nasabon
주춧돌(nasabon)
기타 블로거

Blog Open 08.28.2017

전체     150546
오늘방문     5
오늘댓글     0
오늘 스크랩     0
친구     0 명
  친구 새글
등록된 친구가 없습니다.
  달력
 
9. Sizing Electra: Source
03/14/2020 10:00
조회  251   |  추천   3   |  스크랩   0
IP 47.xx.xx.161



* 이 주제에 관한 이전 글

03/07: 8. Knitting Electra
_____



이번 내용은 계산이 많아 골치가 아플 수도 있겠다.
그래도 주춧돌은 J-Blogger께서 계속 읽어주시리라 확신한다.
이제까지 수 많은 삶의 골치아픔을 극복하며 지금까지 왔는데
이 포스팅이 그런 삶의 골치아픔보다 더 골치 아프다면 굉장한 엄살이다.


Solar system은 보통 직류 12V, 24V, 또는 48V다.
이 세 가지 중 시스템 전압(V)을 정해야 하는데
48V로 하고 싶었지만 48V용 장비는 비싸 24V로 정했다.


8. Knitting Elantra에서 말했듯 집에서 하루 전기 사용량은 5kWh다.
알라스카 오지에서는 이보다 훨씬 적게 쓰겠지만
5kWh와 24V를 기준으로 설비를 꾸며보자.


Solar panel HQST-100D-SSP는 규격이 12V-100W다.
동작온도는 -40oF에서 194oF까지다.
개당 무게가 15lb고 크기가 2'x4'니 다루기도 적당하다.
패널에 bypass diode 등이 채용됐는지는 모르겠다.
더 좋은 태양판도 있을텐데 블로거 중에
전문가가 계시면 브랜드나 모델을 추천해 주시면 좋겠다.


100W라 해도 이건 햇빛의 입사각이 직각일 때이고 실제는 그렇지 않다.
해는 떠서 지고 (상하), 동에서 서로 (좌우) 움직인다.
해를 따라 움직이게 하려면 배보다 배꼽이 크니 붙박이로 한다.
그러면 빛의 입사각이 0o에서 90o까진데
상하 (latitude) 뿐만 아니라 좌우(azimuth)로도 그렇다.


그러면 직각으로 햇빛을 받는 면적은 sin2(θ)의 함수가 된다.
이를 0에서 π까지 정적분하면 0.5가 나온다.
즉 실효 효율이 50%이니, 규격 용량 100W의 반인 50W가 된다.
이게 최대 발전량인데 온도 등을 감안하면 더 적겠다.


또 하나의 큰 변수는 해가 떠있는 시간이다.
지난 번 포스팅한 2. 알래스카 기후에서
평균 sun rate는 흐리거나 비오는 날까지 감안하여 여름이 20%, 겨울은 10%였다.
그러면 solar panel 하나의 발전 용량은 여름에 50W x 0.2 = 10W, 겨울은 5W가 된다.


계산에 sun rate까지 넣었으니 여기에
24시간을 곱하면 개당 하루 발전량이 나온다.
여름엔 10W x 24h = 240Wh, 겨울엔 120Wh다.
실망스러운 수준이다.


그런데 이게 다가 아니다.
모든 전기/전자제품엔 효율이 있다.
하다못해 전깃줄에도 손실(loss)이 있다.
댓가 없이 결과 없다는 하나님의 창조원리다.


예를 들어 납축전지(lead-acid battery)의 효율은 70% 정도다.
100W의 전기를 집어넣으면 70W의 전기를 꺼내쓸 수 있다.
나머지 30W는 열 등으로 손실된다.


황당하지만 주춧돌은 하나님이 아니니 어쩔 수가 없다.
다행히 많이 비싸도 효율이 95%쯤 되는 배터리가 있다고 한다.
여기에 대해서는 다음 글 10. Sizing Electra: Storage에서 다루자.


MPPT 충전기(charge controller)는 효율이
95% 정도이고, (* MPPT: maximum power point tracking)
배터리에서 나온 직류를 가정용 교류로 바꿔주는
인버터(inverter)는 효율이 90%정도다.
그러면 eff=0.95(충전기)x0.95(배터리)x0.9(인버터)
해서 solar panel에서 발전된 전력의 80% 정도만
사용 가능하게 된다.


Solar panel 16개를 쓴다고 하면
총 발전량이 여름에 3kWh, 겨울에 1.5kWh 수준이다.
하루 5kWh를 얻으려면 여름이라도
solar panel 26개가 필요하다.
그러나 실제로는 집에서 보다 훨신 덜 쓰겠으니
우선 16개로 만족하고 나중에 필요하면 더 붙이자.
이를 오른쪽에 표로 정리했다.

 여름겨울
 Panel Capacity (W)100
 Geometric Eff. (%)50
 Sun rate (%)2010
 Effective W/panel105

 Operation Eff. (%)

80
 Wh/panel/day19296
 Number of panels16
 kWh/day31.5


지금까지 요약:

  • 해의 높낮이에 의한 기하학적 변수
  • 날씨 변수
  • 전기제품 효율 변수


Solar panel 연결은
시스템 전압이 24V이므로 왼쪽 그림처럼
2개를 직렬(series)로 연결한 string 8개를
병렬(parallel)로 연결하면 되겠다.
더 필요하면 이런 식으로 계속 붙여나가면 된다.
편의상 string 4개만 그렸다.


풍력발전(wind power generation)은 아주 실망스럽다.
풍력발전기에는 발전 시작 풍속(cut-in speed)이 있다.
제품에 따라 다르지만 보통 3.5mph 이상이고,
발전 중단 풍속은 보통 25mph쯤 된다.

지난 번 포스팅 2. 알래스카 기후에서 보인대로
최대 풍속은 9mph, 평균 풍속은 5.5mph 정도다.
풍력 발전기야 안 돌거나 간신히 돌겠지만,
이 정도라면 주춧돌은 확실히 돌아버리겠다.


이상하다... 알라스카에서도 풍력발전을 한다던데...
찾아보니 해안가만 바람이 있고, 내륙 지역은 고요~하다.
아래 왼쪽 지도에서 파랗거나 붉게 된 지역이 풍력발전할 만한 지역이다.



알라스카 어디 살지 모르지만 일단 풍력발전은 포기해야겠다.
나중에 자리가 잡히면 그때 재미삼아 하나 세워볼 수는 있겠지...
안됐다... 위 오른쪽 그림같은
helix vertical wind turbine이 폼난다고 신나했는데...


배터리 충전 전용 발전기는 도시가스를 연료로 쓰는 standby generator가 있다.
발전비용이 저렴해 정전 대비용으로 많이 설치한다.
그러나 규모가 크고 처음에 시설 마련을 위해
발전기를 동력원으로 사용해야 하는 상황에는 맞지 않는다.


동력원으로 쓸 수 있고, 배터리 충전에도 좋은
inverter generator라는 것이 있다.
일반 발전기는 가정용 교류를 직접 발전하지만
인버터 발전기는 저전압 직류로 발전하여
inverter라는 장치로 가정용 교류로 바꿔 내보낸다.


인버터 발전기는 교류 파형(wave form)이
매끈한 sine 파형이라 컴퓨터나 음향기기같은
정교한 전자장치에도 훨씬 안전하다.
일반 발전기는 파형이 매끈하지 않아
모터, 히터, 전등같은 데나 적당하다.

발전단가가 kW당 $0.30이니 8. Knitting Electra에서
말한 일반 발전기 $1.2와 비교하면 효율도 엄청 좋다.
그러나 아직은 출력이 상대적으로 작고 가격도 비싼 편이다.

그림에 보인 발전기는 Westinghouse에서 나온
iGen4500이라는 기종이다.
정격출력은 3.7kW이고, 리모트 스타트가 가능해서
AGS를 이용해 자동화할 수 있어 용도에도 적합하다.


별로 안 알아보고 싶어도 다음에는 저장장치인 배터리를 알아보자.



Need:

  • Solar panel: HQST-100D-SSP
  • 발전기: Westinghouse iGen4500


_____
* 태양광 발전에 대한 다음 글

03/21: 10. Sizing Electra: Storage
03/28: 11. Dressing Electra
04/04: 12. Decorating Electra


"알라스카" 카테고리의 다른 글
이 블로그의 인기글

9. Sizing Electra: Source