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2 01 6 年2 月 碩士 學位 論 文

태 양 전 지 모 듈 의 온 도 변 화 에 의 한 출 력 특 성

金 炯 志

工學碩士學位論文

태양전지 모듈의

온도변화에 의한 출력특성

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

金 炯 志

태양전지 모듈의

온도변화에 의한 출력특성

OutputCharacteristicsby TemperatureVariation of SolarCellModule

2016年 2月 25日

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

金 炯 志

태양전지 모듈의

온도변화에 의한 출력특성

指導敎授 曺 錦 培

이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함

2015年 10月

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

金 炯 志

목 차 ABSTRACT

Ⅰ.서 론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Ⅱ.이론적 고찰 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

A.태양전지···3

1.구조 및 원리···3

2.태양전지 모듈···6

3.태양전지 분류···9

4.태양전지 특성···16

B.태양광발전시스템···17

1.구조 및 원리···17

2.태양광발전시스템 분류···19

Ⅲ.시뮬레이션 및 실험 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

A.시뮬레이션 툴···23

B.일사량에 따른 출력특성···24

C.모듈 온도변화에 따른 출력특성···27

Ⅳ.결과 및 고찰 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Ⅴ.결론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

【참고문헌】

Li stofTabl es

Table1Moduletypeofsolarcellcategory···7

Table2Solarcellmoduleconstructionmaterial···7

Table3Comparisonbetweencrystallinesiliconandthinfilm solarcell···11

Table4Componentofdye-sensitizedsolarcell···13

Table5Applicationsfieldofdye-sensitizedsolarcell···14

Table6Solarcellmoduleparameter···23

Table7HourlypowerquantitybyPV system···26

Table8Outputcharacteristicsresultvalue···32

Table9Monthlyaveragepowerquantityanalysisresult···36

Table10Thedateofaveragepowerquantityanalysisresult···37

Li stofFi gur es

Fig.1Generationprincipleofsolarcell···5

Fig.2Classificationofsolarcell···9

Fig.3I-V,P-V characteristicscurveofsolarcell···16

Fig.4Basicdiagram ofphotovoltaicsystem···18

Fig.5Stand-alonephotovoltaicsystem ···19

Fig.6Grid-connectedphotovoltaicsystem···20

Fig.7Fixedphotovoltaicsystem···21

Fig.8Trackingwayphotovoltaicsystem···22

Fig.9Parametersettingscreenaboutcharacteristicscurve···24

Fig.10BasicvalueofI-V outputcharacteristicscurve···25

Fig.11Onedaypowerquantityaboutfineweather···26

Fig.12Setting screen by PV conditions···27

Fig.13I-V Outputcharacteristicscurveaboutambienttemperature···31

Fig.14Characteristicscurveaboutsolarirradiancevalue···35

Fig.15Monthlyaveragepowerquantityaboutannualtransition···36

Fig.16Thedateofaveragepowerquantityaboutannualtransition···37

ABSTRACT

OutputCharacteristicsby TemperatureVariation of SolarCellModule

Kim,HyeongJi

Advisor:Prof.Geum-BaeCho,PhD.

DepartmantofElectricalEngineering, GraduateSchoolofChosunUniversity

The recentadvancementofindustriallife and industrialization is causing such problemsasthedepletionoffossilfuels,temperaturerisingbythedestroyedozone layer,and environmental pollutions.As a result,the importance of new and renewableenergiesisbeingspotlighted.Inparticular,interestincleanenergyusing sunlightisincreasing andphotovoltaicsystemsarebecoming popularbecausethey have an infinite energy source and has concern for environmental pollution comparedtothermalpowerandatomicpowersystemswhichusefossilfuels.

With the activation of the domestic market for photovoltaic systems,many studies are being conducted in various areas to improve their maximum power generation performance. The power demand is sharply increasing with the acceleratingindustrializationacrosstheworld.EspeciallyinSouthKorea,anenergy crisisisexpectedinthefutureduetoexcessiveconsumptionofenergy.

Photovoltaic power generation is to convert solar energy to electric energy through solarcells.Unlike the thermaland atomic powergeneration using fossil

fuels,itisenvironment-friendly with noenvironmentalpollutionsornoises,and it hasnoconcern fordepletion becausetheenergy sourceisinfinite.Furthermore,it can beused toconvertsolarenergy toelectricalenergy in any placewherethere is sunlight,and itis an advanced technology thatgenerates no carbon dioxide emissions.Dueto thelong life-span,photovoltaicsystemsareeasy toinstalland manage,reducingmaintenancecosts.

Solarcellsaresemiconductordevicesthatconvertthesolarenergy to electrical energy,and they are also referred to as solarbatteries,solarcellmodules,solar cellarray,etc.Recently,the term photovoltaic cellis used more often.The core elementofa photovoltaic system is solar cell.Solar celluses a semiconductor device technology that absorbs sunlight into a solar celland converts it into electricalenergy.Ithas the same basic structure and materialcharacteristics in generalasthoseoflaser,thermocouple,and LED deviceswhich convertelectrical energytolightenergy;onlythedirectionisreversed.

In this study,the power generation amountwas measured with a solar cell module having a Pmax value of 65[W]. Furthermore, how the electrical characteristicsofthesolarcellmodulesuch asoutputcurrent,outputvoltage,and outputcharacteristiccurvewere influenced by various factorsmoduletemperature variation,ambienttemperature,solarradiation,etc.wasexamined.

Ⅰ.서 론

최근 고도화된 산업생활 및 산업화에 따라 전 세계적으로 점차 고갈되는 화석연료, 오존층 파괴로 인한 기온상승,환경오염 문제로 인하여 신재생에너지의 중요성이 더욱 더 부각되고 있다.그 중에서도 햇빛을 이용하는 청정에너지의 관심도는 더욱 높아지고 있으며,환경오염의 우려가 없고 기존 화석연료를 이용한 화력,원자력 발전시스템에 비해 무한한 에너지원을 가지고 있는 태양광에너지시스템이 각광받고 있는 추세이 다.^[1][2]

태양광발전시스템의 국내시장이 활발해짐으로 인해 태양광발전시스템의 최대 발전성 능을 향상시키기 위한 연구가 다양한 분야에서 진행되고 있다.국내 뿐만 아니라 전 세계적으로 점차 산업화가 가속됨에 따라 전력수요는 급격하게 늘어나고 있으며,특히 국내에서는 에너지 과다 소비현상으로 향후에 에너지 대란이 일어날 것으로 보인다.^[1] 고갈되어 가고 있는 화석연료와 점차 심각해지는 환경문제로 인하여 기존의 화석연 료를 변환하여 이용하거나 물,햇빛,지열 등 여러 요소들을 포함하는 친환경적으로 재 생 가능한 에너지를 변환하여 사용하는 신재생에너지의 중요성이 국내 및 국외로 더욱 부각되고 있는 가운데,신재생 에너지의 효율의 증대는 신재생 에너지 발전 기술의 중 요한 요소 중 하나로 적용되어져야 하며 그 중 청정에너지원으로 무한한 장점을 지닌 태양광발전 사업이 눈에 띄게 확산되어지고 있다.^[1]

신재생에너지 보급의 확대를 위하여 2012년부터 500MW이상의 발전사업자들에게 일 정비율 이상을 신재생에너지로 생산하도록 의무화하는 신재생에너지 의무할당제도 (RPS)를 도입하여 시행하고 있으며 이로 인하여 신재생에너지의 보급이 크게 확대되 었다.신재생에너지의 보급이 확대되면서 태양광발전이 눈에 띄게 증가함에 따라 태양 광발전을 효율적으로 활용하고 태양광발전의 최대 발전성능을 끌어내기 위해 다방면으 로 응용한 연구가 필요한 실정이다.^[2]

태양광발전은 태양전지를 이용한 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는 방 식으로 다른 화석연료를 이용하는 화력,원자력 발전방식과 다르게 환경오염 및 소음 공해의 발생이 없어 환경 친화적이고,무한한 에너지원으로 고갈의 염려가 없다.또한 햇빛이 비추는 어느 곳이든 태양빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸어 이용할 수 있

고,이산화탄소 배출량이 없는 첨단기술의 하나이며 기존과는 다르게 장기화된 수명으 로 설치,관리가 용이하고 유지 및 보수 관리에 관한 비용절감이 가능하다.^[3]

에너지발전 단가만 보았을 때 화력발전에 비해 월등히 높게 나타나고 있으며 이러한 배경에 매년 광범위한 태양광발전이 산업으로 발전하면서 다양한 방면으로 보편화되어 지고 있고,최근 정부에서 지원하는 100만호 보급 사업과 중대형 태양광발전 사업에 이르기까지 빠른 속도로 확산되고 있는 추세이다.^[2]

태양광발전시스템의 효율 저하 요인에는 일사량의 변화·대기온도 등에 기상조건 및 인버터 효율,그리고 주변의 구조물 등에 의한 그늘의 영향 등이 있다.그 중 태양광발 전시스템의 주요 구성품이자 전력원인 태양전지는 재료상 효율의 한계성과 높은 발전 단가라는 단점을 내재하고 있다.더불어,기후변화에 민감하다.

여러 방면에서 광범위하고 다양하게 적용되어 가고 있는 태양광발전의 기술 및 이용 분야는 점차 다양성을 가지고 있으며,복잡화되고 있는 태양광발전시스템은 저가,고성 능,내구성 강화에 대한 연구 및 고신뢰성과 시스템의 안정성을 높이기 위해 발생하는 손실과 발전성능을 정량화 할 필요가 있으며,이러한 모든 과정을 이뤄내기 위해서는 시스템의 성능 및 평가분석이 절실히 필요하다.

태양전지 모듈로 입사하는 일사량 에너지의 흐름과 그에 따른 변환효율은 전기를 생 산하는 과정 속에서 자체로 발생하는 열과 대기상태에 따라 주변에 비해 온도가 상승 하여 실내공간의 열 부하를 증가시키고 시스템의 변환효율에 영향을 미치게 한다.태 양전지 모듈의 온도가 고온 일수록 출력이 저하됨에 따라 모듈 설치 시 태양전지 모듈 의 발열을 저감시킬 수 있는 방안이 모색되어져야 한다.

본 논문에서는 태양전지 모듈의 발전성능에 영향을 끼치는 요소들 중 모듈 자체에 발생하는 열과 모듈의 주변 온도에 따른 태양전지 모듈 발전량의 저감정도를 시뮬레이 션을 통해 최적의 출력특성에 관하여 분석 및 고찰하고자 한다.

Ⅱ.이론적 고찰

A.태양전지 1.구조 및 원리 a.태양전지 구조

태양전지란 반도체 소자의 일종으로 태양의 햇빛을 받을 시 광 에너지를 전기에너지 로 변하게 하는 것으로 일반적으로는 Cell,Module,Array등을 종합적으로 칭하여 표 현하기도 하고 근래에는 태양광발전 전지라는 용어가 많이 사용되기도 한다.

태양전지는 광전효과를 이용한 것으로 태양빛이 반도체소자의 pn접합면에 내리쬐어 접합면으로부터 전자가 발생되어 전류를 흐르게 하는 반도체특성을 응용한 소자이다.광 전효과란 물질이 빛을 흡수한 복사에너지가 직접 전기에너지로 변환하여 자유전자를 생 성하는 현상으로,이에 따라 전기전도도가 증가하여 기전력이 발생하는 현상이다.여기 서 발생하는 자유전자를 광전자라고 하며 일반적인 반도체 접합에서 주로 볼 수 있다.

태양광발전시스템의 구성요소 가운데 핵심요소는 태양전지이다.태양전지는 태양빛이 태양전지 내에 흡수되어 빛으로 흡수된 에너지를 전기에너지로 변환하는 반도체 소자 기 술로서 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 레이저,열전대,발광소자(LED소자)등과 같은 소자와 작동방향만 반대일 뿐 전반적인 기본구조와 소자의 재료특성은 동일하다.

태양전지의 변환하는 에너지의 변환효율 값을 높이기 위해서는 반도체 내부로 최대 한 많은 태양빛이 흡수될 수 있도록 하며,태양빛에너지에 의해 생성된 전자가 외부 회로까지 전달되는 동안 소멸되지 않도록 하고,pn접합부에 대량의 전기장이 발생할 수 있도록 접합부의 소재 및 공정과정을 새로 디자인해야 한다.

태양전지의 최소단위를 셀이라고 하면 보통 셀로부터 그대로 얻는 발생전압이 약 0.5V로 그 값이 적기 때문에 여러 태양전지를 직렬로 접속하여 어떤 범위에서 사용되 느냐에 따라 실용적으로 전압 및 출력을 얻을 수 있게끔 1매로 묶어 제작하여 태양전 지 모듈로 이용할 수 있다.또한 필요에 따라 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용할 때 그 최소단위 또한 태양광모듈이라고 하며 태양전지에서 발생하는 DC전기를 AC로 변 환시키는 인버터와 축전지 등이 태양광발전시스템에서는 필수장비이다.

다수의 태양전지를 직렬 연결하여 1매로 묶는 모듈은 표면재,완충재 등을 사용하여 주변 외부 환경으로부터 태양전지 표면을 보호하기 위해 패널형 방식으로 제작한다.

태양전지 어레이는 고내구성 및 내후성을 가진 출력을 입사할 수 있도록 입사각,경사 각,방위각 등의 주변 설치 조건을 고려한 후 여러 모듈을 직·병렬로 연결하여 상용화 된 범위에 맞추어 구성하는 발전장치로서 직류발전장치 중의 하나로 본다.^[12]

태양광 모듈은 사용하는 목적에 적합한 전압,전류특성을 갖출 수 있도록 태양전지 다수의 장을 직·병렬로 결선하고,오랜 시간에 걸쳐서 자연적인 외부환경으로부터 셀 을 보호할 수 있도록 구성된다.전압의 세기는 여러 장의 태양전지 모듈을 직렬로 연 결시켜 조정하고,전류의 세기는 병렬로 연결하거나 태양전지의 면적으로 조정할 수 있다.조립 및 결선을 통하여 발생하는 전기에너지는 다양한 전기기기들을 작동시키는 곳에 사용된다.

b.태양전지 원리

일반적으로 태양전지에 태양빛을 비추게 되면 광 에너지(광자)에 의하여 정공,전자 가 생겨난다.p형 반도체에서 소수 캐리어는 전자,다수 캐리어가 정공이고,광자에 의 해 생성된,전자와 정공 사이에서 발생하는 밀도 차로 인해 전자의 경우 더더욱 급격 하게 변화를 겪게 된다.소수 캐리어가 정공이고,다수 캐리어가 전자인 n형 반도체에 서는 반대현상이 발생한다.이와 같은 밀도 차에 의하여 전자,정공이 확산하는 과정에 서 전위의 차가 형성된 pn접합부에 도달하는 경우에는 강한 전기장으로 인해 전자와 정공이 분리하게 된다.p형 반도체에서 확산된 전자는 n형 반도체 방향으로,반대로 n 형 반도체에서 확산된 정공은 p형 반도체 방향으로 이동하여 전류가 흐른다.

전기 발생 원리는 태양전지의 일반적인 단결정 실리콘계 태양전지의 구조를 예로 들 어 설명해보면 주기율표상의 4가 원소로 지정되어있는 실리콘(Si)에 5가 원소로 지정 되어있는 인,비소,안티몬 등을 첨가한 n형 반도체와 3가 원소로 지정되어있는 붕소, 갈륨 등을 첨가하여 만든 p형 반도체를 접합하여 다이오드 형태로 pn접합부에 태양전 지가 얻어지게 된다.이러한 태양전지가 태양 빛을 받으면,광전효과에 의해서 반도체 내부에서 태양전지 표면에 흡수되어 발생한 광자(Photo)가 전자(Electron)-정공(Hole) 의 쌍을 발생하게 된다.발생 후 전자는 (-)극으로 정공은 (+)극으로 모여 태양전지 전

극 양단에 외부 도선을 연결하면 (+)극에서 (-)극으로 전류가 흐르게 된다.

이러한 현상을 자세히 보면 n형과 p형 각 반도체가 pn접합을 이루어 불순물 농도의 차에 의해 n형 반도체에서 고농도의 전자가 p형 반도체로 확산되고,그와 동시에 p형 반도체에서는 정공이 n형 반도체로 확산되어 pn접합부 부분에 밀집하여 내부 전위차 를 형성한다.

태양전지 내부에 인입된 광자는 에너지갭 이상의 에너지를 갖는다.이 때 광흡수 층 인 n형 반도체 또는 P형 반도체에 흡수되며 여기 시킨 가전대의 전자를 전도대로 이 동시킴과 동시에 전자를 잃고 남은 정공이 가전자대에 생성된다.

이와 같은 현상으로 생성된 전자와 정공의 한 쌍은 태양전지 내부 소수전하의 고농 도,저농도 간의 농도차를 발생한다.더불어 광흡수과정에 의해 생성된 전하는 확산력 에 의해 광기전력을 생성한다.그 후 pn접합부 양단 전극에 외부 도선을 연결하면 n형 반도체에서는 전자가 외부도선을 통해 이동하고,반대로 p형 반도체에서는 정공이 외 부도선을 통해 흐르게 된다.태양전지의 발전원리는 Fig.1과 같이 나타낼 수 있다.

Fig.2Generation principleofsolarcell

2.태양전지 모듈

태양전지의 표면을 보호하고 외부에 보다 더 태양전지를 쉽게 설치하기 위하여 태양 전지 모듈을 사용한다.그 동안 단순한 조립공정으로만 인식되어 왔으나,저렴하지 않 은 가격의 태양전지 수명은 모듈의 기술력에 의해 좌우되므로 최근 여러 다양한 곳에 서 수많은 연구를 수행 중에 있다.

일정한 틀 안에서 여러 수십 가지의 태양전지 셀을 고정시켜 구성해 놓은 것을 모듈 이라고 칭하며,이와 같은 모듈을 다시 한 번 복수개로 연결하여 각 용도에 맞게 지붕 이나 지상에 설치하고 결선한 태양전지의 전체를 어레이라고 한다.태양전지의 모듈 내부에 태양전지 셀을 묶어서 소정의 전압과 출력을 얻도록 하고 있다.태양전지 전극 의 연결은 모듈의 생산 공정에서 자동적으로 이루어진다.특수형태로 제작되는 모듈의 경우 대부분 수동적으로 전지 전극을 연결한다.이는 다양하게 태양전지를 배치할 수 있는 가변성을 제공하며,다양한 형태의 모듈을 생산할 수 있다.태양전지 모듈의 핵심 적인 기술은 태양전지가 외부에 설치된 경우에 온도,눈,태풍,습기,바람 등과 같은 외부환경의 악한 조건에서도 손상 및 산화 등과 같은 현상이 발생하는 것을 방지하고 수명을 장기간으로 연장시키기 위한 모듈 제조 기술,설치 장소,사용 용도에 따라 용 이하게 설치될 수 있도록 다양한 방면의 설계방법 및 기술로 분류할 수 있다.

a.태양전지 모듈 구조

태양광 모듈의 구조는 설치 방법,유형,장소에 따라 다른 구조를 가진다.일반적으 로 많이 상용화 된 태양광 모듈의 형태는 여러 가지 종류의 타입이 존재하지만,그 중 에서도 대부분 슈퍼스트레이트의 구조로 구성된 모듈을 사용하는 것을 볼 수 있다.태 양광 모듈에 사용되는 재료는 우선 모듈의 표면에는 저철분 강화 유리가 사용되고,태 양전지의 표면에는 알루미늄과 테드라가 적층되어있는 Back Sheet,전면과 후면에는 EVA Sheet를 사용하고 있다.^[15]

대체로 많이 상용화 된 지상용 모듈의 경우 거의 AlPlate등을 사용하고 있으며,이 것은 밀착되어있는 공간에서 열을 최대로 방열하여 모듈이 지닌 전기적 특성이 감소되 는 것을 최소화 하는 목적을 가지고 있다.일반적인 결정질 실리콘계의 태양광 모듈은 전기적 성질을 가지는 얇은 도체선으로 다수의 태양전지를 연결 후 Back Sheet,유리

기판,충전재 등과 함께 적층시켜 제조한 후에 단자박스 및 프레임 등을 조립하고 부착 하는 과정을 거친다.박막 태양광 모듈처럼 다수의 태양전지를 연결해주는 결선공정이 불필요하며,제조된 넓은 면적의 태양전지에 단자박스,보호구조층 적층공정과 프레임 등을 조립하고 부착하는 과정으로 진행된다.^[14]

Table1에서는 현재 상용화 된 태양전지 종류별에 따른 모듈 타입을 나타낸다.

종 류 모듈타입

벌크형(결정형)

SuperstrateType DoubleGlassType SubstrateType EncapType

박막형

SuperstrateType SubstrateType FlexibleType

Table1Moduletypeofsolarcellcategory

b.태양전지 모듈 구성 재료

태양광 모듈에 사용되는 구성 재료는 제조업체,제조사나 모듈을 사용하는 용도에 따라 다르지만,일반적으로 사용되는 태양전지 소자를 제외하고는 다음의 Table2와 같이 분류하여 나타낼 수 있다.

표면재 충진재 후면재 외장 및

프레임 실링재

유리

투명 PVF EVA

유리 외층테드라

폴리머 에폭시 수지

알루미늄 고무 고분자

수지

폴리우테란 부틸고무

수지 Table2Solarcellmoduleconstructionmaterial

셀 이외의 구성은 크게 고분자,유리,알루미늄 등으로 구분하며,외장 프레임의 경 우 내부식 처리한 알루미늄,표면재에는 강화유리,투명 PVF,충진재에는 EVA,후면 재에는 외중테드라,실링재에는 부틸고무,수지 등이 주로 이용되고 있다.^[15]

c.태양전지 모듈 제조공정

태양전지에서 모듈로 만들 경우 변환효율이 10~20% 저하되고 연결 공간이 필요하여 태양전지의 강도를 유지하려고 고무와 알루미늄으로 바깥 틀 쪽에 설치한다.그로 인 해 표면에 보호 유리를 설치함으로써 흡수율은 떨어지기도 한다.

모듈 제조공정 방식으로 서브플레이트,유리봉입,슈퍼스트레이트 방식으로 분류 할 수 있다.태양전지의 안쪽 부분에 하부 기판을 놓고 그 기판을 지지판으로 하여 기계 적 강도를 갖도록 하였고,지지판 위에 수지로 태양전지를 고정시키는 서브플레이트 방식과,태양전지의 빛을 흡수하는 표면에 유리,투명 PVF 등의 투명 기판을 두어 모 듈의 지지판으로 삼고,그 아래에 투명 충진재와 표면 내부의 코팅을 이용해 태양전지 를 고정시키는 슈퍼스트레이트 방식으로 분류한다.투명 기판은 유리가 가장 적당하나 투과성이나 내부 충격 강도가 뛰어난 점에서 열강화 유리가 주로 이용되고 있다.

제조공정에서 가장 중요하게 봐야할 점은 품질의 신뢰성이다.고품질의 모듈로 제조 하기 위해서는 제조공정 환경이 청결하게 유지되어야하고,안정된 제조설비,재료를 적 절하게 사용하고,최적의 제조조건을 도출하는 것을 필요로 한다.그 다음으로 중요하 게 보는 것은 완성된 제품에 대한 품질관리로,이것은 앞으로의 태양광 모듈의 유지보 수관리,품질인증에 많은 기여가 될 것이다.

태양광 모듈의 제조방법은 제조사마다 다르며,제조설비 구성방법이 어떻게 구성 되 어 있는지에 따라 다소 차이가 발생 할 가능성이 있다.

3.태양전지 분류

태양전지의 제조기술은 태양전지가 어떤 종류를 사용하는지에 따라 Fig.2와 같이 실리콘계 태양전지와 화합물 반도체 태양전지,유기 태양전지로 크게 분류할 수 있다.

현재 상용화되어 전원의 용도로 많이 이용되는 것은 주로 실리콘 태양전지이며,이미 많은 연구 개발이 이루어졌고 그동안의 누적된 보급 면에서 월등하므로 기술성에 대한 신뢰도가 높다.

사용하는 목적에 따라 여러 다른 종류의 반도체를 이용하는 태양전지도 실용화 단계 에 있고,특수한 구조 및 소재를 가지고 있는 태양전지에 관한 연구 또한 진행 중에 있다.현재로는 전체 태양전지 시장에서 대다수의 비율을 결정질 실리콘계 태양전지가 차지하고 있으며,상위권을 꾸준히 유지하며 고효율화,저가격을 목표로 두고 그에 맞 는 연구가 활발하게 진행되고 있다.또한 실리콘계 태양전지와 더불어 박막형 화합물 태양전지 또한 활발한 연구가 진행되고 있으며,전체 태양전지 시장에서 박막태양전지 가 전체의 1/4정도의 범위를 점유할 것으로 예상되고 점차 발전되고 있다.

Fig.3Classification ofsolarcell

a.실리콘 태양전지

(1)결정질 실리콘 태양전지

전 세계적으로 태양전지 생산량의 절반이상을 차지하는 결정질 태양전지는 어떤 소 재를 사용하느냐에 따라 단결정,다결정으로 구분할 수 있다.지상용으로 널리 알려져 사용되고 있는 태양전지는 스크린 인쇄법의 방식에 의한 전극을 가지는 구조이다.

결정질 실리콘은 물리적인 부분에서는 태양전지에 있어 가장 이상적인 것은 아니지 만 이미 전자산업분야에서 개발되어 있는 장비와 기술을 꾸준히 활용할 수 있는 장점 을 가진다.실리콘 태양전지의 이론적인 효율수치는 29%정도이고,이미 실험실의 실험 수준에서는 이론적 수치에 가까운 효율이 보고된 바가 있다.^[11]

고효율의 태양전지는 표면에서 재결합되는 현상을 방지하기 위하여 태양전지 표면에 패시베이션을 설치하여 빛의 흡수력을 최대화하고자 이중으로 구성된 반사방지막을 형 성하고,태양전지 전극의 표면 면적을 최소화시키고,전극과 기판과의 접촉저항 또한 최소화하는 형태를 지닌다.제조공정에 관한 연구는 태양전지 제조과정에서 소요되는 공정과정을 1시간대 이내로 단축시키는 공정단순화,대량을 생산할 수 있도록 연속적 인 제조공정,저온에서 급속으로 열처리할 수 있는 열처리공정개발,고효율의 목표를 달성하기 위해 표면처리 기술 등 여러 기술연구에 집중되고 있다.

(2)실리콘 박막 태양전지

반도체의 웨이퍼 대신 유리 등의 기판 윗부분에 증착된 반도체의 박막을 기전력이 발생하는 활성 층으로 활용하는 태양전지이다.인,붕소를 이용하여 각 p형 또는 n형 으로 도핑과정이 용이하고,게르마늄,탄소를 이용하여 비정질 실리콘의 합금을 만들어 내므로 광학적인 밴드갭 조절방법이 용이하다.실리콘 박막 태양전지는 어떤 종류의 물질을 사용하느냐에 따라,접합구조가 단일,이중,삼중의 다중의 3가지 방법에 따라 서 태양전지를 나눌 수 있다.응용되는 범위가 많아 창호,유리창 등에 쉽게 응용되고, 얇은 플라스틱 기판이나 금속막에 사용하여 휘어짐이 가능한 전지도 제조할 수 있다.

기존의 여러 기술을 활용하여 트리플,탠덤 접합이 용이하게 가능하며,고효율 태양전 지로 무한한 잠재력을 가진다.Table3에서는 두 태양전지의 장단점을 비교하여 나타 내었다.

항 목 결정질 실리콘 태양전지 박막 태양전지 원재료 사용량 두께 :200um 내외 두께 :< 2-3um

공정 단계가 많고 단속적 대량생산적합,연속적

공정 에너지 사용량 고온 저온

신뢰성 입증됨 결정질 실리콘과 근접

외관 건물에 적용할 시 일체감 부족

기판에 따라 다양한 형태 가능,외관 수려

에너지 변환효율 고효율 약간 낮음

Table3Comparisonbetweencrystallinesiliconandthinfilm solarcell

b.화합물 반도체 태양전지

(1)Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 태양전지;CI(G)S 태양전지

CuInSe2,Cu(In,Ga)Se2로 대표되는 Cu계 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 태양전지는 고효율과 저가의 제조단가로 두 가지 측면에서 어떤 태양전지 보다 월등하게 발전 가능한 잠재력을 지 니고 있다.제조장비 기술도 발전함에 따라 외국 기업에서도 적극적으로 사업에 참여 하고,사업을 확장 하는 등 해당하는 제조기술의 우수한 발전 잠재력이 국내외적으로 점차 증가하고 있다.^[19]

CIGS의 경우 날씨가 흐린 날에도 발전되는 효율의 저하가 적으며,다른 전지에 비 해 직사광선 뿐 아니라 산란광에서도 발전 성능이 우수한 특징을 지닌다.이른 아침, 늦은 오후에도 입사각에 대한 영향을 덜 받으므로 발전 성능이 우수하고,높은 빛 흡 수계수를 가지고 빛을 흡수하는 파장의 영역대가 태양광 빛의 파장 스펙트럼과 거의 유사한 특성 때문에 동일한 용량을 가지고 발전할 때 실리콘 태양전지에 비해 연간 발 전량이 많은 것을 알 수 있다.

(2)Ⅱ-Ⅵ족 화합물 태양전지;CdTe태양전지

CdTe(Cadmium Telluride)는 Cd와 Te가 결합된 화합물 반도체이고,높은 빛 흡수계 수로 인해 제조과정에 유리할 뿐만 아니라 제조단가가 낮아 상용화된 저가형 태양전지 이다.실험실 수준에서는 효율이 조금 낮지만 제조,생산단가가 낮아 활발하게 상용화 되고 있다.이에 따라 고가인 실리콘 태양전지를 대체할 수 있고,획기적인 경제성을 향상시키는 대안으로 관심이 집중되고 있다.^[19]

CdTe태양전지는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체로서 여러 결정 결함에 의하여 전기적 특성 이 결정되는 것으로 보인다.일반적으로 순수한 상태에서는 CdTe는 Cd가 도핑되어 도 핑에 의한 전기전도의 제어가 어려우며 이러한 경우 인의 첨가,열처리에 의해 n형으 로 전기전도도를 제어하는 것이 보다 더 쉬운 방법으로 알려져 있다.특히 다결정으로 제조 할 경우 결정립이 매우 작아 결정립계의 밴드갭이 높아 박막의 n형 도핑보다 p 형 도핑이 더 안정적으로 성취될 수 있도록 하는 연구가 필요하다.

(3)Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지;GaAs& InGaP 태양전지

GaAs,InGaP를 기반으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 태양전지는 1980년대 초반부터 연구되어져 왔고 우주용 태양전지로 많이 실용화되었으며,그 중 가장 먼저 개발된 태양전지는 GaAs 태양전지이다.간접 천이형 밴드갭을 갖고 있는 실리콘 태양전지에 비해 직접 천이형 밴드갭을 가지는 GaAs태양전지는 높은 광흡수율을 가지고 공유결합을 하기 때문에 우수한 물성특성으로 활성 층의 두께가 더 얇아 태양전지의 표면으로 입사되는 태양빛 에너지를 더 많이 흡수하는 장점을 지닌다.밴드갭은 이론적인 변환효율로 보 았을 때 단일 접합의 태양전지 중에서 가장 높은 에너지 변환효율을 가지게 된다.^[19]

기존의 태양전지보다 더 복잡한 구조로 레이저 분야 쪽에서는 이미 극한 조건에서도 높은 신뢰성을 입증한 것으로 나타난다.금지대폭 또한 넓어서 온도의 상승에 따른 효 율 감소율이 낮아 고온에서의 동작에 유리한 장점이 있다.고온동작에서 유리하기 때 문에 고온 특성이 우수하고 온도에 대하여 우수한 안정성,신뢰성을 가지며 집광에 따 라서 광전 변환효율이 상승하므로 고배율 집광형 시스템에 적합하다고 사료된다.^[19]

지금까지 효율 향상 추이에 따라 현재 가장 높은 효율을 나타내며,앞으로의 증가 추세가 당분간은 꾸준히 지속될 것으로 보인다.

c.유기 태양전지

(1)염료감응형 태양전지

나노기술시스템 및 광합성의 원리를 이용하는 염료감응 태양전지는 에너지를 변환시 켜주는 변환 효율이 높고 그와 함께 가격이 매우 저렴한 제조단가로 인해 차세대 태양 전지로 주목받고 있다.저렴한 생산비용으로 유연하고 투명하게 제작가능하며 다양하 게 응용되어 여러 제품에 적용가능하고 다양한 염료를 통하여 수많은 색상을 구현해낼 수 있다.Table4에서 염료감응 태양전지의 각각의 구성요소와 요소에 따른 필요기술 을 알 수 있다.

염료감응 태양전지는 염료/금속/산화환원전해질/나노산화물로 구성되고,염료 분자가 표면에 화학적으로 흡착되어 n형 반도체의 산화물 전극에 태양빛이 흡수되어 염료분 자에 전자-홀 쌍이 생성된다.반도체의 산화물 전극에 주입한 전자는 나노입자사이의 계면을 통해 투명한 전도성막으로 이동하여 전류를 발생하는 원리를 이용한다.

구성요소 요소에 따라 필요한 기술 TCO

Substrate

주로 ITO,FTO를 소재로 사용,투명 전극 기판 저저항 전극일수록 셀의 특성에 유리하다.

Working Electrode

투명전도막 위에 TiO2를 후막으로 올리는 기술 TiO2Powder합성과 Paste제조를 포함하여 Filming 공정이 중요

Dye

외부에서 받은 빛을 흡수하여 광 여기된 상태에서 전자를 제공해주며 흡수하는 파장 대역이 넓을수록 광전변환효율이 증가

Counter Electrode

촉매전극으로 전해질의 산화-환원반응을 유도

백금(Pt)이 주로 사용되며 투과율 및 반사율 조절가능 Electrolyte Redox Couple을 포함하여 산화된 Dye를 환원하는 역할

이온전도도의 영향으로 반응 속도가 좌우됨

Sealing cell의 효율이 감소함에 따라 화학적 영향이 아니라 물리적 영향을 최소화시킨다.

Table4Componentofdye-sensitizedsolarcell

구조가 간단하고 저가의 가격으로 경쟁력을 가지고 있으며,가벼운 무게와 광투과성 이 높아 다양한 용도로 사용되고 있다.소재 및 자재의 가격이 저가이고,비진공의 공 정으로 기존 실리콘계의 태양전지보다 제조공정이 훨씬 편리하고 쉬우며 초기 투자 비 용이 적어 기술 개발에 있어서 저가의 태양전지로 우수한 경쟁력을 가진다.

실리콘계 태양전지는 주로 맑은 날에 발전하는 반면에 염료감응형은 비가 오는 흐린 날이나 실내 및 약한 빛에서도 발전 가능하고 유연성 측면에서 탁월한 장점을 지닌다.

투명성 또한 월등해 유연함을 가지며 반투명하게 제조할 수 있어 실생활에서도 다양한 분야로 응용이 가능하다.수명 또한 15년 이상으로 매우 안정적이다.

높은 광투과성으로 건물 외벽에 부착하여 전기를 생산해내는 건자재 일체형 태양전 지(BIPV)생산과정에서 유리하며,어떤 염료를 사용하느냐에 따라서 태양전지의 색상 을 다양하게 변화시킬 수 있어 다방면으로 제작이 가능하다.여러 많은 장점을 가지는 반면에 낮은 효율과 아직 많이 상용화되어 있지 않아서 안정성이 부족한 단점이 있다.

Table5에는 현재 연구되고 있는 염료감응형 태양전지의 응용분야를 나타낸 것이다.

응용분야 특성 및 상용화

유리창호용 태양전지

-우수한 광투과성 -다양한 컬러 유리창호

-약한 빛,산란광에서 성능이 우수함 -BIPV 생산과정에 유리하여 BIPV 시장의 확대

차량용 선루프 태양전지

-반투명 컬러유리 선루프 -차랑 발전용 유리

-약한 빛,산란광에서 성능이 우수함 -하이브리드 자동차 확대

Table5Applicationsfieldofdye-sensitizedsolarcell

(2)유기 분자형 태양전지

기술적인 변환효율과 안정성문제,재료의 단가,환경 친화성에 대한 많은 문제점들이 발생했음에도 불구하고,생산성,제조의 단가,공정의 단순한 측면에서 보면 상당한 장 점을 가지는 태양전지이다.

기존의 기술에서 가장 큰 영향을 주는 문제점 중 고가의 제조단가 문제를 해결 하는 것이 유일한 기술로 응용가능하다는 점이 매우 중요하다.지금까지 기존의 태양전지는 화력발전을 여러 대체 에너지원으로 대체하고 사용하는 것이 주된 목적이라면,유기 분자형 태양전지는 발코니,건물의 벽 등에 설치하기 때문에 화려한 외관을 창출하고, 그와 동시에 전기를 생산하는 BIPV 용도로도 널리 사용될 것이다.

유기 분자형 태양전지는 광활성층의 성분에 따라,그 성분의 재료에 따라서 단분자, 고분자 구조로 분류할 수 있다.단분자구조는 증착법을 이용하여 광활성층에 도입하는 것이고,고분자구조는 잉크젯,스핀코팅 등의 다양한 공정과정을 통해 광활성층에 도입 하는 차이가 있다.기존의 고분자구조에서 사용한 PPV,PT계 이외에 많은 연구가 진 행된 Low 밴드갭 고분자는 도너로 사용되어 분야가 따로 분리되었다.다음과 같은 기 준에서 분류된 재료들은 대부분 단분자 구조에서 이루어졌고,효율이 낮은 수준에 있 으며,현재까지 꾸준하게 새로운 고분자,소자의 구조 분석,다양해진 Accpetor의 개발 등 여러 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.

그에 따른 효율이 급속하게 향상되었고,최근에는 Low 밴드갭 고분자를 적용하는 태양전지의 개발 또한 급속히 올라가고 있는 추세이다.

4.태양전지의 특성

태양전지의 제조 특성상에 의해 결정되는 값을 태양전지의 전압이라고 하고,태양전 지 출력은 전압과 전류의 상관관계에 의해 결정된다.태양전지는 온도가 올라가면 올 라갈수록 전류는 미소하게 증가하지만 출력전압의 값은 크게 떨어져 결과적으로 출력 이 저하한다.이 결과로 태양전지의 출력은 온도특성에 의존하는 것을 볼 수 있다.일 조 또는 외부의 기온에 따라 자체적 온도가 올라가면 발전 전압이 내려가는 특성을 지 니고,그에 따른 저하 비율은 태양전지의 물성특성에 따라 다르게 나타나지만,결정계 는 온도가 1℃ 상승 시 대략 0.4%만큼 저하한다.그러므로 태양전지를 설치할 때 방열 이 잘 되는 환경을 고려하여 설치해야 한다.

셀 전반의 최대 전압 차 또는 셀을 통해 전달되는 전류가 존재하지 않을 때 발생된 전압을 개방전압(Voc)라 하고,저항 값이 0[Ω],전압 또한 0[V]일 때 낮은 임피던스 값으로 단락 상태에 전달되는 최대 전류를 단락전류(Isc)라고 한다.저항 값이 감소하 면 전류는 증가,전압은 감소하며 단락 상태로 근접 시 전류의 변화가 줄어들어 정전 류원의 특성을 나타낸다.출력전류와 출력전압의 곱으로 출력전류가 계산되며 Fig.3과 같이 그래프에서 포물선 형태로 그려진다.태양전지는 출력전력이 최대가 되는 점이 존재하며 태양전지 I-V곡선에서도 일사량과 온도의 변화에 따라 출력이 최대가 되는 동작점이 변하게 된다.실제로 발전시스템에서는 이러한 변동을 최적으로 제어하고 태 양전지의 최대 동작점을 추종시켜 항상 최대전력을 낼 필요가 있다.이를 위해 태양광 발전 인버터에는 최대전력점 추종제어(MPPT)방식이 포함되어 있다.

Fig.4I-V,P-V characteristicscurveofsolarcell

B.태양광발전시스템 1.구조 및 원리

태양광발전은 태양빛으로부터 받는 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하여 발전 하는 방식이다.다른 화석연료를 이용하는 화력,원자력 발전방식과 다르게 환경오염 및 소음 공해의 발생이 없어 환경 친화적이고,무한한 에너지원으로 고갈의 염려가 없 으므로 최근 국내 및 국외에서 높은 관심이 집중되고 있는 추세이다.^[7]

태양광발전은 청정에너지원으로 무한한 장점을 지니고,필요한 장소에서 필요량 발 전이 가능하고,짧은 설치기간으로 수요 증가에 신속하게 대응 가능할 수 있다.그에 비해 설치 장소가 한정적이며 전력 생산량이 지역별 일사량에만 의존하고 고가의 시스 템 비용,높은 초기 투자비와 발전 단가,일사량 변동에 따라 태양광 발전으로 얻은 출 력이 불안정하다는 여러 단점들도 가지고 있다.^[7][10]

태양전지의 수명이 길어지면 길어질수록 태양전지를 통하여 얻는 전기 에너지의 총 량이 많아지기 때문에 투자대비 에너지의 회수율이 높아져 무한한 경쟁력을 가지게 된 다.많은 양의 에너지를 얻기 위해서는 태양전지의 제조과정에서 제조공정을 자동화하 고,자동화한 후 대량생산을 하며 생산하는데 사용하는 주변 소재들을 내구성이 강하 도록 개발하여 태양전지의 수명이 길어지도록 한다.이 상태라면 태양전지의 위력은 자원 고갈의 위기에 놓여있고 지구를 강하게 위협하는 기존의 전력원 들과는 전혀 다 르게 깨끗하고,안전하며,고갈될 우려가 없는 필수 불가결한 에너지로 월등하게 쉽게 넘보지 못하는 에너지원으로 주목받을 것이다.

태양광발전의 기술은 세계 모든 지역뿐만 아니라 국내에서도 무한한 에너지의 공급 이 가능하여 공공,대규모 발전 사업용,주택용,BIPV용 등 소규모에서 대규모까지의 광범위하고 여러 방면으로 다양한 곳에 적용가능하고 기술개발과 이용분야에 있어 무 한한 다양성을 지니고 있다.

태양광발전은 태양전지로 구성되어 있는 모듈과 주변장치인 축전지,전력변환장치 등으로 구성된 신재생에너지 발전 분야이다.어레이에서 발생된 DC전력을 부하기기에 필요한 전력으로 공급하기 위해서는 AC전력으로 변환하여야 하는데 이러한 기능을 하 는 것을 PCS라고 하며,발전된 DC전력을 AC전력으로 변환하는 장치를 인버터라고 하기 때문에 PCS는 인버터라고도 한다.PCS,전력변환장치는 태양전지 어레이의 출력

값이 항상 최대 전력점에서 발전 될 수 있도록 유지하기 위해 최대 전력점 추종 (MPPT)제어 기능을 가지고 있어야 한다.또한,계통연계로 운전되므로 계통 전선에 서 발생하는 사고로부터 PCS를 보호하고,시스템 고장 시 계통을 보호할 수 있는 여 러 보호기능을 가지고 있어야 한다.시스템의 기본 구성은 Fig.4와 같은 그림으로 나 타낸다.

태양광발전에 영향을 미치는 요소로 기상요소,지리요소,설비요소를 말할 수 있다.

기상요소로는 태양광발전에 영향을 미치는 기상요소,발전설비의 효율에 영향을 미치 는 기상요소를 말하며,지리요소는 태양광발전설비의 설치위치,설치높이,등 설치조건 에 따른 요소를 뜻하며,설비 요소는 모듈의 설치형태,발전설비인 변압기,인버터,모 듈 등의 효율,선로손실,전압강하와 같은 요소들을 상징한다.^[9]

Fig.5Basicdiagram ofphotovoltaicsystem

2.태양광발전시스템의 분류

태양광발전시스템은 시스템 운용 방식에 따라 독립형 태양광 시스템과 계통 연계형 태양광 시스템으로 분류할 수 있는데 그에 따라 PCS 또한 별도로 설치하여 운용해야 한다.일부의 경우 풍력발전이나 디젤발전 등 다른 에너지에 의해 발생된 발전방식과 결합한 하이브리드 시스템을 별도로 구분하기도 한다.태양광발전시스템은 부하의 종 류 및 사용용도에 따라서 독립형,계통 연계형,하이브리드 시스템으로 분류하고,또한 태양광 발전시스템의 어레이 설치대의 추적방법에 따라 분류되기도 하는데,크게 고정 식 발전시스템과 추적식 발전시스템으로 분류한다.

a.계통 연계에 따른 분류

(1)독립형 태양광발전시스템

독립형 시스템의 구성은 과전압 발생 시 안정회로를 함께 부착하여 축전지에 저장하 는 방식으로 인버터 내부에 과전압을 보호하는 보호장치가 설치되어 보호장치를 통하 여 항상 일정한 전원을 축전지로 공급하여 가동되는 시스템으로 Fig.5와 같은 형태로 나타낸다.독립형 시스템의 경우 축전설비를 가지며,계통선과는 별개로 분리되어 있어 독립형 시스템에서 발생한 무효 및 유효전력,고조파는 전력계통선에 직접적인 영향을 받지는 않지만,시스템을 구성하는 설비요소인 축전설비 자체에 영향을 주고,축전설비 의 설치비는 고가이며 대면적 설치공간을 필요로 한다.또한 축전지에서 축전지 액을 보충하거나,유출될 가능성이 있고,혹은 폭발의 우려가 있는 여러 문제점이 있다.

Fig.6Stand-alonephotovoltaicsystem

(2)계통 연계형 태양광발전시스템

계통 연계형 시스템은 독립형에 비해 시스템 구성이 훨씬 간단하며,DC를 AC로 바 꿔주는 인버터,태양전력을 생산하는 생산자,전력망을 관리하는 회사 간의 전력량에 따른 요금 계산을 하기 위한 전력량계가 주요 구성요소이다.태양광 모듈과 인버터를 직접 연결하여 모듈로부터 발생되는 직류전원과 계통선에서 발생되는 교류전원을 서로 균형을 유지하는 상태로 AC부하에 전력을 공급하는 시스템으로 Fig.6과 같은 구성형 태로 나타낼 수 있다.

고가의 축전설비가 별개로 필요하지 않으므로 축전지로 인해 발생하는 충·방전 손실 이 없어 효율개선이 가능하다는 장점을 가지고 있으나 모듈의 발생전력이 인버터를 통 하여 계통선에 직접적으로 연결되어있어 인버터에서 발생하는 고조파에 의하여 유효전 력과 무효전력의 영향이 곧바로 전력 계통선에 미치게 한다.

계통 연계형 태양광발전시스템은 따로 보수할 필요가 없고 고가의 축전설비 또한 필 요하지 않아 높은 시스템 효율을 가지고 있어,주택용 및 건물용 태양광발전으로 사용 하기 위해 이상적인 시스템 형태를 지닌다.

Fig.7Grid-connected photovoltaicsystem

b.설치대의 추적방식에 따른 분류

(1)고정식 발전시스템

어레이 지지형태가 가장 저렴하고 안정된 구조로,비교적 설치면적에서 제약을 받지 않는 곳에 많이 이용되며 특히 도서지역과 같이 풍속이 강한 곳에 설치되고 있는 것이 일반적이다.특히 대용량 시스템에서 이 방식이 가장 유용하며,국내 도서용 시스템에 서는 고정식시스템을 표준으로 규정하고 있다.

추적식이나 반고정형에 비하여 발전효율은 낮지만,초기 설치비용이 적고 유지 보수 관리에 따른 위험성이 없으므로 종합적인 검토를 통해 설치하도록 하는 것이 바람직하 며 상대적으로 많이 용이하여 국내·외의 어레이 지지방법 중 가장 많이 사용되고 있다.

고정식 시스템의 어레이 지지형태에서 발전된 방식이 고정 가변형 시스템이다.태양 전지 어레이의 경사각을 월별 또는 계절에 따라 태양전지의 위치를 상하로 변화시켜 발전하는 방식으로 사계절에 한 번씩 어레이 경사각을 변화시켜주고,설치 지역의 위 도에 따라 최대 일사량을 갖도록 설치한다.발전량은 고정식 시스템에 비해 15-20%

정도 증가된 발전량을 보이며 고정식과 추적식의 중간 정도의 발전량을 나타낸다.

Fig.7에서는 일반적인 고정식 발전시스템의 형태를 볼 수 있다.

Fig.8Fixed photovoltaicsystem

(2)추적식 발전시스템

극대화한 발전효율을 위한 방식이며,태양빛이 태양전지판 표면의 전면에 최대한 수 직으로 입사할 수 있도록 단순 기기조작으로 태양의 위치를 추적해 나가는 방식이다.

추적식 시스템에서 어레이 지지대가 상하,좌우의 한 축으로만 움직이면서 추적하도록 설계된 단축식과 상하,좌우를 동시에 추적하도록 설계된 양축식 시스템 두 가지로 분 류한다.양축식 시스템이 단축식에 비하여 설치단가가 높지만 발전량이 40-60% 정도 증가한다.제약된 설치면적에서 최대발전량을 얻는 목적으로 설치면적에 제약을 받아 풍속이 세고 강한 지역에 설치할 경우 불안하다는 단점이 있다.

Fig.8은 추적식 시스템으로 태양을 추적하는 방법에 따라 센서를 이용하여 발전량 의 최대 일사량을 추적해 가는 감지식,어레이가 설치된 곳에서 태양의 연중 이동경로 를 추적하는 프로그램을 이용하여 프로그램이 지시하는 시간(년,월,일)에 따라 추적하 는 프로그램 제어식,프로그램 추적법을 중심으로 설치된 곳에 따른 미세한 편차를 감 지부를 통해서 주기적으로 수정하여 추적하는 혼합형 추적방식으로 분류할 수 있다.

Fig.9Tracking way photovoltaicsystem

Ⅲ.시뮬레이션 및 실험

A.시뮬레이션 툴

태양광 발전의 핵심구성 중 하나인 태양전지는 태양광의 일사량 변화,주변온도와 모듈온도,그림자의 영향,경사각 및 방위각의 설정 등 여러 가지 다른 요인들에 의해 영향을 받으므로 출력특성은 비선형적인 변화를 지닌 특성을 나타낸다.

PV모듈의 온도변화,일사량에 따른 출력특성을 비교하고 분석하고자 SolarPro시뮬 레이션 툴을 사용하고자 한다.SolarPro시뮬레이션 툴은 모듈의 동작,그림자 영향, 설정,지역의 설정,지역의 특성을 포함한 강력한 태양광발전 시뮬레이션 소프트웨어이 다.ShadeAnalysis/I-V Curve/PowerGeneration/FinancialAnalysis등의 기능 을 가지며 실질적 데이터를 가지고 그 데이터 값에 대한 그림자 패턴 분석,발전량 계 산 및 경제성 분석을 수행하고자 할 때 사용하려 한다.SolarPro시뮬레이션을 진행 하기 위해 Pmax값이 65[W]인 태양전지 모듈을 사용하여 시뮬레이션 하였다.아래의 Table6에 나타난 값은 SolarPro를 이용한 시뮬레이션 툴에 사용된 태양전지 모듈의 파라미터 값을 나타내고 있다.

No Parameter Value 1 PeakPower(Pmax) 65[W]

2 OpenCircuitVoltage(Voc) 22.1[V]

3 ShortCircuitCurrent(Isc) 3.99[A]

4 Maximum PowerVoltage(Vpm) 17.6[V]

5 Maximum PowerCurrent(Ipm) 3.69[A]

6 Maximum SeriesFuseRating 20[A]

7 Weight 7.2kg

8 Dimension(W*L*Tmm) 1111*502*50[mm]

Table6Solarcellmoduleparameter

B.일사량에 따른 출력 특성

일사량에 따른 태양전지의 출력 특성은 태양광에너지가 태양전지의 표면에 조사될 때 태양광에너지의 세기에 따라 태양전지의 출력 전압 및 전류가 변화하는데 일사량이 많으면 많을수록 태양전지의 출력 값이 커지고,작으면 작을수록 출력 값이 작아진다.

이러하듯이 일사량에 따른 태양전지의 출력 변화특성을 고려하면 최적의 발전성능을 도출해 내기 위해서는 태양전지의 표면에 최대한 많은 일사량이 조사되도록 해야 하 며,그러기 위해서는 태양전지 표면과 태양광에너지를 분출하는 태양과 항상 수직인 상태를 유지하도록 해야 한다.

태양전지 모듈의 특성을 측정하여 알아보고자 모듈을 18serialX6parallel로 회로를 구 성하였고 측정 가능한 모듈 크기는 1111*502*50[mm]이며,출력 특성 곡선에 대한 결 과 값을 도출하기 위하여 여러 가지 설정이 필요하다.

다음 Fig.9는 설계한 모듈에 관한 I-V특성곡선을 도출해 내기위한 SolarPro시뮬 레이션 툴의 파라미터 값을 설정하는 파라미터 설정화면이다.파라미터 설정 창에서 맨 윗부분에 보이듯 어레이별로 값을 각각 설정하였고,아래 ManualSetting을 클릭하 여 아래의 상세한 값 또한 수정하였다.

Fig.10Parametersettingscreenaboutcharacteristicscurve

설정된 인버터의 특성과 인버터의 감소율을 기반으로 발전된 전력량을 계산하고 그 래프 곡선과 발생된 데이터 수치를 보고서로 작성하여 나타낼 수 있는 프로그램을 사 용하였다.프로그램 내에서 파라미터 설정화면은 모듈에 대한 등가적 파라미터로 생성 되며 어닐효과를 고려하여 시뮬레이션 된다.오른쪽 상단부에서는 일사량을 나타내는 데 3D Cad와 연결하여 일사량을 체크해 주는 시스템이다.이 과정에서 제작에 사용되 는 모듈의 파라미터 값과 설치장소의 설정까지 초기에 입력되어 있는 기준 값으로 입 력되어 결과를 도출하므로 이상적인 데이터 값을 얻을 수 있다.Fig.10의 그래프 곡선 은 광주지역의 2015년 7월 중 7월 14일로 제안하여 시뮬레이션 툴을 동작하였고,이상 적인 I-V 출력 특성곡선의 기본값으로 비선형적인 특성곡선을 나타낸다.지역을 광주 로 설정하고,광주 지역의 해당하는 날짜의 날씨와,온도,일사량 등이 고려되어 발전 된 출력파형을 나타낸다.설정의 기본 값으로 특성곡선 결과 Voc는 399.73[V],Isc는 23.88[A]을 나타내며 Vpm은 319.62[V]를 Ipm은 22.09[A]로 최대 출력 값 Pmax는 출 력전압과 출력전류의 곱으로 계산되기 때문에 7060.41[W]값을 나타냄을 알 수 있다.

Fig.11BasicvalueofI-V outputcharacteristicscurve

다음의 Fig.11은 임의로 제안한 7월 14일의 맑았던 날씨에 대한 일일 발전량에 대한 그래프이다.Table7에서는 시간별로 PV시스템에 의한 일일 발전량에 대한 분석 결과를 표로 나타낸 것이다.결과적으로 모듈의 온도는 정오와 오후1시인 대낮에 가장 높은 것으로 나타나고 모듈의 온도와 비례하여 출력발전량 또한 대낮에 가장 많이 발전된 것으로 나타난다.

Fig.12Onedaypowerquantityaboutfineweather

No 시간 전류[A] 전압[V] 발전량[kWh] 온도[℃]

1 8:00 10.96 302.01 3310.03 49.2 2 9:00 14.59 295.06 4304.93 57.86 3 10:00 17.38 287.93 5004.22 64.68 4 11:00 19.07 283.63 5408.82 69.26 5 12:00 19.63 282.39 5543.32 71.52 6 13:00 19.2 282.46 5423.23 71.47 7 14:00 17.69 286.06 5060.4 68.37 8 15:00 15.18 290.85 4415.1 62.68 9 16:00 11.69 298.07 3484.44 54.32 10 17:00 7.7 301.75 2323.48 44.76 11 18:00 3.66 299.76 1097.12 35.18

Table7HourlypowerquantitybyPV system

C.모듈 온도변화에 따른 출력특성

태양광에너지의 조사가 증가하면 모듈온도의 변화와 상관없이 출력 전력 값이 증가 하는 경향을 띠지만,태양광에너지가 일정하게 조사되는 경우에는 모듈온도가 증가함 에 따라 출력 전력 값이 변화하는 것을 알 수 있다.태양전지의 모듈온도 의존성과 모 듈온도에 따른 출력특성곡선의 변화를 파악하여 특성곡선과 모듈온도의 관련성에 대해 알아보기 위해 여러 시뮬레이션 그래프 곡선을 분석하고자 한다.

태양전지 모듈온도 증가 시 출력특성곡선의 결과 값을 보면 출력특성곡선에서의 Pmax값이 증가하고 있다는 것을 나타내고 있으며 이것은 태양전지의 출력 값을 증가 시키기 위해서 모듈온도를 증가시켜야 한다는 것을 알 수 있다.하지만 일반적으로 여 름철의 경우 모듈온도가 상승하면 발전효율이 저하되므로 발전량이 감소되는 것으로 알려져 있다.이와 달리 기상청의 기상자료를 통해 분석하면 여름철의 일사량이 봄철 보다 적고,다른 계절에 비하여 운량이 많으며 일조시간은 짧다.모듈 온도의 값이 동 일한 경우에 태양광 조사량이 증가하면 출력 값은 증가하지만 이는 모듈온도를 상승시 키는 요인으로 작용하여 전체적으로 출력은 감소하는 경향을 보이고 있다.아래 Fig.

12에서는 그림자의 상태 혹은 효율,PV온도의 설정화면이다.

Fig.13Setting screen by PV conditions

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

Table10 Thedateofaveragepowerquantityanalysisresult

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.