태양광 발전의 환전소, 인버터에 대해서 알아보자

태양광발전이라는 말을 들으면 거의 대부분 지붕위의 커다란 패널로 이루어진 태양광 '모듈'을 가장 먼저 떠올리게 된다. 하지만 이 모듈 하나만으로 태양광발전이 이루어질까? 대답은 당연히 NO. 모듈 이외에도 그에 준하는 중요성을 가진 장치들이 있다.

                                 태양광 모듈과 인버터 (출처 : 지멘스 자동화 사업본부)

1. 직류와 교류 (AC vs DC)

지금부터 태양광발전에 있어서 조용히 중요한 일을 해내고 있는 '인버터(Inverter)'라는 장치에 대해서 설명하려고 한다. 먼저 인버터를 설명하기에 앞서서 전기학 상식인 직류(Direct Current-DC)와 교류(Alternating Current-AC)에 대해서 알 필요가 있다.

-직류(DC)

직류 전원은 극성을 하나만 가지고 있다. 다시 말해서 +극성과 -극성 중 하나만을 유지하는 것을 직류라고 한다. 직류 전원이 사용되는 예를 주변에서 보면 리모컨이 있다. 리모컨은 건전지가 전원의 역할을 한다. 하지만 리모컨에 건전지의 방향을 임의대로 삽입하게 되면 리모컨이 작동하질 않는다. 그 이유는 건전지의 +, - 단자를 '정해준 방향'으로 삽입해야 되기 때문이다. 전원의 방향이 정해져있다는 것은 그 장치의 전원이 + 혹은 - 하나의 극성으로 정해져있다는 것을 뜻한다. 즉, 리모컨은 직류 전원 기동 장치이다.

DC 전원은 일반적으로 시간에 따라 변하지 않는, 상수 값의 파형을 나타내게 된다. (Constant Wave)

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-교류(AC)

교류 전원은 극성이 + 와 -로 계속해서 바뀐다. 직류 전원은 +나 - 둘 중 하나로 명백히 정해지는데 반해, 교류 전원은 극성을 말할 수가 없다. 극성이 끊임없이 바뀌기 때문이다. 어떻게 보면 직류 보다 정신 사나워(?) 보이는 전원으로 보일 수 있지만, 우리가 가정에서 사용하는 상용 220V는 사실 교류전원이다. 직류의 리모컨과 비교를 해보자. 선풍기는 일반적으로 콘센트에 꽂아 사용하는 AC 전원 장치다. 이 때 플러그를 콘센트에 어떠한 방향으로 꽂든 선풍기는 항상 일정한 방향으로 돌아간다. 플러그를 180도 뒤집어서 꽂는다고 해서 선풍기가 거꾸로 돌아갈 일은 없다. 즉, 선풍기는 교류 전원 기동 장치이다. 앞서 DC에서 건전지를 반대로 꽂으면 리모컨이 작동하지 않던 현상과 상반된 결과다.

AC 전원은 일반적으로 시간에 따라 그 값이 계속 변하는, 삼각함수 파형을 나타난다. (Sinusoidal Wave)

           

                                                                  pspice 시물레이션을 이용한 파형 검출 - 왼쪽 DC, 오른쪽 AC

                                 

2. 인버터의 역할

인버터가 태양광 발전에서 하는 일은, 결론부터 말하자면 DC를 AC로 바꾸어 주는 것이다. 태양광 모듈에서 발전되는 전원은 우리가 상용전력으로 사용하고 있는 AC가 아닌, DC의 형태로 생성이 된다.  이러한 DC는 송배전도 안 될 뿐더러, 가정에서 바로 사용할 수도 없다. 따라서 태양광을 대용량 발전용이든, 가정에서 소용량으로 사용하는 용도이든 간에 생성된 DC를 AC로 바꾸어주는 '장치'가 반드시 필요하다. 이 장치가 바로 인버터인 것이다.

쉽게 달러와 한화로 예를 들어 보자. 국내에서 소비활동을 하려면 당연히 달러를 한화로 바꾸어 주어야 한다. 그러면 달러를 환전소에서 한화로 바꾸어 주어야 한다.

여기서

달러 = 태양광에서 발생한 DC

한화 = 가정에서 쓰이는 상용 전력인 AC

소비 활동 =가정에서 전기를 소모하는 일

환전소 = 인버터로 생각을 하면 이해가 쉬울 것이다.

 3. DC-AC 변환의 어려움

 앞서 인버터의 역할은 DC를 AC로 바꾸어주는 것이라고 하였다. DC에서 AC로 바꾼다는 의미는 극성이 계속해서 바뀐다는 의미를 떠나서, 기존의 직선의 파형이 정현파 형태(일반적인 삼각함수 파형)로 바뀌어야 한다는 것을 의미 한다. 일반적으로 정현파에 가까운 전력을 '품질이 좋다' 라고 표현한다. 따라서 인버터는 최대한 DC 전원을 정현파에 가까운 전원으로 바꾸어 주어야 한다. 단순히 극성을 바꾸는 것만으로는 안 된다는 것을 뜻한다. 

-THD(고조파함유율)  

DC 전원을 얼마나 매끄러운 정현파로 바꾸었나를 나타내는 공식 지표로서 THD를 사용한다. THD수치가 0%이면 완벽한 정현파(좋은 품질)로 바뀌었음을 의미하고, 수치가 높아질수록 매끄럽지 않다는 것(나쁜 품질)을 의미한다. 즉 THD수치와 전력품질은 서로 반비례 관계이다. 태양광발전을 하는 공급자가 한국전력에 해당 전기를 팔기 위해서는 THD 수치를 5% 내로 맞추어야 한다. 이 수치를 초과하면 한국전력에서 취급을 하지 않는다. 따라서 인버터는 THD를 조절하는 것이 매우 중요하다고 볼 수 있다. 아래의 예를 보도록 하자.

실제로 THD 는 사각파형을 푸리에 시리즈로 전개시에 고조파 성분이 얼마나 많은 가를 나타내지만 내용이 복잡하므로 여기서는 자세한 설명은 하지 않는다.

파형(파란색 파형)은 총 4개로서 A~D파형이 있다. A 파형은 태양광모듈에서 인버터를 거치지 않은 순수한 전력이다. 앞에서 말했듯이 DC파형으로서 직선 파형이 나타나게 된다. 그 외에 B, C, D 파형은 각각의 다른 종류의 인버터를 거쳐서 나온 AC 파형이다. 우리가 이상적으로 생각하는 AC 파형이 빨간색 점선이라고 생각하면, D 파형이 그에 가장 가까운 파형이라고 볼 수 있다. 반대로 B 파형은 가장 닮지 않은 파형이라고 볼 수 있다. 

따라서 품질이 좋은 순위를 매기면 B<C<D가 되겠고, THD 수치가 높은 정도를 비교해보면 B>C>D가 된다. D가 가장 깨끗하고 THD 수치가 낮기는 하지만 이 조차도 THD 5%를 훨씬 웃도는 파형이다. 5%가 매우 깨끗한 품질의 전력임을 알 수 있다. 실제로 우리나라는 세계적으로 전력의 품질이 좋기로 유명하다.

위의 예시들은(B~D) multi step up down 파형으로서 소용량의 전력에만 사용되는 인버터이다. 고용량의 인버터는 SPW 라는 아주 매끄러운 정현파 출력을 할 수 있는 기법을 사용한다. 이들에 관한 설명은 생략한다.

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4. 그 밖의 고려 사항

DC 200 V를 AC 200 V로 고스란히 바꿀 수 있을 까? 대답은 역시 NO. 장치상의 손실이 없다는 가정 하에도 내부 회로의 한계로 인하여 보다 낮은 전압으로 바뀌게 된다. 하지만 이 부분은 승압기를 거치면 간단히 해결되는 문제이다.

다음으로는 내부 소자의 한계성이다. 당연한 말이겠지만, 많은 전력이 오가는 상황에서는 더욱 크고 고성능의 인버터가 필요하다. 다시 말하면 넓은 면적의 태양광 발전소 일수록 고성능의 인버터가 필요한 것이다. 이 때문에 인버터는 고용량 인버터와 저용량 인버터로 나뉘게 된다.

   

5. 태양광 산업에서의 인버터

LG화학 오창1공장의 태양광 발전소 전경

인버터의 중요성은 굳이 따지자면 태양광 셀 자체의 효율보다는 중요성이 떨어진다. 그만큼 태양광 셀의 효율은 아직 많이 떨어지기 때문이다. 인버터는 태양광 발전이 대두되기 이전부터 사용되던 장비로서 많은 발전을 이루어 왔지만 여전히 해결해야할 부분들이 있다. 앞서 말했듯이 대용량 태양광 발전소에 따른 용량 가용성의 증대 문제도 있으며, 발전소에서는 별 문제가 없지만 가정에서 사용 시에는 인버터 자체의 소음도 문제가 된다. 이밖에도 여러 문제를 해결함과 동시에 성능 향상을 위해서 아직도 연구 개발을 계속해서 진행 중이며 이러한 발전은 결국 태양광 산업과 시너지 효과를 내어 미래에 긍정적인 결과를 가져올 것이다.

                                                                                                                        S.F 7기 김재현 (sincowkjh2@gmail.com)