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서울에너지드림센터는 국내최초 에너지자립 공공건축물로 다양한 에너지 관련된 체험프로그램을 운영하고 있습니다. 직접보고, 느끼고, 만져보고~즐거운 교육! 드림센터가 만들어갑니다.

녹색생활TIP

 제목   [기획 연재ㅣZOOM in SEDC TECH] 서울에너지드림센터 발전소, 태양광발전시스템
 작성자   관리자  등록일   2019-02-19
 이메일   [email protected]  조회수   734

 

 

[기획 연재ㅣZOOM in SEDC TECH]

 

서울에너지드림센터 발전소, 태양광발전시스템


“서울에너지드림센터가 국내 제로 에너지건축물 중 가장 높은 에너지자립률 3등급(ZEB 3)을 획득했다”라는 기사 보셨나요?

여기서, 에너지자립률이란 건축물 에너지소비량 대비 신재생에너지 생산량을 백분율로 나타낸 것이며,

드림센터가 지금까지 가장 높은 등급인 3등급을 획득할 수 있었던 이유는 건물에너지소비량이 적은 반면 충분한 신재생에너지를 생산하고 있기 때문입니다.
이번 SEDC Tech에서는 드림센터 전력의 생산을 담당하는 태양광발전시스템의 원리 및 구성을 소개하고자 합니다.


■ 태양광발전시스템의 작동원리와 구조


태양광발전시스템은 태양으로부터의 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꿔주는 발전방식입니다.

일반적으로 광 흡수→전하생성→전하의 분리→전하의 수집 과정을 거쳐 전기를 생성하게 됩니다.

태양전지는 전기적 성질이 다른 N(Negative)형 반도체와 P(Positive)형의 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있습니다.

PN접합 구조의 태양전지에 태양 빛이 닿으면 내부로 흡수되며, 흡수된 태양 빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체 내에서

전자(Electron, -)와 정공(Hole, +)의 전기를 갖는 입자가 발생하여 각각 자유롭게 태양지 속을 움직입니다.

전자(-)는 N형 반도체로 정공(+)은 P형 반도체로 이동하여 P극과 N극 사이에 전위차가 생기게 됩니다.

전위차(광기전력)에 의해 전기가 발생하는 것이 PN접합에 의한 태양광발전의 원리입니다.

 

태양광발전시스템의 구조는 [그림 2]와 같습니다.

 

태양전지 : 태양으로부터의 빛에너지를 전기에너지로 변환

인버터 : 태양전지에서 생산된 직류전기를 교류전기로 변환

수배전반 : 적정한 전기적인 부하를 각각의 전기 소모품에 제공

전력량계 : 외부로부터 들어온 전력량 및 외부로 나간 전력량을 측정

모니터링 : 태양광 발전시스템의 운전상태 감시, 데이터 누적, 웹모니터링



 

 서울에너지드림센터 태양광발전시스템의 구성
 서울에너지드림센터의 태양광 패널 용량은 건물 내 기기별, 용도별 필요한 전력량을 시뮬레이션을 통해

산출한 뒤 안전율 5%를 고려하여 [표 1]과 같이 도출되었습니다.  

 

 드림센터의 태양광 패널은 설치 가능한 최대한의 용량이 건물 옥상에 설치되었고,

건물 외부에 설치가 불가피하여 주차공간과 휴식공간을 활용하는 방안을 검토하여 지상에 설치하였습니다.

태양광 패널은 중규모의 고정형 어레이 평판형 태양전지 모듈로 SUNPOWER의 SPR-315(효율:19.37[%])을 사용하였으며,

총 모듈의 수는 864매(옥상 624매, 지상 240매)로 272 kW 용량의 태양광발전시스템을 사용하여 필요한 에너지를 자체 생산하여 건축물 전체의 부하 부담하고 있습니다.
 또한, 태양광 패널에서 발생된 직류(DC) 전압을 우리가 사용할 수 있는 상용 전압인 교류(AC)전압으로

변화하는 장치인 인버터 태양광발전시스템에서 빠질 수 없는 핵심부품입니다.

 장기간 사용해야 하는 부품이므로 효율성이 뛰어나야 할 뿐만이니라 내구성과 안정성도 보장되어야 합니다.

드림센터는 90%의 효율을 가지는 독일 SMA사의 인버터를 사용하여 태양광발전시스템을 설비하였습니다.

 

■ 태양전지모듈 : 272 kW (315 Wp×864매) (SUNPOWER 19.37[%])
■ 인버터 : 계통연계형, 100kW×3대 (SMA, 독일)
■ 설치 소요면적 1063 m2 (1.23 m2/1매)
■ 형식 : 고정형 어레이, 중규모, 평판형 태양전지 모듈

 

 


서울에너지드림센터 태양광 패널의 설치 각도


 태양광발전시스템에서 태양광 패널은 과열(Overheated)로 인한 온도상승과 그늘로 인해 발전효율 손실에 영향을 미칩니다.

월드컵공원에 위치한 드림센터는 공원의 시원한 바람에 의한 냉각효과로 태양광 패널의 온도 상승률이 낮추고,

주변 건물에 의한 음영이 발생하지 않아 높은 효율을 유지할 수 있는 좋은 환경을 갖추었습니다.
 태양광 패널은 햇빛과 직각이 될 때 최대의 발전효율을 보이지만, 양축형 태양광발전시스템을 사용해야 하므로 큰 비용이 발생하게 됩니다.

그래서 정남향을 기준으로 태양의 사계절 남중고도를 생각하여 고정형 태양광 패널을 사용합니다.

우리나라의 여름철 높은 고도, 겨울철 낮은 고도에서 태양이 움직이기 때문에 춘분과 추분에 전력 발생이 최대가 됩니다.

 

  
이러한 이유로 일반적인 국내 태양광 패널의 설치 각도는 춘분과 추분의 남중고도와 연중 발전량을 고려하여 30° 내외로 설치하게 됩니다.

그러나 드림센터(37.56°, 123.89°) 태양광 패널의 설치 각도는 10°로 설치되어 있습니다.
드림센터는 건축물의 에너지소비량을 고려하여 태양광 패널의 각도를 선정하였습니다.

[그림 5]에서 보면 드림센터는 여름철 냉동기의 사용과 공조기의 나이트 퍼지 기능으로 많은 전력량을 소모하고 있으므로

여름철 남중고도를 고려하여 태양광 패널의 설치 각도를 10°로 설치하였습니다. 

 

 

 

서울에너지드림센터의 태양광발전량


 2012년에 준공된 후 태양광발전시스템의 운영성과를 보면 연간 약 367,000 kWh의 전기에너지를 생산하며,

이중 약 54%인 약 199,000 kWh를 건물에서 소비(단위면적당 소비량 52.9 Wh/m2.년)하고 잉여전력은 한전에 판매하고 태양광발전 수익금은

서울시 기후변화기금으로 적립하며 서울시 기후변화 정책에 일조하고 있습니다.
 

 

서울에너지드림센터의 태양광발전시스템 계통도


 서울에너지드림센터에서는 에너지자립을 위해 태양광발전시스템에서 생산된 전력을 저장하여 건물에 공급할 수 있도록

Hybrid-ESS를 설치하여 한국전력공사와 송전과 수전하는 시스템을 구축하였습니다.

태양광발전시스템의 전력생산이 원활하면 건물소비전력을 모두 충당하고 잉여전력은 한전에 역송전하거나 ESS에 저장합니다.

반면에, 태양광발전시스템의 전력생산이 원활하지 못하면 부족한 전력을 한전에서 수전하거나 전력생산이 원활할 때 저장했던 ESS를 사용합니다.
 드림센터의 태양광발전시스템은 자동제어를 통하여 실시간 데이터를 추출하고 모니터링하고 있습니다.

또한, 제로에너지 건물 내에서 에너지의 생산·소비·저장이 이루어지는 Micro-grid 실증적 구현을 통해 에너지자립과 에너지 나눔을 실천하고,

제로에너지건물의 BEMS(Building Energy Management System) 모니터링 전시관 구성을 통한 신재생에너지의 생산과

전력수요 관리에 대한 시민홍보를 중점으로 하고 있습니다.

 

 

 

 

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