형 : 창문 유리로서의 기능을 하는 것
· 천장(Top Light)형 : 건물 상부의 채광용 창문부에 설치되는 것
ⓓ 그 외
· 차양형 : 창문 상부 등 건물 외부에 지지금물(가대)을 마련해 태양전지를 설치하며 차양 기능을 갖춘 것
· 루버(Louver)형 : 개구부의 블라인드 기능을 갖춘 것
· 기념물(Monument) 외
⒝ 능력
모듈의 변환효율은,

이다.
단결정 모듈은 표면 온도가 높아지면 출력은 저하하는 부(負)의 온도 특성을 가진다. 빛을 받는 모듈의 표면 온도는 바깥 기온과 비교해 맑은 날씨일 때는 20~40℃ 정도 높아지기 때문에 기준 상태에서의 출력과 비교해 저하한다.
아모르퍼스 태양전지는 초기 열화에 따른 변환효율의 저하가 보이지만, 온도 상승에 따른 변환효율저감은 결정계 태양전지와 비교해 상당히 적다.
⒞ 구조
모듈의 구조를 <그림 5>에 나타냈다. 많은 모듈은 내후성(耐候性)에 우수한 충진재 ⑤로 싸여진 태양전지 셀 ①을 수광면(受光面)의 정면(Front) 커버 ②와 내후성 필름 뒷면의 후면(Back) 커버 ⑥ 사이에 끼운 구조로 되어 있다.
모듈의 형상은 장방형이나 정방형에 가까운 것 등 사각형이다. 출력은 셀의 종류나 제조사 등에 따라 다르며, 최근에는 점점 대형화 되고 있다.

⑵ 태양전지 어레이
태양전지 모듈을 짜 맞춰 지붕이나 지상에 설치한 태양전지 전체를 말한다. <그림6>에 태양전지 셀, 태양전지 모듈, 태양전지 어레이의 관계를 나타냈다.
태양전지 어레이를 구성하기 위해서는 태양전지모듈을 집합하고 지붕 등에 견고하게 고정하기 위한 금속제 가대가 이용된다.
PV 시스템 용량은 표준 태양전지 어레이 출력(태양전지 모듈의 최대출력 합계)으로 나타낸다.

⑶ 태양전지 어레이의 전기적 구성
태양전지 어레이의 전기적인 회로 구성은 <그림 7>과 같다. 태양전지 모듈의 집합체인 스트링(String), 역류 방지 소자, 바이패스(Bypass) 소자, 접속함 등으로 구성되어 있다. 여기서 스트링이란 태양전지 어레이가 소정의 출력전압을 만족하도록 태양전지 모듈을 직렬로 접속한 하나의 회로를 말한다. 각 스트링은 역류 방지 소자를 사이에 두고 병렬 접속한다.

⑷ 파워컨디셔너(PCS)
파워컨디셔너란 직류를 교류로 변환하는 인버터와 사고 등의 경우에 계통을 보호하는 계통연계 보호 장치로 구성되어 있다.

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파워컨디셔너 기능은 태양전지에서 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환해 교류계통에 접속된 부하 설비에 전력을 공급하는 동시에 잉여전력을 계통에 역조류하는 장치다.
기본적으로 파워컨디셔너와 연계하는 계통의 전기방식을 일치시킨다. 이 방식에는 단상 2선, 단상 3선, 삼상 3선(△ 및 Y 결선)식 등이 있으며, 파워컨디셔너도 단상용과 삼상용으로 구별되는 것이 일반적이다.
파워컨디셔너의 회로방식은 크게 나눠 다음의 세종류가 있다(<그림 8> 참조).

변압기 절연방식은 변압기를 이용해 상용전원과의 사이의 절연과 전압 변환을 행한다. 無변압기 방식은 상용전원과의 사이가 비절연이 된다. 또한 상용주파 변압기 절연방식 이외에는 직류전류 유출 검출 기능을 마련해 안전성을 높였다.

⑸ 접속함
접속함은 여러 개의 태양전지 모듈의 접속을 정연하게 하며, 보수 · 점검 시 회로를 분리해 점검 작업을 용이하게 한다. <그림 9>는 회로 결선도의 예이다.