월간전기

[신재생에너지 기술 현황과 전망] 산업용 태양광발전 시스템의 보수와 점검 - 일본편

2010-03-02

개요

1997년 12월에 채택된 교토의 정서는 2005년 2월에 공식 발효되어 온실효과 가스 삭감을 목표로 하고 있다. 이를 위해 일본 정부는 2001년 6월 신에너지 도입을 추진, 2010년까지 누계 482만㎾의 태양광발전 도입 목표를 세웠다. 그러나 설치 건수의 증가와 함께 설치 후의 경년열화에 대응하기 위해서는 보수 및 점검도 중요하다.
여기서는 태양광발전 시스템의 보수와 점검에 대해 소개한다.

태양광발전 시스템 개요 및 분류

태양광발전 시스템은 <그림 1>과 같이 공장 등의 옥상에 설치한 태양전지 어레이(Array), 접속함 및 옥내에 설치한 파워 컨디셔너(인버터, 계통연계 보호장치 등을 포함), 이들을 접속하는 배선, 또한 교류 측에 설치하는 전력량계(수요 전력량계, 잉여 전력량계) 등으로 구성되어 있다. 태양전지로 발전하는 전력은 직류이기 때문에 파워 컨디셔너를 통해 교류로 변환하여 전력회사가 공급하는 교류전력과 맞춰 사용할 수 있도록 하고 있다.

태양광발전 시스템은 내연력발전 설비 등과 같은 회전기기가 존재하지 않고, 연소 등에 의한 온도 변화도 없기 때문에 비교적 고장이 적고, 보수 및 점검이 용이하다. 주된 점검으로는 외관점검, 접지저항 측정, 절연저항 측정, 보호 장치의 동작 확인 등이 있다.
태양광발전 시스템은 화력발전소나 수력발전, 풍력발전과 같이 일본 전기사업법의 규제를 받는다. <표 1>과 같이 규모에 따라 일반용 전기공작물, 또는 자가(自家)용 전기공작물로 분류되어 보수 · 점검 내용이나 점검 주기가 각기 다르다. 동일한 구조내에서는 출력 합계가 20㎾ 이상이면 자가용 전기공작물로 취급되기 때문에 주의가 필요하다.
출력 용량이 20㎾ 이상이 되면 자가용 전기공작물이 되어 전기주임기술자(선임 또는 외부 위탁 승인이 인정됨)가 필요하며, 출력 용량이 1,000㎾ 이상 규모에서는 전기주임기술자를 선임해야 한다. 또한 출력 용량이 500㎾ 이상 되면 공사 계획 신고와 사용 전 안전관리 심사가 필요하다. 신고는 일본 경제산업성 산업보안감독부에 하도록 되어 있다(<표 2> 참조).
한편 태양광발전 시설 건수는 일반용 전기공작물이 압도적으로 많으며, 자가용 전기공작물 중에서도 500㎾를 넘는 설비는 거의 없는 것으로 보인다.

태양광발전 시스템 보수 및 점검

자가용 전기공작물로 취급되는 태양광발전 시스템은 선임, 외부 위탁 승인에 관계없이 보안 규정에 따라 전기주임기술자에 의한 유지 관리가 이루어지고 있기 때문에 일상 점검을 실시하고 있으며, 1년에 한 번은 정전을 해 점검을 하는 것이 통례이다. 태양광발전 시스템의 점검 주기는 <표 3>과 같다.
이에 반해 일반용 전기공작물에서는 자가용 전기공작물에 대한 법을 바탕으로 한 일상 점검은 없지만 매달 한 번 정도의 점검 실시가 필요하다.

⑴ 태양광발전 시스템 점검 항목
태양광발전 시스템 점검 항목에 대해서는 <표 4>에 일례를 소개했다. 제조사, 수요가의 요망, 역조류유무 등 시스템 내용에 따라 점검 항목은 달라질 수 있다. 이제 점검 내용, 유의 사항에 대해 간단히 설명하고자 한다.

⒜ 공사 중 점검
자가용 전기공작물의 경우 전기주임기술자는 전기 설비 공사에 관한 감독을 하는 것이 원칙이기 때문에 설비 내용을 파악해 공사 중 점검을 실시할 필요가 있다.
태양전지 어레이 가대는 자중(自重), 적재하중, 적설 및 풍압은 물론, 지진에 대한 구조상 안전이 필요하다. 태양전지 어레이는 높은 곳은 설치하는 경우가 많기 때문에, 안전에 충분한 주의를 기울여 가대 등을 공사 중에 점검해 두는 것이 좋다. 또한 감전 방지책으로 태양전지 모듈 1장의 출력전압은 직류 35V정도이지만, 필요 장수를 직렬로 접속하면 종단전압은 개방전압으로 250V에서 450V 고전압이 되기 때문에 감전 방지를 위한 안전 대책도 필요하다. 공사중 주요 점검 내용 및 유의점은 다음과 같다.
① 도면 등의 대조
· 강도 계산을 통해 적절한 설계가 되도록 할 것.
· 설치 도면과 다르지 않는지 확인한다.
② 감전 방지 대책
· 작업 전 태양전지 모듈 표면에 차광 시트를 붙여 태양광을 차폐한다.
· 저압 절연 장갑을 착용한다.
· 절연 처리된 공구를 사용한다.
· 우천 시 작업하지 않는다. (감전 사고나 높은 곳에서의 추락 사고로 이어질 위험성이 높다.)
③ 외관 점검
· 태양전지 어레이의 가대 설치 위치, 모듈 부착상태를 점검하고 필요에 따라 수치를 측정한다.
· 태양전지 어레이 가대에 접지 공사를 할 것.
· 공사에 수반되는 태양전지 모듈 파손, 이물질부착이 없도록 할 것.

⒝ 준공 점검
태양광발전 시스템 공사가 완료됐을 때 설비 구조 및 성능에 대해 설계대로인지, 전기설비기술기준에 적합한지를 확인한다. 준공 점검의 주된 내용과 유의점은 다음과 같다.
① 외관 점검
태양전지 모듈은 운송 중에 몇 가지 이유로 파손될 가능성이 있으므로, 시공 시 충분히 외관을 점검해 둔다.
· 태양전지 어레이 파손이나 오손된 곳이 없을 것.
· 접속함(개폐기), 배선, 접지선, 파워 컨디셔너, 계통연계 보호 장치 등의 설비가 적절히 설치되고, 단자부가 느슨해졌거나 과열로 인해 열손된 곳이 없을 것.
② 접지 측정
접지저항계로 태양광발전 시스템의 접지를 측정해 전기설비기술기준에 정해져 있는 접지저항값이 확보되어 있는지 확인한다.
· 접지저항계로 접지 공사 종류마다 측정하고, 설비마다 확실한 접지 공사가 이루어졌는지 확인한다(<표 5> 참고).

③ 절연저항 측정
절연저항계로 측정해 전기설비기술기준에 정해진 절연저항값이 확보됐는지를 확인한다(<표 6> 참조). 태양전지는 낮 동안에는 항상 전압을 발생하기 때문에 측정 장소가 무전압인지 확인하고 절연저항을 측정할 필요가 있다.

· 절연저항계로 측정한다. 한편, 인버터 등은 반도체 소자를 사용해 전압내량이 작은 경우가 있기 때문에 측정 가부(可否), 측정전압 등에 대해 제조사에 확인해 두는 것이 좋다.
· 배선의 절연저항 측정은 원칙적으로 전선 상호간 및 전로의 대지 간에 행한다.
· 태양전지 어레이 회로는 낮 동안은 항상 전압을 발생하기 때문에 감전되지 않도록 주의한다. 또한 측정할 때에는 뇌 보호를 위해 어레스터(Arrestor) 등의 피뢰 소자가 태양전지 어레이 출력단자에 설치된 경우가 많아 필요하면 이들소자의 접지 측을 빼 둔다.

<절연저항 측정 방법>
구체적으로는 <그림 2>와 같이 단락용 개폐기를 설치해 출력용 주개폐기를 개방한 후 모든 스트링의 단로 스위치를 개방, 태양전지 어레이 회로 2차 측을 단락해 측정한다. 단로 스위치는 차단 능력이 없기 때문에 전류가 흐르고 있는 상태에서 ON/OFF 하지 않도록 주의한다.

④ 절연내력 시험
일반적으로 저압 회로의 절연은 제작 단계에서 충분히 검토되기 때문에 설치 장소에서의 절연내력시험은 생략되는 것이 보통이다. 이 경우 절연저항을 측정하도록 되어 있다. 절연내력 시험을 실시할 경우에는 다음과 같은 요령으로 실시한다.

· 태양전지 어레이 회로
절연저항 측정과 같은 회로 조건으로 해 표준태양전지 어레이 개발전압을 최대 사용전압으로 간주해 최대 사용전압의 1.5배인 직류전압 또는 1배인 교류전압(500V 미만일 때는
500V)을 10분간 인가해 절연파괴 등의 이상이 생기지 않는지 확인한다. 또한 태양전지의 출력회로에 설치된 피뢰 소자는 절연내력 시험 회로에서 빠지는 것이 통례이다.
· 파워 컨디셔너 회로
절연저항 측정과 같은 회로 조건으로 해 표준태양전지 어레이 개발전압을 최대 사용전압으로 간주해 최대 사용전압의 1.5배인 직류전압 또는 1배인 교류전압(500V 미만일 때는
500V)을 10분간 인가해 절연파괴 등의 이상이 생기지 않는지 확인한다. 단, 파워 컨디셔너 내에는 서지 업소버(Absorber) 등이 설치된 부품 등이 있으므로 제조사가 지시하는 방법으로 실시한다.

⑤ 보호계전기 시험
계전기 시험기 등을 사용해 계전기의 동작 특성을 확인하는 동시에, 전력회사와의 협의로 정해진 보호 협조에 맞는 설치가 되어 있는지 확인한다.
· 보호계전기로는 <표 7>과 같은 것이 있으며, 각각의 특성 시험을 실시한다. 역조류가 없는 경우에 설치되는 보호계전기(역전력, 부족전력 등)가 있는 경우도 이와 동일하다.
· 단독 운전 검출 장치의 검출 기능에는 수동 방식과 능동 방식이 각각 한 세트로 설치되어 있다.
특성 시험은 현지 시험으로는 어렵기 때문에 상용전원과 병렬운전을 해 두어 상용전원을 차단했을 때 인버터가 정지하는지 확인한다. 단, 이 경우 단독 운전 검출 장치 중 어느 것이 동작했는지는 특정할 수 없으며, 부족전압 계전기가 먼저 동작하는 경우도 있다. 단독 운전 방지 기능에 대해서는 제조사에 따라 택하고 있는 기능 방식이 다르므로 제조사에서 추천하는 방법을 따라 시험하든지 제조사에 맡겨 시험하도록 한다.
⑥ 투입 로크 시험
투입 로크란 상용전원이 정지 중이거나 복전(復電) 후 일정 시간(150~300초) 동안 안전 보호를 위해 상용계통으로의 투입을 잠그는 기능을 말한다.
· 투입 로크 시험은 상용전원을 정지 상태에서 발전 설비를 계통에 접속하려고 해도 투입이 불가능한지를 확인한다.
· 상용전원 복전 후 정해진 시간을 경과해 자동적으로 계통에 연계하는지 확인한다.
⑦ 개방전압 측정
태양전지 어레이의 각 스트링 개방전압을 측정해 개방전압의 불균형으로 인한 동작 불량 스트링이나 태양전지 모듈 검출 및 직렬, 병렬접속선의 결락사고 등을 검출하기 위해 실시한다.
· 태양전지 어레이의 표면을 세정하는 것이 바람직하다.
· 각 스트링 측정은 안정된 일사(日射) 강도가 얻어질 때 한다.
· 측정 시각은 일사 강도, 온도 변동을 최대한 적게 하기 위해 맑은 날 하는 것이 좋다.
· 태양전지는 비 오는 날이라 하더라도 낮 동안은 전압을 발생하기 때문에 감전에 주의하면서 측정한다.

<개방전압 측정 방법>
구체적으로 <그림 3>에 나타난 것처럼 출력용 주개폐기를 개방한 후 모든 스트링 단로 스위치를 개방해 각 모듈이 음지 상태는 아닌지 확인한다. 측정할 스트링의 단로 스위치만 투입해 직류전압계로 전압을 측정한다.

⒞ 일상 점검
일상 점검은 외관 점검을 중심으로 <표 4>의 일상점검 항목에 따라 점검한다. 점검 내용은 준공 점검에서 설명한 것과 같다.

⒟ 정기 점검
정기 점검은 준공 점검과 거의 동일하며, <표 4>의 준공 점검 항목에 따라 점검한다. 점검 주기는 <표 2>에 나타난 것과 같이 태양광전지 시스템 규모에 따라 다르다.

마무리

태양광발전 시스템은 지구환경 온난화의 주요인인 CO₂및 대기오염 물질을 배출하지 않는다. 따라서 태양광발전 시스템의 도입이 환경보전 대책의 일환이라 할 수 있다. 향후 더 많은 설치가 이루어질 경우 계통연계 되는 것에 대해 '전원의 질(質)'측면에서도 정기적으로 전원 관리가 필요할 것으로 보인다.
태양광발전 시스템은 보급 단계에 있는 설비이며, 규모나 기술면에서 변화가 있을 수 있기 때문에 앞으로도 설비 내용에 대한 정보를 수집해 나가는 것이 중요하다.

일본의 태양전지 보급책
일본 정부는 2009년 11월부터 가정용 태양광발전 시스템 보급을 위해 보조금 외에 태양광발전으로 생산된 전기 중 쓰고 남은 전기를 10년간 1㎾당 48엔에 매수하는 '고정가격 매수제도(Feed-in Tariff)'를 시행하고 있다.