[논문]태양광 발전시스템의 환경조건을 고려한 PV 모듈 구성

고재섭; 정동화

doi:10.5207/jieie.2014.28.2.031

태양광 발전시스템의 환경조건을 고려한 PV 모듈 구성
PV Module Configuration Considering Environment Conditions 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.28 no.2, 2014년, pp.31 - 41

고재섭 (순천대학교) , 정동화 (순천대학교 전기제어공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the configuration of photovoltaic(PV) module considering the environment conditions of the PV system. The PV system is consisted of the series-parallel connection of the PV module. When shadows or changes of the radiation or an electrical characteristic in the solar cell are happened to PV system, the serious power loss will occur. If the PV module connected in series has the shadows, the output current is restricted to current of shaded PV module. Also if shadow is occurred to the parallel connection PV module, the output voltage is limited to voltage of shaded PV module. These problems are caused power loss. Therefore, this paper proposes the method that makes the output power of the PV module equalize by reconfiguration of PV module using the switching considering these environment conditions. A validity of the method proposed in this paper proves through comparing with performance of conventional PV module.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 태양전지표면의 오염으로 인하여 PV 모듈에 입사되는 일사량이 균일하지 못하거나 일부 PV 모듈에 발생한 그림자에 의해 PV 어레이를 구성하는 PV 모듈 사이에 전기적인 불균형이 발생하였을 때 PV 모듈을 새롭게 연결하여 전기적으로 균일한 출력을 나타냄으로서 전력손실을 저감시키는 환경조건을 고려한 PV 모듈 구성을 제시한다. 본 논문에서 제시한 방법은 종래의 PV 모듈과 응답특성 비교를 통해 타당성을 입증한다.
본 논문에서는 PV 어레이에 그림자가 발생하였을 때 스위칭 동작을 통해 PV 어레이를 재구성하는 방법을 제시한다. PV 모듈의 스위칭을 통해 직 · 병렬연결을 새롭게 구성할 수 있다.
본 논문에서는 이러한 전기적인 특성차이에 의해 발생하는 전력손실을 저감시키기 위하여 스위칭을 통해 PV 모듈을 새롭게 구성하는 방법을 제시하였다. 각각의 모듈은 스위치를 통해 균일한 출력특성을 나타내도록 재구성됨으로써 전체적인 출력특성을 개선하였다.
본 논문은 태양광 발전시스템의 환경조건을 고려한 PV 모듈 구성을 제시하였다. 태양광 발전시스템은 필요한 전력을 생산하기 위하여 다수의 PV 모듈을 직 · 병렬 연결하여 시스템을 구성된다.

제안 방법

본 논문에서는 이러한 전기적인 특성차이에 의해 발생하는 전력손실을 저감시키기 위하여 스위칭을 통해 PV 모듈을 새롭게 구성하는 방법을 제시하였다. 각각의 모듈은 스위치를 통해 균일한 출력특성을 나타내도록 재구성됨으로써 전체적인 출력특성을 개선하였다. 본 논문에서 제시한 PV 모듈 구성방법은 그림자 조건 및 비균일 일사량 조건에 대하여 종래의 PV 모듈과 출력특성을 비교하였으며 본 논문에서 제시한 PV 모듈 구성방법이 종래의 방법보다 최대전력이 높게 나타남을 확인하였다.
그러나 MIC 방법은 모든 PV 모듈에 전력변환장치가 사용되기 때문에 전력변환 효율에 따라 성능이 좌우되며 단위 전력당 발전이용이 높다는 단점을 가진다[6]. 또한 PV 모듈에 발생한 그림자를 제거하기 위하여 추적시스템을 이용한 방법도 제시되었다. 그러나 이러한 방법은 고정식 PV 시스템에는 적용할 수 없다는 문제점을 나타낸다[7].
환경조건에 다른 PV 모듈 구성을 위하여 9개의 PV 모듈을 사용하였으며 하나의 모듈에는 각각 6개의 스위치가 사용되었다. 또한 Switching_Matrix 를 통해 PV 모듈 각각의 전압에 따라 PV 모듈 구성을 하였다.
본 논문에서 제시한 방법은 그림자 또는 전기적으로 다른 PV 모듈에 의해 PV 모듈 사이에 출력이 균일하지 못할 때 발생하는 전력손실을 저감시키기 위하여 PV 모듈을 스위칭을 통해 새롭게 구성하는 방법을 제시하였고 이를 통해 전력손실을 저감시킬 수 있다.

대상 데이터

그림 21은 본 논문에서 사용된 실험세트를 나타낸다. 실험세트는 PV 모듈 WSM-4W5V 9장을 이용하여 PV 어레이를 구성하였고 TMS320LF2406으로 구성된 DC-DC컨버터, 파형측정을 위한 YOKOGAWA DL708E 오실로스코프와 GP 4505DU Power Supply로 구성되어 있다.
그림 8은 환경조건에 따른 PV 모듈 구성 성능분석을 위한 회로도를 나타낸다. 환경조건에 다른 PV 모듈 구성을 위하여 9개의 PV 모듈을 사용하였으며 하나의 모듈에는 각각 6개의 스위치가 사용되었다. 또한 Switching_Matrix 를 통해 PV 모듈 각각의 전압에 따라 PV 모듈 구성을 하였다.

성능/효과

병렬 연결된 PV 모듈이 다시 직렬 연결되어 있기 때문에 전체적으로 흐르는 전류는 동일하다. 두 번째, 세 번째 열에 흐르는 전류는 3개의 모듈에 고르게 분포가 되지만 그림자가 발생한 첫 번째 열은 그림자가 발생하지 않은 하나의 모듈로 모든 전류가 인가된다. 따라서 PV 모듈의 허용 가능한 최대전류인 단락전류보다 큰 전류가 흐르게 되고 결국 역전압이 인가된다.
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 단락 전류에서 그림자가 발생한 PV 모듈의 단락전류 차이만큼 제한되기 때문에 손실이 발생한다. 둘째, 전체 개방전압에서 그림자가 발생한 PV 모듈의 개방전압 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.
각각의 모듈은 스위치를 통해 균일한 출력특성을 나타내도록 재구성됨으로써 전체적인 출력특성을 개선하였다. 본 논문에서 제시한 PV 모듈 구성방법은 그림자 조건 및 비균일 일사량 조건에 대하여 종래의 PV 모듈과 출력특성을 비교하였으며 본 논문에서 제시한 PV 모듈 구성방법이 종래의 방법보다 최대전력이 높게 나타남을 확인하였다.
표 4는 그림 24와 그림 25의 그림자가 발생하였을 때 평균전력 비교를 나타낸다. 본 논문에서 제시한 방법으로 PV 모듈을 구성하였을 때 종래의 일반적인 PV 모듈에 비하여 약 31.2%의 전력이 상승한다.
따라서 본 논문에서는 태양전지표면의 오염으로 인하여 PV 모듈에 입사되는 일사량이 균일하지 못하거나 일부 PV 모듈에 발생한 그림자에 의해 PV 어레이를 구성하는 PV 모듈 사이에 전기적인 불균형이 발생하였을 때 PV 모듈을 새롭게 연결하여 전기적으로 균일한 출력을 나타냄으로서 전력손실을 저감시키는 환경조건을 고려한 PV 모듈 구성을 제시한다. 본 논문에서 제시한 방법은 종래의 PV 모듈과 응답특성 비교를 통해 타당성을 입증한다.
그림 20은 PV 어레이를 구성하는 PV 모듈에 각각 다른 일사량이 입사되었을 때 일반적인 모듈로 구성했을 때와 본 논문에서 제시한 방법으로 구성되었을 대의 전체출력 비교를 나타낸다. 종래의 일반적인 모듈로 구성하였을 경우에는 최대전력이 11W이며, 본 논문에서 제시한 방법은 최대전력이 14.1W로 약 30%의 출력이 향상되었다.
표 2는 각각의 모듈 구성에 대한 출력값을 나타낸다. 종래의 일반적인 형태로 PV 모듈을 구성하였을 때보다 본 논문에서 제시한 방법으로 스위칭에 따라 PV 모듈이 구성되었을 때 약 10%의 출력이 향상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전시스템의 단점은 무엇인가?	종래에 에너지원으로 사용된 화석연료가 빠르게 고갈됨에 따라서 이에 대한 대체에너지로 비용이 들지 않으며, 풍부하고 환경오염도 없는 태양에너지에 대한 관심이 높아지고 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[3-4].
	본 논문에서 제안한 PV 어레이의 구성방법은 어떻게 되는가?	단계 1 : 모든 PV 모듈의 전압(Vpv)과 전류( pv I )를 측정하여 전력(Ppv)을 계산한다. 단계 2 : 같은 열에 연결된 PV 모듈 전력의 합을 계산한다. 단계 3 : 단계 2에서 계산된 전력의 최대값과 최소값의 차를 계산한다. 단계 4 : 단계 3에서 계산된 값과 PV 모듈 평균전력을 비교한다. 단계 5 : 단계 3에서 계산된 값이 PV 모듈의 평균전력보다 큰 경우 PV 모듈 구성을 위해 스위칭을 시작한다. 단계 6 : 모든 PV 모듈이 연결되면 종료한다.
	MIC 방법의 단점은 무엇인가?	이러한 문제를 해결하기 위하여 소용량 PCS(Power Conditioning System)를 각각의 PV모듈에 부착하여 제어를 수행하는 MIC(Module Integrated Converter)이 연구되었다. 그러나 MIC 방법은 모든 PV 모듈에 전력변환장치가 사용되기 때문에 전력변환 효율에 따라 성능이 좌우되며 단위 전력당 발전이용이 높다는 단점을 가진다[6]. 또한 PV 모듈에 발생한 그림자를 제거하기 위하여 추적시스템을 이용한 방법도 제시되었다.

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", Ministry of Trade, Industry & Energy, pp.13-20, 2005.
G. Turner, "Global Renewable Energy Market Outlook 2013", Boomberg New Energy Finance, 2013.
E. J. Kim, "Study for decreasing mismatch losses of photovoltaic array under shading conditions", Chungnam University Graduate school, 2009.
K. S. Ko, J. H. Park, H. G. Kim, T. W. Chun, E. C. Nho, "Control of Multi-Central Inverter for Large Power Grid-Connected PV System", 2010 Power Electronics Annual Conference, pp. 385-386, 2010.
K. T. Park, J. S. Choi, D. H. Chung, "Controlf of a Novel PV Tracking System Considering the Shadow Influence", The Trans. KIEE, vol. 57, no. 6, pp. 994-1002, 2008.

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