광발전 시스템의 구성 및 작동 원리

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광전지 발전 시스템의 구성 및 작동 원리

광전지(PV) 발전 시스템은 주로 PV 모듈, 컨트롤러, 인버터, 배터리, 기타 부속품으로 구성됩니다(그리드 연결 시스템에서는 배터리가 필요하지 않습니다). 공용 전력 그리드에 의존 여부에 따라 PV 시스템은 독립형과 그리드 연결형으로 나뉩니다. 독립형 시스템은 공용 전력 그리드에 의존하지 않고 자체적으로 작동합니다. 이러한 시스템은 안정적인 전력 공급을 위해 에너지 저장 배터리를 장착하여, 태양광 발전이 불충분한 야간이나 장기적인 흐린 날이나 비오는 날에도 부하에 전력을 공급할 수 있습니다.

시스템 유형에 관계없이 작동 원리는 동일합니다: PV 모듈은 햇빛을 직류(DC) 전기로 변환하고, 인버터를 통해 이를 교류(AC)로 변환하여 전력 소비 또는 그리드 연결이 가능하게 합니다.

1. 광전지(PV) 모듈

PV 모듈은 전체 발전 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 개별 광전지 셀을 결합하여 제작되며, 레이저나 와이어 커팅 기계를 사용하여 다양한 크기로 절단됩니다. 단일 태양광 셀의 전압과 전류 출력이 매우 낮기 때문에, 여러 셀을 먼저 직렬로 연결하여 더 높은 전압을 얻고, 그 다음 병렬로 연결하여 전류를 증가시킵니다. 조립에는 역전류 방지를 위한 차단 다이오드가 포함되어 있으며, 스테인리스강, 알루미늄, 또는 비금속 재료로 만든 프레임 내에 포장됩니다. 앞면은 강화유리로, 뒷면은 백시트로 덮여 있으며, 질소 가스로 충전되고 밀봉됩니다. 여러 개의 PV 모듈이 직렬 및 병렬로 연결되어 PV 배열(또는 태양열 배열이라고도 함)을 형성합니다.

작동 원리: 햇빛이 태양광 셀의 반도체 p-n 접합에 닿으면 전자-홀 쌍이 생성됩니다. p-n 접합의 전기장 영향으로 홀은 p영역으로, 전자는 n영역으로 이동합니다. 회로가 폐쇄되면 전류가 흐릅니다. PV 모듈의 주요 기능은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 배터리에 저장하거나 직접 전기 부하에 공급하는 것입니다.

PV 모듈의 종류:

단결정 실리콘: 효율 ≈ 18%, 최대 24% — 모든 PV 유형 중 가장 높음. 일반적으로 강화유리와 방수 수지로 포장되어 내구성이 뛰어나고 장수명(최대 25년)입니다.

다결정 실리콘: 효율 ≈ 14%. 단결정과 유사한 제조 과정이지만 효율이 낮고 비용이 적으며 수명이 짧습니다. 그러나 생산이 간단하고 에너지 소모가 적으며 생산 비용이 낮아 널리 채택되고 있습니다.

비정질 실리콘(박막): 효율 ≈ 10%. 완전히 다른 박막 공정을 사용하여 제조되며, 실리콘과 에너지 소모가 적습니다. 주요 장점은 낮은 조명 조건에서도 성능이 좋다는 것입니다.

2. 컨트롤러(독립형 시스템에서 사용)

태양광 충전 컨트롤러는 배터리의 과충전 및 과방전을 방지하는 자동 장치입니다. 고속 CPU 마이크로프로세서와 고정밀 A/D 변환기를 장착하여 마이크로컴퓨터 기반 데이터 수집 및 모니터링 제어 시스템으로 작동합니다. 실시간 운영 데이터를 신속하게 수집하고 시스템 상태를 모니터링하며 역사 데이터를 저장하여 시스템 설계 및 구성 요소의 신뢰성을 평가하기 위한 정확하고 충분한 정보를 제공합니다. 또한 여러 PV 하위 정류소의 집중 관리 및 원격 제어를 지원하는 직렬 통신을 지원합니다.

3. 인버터

인버터는 태양광 패널에서 생성된 DC 전기를 AC 전기로 변환하여 표준 AC 전력 장치와 호환되게 합니다. PV 인버터는 중요한 BOS(Balance of System) 구성 요소이며, 최대 전력 추적(MPPT) 및 섬 효과 보호와 같은 특수 기능을 포함합니다.

태양광 인버터의 종류:

독립형 인버터: 독립형 시스템에서 사용됩니다. PV 배열이 배터리를 충전하고, 인버터는 배터리로부터 DC 전력을 공급하여 AC 부하를 공급합니다. 많은 독립형 인버터는 AC 전력을 사용하여 배터리를 재충전할 수 있는 내장 배터리 충전기를 포함합니다. 이러한 인버터는 그리드와 연결되지 않으며 섬 효과 보호가 필요하지 않습니다.
그리드 연결형 인버터: AC 전력을 공용 전력 그리드로 공급합니다. 그 출력 파형은 그리드의 위상, 주파수, 전압과 일치해야 합니다. 그리드가 분리되면 안전을 위해 자동으로 종료됩니다. 그리드 중단 시 백업 전력을 제공하지 않습니다.
배터리 백업 인버터: 배터리를 주요 전력 공급원으로 사용하고, 배터리를 재충전하는 충전기를 포함하는 특수 인버터입니다. 잉여 전력은 그리드로 공급될 수 있습니다. 그리드 중단 시 지정된 회로에 AC 전력을 공급할 수 있으며, 따라서 섬 효과 보호가 포함됩니다.

4. 배터리(그리드 연결 시스템에서는 필요하지 않음)

배터리는 PV 시스템의 에너지 저장 장치입니다. 일반적인 유형에는 밀폐형 납산, 열린형 납산, 젤, 니켈-카드뮴 알칼리 배터리 등이 있습니다. 밀폐형 납산과 젤 배터리가 가장 널리 사용됩니다.