태양광 전지 설계 필요 과정

1. 태양광 발전에 필요한 자재

태양광발전시스템에는 여러 가지 자재들이 필요합니다.

그 자재들은 어떤 전기제품을 얼마나 사용할 것인가에 따라 정해집니다.

*. DC(직류)전기를 사용할 경우

태양전지에서 만들어지는 전기는 직류전기(DC)이며, 전압은 다양하게 낼 수 있으나 주로 많이 사용되는 것이 12V와 24V입니다.  가능하면 태양전지에서 얻어지는 직류 전원을 바로 사용하는 것이 가장 간단하고 손실이 적어 경제적입니다.

시중에는 DC 12V나 DC 24V용 전기제품 (전등, 물펌프, TV, 오디오, 환풍기, 냉난방기기, 통신기기, 등이) 많이 출시 되어 있습니다.

*. DC(직류)전기로 사용할 경우의 필요 자재는 다음과 같습니다.

 

• 태양전지모듈(Solar Module) - 태양전지에서 발생하는 전기는 직류전기입니다. 사용기기의 용량과 사용시간에 따라 선정합니다.

• 배터리(Battery) - 태양전지는 건전지와 같이 생산한 전기를 저장하는 기능이 없습니다. 그러므로 태양빛이 있을 때 생산한 전기를 흐린날이나 야간에 사용하기 위하여는 전기를 저장할 수 있는 축전지(Battery)가 있어야 합니다. 축전지의 종류는 납축전지, 리튬전지, 니켈수소 전지, 니켈카드뮴전지 등 여러 종류가 있습니다. 일반적으로 중대형 태양전지에는 가격이 저렴한 납축전지가 많이 사용되고 있습니다. 축전지도 부조일수를 참조하여 축전하는 시간과 사용 부하의 용량에 따라 선정합니다.

• 솔라컨트롤러 (Battery Charge Controller) - 솔라컨트롤러는 배터리를 사용하는 독립형 태양광발전 시스템에 반드시 필요한 제품으로 배터리의 과충전방지 기능, 과방전차단기능, 역전류방지기능, 배터리상태표시기능 등을 가지고 있으며 배터리를 효율적으로 충방전하여 오랜 기간동안 정상적으로 사용할 수 있도록 하는 장치입니다.

• 역류방지다이오드(Diod) - 태양전지의 출력이 적을 때, 배터리로부터 태양전지로 거꾸로 전기가 흐를 수가 있습니다. 이런 현상을 다이오드가 방지하는데 일반적으로 30W급 이상의 제품에는 대부분 모듈 후면에 부착되어 있는 접합부상자(Junction Box)안에 내장되어 있습니다.

• 퓨즈(Fuse), 과부하차단장치(Breaker) - 합선이나 과전류 발생시에 회로를 차단시켜 주는 장치

• 배전반(Battery Box) - 배터리, 컨트롤러, 퓨즈 등이 배선되어 있는 박스

*. AC(교류)전기를 사용할 경우

일반 가정용 전기인 AC 220V AC(교류)전기를 사용 할 경우나 AC 220V와 DC(직류)를 같이 사용할 경우에는 직류전기를 교류전기로 전환시켜주는 인버터가 추가로 필요합니다.
DC-AC 인버터란 태양전지에서 얻어지는 12V 직류전류를 220V 교류전류로 변환시켜 주는 장치입니다. 이 장치를 사용하면 일반 가정용 전기기기를 그대로 사용할 수 있습니다.

 

 

 

2. 태양광 발전 자재의 용량 계산법

 

가. 사용 할 전기제품의 사양 파악

태양광발전시스템을 설계 할 때 가장 중요한 것은 어떤 전기제품들을 하루에 몇시간 정도 사용 할 것인가를 명확히 파악하여야합니다.

─. 전기제품의 소비전력(W)
─. 전기제품의 전압(V)-직류,교류 파악

─. 1일 평균 사용시간 (Hr)

나. 시스템의 전력수요 계산

 

1).태양전지모듈의 선정방법

사용할 전기제품의 리스트를 아래와 같이 작성하여 필요한 전력수요를 계산합니다.
각 제품의 소비전력과 정격전압은 전기제품의 본체 또는 취급설명서에 기재되어있습니다. 만약 표시 되어있지 않으면 계측기로 측정하여 다음과 같이 계산하여 구하면 됩니다.

전력(W) = 전압(V) × 전류(A)

 

사용할 전기 제품의 수가 많을 경우에는 아래 양식을 참고하여 전력수요를 합산합니다.

                                                                 <전력수요계산표--예>

전기제품	소비전력 (W)	일일사용시간 (hr/일)	Whr/일
보안등	40	4	160
노트북	50	2	100
계			260

 

① 1일 소비전력을 구한다.

1일 소비전력(Whr) = 전기기구소비전력(W) × 1일 사용시간

② 1일 필요한 발전량의 평균치를 구한다.

1일 필요한 발전량(W) = 1일 소비전력(Whr) ÷  3.5hr (한국의 평균일조시간)

③ 발전효율(출력손실보존계수)를 감안하여 필요한 태양전지모듈의 용량을 결정한다.

필요한 태양전지모듈(W) = 1일 필요한 발전량 ×  1.2(출력손실보존계수)

 

만약 220V의 전기제품을 적용시킬 경우 DC-AC 인버터 효율에 따라 인버터 손실보전계수(1.2~1.25)를 곱해주십시오.

인버터의 효율은 메어커에 따라 차이가 나니 제품사양서를 참고하십시오.

 

2).배터리의 선정방법

필요한 배터리용량(Ah) = 1일 소비전력(Whr) ÷ 배터리전압(통상12V) × 부조일수

                                                               × 1.25(배터리방전손실보정계수)

─. 부조일수란?

"하루 종일 태양이 비치지 않는 날의 수" 를 뜻하며 태양광발전에서는

태양빛이 거의 없는 아주 흐린 날이나 비오는 날은 태양전지모듈에서

전기가 거의 생산되지 않습니다. 이 날자를 부조일수라고 부르며 배터

리 선정시에 이것을 참조하여 계산합니다.

일반적으로 3일에서 7일 정도로 계산합니다.

 

3). 솔라 컨터롤러의 선정방법

컨트롤러의 전류량은 태양전지모듈의 입력전류와 사용하는 부하의 출력전류 중 큰 전류에 맞추어 선정하여야합니다.

태양전지의 입력전류 = 태양전지의 단락전류 × 1.15

 

그럼 다음과 같이 예를 들어 모듈과 배터리, 컨트롤러를 선정 해 보겠습니다.

 

전기제품명 : LED전등

전압 : DC 12V

소비전력 : 50W

1일 사용시간 : 5시간

 

-. 태양전지모듈

1일 소비전력(Whr) = 사용전기기기의 소비전력(W) × 사용시간(hr)

= 50W × 5hr = 250Whr

1일 필요한발전량 = 250Whr ÷ 3.5hr = 71.4W

필요한 태양전지모듈 = 71W × 1.2 = 85W

그러므로 85W 이상의 태양전지모듈 1장이 필요합니다. (100W)

 

-. 배터리

필요한 배터리 용량 = 1일 소비전력 ÷ 12V × 5일 × 1.25

=250Whr ÷ 12V × 5일 × 1.25 = 130Ah

130Ah이상의 배터리가 필요합니다.

 

배터리는 용도별로 충전전압 및 사용 년수, 방전 특성이 다르므로 솔라 전용 배터리 사용을 권장합니다.

(Sealed Type, Gel Type, Deep Cycle Type)

 

-. 솔라컨트롤러

100W모듈의 최대입력전류 7.3A와 사용전기제품의 소비전류 50W ÷ 12V = 4.17A 중 큰 치수인 7.3A이상의 용량을 가진 제품을 선택하면 됩니다. (12V 10A 솔라컨트롤러)

4). 인버터의 선정방법

태양광발전시스템에서 만들어지는 전기는 직류(DC)전기입니다. 이 전기로 우리 가정에서 사용하는 교류(AC) 220V용 전기제품을 사용하거나, 계통(전력회사)으로 전기를 판매 할려면 DC-AC인버터를 필히 사용하여야 합니다. DC-AC 인버터는 크게 정현파 인버터와 유사 정현파 인버터로 구분됩니다.

 

 

정현파 인버터 (Pure Sine Wave Inverter) - 출력파형이 계통(한국전력)에서 일반 가정에 공급되는 전기의 파형을 정현파라고 부르며 이 파형의 전기는 가정에서 사용하는 교류 전기제품을 모두 사용할 수 있습니다. 독립형 태양광발전 시스템이나 측정기기, 의료기기, 통신기기, 음향기기, 형광등, 컴퓨터 등 고가 정밀기기의 사용에는 정현파 인버터를 선택하여야 합니다.

 

유사정현파 인버터 (Modifide Sine Wave Inverter) - 정현파와 비슷하지만 파형의 왜곡에 있어서 정격출력에 도달하면 파형이 찌그러지는 현상이 생겨 서지가 발생되고 잡음과 화상 노이즈 현상이 발생합니다. 변현된 파형이기 때문에 민감한 전자제품은 사용을 피하는 것이 좋으며 이 파형으로 사용할 수 있는 제품은 파형에 민감하지 않는 모터류, 전등, 전열기구 등에 사용됩니다.

 

-. 인버터의 용량 선정 방법

먼저 위의 내용에 따라 파형을 선택한 후 용량을 선정합니다.

 

인버터의 제품의 사양서를 보면 일반적으로 용량이 OUTPUT POWER(PEAK POWER RATING, SURGE POWER)라는 표시와 OUTPUT POWER CONTINUOS(CONTINUOS OUTPUT POWER)라는 표시가 있습니다.

OUTPUT POWER CONTINUOS(CONTINUOS OUTPUT POWER)는 인버터에 부하를 연결하여 30분 이상 견딜 수 있는 정격출력용량의 표시이며 OUTPUT POWER(PEAK)의 50%정도 입니다.

반드시 정격출력용량 이하의 전기 제품을 사용해야 인버터가 과전류 및 과열에 의한 고장이 일어나지 않습니다. 또 하나 유의 사항은 인버터의 효율을 꼭 감안하여 선정하여야 합니다. 인버터의 효율은 회사별로 차이가 나며 제품사양서에 표시되어 있습니다. (80~90%)

 

예) 전원 : DC 12V

부하 : 220V, 100W LED 전등

인버터효율 : 85%

사용하는 경우에 인버터 정격출력용량을 계산해 보겠습니다.

 

인버터 정격출력용량 = 1000W/0.85=118W

이 제품에는 정격출력용량 118W 이상의 인버터를 사용해야 합니다.

 

주의사항

 

1.   인버터는 컨트롤러 출력 단자에 연결시키지 말고 배터리에 직접 연결시켜야 합니다.

AC 전기제품은 기동 시에 정격전력 이상의 전력을 소비하기 때문에 컨트롤러에 직접 접속시키면 많은 기동전류에 의해

컨트롤러가 파손될 수 있으니 인버터는 배터리에 직접 연결하십시오.

그리고 배터리에서 인버터로 오는 전선의 굵기도 충분한 굵기의 케이블을 선정하여야 합니다.

 

 

 2. 모터류, 텔레비젼, 냉장고,에어콘, 형광등을 사용하실때는 다음 사항을 참고해 주십시오.

 

모터류의 경우 - 모터를 처음 기동시킬려면 정격소비전력보다 평균 3배이상의 써지전력 (OUTPUT POWER(PEAK POWER RATING, SURGE POWER) 이 필요합니다. 따라서 인버터 선정시 정격출력용량과 써지출력용량을 꼭 확인하고 두가지 조건에 모두 만족하는 제품을 선정하십시오.

 

텔레비젼의 경우 - 텔레비젼도 처음에 전원을 켜고 영상이 완전히 나올때까지의 최대전력은 규격에 표시되어 있는 정격소비전력의 약 2-3배 이상의 전력이 필요합니다. 예를들면 정격소비전력 40W의 텔레비전을 인버터로 사용할려면 , 40W의 정격출력용량과 40×3=120W의 써지출력용량을 견딜수있는 DC-AC인버터를 선정하여야합니다. 

 

냉장고, 에어콘의 경우 - 압축기(콤프레샤)의 기동전력이 추가로 필요하기 때문에 최대전력은 정격소비전력의 5배를 곱해주어야 안정적입니다.

 

형광등의 경우 - 형광등을 점등하기 위하여는 안정기등 형광등기구의 전력계산이 필요합니다. 형광등기구의 소비전력은 램프의 소비전력과 거의 갇기 때문에 약2배의 전력이 필요합니다. 예를들면 20W의 형광등 3개에 필요한 전력은 20W × 3개 × 2 = 120W 즉 정격전류 120W이상의 인버터가 필요합니다.