태양광 발전 기초 — 빛을 직류로 변환하여 전력망 및 배터리에 연결하는 방법

태양광 패널은 교류(AC)를 직접 출력하지 않습니다. 반도체 pn 접합에서 광자의 에너지가 전자와 정공으로 분리되고, 셀에서 생성된 직류(DC) 전류는 직렬 및 병렬로 연결되어 MPPT(최대 전력점 추적) 및 전력 조절기를 통해 사용 가능한 전기로 변환됩니다. 옥상에 설치된 몇 개의 패널부터 대규모 태양광 발전소, 배터리, 그리고 전력 시장까지 모든 것을 하나의 시스템으로 간주하여 발전 그래프를 전력망 운영과 연결합니다.

대규모 태양광 발전 사례

이미지: Photovoltaic 트래버스 태양광 발전소의 패널 (Kkiefuik, CC BY 4.0), Wikimedia Commons. 이 글에 있는 사진은 배치도이며, 출력이나 효율 수치를 직접 측정한 것이 아닙니다.

0. 30초 요약

• 태양 전지의 출력은 전압과 전류의 곱인 P=VI로 결정됩니다. 일사량이 많을수록 전류는 주로 증가하고, 온도가 높을수록 전압은 낮아집니다.

• I-V 곡선은 하나의 최대 전력점(MPP)을 가지며, MPPT(최대 전력점 추적)는 DC-DC 컨버터의 동작점을 이 MPP로 추적합니다. 음영이 발생하면 여러 개의 국부적인 피크가 생길 수 있습니다.

• 인버터는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하고 역률, 무효 전력, 고조파 및 계통 분리 방지 기능을 제어합니다. 배터리를 사용하면 낮 시간대의 잉여 전력을 저녁 시간대로 옮길 수 있습니다.

• 옥상, 농업용 태양광, 부유식 및 해상 태양광 발전 설비는 설치 위치에 따라 온도, 반사, 유지 보수, 계통 용량 및 환경적 고려 사항이 각각 다릅니다.

• 페로브스카이트, 탠덤 셀, 재활용 및 계통 연계형 인버터는 모두 연구 단계에 있지만, 수명, 캡슐화, 납 관리, 경제성 및 유지보수 측면에서 평가가 필요합니다.

1. pn 접합은 빛을 전류로 변환합니다

Diagram 1 · Use the button to switch views

그림 1 — 두 개의 태양광 발전 시스템을 비교하기 전에 셀 변환, 온도, 음영, 배선, 전력 조절 및 출력 제한 손실을 분리합니다.

태양 전지에 부딪히는 광자의 에너지가 반도체의 밴드갭을 초과하면 전자-정공 쌍이 생성됩니다. pn 접합의 공핍 영역의 전기장은 이 두 정공을 반대 방향으로 분리하여 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 합니다. 이상적인 셀 전류는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

여기서 I_{ph}는 광전류이고, I_0는 암전류, 기본 전하량, 이상성 계수, 그리고 절대 온도입니다. 개방 회로 전압(V_{oc}) 근처에서 전류는 급격히 감소하고, 단락 회로 전류(I_{sc}) 근처에서는 전압이 거의 0에 가깝습니다. 이 곡선의 변곡점이 최대 전력점(MPP)입니다.

셀을 직렬로 연결하면 전압이 상승하고, 병렬로 연결하면 전류가 상승합니다. 패널의 바이패스 다이오드는 부분적인 음영으로 인해 전체 셀 스트링에 역방향 바이어스가 걸려 열이 발생하는 핫스팟을 방지합니다. 음영, 먼지, 눈, 노화는 모두 각 스트링의 I-V 곡선을 변화시키므로 발전량 모니터링은 전압, 전류, 온도를 함께 기록합니다.

2. MPPT: 최대 전력점 추적

최대 전력 조건은 다음과 같습니다.

대표적인 MPPT 방법에는 Perturb가 있습니다. 언덕 오르기(hill-climbing) 방식은 동작 전압을 미세하게 조정하고 전력 반응을 관찰하는 방식이고, 증분 전도(Incremental Conductance) 방식은 dI/dV=-I/V 조건을 만족하도록 제어하는 방식입니다. 일사량이 갑자기 변할 경우, 이러한 방식들은 이전의 증가 또는 감소를 잘못 따라갈 수 있기 때문에 기상 센서, 다중 스트링, 예측 제어를 결합한 연구가 진행되고 있습니다.

3. 전력 조절기 및 계통 연계

PV의 직류(DC) 출력은 승압 변환기, DC 링크 커패시터, H-브리지 또는 3상 인버터를 통해 교류(AC)로 변환됩니다. PLL을 통해 계통 위상을 추적하고 전류를 정현파로 만드는 계통 추종 제어 방식이 일반적입니다. 계통 정전 시 옥상 PV가 계속 전력을 공급하는 것은 작업자에게 위험하기 때문에 계통 분리 방지 감지 및 차단 기능이 필요합니다.

재생 에너지 비중이 높은 취약한 계통에서는 인버터가 단순히 계통 전압을 추적하는 것이 아니라 전압 소스처럼 동작하는 계통 형성 제어 방식이 주목받고 있습니다. 가상 동기 기계, 가상 발진기 등이 이러한 기술에 활용되고 있습니다. 드룹 제어(Droop control)는 주파수 편차와 전압 변동에 신속하게 대응할 수 있도록 합니다. 이는 태양 전지의 반도체를 변경하는 것이 아니라, 전력 변환기의 제어 및 보호 기능을 전체 전력망에 맞추는 것입니다.

4. 일사량, 온도 및 설치 각도

평면 일사량 [W/m²], 모듈 면적 [A], 변환 효율 [\eta]을 이용하여 순간 출력은 다음과 같이 근사할 수 있습니다.

효율 [\eta]은 온도 계수에 따라 감소합니다. 지붕 재료와의 간격, 후면 환기, 설치 구조, 방위각, 경사각 및 반사광은 모두 연간 발전량에 영향을 미칩니다. 양면형 모듈은 지면 반사율(알베도)을 활용하므로 설치 표면의 상태(자갈, 눈, 농경지 등)까지 설계에 포함해야 합니다.

농촌 태양광 발전소에는 다음이 필요합니다. 작물에 도달하는 빛의 양을 너무 많이 차단하지 않도록 패널 차광을 적절히 분산시키고 농기계 작업 높이를 확보해야 합니다. 부유식 태양광 발전 설비는 수면의 냉각 효과, 앵커링, 파도, 케이블, 조류 및 수질에 미치는 영향 등을 평가해야 합니다. 발전량 극대화만을 고려하면 작물 수확량 및 유지 관리 용이성과의 상충 관계를 간과할 수 있습니다.

5. 배터리 및 예측

태양광 발전으로 생산된 잉여 전력은 배터리를 충전하여 저녁이나 흐린 날씨에 방전할 수 있습니다. 배터리의 에너지 상태(SOC)는 전력 명령(P_b)과 왕복 효율(\eta_{rt})을 사용하여 다음과 같이 업데이트할 수 있습니다.

여기서 P_{ch}과 P_{dis}는 충전 및 방전 전력이고, \eta_c,\eta_d은 각각의 효율입니다. SOC 상한/하한, 온도, 열화, 상호 연결 용량 등이 제약 조건으로 고려됩니다. 구름 그림자 예측도 필요합니다. 몇 분 앞서 예측하면 배터리를 계속 사용할 수 있도록 유지할지, 아니면 출력을 제한할지 선택할 수 있습니다.

6. 최신 기술 및 연구

오늘날 일반적인 태양광 발전 시스템은 결정질 실리콘 셀, 스트링 또는 마이크로 인버터, 모니터링 게이트웨이, 회로 차단기, 접지/낙뢰 보호 장치, 그리고 필요한 경우 배터리로 구성됩니다. 성능 비교 시에는 정격 효율뿐만 아니라 부분 부하 효율, 야간 대기 전력, MPPT 전압 범위, 아크 결함 감지, 원격 펌웨어 업데이트, 교체 부품, 염분/적설 부하 등급 등을 고려해야 합니다.

연구는 실리콘 위에 다른 밴드갭 페로브스카이트를 적층한 탠덤 셀, 곡면에도 적용 가능한 경량 박막, 장수명 캡슐화, 납 회수 및 재활용, 계통 연계형 인버터, 그리고 태양광 발전과 배터리, 수소, 수요 반응을 결합한 시스템에 집중하고 있습니다. 실험실 변환 효율이 높더라도 대형 모듈의 균일성, UV/습도/온도 사이클링, 25년 이상의 보증 기간, 그리고 수명 종료 후 회수 문제는 여전히 해결해야 할 과제입니다. 상용화.

7. 모니터링, 유지보수 및 안전

출력 감소를 감지하려면 날씨를 고려한 예상 값과 실제 측정값을 비교해야 합니다. 스트링 전류 이상치, 패널 온도 차이, 인버터 절연 저항, 아크 결함 감지, 접속함 퓨즈 및 케이블 커넥터를 점검하십시오. 드론 적외선 이미징을 통해 핫스팟을 포착할 수 있지만, 반사, 바람 및 측정 각도의 영향을 받으므로 이상 감지는 전기 측정값과 상호 검증해야 합니다.

DC 아크는 차단기가 열린 후에도 지속될 수 있습니다. 작업자는 패널이 햇빛을 받는 한 발전 전압이 계속 존재한다고 가정하고 관련 전기 안전 규정 및 제조업체 절차를 준수해야 합니다. 배터리가 함께 설치된 경우 화재 대응(소화, 격리, 재발화 및 소방서 및 전력 회사와의 협조)을 계획에 포함해야 합니다.

8. 결론

태양광 발전은 셀 광변환, MPPT, DC-DC 변환, 인버터, 변압기, 모니터링, 저장 장치 및 계통 보호를 아우르는 연속적인 시스템입니다. 연간 발전량을 비교할 때는 일사량, 온도, 음영, 먼지, 열화, 변환 손실 및 출력 제한을 동일한 조건으로 고려해야 합니다. 페로브스카이트 또는 그리드 형성 인버터에 대한 정보를 읽을 때는 전체 수명 주기 동안 실증 규모, 내구성, 유지 보수, 재활용 및 안전성도 함께 고려해야 합니다.

참고 자료

• 일본어권 천연자원에너지청 - 신재생에너지
• NREL - 최고 연구 셀 효율 차트
• IEA PVPS
• [IEC] 61724-1 — 태양광 시스템 성능 모니터링](https://webstore.iec.ch/en/publication/29378)
• NREL — 계통 연계형 인버터 연구