독립형 태양광 발전 시스템 소개
'via Blog this'
| 독립형 태양광 발전 시스템 소개 |
독립형 태양광 발전 시스템은, 전력회사와 전력의 주고 받음을 하지 않아 태양전지로부터의 전기만으로 시스템이 완결되고 있는 것입니다. (아래그림 참조) |
 |
태양전지
태양전지는 직류(DC:Direct Current)의 전기를 발생합니다. 직류 전기 기기는 동작하지만, 교류(AC:Alternating Current)의 전기 기기를 동작시키려면 DC-AC 인버터가 필요하게 됩니다. Battery 태양전지는 빛이 있을 때만 발전합니다. 건전지와 같이 전기를 모아 두는 기능은 없습니다. 야간이나 흐린 날에 전기를 사용하고 싶을 때는 battery(축전지)에 모아 둔 전력을 사용하게 됩니다. 안정된 태양광 발전 시스템을 구축할 때는, battery가 필요하게 됩니다. battery의 종류에는, 자동차 등에 사용하는 연축전지부터 단3, 단4건전지 등에 사용되는 nickel 수소 전지, 딥사이클 등 여러가지 타입이 있습니다. Charge 콘트롤러 battery에는 모아 둘 수 있는 전력 용량에 한계가 있습니다. 그 한계를 초월해 battery에 전기를 보내면, 사용 수명이 단축되는 것뿐만 아니라, battery 자체가 파손해 버립니다. charge 콘트롤러(충방전 콘트롤러)는 battery의 전압을 감시하고, 만충전 시에는 차단, 충전 부족에는 접속하는 동작을 자동적으로 행합니다. DC-AC 인버터 DC-AC 인버터는 직류를 교류로 변환하는 기기입니다. 교류로 하는 것(일)에 보다 가정의 콘센트에 연결하고 있는 전기 제품(퍼스널 컴퓨터, 텔레비젼, 오디오, 통신장비, 전등 )을 사용할 수 있게 됩니다. 기타 역류 방지 다이오드 태양전지의 출력이 적을 때, battery부터 태양전지에 전류가 역류하는 것을 방지합니다. 태양전지에 내장되어 있기도 하기 때문에, 사양서를 참고로 합니다. 퓨즈 합선, 과전류에 의한 사고 발생시에 회로를 차단합니다. 퓨즈는 가능한 한 battery에 가깝게 설치합니다. 전기 제품에 내장되어 있기도 하기 때문에, 사양서를 참고로 합니다. |
| 시스템 설계 순서 |
독립형 태양광 발전 시스템의 시스템 설계 순서를 소개합니다. 우선, 접속하는 전기 제품을 선정합니다. 방수대책이 필요한 장소에 설치할 때에는, 방수 타입의 기기를 선택합니다. 각 순서로는, 직류12V/60W의 전구 와 교류220V/440W의 퍼스널 컴퓨터를 가정하여, 아래의 <보기> 의 조건으로 사용하기 위한 계산치를 나타냅니다. |
| <보기> 사용하는 전기 기기 가. 직류기기 = 12V / 60W의 전구 ( 1일 2시간 사용 ) 나. 교류기기 = 220V / 440W의 전자제품 ( 1일 3시간 사용 ) 1. 1일 사용에 , 전구는 2시간, 퍼스널 컴퓨터는 3시간 사용하는 것으로 합니다. 2. 우천시나 야간에서의 사용을 고려하고, battery에 모아 둔 전기만으로 5일간 가동할 수 있는 것으로 합니다. 3. 시스템 전압은 12V로 결정합니다. |
| 접속하는 전기 제품의 소비 전류계산 |
접속하는 전기 제품의 소비 전류를 계산합니다. 소비전력, 정격전압은, 전기 제품 본체 또는 취급 설명서에 기재되고 있습니다.
소비전류( A ) = 소비전력 ( W ) / 정격전압 ( V )
|
<보기>
직류12V/36W의 전구 와 교류220V/450W의 퍼스널 컴퓨터 ( 퍼스널 컴퓨터는 교류를 사용하기 위해서 직류에서의 소비 전류를 환산할 필요가 있습니다. ) 1. 직류기기 소비전류( A ) = 60W / 12V = 5A 2. 교류기기 소비전류( A ) = 440W /220V = 2A, 직류전류로 환산하면 440W / 12V = 36.7A |
| 1일에 필요한 발전 전류량의 계산 |
1. 태양전지의 1일에 필요한 발전 전류량를 계산합니다. 설치 조건은 항상 최적이라고 할 수 없기 때문에, 이론적인 1일의 소비 전류량(Ah/일)을 보정 계수에 나눕니다.
태양전지로 필요한 1일 발전 전류량( Ah/일 )
1일의 소비 전류량( Ah/일 ) ------------------------------------------- 출력보정계수 x 배터리 방전 보정계수 x 기타 보정계수 아래에 표시하는 보정계수는 통상적으로 표시하는 수치입니다. 출력보정계수 ( 태양전지의 온도특성, 효율, 기상 등 ) = 0.85 배터리 방전 보정계수 = 0.8 기타 보정계수( DC-AC 인버터 ) = 인버터의 효율은 각 메이커 마다 틀리며 반드시 생산 메이커에서 제공하는 원본 TECHNICAL SPECIFICATIONS을 확인하여 설계하여 주십시오. ( 정확하지 않은 규격으로 계산하여 설비하면 계산상으로 치명적인 오류가 발생하실 수 있습니다. ) 2. 태양전지가 발전할 필요한 전류를 계산합니다. 일반적인 지역에서의 1일에 평균 일조시간은, 3∼4시간(일사량:1000W/㎡에 환산한 경우)입니다. 실제로 계산하면, 중간인 3.5시간(1년간 평균 일조시간을 채용합니다.) 태양전지가 필요한 전류( A ) = 1일 태양전지가 발전할 전류량( Ah/일 ) / 1일 평균 일조시간( h = 3.5h ) |
< 보기 >
보정 계수는, 전구는 직류 기기이기 때문에 1를 계산하고, 퍼스널 컴퓨터는 교류 기기이기 때문에 DC-AC 인버터의 변환 효율90%(0.9)을 계산합니다. ( 로얄 정현파 인버터 효율90% 이상 ) DC-AC 인버터의 변환 효율은 제품에 따라서 다르기 때문에, 사용하는 DC-AC 인버터의 사양을 참고 하여 주십시오. 1. 태양전지의 1일에 필요한 발전 전류량( Ah / 일 ) 계산 5A x 2h 36.7A x 3h ------------ + ------------- = 194.6A ( Ah / 일 ) 0.85 x 0.8 x 1 0.85 x 0.8 x 0.9 2. 태양전지의 필요 전류량 ( A ) 194.6 ( Ah / 일 ) / 3.5 ( Ah / 일 ) = 55.6A |
| ■태양전지의 설치에 대해서 |
태양전지의 출력은, 태양과 직각이 되게 설치한 경우에 최대가 됩니다. 남쪽에 수평면부터의 각도가 년간을 통하여 가장 효율적이게 발전하는 각도로 설치합니다. 설치 장소의 조건으로서, 1년 중에 일조시간이 최단의 날(동지 쯤)의(낮 동안)일중(오전9시부터 오후3시)에, 태양전지에 그림자가 없는 장소로 설치하는 것이 최적입니다. 가능하다면 여름철과 겨울철에 태양전지의 각도를 변경이 가능한 받침대에 설치하는 것이 바람직합니다. |
| 태양전지의 최대 출력 동작 전압 | |
태양전지의 최대 출력 동작 전압은 다음의 계산식으로 구합니다. 다이오드는 태양전지의 발전이 없을 때, battery부터의 역류를 막기 위해서 사용합니다. 태양전지의 최대 출력동작 전압( V ) = 배터리 공급전압 x 배터리의 만 충전계수 + 다이오드 전압강하 1. 여기서는 계산상 배터리 전압이 12V 로 선정합니다. 2. 배터리의 만 충전 계수 ( 연축전지의 경우는 1.24 ) 3. 다이오드 전압강하 ( 실리콘은 순방향시 0.7V의 전압강하가 발생, 요즘은 게르마늄은 사용을 안함 ) | |
| |
| 태양전지의 선정 | |
|
| 태양전지의 병렬 접속·직렬 접속 | ||||
| ||||
<보기>
BP사의 BP365를 2 매사용하고, 병렬 접속하는 것으로 필요한 전류, 전압을 발전시키는 것으로 합니다. 태양전지 1매의 출력 특성 최대 출력: 65W, 최대 출력 전압: 17.7V , 최대 출력 전류: 3.69A 병렬 접속하면 최대 출력: 130W, 최대 출력 전압: 17.7V, 최대 출력 전류: 7.38A 이것에 의해 먼저 산출한 태양전지의 필요 전류 29.33A, 최대 출력 동작 전압 15.58V 이상의 전력을 얻기 위해서는 총 8매의 태양전지가 필요한 것을 알수 있습니다. |
| Battery의 용량 계산 | |||
| |||
| Battery의 용량 표기 |
battery의 규격으로 5시간율 용량(Ah)과 20시간율 용량(Ah)라고 하는 용량의 표기가 있습니다. 그 의미를 모른다고 하는 소리를 잘 듣습니다. 간단히 말하면, battery에 모아져 있는 전기의 분량을 나타내는 척도와 같은 것입니다. (1) 5HR(5시간율 용량) 주로 점등 용량으로 규정하는 것으로, 완전 충전한 배터리를 주변 온도 25℃에서 5시간율 전류로 전압이 10.5V로 떨어질 때까지 방전한 시간의 용량입니다. 대개 20시간율의 80%로 표시합니다. (2) 20HR(20시간율 용량) 이것은 CELL당 1.75V(12V배터리인 경우 10.5V)가 될 때까지 20시간 전류로 계속 방전할 때의 방전한 시간의 용량입니다. 방전하는 동안 전압과 비중의 큰 변화는 없지만 방전이 거의 끝나가는 시점에서 전압과 비중이 갑자기 떨어지는 특성을 보이게 됩니다. 예를 들면, 5시간율 용량(Ah)에 100Ah의 Battery 와 20시간율 용량(Ah)에 100Ah의 Battery , 어느 쪽이 오래 간다고 생각하십니까? . 일반적으로 battery는 대전류를 단시간에 흘려 보내는 것보다도, 적은 전류를 장시간 흘려 보내어 사용하는 쪽이 오래 갑니다. 즉, 앞에서 말한 2종류의 battery를 같은 전류로 방전시켰을 때는, 20시간율 용량(Ah)에 100Ah의 Battery 쪽이 오래 사용하게 됩니다. 20시간율 용량(Ah)에 100Ah의 Battery > 5시간율 용량(Ah)에 100Ah의 battery 다만, 어느 정도 오래 가는지는 Battery의 종류나 시간율 용량에 의해 변화합니다. 일률적으로 말할 수 없는 이유는 각 메이커의 배터리 특성에 따라서 틀려지게 되기 대문입니다. |
| Battery의 선정 | |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| 자동차용 Battery는 쓸만 하다? | |||||||||||||||
태양광 발전용으로 중고의 자동차용 Battery를 사용하는 것은 가능하지만 추천은 하지 않겠습니다. 태양광 발전용의 배터리는 대량 방전이나 충전을 반복하고 있으면, 자동차용 battery는 곧 못쓰게 되어 버립니다. 만일, 일정 전압 이하로 과도하게 방전시키면 Battery는 내부 충격을 입어 수명 단축의 원인이 되기 때문에 자동차용 Battery는 통상 10.5V (1.75V / Cell)까지만 방전 시킵니다 (실제, 자동차의 경우, 한번 Battery가 깊은 방전을 하면, 충전해도 기존 성능의 100%를 기대하기 어렵습니다. ) 차량용 배터리의 종류에는 극판 성분의 차이가 있기는 하나, 일반적으로 PT제품은 마개가 있어 보액이 가능한 제품을 말하고, MF제품은 수명이 종료될 때까지 보액이 필요 없는 무보수 제품으로서 성능이나 수명, 전기 저장용량이 PT제품(DRY TYPE) 보다 우수합니다. 태양광 발전으로 많이 사용하는 Deep Cycle Battery는, 방전과 충전을 번갈아 반복해 사용되는 전원으로서, 깊은 방전에도 견딜 수 있도록 설계, 제작되고 있습니다. 또한 델코에서는 태양발전 전용 배터리가 출시되어 성능이 더욱 향상되었습니다. |
| Charge 콘트롤러(충방전 콘트롤러)의 선정 |
charge 콘트롤러(충방전 콘트롤러)에 필요한 사양(태양전지 입력 전류, 부하 전류)를 구합니다. 여기에서는, 설계에 여유가 있도록 하기 위해서 보수율을 0.85 로 하고 있습니다. ( 필수는 아닙니다 ) |
| 태양전지 입력 전류 ( A ) = 태양전지의 합선전류( A ) / 보수율 직류기기의 최대출력 ( W ) 부하 전류 ( A ) = ------------------------ 시스템 전압 ( V ) x 보수율 |
| < 보기 > BP사의 태양전지 BP365를 2 매 병렬 접속합니다. ●태양전지 1매의 출력 특성 최대 출력: 65W, 최대 출력 전압: 17.7V, 최대 출력 전류: 3.69A, 개방 전압: 22.1V, 합선 전류: 3.99A ●병렬 접속하면 최대 출력: 130W, 최대 출력 전압:17.7V, 최대 출력 전류: 7.38A, 개방전압: 22.1V, 합선 전류: 7.98A
태양전지 입력전류( A ) = 7.98A / 0.85 = 9.39A
60 ( W )
부하 전류 ( A ) = -------------- = 5.88 ( A ) 12 ( V ) x 0.85 ※charge 콘트롤러의 최대 입력 전압은, 태양전지의 개방 전압(앞에서 말한 경우 22.1V)이상이 필요합니다. ※주택용 태양광 발전 시스템용의 태양전지를 사용할 때에는 주의가 필요합니다. 가능하다면 컨트롤러에서 전압과 전류를 자유롭게 변경이 가능한 제품으로 구입하실 것을 추천합니다. |
| Charge 콘트롤러의 기능 |
charge 콘트롤러의 기능으로서, 역류 방지 다이오드(태양전지에 전류의 역류를 막는다), 야간 타이머(조도 센서나 태양전지의 출력 전압에서 일몰을 감지해 부하를 접속), 온도 보정(battery의 온도를 감지해 충전 전압을 보정)을 내장한 것이 있습니다. 희망 시스템에 따라 최적인 것을 선택 주십시오. |
| DC-AC인버터의 선정 |
DC-AC 인버터의 종류로서는, 정현파(싸인파)·와 유사정현파(직사각형파)의 타입이 있습니다. 아래그림에 정현파형과 유사정현파형의 파형에 차이를 나타냅니다.    정현파(싸인파)타입 출력 파형이 일반 가정에 공급되어 있는 상용 전원 파형과 같은 이유로, 사용할 수 있는 부하 기기에 제한은 없습니다. 독립형 발전용 전원 시스템이나, 정밀한 정현파(싸인파)형태를 필요로 하는 측정기기, 의료 기기, 통신장비, 음향기기 등에는, 부하기기를 선택하지 않는 정현파 인버터를 선택하여 주십시오. 유사정현파(직사각형파)타입 전압의 실효치가 상용 전원과 같은 (교류220V)이며, 퍼스널 컴퓨터, 텔레비젼, 전자 레인지, 에어컨, 전동 공구 등, 대부분의 부하 기기를 접속해 사용하실 수 있습니다. 그러나 파형에 특성으로 잡음과 화상 노이즈 등 발생이 생기는 문제로 정확한 파형에 의존하여 동작하는 부하 기기 ( 인버터 방식 형광등, microcomputer 제어 전기 제품, 의료기기, 통신장비, 방송장비, 등)는 문제가 발생할 수 있습니다. 사용하실 기기에 따라서 선택에 주의하여 주십시오. |
| <참고> 변환 효율이 90%의 DC-AC 인버터를 사용하는 경우( PM-3000SL-xx ).
인버터 출력전류(A) = 교류출력(W) / 교류전압(V)
교류전압(V) 인버터 입력전류(A) = 인버터 출력전류(A) x ------------------- 시스템전압(V) x 변환효율 ( 보기 ) 배터리 = DC12V, 부하용량 = 220V 50W 인버터 출력전류(A) = 440W / 220V = 2A AC 220V 인버터( 12V용 PM-3000SL-12 ) 입력전류(A) = 2A x ------------ = 40.74A DC12V x 0.9
AC 220V
인버터( 24V용 PM-3000SL-24 ) 입력전류(A) = 2A x ------------ = 20.37A DC24V x 0.9
<DC-AC 인버터의 입력 전류와 출력 전류는 다릅니다! >
이 계산을 잘못하면, DC-AC 인버터가 정상적으로 동작하기 어렵습니다. 입력에 공급되는 직류(DC) 전류는 대전류가 흐르기 때문에 배선 케이블의 굵기와 길이에 대한 선정에도 충분히 주의할 필요가 있습니다. 출력 전압은 교류(AC)이기에 일상적인 전원케이블을 사용하시면 됩니다. <원칙으로서 DC-AC 인버터는 battery와 직결해 주십시오! AC 220V 기기는 전원 투입 직후에 정격전력 이상의 전력을 소비하기 때문에, charge 콘트롤러와 접속한 경우, 대전류에 의해 콘트롤러를 파손하는 경우가 있습니다. |
| 전기 제품의 출력용량에 대해서 |
DC-AC 인버터의 출력용량에 접속하는 전기 제품의 정격출력이 잘못된 연결에 따라서, 전기 제품이 동작하지 않는 일이 있습니다. 다음은 전기 제품의 출력에 대해서 설명합니다. |
| 소비전력이란 무엇인가? |
가정용 전기 제품에는 반드시 규격 seal 이 붙어 있습니다.
규격 seal에는, 제품의 정격소비전력(W)에 대한 규격 정보가 표시되어 있습니다. 1. 사용 입력전압(V) 2. 소비전류(A) 3. 소비전력(W) |
| 전력(W)와 전압(V)와 전류(A)의 관계 |
전기 제품의 소비전력은 다음 식으로 구할 수 있습니다.
전력(W) = 전압(V) x 전류(A) 입력이 220V에 소비전류 3.5A의 가전 제품의 소비전력은, 770W = 220V×3.5A 가 됩니다. 만일, 모터류와 같은 제품을 동작시키면 정격소비전력 보다도 처음 기동시에 많은 소비전력이 소비됩니다. 이때에 소비되는 전력은 제품에 따라서 차이는 있지만 평균 3배이상의 써지전력이 필요하게 되며 따라서 인버터의 선정시 정격출격용량과 써지출력용량을 확인하고 2가지 조건이 만족한 제품을 선택하시기를 바랍니다. 여러분이 사용하실 제품의 부하는 반드시 정격용량에 기준을 두고 선택하셔야 합니다. 써지출력 혹은 피크출력으로 계산하시면 안되는 이유는 써지출력과 피크출력은 순간적인 출력이기에 정격출력에 포함시키면 안되는 것입니다. 모터류와 같은 제품을 사용할 때 순간적인 전류에 의한 기동출력을 보완하기 위하여 필요항 사항이라는 것을 알아 두시기 바라며 로얄 파워 인버터를 반드시 구입하실 때는 참고하여 주시기 바랍니다. 참고: 로얄 정현파 인버터 |
| 정격전력(W)와 최대전력(W)의 차이 |
텔레비젼의 경우
규격 seal에 표시되어 있는 소비전력은, 브라운관에 영상이 나타나기 시작하고 나서의 소비 전력을 뜻하는 것입니다. 이때에, 소비되는 소비용량을 정격출력용량( Output power continuous )으로 계산하여 사용합니다. 브라운관에 영상이 사라지고 처음으로 전원을 공급하여 브라운관에 영상이 시작할 때까지의 최대 전력은, 소비전력의 약 2~3배 이상의 전력이 필요입니다. 이때에 소비되는 소비용량을 써지 출력 용량( Max. Surge power )으로 계산하여 사용합니다. 예를 들면, 소비전력이 40W의 텔레비젼을 사용하려면, 40W × 3= 120W의 써지 용량을 견딜 수 있는 DC-AC 인버터가 필요하게 됩니다. 또한, 정격출력용량은 40W급을 견딜 수 있는 DC-AC 인버터를 선정하셔야 합니다. 2가지 조건이 맞아야 정상적인 동작을 보장 받을 수 있습니다. 냉장고의 경우 규격 seal에 표시되어 있는 소비전력은, compressor의 회전이 안정하고 나서의 소비전력이의 것입니다. compressor가 멈춘 상태부터 안정해 회전하기 까지 필요한 최대 전력은, 소비전력의 약 3~5배 이상의 전력이 필요합니다. 예를 들면, 소비전력이 50W의 냉장고를 사용하려면, 50W × 5 = 250W의 인버터가 필요하게 됩니다. 형광등의 경우 형광등을 점등하기 위해는, 형광관과 형광등 기구의 계산이 필요합니다. 형광등 기구의 소비전력은, 형광관의 소비전력(W)과 거의 같기 때문에 약2배의 전력이 필요하게 됩니다. 예를 들면, 20W의 형광관 4개의 형광등을 점등하기 위해는, 20W×4개 ×2 = 160W가 되고, 정격출력160W이상의 인버터가 필요하게 됩니다. |
| 배선 케이블의 선정 |
태양전지에서 발전한 전기를 떨어져있는 장소에서 사용하려면 배선 케이블이 필요합니다. 단지 배선 케이블이라고 해도 여러가지 종류가 있고, 흘려 보내는 전류, 전압, 그리고 사용 환경에 맞추고 적절한 것을 선정할 필요가 있습니다. 다음에, 태양광 발전용에 사용하는 좋은 배선 케이블과 그 허용 전류에 대해서 설명합니다. |
배선 케이블의 종류에 대해서 1. CV케이블 내전압: 600V, 내열 온도: 90℃. 케이블 피복에 내후성의 소재를 사용하고 있기 때문에, 그대로의 상태로 비바람으로 쬐어지는 옥외나 지중에 메워 사용할 수 있습니다. 도체는 연선이 일반적입니다. 여름 한철, 지붕 위에 설치한 태양전지 부근의 온도는 80℃에 달한다고 정의하고 있습니다. 태양 빛의 자외선에 쬐어지는 곳에 있는 태양전지의 옥외 부분은 CV케이블을 사용합니다. 2. VCTF케이블 내전압: 300V, 내열 온도: 60℃. 옥내로 사용하는 300V이하의 소형 전기기구의 전원 코드로서 주로 사용됩니다. sheath(절연 피복)에 내후성 소재를 사용한 것은 옥외 배선에 사용할 수 있지만, 내열 온도는 60℃이므로, 지붕에의 직접 설치는 피하는 것이 좋습니다. 3. VVF케이블 내전압: 600V, 내열 온도: 60℃. 약칭 F케이블이라고도 불리고 있습니다. 일반 주택의 옥내 배선에 사용되어 있는 케이블입니다. 배선 duct내에 설치하는 것 보다 지중에 메워 사용하기도 합니다. 도체는 단선이 일반적입니다. VVF케이블은 내열 온도가 60℃이기 때문에 태양전지의 옥외 부분에 설치할 수 없습니다. 비바람의 영향이 없는 옥내에서 사용해 주십시오. 4. KIV케이블 내전압: 600V, 내열 온도: 60℃. KIV케이블은 600V이하의 전기 기기의 배선 및 제어반 등의 배선으로 사용되어 있는 케이블입니다. 유연성에 좋아서 charge 콘트롤러, 배터리, 인버터 배선 등 비바람의 영향이 없는 옥내 배선으로서 사용하실 수 있습니다. 5. 자동차용 저압 배선 독립형 태양광 발전 시스템 전압은 12V 또는 24V가 일반적입니다. 따라서, 카 용품점 등에서 판매하고 있는 자동차용의 파워 케이블 등도 이용할 수 있습니다. 자동차용 저압 배선 종류로서, AV선(vinyl 절연 저압 배선)이나 내열성에 우수한 AVX선(내열 저압 전선) 등이 있습니다. 옥내에 설치하는 배터리 와 인버터 등의 기계간을 배선할 때에 이용할 수 있습니다. |
배선 케이블의 허용 전류에 대해서
배선 케이블에 전류가 흐르면, 배선 케이블의 온도가 상승합니다. 전류를 흘려 보내는 것이 지나치면 발열이 되고, 배선 케이블의 수명을 줄이고, 절연이 파손되면 화재나 누전, 감전의 원인이 됩니다. 배선 케이블에는 흘려 보내는 것이 가능한 용량이 정해져 있으며, 배선 케이블의 허용 전류라고 합니다. 도체의 굵음을 나타내는 단위로서, 연선에서는 m㎡(도체의 단면적), 단선에서는 mm(도체의 직경)이 사용됩니다. |
** 출처 : 로얄ENG
No comments:
Post a Comment