[논문]태양전지셀의 본질안전 방폭성능 평가

이춘하; 지승욱; 김시국

doi:10.5207/jieie.2011.25.7.049

태양전지셀의 본질안전 방폭성능 평가
The Intrinsic Safety Evaluation of Solar Photovoltaic Cell 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.25 no.7, 2011년, pp.49 - 54

이춘하 (호서대학교 소방방재학과) , 지승욱 (호서대학교 소방방재학과) , 김시국 (호서대학교 소방방재학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Now the world will regulate the CO2 emission due to environmental issues. For an alternative plan photovoltaic system is watched. So, photovoltaic system is trend of big city and it is mandatory for renovation of construction. Oil & gas filling station existed in city is suitable to found the photovoltaic system. But the general photovoltaic system in oil & gas filling station is difficult to found because it is classified into hazardous area. This paper evaluates intrinsic safety evaluation of solar cell for making basic data to found for the photovoltaic system on hazardous area. The intrinsic safety characteristic is evaluated by short-circuit ignition test using IEC type spark ignition test apparatus and temperature rising test. The result of short-circuit ignition test, propane-air mixture gas is exploded on condition that 4 solar cells(9[V], 90[mA]) are connected serially under insolation 800[W/$m^2$]. So, if a larger solar module will be used at oil & gas filling station than we were tested, it needs explosion proof. As the result of rising temperature test, the temperature rising due to short circuit is not so much, but when the temperature rises due to radiant heat, it demands careful consideration for environmental influence.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 태양전지 셀을 대상으로 본질안전방폭성능을 실험적으로 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 논문은 이러한 곳에 설치 가능한 태양광 발전설비를 개발하기 위한 예비연구로서 태양광전지의 본질안전 방폭성능을 평가하고자 수행되었다. 태양광전지의 기본 셀을 대상으로 단락방전실험을 수행하였고, 온도상승실험과 단락으로 인해 태양광전지 셀의 온도변화를 조사함으로써 사고 시 온도 상승에 의한 자체 점화 가능성 여부를 확인하고자 하였다.
이에 본 논문은 이러한 곳에 설치 가능한 태양광 발전설비를 개발하기 위한 예비연구로서 태양광전지의 본질안전 방폭성능을 평가하고자 수행되었다. 태양광전지의 기본 셀을 대상으로 단락방전실험을 수행하였고, 온도상승실험과 단락으로 인해 태양광전지 셀의 온도변화를 조사함으로써 사고 시 온도 상승에 의한 자체 점화 가능성 여부를 확인하고자 하였다.

제안 방법

광량은 방사량계(Photo radiometer, Delta사, HD2102.2)와 RAD 프로브(Delta사, LP471RAD, 400∼1050[nm])를 이용하여 KS C 8527에 따라 측정하였고, 태양전지 모듈 주변에 냉각팬을 설치하여 태양전지 모듈 주변의 온도가 27±5[℃]가 유지되도록 하였으며, 습도는 30±5[%]였다.
이를 토대로 표 5는 태양전지 셀의 앞면과 뒷면에 각각 열전쌍을 설치하고 실험시작 20분 후부터 3분간 측정한 온도를 보여준다. 단락이 태양전지 셀의 온도 증가에 미치는 영향을 알아보기 위해 태양전지 셀의 두 단자를 단락시킨 경우와 개방시킨 경우에 대하여 각각 5회씩 측정하여 최대, 최소 및 평균값을 타나내었다.
단락점화실험은 우리나라의 지역별, 계절별 일사량을 참고하여 일사량을 각각 1,000[W/㎡], 800[W/㎡],600[W/㎡], 400[W/㎡]로 설정하여 수행하였다. 표 3은 각각의 일사량에 대하여 본질안전방폭전기기기를 시험할 때 기기등급에 따른 대표적인 폭발성 가스들에 대한 단락점화실험결과를 보여준다.
단락점화실험을 위한 태양전지모듈의 전압은 태양전지 셀을 직렬로 연결하여 얻을 수 있는 전압인 9, 18,27, …, 135[V]로 설정하였으며, 점화한계는 이들을 n-1 개조 병렬 연결했을 때 점화하지 않았고, n 개조 연결했을 때 점화되었다면, n 개조를 점화한계로 결정하였다.
셋째, 태양전지 셀에 대하여 온도 상승실험을 수행하였다. 태양전지 셀의 양단자를 개방시킨 경우와 단락시킨 경우에 대하여 측정한 온도값에 차이가 없었고, 가연성 가스를 점화시킬 정도의 온도 상승도 없었다.
첫째, 본질안전방폭전기기를 시험할 때 기기 등급에 따른 대표적인 시험가스들을 대상으로 400, 600, 800,1,000[W/㎡]의 일사량에 대하여 IEC형 개폐불꽃시험 장치를 이용하여 단락 방전에 의한 점화가능성을 실험하였다. 일사량이 많을수록, 시험가스의 등급이 높을수록 적은 수의 태양전지 셀로도 점화가 일어났다.
태양전지 모듈을 구성했던 태양전지 셀에 대하여 단락전류 및 이에 따른 온도상승실험을 수행하였다. 표 4는 태양전지 셀 5개를 대상으로 식 (1)을 이용하여 구한 단락전류값 및 이를 구하기 위해 측정한 부전압값(V₁, I₁)과 정전압값(V₂, I₂)을 보여준다.
태양전지모듈의 표면으로부터 600[mm] 상부에 조광기와 연결된 다수의 광원(500[W] 제논화이트램프)을 설치하여 실험에 필요한 광량을 얻었다. 광량은 방사량계(Photo radiometer, Delta사, HD2102.
한편 태양전지 셀에 대하여 단락 시 온도상승으로 인한 자체점화 가능성 여부를 확인하고자 온도상승실험을 수행하였다. 온도는 태양전지 셀의 양 단자를 단락시킨 후 측정되었다.

대상 데이터

또한 온도 측정을 위해 열화상 카메라(Fluke사, Ti25) 및 K타입 열전대와 데이터 취득장치(record & data acquisition equipment, mobile corder, Yokogawa MV100)가 사용되었다.
태양전지의 단락방전에 의한 폭발성가스의 점화실험은 KS C IEC 60079-11(“방폭 기기-제11부:본질 안전 방폭 구조 “i””)에 따라 수행되었다. 이에 따라 불꽃 발생횟수는 극성을 바꾸어 각각 400회로 하였으며, 표2와 같이 본질안전방폭전기기기를 시험할 때 기기등급에 따른 대표적인 불꽃점화 시험가스들을 대상으로 실험하였다.
태양전지모듈은 9[V], 90[mA]의 결정질 실리콘 태양전지(S사, SPM-6518)셀을 그림 1과 같이 조합하여 사용하였다. 태양전지셀 1개는 9[V]이고, 2개를 직렬 연결하면 18[V], 3개를 직렬로 연결하면 27[V]가 된다.

이론/모형

태양전지의 단락방전에 의한 폭발성가스의 점화실험은 KS C IEC 60079-11(“방폭 기기-제11부:본질 안전 방폭 구조 “i””)에 따라 수행되었다.

성능/효과

둘째, 태양전지 셀의 단락전류를 측정한 결과 0.164[A]로 측정되었다.
첫째, 본질안전방폭전기기를 시험할 때 기기 등급에 따른 대표적인 시험가스들을 대상으로 400, 600, 800,1,000[W/㎡]의 일사량에 대하여 IEC형 개폐불꽃시험 장치를 이용하여 단락 방전에 의한 점화가능성을 실험하였다. 일사량이 많을수록, 시험가스의 등급이 높을수록 적은 수의 태양전지 셀로도 점화가 일어났다. 특히 일사량 800[W/㎡]에서 36V-1조의 태양전지 모듈은 유증기와 같은 등급인 프로판-공기 혼합가스를 점화시켰다.
셋째, 태양전지 셀에 대하여 온도 상승실험을 수행하였다. 태양전지 셀의 양단자를 개방시킨 경우와 단락시킨 경우에 대하여 측정한 온도값에 차이가 없었고, 가연성 가스를 점화시킬 정도의 온도 상승도 없었다. 태양전지 셀의 온도 증가는 햇빛흡수에 의한 발열이 대부분이고, 단락으로 인한 발열은 매우 적기 때문이다.

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