Evaluation of Bifacial Si Solar Module with Different Albedo Conditions

Nomenclature

MPPT : maximum power point tracking P _max : maximum power

V _mp : voltage at maximum power I _mp : currrent at maximum power V _oc : open circuit voltage I _sc : short circuit current STC : standard test condition POA : plane of array

1. 서 론

최근 몇 년 사이 태양광 시장이 급속도로 성장하여, 결정질 실 리콘 태양전지를 중심으로, 2017년 한 해 동안 전 세계 태양광 모

듈 설치량이 약 98 GW에 도달하였다 ¹⁾ . 결정질 태양전지 및 모 듈의 성능효율을 향상시키기 위해 다양한 기술 및 공정이 개발 되고 있다. 그 중에서도 전면뿐만 아니라 후면에서도 빛을 흡수 하여 발전하는 양면수광형(bifacial) 태양광 모듈이 많은 관심을 받고 있다. 양면수광형 태양전지 및 모듈의 핵심은 전후 양면에 서 빛을 흡수하여 발전하는 기능이다 ^2-4) . 즉, 현재 일반적인 단면 수광형 태양광모듈과 같이 전면에 입사되는 햇빛을 이용하여 전기를 생산하는 동시에 지표면과 주변 사물에 의해 반사되는 태양광을 모듈 후면에서 수광하여 전기로 변환하는 기술을 말 한다. 인공적인 바닥면의 반사율(Albedo) 변화를 통해 단면수 광형 태양광모듈에 비해 50% 이상까지 발전 성능을 향상 시킬 수 있음이 보고된 바 있다 ⁵⁾ . 양면수광형 모듈의 경우 기술 특성 상 모듈의 설치 높이 및 각도, 모듈간의 거리, 바닥의 조건(거칠기, 반사율)등 주위 환경에 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있다 ^6,7) . 또한, 일반적인 태양전지에서는 Al 등의 금속 후면전극이 태양 빛을 흡수하거나, 셀에서 생성된 열을 흡수하여 태양전지의 온 도상승에 기여하는 반면, 양면수광형 태양전지는 그리드형태의

DOI:https://doi.org/10.21218/CPR.2018.6.2.062 eISSN 2508-125X

양면수광형 실리콘 태양광 모듈의 바닥면 반사조건 변화에 따른 발전성능 평가

박도현

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¹⁾

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²⁾

²⁾

¹⁾

1)화학공학부, 영남대학교, 경산시, 38541

2)Solar 제품 개발팀, LG전자, 구미시, 39368

Evaluation of Bifacial Si Solar Module with Different Albedo Conditions

Dohyun Park

¹⁾

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¹⁾

¹⁾

²⁾

²⁾

¹⁾

1)

School of Chemical Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan, Gyeongbuk, 38541, Korea

2)

Solar Product Development Team, LG Electronic, Gumi-si, Gyeongbuk, 39368, Republic of Korea

Received Jun 7, 2018; Revised Jun 17, 2018; Accepted June 18, 2018

ABSTRACT: Multi-wire busbar-type bifacial n-type Si solar cells have been used for the fabrication of monofacial and bifacial photovoltaic (PV) module, where bifacial module was equipped with transparent backsheet while monofacial module was prepared using white backsheet. The comparison of six-day accumulated power production obtained from outdoor test under gray cement ground conditions using 60cell monofacial and bifacial PV modules suggested the bifacial gain of over 20% could be achieved. Furthermore, the outdoor evaluation tests of bifacial modules with different ground conditions such as cement (reference), green paint, white paint and green artificial grass, were performed. It turned out white paint showed the best albedo and thus the highest power production, while green paint and artificial grass showed less power generation than cement ground.

Key words: Multi-wire, Bifacial, Monofacial, Albedo, Outdoor test

*Corresponding author: [email protected]

ⓒ 2018 by Korea Photovoltaic Society

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62

후면전극을 형성하므로 태양전지의 온도상승을 억제하는 효과 도 기대할 수 있다 ⁸⁾ .

태양광발전 산업에서 사용되는 주요 양면수광형 태양전지 제조 기술은 결정질 실리콘 웨이퍼를 기반으로 n-type과 p-type 웨이퍼를 모두 사용하며, 이종 접합기술도 이에 속한다. 이종접 합 구조는 후면의 투명 전도성 산화물(TCO)에 격자 형상의 금 속전극을 사용하는 구조로 후면전극 생성이 용이하여 양면수광 형 태양전지 적용에 유리한 특징이 있다. 양면수광형 태양전지 는 동질의 P-N 접합 기술을 기반으로 단면수광형 태양전지 설계 에 몇 가지 공정을 추가하여 제작될 수 있다. 그러므로, 양면수광 형 기술은 태양광모듈의 에너지균등화 비용(levelized cost of energy: LCOE)를 낮추는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된 다 ⁹⁾ . 태양광 기술 국제로드맵(International Technology Roadmap for Photovoltaic: ITRPV) 2018년 보고서에 따르면 2017년 기준 단면수광형 모듈 중심의 실리콘 태양광 모듈시장은 2028년까 지 양면수광형 셀과 투명 백시트를 적용한 양면수광형 태양광 모듈의 시장점유율이 35%이상으로 성장할 것으로 전망하였다 ¹⁰⁾ .

본 연구에서는 옥외실증 설비에서 양면수광형 태양광 모듈 의 발전성능을 단면수광형 태양전지와 비교하였고, 특히, 바닥 면의 반사율 변화에 따른 양면수광형 모듈의 발전성능 차이를 비교 평가하였다.

2. 실험

2.1 단면수광형(monofacial) 및 양면수광형(bifacial)태 양광 모듈

본 실험에서 사용한 모듈은 LG전자에서 제작한 멀티와이어 버스바(Multi-wire busbar)를 적용한 6인치 양면수광형(bifacial) n-type 단결정 실리콘 태양전지 Neon2 셀을 60개씩 연결하여 제 작되었다. 단면수광형 모듈은 60개의 양면수광형 태양전지를 연결한 후 모듈제작시 불투명한 흰색 백시트(back sheet)를 적 용한 것이고, 양면수광형 모듈은 투명한 백시트(transparent back sheet) 를 장착한 것이다(Fig. 1). 백시트의 종류를 제외한 다른 구성, 즉, 전면유리, 후면 정션박스(Junction box), 모듈프 레임 등은 모두 동일하게 적용하였다. 본 실험에 사용된 단면수 광형 모듈의 사양은 P max = 315 W, V _mp = 33.2 V, I _mp = 9.50 A, V _oc = 40.6 V, I _sc = 10.0 A 이며, 양면수광형 모듈의 전면특성은 P _max = 305 W, V _mp = 32.5 V, I _mp = 9.39 A, V _oc = 40.1 V, I _sc = 9.93 A이다. 동일한 셀을 사용하더라도 흰색 백시트를 장착한 단면 수광형 모듈의 출력이 양면수광형 모듈보다 우수한데, 이는 태 양전지에 흡수되지 못하고 투과되었던 빛의 일부가 흰색 백시 트에 의해 반사되어 들어오기 때문이다.

2.2 옥외 성능시험 설비 구성

옥외 성능실험을 위해서 영남대학교 화공관 4층 옥상(북위

35.828963°, 동경 128.74526°)의 평평한 바닥에 알루미늄빔을 이용하여 가변적으로 움직일 수 있도록 레일형태로 모듈 거치 대를 설치하였다. 건축물 옥상에 실증시설을 설치함에 따른 기 존 건축물의 기둥, 보 및 슬래브에 대한 응력 비 및 안정성 분석을 실시하였고, 고정하중, 적설하중, 풍하중 등의 설계하중을 고려 하여 거치대 구조물 지지력, 풍압(정압, 부압)에 대한 구조분석 을 수행하여 최종 설계하였다. 모듈 거치대는 60셀 모듈크기 (1,640 mm × 1,000 mm × 40 mm)를 기준으로, 네 개의 모듈을 경사각 30도로 설치할 수 있는 것으로 전후 두 세트로 설치하였 다(Fig. 2). 전자부하 및 데이터 수집을 위한 모니터링 PC는 보 호를 위해 옥내에 위치하도록 설계하였고, 모니터링 시스템은 Maximum Power Point Tracking (MPPT) 알고리즘이 내장된 전자부하형의 태양광 옥외 실증 전용 시스템으로 대당 4채널의 입력 지원한다. 각 채널은 최대 500 W의 입력이 가능하며, 사용 자 지정주기 단위로 I-V sweep 및 최대출력을 실시간으로 모니 터링하여 저장하도록 하였다. 일사량계, 온습도계, 풍향풍속계 등의 외부 기상센서 및 일사센서를 연결하여 하나의 프로그램 으로 실시간 모니터링이 가능하도록 구성하였다. 본 시스템을 활용하여 LG전자의 60셀 단면 및 양면 수광형 태양전지 모듈에 대한, 네 가지 바닥면 조건, 즉, 시멘트(기준), 흰색페인트, 녹색 페인트 및 인조잔디에서의 반사율(Albedo) 변화에 따른 발전출 력을 비교평가 하였다.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 1. Front(a, c) and rear image(b, d) of monofacial (top: a, b) and bifacial (bottom: c, d) PV modules used in this study

Fig. 2 Power monitoring system for monofacial and bifacial PV

modules used in this study

3. 결과 및 고찰

3.1 양면수광형 모듈의 특성평가

양면수광형 셀 및 모듈에 대한 기초평가를 위해 양면수광형 셀을 이용하여 정션박스와 프레임이 없는 4셀 간이모듈을 제작 하여, 60셀 정규모듈과 특성을 비교 평가하였다. 각 모듈의 전면 및 후면에 대한 전류-전압(I-V) 특성은 표준조건(25°C, 100 mW/cm ² )에서 솔라시뮬레이터(SPI sun-simulator 4,600 SLP) 를 이용하여 측정하였고, 측정시 시뮬레이터에서 나오는 빛이 반사되어 후면에 흡수되는 것을 방지하기 위해 측정하는 양면 수광형 모듈의 뒷면은 검은색 판으로 가리고 측정하였다 ¹¹⁾ . 즉, 전면특성 측정시에는 후면을 가리고, 후면특성 평가 시에는 전 면을 가리고 후면 특성을 측정하였다. 측정된 결과는 아래 Table 1에 정리하였다.

Table 1. Front and Rear side characteristics of 4cell and 60cell bifacial modules

Module V

(V)

V

(V)

I

(A)

I

(A)

FF (-)

P

(W)

Eff.

(%) 4cell

module

front 2.11 2.72 9.55 10.1 0.73 20.2 20.7 rear 2.22 2.71 8.38 8.87 0.77 18.6 19.1 60cell

module

front 33.0 40.6 9.24 9.74 0.72 305.3 20.9 rear 36.5 40.3 4.47 7.14 0.57 163.3 11.2

우선, 셀의 전면 최대출력(P max = 20.2 W) 대비 후면의 최대출 력(18.6 W) 비로 정의되는 bifaciality를 4셀 모듈 평가결과로부 터 계산하면 약 92.1%로 매우 우수한 것으로 평가되었다. 모듈 전면특성의 경우 양면수광형 4셀 간이모듈과 60셀 모듈간의 개 방전압(V oc ), 최대전압(V mp ), 단락전류(I sc ) 및 최대전류 (I mp )값 을 비교하였을 때, 5% 이내 오차범위에서 동등한 것으로 확인되 었다(여기서, 60셀 모듈의 전압특성 ~ 4셀 모듈 전압 × 15). 특히, I _sc 와 I mp 가 소폭(3~4%) 하락한 것은 일반적으로 알려진 바와 같 이 모듈제작시 정션박스 설치에 기인한 것으로 판단된다 ¹²⁾ . 모 듈 후면특성의 경우 4셀 간이모듈과 60셀 모듈 간에 비교적 많은 차이를 보이고 있다. 전압의 경우 V oc 의 값은 큰 변화가 없다(4 셀: 2.71 V × 15 = 40.7 V, 60셀: 40.3 V). 하지만, V mp 의 경우 4셀 모듈(2.22 V × 15 = 33.3 V)에 비해 60셀 모듈(36.5 V)이 약 10%

정도 크게 나타났는데, 이 현상은 60셀 모듈의 후면 정션박스와 프레임에 의한 가림으로 인해서 저하된 I mp 로 부터 P max 값을 추 산하는 과정에서 야기된 차이로 판단된다. 하지만, V oc 값의 차 이가 없기 때문에 후면의 전압특성은 차이가 없는 것으로 볼 수 있다.

반면, 전류의 경우에는 60셀 모듈의 I sc 가 4셀 모듈의 I sc 에 비 해 약 19% 정도 낮은 것으로 분석되었다. 이는 크게 두 가지 원인 으로 나타난다. 첫째는 모듈 프레임의 그림자에 의한 I sc 값 하락

이다 ^13,14) . 일반적으로, 모듈내부의 cell 들 중 50% 정도가 동일

하게 일정면적 이상을 가릴 경우 가린 만큼 I sc 값의 하락을 유발 할 수 있는 것으로 알려져 있다. 둘째 원인으로는 후면에 설치된 정션박스(가로 121.6 mm, 세로 121.3 mm)에 의한 직접적인 입 사광 차단의 영향으로 전류가 감소한다. 향후, 정션박스에 의한 전류손실을 최소화하기 위해서 펜슬형(pencil-type) 혹은 분리 형(split-type) 정션박스로 대체하는 것도 고려할 만 하다. 60셀 모듈에서 정션박스 등에 의한 후면 전류-전압특성 곡선이 변형 되는 현상은 다음 Fig. 3(b)로부터 확인할 수 있다.

3.2 기준반사율 조건에서의 단면수광형 및 양면수광형 모 듈 출력 비교

본 실험에서는 옥외 시험설비가 구축된 옥상평면의 기준 반 사율 조건인 밝은 회색 시멘트(cement) 바닥에서 60셀 단면수광 형 및 양면수광형 모듈의 출력을 비교평가하였다. 앞서 언급한 대로 본 실험에서 사용된 단면수광형 모듈과 양면수광형 모듈 은 동일한 n-type 양면수광 결정질 실리콘 셀들을 사용하고, 각 각 흰색 백시트와 투명 백시트를 적용한 것이다. 두 모듈은 동시 에 설치되어 약 6일동안의 누적발전량을 비교하였다. 6일 동안 누적일사량은 26.1 kWh/m ² , 단면수광형 및 양면수광형 모듈의 6일간(2017년 6월 7일~12일) 누적발전량은 각각 7.63 kWh와 9.21 kWh 로 측정되어, 양면수광형이 단면수광형 대비 약 Fig. 3. Current-voltage characteristics of bifacial PV module :

(a) front and (b) rear side

20.7% 발전량이 많은 것으로 확인되었다. Fig. 4에는 맑은 날과 흐린 날에 대한 시멘트바닥조건에서 단면수광형 및 양면수광형 모듈의 하루 중 시간대별 출력변화를 나타낸 것이다. 맑은 날과 흐린 날 모두 태양광 모듈의 출력은 일사량과 동일한 경향을 보 이며 변화하는 것을 알 수 있고, 날씨에 관계없이 양면수광형 태 양광 모듈의 출력이 단면수광형 모듈에 비해 우수한 것을 확인 하였다. 간단한 계산을 통해 비교해 본 결과, 양면수광형 모듈이 맑은 날에는 약 20%, 흐린 날에는 약 20-25% 정도 단면수광형 모듈에 비해 발전량이 우수한 것으로 확인되었다.

3.3 반사율 변화에 따른 단면수광형 및 양면수광형 모듈 출력 비교

본 실험에서는 양면수광형 모듈이 설치된 바닥면의 색깔 및 종류를 변경하여, 인위적으로 반사율(albedo)을 변화시킬 때 양 면수광형 모듈의 발전량 변화를 비교하였다. 옥외 시험설비 설 치 장소의 기존 밝은 회색 시멘트 바닥을 기준(reference)으로 하 고, 바닥면을 흰색 페인트, 녹색 페인트 및 녹색 인조잔디로 변화 시키면서 전면, 후면 일사량 및 총 발전량을 비교하였다(Fig. 5).

전면 및 후면 일사량계는 바닥면으로부터 1.5 m 위의 프레임 위 와 아래에 각각 설치되어 전면에 입사되는 일사량과 후면으로 반사되어 들어오는 일사량을 측정한다. Table 2 및 Fig. 6은 전면 일사량 대비 바닥조건별 후면 일사량을 비교하였다. 반사율이 가장 좋을 것으로 예상되는 흰색페인트 바닥의 후면 일사량이 전반적으로 가장 좋으며, 전면일사량 200-900 W/m ² 범위에서

흰색 바닥의 후면일사량은 전면대비 약 54~75% 수준이었으며, 그 다음으로 시멘트가 35~48%, 녹색이 18~28%, 그리고 인조잔 디가 11~15% 수준이었다.

다른 바닥면에 대한 발전량 측정 실험은 약 6일간 연속적으로 수집된 결과를 활용하였으며, 수집기간별로 기후조건이 상이하

(a)

(b)

Fig. 4. Comparison of daily power production and POA irradiance of monofacial and bifacial PV modules with a reference albedo condition (gray cement floor) under (a) clear and (b) cloudy days

(a)

(b)

(c)

Fig. 5. PV power monitoring system with different albedo conditions:

(a) white color, (b) green color and (c) artificial grass

Table 2. Comparison of front and rear irradiation with different albedo conditions

Front irradiance

(W/m

)

Average rear irradiance (W/m

) Cement

(reference)

Green paint

White paint

Artificial grass

190~210 96.05 55.45 150.6 21.56

290~310 105.1 73.45 206.9 41.37

390~410 128.6 88.90 260.5 58.42

490~510 147.0 108.0 314.6 67.99

590~610 172.4 124.9 363.8 79.54

690~710 189.2 136.3 403.5 88.64

790~810 206.9 150.3 441.0 98.64

890~910 228.2 163.1 484.4 106.2

여, 매 바닥면 조건을 변경할 시에도 앞열에는 기준조건인 시멘 트 바닥을 유지하였고, 뒷열의 바닥면을 변경하여, 시멘트 바닥 기준조건대비 누적발전량을 비교하였다. 각 바닥조건별로 대표 적인 일간 출력변화는 Fig. 7에 나타내었다. 일간 출력변화 추이 는 후면일사량 경향과 동일하게, 흰색바닥의 경우는 시멘트(기 준조건)보다 출력이 우수하였으나, 녹색 및 인조잔디 바닥의 경 우에는 시멘트 바닥보다 출력이 낮은 것으로 확인되었다. 이는 기준조건인 시멘트 바닥의 경우 이미 반사율이 우수하여, 양면 수광형 모듈의 경우 단면수광형 모듈에 비해 약 21% 정도 많은 발전을 하는 것으로 확인되었기 때문이다. 연속 6일간의 누적발 전량 측정결과를 Table 3에 정리하였다. 먼저, 세 가지 바닥조건 시험기간 중 날씨가 일정하지 않아서, 시멘트 기준조건에서의 6 일간 누적발전량이 8.68~9.52 kWh로 다소 차이가 있었다.

Albedo가 다른 세 가지 바닥조건에서의 누적발전량을 동시에 실험한 시멘트바닥의 누적발전량과 비교한 결과, 흰색 바닥면 에서는 약 2.76% 정도(8.68 ⟶ 8.92 kWh) 많이 발전한 반면, 녹

색과 인조잔디의 경우는 각각 –12.5%와 -12.1% 정도 발전량이 적은 것으로 확인되었다.

4. 결 론

LG 전자의 양면수광형 태양광 셀을 이용하여 흰색 백시트 적 용 단면수광형 모듈(315 W 급)과 투명 백시트 적용 양면수광형 모듈(전면기준 305 W급)을 옥외 실증 평가한 결과, 회색 시멘트 바닥면 조건에서 양면수광형 모듈이 단면 수광형 모듈대비 20%

이상의 발전량 향상을 보였다. 또한, 반사율이 좋을 것으로 기대 되는 흰색 바닥면으로 변경하면, 시멘트 바닥대비 추가로 약 2.8%의 발전량 향상을 기대할 수 있다. 양면수광형 모듈을 이용 한 발전은 바닥면의 조건, 설치각도, 높이 등 다양한 환경에 의해 영향을 받을 수 있으므로, 추가로 다른 설치환경변화에 따른 영 향을 체계적으로 평가하여 최적화할 필요가 있다.

Fig. 6. Front and rear irradiance with different albedo conditions:

cement (reference), green paint, white paint and artificial grass

Table 3. Comparison of relative power production of bifacial modules with different albedo (floor) conditions

Green paint

White paint

Artificial grass Accumulated power

production with different albedo condition (kWh)

8.33 8.92 8.05

Accumulated power production with cement(reference)

condition (kWh)

9.52 8.68 9.16

Change in accumulated power production per

reference (%)

-12.5 +2.76 -12.1

Test period July 1-6, 2017

July 13-18, 2017

Aug. 18-23, 2017

(a)

(b)

(c)

Fig. 7. Representative daily power production with different albedo

conditions: (a) green paint, (b) white paint, and (c)

artificial grass

Acknowledgment

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가 원(KETEP) 지원 연구과제(No. 20163010012310) 및 산업통상 지원부와 한국산업기술진흥원 지원 유레카 국제공동기술개발 사업(N0002097)의 지원을 받아 수행된 연구결과입니다.

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