[논문]결정질 PV 모듈의 string 구성에 따른 바이패스 다이오드 동작 특성

지양근; 공지현; 강기환; 유권종; 안형근; 한득영

doi:10.5370/kiee.2010.59.12.2212

[국내논문] 결정질 PV 모듈의 string 구성에 따른 바이패스 다이오드 동작 특성
The Characteristic of the Performance of the Bypass Diode with Composition Change of the String in Si-PV Module 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.12, 2010년, pp.2212 - 2217

지양근 (건국대학교 전기공학과) , 공지현 (건국대학교 전기공학과) , 강기환 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 유권종 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 안형근 (건국대학교 전기공학과) , 한득영 (건국대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Previous studies have been focused on the voltage of Bypass diode and Isc(Short Circuit Current) of the influenced solar cell. The Bypass diode starts working when it gets the reverse applied voltage. Previous studies have only concentrated on Isc of the influenced solar cell and Imp of PV module to explain the bypassing performance. PV module is usually working together with inverter having MPPT(Maximum Power Point Tracking) function for best performance. bypassing point is regulated by MPPT function of inverter. In this paper, simulation results of Bypass diode in PV module have been analyzed to represent the relationship of the bypassing point with the composition of PV module. From the results, the more cells are connected with each string, the earlier bypassing performance happens under the fixed number of strings. As diode groups increase or irradiation decreases, the bypassing performance starts fast.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 최초로 여러 가지 태양광 모듈의 내부 구성에 따른 태양전지 모듈의 내부 전압(V₁, V₂) 변화와 bypassing point의 관계를 분석하고, 분석 결과에 의해 나타날 수 있는 현상 및 개선 방법에 대해 고찰해 보았다.
본 논문은 태양전지 모듈의 구성이 bypass diode의 동작 시점에 미치는 영향을 실험한 최초의 논문으로 태양광 모듈의 내부 구성에 따른 bypassing point 변화를 분석하였다.
따라서 bypassing 동작 여부에 따라 출력 손실의 편차가 매우 커지게 된다. 여기에서 bypassing되는 타이밍을 원하는 대로 조절할 수 있다면 시스템의 구성 및 설치 환경에 따라서 최적의 시스템을 구성 할 수 있을 것이라는 아이디어에 착안하여, bypassing point 조절을 위한 연구를 진행하였다.

가설 설정

1. 태양광 모듈의 내부 회로 구성에 따라 bypassing timing 조절이 가능하다.(전압 비율 조정)
또, 일사량 감소를 태양전지의 Iph 감소로 대채하였으며. 1개의 태양전지에 불량이 발생하는 것으로 가정하여 실험하였다.

제안 방법

Diode 그룹의 증가에 따른 변화는 모듈내의 bypassing이 발생하기 위해 기본적으로 필요한 2개의 diode 그룹부터 6개의 diode 그룹까지 설정하였으며, 태양전지의 수는 각 string에 태양전지 4장으로 각 diode 그룹에 8장의 태양전지로 설정하여 모의실험 하였다. 여기에서 1개의 diode 그룹에 2개의 string이 접속되기 때문에 2string 즉 1개의 diode 그룹씩 증가시키면서 모의실험을 진행하였다.
그림 3과 같이 1개의 태양전지를 단위 unit으로 모델링하고, Bypass diode에 2개의 string이 포함되도록 그림 4와 같이 구성하였으며, 시뮬레이션은 DC sweep 기능을 이용하여 DC 전압을 0[V]에서 개방전압 (Open Circuit Voltage)까지 상승시켜 나타나는 전류를 프로브로 측정하였다.[9],[10]
앞선 이론적 고찰에서 bypassing point의 변화에는 전압 변화가 중요한 요인이 되는 것으로 분석하였다. 따라서 모의실험은 다음과 같이 전압 변화의 원인이 되는 4가지 경우로 나누어 구성하였다.
모델링은 6inch 다결정 태양전지의 특성을 참조하여 등가회로를 구성한 후 ABM 1/2소자를 사용하여, 비선형을 나타내는 다이오드 전류를 표현하였다.[그림 3]
본 논문에서는 Bypass diode의 동작 분석을 위해 전기적 성능 분석과 태양전지 모듈의 모의실험이 가능한 Pspice program을 이용하였다.
분석은 각각의 케이스에 따라 Bypass diode가 동작하는 타이밍이 어떻게 변화하는 가를 포인트로 분석하였다. 또, 일사량 감소를 태양전지의 Iph 감소로 대채하였으며.
앞선 이론적 고찰에서 bypassing point의 변화에는 전압 변화가 중요한 요인이 되는 것으로 분석하였다. 따라서 모의실험은 다음과 같이 전압 변화의 원인이 되는 4가지 경우로 나누어 구성하였다.
Diode 그룹의 증가에 따른 변화는 모듈내의 bypassing이 발생하기 위해 기본적으로 필요한 2개의 diode 그룹부터 6개의 diode 그룹까지 설정하였으며, 태양전지의 수는 각 string에 태양전지 4장으로 각 diode 그룹에 8장의 태양전지로 설정하여 모의실험 하였다. 여기에서 1개의 diode 그룹에 2개의 string이 접속되기 때문에 2string 즉 1개의 diode 그룹씩 증가시키면서 모의실험을 진행하였다.
위에서 실험된 결과가 전기적 용량 변화와 무관한 것을 검증하고 행과 열 변화에 따른 분석을 실시하기위해 동일한 용량의 모듈(72 cell)을 4×18배열, 6×12 배열, 12×6배열, 18×4배열로 모델링하여 bypassing 모의실험 및 분석을 실시하였다.
위에서 태양전지 모듈은 일사량이 감소하게 되면 전류는 물론 전압 강하가 발생하게 된다. 이러한 전압 강하에 의한 bypassing timing 변화를 분석하기 위해 Iph를 8A부터 2A까지 0.5A 단위로 감소시키면서 Iph감소에 따른 bypassing timing 변화를 모의실험 하였다.
차이를 비교하기 위해 태양전지의 수가 diode 그룹의 수보다 적은 6×2배열부터 태양전지의 수가 string의 수보다 많으면서 현재 상업용으로 많이 제작되고 있는 6×10배열까지 각 string에 1개씩 태양전지를 증가시키는 실험을 실시하였다.

성능/효과

2. Array의 경우 앞선 모의실험에 사용된 모듈이 수 십장 직렬 연결된 상태이므로 모듈보다 빠른 bypassing point를 갖게 된다는 것을 예상할 수 있으며, 앞선 실험에서 사용된 Case별 영향이 더욱 클 것으로 예상 된다.
하지만 그림 8-ⓑ의 일사량 변화에 따른 변화율을 보면, 실험 전 예상과 달리 일사량이 감소할수록 bypassing timing이 오히려 빨라지는 것을 확인할 수 있다. bypassing point에서의 V₂와 V₃를 비교해본 결과 그림 8-ⓑ와 같이 음영비율과 전압비율이 같은 경향을 갖는 것으로 확인되었다. 즉, 일사량 감소에 의해 전압 강하가 발생하지만 전류가 감소하면서 MPP가 Voc쪽으로 이동되면서 V₂가 미세하지만 상승하는 것으로 판단된다.
1. 동일한 모듈에서는 Bypass diode그룹의 확장이 단위 diode 그룹 내의 태양전지 수 확장보다 bypassing timing 향상에 효과적이다.
주목할 점은 diode 그룹 수가 그룹내의 태양전지 수보다 적을 경우 diode 그룹 수가 증가하면 그 영향이 매우 크지만, diode 그룹 수가 그룹내의 태양전지 수보다 많아지면, 영향이 감소한다는 것이다. 또, V₂와 V₃의 비율 변화와 bypassing timing 변화가 같은 경향을 보이며, 태양전지의 증가에 비해 그 영향이 매우 크게 나타났다.
분석을 위해 단위 diode 그룹 내의 태양전지 수와 동일한 태양전지 수를 갖는 diode 그룹의 구성에 따른 bypassing point 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 결과 열화 diode 그룹과 그 외의 diode 그룹의 전압 관계에 의해 bypassing point가 변하는 것을 확인하였다.
실험 구성은 태양전지의 수가 diode 그룹의 수보다 적을 경우와 많을 경우 변화율에 차이가 있을 것으로 예상되었다. 차이를 비교하기 위해 태양전지의 수가 diode 그룹의 수보다 적은 6×2배열부터 태양전지의 수가 string의 수보다 많으면서 현재 상업용으로 많이 제작되고 있는 6×10배열까지 각 string에 1개씩 태양전지를 증가시키는 실험을 실시하였다.
6×2배열일 때는 각 string에서 전지 1개의 증가에 의해 발생하는 전압 변화 △V₂가 열화 영역의 전압 변화 △V₃에 비해 매우 크지만 스트링 당 태양전지의 수가 증가할수록 그 변화율이 감소하기 때문으로 판단된다. 여기에서 태양전지의 수를 증가시키면 bypassing diode의 동작 timing을 빠르게 할 수 있지만 diode 그룹의 수보다 많아질수록 그 효과가 적다는 것을 확인 할 수 있다.
diode의 증가에 따라 bypassing timing이 빨라지는 것을 알 수 있다. 주목할 점은 diode 그룹 수가 그룹내의 태양전지 수보다 적을 경우 diode 그룹 수가 증가하면 그 영향이 매우 크지만, diode 그룹 수가 그룹내의 태양전지 수보다 많아지면, 영향이 감소한다는 것이다. 또, V₂와 V₃의 비율 변화와 bypassing timing 변화가 같은 경향을 보이며, 태양전지의 증가에 비해 그 영향이 매우 크게 나타났다.

후속연구

본 실험 결과로 볼 때 bypassing point는 모듈 내부의 구성에 의해 변한다는 것을 확인하였으며, 이를 고려한 설계를 통해 Array에서의 발전성능 개선이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전 기술은 무엇인가?	태양광 발전 기술이란 반도체에서 사용되는 PN접합 구조를 응용한 것으로 빛을 받으면 전기가 발생되게 된다. 이와 같은 태양전지는 약 0.
	태양전지는 왜 수십 장을 직렬 연결된 태양전지 모듈의 형태로 사용하는가?	태양광 발전 기술이란 반도체에서 사용되는 PN접합 구조를 응용한 것으로 빛을 받으면 전기가 발생되게 된다. 이와 같은 태양전지는 약 0.6V의 매우 낮은 전압을 갖기 때문에 수십 장을 직렬 연결된 태양전지 모듈의 형태로 사용하게 된다. 태양전지 모듈은 직렬구조로 구성되기 때문에 태양전지 자체의 결함이나 모듈 제조 공정에서의 오류 또는 발전 환경에서의 shading과 같은 특수한 상황에 의해 내부를 구성하고 있는 전지간의 전기적 특성 불일치가 발생할 수 있으며, 이러한 불일치는 모듈의 내구성능과 발전 성능 저하의 요인이 된다.

참고문헌 (10)

김승태, 강기환, 박지홍, 안형근, 유권종, 한득영 'PV모듈에서 그림자에 의한 전기적 특성' 한국태양에너지학회 춘계학술대회
김승태, 강기환, 박지홍, 안형근, 유권종, 한득영 태양전지의 전기적인 출력특성이 태양전지 모듈에 미치는 영향' 한국태양에너지학회 2008년 추계학술대회
S. R. Wengam, M. A. Green, M. E. Watt, R. Corkish, 'Applied Photovoltaics' second Edition,Earhsan, P75-83. 2007
S. T. Kim, C. H. Park, G. H Kang, Waithiru C. K. Lawrence, H. K. Ahn, G. J. Yu, Han, "Operation Characteristics of Bypass Diode for PV Module", J. of KIEEME, Vol. 21, No. 1, pp.12, 2007
A. Abete, F. Cane, C. Rizzitano, M. Tarantino, R. Rommasini, Performance testing procedures for photovoltaic modules in mismatching conditions, in: Proceedings of the 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1991.
이진섭, 강기환, 박지홍, 유권종, 안형근, 한득영 'PV모듈에서 태양전지와 Interconnect 회로의 구성이 I-V특성과 Hot spot에 미치는 영향' 2008년 춘계학술대회
A. M. Ricaud, Solar cells failure modes and improvement of reverse characeristics, in: Proceedings of the Fourth EC Photovoltaic Solar Energy Conference, 1982
공지현, 지양근, 강기환, 유권종 '태양전지 출력 불균일에 의한 PV모듈 시뮬레이션 연구' 한국태양에너지학회 2009년 추계학술대회
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, Volume.90, Issue 3, p.329-340, 2006.2.

상세보기
김의종, '그림자 영향에 따른 태양고아 어레이의 손실해석 및 실험' 석사학위논문, 충남대학교 대학원, 2009

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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