태양광발전에서 태양전지모듈 배치 설계

태양광

태양광발전에서 태양전지 모듈 배치 설계

1. 태양광발전 모듈의 직병렬 계산

 

(1) 태양전지 모듈 직별 구성

 1) 높은 전압, 낮은 전류 생산

 2) 직렬로 연결된 모듈 사이에 흐르는 전류는 모두 동일함

 3) 음영에 의한 모듈의 발전량 감소는 직렬로 연결된 모든 모듈에 영향을 줌

 4) 태양전지모듈 직렬연결 : 100Wp × 8장 - 800Wp

 5) 태양전지모듈 직렬연결 시 음영 발생(2장) : 80Wp × 8장 = 640Wp

 

 

 

 

(2) 태양전지모듈 병렬 구성

 1) 낮은 전압, 높은 전류 생산

 2) 음영에 의한 모듈의 발전량 감소는 병렬로 연결된 모든 모듈에 영향을 주지 않음

 3) 태양전지모듈 병렬연결 : 100Wp × 8장 = 800Wp

 4) 태양전지모듈 병렬연결 시 음영 발생(2장) : 100Wp × 6장 + 80Wp × 2장 = 760Wp

 

 

 

 

2. 태양광발전 모듈 배치

 

(1) 설계과정

 1) 태양전지모듈, 인버터 선정

 2) 셀 온도 계산, 모듈의 NOCT와 외기온도를 적용하여 셀 온도 게산

 3) 모듈의 최대, 최소 전압 계산, 최대 셀 온도에서의 모듈 Voc, Vmpp 계산, 최소 셀 온도에서의 모듈 Vmpp 계산

 4) 모듈의 직렬 범위 계산, 인버터 최대 입력 전압과 최소 셀 온도의 Vco를 이용한 최대 직렬 수 계산, 인버터 MPP 최대 전압과 최소 셀 온도의  Vmpp를 이용한 최대 직렬 수 계산, 인버터 MPP최소 전압과 최대 셀 온도의  Vmpp를 이용한 최소 직렬 수 계산, 최소 직렬 계산은 소수점 이하 값을 절상한다.

 5) 병렬 수 결정, 모듈 직렬 범위에 따른 인버터에 설치할 수 있는 최대 병렬 수 계산, 인버터 용량의 105%를 초과하지 않는다.

 

태양광발전시스템은 태양전지모듈의 직렬과 병렬로 연결된다. 이것을 어레이라 부르는데 이를 구성하기 위해서는 모듈과 인버터의 특성을 이해하여 적합한 설계 가 진행되어야 한다. 앞의 그림은 태양광 어레이의 설계 과정이다.

 

(2) 설계 확인사항

태양전지는 온도에 따라 출력전압이 변화되므로 연중 최소 온도와 최대 온도에 따른 전압 변동을 확인하고 최적 직렬연결 모듈 수를 선정한다.

 

1) 외기온도를 이용하여 셀 온도를 계산하는 방법인 경우 모듈 출력 전압을 계산하기 위한 방법을 STC와 NOCT 두 가지 방법을 사용되고 있다. 태양전지 모듈 표면 온도를 이용하는 방법은 STC이고, 태양전지 모듈 주변 온도를 이용하여 출력 전압을 계산할 때는 아래와 같은 공식으로 태양전지 모듈 셀 표면 온도를 산출하고 이를 이용하여 출력 전압을 계산한다.

 

 Tc = Ta + Tnoct - 20도 / 800W/㎡ × S

 

 Tc : 태양전지모듈 셀 표면 온도

 Ta : 외기온도

 Tnoct : NOCT 개방전압 온도 계수

 S : 패널 표면 일사량

 

2) 태양전지 모듈 확인 사항

 가) 개방전압은 태양전지 모듈이 무부하시 발전할 수 있는 최대 전압

 나) 최대출력 동작전압은 태양전지모듈이 부하에 연결 시 최대 전압

 다) 전압 온도 계수는 온도에 대한 태양전지 모듈 온도 변화된 값을 나타낸다. 단위는 [%/℃]와 [V/℃] 두 가지로 사용되며 태양전 전지 모듈 카탈로그 상에 표현된 값을 적용하면 된다.

 

3) 태양광 인버터 확인 사항

 가) 최대 입력 전력은 태양광 인버터가 입력받을 수 있는 해당 태양광 인버터와 연결된 태양전지 모듈의 최대 전력 용량의 105%까지 가능하다.

 나) 최대 입력 전압은 태양광 인버터가 입력받을 수 있는 최대 전압으로 태양전지 모듈에서 최대가 되는 Voc(개방전압)과 관계가 있다.

 다) 최대 입력 전류는 각 어레이를 통해 태양광 인버터로 들어오는 전류의 최대 총합으로 태양전지 모듈에서 입력되는 전류는 최대 입력 전류 부다 작아야 한다.

 라) 태양광 인버터 MPP 동작 범위 안에서 태양전지 모듈의 최대, 최소 전압을 결정하고 이를 이요하여 직렬 수를 결정한다.

 마) 태양광 인버터의 용량을 기준으로 최대 병렬 수를 결정한다.

 바) 태양전지모듈의 시스템 전압은 대부분 1,000V이다. 이 경우 직렬로 연결된 태양전지모듈의 개방전압(Voc) 합은 1,000V를 넘지 않아야 한다. 최근에는 시스템이 1,500V 모듈도 생산되고 있다.

 

 

 

 

3. 태양광발전설비 전압강하 및 전선 선정

 

(1) 태양광발전설비 전압강하 시공규정

 태양전지 모듈에서 인버터 입력 단간 및 인버터 출력단과 계통연계 점간의 전압강하는 각 3%를 초과하여서는 안 된다. 단 전선 길이가 60m를 초과할 경우에는 아래와 같이 시공할 수 있다. 전압강하 계산서를 설치확인, 신청 시에 제출하여야 한다.

 

※ 전선 길이에 따른 전압 강하율

 - 120m 이하 시 5%

 - 150m 이하시 6%

 - 200m 초과 시 7%

 

(2) DC 전압강하

 태양광발전설비의 DC부분은 그림과 같이 태양전지 어레이, 접속함, 인버터 입력단으로 나눌 수 있다.

전압강하가 발생하는 구간은 두 가지로 나눌 수 있다.

 

- 태양전지 어레이로부터 접속함 까지는 스트링별 전압에 대한 전압강하가 발생한다.

- 접속함에서 인버터 입력단까지는 접속함 출력 전압에 대한 전압강하가 발생한다.

 

이 두 가지를 합치 것이 DC 전압강하이다.

접속함은 태양광 어레이의 스트링별 전압을 하나로 묶어 인버터로 전송하는 역할을 수행한다. 태양광 발전소의 발전량에 따라 접속함은 하나 또는 여러 개의 접속함이 존재한다. 수전단의 전압은 송전단의 전압과 크기가 거의 같다. 부하가 접속되면 수전단 전압은 송전단 전압보다 낮아진다. 이 전압의 차를 전압 강하라고 한다.

전압강하의 크기는 접속된 부하의 크기를 따라 변화하는데 이 전압강하의 수전단 전압에 대한 백분율%를 전압 강하율이라고 한다.

 

 전압 강하율% = Es -Er / Er × 100%

 

Es : 송전단

Er : 수전단 전압

 

4. 태양전지 모듈 및 태양전지 어레이

 

(1) 태양전지 모듈

 태양전지 모듈은 수십 장의 태양전지 셀을 직렬로 연결한 하나의 모듈을 형성하며, 제작 소재에 따라 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 화합물 반도체 등으로 구분된다.

 

(2) 태양전지 어레이

 태양전지 어레이는 태양전지 모듈을 조합한 태양전지 전체를 말한다.

 

(3) 태양전지의 전기적 구성

 가) 태양전지 모듈의 집합체로서 스트링, 역류방지 다이오드, 바이패스 다이오드, 접속함 등으로 구성된다.

 나) 스트링이란 태양전지 어레이가 소정의 출력 전압을 충족하도록 태양전지 모듈을 접속하여 하나로 합쳐진 회로를 말한다.

 다) 각 스트링은 역류방지 다이오드를 이용하여 병렬로 접속한다.

 라) 태양전지 어레이의 직류 전기회로에는 접지하지 않는 것이 일반적이다. 그러나 모듈이나 인버터에 따라서 접지가 필요한 경우도 있다.

 

이상 태양전지 모듈 배치 설계 등에 대해 알아보았습니다.