태양광 PV 시스템 설계 & 설치 전문가 가이드: 단계별 완벽 매뉴얼

태양광 PV 시스템의 설계 및 설치

오늘날 현대 세계는 산업 제조, 난방, 운송, 농업, 조명 애플리케이션 등 다양한 일상적 애플리케이션을 위해 에너지를 필요로 합니다. 우리의 에너지 수요는 주로 석탄, 원유, 천연가스 등 비재생 에너지원에 의해 충족됩니다. 하지만 이러한 자원의 활용은 환경에 막대한 영향을 미쳤습니다.

또한 이러한 형태의 에너지 자원은 지구상에 균일하게 분포되어 있지 않습니다. 원유의 경우 생산과 매장량 추출에 의존하므로 시장 가격의 불확실성이 있습니다. 비재생 자원의 제한된 가용성으로 인해 최근 재생 가능 자원에 대한 수요가 증가했습니다.

태양광 에너지는 재생 가능 에너지원 중에서도 중심적인 관심을 받아왔습니다. 풍부한 형태로 쉽게 이용 가능하며 지구 전체의 에너지 요구사항을 충족시킬 잠재력을 가지고 있습니다. 그림 1에 표시된 독립형 태양광 PV 시스템은 전력망에 의존하지 않고 에너지 수요를 충족시키는 접근 방식 중 하나입니다. 따라서 다음에서 독립형 PV 시스템의 계획, 설계, 설치에 대해 간략히 살펴보겠습니다.

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독립형 PV 시스템 계획

현장 평가, 조사 및 태양광 에너지 자원 평가:

PV 시스템의 출력은 시간과 지리적 위치에 따라 크게 달라지므로, 독립형 PV 설치를 위한 적절한 현장 선정이 무엇보다 중요합니다. 따라서 설치 위치 평가 및 선정을 위해 다음 사항들을 고려해야 합니다.

1. 최소 그늘: 설치 예정지(옥상 또는 지면)에 그늘이 없거나 태양 복사가 패널에 도달하는 것을 차단할 구조물이 없어야 합니다. 또한 설치 주변에 곧 구조물 공사가 있어 그늘 문제를 일으키지 않을지 확인해야 합니다.
2. 표면적: PV 설치 예정지의 표면적을 알아야 패널 크기와 필요 개수를 추정하여 부하에 필요한 전력 출력을 생성할 수 있습니다. 이는 인버터, 컨버터, 배터리 뱅크 설치 계획에도 도움이 됩니다.
3. 옥상: 옥상 설치의 경우 지붕 유형과 구조를 알아야 합니다. 경사 지붕의 경우 경사각을 알고 필요한 마운팅을 사용하여 패널이 더 많은 태양 복사를 입사받도록 해야 합니다. 이상적으로 복사 각도는 PV 패널에 수직이어야 하며 실제로는 90도에 최대한 가깝게 해야 합니다.
4. 경로: 인버터, 배터리 뱅크, 충전 컨트롤러, PV 어레이로부터의 케이블 경로를 케이블 사용을 최소화하고 케이블 전압 강하를 낮추도록 계획해야 합니다. 설계자는 시스템의 효율성과 비용 사이에서 선택해야 합니다.

선택된 현장의 태양광 에너지 평가는 출력 전력 추정에 가장 중요한 의미가 있습니다. 일사량(Insolation)은 지정된 영역에서 일정 기간 동안 수신된 태양 에너지의 척도로 정의됩니다. 피란미터(pyranometer)를 사용하여 이 데이터를 찾을 수 있지만, 가장 가까운 기상대에서 일사량 데이터를 찾을 수도 있습니다. 태양광 에너지 평가 시 데이터는 두 가지 방식으로 측정할 수 있습니다.

• 킬로와트시/제곱미터/일 (KWh/m²/day): 제곱미터당 하루에 떨어지는 킬로와트시 단위의 에너지 양.
• 일일 피크 선 시간 (PSH - Peak Sun Hours): 조사량(irradiance)이 1000 W/m²로 평균화되는 하루 중 시간 수.

피크 선 시간이 계산을 단순화하므로 가장 일반적으로 사용됩니다. 기상대에서 수집하는 "평균 일조 시간(Mean Sunshine Hours)"과 "피크 선 시간(Peak Sun Hours)"을 혼동하지 마세요. "평균 일조 시간"은 햇빛이 비친 시간 수를 나타내지만 "피크 선 시간"은 KWh/m²/day 단위로 수신된 실제 에너지 양입니다. 연간 모든 달 중에서 가장 낮은 평균 일일 일사량 값을 사용하여 햇빛이 부적절한 기상 조건으로 인해 가장 적을 때에도 시스템이 더 안정적으로 작동하도록 보장하세요.

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독립형 PV 시스템 고려사항

에너지 수요 계산

독립형 PV 시스템의 크기는 부하 수요에 따라 달라집니다. 부하와 그 동작 시간은 기기마다 다르므로 에너지 수요 계산 시 특별한 주의가 필요합니다. 부하의 에너지 소비는 부하 전력 정격(W)에 동작 시간(시간)을 곱하여 결정할 수 있습니다. 따라서 단위는 와트 × 시간 또는 간단히 Wh로 쓸 수 있습니다.

에너지 수요 와트시 = 와트 단위 전력 정격 × 시간 단위 동작 지속시간.

따라서 하루 총 에너지 수요(Wh)는 하루당 각 기기의 개별 부하 수요를 더하여 계산합니다.

총 에너지 수요 와트시 = Σ (와트 단위 전력 정격 × 시간 단위 동작 지속시간).

시스템은 최악의 시나리오, 즉 에너지 수요가 가장 높은 날을 위해 설계되어야 합니다. 최고 수요를 위해 설계된 시스템은 시스템 신뢰성을 보장합니다. 시스템이 피크 부하 수요를 충족하면 최저 수요도 충족합니다. 하지만 최고 수요를 위해 시스템을 설계하면 전체 시스템 비용이 증가합니다. 반면 시스템은 피크 부하 수요 동안만 완전히 활용됩니다. 따라서 비용과 시스템 신뢰성 사이에서 선택해야 합니다.

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인버터 & 컨버터(충전 컨트롤러) 정격

적절한 인버터를 선택하려면 입력 및 출력 전압과 전류 정격이 모두 지정되어야 합니다. 인버터의 출력 전압은 시스템 부하에 의해 지정되며, 부하 전류와 배터리 뱅크에서 인출되는 전류를 처리할 수 있어야 합니다. 시스템에 연결된 총 부하를 기반으로 인버터 전력 정격을 지정할 수 있습니다.

우리 경우 2.5 kVA를 고려하므로, 부하를 구동하는 전력보다 20-30% 더 큰 전력 처리 용량을 가진 인버터를 시장에서 선택해야 합니다. 모터 부하의 경우 해당 기기 전력 수요의 3-5배 더 높아야 합니다. 컨버터의 경우 충전 컨트롤러는 전류와 전압으로 정격됩니다. 전류 정격은 PV 모듈의 단락 전류 정격을 사용하여 계산됩니다. 전압 값은 배터리의 공칭 전압과 동일합니다.

컨버터 및 충전 컨트롤러 크기 산정

충전 컨트롤러 정격은 태양광 패널 단락 전류의 125%여야 합니다. 즉, 태양광 패널 단락 전류보다 25% 더 커야 합니다.

태양광 충전 컨트롤러 크기(암페어) = PV 단락 전류 × 1.25 (안전 계수).

예를 들어, 우리 시스템에 160W 태양광 패널 6개가 필요하다고 가정합니다. 다음은 PV 패널의 관련 데이터입니다.

PV 모듈 사양은 다음과 같습니다.

• P_M = 160 W_Peak
• V_M = 17.9 V_DC
• I_M = 8.9 A
• V_OC = 21.4 A
• I_SC = 10 A

필요한 태양광 충전 컨트롤러 정격 = (4 패널 × 10 A) × 1.25 = 50 A

이제 12V DC 시스템 구성에 50A 충전 컨트롤러가 필요합니다.

참고: 이 공식은 MPPT 태양광 충전기에는 적용되지 않습니다. 적절한 크기 산정을 위해 사용 설명서를 참조하거나 명판 데이터 정격을 확인하세요.

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인버터 크기 산정

인버터 크기는 손실과 효율 문제로 인해 총 부하보다 25% 더 커야 합니다. 즉, 와트 단위로 필요한 총 부하보다 125%로 정격되어야 합니다. 예를 들어, 필요한 와트수가 2400W라면 인버터 크기는:

2400W × 125%

2400W × 1.25

3000 와트.

따라서 2400W 부하인 경우 3kW 인버터가 필요합니다.

인버터에 공급되는 일일 에너지

우리 경우 부하에 의한 일일 에너지 소비가 2700 Wh라고 가정합니다. 인버터는 효율이 있으므로 인버터에 공급되는 에너지는 부하가 사용하는 에너지보다 많아야 인버터 손실을 보상할 수 있습니다. 우리 경우 90% 효율을 가정하면, 배터리가 인버터 입력에 공급하는 총 에너지는 다음과 같습니다.

배터리가 인버터 입력에 공급하는 에너지 = 2700 / 0.90 = 3000 Wh/일.

시스템 전압

인버터 입력 전압을 시스템 전압이라고 합니다. 이는 전체 배터리 팩 전압이기도 합니다. 이 시스템 전압은 선택된 개별 배터리 전압, 라인 전류, 최대 허용 전압 강하, 케이블 전력 손실에 의해 결정됩니다. 일반적으로 배터리 전압은 12V이므로 시스템 전압도 12V가 됩니다. 하지만 더 높은 전압이 필요하면 12V의 배수여야 합니다. 즉, 12V, 24V, 36V 등입니다.

전류를 줄이면 케이블의 전력 손실과 전압 강하를 줄일 수 있으며, 이는 시스템 전압을 높여서 달성할 수 있습니다. 이는 직렬 배터리 수를 증가시킵니다. 따라서 전력 손실과 시스템 전압 사이에서 선택해야 합니다. 우리 경우 24V 시스템 전압을 고려해 봅시다.

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배터리 크기 산정

배터리 크기 산정 시 다음 매개변수들을 고려해야 합니다:

1. 배터리의 방전 깊이(Depth of Discharge, DOD).
2. 배터리의 전압 및 암페어시(Ah) 용량.
3. 자율 일수(태양광 패널 전력 없이 전체 시스템을 백업 전력으로 구동해야 하는 일수. 전체 그늘이나 비 오는 날의 경우. 이 부분은 다음 글에서 다룰 예정)로 필요한 배터리 Ah 용량 확보.

12V, 100Ah, DOD 70%의 배터리가 있다고 가정합니다. 따라서 사용 가능한 용량은 100Ah × 0.70 = 70Ah입니다. 따라서 필요한 충전 용량은 다음과 같이 결정됩니다.

필요 충전 용량 = 배터리가 인버터 입력/시스템 전압에 공급하는 에너지

필요 충전 용량 = 3000 Wh / 24V = 125 Ah

이로부터 필요한 배터리 개수를 계산할 수 있습니다.

필요 배터리 수 = 필요 충전 용량 / (100 × 0.7)

필요 배터리 수 = 125 Ah / (100 × 0.7) = 1.78 (올림 2개)

따라서 12V, 100Ah 배터리 2개가 필요합니다. 하지만 올림으로 인해 125Ah 대신 140Ah가 필요합니다.

필요 충전 용량 = 2 × 100Ah × 0.7 = 140 Ah

따라서 위 충전 용량을 맞추기 위해 두 개의 12V, 100Ah 배터리를 병렬로 연결합니다. 하지만 개별 배터리가 12V, 100Ah이고 시스템 전압 요구사항이 24V이므로, 아래 그림 2와 같이 두 배터리를 직렬로 연결하여 24V 시스템 전압을 얻어야 합니다:

따라서 총 4개의 12V, 100Ah 배터리가 필요합니다. 두 개는 직렬로, 두 개는 병렬로 연결됩니다.

또한 다음 공식으로 배터리 필요 용량을 찾을 수 있습니다.

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PV 어레이 크기 산정

시중의 다양한 크기 PV 모듈은 서로 다른 수준의 출력 전력을 생성합니다. PV 어레이 크기를 결정하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 피크 선 시간으로 최저 평균 일일 일사량(태양 조사량)을 사용하는 것입니다.

PV 어레이 총 크기(W) = (부하 일일 에너지 수요(Wh) / T_PH) × 1.25

여기서 T_PH는 연간 월별 최저 일일 평균 피크 선 시간이고, 1.25는 스케일링 팩터입니다. 이로써 필요한 PV 모듈 수 N_modules를 결정할 수 있습니다.

N_modules = PV 어레이 총 크기(W) / 선택된 패널 정격(피크 와트).

우리 경우 부하가 3000 Wh/일이라고 가정합니다. 필요한 태양광 패널 용량의 총 W_Peak를 알기 위해 PFG 팩터를 사용합니다.

PV 패널 용량 총 W_Peak = 3000 / 3.2 (PFG)

= 931 W_Peak

이제 필요한 PV 패널 수 = 931 / 160W = 5.8.

이렇게 160W로 정격된 6개의 태양광 패널이 필요합니다. W_Peak를 100W, 120W, 150W 등 다른 정격으로 나누어 가용성에 따라 정확한 태양광 패널 수를 찾을 수 있습니다.

참고: PFG (패널 생성 계수) 값은 지역마다 기후와 온도 변화로 인해 다릅니다. 예: 미국 PFG = 3.22, EU = 2.93, 태국 = 3.43 등.

또한 정확한 패널 생성 계수(PGF)를 찾기 위해 추가 손실을 고려해야 합니다. 이러한 손실(%)은 다음으로 인해 발생합니다:

• 태양광이 패널에 수직으로 입사하지 않음 (5%)
• 최대 전력점에서 에너지 수신 안 함 (MPPT 충전 컨트롤러의 경우 제외) (10%)
• 태양광 패널 오염 (5%)
• PV 패널 노후화 및 사양 미달 (10%)
• 25°C 이상 온도 (15%)

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케이블 크기 산정

케이블 크기는 최대 전류 운반 용량 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 최소 전압 강하와 최소 저항 손실을 가져야 합니다. 케이블이 옥외 환경에 설치되므로 내수성과 자외선 저항성이 있어야 합니다.

케이블은 일반적으로 2% 미만의 최소 전압 강하를 가져야 합니다. 저전압 시스템에서는 전압 강하 문제가 있기 때문입니다. 케이블 크기 부족은 에너지 손실을 초래하고 때로는 사고로 이어질 수 있습니다. 반면 과도한 크기는 경제적이지 않습니다. 케이블 단면적은 다음과 같이 주어집니다.

A = (ρI_ML / V_D) × 2

여기서

• ρ는 도체 재료의 저항률(옴-미터).
• L은 케이블 길이.
• V_D는 최대 허용 전압 강하.
• I_M은 케이블이 운반하는 최대 전류.

또한 케이블 및 전선 크기 계산기를 사용할 수 있습니다. 또한 적절한 크기의 차단기와 정격 플러그 및 스위치를 사용하세요.

위 예제에 대한 풀이 예제를 보겠습니다.

예제:

12V, 120W 태양광 패널 시스템 설계 및 설치가 필요한 다음 전기 부하(와트)가 있다고 가정합니다.

• 하루 12시간 동안 40W LED 램프.
• 하루 8시간 동안 80W 냉장고.
• 하루 6시간 동안 60W DC 선풍기.

이제 태양광 패널 수, 충전 컨트롤러 정격 및 크기, 인버터, 배터리 등을 찾아봅시다.

총 부하 찾기

일일 총 부하(Wh)

= (40W × 12시간) + (80W × 8시간) + (60W × 6시간)

= 1480 Wh / 일

태양광 패널 시스템 필요 와트수

= 1480 Wh × 1.3 … (1.3은 시스템 내 에너지 손실 계수)

= 1924 Wh/일

태양광 패널 크기 및 개수 찾기

태양광 패널 W_Peak 용량

= 1924 Wh / 3.2

= 601.25 W_Peak

필요 태양광 패널 수

= 601.25 / 120W

태양광 패널 수 = 5개 모듈

이렇게 120W 각각의 5개 태양광 패널이 우리 부하 요구사항을 충족시킬 수 있습니다.

인버터 정격 및 크기 찾기

우리 시스템에는 특정 시간 동안만 AC 부하가 있습니다(즉, 배터리에 직접 연결된 추가 DC 부하 없음). 총 필요 와트수는:

= 40W + 80W + 60W

= 180W

이제 인버터 정격은 인버터 손실로 인해 총 부하보다 25% 더 커야 합니다.

= 180W × 1.25

인버터 정격 및 크기 = 225 W

배터리 크기, 정격 및 개수 찾기

우리 부하 와트수와 시간 단위 동작 시간

= (40W × 12시간) + (80W × 8시간) + (60W × 6시간)

딥 사이클 배터리 공칭 전압 = 12V

필요 자율 일수(태양광 패널 전력 없이 배터리로 구동) = 2일.

[(40W × 12시간) + (80W × 8시간) + (60W × 6시간) / (0.85 × 0.6 × 12V)] × 2일

필요 배터리 용량(암페어시) = 483.6 Ah

이렇게 2일 자율을 위해 12V 500Ah 배터리 용량이 필요합니다.

이 경우 12V, 125Ah 배터리 4개를 병렬로 연결하여 사용할 수 있습니다.

가용 배터리 용량이 175Ah, 12V라면 3개를 사용할 수 있습니다. 필요 배터리 용량(암페어시)을 가용 배터리 Ah 정격으로 나누어 정확한 배터리 개수를 구할 수 있습니다.

필요 배터리 수 = 필요 배터리 용량(암페어시) / 가용 배터리 Ah 정격

• 관련 글: 배터리 충전 시간 및 충전 전류 공식 (120Ah 배터리 예제 포함)

태양광 충전 컨트롤러 정격 및 크기 찾기

충전 컨트롤러는 태양광 패널 단락 전류보다 125%(또는 25% 더 큰)여야 합니다.

태양광 충전 컨트롤러 크기(암페어) = PV 단락 전류 × 1.25

PV 모듈 사양

• P_M = 120 W_Peak
• V_M = 15.9 V_DC
• I_M = 7.5 A
• V_OC = 19.4 A
• I_SC = 8.8 A

필요한 태양광 충전 컨트롤러 정격 = (5 패널 × 8.8 A) × 1.25 = 44 A

따라서 가장 가까운 정격인 45A 충전 컨트롤러를 사용할 수 있습니다.

이 방법은 MPPT 태양광 충전기의 정확한 크기를 찾는 데 사용할 수 없습니다. 제조사가 제공한 사용 설명서를 참조하거나 명판 정격을 확인하세요.

케이블, 차단기, 스위치 & 플러그 암페어 용량 찾기

다음 도구와 차트가 포함된 설명 글을 사용하여 전선 및 케이블, 스위치 & 플러그, 회로 차단기의 정확한 암페어 정격을 찾으세요.

• 케이블 전선 크기 계산기 또는 암페어 용량으로 적절한 전선 크기 찾기.
• 스위치 & 플러그 암페어 정격 찾기
• 회로 차단기 적절한 크기 및 정격 찾기

결론

독립형 PV 시스템은 태양의 쉽게 이용 가능한 친환경 에너지를 활용하는 훌륭한 방법입니다. 설계와 설치가 편리하고 신뢰할 수 있어 소규모, 중규모, 대규모 에너지 요구사항에 적합합니다. 이러한 시스템은 특히 외딴 지역에서 전 세계 거의 모든 곳에서 전기를 이용할 수 있게 합니다. 에너지 소비자를 전력망과 석탄, 천연가스 등 다른 에너지원으로부터 독립되게 만듭니다.

이러한 시스템은 환경에 부정적인 영향을 주지 않으며 설치 후 오랜 기간 에너지를 제공할 수 있습니다. 위의 체계적인 설계와 설치는 현대 세계에서 깨끗하고 지속 가능한 에너지에 대한 우리의 필요에 유용한 지침을 제공합니다.

• 작성: M. Phansopkar
• 수정: Electrical Technology