태양광 발전소: 유형, 구성 요소 및 작동 원리
태양광 발전소는 태양 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 시스템입니다. 이들은 주로 두 가지 유형으로 분류될 수 있습니다: 광발전(PV) 발전소와 집중형 태양열(CSP) 발전소. 광발전 발전소는 태양전지를 사용하여 햇빛을 직접 전기로 변환합니다. 반면 집중형 태양열 발전소는 거울이나 렌즈를 사용하여 햇빛을 집중시켜 액체를 가열하고 이를 통해 터빈이나 엔진을 구동합니다. 이 기사에서는 두 유형의 태양광 발전소의 구성 요소, 배치, 작동 방식, 그리고 장단점을 설명하겠습니다.
광발전 발전소란?
광발전 발전소는 대규모 PV 시스템으로, 그리드에 연결되어 태양 복사에너지로부터 대량의 전력을 생산하도록 설계되었습니다. 광발전 발전소는 다음과 같은 여러 구성 요소로 구성됩니다:
태양 모듈: 이것은 PV 시스템의 기본 단위입니다. 태양전지로 구성되어 햇빛을 전기에 변환합니다. 태양전지는 일반적으로 실리콘으로 만들어져 있으며, 실리콘은 광자를 흡수하고 전자를 방출할 수 있는 반도체 재료입니다. 전자들은 회로를 통과하여 전류를 생성합니다. 태양 모듈은 시스템의 전압 및 전류 요구사항에 따라 직렬, 병렬, 또는 직렬-병렬 등 다양한 구성으로 배열될 수 있습니다.
마운팅 구조: 이것은 태양 모듈을 지지하고 방향을 조정하는 프레임이나 랙입니다. 고정형 또는 조정 가능형이 있을 수 있으며, 사이트의 위치와 기후에 따라 달라집니다. 고정형 마운팅 구조는 더 저렴하고 간단하지만, 태양의 움직임을 추적하지 않아 시스템의 출력을 줄일 수 있습니다. 조정 가능형 마운팅 구조는 태양 모듈을 틸트하거나 회전하여 태양의 위치를 따라가며 에너지 생산을 최적화할 수 있습니다. 수동 또는 자동으로 조정 가능하며, 필요한 제어 및 정밀도에 따라 다릅니다.
인버터: 이것은 태양 모듈에서 발생하는 직류 (DC)를 그리드나 AC 부하에 공급할 수 있는 교류 (AC)로 변환하는 장치입니다.
인버터는 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: 중앙 인버터와 마이크로 인버터. 중앙 인버터는 여러 태양 모듈이나 배열을 연결하고 단일 AC 출력을 제공하는 큰 장치입니다. 마이크로 인버터는 각각의 태양 모듈이나 패널에 연결되고 개별 AC 출력을 제공하는 작은 장치입니다. 중앙 인버터는 대규모 시스템에 더 비용 효율적이고 효율적이지만, 마이크로 인버터는 소규모 시스템에 더 유연하고 신뢰성이 높습니다.
충전 제어기: 이것은 태양 모듈이나 배열의 전압과 전류를 조절하여 배터리의 과충전이나 과-방전을 방지하는 장치입니다. 충전 제어기는 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: 맥폭 변조(PWM) 제어기와 최대 전력점 추적(MPPT) 제어기. PWM 제어기는 더 간단하고 저렴하지만, 충전 전류를 켜고 끄면서 일부 에너지를 낭비합니다. MPPT 제어기는 더 복잡하고 비싸지만, 태양 모듈이나 배열의 최대 전력점을 맞추어 에너지 출력을 최적화합니다.
배터리: 이것은 태양 모듈이나 배열에서 생성된 잉여 전기를 나중에 사용하기 위해 저장하는 장치입니다. 배터리는 주로 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: 리드-산성 배터리와 리튬-이온 배터리. 리드-산성 배터리는 더 저렴하고 널리 사용되지만, 에너지 밀도가 낮고 수명이 짧으며 유지 관리가 필요합니다. 리튬-이온 배터리는 더 비싸고 덜 일반적이지만, 에너지 밀도가 높고 수명이 길며 유지 관리가 적게 필요합니다.
스위치: 이것은 태양 모듈, 인버터, 배터리, 부하, 또는 그리드와 같은 시스템의 다른 부분을 연결하거나 분리하는 장치입니다. 스위치는 수동 또는 자동으로 조정 가능하며, 필요한 안전 및 제어 수준에 따라 다릅니다. 수동 스위치는 작동을 위해 인간의 개입이 필요하지만, 자동 스위치는 미리 정의된 조건이나 신호에 따라 작동합니다.
미터: 이것은 시스템의 다양한 매개변수를 측정하고 표시하는 장치입니다. 예를 들어, 전압, 전류, 전력, 에너지, 온도, 또는 일사량 등을 측정하고 표시합니다. 미터는 아날로그 또는 디지털로 나눌 수 있으며, 표시 유형과 정확도에 따라 다릅니다. 아날로그 미터는 바늘이나 다이얼을 사용하여 값을 표시하고, 디지털 미터는 숫자나 그래프를 사용하여 값을 표시합니다.
케이블: 이것은 시스템의 다른 구성 요소 사이에서 전기를 전송하는 전선입니다. 케이블은 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: DC 케이블과 AC 케이블. DC 케이블은 태양 모듈에서 인버터나 배터리까지 직류를 전송하고, AC 케이블은 인버터에서 그리드나 부하까지 교류를 전송합니다.
광발전 발전소의 배치는 사이트 조건, 시스템 규모, 설계 목표, 그리드 요구 사항 등의 여러 요인에 따라 달라집니다. 그러나 일반적인 배치는 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다: 발전 부분, 송전 부분, 배전 부분.
발전 부분은 햇빛으로부터 전기를 생산하는 태양 모듈, 마운팅 구조, 인버터를 포함합니다.
송전 부분은 발전 부분에서 배전 부분으로 전기를 전송하는 케이블, 스위치, 미터를 포함합니다.
배전 부분은 전기를 저장하거나 소비하는 배터리, 충전 제어기, 부하를 포함합니다.
다음 도표는 광발전 발전소의 배치 예를 보여줍니다:
광발전 발전소의 운영은 날씨 조건, 부하 수요, 그리드 상태 등의 여러 요인에 따라 달라집니다. 그러나 일반적인 운영은 세 가지 주요 모드로 구성됩니다: 충전 모드, 방전 모드, 그리드 연계 모드.
충전 모드는 햇빛이 많고 부하 수요가 낮을 때 발생합니다. 이 모드에서는 태양 모듈이 부하보다 더 많은 전기를 생성합니다. 잉여 전기는 충전 제어기를 통해 배터리를 충전합니다.
방전 모드는 햇빛이 없거나 부하 수요가 높을 때 발생합니다. 이 모드에서는 태양 모듈이 부하보다 적은 전기를 생성합니다. 부족한 전기는 인버터를 통해 배터리에서 공급됩니다.
그리드 연계 모드는 그리드가 사용 가능하고 유리한 요금이 적용될 때 발생합니다. 이 모드에서는 태양 모듈이 인버터를 통해 그리드에 전기를 공급합니다.
그리드 연계 모드는 그리드가 중단되었을 때 백업 전력이 필요할 때에도 발생할 수 있습니다. 이 모드에서는 태양 모듈이 인버터를 통해 부하에 전기를 공급합니다.
집중형 태양열 발전소란?
집중형 태양열 발전소는 거울이나 렌즈를 사용하여 햇빛을 수신기에 집중시키고, 이를 가열하여 터빈이나 엔진을 구동하여 전기를 생산하는 대규모 CSP 시스템입니다. 집중형 태양열 발전소는 다음과 같은 여러 구성 요소로 구성됩니다:
수집기: 이것은 햇빛을 수신기에 반사하거나 굴절시키는 장치입니다. 수집기는 크게 네 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: 포물선형 트러프, 포물선형 디시, 선형 프레넬 반사경, 중심 수신기. 포물선형 트러프는 햇빛을 선형 수신기 튜브에 집중시키는 곡선형 거울입니다. 포물선형 디시는 햇빛을 포커스 점에서 포커스되는 오목형 거울입니다. 선형 프레넬 반사경은 평평한 거울로, 햇빛을 위에 있는 선형 수신기 튜브로 반사시킵니다. 중심 수신기는 헬리오스타트라고 불리는 평평한 거울 배열로 둘러싸인 타워이며, 햇빛을 탑에 있는 포커스 점으로 반사시킵니다.
수신기: 이것은 집중된 햇빛을 흡수하고 열 전달 유체(HTF)로 전달하는 장치입니다. 수신기는 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: 외부 수신기와 내부 수신기. 외부 수신기는 대기와 접촉하여 대류와 복사를 통해 열 손실이 큽니다. 내부 수신기는 진공 챔버에 둘러싸여 있어 단열과 진공으로 열 손실이 적습니다.
열 전달 유체: 이것은 수신기를 통해 순환하고, 수집기에서 파워 블록으로 열을 전달하는 유체입니다. 열 전달 유체는 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: 열 유체와 용융염. 열 유체는 합성유나 탄화수소와 같은 높은 끓는점과 낮은 동결점의 유기 액체입니다. 용융염은 나이트레이트나 칼륨 나이트레이트와 같은 무기 화합물로, 높은 열 용량과 낮은 증기압을 가집니다.
파워 블록: 여기서 열을 터빈이나 엔진을 통해 전기로 변환합니다. 파워 블록은 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: 스팀 사이클과 브레이튼 사이클. 스팀 사이클은 물을 HTF로 사용하여 스팀을 생성하고, 이를 전기 발생기를 연결한 스팀 터빈으로 구동합니다. 브레이튼 사이클은 공기를 HTF로 사용하여 뜨거운 공기를 생성하고, 이를 전기 발생기를 연결한 가스 터빈으로 구동합니다.
저장 시스템: 여기서는 햇빛이 없거나 부하 수요가 높을 때 나중에 사용하기 위해 잉여 열을 저장합니다. 저장 시스템은 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다: 감성 열 저장과 잠열 저장. 감성 열 저장은 바위, 물, 용융염과 같은 재료를 사용하여 온도를 높여 열을 저장합니다. 잠열 저장은 상변화 재료(PCMs)나 열화학 재료(TCMs)와 같은 재료를 사용하여 상태를 변경하여 열을 저장합니다.
집중형 태양열 발전소의 배치는 사이트 조건, 시스템 규모, 설계 목표, 그리드 요구 사항 등의 여러 요인에 따라 달라집니다. 그러나 일반적인 배치는 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다: 수집 필드, 파워 블록, 저장 시스템.
수집 필드는 햇빛으로부터 열을 수집하고 전송하는 수집기, 수신기, HTF를 포함합니다.
파워 블록은 터빈,
