[논문]태양전지모듈의 노화현상에 따른 전기적 특성 고찰

강기환; 유권종; 안형근; 한득영

doi:10.4313/jkem.2004.17.12.1289

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In this paper, degradation in field-aged PV modules including degradation of interconnect, discoloration of encapsulant and hot spot have been observed and analyzed. From the results, photovoltaic module installed for 6 years shows around 16 % drop of electrical properties due to the interconnect de...

In this paper, degradation in field-aged PV modules including degradation of interconnect, discoloration of encapsulant and hot spot have been observed and analyzed. From the results, photovoltaic module installed for 6 years shows around 16 % drop of electrical properties due to the interconnect degradation and PV module passed 18 years has been found to drop of around 20 % mainly by the encapsulant discoloration. Furthermore the difference between low and high temperature of PV array at hot spot goes up to 3$0^{\circ}C$ and it leads to interconnect degradation. On the other hands, the temperature difference was observed to be around 15$^{\circ}C$ at the encapsulant discoloration spot of PV array.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내에 실제로 보급되어있거나, 연구용으로 설치 된지 오래된 태양전지 어레이(photovoltaic array)를 대상으로 하여 태양전지모듈의 노화 현상을 관찰하였으며, 노화 현상이전기적 특성에 미치는 영향을 관찰하였다.
본 연구에서는 태양전지모듈이 살제로 외부에설치되어 온도, 습도, 자외선 등의 외부환경에 노출되었을 때 발생되는 노화현상을 관찰하고 전기적 특성을 비교분석하였다.

제안 방법

그림 12는 태양전지모듈의 열적 온도분포 특성을 관찰하기 위하여 적외선 열 화상 장치를 이용하여 태양전지 어레이의 표면온도를 측정하였다. 이 결과는 태양전지모듈에 부하를 연결하지 않고개방상태에서 측정한 결과이며, 이때 양쪽 단자박스가 위치한 부분이 약 5 ℃ 정도 높은 것으로 나타났으며, 실제로 노화현상이 시작되지 않은 태양전지모듈의 경우는 위와 같은 결과를 나타내고 있다고 보고하고 있다[4].
표 1. 노화현상에 따른 태양전지모듈의 전기적 특성 비교.
비교분석하였다. 또한, 노화현상의 원인으로 가장 많이 나타나는 태양전지모듈의 부분적 열적 온도 특성을 관찰하였다.
본 실험은 현재 당 연구원에 장기간 연구용으로설치된 태양전지모듈을 대상으로 하여 노화 현상을 관찰하였으며, 설치 전과 설치 후의 전기적 특성을 비교분석하였다. 또한, 노화현상의 원인으로 가장 많이 나타나는 태양전지모듈의 부분적 열적 온도 특성을 관찰하였다.

대상 데이터

1. Field test electrical properties of PV modules (field aged 5 years).
또한, 태양전지모듈의 노화현상에 따른 부분적 열적 온도 특성 시험은 적외선 열 화상 장치 (Infrared Thermal Imaging System, ThermaCAM S60, FTIR)를 사용하였다.
본 연구에서 실험 대상으로 선정한 2개의 시스템 중 하나는 GMG01530 모델의 53 W급 국산 단결정 실리콘 태양전지모듈로써, 1998년에 설치된 3 kW급 시스템이며, 또 다른 하나는 GL130/M65 모델로써, 1986년도에 설치된 42 W급 외국산 단결정실리콘 태양전지모듈로써 1 kW급 시스템으로 구성되어 있다.
본 연구에서 실험 대상으로 선정한 2개의 태양전지 어레 이에서 나타난 노화현상으로는 외부에서의 습기 침투로 인한 태양전지 표면 전극의 산화 현상 및 자외선 노출에 의한 EVA 아]eet의 변색 현상을 관찰할 수 있었다.
그림 5. 옥외 경년 열화된 태양전지모듈의 사진.

이론/모형

본 실험에서 태양전지모듈의 노화현상에 따른설치 전후의 전기적 특성을 비교분석하기 위해 사용된 I-V 특성시험 장치는 Sun Simulator(Pasan Ulb)로써, AM1.5, 25 ℃, 1 kW/mM 조건(IEC 60904 -9) 에서 인공 광원 법에 의해 측정하였으며, 어레이의 I-V 특성시험은 Array tester(Spire) 를 사용하여 자연 광원 법에 의해 측정하였다.

성능/효과

그 결과 전극 산화 태 양전지모듈로 구성된 어레이는 그림 10의 I-V 특성곡선에서 보는 바와 같이 설치 전 3.18 kW에서 노화현상에 의해 2.67 kW로 약 510 W, 16 %의 출력 감소율을 보여주고 있으며, 백화현상 태양전지모듈로 구성된 어레이는 그림 11의 I-V 특성곡선에서 보는 바와 같이 설치 전 1 kW에서 노화현상에 의해 08 kW로 약 200 W, 20 %의 감소율을 보여주고 있다.
또한 설치 후 18년된 외국산 태양전지모듈의 경우 EVA sheet의 변색으로 인해 설치 전 보다 약 20 %의 출력특성이 감소하였으며, 약 15 ℃ 정도의 온도차를 나타내었다.
설치 후 6년 된 국산 태양전지모듈의 경우 전극의 산화로 인해 설치 전보다 약 16 %의 출력 특성이 감소하였으며, 열적 온도 분포 특성시험 결과 약 30 ℃ 이상의 온도차를 나타내어 부분적으로 심각한 열화현상이 진행되고 있는 것을 알 수 있었다.
선진국에서도 장기간 설치 . 운영된 시스템을대상으로 시험해 본 결과 물리적인 영향에 의해파손된 것을 제외하고도 전극부분에서의 열화 현상 및 완충재 등의 변색 등으로 전기적 성능이 매우 감소되는 것으로 확인되었다[2丄
이러한 현상은 그림 13과 같이 일부 태양전지모듈의 전극이 산화되어 접 촉저 항을 증가시 키 고, 전류의 흐름을 방해함으로써 주변에 직렬 연결된 태양전지에 집중적으로 열화현상이 나타나는 것과는다르거}, 그림 14와 같이 전체적으로 태양 빛의 투과를 감소시키는 EVA sheet의 변색 현상이 열적온도특성에는 안정적인 것으로 나타났으며, 시간이지날수록 전극이 산화된 태양전지모듈은 노화속도가 빠르게 진행될 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

G. H. Kang, G. J. Yu, H. K. Ahn, and D. Y. Han, 'The Effect on Electrical Properties of SnPbAg Paste for Interconnection in Photo-voltaic Module', Proc. 2003 Summer Conf. KIEEME, p. 71, 2003
M. A. Quintana, D. L. King, F. M. Hosking, J. A. Kratochvil, R. W. Johnson, B. R. Hansen, N. G. Dhere, and M. B. Pandit, 'Diagnostic Analysis of Silicon Photovoltaic Module after 20-year Field Exposure', 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, p. 1420, 2000
G. H. Kang, G. J. Yu, K. U. Park, H. K. Ahn, and D. Y. Han, 'A Basic Study on the Element Technology for PV Module Manu-facture', Proc. 2003 Summer Conf. KIEE, p. 1365, 2003
電氣安全環境硏究所, '太陽電池許價技術の硏究開發', 平成13年度新工ネルギ一.産業技術總合開發機構委託業務成果報告書, p. 47, 平成14年
M. A. Quintana and D. L. King 'Commonly Observed Degradation in Field-aged Photo-voltaic Modules', 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans, p. 1436, 2002
J. P. jung, Y. U. Shin, and S. S. Lim, 'Pb-free Micro Soldering' Publishing of Samsung Business, p. 40, 2001
D. L. King, J. A. Kratochvil, and M. A. Quintana 'Application for Infrared Imaging Equipment in Photovoltaic Cell, Module and System Testing', 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, p. 1487, 2000

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