태양광 발전 시스템
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태양광 발전 시스템은 어떻게 작동합니까?

태양의 열 에너지의 큰 규모는 그것을 매우 매력적인 에너지원으로 만듭니다. 이 에너지는 직류 전기 및 열 에너지로 직접 변환될 수 있습니다. 태양 에너지는 지구상에서 사용할 수 있는 깨끗하고 풍부하며 무진장한 재생 에너지원입니다. 태양광 패널 또는 패널을 사용하는 태양광 발전 시스템(SPV 패널)은 태양광을 전기로 변환하는 반응을 촉진하기 위해 태양광이 태양광 패널에 떨어지는 방식으로 옥상이나 태양열 농장에 배치됩니다.

태양 에너지는 단일 건물에 전력을 공급하는 데 사용하거나 산업 규모로 사용할 수 있습니다. 소규모로 사용하는 경우 추가 전기를 배터리에 저장하거나 전력망에 공급할 수 있습니다. 태양 에너지 는 무한하며 유일한 한계는 이를 수익성 있는 방식으로 전기로 변환하는 능력입니다. 작은 태양광 패널은 계산기, 장난감 및 전화 상자에 전력을 공급합니다.

태양광 발전 시스템 정의

태양광 발전 시스템은 배터리가 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 자동차 엔진이 화학 에너지를 기계적 에너지로 변환하거나 전기 모터( 전기 자동차 , EV의 경우)가 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것처럼 태양 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. SPV 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 태양전지는 태양열을 이용하여 전기를 생산하는 것이 아니라 입사광선이 반도체 물질과 상호작용하여 전기를 생산한다.

전기는 전자의 흐름으로 정의할 수 있습니다. 태양광 발전 시스템은 어떻게 이러한 흐름을 생성합니까? 일반적으로 원자핵에서 전자를 이동시키려면 에너지가 공급되어야 합니다. 원자가 전자(즉, 원자의 바깥 껍질에 있는 전자)는 부모 원자에 여전히 결합되어 있는 전자의 가장 높은 에너지 준위를 갖습니다(핵에서 멀리 떨어져 있기 때문에 내부 껍질의 전자에 비해 ). 원자에서 전자를 완전히 제거하려면 추가 에너지가 필요하므로 자유 전자는 원자가 전자보다 높은 에너지 준위를 갖습니다.

Fig1. Energy band diagram

위의 그림은 가전자대와 전도대라는 두 가지 에너지 준위를 보여주는 에너지 밴드 다이어그램을 보여줍니다. 원자가 전자는 원자가 밴드에 있고 자유 전자는 더 높은 전도 밴드에 있습니다. 반도체에서는 가전자대와 전도대 사이에 간격이 있습니다. 따라서 원자가 전자가 전도대로 이동하려면 에너지가 공급되어야 합니다. 이것은 자유 전자가 되기 위해 부모 원자에서 원자가 전자를 제거하기 위해 에너지가 공급되어야 함을 의미합니다.

태양광 발전 시스템이란 무엇입니까?

순수한 실리콘이 0K(0도 켈빈은 -273°C)의 온도에 있을 때 원자 사이의 공유 결합으로 인해 외부 전자 껍질의 모든 위치가 점유되고 자유 전자가 없습니다. 따라서 가전자대는 완전히 가득 차 있고 전도대는 완전히 비어 있습니다. 원자가 전자는 에너지가 가장 높지만 원자에서 제거하는 데 필요한 에너지(이온화 에너지)는 가장 적습니다. 이것은 납 원자의 예를 통해 설명할 수 있습니다. 여기서 첫 번째 전자 제거의 이온화 에너지(기체 원자의)는 716kJ/mol이고 두 번째 전자에 필요한 이온화 에너지는 1450kJ/mol입니다. Si의 등가 값은 786 및 1577 kJ/mol입니다.

전도대로 이동하는 각 전자는 원자가 결합에 빈 자리( 정공이라고 함) 를 남깁니다. 이 과정을 전자-정공 쌍 생성 이라고 합니다. 실리콘 결정의 구멍은 자유 전자처럼 결정 주위를 이동할 수 있습니다. 정공이 이동하는 수단은 다음과 같습니다. 정공 근처의 결합에서 전자가 쉽게 정공으로 점프하여 불완전한 결합, 즉 새로운 정공을 남길 수 있습니다. 이것은 빠르고 빈번하게 발생하며 근처 결합의 전자는 구멍과 함께 위치를 변경하여 고체 전체에 무작위로 불규칙하게 구멍을 보냅니다. 물질의 온도가 높을수록 전자와 정공이 더 많이 흔들려 더 많이 움직입니다.

빛에 의한 전자와 정공의 생성은 전체 광기전 효과의 중심 과정이지만 자체적으로 전류를 생성하지는 않습니다. 태양 전지와 관련된 다른 메커니즘이 없었다면, 빛으로 생성된 전자와 정공은 잠시 동안 결정 주위를 무작위로 돌아다녔다가 원자가 위치로 돌아가면서 열적으로 에너지를 잃을 것입니다. 전자와 정공을 이용하여 전기력과 전류를 생성하려면 내장된 “전위” 장벽인 또 다른 메커니즘이 필요합니다.* 광전지에는 두 개의 얇은 실리콘 웨이퍼 가 끼워져 있고 금속 와이어에 부착되어 있습니다.

잉곳을 제조하는 동안 슬라이싱 및 배송 전에 실리콘이 사전 도핑 됩니다. 도핑은 전기 전도성을 만들기 위해 결정질 실리콘 웨이퍼에 불순물을 추가하는 것입니다. 실리콘은 바깥 껍질에 4개의 전자를 가지고 있습니다. 이러한 포지티브(p형) 도핑 물질은 항상 3개의 전자(3가)를 갖는 붕소를 포지티브 캐리어라고 합니다. (수용자) 도펀트. 네거티브(n형) 도펀트 이며 5개의 전자(5가)를 갖는 인을 네거티브 캐리어 (도너) 도펀트 라고 합니다.

광전지는 구분선의 양쪽에서 서로 마주보는 반대 전하에 의해 설정된 장벽 층 을 포함합니다. 이 전위 장벽은 광 생성 전자와 정공을 선택적으로 분리하여 더 많은 전자를 셀의 한쪽으로 보내고 더 많은 정공을 다른 쪽으로 보냅니다. 따라서 분리된 전자와 정공은 서로 다시 결합하여 전기 에너지를 잃을 가능성이 적습니다. 이 전하 분리는 외부 회로에서 전류를 구동하는 데 사용할 수 있는 셀의 양쪽 끝 사이에 전압 차이를 설정합니다.

광전지가 햇빛에 노출되면 광자로 알려진 빛 에너지 다발이 PN 접합에 설정된 전기장을 통해 궤도에서 아래쪽 P층의 전자 일부를 N층으로 녹아웃시킬 수 있습니다. 잉여 전자가 있는 N층은 과량의 전자 흐름을 생성하여 추가 전자를 밀어내는 전기력을 생성합니다. 이 과잉 전자는 차례로 금속 와이어로 밀어 넣어 전자의 일부를 잃은 바닥 P층으로 다시 밀어 넣습니다. 따라서 전류는 태양 광선이 패널에 입사할 때까지 계속 흐를 것입니다.

태양광 발전 시스템은 에너지 효율이 약간 낮을 수 있습니다.

오늘날의 태양광 발전 시스템 셀은 복사 에너지의 약 10~14%만 전기 에너지로 변환합니다. 반면에 화석 연료 공장은 연료 화학 에너지의 30~40%를 전기 에너지로 전환합니다. 전기화학적 전원 변환 효율은 90~95%까지 훨씬 높습니다 .

태양광 발전 시스템의 변환 효율이란?

장치의 효율성 = 유용한 에너지 출력 / 에너지 입력

태양광 발전 시스템의 경우 효율은 약 15%이며, 이는 입사 방사선 100W / m2마다 셀 표면이 1m2 인 경우 회로에 15W만 전달된다는 것을 의미합니다.

SPV 셀 효율 = 15W/m2 / 100W/m2 = 15 %.

납산 배터리의 경우 쿨롱(또는 Ah 또는 암페어시) 효율성과 에너지(또는 Wh 또는 와트시) 효율성이라는 두 가지 유형의 효율성을 구별할 수 있습니다. 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 충전 과정에서 Ah 효율은 약 90%, 에너지 효율은 약 75%

태양광 발전 시스템 작동 원리

태양광 발전 시스템 셀 제조

원료는 두 번째로 가장 풍부하게 이용 가능한 석영(모래)입니다. 석영은 널리 분포된 광물입니다. 그것은 리튬, 나트륨, 칼륨 및 티타늄과 같은 불순물의 작은 부분과 함께 주로 실리카 또는 이산화 규소(SiO2)로 구성된 많은 종류가 있습니다.
실리콘 웨이퍼에서 태양 전지를 만드는 과정에는 세 가지 유형의 산업이 포함됩니다.
a.) 석영으로 태양 전지를 생산하는 산업
b.) 석영으로부터 실리콘 웨이퍼를 생산하는 산업 및
c.) 실리콘 웨이퍼에서 태양 전지를 생산하는 산업

태양광 발전 시스템에서 실리콘 웨이퍼는 어떻게 만들어집니까?

첫 번째 단계로 순수한 실리콘 은 석영의 불순한 이산화규소를 환원 및 정제 하여 생성됩니다. 초크랄스키(Cz) 공정 : PV 산업은 현재 원시 폴리실리콘 공급원료를 완제품 웨이퍼로 전환하기 위해 두 가지 주요 경로를 사용합니다. 초크랄스키(Cz) 공정을 사용하는 단결정 경로와 방향성 응고(DS) 공정 을 사용하는 다결정 경로입니다. 이 두 가지 접근 방식의 주요 차이점은 폴리실리콘이 용융되는 방식, 잉곳으로 형성되는 방식, 잉곳의 크기 및 웨이퍼 슬라이싱을 위해 잉곳이 벽돌로 성형되는 방식에 있습니다.

  • 초크랄스키(Cz) 공정 : Cz 공법은 원통형 잉곳을 생성한 후 여러 단계의 밴드 및 와이어 소잉 단계를 거쳐 웨이퍼를 생산합니다. 초기 장입 중량이 약 180kg인 일반적인 24인치 직경 도가니의 경우 Cz 도가니에서 폴리실리콘을 녹이고 종자 결정을 용융물에 담그고 목, 어깨, 몸체를 빼내는 데 약 35시간이 필요합니다. , 그리고 끝 콘. 결과는 150-200kg의 질량을 가진 원통형 Cz 잉곳입니다. 금속 및 기타 오염 물질을 남기려면 도가니에 2~4kg의 냄비 스크랩을 남겨 두어야 합니다.
  • 방향성 응고(DS) 공정 : 다결정 DS 웨이퍼는 폴리실리콘이 석영 도가니 내에서 녹을 때 입방체 모양을 가정하는 약 800kg의 짧지만 훨씬 넓고 무거운 잉곳으로 제조됩니다. 폴리실리콘이 녹은 후 도가니 바닥면이 일정 속도로 냉각되는 온도 구배를 만들어 DS 공정을 유도합니다. Cz 잉곳과 유사하게 자르기 및 스퀘어링 중에 생성된 DS 잉곳 섹션은 이후 잉곳 세대를 위해 재용해될 수 있습니다. 그러나 DS 잉곳의 경우 불순물 농도가 높기 때문에 최상단 부분은 일반적으로 재활용되지 않습니다.

프로세스가 큐브 모양의 용융 도가니에서 시작되기 때문에 DS 잉곳과 웨이퍼는 모양이 자연스럽게 정사각형이므로 완전한 모듈 내에서 본질적으로 전체 영역을 차지할 수 있는 다결정 기반 셀을 쉽게 생성할 수 있습니다. 일반적인 DS-실리콘 잉곳을 생산하는 데 약 76시간이 소요되며, 이 잉곳은 6 x 6 컷아웃에서 36개의 벽돌로 절단됩니다. 일반적으로 완성된 벽돌은 156.75mm x 156.75mm 정사각형 단면(표면적 246cm2)과 286mm 높이를 가지며 웨이퍼 두께가 180μm이고 95μm의 블록이 있을 때 벽돌당 1,040개의 웨이퍼를 생성합니다. 웨이퍼당 커프 손실. 따라서 DS 잉곳당 35,000~40,000개의 웨이퍼가 생산됩니다.

서지
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. 기본 PV 원리 및 방법 NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. 우드하우스, 마이클. 브리트니 스미스, 애쉬윈 람다스, 로버트 마골리스. 2019. 결정질 실리콘 태양광 모듈 제조 비용 및 지속 가능한 가격: 2018년 상반기 벤치마크 및 비용 절감 로드맵. 골든, 콜로라도: 국립 재생 에너지 연구소. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. 15페이지 이하

다양한 유형의 태양광 발전 시스템

전 세계적으로 화석 연료 가격이 계속 상승하고 배출 기준이 계속 엄격해짐에 따라 태양광 발전, 풍력 발전 및 에너지 저장 솔루션과 같은 재생 에너지에 대한 수요는 계속 증가할 것입니다.

태양이라는 용어는 태양을 의미합니다. 태양 전지는 태양광 효과를 통해 태양 전지(태양광 전지 또는 PV 전지라고도 함)를 사용하여 태양 조사 또는 빛 에너지로부터 변환된 에너지를 전기로 저장하는 데 사용되는 전지입니다. 그들은 배터리에서와 같이 화학 반응을 포함하지 않습니다. PV 전지는 금속의 일부 특성과 절연체의 일부 특성을 결합한 반도체 재료로 구성되어 빛을 전기로 변환할 수 있습니다.

빛이 반도체에 흡수되면 빛의 광자는 에너지를 전자로 전달하여 전자의 흐름을 생성할 수 있습니다. 전류란? 전자의 흐름입니다. 이 전류는 반도체에서 흘러 나와 리드를 출력합니다. 이 리드는 일부 전자 회로 및 인버터를 통해 배터리 또는 그리드에 연결되어 교류를 제어하고 생성합니다.

태양광 발전 시스템 전력 사용 방법

독립형(또는 Off-Grid) SPV 시스템:

여기에서 태양광 발전은 단일 가정이나 산업 단위 또는 소규모 커뮤니티에 사용됩니다. 태양 전지판에서 생산된 전력은 전자 컨트롤러를 통해 배터리로 보내지고 배터리는 에너지를 저장합니다. 배터리의 DC가 AC로 반전됩니다. 전기 부하는 이 배터리에서 전기를 끌어옵니다. 일반적으로 1kW 옥상 태양광 시스템에는 10제곱미터가 필요합니다. 그림자가 없는 영역의 미터. 그러나 실제 크기는 일사량 및 기상 조건, 태양광 모듈의 효율성, 지붕 모양 등의 국부적 요인에 따라 다릅니다.

그림 2. 단순한 오프 그리드 태양계
그림 2. 단순한 오프 그리드 태양계

직선형 계통연계형 태양광발전시스템(또는 계통연계형)

직선 계통 연계 시스템(또는 계통 연계 시스템)에서 SPV 패널은 컨트롤러와 에너지 미터를 통해 공공 배전 라인에 연결됩니다. 여기서는 배터리를 사용하지 않습니다. 전기는 먼저 가정의 즉각적인 전기 수요에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 이러한 요구 사항이 충족되면 추가 전력이 에너지 미터를 통해 그리드로 보내집니다. 집이 태양 전지 패널이 생산하는 것보다 더 많은 전력이 필요할 때 그리드 연결 태양열 발전 시스템을 사용하면 필요한 전력의 균형이 유틸리티 그리드에서 공급됩니다.

예를 들어, 집의 전기 부하가 20암페어의 전류를 소비하고 태양열 발전이 12암페어만 생성할 수 있는 경우 그리드에서 8암페어를 끌어올 수 있습니다. 분명히 밤에는 그리드 연결 시스템을 사용하여 낮 동안 생성한 전력을 저장하지 않기 때문에 모든 전기 요구 사항은 그리드에서 공급됩니다.

이 유형의 시스템의 한 가지 단점 은 전원이 꺼지면 시스템도 꺼지는 것입니다. 이것은 안전상의 이유입니다. 왜냐하면 전력선에서 작업하는 라인맨은 그리드에 전력을 공급하는 소스가 없다는 것을 알아야 하기 때문입니다. 계통 연계형 인버터는 계통을 감지하지 못하면 자동으로 차단해야 합니다. 즉, 정전이나 비상 시 전원을 공급할 수 없으며 나중에 사용하기 위해 에너지를 저장할 수 없습니다. 또한 피크 수요 시간과 같이 시스템의 전원을 사용하는 시기를 제어할 수 없습니다.

Grid Interactive 또는 Grid-tied(하이브리드) 태양광 발전 시스템

그리드 시스템에 공급할 수 있는 또 다른 시스템이 있습니다. 우리는 필요할 때마다 돈을 벌거나 우리가 공급한 에너지를 되찾을 수 있습니다.

배터리 저장 장치가 없는 태양광 발전 시스템 - Grid Interactive 또는 Grid-tied(하이브리드)

이 SPV 시스템은 태양열 전기를 생성하고 사내 부하와 지역 배전 시스템에 공급합니다. 이 유형의 SPV 시스템 구성 요소는 (a) SPV 패널 및 (b) 인버터. 계통 연결 시스템은 전기의 일부 또는 전체가 태양에서 나오는 것을 제외하고 일반 전력 시스템과 유사합니다. 배터리 저장 장치가 없는 이러한 시스템의 단점은 정전 시 전원 공급 장치가 없다는 것입니다.

장점 계통연계(하이브리드) 태양광 발전 시스템 배터리 저장 없음

유지 보수가 거의 필요하지 않은 가장 저렴한 시스템입니다.
시스템이 내부 요구 사항보다 더 많은 전력을 생산하는 경우 추가 에너지는 유틸리티 그리드와 교환됩니다.
그리드 다이렉트 시스템은 배터리가 포함되지 않기 때문에 효율성이 더 높습니다.
더 높은 전압은 더 작은 와이어 크기를 의미합니다.
2018-19 회계연도에 그리드 연결 옥상 태양광 시스템의 대략적인 비용은 Rs에서 다양했습니다. 와트당 53 – Rs. 와트당 60.

태양광 발전 시스템 다이어그램 그림 3. 배터리가 없는 그리드 연결 태양열
그림 3. 배터리가 없는 그리드 연결 태양열
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

배터리 저장 장치가 있는 Grid Interactive 또는 Grid-tied(하이브리드) 태양광 발전 시스템

이러한 유형의 태양광 발전 시스템은 그리드에 연결되어 있으며 주정부 인센티브를 받을 수 있는 동시에 유틸리티 요금을 낮출 수 있습니다. 동시에 정전이 발생하면 이 시스템은 백업 전원을 갖습니다. 배터리 기반 계통 연결 시스템은 정전 시 전력을 제공하고 비상 시 사용하기 위해 에너지를 저장할 수 있습니다. 조명 및 가전 제품과 같은 필수 부하에도 정전 시 백업 전원이 있습니다. 에너지는 나중에 사용할 수 있도록 배터리 뱅크에 저장되어 있기 때문에 피크 수요 시간에도 에너지를 사용할 수 있습니다.

이 태양광 발전 시스템의 주요 단점은 비용이 기본 계통 연결 시스템보다 비싸고 효율성이 낮다는 것입니다. 추가된 구성품도 있습니다. 배터리를 추가하려면 배터리를 보호하기 위한 충전 컨트롤러도 필요합니다. 백업하려는 중요한 로드가 포함된 하위 패널도 있어야 합니다. 집에서 그리드에서 사용하는 모든 부하가 시스템으로 백업되는 것은 아닙니다. 정전 시 필요한 중요 부하. 백업 하위 패널로 격리됩니다.

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