소규모 독립형 태양광발전시스템의 안정적인 설계를 위해서는 태양전지와 배터리 용량이 매우 중요한 요소이다. 태양전지 및 배터리의 용량산정이 잘못되면 시스템의 동작이 불안정해지고 잦은 고장의 원인이 된다. 따라서 본 논문에서는 안정적인 태양광발전시스템의 설계를 위해 부하특성을 고려한 태양전지와 배터리 용량산정 방안을 제시하였다.
본 논문에서는 태양전지-LED 시스템을 설계하여 부하 발전 배터리 용량을 산정하고, 상용 예비전력을 도입한 독립형 태양광발전시스템을 구현하였다. 또한, LED 조명부하에 대한 휘도 시뮬레이션 및 균일성 검사를 거친 후, 이를 태양광발전시스템과 함께 설치하였다. 태양전지-LED 시스템에 대하여 설계, 설치 및 운영에 관한 현장 시험을 통해 시스템의 신뢰성과 성능 및 제반 문제점을 확인하고, 태양광 에너지를 이용한 LED 표식장치의 다양한 응용을 위한 기초적 근거를 마련하였다.
본 논문에서는 수출형 소 용량 태양광 인버터를 설계, 제작하였으며, 실제 제품을 제작하였다. 해당 제품은 VDE-AR-N_4105 및 VDE V 0126-1-1규정에 준하는 무변압기 방식 태양광 인버터로서 안정적이며 신뢰성 있는 동작을 할 수 있도록 절연레벨, 누설전류 및 기타 계통의 안정성 판단을 2개의 CPU에서 동시에 감시하도록 설계하였다. 또한 높은 IP등급을 만족하도록 설계되어 실외에서도 안정적이고 신뢰성 있는 동작을 할 수 있도록 설계하였다.
본 논문에서는 LED를 조명의 전원으로 사용하는 소규모 태양광 발전시스템의 설계용 소프트웨어 개발에 대해 제안한다. 태양광 발전시스템의 최적 설계를 위해서, 태양광 모듈과 배터리 용량 산정시, LED 부하의 운전 전력소비량이 고려될 수 있게 하였다. 태양광 발전시스템을 설계하는 엔지니어의 사용 편의성을 높이기 위해, 소프트웨어는 그래픽 사용자 인터페이스와 모니터링 기능을 제공하여, 시스템 설계 후 설치 단계에서 전체 시스템의 운전 상태를 쉽게 파악할 수 있도록 하였다.
우리나라 정부는 화력과 원자력발전소를 줄이고 2030년까지 깨끗한 재생에너지 전기를 20% 생산하는 목표를 갖고 있다. 태양에너지는 기술적으로 전 세계 에너지수요를 초과하는 잠재자원이다. 비용절감을 가져오는 기술적인 진보 및 재생에너지 개발과 활용을 위한 정부정책에 힘입어 태양에너지산업은 최근 괄목할만한 성장을 가져오고 있다. 비록 태양광발전은 다른 전력생산 방식보다 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 주요 문제는 이용할 수 있는 현장과 적절한 비용을 갖춘 부지가 많지 않다는 것이다. 본 연구에서는 전라남도 지역을 대상으로 설치 가능한 육상 및 수상태양광 용량을 분석하고자 한다. 연구결과 설계용량은 육상풍력 약 7.5GW와 수상태양광 약 1.5GW를 갖는다. 또한, 지역주민과 이해간격을 줄이기 위한 목적으로 설득에 필요한 여러 가지 해결방법을 제시하였다.
2014년을 기준으로 국내 태양광발전시스템 누적설치 용량이 약 2 GW(원전 2기분) 에 도달하였다. 하지만 태양광발전시스템의 많은 도입에도 불구하고 국내 환경을 고려한 실질적인 타당성 분석, 설계, 시공, 운영, 유지보수 등의 가이드라인이 부재하여 잦은 고장, 발전출력 저하, 민원 제기 등의 많은 문제점들이 발생하고 있다. 본 발표에서는 태양광발전시스템의 최적화를 위한 여러 방법들에 대해 살펴보고, 향후 개선 방안을 공유하고자 한다.
소규모 독립형 태양광 발전시스템은 최근 대체에너지에 대한 관심이 증가되면서 다양한 형태의 응용제품이 만들어지고 있다. 그러나 설계방법이 체계화되지 않아 태양전지 및 배터리가 필요이상으로 크게 설계되거나 반대로 너무 작게 설계되어 동작이 불안정해지고 잦은 고장의 원인이 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 소규모 독립형 태양광발전 시스템의 설계를 위해 태양전지 및 배터리의 용량산정방법과, 부하특성을 고려하여 안정적인 시스템을 설계하기 위한 방안을 제시하고자 한다.
태양광발전 시스템에서 축전지는 일조시간에 태양 전지에 의해 충전된 전력을 일몰 후와 같이 태양전지로 부터의 출력이 없을때나 흐린날, 우천시와 같이 태양 전지의 출력이 부족할 때 방전하여 부하에 전력을 공급하게 된다. 이와같이 축전지는 태양 광발전 시스템이라는 특별한 용도에 사용되기 때문에 일반적인 용도와는 달리 매우 가혹한 사용 조건하에서 가동된다. 즉, 축전지의 충전량은 기후 변화에 의해서 좌우되므로 과충전, 부족충전, 과방전이 진행되면 축전지의 노화 즉, 용량 감소는 급격히 일어나게 된다. 물론 최적의 충전 상태를 유지하기 위해서 충전기를 개량하거나, 부조일을 감안하면 축전지의 용량을 설계하거나, 디젤 보조발전기를 사용하여 일사량이 적은 경우에 충전 전기량을 보충하는 등 여러가지 개선책이 있지만, 불규칙적이며 가혹한 사용조건은 자연 현상에 의한 것이므로 근본적인 해결책은 될 수가 없다.
이번호에서는 태양광발전시스템에서 가장 중요한 파워컨디셔너에 대해서 집중적으로 설명하기로 한다. 파워컨디셔너는 크게 태양전지의 직류출력을 교류로 변환하여 전력을 공급하는 인버터부와 계통측에 이상 등이 발생할 때 장치를 안전하게 정지시키는 계통연계 보호장치부로 구성된다. 인버터는 태양광발전시스템에서 가장 중요한 요소중 하나인데 비하여 그동안 그 선정이나 적용사례를 보면 너무나 단순하게 선정되어오고 있음을 알 수 있다. 어레이 구성에 따른 군 단위 계획의 방향에 따라 인버터 용량과 제어방식이 정해지게 되는데 국내의 경우 대부분 특정 인버터에 맞추어 설계를 진행해 버리는 경우가 아주 많다. 메이커의 특성을 잘 이해하고 시설하고자 하는 시스템에 적정하도록 선정함으로써 최대 효율과 안정된 전력을 공급할 수 있다. 이곳에 모든 기술적인 내용을 소개할 수는 없겠지만 앞으로 태양광발전시스템에 관심 있는 분들에게 이 자료가 조금이라도 도움이 됐으면 하는 바람으로 정리해 보겠다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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