태양전지의 설치에 대해서...

[희노애락]

■태양전지의 설치에 대해서

태양전지의 출력은, 태양과 직각이 되게 설치한 경우에 최대가 됩니다. 남쪽에 수평면부터의 각도가 년간을 통하여 가장 효율적이게 발전하는 각도로 설치합니다. 설치 장소의 조건으로서, 1년 중에 일조시간이 최단의 날(동지 쯤)의(낮 동안)일중(오전9시부터 오후3시)에, 태양전지에 그림자가 없는 장소로 설치하는 것이 최적입니다.
가능하다면 여름철과 겨울철에 태양전지의 각도를 변경이 가능한 받침대에 설치하는 것이 바람직합니다.

태양전지의 최대 출력 동작 전압

태양전지의 최대 출력 동작 전압은 다음의 계산식으로 구합니다.
다이오드는 태양전지의 발전이 없을 때, battery부터의 역류를 막기 위해서 사용합니다.

태양전지의 최대 출력동작 전압( V ) = 배터리 공급전압 x 배터리의 만 충전계수 + 다이오드 전압강하
1. 여기서는 계산상 배터리 전압이 12V 로 선정합니다.
2. 배터리의 만 충전 계수 ( 연축전지의 경우는 1.24 )
3. 다이오드 전압강하 ( 실리콘은 순방향시 0.7V의 전압강하가 발생, 요즘은 게르마늄은 사용을 안함 )

<보기>

태양전지의 최대출력 동작전압( V ) = 12V x 1.24 + 0.7V = 15.58V
 

태양전지의 선정

태양전지의 필요 전류 및 최대 동작 전압이 정해지면, 태양전지의 사양을 참고로 적당한 것을 선정합니다.
태양전지는 조도(빛의 질김)에 의해 출력이 크게 변동합니다. 태양전지의 설치 장소(방위, 각도)에 의해서는 충분한
전력을 얻어지지 않는 일이 있기 때문에, 선정에는 여유를 가지고 하는 것도 중요합니다.

아래의 사양서는 BP사의 BP 365 태양전지의 제품 사양서입니다.


※여러 태양전지를 직렬 또는 병렬 접속해 사용하는 경우는, 가능한 같은 사양인 것을 사용 해 주십시오.
다른 사양으로 접속하면, 태양전지는 충분한 성능을 발휘하기 힘들 수 있습니다.

태양전지의 병렬 접속·직렬 접속

병렬 접속에 대해서
태양전지의 플러스(+)끼리, 또 마이너스(-)끼리를 접속하는 것에 의해 최대 출력 전압을 변화시키는 일 없이, 최대 출력 전류는 2배의 값을 얻는 것이 가능합니다. ( 병렬접속 = 전압 일정, 전류2배 )

직렬 접속에 대해서
태양전지의 한쌍의 플러스(+)와 마이너스(-)를 접속하는 것에 의해 최대 출력 전류를 변화시키는 일 없이, 최대 출력 전압은 2배의 값을 얻는 것이 가능합니다. ( 직렬접속 = 전압2배, 전류 일정 )

<보기>

BP사의 BP365를 2 매사용하고, 병렬 접속하는 것으로 필요한 전류, 전압을 발전시키는 것으로 합니다.

태양전지 1매의 출력 특성
최대 출력: 65W, 최대 출력 전압: 17.7V , 최대 출력 전류: 3.69A

병렬 접속하면
최대 출력: 130W, 최대 출력 전압: 17.7V, 최대 출력 전류: 7.38A

이것에 의해 먼저 산출한 태양전지의 필요 전류 29.33A, 최대 출력 동작 전압 15.58V 이상의 전력을 얻기 위해서는 총 8매의 태양전지가 필요한 것을 알수 있습니다.

battery의 용량 계산

마지막으로 필요한 battery의 용량을 계산합니다.
battery의 보수율이란 충방전 시의 손실(발열 등)을 보정하기 위해 사용합니다.

배터리의 용량( Ah ) = 1일의 소비 전류량 ( Ah/ 일 ) x 무일사( 태양광이 없는 날 ) / 배터리 보수율
battery의 보수율: 0.8(연축전지의 경우)

<보기>
                                                                                   5일( 무일사 )
배터리의 용량 ( Ah ) = 194.6A ( Ah/ 일 )   x     -----------------   = 1216.2A                                                                0.8 ( 배터리 보수율 )
 

1. 상기 계산에서의 battery 용량은 필요한 최소한의 용량을 생각하여 주십시오.
2. 부하를 연속 사용하는 경우는, 충분한 마진(방전 심도:50% 정도)를 고려해야 합니다.
3. 시스템의 전압이 변경되면 전류도 같이 변경됩니다.

battery의 용량 표기

battery의 규격으로 5시간율 용량(Ah)과 20시간율 용량(Ah)라고 하는 용량의 표기가 있습니다. 그 의미를 모른다고 하는 소리를 잘 듣습니다. 간단히 말하면, battery에 모아져 있는 전기의 분량을 나타내는 척도와 같은 것입니다.

(1) 5HR(5시간율 용량)
주로 점등 용량으로 규정하는 것으로, 완전 충전한 배터리를 주변 온도 25℃에서 5시간율 전류로
전압이 10.5V로 떨어질 때까지 방전한 시간의 용량입니다.

(2) 20HR(20시간율 용량)
이것은 CELL당 1.75V(12V배터리인 경우 10.5V)가 될 때까지 20시간 전류로 계속 방전할 때의 방전한 시간의 용량입니다.
방전하는 동안 전압과 비중의 큰 변화는 없지만 방전이 거의 끝나가는 시점에서 전압과 비중이 갑자기 떨어지는 특성을 보이게 됩니다.

예를 들면, 5시간율 용량(Ah)에 100Ah의 battery 와   20시간율 용량(Ah)에 100Ah의 battery , 어느 쪽이 오래 간다고 생각하십니까? .
일반적으로 battery는 대전류를 단시간에 흘려 보내는 것보다도, 적은 전류를 장시간 흘려 보내어 사용하는 쪽이 오래 갑니다.
즉, 앞에서 말한 2종류의 battery를 같은 전류로 방전시켰을 때는,  20시간율 용량(Ah)에 100Ah의 battery 쪽이 오래 사용하게 됩니다.

20시간율 용량(Ah)에 100Ah의 battery > 5시간율 용량(Ah)에 100Ah의 battery

다만, 어느 정도 오래 가는지는 battery의 종류나 시간율 용량에 의해 변화합니다. 일률적으로 말할 수 없는 이유는 각 메이커의 배터리 특성에 따라서 틀려지게 되기 대문입니다.

battery의 선정

태양전지와 battery를 설치해 사용하는 경우에는, battery의 정확한 선정과 관리가 필요합니다. 부하 용량의 파악, battery의 방전 심도, 설치 환경, 코스트, 수명 등을 고려해 선정할 필요가 있습니다.
또 시스템은 계속해 사용해 주십시오. 시스템을 장기간 사용하지 않으면 과충전이 되고, battery의 전해액을 소비하여 손상 원인이 됩니다. battery의 사용 방법을 잘못 사용하고 있으면, 현저하게 battery의 수명을 줄이는 일이 있습니다.
 

battery의 종류에 대해서

현재, 설비용 거치 축전지는 연축전지 와 알카리 축전지 가 널리 사용되고 있습니다.
일반적으로 연축전지는 코스트 퍼포먼스로 뛰어나고, 알카리 축전지는 수명이나 대전류 방전 특성에 뛰어납니다.

battery의 종류

태양광 발전 시스템으로 사용하는 battery로서 적당한 것은, 대용량에 코스트 퍼포먼스로 뛰어난 것으로 연축전지 입니다.  요즘 배터리 생산 메이커에서 연축전지 중에서도 태양광 발전 용도로 사용하기 위한 좋은 제품을 소개하고 있으니 배터리 전문 판매점에 상담하여 구입하시는 것이 좋습니다.

연축전지 와 알카리 축전지의 비교

	연축전지	알카리 축전지
기대 수명	3∼15년 (기종에 의해 다릅니다)	12∼20년 (기종에 의해 다릅니다)
중량	무겁다	가볍다
가격	저렴하다	고가

자동차용 battery는 쓸만 하다?

태양광 발전용으로 중고의 자동차용 battery를 사용하는 것은 가능하지만 추천은 하지 않겠습니다.
태양광 발전용의 배터리는 대량 방전이나 충전을 반복하고 있으면, 자동차용 battery는 곧 못쓰게 되어 버립니다.
만일, 일정 전압 이하로 과도하게 방전시키면 Battery는 내부 충격을 입어 수명 단축의 원인이 되기 때문에 자동차용 Battery는 통상 10.5V (1.75V / Cell)까지만 방전 시킵니다
(실제, 자동차의 경우, 한번 battery가 깊은 방전을 하면, 충전해도 곧 battery가 방전합니다. )
차량용 배터리의 종류에는 극판 성분의 차이가 있기는 하나, 일반적으로 PT제품은 마개가 있어 보액이 가능한 제품을 말하고, MF제품은 수명이 종료될 때까지 보액이 필요 없는 무보수 제품으로서 성능이나 수명이 PT제품 보다 우수합니다.
태양광 발전으로 사용하는 deep 싸이클 battery는, 방전과 충전을 번갈아 반복해 사용되는 전원으로서,
깊은 방전에도 견딜 수 있도록 설계, 제작되고 있습니다.  그러나 가격이 고가이기에 부담이 많이 됩니다.

Charge 콘트롤러(충방전 콘트롤러)의 선정

charge 콘트롤러(충방전 콘트롤러)에 필요한 사양(태양전지 입력 전류, 부하 전류)를 구합니다.
여기에서는, 설계에 여유가 있도록 하기 위해서  보수율을 0.85 로 하고 있습니다. ( 필수는 아닙니다 )

태양전지 입력 전류 ( A ) = 태양전지의 합선전류( A ) / 보수율

                              직류기기의 최대출력 ( W )
부하 전류 ( A )   =   ------------------------
                              시스템 전압 ( V ) x 보수율

< 보기 >
BP사의 태양전지 BP365를 2 매 병렬 접속합니다.

●태양전지  1매의 출력 특성
최대 출력: 65W, 최대 출력 전압: 17.7V, 최대 출력 전류: 3.69A, 개방 전압: 22.1V,  합선 전류: 3.99A
●병렬 접속하면
최대 출력: 130W, 최대 출력 전압:17.7V, 최대 출력 전류: 7.38A, 개방전압: 22.1V,  합선 전류: 7.98A

태양전지 입력전류( A ) = 7.98A / 0.85 = 9.39A

                                60 ( W )
부하 전류 ( A )   =   --------------  = 5.88 ( A )
                            12 ( V ) x 0.85

※charge 콘트롤러의 최대 입력 전압은, 태양전지의 개방 전압(앞에서 말한 경우 22.1V)이상이 필요합니다.
※주택용 태양광 발전 시스템용의 태양전지를 사용할 때에는 주의가 필요합니다.
가능하다면 컨트롤러에서 전압과 전류를 자유롭게 변경이 가능한 제품으로 구입하실 것을 추천합니다.

Charge 콘트롤러의 기능

charge 콘트롤러의 기능으로서, 역류 방지 다이오드(태양전지에 전류의 역류를 막는다), 야간 타이머(조도 센서나 태양전지의 출력 전압에서 일몰을 감지해 부하를 접속), 온도 보정(battery의 온도를 감지해 충전 전압을 보정)을 내장한 것이 있습니다. 희망 시스템에 따라 최적인 것을 선택 주십시오.

DC-AC인버터의 선정

DC-AC 인버터의 종류로서는, 정현파(싸인파)·와 유사정현파(직사각형파)의 타입이 있습니다.
아래그림에 정현파형과 유사정현파형의 파형에 차이를 나타냅니다.



정현파(싸인파)타입
출력 파형이 일반 가정에 공급되어 있는 상용 전원 파형과 같은 이유로, 사용할 수 있는 부하 기기에 제한은 없습니다.
독립형 발전용 전원 시스템이나, 정밀한 정현파(싸인파)형태를 필요로 하는 측정기기, 의료 기기, 통신장비, 음향기기
등에는, 부하기기를 선택하지 않는 정현파 인버터를 선택하여 주십시오.

유사정현파(직사각형파)타입
전압의 실효치가 상용 전원과 같은 (교류220V)이며, 퍼스널 컴퓨터, 텔레비젼, 전자 레인지, 에어컨, 전동 공구 등,
대부분의 부하 기기를 접속해 사용하실 수 있습니다. 그러나 파형에 특성으로 잡음과 화상 노이즈 등 발생이 생기는 문제로 정확한 파형에 의존하여 동작하는 부하 기기 ( 인버터 방식 형광등, microcomputer 제어 전기 제품, 의료기기, 통신장비, 방송장비, 등)는 문제가 발생할 수 있습니다. 사용하실 기기에 따라서 선택에 주의하여 주십시오.

<참고>
변환 효율이 90%의 DC-AC 인버터를 사용하는 경우( PM-3000SL-xx ).

인버터 출력전류(A) = 교류출력(W) / 교류전압(V)

                                                                교류전압(V) 
인버터 입력전류(A) = 인버터 출력전류(A) x    -------------------    
                                                         시스템전압(V) x 변환효율 

( 보기 )

배터리 = DC12V,  부하용량 = 220V 440W

인버터 출력전류(A) = 440W / 220V = 2A

                                                                       AC 220V
인버터( 12V용 PM-3000SL-12 ) 입력전류(A) = 2A  x  ------------     = 40.74A
                                                                    DC12V x 0.9

                                                                       AC 220V
인버터( 24V용 PM-3000SL-24 ) 입력전류(A) = 2A  x  ------------     = 20.37A
                                                                    DC24V x 0.9

<DC-AC 인버터의 입력 전류와 출력 전류는 다릅니다! >
이 계산을 잘못하면, DC-AC 인버터가 정상적으로 동작하기 어렵습니다.
입력에 공급되는 직류(DC) 전류는 대전류가 흐르기 때문에 배선 케이블의 굵기와 길이에 대한 선정에도 충분히 주의할 필요가 있습니다.
출력 전압은 교류(AC)이기에 일상적인 전원케이블을 사용하시면 됩니다. 

<원칙으로서 DC-AC 인버터는 battery와 직결해 주십시오!
AC 220V 기기는 전원 투입 직후에 정격전력 이상의 전력을 소비하기 때문에,
charge 콘트롤러와 접속한 경우, 대전류에 의해 콘트롤러를 파손하는 경우가 있습니다.