태양광 발전 시스템 설계: PV 모듈 구성 및 전기 설계
Aug 27, 2026
그만큼태양광 발전 시스템 설계광전지(PV) 모듈 선택, 어레이 레이아웃, 주요 전기 연결, 낙뢰 보호 및 접지를 포함한 여러 기술적 측면을 포함하는 체계적인 엔지니어링 프로세스입니다. 과학적으로 건전하고 합리적인 설계는 태양광 자원, 기후 조건, 프로젝트 위치의 부지 특성을 고려하는 동시에 안전성, 경제적 성과 및 발전 효율성 간의 균형을 달성해야 합니다. 이 기사에서는 태양광 발전 시스템 설계 설계-모듈 구성과 전기 시스템-의 두 가지 핵심 영역에 초점을 맞추고 엔지니어링 실무에 대한 지침을 제공하기 위해 핵심 기술 고려 사항과 설계 표준을 요약합니다.
태양광 발전 시스템 설계
1. PV 모듈 선택
PV 모듈 선택의 기본 원칙은 발전소 주변 자연환경, 건설 여건, 운송 물류 등을 고려하면서 높은 수준의 기술 성숙도와 안정적인 작동을 제공하는 주류 모듈 유형을 선택하는 것입니다. 최종 선택은 전반적인 성능이 가장 좋고 프로젝트에 가장 적합한 PV 모듈을 식별하기 위한 종합적인 평가를 기반으로 해야 합니다.
2. PV 어레이 작동 모드 설계
PV 어레이는 고정-기울기, 조정 가능한-기울기 또는 추적 시스템의 세 가지 방법 중 하나를 사용하여 설치할 수 있습니다. 일사량, 기후 조건, 운영 환경, 설치 용량, 설치 장소의 면적 및 특성, 부하 특성, 운영 및 관리 관행 등의 요소를 바탕으로 기술 경제성 비교를 통해 적절한 설치 방법을 선택해야 합니다.
PV 지지 구조물의 레이아웃 구성은 응력 집중을 피하기 위해 적절하게 선택되어야 합니다. 적용된 힘의 크기에 따라 각 구조 부재에 적합한 단면을 선택해야 합니다. 모든 구조부재의 강도를 최대한 활용하면서 철강 소비를 최소화해야 합니다.
설계 수명 전반에 걸쳐 PV 지원 시스템은 구조적으로 안전하고 신뢰할 수 있어야 하며 바람과 눈 하중은 물론 환경 영향을 견딜 수 있어야 합니다. 최저 비용으로 최적의 프로젝트 건설 결과를 얻을 수 있도록 설치 타당성도 고려해야합니다. PV 발전소를 설계하고 건설할 때 지지 구조물 유형의 선택은 종합적인 평가를 통해 현지 조건에 맞게 조정되어야 합니다. 다양한 유형의 PV 지지 구조 비교가 표 1에 나와 있습니다.
표 2
| 아니요. | 목 | 결정된 지원 구조 |
수평 단일-축 추적 구조 |
기울어진 단일-축 추적 구조 |
이중-축 추적 구조 |
결정된 조정 가능한-틸트 지지 구조 |
| 1 | 바람 저항 민사 기반 |
지지구조물의 바람저항을 결정하기 위해 국부 최대풍속을 기준으로 지배하중 케이스에 맞게 설계 | 바람 저항은 고정 지지 구조와 동일합니다. 실제 하중-지탱 요구 사항은 고정 지지 구조의 요구 사항보다 낮습니다. | 바람 저항은 고정 지지 구조와 동일합니다. 기초 요구사항은 수평 단일{0}}축 추적기보다 높지만 고정 지지 구조보다 낮습니다. | 바람 저항은 고정 지지 구조와 동일합니다. 지배적인 하중 사례에서 기초 요구 사항은 기울어진 단일{0}}축 추적기의 요구 사항과 유사합니다. | 바람 저항은 고정 지지 구조와 동일합니다. |
| 2 | 설치 요구사항 |
움직이는 부품이 없습니다. 낮은 설치-정확성 요구사항 및 상대적으로 간단한 설치 | 움직이는 부품이 있습니다. 설치에는 더 높은 정확도가 필요하며 고정 지지 구조보다 더 복잡합니다. | 움직이는 부품이 있고 남쪽을 향한 -기울기가 추가되었습니다. 수평 단일-축 구조보다 설치 정확도 요구 사항이 약간 더 높고 설치가 약간 더 복잡합니다. | 이중-축 추적 구성요소 및 더 많은 움직이는 부품; 가장 높은 설치-정확성 요구 사항 및 가장 복잡한 설치 | 고정 지지 구조와 유사합니다. 메인 빔은 움직이는 구성 요소이지만 추적 구조보다 움직이는 부품이 적습니다. |
| 3 | 인위적인 성숙함 |
간단한 시스템, 널리 사용되며 기술적으로 성숙함 | 대략 GWP 규모의 국내 적용이 가능한 성숙한 기술 | 기울어진 단일{0}}축 기술은 설치 기울기를 추가합니다. 수평 단일-축 구조보다 약간 덜 성숙함 | 가장 복잡한 기술; 국내 또는 해외에 대규모-적용 사례 없음 | 고도로 성숙한 기술 |
| 4 | 해당되는 위도 |
제한 없음 | 중위도-~고위도- 지역 | 제한 없음 | 제한 없음 | 저위도-지역 |
| 5 | 신뢰할 수 있음 | 간단하고 신뢰할 수 있음 | 주요 구동 및 제어 장비의 품질과 신뢰성을 관리해야 합니다. 고정 지지 구조보다 신뢰성이 낮습니다. | 기울기를 추가하면 작동 조건이 약간 더 복잡해집니다. 수평 단일{0}}축 구조에 비해 신뢰성이 약간 낮습니다. | 유니버설 조인트는 손상되기 쉽고 제어 시스템이 복잡하여 단일-축 추적 구조에 비해 실패율이 훨씬 높고 신뢰성이 낮습니다. | 신뢰성은 고정 지지 구조에 가깝고 추적 구조보다 높습니다. |
| 6 | 토지 면적 MW당 |
약 25뮤 평평한 지형에서 |
약 30뮤; 토지 면적이 증가합니다. 약 15% |
40뮤; 토지 면적 약 50% 증가 |
50뮤; 토지 면적 약 100% 증가 |
약 28뮤; 토지 면적이 약 10% 증가합니다. |
| 7 | 참조 단위 비용 |
0.3–0.4 위안/Wp |
0.3~0.4 증가 위안/Wp 대비 고정 지지 구조 |
0.4~0.5 증가 위안/Wp 대비 고정 지지 구조 |
1.4~2.5 증가 위안/Wp 대비 고정 지지 구조 |
0.1~0.2 증가 위안/Wp 대비 고정 지지 구조 |
| 8 | 발전 혜택 |
100%로 가정 | 110%–120% | 120%–125% | 130%–140% | 100%–110% |
| 9 | 25년 O&M 비용 비교 |
25년 이상, 기본적으로 유지관리-무료 |
25년 동안 고정 지지 구조와 비교하여 주요 추가 사항은 기계 장비의 정기 검사 및 윤활입니다. | 25년 이상, 수평 단일-축 추적 시스템보다 약간 더 복잡함 | 25년 넘게 추적 시스템이 가장 복잡하고 광범위한 교육이 필요함 | 수동 조정이 필요합니다. 조정은 1년에 4번 수행됩니다. 조작은 비교적 간단하다 |
3. 인버터 및 컴바이너 박스
PV 발전소에 사용되는 인버터에는 주로 중앙형 인버터, 스트링 인버터, 분산형 인버터의 세 가지 유형이 있습니다. 일반적으로 사용되는 세 가지 인버터 유형에 적용 가능한 시나리오는 표 2를 참조하여 결정할 수 있습니다.
인버터를 선택할 때 제조업체의 업계 실적, -판매 후 서비스, 향후 장비 업그레이드 비용 및 업그레이드 중복성에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 인버터는 실제 현장 조건과 프로젝트 요구 사항에 따라 선택해야 합니다. 변환 효율이 높은 인버터 모델이 우선되어야 합니다.
표 2
| 기술적인 매개변수 | 중앙 인버터 | 스트링 인버터 | 분산형 인버터 |
| 적용 가능한 시나리오 | 모듈 각도가 일정하고 프로젝트 규모가 상대적으로 큰 시나리오에 적합합니다. | 모듈 각도의 차이가 크거나 프로젝트 규모가 상대적으로 작은 애플리케이션에 적합합니다. | 모듈 각도의 차이가 크고 프로젝트 규모가 상대적으로 큰 시나리오에 적합합니다. |
4. 태양광 발전 시스템 설계의 PV 어레이 레이아웃
PV 발전소의 PV 어레이와 인버터 간의 용량 비율은 PV 어레이 설치 유형, 현장 조건, 태양 에너지 자원 및 다양한 시스템 손실 등 종합적인 고려 요소를 고려하여 기술 경제적 비교를 통해 결정되어야 합니다. PV 어레이의 설치 용량과 인버터의 정격 용량 비율은 다음 요구 사항을 준수하는 것이 좋습니다.
클래스 I 태양광 자원 지역: 일반적으로 1.2를 초과해서는 안 됩니다.
클래스 II 태양광 자원 지역: 일반적으로 1.35를 초과해서는 안 됩니다.
클래스 III 태양광 자원 지역: 일반적으로 1.5를 초과해서는 안 됩니다.
지지 구조물 사이의 간격 설계에서는 주로 인접한 구조물 사이의 그림자를 고려합니다. 북반구에서 PV 모듈의 최적 방향은 정남향입니다. 최소 간격은 다음 기준에 따라 결정되어야 합니다. 동지 기준 오전 9시부터 오후 3시까지 북쪽 방향의 앞줄 모듈 투영이 뒷줄 모듈의 하단 가장자리에 닿아서는 안 됩니다. 즉, 남북 방향에는 그림자가 없어야 합니다.-
이 기준은 태양 고도각이 가장 낮고 그림자가 가장 긴 동지의 극단적인 작동 조건을 기반으로 합니다. 이는 일년 중 어느 기간 동안에도 시스템 출력이 음영으로 인해 영향을 받지 않도록 보장합니다.
PV 모듈과 지면 사이의 간격 설계, 즉 지면 위-모듈의 가장 낮은 지점 높이-는 주로 PV 사이트 내 복합 토지 사용 요구 사항, 홍수-통제 요구 사항, 주변 장애물에 의한 모듈 음영, 지면 식생 범위 및 "PV +" 적용과 같은 요소의 영향을 받습니다. 양면 PV 모듈을 사용하는 경우 발전 효율도 고려해야 합니다.
단면 모듈에 비해 양면 PV 모듈의 장점은 후면에서 받는 빛의 양이 많을수록 양면 이득이 커진다는 것입니다. 후면- 에너지 이득에 영향을 미치는 주요 요인에는 지면 알베도, 지지 구조물 높이, 조사 조건 및 행 간격이 포함됩니다. 결과적으로 얻는 이점은 계절에 따라 다릅니다.
PV 지지 구조물과 지반 사이의 최소 간격을 결정할 때 위의 요소를 종합적으로 고려해야 하며 동시에 안전성과 경제성이 최대한 균형을 이루어야 합니다. 지면 위의 PV 모듈의 최소 높이를 적절한 정도로 높이면 발전 효율을 향상시키고 에너지 생산량을 어느 정도 높일 수 있습니다. 그러나 이는 또한 지지 구조 및 기초의 비용을 증가시켜 프로젝트의 경제적 성과에 일정한 영향을 미칩니다.
태양광 발전 시스템의 전기 설계 설계
1. 주요 전기 연결
PV 발전소는 하나 이상의 발전 장치로 구성됩니다. 주요 전기 연결은 이러한 발전 장치가 상호 연결되고 수집되는 방식을 결정합니다. 로컬 승압 변환 후 각 장치에서 생성된 전력은 수집되어 승압 변전소의 버스바로 공급됩니다.-
승압 변전소 버스바의 전압 수준은 지역 전력망의 구조 및 장기 계획을 준수해야 할 뿐만 아니라 PV 발전소의 용량, 초기 건설 투자, 운영 및 유지 관리 비용 등의 요소를 종합적으로 균형을 맞춰 결정해야 합니다. PV 발전소의 유형에 따라 일반적인 버스바 전압 레벨에는 0.4kV, 6kV, 10kV 및 35kV가 포함됩니다.
발전소의 주요 전기 연결은 건설 일정에 따라 계획될 수 있습니다. 발전소가 단일 단계로 건설 및 시운전되고 그리드-연결 지점이 하나만 있는 경우 일반적으로 단일-버스바 구성을 채택할 수 있습니다. 발전소가 단계적으로 건설 및 시운전되거나 2개 이상의 그리드-연결 지점이 있는 경우 일반적으로 분할된 단일-버스바 구성이 더 적합합니다.
2. 배전설비
배전 장비의 배치는 프로젝트의 지리적 위치, 지역 기후 조건, 사용 가능한 부지 면적, 고도 등의 요소를 종합적으로 고려한 후 선택해야 합니다. 장비는 특정 조건에 따라 실내 또는 실외에 설치할 수 있습니다.
현재 국내 PV 발전소의 10~35kV 배전 장비는 일반적으로 실내에 설치된다. 실내 장갑형, 인출형, AC 금속{3}}폐쇄 개폐 장치가 기본 구성입니다. 일부 지역에서는 10~35kV 배전 장비에 육불화황(SF₆) 가스-절연 금속-폐쇄 개폐 장치를 사용할 수도 있으며, 이는 특히 염수 분무 방지, 절연 강화 또는 토지 이용 감소를 위해 기술적으로나 경제적으로 타당합니다.
최근에는 기술의 발전으로 조립식 캐빈-형 배전 장비가 점점 일반화되고 있습니다. 스위치기어 스테이션은 공장에서 사전 제작되고 현장에서 모듈식으로 조립될 수 있습니다. 이러한 접근 방식은-현장 건설 및 시운전 작업을 줄이고 건설 기간을 단축하며 에너지를 절약하고 환경을 보호하며 개폐 장치 스테이션에 필요한 토지 면적을 줄입니다. 기술적으로나 경제적으로 적절한 경우 우선순위가 부여될 수 있습니다.
3. 태양광 발전시스템의 낙뢰 보호 및 접지 설계
전체 PV 필드를 포괄하는 주 접지 그리드는 일반적으로 PV 발전소 내에 설치됩니다. 기본 접지 그리드의 외부 경계는 일반적으로 PV 필드의 경계와 일치해야 하며 폐쇄 루프를 형성해야 합니다.
주 접지 그리드는 가로 및 세로 방향의 수평 접지 도체를 모듈 지지 구조에 연결하여 형성된 네트워크로 구성됩니다. 수직 접지 전극은 가장자리를 따라 그리고 접지 그리드 내에 고르게 분포되어야 합니다. 모듈 지지 구조물의 기초는 가능한 경우 자연 접지 전극으로도 사용해야 합니다.
PV 발전소의 주 접지 그리드는 일반적으로 아연 도금 평강 또는 원형 강철을 주 접지 도체로 사용합니다. PV 필드의 기본 접지 그리드의 접지 저항은 4Ω을 초과해서는 안 됩니다.
PV 모듈과 금속 지지 구조물 사이의 접지를 위해 가장 일반적인 방법은 먼저 구리 도체를 사용하여 인접한 PV 모듈의 금속 프레임 사이에 안정적인 연결을 설정한 다음 PV 모듈의 각 행의 양쪽 끝을 금속 지지 구조물에 연결하는 것입니다.
접지 구리 도체를 설치하기 불편한 일부 옥상 PV 프로젝트의 경우 금속 커넥터를 모듈과 지지 구조물 사이의 도체로 사용할 수 있습니다. 이 방법을 채택하는 경우 모듈 프레임의 보호 알루미늄-산화막을 관통할 수 있는 스테인레스-스틸 와셔를 커넥터에 장착하여 모듈 프레임과 금속 지지 구조 사이의 전기적 연속성을 보장해야 합니다.
모듈 지지 구조는 먼저 인접한 지지 구조에 등전위로 결합되어 접지 그룹을 형성한 다음 접지 그리드에 연결될 수 있습니다. 신뢰성을 보장하려면 각 지원-구조 접지 그룹을 두 지점 이상에서 접지 그리드에 연결해야 합니다. 이러한 연결 지점은 지지 구조물의 각 행 양쪽 끝에 설치되어야 합니다.
링- 모양의 등전위 접지 그리드는 PV 필드의 각 로컬 승압 변압기 주위에 설치되어야 하며 PV 필드의 기본 접지 그리드에 안정적으로 연결되어야 합니다. 로컬 승압 변압기가 일체형 금속 인클로저가 있는 박스-형 변압기를 사용하는 경우 인클로저는 최소 2개 지점에서 등전위 접지 그리드에 안정적으로 연결되어야 합니다. 금속 사다리를 포함하여 박스-형 변압기의 모든 노출된 금속 부분도 접지 그리드에 연결해야 합니다.
4. 태양광발전시스템 설계시 케이블 선정 및 설치
PV 발전소의 PV 모듈과 스트링 결합기 박스 또는 스트링 인버터 사이에 설치된 케이블은 일반적으로 PV 전용 케이블입니다. 자외선에 대한 저항성, 내후성, 난연성-및 기타 특성은 현재 산업 표준의 요구 사항을 준수해야 합니다.
분산형 PV 프로젝트의 경우 건물-통합형 또는 건물 장착형- PV 시스템에 사용되는 케이블은 우수한 난연성 성능을 가져야 합니다.- 구리 도체는 일반적으로 전기 전도성이 좋기 때문에 선택됩니다.
공공-규모의 PV 발전소의 경우 케이블은 일반적으로 넓은 지역에 분산됩니다. 따라서 케이블은 일반적으로 직접 매설 방식으로 설치되며, 이 경우 외장 케이블을 사용해야 합니다. 특히, PV 모듈 영역이 차지하는 토지 필지가 분산된 프로젝트의 경우 10kV 또는 35kV 가공선을 컬렉터 회로로 사용할 수 있습니다.
PV 어레이 영역 내의 기둥과 타워는 PV 모듈에 그림자를 드리울 수 있으므로 라인 계획 중에 가공선의 그림자 범위를 계산해야 합니다. 라인 레이아웃은 모듈의 음영을 최소화하기 위해 PV 어레이 레이아웃과 조화를 이루어야 합니다.
PV 시스템의 AC 및 DC 케이블 길이를 결정할 때는 케이블 용량과 시스템 전압 강하를 모두 고려해야 합니다. PV 시스템의 AC 전압 강하는 일반적으로 3%를 초과해서는 안 되며, DC 전압 강하는 일반적으로 2%를 초과해서는 안 됩니다.
전압 강하가 해당 요구 사항을 충족하지 않는 경우 관련 케이블의 단면적을 늘리거나 장비의 상대적 위치를 조정하여 케이블 경로를 줄이고 전압 강하를 지정된 한도 내로 유지해야 합니다.
5. 모니터링 시스템
중국의 PV 발전소는 일반적으로 무인 또는 최소한의 인력으로 운영됩니다. 일부 지상에 설치된- PV 발전소는 현장 인력 운영을 대체하기 위해 원격 모니터링을 채택하기 시작했습니다.- 설계 단계에서는 일반적으로 프로젝트의 현재 단계가 주요 고려 사항으로 간주되며 이전 및 후속 단계도 고려됩니다. 시스템은 발전소에서 채택한 자동화, 운영 및 관리 수준과 호환되어야 합니다.
중국의 대부분 PV 발전소는 승압 변전소 또는 개폐 장치 스테이션과 PV 어레이 영역에 대해 별도의 모니터링 시스템을 사용합니다.{0}} 이 접근 방식은 승압 변전소 모니터링 시스템과 PV 모니터링 시스템 간에 제한된 양의 정보 교환만 필요하므로 구현이 상대적으로 간단하다는 장점이 있습니다. 하지만 정보 활용도가 낮다는 단점도 있습니다.
지능형 모니터링 시스템을 채택한 후 PV 발전소는 전체 시설에 대한 포괄적인 데이터 수집 및 파노라마 모니터링을 달성할 수 있습니다. 이 시스템은 파견, 생산 관리 시스템 등 주요 시스템과 수직적 통합을 구축하는 동시에 발전소 내 주요 자동화 장비와 수평적 연결을 제공할 수 있습니다.
지능형 모니터링 시스템은 경제적인 운영 의사결정-, 온라인 진단 및 자동 복구, 자동 검사 및 오류 분석, 오류 경고와 같은 기능도 지원할 수 있습니다.
결론
그만큼태양광 발전 시스템 설계모듈 선택, 어레이 레이아웃, 전기 연결, 케이블 설치 및 모니터링 시스템을 포함한 모든 단계에서 포괄적인 조정이 필요합니다. 현지 조건 및 프로젝트 요구 사항에 따라 최적의 솔루션을 선택해야 합니다.PV 기술이 지속적으로 발전하고 지능 수준이 높아짐에 따라 시스템 설계는 더 높은 요구 사항과 더 많은 가능성에 직면해 있습니다. 발전소의 안전하고 안정적인 운영을 보장하고 강력한 경제적 성과를 달성하려면 과학적인 계획과 세부 설계가 필수적입니다.
