[논문]태양전지 모듈의 바이패스 다이오드 동작 특성 분석

김승태; 박지홍; 강기환; 화이티루; 안형근; 유권종; 한득영

doi:10.4313/jkem.2008.21.1.012

태양전지 모듈의 바이패스 다이오드 동작 특성 분석
Operation Characteristics of Bypass Diode for PV Module 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.21 no.1, 2008년, pp.12 - 17

김승태 (건국대학교 전기공학과) , 박지홍 (건국대학교 전기공학과) , 강기환 (한국에너지기술연구원 태양광발전연구센터) , 화이티루 (건국대학교 전기공학과) , 안형근 (건국대학교 전기공학과) , 유권종 (한국에너지기술연구원 태양광발전연구센터) , 한득영 (건국대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an I-V characteristics of bypass diode has been studied by counting the shading effect in photovoltaic module. The shadow induces hot spot phenomenon in PV module due to the increase of resistance in the current path. Two different types of PV module with and without bypass diode were fabricated to expect maximum output power with an increasing shading rate of 5 % on the solar cell. Temperature distribution is also detected by shading the whole solar cell for the outdoor test. From the result, the bypass diode works properly over 60 % of shading per cell with constant output power. Maximum power generation in case of solar cell being totally shaded with bypass diode decreases 41.3 % compared with the one under STC(Standard Test Condition). On the other hand, the maximum output power of the module without bypass diode gradually decreases by showing hot spot phenomenon with the increase of shading ratio on the cell and finally indicates 95.5 % of power loss compared with the output under STC. Finally the module temperature measured increases around $10^{\circ}C$ higher than that under STC due to hot-spots which come from the condition without bypass diode. It has been therefore one of the main reasons for degrading the PV module and shortening the durability of the PV system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 태양전지 모듈의 수명 단축 원인을 환경적인 요인 중 그림자에 의해 발생하는 핫스팟(태양전지 모듈에 조사되는 햇볕이 국부 적으로 가려지거나, 태양전지의 특성 편차나 일부 태양 전지의 결함과 특성 열화, 또는 결선 등의 모듈 회로 결함으로 인한 출력 불균형 때문에 역 바이어스가 발생하여 모듈 온도가 국부적으로 상승하는 현상) 에 대해 연구하였고, 이를 위해 실제 사용되고 있는 모듈과 같이 bypass diode의 유. 무에 따라 태양 전지 모듈을 제작하여 전기적 출력 손실, 온도 분포, bypass diode의 동작을 중심으로 연구하였다.
태양전지 모듈에서 수명 단축 원인을 환경적인 요인 중 그림자에 의해 발생하는 핫스팟의 영향에 의한 전기적인 특성을 고려하여 연구하였다. 그 결과 태양전지 모듈에서 bypass diode는 한 장의 태양전지에 그림자의 비율이 60 % / cell 이상일 때부터 동작하기 시작하였고, 핫스팟을 제거해주는 역할을 하였다, 그러나 bypass diode가 없는 모듈은 bypass diode가 있는 모듈과 비교해 볼 때 태양 전지에 그림자 현상이 발생하면 그림자의 비율에 비례하는 전기적인 출력감소가 관찰되었다.

제안 방법

무에 따라 시간적인 흐름에 의한 온도 분포를 'GL450'을 사용하여 관찰한 것이 그림 6에 나타나 있다. 관찰 시간이 13:21~13:41 까지 태양 전지에 그림자 비율을 cell 4에 100 % / cell 로 유지했고, 그 외의 시간에는 그림자를 제거하였다. Bypass diode가 있는 모듈의 경우에는 일정하게 유지되는 반면, bypass diode가 없는 태양 전지 모듈의 경우에는 그림자가 생겼을 경우 약 10 ℃ 이상 높아짐을 알 수 있다.
그림자에 의한 영향을 알아보기 위해 그림 4 의 태양전지 모듈에서 빨간 점이 위치한 한 장의 태양 전지에 그림자 비율을 5 % / cell 씩 증가시키면서 출력 특성을 관찰하였다. 그리고 핫스팟에 의한 온도변화를 관찰하기 위하여 한 장의 태양 전지에 그림자 비율을 100 % / cell로 하고 옥외에 설치하여 실험하였다.
5, 25 ℃, 1 kW/m2] 조건에서 측정한 결과가 표 1에 나타나 있다. 그림자에 의한 영향을 알아보기 위해 그림 4 의 태양전지 모듈에서 빨간 점이 위치한 한 장의 태양 전지에 그림자 비율을 5 % / cell 씩 증가시키면서 출력 특성을 관찰하였다. 그리고 핫스팟에 의한 온도변화를 관찰하기 위하여 한 장의 태양 전지에 그림자 비율을 100 % / cell로 하고 옥외에 설치하여 실험하였다.
본 연구를 위해 bypass diode 유. 무에 따라 그림 4와 같이 동일한 출력 특성을 갖는 태양전지로 모듈을 제작하였고, 실험 전·후의 출력특성을 비교하기 위해 각각 태양전지 모듈의 초기 parameter 는 STC(Standard Test Condition)[AM 1.5, 25 ℃, 1 kW/m2] 조건에서 측정한 결과가 표 1에 나타나 있다. 그림자에 의한 영향을 알아보기 위해 그림 4 의 태양전지 모듈에서 빨간 점이 위치한 한 장의 태양 전지에 그림자 비율을 5 % / cell 씩 증가시키면서 출력 특성을 관찰하였다.
같이 bypass diode의 유. 무에 따라 태양 전지 모듈을 제작하여 전기적 출력 손실, 온도 분포, bypass diode의 동작을 중심으로 연구하였다.
Ulb sun simulator'를다. 실제 동작 상태를 가정하여 태양전지 모듈의 출력 단자를 단락 시켜 최대 가혹 조건을 만든 후 옥외 설치하여 그림자에 의한 핫스팟 현상에 따른 태양전지 모듈의 전 . 후면 온도를 관찰하였다.
실제 동작 상태를 가정하여 태양전지 모듈의 출력 단자를 단락 시켜 최대 가혹 조건을 만든 후 옥외 설치하여 그림자에 의한 핫스팟 현상에 따른 태양전지 모듈의 전 . 후면 온도를 관찰하였다. 전면 온도를 관찰하기 위하여 FLIR 사의 적외선 열화상 카메라 'ThermaCAM S60'을고, 후면 온도를 관찰하기 위하여 TC 센서를 부착하여 측정하는 GRAPHTEC 사의, GL45(T을 사용하였다.

대상 데이터

후면 온도를 관찰하였다. 전면 온도를 관찰하기 위하여 FLIR 사의 적외선 열화상 카메라 'ThermaCAM S60'을고, 후면 온도를 관찰하기 위하여 TC 센서를 부착하여 측정하는 GRAPHTEC 사의, GL45(T을 사용하였다.

이론/모형

태양전지 모듈의 전기적 출력 특성을 STC 조건에서 비교하기 위해 인공광원을 이용한 Belval사의 Tasan Ulb sun simulator'를다. 실제 동작 상태를 가정하여 태양전지 모듈의 출력 단자를 단락 시켜 최대 가혹 조건을 만든 후 옥외 설치하여 그림자에 의한 핫스팟 현상에 따른 태양전지 모듈의 전 .

성능/효과

전기적인 특성을 고려하여 연구하였다. 그 결과 태양전지 모듈에서 bypass diode는 한 장의 태양전지에 그림자의 비율이 60 % / cell 이상일 때부터 동작하기 시작하였고, 핫스팟을 제거해주는 역할을 하였다, 그러나 bypass diode가 없는 모듈은 bypass diode가 있는 모듈과 비교해 볼 때 태양 전지에 그림자 현상이 발생하면 그림자의 비율에 비례하는 전기적인 출력감소가 관찰되었다. 또한, 그림자가 생긴 부분의 태양전지의 온도가 태양전지 모듈의 평균 온도 보다 약 10 ℃ 높게 측정되었다.
그 결과 태양전지 모듈에서 bypass diode는 한 장의 태양전지에 그림자의 비율이 60 % / cell 이상일 때부터 동작하기 시작하였고, 핫스팟을 제거해주는 역할을 하였다, 그러나 bypass diode가 없는 모듈은 bypass diode가 있는 모듈과 비교해 볼 때 태양 전지에 그림자 현상이 발생하면 그림자의 비율에 비례하는 전기적인 출력감소가 관찰되었다. 또한, 그림자가 생긴 부분의 태양전지의 온도가 태양전지 모듈의 평균 온도 보다 약 10 ℃ 높게 측정되었다. 이는 모듈의 노화를 촉진시키는 원인으로서 태양전지의 수명을 단축시키게 되며, 정도가 심한 경우에는 EVA Sheet 및 Back Sheet가 타는 현상도 발생하게 될 것이다.
왼쪽의 bypass diode가 없는 모듈의 경우에는 그림자가 있는 태양전지의 온도가 태양전지 모듈의 평균 온도 분포보다 약 10 ℃ 높은 온도가 측정되었으며, 그림에서 오른쪽의 bypass diode가 있는 태양전지 모듈의 온도 분포는 전체적으로 균일하게 측정되었다. Bypass diode가 없는 태양전지 모듈의 경우 온도가 높은 이유는 태양전지가 발전을 하지 않고 저항 성분으로 작용하여 발열 작용을 하기 때문이다.
옥외 설치전 . 후의 Pmax 값을 보면 bypass diode가 있는 모듈은 초기 값 대비 0.47 % 의 감소를 보인 반면, bypass diode가 없는 태양전지 모듈은 초기 값 대비 1.45 % 의 감소를 보였다. 계측기의 오차가 0.

참고문헌 (5)

G.-H. Kang, H. K. Ahn, D.-Y. Han, and G.- J. Yu, 'Consideration of electrical properties in field-aged photovoltaic module', J. of KIEEME (in Korean), Vol. 17, No. 12, p. 1289, 2004
Wenham, Stuart R., Green, Martin A., and Watt, Muriel, 'Applied Photovoltaics', Earthscan, p. 75, 2007
M. C. Alonso-Garica, J. M. Ruiz, and F. Chenlo, 'Experimental study of mismatch and shading effects in the I-V characteristic of a photovoltaic module', Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 90, Iss. 3, p. 329, 2006

상세보기
박지홍, 강기환, 화이티루 로렌스, 안형근, 유권 종, 한득영, '태양전지 셀의 열화와 직렬저항의 변화에 따른 태양전지 모듈의 특성 해석, 한국 전기전자재료학회 2006하계학술대회논문집, p. 28, 2006
H. Oldenkamp, 'Detailed analysis of currents in PV-shunts', 2002

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