1. 서 론
기후 변화와 에너지 자원의 고갈 문제는 현대 사회가 직면한 주요 도전 과제 중 하나로, 지속 가능하고 청정한 에너지 공급원에 대한 필요성이 점차 강조되고 있다1, 2). 이러한 배경에서 태양광 발전은 재생 가능 에너지의 주요 축으로 자리 잡았으며, 특히 분산형 에너지 시스템 구축과 탄소 배출 감소에 크게 기여하고 있다3, 4). 태양광 발전 시스템은 기술적 진보에 힘입어 성능과 효율성이 점차 향상되고 있지만, 여전히 출력 성능을 저하시키는 다양한 환경적 요인과 시스템적 한계를 극복해야 하는 과제를 안고 있다5).
태양광 발전 시스템의 핵심 구성 요소인 태양광 모듈은 음영, 오염, 온도 변화, 일조량 변동 등 다양한 환경적 요인의 영향을 받는다6). 특히, 직렬로 연결된 태양광 모듈의 경우, 단일 모듈의 출력 저하가 전체 스트링의 효율에 큰 영향을 미치는 현상이 발생한다7). 이러한 문제는 도시 환경과 같은 복잡한 설치 조건에서는 더욱 두드러지며, 태양광 발전 시스템의 경제적 수익성을 저해하는 주요 요인으로 작용한다8).
이와 같은 문제를 해결하기 위한 혁신적인 기술 중 하나로 MLPE (Module-Level Power Electronics, 모듈 단위 전력 전자장치) 기술이 주목받고 있다9, 10). MLPE는 태양광 모듈 단위에서의 전력 변환, 출력 최적화 및 관리 기능을 제공하는 기술로, 태양광 발전 시스템의 설계와 운영 방식을 획기적으로 변화시키고 있다11). 대표적인 MLPE 기술로는 마이크로 인버터(Micro-Inverter)와 파워 옵티마이저(Power Optimizer), DPP (Differential Power Processing)가 있으며, 이들은 각각의 모듈에서 개별적으로 작동하여 출력 불균형 문제를 해결하고, 시스템 성능을 최적화한다12, 13).
파워 옵티마이저 기술은 환경적 제약 조건에서의 성능 향상뿐만 아니라, 정밀한 데이터 수집과 실시간 모니터링을 가능하게 함으로써 유지보수 효율성을 높이고 장기적인 운영 비용을 절감할 수 있는 가능성을 제시한다14). 또한, 스마트 에너지 관리 시스템과의 통합을 통해 더욱 진보된 태양광 발전 시스템을 구현할 수 있으며, 특히 복잡한 음영 조건이 존재하는 건물 일체형 태양광(BIPV) 시스템에서 그 효용성이 입증되고 있다15).
본 연구에서는 그림자 관점에서 태양광 모듈의 출력 저감에 사용될 수 있는 파워 옵티마이저의 개발 및 평가에 관한 연구를 진행하였다. 먼저 개발된 파워 옵티마이저의 핵심 부품인 DC-DC 옵티마이저는 step down 컨버터를 적용하였고 300 W급 태양광 모듈에 적용하기 위해 OR CAD를 이용하여 설계를 진행하였다. 또한 부품 실장을 위한 PCB (Printed Circuit Board) 거버파일(Gerber file) 제작 및 부품 실장을 통한 파워 옵티마이저 시제품을 개발하였다. 기존 논문에서는 실제 태양광 발전에 적용한 옵티마이저의 그림자 조건에서 성능평가나 옵티마이저의 발열 테스트가 일반적이었다16, 17). 본 연구에서는 실내 테스트조건의 옵티마이저의 성능평가 방법론을 제안하였고 여기에 기반을 둔 평가를 기본으로 진행하였다.
개발된 파워 옵티마이저를 평가하기 위해 실내에서 배터리 2개 SET와 전압, 전류 가변을 담당하는 파워서플라이(Power Supply)를 적용하여 파워 옵티마이저 작동 기능을 확인하였다. 실내조건 시험 이후에는 실외인 3 kW급 태양광 발전 조건에서도 성능평가를 진행하였다. 최종적으로 실내 및 실외 모두 그림자 조건을 가정한 후 출력 저감 및 파워 옵티마이저 적용을 통한 출력개선을 확인하였다.
2. 실 험
2.1 파워 옵티마이저의 개발
2.1.1 파워 옵티마이저의 설계
개발된 파워 옵티마이저는 메인 제어 모듈(Main Control Module)과 서브 컨트롤러(Sub controller)로 구성되어있다. PV 모듈별 전압, 전류, 최종전압, 최종전류의 모니터링을 진행하는 구조이며 데이터 통신은 RS485 통신을 기본으로 하였다. 1차 제어 측인 서브 컨트롤러에서 메인 제어 모듈쪽으로 RS485 제어신호를 송신하는 구조이다. Fig. 1은 메인 제어 모듈 회로도로 가장 높은 전압 전류가 측정되는 태양광 모듈을 기준으로 음영이 생겨 출력 전압과 전류가 적어진 모듈의 출력 전류를 기준점의 모듈 전류에 맞춰 정전류 출력 조정하는 구조로 설계되었다.
Fig. 2는 파워 옵티마이저의 핵심 기능을 담당하는 서브 컨트롤러의 회로도로 step down dc/dc 컨버터(Converter)를 설계에 적용하였다. 입력전압에 가깝게 최대 듀티비(Duty Cycle)를 제어하고 출력 전류를 모니터링하는 구조로 설계하였다. 또한 모니터링된 전압, 전류를 메인 컨트롤러에 RS485 통신으로 데이터를 송신하며 자체 정전류를 위해 내부적으로 전압을 제어하여 최대 전류로 구동되도록 전압을 가변하는 구조로 설계하였다.
메인 제어 모듈과 서브 컨트롤러에 들어가는 전류, 전압 센싱(Sensing) 회로를 Fig. 3과 같이 구성하여 설계하였다. 해당 IC는 태양광 모듈별 전류 및 전압의 출력을 감지하는 구성이다.
Fig. 4는 FET 게이트 드라이버(Field Effect Transis- tor Gate Driver) 회로의 구성이다. MCU (Micro- controller Unit)에서 보낸 신호를 증폭하여 FET가 작동하여 듀티비에 의해 전압과 전류를 조정하기 위한 FET 게이트 드라이버가 설계되었으며 출력을 높이기 위해 FET 병열 드라이브 구조 적용과 외부 결선에 의해 half bridge 구동으로 드라이브 효율을 높이는 구조를 채택하였다.
부품 실장을 위한 거버파일을 Fig. 5와 같이 제작하였다.
OR CAD layout을 활용하여 설계하였으며 최대 전압 및 전류 입력 제한 회로, 단락 보호 회로, 최대 전류 출력 제어 및 보호회로, RS485 통신 회로, FET 제어 구동회로 구성되었다.
2.1.2 파워 옵티마이저의 부품 실장
Fig. 6은 부품이 실장 된 메인 제어 모듈과 핵심 기능을 하는 파워 옵티마이저인 서브 컨트롤러의 부품 실장 외관이다. 입력과 출력 및 제어소자의 저항을 줄이기 위한 넓은 패턴을 적용하여 제작하였다. 방열을 위한 제어 모듈 위치에 다수의 VIA 홀을 구성하였다.
주요 적용 드라이버 IC로는 ATMEL 사의 ATME- GA128 및 ATMEGA8A, Maxim사의 MAX232 및 DS1302, TI사의 LM2576, ST사의 TSC2003이 사용되었으며 트렌지스터는 ANY사의 2SC1815를 적용하였다.
2.2 파워 옵티마이저의 평가
2.2.1 모의테스트 평가
개발된 파워 옵티마이저는 Fig. 7과 같이 모의 테스트를 실내 환경에서 진행하였다. 태양광 출력을 모사한 전원에 파워 옵티마이저를 연결하였으며 파워 옵티마이저는 직렬로 연결되었다. 최종 출력은 마이크로인버터에 연결되어 계통에 연결되었으며 출력을 측정하기 위하여 계통 직전에 전력측정기가 설치되었다. 파워서플라이는 Proteck사의 PL3003T모델 제품을 사용하였으며 마이크로인버터는 LG 마이크로인버터 LM320KSA2 모델을 적용하였다. 발생되는 출력의 변화를 실시간으로 계측하기 위해 전력계측 기는 햇빛발전사의 powermanager를 사용하였다.
2.2.2 태양광 발전소 3kW급 옥외 실증 평가
개발된 파워 옵티마이저를 실제 옥외환경에서 평가하기 위해 3 kW급 태양광발전소에 메인 제어 모듈과 서브 컨트롤러를 설치하여 발전량을 계측하였다. 이때 한 개의 태양광 모듈의 그림자 상태를 모의 하기 위해 약간의 투과성이 있는 비닐 재질의 재료를 활용하였다. Fig. 8은 3 kW급 태양광발전소에 비닐 재질로 그림자를 모의하는 그림으로 모듈 1장의 1/3을 그림자가 발생한 것과 같이 만들었다. 이때 모듈은 총 8장을 사용하였고 신성E&G의 SS-DM370PB 모델이며 직렬 연결되었다. 인버터는 다쓰테크의 DSP- 1233K6-OD 모델이다. 이때 일사량은 약 340 W/m2에서 시험하였다.
3. 실험 결과
3.1 모의실험 결과
3.1.1 모의실험을 위한 초기 테스트
옥외에서 태양광 및 태양광 모듈을 이용하여 지속적인 테스트가 어려운 관계로 Fig. 9와 같이 시스템을 구성하여 마이크로인버터를 통한 초기 전력량를 계측하였다. 일반적인 태양광 모듈의 발전량 모사를 위하여 개발한 파워 옵티마이저를 연결하지 않고 DC 파워서플라이에 10 V, 3 A를 입력하여 출력을 확인하였다. 3개의 합산 출력은 90 W가 예상되었다.
하지만 전력측정기에서 실제 측정된 출력량은 72 W로 마이크로인버터의 출력감소량과 선로 저항 등에 의해 18 W (20%)의 출력이 감소함을 확인하였다.
이는 마이크로인버터 및 측정기의 오차보다 다소 높은 것으로 파워서플라이의 간섭에 의한 것으로 추정되어 배터리의 적용 등을 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
3.1.2 PV 300W급 파워 옵티마이저 장착 후 초기 테스트
파워 옵티마이저를 장착한 상태에서 초기테스트와 같은 발전량이 보이는지 검증을 위해 Fig. 10과 같이 3.1.1의 테스트에서 파워서플라이 후단에 개발된 파워 옵티마이저를 장착하고 출력을 확인하였다. 측정된 출력값은 71 W로 1 W 출력이 감소하였다. 이는 파워 옵티마이져의 변환 효율 때문으로 예상된다.
3.1.3 그림자에 의한 발전량 저감 테스트
Fig. 11은 그림자가 발생시 그림자 드리워진 모듈의 전압, 전류가 감소하는 것을 모의하여 테스트한 것이다. 고정 전압과 전류를 모의하기 위해 2개 파워서플라이 대신 13.8 V, 3 A의 배터리를 적용하였고 파워서플라이는 10 V, 1 A로 그림자를 모의하였다. 파워 옵티마이저가 없는 경우, 전체 전류값은 파워서플라이에 의해 1A가 되며 이로인해 아래의 식 (1)과 같이 계산되어 예상되는 출력값(P)은 37.6 W이다.
그러나 실제 측정된 값은 29 W로 이는 계산된 값보다 22.9% 감소한 결과임을 확인할 수 있다.
3.1.4 그림자 발생시 PV 모듈용 300W급 파워 옵티마이저 동작 테스트
개발된 파워 옵티마이저 작동 평가를 위해 3.1.3의 시스템에 개발한 step down 컨버터 기반 파워 옵티마이저를 장착 후 그 특성을 평가하였다. Fig. 12는 파워 옵티마이저 장착 후 그림자 모의 조건에서 테스트한 결과이다. 출력의 측정 결과는 57 W로 이는 파워 옵티마이저가 없는 경우인 29 W에 비해 약 2배 정도 상승한 결과이다. 이를 통해 파워 옵티마이저에 의해 그림자 조건 시 발전량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
아래 식은 발전량 평가 공식이다. 아래 식 (2)는 그림자가 발생 순간 전압, 전류가 변경되는 것을 나타내는 것으로 입력되는 모듈별 입력전압 전류에 의한 발생 예측 전력의 수식이다. 여기서, V1,V2,V3는 각각의 입력 태양광 전압이며 A1,A2,A3는 각각의 입력 태양광 전류이고 p는 선로 및 마이크로인버터 손실 전력이다. 이때, V1=V2이며 A1=A2이며 V3와 A3는 그림자로 인해 저감된 전압, 전류이다.
식 (3)의 경우, 그림자로 인하여 입력되는 모듈별 입력전압과 저감된 전류 추종에 의한 저감된 예측 전력의 수식이다. 여기서, A4는 그림자에 의해 저감된 태양광 모듈 전류값으로 모든 태양광이 이 전류를 추종하게 된다.
식 (4)의 경우, 입력되는 모듈별 입력전압과 저감된 전류를 전압을 파워 옵티마리저를 사용하여 전류를 상승시켜 전체 발전량을 증가시키는 전력 계산식이다. 여기서, V4는 전류를 상승시키 위해 감소된 전압값이며 A5는 옵티마이저에 의해 상승된 태양광 모듈의 전류값이다.
3.2 태양광 발전소 3kW급 옥외 실증 평가
개발된 파워 옵티마이저를 3 kW급 태양광발전소에 적용하여 출력을 평가하였다. Table 1과 Fig. 13은 파워 옵티마이저의 작동 전/후의 3 kW 시스템에서 전압, 전류, 발전량 변화 값이다. 3 kW 태양광발전소는 전체 전류가 3.1 A 상태를 유지하다가 파워 옵티마이저 동작에 의해 전압은 1 V 감소하고 전체 전류는 3.6 A로 상승하여 약 16.1% 증가하였으며 이에 따라 전체 출력도 80 W 상승하여 약 15.5% 상승함을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 Step down dc/dc 컨버터 기반의 파워 옵티마이저를 개발하였고 실내 측정 기술을 개발하였다. 이로 인해 실내 테스트에서는 출력이 약 96.6% 증가하였으며 옥외 3 kW 태양광 시스템에서는 파워 옵티마이저에 의해 전류는 약 16.1% 증가하였으며 총 전력은 15.5% 상승하였다. 실내 측정결과치는 이상적인 값으로 참고치로 활용할 수 있는 값으로 생각된다. 실제 옥외 태양광발전소에서 평가한 값에 의하면 본 연구에서 개발한 파워 옵티마이저는 기존 인버터에 적용하여 활용 가능함은 물론 그림자에 의해 발생되는 출력 손실 및 hot spot 등에 의해 발생 될 수 있는 전류 미스매치(Current Mismatch) 시 저감된 태양광 발전량을 최대 15.5% 가까이 증가시킬 수 있는 장치가 될 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서 태양광 모듈의 직렬 연결 상태에서 1개의 모듈의 전류가 그림자 등에 의해 저감될 경우에 개발한 파워 옵티마이저를 통해 전체 발전량을 상승시키는 연구를 진행한 것이다. 실내조건의 파워 옵티마이저 테스트방법론을 제시하였으나 정밀한 표준 실내 측정 방법론의 개발 및 개발된 옵티마이저를 사용한 다양한 음영 조건별 실외 테스트와 병렬 연결시 전압, 전류 저감을 모의한 파워 옵티마이저의 개발에 대한 연구를 추후 진행하고자 한다.
