태양광 발전을 이용한 하이브리드 비상 발전기 시스템과 배터리의 수명 연장 개선 제안 = A STUDY of A SOLAR-POWERED HYBRID EMERGENCY GENERATOR SYSTEM and PROPOSED IMPROVEMENTS for BATTERY LIFE EXTENSION

국문 초록 (Abstract)

현대 사회는 전기에 대한 의존도가 매우 높으며, 전력은 다양한 분야에서 핵심 인프라로 활용되고 있다. 이러한 환경에서 전력 공급이 중단되는 경우 사회·경제적으로 막대한 피해가 발생할 수 있으므로 전력 공급의 연속성을 확보하기 위한 비상 발전기는 필수적인 설비로 자리 잡았다.
특히 의료 기관과 같은 필수 시설에서는 전력 공급 중단이 환자의 생명을 위협하고 데이터 손실과 같은 심각한 문제를 초래할 수 있다. 이에 따라 비상 발전기는 시설 운영 안정성과 신뢰성을 확보하기 위한 핵심 설비로 널리 활용되고 있으며 「전기안전관리법」에 따라 전기기술직의 직무고시 대상 설비로 분류되어 정기적인 점검과 체계적인 관리가 요구된다.
업무 수행 중 전력 수요가 증가하는 경우 비상 발전기는 부족한 전력을 보완하여 정전을 방지하고 업무 연속성을 유지하기 위한 기능을 수행한다. 발전기의 기능 수행에 있어 필요한 기동 및 제어 과정의 지속적인 전력은 배터리에서 공급된다. 배터리는 독립형 배터리 구조이며 산업용 납배터리로 구성되어 있다. 일반적으로 배터리는 산업 현장에서 검증되어 장기간 운용된 납배터리 중심으 로 구성되어 있으나 연간 발전기를 기동하는 적은 횟수와 기동 정지 후 장기간 대기 상태에 돌입 하는 배터리는 장시간 부동 충전 상태와 반복적인 자가 방전 환경에서 내부 화학 반응으로 인한 설페이션(황산화) 현상 발생으로 인하여 배터리의 수명이 저하되는 한계를 갖고 있다. 또한 납배터리는 정기 점검과 주기적인 교체가 필요하고 배터리 교체 시 발생하는 폐기 비용과 환경적 영향은 실무의 지속적인 부담 요인으로 작용한다.
최근 선행되는 연구에서는 납배터리에 대한 한계를 해결하고자 리튬이온 배터리를 적용한 하이브리드 비상 전원 시스템이나 마이크로그리드 구조가 다수 제안되었다. 리튬이온 배터리는 고밀도와 장기간 수명이라는 장점을 가지나 기존 비상 발전기 시스템에 적용하기에 배터리 관리 시스템 (BMS), 보호회로, 온도 관리 설비 등 기존 시스템에 추가적인 설비의 구조 변경이 필요하고 비용 과 안전성 측면에서 실무 적용에 제약이 발생한다.
본 논문은 선행 연구와 다르게 제기되는 한계를 해결하고자 기존 시스템을 유지하고 기존의 배터리와 구조를 유지한 상태에서 태양광 발전 시스템을 결합한 하이브리드 방식을 제안한다. 제안하는 방식은 태양광 발전을 보조 전원으로 활용하여 일조량이 충분한 시간대에는 태양광 발전 전력을 기존 시스템의 납배터리에 우선 공급하고 동시에 태양광 측 축전지에 저장함으로써 기존 비상 발전기 배터리가 담당하던 상시 부하 충전 부담을 구조적으로 분산한다. 이를 통해 배터리의 평균 충전 상태(SOC)를 안정적으로 유지하여 방전 깊이(DOD)를 감소시켜 장기 대기 상태의 부동 충전 환경 에서 발생하는 설페이션 현상을 완화하여 납배터리의 수명을 연장하고 전반적인 시스템의 기계적인 내구성과 전기적인 신뢰성을 향상함과 동시에 유지한 실무 적용 방안을 목표로 한다. 또한 제안하는 시스템은 타이머와 계전기를 이용한 우선 사용 회로를 적용함으로써 태양광 발전 전력의 활용 효율을 높이고 비상 발전기 기동 초기부터 안정적인 전력 공급을 위한 부속 장치에 지속적인 전력 공급이 가능하도록 설계하였다. 이는 전압 변동률과 전압 강하율을 동시 개선하여 전반적인 전력 품질 향상에도 기여한다.
결론적으로 본 논문에서 제안하는 태양광 기반 하이브리드 비상 발전기 시스템은 기존 선행 연 구가 제시한 리튬이온 배터리 중심의 구조적 변경과는 다르게 실무 현장에서 운용되는 기존의 독립형 납배터리 구조를 유지하면서 배터리 수명 연장과 유지보수 비용 절감을 동시에 달성할 수 있는 개선 방안을 제시한다. 이는 현대 사회의 급증하는 전력 수요에 대응하고자 태양광 발전 전력을 기존 시스템에 결합하여 운용해 기계적인 내구성과 전기적인 신뢰성을 유지함과 동시에 현장 실무에 적용하여 부속 장치에 지속적인 전력 공급해 업무 기능의 연속성이 끊이지 않는 전력 공급의 안정성을 향상시킨다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Modern society is highly dependent on electricity, which serves as a core
infrastructure across various sectors. In such an environment, interruptions in
power supply can result in significant social and economic losses; therefore,
emergency generators have become essential facilities to ensure continuity of power
supply. In particular, in critical facilities such as medical institutions, power outages
may directly threaten patient safety and cause severe consequences including data
loss. Accordingly, emergency generators are widely deployed as key equipment to
secure operational stability and reliability, and they are subject to regular
inspection and systematic management in accordance with the Electrical Safety
Management Act.
When power demand increases or utility power is interrupted, emergency
generators compensate for insufficient power to prevent blackouts and maintain
operational continuity. During generator operation, continuous power required for
starting and control processes is supplied by an independent battery system. These
batteries are typically configured as industrial lead-acid batteries, which have been
widely verified and applied in industrial fields. However, despite their limited annual
operating frequency, such batteries are exposed to long-term float charging and
repeated self-discharge during extended standby periods after generator shutdown.
These operating conditions promote sulfation caused by internal chemical reactions,
leading to battery life degradation. Furthermore, lead-acid batteries require periodic
inspection and replacement, and the associated disposal costs and environmental
impacts impose an ongoing burden in practical operation.
Recent studies have proposed hybrid emergency power systems and microgrid
architectures incorporating lithium-ion batteries to overcome the limitations of
lead-acid batteries. Although lithium-ion batteries offer high energy density and
longer cycle life, their application to existing emergency generator systems requires
significant structural modifications, including battery management systems (BMS),
protection circuits, and thermal management equipment. As a result, cost and
safety concerns limit their practical applicability in existing facilities.
To address these limitations, this paper proposes a hybrid emergency generator
system that integrates a photovoltaic (PV) power generation system while
maintaining the existing generator configuration and conventional lead-acid battery
structure. The proposed approach utilizes photovoltaic power as an auxiliary energy
source. During periods of sufficient solar irradiance, PV-generated power is
preferentially supplied to the existing lead-acid battery system and simultaneously
stored in an auxiliary photovoltaic-side battery. This operating strategy structurally
redistributes the continuous charging burden previously borne by the emergency
generator batteries. Consequently, the average state of charge (SOC) of the
batteries is stabilized, and the depth of discharge (DOD) is reduced, mitigating
sulfation phenomena under long-term float charging conditions. As a result, the
service life of lead-acid batteries is extended, while overall mechanical durability
and electrical reliability of the system are improved without compromising practical
applicability.
In addition, the proposed system employs priority control circuits using timers
and relays to enhance the utilization efficiency of photovoltaic power. This
configuration enables continuous power supply to auxiliary equipment from the
initial startup stage of the emergency generator, thereby improving voltage
fluctuation rates and voltage drop characteristics simultaneously and contributing to
overall power quality enhancement.
In conclusion, the photovoltaic-based hybrid emergency generator system
proposed in this study presents a practical improvement strategy that
simultaneously extends battery life and reduces maintenance costs while preserving
the conventional independent lead-acid battery configuration widely used in field
operations. Unlike previous studies that rely on structural modifications centered on
lithium-ion batteries, the proposed system enhances power supply stability and
operational continuity by integrating photovoltaic power into existing systems,
thereby maintaining mechanical durability and electrical reliability while ensuring
continuous power supply to auxiliary equipment in real-world applications.

목차 (Table of Contents)

• 목차 · ⅰ
• 그림목차 · ⅲ
• 국문초록 · ⅳ
• Ⅰ. 서 론 · 1
• 1.1 연구 배경 · 1
• 1.2 국내 태양광 현황 및 제안 내용 · 4
• II. 비상 발전기 시스템 · 7
• 2.1 기존 비상 발전기 시스템 · 7
• 2.1.1 기존 비상 발전기 시스템 개요 · 7
• 2.1.2 기존 비상 발전기 시스템의 구성 요소와 역할 · 9
• 2.1.3 기존 비상 발전기 시스템의 배터리 역할 · 11
• 2.1.4 기존 비상 발전기 시스템의 배터리 문제점 · 13
• 2.1.5 선행 연구 분석 · 15
• 2.2 요약 · 17
• III. 하이브리드 비상 발전기 시스템 · 22
• 3.1 태양광 에너지 개요 · 22
• 3.1.1 신재생에너지 개요 · 22
• 3.1.2 태양광 에너지의 이론적 특성 · 23
• 3.1.3 태양광 에너지의 기술과 실무적 특성 · 24
• 3.2 태양광 에너지를 이용한 하이브리드 비상 발전기 · 26
• 3.2.1 하이브리드 비상 발전기 시스템의 구성 · 26
• 3.2.2 하이브리드 비상 발전기 시스템의 개요와 특성 · 31
• 3.2.3 하이브리드 방식 운용 시 기존의 배터리 한계 보완점 · 32
• 3.3 기존 비상 발전기 시스템과의 연결 · 36
• 3.3.1 기존 시스템과의 결합 방식 · 36
• 3.3.2 하이브리드 비상 발전기 시스템의 안전 설계 · 41
• 3.4 제안한 방법의 장점 · 44
• 3.5 단점 · 46
• Ⅳ. 결론 · 48
• 참고문헌 · 50
• ABSTRACT · 52