[디지키 테크리포트] 통합 충전기·인버터로 오프 그리드 광발전 전력 솔루션 간소화
[테크월드뉴스=이광재 기자] 많은 사용자들이 대체 에너지원을 채택함에 따라 최대 전력 지점 추적(MPPT)을 사용하는 광발전(PV) 패널에서 지원하는 오프 그리드 전력 솔루션이 인기를 얻고 있다.
하지만 이러한 시스템은 설치 및 설정이 복잡하다. 옵션을 조합하려면 여러 인버터와 충전기가 필요하므로 추가 비용이 발생한다.
이제 설계자는 단일 통합 AC/DC 충전, DC/AC 반전 및 AC 바이패스 장치를 사용해 오프 그리드 전력 및 배터리 충전 과정을 간소화하고 비용을 절감할 수 있다.
이 기사에서는 오프 그리드 전력 응용 제품과 PV 패널/MPPT 충전의 복잡성에 대해 간략하게 검토한다. 그런 다음 MEAN WELL의 통합 장치를 소개해 비용을 절감하면서 설치와 운영을 간소화할 방법을 보여준다. 가정용 응용 제품은 통합 제품 사용의 이점을 보여준다.
오프 그리드 전력 응용 제품이란?
오프 그리드 전력이 인기를 끌고 있는 이유는 이러한 시스템이 안정적이고 효과적이며 비용 효율적일 정도로 기술이 발전해 사용자가 에너지 유틸리티로부터 독립할 수 있게 해주기 때문이다.
이름에서 알 수 있듯이 오프 그리드 전력은 일반적으로 태양광을 전기로 변환하는 PV 패널과 같은 비 유틸리티 에너지원에서 파생된다. 풍력 발전도 선택지가 된다.
완전한 그리드 자율성을 달성하기 위해 오프 그리드 시스템에 ▲PV 패널(태양광을 DC 전기로 변환) ▲외부 태양광 MPPT 충전기(배터리로 공급되는 전력 흐름을 최적화해 에너지 저장을 최대화) ▲배터리(PV 패널에서 생성된 에너지를 저장) ▲DC/AC 인버터(배터리 전원을 가전제품에 필요한 AC로 변환) 등 몇 가지 핵심 부품이 필요하다.
많은 사용자가 완전한 에너지 자유성을 달성하기 위해 노력하지만 PV 패널이 모든 가정용 시스템에 충분한 전력을 지속적으로 생산하지 못할 수도 있다는 점을 이해하고 유틸리티 공급업체에 다시 연결하는 실용적인 예방 조치를 취한다. 그리드의 AC 입력은 배터리 에너지를 높이기 위해 DC 전력으로 변환된다(그림1).
자율 오프 그리드 시스템은 실용적이지만 구현하는 것이 간단하지 않다. 설정 및 유지보수에 주의가 필요하며 배터리 충전을 위해 전력 복귀를 추가하면 복잡성이 증가한다.
PV 패널이 최적의 위치에 최상의 각도로 실장되고 배터리가 태양광이 제한적이거나 아예 없을 때 주택에 전력을 공급하는 데 충분한 에너지를 저장할 수 있는 충분한 용량을 갖추고 있다고 가정하면 외부 태양광 MPPT 충전기, AC/DC 충전, DC/AC 반전 및 AC 바이패스는 시스템의 효율을 결정하는 핵심 요소다.
인버터의 역할 중 하나는 PV 패널과 배터리로 구성된 시스템에서 파생되는 DC 전기를 230V/60Hz 출력으로 변환하는 것이다. MEAN WELL ISI-501-212B 인버터와 같은 제품은 12VDC 입력을 수용하면서 총 고조파 왜곡(THD)이 3% 미만이고 AC 조정이 ±3%인 450W 진성 사인파 출력을 제공한다.
[그림1]에 표시된 설정에서 인버터는 납축 배터리에 요구되는 정전류 및 정전압 충전 특성을 포함해 MPPT PV 충전기로 작동한다.
MEAN WELL 장치는 개방형 또는 밀폐형 납축 배터리를 충전할 수 있도록 25~50V의 MPPT 전압 범위에서 최대 30A의 충전 전류를 공급한다.
MPPT란?
MPPT는 PV 패널과 같은 가변 전원과 함께 사용돼 조건에 따라 에너지 추출을 최대화한다.
MPPT는 PV 셀의 전력 도착 효율이 태양 플럭스, 음영, PV 패널 온도 및 부하의 전기적 특성에 따라 달라지는 문제를 해결한다. 이러한 조건이 변경되면 가장 높은 전력 도착 효율을 제공하는 부하 특성(임피던스)도 변경된다.
부하 특성이 전력 도착 효율을 가장 높게 유지할 때 시스템이 최적화되며 이 지점이 최대 전력 지점(MPP)이다. MPPT는 MPP를 달성하기 위해 조건의 변화에 따라 부하 특성을 조정하는 공정이다.
대부분의 최신 MPPT는 약 93~97%의 변환 효율을 제공한다. MEAN WELL ISI-501-212B는 98%의 통상 변환 효율을 제공한다.
ISI-501-212B의 MPPT 충전기 출력은 PV 패널의 출력을 활용해 오프 그리드 전력 시스템의 배터리를 충전하는 데 사용된다.
이는 MPPT를 사용하는 정의된 정전류/정전압 충전 프로파일을 사용해 최대 배터리 용량을 보장하고 배터리 충전 주기 수를 최대화하는 방식으로 이뤄진다(그림2). 부동 단계에서는 배터리를 거의 완전 충전 레벨로 유지해 자가 방전을 방지한다.
순수 사인파 AC 전압의 중요성
ISI-501-212B의 MPPT 충전기는 핵심이지만 오프 그리드 전력 시스템의 한 부분일 뿐이다. 예를 들어 납산 또는 리튬 이온(Li-ion) 배터리의 전력을 가전제품에 필요한 AC 전압으로 변환하려면 DC/AC 반전이 필요하다.
이러한 가전에는 역률 보정과 같은 전기적 문제를 방지하기 위해 순수 사인파 AC 전압이 공급돼야 한다.
DC/AC 인버터는 이를 위해 H 브리지 회로와 펄스 폭 변조(PWM)와 같은 제어 회로를 사용한다. H 브리지와 PWM을 결합하면 사인파에 근접하는 평균 전압이 생성된다.
PWM은 일반적으로 하나 이상의 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)에 의해 제어되며 근사 사인파를 형성하는 평균 전압을 생성하기 위해 펄스의 폭을 변경한다. 인덕터-커패시터(LC) 필터링을 통해 고조파 왜곡을 더욱 감소시켜 파형을 부드럽게 하고 더 깨끗한 사인파를 생성할 수 있다.
예를 들어 MEAN WELL의 NTN-5K-148 연속 인버터는 MCU를 사용해 THD가 3% 미만인 진성 사인파를 생성한다(그림3).
모든 상황에 적합
PV 패널, MEAN WELL ISI-501-212B 인버터 및 NTN-5K-148 연속 인버터를 사용하면 설계자가 완전한 오프 그리드 시스템을 구축할 수 있지만 연속 인버터는 더 많은 것을 제공한다.
개발자는 하나의 제품에서 배터리를 위한 AC/DC 충전, 전력 가전에 대한 DC/AC 반전, AC 바이패스 장치를 제공할 수 있다.
NTN-5K-148은 48V 입력이 필요하며 110VAC 출력을 생성한다. 93% 최대 효율로 4000W를 연속 공급할 수 있다. 이 제품은 여러 변형이 있는 MEAN WELL NTN-5K 계열의 일부다.
예를 들어 NTN-5K-2380은 AC 충전기 및 UPS 기능(AC 바이패스)이 내장된 매우 안정적인 오프 그리드 진성 사인파 DC/AC 전력 인버터다.
주요 특징으로는 MCU 제어가 가능한 디지털 설계, 환경 변화에 빠르게 대응하고 신뢰성을 향상시키는 간소화된 제어 회로망, 음향 잡음이 작은 고품질 팬, 연속 5000W 출력, 380VDC 입력에서 230VAC 출력 등이 있습니다. 최고 효율은 94.5%다(그림4).
NTN-5K 계열은 주거, 상업, 해양, 자동차, 광산, 건설 현장 및 유틸리티 전원을 이용할 수 없는 외딴 지역에서 사용하는 데 적합하다(그림5).
이 계열은 유효 전류 분배 기능이 내장돼 있으며 최대 6개의 장치를 병렬로 연결해 더 높은 AC 출력 전력을 공급할 수 있다.
결론
오프 그리드 전력 시스템은 독립성을 제공한다는 점에서 매력적이다. 하지만 이러한 시스템은 설치 및 설정이 복잡하다.
MEAN WELL의 연속 인버터는 통합 AC/DC 충전, DC/AC 반전 및 AC 바이패스 장치를 사용해 오프 그리드 전력 및 배터리 충전 비용을 간소화하고 절감했다.
오프 그리드 가정용 전력 및 배터리 충전에 필요한 기능을 처리하는 NTN-5K 계열 충전기/인버터가 그 예다.