태양광 발전 시스템의 BOS

다음은, 미국 국립건축과학원 블로그의 기고문 중 일부입니다. (URL : https://www.wbdg.org/ resources/photovoltaics)

시스템 균형(BOS, Balance of System)

“시스템 균형(BOS)”이라는 용어는 모듈 자체를 제외한 PV 시스템의 모든 것을 지칭합니다. 여기에는 장착 시스템, 배선, 결합기, 스위치/분리기, 인버터, 계량기, 배터리 등이 포함됩니다. PV 모듈을 제자리에 고정하는 데 사용되는 일반적인 장착 시스템은 “래킹(racking)”이라고 하는 금속 프레임입니다. 이러한 시스템은 지붕, 지면 또는 다른 구조물에 직접 부착할 수 있습니다. 옥상 래킹 시스템은 지붕 관통 없이도 무게추(밸러스트)를 사용하여 모듈을 제자리에 고정할 수 있습니다. 모든 건축 구조물과 마찬가지로, 장착 랙은 대부분 지역에서 시속 90~110마일(약 145~170km/h)의 풍하중을 견뎌야 하며, 허리케인 발생 가능성이 있는 지역에서는 시속 150마일(약 240km/h) 이상의 풍하중을 견뎌야 합니다.

여러 모듈을 연결하여 “스트링”을 형성한 후, 이 스트링을 연결하여 어레이를 구성할 수 있습니다. 모듈은 어레이의 특정 전압 및 전류 요구 사항에 맞게 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있습니다. 컴바이너 박스는 여러 스트링의 전기 케이블을 인버터에 연결되는 단일 케이블로 통합하는 데 사용됩니다. 컴바이너 박스는 과전류 보호 기능을 제공하고 전체 시스템 배선량을 줄여줍니다.

인버터는 어레이에서 공급되는 직류(DC) 전기를 교류(AC)로 변환하여 지역 전력 부하에 사용하거나, 마이크로그리드에 공급하거나, 대규모 전력망에 공급합니다. DC-AC 변환 효율은 일반적으로 최소 98%입니다. 인버터는 또한 전력 주파수를 감지하고 태양광 발전에서 생산된 전력을 해당 주파수에 동기화합니다. 정전과 같이 전력 공급이 중단되면 인버터는 안전상의 이유로 AC 전력 생산을 중단합니다. 이는 전력망에 전원이 공급되지 않은 상태에서 전력을 공급하는 “단독 운전”을 방지합니다. 이는 전력망 인프라를 수리하는 동안 전력 작업자를 감전 사고로부터 보호하기 위한 것입니다. 단독 운전 방지 기능은 시중에 판매되는 모든 계통 연계형 인버터에 내장되어 있습니다. 또한, NEC 690.12 건물 태양광 시스템 급속 정지 규정에 따라 태양광 모듈에는 작동 시 몇 초 이내에 전력 출력을 줄이거나 차단하는 장치가 장착되어 있어야 합니다. 어레이 경계 1피트(약 30cm) 이내의 모든 도체는 급속 정지 시작 후 30초 이내에 80볼트 이하(특정 조건에 따라 30볼트 이하)로 전압을 낮춰야 합니다. 이 규칙은 옥상 PV 어레이에 가까이 접촉할 수 있는 소방관과 응급 구조대를 보호하기 위한 것입니다. 건물 외부에 있는 쉽게 접근하고 식별 가능한 스위치를 사용하여 모듈 장착 장치와 통신하여 정지를 시작합니다. 1

계통 연계형 시스템에는 스트링 인버터와 마이크로 인버터, 두 가지 주요 인버터 유형이 있습니다. 각 인버터는 장단점을 가지고 있으며, 이를 바탕으로 설치 환경에 가장 적합한 인버터를 선택할 수 있습니다. 스트링 인버터는 여러 모듈의 출력을 처리하는 반면, 마이크로 인버터는 단일 모듈 전용입니다.

스트링 인버터는 일반적으로 1.5kW에서 500kW까지 다양한 용량을 제공합니다. 이러한 인버터의 장점은 와트당 비용이 저렴하고 다양한 출력 전압을 제공한다는 것입니다. 단점은 인버터가 고장 나면 정전으로 인해 생산의 상당 부분이 손실될 수 있다는 것입니다. 대형 태양광 시스템의 경우, 이러한 인버터를 병렬로 연결하여 그리드와 단일 연결 지점을 구축할 수 있습니다. 모든 용량에 대해 보증이 제공되며 일반적으로 5년에서 10년 사이이며, 현재 업계 표준은 10년입니다. 대형 인버터의 경우 추가 비용으로 최대 20년 또는 25년까지 연장 보증을 받을 수 있습니다. 태양광 시스템 수명 동안 인버터는 한 번 교체해야 합니다. 파워 옵티마이저는 스트링 인버터와 함께 사용되는 모듈형 부품입니다. 일조량 및 온도 변화와 같은 변동하는 환경 조건에 따라 개별 모듈의 DC 전력 출력을 극대화합니다.

마이크로 인버터는 단일 태양광 모듈의 출력을 직류에서 교류로 변환하는 데 사용되며 모듈에 부착됩니다. 각 모듈의 출력은 병렬로 연결되어 어레이를 형성합니다. 마이크로 인버터의 용량은 175와트에서 380와트까지 다양하며, 보증 기간은 10년에서 25년입니다. 모듈이 불규칙하거나 음영 문제가 있는 소규모 프로젝트에는 일반적으로 마이크로 인버터가 효과적입니다. 마이크로 인버터는 시스템 모니터링 소프트웨어와 함께 사용하면 각 모듈의 출력을 지속적으로 평가하여 모듈이 의도한 대로 작동하는지 확인할 수 있으므로 효과적입니다.

BOS에는 전기 패널 및 관련 장비도 포함됩니다. 모든 시스템에는 전기 규정(예: NEC 690)에 명시된 스위치 기어 및 보호 장치가 필요합니다. 여기에는 여러 개의 분리 스위치, 퓨즈 또는 차단기가 포함될 수 있으며, 고전압 상호 연결인 경우 변압기가 포함될 수도 있습니다.

경우에 따라 태양광 시스템에 배터리 저장 장치가 포함될 수도 있습니다. 태양광 어레이에서 생성되는 전력은 배터리를 충전 상태로 유지하고, 필요할 경우 전력망에 전력이 공급되지 않을 때 건물에 전력을 공급합니다. 배터리는 태양광 발전 설비에 비용을 증가시키지만, 전력망 정전 시에도 건물 운영을 중단 없이 지속할 수 있도록 합니다. 배터리는 반드시 건물 전체의 전기 부하를 감당할 수 있는 크기일 필요는 없습니다. 중요 회로나 우선순위가 높은 장비에만 전력을 공급하도록 설계할 수도 있습니다. 배터리 저장 장치가 있는 태양광 시스템에는 충전 컨트롤러가 포함되며, 이 컨트롤러는 인버터에 별도로 설치되거나 통합될 수 있습니다. 충전 컨트롤러는 태양광 어레이에서 공급되는 DC 전압과 배터리로 공급되는 전압을 모두 제어합니다. 배터리의 수명 연장을 위해 충전 컨트롤러가 생성하는 특정 단계의 충전이 필요합니다. 현재 많은 제조업체에서 태양광 발전 설비에 “플러그 앤 플레이” 방식으로 설치할 수 있는 독립형 인버터/배터리 저장 장치를 제공합니다. 소규모 시스템은 벽면 장착형 구성 요소를 활용할 수 있으며, 대규모 시스템은 모듈식 산업용 컨테이너 크기의 장치를 활용할 수 있습니다.

실시간 모니터링 소프트웨어 또한 통합 PV 시스템의 일반적인 요소입니다. 소프트웨어 프로그램은 전력 생산량을 추적하고, 경제성 분석을 수행하고, 진단을 실행하고, 사용자가 정의한 우선순위에 따라 특정 부하에 전력을 분배할 수도 있습니다.