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문제 정의
- 본 논문에서는 PV시스템의 최적화에 의한 성능개선 신뢰성 및 안정성 등의 실용화 기술개발의 확립을 위한 초기단계로서 계통연계형 3kW급 PV시스템에 대해서 실증연구를 수행하여 환경조건 변화에 따른 PV시스템 및 구성요소기기에 발생되는 손실요인 및 문제점을 조사 분석하였다. 그리고 PV시스템의 종합적인 성능 특성을 분석할 수 있는 감시계측시스템을 설치 운영하여 분석평가에 필요한 실측결과를 수집하였다.
- 본 논문에서는 계통연계형 3kW급 PV시스템의 실증연구에서 수집된 실측결과를 토대로 PV시스템의 종합적인 성능특성을 분석 평가하여 성능저하 및 손실요인에 대한 문제점을 조사 분석하였다. 또한 시뮬레이션과 실측결과를 이용하여 PV시스템의 주요 손실요인을 비교 분석하고 이에 대한 문제점을 검토하였다.
제안 방법
- 조사 분석하였다. 그리고 PV시스템의 종합적인 성능 특성을 분석할 수 있는 감시계측시스템을 설치 운영하여 분석평가에 필요한 실측결과를 수집하였다. 수집된 실측결과를 토대로 PV시스템의 종합적인 운전 특성 및 손실요인을 분석 평가하였다.
- 그리고 PV시스템의 종합적인 성능 특성을 분석할 수 있는 감시계측시스템을 설치 운영하여 분석평가에 필요한 실측결과를 수집하였다. 수집된 실측결과를 토대로 PV시스템의 종합적인 운전 특성 및 손실요인을 분석 평가하였다. 또한 시뮬레이션과 실측 결과를 비교하여 PV시스템에서 발생되는 세부 손실요인을 비교 분석함으로서 성능저하에 따른 문제점에 대해서도 검토하였다.
- 수집된 실측결과를 토대로 PV시스템의 종합적인 운전 특성 및 손실요인을 분석 평가하였다. 또한 시뮬레이션과 실측 결과를 비교하여 PV시스템에서 발생되는 세부 손실요인을 비교 분석함으로서 성능저하에 따른 문제점에 대해서도 검토하였다.
- PV시스템의 종합적인 성능특성을 수집하여 최적화를 위한 손실요인 및 이에 대한 문제점을 조사 분석하기 위한 적용대상 시스템으로 지붕일체형 계통연계형 3kW급 PV시스템을 설치하였고, 실측결과 수집을 위해서 감시계측시스템을 설치 운영하였다. 그림 2는 PV시스템의 종합적인 성능특성을 분석하기 위해서 설치 운영되고 있는 전체시스템의 개요를 보여준다.
- 원격단말기 (RTU, Remote terminal unit)를 사용하여 PV시스템의 손실요인 분석을 통한 종합적인 성능 특성을 평가하기 위해서 19개의 측정항목의 데이터를 수집할 수 있는 온라인 감시계측시스템을 설치 운영하였다. 감시계측시스템은 0.
- 감시계측시스템은 0.1 초의 샘플링시간 간격으로 PV시스템 구성요소기기의 입출력 및 기상정보를 분당 데이터로 수집하고 계통연계시의 PCS 의 역률, 전압 및 전류왜율 등의 전력품질도 분석 평가할 수 있는 측정 장치를 사용하여 시스템을 설계 구성하였다. 표 1, 2 는 실증연구에서 사용된 표준조건(STC, Standard test conditions) 즉 일사강도 1000W/m2, 모듈온도 25℃ 및 AM(Air Mass) 1.
- PV시스템의 성능저하 및 손실요인에 따른 문제점들을 조사하기 위해서 일사강도에 따른 표면온도 변화시 PV어레이와 PCS의 성능특성 등을 분석기간 동안 수집된 실측결과를 이용하여 분석하였다.
- 환경조건의 변화에 대한 PV어레이의 성능특성, 성능 저하 및 손실요인 등의 분석하기 위해서 PV어레이시 모듈표면온도에 대한 일사강도와 PV어레이의 출력 특성과의 관계를 수집된 실측결과를 사용하여 식 (1) 과 같이 선형 회귀방정식으로 근사화하였다
- PV시스템의 손실요인과 이에 따른 문제점을 분석하기 위해서 성능계수인 PR (Performance ratio)를 사용하여 PV시스템의 성능특성을 분석하였다. PRe PV시스템이 표준조건에서 손실요인을 고려하지 않은 이상적인 발전성능과 실제 발전성능에 대한 비로 식 (5) 와같이 정의한다日咆
- 대상 PV시스템의 성능특성을 분석 평가하기 위해서 시뮬레이션과 실측결과에서의 PV 시스템의 성능 특성을 비교 분석하였다. 시뮬레이션의 결과에 대한 정확성 및 유효성을 확보하기 위해서 PV시스템의 경사각, 방위각 및 PV어레이 설계구성 등의 실제 설치조건을 조사하고 구성요소기기인 PV모듈 및 PCS의 사양 및 성능시험 결과를 적용하였다.
- 분석하였다. 시뮬레이션의 결과에 대한 정확성 및 유효성을 확보하기 위해서 PV시스템의 경사각, 방위각 및 PV어레이 설계구성 등의 실제 설치조건을 조사하고 구성요소기기인 PV모듈 및 PCS의 사양 및 성능시험 결과를 적용하였다. 그리고 감시계측시스템에서 수집된 측정항목에 대한 실측결과들을 분석하여 PV시스템 및 구성요소기기 등의 시스템 파라미터를 결정하여 시뮬레이션 툴인 PVSYST를 이용하여 PV 시스템의 성능특성을 비교 분석하였다.
- 시뮬레이션의 결과에 대한 정확성 및 유효성을 확보하기 위해서 PV시스템의 경사각, 방위각 및 PV어레이 설계구성 등의 실제 설치조건을 조사하고 구성요소기기인 PV모듈 및 PCS의 사양 및 성능시험 결과를 적용하였다. 그리고 감시계측시스템에서 수집된 측정항목에 대한 실측결과들을 분석하여 PV시스템 및 구성요소기기 등의 시스템 파라미터를 결정하여 시뮬레이션 툴인 PVSYST를 이용하여 PV 시스템의 성능특성을 비교 분석하였다. 그림 7은 PV 시스템의 종합적인 성능특성 및 손실요인을 비교 분석하기 위한 시뮬레이션 흐름도를 보여준다.
- 대한 문제점을 조사 분석하였다. 또한 시뮬레이션과 실측결과를 이용하여 PV시스템의 주요 손실요인을 비교 분석하고 이에 대한 문제점을 검토하였다. 그 결과, PV시스템은 환경조건의 변화시 PV어레이의 온도상승에 따른 변환효율 감소와 직병렬불균형에 대한 미스매치 손실의 증가로 설계치과 비교하였을 경우 약7%이상 성능특성이 감소되었다.
대상 데이터
- 설치된 PV시스템의 PV어레이는 경사각 18°, 방위각 0° (정남향)인 고정방식으로 설치하였다. 실리콘 다결정 태양전지 36매를 직렬 연결한 75W급 PV모듈 10직렬, 4병렬로 설계 구성하여 설치하였다. 계통연계형 PCS의 정격출력은 3kW, 정격입력전압은 173V, 운전 동작 전압은 100~ 220V 그리고 변환효율은 정격에서 93.
데이터처리
- PCS의 성능특성을 분석하기 위해서 PCS 입력전력에 대한 변환효율과의 관계를 수집된 실측결과를 사용하여 비선형 회귀방정식으로 근사화하여 비교 분석하였다. PCS의 변환효율 특성을 근사화한 비선형 회귀방정식은 식 (3)과 같다.
성능/효과
- 2%이다. PV 시스템 출력전력량과 표준조건'眼]에서의 PV어레이 출력전력량에 대한 비인 시스템이용률은 12.8%이고, PV 시스템 출력전력량과 일사량에 따른 PV어레이의 출력전력량에 대한 비인 시스템 발전효율 8.1% 이다.
- 실증연구에서 감시계측시스템에서 수집된 실측결과에서 PV 시스템의 평균 PRe 67.5%, PV어레이 손실인 Lc는 24.6% 그리고 PCS 손실인 Ls는 7.9%이다. 실측 결과를 토대로 시뮬레이션한 결과에서 PV시스템의 평균 PRe 68.
- 9%이다. 실측 결과를 토대로 시뮬레이션한 결과에서 PV시스템의 평균 PRe 68.6%, PV어레이 손실인 Lc는 24.2% 그리고 PCS 손실인 Ls는 7.2%이다. PV시스템의 시뮬레이션과 실측결과를 비교하였을 경우 다소의 잔차가 발생하지만 기상조건 및 계측오차 등에 대한 영향들을 고려한다면 적용 대상 PV시스템의 시뮬레이션 결과는 비교적 정확하다는 것을 확인할 수 있다.
- 2%이다. PV시스템의 시뮬레이션과 실측결과를 비교하였을 경우 다소의 잔차가 발생하지만 기상조건 및 계측오차 등에 대한 영향들을 고려한다면 적용 대상 PV시스템의 시뮬레이션 결과는 비교적 정확하다는 것을 확인할 수 있다. PCS 손실의 경우 일사강도 200W/m2이하에서는 PV어레이 변환효율의 비선형성으로 정확한 성능특성을 예측 분석하는 것이 어렵기 때문에 다소의 편차가 발생하지만 설계 사양에서의 제시한 성능특성과 거의 같은 성능을 가진다.
- PV어레이의 경우 설치환경에 의한 손실이 증가되어 PV시스템의 성능특성이 떨어지는 것을 알 수 있다. 따라서 시뮬레이션과 실측결과에서 PV시스템의 시스템 파라미터를 분석한 결과 일사강도변화시 온도상승에 따른 PV어레이 변환효율감소, PV어레이군별 전압, 전류특성의 불균형으로 인한 미스매치 손실이 증가되어 PV시스템의 발전성능이 감소되었다.
- 시뮬레이션과 실측결과를 분석하였다. 그림에서 보면 PV시스템의 설계치와 실측치 성능에 있어서 손실잔 차가 PV어레이 온도상승에 따른 효율감소로 인한 손실이 1.6%, 미스매치 손실이 4.5%, PCS 손실이1.4% 그리고 적운, 적설, 입사각에 따른 일사강도, 손실 잔차가 PV어레이 온도상승에 따른 효율감소로 인한 손실이 1.6%, 미스매치 손실이 4.5%, PCS 손실이 1.4% 그리고 적운, 적설, 입사각에 따른 일사강도, PV 모듈의 오염 및 노화 등을 포함한 기타 손실이 11.4% 를 가진다. PV어레이 온도상승으로 인한 효율감소 및 미스매치 손실이 다른 손실과 비교해서 잔차가 상대적으로 크다.
- 이것은 PV모듈의 성능저하 및 PV어레이의 설계제어시 미스매치로 인한 출력전압 및 전류특성이설계치와 비교해서 떨어지면서 PV어레이의 출력이 4%이상 감소되었기 때문에 PCS가 MPPT제어를 정확하게 수행되더라도 PV시스템의 성능특성은 저하된다. 따라서 PV시스템에서는 PCS 손실, 미스매치 및 PV어레이 온도상승에 따른 변환효율 감소가 발생되는 주요 손실요인이므로 이러한 손실을 최소화 할 수 있는 대책기술을 개발하여 최적화 설계가 된다면 PV시스템의 신뢰성, 안정성을 위한 실용화 기술을 확립할 수 있고 대상 PV시스템의 발전성능이 5.0%이상 개선될 수 있다는 것을 시뮬레이션에서 예측할 수 있었다.
- 또한 시뮬레이션과 실측결과를 이용하여 PV시스템의 주요 손실요인을 비교 분석하고 이에 대한 문제점을 검토하였다. 그 결과, PV시스템은 환경조건의 변화시 PV어레이의 온도상승에 따른 변환효율 감소와 직병렬불균형에 대한 미스매치 손실의 증가로 설계치과 비교하였을 경우 약7%이상 성능특성이 감소되었다. 따라서 PV시스템에서발생되는 주요 손실요인에 대해서 손실을 저감할 수 있는'대책기술을 개발하여 최적화 설계가 된다면 PV 시스템의 성능개선 뿐만 아니라 국내 이용보급의 확대에 따른 신뢰성, 안정성을 위한 실용화 기술을 확립할 수 있을 것이다.
후속연구
- PV시스템은 PCS, 태양전지 모듈 및 PV어레이 등의 구성요소기기의 성능뿐만 아니라 일사량과 표면온도 등의 환경조건에 따라서 PV 시스템의 발전성능이 결정된다. 反' 따라서 PV 시스템의 성능 저하 및 손실요인에 따른 문제점들을 분석하기 위해서는 일사강도 및 표면온도변화에 따른 PV어레이성능특성, PV어레이군별 전압-전류의 불균형에 따른 성능 특성 그리고 PCS의 변환효율특성 등에 대한 실즉결과에 대해서 종합적인 성능특성을 조사하여 하여야 한다.
- 이러한 분석결과를 이용하여 환경조건 변화시 태양전지 모듀 PV어레이 및 PCS의 성능특성을 근사화시켜 모델링하면 설치방식에 따른 PV시스템의 성능 특성을 보다 정확하게 예측하여 PV시스템의 손실요인 및 문제점 등을 미리 파악할 수 있으므로 PV시스템의 최적화를 통한 성능개선 및 대책기술을 확립할 수 있을 것이다.
- 그 결과, PV시스템은 환경조건의 변화시 PV어레이의 온도상승에 따른 변환효율 감소와 직병렬불균형에 대한 미스매치 손실의 증가로 설계치과 비교하였을 경우 약7%이상 성능특성이 감소되었다. 따라서 PV시스템에서발생되는 주요 손실요인에 대해서 손실을 저감할 수 있는'대책기술을 개발하여 최적화 설계가 된다면 PV 시스템의 성능개선 뿐만 아니라 국내 이용보급의 확대에 따른 신뢰성, 안정성을 위한 실용화 기술을 확립할 수 있을 것이다. 그리고 이러한 PV시스템의 성능 특성 분석평가에 대한 결과의 정확성 및 신뢰성을 확보하기 위해서 국내 보급된 PV시스템별로 실측결과를 수집하여 데이터베이스를 구축하고 있으며 향후에는 모델링을 통한 분석평가기술과 운전시 발생되는 문제점에 대한 대책기술을 조사하여 PV시스템의 최적화 설계기술에 대해서 연구를 수행할 계획이다.
- 따라서 PV시스템에서발생되는 주요 손실요인에 대해서 손실을 저감할 수 있는'대책기술을 개발하여 최적화 설계가 된다면 PV 시스템의 성능개선 뿐만 아니라 국내 이용보급의 확대에 따른 신뢰성, 안정성을 위한 실용화 기술을 확립할 수 있을 것이다. 그리고 이러한 PV시스템의 성능 특성 분석평가에 대한 결과의 정확성 및 신뢰성을 확보하기 위해서 국내 보급된 PV시스템별로 실측결과를 수집하여 데이터베이스를 구축하고 있으며 향후에는 모델링을 통한 분석평가기술과 운전시 발생되는 문제점에 대한 대책기술을 조사하여 PV시스템의 최적화 설계기술에 대해서 연구를 수행할 계획이다.
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