[논문]태양광 모듈의 구조디자인과 설치각도에 따른 출력예측

고재우; 윤나리; 민용기; 정태희; 원창섭; 안형근

doi:10.5370/kiee.2013.62.3.371

태양광 모듈의 구조디자인과 설치각도에 따른 출력예측
Prediction of Output Power for PV Module with Tilted Angle and Structural Design 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.3, 2013년, pp.371 - 375

고재우 (건국대학교 전기공학과) , 윤나리 (현대중공업, 그린에너지사업본부 태양광연구실) , 민용기 (건국대학교 전기공학과) , 정태희 (한국에너지기술연구원, 태양에너지 연구단) , 원창섭 (LS산전, 스마트그리드연구단 전력변환연구팀) , 안형근 (건국대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A new model about output power prediction of PV module with various tilted angles and cell to cell distances has been proposed in this paper. Light intensity arrived on a solar cell could be changed by characteristics of PV module materials. Refractive indices, thickness and absorption coefficients of glass, EVA, solar cell and Backsheet are used to predict output. Also, the incident angle of light is changed 0 to 90[$^{\circ}$] and cell to cell distances are 5, 10 15[mm]. Two types of light incident on a solar cell are considered which are direct to a solar cell and reflected from Backsheet. The intensity of the incident light directly into the solar cell is reduced through glass and EVA about 17.5[%] in theoretical way. It has an error of 2.26[%] compared with experimental result. The results for compare theoretical with experimental data is validated within the error of 6.3[%]. This paper would be a research material to predict output power when the PV module is installed outdoor or a building.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 태양광 모듈의 설치각도와 구조디자인 요소 중 태양전지와 태양전지간의 간격에 따른 출력을 예측하고 실제 모듈을 제작하여 제시한 모델을 검증하였다. 설치 각도는 곧 태양광 모듈에 입사하는 빛의 각도가 달라짐을 의미하기 때문에 설치각도 대신 빛의 입사각도를 변화시켜 가면서 논문을 진행하였다.
이에 본 논문에서는 모듈의 구조 디자인과 설치각도를 고려한 태양광모듈의 출력 특성을 예측하고, 태양광 모듈이 실제 필드에 설치되었을 때 출력을 예측 할 수 있도록 이론적 접근을 통한 출력식을 유도하였다. 또한, 이론적 예측 값과 실제 태양광 모듈의 출력 특성을 MATLAB 프로그램을 이용하여 비교하였다.

가설 설정

또한 태양전지간의 간격이 넓어 반사와 투과가 많이 일어나더라도 빛이 매질을 통과해 이동할수록, 빛의 강도는 약해지기 때문에 태양전지에 도달하는 빛은 무시할 만큼 작아진다. 이를 계산한 결과, 총 세 개의 이동경로로 움직인 빛만이 태양전지에 영향을 주는 것으로 가정했다. 이 때 Backsheet의 굴절률은 굉장히 높기 때문에 x방향 이동거리는 무시한다.
다음 그림 3은 빛이 유리와 두 장의 EVA를 투과하여 Backsheet에서 반사한 빛이 태양전지에 도달했을 때의 강도를 나타낸 것이다. 태양전지간의 간격에 의해 빛의 태양광 모듈 입사후, 반사 및 투과되는 횟수가 정해진다. 또한 태양전지간의 간격이 넓어 반사와 투과가 많이 일어나더라도 빛이 매질을 통과해 이동할수록, 빛의 강도는 약해지기 때문에 태양전지에 도달하는 빛은 무시할 만큼 작아진다.

제안 방법

계산과정 중 유리와 한 장의 EVA를 통해 태양전지에 입사되는 빛, 즉 Backsheet의 영향을 받지 않는 빛은 x축으로 이동하는 거리 방향을 고려하지 않았다. 구조 디자인 중 태양전지간의 간격은 Backsheet의 면적과 관련이 있기 때문에 Backsheet에 반사되어 추가되는 빛에 있어서만 x축 거리를 계산하여 태양전지간 간격이 출력에 미치는 영향을 알아보았다.
이에 본 논문에서는 모듈의 구조 디자인과 설치각도를 고려한 태양광모듈의 출력 특성을 예측하고, 태양광 모듈이 실제 필드에 설치되었을 때 출력을 예측 할 수 있도록 이론적 접근을 통한 출력식을 유도하였다. 또한, 이론적 예측 값과 실제 태양광 모듈의 출력 특성을 MATLAB 프로그램을 이용하여 비교하였다.
먼저 태양광 모듈 내의 태양전지에 입사되는 빛을 두 가지 경우로 생각하여 계산하였다. 유리와 한 장의 EVA를 통해 태양전지로 들어오는 빛은 입사각이 0[°]일 때 초기 값 대비 82.
본 논문에서 설치 각도 및 디자인에 따른 태양광 모듈 특성의 변화 중 광생성 전류에 초점을 두어 출력을 예측하였다. 식 (1)에서와 같이 광생성 전류는 파장에 따른 Photon Flux, 태양전지 반사율, 양자효율 및 면적이 필요하다.
본 논문에서는 태양광 모듈의 설치각도와 구조디자인 요소 중 태양전지와 태양전지간의 간격에 따른 출력을 예측하고 실제 모듈을 제작하여 제시한 모델을 검증하였다. 설치 각도는 곧 태양광 모듈에 입사하는 빛의 각도가 달라짐을 의미하기 때문에 설치각도 대신 빛의 입사각도를 변화시켜 가면서 논문을 진행하였다. 입사각도는 0부터 90[°]까지 변화하였고 태양전지간의 간격은 5, 10, 15[mm]로 총 세 가지의 모듈을 분석하였다.
설치 각도는 곧 태양광 모듈에 입사하는 빛의 각도가 달라짐을 의미하기 때문에 설치각도 대신 빛의 입사각도를 변화시켜 가면서 논문을 진행하였다. 입사각도는 0부터 90[°]까지 변화하였고 태양전지간의 간격은 5, 10, 15[mm]로 총 세 가지의 모듈을 분석하였다.
태양광 모듈의 구성 재료를 고려한 태양전지 한 장의 출력과 태양전지간의 간격에 따른 Backsheet 반사광에 의해 추가되는 출력의 합을 구한 뒤, 이를 모듈을 구성하는 모든 태양전지의 출력으로 확장시켜서 최종 출력을 도출하였다. 수식(4) ^~(6)은 매질에 따른 반사강도와 투과강도에 관한 식이고, 수식에서 아래첨자 i와 j는 각각의 매질을 나타내며 ij는 빛이 i에서 j로 움직인 것을 의미한다[7].
태양광 모듈의 출력은 모듈화 공정을 마친 후 시뮬레이터를 이용하여 측정된다. 측정된 출력 값은 제품 사양이 되어 시중에 판매되며 이를 기준으로 태양광 발전소의 설계가 이루어진다.

대상 데이터

본 논문의 모델을 검증하기 위하여 태양광 모듈을 직접 제작하여 I-V 특성을 비교 하였다. 본 논문에 사용된 모듈은 3종류이며 태양전지와 태양전지간의 간격은 각각 5[mm], 10[mm], 15[mm]로 제작하였고 태양전지와 프레임의 간격은 모두 20[mm]로 고정시켰다. 태양광 모듈은 각 18장의 태양전지가 사용되었고 6X3 매트릭스의 형태로 제작되었다.
본 논문에 사용된 모듈은 3종류이며 태양전지와 태양전지간의 간격은 각각 5[mm], 10[mm], 15[mm]로 제작하였고 태양전지와 프레임의 간격은 모두 20[mm]로 고정시켰다. 태양광 모듈은 각 18장의 태양전지가 사용되었고 6X3 매트릭스의 형태로 제작되었다.

데이터처리

본 논문의 모델을 검증하기 위하여 태양광 모듈을 직접 제작하여 I-V 특성을 비교 하였다. 본 논문에 사용된 모듈은 3종류이며 태양전지와 태양전지간의 간격은 각각 5[mm], 10[mm], 15[mm]로 제작하였고 태양전지와 프레임의 간격은 모두 20[mm]로 고정시켰다.

성능/효과

26[%]의 오차율을 보인다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Backsheet에 반사되어 도달하는 빛은 초기 값 1 대비 0.255^~4.715[%]가 증가되었으며 태양전지간의 간격이 넓어져 Backsheet가 많이 노출될수록 추가되는 빛의 양은 더 증가함을 보였다. 태양전지간의 간격이 좁은 모듈은 빛의 입사각이 커질수록 x축 방향으로의 이동거리가 길어지기 때문에 빛이 Backsheet에 반사되어 태양전지에 도달할 수 없다.
또한 이론적으로 예측한 입사각도별 광전류의 값과 실제 모듈을 제작하여 솔라 시뮬레이터로 측정 한 결과 평균 6.214[%]의 오차율을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
먼저 태양광 모듈 내의 태양전지에 입사되는 빛을 두 가지 경우로 생각하여 계산하였다. 유리와 한 장의 EVA를 통해 태양전지로 들어오는 빛은 입사각이 0[°]일 때 초기 값 대비 82.5%로 가장 높았고 그 뒤로 입사각이 증가할수록 입사강도가 그에 따라 줄어든다. 이를 스펙트로미터를 사용하여 실험한 결과 이론값과 2.
034[A]의 값이 구해진다. 이 둘을 비교하였을 때 이론값과 실험값의 오차율은 약 1.75[%]가 됨을 알 수 있다.
5%로 가장 높았고 그 뒤로 입사각이 증가할수록 입사강도가 그에 따라 줄어든다. 이를 스펙트로미터를 사용하여 실험한 결과 이론값과 2.26[%]의 오차율을 보인다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Backsheet에 반사되어 도달하는 빛은 초기 값 1 대비 0.
715[%]가 증가되었으며 태양전지간의 간격이 넓어져 Backsheet가 많이 노출될수록 추가되는 빛의 양은 더 증가함을 보였다. 태양전지간의 간격이 좁은 모듈은 빛의 입사각이 커질수록 x축 방향으로의 이동거리가 길어지기 때문에 빛이 Backsheet에 반사되어 태양전지에 도달할 수 없다. 하지만 태양전지간의 간격이 넓어지면 큰 입사각에서도 빛이 Backsheet에 반사되어 태양전지에 추가된다.

후속연구

본 논문에서 제시한 태양광 모듈의 설치각도와 구조디자인에 따른 출력 예측은 태양광 모듈을 빌딩에 설치해야 하는 경우 출력을 미리 예측할 수 있는 도움을 줄 것으로 사료되며, 태양광 모듈을 구성하는 재료가 달라지거나 구조적인 디자인이 달라졌을 때 출력이 얼마나 달라지는지를 예측할 수 있으리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 모듈의 출력은 어떻게 측정되는가?	태양광 모듈의 출력은 모듈화 공정을 마친 후 시뮬레이터를 이용하여 측정된다. 측정된 출력 값은 제품 사양이 되어 시중에 판매되며 이를 기준으로 태양광 발전소의 설계가 이루어진다.
	무엇을 기준으로 태양광 발전소의 설계가 이루어지는가?	태양광 모듈의 출력은 모듈화 공정을 마친 후 시뮬레이터를 이용하여 측정된다. 측정된 출력 값은 제품 사양이 되어 시중에 판매되며 이를 기준으로 태양광 발전소의 설계가 이루어진다. 하지만 필드에 설치된 모듈의 출력값은 제품사양과 다른 값을 갖는 경우가 많다.
	태양광 모듈의 설치 각도에 따라서 어떻게 출력 값이 변하는가?	출력 값이 제품 사양과 다른 이유는 인버터의 효율문제, LID(Light Induced Degradation)[1] 등 이며, 그 중 태양광 모듈의 설치 각도에 따라서도 출력 값이 변한다. 태양광이 PV(Photovoltaic)모듈에 수직으로 입사하는 경우, 최대 출력 값을 낼 수 있으며 수평으로 기울일수록 출력 값은 떨어진다[2]. 뿐만 아니라 태양광 모듈의 디자인에 따라 출력이 변하기 때문에[3] 각도에 대한 모듈의 출력 특성은 설치 각도와 모듈의 디자인을 함께 생각해야 한다.

참고문헌 (10)

J. Kong, Y. Ji, K. Kang, K. Yoo, H. Ahn, D. Han, "Initial Pout Changes by Optical Characteristics of Photovoltaic module", Proceedings of the KSES autumn annual conference, Vol. 30, No.2, 2010
H. Gunerhan, A. Hepbasli, "Determination of the optimum tilt angle of solar collectors for building applications", Building and Environment, 2007
J. Song, J. Yoon, Y. Ahn, S. Kim, S. Lee, Y. Chung, "Power Performance Characteristics of Transparent Thin-film BIPV Module depending on an installation angle", Proceedings of the KSES autumn annual conference, Vol. 28, No. 2, 2008
Z.H. Lu, Q. Yao, "Energy analysis of silicon solar cell modules based on an optical model for arbitrary layers", Solar Energy, Vol. 81, pp.636-647, 2007

상세보기
H. Wada, F. Yamamoto, K. Ueta, T. Yamaguchi, "Generation characteristics of 100kW PV system with various tilt angle and direction arrays", Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 95, pp. 382-385, 2011

상세보기
S. Krauter, P. Grunow, "Optical simulation to enhance PV module encapsulation", Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, pp.2065-2068, 2006
Eugene Hecht, "Optics", Addison Wesley, 2002
M. Chegaar, Z. Ouennoughi, F. Guechi, H. Langueur, "Determination of solar cells parameters under illuminated conditions", Journal of Electron Devices, Vol.2, pp.17-21, 2003
J. Lee, "Solar Cell Engineering", Green, pp. 38-38. 2007
H. Choi, D. Choi, H. Yoo, S. Choi, Y. Kim, "A Study on the Photovoltaic Array Optimal Arrangement Considering Power Output", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 23, No.12, 2009

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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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