태양광 발전시스템

왜 배우는가: 태양광 발전은 신재생에너지 중 설치가 가장 많이 늘어난 발전원이며, 계통연계와 에너지저장을 함께 다루는 문제에서 기초 개념으로 반복 출제된다. 시스템 구성과 발전 방식을 정확히 정의해야 설계 고려사항과 계통 연계 문제로 이어서 답할 수 있다.

출제 이력: 제116회 4교시 4번, 제115회 4교시 1번, 제113회 2교시 1번, 제97회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 태양광 발전시스템은 태양전지(PV)로 빛에너지를 직류 전기로 변환하고, 전력변환장치로 원하는 형태의 전기를 공급하는 발전 시스템이다.

• 태양전지(PV)
• 광전효과
• 직류(DC)·교류(AC) 변환
• 인버터(PCS)
• 독립형·계통연계형·하이브리드형
• 최대출력점 추종(MPPT)
• 단독운전(Islanding)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 태양광 발전은 햇빛을 받아 전기를 만드는 장치를 모아 놓은 것이다. 태양전지는 빛을 받으면 내부에서 전자와 정공이 분리되면서 전압이 생기는 반도체 소자다. 이 원리를 광전효과에 의한 광기전력 효과라고 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 태양광 발전시스템은 태양광 모듈(어레이), 접속반, 축전지(선택), 전력변환장치(인버터), 보호·계측 설비로 구성되어 태양광 에너지를 전기에너지로 변환·공급하는 시스템이다. 여기서 태양전지는 빛을 직류 전기로 바꾸는 최소 단위이며, 셀이 모여 모듈이 되고 모듈이 모여 패널(어레이)이 된다.

광전효과는 빛 에너지가 반도체 내부의 전자를 여기시켜 전기를 만드는 현상이다. 태양전지는 이 효과로 직류 전압과 전류를 생성하므로 출력이 직류다. 따라서 대부분의 응용에서는 인버터로 교류로 바꾸어야 한다.

직류(DC)·교류(AC) 변환은 태양광 발전에서 가장 중요한 전력변환 단계다. 계통에 연결하려면 전압 크기, 주파수, 위상을 전력망과 맞춰야 하므로 인버터가 필요하다.

독립형은 계통 없이 축전지와 함께 운전하는 방식이고, 계통연계형은 한국전력의 배전망과 병렬로 운전하는 방식이다. 하이브리드형은 풍력이나 다른 전원을 함께 쓰며 배터리에 저장한다.

최대출력점 추종(MPPT)은 일사량과 온도에 따라 바뀌는 태양전지의 최대 출력점을 찾아 항상 그 점에서 운전하도록 제어하는 기능이다. 인버터의 핵심 제어 기능이다.

단독운전(Islanding)은 계통이 정전된 상태에서도 분산형 전원이 계통 일부 부하에 계속 전력을 공급하는 현상이다. 작업자 감전과 설비 손상의 위험이 있으므로 방지 기능이 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

화석연료 사용에 따른 온실가스 배출과 에너지 해외 의존 문제가 커지면서 신재생에너지 보급이 정책 과제가 되었다. 태양광은 연료가 필요 없고 기계적 진동과 소음이 없으며 유지보수가 비교적 간단해 분산형 전원으로 적합하다.

한편 태양광은 일사량에 따라 출력이 변하고 야간에는 발전하지 않는다. 이 간헐성 때문에 계통과 연계하거나 축전지를 함께 써서 전력 공급의 안정성을 확보해야 한다. 이 점이 계통 연계 기술과 에너지저장 기술이 함께 발전한 배경이다.