Fig16에서 볼 수 있는 설정화면에서 PV모듈의 온도 값을 구하고 설정하는 식이 명 시되어 있다.PV모듈의 Temperature의 값을 구하는 식은 바로 아래의 식과 같다.
PV_T =b1*AirT +b2*SolarIrradiance+b3
여기서 AirT :대기온도
b1:대기온도의 조정 값 b2:태양의 일사량에 따른 값 b3:바람의 영향을 고려한 값
위와 같은 식에서 다른 조건은 모두 동일한 상태로 두고 PV온도 식에서 b2값들을 여러 번 변경하여 b2값에 따라 PV온도가 어떻게 변화하는지를 알아보고자 한다.일반 적으로 태양광 발전의 중요한 요소인 태양전지의 모듈의 온도의 값이 증가하면 발전량 은 그에 비해 낮아지는 경향이 있다.이 식에서는 b2값에 따라 PV모듈온도의 값이 올 라가는 것을 시뮬레이션 그래프를 통해 알 수 있다.
Ⅵ.결과 및 고찰
여러 외부 환경의 요인을 받는 태양전지 모듈에서 Temperature에 해당하는 주변 대 기온도를 다양하게 변화시켜 측정해 보았다.앞에서 언급하였듯이 Isc(단락전류)는 저 항 값이 0[Ω]일 때 완전 단락되어 전압은 0[V],그 때의 전류를 나타내고,주변온도를 20℃로 설정하였을 때 값이 23.88[A]로,개방일 때 전류 값이 0[A]이고,이 때 전압 값 을 Voc(개방전압)라고 하는데 399.73[V]값을 나타냄을 Fig.13에서 a그림과 같은 특 성곡선으로 알 수 있다.태양전지의 출력전력은 전압과 전류의 곱으로 그에 해당하는 Pmax값은 7060.06[W]이다.
조건은 동일한 상태에서 주변온도를 25℃로 설정하여 시뮬레이션 하였다.시뮬레이 션 결과 단락전류 Isc값은 23.94[A],개방전압 Voc값은 397.76[V]을 나타내었고,아래 b그림의 포물선 곡선으로 나타난다.또한 가로부분에 해당하는 전압 중 최대 전압 값 인 Vpm은 318.26[V]이고,세로부분에 해당하는 전류 중 최대 전류 값인 Ipm은 22.04[A]을,그 결과 Pmax값은 7013.57[W]값을 나타낸다.주변온도를 5℃ 상승시켜보 았는데 그 결과 20℃일 때 Pmax값은 7060.06[W]이며 25℃일 때 7013.57[W]로 두 Pmax값의 차이가 46.49[W]정도임을 알 수 있었다.
위의 실험과 동일한 조건에서 그 다음으로 주변온도 30℃로 설정하여 시뮬레이션 하 였다.시뮬레이션 결과 단락전류 Isc값은 24.00[A],개방전압 Voc값은 395.49[V]을 나 타내었고,아래 c그림의 포물선 곡선으로 나타난다.또한 최대 전압 값인 Vpm은 312.86[V]이고,최대 전류 값인 Ipm은 22.25[A]을,그 결과 Pmax값은 6962.05[W]값을 나타내는 것을 알 수 있었다.두 번째 시뮬레이션에서 주변온도를 5℃ 상승시켜본 그 결과 25℃일 때 Pmax값은 7013.57[W]이며 30℃일 때 6962.05[W]로 두 Pmax값의 차 이가 51.52[W]정도임을 알 수 있었다.
마지막으로 위의 실험과 동일한 조건에서 주변온도 35℃로 설정하여 시뮬레이션 하 였다.시뮬레이션 결과 단락전류 Isc값은 24.07[A],개방전압 Voc값은 392.92[V]을 나 타내었고,아래 d그림의 포물선 곡선으로 나타난다.또한 최대 전압 값인 Vpm은 311.28[V]이고,최대 전류 값은 Ipm은 22.18[A]을,그 결과 Pmax값은 6962.05[W]임을 알 수 있었다.마지막 또한 주변온도를 5℃ 상승했을 시 그 결과 30℃일 때 Pmax값은 6962.05[W]이며 35℃일 때 6904.42[W]로 두 Pmax값의 차이가 57.63[W]정도임을 알
수 있었다.
그 결과 온도를 하강할 때 Pmax값은 증가하고,상승시킬 때 감소하는 것을 보고 온 도와 최대 출력 값의 관계가 반비례임을 알 수 있었다.
a)Ambienttemperaturevalue=20℃
b)Ambienttemperaturevalue=25℃
c)Ambienttemperaturevalue=30℃
d)Ambienttemperaturevalue=35℃
Fig.13I-V Outputcharacteristicscurveaboutambient temperature
Table8에서는 주변온도를 20℃,25℃,30℃,35℃로 설정하였을 때의 각각 Voc,Isc, Vpm,Ipm,Pmax값을 나타내며 그 값이 주변온도에 따라 변화하는 것을 알 수 있었 고,주변온도가 높아질수록 발전량이 낮아져서 주변온도가 출력특성 곡선에 영향을 주 는 것을 확인하였다.
Calculationresult
value 20℃ 25℃ 30℃ 35℃ Voc 399.73V 397.76V 395.49V 392.92V
Isc 23.88A 23.94A 24.00A 24.07A Vpm 319.62V 318.26V 312.86V 311.28V
Ipm 22.09A 22.04A 22.25A 22.18A Pmax 7060.06W 7013.57W 6962.05W 6904.42W
Table 8 Output characteristics result value
위의 시뮬레이션을 통하여 모듈을 설치해 둔 장소의 주변온도를 변화하여 출력특성 그래프곡선이 어떻게 변화하는지와 그에 따른 값이 어떻게 달라지는 지에 대해 시뮬레 이션 하였다.태양전지 모듈은 주변온도 뿐만 아니라 외부의 여러 요인의 영향을 받는 것으로 이번 시뮬레이션에서는 조건을 대기온도는 동일하게 유지한 상태로 두고 Solar irradiance값에 직접적인 영향을 주는 값만 변화를 주어 그 값에 따라 PV모듈의 온도 변화를 나타내고자 한다.
다음의 a그래프에서는 value값을 20으로,b그래프에서는 value값을 25,c그래프에서 는 value값을 30,d그래프에서는 value값을 35,e그래프에서는 value값을 40,f그래프에 서는 value값을 45로 지정하여 시뮬레이션 하였고 각각 해당하는 그래프 곡선을 Fig.
14에서 나타내었다.
모듈온도의 값이 변화하면서 출력특성은 대체로 증가하는 경향이지만,한번씩 주로 감소하는 경향도 보였다.이는 태양전지의 모듈이 외부 환경,먼지 등의 여러 요인에 영향을 받기 때문에 일정한 결과 값을 나타내지 못하는 것으로 판단된다.
a)Value=20
b)Value=25
c)Value=30
d)Value=35
e)Value=40
f)Value=45
Fig.14Characteristicscurveaboutsolarirradiancevalue
다음은 2014년의 1월부터 12월까지 1년의 발전량을 토대로 분석한 결과 값이다.Fig.
15에서 연간추이에 따라 월별로 평균 발전량을 그래프로 나타내었다.그래프에 따른 분석 결과를 Table9에서 나타내었고,그 결과 2014년의 1년간 양으로 보았을 때 가장 발전량이 많은 4,5월로 여름철보다 봄에서 여름으로 넘어오는 초여름에 가장 많이 발 전되고,모듈온도가 높을 수록 그에 따른 발전량이 높지 않다는 것을 알 수 있었다.
Fig.15Monthlyaveragepowerquantityaboutannualtransition
Month Current[A] Voltage[V] Energy[kWh] Temperature[℃]
Jan 4.96 314.29 437.42 4.27 Feb 5.62 270.82 496.99 6.81 Mar 5.84 285.5 680.5 12.7 Apr 7.43 282.46 824.11 21.08 May 7.32 281.98 966.19 27.37 Jun 6.57 259.44 833.46 30.52 Jul 5.82 266.67 758.51 33.28 Aug 6.97 275.79 839.26 34.96 Sep 6.37 271.53 694.09 28.8 Oct 6.23 277.7 651.74 22.09 Nov 4.51 276.95 421.44 13.27 Dec 3.82 280.33 371.93 6.76
Table9Monthlyaveragepowerquantityanalysisresult
다음은 2014년의 1월부터 12월까지 1년의 발전량을 토대로 분석한 결과 값이다.Fig.
16에서 연간추이에 따라 일별로 평균 발전량을 그래프로 나타내었다.그래프에 따른 분석 결과를 Table10에서 나타내었고,그 결과 2014년의 1년간 양으로 보았을 때 가 장 발전량이 많은 4,5월로 여름철보다 봄에서 여름으로 넘어오는 초여름에 가장 많이 발전되고,모듈온도가 높을 수록 그에 따른 발전량이 높지 않다는 것을 알 수 있었다.
Fig.16Thedateofaveragepowerquantityaboutannualtransition
Month Current[A] Voltage[V] Energy[kWh] Temperature[℃]
Jan 5.04 308.16 444.73 4.34 Feb 5.91 306.45 496.27 6.82 Mar 6.59 305.39 685.04 12.76 Apr 7.84 301.33 823.97 21.07 May 7.86 300.87 965.8 27.4
Jun 7.04 282.08 831.59 30.48 Jul 6.23 290.43 755.34 33.27 Aug 7.46 295.77 833.54 34.91 Sep 6.9 291.69 691.3 28.77 Oct 6.65 300 646.68 22.05 Nov 5.01 300.96 422.48 13.28 Dec 4.26 310.45 375.38 6.59
Table10Thedateofaveragepowerquantityanalysisresult
Ⅴ.결 론
태양광발전시스템의 발전량을 측정하는 데 있어 실제적으로 발전효율에 영향을 끼치 는 주변온도,대기온도,모듈온도,일사량,그림자,경사각 등 여러 요인에 의해 변화가 발생하며,시스템의 데이터 값 또한 장비열화 및 노후화로 인한 에너지 손실값,시간에 따른 모듈의 변환 효율 감소량,시스템 제어방식에 따른 손실로 변화가 발생한다.
환경적으로 어레이 표면에 이물질로 인한 효율감소와,눈과 비의 자연현상으로 인하 여 효율이 감소하고,기존의 설치방식이 확실하게 수립되지 않았을 경우에 효율이 감 소하기도 한다.그 중 일사량과 모듈온도,주변온도가 전력발생에 큰 영향을 주는 주된 요인 중 하나라고 볼 수 있다.
본 논문에서는 Pmax값이 65[W]인 태양전지 모듈을 사용하여 18x6의 배열로 모듈을 설치하여 각각 모듈이 나타내는 발전량 및 전체발전량과 I-V특성곡선을 시뮬레이션 툴을 통해 알아보았다.각각에 영향을 끼치는 요인들인 모듈온도변화,주변온도,일사 량 등에 의해 어떻게 출력전류,출력전압,출력특성곡선이 변화하고 어떠한 영향을 받 는지에 대한 전기적 특성에 대하여 검토하였다.
그 결과 태양전지의 출력특성은 모듈온도 및 주변온도에 의존함을 알 수 있었고,주 변 환경이 모듈과 모듈온도에 미치는 영향은 무시할 수 없는 정도이며,대규모의 경우 더욱 큰 영향을 끼칠 것으로 생각된다.일사량이 증가하게 되면 발전되는 직류전압,전 류,전력 값이 증가한 것을 확인하고,주변온도와 모듈온도가 증가하면 직류전압,전류, 전력 값이 감소하는 것을 알 수 있었다.춘계,추계의 발전량이 하계에 비해 더 많은 발전량을 내는 이유는 하계의 일사량이 춘계,추계의 일사량보다 더 많지만,모듈온도 나 주변온도가 높기 때문에 발전량이 낮아지는 것으로 판단된다.이 시뮬레이션을 통 해 복합적 요인에 의하여 발생되는 발전 효율의 영향력에 대하여 분석해 볼 수 있었 고,더 나은 효율을 산출하고 개선하기 위해서는 기존의 분석 결과를 활용하여 발전성 능을 최대화로 발휘할 수 있는 설치 방법 또는 운영방법에 관한 연구가 더욱 더 필요 하다.
【참고문헌】
[1]최영문,임중열,“태양광발전시스템의 효율향상을 위한 최적설계에 관한 연구”,전기전 자학회 논문지 Vol.13.No.2,2009
[2]차왕철,박정호,조욱래,김재철,“온도와 풍속에 따른 태양광발전 효율 실증분석 연구”, 대한전기학회 전기학회논문지,2015
[3]신혜영,최홍규,김용규,안윤기,최준영,윤철구,임명환,김종수,서범관,“태양전지 온 도에 따른 효율”,한국조명·전기설비학회 학술대회논문집,2009
[4]우은경,“실시간 태양 추적 모듈을 가진 태양광 발전 시스템 구현에 관한 연구”,한국 해양대학교,석사 학위 논문,2008
[5]김용진,“최적 발전성능 도출을 위한 태양광 모듈 추적방법에 관한 연구”,경희대학교 박사 학위 논문,2012
[6]J.N.Hart,R.Cervini,Y.-B.Cheng,G.P.Simon and L,Spiccia,“Solar Energy MaterialsandSolarCells",Vol.84,Issue1-4,pp.135-143,2004
[7]원종운,“태양광발전시스템의 효율분석에 따른 최적화 시스템 구현”,서남대학교 박사 학위 논문,2014
[8]표성열,“태양 추적 조건에 따른 태양발전 모듈의 성능 평가에 관한 연구“,충주대학교 석사 학위 논문,2010
[9] Wang-cheol Cha, Uk-rae Cho, Joung-ho Park, Jae-cheol Kim, "A Study on Prediction ofPhotovoltaicGeneration Efficiency through Utilizing Quantity ofSolar RadiationData",KIEE SummerConference2014,pp1114-1115,2014