<목차>
1. 태양광발전 설계 절차
2. 모듈 용량 계산
3. 모듈 직병렬 고려사항
태양광발전 설계 절차
설치면적 결정
태양광발전소를 건설하기 위해서 확보한 대상지에 모듈을 설치할 범위를 결정해야 합니다. 태양광은 모든 땅의 빈 공간에 설치할 수 있는 것이 아니라 태양의 방위각 및 음영을 고려하여야 하기 때문에 설치 가능한 면적을 확인해야 하는데요 만약 태양광을 설치할 수 있다 하더라도 모듈이 정남향을 향하지 않거나 음영이 모듈을 가리게 될 경우 발전효율이 매우 낮아지기 때문에 이러한 요소에 대한 고려가 필요합니다.
모듈 선정
태양광을 설치할 면적을 결정했다면 사용할 모듈을 선정해야 합니다. 직병렬을 구성하기 위한 전기적 특성에 대한 고려가 필요하며 이에 따라 cell의 종류, 크기, 강도뿐만 아니라 모듈의 출력전압, 최적 동작전압, 전류 특성 등 다양한 요소를 확인해야 합니다.
하지만 가장 중요한 부분은 모듈의 용량입니다. 태양광 모듈의 면적은 대부분 비슷하기 때문에 같은 면적에 설치하더라도 용량이 커야지만 수익을 극대화 할 수 있기 때문입니다. 또한, 사용하는 모듈의 탄소배출량 검증 등급에 따라서 rps고정가격계약 입찰에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이러한 등급도 고려해야 할 사항 중 하나입니다.
모듈 배치
설치 면적과 사용할 모듈을 결정했다면 실제로 모듈의 크기를 바탕으로 배치를 해볼 차례입니다. 태양광 시뮬레이션 프로그램인 solar pro, pvsyst 등을 활용해 음영, 손실요소를 고려한 시뮬레이션까지 해볼 수 있으나 보편적으로는 cad를 활용해 도면상에 이격거리, 난간, 실외기 등의 요소를 고려해 가능한 많은 모듈을 배치하게 됩니다.
인버터 선정
결정된 용량과 모듈의 특성을 바탕으로 인버터를 선정하게 됩니다. 모듈의 직병렬 회로수와 전압범위를 고려한 인버터의 용량 및 대수를 고려하여 인버터를 선정하게 됩니다.
모듈 용량계산
모듈의 배치를 통해 최대 설치가능 모듈 수가 결정되었다면 인버터의 동작범위를 고려해 직렬, 병렬 회로수를 계산해야 합니다. 단순한 전압범위의 관점으로 계산한다면 전기회로적 특성에 따라 직렬로 연결된 모듈은 전류가 동일하며, 전압은 연결된 모듈의 전압의 합이 됩니다.
만약 100W 용량의 모듈이 전압 50V, 전류10A의 특성을 가지고 이를 8장 직렬연결 하게 된다면 용량은 100W x 8장 = 800W, 전압은 50V x 8장 = 400V, 전류는 10A가 됩니다.
모듈 직병렬 고려사항
태양광 모듈은 직, 병렬로 연결되어 어레이를 구성하며 사용 용도와 인버터 특성에 따라 10~30개의 모듈을 직렬연결하고, 설치 용량에 따라 병렬 회로수를 설정하게 됩니다. 만약 어레이에서 음영등의 이상이 발생할 경우 최대 출력 전력이 변화하는데 모듈의 직렬회로 출력전압은 전압의 합계로 동일하지만, 전류는 모듈의 상태에 따라 낮은 출력을 갖는 모듈의 전류값에 의존하게 됩니다.
반대로 병렬회로의 전체 출력전류는 전류의 합계로 나타나지만, 전체 전압은 각 모듈의 전압과 같기 때문에 어레이를 설계할 때 이와 같은 사항들을 고려하여 적절한 어레이를 구성하는 것이 필요합니다.
또한, 직렬 모듈 수를 결정할 때 앞선 인버터의 선정 과정처럼 단순한 개방전압만을 가지고 계산하는 것이 아닌 온도 변화에 따른 특성도 고려해야 합니다. PV어레이에서 온도 변화에 따른 모듈의 직병렬을 계산하기 위해 모듈의 각 전압을 온도변화에 따라 고려해야 하며온도 별 최대전력 전압(VMPP)과 개방전압(VOC)를 계산해야 합니다.
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최대출력(Pmax)
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450W
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효율
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20.1%
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개방전압(Voc)
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50.17V
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전류 온도계수
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0.04%/°C
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단락전류(Isc)
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10.6A
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전압 온도계수
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-0.27%/°C
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최대출력전압(Vmax)
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44.49V
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전력 온도계수
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-0.35%/°C
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최대 출력전류(Imax)
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10.12A
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모듈 치수
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2,171 x 1030 x 35
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최대 입력전압
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1000V
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상수 / 상별 연결
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3/3
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입력전압 허용범위
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200-800V
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최대효율 / 유로효율
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95% / 94%
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정격 전력
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100kW
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정격 출력시 역률
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0.98이상
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정격 계통전압
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380V
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크기
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1000 x 1700 x 750
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주파수 변동률
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60Hz
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토폴로지
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무변압기형
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위와 같은 모듈과 인버터 스펙을 설정했다고 가정한 뒤 모듈의 직렬, 병렬을 계산한다면
겨울철 태양광 모듈의 최저 온도가 -10°C 일 때,
VMPP (-10°C) = 44.49 + {[25-(-10)] X 44.49 X 0.27%} = 48.69V
VOC (-10°C) = 53.2 + {[25-(-10)] X 53.2 X 0.27%} = 58.23V
여름철 태양광 모듈의 최고 온도가 70°C 일 때,
VMPP (70°C) = 44.49 + {[25-(70)] X 44.49 X 0.27%} = 39.08V
VOC (70°C) = 53.2 + {[25-(70)] X 53.2 X 0.27%} = 46.74V
따라서, 겨울철 인버터 입력전압과 개방전압을 고려한 직렬 모듈 수는 800 / 58.23 = 13.7개, 최대 전력전압을 적용한 직렬 모듈 수는 800 / 48.69 = 16.4개 이며
여름철 인버터 입력전압을 고려한 직렬전압수는 200 / 39.08 = 5.11개로 해당 직렬연결 수는 최소 개수이며
최적 직렬연결 개수 범위는 겨울철을 고려한 14~17개 사이에 있음을 알 수 있습니다. 인버터의 전압범위를 고려하여 모듈 14개를 직렬연결하기로 결정한다면 직렬전력은 450 X 14 = 6.3kW가 됩니다.
따라서 병렬 모듈 수의 최대는 정격출력전력을 직렬전력으로 나눈 100kW / 6.3kW = 15.87개로 16 병렬을 선정하게 됩니다.
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