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문제 정의
- 본 논문에서의 PV 모듈의 손실 요인에 대한 부분을 제조 공정상의 interconnectiorr에 대한 부분⑶과 수명이 반영구로 알려진 태양전지 셀의 열화와 이에 따른 직렬저항의 변화에 따른 전기적 손실⑷에 대해서 소개하고자 한다.
- 이 실험은 현재 지상용 모듈로 가장 많이 사용되며 또한 가장 많이 제작되어지고 있는 결정질 5인치 72셀의 170W-180W급 PV모듈의 전기적 손실률을 분석하기 위한 실험이다.
- 본 논문에서는 태양광발전 시스템에서 주요 부분을 차지하는 PV 모듈의 손실 요인에 대해서 2가지 실험을 통해 분석하였다. 첫 번째는 Interconnection 공정에서 발생하는 영향으로 Ribbon과 출력단자용 구성 재료의 저항에 따른 전기적 손실을 라미네이션 공정전의 시료와 공정후의 시료를 제작하여 비교분석 하였다.
제안 방법
- 하지만 단위셀의 경우 모듈화 시키게 되면 셀의 출력에 비해 단위모듈의 출력이 증가하게 된다. 이와 같이 단위모듈의 경우 모듈화 시키게 되면 출력이 증가함에도 불구하고 대면적 모듈의 경우 출력이 감소하게 되는데 이는 셀 Grade의 분균일과 Interconnection공정에서의 접촉저항증가 및 구성 재료가 가진 고유저항에 의해 출력 이 감소하는 것으로 볼 수 있으며, Interconnection 에 따른 전기적 손실요인을 실험을 통하여 분석하였다气
- 본 실험에서는 구성재료인 Sn/Pb도체리본과 Bus bar 그리고 Junction Box와 Conne血를 사용한 시료를 제작하여 라미네이션을 하기 전의 구간별 출력특성과 라미네이션을 한 후의 구간별 출력특성을 측정하여 전기적 출력 변화율을 비교 분석하였다.
- 그림 3은 본 실험을 위해 제작한 시료에 대한 그림으로서, 정확한 손실률을 비교하기 위하여 라미네이션을 하지 않고 유리판 위에 셀을 InbeEconnection하여 측정하는 방법과, 라미네이션을 한 후에 측정을 하여 두 시료의 전기적 손실률을 비교분석 하였으며, 측정오차를 줄이기 위하여2.16W0EA), 2.170EA), 2.18W(7EA), 2.19W(1EA)의균일도 0.78%인 셀을 이용하여 시료를 제작하였다. 또한 Junction Box와 Connectoi에서의 전기적 손실률을 분석하기 위하여 Junction Box를 부착하여 구간별 전기적 출력을 측정하였다.
- 78%인 셀을 이용하여 시료를 제작하였다. 또한 Junction Box와 Connectoi에서의 전기적 손실률을 분석하기 위하여 Junction Box를 부착하여 구간별 전기적 출력을 측정하였다.
- 23。24, 2W26사이의 출력을 비교분석 하였다.
- 태양전지 셀의 열화 특성을 얻기 위해 실제로 1991년에 설치되어 실제로 15년 동안 섬에서 사용되었고, 성능감소로 철거된 다결정 태양전지 모듈을 분석하여 성능감소의 주된 원인과 현상에 대하여 연구 하였다. 모듈을 분석 해본 결과 크게 3개의 그룹으로 구분 지을 수 있었는데, 첫 번째 그룹은 초기 성능에 비하여 큰 성능감소가 없는 그룹이고, 두 번째 그룹은 back sheet의 미세한 파손으로 전극이 일부 부식된 그룹으로 큰 성능감소는 나타나지 않았으며 , 마지 막 세 번째 그룹은 겉으로 보기에는 큰 문제가 없는 것처럼 보였으나 성능감소가 크게 발생한 경우이다.
- 모듈을 분석 해본 결과 크게 3개의 그룹으로 구분 지을 수 있었는데, 첫 번째 그룹은 초기 성능에 비하여 큰 성능감소가 없는 그룹이고, 두 번째 그룹은 back sheet의 미세한 파손으로 전극이 일부 부식된 그룹으로 큰 성능감소는 나타나지 않았으며 , 마지 막 세 번째 그룹은 겉으로 보기에는 큰 문제가 없는 것처럼 보였으나 성능감소가 크게 발생한 경우이다. 세 번째 그룹에서 셀의 노화에의 한 직렬저항 효과가 발생한 것으로 사료되며, 이를 열 분포를 측정하여 증명하였다.
- 첫 번째는 Interconnection 공정에서 발생하는 영향으로 Ribbon과 출력단자용 구성 재료의 저항에 따른 전기적 손실을 라미네이션 공정전의 시료와 공정후의 시료를 제작하여 비교분석 하였다. 그 결과로부터 Ribbon과 셀의 Interconnection에 의한 전기적 출력 감소율은 2.
대상 데이터
- A)를 사용하여 STC 조건(AML5, 25t, IkW/m, )에서 인공광원법에 의해 출력을 측정하였다. 구성 재료를 보면 셀은 MOTECH사의 5인치 다결정 셀을 사용하였고, Ribbon은 폭 2mm의 60Sn/40Pb(SANKO METAL), Busbar는 폭 6mm의 60Sn/40Pb(SANKO METAL)를 사용하였다. 또한 Junction Box와 Connector를 사용하였으며 라미네이션 공정후의 시료를 제작하기 위하여 1200x600크기의 5mmt 저 철분 강화 유리를 사용하였다.
- 구성 재료를 보면 셀은 MOTECH사의 5인치 다결정 셀을 사용하였고, Ribbon은 폭 2mm의 60Sn/40Pb(SANKO METAL), Busbar는 폭 6mm의 60Sn/40Pb(SANKO METAL)를 사용하였다. 또한 Junction Box와 Connector를 사용하였으며 라미네이션 공정후의 시료를 제작하기 위하여 1200x600크기의 5mmt 저 철분 강화 유리를 사용하였다.
- 이 실험에 사용된 모듈은 다결정 실리콘 태양전지 36개가 직 렬로 연결된 모듈이 고, 초기 spec은 Pmax는 48W, Vm 은 16.7V, Im 은2.88A 이며, 태양전지 모듈의 성능을 시험하기 위하여 인공광원을 이용한 simulator 실험과 Dark I-V 실험을 실시하였다. 인공광원을 이용한 similatoi는 Pasan 사의 “sun simulator IlT'를 사용하였으며, Dark I-V를 측정하기 위하여 KEITHLEY 사의 “2430” 1KW Pulse SourceMeter를 사용하였다.
- 88A 이며, 태양전지 모듈의 성능을 시험하기 위하여 인공광원을 이용한 simulator 실험과 Dark I-V 실험을 실시하였다. 인공광원을 이용한 similatoi는 Pasan 사의 “sun simulator IlT'를 사용하였으며, Dark I-V를 측정하기 위하여 KEITHLEY 사의 “2430” 1KW Pulse SourceMeter를 사용하였다. 또한 모듈이 실제 외부에서 동작할 경우 셀의 동작 온도분포를 보기 위하여 FLIR사의llThermaCAM S60” 를 이용하였다.
- 인공광원을 이용한 similatoi는 Pasan 사의 “sun simulator IlT'를 사용하였으며, Dark I-V를 측정하기 위하여 KEITHLEY 사의 “2430” 1KW Pulse SourceMeter를 사용하였다. 또한 모듈이 실제 외부에서 동작할 경우 셀의 동작 온도분포를 보기 위하여 FLIR사의llThermaCAM S60” 를 이용하였다.
이론/모형
- 본 실험에서는 PasanMb Sun simulator(Baval S.A)를 사용하여 STC 조건(AML5, 25t, IkW/m, )에서 인공광원법에 의해 출력을 측정하였다. 구성 재료를 보면 셀은 MOTECH사의 5인치 다결정 셀을 사용하였고, Ribbon은 폭 2mm의 60Sn/40Pb(SANKO METAL), Busbar는 폭 6mm의 60Sn/40Pb(SANKO METAL)를 사용하였다.
성능/효과
- Ribbon과 셀을 납땜하는 공정에서 접촉저항을 줄이기 위하여 셀의 전극부분에 Flux나 Solder Paste를 사용하여 납땜을 하며 Sn/Ag/Cu의 Ribbon보다는 접촉저항이 작은 Sn/Pb의 Ribbon을 사용했지만 접촉저항에 의한 손실을 완전히 줄이기는 불가능 하므로 직렬저항에 의한 손실을 최소화 하는 것이 모듈의 효율을 높게 할 것이다. 그림 4의 (a)는 초기 단위 셀의 출력과 Ribbon을 연결 하였을 때의 단위 셀의 출력 감소율을 보여주고 있는 그림으로서 셀 1장당 평균적으로 0.
- 0625W의 출력감소폭을 보였으며 , 그림 4의 (b)는 Ribbon과 셀의 Intercon- nection에 의한 누적 출력 감소율을 나타낸 그■림으로서 셀의 이론적인 출력의 합인 그래프에 비해 실제적인 Ribbon과 셀을 납땜하는 과정에서 직렬저항의 증가로 인하여 출력의 감소폭이 증가하게 된다. 평균출력 2.173W의 16장의 배열인 모듈에서는 1.00W의 출력이 감소함으로서 2.88%의 감소율을 보였다.
- 이는 Ribbon의 Interconnection에 의한 출력 감소율에 비해 라미네이션 공정에 의한 전기적 출력의 증가율이 크기 때문에 전체적인 출력은 증가하게 되는 것이다. 평균출력 2.173W의 16장의 배열인 모듈에서는 0.3W의 출력이 증가하게 되었고 0.86%의 증가율을 보였다.
- 그림 6은 라미네이션 공정의 전?후를 비교한 그림으로, 라미네이션 공정 후의 단위 셀 평균은 2.192W로서 라미네이션공정 전의 단위 셀의 평균인 2.111W에 비해 0.081W가 증가하였고 3.74%의 증가율을 보였다. 또한 라미네이션 공정후의 시료에서 Ribbon의 Interconnection에 의한 2.
- 74%의 증가율을 보였다. 또한 라미네이션 공정후의 시료에서 Ribbon의 Interconnection에 의한 2.88%의 출력 감소율을 적용한다면 본 실험에서 제작된 라미네이션 공정 후 시료의 경우 이론적인 누적 출력량은 36.07W로서 초기 셀의 이론적인 출력에 비해 L3W증가하게 되었다고 볼 수 있지만, 리본과 셀의 Interconnectiori의한 전기적 손실과 출력단자용 구성재료에 의한 전기적 손실 그리고 셀의 Grade 의 분균일에 의한 손실로 인하여 결과적으로 대면적 모듈 의총 출력은 감소하게 될 것으로 예상된다.
- 현상에 대하여 연구 하였다. 모듈을 분석 해본 결과 크게 3개의 그룹으로 구분 지을 수 있었는데, 첫 번째 그룹은 초기 성능에 비하여 큰 성능감소가 없는 그룹이고, 두 번째 그룹은 back sheet의 미세한 파손으로 전극이 일부 부식된 그룹으로 큰 성능감소는 나타나지 않았으며 , 마지 막 세 번째 그룹은 겉으로 보기에는 큰 문제가 없는 것처럼 보였으나 성능감소가 크게 발생한 경우이다. 세 번째 그룹에서 셀의 노화에의 한 직렬저항 효과가 발생한 것으로 사료되며, 이를 열 분포를 측정하여 증명하였다.
- 첫 번째는 Interconnection 공정에서 발생하는 영향으로 Ribbon과 출력단자용 구성 재료의 저항에 따른 전기적 손실을 라미네이션 공정전의 시료와 공정후의 시료를 제작하여 비교분석 하였다. 그 결과로부터 Ribbon과 셀의 Interconnection에 의한 전기적 출력 감소율은 2.88%로서 실험에 적용된 16셀의 시료에서 1W의 전기적 출력 감소 폭을 보였으며 이는 대면적 모듈로 갈수록 손실되는 전력량은 증가할 것으로 예상된다. 또한 라미네이션 공정을 한 시료의 경우는 라미네이션 공정전의 시료에 비해 단위 셀의 경우 평균적으로 0.
- 88%로서 실험에 적용된 16셀의 시료에서 1W의 전기적 출력 감소 폭을 보였으며 이는 대면적 모듈로 갈수록 손실되는 전력량은 증가할 것으로 예상된다. 또한 라미네이션 공정을 한 시료의 경우는 라미네이션 공정전의 시료에 비해 단위 셀의 경우 평균적으로 0.081W가 증가하였고 3.7%의 증가율을 보였다. 출력단자의 구성 재료에 따른 전기적 손실은 라미네이션 전과 후의 시료에서 각각 0.
- 7%의 증가율을 보였다. 출력단자의 구성 재료에 따른 전기적 손실은 라미네이션 전과 후의 시료에서 각각 0.49W와 0.50W의 전기적 손실을 나타냈으며, 비교적 재연성 있는 실험 결과를 얻을 수 있었다. 두 번째는 태양전지 셀의 노화에 대한 부분으로 태양전지 모듈의 성능 감소에서는 전극의 부식 , EVA 아의 변색, 셀의 노화 등의 여러 요인이 있지만, 전극의 부식이 광범위 하게 발생하지 않는 다면 셀의 노화가 가장 큰 원인으로 작용한다는 것을 확인하였다.
- 50W의 전기적 손실을 나타냈으며, 비교적 재연성 있는 실험 결과를 얻을 수 있었다. 두 번째는 태양전지 셀의 노화에 대한 부분으로 태양전지 모듈의 성능 감소에서는 전극의 부식 , EVA 아의 변색, 셀의 노화 등의 여러 요인이 있지만, 전극의 부식이 광범위 하게 발생하지 않는 다면 셀의 노화가 가장 큰 원인으로 작용한다는 것을 확인하였다. 셀의 노화로 인하여 모듈 전체의 직렬저항이 80% 정도 증가하였으며, 이로 인하여 정상 시료보다 효율이 약 20%정도 감소하는 현상을 확인하였다.
- 두 번째는 태양전지 셀의 노화에 대한 부분으로 태양전지 모듈의 성능 감소에서는 전극의 부식 , EVA 아의 변색, 셀의 노화 등의 여러 요인이 있지만, 전극의 부식이 광범위 하게 발생하지 않는 다면 셀의 노화가 가장 큰 원인으로 작용한다는 것을 확인하였다. 셀의 노화로 인하여 모듈 전체의 직렬저항이 80% 정도 증가하였으며, 이로 인하여 정상 시료보다 효율이 약 20%정도 감소하는 현상을 확인하였다. 또한 모듈의 직렬 저항 증가가 셀의 동작 온도를 상승 시킨다는 것을 확인할 수 있었다.
- 셀의 노화로 인하여 모듈 전체의 직렬저항이 80% 정도 증가하였으며, 이로 인하여 정상 시료보다 효율이 약 20%정도 감소하는 현상을 확인하였다. 또한 모듈의 직렬 저항 증가가 셀의 동작 온도를 상승 시킨다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 향후 이러한 연구들은 태양광 산업의 발전에 크게 기여하게 될 것이다.鷺
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