1. 용어의 정의
기술규정을 정하고 이를 운영하려면 먼저 정확한 용어를 정하는 것이 필요하다. 이에 필자는 이해를 돕기 위하여 필요할 경우 아래와 같이 IEC, NEC 및 우리나라의 태양광발전시스템 용어를 비교하였다. 다만 IEC 60364-7-712는 우리나라 KS에서 도입하였기 때문에 KS를 인용하였다.
가. 태양광발전 및 태양광발전시스템
○ 태양광발전(Photovoltaic systems)
태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 발전 방식. 광기전력 효과를 이용한 태양전지를 사용하는 것이 일반적이다.
○ 태양광발전시스템(Photovoltaic[PV] systems)
광기전력 효과로 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하고 부하에 적합한 전력을 공급하기 위하여 구성된 장치 및 이들에 부속하는 장치의 총체를 말한다. 태양광발전시스템은 다음[표 1-1]과 같이 독립형과 계통연계형으로 나누어진다.
① 독립형 태양광발전시스템 : 상용 전력계통과 무관하게 독자적으로 전력을 공급하는 태양광발전시스템을 말한다.
② 계통연계형 태양광발전시스템 : 상용 전력계통과 병렬로 접속되어 발전된 전력을 계통으로 내보내거나 계통으로부터 전력을 공급받는 태양광발전시스템을 말한다.
나. 모듈 및 집합체 관련 용어
IEC는 IEC 61836 제2판이 공표되면서 용어를 PV로 표기하기로 하였고 [표 1-2]와 같이 PV cell, PV module, PV string, PV array로 표기하고 있지만 NEC(미국)는 Solar Cell, Module, Panel, Array로 표기하고 있다.
모듈 집합체와 관련된 용어를 [그림 1-1]과 같이 IEC에서 정하는 용어를, [그림1-2]에서 NEC에서 정하는 용어를 그림으로 표현하였다. 이를 보면 셀은 기본단위를 나타내고 모듈은 셀을 조합하여 일체화한 것이다. 스트링은 모듈을 직렬회로로 구성한 것인데 NEC에서는 패널(Panel)이라고 한다. 다수의 스트링을 병렬로 구성한 것을 어레이라 부르고 있다.
한편 NEC 690.2에 의하면 어레이는 [그림 1-3]과 같이 양극 어레이(Bipolar Photovoltaic Array)와 단극 어레이(Monopole Subarray)로 나누어진다. 양극 어레이는 공통 기준점 또는 중간 탭에서 각각 반대 극성의 두 개의 출력을 가진 태양광 어레이로 구성하는 것이고 단극 어레이는 출력회로에서 한 개의 양극과 한 개의 음극을 가지는 어레이이다. 또한, 서브어레이(Subarray)라 하여 어레이의 하위개념으로 사용하고 있다.
다. 배선과 관련된 용어
IEC에 정의하는 배선과 관련된 용어와 NEC에서 정의하는 배선과 관련된 용어를 [표 1-3]에 비교하였고 [그림 1-1]에서 IEC에서 배선과 관련된 용어의 정의를, [그림 1-4]에서 NEC에서 정의하는 용어를 그림으로 표현하였다.
라. 표준시험조건
(standard test conditions (STC))
셀, 모듈의 성능을 표현할 때 주변상황 및 조건에 따라 다르기 때문에 같은 조건에서 시험을 하여야 한다. 국제적으로 시험조건은 “방사조도(햇빛 강도) 1000W/m3, 에어 매스 1.5, 어레이 대표온도 25±2℃”의 시험 조건을 말한다.
1)방사조도(햇빛강도)
단위면적 1㎡ 에 도달하는 태양광에너지의 질감을 나타내고 단위는 (W/㎡)를 사용한다. 태양광에너지가 대기를 통과하여 지표면에 도달하면 1000 W/㎡ 정도가 된다. 이 1000 W/㎡를 방사조도의 기준상태로 하고 있다.
2) Air Mass
태양에너지가 지구표면에 도달할 때 대기권에 의해 흡수, 반사 및 굴절 과정을 거쳐 세기가 감소되는데, 이와 같이 감소되는 정도를 “Air Mass(AM)”로 정의한다.
대기권 밖에 도달하는 태양에너지는 AM 0 로 정의될 수 있으며 1,367 W/㎡의 에너지를 가진다. 빛이 대기권으로 들어오면 대기에 포함되어 있는 질소(78%), 산소(21%), 이산화탄소(0.038%), 수증기 등에 의하여 빛이 산란되거나 흡수되어 태양에너지가 감소하게 된다. 결정Si계 태양전지의 경우 약 380 ∼ 1120nm의 빛이 출력에 기여하는데 [그림 1-5]와 같이 이 부분의 파장대에서 감소가 크게 나타나므로 이를 정의할 필요가 있다.
태양이 대기권을 통과하여 지구표면에 수직으로 도달할 때를 AM 1로 정의한다. 태양이 정점(Zenith)으로부터 지평(또는 수평)선으로 가울어지는 각을 θz로 주어질 때 AM n=1/cosθz로 정의된다. 따라서 θz=0° 일 때 AM 1이 되며 AM 1.5는 θz=48.19° 일 때 그리고 AM 2는 60° 조건에 해당된다. AM 1.5의 에너지 세기는 844W/㎡이지만, 종종 태양전지 에너지 변환효율 측정에 사용되는 1태양(one sun)조건에 해당되는 1000 W/㎡(=100 mW/c㎡)세기의 표준 global AM 1.5 스펙트럼은 구름이 없고, 25km의 시계를 갖는 대기 상태에서 태양을 향해 37° 기울어진 해수면에 조사되는 태양에너지의 분포에 의해 결정된다. 빛(태양)에너지가 전기에너지로 변환되는 효율은 표준 global AM 1.5조건 (1000 W/㎡)에서 입사된 광자가 전자로 변환되는 효율을 백분율로 표시한 것이다.
태양광발전용어집(2007년 상업자원부) 및 JIS C 8960에서 Air Mass를 아래와 같이 정의하고 있다.
대기 질량 (정수) ; air mass (AM)
직달 태양광선이 지구 대기를 지나오는 경로의 길이로서, 임의의 해수면상 관측점으로 햇빛이 지나가는 경로의 길이를 관측점 바로 위에 태양이 있을 때 햇빛이 지나오는 거리의 배수로 나타낸 것이다. , 즉 직달 태양광이 지구 대기를 통과하는 노정을 표준 상태의 대기압(1013hPa)에 연직으로 입사되는 경우의 노정에 대한 비로 나타낸 것이며, AM으로 표시한다.
3) 모듈온도
태양전지 모듈은 온도가 상승하면 발전전압이 내려간다. 반대로 온도가 내려가면 발전전압이 올라가는 특성을 가지고 있다. 그래서 25℃를 기준온도로 하고 있다.
마. 전압, 전류 관련 용어
1) 개방전압(open sircuit voltage)
태양전지 · 모듈, 스트링의 출력 단자를 개방한 때의 양쪽 단자간의 전압(Voc)을 말한다. 표준시험 조건에서 개방될 때의 개방전압과 운전 중인 상태의 개방전압은 각각 ISC STC, ISC MAX라 한다. ISC STC는 모듈 제조회사가 제시하는 값으로 한다.
2) 단락전류(short circuit current)
태양전지 · 모듈, 스트링의 출력 단자를 단락한 때의 양쪽 단자 간에 통하는 전류(ISC)를 말한다. 표준시험 조건에서 개방될 때의 단락전류와 운전 중인 상태의 단락전류를 각각 UOC STC, UOC MAX라 한다. UOC STC는 모듈 제조회사가 제시하는 값으로 한다. 단위 면적당 단락 전류를 특별히 Jsc로 표시하는 경우도 있다. |
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