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「태양광발전설비시스템의 계획과 운영

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「태양광발전설비시스템의 계획과 운영. 2007. 10. ( 주 ) 선 강 엔 지 니 어 링 이 순 형 전기설비기술기준위원회 위원 내선규정위원회 전문위원 ( 대한전기협회 ) KS C IEC 60364 위원회 전문위원 ( 기술표준원 ) IEC/TC 64 & 99 전문위원 ( 산업자원부 기술표준원 ). 목 차. 태양광발전시스템 개요 태양광발전의 필요성 태양광발전시스템의 법 · 제도적 사항 태양광발전시스템의 구성 및 운영 시설계획과 적용. 태양광발전시스템의 개요.

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「태양광발전설비시스템의 계획과 운영

2007. 10

(주) 선 강 엔 지 니 어 링

이 순 형

전기설비기술기준위원회 위원

내선규정위원회 전문위원(대한전기협회)

KS C IEC 60364 위원회 전문위원(기술표준원)

IEC/TC 64 & 99 전문위원(산업자원부 기술표준원)

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목 차
  • 태양광발전시스템 개요
  • 태양광발전의 필요성
  • 태양광발전시스템의 법·제도적 사항
  • 태양광발전시스템의 구성 및 운영
  • 시설계획과 적용
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▣ 태양광발전 시스템은 여러가지 용도나 장소에서 사용되고 있고,

그 형태를 보면 발전사업자용과 계통연계형 및 독립형 그리고

주택형 등이 있는데,

여기서는 발전사업자용 태양광발전시스템에 대해서 설명하기로 함

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2.1 필 요 성

▣ 최근 국내에 태양광발전시스템의 관심이 많아지면서 그 시설이

정부 및 각 자치단체는 물론 개인 주택과 대규모 발전사업자까지

급격히 늘어나고 있는 실정이다.

인류는 지구가 만들어낸 속도보다 약 40배나 빠르게 자원을 고갈

시키고 있고 그 중 가장 심각한 문제는 지구 온난화 문제인데,

1990년대 베럴당 20달러하던 원유가격이 현재는 60달러를 육박

하고 있어 자원의 고갈이 심각한 상태에 이르고 있다. 그러므로

지구 온난화 문제에 대한 심각성을 인식한 전 세계는 1992년

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EU에서 UN상경회의에 정식제안 했고, 1997년 교토의정서가 탄생하기에 이르렀으며 2005년 2월 발효된 교토의정서는 1990년을 기준으로 이산화탄소 배출량을 평균 5.2[%] 감축하도록 하고 있다. 만약 이산화탄소를 줄이지 못하면 감축한 단체나 국가에서 돈을 주고 배출권을 사야한다.

2008년부터는 전세계가 이산화탄소 배출권을 주식이나 펀드처럼 사고팔아야 하는데 배출권 시장은 2002년 영국에서 처음 개설하여 유럽 전지역으로 개설해 나가고 있다. 이에 우리나라는 한해 4억여톤의 이산화탄소를 내 뿜어내고 있는데 세계 9위 이산화탄소 배출국이다.

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즉 사용하는 에너지의 전량이 회외 수입에 의존하고 있다고 해도 과언이 아닐 정도이고, 도시의 불빛은 더욱 찬란해지며 에너지를 많이 요구하고 있음. 우리나라는 GDP기준으로 일본에 비해 약 3배의 에너지를 더 사용하고 있다.

신재생에너지를 이용한 발전설비중 풍력이나 지열 등이 있지만 풍력의 경우 입지 조건이 맞는 곳에서만 한정되고 있어

태양에너지를 이용한 태양광발전시스템이 가장 현실적이며 초기투자비가 부담되기는 하지만 정부에서 많은 혜택을 주고 있기 때문에 그 보급이 빨라지고 있는 실정이다.

따라서 주택용 보급은 물론 공공건축물 등에 시설하는 계통연계형과 직접 한국전력공사나 한국전력거래소에 판매할 수 있는 발전사업자용까지 다양하게 시설되고 있다.

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참고로

태양광발전소는 순간 발전능력 2.5㎿기준으로 , 연간 주택 1500가구가 이용할 수 있는 전력을 생산할 수 있으며, 이는 차량 1000여대가 1년간 배출하는 이산화탄소량을 줄일 수 있는 용량이기 때문에 단순 투자비를 비교 할 수 없는 부분이기도 하다.

CO2 배출권

연간(年間)발전량(kWh) ⅹ0.6535 ⅹ 1,000원

UN 회원가입비가 약 1억원 정도이기 때문에 일정용량 이상에서만 이산화탄소배출권에 효과가 있음.

즉 1MW급 발전소의 경우 : 약 10,000,000원/년

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2.2 성장성

▣ 태양광, 풍력 등의 신 재생에너지산업은 세계적으로 연평균 20~30%의

급신장산업으로   IT, BT 산업과 함께 21C 첨단 산업으로 급부상하고 있다.

우리나라는  적극적인 기술개발을 통해 2011년까지 기술선진국으로 도약

할 예정이며, 기술개발 완료된 국산 제품의 보급 프로그램 추진으로 획기

적으로  생산비용을 절감할 수 있다는 자신감에 차있으며, 최근에는 대기

업에서도 경쟁적으로 참여하고 있다. 

▣ 2006년 전체 시장규모가 약 15억달러이고, 매년 급성장을 거듭하여 2011

년에는 360억 달러 규모로 성장할 예정이다.

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3.1 신 ·재생에너지이용

발전전력의 기준가격 지침

  • ▣ 산업자원부 고시 제2006-89호

신에너지 및 재생에너지 개발․이용․보급촉진법 제17조, 전기사업법 제49조,

타에너지지원사업운영요령(산업자원부 고시 제2002-034호) 제4조 및 제10조의

규정에 의한 「신․재생에너지이용 발전전력의 기준가격지침」(산업자원부 공고

제2002-108호, 2002.5.29, 2002.9.26 고시전환, 2003.10.9, 2004.10.19 개정)을

다음과 같이 개정․고시합니다.

2006. 8. 30.

산업자원부장관

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▣ 제1조(목적)

이 지침은 신에너지 및 재생에너지 개발 ·이용 · 보급촉진법 제17조, 전기사업법 제49조, 타에너지지원사업운영요령(산업자원부 고시 제2002-034호) 제4조 및 제10조의 규정에 의하여 신 · 재생에너지를 이용하여 전기를 생산 ·공급하는 신 · 재생에너지발전사업자의 지원에 필요한 세부사항을 규정함을 목적으로 한다.

  • ▣ 제2조(적용범위)

신 · 재생에너지이용 발전전력의 기준가격을 정하여 운영함에 있어 관계법령 및 타에너지지원사업운영요령에서 정하지 아니한 사항은 이 지침에 따른다.

  • ▣ 제3조(용어의 정의)

이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 다음과 같다.

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▣ 제4조(총괄관리기관)

①이 규정에 의한 총괄 관리기관은 신에너지 및 재생에너지 개발․이용․보급촉진법

제31조 및 영 제29조에서 규정한 에너지관리공단 부설 신․재생에너지센터로 한다.

②총괄관리기관은 다음 각 호의 업무를 수행한다.

    • 1. 신․재생에너지발전사업자(이하 “사업자”라 한다) 의무사항 준수여부 이행확인을 위한
    • 치 확인 업무
    • 2. 발전차액 지원설비의 지원금, 발전량 등의 종합적 통계관리
    • 3. 기타 산업자원부 장관으로부터 위임받은 업무

③총괄관리기관은 제2항의 규정에 의한 업무를 효율적으로 추진하기 위하여 별도의

규정을 제정하여 운영할 수 있으며, 동 규정의 제정 및 개정은 산업자원부 장관의

승인을 받아야 한다.

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▣ 제5조(기준가격의 적용대상 전원 및 지원기준)

①기준가격의 적용대상 신․재생에너지발전 전원은 신에너지 및 재생에너지 개발․이

용․보급촉진법 제2조에서 규정하고 있는 신․재생에너지 중 태양광, 풍력, 수력, 폐

기물소각(RDF포함), 바이오에너지(LFG, 바이오가스, 바이오매스), 해양에너지(조력),

연료전지로 하며 제6조 1항의 적용기준을 만족하는 설비를 대상으로 한다.

②사업자에 대한 지원금은 기준가격의 적용대상 신․재생에너지발전 전원에 의해 생

산되어 전력시장에 공급된 전력에 대하여 이 지침에서 정하는 기준가격과 전력시

장의 월 가중평균 계통한계가격의 차액 {차액지원금 = (기준가격 - 월 가중평균 계

통한계가격) × 전력거래량}으로 한다.

  • ▣ 제6조(적용대상 전원별 적용기준 및 기준가격)

①적용대상 전원별 적용기준 및 기준가격은 별표 1과 같다.

②산업자원부장관은 발전차액기준가격 적용을 위해 발전차액을 지원받고자 하는

사업자의 설비를 평가하고 그 결과를 전담기관과 주관기관에 통보하여야 한다.

③발전차액을 지원받고자 하는 사업자는 상업운전개시일 이전에 산업자원부장관에

게 적용요금 평가를 위한 설치확인신청을 하여야 한다.

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▣ 제7조(기준가격의 적용기간)
  • 이 지침에서 정한 기준가격은신․재생에너지 발전전원에 의해 생산된 전력을 전력

시장 또는 한전 배전계통에 공급하는 상업운전개시일로부터 적용하며 기준가격 적

용기간은 상업운전개시일로부터 총 15년으로 한다. 다만 발전차액지원제도 시행이

전 상업운전을 시작한 발전설비의 상업운전개시일은 타에너지지원사업운영요령

제정고시일(2001년 10월 11일)로 간주한다.

  • ▣ 제8조(기준가격 및 적용기간의 조정과 적용 등)
  • ①산업자원부장관은 유가변동, 기술수준의 발전, 상용화수준, 전력거래실적 등을 검
  • 토 하여 기준가격과 적용기간을 조정할 수 있다.
    • ②제①항에 의해 기준가격과 적용기간이 조정될 경우 조정이전에 상업운전을 개시
    • 한 사업자에 대해서는 조정이전의 가격 및 적용기간을 적용하고, 조정이후(적용일
    • 포함) 최초 전력거래를 개시하는 신규 사업자에 대해서는 조정된 기준가격과 적용
    • 기간을 적용한다.
    • ③단일발전사업 허가 내에서 단계별로 준공할 경우 단계별 완공설비에 의해 공급되
    • 는 전력에 대해서는 단계별 상업운전개시일의 기준가격 및 적용기간을 적용한다.
    • ④수력과 바이오에너지 발전사업자는 고정요금과 변동요금체계 중 하나의 요금체
    • 계를 선택할 수 있으며, 적용기간 중 1회에 한해 요금제를 변경할 수 있다.
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▣ 제9조(관리 및 제재조치 등)
  • ①이 지침에 의해 기준가격과 계통한계가격의 차액을 지원받은 사업자는 사업장별,
    • 신․재생에너지발전 전원별로 생산․공급되는 전력의 발전량을 확인할 수 있는 적
    • 산 전력계를 설치하고 일별로 전력의 생산, 소비 및 공급량 등이 기재된 대장 (또는
    • 자동기록장치)을 작성하여 비치하여야 한다.
    • ②단일발전사업 허가 내에서 단계별 준공 및 상업운전을 할 경우에 이를 기존 설비
    • 와 구별할 수 있도록 적산전력계 등을 설치하여 구분계량 하여야 하며 변경된 사
    • 항은 변경된 날로부터 15일 이내에 산업자원부장관에게 신고하여야 한다.
    • ③산업자원부장관은 동 지침에 의한 제반규정을 위반하거나 사위 등에 의해 부당
    • 하게 지원받은 사업자에 대해서 1년의 범위 내에서 이 지침에 의한 지원 대상에
    • 서 제외할 수 있으며, 사위 등에 의해 부당하게 지원받은 차액지원금을 환수할 수
    • 있다.
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▣ 제10조(바이오가스, 폐기물소각발전 및 연료전지사업자의 의무조항)
  • ①이 지침에 의해 기준가격과 계통한계가격의 차액을 지원받은 바이오가스발전사업
    • 자와 폐기물(RDF포함)소각발전사업자 및 연료전지 발전사업자가 화석연료를 일부
    • 투입하여 발전할 경우에는 다음 각 호의 사항을 준수하여야 한다.
    • 1. 신․재생에너지 및 화석연료의 투입량을 계측할 수 있는 적산계량기와 모니터링 설비 등을
    • 각각 설치하여야 한다.
    • 2. 일별로 투입량 등이 기재된 대장(또는 자동기록장치)을 작성하여 비치하여야 한다.
    • ②산업자원부장관은 제1항에 의한 적산계량기 및 연료 투입관로의 봉인을 하고 필요
    • 한 경우 봉인을 해제할 수 있으며, 적산계량기의 확인 및 기재 대장 등의 열람을 할
    • 수 있다.
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▣ 제11조(자료요구)
  • ①산업자원부장관은 제8조 규정에 의한 기준가격과 적용기간을 조정하기 위하여 필
    • 요한 경우 전담기관, 주관기관 및 사업자 등에게 다음 각 호의 자료제출을 요구할
    • 수 있다.
    • 1. 신․재생에너지 발전차액 지원금 지원 실적 및 계획
    • 2. 월별 차액지원금, 신․재생에너지 발전현황 및 주요 발전설비 변동사항
    • 3. 사업자별 전력거래실적, 결산재무제표, 관련자료 등
    • ②산업자원부장관은 사업자에 대한 적산전력계의 확인 및 기재 대장 등의 열람과 시
    • 설운영현황 점검, 관련자료 수집 등을 위한 현장실태조사를 실시할 수 있다.
  • ▣ 제12조(권한의 위탁)
  • 산업자원부장관은 제6조 제2항, 제10조 제2항 및 제11조에 의한 사항을 총괄관리기
    • 관에 위탁한다.
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≪부 칙≫

▣ 제1조(시행일)

이 지침은 '06년 10월 11일부터 시행한다.

▣ 제2조(경과조치)

①이 지침 시행전에 종전 지침에 의하여 적용을 받은 사업자는 이 고시에 의해 적용을

받은 것으로 본다. 다만, 이 지침에서 별도로 규정한 사항을 제외하고는 별표 2의 대

상전원의 적용기준 및 기준가격을 적용한다.

②사업자가 전기판매사업자와 전력수급계약을 맺은 경우에는 이 지침에 우선하여 적

용함을 원칙으로 한다. 다만, 당사자 간의 합의, 계약만료 등으로 인하여 당해 사업

자가 전력시장에 참여할 경우에는 이 지침에 의한 기준가격을 적용한다.

▣ 제3조(기준가격의 적용 용량제한)

별표 1의 기준가격의 적용대상전원 중 태양광,풍력, 연료전지의 기준가격 적용대상은

누적 설비용량으로 각각 100㎿, 1,000㎿, 50㎿까지로 한다.

▣ 제4조(적용기간 및 요금선택권의 확대적용)

‘06. 10. 11일 이전에 상업운전 중인 사업자도 제7조의 지원기간을 적용받으며 1회

에 한하여 제8조 4항의 요금선택권을 갖는다.

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≪별표 1≫ : 적용대상 전원의 적용기준 및 기준가격 (’06. 10. 11 이후)

주1) 기준가격의 적용대상은 정부 무상지원금의 지원비율이 30%미만에 한함.

2) 화석연료 투입비율은 월 단위를 기준으로 하며, 발전에 소요된 열량에 대한 화석연료의 열량 비율임.

3) 감소율 적용전원(태양광, 풍력, 연료전지)의 전력판매개시일별 기준가격은 별표3과 같음.

4) 태양광발전의 시설용량은 모듈정격용량임.

5) 수력의 일반은 수력발전을 주목적으로 하는 설비이며, 기타는 수력발전이 부가적인 목적의 설비임.

≪별표 2≫ : 적용대상 전원의 적용기준 및 기준가격 (’06. 10. 10 이전)

주1) 기준가격의 적용대상은 정부 무상지원금의 지원비율이 30%미만에 한함.

2) 화석연료 투입비율은 월 단위를 기준으로 하며, 발전에 소요된 열량에 대한 화석연료의 열량 비율임.

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≪별표 3≫ : 연도별 기준가격 요금표 (감소율 적용전원)

주1) 감소율 적용 개시 시점은 매년 10월 11일임.

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태양전지

어레이

태양전지

모듈

접속반

전력량계(수용전력용)

전력량계(잉여전력용)

인버터

1 주택용 태양광발전 시스템

주택용 태양광발전시스템이란 그림에서와 같이 지붕위 등에 설치한 태양

전지어레이, 옥내외에 취부된 인버터, 계통연계 보호장치 등을 포함하여 이것

을 접속하는 배선 및 접속함, 아울러 교류측에 설치되는 전력량계 등으로 구성

된 것을 말한다. 태양전지에서 발전하는 전력이 직류이기 때문에 이것을 인버

터 및 계통연계기에서 교류로 변환하고, 전력회사에서 공급되고 있는 교류전

력과 동기하여 사용할 수 있도록 하고 있다.

그림 1 주택용태양광발전시스템 예

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태양광발전시스템은 발전설비로서 화력발전소나 수력발전소와 같이 전기사업

법에 의해서 규정하고는 있지만 아직 명확하게 구분되어 있지 않다. 그렇기 때

문에 전기안전관리에 대해서는 발전설비에 대해서 상주를 기본으로 하고 있었

는데 최근에 산업자원부에서 고시하여 대행을 할 수 있도록 하였다.

참고로 이웃 일본의 경우 그 동안 태양광발전시스템은 모두 자가용 전기공작

물로서 취급하여 전기주임 기술자의 선임과 보안규정에 의해서 정기점검을 하

도록 하고 있다가 전기사업법이 1995년 12월에 개정되면서 일반 가정 등에

의한 일반용 전기공작물과 함께 설치하는 20kW 미만에 대해서는 일반용 전기

공작물의 취급에 포함하여 관리하도록 하고 있고, 따라서 이 경우에는 전기주

임 기술자가 불필요 하게 되고, 또한 정기점검에 대해서 자주적인 점검을 행하

도록 하고 있다.

2 태양광 발전 시스템의 종류

태양광발전시스템은 그 시스템 구성이나 부하의 종류 등에 따라 분류되고, 그

림 2에 큰 분류를 표시한다. 먼저 연계형과 독립형으로 대별되고, 아울러 부

하의 형태(직류, 교류)나 축전지의 유무 등에 의해서 분류된다.

PV시스템을 도입하는 경우에는 그 용도에 따라 이 중에서 적당한 시스템 구성

을 선택하도록 한다.

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①계통 연계형 시스템

역송전이 있는 시스템과 역송전이 없는 시스템의 2가지로 분류된다.

역송전이 있는 시스템은 태양광발전시스템에 잉여전력이 발생한 경우, 전력회

사에서 매입하는 제도를 이용 할 수 있다. 태양광발전시스템은 그 출력이 기상

여건에 좌우되기 때문에 주택 등에서 안정된 전기를 사용하기 위해서는 전력회

사의 전력계통과 연계하여 운전할 필요가 있다. 태양전지의 출력이 구내의 수요

에 대해서 부족한 경우에는 부족분이 전력회사의 배전선에서 유입되고, 역으로

태양전지의 출력에 잉여가 발생하면 전력회사의 배전선으로 역송전하여 매입될

수가 있다. 현재 주택용 태양광발전시스템에서 이용되고 있는 방식은 그 전부가

이 역송전이 있는 시스템이다.(우리나라의 경우 계량방법으로 해결하고 있음) 또

한 정전시에 비상용 부하(방송설비, 비상용 조명 등)에 전력을 공급하는 축전지

를 탑재한 시스템도 있다.

역송전이 없는 시스템은 구내의 전력 수요가 항상 태양광발전시스템의 출력보

다 크고, 역송전 전력을 발생할 가능성이 없는 경우에 채용된다. 이 시스템에서

는 전력회사의 배전선으로 태양광발전시스템의 잉여전력을 역 송전 시키는 것

은 인정되지 않기 때문에 역방향의 전류가 조금이라도 발생한 경우 태양광발전

시스템의 출력을 줄이거나 운전을 정지하거나 하는 기능이 필요하다.

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전력회사배전반

전력회사배전반

태양전지

인버터

태양전지

인버터

부하

부하

(a) 역송전 있는 시스템

(b) 역송전 없는시스템

또한 한국전력공사 분산형전원계통연계형 기술기준에서는 태양광발전시스템을

연계하는 전력계통의 전압구분에 의해서 설치하는 보호장치 등의 연계 요건을

정하고 있기 때문에 수전점의 전압에 따라 저압계통, 고압계통 등으로 분류한다.

참고로 일본의 경우 전기설비기술기준 해석에서 태양광발전시스템을 연계하는

경우 별도로 규정하고 있으나 우리나라의 경우 전력회사에서 기준을 마련하여

시행하고 있는 실정이어서 많은 차이를 나타내고 있다

[그림 3] 연계형의 시스템

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태양전지

인버터

부하

(2) 독립형 시스템

독립형 시스템은 전력회사의 배전선과 연계하지 않는 시스템을 말한다. 일반적인

구성을 그림 4에 표시한다. 이 시스템의 경우 사용가능한 전력량은 태양광발전

시스템의 발전 전력량 이하로 제한되는 것과 함께 야간이나 우천시 태양광발전시

스템의 발전이 기대할 수 없는 경우에 대비해서 축전지를 접속하여 전력을 비축하

여 둘 필요가 있다. 이 시스템은 전력회사의 배전선에서 산악지나 낙도 등에서 많

이 사용하고 있으며 적은 용량의 발전시스템으로는 1kW 미만에서 부터 도로정보

표시판 등과 같은 수십W ~ 수십 kW의 시스템 까지 다양한 시스템이 실용화되고

있다.

[그림 4] 독립형의 시스템

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2. 태양광발전시스템의 구성기기

(1) 태양전지 모듈과 태양전지 어레이

태양전지는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 기능을 가진 최소 단위로서

태양전지 셀이 기본으로 된다. 태양전지 셀은 10 ~ 15㎝ 각 판상의 실리콘에 pn

접합을 형성한 반도체의 일종이다.

태양전지셀은 그대로는 발생전압이 약 0.5V로 적기 때문에 높은 전원을 필요로 하

는 태양광발전시스템에서는 직렬로 접속해서 모듈로 이용된다.

1) 태양광발전 시스템의 구성

수 십매의 태양전지 셀을 내후성 패케지에 수납하여 구성하고 있다. 태양전지 모

듈 안에 태양전지 셀을 묶어서 맟추어 소정의 전압, 출력을 얻도록 하고 있다. 태

양전지 모듈의 변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 12~15[%], 다결정 실리콘

태양전지의 경우 10~13[%], 그리고 아모포스(amorphous) 실리콘 태양전지나

화합물 반도체 태양전지(CdS, CdTe 등)에서는 6~9[%] 정도이다.

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태양전지어레이

태양전지

모듈

태양전지 셀

2) 태양전지 어레이

태양전지 어레이란 태양전지 모듈을 조합하여 지붕이나 지상에 고정형 또는 추

적식으로 설치한 태양전지 전체를 말하며, 그림 2-1에 태양전지 셀, 태양전지 모

듈, 태양전지 어레이의 관계를 표시한다. 태양전지 어레이는 복수매의 태양전지

모듈을 직렬, 병렬로 접속하여 필요로 하는 직류전압과 발전전력을 얻을 수 있도

록 구성된다.

[그림 2-1] 태양전지 어레이

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태양전지 어레이를 구성하는 데는 태양전지 모듈을 집합하여 지붕이나 벽 또는

지상에 고정형, 추적형 등으로 견고하게 고정하기 위하여 금속성의 가대가 이용

된다. 태양전지 어레이의 면적은 예를들면 3kW의 태양전지 모듈을 설치하는 데

는 대략 20~30㎡의 면적이 필요하다.

또한 태양광발전시스템의 용량은 표준 태양전지 어레이 출력(태양전지 모듈의

최대출력의 합계)으로 표시된다.

태양전지시스템의 출력은 일사강도의 영향을 강하게 받고, 또한 태양전지 모듈

내의 태양전지 셀의 온도에 영향을 받기 때문에 일사강도가 1kW/㎡에서 셀 온도

가 25℃에 표준적인 조건 일때의 최대출력을 표준 태양전지 어레이 출력으로 표

시하고 있다.

3) 태양전지 어레이의 전기적 구성

태양전지 어레이의 전기적인 회로구성을 그림 2-2에 표시한다. 태양전지 모듈의

집합체로서 스트링, 역류방지 소자, 접속함 등으로 구성되어 있다. 여기에서 스트

링이란 태양전지 어레이가 소정의 출력전압을 만족하기 위하여 태양전지 모듈을

직렬로 접속하여 하나로 합쳐진 회로를 말하며 각 스트링은 역류방지 소자를 연

결시켜 병렬접속 한다. 또한 태양전지 어레이의 직류 전기회로는 접지하지 않는

것이 국내에서는 일반적이다.

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[그림 2-2] 태양전지 어레이의 전기회로

태양전지모듈

스트링

(a) 기본적인 회로구성

(b) 회로구성 불럭도

※ 주) Da : 역류방지 소자 , Db : 바이패스 소자 , LP : 피뢰 소자태양전지 모듈

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(2) 파워 컨디셔너

1) 파워 컨디셔너의 역할

파워 컨디셔너에 대해서는 그 기능과 회로방식, 회로구성, 인버터원리, 기본동작,

자동운전 정지기능, 최대전력추종제어, 단독운전 방지기능, 자동전압 조정기능, 직

류검출기능, 직류지락 검출기능, 정전시의 자립운전 시스템, 계통연계 보호장치,

파워컨디셔너의 종류와 선정 그리고 유지보수까지 자세한 기술적 사항은 향후 별

도의 지면을 활용하여 설명해 보기로 하고, 여기서는 그 역할과 구성 및 기능에

대해서만 설명하기로 하겠다.

태양광발전시스템에서는 이 파워컨디셔너의 적정한 선정은 전체 발전시스템의

신뢰도와 직결되므로 여러 가지 검토항목을 자세히 비교하면서 결정하여야 한다.

파워컨디셔너는 직류를 교류로 변환하는 인버터와 사고 등의 경우에 계통을 보호

하는 계통연계 보호장치로 구성 되어 있다. 인버터는 태양전지 어레이에서 발전

한 직류전력을 전력회사에서 공급되는 전력과 같은 전압과 주파수의 교류전력으

로 변환한다. 또한 파워 컨디셔너의 주요부분은 인버터이기 때문에 파워 컨디셔

너를 인버터라 할 수 도 있다.(국내에서는 보통 통틀어서 인버터라고 부르고 있음)

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파워 컨디셔너에서 공급되는 전력과 전력회사에서 공급되는 전력과의 관계는 다

음과 같이 된다. 예를들면 주택 내에서 1kW의 전력을 사용하고 있을 때 파워 컨

디셔너에서 공급되는 전력이 3kW이면 잉여의 2kW 분은 전력회사의 배전선으로

역 송전 되어 전력회사로 매입 될 수가 있다. 역으로 주택 내의 전력수요가 인버

터에서 공급되는 전력보다 더 많은 경우는 부족분의 전력이 전력회사의 배전선에

서 유입되어 보충하게 된다.

2) 파워 컨디셔너의 구성과 기능

파워 컨디셔너는 일반적으로 그림 2-3처럼 구성 되어 있다. 인버터의 전력 변환부

는 전력용의 트랜지스터를 이용해서 직류를 고속도로 잘게 썰어서 이것을 모두

교체하여 교류를 만들어낸다. 제어장치 부분은 전력변환부를 컨트롤하는 부분으

로서 전자회로로 구성되어있다. 보호장치도 전자장치로 구성되어 내부고장에 대

한 안전장치로서 작동한다. 인버터에는 다음과 같은 기능이 있다.

① 태양전지의 온도변화나 일사강도의 변화에 따른 출력전압, 출력전류의 변화에

대해서 항상 태양전지의 출력을 최대한 인출한다.

② 전력회사의 배전선으로 미치지 않도록 고조파 전류를 억제한 전류를 출력한다.

③ 잉여전력을 역 송전 하는 경우에는 부하설비의 전압을 소정범위로 유지하기 위

하여 전압조정을 자동적으로 행한다.

slide37
연계보호장치 부분에 대해서는 국내의 경우 한국전력공사에서 정한 배전용전기

설비이용규정(2005.1.1) 제22조제2항 및 동 부칙 제2항 제3호와 관련하여 “분산

형 전원 배전계통 연계 기술기준”에 따르도록 하고 있다.(참고로 일본의 경우

“전기설비 기술기준의 해석”에서 규정하고 있는 안전장치 기준에 따르도록 하고

있어 우리나라와 차이를 보이고 있음,

slide38
태양전지 모듈

태양전지 모듈

태양전지

어레이

태양전지

어레이

인버터

절연변압기

승압기

전력변환기

전력변환기

· 제어기능

· 보호기능

· 연계보호기능

보호제어

보호장치

연계보호장치

제어장치

[그림 2-3] 파워 컨디셔너의 구성

(b) 트랜스 없는 방식

(a) 절연 트랜스 방식

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3. 용어

▶ 인버터 브릿지

인버터 1브릿지는 반도체 소자 6개에 의해서 구성되고 3상 교류전력을 출력하는

최소단위로 된다.

▶ 회복제어속도

발전장치의 제어계에 부하변동 등에 따른 설정치에서 이탈한 경우 처음의 설정치

에 회복하기 까지의 정정시간이 최단으로 되는 제어속도

▶ 과전류 검출기능

태양광발전시스템의 내부사고에 따라 이상한 전류가 발생한 때, 그 이상전류를 검

출하여 빠르게 태양광발전 시스템을 정지시키는 기능

▶ 과전류 제한기능

부하의 기동·정지 등에 따라 발생하는 배전선전압의 순시변동시에 태양광발전시

스템에서 배전선측에 흘러나오는 과전류를 억제하기위한 기능

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▶ 역충전 운전

사고나 작업시에 배전선이 계통전원측에서 분리된 때에 그 배전선에 접속하여 운

전한 태양광발전시스템이 정지되지 않고 배전선을 충전하면서 운전을 계속하는

것.

▶ 역충전 방지장치

차단기 혹은 단로기가 개방되어 본래 무전압인 적절한 선로에 분산형전원에서 전

압이 공급된 경우가 있어 얻어지는 것으로서 이것을 방지하기 위한장치.

▶ 역 조류

코 제네레이션 설치의 수용가 등의 구내에서 전력계통에 계속적으로 유효전력을

송출하는 경우에 그 전력을 말한다.

▶ 역변환장치

직류전력을 전력용 반도체소자의 스위칭 작용을 이용하여 교류전력으로 변환하는

장치로서 인버터와 동의어이다. 일반으로는 CVCF 나 모터제어 등에 넓게 사용되

지만 연료전지, 태양전지 등의 직류출력을 교류로 변환하는 경우에 이용된다.

▶ 계통주파수 조정

전력계통의 부하의 급변 등에 따라 계통주파수가 변동하면 계통의 안정성에 영향

이 있고 거기에서 주파수 변동에 대해서 발전전력을 조정하여 주파수를 일정하게

할 필요가 있다.

slide41
▶ 게이트 제어

반도체 소자를 ON 상태(통전)에서 OFF상태 (미통전) 혹은 OFF상태에서 ON상태로

스위칭하는 제어.

▶ 역충전 방지장치

차단기 혹은 단로기가 개방되어 본래 무전압인 적절한 선로에 분산형전원에서 전

압이 공급된 경우가 있어 얻어지는 것으로서 이것을 방지하기 위한장치.

▶ 게이트 블록

직교변환장치에 사용되고 있는 반도체 소자의 온․오프를 제어하는 게이트 신호에

따라 소자를 오프시켜 변동동작을 정지시키는 것.

▶ 교류과전류 검출기능

교류측에 배치되는 과전류 검출기능

▶ 순시전압강하

과도시에 순시적인 전압강하 예를들면 유도발전기 등을 전력계통에 병입하는 시

점에서 순시적으로 큰 돌입전류가 흐르는 순시전압 강하가 생긴다. 이것을 방지

하기위한 장치로서 한류 리액터 등이 있다.

▶ 순단․순저시험

사고 등으로 배전선의 전압이 순시적으로 없어진다거나(순단) 저하하거나(순저)

하는 것이 있다. 이때의 태양광발전 시스템의 작동에 관해서 확인하는 시험

slide42
▶ 순동 예비력

전원탈락 등의 사고가 생기면 계통주파수의 대폭적인 저하가 발생하여 사고파급

의 원인으로 된다. 이것에 대해서 발전전력에 여유를 가지고 있어 전원 탈락 때에

사용하면 사고파급이 방지될 수 있다. 이 여유분을 순동예비력 이라한다.

▶ 자동 재폐로 동작

배전선 사고시에 사고구간을 끊음과 함께 건전구간에 급전하기위한 변전소에서

자동적으로 행해지는 배전선차단기의 동작.

▶ 자동동기 검정장치

주기발전기의 전력계통으로의 연계시 자동적으로 발전기와 전력계통과의 주파수,

전압, 위상을 맟추어 투입하는 장치이다.

▶ 자여식 인버터

인버터의 구성기구에 따라 반도체 소자를 흐르는 전류의 전류가 행하여지는 인버

터. 이것에 대해서 인버터의 출력측에 접속되는 교류전원에 의해서 전류가 행해

지는 인버터를 타여식 인버터라한다.

▶ 싱글 인버터

인버터 브릿지가 1브릿지 구성의 인버터.

slide43
▶ 스위칭 주파수

직류를 교류로 변환하기위해서 인버터를 이용하지만 그 인버터에서는 반도체 스

위치에 따라 직류를 ON, OFF 하면서 교류로 변환한다. 이 스위치 ON, OFF의 주파수

이다.

▶ 태양전지 어레이

1매 50W 정도(용양은 다양한 편임)의 태양전지 모듈을 규정의 출력전력이 얻어

지도록 직렬․병렬로 접속한 것

▶ 직류 교환장치

전지의 직류전력과 전력계통에서 사용되고 있는 교류전력과를 상호 변환하는 장

▶ 지락검출기능

단선이나 누전 등에 따라 대지에 전류가 흐르는 경우 그것을 검출하여 안전확보

를 위해서 전로를 차단하는 기능

▶ 전력계통 동태 시뮬레이션

전력계통에서 선로정수 전압조정장치, 발전기 등의 전원구성을 모듈화 하여 고유

의 발전기의 출력변동에 대한 계통의 주파수, 전압변동을 해석예측하는 수법

slide44
▶ 전력조정장치

발전기의 자동출력 조정장치(발전기의 조속기에 의한 주파수 제어), 무효전력 조

정장치, 자동전압 조정장치, 자동역률 조정장치 (이상 3장치는 동기발전기의 여자

를 제어하는 것)를 총칭한 것

▶ 패턴매칭 법

2개의 패턴을 비교하여 양자가 동류인가 아닌가를 조사한다.

▶ 보호협조

배전선 사고시에 변전소에서 안전 때문에 배전선을 분리한때 해당하는 배전선에

접속하여 운전하고 있는 분산전원 시스템이 그것에 협조하여 정지하고 배전선의

안전을 지키는 것.

▶ 무효전력조정

무효전력원을 이용하여 계통전압변동에 응해서 무효전력을 제어하는 것에 따라

계통전압을 일정하게 제어하는 것이 될 수 있다.

▶ 연계기술

태양광발전시스템 등의 분산형전원을 배전선에 접속하여 배전선의 전압이나 주

파수와 잘 협조하여 운전을 행하기위한 기술이다.

slide45
4. 관련기기와 부품

▣ 태양광발전시스템은 태양전지 어레이나 파워컨디셔너 외에도 시스템을 구성한뒤

여러 가지의 관련기기나 부품을 사용하고 있다. 바이패스 소자, 역류방지 소자, 접속

함, 교류측의 기기 등이 그것이다. 이런 것은 시스템을 구성하는 기기간을 중계하기

위해서나 시스템의 보호 기능의 유지, 시스템의 운전. 보수를 용이하게 하기 위한 역

할을 가지고 있다. 또한 독립전원 시스템이나 계통연계시스템에서도 자립운전기능

을 가진 시스템의 경우 축전지를 설치할 경우가 있다.

(1) 바이패스 소자와 역류방지 소자

1) 바이패스 소자

태양전지모듈의 안에서 그 일부의 태양전지 셀(이하 셀이라 한다)이 나무잎 등으

로 응달로 되면 그 부분의 셀은 발전되지 않고 저항이 크게된다. 이 셀에는 직렬

접속 되어있는 회로(스트링)의 전전압이 인가되어 고저항의 셀에 전류가 흘러서

발열한다. 셀이 고온으로 되면 셀 및 그 주변의 충진수지가 변색, 이면 카바의 부

풀림 등을 일으킨다. 셀의 온도가 더욱 높게되면 그 셀 및 태양전지 모듈이 파손

에 이르는 경우도 있다. 이것을 방지하기 위하여 고저항으로 된 태양전지 셀 혹은

모듈에 흐르는 전류를 바이패스 하는 것이 바이패스 소자를 설치하는 목적이다.

slide46
태양전지 어레이를 구성하는 태양전지 모듈 마다 바이패스 소자를 설치하는 것이

일반적이다. 많은 경우 바이패스 소자로서 다이오드를 사용한다.

삽입하는 소자는 일반적으로 태양전지 모듈 이면의 단자함 출력단자의 정부극간

에 그림 5-1에서와 같이 설치한다. 직렬로 접속한 복수의 태양전지 마다 같은 모

양의 방법으로 삽입하는 경우도 있다.

태양전지 메이커에 따라 다르지만 모듈에 바이패스 소자를 취부 혹은 내장하여

출하하고 있는 경우가 많다.

만일 자신의 바이패스 소자를 이용할 필요가 있는 경우는 보호 하도록 하는 스트

링의 공칭 최대출력 동작전압의 1.5배 이상의 역내압을 가진, 역시 그 스트링의

단락전류를 충분히 바이패스 할 수 있는 정격전류를 가지고 있는 소자를 사용할

필요가 있다.

또한 태양전지 모듈 이면의 단자대에 바이패스 소자를 설치하는 경우, 설치장소

의 온도는 옥외에서 태양의 열에너지에 의해서 주위온도 보다 20~30℃ 높게 되

는 경우가 있다. 이 때는 당연히 다이오드의 케이스 온도도 높게 되기 때문에 카

다록에 기제되어 있는 평균 순 전류치 보다 적은 전류로 사용하지 않으면 안 된다.

이때문에 다이오드 사용시 온도를 추정하여 여유를 가지고 안전하게 바이패스 될

수 있는 정격전류의 다이오드를 선정할 필요가 있다.

slide47
태양전지

모듈

태양전지

모듈

태양전지

모듈

중계단자함

혹은 부하로

바이패스 소자

(다이오드)

태양전지

모듈

[그림 5-1] 바이패스 소자의 취부 예

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1) 역류방지소자

태양전지 모듈에 타 태양전지 회로나 축전지에서의 전류가 돌아 들어가는 것을

저지하기 위해서 설치하는 것으로서 일반적으로 다이오드가 사용된다. 이 역류방

지소자는 접속함 내에 설치하는 것이 통례 이지만 태양전지 모듈의 단자함 내에

설치하는 경우도 있다. 태양전지 모듈은 나뭇잎 등의 부착이나 근접하는 구조물

등으로 응달이 되면 대부분 발전하지 않는다. 이때 태양전지 어레이나 스트링의

병렬회로를 구성하고 있다고 하면 태양전지 어레이의 스트링 간에 출력전압의 언

밸런스(unbalance)가 생겨 출력전류의 분담이 변화한다. 이 언밸런스전압이 일

정치 이상으로 되면 타 스트링에서 전류의 공급을 받아 본래와는 역방향 전류가

흐른다. 이 역전류를 방지하기 위해서 각 스트링 마다 역류방지소자를 설치한다.

또한 태양전지 어레이의 직류출력회로에 축전지가 설치되어 있는 경우 야간 등

태양전지가 발전하지 않는 시간대에는 태양전지는 축전지에 의해서 부하로 되어

버린다. 이 축전지에서의 방전은 일사가 회복 하거나 축전지의 용량이 없어질 때

까지 계속하여 모처럼 비축한 전력이 비효율적으로 소비된다. 이것을 방지하는

것도 역류방지소자의 역할이다. 역류방지소자는 설치하는 회로의 최대전류를 흐

를 수 있는 것과 동시에 사용회로의 최대 역전압에 충분히 견딜 수 있을 필요가

있다. 또한 설치장소에 의해서 소자의 온도가 높게 되는 것이 예상된 경우에는 바

이패스용 다이오드의 선정과 같이 카다록 등에서 확인 한 후 선정할 필요가 있다.

slide49
(2) 접속함

접속함은 복수의 태양전지 모듈의 접속을 정연하게 행하고, 보수. 점검시에 회로를

분리하여 점검작업을 용이하게 한다. 또한 태양전지 어레이에 고장이 발생하여도

정지범위를 적게 한다, 이런 목적에서 보수. 점검이 용이한 장소에 설치한다. 접속

함에는 직류출력 개폐기, 피뢰소자, 역류방지소자, 단자대 등을 설치한다. 또한 절

연저항측정이나 정기적인 단락전류 확인을 위해서 출력단락용 개폐기를 설치하는

경우가 있다. 회로결선도의 예를 그림 5-2에 표시한다.

1) 태양전지 어레이 측 개폐기

태양전지 어레이측 개폐기는 태양전지 어레이의 점검. 보수시 혹은 일부의 태양

전지 모듈에 불합리한 부분을 분리하기 위하여 설치한다. 태양전지는 하루중 태

양광이 비추면 항상 전압을 발생하여 회로에는 일사강도에 응해서 전류가 흐르고

있다. 따라서 이 개폐기는 태양전지에 흐를 수 있는 최대의 직류전류(표준태양전

지 어레이 단락전류)를 차단하는 능력을 가지고 있는 것을 사용하지 않으면 안 된

다. 그 때문에 통상은 MCCB 등의 차단기를 사용하고 있다.

그러나 최근에는 태양전지 어레이의 고장은 거의 없기 때문에 경량. 소형, 경제성

에서 차단능력을 가지고 있지 않은 단로 단자를 사용한 것이 많다. 이 경우 주 개

폐기를 필히 먼저 OFF하여 전류를 차단하고 단로 단자를 조작할 필요가 있기 때문

에 주의를 요한다.

slide50
태양전지어래이측 개폐기

태양전지

어래이에서

파워

컨디셔너로

주개폐기

역시 시판되고 있는 MCCB는 통상 교류회로에 사용하는 것을 목적으로 제작된 것

이기 때문에 카다록 등에서 직류회로에의 적용 여부 및 적용시의 정격치 등을 확

인하는 것이 필요하다. 3극의 MCCB를 사용하여 3점 단락의 회로로 하는 것에 따

라 적용회로 전압이 직류 500V정도 까지 가능한 것도 있다. 카다록에 기재되어

있는 직류회로 적용시의 주의사항을 참조하여 선택하도록 추천한다.

[그림 5-2] 접속함 내부 결선도

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부하측

[그림 5-3] 직류개폐기의 3점 단락 접속

2) 주 개폐기

주 개폐기는 태양전지 어레이의 출력을 1개소에 통합한 후 파워 컨디셔너와의 회

로 도중에 설치한다. 접속함이 용이하게 가깝지 않는 장소에 있는 경우는 별도로

설치할 것을 추천한다. 이 개폐기는 태양전지 어레이 측 개폐기와 목적이 같기 때

문에 생략하는 경우도 있다. 단 단로단자를 사용한 경우는 생략할 수 없다. 주 개

폐기의 선택으로서는 태양전지 어레이의 최대사용전압, 통과전류를 만족하는 것

으로서 최대통과전류(표준태양전지 어레이 단락전류)를 개폐할 수 있는 것을 사

용하면 좋다. 또한 보수도 용이하고 MCCB를 사용하기도 좋지만 태양전지 어레이

의 단락전류에서는 용이하게 자동차단(트립)되지 않는 정격의 것을 사용하는 것

이 좋다.

slide52
3) 피뢰 소자

피뢰소자는 뇌 서지가 태양전지 어레이 혹은 파워 컨디셔너 등에 침입한 경우 이

런 기기 혹은 장치를 뇌 서지에서 보호하기 위한 장치이다. 통상 접속함에는 태양

전지 어레이의 보호를 위하여 스트링 마다에 피뢰소자를 설치한다. 경우에 따라

서는 태양전지 어레이 전체의 출력단에도 설치한다. 아울러 피뢰소자 접지측의

배선은 최대한 짧도록 하여야 한다. 또한 피뢰소자의 접지측 배선은 일괄해서 접

속함의 주 접지단자에 접속하면 태양전지 어레이 회로의 절연 저항측정에 유리하

다. 기본적으로는 뇌 서지가 침입할 것 같은 장소에는 대지 및 선간에 피뢰소자를

설치하는 것이 요망된다.

또한 동일회로에서도 배선이 길거나 배선의 근방에 낙뢰, 혹은 유도뢰를 받기 쉬

운것에 관해서는 배선의 양단(송전단, 수전단)에 설치하는 것이 요망된다.

4) 단자대

일반적으로는 태양전지 어레이의 스트링 마다 배선을 배선함까지 가지고 가서

접속함 내의 단자대에 접속한다. 이 단자대는 KS 규격에 적합한 공업용 단자대를

사용하는 것이 필요하다.

slide53
5) 수납함

수납함은 단자대, 직류측 개폐기, 역류방지소자, 피뢰소자 등을 수납하는 함이다.

주택용 태양발전 시스템 등의 경우 직류측 개폐기를 필요없이 시스템 관리자도

모르게 개폐되지 않도록 취부 장소의 선정이나 시정. 봉인 등의 수단을 고려할 필

요가 있다.

설치하는 장소에 의해서 옥내용, 옥외용이 있고, 재료에 의해서 철재, 스테인레스

(stainless) 등이 있다. 아무거나 여러 가지의 치수, 규격이 표준품으로서 판매되

고 있다.

따라서 수납기기의 수납배치에 대응한 것을 선택하는 것이 경제적인 면과 최종

납품적인면에서 편리하다. 도장색의 지정이나 내염해성을 요구하면 특주품으로

서 납기가 걸리기 때문에 주의가 필요하다.

시판되고 있는 표준품은 판두께가 1.6mm의 얇은 것이 많고, 구멍 등을 가공하는

공사방법도 편리하다. 그러나 가공후의 도장(방청)처리를 충분히 할 필요가 있다.

또한 옥외사용의 경우 녹발생 및 방수성에 주의가 필요하다. 방수성에 관해서는

일본 JIS 규격의 IP44이상의 방수, 방적(이슬방울방지) 구조의 것을 추천한다.

slide54
(3) 교류측의 기기

1) 분전반

분전반은 계통연계하는 시스템의 경우에 파워 컨디셔너의 교류출력을 계통으로

접속하는데 사용하는 차단기를 수납한다.

주택에서는 많은 경우 이미 분전반이 설치되어 있기 때문에 태양광발전시스템의

정격출력전류에 맞는 차단기가 있으면 그것을 사용한다. 기설의 분전반에 여유가

없는 경우는 별도 분전반을 준비하거나, 기설 분전반의 근방에 설치하는 것이 요

망된다.

태양광발전시스템용으로 취부된 차단기는 지락검출기능 부착의 과전류 차단기인

것이 필요하다.

단 기설 분전반의 계통측에 지락검출기능 부착 과전류차단기(누전차단기)가 이미

설치되어 있으면 필요가 없다.

또한 단상3선식의 계통에 연계하는 경우 부하의 불평형에 의해서 중성선에 최대

전류가 흐를 염려가 있는 때는 수전점에서 3극에 과전류 단락보호기능을 가진 차

단기(3p-3E)를 설치할 필요가 있다.

slide55
2) 적산전력량계

적산전력량계는 역송전에서의 계통연계에서 역송전한 전력량을 계측하여 전력회

사에 판매하는 전력요금의 산출을 하는 상거래를 위한 계량기로서 계량법에 의한

검정을 받은 적산전력량계를 사용할 필요가 있다.

또한 역송전한 전력량만을 분리 계측하기 위하여 역전방지장치가 부착되어 있는

것을 사용한다.

역시 종래 전력회사가 설치하고 있는 수요전력량계의 적산전력량계도 역송전이

있는 계통연계시스템을 설치할때는 전력회사가 역송방지장치가 부착된 적산전력

량계로 변경하게 된다.

역송전계량용의 적산전력량계는 전력회사가 설치하는 수요전력량계의 적산전력

량계에 인접하여 설치한다.

적산전력량계는 옥외용의 경우 옥외용 함에 내장하는 것으로 하고 옥내용의 경우

창이 부착된 옥외용 수납함의 내부에 설치한다.

역송전 계량용의 적산전력량계는 그림 5-4처럼 수요전력량계와는 역으로 수용

가 측을 전원측으로서 접속한다.

slide56
수용가측

전력회사측

(b) 단상3선식 또는 3상3선식의 경우

[그림 5-4] 전산전력량계의 접속반

수용가측

전력회사측

(a) 단상2선식의 경우

slide57
5. 태양광발전 시스템의 설계

▣ 태양광발전시스템은 여러가지 장소에 설치하는 것이 가능하기 때문에 설치장소에

따라 다양한 설계를 할 필요가 있다.

설계할 때는 우선 최초로 태양전지의 발전량을 계산할 필요가 있는데, 그 위에 구체

적인 시스템의 설계를 진행해 나간다.

즉 설치 가능성의 판단, 시공상 문제점의 체크 등을 한다. 여기서는 우선 태양광발전

시스템의 발전량 산출방법의 사례를 들어 설명하기로 하고(발전사업자용 대용량 태

양광발전시스템에 대해서는 향후 별도의 기회를 통해서 소개하기로 함)

slide62
(1) 태양광발전 시스템의 개념 설계

1) 발전량 산출의 수순

독립전원용 태양광발전시스템 (PV 시스템)의 설계는 필요로 하는 전력량 (부하소

비전력량)으로 산출된 소요 태양전지용량을 결정하는 것이 표준적인 방법이다.

(그림 6-1) 그러나 계통연계 시스템의 경우에는 발전전력량과 사용전력량과의

사이에는 제한적인 관계는 없기 때문에 설치장소 (면적)에 따라 시스템 용량을 결

정하는 경우가 많다. 따라서 태양전지의 설치 가능면적을 충분히 조사한후 태양

전지 용량을 산출, 그후 시스템 전체의 설계를 하게 된다. 계속해서 구체적인 사례

에 대응하는 산출수순을 표시한다.

[그림 6-1] 태양광발전 시스템의 설계순서

전력수요량의 산정

필요 태양전지용량의 결정

태양전지 설치면적의 결정

태양전지의 설치가능성 판단

시스템 설계

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태양전지 용량과 부하소비전력량과의 관계는 일반적으로 다음식에 의해서 표시

된다.

여기에서,

PAS : 표준상태에서 태양전지 어레이 출력 (kw)

표준상태 : AM 1.5, 일사강도 : 1,000 W/㎡, 태양전지 셀 온도 : 25℃

HA : 어느 기간에 얻을 수 있는 어레이 표면 일사량 (kW/㎡.기간)

Gs : 표준상태에서의 일사량 (kW/㎡)

EL : 어느 기간에서의 부하소비전력량 (수요전력량) (kWh/기간)

D : 부하의 태양광발전 시스템에 대한 의존율

=1-(백업 전원전력의 의존율)

R : 설계여유계수 (추정한 일사량의 정확성 등의 설치환경에 따른 보정)

K : 총합설계계수 (태양전지 모듈출력의 불균일의 보정, 회로손실, 기기에 의한

손실 등을 포함)

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어느 지역에서의 일사량은 기상청에서 자료를 수집할 수 있다(참고로 태양광발전

을 활발하게 이용하고 있는 일본의 경우 일본기상협회가 신에너지 ㆍ 산업기술총

합개발기구 (NEDO)에서의 위탁연구에 따라 수집한 [발전량기초조사] (1987년 발

행)에 의해서 알수가 있다. 이 [발전량기초조사]는 1998년에 개정된 [전국 일사관

련 데이터 맵] 에 데이터가 수록되어 있다.

이것에 의하면 일본국내 801지점 에서의 방위, 설치경사각에 의한 일사량에 관해

서 월별로 알 수가 있다. 이 데이터를 기본으로 설계하는 것이 일반적이다.

우리나라의 경우에도 향후 이런 데이터 축척과 관리 및 활용이 아주 중요한 과제

라 할 수 있다.)

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앞에 기술한 것처럼 주택 등에 설치하는 경우에는 태양전지어레이의 설치면적이

한정되어 있기 때문에 그 면적에서 태양전지용량을 계산하여 위의 식을 이용해서

기대되는 발전전력량을 계산한다. 식(1.1)에서 소비전력량 EL을 1일당 기대되는

발전전력량 Ep (kWh/일)로 바꾸고, 또한 표준상태에서 일사강도 Gs를 1 kW/㎡ 로

서, 의존율 D, 설계여유계수 R을 각각 1로 하면 다음식으로 된다.

이 식에 따르면 설치장소에서의 일사량 HA, 표준태양전지어레이 출력 PAS및 총합

설계계수 K가 알 수 있으면 기대되는 발전전력량을 산출할 수가 있다.

여기에서 태양전지 어레이의 변환효율에 관해서 기술한다.

표준상태에서 태양전지어레이의 변환효율 η는 식(1.1)을 이용하여 다음식으로

나타난다. 여기에서 A는 태양전지어레이의 면적이다.

태양전지 셀이나 태양전지 모듈의 변환효율도 같은 방식으로 계산하며, 다만 변

환효율이라 부르는 것이 많기 때문에 검토할 때 구별하는 것이 필요하다. 일반적

으로는 이런 변환효율은 다음과 같은 관계가 있다.

(태양전지 셀의 η) > (태양전지 모듈의 η) > (태양전지 어레이의 η)

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2) 발전량 산출의 사례(경사진 주택 지붕의 경우)

개인주택의 지붕을 상정하여 PV 시스템의 설계를 하여 본다.

검토하는 지붕으로서 ∧형 지붕(∧형) (남향 45㎡), 용마루 4각형(4각형으로서 남

서 28㎡, 동서 각각 19㎡)을 생각한다. 시험계산의 전제로서 아래의 조건을 가정

한다.

① 정남향으로서 지붕의 경사 30°

② 일사 데이터는 도쿄에서의 각 월의 평균치를 사용

③ 태양전지 모듈 : 공칭최대전력 102 W

공칭최대전력동작전압 34 V

치수 : 885mm x 990 mm

④ 파워 컨디셔너의 직류입력전압은 정격 DC 200 V

⑤ 파워 컨디셔너의 교류출력전압은 정격 AC 210/105 V, 단상3선식

최초로 파워 컨디셔너의 입력전압이 200V 이니까, 태양전지 어레이의 출력전압

을 이것에 맟추기 위해서 스트링중의 태양전지 모듈의 직렬수를 구한다. 태양전

지 1매당 공칭최대출력 동작전압은 34V 이니까 직렬수는 6매가 된다.

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지붕면에서의 작업안전성을 견지하면서 소형 태양전지 모듈로서 직렬수가 8매

혹은 12매로 하고 있는 메이커도 있다. 이 1스트링의 출력은 612W, 출력전압은

204V 로 된다.

먼저 ∧형 지붕의 경우를 고려하여 보면 설치면적에서 5병렬로 할 수가 있고, 표

준태양전지어레이 출력 3kW가 얻어진다.

지붕위에 설치한 예상도를 그림 6-1(a)에 표시한다. (이하, 그림 치수단위는 특별

히 지정하지 않는 한 mm를 표시). 다음에 이 태양전지어레이에서 어느정도의 발

전전력량이 공급가능한가를 검토해 본다.

식(1.2)에서 예를들면 1월의 경우 어레이 표면 일사량은 일사량 데이터에서 3.67

kWh/(㎡ ㆍ 일)로 되어 총합설계계수 K를 0.75로 하면 1일당 공급가능 발전전력

량으로서 8.3 kWh/일이 얻어진다.

표 6-1에서 표시하는 것처럼 각 월 마다의 평균적인 공급발전전력량의 추리가

얻어진다. 여기에서 총합설계계수는 하절기 (5~9월)는 동절기에 비교해서 온도상

승에 의한 출력저하가 크기 때문에 하절기는 0.70, 동절기는 0.75로 가정한다.

더욱이 공급가능 발전전력량의 예상량은 주위에 건물이나 수목이 없는 경우이고

이런 그늘이 있는 경우에는 영향에 드는 태양전지 모듈 발전량의 저하를 생각할

필요가 있다.

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[그림 6-2] 태양전지의 지붕위로의 설치 상정도

(a) (∧형 지붕)의 경우

(b) 용마루 4각형의 경우

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한편 용마루 4각형의 경우에는 지붕형상이 4각형이므로 하나의 지붕면에 2직렬

을 설치하는 것이 가능하다.

따라서 서서히 출력이 저하하는 것을 생각하면서 동향, 서향의 지붕에도 설치함

으로서 표준태양전지 어레이 출력 2.4kW가 얻어진다.

용마루 4각형 지붕에 설치하는 경우의 예상도를 그림 6-2(b)에 표시한다. 태양전

지를 동서향으로 설치하면 그 출력은 정남향에 비해서 약 20% 저하한다. 이 예의

경우 1/2의 태양전지를 동서로 나누어 설치하기 때문에 실제의 합계최대출력은

2.2kW 정도로 예상할 수 있다.

상기의 수순으로 태양전지용량을 산출하면, 다음에는 이 시스템에 어울리는 파워

컨디셔너를 선정한다.

파워 컨디셔너의 선정에 관해서는 태양전지의 정격출력전압과 파워 컨디셔너의

직류입력전압과를 맟추어 주는 것과 함께 온도조건 등도 고려한 태양전지의 출력

전압범위와 파워 컨디셔너의 직류입력전압범위를 맟추어줄 필요가 있다.

출력용량에 관해서는 태양전지용량과 동일의 것을 선정하는 것이 최적이지만 실

제로는 시판품 중에서 용량에 여유가 있는 것을 선정한다.

상세한 내용에 대해서는 향후 별도의 기회를 통해서 자세히 설명하기로 한다.

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3) 발전량 산출의 사례 (지상. 평지붕의 경우)

여기에서는 평탄한 지상이나 건물의 평지붕상에 태양전지 어레이를 설치하는 경

우를 상정하여 설계하여 본다. 표준태양전지 어레이 출력 10kW 정도의 태양전지

어레이를 설치하도록 시험산출의 전제로서 아래의 조건을 가정한다.

① 정남향에서 경사각도는 30°(30°부근이 연간 발전전력량은 최대이지만 실재

로는 20°정도로 하는 것이 많다.)

② 일사 데이터는 00지역에서의 각월의 평균치를 사용

③ 양전지 모듈 : 공칭 최대출력 50 W

공칭 최대출력 동작전압 16.5 V

치수 : 400mm x 1,000mm

④ 가대의 간격 : 동지의 오전 9시에서 오후 3시의 사이 후방의 어레이가 전방의

어레이의 그늘에 들어가지 않을 것

⑤ 파워 컨디셔너의 직류입력전압은 정격 DC 300 V

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우선 직류회로전압을 DC 300 V로 맟추기 위해서 스트링 내의 태양전지 모듈의

직렬수를 구한다. 태양전지 모듈 1매당 공칭 최대출력 동작전압은 17.5V 이니까

1 스트링 중의 직렬 수는 18매로 된다. 이 스트링의 출력은 900 W, 출력전압은

315 V로 된다. 출력의 합계를 10kW로 하기 위해서는 12 스트링을 병렬로 하면

좋다. 즉 태양전지 모듈의 총매수는 216매, 이때의 표준 태양전지 어레이 출력은

10.8kW로 된다. 앞에 기술한 경사진 주택 지붕의 경우와 같은 방법으로 어레이

표면 일사량과 총합설계에서 표 6-2에서 표시하는 것 처럼 각월 마다의 평균적

인 공급발전전력량을 시험산출 할 수 있다.

[그림 6-3 ] 지붕·평지붕 설치의 태양전지 어레이 상정도

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태양전지어레이에 태양전지 모듈을 배치하는 방법은 여러 가지로 고려할 수 있지

만 메인테넌스를 고려하면 그림 6-3의 설치 예에 표시하는 것 처럼 1,700mm 높

이정도로 하는 것이 좋다. 또한 태양전지어레이의 이격거리에 관해서는 다음항에

서 검토한다.

[표 6-2 ] 태양광발전

시스템의 공급가능 발전전력량

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▒ 태양광발전 설비주택용 3kWp의 경우

햇빛이 쨍쨍 내리쬘 때 시간당 3kW의 전력을 말하며, 태양광발전의 경우 일사량 및

기후요건이 변화에 따라 다르므로 우리나라의 경우 평균 하루 햇빛량을 3.5~4시간으로

보면, 하루 평균 전력 10kW~12kW, 한달에 300kw~360kW정도의 전력을 생산함.

추적식(Traking) 태양광발전 3kWp의 경우

한달에 400~450 kW 정도의 전력을 생산함.※ p는 peak :【전기기계】피크, 첨두(尖頭) (주기적 증량(增量)의 최고점)   one sun이라는 조건을 가질때, 즉 햇빛이 가장 내리쬘 때

발전사업용 태양광설비 3kW의 경우

1년에 3,600~3,800 kWh의 전력을 생산, 1년에 260만원 정도의 발전수익을 냄.발전사업용 융자지원 이자율 : 3.75%

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태양광 발전의 수익성은

주택용 태양광발전 3kW급의 경우,

하루평균전력 12kW를 생산하고,  태양광발전전력 정부(한국전력 매전팀) 매수가격은, 발전용량 30kW미만일 때 : 711.25원/kWh, 발전용량 30kW이상일 때 : 677.38원/kWh 이므로, 단순 계산하면 되며,

참고로 소비하는 전력을 빼고 나머지 전력을 판매하는 경우도 있음.

발전사업용으로는 정부에서 30%미만 무상지원 또는 융자지원 제도를 활용할 수 있으며,

에너지관리공단에서 접수순으로 심의후 선정함.

태양광발전의 경우 태양전지 모듈 등의 질에 따라 발전효율에 차이가 나며,

정부지원제도를 활용하더라도 업체에 따라 자부담금이 크게 차이가 나기 때문에 잘 활용하여 자부담을 최소화시킨다면 수익성이 있음.

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자금무상지원 안내

태양광발전 - 자금무상지원 안내

  ▶ 태양광주택보급사업 : 개인신청자(2012년까지 10만가구 보급)

시설비 60% 무상 지원

 풍력발전설비- 자금무상지원 안내  ▶ 시설비 60% 무상 지원

무상지원사업의 경우 적정성을 판단하기 위해 에너지관리공단에서 평가심사를 하므로, 신청자와 시공업체에서는 사전에 협력하여 도면를 작성하여 사업계획서를 에너지관리

공단에 제출하게 됩니다.매년 초 지원내용이 에너지관리공단에서 아내하고 있음.

사전에 준비하여 예산이 마감되기 전에 미리 신청하는 것이 바람직 하고, 시공업체와

협의하여 합리적인 사업계획서를 작성해 무상지원혜택을 받을 수 있도록 함. 

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