태양광발전 1. 태양광패널 설치 및 배터리 충전

나는 월 전기사용량은 50~80kwh 정도이고,

전등, 컴퓨터, 선풍기, 인터넷, 핸드폰충전, 탈수기, DIY 공구 등등에 주로 전기를 사용한다.

냉장고, 에어컨, 전기밥솥, 세탁기는 없다.

10여년 전만해도 이정도 전기사용량이면 월 3,000~4.000원이면 되었다.

그러다가 저사용(월 100kwh 이하) 수용가에 대한 지원금(4,000원)이 조금씩 작아졌고,

그래서 월 전기요금이 조금씩 증가하가 시작해서 최고 7,000~8,000원까지 증가했다.

그러다가 최근 전기요금 인상으로 인해서 월 10,000~13,000원까지 올라갔다.

그리고 앞으로 전기요금은 계속 인상될 것으로 예상되고,

이대로 가만히 있다가는 월 5만원까지도 가능해 보였다.

그래서 자급형 전기공급을 검토해보기로 했다.

원자력, 화력, 수력, 풍력, 지열, 수소연료전지, 태양열은 개인이 하기에는 뻥카라고 보면 되고,

가능한 자급형 전기공급원으로 태양광발전이 유일한 해결책으로 정리되었다.

그래서 태양광발전을 설치해서 자급형 전기공급을 작게나마 시작해 보려고 한다.

지붕아래에 작업을 위한 교두보를 마련

태양광패널을 고정시키기 위한 프레임을 제작

알리에서 구입한 태양광패널 가격 67,000원, 0.5*1미터, 100W, 18Vdc, 5Adc

전압이 낮고, 전류가 높으므로 전선 연결시 납땜으로 처리하는 것이 좋으다.

납땜 후 전기테이프로 타이트하게 당기면서 꽉꽉 조여주면서 감아주고,

횟수는 약 6회 정도면 되겠다.

위 사진처럼 처리하면 빗물이 들어갈 일은 없으며, 10여년 정도 지나면 한번씩 보수해주면 된다.

패널 설치 완료

참고로 강화유리(좀 비쌈)가 아니고 PET 비닐로 표면이 처리되어 있는데,

이 비닐 벗기고 설치하는 것이 좋을 것임.

왜냐하면 그대로 두면 패널에 비닐이 녹아서 예후가 좋지 못할 것이기 때문에.

이것은 고장난 차단기를 분해해서 단순한 전선연결용 단자대로 재활용한 것

저 단자 양쪽이 태양광패널에서 내려온 전선 두 가닥이고, 양단 전압은 18Vdc

패널 부하용량 실험을 하였는데, 구름 조금 있는 맑은 날 실시했음

18V, 100W, 5A 라면 저항은 약 3 Ohm 정도되는 부하이면 되는데,

이런 조건의 부하용량 실험용 저항은 구하기 어렵다.

그래서 차량용 시거와 물+소금을 이용한 실험용 저항을 준비했다.

시거잭과 직렬로 물+소금 저항기를 연결해서 끓이고 있었는데

전선의 피복을 벗기고,

지름 2mm 정도의 구리선을 길이 2센티정도로해서 소금물에 넣었는데

전기분해되어서 소금물 속으로 녹아버렸다.

이때의 측정자료이다.

48W 정도 사용되었는데, 패널용량의 약 절반정도이다.

뭐 이정도이면 1차적으로 패널용량은 괜츈해 보인다.

나머지는 실부하 용량 시험에서 마저 검증해 봐야겠다.

18650 배터리 충전박스를 제작했다.

단자대에 전선을 접속할 때는 압착단자를 사용해도 되지만,

여러가닥의 연선일 경우 납땜을 해서 단자에 접속해도 된다.

16850 배터리홀더는 보호장치가 없을 경우의 배터리 길이에 맞추어서 제작되었기 때문에

보호장치가 부착된 배터리의 경우 탈부착이 뻑뻑하고,

계속 뻑뻑하게 사용하다가는 보호회로가 부착된 양끝부분의 회로접착부가 손상되어서 배터리가 망가지는 경우가 흔하다.

그래서 위 사진처럼 홀더 길이를 조금 길게 개조해서 사용하면 손쉽게 탈부착이 가능해진다.

18650 리튬이온 배터리 2,600mAh 보호회로 부착

배터리와 충전모듈(1A)을 일대일로 대응해서 연결시켰고, 총 8개의 배터리를 동시 충전가능.

패널 18Vdc -> DC-DC 스텝다운 컨버터(300W, 20A) -> 5Vdc -> 충전모듈 -> 18650 배터리 충전(8개 동시 충전가능)

총 소비전력 34W 측정됨

배터리 개당 약 4W(4V, 1A) 정도로 충전되고 있음

충전완료되면 빨간불에서 파란불로 변경되고,

완충전된 배터리는 약 4.15Vdc 로 측정되었음.

* 충전박스 제작비용(80,000원) 및 기타사항

1. 배터리 홀더 4구 두 개: 2,000원

2. 패널 입력전원 차단용 SW 두 개: 2,000원

3. 충전모듈 8개: 2,800원

4. 10P 단자대 한 개: 3,000원

5. DC-DC 스텝다운 컨버터 300W 20A 한 개: 7,000원

6. 18650 리튬이온 배터리 2,600mAh 24개 62,400원

7. 나머지는 재활용, 기존 부품, 버린 것 주워서 사용 등등

8. 일정기간 사용해보고 괜츈하면 충전박스(배터리 제외)를 한 개 더 설치할 예정

9. 저 태양광패널에 적합한 18650 배터리 동시 충전갯수는 16개까지면 적당하다고 보임

- 태양광발전 2. 인버터설치 및 실부하 측정

알리에서 구입한 인버터 500W, 순수 정현파, 12Vdc -> 220Vac, 60Hz, 15,000원

12Vdc 입력 -> 모펫 -> 12Vac(고주파) -> 고주파 트랜스(500W) -> 300Vac(고주파) -> 고주파 정류기 -> 400Vdc ->

모펫 -> sPWM모듈(순수 정현파) + 보회계전모듈 -> 라인필터 -> 220Vac 출력으로 회로분석 되었음.

특이한 점은 퓨즈(40A)를 두 개 병렬로 연결해서 80A까지 확장시킨 부분이 발견 됨

80A 한 개를 사용하는 것이 원칙이나, 응용해서 이렇게 사용하기도 함

인버터 박스 제작 완료

3구 홀더에 18650 3개를 직렬로해서 12V를 만든 후, 이것을 3개 병렬로 연결

3구 홀더 한 세트당 2.6A * 12V = 30W 이고

3구 홀더 3세트이면 30W * 3 = 90W

그래서 총 배터리 용량은 90W 이고, 시간까지 추가하면 90Wh 의 전력량이 됨

인버터에 12V 배터리 전압이 찍힘

인버터 출력 221Vac 찍힘

이것은 오실로스코프로 파형을 측정하기 위한 것으로,

220V에 오실이를 그대로 들이대면 타버리기 때문에 100배율의 프로브를 구입해서 측정해야하는데,

이게 가격이 몇 만원으로 꽤 비싸다.

그래서 철심 변압기(220Vac -> 12Vac)를 사용해서 저전압의 12Vac로 오실이 측정도구로 활용함

철심 변압기는 전압만 변경되고, 주파수, 위상, 파형은 그대로 전달되므로 프로브대신 사용 가능한 것임.

인버터 출력 전압: 순수 정현파 측정

인버터 출력 주파수 60Hz 측정

인버터 출력 파형과 위상 합격

참고로,

인버터 출력이 구형파, 수정 사인파, 유사 정현파는 던져버려라.

이런 것들은 백열전구, 납땜 인두기에나 사용가능한 것이고,

기타 다른 기기들에 사용하면 기기들이 망가지게 되어있다.

형광등 36W 2등 켜짐

전력 55W 측정

선풍기 강풍에 놓고 돌림

44W 측정

60W 백열전구

62W 측정

백열전구 60W + LED 전구 12W

70W 측정

2,600mAh 18650 배터리 9개를 사용한 인버터의 최대 출력은 약 70W 정도가 MAX로 측정되고,

더 이상 출력을 증가시키면 시스템이 셧다운 되었음.

이 부분은 아래 글에서 다시 설명하겠지만,

인버터에서 잡아먹는 손실이 약 10W 정도 되기 때문에, 실 입력 전력은 80W 정도 되는 것으로 보면 됨.

즉, 2,600mAh 18650 배터리 9개를 사용한 입력은 MAX가 80W 정도되고, 출력은 70W 정도로 보면 됨.

배터리를 병렬로 더 연결하면 용량은 증대될 것이고, 인버터 용량은 차고 넘쳐서 내부 냉각팬도 돌지 않을 정도였음.

이 인버터 박스는 이런 식으로 배터리 충전시키는 형식으로도 사용가능

다음은 배터리는 스킵하고, 태양광패널과 직접 인버터를 연결하는 형식을 진행해보자.

패널 18Vdc -> 스텝다운 컨버터 18Vdc -> 12Vdc로 변경 -> 인버터 입력 -> 220Vac 출력

이 콘센트는 220V 가 아니라, 직류 18Vdc 가 나오는 콘센트로 태양광패널 출력전압과 연결되어 있음

인버터 박스의 플러그를 극성을 맞추어서 콘센트에 꽂으면 18Vdc 가 인버터 박스로 입력됨

30W 백열전구

직류 입력 계측기에서 43W 측정되는데,

이것은 인버터와 컨버터가 잡아먹는 손실이 13W 정도 되는 것으로 분석되고,

인버터 10W 컨버터 3W 정도로 파악되었음.

인버터 출력측 계측기에서는 30W 측정됨

선풍기 강풍으로 돌림

직류 입력 계측기 60W 측정

교류 출력 계측기 45W 측정

수려한 순수 정현파 60Hz 출력 확인

ㅂ

선풍기 강풍, LED 전등 12W 점등

교류출력 계측기 55W

직류 입력 계측기 72W

컨버터, 인버터 손실 17W, 부하 소비전력 55W 가 한계였음

다시 말하면,

이렇게 100W 태양광패널과 직결한 인버터의 경우 패널에서 공급가능한 용량이 70W가 한계라는 것임

불타는 태양아래 울부짖는 사하라 사막의 한 복판에서 한 낮에 전기생산하는 패널이라면 100W 가능할 수도 있겠으나

한국에서는 100W 불가능하다 보면 되고, 각도 정확히 정조준해서 패널맞추면 80W까지는 가능하지 싶다.

인버터 500W, 컨버터 300W는 충분히 용량이 받쳐주는데 태양광패널이 70W까지만 받쳐주는 것이라 보면 됨.

아니면 태양광패널을 추가 구입해서 직렬로 연결하고 24V 인버터에 입력시키면 용량이 증가할 것임.

이렇게해서 태양광패널, 배터리 충전박스, 배터리 전용 인버터 박스. 태양광패널 직결 인버터 박스를 운용하게 됨

* 인버터 박스 제작비용 및 기타사항

- 배터리는 제외하고 산정(배터리비용은 이전 글 충전박스에 나와 있음)

A. 배터리 전용 인버터 박스(한 곳에 고정해서 사용): 22,450원

1. 배터리 홀더 3구 3개: 2,400원

2. 콘센트 2구 1개: 1,200원

3. 플러그 1개: 850원

4. 단자대 10P 1개: 3,000원

5. 인버터 500W 순수 정현파: 15,000원

B. 태양광패널 직결 인버터 박스(한 곳에 고정해서 사용): 22,850원

1. 플러그 1개: 850원

2. 컨버터(300W 20A): 7,000원

3. 인버터 500W 순수 정현파: 15,000원

C. 나머지는 재활용, 기존 부품, 버려진 것 주워서 사용 등등

D. 이동 및 휴대가 가능한 배터리 전용 인버터 박스를 추가로 제작할 예정

(콘센트 추가, 비상전등 추가, 배터리 용량 증대 등등 업그레이드 들어갈 것임)

- 태양광발전 3. 자립전원 형광등 설치

자가 생산한 자체 전력으로 형광등을 점등하는 시스템을 설치해보자.

배터리를 사용한 인버터박스를 이용하므로 야간에도 사용가능함

쓰레기장에서 업어온 폐형광등기구인데, 내 눈에는 멀쩡한 물건으로 보였음

안정기 교체하고, 청소하고 깨끗하게 만듬

36W 형광등 끼우고 전원연결하니 잘 켜짐

반짝이 필름을 나무에 붙여서 반사갓을 제작

반사갓 천정에 부착

형광등 부착

이 스위치는 두 가지 기능이 있음

1. 형광등을 켜는 기능

2. 인버터내의 배터리를 차단

3. 위 1, 2번이 동시에 이루어지기 때문에 형광등이 켜지고 꺼지게 하는 것임

4. 인버터내의 배터리를 그냥 두면 무부하일지라도 계속 소모되기 때문에 배터리자체를 차단시키는 것임

형광등에 연결된 플러그를 인버터박스 콘센트에 꽂음

한전 전원이 아니라,

자체 생산한 자급형 220Vac 전원으로 형광등 36W 한 개를 밝힘

여기까지가 최종 설치된 사진이고,

차후 아이디어가 떠오르면 계속 업그레이드 예정

* 자립전원 형광등 설치비용 및 기타사항

1. 자립전원 형광등 설치비용(9,300원)

a. 플러그: 850원

b. 스위치: 950원

c. 형광등 36W 1개: 2,500원

d. 안정기 36W 1P 1개: 5,000원

e. 나머지는 재활용, 버린 것 주워서 사용, 기존 부품 기타 등등

f. LED 전등은 뽑기운이 많이 작용하고, 심지어 사용후 몇 달 안에 나가버리는 경우도 있고,

요즈음 나오는 2,000원짜리 30W LED전등은 6개월~18개월이 수명기간이고, 

그래서 등기구 자체를 전체 교체하는 것이 귀찮고, 또한 폐기물(플라스틱 및 반도체소자들)이 너무 자주 발생해서 문제임

반면에 형광등은 몇 년후에는 생산중단될 것이지만, 그때까지는 형광등 사용하기로 했음

수명도 길고, 부품교체 및 표준화가 전혀 없는 LED등에 비해서 형광등은 등과 안정기 교체가 표준화되어서

제조사를 구별할 필요가 없고, 교체형식도 간단해서 좋고, 등과 안정기의 수명도 길어서 좋음.

2. 기타사항

a. 전기요금 및 전기의 미래 단, 중, 장기 전망

단기적으로 전기요금은 계속 상승할 것이고, 

장기적으로 보면 일반 가정집의 경우에 15~20만원이 최종 귀착점이 아닐까 추정됨

중기적으로 전력회사 민영화가 자주 언급되고 실현될 가능성 농후하다 봄

중장기적으로 미래의 전원은 교류에서 직류(380Vdc)가 가정집에 공급될 것

중장기적으로 화력, 가스는 쇠퇴하고, 원자력 원탑, 태양광 투탑이 되고 이 둘이 약 80%까지 차지할 것임

풍력은 계속 건설될 것이나 태양광에 비해서 많이 약할 것임

수소연료전지의 미래는 아리쏭쏭해서 뭐라 언급할 부분이 없음

일반 개인의 경우 태양광발전을 자립전원으로 많이 활용할 것임

태양광패널 효율이 증대하고, 배터리용량이 증대하고 동시에 가성비가 뛰어날수록 태양광은 득세할 것임

b. 에너지문제

나처럼 산골에서 땔감으로 난방, 취사를 해결하고, 지하수 관정으로 물을 해결하고

그러면 전기만 잘 해결하면 에너지문제에서 크게 어려울 것이 없어 보이지만,

일반 도시인의 경우 전기, 가스, 물의 공공에너지 공급은 차후 계속 비용상승이 이어질 것이고,

80%를 차지하는 일반 서민들의 생업은 지금보다 훨씬 더 이것들에 좌우될 것으로 예측해 본다.

c. 위 언급중에 직류 380Vdc가 가정집에 공급되는 이유는 태양광발전에서 생산되는 직류를

교류로 변환하는 과정에서 효율이 너무 낮기 때문에 원자력에 이어서 투탑을 차지하는 태양광발전의 

직류전원을 바로 활용하면 저효율 문제를 해결가능하기 때문이고, 대신에 원자력에서 생산된 교류는

전봇대에서 직류로 변환되어서 가정집에 공급될 것이다. 이것은 산업통산자원부의 자료에서도 언급되어 있음.