태양광에너지 전력 수확을 확대하려면?

랍 딕슨(Rob Dixon)

아주레이 테크놀로지(www.azuraytech.com)사의 수석 책임 엔지니어로 활동하고 있는 필자는 미국 공인 품질전문가협회 고위 회원으로, 의료, 통신, 군·항공, 전력 산업 분야에서 고신뢰성 애플리케이션에 대해 25년 이상의 책임엔지니어링 경험을 갖고 있다.

태양광 산업에서 2011년은 전력 최적화 달성에 있어서 중요한 한해가 될 것이다. MPPT(최대 전력 지점 추적) 직류-직류 변환 컨버터와 마이크로 인버터와 같이 유통되고 있는 전자기기는 태양광 어레이의 에너지 수확이나 에너지 생성 능력을 개선시키는 성능 때문에 점차 대중으로부터 많은 인기를 끌고 있다. 어떤 면에서 보면 이러한 컴퓨터화된 전자기기들은 태양광 전력 생산에 스마트기술을 도입하고 있는데, 이러한 현상은 이전에는 볼 수 없었던 과학적 혁신이라고 할 수 있다.

IMS 리서치는 이 부문이 연간 7억달러의 수익을 올릴 것으로 분석하고 있으며, 이러한 제품들의 공급업체들에게 향후 4년간 세계적으로 총 15억달러의 수익을 안겨줄 것으로 보고 있다.

전력 최적화 전자기기들은 시스템 소유주들에게 빠른 투자 수익 회수를 가능하게 한다. 왜냐하면 이러한 전력 최적화 전자기기들이 없다면 손실될 수밖에 없었던 전력을 그대로 보존·사용할 수 있게 해주기 때문이다. 한 예로 아주레이 테크놀로지의 직류-직류 변환 컨버터는 음영이 지는 태양전지에서도 이용 가능한 전력의 99.2%까지 수확하거나 보존할 수 있다. 그 결과 전체적인 시스템 에너지 수확은 25~30%까지 증대되는 것이다. 더 많은 에너지 수확은 곧 그리드에서 유출되는 에너지가 적다는 의미이고, 장기적인 관점에서 보면 시스템 소유주들에게 높은 에너지 절감 효과를 가져다준다는 의미이다.

태양광 어레이의 여러 난관들

어떤 시스템이든 그 기능을 제한하는 현실적·실제적인 다양한 요인들에 영향을 받기 마련이다. 이런 점에서 태양광 기술도 예외는 아니다. 태양광 어레이의 효율성과 전력 생산량에 가장 큰 걸림돌은 태양전지의 음영이나 부분적인 음영을 야기하는 물체, 먼지, 쓰레기, 장애물 등이다. 그리고 쉽게 파악되지는 않는 보다 복잡한 요인들로는 태양전지 불일치, 부정확한 방향, 태양전지의 뒤틀린 배열이 있다.

태양광 어레이의 구성적 특성 때문에 태양광 시스템의 표면에서 10% 미만의 음영도 50%의 효율성 급감으로 이어질 수 있다. 간단히 말하면 전력 최적화는 이러한 불균형과 전력 손실을 보정함으로써 기존의 태양전지와 새로운 태양전지의 성능 효율성 증대와 에너지 수확을 증대시키는 것을 목표로 한다.

전력 전자기기들이 어떤 식으로 손실된 전력을 회복시키는지 보여주는 한 가지 예는 다음과 같다. 다섯 개의 태양전지 중에서 더 낮은 네 개의 태양전지를 감당하면서 음영이 있는 10개의 태양전지 어레이는 스스로 1,741.46W의 전력을 생산한다. 이 다섯 개의 태양전지에 MPPT 직류-직류 변환 컨버터가 장착된다면 어레이는 1,979.42W의 전력을 생산한다. 대부분의 경우 음영이 있는 태양전지에 전력 최적화 전자기기를 활용함으로써 어레이는 237.96W의 추가 에너지를 생산한다. 이로써 에너지 수확은 13.66% 증가하게 된다.

음영과 장애물에도 적합한 전기적 기능을 유지할 뿐만 아니라, 전력 최적화 전자기기들은 시스템 소유주들에게 통신과 감시기능을 제공해 시스템이 예상한 전력을 생산하고 시스템 문제들을 경고하는 기능을 확실히 수행할 수 있도록 하고 있다. 이러한 능력 덕분에 전력 최적화 전자기기들은 많은 점에서 태양광 어레이의 기술을 본격적인 ‘스마트 기술’로 실현하고 있다.

(자료 : 아주레이 테크놀로지)

사진 1. 아주레이 AP300 전력 최적화 기기. 아주레이 테크놀로지 사에서 공급하는 이 정션박스는 직류에서 직류로 전환되는 MPPT 인버터를 통합한다.

전력 최적화에서 고려할 사항들

현재 시장에 출시되는 다양한 전력 최적화 솔루션들이 늘어나고 있는 가운데 시스템 성능과 신뢰성에서 핵심적인 역할을 담당하는 주요 요인들이 어떤 것인지 파악하는 것은 아주 중요하다.

훌륭하게 구성·설치된 태양광 어레이는 전체적인 관점에서 설계된 어레이라고 할 수 있다. 이것은 각 제품이 개별적인 특징에 대해서 신중하게 선택된 시스템일 뿐만 아니라 전체 시스템에 어떤 이익을 가져올지도 고려한 시스템이다. 고품질 부품, 고온과 저온에도 내구성을 갖춘 성능, 인버터 호환성은 독립적으로 작동하거나 기존의 시스템과 신규 시스템 구조 내에서 작동하는 제품을 선택하는 데 있어서 핵심적인 요소들이다. 이러한 제품들은 중요한 요건으로서 장기적인 신뢰성과 함께 설계되어 태양전지가 작동하는 기간 동안 고장 없이 반영구적으로 함께 작동할 수 있다. 다음은 전력 최적화 전자기기를 선택할 때 고려해야 하는 여섯 가지 요소들을 설명하고 있다.

1 직류(DC)에서 직류 전환 컨버터 v.s. 마이크로 인버터

이 두 제품의 기본적인 차이는 마이크로 인버터는 태양전지 수준에서 직류에서 교류 기능으로 전환시켜서 중앙 인버터를 제거하지만, MPPT 직류-직류 변환 컨버터는 태양전지에서 생산되는 태양광 전력의 극대화를 위해 기존의 전통적인 중앙 인버터를 그대로 유지하고 그 역할을 지원한다는 것이다. 직류-직류 변환 컨버터는 마이크로 인버터에 비해 시스템의 전체적인 비용이 감소하는 효과가 있다.

여러대의 마이크로 인버터를 비롯해 중앙 집중형 인버터로 교체한다는 생각은 중앙 집중형 인버터가 전통적으로 고장과 오작동에 취약하다는 관점을 반영해야 한다. 중앙 집중형 인버터는 인버터가 수리되거나 교체되기 전에 전체 태양광 어레이의 전력 생산을 중단시키는 구조이다. 이와는 대조적으로 태양전지에서 하나의 마이크로 인버터가 고장 나면 전체 시스템은 변함없이 그대로 전력 생산을 계속하고 고장난 부분만 손실을 입게 된다. 그러나 중앙 집중 형 인버터의 수리는 지상에서 이루어지기 때문에 수 미터가 되는 고층의 옥상에서 이루어지는 다중 마이크로 인버터 수리에 비해 위험성이 적다.

결국 직류-직류 변환 컨버터든 혹은 마이크로 인버터든 선택은 소비자가 어떤 유형의 제품을 선호하는지의 문제다. 바로 이런 이유로 해서 아주레이 테크놀로지와 같은 회사들은 이 두 종류의 전력 최적화 전자기기를 동시에 판매하고 있다. 회사는 고객이 자신의 시스템 요구와 필요성, 개인적인 선호에 따라 제품을 선택할 수 있게 하고 있다.

2 온도 범위

고장률의 온도 가속에 대한 승인된 가이드라인에 따르면, 인버터 사용 온도 등급보다 주변 온도가 10°C 상승할 때마다 해당 부품의 고장률은 두 배가 되는 것으로 알려져 있다. 다시 말해 해당 환경에서 온도등급을 10°C 올리면 측정 온도에서 해당 부품의 고장 비율은 반으로 낮아진다는 것이다. 예를 들면 +105°C 등급의 부품은 주어진 온도에서 +85°C 등급 부품에 비해 네 배의 성능을 가진다는 것이다. 이와 마찬가지로 +125°C 등급의 부품은 +85°C 등급의 부품에 비해 16배의 신뢰도를 가지게 된다.

MPPT나 마이크로 인버터 기술을 제공하는 업체들에 있어서 기본적인 온도 범위는 -40~+70°C이다. 상업용 및 산업용 부품은 +85°C가 업계 표준이다. 그러나 +85°C의 온도를 초과하는 무더운 태양 아래에서 어두운 색깔의 지붕에 이 표준은 일반적인 표준이 아니다. 최대 온도 수준을 초과하는 전자기기 과열은 전력 최적화 부품에 상당한 스트레스와 부담을 초래하며, 일부의 경우에는 과도한 스트레스를 유발해 태양광 어레이 성능에 지장을 초래하기도 한다. 따라서 부품의 온도 등급은 특정 부품 고장뿐 아니라 전체 제품의 고장에도 근본적으로 영향을 미치게 된다.

이와는 상관없이 다수의 전력 최적화 제조업체들은 직류-직류 변환 컨버터와 마이크로 인버터에서 +85°C 등급의 부품을 사용한다. 수명을 상당히 단축시키는 과도한 스트레스 환경을 주기적으로 경험하는 부품과 함께 설계된 장기간의 고 신뢰성 요건을 갖춘 제품이 가장 효과적인 제품이다.

아주레이 테크놀로지는 +85°C 등급의 부품이 전력 최적화 제품의 고 신뢰성을 저해한다고 믿고 있다. 따라서 +85°C 등급의 부품은 업무 수행이 중요한 애플리케이션에서 아주레이 AP 제품라인에서 제외된다. 대신 아주레이는 가장 견고하고 가장 높은 성능을 가진 부품들을 사용한다. AP 제품 라인에서 모든 핵심적인 부품들은 +85°C 이상 등급을 유지한다. 이용 가능한 가장 높은 등급의 부품들을 사용함으로써 아주레이 테크놀로지는 경쟁사들에 비해 부품에 대한 스트레스를 낮출 수 있고 이는 제품 수준에서 고장률을 낮추고 과다 스트레스 조건에서도 내구성과 안전성을 높이는 직접적인 이유가 되고 있다.

3 부품

콘덴서는 전력 변환 기기에서 핵심적인 부품이다. 이 부품의 신뢰도는 제품의 신뢰성에 가장 큰 영향을 미친다. 하나의 단일한 부품이 성능 미달이거나 장기적인 신뢰도 저해 요인으로 지목되는 기술을 장착하고 있는 경우 그 부품은 제품의 전체적인 신뢰도에 지장을 주거나 감소시키게 된다.

태양광 전력 전자기기에서 콘덴서는 극저온, 극고온과 같은 극단적인 환경에 견딜 수 있을 만큼 충분한 내구성을 갖춰야 하며, 태양광에너지 전력 이용에 유용하게 사용될 수 있어야 한다. 태양광 시스템에서 가장 일반적으로 볼 수 있는 유형은 세라믹 콘덴서, 전해 콘덴서, 필름 콘덴서이다.

전해 콘덴서는 일반적으로 산업 전문가들로부터 결점이 많고 신뢰도가 낮은 제품으로 평가받는 콘덴서이다. 이러한 상황에도 불구하고 전해 콘덴서는 여전히 꾸준하게 일부 전력 최적화 제품들에서 사용되고 있다.

신뢰도 면에서 전해 콘덴서에서보다 한 단계 업그레이드 된 것이 바로 세라믹 콘덴서이다. 이 제품은 고온 환경에 적합하다. 그러나 태양전지에서 볼 수 있는 것과 같은 고온 주기에 노출되는 애플리케이션의 균열에 취약하다.

이와는 대조적으로 필름 콘덴서는 내구성과 신뢰성 때문에 일반적으로 극저온, 극고온과 같은 극단적인 온도 환경에서 최고의 소재로 간주되고 있다. 제품이 고품질의 부품을 사용하고 있는지 여부를 판단하는 한 가지 방법은 아주레이의 AP 제품 라인과 같은 자동차(SAE)나 군대용·항공용 부품을 갖고 있는지 확인하는 것이다. 이러한 부품들은 일반적으로 +105°C나 +125°C의 온도에서 정상적으로 기능하며, 장시간 사용 시 높은 스트레스 환경에도 이상 없이 작동될 만큼 충분한 견고성을 갖고 있는 것이 특징이다.

질 낮은 부품을 사용하면 제품의 초기비용은 줄일 수 있다. 그러나 시스템 효율성과 성능이 떨어지기 때문에 문제가 된다. 이것은 결국 장기적인 관점에서 보면 잦은 교체와 수리 때문에 시스템 소유주들에게 더 많은 비용을 초래하게 된다. 제품의 수명을 고려한 총 비용을 항상 생각해야 하는 것이다.

4 에너지 수확 성능과 효율성

이것은 에너지 수확을 극대화하고 이를 통해 효율성을 극대화하는 전력 최적화의 핵심적인 기능이다. 현재 시장에서 활동하는 대부분의 업체들은 5~30%로, 전체 에너지 수확 증대를 실현하면서 경쟁력을 갖추고 있다. 효율성 면에서는 EIQ 테크놀로지와 아주레이 테크놀로지 같은 업체들이 낮을 때는 95.5%, 높은 경우에는 98.6% 수준으로 최상위 효율성을 유지하고 있다.

5 인버터의 성능

다수의 직류-직류 변환 컨버터는 다양한 중앙 인버터와 호환성을 갖추고 있다. 이런 이유로 인버터는 설치 시에 원래 설정된 표준대로 작동하지 않는 기존의 태양광 시스템에서 새로 장착하는 데 이상적이다. 그러나 적절히 기능하기 위해서 등록상표가 붙은 인버터의 구매가 필요한 직류-직류 변환 컨버터도 현재 몇 가지 출시되어 있다. 태양광 시스템 설치업체들과 통합업체들이 어떤 중앙 인버터를 사용할지 선택하는 과정에서 적절한 요건을 원한다면 인버터 호환성이 중요한 고려대상이 되어야 한다.

(자료 : 아주레이 테크놀로지)

표 1. 아주레이 AP300의 사양. 아주레이 테크놀로지는 경쟁사들에 비해 부품에 대한 스트레스를 낮출 수 있고 이는 고장률을 낮추고 내구성과 안전성을 높일 수 있다.

6 연속 스트링 대 병렬 스트링

대부분의 직류-직류 변환 컨버터는 연속 스트링 구조를 지원한다. 이와는 대조적으로 마이크로 인버터는 병렬로 연결되어 있다. 기능하기 위해서 병렬 배선이 필요한 직류-직류 변환 컨버터들이 존재한다. 여기에서 전제는 병렬 스트링이 있는 각 모듈은 중앙 집중형 인버터에 독립적으로 연결되어 주변 태양전지의 개입 없이도 작동될 수 있어야 한다는 것이다. 병렬 배선 방식을 지지하는 사람들은 이런 유형의 구조는 설계 유연성이 가능하고 시스템 비용을 낮출 수 있다고 말한다. 그러나 대부분의 태양광 설치 업체들은 이런 구조를 잘 알지 못하기 때문에 대부분의 직류-직류 변환 컨버터 제조업체들은 병렬 구조를 통해 스트링 연결을 선호한다. 스트링 아키텍처가 태양전지 설치의 전통적인 방식이기 때문에 이런 방식은 태양광 산업에서 변함 없이 가장 일반적으로 사용·설치되고 있다.

기능의 우수성과 신뢰성 회복해야

향후 십년 동안 전력 최적화 부문은 지속적으로 발전할 가능성이 크다. 고품질, 장기적인 수명, 최고의 신뢰성을 얻기 위해 집중적으로 투자하는 업체들은 고객들에게 에너지 수확 증대 가능성을 제공하며 투자 수익이 장기적으로도 보장될 것이라는 충분한 신뢰를 주기 마련이다.

이러한 소비자들의 신뢰를 얻는 것은 투자 수익 계산이 정확하다는 것을 확신시키는데 있어서 아주 중요하다. 시스템 소유주들과 통합업체들은 차광 불일치와 기타 장애물들과는 상관없이 최대한의 성능을 발휘해 태양광 전력을 생산할 것이라고 생각하면 안도감을 느낄 수 있을 것이다. 그리고 이러한 소비자들의 신뢰는 어레이 설치에 소요되는 금전적인 부분 즉, 비용을 기꺼이 부담할 수 있게 한다. 따라서 시스템 에너지 수확 증대에 사용되는 전력 최적화 전자기기는 반드시 기능성이 우수해야 하고, 새로운 설치물과 기존의 태양광 설치물에서 사용을 증대시킬 만큼 충분한 신뢰성을 확보해야 한다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

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