태양전지공학 Chapter 6

Chapter 6

태양광 발전 시스템의 구성

① 일사량에 의존하여 직류 전력을 발전하는 태양전지 어레이(array)

② 발전한 전기를 저장하는 전력저장 축전 기능

③ 발전한 직류를 교류로 변환하는 인버팅(inverting) 기능과 전력품질 및 보호기능을 갖는 PCS(Power Conditioning System)기능

④ 전력계통이나 다른 전원에 의한 백업(back-up) 기능

⑤ 발전된 전력을 공급하기 위한 대상 부하

Chapter 6

태양광 발전 시스템의 일반적인 구성 예

Chapter 6

태양광 발전 시스템의 분류

상용 전력계통 연계유무에 따라 독립형(stand-alone)과 계통 연계형 (grid-connected)으로 분류할 수 있으며, 일부의 경우 풍력발전, 디젤발 전 등 타 에너지원에 의한 발전방식과 결합된 하이브리드(hybrid)형을 별 도로 구분하기도 한다. 독립형 시스템의 경우는 주로 등대, 중계소, 인공 위성, 도서, 산간벽지 전원 등에 사용되고, 계통 연계형 시스템의 경우는 주택, 빌딩 등의 옥상, 대규모(수 MW 급) 발전시스템에 사용

Chapter 6

태양광 발전 시스템의 분류

Chapter 6

독립형 태양광 발전 시스템

Chapter 6

계통 연계형 태양광발전 시스템

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태양의 위치를 추적해 가는 방식으로 추적 방향에 따라 단방향 추적식과 양방향

추적식으로 나누어 생각할 수 있다. 또한 태양을 추적하는 방법에 따라서 감지식,

프로그램 제어식, 혼합형 추적방식을 생각할 수 있다. 그 밖에 태양광선의 집광유

무에 따라서 평판형과 집광형 어레이를 생각할 수 있다

소형 태양광 이용 시스템

Chapter 6

소규모 태양광 발전 시스템

Chapter 6

Chapter 6

중규모 태양광 발전 시스템

대규모 태양광 발전 시스템

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직류부하용 독립형 태양광 시스템

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교류부하용 독립형 태양광 시스템

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보조 발전기 보완형 독립형 태양광 시스템

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계통선 연계형 태양광 시스템

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직렬 연결된 태양전지의 전압-전류 특성

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I

(V) = N

× _I(V)

I

(V) : 태양전지의 출력전류

N

: 병렬 연결된 태양전지의 수

I(V) : 태양전지 한 개의 출력전류

병렬 연결된 태양전지의 전압-전류 특성 (K=1)

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Va = Ns × _Vc

Va : 태양전지 출력전압

Ns : 직렬 연결된 태양전지의 수

Vc : 태양전지 한 개의 출력전압

직류조절장치는 태양광 발전시스템이 최적화된 상태로 운전되고, 연결된 전 기장치의 안전 및 최적운전이 가능하도록 구성되어야 한다. 태양광 발전시스 템에서 요구되는 직류조절장치의 구성은 다음과 같다.

○ DC/AC 컨버터(인버터)

○ DC/DC 컨버터

○ Charge controller

태양광발전 시스템에서 사용되는 직・교류 변환장치는 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.

i) 전력변환회로의 입력 전류의 리플이 매우 작아야 한다.

ii) 변환 효율이 어떤 부하에도 높아야 한다.

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최대전력 추종을 위한 승압형 컨버터(PWM : Pulse Width Modulation, MPPT : Maximum Power Point Tracking)

Chapter 6

태양전지의 출력 특성은 일사량, 부하 및 온도에 따라 변하고, 최적 동작점이 존재 한다.

여기서 일사량에 따른 태양전지의 최적 동작점인 출력 전력의 P max 점을 가지고 있는데,

이것을 출력 전력의 피크점(peak point)이라고도 한다. 이 P max 점은 각 일사량 값에서

태양전지 모듈의 에너지 효율이 가장 높은 점이라고 할 수 있다.

축전지 보호회로의 블록도

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축전지의 전압이 어느 일정 수준 이상이 되거나, 일정 수준 이하의 전압이 되면

축전지에 악영향을 끼치게 되므로 이런 상황을 방지하기 위한 축전지의 보호회로는

필수적이다.

PV 인버터 기술과제

(1) 계통 전력품질의 유지 (낮은 왜율(THD) 및 전압 안정화) (2) 계통과 PV 인버터 시스템의 보호협조

(3) PV 인버터의 저가화 (주변장치 포함) (4) 효율 향상과 소형․경량화

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소규모 (50 Wp 미만) 태양전지 응용제품

Chapter 6

소규모 태양전지 응용회로 예 (축전지 충전기)

Chapter 6

Chapter 6

소규모 태양전지 응용회로 예(EL 표시기)

Chapter 6

중규모 (10kWp 이하) 태양전지 응용제품 사례

대규모 (10kWp 이상) 태양전지 응용제품 사례

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태양광 발전 시스템의 계통 연계상 문제점

○ 역회전 방지 미터나 2개의 미터 사용 방식의 계량 2)전력 계량

문제

○ 연계장치의 형식인증제도

○ 정기점검의 의무화

○ 입출력 검사권 확보 1)시스템의

신뢰성 운용관리

4

○ 차단기, 휴즈 등의 차단기능 부가

○ 내부회로 이상을 검출하여 시스템을 자율적으로 계통으로부터 차단하는 기능을 부가

○ 직류차단, 절연용의 수용가 트랜스 설치

○ 연 계 차 단 기 의 설 치 와 전 기 사 업 법 에 따 른 우선조작권의 확보

○ 자여식 시스템을 타여식으로 함 1)사고시 보호

a. 계통사고의 파급방지 b. 계통보호방 식과 연계 보호 보호,

3 안정성

○ 전자식 유도장애를 포함한 충분한 filter 설치

○ 자여 식 시스템 으 로 설치, 시스템의 다상화, PWM화 고조파함으로써 직렬투입, filter채용

○ 시스템 개별적으로 고조파 전류의 유입규제 2)고조파

○ 자여식 시스템 설치 추진

○ 타여식 시스템에서 진상콘덴서설치

○ 역율 무효전력을 구제

○ Soft start, Soft stop방식 채택 1)전압변동

2 전력품질

○ 축전지에 의한 출력의 안정화나 수요시간대의 전력이동

○ 다른 전원과의 Hybrid화 1)발전출력의

발전특성 불안정성 1

해 결 방 안(예) 문 제 점

항 목 NO

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3 kWp 계통연계 태양광 발전 시스템의 Array 전경

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3kWp급 계통 연계형 시스템 주요제원

UVR, OVR, UFR, OFR등 보호계전기

능동적 방식 : 무효전력변동방식 수동적 방식: 전압위상도약방식 단독운전검출

계통연계 보호기능

입출력 과전압, 동기이상, 온도이상 등 보호기능

92% 이상(정격 출력시) 전력변환효율

AC 220V 60Hz 정격출력

MPPT 제어 전력제어방식

DC 120～350V 직류입력전압

3.5kW 정격출력

전압형 전류제어방식(정현파 PWM) 연계운전방식

인버터

3kWp (50Wp 모듈 60개) 용량

경사각 30°

직렬 15× 병렬 4 결선방법

태양전지 어레이

효율 14%

용량 50Wp

단결정 실리콘 태양전지 종류

태양전지모듈

규 격 항 목

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3 kWp급 계통 연계형 PV 시스템의 시간별 발전특성곡선

첨단 제조기술과 태양전지 및 모듈 개발

- 태양전지용 저가 실리콘 대량생산 공정 개발 개발기관 : Chisso Corporation

2005년 목표 : 제조가격 2,000엔/kg 이하 (연산 1,000톤 기준) 품질 : Solar Cell grade (저항 50 Ohm․cm)

- 플라스틱 기판이용 비정질실리콘 태양전지 대량생산 제조 공정 개발 개발기관 : Fuji Electric Corpoate R&D, Ltd.

2005년 목표 :Active area : 93%

a-Si 증착 속도 : > 30 nm/sec 연속 제조공정 : 1,000 cells/roll 수율 : 90%

첨 단

제조기술

개 발

내 용

기술명

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- 고효율 태양전지 실용화 기술개발

개발기관 : Kawasaki Steel Corp., Sharp Corp.

2005년 목표 : 기판크기 : 15 × 15cm², 기판두께 : 150μm

Kerf 손실 : 150μm, 태양전지 효율 > 20%

모듈 제조가 < 147엔/W (연산 100 MW 기준) - III-V 화합물을 이용한 초고효율 태양전지 모듈 개발

개발기관 : Sharp Corp., Daido SteelCo. Ltd, Daido Metal Co. Ltd 2005년 목표 : 태양전지 효율 > 40% (집광형 태양전지)

제조가격 < 100엔/W (연산 100 MW 기준)

역할 분담 : Sharp (태양전지), Daido Steel (모듈, 집광기)

첨 단

태양전지 및 모듈개발

2005년 목표 : 제조가격 < 100엔/W 이하 (연산 100 MW 기준) 모듈 효율 > 12% (면적 3,600 cm²)

- a-Si/μ-Si 하이브리드 박막 태양전지 개발 개발기관 : Kaneka Corporation

2005년 목표 : 제조가격 < 100엔/W 이하 (연산 100 MW 기준) 모듈 효율 > 12% (면적 3,600 cm²)

- 고품질 CIS 박막 태양전지 모듈 개발

개발기관 : Matsushita Electric Industrial Co.

2005년 목표 : (roll to roll 방식)

제조가격 < 100엔/W 이하 (연산 100 MW 기준) 모듈 효율 > 13% (면적 3,600 cm²)

- CIS 박막 태양전지 모듈 고속 제조 기술개발 개발기관 : Showa Shell Sekiyuki K.K.

2005년 목표 : 제조가격 < 100엔/W 이하 (연산 100 MW 기준) 모듈 효율 > 13% (면적 3,600 cm²)

첨 단

태양전지 및 모듈개발

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새로운 태양전지 관련 기술

- 다결정실리콘 기판위에 에피택시 Si을 Si/SiGe 이종접합 태양전지 연구기관 : Institute for Materials Research, Tohoku University 2003년 목표 : 다결정실리콘 태양전지 대비 효율 50% 향상 - β-FeSi₂ 태양전지 연구

연구기관 : System Engineers Co. Ltd, AIST 2003년 목표 : 태양전지 효율 8%

- 유기 태양전지 연구

연구기관 : AIST, Kanazawa 대학, Nippon Shokubai Co. Ltd.

2004년 목표 : 태양전지 효율 5%

- Carbon-based 박막 태양전지 연구

연구기관 : Chubu 대학, Nagoya Institute of Technology 2004년 목표 : 태양전지 효율 8%

- 고효율 Chalcogenide 박막 태양전지 연구

연구기관 : AIST, Kagoshima 대학, Aoyama Gakuin 대학 2004년 목표 : 태양전지 효율 18%

새 로 운 태양전지

소 재

내 용

기술명

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- 나노구조 Si 박막 태양전지(a-Si, 다결정 Si)

연구기관 : AIST, Kyushu 대학, Toppan Printing Co., Stanley Electric Co., Nippon Sheet Co.

내용 : 광열화 현상 없는 나노구조 Si 개발 및 고효율 태양전지제조 2003년 목표 : 태양전지 효율 12% (안정화 후)

- Spherical micro Silicon 태양전지 연구

2003년 목표 : 생산 속도 : 300 spheres/sec 품질-단결정실리콘에 대응

- Light-trapping 실리콘 박막 태양전지 연구

연구기관 : Asahi Glass Co., 2003년 목표 : 기존 TCO 보다 20% 향상 - 염료감응형 태양전지 연구

연구기관 : Tokyo 대학

2003년 목표 : 효율 7% (면적 : 100 cm², 500시간 연속 발전 후) - Wide bandgap SiC을 이용한 박막 태양전지 연구

연구기관 : Tokyo Institute of Technology 2004년 목표 : 효율 9% (단일접합)

- 이온 겔을 이용한 고효율 염료감응형 태양전지 연구

연구기관 : Osaka대학, Yokohama 국립대학, Fujikura Ltd.

2004년 목표 :효율 10%, 열 안정성 : 85℃ × 1,000시간 새 로 운

태양전지

구 조

Technology(JAIST), Osaka 대학, Gifu 대학 2003년 목표 : 효율 13%

- 전기도금 CuInS₂ 박막 태양전지 연구

연구기관 : Shinko Electric Co. Ltd, 2003년 목표 : 효율 13%

- Lateral 결정화에 의한 박막 실리콘 태양전지 연구

연구기관 : Hitache Cable Ltd., 2004년 목표 : 효율 11%

새 로 운 태양전지

구 조

Chapter 6

일본정부의 태양전지 연구개발 계획

Chapter 6

일본의 매년 설치된 태양전지 전력량과 누적전력량

Chapter 6

일본의 PV R&D와 생산시장의 로드맵

Chapter 6

2001년부터 2004년까지의 태양전지 설치를 기초로 한 백만호 목표를 위한 성장비율

Chapter 6

미국의 PV 산업 로드맵

Chapter 6

2001년에서 2004년까지의 태양전지 생산을 기초로 한 성장 비율

Chapter 6

유럽의 PV 기업의 생산량 비교

Chapter 6

국내 태양전지 기술개발에 따른 에너지 변환효율 성능

Chapter 6

태양전지 종류별 국내 최고 변환효율

Chapter 6

태양전지 기술이용 사례

하수처리시스템, 수질정화분수시스템, 호수 순환용 시스템 등 환경개선

청사, 유원지, 학교, 박물관, 홀, 교회, 스포츠시설, 센터, 공항, 군사시설 등 각종시설

주택(개인주택, 집합주택, 원격지주택), 빌딩(영업소, 오피스빌딩), 공장 등 건물

왕진냉장시스템, 의료용냉장고, 의료센터시스템 등 의료

시계탑, 시설안내표식, 공원용, 분수시스템, 가로등, 공중전화, 공중화장실 등 공공시설

방재표시, 피난유도등, 방재창고, 우량계, 수위관측, 모니터링, 안전등 등 방재․안전

부표시스템, 항해안전표시등, 항만표시등, 등대시스템, 계측, 등대 등 해양

양식용자동급이기, 해양목장시스템, 펌프, 보트의 전기에너지 등 어업

조류피해방지, 분무, 비닐하우스, 관개용수펌프, 목장용수, 밀크냉장 등 농업

무선중계소, satellite, 전기방식, 담수화, 수소제조, 태양광발전소, 수문개폐 등 산업용

건널목, 차단기용 경고등, 신호용, 철도통신, 철도방음벽용시스템 등 철도

안전표시, 경고등, 유도등, 터널조명, 비상전화, 계측용, 주차티켓, 안내 등 도로․교통

태양전지 기술이용 사례 분 야

Chapter 6

태양전지 세계시장과 향후 시장전망

Chapter 6

2005년 2006년 세계 각 기업의 태양전지 생산계획 및 생산량

Chapter 6

한국의 용도별 시장 추이

Chapter 6