본문내용
1. 서론
1.1. 연구배경 및 목적
화석 연료의 사용으로 인한 환경 문제와 에너지 자립도 제고를 위해 세계 각국은 신재생에너지 보급을 확대하고 있으며, 그중 태양광 발전은 가장 유력한 대안으로 인식되고 있다. 그러나 태양광 발전 기술의 성숙도 부족과 전력 시장에 대한 불확실성으로 인해 기술의 확산이 더딘 상황이다.
최근 태양광 발전 시스템은 무한한 에너지와 상대적으로 저렴한 설치비용의 장점으로 인해 차세대 대체 에너지로 성장하고 있다. 또한 정부의 정책적 지원으로 인해 국내 태양광 시장도 2000년대 이후 꾸준히 성장하고 있다.
이에 본 연구에서는 태양광 발전 시스템의 기술적 특성을 분석하고, 전력 변환 장치인 Boost 컨버터와 인버터의 동작 원리 및 특성을 살펴보고자 한다. 또한 태양광 발전 시스템의 성능 향상을 위한 MPPT 제어 기법을 연구하고, 시뮬레이션을 통해 태양광 발전 시스템의 동작 특성을 확인하고자 한다.
1.2. 연구내용
본 연구에서는 태양광 발전 시스템의 기술적 특성에 대해 고찰하고자 한다.
태양광 발전 시스템은 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 새로운 발전 방식이다. 이러한 시스템은 운전이 용이하고 운전관리비를 최소로 할 수 있으며, 설치 또는 이동이 용이한 규격화된 모듈 구조이기 때문에 적용성이 뛰어나다. 또한 보편적인 자원으로 지역적 편재성이 적고, 지구의 어디에서도 이용 가능하며, 연료를 수송할 필요가 없고 오지에서도 설치가 가능하다는 특징이 있다. 이를 통해 송전 손실이나 비용을 절감할 수 있으며 시스템의 신뢰도가 높다. 그러나 지표면에 떨어지는 태양에너지의 단위 면적당 출력이 적어 넓은 면적이 소요되고, 기상조건에 따라 발전량이 민감하게 변한다는 단점이 있다.
태양광 발전 시스템은 크게 독립형과 계통연계형으로 구분된다. 독립형 태양광 발전 시스템은 지역 계통과 연결하지 않고 발전된 전력을 현지에서 사용하는 시스템이다. 계통연계형 태양광 발전 시스템은 지역 전력 계통회사와 연결하여 잉여전력을 판매하고 부족전력은 공급받는 시스템이다. 계통연계형 시스템은 일반적으로 감시, 제어장치, 전압제어, 역류방지회로 및 연계장치가 내장된 전력조정기를 갖추고 있다. 또한 부하에 공급할 때 부족전력은 상용 계통전력에서 공급받고 잉여전력은 상용 전력계통에 공급하는 역조류 기능을 갖는다. 한편 계통연계형에서도 역조류를 하지 않는 경우 태양전지 출력의 잉여분을 저장하기 위해 축전지가 필요하게 된다.
태양광 발전 시스템은 다양한 형태와 방식으로 구현된다. 태양전지의 배치 방식에 따라 tracking 어레이와 고정형 어레이로 구분되며, 태양을 추적하는 방법에 따라 sensor 방식, 프로그램 제어방식, 혼합형 추적방식이 있다. 또한 전력변환장치의 구성 방식에 따라 중앙집중식 인버터, Master-Slave 제어형 인버터, 어레이-인버터, 스트링-인버터, 모듈 인버터 등이 있다. 이에 따라 각 시스템은 고유한 장단점을 가지고 있어, 설치 환경과 목적에 맞는 최적의 시스템을 선택해야 한다.
태양광 발전 시스템의 핵심 구성요소는 태양전지 어레이, 직류전력 조절장치, 축전지, 인버터 등이다. 태양전지 어레이는 태양광을 직접 전기에너지로 변환하는 부분이며, 직류전력 조절장치는 태양전지 출력의 불안정성을 보완하는 역할을 한다. 축전지는 일시적인 과잉전력을 저장하고, 인버터는 직류 전원을 교류로 변환하여 전력계통에 공급한다. 이들 요소의 성능과 특성에 따라 태양광 발전 시스템 전체의 효율과 안정성이 결정된다.
태양광 발전 시스템에서는 태양전지의 최대전력점 추적(MPPT) 제어가 중요한데, 이는 변화하는 환경 조건에서 태양전지의 출력을 최대화하기 위한 방법이다. MPPT 제어에는 최대전력점 제어와 일정 전압 제어법이 대표적이다. 최대전력점 제어는 태양전지의 출력 특성을 실시간으로 모니터링하여 최대전력점을 추종하는 방식이고, 일정 전압 제어법은 태양전지 최대출력 전압을 기준으로 일정하게 유지하는 방식이다.
태양광 발전 시스템의 시뮬레이션 분석 결과, Boost 컨버터와 인버터로 구성된 전력변환 시스템이 태양전지 출력을 효과적으로 승압하고 교류로 변환할 수 있음을 확인하였다. 특히 비교기를 이용한 PWM 제어를 통해 인버터 출력 전압 및 전류 파형을 안정화할 수 있었다.
이와 같이 태양광 발전 시스템은 다양한 기술적 특성과 요소기술을 포함하고 있다. 시스템의 안정적이고 효율적인 운용을 위해서는 각 구성요소의 기능과 상호작용을 종합적으로 고려한 설계와 시공이 필요할 것이다.
1.3. 논문의 구성
논문의 구성은 다음과 같다. 1.3 논문의 구성에서는 화석연료 고갈, 에너지 자립도 제고 및 기후변화에 대응하기 위한 수단으로 신재생에너지 보급이 확대되고 있으며, 그중 태양광은 가장 유력한 대안으로 인식되고 있다고 설명한다. 그러나 태양광 발전은 기술적 성숙도 부족과 전력 시장에 대한 불확실성으로 인한 투자 부진으로 기술의 확산이 더딘 상황이라고 밝힌다. 하지만 태양광 발전 시스템이 무한한 에너지와 상대적으로 저렴한 설치비용의 장점으로 차세대 대체 에너지로 성장하고 있다고 설명한다. 또한 지난 10년간 유럽을 시작으로 다수의 국가들이 신재생에너지 보급목표를 세우고, 태양광 기술 개발, 산업육성 및 보급촉진에 대한 적극적인 정책적 지원을 펼친 결과, 태양광 발전이 비약적인 성장을 하였음을 언급한다. 이어서 태양광 발전 시스템이 크게 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지와 태양전지로부터 발생되는 전력을 계통으로 전달하는 전력 변환장치(PCS: Power Conditioning System)로 분류할 수 있으며, 이 중 전력 변환 장치가 손실을 최소화하고 발전량을 극대화하는 방향으로 발전해왔다고 설명한다. 이어서 우리나라의 경우 1970년대 석유 파동을 겪으면서 에너지 안보 문제와 화석연료 사용에 따른 환경파괴 문제로 인하여 신재생 에너지 개발 및 이용에 관심을 가지게 되었으며, 현 시점에서 태양광 발전이 환경문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 최고의 선택이라고 언급한다. 마지막으로 본 논문에서는 태양광 발전의 움직임이 가속화 될 전망 속에서 전력을 생산하고 이 생산된 전력의 기술을 사용하는 계통 연계에 대해 알아보고자 한다고 밝힌다.
2. 태양광 시장 동향
2.1. 세계태양광 시장 동향
2010년까지 태양광 산업은 초고속 성장을 보였다. 2011년 유럽의 재정위기로 인하여 유럽시장이 붕괴될 것이라는 전망이 있었으나, 실제로는 2011년에도 2010년 대비 76% 이상 성장하며 29.5GW의 설치량을 기록했다. 2013년에는 다...
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