1과목 기획 1장 태양광발전 설비용량 조사_2 태양광발전 설비용량 산정(2)
2 태양광발전 설비용량 산정
2.2 태양광발전 모듈 선정
셀(Cell): 태양전지의 최소단위
모듈(Module): 셀을 내후성 패키지에 수 십장 모아 일정한 틀에 고정하여 구성된 것
스트링(String): 모듈의 직렬연결 집합 단위
어레이(Array): 스트링, 케이블(전선), 가대를 포함하는 모듈의 집합 단위
(1) 태양전지 모듈(Module)
셀을 내후성 패키지에 수 십장 모아 일정한 틀에 고정하여 구성되는 것으로, 모듈 속에 태양전지 셀을 직렬 연결하여 소정의 전압, 출력을 얻을 수 있도록 제작
| 구 분 | 단결정 실리콘 | 다결정 실리콘 | 아몰퍼스 실리콘 박막 | CdTe 박막 | CIS 박막 |
| STC 최대 효율[%] | 24 | 20 | 10 | 14.4 | 15.5 |
| STC 평균 효율[%] | 18 | 16 | 6 | 11 | 11 |
| 출력온도계수[%/℃] | -0.3 ~ -0.5 | -0.3 ~ -0.5 | -0.2 | -0.2 | -0.3 |
(2) 태양전지 어레이(Array)
태양전지 모듈을 강제나 알루미늄 프레임을 이용하여 지붕이나 지상에 설치한 태양전지 모듈 전체
태양전지 어레이는 모듈을 직렬, 병렬로 접속하여 파워컨디셔너 입력 직류전압과 필요한 발전전력을 얻을 수 있도록 구성
어레이 형태를 견고하게 고정하기 위해 금속 철물 및 기초, 기지대 등 사용
태양전지 발전량에 따른 어레이 설치: 국내 3kW 모듈을 위해 23m² 필요
태양광발전시스템 용량은 표준 태양전지 어레이 출력으로 표기
태양광발전시스템의 출력은 방사조도(일사강도)와 셀의 온도에 영향을 받으므로, 일사강도 1,000[W/m²], 셀 온도 25[℃], AM(Air mass) 1.5의 표준시험 조건일 때의 최대출력을 표준 출력으로 표시
(3) 태양전지 어레이의 전기적 구성
태양전지는 스트링, 역류방지 다이오드, 바이패스 다이오드, 서지보호장치(SPD), 직류차단기, 접속함 등으로 구성
스트링: 모듈의 개방전압을 기준하여 파워컨디셔너의 입력전압 범위 내에서 결정되는 모듈의 직렬회로 집합. 각 스트링에는 스트링간의 전압차로 인한 역류를 방지하기 위한 목적의 역류방지 다이오드를 직렬로 접속
바이패스 다이오드: 모듈의 셀 일부분에 음영이 발생한 경우 전류 집중으로 인한 열점(Hot spot)으로 인한 셀의 소손을 방지하지 위해 설치
접속함: 스트링 단위로 발전된 전력을 합쳐 파워컨디셔너회로에 전력을 공급하기 위하여 태양광 발전 어레이와 파워컨디션 사이에 설치. 내부에는 역류방지 다이오드, 서지보호장치, 차단기, 통신장치 등 내장
(4) 기능별 태양광 모듈
- A 등급(Class A)
① 접근제한 없음, 위험한 전압, 위험한 전력용
② 직류 50[V] 이상 또는 240[W] 이상으로 동작. 일반인의 접근이 예상되는 곳
- B 등급(Class B)
① 접근제한, 위험한 전압, 위험한 전력용
② 울타리나 위치 등으로 공공의 접근이 금지된 시스템으로 사용이 제한
- C 등급(Class C)
① 제한된 전압, 제한된 전력용
② 직류 50[V] 미만이고, 240[W] 미만에서 동작. 일반인의 접근이 예상되는 곳
- 건물일체형 태양광발전(BIPV: Building Integrated Photovoltaic)시스템
건축물의 지붕 및 입면에 외벽 마감재 대신 태양광 모듈로 건축물 마감재를 대체하는 것
① 건축 재료와 발전기능을 동시에 발휘
② 태양광발전시스템 설계 시 건축가(건축설계자)와 사전현의가 필요
③ 태양전지 모듈을 지붕, 파사드, 블라인드 등 건물외피에 적용
④ 실리콘 태양전지에 비해 가격이 고가이고 효율이 낮아 적용실적이 낮음
(5) 태양전지 모듈 선정 시 고려사항
- 변환효율: 단위면적당 들어오는 태양광에너지가 전기에너지로 변환되는 비율.
- Power Tolerance: 다수의 셀을 직렬 또는 병렬로 연결한 경우 각 모듈의 최대출력이 전압과 전류의 특성차이 등으로 이론상의 출력과 차이가 발생되는 것
① Power Tolerance 검토
② 모듈을 직렬로 구성할 경우 가장 낮은 전압이 발전되는 스트링이 다른 스트링에 영향을 미쳐 전체적으로 발전전압이 낮아지므로
- 신뢰성: 설치 후 내용 수명동안 사용이 가능토록 높은 신뢰성을 갖춰야 함
- 경제성: 효율과 신뢰성 등이 같은 경우, 가격이 저렴한 것을 선택
- 인증: 국내의 공인인증기관에서 KS인증 받은 모듈을 사용
- 설치분류: 건축물에 설치하는 태양전지 모듈은 설치 부위, 설치방식, 부가기능 등의 차이가 있으므로, 건축물의 설치여건을 고려하여 선정
(6) 모듈의 성능
솔라 시뮬레이터를 사용하여 표준시험 조건(STC)에서 시험하고, 결과를 모듈 뒷면에 성능 표시
- 표준시험 조건(STC: Standard Test Conditions)
① 소자 접합온도: 25[℃]
② 대기질량 지수: AM 1.5
③ 조사강도: 1,000[W/m²]
- 표준 운전 조건(SOC: Standard Operating Conditions)
① 일조강도(방사조도): 1,000[W/m²]
② 태양광발전 소자 접합온도: 공칭작동 태양전지 온도(NOCT)
③ 스펙트럼 조성: 대기질량 지수(AM) 1.5
- 공칭작동 태양전지 온도(NOCT: Nominal Operating photovolaic Cell Temperaure)
다음 조건에서 모듈을 개방회로(부하 없음)로 하였을 때 도달하는 온도
① 표면에서의 기준분광 방사조도: 800[W/m²]
② 공기 온도($T_{amb}$): 20[℃]
③ 풍속: 1[m/s]
④ 경사각: 수평선상에서 45˚
공칭작동 태양전지 온도(NOCT)가 주어졌을 때 세의 온도($T_{cell}$) 계산식은 다음과 같으며, 셀의 온도는 주위온도가 높을 때, 인버터의 최저 동작전압에 따른 모듈의 최소 직렬수량 산정 시 사용
$$T_{cell}=T_{amb}+(\frac{NOCT-20}{800} \times S) [C^{ \circ }]$$
$T_{amb}$: 공기온도(주위온도) [℃]
$NOCT$: 공칭작동 태양전지 온도 [℃]
$S$: 일조강도[W/m²] ※ 표준일조강도 1,000[W/m²]
- 공칭 모듈동작 온도(NMOT: Nominal Module Operating Temperature)
① IECEE TC82 WG 2에서 2016년 NOCT의 불확실성에 관련하여 IEC 61215: 2005를 폐지하고 IEC 61215-2 : 2016를 제정하면서 NOCT 시험항목을 삭제하고, 공칭 모듈동작온도(NMOT)시험항목으로 대체 하였으나 국내 표준에는 도입되지 않음
② NMOT는 NOCT보다 매개변수를 다변화 하였으며, 특히 전기적 부하를 모듈에 연결하여 발전하는 전력을 소모시킨다는 점이 차별화
③ NMOT는 필터링 조건에서 풍속 범위가 1~8[m/s]로 기존 NOCT의 풍속범위인 0.25~1.75[m/s]에 비하여 상당히 넒음
④ NMOT가 주어질 때 모듈의 온도 계산식
$$T_{cell}=T_{amb}+(\frac{NMOT-20}{800} \times S) [C^{ \circ }]$$
$T_{amb}$: 공기온도(주위온도) [℃]
$NMOT$: 공칭 모듈동작 온도 [℃]
$S$: 일조강도[W/m²] ※ 표준일조강도 1,000[W/m²]
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