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태양광발전 시스템 설계
1. 태양광 시스템 설계 순서
PV 시스템은 다양한 장소에 설치할 수 있기 때문에 설치 장소에 따른 설계를 해야 한다. 설계에 있어서 먼저 태양전지의 발전량을 어림잡는 일이 필요하다. 그 다음으로 구체적인 시스템 설계를 해 설치가능성을 판단하고, 시공상의 문제점 등을 확인한다(<그림 1> 참조).
여기서는 먼저 표준적인 형태를 설명하고, 이어 구체적인 사례에 대응하는 경우의 산출 방법을 제시한다.
⑴ 정격 출력과 설치 면적
태양광전지 모듈에는 장당 출력(공칭 최대 출력)과 사이즈가 있다. 배치 계획에서의 모듈 합계 장수에 장당 출력과 사이즈를 곱하면 태양전지 어레이를 평평하게 놓았을 때의 출력과 면적을 구할 수 있다. 여기에서는 간단히 산출하기 위해 다음의 두 가지 방법을 소개한다.
⒜ 태양에너지로부터 산출하는 방법
태양광은 1㎡당 1㎾에 해당하는 에너지를 가지고 있으며, 시스템의 종합 변환효율을 10%로 하면 정격 출력은 1㎾×10%=100W가 된다.
따라서 10㎡의 태양전지의 경우, 1㎾의 정격 출력을 생각할 수 있다.
⒝ 태양전지의 표준 단위 면적당 출력을 상정해 산출하는 방법
개산(槪算)에 의해 필요 출력을 10배로 하면 태양전지 설치의 필요 면적을 구할 수 있으며, 태양전지 면적의 1/10이 정격 출력이 된다.
⑵ 연간 예상 발전량 개산 산출
연간 발전량의 개산 산출법으로 다음의 두 가지 방법이 있다.
⒜ 일사량으로부터 산출하는 방법
시스템의 연간 예상 발전량(㎾h/년)은 다음 식으로 계산할 수 있다. 단, 실제 일사량은 평년치와는 다른 것도 있으며, 설치 환경(그림자 등의 영향)이나 채용하는 기기에 따라 종합 설계 계수(손실 계수)가 달라지는 등의 요인이 있기 때문에 예상 발전량은 어디까지나 기준일 뿐이다.
⒝ 시스템 이용률에 의한 산출 방법
시스템의 연간 예상 발전량(㎾h/년)은 다음 식으로 계산할 수 있다.
이상의 계산 결과로부터 어떤 장소에서의 발전량은 '태양광 어레이 출력의 약 1,000배가 연간 발전량이 된다'고 기억해 두면 암산으로 산출이 가능하다. 단, 발전량은 장소, 계절, 연(곐), 설치 조건 등에 의해 변동되므로 평균치는 개산용의 참고 정도로만 인식해 둘 필요가 있다.
2. 태양광 발전 시스템 전기 설계
PV 시스템의 전기 설계에서는 전기설비의 기술기준 해석 및 계통연계 규정과의 적합을 도모하고 태양전지 어레이의 구성, 파워컨디셔너와 접속함 선정, 계통연계 보호 장치 선정, 시스템 간의 전기적 접속방식을 결정한다.
⑴ 전기방식 결정
전압은 구내 저압 배전선의 전압에 맞춰 통상적으로 삼상 200V가 된다. 전등회로에 연계하는 경우에는 단상 200/100V 연계가 된다.
⑵ 계통연계 보호 장치 결정
계통연계의 전압 구분은 수전점의 전압으로 결정되며, 6,600V 수전의 경우에는 고압연계가 된다.
고압연계의 경우에는 저압연계에서 필요한 과전압 계전기(OVR) · 부족전압 계전기(UVR) · 주파수 상승 계전기(OFR) · 주파수 저하 계전기(UFR) · 단독 운전 검출기 이외에 계통 단락 사고보호를 위한 지락 과전압 계전기(OVGR)를 고압측에 설치한다.
그러나 전력회사와의 협의를 통해 요건을 만족시키면 설치를 생략할 수 있는 경우도 있다. 이를 간주저압 적용이라고 한다.
⑶ 태양전지의 회로 구성
설치 장소가 결정되면 태양전지 모듈의 배치와 전기적인 접속 설계를 행한다. 현재 일본에서 실용화되어 있는 PCS는 직류 입력전압이 300V인 것이 많기 때문에 태양전지 모듈의 정격전압이 약 300V가 되도록 한다.
단, 모듈 배열이나 모듈 간 배선의 용이함, 그늘의 영향이 최소한이 되도록 하는 모듈 간 배선 방법 등도 고려해 직병렬 장수를 결정한다.
⑷ 파워컨디셔너 선정
파워컨디셔너는 태양광발전 시스템 구성의 중요한 전자기기로, 충분한 검토 후 사용하기 편한 기기를 선정할 필요가 있다. 선정하는 데 있어 체크 항목은 다음과 같다.
전기적으로는 태양전지의 전압 변동 범위와 파워컨디셔너의 최대 전력 추종 제어 범위를 포함한 직류 입력 범위의 정합성을 확인할 필요가 있다. 또한 태양전지의 개방전압이 파워컨디셔너의 최대입력전압을 넘지 않는지도 확인한다. 최근에는 10㎾ 단위의 유닛 인버터가 많이 사용되고 있다. 유닛 인버터를 사용한 시스템은 <그림 2>와 같은 방식이 있다.
⑸ 계통연계 보호 장치 설계
지락 과전압 계전기(OVGR)를 제외하고는 파워컨디셔너 내에 계통연계 보호 장치를 내장하고 있는 것이 많다. 지락 과전압 계전기(OVGR)는 고압수전 설비 내에 검출용인 영상전압 검출기(ZPD)를 설치할 필요가 있기 때문에 설치 공간 확보 및 파워컨디셔너와 수전 설비 사이의 배선을 실행할 수 있도록 해야 한다.
3. 어레이용 가대 설계
태양전지 어레이를 지상에 설치할 경우나 건물 옥상, 지붕부 등과 같이 위에 설치하는 경우의 설계 방법에 대해 논한다. 설계를 함에 있어 사전조사를 통해 설계 조건을 충분히 정리한다. 그 다음에 태양전지 어레이 설계, 가대 설계를 한다. <그림 3>은 가대의 설계 순서를 나타낸 것이다.
설계를 할 때 먼저 사전조사를 충분히 한 뒤 그 결과로부터 설계 조건을 추출해 설계 내용에 반영시킨다. 시스템 설계 순서를 정리하면 다음과 같다.
설계 시의 요점은 다음과 같다.
⑴ 사전조사
⒜ 조건 등의 조사
· 건축제한, 옆집이나지역주민사이의일조권등
⒝ 환경 조건
· 수광(受光) 장해 유무
· 염해, 공해 유무
· 겨울철 적설, 결빙, 뇌해 대책
· 과거 자연재해의 피해 정도 확인
⒞ 설치 조건 조사
· 설치 예정 장소 조사(지상 설치, 건물에 설치 등)
· 건물의 내하중 조사
· 자재 반입 경로
⑵설계조건추출
⒜ 태양전지 어레이의 방위각과 경사도
· 태양전지를 설치하는 방위에 따라 발전량이 변한다. 정남쪽을 100%라고 할 경우 정동 · 정서쪽은 84%, 정북쪽은 63%의 발전량을 얻을 수 있다(도쿄, 경사각 30도의 경우).
· 태양전지를 설치할 경사각도는 경사도 30도에서 일사량 100%에 대해 경사각 0도일 때에는 약 89% 정도가 된다(도쿄, 방위 정남쪽).
⒝ 태양전지 어레이용 가대
① 가대 재질
· 환경 조건과 설계 내용연수(耐用곐겤)에 따라 선택 · 결정한다.
② 가대 강도
· 자중(自重)에 풍압력을 가미한 하중을 견뎌야 한다.
· 상정하중은 고정하중 · 풍압하중 · 적설하중 · 지진하중이 있다.
일본의 설계 표준으로 어레이용 지지물의 설계 기준은 '태양전지 어레이용 지지물 설계 기준(JISC8955-2004)'이 있다.
③ 가대 내용연수
· 내용연수를 몇 년으로 설정할지, 유지보수는 어느 정도 실시할지 등에 따라 재질을 선택한다.
⒞ 가대 고정용 기초
· 지상 설치의 경우 기초는 지내력(地耐力)을 조사해 지진에도 견딜 수 있도록 콘크리트 푸팅(Footing) 혹은 전체 기초를 해 충분한 강도를 확보한다.
· 옥상 설치의 경우에는 방수층 상황에 따르지만 가능하면 콘크리트 매립 L형 앵커볼트가 바람직하다.
4. 어레이용 기초부 설계
태양전지 어레이의 기초에 작용하는 하중으로 가장 먼저 생각할 수 있는 것이 풍하중이다. 또한 어레이 자체도 바람을 맞는 면적이 큰 구조물이기 때문에, 강풍이 불어 미끄러지거나 쓰러지거나 날아가 버리는 일이 있을 수 있어 충분한 검토가 필요하다.
기초 구조 선정은 지상 설치 경우와 평지붕 설치경우를 들어 설명한다.
⑴지상설치경우
어레이 주위에 바람을 막을 만한 것이 없을 때는 구조는 간단하면서 동시에 튼튼한 구조물, 시공은 저렴한 가격으로 손에 넣기 쉬운 재료를 이용해 할 수 있는 공법으로서 보통 직접 기초 방식이 자주 채용된다.
⑵ 평지붕 설치 경우
옥상 설치를 전제로 생각하면 일반적인 기초는 <그림 5>와 같이 된다.
⒜ 신축 건물에서의 설치
콘크리트 기초를 옥상 슬래브에서 일체적으로 세우고 사전에 박아둔 앵커볼트에 가대 철골을 설치할 수 있다. 이 경우에는 고정도 견고하며, 방수층이 기초와 상관이 없기 때문에 기초 및 가대 등의 하중이 방수층에 걸리지 않고 개수(改修)도 비교적 용이하다. 특히 대형 가대, 키가 큰 가대 등에 바람직하다.
⒝ 기존 건물에서의 설치
특별한 경우를 제외하고(예를 들어 방수층의 개수) 방수층을 파손해 옥상 슬래브에서 기초를 세우는 일은 어렵기 때문에, 방수 보호 콘크리트 위에 콘크리트 기초를 설치하고 콘크리트 블록 등을 고정해 기초로 하는 방법이 행해지고 있다. 기초 고정 방법은 신축과 같이 일체적인 시공이 불가능하기 때문에 케미컬앵커나 콘크리트의 부착력을 이용해 필요에 따라서 주위 벽이나 고정 가능한 장소에 설치보강을 한다.
태양광발전 시스템 시공
설치 시공은 크게 어레이 기초 공사, 가대 공사, 고정 공사와 파워컨디셔너의 기초 · 고정 공사, 배선 공사와 검사로 나뉜다(<그림 6> 참조). 또한 강철제 가대, 금속제 외함이나 금속제 배관 등은 누전에 따른 사고 방지를 위해 접지 공사가 필요하다. 공사 시에는 감전 방지 대책을 실행, 실시한다.
1. 시공 시 주의사항
'일본 전기설비기술기준'과 이 부령(部令)을 만족하는 기술 요건인 '전기설비의 기술기준 해석에 관해'에 준하지 않으면 안 된다.
마무리
태양광발전 시스템의 설계 순서를 주로 정리해 봤다. 기본적인 형태는 기존과 비교해 특별히 바뀌지 않았다. 그러나 발전을 계속해 온 태양광발전 시스템은 현재 신형 태양전지 모듈의 등장과 각 기기의 기능이나 효율 향상 및 비용 저감이 이루어지고 있다. 또한 대규모 시스템 도입에 대해서도 일본의 독립행정법인 신에너지 · 산업기술종합개발기구(NEDO)에 의해 실증 시험이 이루어지고 있어 지금의 여러 문제 등이 해결될 것으로 보인다. 그러나 시공성 관점에서 보면 현재는 패널 사이즈 및 외형구조가 제조사마다 통일되어 있지 않은 문제점이 있다. 외형 치수 및 패널 구조의 표준화 · 규격화를 도모한다면 설계의 간편화 및 시공 방법의 표준화로 부터도 비용을 저감할 수 있을 것이다. 각 기기의 능력 향상 개발 및 시공 면에서의 비용 절감을 비롯해 각종 문제를 해결하고, 친환경 에너지인 태양광에너지를 누구라도 마음 편히 사용할 수 있도록 태양광발전 시스템의 보급이 촉진되길 바란다.
<Energy News>
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