태양광 발전 시스템의 보급이 증가하며 시스템 전체의 성능 향상이 중요 과제로 떠올랐다. 특히 교류 전압 변환을 통해 각 전기 제품에 전력 공급을 안정화 시키는 파워 컨디셔너(전력 조절 장치)는 태양 발전 시스템의 필수 주변기기로 평가받으며 시스템 성능 향상의 핵심 경쟁력으로 주목받고 있다. 이에 파워 컨디셔너의 최신 동향을 소개한다.
번역·정리유미희 기자
파워 컨디셔너 증가 예상
파워 컨디셔너의 출하 대수도 태양 전지 패널과 비슷한 추이를 보이고 있다. 일본 전기 공업회가 발표한 2010년도 파워 컨디셔너 총 출하 대수는 전년 대비 48.3% 증가한 25만 6315대로 수요가 확대됐다(<그림 1> 참조). 주택용 출하는 동 42.1% 증가한 23만 3304대, 국내 비주택용 출하는 동 52.4% 증가한 7527대로 각각 순조롭게 출하 대수를 늘렸다.
또한 일본뿐 아니라 해외에서도 태양 전지 파워 컨디셔너는 크게 증가하고 있다. 한편 2010년 파워 컨디셔너 출하 대수도 전년 대비 4.2배인 1만 5000대를 넘었다. 태양광 발전 시스템을 가동시키는데 좋은 기상 조건을 가진 미국과 인도 및 정책 도입을 추진하고 있는 중국 등의 영향으로 출하도 증가할 전망이다.
특히 2011년과 2012년에는 대규모로 주택용 태양광 시장이 성장해 신재생에너지 발전 분야 시장 전체의 견인 역할을 할 것으로 본다. 이에 파워 컨디셔너에 신규 참가를 표명하는 업체와 해외 업체의 진출도 예상돼 점유율 경쟁의 격화는 필연이 될 것이다.
비주택에 태양광 발전 도입 확대
발전 사업에 참가하는 기업의 움직임도 활발하다. 이 중 편의점을 이용한 태양광 발전 도입을 확대하고 있다. 세븐 일레븐을 운영하는 세븐&아이 홀딩스는 3월 말까지 7000개 점포에 태양광 발전 시스템을 도입한다. 전 점포에 설치해 메가 솔라 수준의 전력 창출을 계획하고 있다. 발전한 전력은 매장 운영에 사용되는 한편, 잉여 전력은 매전 될 예정이다.
로손도 지난해 말 시점에서 약 420개 점포에 태양광 발전 시스템을 설치했으며 도입 점포를 꾸준히 늘리고 있다. 태양 전지 발전 시스템 시설이 갖춰지면 발전과 매전이 가능하므로, 향후 개인 주택뿐 아니라 관광지 및 공단, 학교 등의 공공 산업 시설, 공장 등 도입이 예상된다.
파워 컨디셔너 역할
도입 진행 시 태양광 발전 시스템에서 시스템을 구성하는 중요한 기기가 파워 컨디셔너다. 태양 전지 패널에서 발전된 전기는 직류이므로 일반 가정 및 사무실 등에는 사용할 수 없다. 이에 100~200V의 교류 전압으로 변환하는 것이 파워 컨디셔너의 역할이며, 각 전기 제품에 공급 전력을 안정화시킴으로써 고장을 방지하는 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.
또한 블랙아웃 시 태양만 있으면 파워 컨디셔너의 자립 운전 기능으로 가정 내 전력을 충당할 수 있다. 주택용은 1대당 2.5~5.5W의 파워 컨디셔너가 필요하다. 한편 산업에서는 시스템의 규모가 커지면 10㎾ 이상의 파워 컨디셔너를 복수로 설치해야 한다.
파워 컨디셔너 구조와 기능
파워 컨디셔너의 내부 구성을 <그림 2>로 나타냈다. 앞서 언급한 바와 같이, 파워 컨디셔너의 주요 기능은 태양 전지 패널에서 발전한 직류 전기를 100V의 교류로 변환해 가정의 전기 제품에 사용할 수 있도록 하는 것이다. 또한 시스템을 안전하게 운영하는데 필요한 다양한 기능이 포함됐다.
솔라 패널 효율 제어부｜먼저 태양 전지 패널에서 발전된 직류 전기는 솔라 패널 효율 제어부로 보내진다. 최대 전력점 추종 제어는 일사량 변화에 대한
태양광 효율을 높여주는 역할을 한다. 아울러 태양광 발전은 태양이 떠오른 낮밖에 발전할 수 없기에 밤에는 패널의 출력을 자동 정지 시키는 자동 기동·정지 기능을 포함한다. 직류를 교류 변환｜태양 전지 패널에서 만들어 낸 직류 전기를 가정의 전기 제품에 사용하기 위해 100V 교류 전기로 변환하는 부분이다. 앞서 언급했듯이 일반적으로 파워 컨디셔너의 기능이라고 하면 직류→교류 변환을 가리키는 경우가 많다.
이 변환 효율이 높으면 태양광 발전 전기를 효율적으로 사용할 수 있지만 반대로 변환 효율이 낮으면 전기가 낭비되는 일이 발생한다.
계통 연계 보호｜태양광 발전 전기를 가정에서 사용하고 난 후 남은 잉여 전력을 제휴 릴레이를 통해 매전이 가능하다. 이를 역조류나 계통 연계라 불린다. 제대로 작동이 되고 있다면 문제가 되지 않지만 외부의 전선에 전기를 발송하는 것이기에 만일 문제가 발생할 시 자신의 집뿐만 아닌 주위의 집들도 문제가 생기기에 이러한 사고를 방지하기 위해 파워 컨디셔너에는 계통 연계 보호 기능이 탑재돼있다.
만약 파워 컨디셔너에 이상이 발생했을 경우 파워 컨디셔너의 출력을 차단하면 집 안에 있는 전기 제품과 계통을 보호할 수 있다.
일사량 변화를 고려한 동작점에 따른 전력 극대화
태양광 발전 시스템 출력 전압은 계절이나 시간대, 기상 조건 등 외부 환경에 의해 변화하기에 전압과 전류는 항상 일정치 않다. 이에 구체적으로 동작 전류와 전압의 관계를 그래프로 나타냈다(<그림 3> 참조). 솔라 패널의 그래프는 어느 한 지점의 전류와 전압의 조합으로 움직인다.
이에 전류(I)와 전압(V)의 관계를 그래프화로 나타낸 것이 IV 곡선이다. 예를 들어 동작점 A는 출력 전류가 가장 높으나 출력 전압은 낮고 동작점 B는 동작점 A보다 출력 전압은 높지만 출력 전류가 약간 적다. 동작점 C는 전압이 한층 더 높지만 전류가 가장 적은 작동 조건을 갖췄다. <그림 4>는 동작점 A일 경우 얻을 수 있는 전력 면적을 직사각형으로 표시했다. 전류의 값은 크지만 전압의 값이 적기 때문에 결과적으로 얻을 수 있는 전력(직사각형 면적)의 양은 크지 않다. 그러나 동작점 B는 동작점 A보다 전류값은 적지만 전압값이 크기에 전력 면적이 2배가량 차이난다(<그림 5> 참조).
동작점 C의 경우는 그림으로 나타내지 않았지만 전압에 비해 전류가 적기에 얻을 수 있는 전력은 매우 적다. 즉, 태양 전지 패널에서의 전력을 최대로 사용하려면 IV 곡선의 면적이 큰 동작점(전류 값과 전압의 조합)을 찾아야 한다. 일사량이 좋지 않을 때는 IV 곡선이 다양하게 변화한다. 그때 전력을 극대화하는 동작점은 다르게 나타난다. 이에 파워 컨디셔너는 태양 전지 패널에서 생성되는 전기를 항상 체크해 최대의 전력을 사용할 수 있게끔 동작점을 찾아 실행해야 하는 것이 최대 중요 관점이다.
P&O 알고리즘을 이용한 태양전지 MPPT 제어
파워 컨디셔너의 높은 전압 변환 효율을 위해 이용되고 있는 것이 MPPT(최대 전력점 추종) 제어 방법이다. MPPT 제어는 P&O(Perturb and Observe) 알고리즘이 널리 이용되고 있다.
이 알고리즘은 태양 전지 전압에 주기적으로 변조를 걸어 해당 순간 전력의 변화를 계산한다. 그 결과를 태양 전지의 출력 전력이 증가하는 방향으로 전압, 전류 피드백을 제어함으로써 최적의 조건으로 추종한다. 기존의 태양광 발전 시스템은 규모에 관계없이 하나의 파워 컨디셔너에 의해 MPPT 제어를 실시하고 있다.
파워 컨디셔너의 변환 효율
파워 컨디셔너의 성능을 말하는데 있어서 빠뜨릴 수 없는 것이 변환 효율이다. 파워 컨디셔너의 변환 효율이 높을수록 발전량도 많아 사용하거나 매입할 전력이 늘어난다. 이에 태양 전지 패널과 파워 컨디셔너의 발전 효율의 매칭이 중요하다. 아무리 솔라 패널에서 출력되는 전력이 많아도 변환 효율이 높지 않으면 낭비되는 전력이 많아 성능 저하로 이어진다.
예를 들어 210W(0.21㎾)의 광 모듈 20장, 총 4.2㎾ 정도의 태양 전지 패널에 변환 효율 94.5%의 파워 컨디셔너를 설치할 경우 4.2㎾×94.5%=3.969㎾로 환산된다. 그러나 태양 전지 패널의 입력은 파워 컨디셔너의 용량으로 제한되기에 파워 컨디셔너의 용량이 4.0㎾의 경우 4.2㎾ 태양 전지 패널을 설치해도 4.0㎾ 이상 발전할 수 없다. 태양광 발전 시스템에서 더 많은 전력을 확보하기 위해서는 태양 전지 셀 효율과 파워 컨디셔너 효율 용량을 적합하게 설치해야 한다.
아울러 2009년 잉여 전력 매입 제도가 시작된 이후 대용량 태양 전지 설치가 급격히 증가함에 따라 파워 컨디셔너도 대용량 타입에 대한 요구가 높아지고 있다.
파워 컨디셔너 선정 시 주의 사항
아무리 태양열 패널의 변환 효율이 높아도 직류→교류 변환 시 효율이 나쁘면 사용할 전력이 파워 컨디셔너로 낭비된다. 기존 파워 컨디셔너는 태양 전지 패널과 같은 업체의 제품을 선택하는 것이 일반적이었지만 시스템 전체의 성능이 중요하므로 업체 선정 시 솔라 패널뿐 아니라 파워 컨디셔너에 대해서도 기능 및 성능을 확인해야 한다.
고기능신제품개발진행
태양광 발전 시스템으로부터 보다 많은 전력을 얻으려면 변환 효율이 높은 태양 전지 모듈을 이용하는 것 외에도 변환을 담당하는 파워 컨디셔너 장치의 개량이 필요하다. 야스가와전기는 10년 전 부터 파워 컨디셔너 시장에 진입해 업계 최고 수준의 전력 변환 기술 효율을 실현한다. 특히 2012년 10월에 세계 최초로 질화 갈륨(GaN) 전력 반도체 모듈을 탑재한 차세대 파워 컨디셔너를 개발했다(<사진1>참조).
가정용 태양광 발전 시스템은 출력 3~4㎾의구성이 주류이다. 따라서 신형 파워 컨디셔너의 정격 용량(최대 출력)을 4.5㎾로 정했다. 그러나 태양광 발전 시스템에는 정격 용량으로 연속 동작을 기대하긴 힘들다. 시간에 따라 태양의 고도가 바뀌어 면적당 얻을 수 있는 에너지가 변하는 것 외에 기상 조건에 의해서도 출력이 저하한다. 이에 정격 용량의 약 반인 2㎾전후의 출력 시 최고 효율을 얻을 수 있도록 설계했다. 4.5㎾출력 시 효율은 97.5%이지만 2㎾출력에서는 보다 높은 98.2% 효율을 달성한다. 아울러 향후 2년 이내에 제품화를 목표로 한다.
타부치전기는 축전지 기능을 탑재한 하이브리드 파워 컨디셔너를 개발했다(<사진2> 참조). 피크전력 수요의 절감 등에 활용이 가능하며, 주택 및 산업용에 사용할 수 있다. 기쿠스이 전자공업에서는 파워 컨디셔너를 비롯한 각종 인버터 및 트랜스 응용 프로그램 소프트웨어‘PCZ1000A’를 개발 중이다. 주 단위로 부하 변동 패턴을 모방하고 장기간의 전압이나 전류 변화를 쉽게 기록할 수 있다.
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