독립형 태양광 PV 시스템을 어떻게 설계하고 설치하나요？

태양광 PV 시스템의 설계 및 설치

현대 사회는 산업, 난방, 교통, 농업 등 일상적인 필요에 에너지를 사용하며, 대부분 이러한 에너지는 재생 불가능한 자원(석탄, 석유, 가스)으로 충족됩니다. 그러나 이러한 자원은 환경적 피해를 초래하고, 분포가 불균형하며, 제한된 매장량으로 인해 가격 변동성이 있습니다. 이를 통해 재생 가능 에너지에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

태양 에너지는 풍부하고 전 세계적인 수요를 충족할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 독립형 PV 시스템(그림 1)은 유틸리티로부터 에너지 독립성을 제공합니다. 아래는 전력 생산을 위한 이들의 계획, 설계, 설치 개요입니다.

독립형 PV 시스템의 계획
현장 평가 및 조사:

• 그늘 최소화: 설치 장소(지붕 또는 지면)가 그늘을 주는 구조물이 없고, 미래의 건설로 인해 태양 복사가 차단되지 않도록 합니다.

• 표면 면적: 사이트 면적을 결정하여 PV 패널의 수/크기를 추정하고, 인버터, 컨버터, 배터리 뱅크의 배치를 계획합니다.

• 지붕 고려 사항: 기울어진 지붕의 경우 기울기 각도를 확인하고 적절한 마운팅을 사용하여 태양 입사량을 최대화합니다(이론적으로 패널과 수직).

• 케이블 경로: 케이블(인버터, 배터리 뱅크, 충전 제어기, PV 배열 연결) 경로를 계획하여 케이블 사용량과 전압 강하를 최소화하고 효율성과 비용을 균형잡습니다.

태양 에너지 자원 평가:

• 일사량 데이터: 직접 측정하거나 기상 관측소에서 얻어 일사량을 측정합니다. 단위는 킬로와트시/제곱미터/일(kWh/m²/day) 또는 일간 피크 태양 시간(PSH, 1000 W/m²의 평균 일사량을 가진 시간)을 사용합니다.

• 주요 지표: 간단한 계산을 위해 PSH를 사용합니다(평균 일조 시간과 혼동하지 않도록 합니다. 이는 지속 시간을 반영하며 에너지를 반영하지 않습니다). 시스템 신뢰성을 보장하기 위해 가장 낮은 월별 평균 일사량을 채택합니다.

독립형 PV 시스템 고려사항
1. 에너지 수요 계산

시스템 크기는 부하 수요에 따라 결정되며, 다음과 같이 계산됩니다:

• 일일 에너지 수요(Wh) = (전기 기기의 전력 소비량(와트) x 일일 운영 시간)의 합.

• 가장 높은 일일 수요를 사용하여 신뢰성과 비용을 균형잡습니다(피크 사용 중에도 작동하도록 하지만, 이는 시스템 비용을 증가시킵니다).

2. 인버터 및 충전 제어기 사이징

• 인버터: 전체 부하의 25% 더 큰 값으로 설정합니다(손실을 고려).
  예: 2400W 부하의 경우 3000W 인버터(2400W x 1.25)가 필요합니다.

• 충전 제어기: 전류 등급 = PV 패널의 단락 전류의 125%(안전 계수).
  예: 10A 단락 전류의 4개 패널은 50A 제어기(4 x 10A x 1.25)가 필요합니다.
  참고: MPPT 제어기는 제조사 사양을 따릅니다.

3. 인버터로의 일일 에너지

인버터 효율(예: 90%)을 고려합니다:

• 배터리에서 인버터로 공급되는 에너지 = 총 부하 에너지 / 효율.
  예: 2700Wh 부하 → 배터리에서 3000Wh(2700 / 0.9) 공급.

4. 시스템 전압

배터리 전압(일반적으로 12V, 24V 등)에 의해 결정되며, 높은 전압은 케이블 손실을 줄입니다. 예: 24V 시스템.

5. 배터리 사이징

주요 매개변수: 방전 깊이(DOD), 자치 일수, 시스템 전압.

• 사용 가능한 용량 = 배터리 Ah x DOD.

• 필요한 충전 용량 = 배터리에서 공급되는 에너지 / 시스템 전압.
  예: 24V 시스템에서 배터리에서 3000Wh 공급 → 125Ah 필요.

• 12V, 100Ah 배터리(70% DOD)의 경우:

• 배터리 수 = 125Ah / (100Ah x 0.7) ≈ 2(올림).

• 2개의 배터리를 직렬로 연결하여 24V 시스템 전압을 달성합니다.

따라서 총 12V, 100Ah 배터리 4개가 필요합니다. 두 개는 직렬로, 두 개는 병렬로 연결됩니다. 필요한 배터리 용량은 다음 공식으로 찾을 수 있습니다.

PV 배열의 사이징

• 총 PV 배열 용량(W): 최저 일간 피크 태양 시간(또는 패널 발전 요인, PFG)과 일간 에너지 수요를 사용하여 계산합니다:
  총 Wₚₑₐₖ = (일간 에너지 수요(Wh) / PFG) x 1.25(손실을 위한 스케일링 계수).

• 모듈 수: 총 Wₚₑₐₖ을 단일 패널의 정격 전력(예: 160W)으로 나눕니다.

  예: 3000Wh 일간 수요와 PFG = 3.2인 경우, 총 Wₚₑₐₖ = 3000 / 3.2 ≈ 931W. 160W 패널의 경우 6개 모듈이 필요합니다(931 / 160 ≈ 5.8, 올림).

• 손실 요인(PFG 조정을 위해): 태양 광선 각도(5%), 최대 전력 포인트 미만(10%, MPPT 제외), 먼지(5%), 노후화(10%), 고온(>25°C, 15%) 등을 포함합니다.

케이블의 사이징

• 주요 고려사항: 전류 용량, 최소 전압 강하(<2%), 저항 손실, 날씨 저항(물/자외선 방수).

• 단면적 공식:
  A = (ρ x Iₘ x L / VD) x 2
  (ρ = 저항률, Iₘ = 최대 전류, L = 케이블 길이, VD = 허용 가능한 전압 강하).

• 균형: 과소 사이징(에너지 손실/사고)이나 과대 사이징(비용 효율성 저하)을 피합니다. 적절한 회로 차단기와 커넥터를 사용합니다.