2.1.1 수명

일반적으로 PV발전설비의 기대수명은 25년 내외로 알려져 있고, 이를 위해 태양광모듈 제조사는 최대 30년의 출력 보증을 제공하고 있다 ⁽⁹⁾. 그러나 국내 PV발전설비 전용 직류배선에 사용중인 F-CV 케이블의 수명에 대한 보증은 없고, 25년 이상 사용이 가능할지 확신할 수 없다. 태양광발전 특성상 외부환경에 노출될 수밖에 없는 상황이기 때문에 빗물, 자외선, 해충 등으로 인해 기대수명은 더욱 짧아질 것이다. 일본전선공업사에서 작성한 기술자료 제107호에 따르면 옥외에서 사용하는 가교폴리에틸렌절연 비닐시스 케이블 및 비닐절연비닐시스 케이블과 같은 저압케이블의 일반적인 내용 연수는 15년에서 20년 사이로 정의하고 있어, PV발전설비를 25년간 운전할 경우에는 추가적인 직류배선 교체가 요구될 수 있고 케이블의 정격전압보다 높은 전압이 인가될 경우 이 기대수명은 더욱 단축될 것이다 ⁽⁵⁾.

2.1.2 정격전압의 불일치

향후, 저압이 1,500 $V_{dc}$로 확대될 경우 현재 사용중인 정격전압 1 $kV_{ac}$ 케이블을 계속적으로 사용하는데 한계가 있다. KS C IEC 60502-1에서는 정격전압을 1 $kV_{ac}$로 정의하지만, 이를 뒷받침할 시험항목은 별도로 존재하지 않는다. 반면, IEC 62930에는 절연체 직류장기 저항성 시험을 통하여 최대사용전압인 1.8 $kV_{dc}$에 대한 내구성을 검증하고 있다. 즉, 현재 사용중인 정격전압 1 kV F-CV 케이블은 1 $kV_{ac}$를 초과하는 전압을 지속적으로 인가할 경우, 1.5 $kV_{dc}$ 태양광용 케이블에 비해 수명단축과 절연파괴 등으로 인한 사고발생 가능성이 높아질 수밖에 없다.

2.1.3 배선비용의 증가

앞서 살펴본 것처럼 정격전압 1 $kV_{ac}$ 케이블은 확대될 저압범위에 적합하지 않기 때문에 향후에는 더 높은 정격전압을 갖는 케이블로 대체되어야 한다. 표 1은 PV발전설비 직류배선에 사용될 수 있는 케이블의 금액을 정격에 따라 정리하였으며, 국내에는 정격전압 3 $kV_{ac}$ 케이블과 TUV인증을 받은 PV발전설비 직류배선 전용 케이블은 국내에서는 취급되고 있지 않아 해외 제품 가격정보를 참고하였다 ^(10)(11).

만약 1 $kV_{ac}$ 케이블의 대안으로 PV발전설비 직류배선 케이블이 아닌 정격전압 3 $kV_{ac}$ 또는 10 $kV_{ac}$ 케이블을 선택할 경우, 케이블 비용이 약 4배 정도 증가하는 것과 더불어 여전히 외부환경에 대한 내구성은 확보되지 않는다는 문제점이 있다.

4.2.1 설계방법의 적용

본 논문에서 제안한 PV발전설비의 직류배선 설계 방법은 그림 2의 설계 흐름도에 근거하여 하기와 같이 6단계로 적용 하였다.

Step 1에서 전체 발전용량은 180 kW, 스트링 전압은 직류전압확대를 고려하여 직류 1,000 V이상으로 결정하였다.

Step 2에서 스트링 전압 SV=NM(36)×$V_{Module, OC}$(39.9)=1,436.4 V, 스트링 전력 SP=36(모듈직렬수)×300=10,800 W, 스트링 최대출력시 전압 1,173.6 V, 스트링 1대당 DC/DC 컨버터 1대(11 kW), 스트링 16병렬, 어레이당 4개의 스트링, 총 4개의 어레이로 구성하였다.

Step 3에서는 컨버터의 입력전압과 인버터의 입력전압을 계산한다. 컨버터의 입력전압은 Step 2에서 구한 스트링 전압을 고려하여 최대 0 ~ 1,500 V로 하고, 컨버터는 스트링 최대출력점에서의 전압인, 스트링 전압 1,173.6 V에서 운전되도록 한다. 출력전압은 연결되는 계통 선간전압과 진폭변조율을 고려하여 689.5 V가 되도록 하고, 60 kW의 용량을 갖는 인버터 3대로 구성하였다.

Step 4에서는 스트링에 흐르는 정격전류는 모듈정격출력 300 W에서의 9.2 A이나, 스트링 단락사고를 고려하면 단락전류 9.7 A를 기준으로 결정하게 된다. 전선의 굵기 선정을 위해 KS C IEC 60364-5-52 내 배선 허용전류 표와 태양광모듈의 사양서를 참고하였다. 허용전류 표에 따르면 1.5$mm^{2}$ 굵기의 전선은 26A까지 허용 가능하여, 1.5$mm^{2}$ 이상의 굵기를 갖는 전선은 9.7 A에서 모두 사용이 가능하며, 주위온도 및 공사방법에 따라 케이블의 허용전류가 최대 60% 가량 감소할 수 있다. 동시에 태양광모듈 사양서에는 4$mm^{2}$를 사용하도록 하고 있는데 이는 앞서 언급한 환경적 요인을 최대한 고려한 수치이며, 이에 따라 설계사례에서도 4$mm^{2}$ 굵기의 케이블을 채택하여 구성하였다.

또한, 직류배선 케이블을 결정하는 Step 5에서는 PV발전설비의 전압범위가 직류 1 kV를 초과하므로 직류배선의 안전성을 확보하기 위해 KS C IEC 62930의 적용을 받는 케이블을 채택하였다.

Step 6에서는 IEC 60364-7-712를 따라 배선의 배치를 과도과전압이 최소가 되도록 하고, 전술의 6단계의 결정사항을 바탕으로 직류 1,500 V이하 PV발전설비의 배선도를 구성하면 그림 5와 같다.

그림. 5. OO지역 직류 1,500 V이하 PV발전설비 공사현장 배선도

Fig. 5. PV generation system construction site wiring diagram of DC 1,500 V in a certain area

앞서 표 3 및 표 4에서 살펴본 계산식을 이용하여 설계방법을 적용해보면, 표 5와 같이 구할 수 있다.

한편, Step 1의 단계에서 스트링 전압을 기존의 1,436.4 V에서 1,000 V 이하인 750 V 급으로 설계하게 된다면, PV발전설비의 스트링 직류배선이 그림 5의 기존의 16병렬에서 그림 6의 모습처럼 32병렬로 구성된다.

그림. 6. OO지역 직류 750 V이하 PV발전설비 공사현장 배선도

Fig. 6. PV generation system construction site wiring diagram of DC 750 V in a certain area

4.2.2 고찰

앞서 2장에서 저압 확대에 따라 PV발전설비 직류배선에 발전에 나타날 수 있는 문제점으로 수명, 정격전압의 불일치 및 배선비용의 증가를 도출하였다. 제안된 직류배선 설계방법의 적용을 통해서 이와 같은 문제점을 최소화할 수 있음을 확인할 수 있었다.

먼저 Step 5에서는 태양광발전 시스템전압이 1 $kV_{dc}$를 초과할 경우, KS C IEC 62930에 준하는 케이블을 의무적으로 사용하도록 하고 있기 때문에 1 $kV_{dc}$를 초과하는 PV발전설비에서 케이블의 수명을 최소 25년 이상 확보할 수 있음은 물론이고, 기존 정격전압 1 $kV_{ac}$ 케이블로 인해 발생될 수 있는 정격전압 불일치 문제를 해결할 수 있게 된다. 그 밖에도 Step 3을 통해서 PV발전설비 시스템전압이 직류 750 V를 초과하였을 때, 직렬수를 늘려 스트링 및 어레이에서 접속함까지 사용되는 직류배선을 절감시킬 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 Step 6을 통해서는 시스템전압과 관계없이 이상전압으로부터 태양광발전 설비의 안전성을 추가로 확보할 수 있게 되었다.

그리고 저압범위가 1,500 $V_{dc}$로 확대되면 직렬수의 증가로 인해 접속함까지 사용되는 배선이 감소하여, 직류배선에 흐르는 전류 또한 감소하는 장점이 있다. 앞서 설계사례에서 스트링에 흐르는 전류를 9.2 A로 구하였고, $I^{2}R$에 대입하여 발생되는 손실을 계산할 수 있다. 750 V 이하에서는 병렬수가 32개, 1,500 V 이하에서는 16개였으므로 병렬수가 감소함에 따라 각 스트링에서 발생하는 총 손실도 다음과 같이 절반가량 감소한다.

$\dfrac{9.2^{2}\times R\times 16}{9.2^{2}\times R\times 32}\times 100=50%$

발전손실 이외에도 공사비용 및 노무비용에도 표 6 및 표 7에서 보이는 것과 같이 절감효과가 일부 생길 것으로 예상된다.

배선의 비용은 앞서 표 1에서 살펴본 단가를 바탕으로, 그림 4에 명시된 길이를 적용하여 계산하였다. 직류 750 V이하 사례에서는 모듈에서 접속함까지 사용된 직류배선은 총 2.56km이고, 직류 1,500 V이하 사례에서는 병렬수가 감소하여, 기존대비 절반인 1.28km가 소요되어, 결과적으로 케이블의 비용은 표 6과 같이 계산된다.

사용되는 배선이 감소함에 따라 노무비에도 변화가 생기게 되는데, 2019년 상반기 적용 건설업 임금실태 조사 보고서의 시중 노임단가, 케이블전공 4.62와 보통인부 4.62를 적용하여 표 7과 같이 노무비용을 계산할 수 있다 ⁽¹⁵⁾.