[논문]해석모델을 이용한 태양광모듈의 성능결과 비교분석

소정훈; 유병규; 황혜미; 유권종

[국내논문] 해석모델을 이용한 태양광모듈의 성능결과 비교분석
Comparison Results of Photovoltaic Module Performance using Simulation Model 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.28 no.4, 2008년, pp.56 - 61

소정훈 (한국에너지기술연구원 태양광발전연구센터) , 유병규 (한국에너지기술연구원 태양광발전연구센터) , 황혜미 (한국에너지기술연구원 태양광발전연구센터) , 유권종 (한국에너지기술연구원 태양광발전연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The modeling of PV (Photovoltaic) module is useful to perform detailed analysis of PV system performance for changing meteorological conditions, verify actual rated power of PV system sizing and determine the optimal design of PV system and components. This paper indicates a modeling approach of PV module performance in terms of meteorological conditions and identifies validity of this modeling method by comparing measured with simulated value of various PV modules using simulation model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 국내에 설치 보급된 다양한 태양광모듈에 대해서 일사강도와 온도 변화시 발전성능을 해석할 수 있는 정교한 모델링 방법을 제시하고 성능해석에 의한 예측값과 실측값을 비교분석하여 제시한 모델링 방법의 정밀도와 유효성을 검토하였다.

제안 방법

(1) 일사강도 및 온도 변화시 태양광모듈의 모델링 방법을 제시하였고 설계한 성능해석 프로그램을 사용하여 15개 태양광모듈에 대해서 성능해석을 수행하였다.
따라서 다양화 복잡화 되는 PV시스템의 종합적인 성능특성을 정량화하기 위해서는 모델링과 진단평가 기술의 개발이 매우 중요하다. 본 논문에서는 일사강도와 온도변화시 태양광모듈의 발전성능을 해석할 수 있는 수치해석을 이용한 모델링방법으로 성능해석한 결과를 실측값과 비교분석하였다. 성능해석 결과로부터 제시한 모델링방법의 정밀도와 유효성을 확인하였다.

대상 데이터

성능해석에 사용된 대상 태양광모듈의 세부사양을 정리하면 표 3과 같다. 표에서 제시된 사양은 발전성능 시험장치인 Solar Simulator을 사용하여 STC에서 측정한 태양광모듈의 실측값이고 태양광모듈의 태양전지 셀은 실리콘 다결정, 단결정, HIT(Hete ro junction with intrinsic thin layer) 및 아몰퍼스 태양전지 셀을 사용하여 직렬 연결 구성하였고 정격출력의 범위는 64W급에서 210W급이다.

데이터처리

본 논문에서 제시한 모델링방법을 적용한 태양광모듈의 성능해석 프로그램으로 성능해석을 수행한 결과의 신뢰성과 유효성을 확인하기 위해서 15개 태양광모듈에 대해서 성능해석을 수행하여 실측값과 비교분석하였다. 성능해석에 사용된 대상 태양광모듈의 세부사양을 정리하면 표 3과 같다.
본 논문에서는 일사강도와 온도변화시 태양광모듈의 발전성능을 해석할 수 있는 수치해석을 이용한 모델링방법으로 성능해석한 결과를 실측값과 비교분석하였다. 성능해석 결과로부터 제시한 모델링방법의 정밀도와 유효성을 확인하였다. 본 논문에서 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다.

이론/모형

환경변화에 따른 태양광모듈의 I-V 특성곡선을 구하기 위해서 미분방정식을 이용하여 근사해를 얻을 수 있은 수치해석방법인 4차 Runge-Kutta (RK4)을 사용하였다.⁶⁾ RK4는 각 단계에서의 함수값을 계산하는 대신에 고차 미분방정식을 구할 필요가 없다.

성능/효과

(2) 수치해석을 이용한 모델링방법의 성능해석 결과로부터 15개 태양광모듈의 P_mp, V_mp 및 I_mp에 대한 잔차가 1.25% 이하로 태양광모듈 실측값의 계측오차를 고려하면 발전성능을 정확하게 예측한다는 것을 확인하였다.
(3) 제시한 모델링방법과 성능해석 프로그램은 실제 PV시스템의 성능저하 및 발생손실 등의 정량적인 성능진단평가에 적용할 수 있고 정밀도를 개선할 수 있다. 향후에는 PV시스템은 다양화 및 복잡화가 예상됨에 따라 태양광모듈과 어레이에 발생되는 그늘과 미스매치가 성능저하 뿐만 아니라 심각한 문제점이 주요 원인이 될 수 있으므로 이에 대한 모델링과 평가분석 방법에 대해서 연구를 계속 수행할 계획이다.
¹⁾ 태양광발전(PV, Photovoltaic)을 중심으로 한 친환경적인 재생가능 에너지가 지구환경 문제의 해결 방안으로 급격하게 대두되면서 전세계적으로 태양광발전의 이용보급 및 기술개발이 본격적으로 진행되고 있다.¹⁾²⁾ PV시스템은 실제 옥외에 설치되어 운전하기 때문에 동일한 태양광모듈과 PV용 인버터를 사용하더라도 일사강도 및 온도 등의 환경변화에 의해서 PV시스템의 발전성능은 동일하지 않고 변화된다.²⁾³⁾
표면온도 25℃에서 일사 강도가 0.8kW/m2 ∼ 0.6kW/m2로 변화시 최대출력전력 Pmp, Vmp 및 Imp의 잔차는 모두 0.8% 이하로 제시한 태양광모듈의 성능해석을 위한 모델링 방법은 일사강도 및 온도변화에 대해서 정확하게 발전성능을 예측한다는 것을 확인하였다.

후속연구

^1)-4) 그러나 태양광모듈의 발전성능은 일사강도와 온도변화에 의해서 결정되므로 STC에서의 사양만으로는 실제 옥외에서 태양광모듈의 발전성능을 예측하고 PV시스템 운전시 발생되는 문제점을 진단평가 하는 것은 매우 어렵다. 따라서 환경변화에 따른 태양광모듈의 발전성능을 해석할 수 있는 정교한 모델링 방법이 제시된다면 PV시스템 및 구성요소의 손실저감을 통한 에너지이용효율의 개선, 설계시공의 최적화 및 PV시스템의 신뢰성과 유효성을 가진 정량적인 진단평가 방법의 개발과 함께 시스템의 성능과 품질을 보증할 수 있는 사후유지관리 기술의 확립이 가능하다.^1)-3)
(3) 제시한 모델링방법과 성능해석 프로그램은 실제 PV시스템의 성능저하 및 발생손실 등의 정량적인 성능진단평가에 적용할 수 있고 정밀도를 개선할 수 있다. 향후에는 PV시스템은 다양화 및 복잡화가 예상됨에 따라 태양광모듈과 어레이에 발생되는 그늘과 미스매치가 성능저하 뿐만 아니라 심각한 문제점이 주요 원인이 될 수 있으므로 이에 대한 모델링과 평가분석 방법에 대해서 연구를 계속 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광모듈이란 무엇인가?	태양광모듈은 태양빛을 흡수하면 전기를 발생 하는 원리인 광기전력 효과를 이용한 것으로 다수의 태양전지 셀을 직병렬로 연결구성한 발전 장치이다. 2)3)
	본 논문에서는 일사강도와 온도변화시 태양광모듈의 발전성능을 해석할 수 있는 수치해석을 이용한 모델링방법으로 성능해석한 결과를 실측값과 비교분석하였다, 이에 대한 분석 결과는?	(1) 일사강도 및 온도 변화시 태양광모듈의 모델링 방법을 제시하였고 설계한 성능해석 프로그램을 사용하여 15개 태양광모듈에 대해서 성능해석을 수행하였다. (2) 수치해석을 이용한 모델링방법의 성능해석 결과로부터 15개 태양광모듈의 Pmp, Vmp 및 Imp에 대한 잔차가 1.25%이하로 태양광모듈 실측값의 계측오차를 고려하면 발전성능을 정확하게 예측한다는 것을 확인하였다. (3) 제시한 모델링방법과 성능해석 프로그램은 실제 PV시스템의 성능저하 및 발생손실 등의 정량적인 성능진단평가에 적용할 수 있고 정밀도를 개선할 수 있다. 향후에는 PV시스템은 다양화 및 복잡화가 예상됨에 따라 태양광모듈과 어레이에 발생되는 그늘과 미스매치가 성능저하 뿐만 아니라 심각한 문제점이 주요 원인이 될 수 있으므로 이에 대한 모델링과 평가분석 방법에 대해서 연구를 계속 수행할 계획이다.
	태양광모듈의 발전성능은 STC에서의 사양만으로는 실제 옥외에서 태양광모듈의 발전성능을 예측하고 PV시스템 운전시 발생되는 문제점을 진단평가 하는 것이 매우 어려운 이유는?	5인 기준 스펙트럼에서 발전성능을 정격출력으로 결정한다. 1)-4) 그러나 태양광모듈의 발전성능은 일사강도와 온도변화에 의해서 결정되므로 STC에서의 사양만으로는 실제 옥외에서 태양광모듈의 발전성능을 예측하고 PV시스템 운전시 발생되는 문제점을 진단평가 하는 것은 매우 어렵다. 따라서 환경변화에 따른 태양광모듈의 발전성능을 해석할 수 있는 정교한 모델링 방법이 제시된다면 PV시스템 및 구성요소의 손실저감을 통한 에너지이용효율의 개선, 설계시공의 최적화 및 PV시스템의 신뢰성과 유효성을 가진 정량적인 진단평가 방법의 개발과 함께 시스템의 성능과 품질을 보증할 수 있는 사후유지관리 기술의 확립이 가능하다.

참고문헌 (6)

소정훈, 정영석, 유병규, 유권종, 최주엽, PV시스템 최적화를 위한 손실요인 분석, 전력전자학회 논문집, Vol. 11, No. 1, 2006, pp. 22-28

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소정훈, 유병규, 황혜미, 유권종, 최주엽, 50kW급 계통연계형 태양광발전시스템의 성능모니터링 결과 및 평가분석, 한국태양에너지학회논문집, Vol. 27, No. 2, 2007, pp. 29-36

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T. Oozeki, K. Otani and K. Kurokawa, Anevaluation method for PV system to identify system losses by means of utilizing monitoring data, In : Proceedings of 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 2006, pp. 2319-2322
W. Desoto, S.A. Klein and W.A. Beckman, Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance, Solar Energy, Vol. 80, Issue 1, 2006, pp 78-88

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R. Chenni, M. Makhlouf, T. Kerbache and A. Bouzidura, A detailed modeling method for photovoltaic cells, Energy, Vol. 32, Issues 9, 2007, pp 1724-1730

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W. H. Press, B. P. Flannery, S. A. Teukolsky and W. T. Vetterling, Numerical Recipes in C : The Art of Scientific Computing, Cambridge Univ. Press, 2nd Edition, 1992, pp. 710-715

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