태양전지
태양전지는 직류(DC:Direct Current)의 전기를 발생합니다. 직류 전기 기기는 동작하지만, 교류(AC:Alternating Current)의 전기 기기를 동작시키려면 DC-AC 인버터가 필요하게 됩니다.
battery
태양전지는 빛이 있을 때만 발전합니다. 건전지와 같이 전기를 모아 두는 기능은 없습니다. 야간이나 흐린 날에 전기를 사용하고 싶을 때는 battery(축전지)에 모아 둔 전력을 사용하게 됩니다. 안정된 태양광 발전 시스템을 구축할 때는, battery가 필요하게 됩니다. battery의 종류에는, 자동차 등에 사용하는 연축전지부터 단3, 단4건전지 등에 사용되는 nickel 수소 전지, 딥사이클 등 여러가지 타입이 있습니다.
charge 콘트롤러
battery에는 모아 둘 수 있는 전력 용량에 한계가 있습니다. 그 한계를 초월해 battery에 전기를 보내면, 사용 수명이 단축되는 것뿐만 아니라, battery 자체가 파손해 버립니다. charge 콘트롤러(충방전 콘트롤러)는 battery의 전압을 감시하고, 만충전 시에는 차단, 충전 부족에는 접속하는 동작을 자동적으로 행합니다.
DC-AC 인버터
DC-AC 인버터는 직류를 교류로 변환하는 기기입니다. 교류로 하는 것(일)에 보다 가정의 콘센트에 연결하고 있는 전기 제품(퍼스널 컴퓨터, 텔레비젼, 오디오, 통신장비, 전등 )을 사용할 수 있게 됩니다.
기타
역류 방지 다이오드
태양전지의 출력이 적을 때, battery부터 태양전지에 전류가 역류하는 것을 방지합니다.
태양전지에 내장되어 있기도 하기 때문에, 사양서를 참고로 합니다.
퓨즈
합선, 과전류에 의한 사고 발생시에 회로를 차단합니다. 퓨즈는 가능한 한 battery에 가깝게 설치합니다.
전기 제품에 내장되어 있기도 하기 때문에, 사양서를 참고로 합니다.
시스템 설계 순서
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독립형 태양광 발전 시스템의 시스템 설계 순서를 소개합니다.
우선, 접속하는 전기 제품을 선정합니다. 방수대책이 필요한 장소에 설치할 때에는, 방수 타입의 기기를 선택합니다.
각 순서로는, 직류12V/60W의 전구 와 교류220V/440W의 퍼스널 컴퓨터를 가정하여, 아래의 <보기> 의 조건으로 사용하기 위한 계산치를 나타냅니다.
| <보기>
사용하는 전기 기기
가. 직류기기 = 12V / 60W의 전구 ( 1일 2시간 사용 )
나. 교류기기 = 220V / 440W의 전자제품 ( 1일 3시간 사용 )
1. 1일 사용에 , 전구는 2시간, 퍼스널 컴퓨터는 3시간 사용하는 것으로 합니다.
2. 우천시나 야간에서의 사용을 고려하고, battery에 모아 둔 전기만으로 5일간 가동할 수 있는 것으로 합니다.
3. 시스템 전압은 12V로 결정합니다.
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| | 접속하는 전기 제품의 소비 전류계산
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접속하는 전기 제품의 소비 전류를 계산합니다.
소비전력, 정격전압은, 전기 제품 본체 또는 취급 설명서에 기재되고 있습니다.
소비전류( A ) = 소비전력 ( W ) / 정격전압 ( V )
| <보기>
직류12V/36W의 전구 와 교류220V/450W의 퍼스널 컴퓨터
( 퍼스널 컴퓨터는 교류를 사용하기 위해서 직류에서의 소비 전류를 환산할 필요가 있습니다. )
1. 직류기기 소비전류( A ) = 60W / 12V = 5A
2. 교류기기 소비전류( A ) = 440W /220V = 2A, 직류전류로 환산하면 440W / 12V = 36.7A |
| 1일에 필요한 발전 전류량의 계산 |
1. 태양전지의 1일에 필요한 발전 전류량를 계산합니다.
설치 조건은 항상 최적이라고 할 수 없기 때문에, 이론적인 1일의 소비 전류량(Ah/일)을 보정 계수에 나눕니다.
태양전지로 필요한 1일 발전 전류량( Ah/일 )
1일의 소비 전류량( Ah/일 )
-------------------------------------------
출력보정계수 x 배터리 방전 보정계수 x 기타 보정계수
아래에 표시하는 보정계수는 통상적으로 표시하는 수치입니다.
출력보정계수 ( 태양전지의 온도특성, 효율, 기상 등 ) = 0.85
배터리 방전 보정계수 = 0.8
기타 보정계수( DC-AC 인버터 ) = 인버터의 효율은 각 메이커 마다 틀리며 반드시 생산 메이커에서 제공하는
원본 TECHNICAL SPECIFICATIONS을 확인하여 설계하여 주십시오.
( 정확하지 않은 규격으로 계산하여 설비하면 계산상으로 치명적인 오류가 발생하실 수 있습니다. )
2. 태양전지가 발전할 필요한 전류를 계산합니다.
일반적인 지역에서의 1일에 평균 일조시간은, 3∼4시간(일사량:1000W/㎡에 환산한 경우)입니다.
실제로 계산하면, 중간인 3.5시간(1년간 평균 일조시간을 채용합니다.)
태양전지가 필요한 전류( A ) = 1일 태양전지가 발전할 전류량( Ah/일 ) / 1일 평균 일조시간( h = 3.5h )
| < 보기 >
보정 계수는, 전구는 직류 기기이기 때문에 1를 계산하고, 퍼스널 컴퓨터는 교류 기기이기 때문에 DC-AC 인버터의 변환 효율90%(0.9)을 계산합니다. ( 로얄 정현파 인버터 효율90% 이상 )
DC-AC 인버터의 변환 효율은 제품에 따라서 다르기 때문에, 사용하는 DC-AC 인버터의 사양을 참고 하여 주십시오.
1. 태양전지의 1일에 필요한 발전 전류량( Ah / 일 ) 계산
5A x 2h 36.7A x 3h
---------- + ------------ = 194.6A ( Ah / 일 )
0.85 x 0.8 x 1 0.85 x 0.8 x 0.9
2. 태양전지의 필요 전류량 ( A )
194.6 ( Ah / 일 ) / 3.5 ( Ah / 일 ) = 55.6A
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| | ■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
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| | | 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 )
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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 )
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| <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.
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battery의 용량 계산
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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 )
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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.
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battery의 용량 표기
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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.
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battery의 선정
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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
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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
| | | 중량
| 무겁다 | 가볍다
| 가격
| 저렴하다
| 고가
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| 자동차용 battery는 쓸만 하다?
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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.
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