태양광 패널은 실제로 어떻게 작동할까요? 태양광 발전 원리 및 컴바이너 박스 사이징에 대한 심층 분석

태양광 에너지의 급속한 성장은 전 세계 에너지 지형을 재편하고 있습니다. 하지만 9,300만 마일을 이동한 햇빛이 어떻게 단순한 파란색 패널에 도달하여 우리 생활에 필요한 전기로 변환되는지 제대로 이해한 적이 있나요? 그리고 대규모 태양광 발전 시스템에서는 수백, 수천 개의 패널에서 나오는 에너지를 어떻게 안전하고 효율적으로 모을 수 있을까요?

이 글에서는 원자의 미시적 세계부터 시스템 엔지니어링의 거시적 영역까지 안내합니다. 태양광 발전의 핵심 원리를 이해하고 시스템 안전과 효율성에 가장 중요한 단일 구성 요소인 태양광 결합기 박스를 선택하는 데 필요한 포괄적인 가이드를 제공합니다.

1부: 태양광 발전의 미시적 세계-태양광 효과에 대한 심층 분석

햇빛을 전기로 바꾸는 마법은 태양전지의 결정 구조 깊숙한 곳에서 일어납니다. 광전지 효과로 알려진 이 과정은 물리학 및 재료 과학의 흥미로운 상호작용입니다.

1.1 태양광 발전 효과: 태양광을 전기로 바꾸는 마법

태양광의 핵심은 광자라고 하는 작은 에너지 패킷으로 구성되어 있습니다. 이 광자가 태양광 패널에 부딪히면 광자의 여정은 끝나지만 새로운 여정이 시작됩니다. 광자가 충분한 에너지를 전달하면 태양 전지판의 물질 내 원자로부터 전자를 떨어뜨릴 수 있습니다. 이렇게 하면 음전하를 띤 자유 전자와 양전하를 띤 전자가 있던 자리에 양전하를 띤 “정공'이라는 두 개의 입자가 생성됩니다. 전류를 생성하는 것은 이러한 전자의 제어된 움직임입니다.

1.2 핵심 소재: 왜 실리콘인가?

여러 소재가 태양광 효과를 발휘할 수 있지만, 실리콘(Si)은 태양광 산업의 확실한 왕입니다. 주기율표 14족에 속하는 실리콘은 반도체의 일종입니다. 즉, 구리처럼 훌륭한 전도체도 아니고 유리처럼 훌륭한 절연체도 아닙니다. 실리콘의 특성은 그 중간 어딘가에 있어 전자의 흐름을 제어하는 데 완벽합니다.

순수한 실리콘 원자는 매우 안정적인 결정 격자 구조를 형성합니다. 각 실리콘 원자는 4개의 외부 전자 중 하나를 4개의 인접 원자와 공유하여 강력한 공유 결합을 형성합니다. 이 순수한 상태에서는 전류를 전달할 수 있는 자유 전자가 거의 없기 때문에 순수한 실리콘은 열악한 전도체가 됩니다. 실리콘의 잠재력을 끌어내려면 불순물을 의도적으로 도입하는 도핑이라는 과정을 거쳐야 합니다.

1.3 “매직” 정션 만들기: P-N 정션의 탄생

모든 태양전지의 핵심은 P-N 접합입니다. 이곳에서 전류를 구동하는 전기장이 생성됩니다. 이 접합은 약간 다른 두 종류의 도핑된 실리콘을 결합하여 형성됩니다.

N형 반도체(네거티브): N형 실리콘을 만들기 위해 순수한 실리콘 결정에 인과 같은 소량의 원소를 “도핑'합니다. 인은 5개의 외부 전자를 가지고 있습니다. 결정 격자에서 실리콘 원자를 대체할 때 전자 중 4개는 인접한 실리콘 원자와 결합을 형성하지만 다섯 번째 전자는 남습니다. 이 여분의 전자는 자유 전하 캐리어가 되어 이동하고 전기를 전도할 준비가 됩니다. 전자는 음전하를 띠기 때문에 이를 N형 실리콘이라고 합니다.
P형 반도체(포지티브): P형 실리콘을 만들기 위해 실리콘에 외부 전자가 3개밖에 없는 붕소와 같은 원소를 도핑합니다. 붕소가 실리콘 원자를 대체하면 3개의 공유 결합만 형성할 수 있습니다. 네 번째 결합에는 전자가 하나 없어 “구멍”이 생깁니다. 이 구멍은 양전하처럼 작용합니다. 이 구멍은 이웃 원자의 전자로 채워질 수 있으며, 그러면 새로운 구멍이 남게 됩니다. 이러한 정공의 움직임은 양전하의 흐름과 동일합니다. 이를 P형 실리콘이라고 합니다.

N형과 P형 층이 합쳐지면 마법이 일어납니다. N형 측의 여분의 자유 전자는 즉시 P형 측으로 확산되어 풍부한 정공을 채웁니다. 마찬가지로, P형 측의 정공은 N형 측으로 확산됩니다. 이러한 확산은 전하 캐리어가 서로 상쇄된 “공핍 영역”으로 알려진 접합부에 얇은 영역을 생성합니다.

전자가 N형 쪽을 떠날 때 양전하를 띤 인 이온을 남깁니다. 정공이 P형 쪽을 떠날 때(또는 전자로 채워질 때) 음전하를 띤 붕소 이온이 남습니다. 이렇게 공핍 영역에서 양이온과 음이온이 분리되면 강력하고 영구적인 내부 전기장이 생성됩니다. 이 전계는 일방통행로 역할을 하여 더 이상의 확산을 방지하고 안정적인 평형을 유지합니다.

1.4 전류의 형성: 전자의 여정

이제 이 모든 것을 종합해 보겠습니다.

광자 타격: 충분한 에너지를 가진 태양광 광자가 태양 전지에 부딪혀 전자-정공 쌍을 생성합니다.
전기장에 의한 분리: 이 쌍이 고갈 영역 또는 그 근처에서 생성되면 내부 전기장이 즉시 작용합니다. 이 전기장은 자유 전자를 N형 쪽으로, 정공을 P형 쪽으로 쓸어버릴 만큼 강력합니다. 이렇게 하면 두 전자가 재결합하여 서로 중화되는 것을 방지할 수 있습니다.
잠재력 구축: 이 과정은 초당 수십억 번 반복됩니다. 전기장은 N형 쪽에 전자를, P형 쪽에 정공을 대량으로 축적하여 셀 전체에 전압 차이(또는 전위)를 생성합니다.
회로를 통과하는 흐름: 인버터나 배터리에 연결된 배선과 같은 외부 회로가 P형과 N형에 연결되면 축적된 전자는 마침내 이동할 수 있는 경로를 갖게 됩니다. 전자는 N형 쪽에서 외부 회로(전구에 전력을 공급하는 등 유용한 작업을 수행)를 거쳐 다시 P형 쪽으로 흘러가 정공과 재결합합니다. 이 연속적이고 방향성 있는 전자의 흐름을 우리는 전기라고 부릅니다.

마이크로에서 매크로까지: 컴바이너 박스의 필요성

하나의 태양 전지는 약 0.5볼트, 즉 아주 적은 양의 전력만 생산합니다. 유용한 에너지를 생성하기 위해 수십 개의 셀을 직렬로 연결하여 태양광 패널(또는 모듈)을 만들고, 여러 개의 패널을 함께 연결하여 “스트링”을 형성합니다. 대규모 상업용 또는 유틸리티 규모의 시스템에서는 이러한 스트링을 수십 개 또는 수백 개 결합해야 합니다.

물리학의 미시적 세계와 엔지니어링의 거시적 세계가 만나는 곳입니다. 이 모든 스트링의 전력을 안전하고 효율적으로 통합하는 것은 매우 중요한 작업입니다. 이를 위해서는 태양광 어레이의 DC 측을 위한 중추 신경계가 필요합니다. 이 중요한 역할은 PV 컴바이너 박스.

2부: 태양광 시스템의 “중추 신경계” - 태양광 결합기 박스를 올바르게 선택하는 방법

PV 컴바이너 박스는 단순한 정션 박스 그 이상입니다. 여러 태양광 스트링의 출력을 단일 출력으로 병합하는 동시에 중요한 보호, 절연 및 모니터링 기능을 제공하는 필수 장비입니다. 대규모 태양광 프로젝트의 안전, 신뢰성 및 성능을 위해서는 올바른 선택이 무엇보다 중요합니다.

2.1 PV 컴바이너 박스란 무엇이며 왜 필수적인가요?

두 개 또는 세 개 이상의 문자열이 있는 모든 시스템에서 컴바이너 박스는 네 가지 주요 기능을 수행합니다:

결합합니다: 스트링의 수많은 입력 와이어를 인버터로 연결되는 관리하기 쉬운 하나의 메인 출력 케이블로 통합합니다. 따라서 배선이 획기적으로 간소화되고 값비싼 구리 케이블 비용이 절감됩니다.
보호: 여기에는 각 스트링마다 개별 퓨즈 또는 회로 차단기가 있습니다. 하나의 스트링에 단락과 같은 오류가 발생하면 퓨즈가 이를 분리하여 나머지 시스템이 안전하게 계속 작동할 수 있도록 합니다.
연결을 끊습니다: 여기에는 인버터에서 전체 어레이의 전원을 차단할 수 있는 마스터 차단 스위치(DC 차단기 또는 스위치 차단기)가 포함되어 있어 유지보수 및 응급 서비스를 위한 중요한 안전 지점을 제공합니다.
모니터(선택 사항): 고급 “스마트” 컴바이너 박스에는 각 스트링의 전류와 전압을 추적하는 모니터링 하드웨어가 포함되어 있어 실시간 성능 분석과 신속한 장애 감지가 가능합니다.

2.2 크기 조정을 위한 6단계 방법 컴바이너 박스

컴바이너 박스의 크기를 올바르게 결정하는 것은 체계적인 과정입니다. PV 모듈 및 인버터 데이터시트의 데이터를 참조하여 다음 6단계를 따라 안전하고 효율적인 선택을 하세요.

1단계: 시스템 전압 레벨 결정(1000V 대 1500V)
첫 번째 결정은 시스템의 최대 DC 전압입니다.

1000V 시스템: 여전히 많은 상업용 및 산업용 옥상 프로젝트에서 흔히 사용됩니다. 약간 더 짧은 문자열과 더 많은 병렬 연결을 사용합니다.
1500V 시스템: 새로운 대형 상업 및 유틸리티 규모의 프로젝트를 위한 표준입니다. 더 긴 스트링을 허용함으로써 총 스트링 수, 컴바이너 박스 및 케이블 길이를 줄여 전체 BOS(시스템 균형) 비용을 낮춥니다.
사용자의 선택에 따라 박스 내부의 모든 구성 요소에 필요한 전압 등급이 결정됩니다. 모든 퓨즈, 차단기 및 SPD는 선택한 시스템 전압에 맞는 정격이어야 합니다.

2단계: 문자열 수 및 총 전류 계산하기
배열에 포함할 문자열 수와 각 결합기 상자에 연결할 문자열 수를 결정합니다. 상자는 4개, 8개, 12개, 16개 또는 그 이상의 문자열에 대한 입력으로 사용할 수 있습니다. 박스의 총 출력 전류는 문자열 수에 각 문자열의 작동 전류를 곱한 값입니다. 이 총 전류에 따라 주 차단 스위치의 필요한 정격이 결정됩니다.

3단계: 문자열 보호 퓨즈 선택
각 스트링은 한 스트링에 음영이 생기거나 결함이 있어 다른 병렬 스트링에 전류가 역으로 공급되는 경우 발생할 수 있는 역전류로부터 보호되어야 합니다. 이러한 퓨즈의 크기를 결정하는 업계 표준 공식은 다음과 같습니다. 후유 전기, 입니다:

퓨즈 정격 = Isc × 1.56

어디 Isc 는 단일 PV 모듈의 단락 전류입니다(데이터시트에서 확인할 수 있음). 1.56 승수는 패널이 일시적으로 정격 출력을 초과할 수 있는 춥고 밝은 날에 성가신 트립을 방지하기 위한 안전 계수를 제공합니다.

4단계: 주 DC 연결 해제 구성하기
메인 분리를 통해 박스를 인버터에서 분리할 수 있습니다. 두 가지 기본 선택 사항이 있습니다:

DC 몰드 케이스 회로 차단기(MCCB): 고전류 시스템(일반적으로 >100A-250A)과 높은 단락 차단 용량이 필요한 곳에 선호됩니다. 견고하며 대규모 상업 및 유틸리티 규모의 애플리케이션에서 흔히 사용됩니다.
DC 소형 회로 차단기 (MCB): 적당한 전류를 사용하는 소규모 시스템에 적합합니다. 많은 옥상 상업용 프로젝트에 비용 효율적인 솔루션입니다.

씨엔쾅야 솔라의 가이드에서 강조한 것처럼, 선택은 총 출력 전류와 시스템의 계산된 잠재적 오류 수준에 따라 달라집니다.

5단계: 서지 보호 장치 지정(SPD)
서지 보호 장치는 타협할 수 없는 안전 구성 요소입니다. 이 장치는 과도한 전압을 안전하게 접지로 전환하여 낙뢰 또는 전력망 서지로 인한 손상으로부터 인버터 및 기타 전자 제품을 보호합니다. 컴바이너 박스의 경우 유형 2 SPD 가 일반적으로 필요합니다. 최대 연속 작동 전압(MOCV)이 시스템의 최대 전압보다 높은지 확인하세요.

6단계: 인클로저 재질 및 IP 등급 평가하기
인클로저는 수십 년 동안 내부의 중요한 구성 요소를 외부 요소로부터 보호합니다.

Material: cnkuangya 는 기후에 따라 선택이 달라진다는 점에 주목합니다. 폴리카보네이트 는 내구성이 뛰어나고 자외선에 강하며 부식이 없는 옵션으로 대부분의 환경에 적합합니다. 페인트 또는 스테인리스 스틸 는 물리적 내구성이 뛰어나며 대형 지상 설치형 유틸리티 프로젝트에 자주 사용됩니다. 해안가 설치의 경우 염분 부식에 견딜 수 있는 스테인리스 스틸이 필요합니다.
IP 등급: IP(Ingress Protection) 등급은 인클로저가 먼지와 물로부터 얼마나 잘 밀봉되어 있는지를 나타냅니다. 실외 설치의 경우 IP65 등급은 절대적으로 최소입니다. 이렇게 하면 인클로저가 “방진”되고 모든 방향에서 분사되는 저압의 물 분사에도 견딜 수 있습니다.

2.3 일반적인 상용 애플리케이션 시나리오

다음 예시를 통해 이러한 선택이 실제 디자인에서 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다. ETEK‘의 제품 라인업을 살펴보세요:

대형 상업용 루프탑(1000V): 병렬 스트링이 많은 시스템의 경우 중앙 DC MCCB가 있는 12입력, 1출력 금속 인클로저 박스가 탁월한 선택입니다. 이 박스는 고전류를 처리할 수 있으며 어레이의 넓은 부분에 대해 하나의 명확한 절연 지점을 제공합니다.
소규모 유틸리티 규모 필드(1500V): 더 높은 전압의 이점을 극대화하려면 400A DC MCCB가 장착된 16입력 금속 컴바이너 박스를 사용하는 것이 적합합니다. 이렇게 하면 많은 수의 스트링을 통합할 수 있으므로 필요한 박스 수와 전체 케이블을 최소화할 수 있습니다.

2.4 일반적인 선택 및 설치 “피트” 피하기”

완벽하게 지정된 상자라도 잘못 설치하면 실패할 수 있습니다. 다음과 같이 강조 표시된 일반적인 필드 오류를 기반으로 HUYU, 에서 피해야 할 세 가지 중요한 실수를 소개합니다:

온도 감속 무시: 퓨즈 및 차단기와 같은 구성품은 특정 주변 온도(예: 25°C)에서 작동하도록 정격화되어 있습니다. 40°C의 날에 직사광선에 놓인 컴바이너 박스는 내부 온도가 60°C 이상에 달할 수 있습니다. 이 열은 구성품의 전류 전달 용량을 감소시킵니다. 실제 고온 조건에서 구성품이 조기에 트립되지 않도록 항상 제조업체의 경감 곡선을 참조하세요.
AC 및 DC 구성 요소 혼합: 교류(AC) 용으로 설계된 회로 차단기를 직류 애플리케이션에 사용하지 마세요. AC 차단기는 아크를 끄기 위해 0을 교차하는 전압에 의존합니다. DC 전압은 일정하므로 AC 차단기는 DC 아크를 차단하지 못하여 치명적인 화재로 이어질 수 있습니다. 항상 적절한 정격의 DC 구성품을 사용하세요.
케이블 글랜드 씰링이 잘못되었습니다: 물은 전자제품의 적입니다. 값싼 케이블 글랜드를 사용하거나 올바르게 조이지 않으면 박스의 IP 등급이 손상됩니다. 습기는 필연적으로 침투하여 부식, 단락 및 시스템 고장을 일으킬 수 있습니다.

결론

태양 에너지를 마스터하려면 이를 가능하게 하는 기초 과학에 대한 이해와 안전하고 신뢰할 수 있는 시스템을 구축하기 위한 탄탄한 엔지니어링 원칙을 부지런히 적용하는 두 가지 초점이 필요합니다. 전자의 비약적인 도약부터 1500V 컴바이너 박스의 견고한 엔지니어링에 이르기까지 모든 수준의 세부 사항이 중요합니다.

PV 컴바이너 박스는 단순한 부품이 아니라 시스템의 DC 측을 보호하는 수호신입니다. 선택 단계를 주의 깊게 따르고 일반적인 함정을 피하면 태양광 투자의 수명, 안전 및 성능을 보장할 수 있습니다.

다음 태양광 프로젝트에 적합한 보호 솔루션을 지정하는 데 전문가의 도움을 받으려면 다음 연락처로 전문가 팀에 문의하세요. cnkuangya.com.