Pattern Analysis of Maximum Power Point by means of Solar Cell Module Array Simulation

접수일자: 2012년 8월 13일 심사(수정)일자: 2013년 2월 7일 게재확정일자 : 2013년 2월 11일

†Corresponding author

본 논문은 2012학년도 원광대학교의 교비지원에 의해서 수 행 됨

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태양전지 모듈 어레이 시뮬레이션을 이용한 최대전력점 패턴분석 Pattern Analysis of Maximum Power Point by means of Solar Cell

Module Array Simulation

정지원^*․박인규^**․황국연^**․안태천^**†

Ji-Won Jeong^*, In-Gyu Park^**, Kuk-Yeon Hwang^**, Tae-Chon Ahn^**†

*(주)플라스포, ^**원광대학교 전자융합공학과

*PLASPO Co. Ltd.

**Department of Electronics Convergence Engineering, Wonkwang University

요 약

본 논문에서는 태양광 발전시스템의 최대전력점을 추종하기 위해, 개방회로전압과 가까운 첫 번째 지역극대전력점(local peak power point)의 전압 및 전류값이 특정한 범위 내에 있을 경우, 첫 번째 지역극대점이 전역극대전력점(global peak power point)인지 판단할 수 있도록 패턴을 분석하였다. 직-병렬 어레이로 연결된 태양전지 모듈에 부분그늘문제(partial shading problem)가 발생할 경우 다수의 지역극대전력점이 관찰될 수 있어, 전역극대전력점을 찾는데 어려움이 있다. 부분 선형 태양전지 모델을 이용한 태블로 해석(Tableau analysis)으로 태양전지 어레이 회로의 V-I 특성을 시뮬레이션하여 지 역극대전력점과 전역극대전력점을 확인하고, 그에 해당하는 전압 및 전류 값과 V-I 특성곡선의 패턴을 분석하였다. 분석된 패턴을 통해 특정한 영역을 설정하여 첫 번째 지역극대전력점이 전역극대전력점 인지 판단하여 발전하는 경우, 첫 번째 지 역극대전력점으로만 발전했을 때에 비해 효율이 향상되었다.

키워드 : 최대전력점 추적, 지역극대전력점, 전역극대전력점, 모듈어레이 시뮬레이션, 태양전지모델, 구분선형 태양전지모델 Abstract

In the paper, a pattern analysis to decide whether the 1st local peak power point near open circuit voltage is the global peak power point or not, in case that the voltage and current at the 1st local peak power point are in a specific range, for Maximum Power Point Tracking on the photo voltaic power conversion system. When a solar cell panel array is shaded partially, multi-local peak power points can occur. That makes it hard to search the global peak power point. Through Tableau analysis using by piecewise linear solar cell model, V-I characteristic of a solar cell panel array circuit when par- tial shading problem happens, is simulated. The global peak power and the local peak power points is confirmed by simulations. Voltage and current values and patterns of V-I characteristic are analyzed. The generating efficiency of the solar cell panel array is improved, when the solar cell panel array circuit is operated at the power point estimated by set- ting up specific range.

Key Words : Maximum Power Point Tracking, Local Peak Power Point, Global Peak Power Point, Module Array Simulation, Piecewise Linear-Solar Cell Model

1. 서 론

태양광발전은 표면에 입사되는 햇빛을 받아 광전효과

(Photoelectric Effect)에 의해 빛 에너지를 직접 전기에너 지로 변환하는 발전 장치이다. 물리적으로 화학변화를 동반 하지 않기 때문에 환경 오염물질을 발생하지 않으며, 기계 적 가동 부분이 없기 때문에 소음과 마찰에 의한 마모가 없 어 내구성이 강하며 반영구적 수명을 갖고 있다. 이러한 장 점으로 운전관리비를 최소화 할 수 있기 때문에 태양광 발 전은 신재생에너지 자원 중 안정된 에너지원의 하나로 각광 받고 있다.[1]

태양광 발전 시스템은 햇빛이 있는 주간에만 발전을 할 수 있기 때문에 일사시간에 최대한 발전을 해야 하며, 그 발전량은 계절, 시간, 기상조건에 따라 변화하는 일사량에 따라 좌우 된다. 태양광 발전 시스템은 남향을 중심으로 위 도가 같은 경사각을 이루고 건물이나 주변 사물에 의해 그 늘에 가리지 않는 곳에 위치한다. 하지만 구름이나 좁은 공 간에 설치된 태양전지 모듈 간의 간섭에 의한 그림자 때문

에 부분적으로 그늘이 져서 그늘이 진 위치 변화에 따라 최 대 전력점이 매 순간 변할 수 있다.[2] 태양전지 모듈을 직 렬 혹은 병렬로만 연결한 경우, 지역극대전력점이 존재하지 않아 태양전지의 전역극대전력점을 찾기 수월하지만, 여러 개의 태양전지 모듈을 직렬로만 또는 병렬로만 연결한 경 우, 전력변환기의 전압 정격이나 전류 정격이 한 쪽으로만 높아져, 전력변환기 설계 및 제작에 어려움이 생기기 때문 에, 직렬-병렬로 연결하는 태양전지 모듈의 수를 조절하여, 태양전지 모듈 어레이의 출력 전압 및 전류 정격을 조절하 여 전력변환기의 정격에 맞출 수 있다. 하지만 직-병렬로 연결한 경우에는 여러 개의 지역극대전력점이 나타날 수 있 기 때문에, 전역극대전력점을 찾기는 어렵다.[3]

대규모 태양광 발전 시스템에서 전역극대전력점 추종 실 험 및 테스트를 위해 실제의 수 백여 개의 태양전지 모듈로 구성된 실제 태양광 발전 시스템을 이용하기엔 비용과 시간 의 문제가 있다.

본 논문에서는 구분 선형 태양전지 모델을 회로요소로 사용한 태블로 해석법으로 태양전지 어레이 회로를 해석하 여, 태양 전지 발전 시스템의 시간에 따른 전압, 전류를 시 뮬레이션 하였고, 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해, 5W급 태양전지를 직-병렬 3x3 형태로 구성하여 얻은 V-I특성과 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 또한 시뮬레이션으로 태양 전지 모듈어레이의 일사량 조건을 바꿔가며 여러 케이스의 V-I특성을 얻었고, 얻어진 V-I특성으로 전역극대전력점과 지역극대전력점들을 검출하며 그 패턴을 분석하였다. 분석 된 패턴을 통하여 VOC에 가까운 지역극대전력점의 전압, 전류 값이 특정한 값인 경우, 확인된 지역극대전력점이 전 역극대전력점인지 지역극대전력점인지 판단할 수 있도록 특정한 영역을 설정하여 효율 향상을 꾀하였다.

2. 태양전지 모델과 Tableau 해석

2.1 구분 선형 태양전지 모델

태양전지 모델을 다-구분 선형 모델로 제작하였다.

Q-Cells사의 태양전지 모듈 Q.PRO245의 데이터스펙에 명 시된 세 가지 조건 - 1000w/m², 500w/m², 200w/m² - 일 사량 일 경우의 V-I특성 그래프를 참조하여 구분 선형 태 양전지 모델을 제작하였다.[4, 5, 6, 7] 입력된 3가지 일사량 의 변화에 따라 해당 일사량의 V-I특성을 모사한 구분 선 형 태양전지 모델의 그래프를 그림 1에 그렸다.

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

Output voltage of PV module

Output current of PV module

500 W/m²

1000 W/m² 200 W/m²

MPP

그림 1. 3 가지 일사량에 대한 V-I 특성 Fig. 1. V-I characteristics for 3-case irradiations

그림 1은 수동소자 기준으로 V-I 곡선을 그렸다. 하지만, 대 부분의 태양전지 데이터시트에는 그림 6과 같이 능동소자기준 으로 V-I 곡선을 그렸기 때문에 1사분면에 에너지가 생성되는 부분의 곡선이 위치하게 된다.[6, 8, 9]

단위 Q.PRO245 가상 모델 Nominal Power PMAX [W] 245.317 245.859 Short Circuit Current ISC [A] 8.52 8.5200 Open Circuit Voltage VOC [V] 37.48 37.4800 Current at Maximum Power IMPP [A] 8.03 7.9034 Voltage at Maximum Power VMPP [V] 30.55 31.1080 표 1. Q.PRO245와 구분선형 태양전지 모델의 태양전지

출력 특성 (Irradiation 1000w/m², 25℃)

Table 1. Output characteristics of Q.PRO245 and piecewise lin- ear solar cell models (Irradiation 1000w/m², 25℃)

태양전지 모듈 Q.PRO245의 데이터 스펙에 기술된 특성 을 구분선형 다이오드 모델을 이용하여 매우 근사하게 모사 할 수 있다. Q.PRO245의 특성을 모사한 구분 선형 태양전 지 모델의 특성은 PMAX = 245.859W, ISC = 8.52A, VOC = 37.48V, IMPP = 7.9034A, VMPP = 31.108V으로, Q.PRO245 데이터 스펙에 명시된 태양전지 모듈과 출력 특성의 차이는 IMPP의 경우 1.60%, VMPP의 경우 1.79%, PMAX의 경우 +0.22%차이로 출력 특성을 근사하게 모사했다.[3]

2.2 Tableau 해석

회로 해석 시뮬레이션으로 널리 쓰이는 프로그램으로 SPICE가 있다. 마디 해석법을 사용하는 SPICE는 회로 방 정식의 행렬 차원을 축약하는 방식을 사용하지만 태블로 해석법은 모든 정보를 축약하지 않고 수식화 한다.

태블로 해석법은 이상적인 회로 요소들을 사용하는데 아 무런 제약이 없기 때문에 이상적인 회로 요소가 포함된 회 로를 해석하기에 적합하다. 또한 컴퓨터 프로그램으로 작성 하기가 쉽다는 장점을 가지고 있다. 단점으로는, 비압축 방 식으로 행렬 차원을 줄이지 않고 사용하기 때문에 계산에 부담을 줄 수 있다. 이런 단점 때문에 마디 해석법이 널리 이용되었다.[10] 하지만, 오늘날 연산 속도와 램의 용량등 컴퓨터의 성능이 크게 향상되어 연산속도가 다소 늦는다는 단점보다는 프로그래밍 하기 쉽다는 장점이 크게 부각될 수 있다.[11]

그림 2의 태양전지 등가회로의 각 소자의 전압-전류 관 계식은 다음과 같다.

 __

__

 i f _  ×_≧__

__×_

__×_

__×_

__ 

태양전지 등가회로에서 KCL과 KVL로 다음과 같은 식 을 얻을 수 있다.

그림 4. 태양전지 모듈 어레이 조건 Fig. 4. Module array condition of solar cell

Iph Rp AC

Rs

①

②

③

⑤

④ ⑥

그림 2. 태양전지 등가회로 Fig. 2. Equivalent circuit of solar cell

  ____

  __

  __

   ___ 

  _^_^_

  ___

태양전지 등가회로의 전압-전류 관계식 (1)과 KCL과 KVL 식 (2)을 행렬식으로 나타내어 선형 연립방적식 형태 로 나타낼 수 있다.[10]

x   (3)

선형 연립방정식 형태의 식(3)의 미지수인 전압과 전류 값을 식(4)와 같이 구할 수 있다.

x ^{ } (4)

3. 실제 태양전지 어레이 V-I 특성과 시뮬레이션 결과 비교

3.1 45W급 태양전지 어레이

부분 선형 태양전지 모델에 바이패스 다이오드를 병렬로 삽입하여 구분선형다이오드 모델과 바이패스 다이오드가 한 쌍을 이루는 모듈이 되도록 하였다. 직렬로 연결된 태양 전지 어레이에서 바이패스 다이오드를 삽입하지 않은 경우, 실제의 실험에서는 역전류 때문에 태양전지 모듈에서 열에 의한 열점(Heat point) 현상이 생길 수 있으며, 시뮬레이션 상으로는 태양전지가 다이오드 역할을 하여 역전압을 차단 하기 때문에 생성되는 전류가 매우 줄어들게 된다.[12] 태양 전지와 바이패스 다이오드 한 쌍으로 구성된 태양전지모듈 을 그림 4과 같이 3x3 직렬-병렬 어레이로 연결 하여 가상 의 태양전지 발전 시스템을 만들었다. 시뮬레이션에 사용된 두 가지 일사량조건의 5W급 태양전지모듈의 특성은 아래 그림 3와 같다.

그늘이 졌을 때의 상황을 임의로 만들기 위해 9개의 태양 전지 모듈에 빛 조사량 조건 밝은 경우와 어두운 경우로 변 경 후 시뮬레이션 한 결과를 그림 5에 나타내었다.

태양전지 모듈에 그늘이 지면, VOC는 크게 변하지 않지 만, I^SC가 큰 폭으로 변하여 MPP(Maximum Power Point) 의 전류 위치 역시 큰 폭으로 변함을 그림 3의 V-I곡선에 서 확인 할 수 있다. 이는 빛의 조사량에 따라 광전효과에

의해 생성되는 전류원 Iph의 변화에 기인한다. 빛의 조사량 에 따라 큰 폭으로 변하는 태양전지의 전류원 성분 때문에, 태양전지 모듈 어레이에 그늘이 부분적으로 가려지면, 어레 이의 V-I특성곡선에서 V^OC는 크게 변하지 않았지만, 전류 가 큰 폭으로 변화한다. 전압에 따른 전류가 큰 폭으로 변 하기 때문에 태양전지 모듈 어레이에서 MPP의 위치가 변 하며 전압에 따른 전류의 변화가 큰 폭으로 변한 구간 안에 서 지역 극대점을 확인 할 수 있다.[12,13]

0 5 10 15 20 25

-0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0

<SCM5W Module V-I>, Voltage

Current

그림 3. 2 가지 일사량에 대한 대양전지의 V-I 특성 Fig. 3. V-I characteristics of solar cell for 2-case

irradiations

0 10 20 30 40 50 60 70

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

PV module`s Voltage

Current

0 10 20 30 40 50 60 70 -60

-50 -40 -30 -20 -10 0

Power

Current Power

그림 5. 태양전지 모듈 어레이의 V-I 특성 Fig. 5. V-I characteristics of solar cell module array

3.2 실제 태양전지 어레이와 시뮬레이션

대기 질량 AM 1.5, 온도 25℃, 일사량 1000W/m²인 조건 에서, PMAX=5W, VMPP=18.5V, IMPP=0.3A, VOC=22.7V, ISC=0.32A 의 특징을 갖는 36개의 다결정 실리콘 쎌로 만들어진 5W급 태양전지모듈을 사용하여 그림 4의 태양전지모듈 어레이 회로를 꾸몄다. 5W급 태양전지모듈의 V-I 특성곡선은 그 림 6에 나타내었다.

그림 6. 데이터 시트에 공개된 5W급 태양전지 모듈의 V-I 특성

Fig. 6. V-I characteristics of 5w-class solar cell module known in data sheet

실내에서 실험하기 위해 인공조명을 설치하여 실험하 였다. 인공조명으로는 1개의 태양전지 모듈 당 4개의 100W급 할로겐 램프가 쓰였으며, 전압을 측정을 위해 디 퍼렌셜 프로브(differential-probe)와 전류 측정을 위해 전 류 프로브(current probe)를 사용하여 오실로스코프로 전 압, 전류 파형을 얻었다. 인공조명을 사용하였기 때문에, 맑은 날, 정오에 지구의 표면 직사광선이 많은 장소에서 도달하는 일사량인 1000w/m²에 미치지 못하여, 데이터시 트에 표기된 전력의 약 3/5정도의 에너지를 생산하였다.

4개의 5W급 태양전지 모듈 각각에 인공조명의 빛을 입사 하여 얻은 전압, 전류곡선과 어두웠을 시의 전압, 전류 곡 선을 그림 7에 나타내었다.

-5 0 5 10 15 20 25

-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15

Voltage

Current

그림 7. 5W 급 태양전지 모듈에 빛을 입사시켰을 때와 어두웠을 때의 V-I 곡선

Fig. 7. V-I characteristics of 5w-class solar cell module, when lights on and off

빛을 입사하였을 때, 태양전지 모듈은 전압에 대해서 비 교적 적은 차이를 보였으나, 전류에 대하서는 전압보다는 큰 차이를 보였다. 빛을 입사 시켰을 때의 V-I곡선이 입사 하지 않았을 때의 곡선보다 날카롭게 꺾인 곡선으로 보이는 것은 인공조명의 열 때문인 것으로 보인다. 태양전지의 열 특성 때문에 전압은 조금 줄고, 전류는 좀 더 발생하여 결 과적으로 정상적인 V-I곡선 보다 곡선이 더 날카롭게 꺾여 보이게 된다.[3]

-5 0 5 10 15 20 25

-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1

Output voltage of PV module

Output current of PV module

Light Dark

그림 8. 인공조명의 빛을 입사시 얻은 V-I 특성곡선에 근거로 설계한 구분선형 태양전지 모델

Fig. 8. Piecewise linear solar cell model based on V-I characteristics, when artificial lights on 실험을 통해 얻은 그림 7의 V-I 곡선을 모델로 빛을 입 사시키지 않았을 때와 빛을 입사시켰을 때의 2가지 조건의 부분 선형 태양전지 모델을 그림 8과 같이 만들었다. 2가지 조건의 구분 선형 태양전지 모델을 사용하여 그림 9, 그림 10, 그림 11, 그림 12의 태양전지모듈의 빛 입사 조건에 따 라, 실제 측정 V-I 곡선과 시뮬레이션을 통해 얻을 V-I곡 선을 겹쳐서 나타내었다.

전압 변화에 따른 전류의 값을 얻기 위해 태양전지 모듈 어레이의 양 끝단에 60Hz 정현파 교류 전압을 인가하였기 때문에, 도선의 인덕턴스 성분과 태양전지의 히스테리시스 현상에 의해 V-I곡선이 특히, MPP 부근에서 갈라진 모습 이 관찰되었다.[14]

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

<SCM5W Module Array V-I>, Voltage

Current

그림 9. 태양전지 모듈 어레이의 실제 V-I곡선과 시뮬레이션 V-I곡선 (경우Ⅰ)

Fig. 9. Real and simulation V-I characteristics of solar cell module array, when lights on (case I)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 -0.8

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

<SCM5W Module Array V-I>, Voltage

Current

그림 10. 태양전지 모듈 어레이의 실제 V-I곡선과 시뮬레이션 V-I곡선 (경우Ⅱ)

Fig. 10. Real and simulation V-I characteristics of solar cell module array, when lights on (caseⅡ)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

<SCM5W Module Array V-I>, Voltage

Current

그림 11. 태양전지 모듈 어레이의 실제 V-I곡선과 시뮬레이션 V-I곡선 (경우Ⅲ)

Fig. 13. Real and simulation V-I characteristics of solar cell module array, when lights on (caseⅢ)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

<SCM5W Module Array V-I>, Voltage

Current

그림 12. 태양전지 모듈 어레이의 실제 V-I곡선과 시뮬레이션 V-I곡선 Ⅳ

Fig. 12. Real and simulation V-I characteristics of solar cell module array, when lights on, Ⅳ

4. 시뮬레이션을 이용한 MPP 패턴 분석

4.1 태양전지 V-I특성곡선의 패턴

실험을 통해 증명된 부분선형 태양전지모델을 이용한 태블로 회로해석으로, 일사량이 1000w/m², 500w/m²,

200w/m²인, 3가지 조건의 태양전지 모델을 조합하여 4x4 형태의 직-병렬형태로 배치된 Q-CELLS사의 245W급 태 양전지 모듈 어레이(그림 13)의 전압-전류를 시뮬레이션 하여 204개의 V-I곡선을 얻었다.

그림 13. 3가지 일사량(1000w/m², 500w/m², 200w/m²)을 조합하여 만든 204가지 조건

Fig. 13. 204 conditions for 3-case irradiations(1000w/m², 500w/m², 200w/m²) 얻은 204개의 V-I곡선들의 전력을 계산하여 전역극대 전력점이였을 때의 전압, 전류 위치를 그림 15에 나타내었 다. 직-병렬로 4x4형태로 연결된 태양전지의 지역전력극 대점의 위치는 4개로 연결된 직렬 성분에 의해, 전압 크기 에 따라 4개의 구간에 전력극대점들이 모여 있는 모습을 관찰 할 수 있다. VOC와 가까운 우측부터 지역극대전력점 의 순번을 매겨 그림 14에 표시하였다. 두 번째, 세 번째, 네 번째의 지역극대전력점은 경우에 따라 존재 하지 않을 수 있지만, 1번째 지역극대전력점은 항상 존재한다. 전역 극대전력점은 항상 존재하는 첫 번째 지역극대전력점일 경우가 가장 많으며, 순서대로 그 경우가 줄어든다. 항상 존재하는 첫 번째 지역극대전력점은 그림 1과 태양전지 데이터시트에서도 확인 할 수 있다.[8]

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Q.PRO 245 PV module`s Voltage

Current

0 20 40 60 80 100 120 140 160-3000

-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0

Power

Power Current

3rd Peak Point

2nd Peak Point

1st Peak Point 4th

Peak Point

그림 14. 지역극대전력점이 모두 표시된 V-I 특성곡선 Fig. 14. V-I characteristics marked all local peak

power points

태양전지 발전 시스템은 채움지수(Fill Factor)가 가장 큰 첫 번째 지역극대전력점이 전역극대전력점인 경우에 발전량이 가장 많다.[2] 하지만, 구름이나 혹은 태양의 위 치가 변함에 따라 태양전지에 근처 사물의 그늘이 져서 첫 번째 지역극대전력점이 전역극대전력점이 되지 못하 고, 두 번째나, 세 번째, 네 번째에 전역전력극대점이 위 치하는 경우가 있다. 이런 경우에는, 전력곡선의 기울기나 전력의 크기를 비교하여 전역극대전력점을 찾는 방법으 로는, 지역극대전력점을 벗어날 수 없게 되어, 최대 효율 인 전역극대전력점에서 발전 하지 못하여 낮은 효율로 발 전하게 된다.[14] 전력이 최대가 되는 전역극대전력점을 찾기 위해서는 지역극대전력점이 나타날 수 있는 첫 번째 전력점의 지역 부터 네 번째 전력점의 지역까지 전압을

바꿔가며 전부 찾아야 한다. 하지만 이런 방법을 사용하 게 되면, 전역극대전력점을 찾기 위해, 전압을 변경하는 동안 발전효율이 좋지 않은 지점에서 발전하게 되며, 이 러한 과정을 할수록 더더욱 시간당 발전 효율은 떨어지게 된다.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Voltage

Current

그림 15. 204가지 조건 패턴에 대한 전역극대 전력점에서의 V와 I 위치

Fig. 15. Positions of V and I at global peak power points for 204 conditions patterns

4.2 태양전지 V-I특성곡선 패턴 분석

204개의 V-I특성곡선에 항상 존재하는 첫 번째 지역극대 전력점의 V-I 위치를 그림 18에 표시하였다. 첫 번째 지역 극대전력점의 패턴을 중요하게 분석하는 이유는 채움지수 가 가장 큰 전력점과 많은 비율의 전역극대전력점이 그림 15와 같이 위치하고 있기 때문이다. 첫 번째 지역극대전력 점들 중에서 그림 17처럼 첫 번째 지역극대전력점이 전역극 대전력점이 아니며, 전역극대전력점과 첫 번째 지역극대전 력점과 전력을 비교했을 때, 효율이 20%, 40%, 60% 이상 떨어지는 경우의 첫 번째 지역극대전력점들의 V-I위치를 그림 16에 분류하였다. 전체 244개의 V-I 패턴 중, 효율이 20%, 40%, 60% 이상 떨어지는 경우는 각각 74개, 26개, 4 개가 분류 되었다. 태양전지 모듈의 첫 번째 지역극대전력 점의 전압과 전류의 특성은 그림 16의 첫 번째 그림-첫 번 째 지역극대전력점들의 V-I 그림-처럼 발전량이 클수록 전 류는 증가하며, 전압은 한 점(채움지수가 가장 큰 점)에 위 치하게 되며, 발전량이 적을 때는 전류는 감소하며 전압의 위치는 퍼져서 역삼각형 모양의 분포를 띄게 된다. 또한 첫 번째 지역극대전력점의 발전량이 전역극대전력점과 차이가 클수록 그림 16의 분류된 그림들과 같이 첫 번째 지역극대 전력점의 전류는 줄고, 전압은 커져서 V-I평면에서 개방회 로전압(VOC)과 가까운 곳에 위치하게 된다.

4.3 효율 차이에 따른 V-I 평면 영역 구분

첫 번째 지역극대전력점의 발전량이 전역극대전력점과 차이가 클수록 첫 번째 V-I위치는 개방회로의 점과 가까운 곳에 위치하는 경향을 활용하여 임의의 설계치인 20% 이상 발전량이 차이나는 곳의 영역을 구분하고, MPPT (Maximum Power Point Tracking)가 필요한 곳이라고 설 정하려고 한다.

첫 번째 지역극대전력점이 그림 14와 같이 전역극대전력 점이 아니며, 전역극대전력점과 전력을 비교하여 효율이 20%이상 차이를 보이는 경우의 첫 번째 지역극대전력점의 V-I값을 분류하여 그림 19에 나타내었다. 그림 19는 그림 18의 확대그림이다. 첫 번째 지역극대전력점이 전역극대전

력점이거나 효율이 20%이하로 차이가 나서, 전역극대전력 점을 찾지 않아도 80%이상의 효율인 V-I점을 ‘o’로 표기 하였으며, 그 외에 효율이 20% 이상 차이가 나서 전역극대 전력점을 찾아야 하는 경우 ‘△’로 표시하였다.

100 120 140

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Voltage 1st local peak

Current

100 120 140

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Voltage efficiency drops

below 20%

100 120 140

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Voltage efficiency drops

below 40%

100 120 140

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Voltage efficiency drops

below 60%

그림 16. 전역극대전력점과 발전 전력량이 20%, 40%, 60%

이상 떨어지는 첫 번째 지역극대전력점의 V와 I 위치 Fig. 16. Positions of V and I of global peak power points

and first local peak power points when generation power‘s efficiency drops below 20%, 40% and 60%,

respectively.

그림 19에 전역극대전력점을 찾지 않아도 되는 ‘o’으로 표시된 점과 ‘△’으로 표기된 전역극대전력점을 찾아야 하 는 점이 혼재되어 있는 부분도 있지만, 대체로 그룹을 지어 나타나는 모습이 보인다. 1번째 지역극대전력점에서 전역극 대전력점을 찾기 위한 전압제어를 해야 하는 그룹과 그렇지 않아도 되는 그룹을 나누기 위해, 스스로 전역극대전력점이 기 때문에 전역극대전력점을 찾는 제어를 하지 않아도 되는 1번째 지역극대전력점들의 V, I값을 그림 20에 표시하였 다. 그림 20에 표시된, 첫 번째 지역극대전력점이자 전역극 대전력점인 점들의 V-I위치를 기준으로 바깥쪽으로 2V의 여유를 두고 안과 바깥을 구분하고, ‘o’로 표기된 점이 형성 된 그룹 모양을 보고 -15A를 기준으로 위와 아래로 나누어 4가지 영역으로 나누어 그림 21에 나타내었다. A와 B영역 은 첫 번째 지역극대전력점이 전역극대전력점과 비교하여 효율이 80%이상인 V-I가 위치한 곳이고, C와 D영역은 효 율이 80%이하이기 때문에 전역극대전력점을 찾기 위해 제 어가 필요한 V-I위치이다.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Q.PRO 245 PV module`s Voltage

Current

0 20 40 60 80 100 120 140 160-3000

-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0

Power

Power Current Global

Peak Point

1st Local Peak Point

그림 17. 47.54% 효율 차이를 가진 전역극대전력점과 첫 번째 지역극대전력점과 태양전지 V-I 특성 Fig. 17. Global and first local peak power points

with efficiency difference 47.54% and V-I characteristics of solar cell

지역극대전력점을 찾을 수 있는 영역 안에서 그에 해당하 는 지역극대전력점을 찾는 동안 에너지 손실 없이 지역극대 전력점을 찾는 다고 가정한다면, C, D영역에 첫 번째 지역 극대전력점의 V-I값이 속하여 두 번째 지역극대전력점을 찾을 수 있는 V-I영역에서 극대전력점의 V-I값을 찾을 경 우, 100% 전역극대전력점으로 발전했을 때에 비하여 효율 은 94.35%였으며, 첫 번째 지역극대전력점으로만 발전하였 을 경우 효율은 89.33%였다.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Voltage

Current

그림 18. 204개의 조건 패턴들에 대한 첫 번째 지역극대 전력점에서의 V와 I 위치 Fig. 18. Positions of V and I at first local peak

power points for 204 conditions patterns

110 115 120 125 130 135 140

-30 -25 -20 -15 -10 -5

Voltage

Current

A B

C D

그림 19. 20%이상 효율 차이를 가진 첫 번째 지역 극대 전력점의 V와 I 위치 분류

Fig. 19. Classification of first local peak power points’s V and I position with efficiency difference

20% over

110 115 120 125 130 135 140

-30 -25 -20 -15 -10 -5

Voltage

Current

그림 20. 첫 번째 지역극대전력점이 전역극대전력점 Fig. 20. Points that first local peak power points

are equal to global peak power points

110 115 120 125 130 135 140

-30 -25 -20 -15 -10 -5

Voltage

Current

B

A C

D

그림 21. 전역극대전력점인 V-I 위치를 기준으로 첫 번째 지역극대전력점의 영역 분류

Fig. 21. Region classifications of first local peak power points based on global peak power points

5. 결 론

본 논문에서는 태양광 발전시스템의 최대전력점을 추종 하기 위하여, 개방회로전압(VOC)에 가까운 첫 번째 지역극 대전력점(local peak power point)의 전압 및 전류값의 패 턴을 분석하여, 첫 번째 지역극대전력점이 설정한 특정한 영역 내에 있을 경우, 그 점이 지역극대전력점이 전역극대 전력점(global peak power point)인지 판단할 수 있도록 패 턴을 분석하였다.

부분선형 태양전지 모델을 적용한 테블로 해석법으로 실 제의 5W급 태양전지를 3x3 형태로 직-병렬 연결한 태양전 지 모듈 어레이의 V-I특성을 근사하게 모사하였다. 또한, Q.PRO245 태양전지 모듈을 부분선형 태양전지 모델로 근 사화하여, 모듈의 3가지 일사량 조건에 따라 바뀔 수 있는 204가지 4x4 직-병렬 태양전지 모듈 어레이의 V-I특성을 해석하였다.

이 204가지 V-I 패턴을 분석하여, 다수의 지역극대전 력점이 존재하는 V-I 특성일 경우, 전역극대전력점 보다 첫 번째 지역극대전력점의 생산 전력이 적을수록, 첫 번 째 지역극대전력점의 V-I위치는 V-I평면에서 개방회로전 압(VOC)과 가깝게 위치하는 경향을 확인하였다.

이러한 경향을 분석하여 전역극대전력점과 효율이 임의 의 설계치인 20%이상 차이 나는 전력점들의 V-I위치를 MPPT제어가 필요한 영역으로 구분하였다. MPPT제어가 필요한 영역을 구분하여 발전하는 경우, 첫번째 지역극대 전력점으로만 발전하는 경우에 비해 5.02%의 효율 향상이 있었다.분석된 패턴은 태양전지 각 모듈의 일사량 정보를 알지 못하여, 태양전지 모듈과 직접 연결되어 있는 전력변환기의 입력 측 전압 및 전류센서 정보로만 MPPT를 추정하는 소 규모의 발전시스템에서의 부분그늘문제를 일부분 해결해 줄 수 있을 것이다.

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313-327 1987.

저 자 소 개

정지원(Ji-Won Jeong)

2010년 : 원광대학교 전자전기 및 정보공학부 2012년 : 원광대학교 대학원 제어계측공학과공학사 2012년～현재: ㈜ 플라스포공학석사

관심분야 : 유한요소해석, 회로해석 Phone : +82-32-751-5989 E-mail : [email protected]

박인규(In-Gyu Park)

1983년 : 서울대학교 전기공학과 공학사 1986년 : 서울대학교 전기공학과 공학석사 1991년 : 서울대학교 전기공학과 공학박사 1992년～현재: 원광대학교 전자융합공학과

교수

관심분야 : Power Electronics, Power Converters, Motor Drives

Phone : +82-63-850-6346 E-mail : [email protected]

황국연(Kuk-Yeon Hwang)

2006년 : 원광대학교 전자전기공학부 공학사 2011년 : 원광대학교 제어계측공학과 공학석사 2011년～현재: 원광대학교 제어계측공학과 1997년～현재: 한빛전자 대표박사과정

관심분야 : Lightning Impulse Generator Phone : +82-63-851-9868

E-mail : [email protected] 안태천(Tae-Chon Ahn)

1978년 : 연세대학교 전기공학과 공학사 1980년 : 연세대학교 전기공학과 공학석사 1986년 : 연세대학교 전기공학과 공학박사 1981년～현재: 원광대학교 전자융합공학과 2013년～현재: 한국지능시스템학회 이사교수

관심분야 : Computational Intelligence, Soft Computing Fuzzy Control, Pattern Recognition Phone : +82-63-850-6344

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