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다영 호
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1 Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 28, No. 5, pp , September 2013 by The Korean Society of Safety (pissn ) All right reserved. 독립형태양광가로등의실시간분석기술개발을위한실태조사 김두현 김성철 황동규 권혜영 충북대학교안전공학과 ( 접수 / 채택 ) A Field State Investigation on Standalone PV streetlight for Development of Real-time Analysis Technology Doo Hyun Kim Sung Chul Kim Dong kyu Hwang Hye-Young Gwon Department of Safety Engineering, Chungbuk National University (Received April 11, 2013 / Accepted July 15, 2013) Abstract : This paper is aimed to investigate the actual conditions of standalone PV(Photovoltaics) streetlight in public place and analyze cause of failure and derive the method of decrease for standalone PV streetlight. The cost of installing standalone PV streetlight in a public for the safety and convenience of life is expensive(300 million won per unit). Management of standalone PV streetlight is important because it is operating system itself, after installation, but concern degree of management is very low and development of technology has not been done. Accordingly, standalone PV streetlight in public place is not operate in night, this phenomenon is lasted for several days to months. Therefore this study, for standalone PV streetlight constantly to keep the normal operation, investigation conducted to check status of standalone PV streetlight(50 units), the voltage of the main parts and analyze the cause of the failure. In addition, the improvement of standalone PV streetlight is suggested by using FTA(fault tree analysis). Key Words : standalone PV streetlight, field state investigation, battery, controller 1. 서론 화석에너지의고갈과지구환경의문제로전세계적으로각종화석연료의사용을규제하고있으며대체에너지의기술개발및기대가증가하고있다. 특히, 태양광에너지는신재생에너지중가장풍부한자원으로미래에지배적으로사용될수있는에너지원으로평가받고있다. 이에따라국내 외적으로태양광산업및시장이급격히성장하고있다. 정부는태양광분야의기술추이에발맞춰국내태양광산업의경쟁력을갖추기위해다각도의정책을추진중에있으며그일환으로 2012 년부터 RPS(Renewable Portpolio Standard) 제도를도입하여태양광에의한발전량을의무적으로부과하여태양광발전의보급률을높일계획이다 1-2). 이에따라정부는글로벌이슈인 저탄소녹색성장 에보조를맞추어 태양광주택 10 만호보급사업, 에너지소비총량제 등과같은여러가지녹색에너지지원 육성책마련과더불어신 재생에너지와관련된 R&D 투자를확대해태양광발전설비는최근몇년동안급격히증가하였다 3). 이에따라지자체별로태양광발전량을충족시키기위해서는공원및보도에상당수의태양광가로등을설치하고있다 4). 태양광가로등은부품의구성에따라계통연계형과독립형으로구분하고있다. 계통연계형은계통과연계하여태양광모듈에서의발전량이수용가의부하전력량보다 a) Grid-connected PV streetlight b) Standalone PV streetlight Fig. 1. Block diagram of PV streetlights. 큰경우에는계통전원으로역전송하고, 부족한경우에는 Corresponding Author: Dong Kyu Hwang, Tel: , hdk0068@naver.com Department of Safety Engineering, Chungbuk National University, 52, Naesudong-ro, Cheongju, Chungbuk , Korea 10

독립형태양광가로등의실시간분석기술개발을위한실태조사 계통전압을유입하여사용하는형식이다. 독립형은축전설비를갖추고주간에발전된전력을저장하여필요시에축전된전력을사용하는방식으로공공의목적으로공원및도보, 계통으로부터전력을공급받기어려운도서및산간지역에사용된다. Fig. 1 은계통연계형과독립형태양광가로등의구성도를나타낸그림이다.

2 독립형태양광가로등의실시간분석기술개발을위한실태조사 계통전압을유입하여사용하는형식이다. 독립형은축전설비를갖추고주간에발전된전력을저장하여필요시에축전된전력을사용하는방식으로공공의목적으로공원및도보, 계통으로부터전력을공급받기어려운도서및산간지역에사용된다. Fig. 1 은계통연계형과독립형태양광가로등의구성도를나타낸그림이다. 공공의이익과안전을위해설치된독립형태양광가로등의설치비용은대당 300~500 만원으로공원및보도에 20~30 대의가로등을설치하며, 비용은약 5 천만원 ~1 억원의막대한자금이들어가는사업이다 5). 또한, 자체적으로운영되는가로등이기때문에관리가더욱중대시되는설비에도불구하고관리체계가명확하지않고유지, 보수에대한기술개발이전무하며관심도는매우낮다. 이로인해서독립형태양광가로등이야간에점등이되지않은상태로수일에서수개월간방치되는문제가각지역에서발생하고있다. 이는태양광가로등의부품에대한상태를실시간으로경보해주거나표시하는인디게이트기술이없기때문이다 6). 따라서본논문에서는공공의이익과안전을위해설치된고가의독립형태양광가로등이정상적인작동을지속적으로유지할수있도록주요부품들의상태를실시간으로경보할수있는기술을개발하고자우선적으로공원및도보에설치되어있는태양광가로등 50 대의가로등에대하여작동상태, 주요부품전압등을점검하는실태조사를실시하여고장원인을분석하고, 리스크평가기술 FTA(fault tree analysis) 을통한태양광가로등의전기재해감소방안을도출하고자한다. 2. 현장실태조사 2.1. 독립형태양광가로등실태조사 공원과보도에서의독립형태양광가로등은공공의목적으로설치되었으므로자자체에서관리하고있다. 지자체의승인없이실태조사를실시할수없으므로 정보공개 를통하여해당장소에설치된독립형태양광가로등의구성부품및회로도를획득하였고, 실태조사를허가받았다. 실태조사는 50 개의독립형태양광가로등이설치된공원과도심곳곳에설치된 15 개의독립형태양광가로등을대상으로실시하였다. 현장실태조사를실시한결과오후 7 시경에는 24~26 대의가로등이점등이되었으나일정시간 (30 분 ) 경과후소등되기시작하여오후 8 시경에는 20 여대의가로등이소등된상태였다. 이시간이후로정상작동되지않음을의미한다. 측정장비를통하여태양광가로등의구성부품의전압, 전류를측정한결과소등이된가로등에는배터리가방전되어있는상태 ( 녹색등 ) 로 10~11 V 이내의전압으로정격전압 (12 V) 에미치지못하고최악의경우 1.58 V 로완전방전된상태의축전지도발견되었다. Fig. 2 은공공장소에설치된독립형태양광가로등의실태를나타내었다. Fig. 2. Status of standalone PV streetlight in public places. Table 1. Operational state of standalone PV streetlight. State of standalone PV streetlihgt Number of standalone PV streetlight Operate 23 Operate Breakdown 20 Breakdown 7 Table 2. Number of defective components of standalone PV streetlight. PV module controller battery inverter light Failed part Table 3. Battery status of standalone PV streetlight. Battery status Number of standalone PV streetlight Operation 33 Less than rated voltage 10 discharge 6 unknown cause 독립형태양광가로등실태조사분석실태조사, 문헌자료및전문가활용을통하여공공장소인공원및도보에설치된총 50여개의태양광가로등을대상으로실태조사를실시하였다. Table 1과같이태양광가로등중정상적으로작동하는가로등은 23대, 비정상적으로작동하는가로등은 27대로나타났으며, Table 2와같이비정상적으로작동하는가로등중고장을일으키는부품은태양광모듈 2건, 컨트롤러 8건, 배터리 17건으로나타났다. 태양광모듈고장은외형손상을주요원인으로들수있으며이는조류 ( 비둘기, 참새등 ), 태풍, 강수등으로인한것으로예측할수없는외적원인들이대부분이다. 태양광가로등의배터리는전류치보다는전압에상당히의존되는모습을보였다. Table 3과같이배터리전원 11~12 V이내로측정된가로등은정상적으로점등되었으나, 10~11 V이내에측정된배터리를갖춘가로등의경우초기에점등되었고 1시간이후에모두소등되었으며, 10 V이하로측정된배터리를갖춘가로등은점등이되지않았다. 실태조사시배터리의 70% 이상이 2010년 12월 1일제조된것으로배터리 한국안전학회지, 제 28 권제 5 호, 2013 년 11

3 김두현 김성철 황동규 권혜영 평균수명 (2 년 ) 에미치지못했음에도불구하고현장상태로판단하기에는즉시교체가필요하다고판단되었다. 또한컨트롤러의고장으로연계된고장이 8 대로컨트롤러와깊은연관이있다. 3. 실태조사데이터분석과리스크평가 FTA 를통한태양광가로등고장도출 태양광가로등의전기재해 ( 전기화재및감전 ) 와고장에러는관리적및물적 ( 태양광가로등본체 ) 으로나눌수있다. 관리적인요소는환경적요소 ( 태양광에따른태양광모듈의설계 ), 휴먼에러, 설치상의에러등이존재하며, 물적인면에서는태양광가로등주요부품인 5 개의부품에대한고장률을필요로하였다. 주요 5 개부품은컨트롤러, 태양광모듈, 배터리, 인버터, 등기구로구성하였다. 논문, 기술지, 실태조사및전문가활용을통하여건전성을분석하였다. 도출된데이터는자문회의를통하여리스크평가기술인 FTA 를적용함에있어서필요한관리및부품측면에서의에러율을상정하여태양광가로등전체의에러율을제시하였다 관리적인요소 관리적인요소에서 왜태양광가로등은관리가되지않는가? 에서출발하여환경적인요인에서는태양광량에대한문제, 휴먼요인에서는관리부주의에대한문제, 설계상의결함에대한문제등으로구성하였다. 환경적요인의경우, 태양광가로등의태양광모듈은설치되는위치의지형이나날씨, 주변지형물, 건축물로부터일정부분이상의일조량을충분히받아야만태양광가로등의배터리에방전을일으키지않는전력량을공급할수있다. 전력량만을고려하여태양광모듈을설계한다면비용적인문제가발생하기때문에대부분 100~200 W 으로선정하여사용하고있다. 그러나이러한용량으로는영하의기온이지속되는겨울철이나일조량이충분히보장되지않는장마철에는적합하지않다. 또한, 겨울철폭설로인하여태양광모듈에눈이뒤덮여있다면, 발전할수있는전력량이거의전무하다. 태양광모듈을관리하지않으면배터리의잔여전압으로가동되게되고이러한양상이지속된다면배터리의수명이단축되어방전될수있기때문에계절에맞는관리유무의에러율을 0.05 로상정하였다. 독립형태양광가로등대부분의관리자는지자체의시설담당자가이를관리하고있다. 지자체의경우모든관리에대한모든권한을가지고있으나, 설치기업에의존하는현상을보이고있으며, 설치기업은초기에자본금을바탕으로설치하였다가, 유지및보수비용이확보된개소에서만잘운용되고있고, 대부분의경우모두불능인상태로이루어져있다. 이후로방치되어폭발로인한전기재해 ( 전기화재및감전 ) 가이어질가능성이높기때문에휴먼에러율을 0.10 로상정하였다. 설계측면의요인에서는태양광가로등의경우적합한 시간에점등되는것이가로등의주요임무임에도불구하고추가적인고압해충퇴치기를추가하여배터리에방전이자주발생하는경우가발생하였다. 독립형가로등실태조사 50 건에서 17 건이고압해충퇴치기를설치하여이에배터리의수명을단축시키는결과로작용하였기때문에설계측면의에러를 0.08 로상정하였다 부품측면의요소독립형태양광가로등의주요부품인배터리, 컨트롤러, 태양광모듈, 인버터, 등기구등의고장률을조사하였다. 태양광가로등의배터리는통상 2년을교체시기로하고있지만실제로는일조량에의해서완전충방전이자주발생되게되면정확하게 2년이아니라도일조량에의해서 1년안에도교체시기가올수있다. 대부분의배터리는전압의충전상태에따라작동유무가결정되며, 현재배터리전압상태에관한기술은컨트롤러에서완전충방전에대한인디게이트로의표시만가능한실정이다. 실제전압의특성에대하여안전한지, 주의를요하는지에대한정보를제공하는시스템이없어배터리에대한교체시기및관리가매우취약한것으로판단되어 0.35의에러율로매우높게상정하였다. 컨트롤러의사용은 10 W이상의태양광발전시스템에서는필수적이다. 생산업체들은배터리의 ( 특히고성능, 고가의산업용배터리의경우 ) 충방전명세를표시하여주며, 이명세들이정확히지켜지지않을경우아무리질좋은배터리라도수명이대폭감소하게된다. 만약배터리가정상적인출력을내지못하고있다면컨트롤러에문제가있다고판단할수있는근거가된다. 실태조사를통하여 50 개소의태양광가로등에대하여 8개소에서컨트롤러의고장을발견하였고배터리의고장과도연계된것으로판단되어, 중요도를고려하여컨트롤러의에러율을 0.16으로상정하였다. 태양광모듈은 (PV module) 은현장실태조사결과가로등에사용되는대부분의용량 (W) 은 50 W(18 V) 를직렬로결선하여 100 W를출력하였으며, 전류는 2.77 A 이며하루평균일조시간은 4시간으로조사되었다 (Fig. 4 참조 ). 실태조사를통하여태양광가로등에서실제 2건의문제를발생했으며이를통하여에러율을 0.04로나타내었다. 인버터는관련기술이이전에는주요사고원인이었지만, 많은산 학 연에서연구를통하여현재많이개선되어소형발전시스템의인버터고장률이상당히감소하는것으로나타났다. 또한실태조사에서도인버터에서의고장은발견되지않았으므로고장율을 0.001로상정하였다. 등기구의기능은태양광모듈에서발전하여배터리에서등기구에공급하는데, LED 및초저전력조명등이개발되어현재사용하고있으며그내구성또한매우높다. 또한, 태양광가로등의등기구는수명주기가약 50,000 시간으로매우길며, 실태조사시등기구로인한고장은발견되지않았다. 이에등기구의고장율은 0.001로상정하였다. 위와같이제시한각부품의에러율을기반으로 FTA를작성하였을때에현재태양광가로등의에러율은 58% 로, 12 Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 5, 2013

독립형태양광가로등의실시간분석기술개발을위한실태조사 Fig. 4. Specifications and output voltage of PV module. Fig. 6. Predicted failure rate of improved standalone PV streetlight. Fig. 5.

4 독립형태양광가로등의실시간분석기술개발을위한실태조사 Fig. 4. Specifications and output voltage of PV module. Fig. 6. Predicted failure rate of improved standalone PV streetlight. Fig. 5. The failure rate standalone PV streetlight applying FTA. 실태조사에서확인한실제가로등의에러율 54% 와비슷한수준으로나타났다. 이를통해 FTA 의유효성을확인하였으며개선을위해서는우선적으로관리적측면에서의인적오류, 하드웨어적인측면에서는컨트롤러와배터리에서고장률을감소시키는것이필요하다. Fig. 5 는 FTA 기법을이용한현재태양광가로등의애러율을나타내었다. 4. 독립형태양광가로등개선대책 - 태양광가로등의주요고장요소로는관리적요소중에는인적요인 ( 에러율 : 0.10) 이가장높고, 부품측면의요소에서배터리 ( 에러율 : 0.35), 컨트롤러 ( 에러율 : 0.16) 순으로나타났다. 현재시스템은태양광가로등의상태대한알림시스템이없어교체시기및관리시기를놓치고있다. 따라서태양광가로등주요부품들의교체시기와관리시기는유지보수차원에있어서매우중요한요소가된다. 교체시기를경보해주는시스템이개발된다면인적요인으로인한에러를획기적으로줄일것으로판단된다. 따라서관리자로하여금태양광가로등의상태를인디케이터를통하여상시점검할수있는장치가개발된다면, 관리적요인에서의인적요인으로인한에러율은매우크게개선된다고판단하며, 애러율을 0.10 에서 0.01 까지낮출수있을것으로기대된다. 태양광가로등의상태를상시분석하기위해서는우선 주요고장원인인배터리와컨트롤러에대한관리가필요하다. 실태조사에사용되었던 12 V 배터리인경우태양광가로등을정상적으로작동시키기위해서는최소 11.6 V 가유지되어야했다. 따라서 11.6 V 인경우에배터리의관리및교체가필요한상태임을관리자에게지각시켜준다면그고장율을최소 0.10 까지감소시킬수있을것으로보인다. 컨트롤러는태양광가로등의모든부품들과접속되어있으며, 주요 3 가지부품으로는태양광모듈, 배터리및등기구를제어하고있다. 모든부품들이정상적으로작동한다하더라도이들을유기적으로연결시켜주는컨트롤러가정상작동하지않는다면태양광가로등은점등되지않는다. 현재컨트롤러의정상적인작동유무를판단하는방법은배터리와연계하여육안과청각으로과충전징후를포착하는방법이유일하다. 이러한방법으로는시기적으로늦어질수있으며다수의가로등을일일히점검하는데에는어려움이있을수있다. 따라서, 주요세가지부품인태양광모듈, 배터리, 등기구의상태를동시에측정할수있다면, 태양광모듈과배터리가정상적으로작동하는경우에도등기구가점등되지않는경우를포착할수있으며이는등기구또는컨트롤러의고장으로판단할수있고, 등기구를수리및교체하였음에도점등되지않는다면컨트롤러에서고장이발생했음을알수있어즉시교체를통하여고장을해결할수있으므로, 고장율은 0.05 까지개선시킬수있을것으로판단된다. 또한본부품에대하여전류와전압값이존재하지만실태조사에서전류값보다는전압값이감지하고분석하기에적합함을확인하였다. Fig. 6 과같이주요고장원인을개선할시에에러율이 58% 에서 29% 로약 29% 의에러율이감소될것으로예상된다. 5. 결론 본논문은공공장소에가로등으로사용되는독립형태양광가로등의고장, 고장상태의방치문제로인한문제를해소하기위해서, 독립형태양광가로등의상태를실시간으로분석하는장치를개발하고자공공장소에설치되어 한국안전학회지, 제 28 권제 5 호, 2013 년 13

5 김두현 김성철 황동규 권혜영 있는 50 여개의독립형태양광가로등에대해서실태조사를실시하고그결과를 FTA 기법등을통하여분석하였다. 이를통해본연구에서얻은결론은다음과같다. 1) 현장실태결과독립형태양광가로등의주요고장원인은관리적요인에서는환경적요소보다관리가부족한경우였으며, 부품적인요소로는배터리전압부족, 컨트롤러의작동불량이었다. 또한태양광가로등의부품에대해서는전류와전압값중전압값에따라정상작동유무를감지하는것이용이하고분석하기에적합함을확인하였다. 2) 실태조사를통하여배터리의교체주기는전압특성 (12 V 의경우 11.6 V) 을고려해서관리하는것이배터리로인한고장을예방할수있고, 컨트롤러의고장은태양광가로등이고장이난경우에컨트롤러에연계된배터리, 태양광모듈, 등기구의전압특성을동시에측정하여이상이없다면컨트롤러의고장을뒷받침하는근거자료로사용될수있다. 3) 지속적인실태조사 (4 계절에대해서 ) 와추가적인분석을통해서업데이트를실시한다면독립형태양광가로등의실시간분석기술개발에관한기초자료로활용될것으로기대된다. Reference 1) H. Y. An and G. S. Jeong, Photovoltaic Industry of Domestic and Foreign Status and Prospects, Hanaif, pp. 5~25, ) J. H. Choi, Photovoltaic Industry Status and Prospects, Shinhan Industry Information, pp. 38~42, ) S. G. Kim, J. W. Jung and J. S. Jung, A Study on the Management Realities of Solar Power System, Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 510~512, ) J. W. Jung, S. G. Kim and M. I. Choi, A Power Quality Analysis of a Photovoltaic System, Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 579~584, ) Nonoperating PV Streetlight for Six Months, Cbinews, ) PV Streetlight Fell to become a Nuisance, Gjdream news, Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 5, 2013

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1_12-53(김동희)_.hwp 본논문은 2012년전력전자학술대회우수추천논문임 Cascaded BuckBoost 컨버터를 이용한 태양광 모듈 집적형 저전압 배터리 충전 장치 개발 472 강압이 가능한 토폴로지를 이용한 연구도 진행되었지만 제어 알고리즘의 용의성과 구조의 간단함 때문에 BuckBoost 컨버터 또는 Sepic 컨버터를 이용하여 연구 가 진행되었다[10][13]. 태양광 발전