광복 발전소의 용량 비율을 어떻게 합리적으로 설계할 것인가

전 세계적으로 재생 가능 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 광전지 발전 기술이 빠르게 발전하고 있습니다. 광전지 발전 기술의 핵심 요소인 광전지 발전소의 설계 적정성은 발전소의 발전 효율, 운영 안정성 및 경제적 이익에 직접적인 영향을 미칩니다. 그 중 용량 비율은 광전지 발전소 설계의 주요 매개변수로 발전소의 전체 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 본 논문의 목적은 광전지 발전소의 용량 비율을 합리적으로 설계하여 발전 효율과 경제성을 향상시키는 방법을 논의하는 것입니다.

01 태양광 발전소 용량 비율 개요
태양광 발전소의 용량 비율은 태양광 모듈의 설치 용량과 인버터 장비의 용량의 비율을 의미합니다.
태양광 발전의 불안정성과 환경에 큰 영향을 받는다는 점 때문에, 태양광 모듈의 설치 용량에 따라 1:1로 단순히 설정된 태양광 발전소의 용량 비율은 인버터 용량의 낭비를 초래할 수 있습니다. 따라서 태양광 시스템의 안정적인 운용을 전제로 태양광 시스템의 발전 효율을 높이기 위해 최적의 용량 비율 설계는 1:1보다 커야 합니다. 합리적인 용량 비율 설계는 전력 출력을 최대화하는 동시에 다양한 조명 조건에 적응하고 일부 시스템 손실에 대처할 수 있도록 합니다.

02 용량 비율의 주요 영향 요인
적정 용량 비율 설계는 특정 프로젝트 상황에 따라 종합적으로 고려되어야 합니다. 용량 비율에 영향을 미치는 요인에는 모듈 감쇠, 시스템 손실, 일사량, 모듈 설치 각도 등이 포함됩니다. 구체적인 분석은 다음과 같습니다.

1. 모듈 감쇠
정상적인 노화 감쇠의 경우 현재 모듈의 첫 해 감쇠율은 약 1%이며, 두 번째 해 이후 모듈의 감쇠는 선형 변화를 보이고 30년간의 감쇠율은 약 13%입니다. 즉, 모듈의 연간 발전량은 감소하고 명목 전력 출력을 지속적으로 유지할 수 없습니다. 따라서 광전지 용량 비율 설계는 발전소의 전체 수명 주기 동안의 모듈 감쇠를 고려해야 하며, 매칭된 모듈의 발전량을 최대화하고 시스템 효율을 향상시킬 수 있습니다.

광전지 모듈의 30년 선형 전력 감쇠 곡선

2. 시스템 손실
광전 시스템에서 광전 모듈과 인버터 출력 사이에는 모듈 직렬 및 병렬, 블록 먼지 손실, DC 케이블 손실, 광전 인버터 손실 등 다양한 손실이 존재하며, 각 단계의 손실은 광전 발전소 인버터의 실제 출력 전력을 영향줍니다.

PVsyst PV 발전소 시뮬레이션 보고서

그림에서와 같이 프로젝트의 실제 구성과 차단 손실은 프로젝트 적용에서 PVsyst에 의해 시뮬레이션될 수 있습니다. 일반적으로 광전 시스템의 DC 손실은 약 7-12%, 인버터 손실은 약 1-2%, 총 손실은 약 8-13%입니다. 따라서 광전 모듈의 설치 용량과 실제 발전 데이터 사이에는 손실 편차가 존재합니다. 만약 구성 요소의 설치 용량이 광전 인버터의 1:1 용량 비율에 따라 선택된다면, 인버터의 실제 출력 최대 용량은 인버터의 정격 용량의 약 90%에 불과하며, 조명 상태가 가장 좋을 때조차 인버터는 전체적으로 작동하지 않아 인버터 및 시스템의 활용도가 감소하게 됩니다.

3. 일사량은 지역에 따라 달라집니다.
이 구성요소는 STC 작동 조건 하에서만 정격 전력 출력에 도달할 수 있습니다 (STC 작동 조건: 광 강도가 1000W/㎡, 배터리 온도가 25°C이고 대기 질이 1.5입니다). 만약 작업 조건이 STC 조건에 도달하지 못하면, 광전지 모듈의 출력 전력은 필연적으로 그 정격 전력보다 적어지고, 하루 동안의 광 자원 시간 분포는 모두 STC 조건을 충족할 수 없습니다. 주로 이는 아침, 낮, 저녁의 일사량과 온도 차이가 크기 때문입니다. 동시에, 서로 다른 지역의 일사량과 환경은 광전지 모듈의 발전에 대해 다른 영향을 미치므로 초기 프로젝트에서는 특정 지역에 따라 현지의 광 자원 데이터를 파악하고 데이터 계산을 수행해야 합니다.

국립기상과학원의 풍력 태양광 발전 적정성 평가센터의 분류 기준에 따르면, 지역별로 세부적인 일사량 데이터를 알 수 있으며, 연간 총 태양광 일사량은 네 등급으로 구분됩니다:

연간 총 태양광 일사량 분류

따라서 동일한 자원 지역 내에서도 연간 일사량에 큰 차이가 있습니다. 이는 발전 시스템 용량이 동일하더라도, 즉 용량비가 같아도 발전량이 다르다는 것을 의미합니다. 동일한 발전량을 얻기 위해서는 용량비를 조정하면 됩니다.

4. 모듈 설치각도
사용자 측 광복 전력역에서 같은 프로젝트 내에 다양한 지붕 유형이 존재하며, 지붕 유형에 따라 다른 모듈 설계 각도가 적용되며, 해당 모듈이 받는 일사량도 다를 것입니다. 예를 들어, 절강성의 산업 상업 프로젝트에는 색상 강철 타일 지붕과 콘크리트 지붕이 있으며, 설계 기울기 각도는 각각 3°와 18°입니다. 아래 그림은 PV에 의해 시뮬레이션된 경사면의 경사각에 따른 일사량 데이터를 보여줍니다. 이를 통해 서로 다른 각도로 설치된 모듈이 받는 일사량이 다르다는 것을 알 수 있습니다. 만약 분산형 지붕이 주로 타일로 되어 있다면, 동일 용량의 모듈 출력 에너지는 특정 경사각이 있는 것보다 낮습니다.

3° 기울기 각도 총 방사선

18° 기울기 각도 총 방사선

03 용량 비율 설계 아이디어
위 분석에 따르면 용량 비율의 설계는 주로 인버터의 DC 접근 용량을 조정하여 발전소의 전체 효익을 향상시키기 위함이다. 현재 용량 비율의 구성 방법은 보상 과매칭과 능동적 과매칭으로 주로 나뉜다.

1. 보상 과매칭
보상 과매칭은 빛이 가장 좋을 때 인버터가 만재 출력에 도달할 수 있도록 용적비를 조정하는 것을 의미한다. 이 방법은 광전 시스템에서 부분 손실만을 고려하며, 부품의 용량을 증가시킴으로써(아래 그림 참조) 전송 과정에서 발생하는 에너지 손실을 보상하고, 인버터가 실제 사용 중 만재 출력 효과를 달성하도록 하며 클리핑 손실이 없다.

보상 과매칭 다이어그램

2. 능동적 과매칭
활성 과매칭은 보상 과매칭을 기반으로 광전 모듈의 용량을 계속 증가시키는 것을 말합니다(아래 그림 참조). 이 방법은 시스템 손실뿐만 아니라 투자 비용과 수익 등 여러 요인을 종합적으로 고려하며, 인버터의 전체 작업 시간을 적극적으로 연장하여 부품 입력 비용 증가와 시스템 발전 수익 사이에서 균형을 찾고 시스템의 평균 전력 비용(LCOE)를 최소화하는 것을 목표로 합니다. 조명이 좋지 않은 경우에도 인버터는 여전히 만재 상태로 작동하여 전체 만재 작업 시간을 연장합니다. 그러나 시스템의 실제 발전 곡선은 아래 그림과 같이 '피크 절삭' 현상이 나타나며, 일부 시간대에는 제한된 발전 상태로 작업하지만, 적절한 용량 비율 하에서는 시스템의 전체 LCOE가 가장 낮아지며, 즉 이익이 증가합니다.

활성 과매칭 다이어그램

아래 그림에서 보듯이, 용량 비율의 증가에 따라 LCOE는 계속 하락합니다. 보상 초과 비율 지점에서는 시스템의 LCOE가 최저값에 도달하지 않습니다. 용량 비율이 더 증가하여 활성 초과 비율 지점에 도달하면 시스템의 LCOE가 최저값에 도달하며, 이후 용량 비율이 더 증가하면 LCOE는 다시 상승합니다. 따라서 활성 초과 매칭 지점은 시스템의 최적 용량 비율입니다.

LOCE/용량 비율 다이어그램

인버터의 경우, 시스템의 최소 LCOE를 달성하려면 충분한 DC 측 초할당 능력이 필요합니다. 이는 특히 방사선 조건이 열악한 지역에서는 더 높은 활성 초할당 계획이 필요함을 의미하며, 이를 통해 인버터의 정격 출력 시간을 연장하고 시스템의 LCOE를 최대한 줄일 수 있습니다.

04 결론 및 제안
요약하면, 보상 과할당 및 활성 과할당 방식은 광전지 시스템의 효율을 향상시키는 효과적인 수단이지만, 각각 다른 초점이 있습니다. 보상 과매칭은 주로 시스템 손실의 보상을 중점으로 두며, 활성 과매칭은 입력 증가와 수익 향상 사이의 균형을 찾는 데 더 주목합니다. 따라서 실제 프로젝트에서는 프로젝트 요구 사항에 따라 적절한 용량 비율 구성 방안을 종합적으로 선택하는 것이 권장됩니다.