[기고] 태양광 인버터에 대한 이해는 필수다
  • 한밭대학교 민준기 교수
  • 승인 2018.03.30 15:43
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지난해 세계 태양광 시장은 94~100GW를 기록한 것으로 추정되며, 세계 태양광 산업은 2017년 전년대비 25%의 고성장을 기록했다. 2018년 세계 태양광 시장은 100GW를 넘어서는 2차 성장기를 맞아 세 자리 수 설치량을 기록하는 첫해가 될 것이라고 전망하고 있다.

인버터 시장의 경쟁을 기회로 삼기를 바란다

[기고] 태양광발전의 혁명적 증가가 예상되는 시점에서 태양광발전과 태양광 인버터에 대한 이해는 필수적이다. 태양광발전 설비는 태양전지 모듈의 직렬 및 병렬로 구성된 어레이, 접속반, 태양광인버터, 수배전설비로 구성된다. 500kW급 이하 발전소의 경우 수배전설비는 제외된다.

한밭대학교 에너지ICT공학과 민준기 교수
한밭대학교 에너지ICT공학과 민준기 교수

태양광 모듈의 전압·전류 특성
태양광 모듈의 출력은 일사량과 온도에 의해 영향을 받는다. 일사량이 강할수록 전류의 증가로 인해 출력 전력이 증가하고 이때 출력 전압도 작은 비율로 증가한다. 그리고 동일한 일사량과 온도에서 주변온도 또는 셀온도의 변화에 의해 최대출력점(MPP : Maximum Power Point)이 변화된다. 온도가 낮을수록 MPP가 커지고, 높을수록 MPP가 작아진다. 일반적인 태양광 모듈의 전기적 사양에서 반드시 고려해야 하는 것은 Maximum System Voltage 항목이다. 이 항목은 태양광 어레이를 구성할 때 1000V 이상이 되면 전기적 안정성에 문제가 발생할 수 있으니, 어레이 구성에 있어 최대전압을 1000V 이하로 해야 된다는 의미를 가지고 있다.

지금은 IEC 직류 전압이 1000V까지 설정돼 있기 때문에  대부분의 제품이 1000V의 어레이로 맞춰져 있다. 향후 직류 저압이 1500V로 바뀌는 것이 예정되어 있기 때문에 Maximum System Voltage도 변경될 것으로 예상된다. 태양광 모듈의 온도특성을 살펴보면 전류는 양의 온도계수를 가지고 전압과 전력은 음의 온도계수를 가진다. 여기에서 음의 온도계수가 가지는 물리적 의미는 온도가 높을수록 태양광 모듈의 전압과 전력은 감소하고, 온도가 낮을수록 태양광 모듈의 전압과 전력이 증가한다는 것을 의미한다.

350W 태양광 모듈의 출력 전압 전류 특성 [출처=에스에너지]
350W 태양광 모듈의 출력 전압 전류 특성 [출처=에스에너지]

태양광 인버터의 동작 전압범위와 태양전지 어레이 설계
태양광발전 설비에서 가장 중요한 부분은 선택한 태양광 인버터의 MPPT 범위를 고려한 태양전지 모듈 스트링 설계이다. 태양광 인버터에서는 동작전압 범위와 MPPT(Maximum Power Point Tracking : 최대전력점추종) 동작전압 범위, 최대 입력 전압이 표시된다. 이러한 항목들은 기본적인 전기적 안전을 위해 확인할 때 용이하다. 태양광 인버터의 동작전압 범위는 태양광발전이 되는 전압 범위를 의미하며, 이 범위를 벗어나면 태양광 인버터는 정지하게 된다. 그리고 MPPT 전압범위는 정격으로 운전 가능한 전압 범위로서 요즘에는 방열설계나 안전 문제에 의해 MPPT 전압범위 내에 있더라도 발전량을 제한하는 것을 의미한다. 마지막으로 최대 입력 전압은 태양광 인버터에 이 전압 이상의 전압이 입력되는 경우 안전을 보장하지 못한다는 것을 의미한다.

인버터에 사용되는 각 전압에 대한 것은 인버터 사양서를 보거나 인버터 회사에 문의하면 알 수 있다. 태양전지 어레이의 전압과 관련된 각 항목은 인버터의 경우와 마찬가지로 사양서와 온도계수를 참고하여 계산할 수 있다. 태양광 인버터를 설치할 경우 안내하고 있는 방법과 다른 경우로 설치를 했다 하더라도 특정 조건에서만 정지하기에 그 원인을  파악하기 쉽지 않다. 그렇기 때문에 모니터링을 설치하는 것으로 동작하지 않는 경우가 있다는 것을 확인 할 수 있지만, 확인 후 태양전지 어레이의 구성을 변경하거나 대책을 세워 실행 해야하기 때문에 더 큰 비용이 발생할 수 있다. 따라서 태양광 발전소 계획부터 인버터의 전압 범위를 고려한 태양전지 어레이의 설계가 매우 중요하다. 

인버터의 최대전력점추종제어와 태양광 모듈 스트링 전압과의 관계 [자료=한밭대학교 민준기 교수]
인버터의 최대전력점추종제어와 태양광 모듈 스트링 전압과의 관계 [자료=한밭대학교 민준기 교수]

태양광발전 시스템에서 인버터의 서비스 빈도 및 에너지 손실
태양광발전의 특성상 에너지 손실을 고장이라고 생각하는 것이 좋다. 태양광발전 시스템에서 가장 많은 서비스 발생 빈도는 인버터다. 그리고 에너지 손실 비율도 가장 높기 때문에 고장이 많이 나는 것도 인버터라고 생각할 수 있다. 하지만 태양광발전 시스템에서 유일하게 능동적으로 동작하면서 고장을 표시하는 제품이 인버터라고 할 수 있고, 이는 서비스 빈도에 비해 에너지 손실이 적다는 것으로 확인이 가능하다. 그 밖에 전기설비(AC)와 외부환경도 에너지손실에 많은 부분을 차지하고 있으며, 장기간의 정전은 태양광발전을 불가능하게 하여 에너지 손실을 크게 발생시키기도 한다. 

인버터에서 부품 및 구성요소의 서비스 발생 빈도 및 에너지 손실
인버터에서 서비스가 발생했을 때, 인버터 내부 부품이나 요소에 대해 발생빈도와 에너지 손실을 나타낸 그림을 살펴보면 발생빈도가 가장 높은 것이 제어프로그램이다. 이어서 제어 카드/보드, 마그네틱 컨텍트(AC Contactor), 팬(Fan), IGBT 순으로 발생빈도가 나타난다. 제어 프로그램에 의한 서비스 발생 빈도가 많다는 것은 인버터가 오동작 하거나 아무런 이유 없이 정지된 경우가 많다는 것이다. 인버터에는 생산 표준화나 원가 절감을 위해 여러 가지 표준화된 제어 보드(카드)를 사용하게 되는데 이에 대한 서비스 빈도가 높은 것이다. 이런 문제는 먼지, 곤충, 응력에 의한 접촉 불량의 경우가 대부분이다.

마그네틱 컨텍트의 경우는 1일 2회 정도 동작하게 되는데 제품의 특성상 접점 부품의 문제 또는 동작을 위한 내부 회로에서 고장이 발생하는 경우가 많다. 팬의 경우 동작시간을 계산해 설치시점부터 보증 시간을 지키도록 해야 하는데 그렇지 못한 경우가 많고, 먼지나 기름 미스트에 의해 회전이 되지 않는 경우가 종종 있다. IGBT의 경우는 동작에 의해 서비스가 발생하기 보다 외부 또는 내부 서지에 의해 스트레스를 받는 경우가 많으므로 보호회로 설계에 유의해야 하고, 인버터 주변의 청결에도 유의해야 한다. 

에너지 손실순으로 정리하면 제어보드, 제어 프로그램, 마그네틱 컨텍트, 교류 퓨즈, 커패시터 순으로 정리할 수 있다. 에너지 손실은 고장을 의미하므로, 제어보드에 의한 고장이 가장 많다는 것이며, 이는 인버터가 설치되어 있는 환경에 의한 영향을 고려해야 한다는 것이다. 제어 프로그램의 오동작에 의해 인버터가 고장날 수도 있으며, 마그네틱 컨텍트는 내부 회로 및 접점의 손실에 의해 고장 발생이 나타난다. 교류 퓨즈도 예상보다 많은 에너지 손실을 발생시키는 요소이기에 정기점검에서 퓨즈 확인을 꼭 해야 한다. 커패시터의 경우 전해커패시터인 경우가 대부분이므로 육안 확인이 필요하다.

태양광 시스템에서 서비스 발생 빈도와 에너지 손실 [자료=SunEdison, Dr. Anastasios Golnas & Steve Voss, PV System Reliability)
태양광 시스템에서 서비스 발생 빈도와 에너지 손실 [자료=SunEdison, Dr. Anastasios Golnas & Steve Voss, PV System Reliability)

태양광 모듈에서 고장 부품·부위
태양광발전 시스템에서 태양광 모듈에서의 고장빈도는 매우 낮지만 그 고장 유형을 확인하는 것은 점검요소를 확인하는 것이므로 중요하다. 유리, 태양전지, 셀 순으로 고장빈도가 높다. 태양광 모듈에서 물기가 태양전지 셀에 침투해 열화를 촉진시키거나, 열점(Hot Spot) 현상이 일어나면 유리가 손상될 수 있다. 또, 열점 현상에 의해 유리나 백시트가 손상되는 경우가 발생할 수 있다. 그리고 태양전지 셀의 크랙에 의해서도 앞서 언급한 문제들과 비슷한 현상이 발생할 수 있다. 이러한 경우를 방지하기 위하여 태양광 모듈 유리 및 셀의 확인이 필요한 것이다. 

인버터가 핵심이지만 유기적 상호 결합이 뒷받침 돼야
수로에서 바위와 같은 장애물로 인해 어느 한 곳이 막혀버리거나 물이 새어나갈 수 있는 구멍이 있다면 물이 잘 흐르지 못한다. 이와 같이 태양광발전 시스템에서 개별 부품의 성능이 아무리 좋다고 하더라도 에너지 또는 전력의 흐름을 방해하는 요소가 있다면 태양광발전의 효율은 낮아지게 될 것이다. 이를 방지하고 태양광발전 시스템에서 물이 잘 흐르도록 하는 역할을 태양광 인버터가 수행한다. 아무리 좋은 태양광 인버터라도 태양전지 어레이의 설계가 잘못되어 있다면, 좋은 성능을 낼 수 없고, 아무리 좋은 설계라 하더라도 시공에서 문제가 존재하게 되면 태양광 인버터는 좋은 성능을 낼 수 없다. 

초기 국내 태양광 인버터는 가정용을 중심으로 개발되어 해외 제품들과 경쟁하며 완성도를 높여왔다. 한때 국내 가정용시장의 대부분을 점유하기도 했지만, 현재는 저렴한 가격의 중국산 제품과 경쟁하고 있다. 이것이 한국에서 태양광 인버터를 제조하고 있는 기업에게 위기가 될지 또는 기회가 될지는 알 수 없겠지만, 계속적인 노력을 통해 기회로 삼기를 기대한다. 이와 함께 태양광발전시스템에 대해 많은 사람들이 인식을 해 태양광발전이 더욱 확산되기를 기원한다.