[논문]태양광 발전시스템의 그림자 영향을 고려한 PV 모듈의 재구성

고재섭; 정동화

doi:10.5207/jieie.2013.27.2.036

태양광 발전시스템의 그림자 영향을 고려한 PV 모듈의 재구성
Reconfiguration of PV Module Considering the Shadow Influence of Photovoltaic System 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.2, 2013년, pp.36 - 44

고재섭 (순천대학교) , 정동화 (순천대학교 전기제어공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the reconfiguration of PV module considering shadow influence of photovoltaic system. The PV system is consisted series-parallel connection of PV module. The voltage and current between PV modules become unbalance when shadow occurs to PV module. If shadow occurs to the series connection PV module, the output current is limited to current of shaded PV module. Also if shadow occurs to the parallel connection PV module, the output voltage is limited to voltage of shaded PV module. These problems are caused power loss. Therefore, the PV module in this paper consist using the fixed module and variable module by shaded conditions. The reconfiguration of PV module can compensates the shadow influence by changing connection of a variable module when shadow is occurred to PV module. A validity of the reconfiguration of PV module proposed in this paper proves through comparing with performance of conventional PV module.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제시한 PV모듈의 재구성은 종래의 고정형 PV 모듈과 다양한 그림자 조건에 대해 출력전력을 비교하였으며 본 논문에서 제시한 PV 모듈의 재구성은 종래의 일반적인 PV 모듈에 비하여 그림자 영향에 대하여 최대 19%까지 최대전력이 향상됨을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 능동형 모듈의 타당성을 입증 하였다.
직·병렬로 구성된 PV 모듈은 그림자가 발생할 경우 전기적인 특성차이로 인하여 출력전력의 손실이 발생한다. 따라서 본 논문에서는 PV 모듈을 고정 모듈과 가변 모듈로 구성하여 그림자가 발생함에 따라 PV 모듈의 구성을 자동으로 변경시키는 PV 모듈의 재구성을 제시한다. PV 모듈의 재구성은 그림자가 발생하여 저하된 출력을 가변 모듈의 접속 변경을 통해 보상해줌으로서 PV 모듈의 출력을 균일하게 하여 전체적인 출력을 개선한다.
따라서 본 논문에서는 PV 모듈을 고정형 모듈과 가변형 모듈로 구성하여 PV 모듈에 그림자가 발생하여 출력이 저하된 PV 모듈의 구성을 변경하여 전체적으로 균일한 출력이 나타날 수 있도록 PV 모듈을 재구성하는 방법을 제시한다. PV 모듈의 재구성은 종래의 고정된 구성을 가지는 PV 모듈의 구성과 성능비교를 통해 타당성을 입증한다.
PV 모듈의 직·병렬연결은 균일하지 못한 PV 모듈의 특성으로 전압과 전류가 감소하여 전력 손실을 발생시킨다. 따라서 본 논문에서는 종래에 고정된 방식으로 구성된 태양 전지 상호간의 연결을 환경조건에 따라서 연속적으로 태양 전지를 직렬 및 병렬로 재구성하는 방법을 제시한다. 그림 7은 직·병렬로 구성된 태양전지를 나타낸다.
본 논문에서는 PV모듈 재구성의 성능분석을 위하여 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 성능분석을 위한 PSIM 회로도는 그림 11과 같다.
본 논문에서는 태양광 발전을 위해 구성된 PV 모듈의 그림자에 의해 발생하는 전력손실을 저감시킬 수 있는 PV 모듈의 재구성 제시하였다. 직·병렬로 구성된 PV 모듈은 그림자가 발생할 경우 전기적인 특성차이로 인하여 출력전력의 손실이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 고정된 PV 모듈과 가변 PV 모듈을 이용하여 직렬 연결된 다수의 모듈에 그림자가 발생할 경우 가변 PV 모듈을 이용하여 전압을 보상하여 균일한 전압을 갖게 하는 PV 모듈의 재구성을 제시한다. 그림 9는 고정 PV 모듈과 가변 PV 모듈을 이용하여 그림자가 발생된 직렬연결의 전압강하를 보상하는 그림을 나타낸다.

가설 설정

Step 3 : 가변모듈의 전압은 전압이 높은 순서로 배열한다.

제안 방법

5, 온도 25℃ 및 일사량 1,000W/㎡의 실험조건에서 측정된 값을 나타낸다. PV모듈의 재구성 성능시험을 위한 PV 모듈은 고정형과 가변형로 구성하였다. 또한 각 부분의 전압 측정 및 능동형 구성을 위하여 C_block으로 구성되었다.
또한 태양광 발전소는 필요한 전력생산을 위해 PV 모듈을 직·병렬로 연결하여 어레이를 구성하고 이러한 어레이를 직·병렬로 구성하여 전체 태양광 발전소를 구성한다.

성능/효과

이와 같이 직렬연결 PV 모듈에 발생한 그림자 영향의 두 가지 단점은 첫째, 그림자가 발생하지 않은 PV 모듈은 낮은 단락전류를 따라야 하므로 그림자가 발생하지 않은 PV 모듈의 단락전류에서 그림자가 발생한 PV 모듈의 단락전류 차이만큼 제한되기 때문에 손실이 발생한다. 둘째, 전체 개방전압에서 그림자가 발생한 PV 모듈의 개방 전압 값을 뺀 값 이하에서 전압 동작점이 존재할 때에 그림자가 발생한 PV 모듈의 전류가 역방향으로 된다. 따라서 역 전압이 인가되고 부하처럼 동작되어 열이 발생하게 되어 PV 모듈의 파손을 일으키는 원인이 된다.
1A, 최대전력은 약 2,640W로 나타난다. 본 논문에서 제시한 PV모듈의 재구성 방법이 종래의 일반적인 PV 모듈 구성에 비해 출력전력이 약 15% 정도 전력이 상승됨을 알 수 있다.
PV 모듈의 재구성은 그림자가 발생하여 저하된 출력을 가변 모듈의 접속 변경을 통해 보상해줌으로서 PV 모듈의 출력을 균일하게 하여 전체적인 출력을 개선한다. 본 논문에서 제시한 PV모듈의 재구성은 종래의 고정형 PV 모듈과 다양한 그림자 조건에 대해 출력전력을 비교하였으며 본 논문에서 제시한 PV 모듈의 재구성은 종래의 일반적인 PV 모듈에 비하여 그림자 영향에 대하여 최대 19%까지 최대전력이 향상됨을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시한 능동형 모듈의 타당성을 입증 하였다.
9A, 최대전력은 약 2,275W로 나타난다. 직·병렬 연결에 다수의 그림자가 발생했을 경우에도 본 논문에서 제시한 PV모듈의 재구성의 최대전력이 약 19% 높게 나타나고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전시스템은 주요 부품인 태양전지의 문제점은?	이중 태양광 발전은 신재생에너지원에서 가장 경쟁력 있는 에너지원으로 각광받고 있다[1-2]. 그러나 태양광 발전시스템은 주요 부품인 태양전지의 제작비용이 감소되었지만, 종래의 발전 방법과 비교했을 때 초기 설치비용이 높고 에너지 밀도 및 효율이 낮아 발전단가가 높은 단점이 있다[3]. 따라서 태양광 발전시스템의 출력 효율을 높이기 위하여 일반적으로 태양전지 셀 자체의 효율 및 전력변환 시스템의 변환효율을 높이거나 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 및 태양이 항상 법선을 이루면서 PV 모듈에 입사되게 하는 추적식 방법등을 이용하고 있다[4-6].
	신재생에너지원에서 가장 경쟁력 있는 에너지원은 무엇인가?	이에 따라서 세계 각국은 이에 대응하기 위해 지속적인 대체에너지 및 신재생에너지의 개발과 보급에 주력하고 있다. 이중 태양광 발전은 신재생에너지원에서 가장 경쟁력 있는 에너지원으로 각광받고 있다[1-2]. 그러나 태양광 발전시스템은 주요 부품인 태양전지의 제작비용이 감소되었지만, 종래의 발전 방법과 비교했을 때 초기 설치비용이 높고 에너지 밀도 및 효율이 낮아 발전단가가 높은 단점이 있다[3].
	PV 모듈 사이에 발생하는 전압 및 전류의 불균형은 어떤 문제를 야기하는가?	이러한 태양광 발전소를 구성할 때 다수의 PV 모듈이 사용되며 이러한 PV 모듈 사이에 발생하는 전압 및 전류의 불균형은 전체적인 전력손실을 발생시킬 수 있다. 직렬로 구성된 PV 모듈에서 불균형이 발생하면 직렬회로의 특성에 따라 전체 전류가 성능이 좋지 못한 PV 모듈의 전류로 제한될 것이다. 또한 병렬로 연결된 PV 모듈은 병렬 회로의 특성으로 출력 전압이 성능이 좋지 못한 PV 모듈의 전압으로 제한된다. 이러한 문제는 PV 모듈의 특성에 따라서도 발생하지만 PV 모듈에 그림자가 발생했을 때 가장 크게 발생한다[7].

참고문헌 (7)

K. Kurokawa, "Energy from Desert", 2003.
C. J. Winter, R. L. Sizmann, L. L. Van-Hull, "Solar Power Plants", Springer-Verlag, 1991.
S. D. Kim, "Incorporating the Power Generation Capacities of New and Renewable Energy into Long-Term Electricity Supply Planning, 2005.
K. T. Park, J. S. Choi, D. H. Chung, "A Novel PV Tracking System Control Considering the Power Loss with Change of Insolation", Journal of the KIIEE, vol. 22, no. 6, pp. 89-99, 2008.

원문보기 상세보기
J. S. Choi, J. S. Ko, D. H. Chung, "Efficiency Analysis of PV Tracking System with PSA Algorithm", Journal of the KIIEE, vol. 23, no. 10, pp. 36-44, 2009.

원문보기 상세보기
J. S. Ko, D. H. Chung, "TMOV MPPT Control of PV System with Temperature Measurement based Optimal Voltage", Journal of the KIIEE, vol. 26, no. 11, pp. 30-39, 2012.

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E. J. Kim, "Study for decreasing missmatch losses of photovoltaic array under shading conditions", Chungnam National University.

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