태양광 발전 설비의 기초 지식

태양 전지

태양광 발전 설비란?

태양광 발전이란 태양광의 일사를 전기 에너지로 변환하여 전기를 생산하는 발전 기술입니다. 태양 전지(태양광 패널)를 이용하여 직류의 전기를 발생시키고, 인버터를 경유하여 전기의 품질을 안정시키고, 주택에 전기를 공급합니다.

태양광의 빛을 받고 있는 순간만 발전할 수 있기 때문에 낮, 날씨가 좋은 시간대밖에 발전하지 않는다는 큰 특징이 있습니다. 인공위성에 전력을 공급하는 등 우주 사업에 있어서의 전력 조달이 원래 취지이지만, 현재는 산업 전반에 보급되고 있습니다.

태양광 발전은 발전 과정에서 유해한 배기 가스나 이산화탄소를 배출하지 않는 깨끗한 발전 설비로서 주목받고 있습니다. 산중이나 해상, 긴급정전시 등 전력을 조달할 수 없는 장소에서도 태양광을 얻을 수 있는 장소라면 발전할 수 있다는 이점도 있습니다.

그러나 태양광 발전은 에너지 밀도가 작아, 1㎡당 0.1~0.2kW 정도의 전력밖에 발전할 수 없고, 또한 날씨에 좌우되기 때문에 안정 전원이라고는 할 수 없습니다. 태양광에 의해, 높은 전력 변환 효율이 요구되고 연구가 계속되고 있습니다.

 

태양광 발전의 발전 원리와 특성

태양광 발전 설비는 태양광 패널에 의해 발전한 전력을 인버터에 보내고, 주파수나 전압을 상용 전원에 맞추어 조정한 후 계통 연계합니다. 여기서는, 태양광 발전 설비 중, 태양광 패널의 종류와 각각의 특징에 대해 설명합니다.

태양광 발전에서 가장 널리 이용되고 있는 것은 실리콘을 원료로 한 태양광 패널 (모듈)입니다. 태양광 패널은 n형 실리콘과 p형 실리콘을 중첩한 구조를 하고 있으며, 일사가 패널 표면에 닿으면 플러스와 마이너스(정공과 전자)가 발생합니다. 정공과 전자는 각각 다른 방향으로 전기의 흐름이 얻어지고, 이것에 부하를 접속함으로써 전류가 흐릅니다.

태양전지의 소자 1개당, 0.6~0.7V의 전압을 발생시켜, 1cm2당 30mA 정도의 전류를 얻을 수 있으므로, 이것을 직렬로 접속함으로써, 소정의 전압과 전류값을 확보할 수 있습니다.

태양광 발전의 출력 특성

태양광 발전은 태양으로부터의 일사 에너지를 변환하여 전력으로 하는 설비이며, 수광 면적 1㎡당 1,000W의 일사가 조사되는 상태를 기준으로 성능이 규정되어 있습니다. 1,000W의 일사는 한여름 남중시에 태양 방향으로 패널을 향했을 때의 수치이며, 태양광 패널이 가장 높은 성능을 발휘할 수 있는 수치가 됩니다.

비정질계에서는 큰 영향은 없지만, 실리콘계 태양광 패널은 온도가 높을수록 발전 전압이 저하되어 성능이 나빠지는 특성이 있습니다. 태양광 패널의 정격 출력은 패널 표면 온도 25℃를 기준으로 하고 있지만, 여름철에 직사 광선에 노출되는 패널 표면은 60~80℃라는 고온이 되어, 출력에 악영향을 미칩니다.

실리콘계의 패널에서는, 온도가 1℃ 상승할 때마다, 그 출력은 0.4~0.5% 정도 감소한다고 알려져 있기 때문에, 설치 장소에 따라서는 현저한 온도 상승에 의해, 출력 저하를 일으킬 우려가 있습니다.

AM(에어 매스)란

태양광 발전의 출력 특성의 요소로서 AM(에어매스: Air Mass)이라는 개념이 있습니다. AM은 빛의 대기 통과량을 나타내는 지표이며, 빛이 바로 위에서 조사되는 경우는 AM1.0이 되어, 일사 각도가 변화해, 태양광이 대기를 통과하는 길이가 길어질수록 수치는 커집니다. 대기권 밖에서의 AM은 0으로 규정됩니다.

국내에서는 AM1.5가 기준이며, AM1.5에서는 「빛의 대기 통과량 1.5배」로의 도달광입니다.

 

인버터의 역할

태양전지에 의해 발생되는 전력은 직류이며, 그대로 건물에 공급해도 사용할 수 없습니다. 상용 전원으로 사용되는 전압은 교류이며 변환 장치가 필요합니다. 한편, 태양광으로부터의 전력은 변동이 크기 때문에 안정화를 도모하지 않으면 안심하고 사용할 수 없습니다.

태양광 발전으로부터의 직류 전원을, 교류로 변환하기 위해서는 「인버터」를 사용합니다. 변동하는 태양광 발전에 의한 불안정한 직류전원은 60Hz의 안정된 교류전원으로 변환하여 기존의 전기설비나 송전선 · 배전선에 접속할 수 있도록 품질 개선을 실시합니다. 이것에 의해 조명 · 공조의 전원으로 이용할 수 있습니다.

인버터에 의한 전원의 변환에는 일정량의 전력 손실이 발생합니다. 발전한 전력을 100% 이용할 수 없고, 수%가 발열 등으로 변환되어 상실됩니다. 많은 인버터에서 발생한 전력의 6~10% 정도가 손실됩니다.

이 변환 손실을 제로에 가깝게 하기 위해서, 발생한 직류 전원을, 그대로 부하에 접속해 사용하는 「직류 송전」의 연구도 진행되고 있습니다.

백열 전구는 직류 전원으로도 점등시키는 것이 용이하고, 본래 LED 조명도 직류 전원으로 점등 가능한 광원입니다. 서버 장치 등은 직류 전원 그대로 사용 가능하며, 변환 손실을 줄여 에너지 절약을 도모하는 연구가 진행되고 있습니다. 일부 주택 메이커에서는 직류와 교류를 모두 사용하는 하이브리드 전원을 계획하고 있는 곳도 있습니다.

 

태양광 발전 설비의 설치 목적

태양광 발전설비를 도입하는 주택과 업무시설은 해마다 증가하고 있습니다. 우리나라 정부의 3020 정책에 따라 폭발적으로 보급이 진행되었습니다. (재생에너지 3020 정책이란 2030년에 재생에너지 발전량 비중이 전체의 20%를 차지하도록 보급하겠다는 목표, 2021년 현재 약 10% 차지)

태양광 발전 설비의 자연 에너지 발전의 계획에는, 설치 비용의 감가 상각을 검토할 필요가 있어, 태양광 발전 설비의 도입 코스트를 언제 회수할 수 있고, 언제부터 이익이 되는지를 검토 후 반영됩니다.

그러나, 설치 비용의 감가상각이라는 시점에만 매몰되지 않고, 환경 부하의 저감을 목적으로 하고, 또한 피크 전력의 저감을 목적으로 하는 등, 비용 일변도였던 의식의 전환도 볼 수 있게 되었습니다.

태양광 발전 설비를 설치한 주택에서는, 자신의 가정에서의 발전량이 수치화되는 것을 계기로, 발전한 전기의 낭비를 하지 않도록 절전하거나, 발전량과 사용량의 그래프를 보는 것이 기대되는 등 부차적인 효과도 나타났습니다.

전기 요금 감소

태양광 발전 설비의 설치에 의해, 전기 요금을 저감시키는 것이 가능합니다. 태양광 발전 설비의 발전량은 '설치 용량(kW)의 1,000배 정도'가 연간 발전량으로 전망됩니다. 3kW의 태양광 발전 설비를 설치한 경우 연간 약 3,000kWh의 발전량을 전망할 수 있습니다.

예를 들어, 모든 전력이 잉여 전력으로 전력회사에 송전했다면 약 170원/kW(매일 변동)의 매입가격으로 계산한 경우 연간 510,000원의 수익을 전망할 수 있습니다. 매전 가격은 SMP와 REC를 더하여 결정되며 RPS 제도에 대해 좀 더 심도있게 다룰 때 설명 드리겠습니다.

환경 부하 감소

환경부하의 저감은 국내 전체에서 추진되고 있는 시책의 하나입니다. 태양광 발전 설비를 설치함으로써 전력 회사의 발전 설비의 가동을 저감시키고, 화석 연료의 소비나 이산화탄소의 배출을 억제하는 것이 환경 보호로 연결되므로 태양광 발전 설비의 설치가 확산되고 있습니다.

많은 가정이 태양광 발전 설비를 도입함으로써 태양광 발전의 연구 투자도 활발해지고, 보다 저렴하고 고효율인 시스템이 생산될 것으로 기대할 수 있습니다. 국가 보조금의 교부를 받거나 CO2 감축에 의한 보조금 등을 받으면 초기 투자를 낮게 억제할 수 있습니다.

태양광 발전 설비는 발전시의 CO2발생이 거의 없다고 알려져 있지만, 태양광 발전 설비를 제작 · 제조하는 과정에서는 일정한 에너지 소비가 있기 때문에 종합적인 CO2발생은 제로가 되지 않습니다.

그러나 발생한 CO2는 2~3년 만에 회수할 수 있다고 알려져 있습니다. 투자 금액을 모두 회수하는 것은 곤란하더라도, 환경 대책(CO2억제)의 관점에서 보면, 환경 부하의 저감이 도모되고 있다고 판단할 수 있습니다.

향후 기술혁신에 CO2의 회수는 1년 정도까지 줄어들 것으로 예측되고 있습니다.

절전 의식 향상

태양광 발전 설비의 발전량과 전력 사용량의 그래프를 보면 개인의 절전 의식을 높일 수 있습니다. 자신이 설치한 발전 설비에 의해 만들어진 전기라는 의식이 싹트기 때문에 전기를 쓸데없이 사용하고 싶지 않다는 의식으로 이어집니다.

비상전원으로 이용

자립 운전 기능이 있는 인버터를 작용하면, 전력 회사로부터의 전원이 중단된 경우, 비상용 전원으로서 태양광 발전 설비를 이용할 수 있습니다.

가정용 태양광 발전 설비는, 통상 3kW 정도의 소규모 시스템이며, 자립 운전 기능으로 발생한 전력은 1,000~1,500W 정도까지 밖에 사용할 수 없지만, 휴대 전화의 충전이나, 통신 기기의 가동 등, 최소한 필요한 전원 확보를 할 수 있는 것이 매력입니다.

소비 전력이 큰 에어컨을 사용하거나, 드라이어 등 대전류가 흐르는 기기를 사용하면, 과부하에 의해 인버터의 안전 장치가 작동해, 동작을 정지해 버립니다.

에어컨은 정상시의 소비 전력은 400~500W(4~5A)가 많지만, 가동시에는 수배의 전류가 필요하고, 순간적으로 발생하는 대전류에 추종할 수 없어 인버터가 정지합니다. 정전시에 태양광 발전으로부터 전원을 공급하는 긴급시에는 휴대전화의 충전이나 라디오의 전원으로서 이용하는 것이 현실적입니다.

태양광 발전 설비는 통상, 축전지를 병설한 시스템이 아니기 때문에, 날씨에 의해 발전량이 크게 변동합니다. 밤이 되거나 날씨가 나빠져 일사가 없어지면 발전기능이 정지합니다.

피크 컷으로서의 이용

태양광 발전을 피크 컷으로서 이용하는 경우, 냉방 운전하는 공조기에 대하여 높은 효과가 있습니다. 외기온이 높을 때, 인버터를 내장하는 최근의 공조기는 큰 전력을 필요로 합니다.

태양광 발전은, 날씨가 좋으면 발전량이 최대가 되기 때문에 「외기 온도가 상승합니다 = 날씨가 좋다 = 발전량이 많다」라고 하는 공식에 맞게 공조기가 사용하는 큰 부하 전류를 효율 좋게 사용할 수 있습니다.

 

태양광 패널의 종류와 특징

태양광 패널은 「실리콘계」 「화합물계」 「유기물계」로 크게 분류되어 있습니다. 이 중에서도 실리콘계 재료를 이용한 태양광 패널은 옛날부터 사용되어 왔으며 매우 넓은 보급률을 자랑하고 있습니다.

최근, 경량화나 고효율화를 도모하기 위해, 화합물계나 유기물계의 태양광 패널도 연구 개발이 진행되고 있고, 각종 재료를 하이브리드적으로 사용한 조합 상품도 판매되고 있습니다.

단결정 실리콘 방식

단결정 실리콘을 주재료로 한 태양광 패널입니다. 200~300㎛의 실리콘 단결정판을 사용하고 있으며, 실리콘계 태양광 패널로서 매우 높은 발전 효율을 가지며, 신뢰성이 우수한 재료입니다. 발전 효율의 높이는 전력 밀도의 높이에 비례하기 때문에, 보다 작은 면적에서 큰 발전량을 확보할 수 있습니다.

실리콘의 특징으로서, 고온이 되면 발전 효율이 저하된다는 단점이 있지만, 국내의 기온 변화 정도이면, 연간에 걸쳐 충분한 발전량을 확보할 수 있습니다.

개인 주택의 지붕 등 패널의 설치 면적에 제한이 있는 경우, 단결정 방식의 패널을 이용함으로써, 고효율인 시스템을 구축하는 것이 유리합니다.

단결정 실리콘 방식에서는, 실리콘의 원자가 규칙적으로 늘어선 상태로 존재하고 있고, 발전 효율이 가장 높고, 높은 신뢰성과 품질을 얻을 수 있는 이점이 있습니다.

반도체 분야에 있어서는, 「99.999999999% 이상」의 고순도 실리콘이 사용되지만, 태양광 발전에 있어서는 반드시 고순도의 실리콘을 사용할 필요는 없고, 「99.9999~99.99999%」의 비교적 순도가 낮은 실리콘에서도 충분한 성능을 발휘합니다. 순도가 낮고 태양광용으로 사용되는 실리콘은 태양광 등급 실리콘으로 구분됩니다.

실리콘에 불순물이 혼재되어 있으면, 일사에 의해 발생한 전자의 이동이 불순물에 의해 저해되어 에너지를 크게 손상시키는 것으로 알려져 있습니다. 트랜지스터용 실리콘 등 미약하고 정밀한 전기 에너지를 취급하는 전자 분야에서는 불순물의 존재가 치명적입니다.

그러나, 비교적 큰 전압이나 전류를 취급하는 태양광 발전 분야에서는, 전자 분야와 동일한 성능을 요구하지 않아도 소정의 품질을 확보할 수 있고, 요구 순도가 완화되고 있습니다. 반도체용으로 사용하는 실리콘보다 순도가 낮아도 지장이 없기 때문에, 그 제조에 관련된 비용을 저감시켜 대량 생산을 도모할 수 있습니다.

종래에는 반도체용으로 이용될 예정인 실리콘 중 순도가 부족해 버려지는 실리콘을 이용하여, 태양광 패널용의 재료로 하고 있었지만, 최근의 대량 수요에 있어서는 이것만으로는 공급이 곤란해지고, 솔라 그레이드 실리콘이라고 불리는 태양광 발전에 적합한 순도를 설정하여 공급합니다.

단결정 실리콘에 의한 태양광 패널을 제조하는 경우, 순도가 높은 실리콘을 다량으로 사용해야 하기 때문에, 가격이 높아지는 것이 단점이 있습니다. 이 때문에 순도가 낮은 실리콘의 결정을 조합하여 제조할 수 있는 다결정 실리콘의 패널보다 보급률이 떨어집니다. 그러나, 좁은 면적에서 효율적인 발전을 행하고 싶은 경우, 단결정 패널에 의한 시스템은 편리하고, 보급률이 향상되고 있습니다.

단결정 실리콘은 결정의 배열이 규칙적으로 연속되어 있기 때문에, 전자의 흐름의 효율이 좋고, 높은 발전 능력을 확보할 수 있습니다. 그러나 큰 실리콘의 단판을 제작하는 비용이 높아 얼마전까지 다결정이 시장에서 우위였습니다. 그러나 현재는 단결정의 비용과 효율이 개선되어 다결정보다 압도적으로 시장에서 우위를 점하고 있습니다.

다결정 실리콘 방식

다결정 실리콘을 주재료로 한 패널은, 단결정 패널로서 사용할 수 없는 작은 다수의 결정을 모은 판을 사용하고 있습니다.

발전 효율은 단결정 패널에 뒤떨어지지만, 실리콘 반도체의 단재나 저그레이드의 실리콘 결정을 모아 제조할 수 있기 때문에, 저렴하고 생산하기 쉽기 때문에 널리 보급되고 있습니다. 단결정 방식보다 에너지 절약으로 제조 가능하고, 넓은 면적을 확보할 수 있는 조건이라면, 비용 효율적인 계획이 가능합니다.

다결정 실리콘은 실리콘의 단부재를 조합하여 구성되기 때문에 다수의 단결정 블록이 다음에 접속된 상태입니다. 다음 부분은 전자의 이동이 억제되기 때문에 단결정보다 발전 효율이 악화됩니다.

그러나 큰 단일 실리콘을 사용하지 않고 제조할 수 있기 때문에 제조 비용을 크게 줄일 수 있어 유리합니다.

비정질 실리콘 방식

비결정인 비정질 등을 이용하여 1㎛의 얇은 막을 형성한 태양광 패널입니다. 붉은 표면색을 하고 있어 저조도에서도 높은 변환 효율이 있기 때문에, 계산기의 보조 전원에 널리 이용되고 있습니다.

태양광 패널로서 구축하기 위한 필요 두께가 매우 작기 때문에, 사용하는 실리콘 원료가 적고, 대면적을 저렴하게 생산할 수 있다는 특징이 있습니다. 그러나, 결정 실리콘보다 발전 효율이 떨어지기 때문에, 큰 발전량을 확보하는 것이 곤란합니다.

각종 메이커는, 다결정 실리콘계와 비정질 실리콘계를 적층하여 효율을 높인 태양광 패널(HIT)을 개발하고 있어, 설치 면적이 제한되는 단독 주택의 지붕 설치 용도로 보급되고 있습니다.

비정질 실리콘계 태양광 패널은 고온에서도 효율이 악화되는 일이 없기 때문에, 지붕면 등 고온이 되는 장소에서도 높은 발전 성능이 유지된다고 알려져 있습니다.

CIS(칼코파이라이트) 방식

화합물 반도체를 이용한 태양광 패널로 실리콘을 사용하지 않고 구리, 인듐 셀레늄을 조합하여 제작한 것입니다. 비정질 실리콘계와 마찬가지로, 고온에 의한 발전량의 저하가 적다는 이점이 있습니다.

부분적으로 일사가 차단되는 일이 있어도, 큰 발전량의 저하가 없다고 하는 이점도 있지만, 단결정이나 다결정 방식에 비해 발전 효율이 낮기 때문에, 사용 실적은 많지 않습니다.

 

특수 사양의 태양광 발전 설비

태양광 발전 설비는, 패널을 조합한 어레이를 지붕에 두는 것이 일반적이지만 태양광 패널을 건축 디자인에 적용하여 미적인 요소를 향상시킨 제품이나, 발전 성능을 향상시킨 특수제품 등이 연구 · 개발되고 있습니다.

건축 자재 일체형 태양광 발전

태양광 패널을 지붕재나 난간과 일체화시켜, 건재의 일부로서 이용할 수 있는 건재 일체형이 있습니다. 여기서 건재란 별 뜻이 아니라 건축 재료의 줄임말입니다. 건재와 일체로 하는 것으로 박막으로 얇게 함으로써 미적인 요소의 향상을 도모할 수 있습니다.

건재 일체의 태양광 발전으로서, 태양광 모듈을 유리에 끼워 넣어 패널 내장 유리를 구축하는 방식이 보급되고 있습니다. 톱 라이트나 커튼월의 유리로서 이용하는 「채광형」이라고 하는 제품도 있습니다.

모듈 사이에 틈을 마련하여 유리에 배치함으로써 빛을 부드럽게 투과시켜 일사의 경감과 발전을 겸하는 것이 가능하고, 공공 건축물의 유리 지붕에 널리 적용되고 있습니다.

건재와 태양광 발전 패널을 일체화한 경우 단점도 있습니다. 패널의 고장이나 건축 자재의 수리에 있어서는 유지 관리가 복잡해져 지붕재나 유리의 교체에 있어서는 태양광 모듈이 내장되어 있기 때문에 부품의 조달 비용의 증가, 납기의 연장의 리스크가 발생합니다.

집광형 태양광 발전(CPV 시스템)

집광형 태양광 발전은, 태양광 발전의 주위 · 상부에 반사판이나 렌즈를 마련하고, 태양광 패널에 집광하여 효율을 향상시키는 방법입니다. 태양광 발전 설비는 이론상 20% 정도의 전기 변환 효율을 가지고 있지만, 렌즈로 집광함으로써 40%를 넘는 대출력을 얻을 수 있어 패널의 설치 면적을 절반 이하로 하는 기술입니다.

고배율의 렌즈를 이용하여 태양광을 집광하는 경우, 실리콘 결정의 셀이 아닌 다접합형 화합물의 셀이 사용됩니다. 실리콘을 사용한 태양광 발전 설비는 온도 상승에 의해 발전 효율이 저하되는 특성이 있기 때문에, 렌즈로 집광한 빛을 비추면 온도 상승도 현저하게 낮추고 발전 효율이 저하되는 것이 큰 이유입니다.

다접합형의 화합물 반도체를 이용한 태양광 패널이면, 온도 상승에 의한 영향을 작게 억제할 수 있기 때문에 렌즈 집광에 의한 이점을 살릴 수 있다고 합니다. 다 접합 태양 전지 셀로서는 주로 InGaP / InGaAs / Ge의 화합물 반도체를 이용한 연구가 이루어지고 있습니다.

고배율 렌즈를 이용한 집광형 태양광 발전은 국내에서는 연구 단계이지만, 해외에서의 실증 실험은 많아 향후 태양광 발전 설비 기술의 일환으로 기대하고 있습니다.

일부 사업자는 태양광 발전 패널 주위에 간이 반사판을 마련하고, 빛의 산란을 회수하여 발전 효율을 향상시키기도 합니다. 그럴 필요 없이 최근에는 양면형 모듈이 대세로 자리잡고 있어 이에 대한 연구와 실증 데이터가 급증할 것으로 보입니다.

 

태양광 발전 설비의 수명과 수명

태양광 발전 설비를 구성하는 '태양광 패널', '인버터', '전력량계(전력 미터)'는 적정한 유지관리 · 보수를 실시함으로써 본래의 기능을 지속적으로 발휘합니다.

일반적으로 무인으로 운영되는 태양광 발전 설비이지만, 패널에 오염이 축적되면 발전량이 열화되고, 패널의 경년 열화에 의한 발전량 저하도 우려됩니다. 게다가 정기적으로 제초작업을 해주지 않으면 잔디가 자라 모듈을 덮어 그림자가 생기므로 발전량이 저하되는 일까지 발생합니다.

인버터에 내장되어 있는 각종 설비들도, 경년 열화에 의한 효율 저하, 고장의 빈발 등이 발생하기 때문에, 정기적인 유지 관리나 교환이 불가피하고 유지 관리가 필수인 설비라고 인식하는 것이 바람직합니다.

태양광 패널의 수명

태양광 패널 본체의 실용상의 내용 연수는 25~30년으로 되어 있습니다. 적절한 유지관리를 하고 낙뢰나 비래물에 의한 손상, 지진재해의 천재가 없으면 40년 이상이라는 장기간에 걸쳐 발전을 계속하는 것도 가능하다고 알려져 있습니다.

태양광 패널은 경년 열화에 의해 매년 0.4~0.8%의 발전량 저하가 발생합니다. 초장기간의 사양에 의해, 발전량이 대폭 저하되는 것이 예상되기 때문에, 총 발전량의 예측을 행하는 경우에는, 경년 열화를 근거로 한 계산이 중요합니다.

인버터의 수명

인버터 본체의 실용상의 내용 연수는 10~15년으로 되어 있습니다. 태양광 패널에 의해 발전된 직류 전원을, 일반적인 건물에서 사용되고 있는 교류 전원으로 변환하는 중요한 장치로서, 반도체 소자, 콘덴서, 절연 트랜스 등이 내장되어 있습니다.

인버터의 수명은 내장된 부품을 교체하여 유지됩니다. 낙뢰 서지에 의한 소손 등 치명적인 기반 손상이 없으면 본체 전체를 교환하지 않습니다. 정기적으로, 손상되기 쉬운 내장 부품의 교체로 장기 운용을 도모하는 것이 일반적입니다.

인버터 내장 부품 중에서, 가장 내용 연수가 짧은 것은 인버터 회로에 사용되는 콘덴서이며, 고장의 원인인 경우가 많습니다.

전력계의 수명

태양광 발전 설비에 사용하는 매전용 전력량계는, 그 계측된 수치에 근거하는 매매 계약이 되기 때문에, 계량법에 근거한 미터를 사용해야 합니다.

계량법에서는, 10년 이내에 미터를 교환하는 것이 의무이고, 통상, 전력량계 본체에 교환 기한 봉인이 부착되어 있습니다. 종래에는 회전식 아날로그 미터가 주류이지만, 최근에는 디지털 미터가 보급되어 교환 빈도가 길어졌습니다.

계량기에 대한 설치와 계약은 모두 한전과 전력거래소와의 사전 협의에 따라 진행되므로 자세히 문의 후 설치, 봉인, 유지보수 등을 요청해야 합니다.

배선·케이블류의 내용 연수

태양광 패널 · 인버터 · 전력량계를 접속하는 배선용 차단기나 케이블은, 실용상의 내용 연수가 20~30년으로 되어 있어, 태양광 패널과 동등 이상의 내구성이 있습니다 . 정기적인 절연 저항 측정, 단자의 체결 등을 실시하고, 단자의 풀림에 의한 이상 발열을 방지함으로써 장수명화를 도모합니다.

옥상 태양광 패널을 연결하는 케이블은 직사광선에 노출되면 단선으로 이어지므로 패널 하단에 숨겨 직사광선을 피하는 것이 보통이지만 직사광선이 닿는 부분은 전선관에 수용합니다. 것이 바람직합니다.

전선관도 마찬가지로 직사 광선에 의해 열화되어 깨질 수 있으므로 연차 점검시에 손상이 없는지 확인합니다. PF관 등 수지제의 전선관을 사용하는 경우 PFD관이라고 불리는 이중관을 사용하면 좋습니다.

케이블이 직사광선에 계속 닿으면 자외선에 의해 케이블 표면이 깨져 누전의 원인이 되기 때문에 주의가 필요합니다.

 

태양광 발전 설비의 설치 검토와 설계

태양광 발전 설비는 일년 내내 안정적으로 햇빛이 닿는 곳에 설치하는 것이 원칙입니다. 태양광 발전 설비에 그림자가 닿으면, 발전량이 현저하게 저하됩니다.

태양광 패널은 몇 장의 패널이 직렬로 접속되어 전체가 하나의 회로로서 발전하고 있습니다. CIS계의 태양광 패널을 사용하고 있는 것이 아닌 한, 시스템을 구성하고 있는 태양광 패널 중, 한 장이라도 음영이 발생하면, 직렬 스트링 전체 발전량이 저하됩니다.

태양광 발전 설비를 계획할 경우 인근에 높은 건물이 없는지, 향후 높은 건물이 세워지지 않는지, 큰 수목은 없는지 등을 충분히 조사하는 것이 중요합니다.

태양광 패널 표면의 오염에 의해서도 발전량이 감소하기 때문에 먼지가 많은 환경이나 새가 많이 날아오는 환경에서도 발전량이 감소할 우려가 있습니다.

지붕 강도 조사

태양광 발전 설비는 3kW 시스템으로도 15kg/장의 패널을 15장에서 20장 정도 깔아야 하기 때문에 전체적으로 약 300kg 정도의 하중을 지붕에 올립다. 이 하중에 지붕이 견딜 수 있는지 확인해야 합니다.

강도 부족의 경우는 지붕의 보강이나 보수를 실시해야 합니다. 텔레비전의 안테나 등 태양광 발전과는 관계가 없는 설비로 인해 음영이 발생하기 때문에 이런 경우는 이설하는 것도 고려해야 합니다.

전기 계통 조사

일반적인 수용가에서는 전력회사와의 거래용 전력량계가 설치되어 있지만, 태양광 발전 설비를 도입한 경우 새로 매전용 전력량계를 설치합니다. 기존의 전력량계에 가로로 배열되어 전력량계가 추가되기 때문에 보기에 좋지 않을 수도 있습니다.

매전용 전력량계는 검정을 받은 전력량계가 설치됩니다. 전력량계는 정기적인 교환도 필요하기 때문에 중요하다고 인식하는 것이 중요합니다.

 

자연재해로 인한 파손 고려

태양광발전은 자연재해로 인한 파손을 고려하여야 합니다. 낙뢰로 인한 패널 파손, 인버터와 접속 상자의 낙뢰 서지 파손, 태풍과 강풍으로 인한 물리적 손상 등 많은 사고의 가능성이 있습니다.

태양광 발전 설비의 제조사 보증 기간은 일반적으로 5~10년 정도이며, 20~30년을 감가상각 기간으로 생각하면 10년 이후에는 수리가 유상이 되므로 운용 리스크가 높아집니다.

이런 경우 운영 보험에 가입하여 각종 재해에 대비해야 합니다.

재해로 인한 패널 파손 시 감전 사고 및 대책

태양광 발전 설비는 패널 부분에 태양광을 받으면 발전이 이루어지므로 이를 수동으로 정지할 수 없습니다. 파손된 태양광 패널에 소방관이 접촉해 감전된다는 사고가 실제로 발생하고 있어 소방법에 의해 태양광 패널에 대한 각종 규제가 이루어졌습니다. 소방대에 한하지 않고 건물 이용자가 재해로부터 피난할 때 파손된 패널 등에 접촉하면 마찬가지로 감전 사고로 연결됩니다.

태풍이나 지진 등으로 태양광 패널이 날아가거나 연결되어 있는 전선이 빠진 경우에도 파손된 패널에 접촉하면 감전사고로 이어집니다. 태양광 패널이 설치되어 있는 건축물의 소화 활동을 실시하는 경우, 하기와 같은 대책이 필요합니다.

·                태양광 발전 회로를 절단

·                차광 시트를 패널 상단에 부착

·                감전의 위험성이 배제되지 않는 한 접근 불가

·                절연용 방호구를 착용한 소방대원이 작업

태양광발전소는 발전 설비의 일종이며, 인버터나 접속반, 케이블류의 시공 불량이나 손상이 있으면 발화할 가능성이 있습니다. 재해시는 케이블 접속부가 느슨해지거나 빠질 우려가 매우 높아 이상 발열해 발화할 우려가 있습니다.

소방 활동의 지장이 되는 것을 피하기 위해, 옥상에 패널을 설치하는 경우 “태양광 패널을 설치하지 않는 소방 활동 전용의 공간 확보”, “태양광 발전 설비인 것의 표시”, “비상용 진입구에 "건재 일체형 패널을 사용하지 않는다”는 계획상의 고려도 중요합니다.

 

태양광 발전 설비의 법적 규제 및 규제 완화

태양광 발전 설비는 '태양 전지 어레이', '접속반', '인버터', ‘변압기’ 등의 기기를 조합한 발전 설비입니다.

태양광 발전의 전력을 안정시키는 「축전지」(ESS)도, 관련 기기의 하나로서 들 수 있지만, 도심부 등 상용 전원이 문제없게 공급되는 곳에서는, 비용이나 설치 공간의 관점에서, 메리트가 생기지 않기 때문에 적용되지 않고 있습니다.

한전의 예측에 의하면 장래적으로 태양광발전의 보급이 퍼지고 전력회사의 배전망에 대규모 태양광 발전 시설이 내장된 경우, 배전선 측의 전원품질의 확보나 유지가 쉽지 않다고 합니다.

수용가 측이 축전지를 탑재해 송전함으로써 전력량이나 시간대를 조정하는 스마트 그리드나, 마이크로 그리드의 중요성이 강조되는 시대입니다.

태양광 발전 설비는 전력회사가 운영하고 있는 원자력발전소나 화력발전소, 수력발전소와 마찬가지로 규모는 작지만 '발전소'로 취급됩니다. 전력회사의 배전선에 송전하고 대규모 발전소에서 발전한 전력과 혼재하기 때문에 태양광에서 발전한 전력 관리에도 수많은 규제를 받습니다.

전력회사의 배전망과 수요가가 설치한 발전설비를 연결하는 것을 '계통 연계'라고 부릅니다. 계통 연계를 실시하는 경우 각종 규제와 기준에 따라야 하므로 내용을 파악하여 가이드 라인으로부터 벗어나지 않도록 계획을 진행할 필요가 있습니다.

 

태양광 발전 설비의 발전량 계산

태양광 발전 설비를 주택에 설치하는 경우에는 3kW 이하가 대부분입니다. 태양광 패널 한 장으로 약 15V의 전압을 얻을 수 있고, 발전할 수 있는 전력은 150W에서 180W 정도가 대부분입니다.

태양광 패널을 수십장 연결하여 200V 정도의 전압을 확보하여 인버터에 공급하는 것이 주택용 기본 시스템이 됩니다. 여기서, 연결된 태양광 패널의 유닛을 "태양 전지 어레이"라고 부른다.

전압 15V, 150W의 태양광 패널을 사용한다고 가정하고, 태양광 패널 14장을 직렬로 접속한 것으로 산출합니다. 설치면의 방위에 의한 효율 · 계수의 영향은 생략합니다.

·                전압：15V/장 × 14장 = 210V

·                전력：150W/장 × 14장 = 2,100W

2,100W를 발전하는 태양전지 어레이를 2열 배치하면, 4,200W 발전할 수 있는 태양광 발전 시스템이 됩니다.

인버터의 변환 손실을 고려

태양전지 어레이로부터 발전되는 이론치는 4,200W이지만, 여기서 발생하고 있는 전력은 직류이며, 수용가 내의 전력으로서 이용할 수 없습니다.

직류를 교류로 변환하기 위해, 인버터를 경유합니다. 인버터로의 변환에는 에너지 손실이 발생하기 때문에 발전 수치로부터 수%의 전력이 손실됩니다.

전력 손실을 10%로 하면, 4,200W × 0.9 = 3,780W가 실제로 얻어지는 전력이 됩니다. 이 계산은 정격 전력을 발전시키는 어레이를 전제로 하고 있으며, 패널 표면의 얼룩이나 인근 건물에 의한 그림자의 영향 등을 고려하여 10% 정도의 발전 손실을 예상하여 계획하는 것이 바람직합니다.

주위 환경에 의한 손실을 고려한 경우, 3,780W × 0.9 = 3,402W 정도를, 실제의 발전량으로서 생각하면 좋습니다.

연간 발전량의 간단한 계산 방법

태양광 발전 설비의 연간 발전량은 설치한 태양광 발전 시스템 용량의 1,000배로 근사할 수 있습니다. 3kW의 태양광 발전 시스템을 구축한 경우의 연간 발전량은 약 3,000kWh/년이 대략값이 됩니다.

주택용, 업무용을 불문하고 국내에 태양광 패널을 설치해 변환 효율 90% 이상의 인버터를 사용하면 대부분의 경우 1,000배의 연간 발전량 계산이 성립합니다.

 

태양광 발전 설비 모니터링 시스템

감시 시스템은 태양광 발전 패널에 전력 센서나 전류 센서를 설치하고, 발전량을 감시함으로써 발전량의 순시값, 적산값을 데이터 수집하는 시스템입니다. 일사량이 충분한데 발전하고 있지 않다고 하는 정보를 고장 경보로서 송신하면 고장의 조기 발견으로 이어집니다.

태양광 발전 설비가 적절하게 발전을 계속하고 있는지, 또한 고장 등이 발생하고 있지 않은지를 감시하기 위한 설비이며 발전량의 유지에 도움이 됩니다. 발전량을 상시 감시하면, 발전량의 저하나 정지의 조기 발견이 가능해져, 고장이나 오손의 제거도 용이합니다.

발전량의 저하는 전력 매매에 따른 비용 회수의 지연으로 이어지므로 가능한 한 피해야 할 문제입니다. 감시 시스템의 도입에 의해 만일의 고장에 대한 대응이 신속하게 되는 메리트가 생긴다.

인버터로부터 정보를 수집하고 전용 PC를 접속하는 로컬 시스템에서 클라우드 서버 등에 데이터를 업로드하고 모바일이나 인터넷을 통해 외부에서 열람하는 웹 시스템까지 다방면에 걸친 감시 시스템을 구축할 수 있습니다.

클라우드를 활용한 웹 시스템이라면 거치형 PC 뿐만이 아니라 스마트폰이나 태블릿에서의 열람도 가능하고 전용 감시 시스템의 구축 비용의 절감이 가능합니다.