태양광발전 설계방법

[땅콩정]

태양광발전 설계방법

부하 (사용전기제품)의 소비전력：__ W　,　 __ A　,　 __ V ( 직류 　or　 교류 )

○사용 시간　　：　　__ 시간 / 1일

○흐리 거나 비가오는 날수　　：　　__ 일(보통 4-5일정도)

태양광 발전을 위하여 필요한 기기는 다음과 같다.

●솔라 판넬(태양전지)

●콘트 롤러(전류의 과충전 및 역류방지와 안정적인 전류공급기)

●충전 배터리(태양전지에서 생산된 전기는 저장해 두는 곳)

●인버 터(직류를 교류로 사용할 경우 전압변환기)

■사용 량의 계산방법（계산방법, 손실등의 수자는 제품의 종류나 상황에 따라 변화됩니다. 아래의 사 용례는 참고로 사용하기기 바라며 자세한 사항은 당사에 문의바랍니다.)

솔라판 넬(태양전지모듈)

○(부 하: 소비전력）　__ W × （사용시간）　__ 시간 ＝ （하루당 소비전력) __ Wh

○(하 루당 소비전력） __ Wh ÷ 4시간（1일 평균 일조시간） ＝ （필요발전량） __ W

○(필 요발전량） __ W × （발전손실률）1.15 ＝ （필요솔라판넬용량） __ W

●（1 일분의 소비전력에 필요한 솔라판넬용량） ⇒ __ W

○ (1 일분의 소비전력에 필요한 솔라판넬용량） __ W × （흐린고 비오는 일수） 4 또는 5일  ＝__  W （일）

●（합 계로 필요한 솔라판넬용량） ⇒ __ W

배터리 용량계산방법

● (1 일 소비전력） __ Wh × （흐리고비오는날수）4또는 5일 ÷ （배터리손실률)0.8 ÷ 사용배터리전압 V__ × (여유) 2＝（필요배 터리용량） __ A

콘트롤 러

● 솔 라판넬의 총량으로 입력용량을 결정한다. 사용하는 부하의 용량에 따라 출력용량을 결정한다. 일반적으로 직 류의 부하를 사용할 경우는 방전기능도 사용할 수 있는 충방전콘트롤러를 선택한다. 교류의 부하를 사용할 경 우는 배터리로부터 인버터로 연결하여 부하를 사용하므로 콘트롤러는 충전만 가능한 충전콘트롤러를 선택한 다.

인버터

● 교 류를 사용할 경우에는 배터리로부터 접속하여 사용하는데, 부하의 용량, 사용할 전기제품의 종류에 맞추어서 사용한다.

솔라판넬의 발전량과 사용가능한 전기제품에 대하여

●　솔 라판넬은 어느정도를 발전할 수 있는가?

판 넬의 발전량	÷	1.15	＝	실 질발전량
판 넬의 용량크기 각 제품에 명시되어 있슴		솔 라판넬발전에 따른 손실율
예）3000mA 12V 54W　사양	÷	1.15	＝	46.9W
	÷	1.15	＝

●　하루에 발전되는 실질발전량

한국의 일조평균시간 약 4시간/일

　　　　　（계절/지역/날씨에 따라 변동이 있으므로 주의바람) 정확한 것은 기상조건에 대한 데이터를 조사하여 설계해야 됨

실 질발전량	×	4시 간	＝	１ 일발전량
예）46.9W	×	4시 간	＝	154.7Wh
	×	4시 간	＝

●　배터리를 가득 충전시키는데 걸리는 시간은?

사 용 배터리용량	÷	１ 일발전량	＝	충 전필요일수
예）　204W	÷	154.7Wh	＝	1.3 일
	÷		＝

●배터리에 충전된 전기는 몇 시간 정도 사용할 수 있나?

（배터 리에 따라 다르므로 주의)

배 터리용량	×	배 터리손실율	＝	실 질배터리용량
예）　12V　17A　204W	×	0.8	＝	163.2W
	×	0.8	＝

　직류로 사용하는 경우

실 질배터리용량	÷	사 용전기제품의 필수에너지량	＝	사 용가능한 시간
예）　163.2W	÷	직 류 14W의 카세트라디오	＝	11.6시간
	÷		＝

　교류로 사용할 경우

실 질배터리용량	÷	교 류손실　1.1	÷	사 용전기제품의 필요에너지량?	＝	사 용가능시간
예）　163.2W	÷	1.1	÷	교 류 14W　카세트라디오	＝	10.5시간
	÷	1.1	÷		＝

상기의 계산방법, 손실 등의 수자는 제품의 종류나 상황등에 따라 변화된다. 참고례로서 활용하세 요.

참고:

태양전지의 재료별 특성

표. 태양전지의 재료별 특성

태양전지 재료	변환 효율	신뢰성	특성	주요 용도
단결정 실리콘	매우 좋다	매우 좋다	풍부한 사용실적이 있다.	우주용 지상용
다결정 실리콘	좋다	매우좋다	장래, 대량생산에 적합하고 있다.	지상용
AMOLFASS	보통	보통	형광등 불빛에서도 비교적 잘 작동.	민생용 (탁상계산기, 손목시계)
단결정 화합물	매우 좋다	매우 좋다	무겁고, 갈라지기 쉽다.	우주용
다결정 화합물	보통	보통	자원량이 적다. 공해 물질을 포함하는 것도 있다.	민생용

현재, 태양광 발전 시스템으로 일반적으로 사용되고 있는 태양전지는 실리콘 반도체에 의한 것이 대부분입니다. 특히, 실리콘 반도체 결정계의 단결정 및 다결정 태양전지는, 변환 효율의 좋음, 신뢰성 등으로 널리 사용되고 있습니다. 이미 시계나 탁상계산기 등에 보급하고 있는 AMOLFASS 태양전지도, 제조 기술이 대량생산에 적합하고, 또한 결정계에 비해 저코스트이지만, 변환 효율에 있어서는 결정계에 비해 뒤떨어지고 있습니다.

태양전지의 변환 효율

태양전지의 가장 중요한 성능 지수는, 빛부터 전기로의 변환 효율입니다. 변환 효율은, 태양전지에 흐르는 광에너지 중에, 몇%를 전기에너지 전적으로 변환할 수 있는지를 나타내는 수치를 나타내는 것입니다.

아래에 표시된 수식을 사용합니다.

효율 (%) = (생산된 전력량) / (태양 빛에너지) x 100

당연히 효율이 높은 태양전지를 만드는 것이 좋겠지요. 그러나 과연 태양전지로 전기를 생산한다면 전력비가 얼마나 될까를 따지려면 아무래도 경제적인 측면, 그러니까 태양전지를 제작하는데 얼마가 들어가느냐 하는 점도 생각해야 합니다. 아무리 효율이 높은 태양전지라도 제작비가 너무 높으면 실용성이 없는 것이고 반대로 효율이 비교적 낮더라도 제작비가 저렴하면 경제성이 있는 겁니다. 아직은 어느 한가지가 경제성 면에서 확실히 우월하다는 점이 입증되지 않았기 때문에 현재 여러 가지 물질과 형태의 태양전지가 연구되고 있습니다.

태양전지의 발전 원리

태양전지는, P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용해 전기를 일으킵니다. 여기에서는 태양광이 태양전지로 입사하고, 전기로서 만들어지기 까지를 간단히 설명합니다.

1. 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생합니다.

2. 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 됩니다

태양전지를 부르는 방법

태양전지 모듈은 대형의 시스템에서는 여러 태양전지를 직,병렬로 연결하여 전력을 꺼냅니다.

셀 : 전기를 일으키는 최소 단위입니다.
모듈 : 전기를 꺼내는 최소 단위입니다. 현관문의 반만한 크기입니다.
array : 직, 병렬로 끼어진 여러 패널을 말합니다. 이후"array"라고 부릅니다.
서브 array : 설치 작업이나 유지보수의 편리함 때문에 여러 개의 모듈을 정리한 단위입니다

태양전지의 사양

태양전지의 카탈로그 등에 표시되어 있는 출력 값은, 다음과 같은 일정 기준에 의해 측정한 값에 표현하고 있습니다.

기준 상태:모듈 온도25℃, 분광분포:AM1.5, 방사 조도1000W/㎡

1. 모듈 온도
태양전지 모듈은 온도가 상승하면 발전 전압이 내립니다. 또 차가 와지면 발전 전압이 올라가는 특성을 갖고 있습니다. 그 때문에, 태양전지의 사양을 정함에 있어서, 일정 온도로 측정하지 않으면 비교가 되지 않습니다.  따라서, 25℃를 기준 상태로서 출력 특성을 표시하고 있습니다.

2. 분광분포
어떠한 파장 분포 빛을 충당하는지를 규정하고 있습니다. 태양광은 대기권을 통과하는 것에 보다 대기 중의 오존이나 수증기 등에 의해 빛의 일부가 흡수됩니다. AM(Air Mass:air mass)란 대기 통과량의 것으로 AM1.0이란 빛의 입사각이 90도(바로 위)부터 입사 한 빛을 의미하고, AM1.5는 그 통과량이 1.5배(입사각41.8도)에서의 도달광을 나타내고 있습니다.
아래그림의 이미지를 참고 하여 주십시오.

3. 방사 조도
1㎡당에 도달하는 태양광 에너지의 질김을 나타내고, 단위는 (W/㎡)를 사용합니다. 대기권 외에서는 대체로 1400W/㎡ 있다.) 태양광 에너지도 대기를 통과해 지표에 도달하면 1000W/㎡정도가 됩니다. 이 1000W/㎡라고 하는 값을 방사 조도의 기준 상태로 하고 있습니다.

분광분포 이미지

태양전지의 출력 특성

일반적으로 태양전지의 출력은, 도면에 나타내는 바와 같이 발생하는 전압과 전류의 상관관계 곡선에 표현해집니다. 즉, 태양전지가 발생하는 전압은, 그 태양전지의 특성에 의해 어느 값에 정해져 버린다 라는 것입니다.

1. 개방 전압:Voc
태양전지에 아무 것도 연결하지 않는 상태로, 태양전지의 양단에 발생하는 전압을 나타냅니다.
2. 합선 전류:Isc
태양전지의 양단을 short 하게 한 상태로, short 한 전류를 표시합니다.
3. 동작점:P
태양전지부터 출력을 꺼내기 위해서 설정된 전압에 대해 발생하는 전류가 정해집니다.
이 때의 전압, 전류의 점을 동작점이라고 합니다.

태양전지의 최대 출력점
태양전지의 출력은 Iop와 Vop와 원점을 잇는 면적(위의 그림의 그레이 부분)에 나타내집니다. 즉, 태양전지를 효율적으로 사용하기 위하여, 그레이 부분의 면적을 최대로 하는 Iop와 Vop를 설정할 필요가 있습니다.
또 태양전지의 출력이 최고가 되는 동작점을 최적 동작점(이 때의 출력을 최대 출력:Pmax, 전압을 최적 동작 전압, 전류를 최적 동작 전류)라고 부릅니다.

BP사의 태양전지 규격표

태양전지의 온도 특성

온도 특성
태양전지 모듈은 외부 기온이나 일조에 의해 모듈 온도가 상승하면 발전 전압이 내리는 특성을 갖고 있습니다. 그 저하율은 태양전지의 물성에 의해 다르지만, 결정계에서는 1℃온도가 상승하면 약0.4% 저하합니다. 그 때문에 태양전지를 설치할 때는 가능한 온도가 상승하지 않도록 배려하여야 합니다.

태양전지의 방사 조도 특성

방사 조도 특성
광면의 방사 조도가 변화하면 그 질김에 비례해 발생 전류가 변화하고, 게다가 동반하여 출력 전력도 변화합니다. 방사 강도는 날씨에 크게 의존합니다. 또 태양전지의 설치 방향이나 설치 각도에 의해 광면에서의 방사 강도도 바뀝니다. 그 때문에 태양전지가 최적으로 동작할 수 있도록 설치 상태도 배려가 필요합니다.


 PV건축의 기초지식

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[기초지식]

[자료출처 : 일본 NEDO의 설계작품집 발췌 번역]

태양에너지

지표에 도달한 태양광 에너지는 1㎡당 1kW이다. 따라서 청천시의 정오부근에 태양광이 최로 지표에 도달할 때의 에너지 밀도는 1㎡당 1kW가 되고, 태양광이 1시간동안 보내는 에너지는 1kWh가된다.

에너지량, 열량, 단위환산

• 1kWh = 860kcal
• 1cal = 4.19J

태양에너지와 태양광 발전

태양에너지를 태양광발전 시스템을 사용하여 전기로 바꾸는 경우 시스템의 종합 변환효율을 10%로 하면, 1㎡당 0.1kW(100W)의 정격출력이 되고, 1㎡에서 1시간당 0.1kWh의 발전을 하는 것이된다. 따라서, 10㎡의 태양전지로 1kW의 정격출력이라고 생각하는 것이 가능하다.

태양 전지출력

• 태양전지필요면적(㎡) = 필요출력(kW) × 10
• 정격출력(kW) = 태양전지면적(㎡) / 10

일사량과 발전량

일사량의 단위는 (kWh/㎡, 기간)로 표시되며, 발전량을 계산할 때의 기초자료로 사용한다. 실측치를 기준한 추정치에 의해 일본각지의 일사량을 구할 수 있다.

• 년간최적경사각에 의한 일본각지의 개략일사량
  • 1일당 일사량 = 3.4 - 4.4 (kWh/㎡.day)
  • 1년당 일사량 ≒ 1,200 - 1,600 (kWh/㎡.year)

• 기대 가능한 일사량부터의 1kW당 발전량
  • 일사량(1,000 - 1,600) × 종합설계계수(0.7) = 840 - 1120kWh

• 1kW당의 기대가능한 연간 발전량
  • 1kWh × 0.12(가동율) × 8760/년 = 1,051 ≒ 1,000kWh/year
    

創 에너지효과

EPT가 설비의 내용연수보다 짧으면, 생산에너지가 투입에너지를 상회하여 創에너지효과가 있다고 말할 수 있다. 태양광발전의 EPT는 내용연수(일반적으로 20년 이상이 된다)보다 짧기 때문에 투입 에너지를 회수한 후에도 계속 에너지를 얻을 수 있다. 화력발전소의 발전효율은 송전 Loss를 포함하여 40%정도이고, 에너지를 투입하여 지속되기 때문에 투입에너지를 회수하는 것은 불가능하다. 그러나 PV시스템으로는 2-3년으로 회수가 가능하다.

PEAK CUT의 공헌

여름의 甲子園에서 고교야구 결승전을 맞이하는 시기의 오후는 냉방이나 TV의 사용이 집중되어 전력수요가 최대의 Peak를 나타낸다. 태양광발전에 의한 발전량도이 시간대가 피크가 되기 때문에 전력회사로부터의 수전량의 증가를 억제하는 효과가 있고, Peak Cut효과가 있다고 말할 수 있다. Peak의 산이 완만하게 되는(부하가 표준화되는)것은 peak 대응을 위한 화력발전시설의 서비이용율(가동율)을 향상시키는 것이 된다.

화석연료절약효과

우리나라의 주택용 에너지소비량은, 1965년 이래 석유위기의 시기를 제외하고는 계속 증가하고 있으며, 그 대개(거의)가 전력수요이다. 전력구성으로는 원자력과 수력을 Base로 화력발전이 부하변동에 대한 Peak를 대응하고 있으며, 전체의 35%～40%를 차지한다. 또 전기는 1차에너지로부터 이용효율이 35%～40%보다 낮게, 화석연료소비를 증가한다. 주택에서는 약 30㎡이상의 태양전지 Array의 설치면적을 확보할 수 있으면, 1가구의 전력수요를 조달하는 것이 가능하다.

10kW 용량의 태양광발전시설에서는 연간 10,016kWh 발전(동경에서의 일사량등이 평균으로 된 경우)하며, 이것을 나누면 화력발전소에서의 발전을 대체하므로 등유관 13개분의 석유(2,436kℓ)의 소비를 절약 가능하다.

• 10kW 태양광 발전 설비당 화석연료절감효과의 약산

  a. Array 출력 b. 연평균일 일사량(동경) c. 일사량강도 d. 종합설계계수 e. 연간발전량  f. 원유환산계수 g. 원유발열량	10 (kW) 3.92(kW/㎡.day) 1(kW/㎡) 0.7 10,016(kW) 2,250(kW/kWh)* 9,250(kcal/ℓ)*
  h. 연간 원유 절약량	2,436(kℓ)

                * : 일본에너지종합연구소“에너지경제통계요람”

환경보전효과

이산화탄소배출량은 “지구온난화방지행동계획”으로는 2000년 이후 개략 1990년 레벨의 안정화를 꾀하는 것을 목표로 내걸고 있다. 이것부터 제조과정을 포함하여 발전량당 환경오염물질이 화력발전소에 비해 훨씬 적은 태양광발전 시스템의 채용은 지구온난화와 대기오염의 방지 등 환경보존효과가 있다.

10kW 태양광 발전 설비 온난화방지효과의 약산

• 10kW 태양광 발전 설비당 화석연료절감효과의 약산

  a. Array 출력 b. 설비이용율 c. 연간발전량 d. 태양광발전의 이산화탄소 배출원단위 e. 석유화력발전의 이산화탄소배출 원단위	10(kW) 12(%) 10,512(kWh)* 34.3(g-C/kWh)** 200(g-C/kWh)**
  f. 이산화탄소배출억제량	1.89(t-C)

                *   : 표준적판정치

                ** : (재)전력중앙연구소“발전시스템의 라이프사이클 연구”

• 이산화탄소배출억제효과의 삼림면적 약산

  g. 일본의 삼림면적 h. 일본의 전삼림에 대한 이산화탄소 흡수량 I. 삼림 1ha당 흡수량	25,212(천ha)* 24,545(천t-C)** 0.974(t-C.ha)
  j. 이산화탄소억제량 삼림면적 약산	1.79(ha)

                *   : 1990년, 임업백서 평성4년도

                ** : 1990년도, 환경청“온난화된 지구, 일본의 취재” 1994년

태양전지의 원리와 특색

태양전지는 반도체의 일종으로, 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾼다. 이 기술은 1954년 미국에서 발명되어 반도체가 빛을 받으면 내부의 전자에 에너지가 주어져 전압이 발생하는 성질을 이용한 것이다. 태양전지에 대부분 사용되고 있는 반도체는 실리콘반도체가 있다. 이 반도체로는 각각 전기적 성질이 다른 N형실리콘과 P형 실리콘이 있으며 이 2개를 이어 합친구조로 되어있다. 태양전지의 발전효율은 빛에너지 강도에 의해서는 거의 변화하지 않지만, 온도에 의해 변화하고, 결정계 실리콘의 경우는 온도가 높아지면 효율이 나빠진다.

태양전지의 종류

태양전지의 종류는 실리콘반도체를 재료에 사용하는 것으로 화합물 반도체를 재료에 사용하는 것으로 대별된다. 실리콘 반도체에 의한 것은 결정계(단결정, 다결정)과 아모포스(비결정계)로 분류된다. 현재 태양광발전시스템에 일반적으로 사용되는 태양전지는 변환효율이 높고, 실적에 의한 신뢰성 등으로부터 결정계가 널리 이용되고 있다. 아모포스계의 특징은 구부러지는(외곡되는) 것을 들 수 있다. 변환효율은 현재시점에서 경정계가 12-17%정도, 아모포스계가 6-9%정도이다.

Module의 구조

최소기본단위의 태양전지 Cell(10Cm각, 12,5Cm각, 15Cm각)을 10매를 내구성 패키지하여 소정의 전압, 출력을 얻을수 있도록 되어진 것을 태양전지 Module이라고 부르고 있다. 모양은 각 제품사마다 다르기 때문에 설계시에는 사전에 자료수집이 필요하다. 현재 태양전지의 표면색은 여러 가지가 개발되어 있기 때문에 Module에 대한 어느정도의 색의 선택이 가능하지만 모양의 확인이 필요하다.

Array의 구성

태양전지 Module을 필요매수, 직렬접속한 것을, 그 위에 병력접속으로 조합하여 필요한 발전전력을 얻어내도록 하는 것을 태양전지 Array라고 부른다. 직렬에 잇는 매수는 통상 인버터의 정격직류전압의 10%증가를 최대출력동작전압으로 나눈 수치를 표준으로 결정한다.

직렬매수 = (정격전류전압(V) × 1.1) / 최대출력동작전압(V)

[태양전지의 종류와 그 사용 예]

[자료출처 : 일본 NEDO의 설계작품집 발췌 번역]

태양전지 Module의 색
결정계 태양전지의 색은 무채색의 경우 실리콘 인코트의 색을 기조로한 Gray계 이다. 발전효율을 높이기 위해 청색으로 착색하는 경우가 많다. 단 제품사에 의해 몇 개의 색, 디자인과 더불어 복수의 색을 지정 가능한 경우도 있다. 또 아모포스계는 적갈계열의 색도 있다.
투광(See Through)형 태양전지 Module
아모포스계는 See Through 타입이 가능하고 태양전지설치면적으로부터 채광까지 태양광발전이 가능하다.
삼각형 태양전지 Module
삼각형의 Module이 가능하고, 寄棟屋根(???)에의 대응과 측면의 디자인에 이용가능 하다.
투광형(채광) 태양전지 Module
Cell 간의 빈틈 사이를 개방한 Module에 의해 채광하면서 태양광발전이 가능하다.
Module의 안쪽 배색
하나의 Module 내에 복수의 색을 가진 Cell을 배치하여 문자의 표시와 디자인이 가능하다.

[다결정 실리콘 태양전지의 제조공정]

[자료출처 : 일본 NEDO의 설계작품집 발췌 번역]

Cell 제조공정
1. Slice(웨이퍼링) 다결정 실리콘의 인코트(굳은)를 300-400μm의 두께로 Slice하여 실리콘 기판을 만든다. 2. Texture 형성 태양광의 흡수를 잘 하기 위해 표면에 요철을 형성한다. 3. Ling 확산 p형 실리콘의 표면에 Ling을 확산하여 pn접합을 형성한다. 4. 반사방지막 형성 빛의 반사를 적게하기 위해 반사방지막을 형성한다. 5. 전극형성 발전한 전기를 내보내기 위한 전극을 형성한다.
Module 제조공정
1. 터브선 납땜 Cell 의 전기를 꺼내기 위한 터브선을 부착한다. 2. String 형성 Cell 여러장을 터브선에 직렬로 접속하여 String을 형성한다. 3. 상호접속 String을 필요 수만큼 상호 접속한다. 4. 라미네이트 상호 접속한 Cell을 유리에 수지등에 의해 봉인한다. 5. 틀, 단자 박스 부 테두리나 전기를 꺼내기 위한 단자 박스를 설치한다.

[시스템과 컴포넌트]

[자료출처 : 일본 NEDO의 설계작품집 발췌 번역]

System의 구성
태양광발전 시스템에는 많은 것이 있지만, 일반적으로 지붕이나 벽에 설치되는 태양전지로 발전된 직류전력을 Power Conditioner에서 교류로 변환하여 사용되며, 통상은 전력회사의 상용전력계통에 교류전력과 병용된다. 구성은 태양전지 Array, 접속상자, Power Conditioner 등으로 구성되어 있다. 또 필요에 의해 계측시스템, 표시장치 등이 쓰인다. 그외에 축전지를 병용하면 정전때나 야간의 전력공급이 가능하게 된다. BIPV의 경우에는 건축적인 외관구성이 우선되기위해 전기적인 구성에 대하여 특히 건축설계자의 설계사상을 중시한 가운데 전기적으로도 발전전력이 최대가 되는 고려가 필요하다.
시스템의 종류
상용전력계통과 접속된 것을 계통연계형 시스템이라 부르고, 연결되지 않은 것을 독립형시스템이라고 한다. 연계형으로 시스템 출력이 부하에 부족한 경우는 상용 전력계통에서부터 전기를 사며, 여가전력이 발생하면 전력회사로 전기를 팔기 때문에 역조류 시스템이다. 이 연계역조류 시스템이 가장 일반적인 시스템이라고 할 수 있다. 또 정전시에 연계를 자립으로 대체하여 특정부하에 공급하는 축전지정용 시스템을 방재형 시스템이라고 부른다.
시스템 주변기기
태양광발전 시스템에서, 태양전지 Array와 가대를 제외한 구성기기를 총칭하여 주변기기라고 부른다. 이것들의 주변기기 중 주요한 것은 Body Conditioner라 불리는 것으로, 인버터 와 계통연계 보호장치가 된다. 단. 일체로 Casing 되는 경우가 많기 때문에 Power Conditioner 전체를 인버터, 또는 계통연계 인버터라고 부르는 경우도 있다. 방재형 시스템의 경우는 주변기기는 축전지가 포함된다. 1. 인버터 태양전지로 발전한 직류전력을 일반적으로 사용되고 있는 교류로 변환하는 장치이다. 더욱이 주파수, 전압, 전류, 위상 유효 및 무효전력, 동기, 출력품질(전압변동, 고주파)등을 제어 2. 계통연계보호장치 주파수 이상이나 과부족 전압등 계통측과 인버터의 이상 및 단독운전을 적격으로 검출하여 인버터를 정지시킴과 동시에 계통과의 연계를 바르게 단절함에 의해 계통측의 안전을 확보하는 것을 목적으로 한다. 3. 축전지 전력축전을 행하여 일사량이 적을 때나 야간의 발전을 하지 않는 시간에 전력량을 보충하는 하여 필요시 내보내는 것이다. 재해시나 정전시의 Backup 전원이나 발전전력 급변때의 완충, peak cut 등에 적용범위를 확대하는 것을 할 수 있다.

[시스템 설계]

[자료출처 : 일본 NEDO의 설계작품집 발췌 번역]

음영의 검사

통상, 발전량의 산출시는 Array면에 그림자가 전혀 없는 상태를 전제로 한다. 따라서 태양전지에 직접일사가 도달하지 않는 경우는 산란광에 의한 명료한 그늘이 보이지 않는 때, 직접 일사가 도달하지 않는 경우와 비교하여 약 10-20% 이하로 하기 때문에 발전량이 나아진다거나 하는 상황의 분석이 필요하다.

건물과 산의 능선 등 주변상황과 태양의 각 시각마다 위치를 검사하기 위해서는 태양위치도를 사용한다. 과거에는 우측의 그림과 같이 입면에 태양위치도가 사용되었지만, 최근에는 컴퓨터에 의한 화상처리가 용이하게 되었기 때문에, 어안렌즈로 천공전체를 촬영하여 그 화상과 태양위치도를 종합한 방법이 일반적으로 활용되고 있다.

태양전지 Array의 설치각도와 방위각의 검사

태양광 발전 시스템의 발전량을 좌우하는 태양전지 Array의 발전각도는 건축물의 외관에 강한 영향을 미친다. 따라서 설계할 당시, 지붕에 설치할지 벽에 설치할지 등 설치각도에 의한 능력, 경제성과 함께 의장성의 검토가 필요하다.

태양광발전 시스템의 발전효율은 정남에서 가장 높지만 어느정도 허용범위가 있다. 의장적인 융통성을 이용하기 위해서 방위각의 차이에 의한 발전량이 차이를 파악하는 것이 필요하게 된다. 아래의 표에 나타났듯이 이상적으로 최적 경사각은 ±15°이내, 방위각은 ±45°이내에 속하는 것이 일반적 이지만, 수직면, 북면(경사각이 적은 경우)에도 실용에 견딜수 있는 발전량을 기대할 수 있다.

동경지역에서의 설치각도에 대응한 연간 발전율

경사각	방위각
	0°	15°	30°	45°	90°
수평면	88.4	88.4	88.4	88.4	88.4
10°	94.3	94.1	93.4	92.3	87.6
20°	98.2	97.8	96.6	94.6	85.8
30°	100	99.6	97.8	95.1	82.8
40°	99.7	99.0	97.0	93.6	78.9

[시스템설계 및 설치위치에 의한 형상]

[자료출처 : 일본 NEDO의 설계작품집 발췌 번역]

태양전지 Array의 설치검사
태양전지 Array의 설치를 고려한 경우, 그늘의 영향, 바람에 의한 풍압 하중, 적설에 의한 하중, 지진에 의한 하중, 날뢰에 의한 영향, 또 낙엽과 적설에 의한 태양광 차단, 표면에 오염에 의한 변환효율의 저하 등을 고려한 계획이 필요하다. 건축설계상 혹은 경제상 가능하지만, 낙엽, 적설, 오염도, 파손 등에 의한 보수관리가 용이한 부위에 설치하지만, 정비용 설비를 설치하는 것이 좋다. 태양전지 Array의 배치를 고려한 경우에서는 태양전지 Array의 경사가 있는 경우 인접한 Array에 의한 그늘이 생기는 경우가 있다. 아래의 그림에서 처럼 간격을 검사한다.
Module의 배선과 그늘의 영향
Array면에 그늘이 있으면, 그 부분의 발전량이 저하되고, 공동으로 발전되는 것이기 때문에 방지책으로서 그 부분을 바이패스 시키는 바이패스 다이오오드 기능을 모듈에 갖게하여 설계한다. 그늘이 나타나지 않는 장소에서 그늘이 없는 형상으로 설치하기 때문에, 아무리 해도 부분적으로 그늘이 예상되는 경우에는 직렬과 병렬의 조합된 배서으로 고안하여, 조금이라도 그늘의 영향을 부드럽게 하는 방법을 검토하는 것이 각 String (직렬배치)에 그림자가 좋다. 아래의 그림(A)의 경우는 그림자가 생기게 되어 전압을 떨어뜨리고, 정체 String에 영향이 주게된다. 그 때문에 그림(B)와 비교하여 출력저하가 커지게 된다. (B)의 경우는 첫 번째 String에 그림자의 영향이 나타나지만, 전체의 전류는 줄지만, 전압은 보전되기 때문에 (A)와 비교하여 출력저하는 작게 된다. 이렇게 때문에 일반적으로 그늘과 같은 방향으로 직렬배선하면 좋은 이유이다. 실제로는 그늘의 모양이나 움직이는 방향이 다양하기 때문에 음영도를 작성한 위에 종합적으로 배선계획을 검토하는 것이 필요하다.
태양전지 Array의 옥상배치 기본형식
태양전지 Array를 옥상에 설치하는 경우는 신축건물에서는 일반적 규모의 경우는 시공의 용이성과 경제성으로부터 보호콘크리트의 위에 기초를 설치하는 것이 일반적이다. 대형의 가대, 키가 큰 가대등은 강도상, 또는 방수층의 관계로부터 기초를 옥상 슬라브까지 일체로 사전에 투입된 Anchor Bolt에 가대철골을 지지하는 것이 바람직 하다. 개축건물에서는 방수층의 개수 등 특별한 경우를 제외하고, 방수보호 콘크리트 위에 기초를 설치한 콘크리트 블록등을 고정한 기초로 하는 방법을 행하고 있다. 기초의 고정방법은 신축과 같이 일체적인 시공이 가능하지 않기 때문에 케미칼 앵커나 콘크리드의 부착력을 이용하여 필요에 대응하는 주변의 벽등에 고정가능개소를 보강한다.
주변장치의 설치장소의 검토
Power Condition 주요한 구성요소는 인버터와 계통연계 보호장치가 있다. 일반 주택용등 소규모 용량의 것에는 인버터에 계통연계보호장치가 내장된 일체형으로 Casing 되어있고, 그대로 바닥이나 벽등에 설치된다. 그러나 대용량의 것 등은 Cubicle 형상으로 바닥에 놓여지는 것이 일반적으로 규모에 따라 Cubicle에 수납하는 것과, 따로따로 Cubicle을 구성하는 것이 있다. 설치장소는 실내의 기계실이나 옥상에 있는 베란다 등의 바닥, 태양전지 Array의 근처, 지면옥상 등의 옥외부에 설치되는 것이 많다. 또, Power Conditioner는 설치장소의 주위에 점검을 위한 스페이스가 필요하고, 또한 설치환경에 대해서도 주변온도가 타당한지, 고온다습환경, 먼지의 부유, 부식성, 가연성 가스등은 없는가, 환기상황은 어떤가, 설치하는 면의 상대는 절절한가 등의 확인이 필요하다.
축전지
설치방법으로는 전용의 축전지실로 Steel Rack(가대) 수납방식으로 설치하는 경우와, Cubicle 수납방식ㅇ로 옥상등에 설치하는 것을 고려한다. Cubicle 방식은 일반적인 방식으로 옥내, 옥외설치에도 Power Conditioner 반과 외형을 맞춤으로, 또는 모두 설치하는 예를 볼 수 있다 축전지의 설치에는 보안거리가 있다. 건축플랜을 계획하는 경우, 이것을 고려하고 설치장소의 스페이스와 장소를 검토할 필요가 있다. 1. Steel Rack 수납방식의 보안거리         - Steel Rack 사이, 전지점검면   0.6m          (높이 1,600mm 이상으로는 1.0m)         - 인출부, 상하단간                     0.2m         - 배면과 벽의 거리                     0.1m         - 소방용설비가 접속되어진 경우는 소방법 설치기준에 따름 2. Cubicle 수납방식의 보안거리         - Cubicle이외의 발전설비                        1.0m         - 옥외에 설치하는 경우 건물과의 거리           1.0m         - 전면 또는 조작면                             1.0m         - 점검면                                       0.6m         - 환기면(상기이외의 환기구가 설정된 면)         0.2m
설치부위에 의한 형상
태양광 발전 시스템을 도입한 건물은, 시로부터의 외관이나 환경보호를 위한 계발효과 등 의장상에 의한 질을 높이는 것이 요청되고 있다. 최근, 다양한 공법의 진전으로 가대를 이용한 설치는 거의 볼 수 없고, 일체형공법의 개발, 또는 태양전지 Array의 설치에도 자유도가 증가되어, 더욱 표면에 색의 수도 증가되었다. 태양전지 Array의 설치는 단지 의장상의 제약이 된다고 생각하고 있기 때문에, 디자인요소의 적극적 활용이 바람직하다. 그래서 여기서는 태양전지 Array이 성능을 배려하면서 건축물에 조형적으로 조합하기 위해 대표적인 패턴을 소개한다.

[하나님찬양]

동참합니다