PSPICE Modeling of Solar Cells for Use in Emergency Power System

(1)

비상발전용 전원으로 사용하기 위한 태양전지의

PSPICE

^모델링

PSPICE Modeling of Solar Cells for Use in Emergency Power System

백동현^†·송호빈*

Dong-Hyun Baek

^†

· Ho-Bin Song*

경원대학교소방방재공학과

, *(

주

)

휴스컴

(2009. 12. 23.

^접수

/2010. 4. 9.

^채택

)

요 약

비상발전용전원으로많이사용되고있는전동기시스템은비상발전시외에는거의사용하지않고있 어비효율적이다. ^반면에, ^태양광^{발전시스템을}^이용하면^평상시^전력을^저장하여^계통^연계형^{시스템으로}

사용할수있어많은활용도가있다. 본논문에서는범용시뮬레이터인 PSPICE를이용하여시뮬레이션을 수행할수있도록 PV시스템에사용되는각종모델들을라이브러리화하였다. 또한비상발전용전원으로 사용하기위한태양광시스템의특성을모델링하고설계해석하여실제사용하는데효과적인장치를만들 수있음을확인하였다.

ABSTRACT

Power supply to the motor using the emergency power system is being used. However, this system is rarely used except during emergency power is not inefficient. On the other hand, the use of solar power systems Emergency backup power supply as well as in normal maintenance savings, as many have benefits. In this paper, general-purpose simulator PSPICE simulations performed using the PV system to be used in the various models made by the library. In addition, for use as an emergency power generation solar power system design, modeling and analysis of the characteristics and practical use make an effective device was confirmed.

Key words :Emergency power, PV system, PSPICE

1. 서 론

현대 사회에서 가장 많이 사용되고 있는 에너지원 의하나인전기에너지는대부분이화력발전이나 원자 력발전에의존하고 있다

.

그러나이러한에너지원들 은미래의에너지원으로써계속사용할수있는지의 문시되고 있다

.

이에대한 대책으로선진 각국에서는 대체에너지개발에많은투자와연구를추진하고있 다

.

그중에서도 공해가 없으며 무한한 태양 에너지 를 이용한 태양광 발전 시스템이 각광받고 있다

.

^태

양광발전 시스템은다른대체에너지원에비해 경제 적이고약간의기술 보완으로 쉽게적용이가능하며

,

신뢰성만 확보된다면일부 분야는 정부의지원 없이 도보급이가능할정도로에너지절감효과가크다

.

이

러한장점으로인해대체에너지원중에서가장보편 적으로보급되고 있으나계통연계가쉽지않다

.

^그러

나기존에설치되어있는태양광발전시스템이나신규 로 설치되는 시스템에 있어서는 시스템과 계통 연계 부분만 보완하면 비상전원용으로 훌륭한 역할을 할 수있다

.

^지금까지^발전기^등을^이용한^{비상전원용}^발

전시스템이 사용되고 있으나비상시 외에는 거의 사 용되고 있지 않아 사용자입장에서는 많은 부담으로 인식되고 있다

.

그러나 태양광발전시스템을 이용하 면비상전원뿐만아니라평상시에도보조전원으로서 많은 유지비절감 효과를 얻을 수있는 장점을갖고 있다

.

¹⁾

태양광발전시스템은 시스템 부품의 성능은물론이 고일사량 강도

,

사용온도

,

열부하 분포

,

열매체 순환 량등에따라효율변화가크다

.

또한보조열원과의연 계및제어방법등시스템설계시신중하게고려되어

†E-mail: [email protected]

(2)

야할중요한 여러가지요소들이복잡하게관련되어 있기 때문에태양광 발전시스템을 제대로 설계한다는 것은쉽지않다

.

^2,3)

따라서본논문에서는범용적인시뮬레이터인

PSPICE

를이용하여태양전지단락회로의 간략화된양자효 율과 스펙트럼 응답의 기본개념은 물론 직·병렬 저 항

,

방사도

,

온도와공간방열등에대한것을고려하여 라이브러리화 하였다

.

이러한 태양광 발전 시스템의

PSPICE

모델링에의해기본적인설계문제나크기

,

해

석등을해결하고비상전원으로서의적응성에대해논 하고자 한다

.

2. 비상발전용 태양광 발전시스템

태양광 발전시스템을 화재시의정전으로 인한비상

발전용 전원으로 사용하기위해서는

Figure 1

에 나타

낸것과같이기본적으로 계통연계형 시스템과동일 한구조를갖게설계하여야한다

.

비상발전용으로 태양광 발전시스템을 이용하면 비 상시뿐만아니라평상시에도태양광발전시스템의잉

여전력을사용하여효율성을높일수있다

. Figure 2

는 비상발전용으로 태양광 발전 시스템을 이용할 경 우 시스템의 상태에 따른 태양광 발전시스템의 동작 을나타낸것으로서

(a)

와

(b)

는비상상황이발생하기 전의평상시경우를나타낸다

.

이경우태양광발전시 스템의 출력이 수용가 부하보다 큰 경우에는 잉여전 력을계통으로회생시키고

,

부족한경우에는부족분을 계통으로부터보충받는양방향 조류방식으로사용되 어발전효율을높이며 상용전력의사용량을감소시킬

수있는효과가있다

. (c)

는화재등의비상사태시비

상발전용으로사용되는시스템의구성도로계통과 차 단되어도 태양광 발전시스템에서 생산되는 전력으로 수용가에일정수준의 전력을공급할 수있는장점이 있다

.

3. 태양전지의 기본특성

PSPICE

단락회로모델은전압제어전류원을이용하

여구현된다

. Table 1

과같은값을갖는실리콘태양전

지를고려한다

.

시뮬레이션분석시간은

1.2[

µ

s]

로한다

. PWL(Piece

Wise Linear)

파일의정의로부터알수있는데

,

시간의

단위 µ

s

는 파장의 단위 µ

m

을지정한다

. 10%

의 반사

계수의값은모든파장에서일정하게나타났으며결과 는

Figure 3

과같다

.

태양전지의 발전효율은 분광분포

AM1.5(Air Mass:

분광분포

),

방사조도

1,000W/m

²

,

모듈온도

25

^o

C

를 기 준상태로하여측정하도록규정하고있다

. AM1.5

스 펙트럼에서 대기의 흡수 대역은 전류 응답을 바꾸고

,

Figure 1. Diagram of PV system.

Figure 2. PV systems operate under load conditions.

Table 1. Variable of Solar Cell

변수 단위 값

Emitter Thickness We m 0.3 × 10⁻³ Base Thickness Wb m 300 × 10⁻⁶ P-type Length Lp m 0.43 × 10⁻⁶ Emitter Speed Se m/s 2 × 10³ p-Type Spread Rate Dp m²/s 0.00034

n-Type Length Ln m 162 × 10⁻⁶

Base Speed Sb m/s 10

n-Type Spread Rate Dn m²/s 0.003633

(3)

Figure 3

^에^있는^대응하는^파장을^제거한다

. base

^요소

는짧은파장을제외한대부분의파장에있는전체전 류주성분의대부분이기여하게되나짧은파장에서는

emitter

층의기여가 우세하게나타났다

.

⁴⁾

4. 태양전지 모델

태양전지의

PSPICE

모델등가회로는이상적다이오 드와이상적전류원에기초한태양전지의이상적동작 을기준으로묘사되었으며

Figure 4

에나타내었다

.

⁵⁾그 림에서

R

s는직렬저항이고

, R

sh는병렬

shunt

저항을나 타낸다

.

4.1태양전지모델의직렬저항의효과

조도와온도의조건은동일하게하고직렬저항값을

1[

Ω

], 0.1[

Ω

], 0.01[

Ω

], 0.001[

Ω

], 0.0001[

Ω

]

의

5

가지로 가변하였을경우의시뮬레이션결과는

Figure 5

와같 이나타났다

.

Figure 5

에서알수있듯이직렬저항의증가에따라

V-I

특성에 커다란 차이를 볼수있으나 이는 단락회

로전류와 충전계수의특별한 값에의해감소시킬수 있다

.

단락회로일 때전류의 값은 광전류

I

L과같지 않으

며전압과전류의관계식에서

V = 0

로다시쓰면다음 과같은식을얻을수있다

.

⁶⁾

(1)

여기서

, I

⁰는포화전류

, I

⁰²는재결합포화전류

, n

은다

이오드의이상계수

, V

^T^는^태양전지^열전위로

300[

^o

K]

일경우

25.6[mV]

의값을갖는다

.

개방회로전압은 식

(1)

에서개방전류

I

sc

= 0

으로놓 고얻을수있다

.

(2)

식

(2)

에서세번째항과네번째항을무시하면개 방회로전압은 식

(3)

과같이주어진다

.

(3)

이와같이개방전압

V

^oc는

I

^sc

× R

^s에의하지않고직 렬저항

R

s 없이얻을수있다

.

4.2태양전지모델에서 shunt저항의효과

Figure 6

은

shunt

저항이

0.1

Ω

, 1

Ω

, 10

Ω

, 100

Ω

,

1000

Ω

, 10000

Ω의

6

가지로변할때의시뮬레이션결과

파형이다

.

이것은병렬저항이매우작은값을갖지않 는한제거할 수 있으며

,

개방회로전압은 약간만 변 화된다

.

4.3재결합다이오드의효과

재결합다이오드가중요해 질때개방회로전압은

I

sc

= I

L −

I

0

e

I_scR_s nV_T ---

−

1

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞ −

I

02

e

I_scR_s 2V_T ---

−

1

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞ −

I

sc

R

s

R

sh

---

0 = I

L −

I

0

e

V_oc nV_T ---

−

1

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞ −

I

02

e

V_oc 2V_T ---

−

1

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞ −

I

sc

R

s

R

sh

---

V

oc

= nV

T

ln

_⎝^⎛

1 + I I ----

^L0_⎠^⎞

Figure 3. Spectrum of the short-circuit density for emitter and base.

Figure 6. V-I curve of shunt resistance.

Figure 5. V-I curve of series resistance.

(4)

Figure 7

^과^같이^저하되는^것으로 ^나타났다

.

^태양전지

의등가회로에병렬로다이오드가삽입되는형태로나 타나며이와같은재결합다이오드의효과를제거하기 위하여 병렬저항은높은 값으로

,

직렬저항은낮은 값 으로선정하도록한다

.

4.4온도의영향

온도가

27

^o

C, 35

^o

C, 40

^o

C, 45

^o

C, 50

^o

C, 55

^o

C, 60

^o

C

로 변할 때의시뮬레이션결과를

Figure 8

에나타내었다

.

일반적인 시뮬레이션에서 주어지는 범용 소자에서는 이상적인

27

^o

C

를기준으로수행되지만주변온도의변 화등에의해기본특성이변화되는것을고려해주어 야한다

.

4.5태양전지의직렬연결

태양전지의 직렬연결시전압값은직렬연결 수량만 큼 증가하지만 전류에 대해서는 같은 조도에 기인한 단락회로전류와 같은 동일한 값을 갖는다

.

또한 직렬 저항과 병렬저항값은동일한 값을갖게되었으며그 결과는

Figure 9

와같다

.

4.6태양전지의병렬연결

Figure 10

은

Solar cell 2

개를각각조도가다른상태 로 설정하였을 경우의

V-I

특성을 나타낸 것이다

.

이 때조도는각각

1000W/m

²와

700W/m

²으로하였다

.

그 림의파형은 각각의경우와 병렬연결한 경우의 파형 을동시에 나타낸것으로 병렬로연결하면전류는 두 가지의합으로 나타난다

.

5. 태양전지 모델의 적용

Figure 11

과 같이

18

개의

Solar Cell

이배열되어 있 Figure 7. V-I curve of recombination diode.

Figure 8. V-I curve about temperature.

Figure 9. V-I curve (when two cells in series connection).

Figure 10. V-I curve (when two cells in parallel connection- different illumination).

Table 2. Conditions of each Cell

항목 값

Area 0.8 [m²]

Voc 17.3 [V]

Isc 4.3 [A]

Rsh 1,000 [^Ω]

Rs 0.1 [Ω]

(5)

고

cell

^의^{직렬연결과}^{병렬연결에} ^골고루^햇빛이 ^가려

진 최악의 경우를 고려하여 임의로

1, 2, 3, 4, 5, 7,

17, 18

번 셀이 그림자로 가려 있는 경우를 적용한다

.

이때각셀의조건은

Table 2

와같이하였다

.

그림자에가려진셀의경우조도는

0

^으로^{가정하였고}

부분적으로가려진배열과전혀가려지지않은배열의

V-I

^특성에^대한^{비교파형을}

Figure 13

^에^{나타내었다}

.

충분하게빛을받을때태양전지판배열의

V-I

특성 곡선은그림자의영향에의해출력이현저히감소하는 것을볼수있다

.

Figure 13

의파형은

Figure 12

의회로에서

bypass

다 이오드가없는경우에대한시뮬레이션파형으로

bypass

다이오드없이사용될경우직렬연결된태양전지중의 하나가완전히가려짐으로인하여전체출력전력이

0

이될수있다

.

즉

, 3

번과

18

번의태양전지가가려지면

3

번

~18

번연결의출력이

0

이되어전체전류값이

2/3

로

감소되는것을볼수있다

.

그러므로

bypass

다이오드를

사용하여야그림자에의한출력저하를방지할수있다

. Figure 14

는

Figure 12

에서

6

쌍

((1, 2, 3), …, (16, 17,

18))

의배열에대해

bypass

다이오드가있는경우와없

는경우의전압강하를나타내고있는것으로

bypass

^다

이오드가있는경우의전압강하가현저하게적은것을 볼수있다

.

6. BATTERY 모델

배터리모델은

PSPICE

^초기^모델을^이용하여

Lasnier

Figure 11. An array of 18 solar models.

Figure 14. Voltage drop of 18 solar cells.

Figure 12. Pspice model of Figure 11.

Figure 13. V-I curve (partial vs. full).

Figure 15. Voltage and current of battery.

(6)

와

Tang

이기술한수식을 기초로하여최신버전으로 개정하여사용하였다

.

^전기적^배터리^모델은^저항에^직

렬 연결된 전압원으로 구성된다

.

전압원과저항의 값 은주어진시간에동작하는배터리동작모드에달려있다

.

Figure 15

는배터리모델의동작을알아보기위해교

류입력을인가한경우의입

,

출력전류와전압값을나 타낸다

.

충전

/

방전의 배터리 모드는전류가 영점을지 날때정확한전압의변화로 확인할수있다

.

7. 결 론

PV(photovoltaic)

개발자에게 시뮬레이션은 실험 전

에 반드시 요구되며필요하다

.

그러나 대부분의 시뮬 레이션툴은

PV

시스템에대한데이터라이브러리를제 공하지 않으므로 소프트웨어를 사용하는데많은 어려 움이 따른다

.

그러므로본연구에서는 간단하고

,

안정 되게

PV

시스템에대한시뮬레이션을수행할수있도 록

PV

시스템에사용되는각종모델들을라이브러리화 하였다

.

이를 위해

PV

시스템의 컴퓨터 모델을 구성하였고

,

양자효과의 기본개념에 기초한 태양전지의단락회로

전류의 간략화된

PSPICE

모델을구성하였다

.

그리고

직렬저항과

shunt

저항

,

조도

,

온도

,

스펙트럼복사의효

과를 묘사하여

PSPICE

모델을 개발하고

,

시뮬레이션

을통해그동작특성을확인하였다

.

그결과태양광발 전시스템을비상발전용전원으로사용하는데효과적인 장치를 만들수있을것으로 확인하였다

.

감사의 글

“

이연구는

2009

년도경원대학교지원에의한결과임

”.

참고문헌

1.

백동현

, “

소방전기시설론

”,

동일출판사

, pp.581-611 (2008).

2.

백동현

,

이상집

,

성낙규

,

한경희

, “

태양전지를이용한 축전지최대출력충전에관한연구

”,

^{한국화재소방학}

회추계학술발표회논문초록집

, pp.120-125(1999).

3.

백동현

,

이상집

,

성낙규

,

이승환

,

오봉환

,

이훈구

,

한경 희

, “

태양광발전시스템을이용한유도등용형광램프 의 점등에 관한 연구

”,

^{한국화재소방학회} ^논문지

, Vol.14, No.1, pp.22-26(2000).

4. F. Lasnier and T.G. Ang, Photovoltaic Engineering Handbook. Boston, MA: Adam Hilger, pp.209-216 (1990).

5. C. Gueymard, “The Sun’s Total and Spectral Irradiance for Solar Energy Application and Solar Radiation Models”, Solar Energy, Vol.76, Issue.4, April, pp.423-453(2004).

6. D.G. Collins, W.G. Blattner, M.B. Wells, and H.G.

Horak, “Backward Monte Carlo Calculation of

Polarization Chacateristics of the Radiation Emerging

from Spherical Shell Atmospheres”, Appliws Optics,

Vol.11, Nov., pp.2684-2696(1997).