글쓴이: Jack Smith
일요일 오후 늦게 컨 카운티 소방서는 캘리포니아 베이커스필드의 로즈데일 하이웨이에 있는 한 상점으로부터 전화를 받았습니다. 지붕에 있는 한 줄의 태양광 패널에 불이 붙었다는 전화였습니다. 소방관들이 도착했을 때 패널 중 일부에는 여전히 전기가 통하고 있었기 때문에 소방관들은 전원이 차단될 때까지 추가 예방 조치를 취해야 했습니다.
가장 기본적인 형태의 태양 에너지 설비는 태양광 패널이 태양광을 모으는 것으로부터 시작됩니다. PV 어레이는 DC 전압을 인버터에 공급하여 DC를 AC로 변환합니다. 일부 설비에는 배터리, 자동 전환 스위치 유닛, 모니터링 및 계측 장비, 전력이 그리드로 역공급되도록 하는 장치가 있습니다.
다행히 소방관들은 지붕의 금속 데킹을 뚫지 않고 화재를 신속하게 진압했습니다. 신고 후 약 4시간 만에 매장을 정리하고 다시 문을 열 수 있었습니다. 이 예에서 배울 수 있는 교훈은 태양 에너지가 안전하지 않거나 위험하다는 것이 아니라, 태양광(PV) 어레이 및 시스템으로 작업할 때는 안전 인식을 높여야 한다는 것입니다. 소방관과 최초 대응자는 비상 요원의 안전과 대피를 보장하기 위해 전기를 안전하게 차단하는 방법을 알아야 하며, 시설 유지관리 기술자는 전기가 안전하고 안정적으로 흐르도록 유지하는 방법을 알아야 합니다.
일반적인 태양광 발전 시스템 구성
표면적이 160cm2(25제곱인치)인 일반적인 상용 광전지는 최대 일광 조건에서 약 2와트(W)의 전력을 생산합니다. 태양광 강도가 최대의 40%인 경우 광전지는 약 0.8와트를 생산합니다. 전기 에너지원으로 유용하려면 PV 셀을 직렬 및 병렬 회로 구성으로 여러 개 연결하여 더 높은 전압과 전류를 생산해야 합니다. 모듈을 직렬로 배선하여 스트링을 생성하면 전압이 증가합니다. 스트링을 병렬로 배선하면 전류가 증가합니다. 30 모듈 어레이는 4kW를 생산할 수 있습니다.
제조업체는 PV 셀 회로를 밀봉된 환경 보호 라미네이트에 결합하여 PV 발전 시스템의 기본 빌딩 블록인 PV 모듈을 구성합니다. PV 패널에는 현장 설치가 가능하도록 조립 및 사전 배선된 여러 PV 모듈이 포함됩니다. PV 어레이는 PV 모듈과 패널을 원하는 수만큼 포함할 수 있는 완전한 발전 설비입니다.
태양광 발전 시스템은 주택, 기업, 지방 자치 단체, 군사 시설 또는 기꺼이 투자하고 싶은 모든 사람에게 추가 전력을 제공할 수 있습니다. PV는 예를 들어 파이프라인 유형의 공정 산업과 임시 현장 작업 상황에서 원격 시스템의 주요 전원이 될 수 있습니다. 이 문서의 정보 대부분은 주거용 및 상용 PV 설비에 모두 적용되지만 주요 초점은 상용입니다. 일반적으로 주거용 시스템은 크기만 다릅니다. 작동 원리와 구성은 매우 유사합니다. 상용 시스템은 더 복잡한 경향이 있지만 항상 그런 것은 아닙니다.
PV 어레이는 베이커스필드의 상점과 같이 시설의 지붕 또는 시설에 인접한 땅에 설치할 수 있습니다. 일반적으로 태양광 어레이는 메가와트당 약 3~5에이커(acres)가 필요합니다. 지붕과 건물에 설치되는 어레이는 현장에서 사용할 수 있는 총 태양광 설치 공간을 극대화합니다. 그러나 지붕이 뚫리거나 지붕에 걸리는 하중으로 인한 문제도 고려해야 합니다.
거의 모든 유용한 태양 에너지 설비의 개념적 기초는 태양광을 수집하는 PV 패널에서 시작됩니다. PV 어레이는 DC 전압을 인버터에 공급하며, 인버터는 DC를 60Hz AC로 변환합니다. 인버터의 AC는 시설이나 가정에 에너지를 공급합니다.
이 예제 시스템을 유용하고 안전하게 만들기 위해 누락된 몇 가지 중요한 요소가 분명히 있습니다. 시설 요구 사항에 따라 시스템에는 DC 전환 및 보호 장치(예: DC 컴바이너 박스, 회로 차단기, 차단 스위치 및 접촉기)가 여러 개 포함될 수도 있습니다. 인버터는 다양한 구성과 전력 범위에서 사용할 수 있습니다. (컴바이너 박스는 둘 이상의 회로에 대한 병렬 연결 지점으로 사용되는 배선함입니다.) 일부 대규모 설비에는 여러 인버터를 사용합니다. 실제 시스템에는 AC 전환 및 보호 장치(예: AC 분전반 및 배전반, 차단 스위치, 회로 차단기, 저압 및 중압 개폐기, 저압 및 중압 변압기)도 포함됩니다. 일부 설비에는 배터리, 자동 절환 스위치 유닛, 모니터링 및 계량 장비, 전력이 그리드로 역공급되도록 하는 장치가 있습니다. 기능 및 가동 요구 사항, 구성요소 구성, 장비가 다른 전원 및 전기 부하에 연결되는 방식에 따라 PV 전력 시스템 분류가 결정됩니다. 두 가지 주요 분류는 그리드 연결(또는 전력 회사 상호 작용) 시스템과 독립형 시스템입니다.
그리드 연결 시스템은 유틸리티 그리드과 상호 연결된 상태에서 작동합니다. PV 어레이 자체 외에도 그리드 연결 시스템의 주요 구성요소는 인버터입니다. PV 시스템, 특히 인버터는 일반적으로 현장 배전 패널이나 인입구에서 전력 공급망과 양방향으로 접속합니다.
독립형 PV 시스템은 유틸리티 그리드와 독립적으로 작동합니다. 독립형 PV 시스템을 사용하는 시설은 일반적으로 에너지 저장을 위해 배터리를 사용합니다. 배터리는 낮에는 PV 어레이로부터의 에너지를 저장하고 밤이나 흐린 날에는 전기 부하로 에너지를 공급합니다. 또한 배터리는 시스템 전압을 안정화하며, 필요한 경우 전기 부하에 서지(surge) 전류를 공급하는 데 도움이 됩니다. 일반적으로, 배터리 충전 컨트롤러는 배터리를 과충전 및 과방전으로부터 보호합니다.
태양광 발전 시스템은 어떻게 다른가?
광전지 전기 시스템과 전력 회사 공급 전기의 명백한 차이점은 PV 어레이가 DC를 생성한다는 것입니다. 생성된 전기는 인버터에서 처리될 때까지 AC가 되지 않습니다. 일부 PV 설비는 반드시 DC여야 하므로 AC 설비와 다른 유형의 구성요소가 필요합니다. AC 시스템에서는 볼 수 없는 PV 시스템의 구성요소에는 컴바이너 박스와 DC 차단 스위치가 포함됩니다.
태양광 컴바이너 박스는 PV 어레이의 DC 전력을 집계하여 NEC(National Electrical Code) 요구 사항에 따라 과전류 보호 기능을 제공합니다. 개별 입력은 퓨즈 홀더에 연결됩니다. 퓨즈 홀더의 부하 측이 함께 연결되어 공통 버스를 형성하고 출력 러그(lug)에 연결됩니다. 컴바이너 박스는 소스 컴바이너 또는 어레이 컴바이너입니다. 소스 컴바이너는 PV 패널에 더 가깝게 위치합니다. 어레이 컴바이너(또는 재컴바이너)는 여러 소스 컴바이너의 출력을 단일 회로로 통합하며 대규모 설비에서 볼 수 있습니다. 어레이 컴바이너는 입력 퓨즈 홀더가 더 높고 출력 전류가 더 높습니다.
일반적으로, PV 시스템은 400V DC~600V DC 범위의 전압을 생성하며, 이는 대부분의 건물 시스템에서 볼 수 있는 것보다 훨씬 높은 전압입니다. 이 더 높은 전압과 전류 사인파가 없는 0 교차(zero-crossings)를 결합하면 특히 이러한 DC 회로를 켜고 끌 때 시스템 설계, 구성요소 및 배선에서 여러 문제가 발생합니다. 0 교차 전류 사인파가 있는 AC 시스템과 비교할 때 더 높은 전압의 DC 회로를 차단하려면 아크를 안전하고 신속하게 중단 및 차단하기 위해 에어 갭이 증가되어야 합니다. 단일 스위치의 여러 극을 직렬로 배선하면 안전한 아크 중단을 위해 증가된 에어 갭이 생성됩니다.
DC 회로는 양극과 음극의 두 와이어로 구성되어 있으므로 그 중 하나는 AC 시스템의 중성선과 같이 대부분의 PV 시스템에서 접지 역할을 해야 합니다. 태양광 패널 제조업체는 이 두 와이어 중 어느 것이 접지될지 지정합니다. 음극 접지가 보다 일반적인 구성입니다. 이 결합은 일반적으로 인버터에서 이루어집니다. NEC에 따르면, 전류가 흐르는 비접지 도체만 전환되어야 합니다.
잠재적인 태양광 발전 문제
자격을 갖춘 평판이 좋은 전문가가 설치하는 대부분의 태양광 발전 시스템은 안전하고 안정적으로 작동합니다. 그러나 교육을 받지 않은 사람이 PV 전력 시스템을 설치하면 문제가 발생할 수 있습니다. PV 시스템의 설계, 설치 및 작동과 관련된 몇 가지 일반적인 문제는 다음과 같습니다.
- 큰 그늘 아래에 설치된 PV 어레이
- 옥상 및 기타 구조물의 불안정한 구조적 부착물
- 지붕 및 기타 관통부에 대한 부적절한 웨더 씰링
- 안전하지 않은 배선
- 안전하지 않은 배터리 설치 또는 부적절한 배터리 유지보수 또는 사용
- 불충분한 도체 전류용량 및/또는 절연 유형
- 미등록 장비 사용
- 등록 또는 미등록 장비의 부적절한 적용
- 과전류 보호 및 단로 장치의 부적절한 배치
- 부적절한 시스템 접지
- 주요 시스템 구성요소 및 단로 장치에 대한 부적절한 레이블 지정
- 시스템 설계, 운영 및 유지보수 요구 사항에 대한 부적절한 설명서
- 특정 시스템 구성요소에 대한 부적절한 환경 보호
테스트 및 문제 해결
모든 태양광 발전 시스템 설계 패키지에는 지원 설명서가 포함되어야 하며, 여기에는 최소한 시스템 사양, 전기 배선도, 기계 도면, 부품 목록, 재료 목록 및 소스 목록이 포함되어야 합니다. 설명서에는 설치 및 점검 절차, 사용자 및 운영자 교육, 유지보수 요구 사항, 문제 해결 지침도 포함되어야 하며, 이러한 작업을 수행하는 데 필요한 도구와 장비를 지정해야 합니다.
태양광 발전 설비에 대한 유지보수 요구 사항은 사용되는 시스템 설계 및 장비 유형에 따라 다릅니다. 일부 설비에는 주의가 거의 필요하지 않으며 연례 검사만 필요할 수도 있습니다. 특히 배터리가 있는 다른 제품은 4~6개월의 유지보수 간격이 필요할 수 있으며, 시스템 수명 동안 구성요소(보통 배터리)를 교체해야 할 수도 있습니다. PV 설비에 필요할 수 있는 일반적인 유지보수 항목은 다음과 같습니다.
- 배선 연결부 및 종단부의 헐거움 및 부식 검사
- 배선 하니스(wiring harnesses)가 깔끔하게 묶여있고 보호되는지 검사
- PV 어레이의 청결도, 손상 여부 및 구조적 무결성 검사
- 지붕 관통부 및 웨더 씰링 검사
- 청소, 전해질 추가, 충전 균등화 및 필요한 경우 교체를 포함할 수 있는 배터리 유지보수
작업에 적합한 도구 사용
PV 시스템을 설치하거나 유지보수하는지 여부에 관계없이 작업에 적절한 도구를 사용하십시오. 일반적으로 전류 클램프가 있는 고품질 디지털 멀티미터(DMM) 또는 전압 측정 기능이 있는 클램프 미터를 사용하여 PV 모듈 및 해당 DC 회로와 관련된 대부분의 작업을 수행할 수 있습니다.
모듈을 받았을 때와 설치 후에 한 번 더 테스트하려면 전류 클램프가 있는 디지털 멀티미터 또는 클램프미터를 사용하십시오. 이 계기 중 하나를 사용하여 어레이 출력 전압 및 전류를 점검하십시오. 설치하는 동안 적절한 유닛이 직렬로 연결되어 적절한 전압을 제공하는지 확인하십시오. 직렬 어레이 섹션이 병렬로 잘 연결되어 적절한 전류를 제공하는지 확인하십시오.
디지털 멀티미터와 클램프 미터를 사용하여 인버터 입력 및 출력 전압과 전류뿐만 아니라 인버터에 대한 적절한 연결을 확인하십시오. 이러한 도구는 다른 AC 전력 시스템과 마찬가지로 나머지 설치 문제를 해결하는 데도 도움이 됩니다.
일부 인버터 문제에는 오실로스코프 또는 스코프 미터 조합을 사용해야 합니다. 예를 들어, 오실로스코프를 사용하여 제어 회로 권선의 노이즈 문제를 감지 및 식별하거나, 파형을 관찰하여 적절한 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 가동을 확인합니다. 스코프미터로 트랜지스터 전체를 측정하여 단락된 트랜지스터를 감지할 수 있습니다. 좋은 트랜지스터는 날카로운 모서리가 있고 멋지게 형성된 사각파의 파형을 가지고 있는 반면, 나쁜 트랜지스터는 선행 구간의 피크에서 둥근 파형을 가지고 있습니다. 또한 인버터 출력의 파형이 사인파에 접근하는지 확인하십시오.
거의 모든 PV 설비는 인버터를 사용하여 PV 어레이의 DC를 AC로 변환하기 때문에 PV 시스템에서 나오는 AC에 일부 고조파 성분이 존재할 수 있습니다. 가변 주파수 드라이브(VFD)는 고조파 생성에 대한 가장 큰 원인입니다. 인버터가 DC를 AC로 변환하는 데 사용하는 회로는 고조파 전류 생성을 담당하는 VFD 회로와 매우 유사합니다. 일반적으로 PV 시스템 설계는 고조파를 최소화해야 합니다. 그러나, 시설의 고조파 문제가 의심되는 경우 전력 품질 분석기를 사용하여 시스템 문제를 해결할 수 있습니다.
잠재적인 문제를 인식하고 당면한 작업에 적합한 도구를 사용하여 테스트하고 문제를 해결하면 태양광 발전 시스템을 안전하고 안정적으로 운영하고 유지하는 데 도움이 됩니다.
급성장하는 태양광 에너지 산업에서 PV 전문가가 권장하는 도구 알아보기