1. 모듈의 특성곡선
가. 전압-전류-전력의 관계
태양광모듈은 두 개의 다른 정격전압을 가지고 있다. 하나는 개방전압 (Voc : open circuit voltage)이고 다른 하나는 최대전압(Vmp : maximum power voltage)이다. 개방전압은 표준시험 조건에서의 개방전압 Voc stc와 태양광발전소 사이트에서 양 단자가 개방된 상태의 최대개방전압 Voc max로 구분하여 부르고 있다. Vmp는 최대전력을 출력하는 상태의 전압을 뜻한다.
개방전압은 태양광 모듈에 연결된 부하가 없고 전류가 흐르지 않을 때 나타나는 전압이다. [그림 1-1]의 노란색 곡선은 태양광 모듈(또는 태양전지)의 전압-전류 특성곡선이다. 이 곡선에서 오른쪽 하단과 만나는 점이 개방전압이고 전압은 최대이고 전류는 “0”이 되는 점이다.
최대전압은 [그림 1-1]에서 MPP 특성곡선(파란색)에서 커브의 변곡점(MPP)과 아래 횡축이 만나는 지점에 있다.
최대전압은 개방전압 보다 항상 큰 값이다.
태양광모듈은 또한 두 개의 다른 정격전류를 가지고 있다. 하나는 단락전류(Isc : short circuit current)이고 다른 하나는 최대전류(Imp : maximum power current)이다.
단락전류는 표준시험 조건에서의 단락전류 Isc stc와 태양광발전소 사이트에서 양 단자가 단락된 상태의 최대단락전류 Isc max로 구분하여 부르고 있다. Imp는 최대전력을 출력하는 상태의 전류를 뜻한다.
단락전류는 [그림 1-1]의 전압-전류 특성곡선(노란색)에서 왼쪽과 만나는 점이 단락전류이고 전류는 최대값을 나타내고 전압은 “0”이 되는 점이다.
최대전류은 [그림 1-1]에서 MPP 특성곡선(파란색)에서 커브의 변곡점(MPP)과 왼쪽 종축이 만나는 지점에 있다.
나. 일사량 및 온도의 영향
일사량이 증가하면 전류는 어느 지점까지는 이에 비례하여 증가한다.
[그림 1-2]는 주위온도 20℃에서의 일사량 변화에 따른 전압-전류 특성곡선을 나타낸 것이다. 이를 보면 전류는 일사량 변화에 따라 비례하여 증가됨을 알 수 있다. 그러나 전압은 일사량 증가에 따라 변화하지만 그 증가가 아주 작게 변화함을 알 수 있다. 일반적으로 일사량이 200 W/㎡ 정도이면 정격전압의 90% 정도까지 이르게 된다.
모듈의 전압은 온도와 밀접한 관련이 있다. [그림 1-3]은 일사량 1000[W/㎡]에서 온도의 변화에 따른 특성곡선의 변화를 나타낸 것이다. 이 곡선에서와 같이 온도가 변화하면 전류는 거의 변화가 없지만 전압은 온도에 반비례하여 변화한다.
모듈 제조회사에서 제시하는 전압 값은 표준시험조건의 값이므로 주위온도를 25℃를 표준으로 하고 있다. 우리나라 겨울철 온도는 영하 20℃ 까지 내려가고 있어 표준시험조건의 전압을 변환하여 시스템을 설계하여야 한다.
2. 모듈의 전기회로
모듈은 다수의 셀이 직렬로 연결되어 있다. [그림 2-1]은 36개의 셀이 직렬로 연결된 모듈을 보여주고 있다. 최근에는 72개의 셀을 직렬 연결하여 200W급의 모듈을, 144개의 셀을 직렬 연결하여 400W급의 모듈을 상용화하고 있다.
가. 모듈의 직렬연결
다수의 모듈을 [그림 2-2]과 같이 직렬로 연결하면 전류는 같지만 전압은 직렬의 수만큼 비례하여 증가하게 된다. 그러나 실제는 Mis-matching 등으로 약간 감소하여 나타난다. 특성이 같은 모듈일 경우 거의 직렬에 비례하여 증가되어 나타나지만 특성이 다르거나 그림자 등에 영향을 받을 경우 상당한 차이가 난다.
나. 모듈의 병렬연결
다수의 모듈을 [그림 2-3]와 같이 병렬로 연결하면 전압은 같지만 전류는 병렬의 수만큼 비례하여 증가하게 된다. 그러나 실제는 Mis-matching 등으로 약간 감소하여 나타난다. 역시 특성이나 그림자 등에 따라 상당한 차이가 발생할 수 있다.
3. 태양광발전시스템의 최대전압 계산
가. IEC 규격에 의한 태양광발전시스템의 최대전압 계산
“IEC 60360-7-714 부속서 B” 규격에 의하여 계통최대전압(UOC MAX)을 계산하도록 되어 있다.
[IEC 60360-7-714 부속서 B]
UOC MAX는 태양광발전시스템에서 무부하(오픈 회로)의 태양광 스트링 회로, 태양광 어레이 회로 또는 태양광발전시스템의 양단의 최대전압이며 다음 공식에 의해 산출된다.
UOC MAX = Ku UOC STC
보정계수 Ku는 아래 식과 같다.
Ku =1 + (aUOC/ 100)(Tmin - 25)
○aUOC:모듈의 전압 UOC의 온도변화계수, 단위는 %/℃
○Tmin:태양광발전 설치 부지의 최저온도, 단위는 ℃
aUOC는 마이너스 요인이며 모듈 제조회사로부터는 mV/℃ 또는 %/℃의 기호로 제공된다. aUOC가 mV/℃로 표시되는 경우는 다음 공식에 의하여 %/℃로 환산한다.
aUOC (%/°C) = 0.1 aUOC (mV/°C)
/ UOC STC-module (V)
설치 부지의 예상 최저 기온에 관한 정보나 태양광 모듈의 온도계수에 관한 정보가 없을 때에는 UOC MAX의 값은 1.2 UOC STC와 동등하게 선택한다.
[사례 1] 개방전압 UOC STC : 22.6V, 온도계수 : -0.31%/℃의 특성을 갖는 모듈을 23개 직렬로 연결하여 스트링을 구성하는 경우 태양광발전시스템의 계통최대전압은? 다만, 최저 주위온도는 -20℃로 한다.
UOC MAX =
{1 + (aUOC/ 100)(Tmin-25)} UOC STC x N(직렬수)
= {1 + (-0.31/100) x (-20-25)) x 22.6V x 23
= 592.3 V
나. NEC 규격에 의한 태양광발전시스템의 최대전압 계산
“NEC 690” 규정에 계통최대전압(UOC MAX)은 IEC규격과 같은 방법으로 계산하기도 하고 다음 [표 3-1]과 같이 보정계수(NEC 690 Table 690.7)에 의하여 계산한다.
UOC MAX = UOC STC x Table 690.7 Correction Factor x N
[사례 2] “사례 1”과 같은 조건
UOC MAX = UOC STC x Table 690.7 Correction Factor x N
= 22.6 UOC STC × 1.18 × 23 modules = 613.4V
다. 실계통에 적용
위에서와 같이 표준조건(STC)에서의 개방전압은 제조사에서 결정되지만(대부분 카탈로그에 명시되어 있음) 실제계통에서의 최대 개방전압(UOC MAX)은 온도 등에 따라 변화가 있다. 실리콘 결정질 모듈의 경우 온도가 1℃ 내려갈 때 0.4∼0.5% 정도 전압이 상승된다. 박막형(Thin Film)의 경우 제조회사에 따라 다르지만 온도계수가 -0.25%/℃ 정도이다. 어떤 박막형 모듈은 햇빛에 노출되는 처음 1주일 동안 전압이 아주 높게 올라가기도 한다.
미국(NEC)에서는 계통전압을 주로 600V 이하로 하고 있지만 IEC 규격을 적용하는 유럽은 주로 800V를 채택하고 있으며 최대 1000V 또는 그 이상을 적용하는 경우도 있다. 이것은 저압의 구분을 NEC는 DC 750V로 하고 있지만 IEC는 DC 1500V로 하고 있는 것에 영향이 있다고 본다. 주택의 지붕 등에 설치하는 태양광발전시스템에서는 300∼600V를 적용하지만 대형으로 갈수록 전압이 커지고 있다.
4. 태양광발전시스템의 최대전류(ISC MAX) 산출
태양전지 모듈, 태양광 스트링 회로, 태양광 어레이 회로, 태양광 발전시스템의 최대전류는 다음 공식에 의해 산출할 수 있다. “IEC 60360-7-714 부속서 B” 및 “NEC 690.8”에서 같은 방법으로 산출하고 있다.
ISC MAX = K1 ISC STC
K1의 최소값은 1.25이다.
n개의 스트링이 [그림 4-1]과 같이 병렬로 되어 있고 각 스트링의 단락전류(ISC STC)를 ISC STC1, ISC STC2, ISC STC3 ....... ISC STCn라 하면 태양광발전시스템의 최대전류 ISC MAX은 다음과 같이 된다.
ISC MAX = (ISC STC1 + ISC STC2 + ISC STC3 + ....... + ISC STCn) x 1.25
[사례 3] 개방전압 38.3V, 단락전류 8.43A 모듈 18장을 직렬로 연결한 스트링 회로가 5개 병렬로 하여 어레이를 구성한 경우 계통 최대전압(UOC MAX) 및 계통최대전류는? 단, 제조회사에서 제시하는 온도보정계수는 -0.32 %/℃로 하고 최저 주위온도는 -20℃로 한다.
UOC MAX = Ku UOC STC
Ku =1 + (aUOC/ 100)(Tmin - 25)
UOC MAX = 38.3 x 18 x {1+(-0.32/100)(-20-25) }
= 38.3 x 18 x 1.14 = 786.6 V
ISC MAX = K1 ISC STC = 1.25 x 8.43 x 5 = 52.7 A |
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