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[신재생에너지 - 태양광 ②] 태양광 발전 시스템의 자립 운전
2012년 3월 20일 (화) 12:25:19 |   지면 발행 ( 2012년 2월호 - 전체 보기 )



'태양광 발전 시스템'하면 태양광을 이용해 전력을 생산한다는 정의가 먼저 머릿속에 떠오르고, 시스템을 설치함으로써 얻을 수 있는 전기요금 절약이니 남는 전력 판매니 하는 이익이 그 뒤를 이을지 모른다. 그동안 환경 친화적 요소와 경제적 이익을 앞세워 태양광 발전 시스템 알리기에 주력해 온 탓에 설치만큼이나 중요한 운용과 보수는 뒷전이었다. 그러다 보니 설치는 했는데 어떻게 운용하고 관리해야 할지 몰라 결국 무용지물로 전락한 사례도 적지 않다. 이러한 사정은 이웃나라 일본도 마찬가진가 보다. 지난해 일본 동북부 지역에서 대지진이 발생했을 당시, 자립 운전 기능을 갖춘 태양광 발전 시스템을 소유하고도 그러한 기능이 있는지조차 몰라 비상 전원으로 활용하지 못한 사례가 보고됐다. 태양광 발전 시스템의 보급은 점차 확대될 것이다. 시스템을 얼마나 많이 설치했느냐가 아닌, 설치한 시스템을 얼마나 잘 운용하는지에도 관심이 필요하다.

태양광 발전 시스템은 태양광을 에너지원으로 하는 재생 가능한 에너지를 이용한 전원이자, 발전 시 전력 이외의 것은 생성하지 않는 클린에너지로, 일본은 국가와 지자체가 주택용에 도입보조를 추진 중이다. 국가 도입 보조(주택용 태양광발전 도입 지원 대책 보조 사업)의 교부 상황을 보면, 보조금 신청 접수를 토대로 2008년 1월부터 2011년 5월까지 주택용 태양광 발전 시스템을 약 39만 2천 건 도입했다(<그림 1> 참조).
주택용 태양광 발전 시스템엔 대체로 출력 4㎾ 정도의 파워 컨디셔너(이하 PCS)를 설치한다. <그림 2>에서 보듯이 2009년 주택용으로 출하한 PCS 중 약 99%가 자립 운전 기능을 갖춘 것으로, 재해 시 비상 전원으로도 사용할 수 있다.
그러나 지난해 일본 동북부 지역에서 대지진이 발생했을 때 태양광 발전 시스템을 설치한 소유자 대부분이 자립 운전 기능이 있는지 몰랐으며, 기능 자체는 알아도 사용법을 모르는 경우도 있었다. 본고는 이러한 사태를 대비해 태양광 발전 시스템의 기본 기능부터 자립 운전으로 이행하는 법, 사용 시 주의사항을 기술한다.

태양광 발전 시스템의 구성
태양광 발전 시스템은 <그림 3>과 같이 태양전지어레이(모듈)에서 빛을 받아 직류 전력을 발생시킨다. 직류 전력은 케이블 · 접속함을 통과해 PCS에서 교류 전력으로 전환하며, 이러한 과정을 거쳐 일반 가정에서 사용하는 전력이 된다.
시스템 형태는 크게 계통 연계형 시스템과 독립형 시스템으로 분류한다.

계통 연계형 시스템 | 계통 연계형 시스템이란 일반 상용 계통에 접속해 전력 판매도 가능한 시스템이다. 일반적으로 '상용 계통에서 공급 받는 전력'과 '태양광 발전 시스템으로 생산한 전력'으로 소비 전력을 충당하며, ' 태양광 발전 시스템으로 생산한 전력'이 소비 전력을 웃돌 경우 전력 판매용 전력량계를 통해 전력을 판매한다. 이를 계통 연계라고 한다.
일본은 국가 정책상 전력 판매 가격이 전력 구매 가격보다 비싸기에, 비용 측면에서 유리한 계통 연계형 주택용 태양광 발전 시스템이 주류를 차지한다. 한편, 계통 연계형 시스템은 상용 계통의 접속을 끊고 태양광 발전 시스템으로만 발전 운전할 수 있다. 이를 자립 운전이라고 한다.
독립형 시스템 | 독립형 시스템이란 일반 상용 계통에 접속하지 않고 '태양광 발전 시스템으로 생산한 전력'만을 이용하는 시스템이다. 독립형으로 시스템을 설치할 경우, 소비 전력을 초과해 전력을 생산하더라도 판매는 불가능하다. 이 때문에 일반 가정이 아닌, 상용 계통과 접속하기 힘든 곳이나 소량의 부하가 거의 일정한 가로등 등에 주로 사용한다. 태양광 발전 특성상 햇빛이 없는 시간대에 전력을 생산하기란 어려우므로, 가로등과 같이 밤에 전력이 필요한 곳엔 축전지를 별도로 설치한다.

자립 운전을 하기 전 주의사항
자립 운전으로 이행할 때 미리 확인해야 할 사항으로 '이행 방법 확인'과 '안전 확인'이 있다.

이행 방법 확인 | 계통 연계형 시스템에 이용하는 PCS는 평상시 <그림 4>와 같이 계통에 접속하며, 콘센트는 사용할 수 없다. 그러나 상용 계통이 어떤 장애로 말미암아 정전 상태에 빠지면 '단독 운전 검출 기능'에 의해 자동으로 운전을 정지한다. 이는 정전 상태에 있는 상용 계통으로 태양광 발전 시스템에서 생산한 전력이 공급돼 상용 계통 쪽 손상을 확대시키거나 점검 작업원이 감전되는 사고를 막기위해 규정한 기능이다. 보통 단독 운전 검출 기능이 동작하면 PCS는 정지하고 전혀 발전하지 않는다. 이 상태에서 태양광 발전 시스템을 자립 운전(<그림 5> 참조)으로 이행하는 방법은 각 제조사마다 다르긴 하나, 대체로 PCS 설정 변경으로 이뤄지기에 PCS의 제품 매뉴얼이나 각 제조사 홈페이지를 확인한다. 한편, 이러한 작업을 모두 자동으로 하는 PCS도 있다.

안전 확인 | 일반적으로 정전 시엔 설정 변경만으로 안전하게 자립 운전을 이용할 수 있다. 그러나 일본 동북부 지역 대지진 때처럼 가옥에 피해를 입은 경우라면 태양광 발전 시스템 자체에도 피해가 있을 수 있어 자립 운전으로 이행하기 전 안전을 확인해야 한다. 그중에서도 일반 가정에서 태양광 발전 시스템을 소유한 자가 확인할 수 있는 범위로 다음 네가지가 있다. 특히 지붕 위 모듈이 파손되지 않았다고 해서 다 안전한 것은 아니므로 주의해야 한다.

① 태양광 발전 시스템의 전류 차단기가 OFF로 돼 있을 것(배선 손상이나 단락 등으로 말미암은 화재).
② 태양전지 모듈이 파손되지 않았을 것(직류 누전).
③ PCS 파손이나 수몰 혹은 그 흔적이 없을 것(누전, 발열, 쇼트로 말미암은 기기 파손).
④ 배선에 단선이나 빠짐, 흔들림이 없을 것(배선 손상이나 단락 등으로 말미암은 화재).
※ ( ) 안은 점검으로 피할 수 있는 위험.

<그림 5>에서 분전반과 상용 계통 사이가 개방돼있으나, 상황에 따라서 접속된 채로 있을 때도 있다. 가옥에 큰 피해가 있었다면 집 안에도 ①과 같은 배선 손상이 의심되므로 가능하면 개방하는 것이 좋다. 이러한 확인을 거쳐 자립 운전으로 이행하면 큰 위험을 피할 수 있다.
비상용 전원 역할이 끝나면 시공한 회사와 제조사에 유지 보수를 의뢰한다. 유지 보수의 도급을 맡은 회사는 ▲시스템의 접지 저항 확인 ▲접속함의 절연 저항 확인 ▲개방 전압 확인 ▲보호 계전기 확인 ▲PCS의 운전 · 발전 확인 등을 하기에 이차 위험 요소를 제거하고 정상적인 발전량을 기대할 수 있다.

자립 운전 시 주의사항
자립 운전을 시작해 가전제품 등을 동작시키려면 PCS에 속한 콘센트를 이용한다. 옥내용 PCS의 경우 본체 옆에 있는 콘센트에서 전기를 얻을 수 있다.
옥외용 PCS는 시공할 때 설명한 장소에 콘센트가 배치돼 있다. 모든 제품에서 콘센트가 동일한 위치에 있는 것은 아니기에 불명확할 때는 시공한 회사에 연락해 확인한다. 콘센트에 접속해 얻을 수 있는 전력은 최대 1500W(AC 100V, 15A)다. 대부분의 PCS는 삽입구(플러그)가 있을 뿐이어서 가전제품을 사용할 때 연장케이블 등이 있으면 한결 접속하기 쉽다.
사용 기기에 관한 주의 | 태양광 발전 시스템은 자연에너지를 이용해 발전하는 시스템이어서 꼭 최대 전력을 얻는다는 보장은 없다. 따라서 발전 시스템 1대로는 전력을 많이 소비하는 기기(에어컨, 전자레인지, 드라이어 등)가 원활히 동작하지 않을 수도 있다. 특히 에어컨은 기동할 때 대용량의 전류가 필요해 제대로 기동하지 않는 것이 많다. 또한, 태양전지 모듈에 그림자가 생기면 발전 전력이 줄기에, 전력 변동에 약한 정밀 기기나 순간 정전 등에 약한 기기(데스크톱 컴퓨터 등)에 사용하면 고장 원인이 되므로 사용하지 않는 것이 좋다.
정전 복구 후 대응 | 자립 운전 시엔 태양광 발전 시스템의 전류 차단기를 끊으므로, 상용 계통이 본래의 전력 공급을 재개한다 해도 자동으로 계통에 재접속하는 일은 없다. 재접속하려면 태양광 발전 시스템의 전류 차단기를 다시 작동시켜 자립 운전 상태에서 연계 운전 상태로 돌려야 한다. 보통 전류 차단기를 다시 작동시키는 것만으로 상용 계통 상태를 감지해, 순간적으로 계통에 전력을 흘리지 않도록 수 분(300초 정도)의 시간을 두고 자동으로 계통에 접속한다. 재접속을 하지 않은 채 사용하면 독립형 시스템과 같은 상태로 전력을 판매할 수 없기에 계통 연계형 시스템이 지닌 이점이 사라진다.
몇 가지 제약이 있긴 하지만 올바르게 사용한다면 태양광 발전 시스템이 생산한 전력으로 다양한 기기를 이용할 수 있다. 여기에 밤 시간대나 에어컨 가동 등에도 편리하게 사용하길 원한다면 축전지나 충전 컨트롤러가 있어야 한다. 단, 계통 연계형 시스템에 축전지를 설치하면, 전력 판매 가격이 떨어지고 축전지 보수도 해야 하는 등의 단점이 있기에 충분히 검토하고 결정한다. 특히 PCS나 축전지는 태양전지 모듈보다 수명이 짧기에 교환 비용까지 고려해야 한다.

*

보조금 도입과 전력 거래 제도, 연료전지 · 가스엔진을 병용한 이중 발전 등과 같은 정책에 힘입어 태양광 발전 시스템은 급속히 보급되고 있다. 그러나 전기요금 절약이나 환경 친화적 이미지가 강하다 보니 보수나 운용 면에서 잘 모르는 부분도 많다.
공급해야 할 연료가 없기에 자주 잊어버리지만 태양광 발전 시스템도 엄연한 발전기다. 따라서 제조사와 전력회사뿐 아니라 법적으로도 책임이 있는 시스템 소유자 역시 운용 방법을 알아야 한다.

정리 전화영 기자

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