태양광 시스템의 설계 및 설치 개요

태양광 시스템을 설계하고 설치하기 위해 고려해야 할 것들을 간단히 정리해 보았습니다. 향후 추가 글로 상세하게 접근해볼 예정입니다.

Introduction

 

Photovoltaic system의 장점은, 발전원의 특성상 무한한 사용이 가능하며, 화석연료를 사용하지 않아 대기오염 및 폐기물 처리 등의 비용이 들지 않는다. 또한, 타 발전소대비 유지보수 비용이 적으며, 관리가 쉽고, 긴 설비 수명(모듈 수명은 25년 이상, 모듈 출력 25년간 85% 이상 보증됨. mono-Si, p-Si 한정)을 가지고 있으며, 유휴부지나 건물의 옥상, 지붕에 설치 가능한 점이 있다.

 

 이 글의 목적은 Photovoltaic system 최적 설계를 위한 설치 location 선정, 자재 사양 선정, 계통 시스템 결정, 관련 자재 BOM 산정 등 Photovoltaic 설계에 대한 기준, 설계 절차, 설계 설명서 등을 간단히 제공하는데 있다.

 

System and Item description

 

Photovoltaic system의 원리

 

햇빛이 Photovoltaic module이 내리쬐게 되면, module상의 전자가 원자핵의 구속으로부터 벗어나게 된다. 이에 따라서 Electron hole(+)과 Electron(-)이 PN접합으로 이동하여 전위차가 발생하게 된다.

전위차가 발생한 Module에 부하를 연결하면 DC 전류가 생산된다.

 

Photovoltaic system의 구성

 

·         Photovoltaic modules

·         Support

·         Inverters

·         Grid connected or Stand Alone System or Hybrid system

·         ETC

 

Photovoltaic modules

 

 Photovoltaic module는 태양광을 통하여 전력을 공급하는 main item이다.

생산 자재/기술에 따라 Crystalline silicon modules과 Thin film modules로 나뉘며, Crystalline silicon modules는 mono-crystalline와 multi-crystalline등으로, Thin film modules는 a-Si, CdTe (cadmium telluride), CLS (copper indium selenide)등으로 나뉜다.

 

 

 

 

Mono-crystalline

Mono-crystalline silicon (mono-Si), 혹은 single-crystalline silicon (single-crystal-Si)로 불리며, 아래 사진과 같은 형태이다.

 

장점:

- 효율이 15~20%로 타 module 대비 제일 높음

- 다른 module대비 설치 공간 효율이 제일 좋음

- 25년 이상의 warranty 가능함

 

단점:

- 가격이 제일 높음

- Central string inverter 적용중에 외부 요인으로 출력 저하 발생 시 전체 회로에 파손이 있을 수 있음. 해당 문제를 막기 위해서는 micro type inverter를 적용 해야 함

- 생산 시 대량의 silicon 폐기물 발생

- 온도 상승 시 출력이 감소함

 

Multi-crystalline

Poly-silicon (p-Si), 혹은 multi-crystalline silicon (mc-Si)로 불리며, 아래 사진과 같은 형태이다.

장점:
- 제조 공정이 간단하며 비용이 저렴함
- 폐기되는 silicon의 양이 mono-Si보다 적음
- 온도 상승 시 출력 저하가 mono-Si보다 약간 낮음

단점:
- silicon의 순도가 낮아 mono-Si보다 효율이 낮음 (13~16%)
- 설치 공간 효율성이 낮음
- 외관상으로 색이 불균형해 보임 (아래 사진 참고)

 

Thin-Film

기판상에 하나 또는 수 개의 얇은 layer을 deposition하여 제조하는 방식으로, photovoltaic material에 따라 아래와 같이 분류 할 수 있다.
- Amorphous silicon (a-Si)
- Cadmium telluride (CdTe)
- Copper indium gallium selenide (CIS/CIGS)
- Organic photovoltaic cells (OPC)
현재 7~13%의 효율을 가지고 있으며, 추후 10~16%까지 상승할 것으로 예상된다.
북미쪽에서 주로 생산/설치되고 있는 방식이며, 형태는 아래 사진과 같다.

장점:
- 대랑 생산이 간단함
- 외관이 동일/균일하게 보임
- Flexible이 가능한 concept으로 생산 가능
- 고온과 음영이 성능에 영향을 덜 미침

단점:
- 넓은 설치 공간을 필요로 함
- 기타 장비 (support, cable 등)의 비용이 증가됨
- p-Si와 mono-Si대비 Warranty기간이 짧음

 

Support

Photovoltaic module이 설치될 수 있도록 지지해주는 item이다.

설치 방식은 아래 sample 포함하여 여러 가지 방법이 있다.

 

Inverters

Photovoltaic module에서 생산된 DC 전력을 AC 전원으로 변환시켜주는 장비이다.

각 계통 system마다 다른 type의 inverter가 적용 되야 한다

Photovoltaic item 중 가장 잦은 파손이 발생되는 장비로서, 안정성이 높은 제품을 사용해야 된다.

 

 

Grid connected or Stand Alone System or Hybrid system

Photovoltaic system은 계통 구성에 따라 Grid connected or Stand-alone System or Hybrid system의 3가지 system으로 나뉜다.

 

Grid connected system

기존 계통과 연결되는 system으로, 주간에 photovoltaic system을 통해 생산된 전력을 기존 계통에 연계하여 사용하는 방식이다.

 

Stand-alone system:

기존 계통과 연계가 힘든 지역에서 적용하는 system이며, 낮에는 photovoltaic을 통해 생성된 전력을 사용하고 남은 전력을 ESS에 충전하여 밤시간에 사용하거나, ESS가 없을 시 낮에만 전력을 사용하는 방식이다.

 

Hybrid system:

Grid connected system에 ESS를 적용한 system이다.

 

ETC

Cleaning system

Photovoltaic module에 먼지로 인한 효율 저하를 막기 위하여 자동으로 청소를 해 주는 system이다.
물로 청소하는 type과, brush를 사용하여 청소하는 type가 있다.

 

Monitoring system

생산된 전력을 확인하기 위한 system으로, 대규모 Photovoltaic 발전소에 주로 사용된다

 

Cable route

생산된 전력을 사용하기 위하여 Cable route가 구성 되어야 한다.

 

Earthing & Lightning

기기의 손상 방지 및 인명 사고 방지를 위하여 Earthing & Lightning system이 구성 되어야 한다.

 

 

 

 

Design Procedure

 

Photovoltaic 설치 자료 확인

Photovoltaic 설계를 위하여 설치를 필요로 하는 기초 정보를 확인하는 단계이다.

·         Tender requirement

·         설치 Location

·         설치 용량

·         계통 concept

·         설치 equipment

 

Tender requirement

발주처 Tender requirement를 검토하는 단계이다.

발주처에서 Photovoltaic system 설계/설치에 요구하는 정보를 검토 후 Project에 맞게 적용 되도록 검토 실시 한다.

 

설치 Location

Photovoltaic module이 설치 가능한 Location의 정보를 확인하는 단계이다.

설치 Area의 concept(철골구조물, 콘크리트구조물, 나대지 등)에 따라서 설치 concept이 변경되며, 설치 가능 면적에 용량의 타당성 검토가 필요하다. 설치 면적에 따라 필요 용량의 적용이 불가능할 수 있어 설치 가능 Area 면적의 확인이 필요하다.

 

설치 용량

Photovoltaic module의 용량을 확인하는 단계이다.

용량을 Fix되어 설치하는 case와, 특정 item에 소요되는 용량에 대해 photovoltaic 설비를 공급하는 case가 있다.

 

계통 Concept

계통 구성을 확인하는 단계이다.

계통 구성에 따라 Grid connected or Stand-alone System or Hybrid system의 3가지 system으로 나뉜다.

o    각 system별로 요구되는 equipment의 변동이 있다.
EX) Inverter 사양 변경, ESS(Battery)의 공급 여부, 등

o    Grid connected, Hybrid system의 경우 기존 계통과 연계 되어야 하므로, 기존 계통에 대한 study와 협의가 필요하다.

 

설치 Equipment

설치되는 Equipment를 확인하는 단계이다.

Module, Support, Inverter, Cable, Earthing의 경우 기본적으로 공급하게 되며, Monitoring system, cleaning system, Adjustable support, ESS 등의 경우 발주처 요구에 따라 공급하는 case가 있다.

  

기초 설계

Photovoltaic 기초 설계 단계는 아래와 같다.

·         PV simulation 실시 (by PVSYST)

o    PVsyst - 태양광 설치 분석 프로그램

·         Location Layout 초안 검토

·         Single line diagram 검토

·         Equipment specification 확인 및 검토

 

PV simulation 실시

설치 Location 정보, Module 정보, Inverter 정보 기반으로 photovoltaic의 simulation을 실시 한다. 이 작업에 사용되는 대표적은 program은 PVSYST이다. 해당 program을 통해 최상의 설치 각도, 일조량, 설치 위치에 따른 효율, 연간 전력 생산량(예상)등의 Data 확인이 가능하다.

 

Location Layout 초안 검토

 Photovoltaic module이 설치 되는 위치에 대하여 초안을 작성/검토 실시 한다.

o    설치 방향은 방위에 따라 최상의 각도로 설치되게 되나, 설치 상황에 따라 정남향이 아닌 각도로 설치가 가능 하다. 이의 경우 설치 각도에 따른 효율 저하가 있으므로, 설치 개소와 미관상의 사항 및 금액에 따라 합리적으로 선택이 필요하다.

o    Module간 이격 거리는 동지 시 태양 고도와 하지 시 태양 고도를 반영하여 최대한 음영 지역이 없도록 배치한다.

o    건축물 상부에 설치 시, 기존 설치되어 있는 장비들을 고려해서 설치될 수 있는 영역을 감안하여 Arrange해야 되며, 비상시를 대비한 exit route도 구성 될 수 있도록 한다.

  

단선도 (Single line diagram, SLD) 검토

Photovoltaic의 single line을 검토한다.

각 item의 기본적인 계통 구성에 대해 확인이 필요하며, 통상적으로 적용되는 Grid-connected system의 경우 기존 계통과 연계되므로, interface에 따른 문제점을 반드시 파악 해야 한다.

 

 Equipment specification 확인 및 검토

적용되는 Equipment의 specification을 검토한다.

설치하고자 하는 발전소의 요구 조건에 맞으며, 현장 요건과 system에 맞도록 적용되는 모든 item에 대한 상세한 검토를 실시하여, 문제가 발생되지 않도록 검토한다.

o    Module의 경우 여러 종류에 따라 적용 되어야 하는 Code가 다르며,

o    Inverter의 경우 계통 system, 용량에 따라 Type이 변경 되어야 하므로 주의하여 검토한다.

 

상세 설계

Photovoltaic 상세 설계 단계는 아래와 같다.

·         도면 작성

·         간섭 사항 검토