태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용 알고리즘 및 타당성 평가에 관한 연구 = A Study on Operation Algorithm and Economic Evaluation of Energy Harvesting Device for PV Modules

국문 초록 (Abstract)

최근, 2050 탄소중립 선언과 그린 뉴딜 정책에 의하여 신재생에너지가 지속적으로 보급되고 있는데, 태양광 전원은 낮은 비용과 짧은 공사 기간으로 인해 설치용량이 급격하게 증가하고 있다. 하지만, 태양광 전원은 주변 기후조건에 따라 출력이 크게 변동하고, 일부 모듈에서 발생한 음영으로 인해 전체적인 운용 효율이 저하되는 문제점이 보고되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 태양광 스트링에 발생한 음영으로 인하여 계통연계용 인버터가 탈락하는 현상을 방지하여 운용 효율을 향상시키는 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용 알고리즘을 제시한다. 또한, PSCAD/EMTDC를 사용하여 회로변경 장치부, 전압보상 장치부, 감시제어 장치부, 등으로 구성된 에너지 하베스팅 장치의 모델링을 수행하고, 이를 바탕으로 20[kW]급 에너지 하베스팅 장치를 구현한다.

또한, 본 논문에서는 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치를 도입하는 경우, 발전량 개선율에 따라 경제성을 판단하기 위한 경제성 평가 모델링을 제시하고, 이를 바탕으로 에너지 하베스팅 장치의 설치 비용에 따른 ROI를 산출하여, 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 타당성을 평가 한다. 상기에서 제시한 모델링과 에너지 하베스팅 장치를 바탕으로 운용 특성을 평가한 결과, 음영의 발생 조건에 따라 회로변경과 전압보상 장치를 통해 태양광 스트링을 재구성하여 인버터 탈락을 방지할 수 있음을 알 수 있다. 또한, PSCAD/EMTDC 모델링과 에너지 하베스팅 장치의 운용 특성이 거의 일치하여, 본 논문에서 제안한 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 유효성을 확인할 수 있다. 한편, 태양광 발전 출력에 따른 에너지 하베스팅 장치의 경제성을 평가한 결과, 손익분기점이 에너지 하베스팅 장치의 설치 비용과 출력량 개선율에 따라 변동됨을 알 수 있다. 즉, 에너지 하베스팅 장치를 도입하여 태양광 전원의 발전량이 1[%] 정도 개선되는 경우, 80,000[천원/MW] 이하의 에너지 하베스팅 장치를 도입하면, 타당성 측면(ROI, 7.9년)에서 적합하고, 2[%]의 발전량이 개선되는 경우에는 120,000[천원/MW] 이하의 에너지 하베스팅 장치를 도입해도 타당성 측면에서 우수함을 알 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, renewable energy sources have been continuously installed by the 2050 Carbon Neutral and the Green New Deal policy in Korea, and the capacity of PV systems has been rapidly increased due to low costs and short construction periods. However, it is reported that the output of PV systems varies significantly depending on the weather and surrounding conditions and the operation efficiency is reduced because of the shading in some PV modules. Therefore, this paper presents an operation algorithm of energy harvesting device for PV modules to improve operation efficiency by preventing the shutdown of grid-connected inverter due to the partial shading in the PV string. In addition, this paper performs a modeling of energy harvesting device, which is composed of circuit reconfiguration device section, voltage compensation device section, monitoring and control device section, etc, using PSCAD/EMTDC, and also implements 20[kW] energy harvesting device based on the modeling.

And also, this paper presents an economical evaluation modelling for commercialization feasibility in accordance with output improvement rate when the power amplification device for PV system is introduced. And also, this paper proposes an validity evaluation on power amplification device for PV system by calculating ROI according to installation cost and benefits. From the simulation and test results for the proposed energy harvesting device, it is confirmed that the device can prevent the shutdown of grid-connected inverter by re-combining the PV string with the circuit reconfiguration and voltage compensation devices depending on the shading conditions. And also, it is found that the proposed energy harvesting device for PV modules is useful tool to improve the operation efficiency of PV system, because the operation characteristics of PSCAD/EMTDC modeling is nearly equivalent with one of the device.

Furthermore, from the economic evaluation results for energy harvesting device according to the output power of PV system, it is confirmed that the ROI may vary depending on the installation cost and improvement rate of energy harvesting device. When the output of PV system is improved to 1[%] by adopting energy harvesting device under 80,000[thousand won/MW], ROI is calculated as 7.9[year]. And also, in the case of improvement rate of 2[%], energy harvesting device under 120,000[thousand won/MW] is feasibility.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론
• 제1절 연구의 배경 및 필요성 1
• 제2절 본 논문의 구성 4
• 제2장 음영에 따른 태양광 전원의 운용 특성
• 제1절 태양광 전원의 운용 특성 6
• 제2절 기존의 태양광 전원의 효율 향상 방안 및 한계점 13
• 제3장 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용 알고리즘
• 제1절 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 구성 16
• 제2절 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용 방안 18
• 제3절 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용 알고리즘 20
• 제4장 PSCAD/EMTDC를 이용한 20kW급 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 모델링
• 제1절 태양광 스티링부 25
• 제2절 계통연계용 인버터부 26 제3절 회로변경 장치부 28
• 제4절 전압보상 장치부 29
• 제5절 전체 시스템 모델링 30
• 제5장 20kW급 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 구현
• 제1절 태양광 스티링부 31
• 제2절 계통연계용 인버터부 33 제3절 회로변경 장치부 35
• 제4절 전압보상 장치부 37
• 제5절 감시제어 장치부 39
• 제6절 전체 시스템 41
• 제6장 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 경제성 평가 모델링
• 제1절 비용요소 42
• 제2절 편익요소 44 제3절 현재가치 환산법 46
• 제7장 시뮬레이션 및 시험 결과 분석
• 제1절 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 운용 특성 47
• 제2절 태양광 모듈용 에너지 하베스팅 장치의 경제성 평가 65
• 제8장 결 론 77
• 참고문헌 80
• 본 논문과 관련된 논문 및 수상실적 85
• Abstract 93