[논문]200kW 급 태양광발전 어레이 표면의 냉각/세정에 대한 장기 실증 실험

한준선; 정성대; 유상필; 이승수

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.11.971

초록
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태양광 발전은 일사량이 높을수록 발전량이 증가된다. 그러나 일사량이 높아짐에 따라 셀의 온도도 같이 증가하여 발전효율은 감소하게 된다. 일반적으로 태양광 셀(Cell) 표면의 온도를 $1^{\circ}C$ 감소시키면 약 0.5%의 발전량의 증가가 있다고 알려져 있다. 본 논문은 태양광 발전량 증가를 위해 냉각/세정 장기 실증 실험을 수행하였다. 기전력과 집광량을 높이기 위해 모듈 표면 온도를 낮추고 오염물질을 제거하는 냉각/세정 기술을 이용하였다. 실험 방법은 냉각/세정 설비가 설치된 곳과 설치되지 않은 곳의 이용률을 비교하였다. 장기 실증 시험을 결과 냉각/세정 설비의 구동으로 인한 발전량이 최소 13%에서 최대 19%까지 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In general, the solar photovoltaic power increases with higher solar insolation. However, the solar cell generation efficiency reduces because the solar cell surface is heated by solar insolation. According to advanced research, with a $1^{\circ}C$ increase in the solar cell surface tempe...

In general, the solar photovoltaic power increases with higher solar insolation. However, the solar cell generation efficiency reduces because the solar cell surface is heated by solar insolation. According to advanced research, with a $1^{\circ}C$ increase in the solar cell surface temperature, the generation efficiency decreases by ~0.5%. To solve this problem, we conducted experiments in which we attempted to reduce the solar cell surface temperature using a water jet spray. In this study, we found the long-term experimental results of increases in solar power generation. The experimental results show a comparison of the site with and without cooling and cleaning equipment being installed. The results of the long-term experiments show that solar photovoltaic power generation is increased by at least 13% up to 19% with cooling and cleaning.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이는 입자 비산 방식이 냉각수가 순수해도, 모듈 표면의 이물질이 용해되어 증발잔여물로 퇴적됨으로써, 물때 발생이 가속화되는 것이 쉽게 육안으로 관찰되기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 충돌제트 분사방식이 집광량과 기전력을 향상시키기 위한 태양광발전 냉각/세정의 최적의 방식이라 판단, 적용하게 되었다.
본 논문에서는 태양전지에 대한 냉각/세정을 통하여 태양전지의 광기전력과 집광량을 향상시킬 수 있는 수냉각 기술을 적용하여 현재 설치되어있는 태양광 발전소(200kW)에 대한 실증 실험을 수행하였다. 수냉각이 적용된 년도와 그렇지 않은 년도에 대해서 냉각/세정 효과를 통한 장기간의 발전량 차이를 비교, 분석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 태양전지에 대한 냉각/세정을 통하여 태양전지의 광기전력과 집광량을 향상시킬 수 있는 수냉각 기술을 적용하여 현재 설치되어있는 태양광 발전소(200kW)에 대한 실증 실험을 수행하였다. 수냉각이 적용된 년도와 그렇지 않은 년도에 대해서 냉각/세정 효과를 통한 장기간의 발전량 차이를 비교, 분석하였다.
전년 대비 비교 방식은 태양광 설치 지역에 모두 냉각/세정 장치가 설치되어, 부득이하게 미 설치된 년도의 발전량을 비교 분석하는 방법이다. 이때 비교 방법은 전년대비 일조시간의 비와 발전량의 증가를 나타내는 출력향상률로 냉각/세정의 효과를 확인하기로 한다. 효율향상 관계식은 식 (2)와 같다.
의 압력을 펌프를 통해 가압하여 충돌 제트를 일정 시간 간격 또는 모듈이 일정 온도가 이상이 되었을 때 발생시켰다. 일정 기간을 나누어 오전 8 시부터 오후 6 시까지 냉각수를 분사하되, 일중 고도가 최고이며, 모듈에 대한 온도가 가장 높은 수치를 나타내는 오후 12 시부터 오후 2 시까지는 냉각수의 분사량을 늘려, 분사 간격을 좁혀 시간당 냉각수의 분사량을 집중시키는 분사 방식을 구현하였다. 이러한 분사 방식은 단위 냉각수량 당 태양광 모듈의 열량을 많이 뺏을 수 있는 방식이므로 한정된 냉각수량 하에 더욱 효율적으로 모듈을 냉각할 수 있다.
태양광 발전 모듈에 일정 간격으로 냉각/세정 기술을 적용하고, 약 3kg/cm² 의 압력을 펌프를 통해 가압하여 충돌 제트를 일정 시간 간격 또는 모듈이 일정 온도가 이상이 되었을 때 발생시켰다. 일정 기간을 나누어 오전 8 시부터 오후 6 시까지 냉각수를 분사하되, 일중 고도가 최고이며, 모듈에 대한 온도가 가장 높은 수치를 나타내는 오후 12 시부터 오후 2 시까지는 냉각수의 분사량을 늘려, 분사 간격을 좁혀 시간당 냉각수의 분사량을 집중시키는 분사 방식을 구현하였다.

대상 데이터

본 실증 시험이 시행된 곳은 경북 구미 발전소이다. 각 발전소 별 설비용량 및 비교 방법은 Table 2 와 같다.
경상북도 구미시에 위치한 발전소의 경우 총 설비용량은 200kW로 냉각/세정 기술은 2009년 12월에 적용되었고, 모든 모듈에 냉각/세정 기술이 적용되어 기상청의 일조량 기준으로 전년대비 비교를 수행하였다. 총 비교 기간은 냉각/세정 기술이 적용되지 않은 2009년부터 냉각/세정 기술이 적용된 2010년과 2011년을 비교 하였다. 또한 2010년과 2011년의 겨울철의 경우 동파 방지를 위하여 냉각/세정 기술을 구동 하지 않았다.

이론/모형

1 의 경우 태양광 발전소의 냉각/세정 설비가 설치된 예시이며, 실증 시험에 사용된 비교 방법은 크게 전년 대비 현재의 발전량을 비교하는 방법과 같은 지역의 인버터에서 냉각/세정 시스템의 설치 유무로 나누어 동시적으로 발전량을 비교하는 동시비교 방법으로 나누어진다. 현 발전소에서 사용한 비교 방법은 전년대비 현재 발전량을 사용하여 비교를 수행하였다.

성능/효과

따라서 기술개발의 여지가 적으나, 전력저장 기술 관련된 수요는 향후 기대되는 부분이다. 마지막으로 (3)BOS 기술은 시장규모에 비해 상대적으로 진입장벽이 낮다고 인식되었으나, 최근 즉각적이고 효과적인 출력향상이 BOS 기술의 개발에 의해 최적화된 발전으로 구현이 가능하다는 인식이 확산되고 있다. 특히 본 연구가 해당되는 태양광발전 모듈의 냉각, 세정에 대한 출력향상은 상당기간 전 세계 연구자들에 의해 효과가 연구되어 왔으나, 상용화된 수준의 제품출시가 경제성 문제에 걸려 미뤄져 왔다.
장기 실증 시험 결과 전년 대비 비교를 통하여 2010년 19.29%, 2011년 13.77%의 출력 향상을 보였다. 향후 냉각수의 공급을 증가시키거나, 단위 냉각수당 냉각효율을 높일 경우 더욱 높은 이용률 증가를 보일 것으로 기대된다.

후속연구

H/W 측면에서 보다 효과적인 분사노즐기술이 적용가능하며, S/W 측면에서는 냉각수의 분사간격, 시간대, 분사지속시간 등의 일중고도에 따른 최적화가 필요하다. 태양광발전 냉각/세정에 대해 좀 더 최적화된 기술이 적용된다면, 향후 태양광발전 이용시간 향상에 일조할 수 있을 것으로 기대된다.
특히, 태양광발전의 수익성은 보급 확산에 가장 중요한 요소 중 하나이며, 이를 본 연구에 적용된 냉각/세정 기술을 적용하여 즉각적으로 향상시킬 수 있다는 점은 향후 본 연구를 심화해나갈 필요성을 충분히 나타내준다.
77%의 출력 향상을 보였다. 향후 냉각수의 공급을 증가시키거나, 단위 냉각수당 냉각효율을 높일 경우 더욱 높은 이용률 증가를 보일 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전이란 무엇인가?	탄소 기반의 에너지 자원이 야기하는 지구온난화 등의 우려와 전통적으로 에너지 위기의 대안으로 일컬어진 원자력 발전에 대한 거부감의 확산으로 다양한 신재생에너지의 활용이 관심을 끌고 있다. 다양한 재생에너지의 대안 중 하나인 태양광 발전은 반도체 또는 염료, 고분자 등의 물질로 이루어진 태양전지를 이용하여 태양에너지를 받아 바로 전기에너지로 변환하는 발전시스템 기술이다. 태양광 발전의 장점은 석탄, 석유등의 유한적인 자원에 반해 태양광만 있으면 지속 가능한 발전 방식이며, 발전 과정에서 공해가 배출되지 않은 청정 발전방식이다.
	태양광 발전 기술 중 BOS (Balance of System) 기술에 대한 인식은 어떻게 변화되고 있는가?	따라서 기술개발의 여지가 적으나, 전력저장 기술 관련된 수요는 향후 기대되는 부분이다. 마지막으로 (3)BOS 기술은 시장규모에 비해 상대적으로 진입장벽이 낮다고 인식되었으나, 최근 즉각적이고 효과적인 출력향상이 BOS 기술의 개발에 의해 최적화된 발전으로 구현이 가능하다는 인식이 확산되고 있다. 특히 본 연구가 해당되는 태양광발전 모듈의 냉각, 세정에 대한 출력향상은 상당기간 전 세계 연구자들에 의해 효과가 연구되어 왔으나, 상용화된 수준의 제품출시가 경제성 문제에 걸려 미뤄져 왔다. 하지만, 최근 FIT나 RPS 와 같은 대규모 상업용 발전에 대한 정부기관의 지원제도에 힘입어, BOS 기술을 통한 출력향상은 태양광발전의 수익성을 높이는 매력적인 방법으로 부상하고 있는 상황이다.
	태양광 발전의 장점은 무엇인가?	다양한 재생에너지의 대안 중 하나인 태양광 발전은 반도체 또는 염료, 고분자 등의 물질로 이루어진 태양전지를 이용하여 태양에너지를 받아 바로 전기에너지로 변환하는 발전시스템 기술이다. 태양광 발전의 장점은 석탄, 석유등의 유한적인 자원에 반해 태양광만 있으면 지속 가능한 발전 방식이며, 발전 과정에서 공해가 배출되지 않은 청정 발전방식이다. 최근 태양광 발전에 있어 발전단가를 낮추어 그리드 패리티를 앞당기려는 노력과 BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 기술 등을 위해 다양한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

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