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문제 정의
- 하지만 장기간에 걸친 실제 운전환경에서는 가장 영향력이 크며 자료 획득이 용이한 대표적인 특성요소로 일반화할 필요가 있다. 본 연구에서는 열대몬순기후를 대표하는 기후 특성요소로 일사량(Irradiation)과 평균기온을 독립변수로 정하고, 상기의 각 성능요소와의 관계를 살펴보기로 한다. 독립변수들과 성능요소와의 관계는 상관계수(Correlation Coefficient) 분석을 통해 상관성을 확인하도록 한다.
- (6) 연구에 사용된 또 다른 모듈은 국산 단결정모듈(mo-Si)과 외산 비정질실리콘(amorphous silicon, a-Si)로 그 세부적인 특성은 Table 1과 같다. 이와 같이 본 연구에서는 현재 태양광모듈 시장을 양분하고 있는 대표적인 모듈기술인 결정질모듈과 박막형 모듈의 성능 특성을 비교하고, 특히 향후 큰 잠재력을 가지고 있는 두 종의 박막형 모듈기술을 채택함으로써 열대 몬순기후 특성 하에서 상업운전 시 각 모듈기술별 성능특성을 비교할 수 있게 하였다.
제안 방법
- 2013년부터 태국 Ang Thong 지역에서 상업운전 중인 한국중부발전(주)의 9.7MWp 태양광 발전시스템을 대상으로 상업운전 개시 후 1년간 본 태양광 플랜트에 채택된 CIGS, mo-Si 및 a-Si모듈의 운전 성능 특성을 비교 분석하였다. 분석결과 태국의 열대몬순기후 조건에서, CIGS모듈의 평균성능계수는 97%를 기록해 mo-Si 모듈의 성능계수 82.
- 2). 각각의 모듈은 2개 구역으로 나누어 설치되었으며, 각 구역은 AC기준 1MW 용량이 되도록 설계하였다. 시스템의 세부 구성은 Table 2와 같다.
- 계통에 연계돼 상업운전을 하는 태양광 플랜트의 경우 다양한 기상조건에서 운전되므로 현장 운전조건하에서 취득한 데이터를 기초로 모듈간의 성능을 비교할 수 있어야 하고, 각 제품의 사양이나 평가기준에 따라 상이한 결과가 도출되지 않도록 동일한 기준으로 정규화한 성능기준을 비교해아 한다. 본 연구에서는 발전량, 일사량 등 데이터는 SCADA 시스템에서 취득한 데이터를 사용하며, 성능평가 요소로서 Yield(Y)와 성능계수(Performance Ration, PR) 및 시스템효율(ηsys)을 분석기준으로 한다.
- 따라서 본 연구에서는 한국중부발전(주)이 태국에서 개발및 운영하고 있는 9.7MWp 태양광발전 프로젝트를 대상으로 현장에 설치된 구리-인듐-디셀러나이드(CIGS) 모듈 2종과 비정질 실리콘모듈(a-Si) 모듈 1종 등 3종의 외산 PV모듈과 국산 단결정모듈(mo-Si) 1종에 대해 2013년부터 1년 이상 운전을 통해 획득한 데이터에 근거하여 각각 모듈의 성능특성을 분석하고 열대몬순기후의 대표적인 기후요소인 외기온도와 일사량간의 상관관계를 분석하였다.
- 본 연구에서는 발전량, 일사량 등 데이터는 SCADA 시스템에서 취득한 데이터를 사용하며, 성능평가 요소로서 Yield(Y)와 성능계수(Performance Ration, PR) 및 시스템효율(ηsys)을 분석기준으로 한다.
대상 데이터
- CIGS-A모듈은 스트링 1,000개, CIGS-B는 스트링 1,100개, mo-Si는 스트링 236개, a-Si는 스트링 608개당 각각 두 기의 인버터를 적용하였으며, 감시기능과 운전데이터를 취득할 수 있도록 모니터링 설비 등으로 구성되어 있다.
- 본 연구는 태국 Ang Thong주에 위치한(위도 14°40'49" 경도 100°23'20") 9.7MWp 태양광발전 플랜트에서 수행되었다.
- )을 제작사가 제시한 표준시험조건에서 정격출력(PRated)으로 나눈 값으로 정의되며 식 (1)과 같이 표현된다. 본 연구에서는 1개월 단위로 측정한 Yield(kWh/kWp)를 성능 평가요소로 사용하기로 한다.
- 본 연구에서는 3개사 4종의 태양광 모듈을 대상으로 2013년부터 7월부터 1년 이상 운영시험을 시행했다. 두 제품(CIGS-A 및 CIGS-B)은 구리-인듐-디셀러나이드(CIGS) 모듈로 동일한 제조사의 제품이다.
- 인버터는 Hitachi사의 HIVERTER-NP201i 모델을 채택하였으며, 연속 AC출력은 550kW이고 최대 효율은 98.7%이다.
데이터처리
- 본 연구에서는 열대몬순기후를 대표하는 기후 특성요소로 일사량(Irradiation)과 평균기온을 독립변수로 정하고, 상기의 각 성능요소와의 관계를 살펴보기로 한다. 독립변수들과 성능요소와의 관계는 상관계수(Correlation Coefficient) 분석을 통해 상관성을 확인하도록 한다.
성능/효과
- 6월부터 10월까지는 우기로 수 시간 동안 폭우가 계속되기도 한다.(5) METEONORM 6.01로 추정한 동 지역의 연간 누적일사량은 1,774kWh/m2이며,일평균 일사량은 4.86kWh/m2, 월평균 일사량은 4월에 가장 높은 173.80kWh/m2, 8-9월에 가장 낮은 125.10kWh/m2로 나타났다.
- 하지만 열대몬순기후 조건의 높은 운전온도로 인해 효율저하가 크게 나타났으며, 이런 효율저하로 인해 CIGS모듈의 실제 운전효율은 mo-Si의 운전효율에 근접하는 것으로 확인되었다. a-Si도 Yield특성 및 성능계수 특성에서 모두 mo-Si 보다 우수한 것으로 확인되었다.
- 5%를 기록했다. 가장 높은 성능계수를 기록한 CIGS-B는 a-Si에 비해 약 8.2%, mo-Si에 비해 19% 우수한 평균 성능계수를 보이는 것으로 확인됐다.
- 태양광 센서 오류로 2013년 4-6월까지의 기간 중 일사량 데이터가 누락되어 이 기간은 분석대상에서 제외했다. 각 모듈별 연간 Yield 특성을 보면, CIGS-B가 149.7kWh/kWp로 가장 높고 그 뒤를 이어 CIGS-A(147.3kWh/kWhp), a-Si(138.4kWh/kWp), mo-Si(125kWh/kWp) 순으로 나타났다. 특히 가장 우수한 Yield 성능을 보인 CIGS-B는 a-Si에 비해 8.
- 각 태양광모듈의 성능계수에도 계절적인 영향이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 평균외기온도(#)와 일평균일사량(#) 모두 성능계수와 유의미한 음(-)의 상관관계가 있으며, 특히 평균외기온도가 성능계수와 강한 상관관계를 가진 것으로 나타나 일사량 증가에 따른 발전량의 증가보다도 외기온도의 상승과 일사량의 상승으로 인한 모듈의 온도 상승으로 인한 효율감소에 의해 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 결론적으로 본 연구를 통해 태국의 열대몬순기후 지역에서는 박막형모듈이 결정계모듈에 비해 우수한 성능 특성을 보이고 있으며, 가장 우수한 성능을 보이는 기술은 CIGS모듈임을 확인할 수 있었다. 다만, 본 연구에 사용된 CIGS 모듈성능은 운전초기 Light Soaking 효과에 영향을 받을 수 있고, 본 연구가 상업운전 개시 후 1년의 기간을 대상으로 한 만큼, 향후에는 각 모듈의 운전특성을 지속적으로 모니터링하여 모듈의 경년열화 특성 및 장기운전에 따른 성능 특성 변화 등에 대한 추가연구를 진행하는 한편, 기후요소들과 성능의 상관관계에 대해 분석할 예정이다.
- 위의 결과로 부터 태국의 열대 몬순기후 조건에서 수행한각 모듈별 성능계수 비교 평가에서는 CIGS모듈이 가장 우수한 특성을 보였다. 또한 a-Si 모듈도 mo-Si 모듈에 비해 우수한 성능특성을 보여 열대 몬순기후 조건에서는 CIGS모듈이 가장 적합함을 확인할 수 있었다.
- 이는 mo-Si 모듈이 우수한 효율특성에도 불구하고 열대몬순기후의 높은 외기온도와 일사량으로 인한 모듈 온도상승으로 인해 효율저하가 크게 나타남을 의미한다. 또한 본 연구결과에서와 같이 CIGS 모듈의 운전효율이 mo-Si의 운전효율과 유사한 수준임을 고려했을 때, 태국의 열대 몬순기후 조건에서는 CIGS모듈의 성능특성이 가장 우수한 것으로 결론지을 수 있다.
- 본 연구에 사용된 CIGS-A모듈의 경우 1월-2월 중 mo-Si 모듈과 거의 같은 수준의 효율을 보이기도 했는데, 이는 본 태양광 발전사업의 설계적 특성으로 인해 태양고도가 낮아지는 겨울철 인접 PV어레이에 의해 발생하는 차광효과(shading)에 의한 손실이 발생한 것으로 분석되며, 특히 mo-Si모듈은 각 셀이 직렬로 연결되어 있어 차광이 발생하는 경우 박막형 모듈에 비해 더 큰 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다.
- 7MWp 태양광 발전시스템을 대상으로 상업운전 개시 후 1년간 본 태양광 플랜트에 채택된 CIGS, mo-Si 및 a-Si모듈의 운전 성능 특성을 비교 분석하였다. 분석결과 태국의 열대몬순기후 조건에서, CIGS모듈의 평균성능계수는 97%를 기록해 mo-Si 모듈의 성능계수 82.3%, a-Si 모듈의 성능계수 90.3%에 각 각 19% 및 8.2% 이상 우수한 성능을 보였다. 이와 마찬가지로 CIGS모듈은 Yield에서도 가장 우수한 성능을 보이는 것으로 나타났다.
- 위 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, Yield 특성에는 일평균일사량과 강한 양(+)의 상관관계가 있는 반면에 평균기온과는 대체적으로 음(-)의 관계는 성립하나, 그 뚜렷한 상관관계를 확인하기는 어렵다.
- 위의 결과로 부터 태국의 열대 몬순기후 조건에서 수행한각 모듈별 성능계수 비교 평가에서는 CIGS모듈이 가장 우수한 특성을 보였다. 또한 a-Si 모듈도 mo-Si 모듈에 비해 우수한 성능특성을 보여 열대 몬순기후 조건에서는 CIGS모듈이 가장 적합함을 확인할 수 있었다.
- 이러한 결과를 기초로 선형회귀분석을 통해 각 모듈별 일평균일사량과(#)과 1일평균 Yield(#)의 관계를 도시한 결과(Fig. 5), 동일한 일평균일사량에 대해 CIGS-B의 Yield성능이 가장 우수하며, mo-Si의 Yield 성능이 가장 낮음을 재확인 할 수 있다.
- 측정 기간 중 각 모듈의 성능계수를 비교한 결과 CIGS-B 모듈이 가장 높은 연평균 97%로 가장 높았고 그 뒤를 이어 CIGS-A 95.4%, a-Si 89.6% 및 mo-Si 81.5%를 기록했다. 가장 높은 성능계수를 기록한 CIGS-B는 a-Si에 비해 약 8.
- 7은 각 모듈의 월별 시스템 발전효율과 월평균기온을 도시한 그래프이다. 측정기간 중 mo-Si 모듈이 12.45%로 가장 우수한 효율을 보였으며, 이어서 CIGS-A(12.11%), CIGS-B(11.12%), a-Si(8.55%) 순으로 높은 효율을 보여 결정질 실리콘 모듈의 높은 효율 특성을 확인할 수 있다. 특히 본 연구에 사용된 CIGS모듈은 제작사에서 제시한 효율 12.
- 4kWh/kWp), mo-Si(125kWh/kWp) 순으로 나타났다. 특히 가장 우수한 Yield 성능을 보인 CIGS-B는 a-Si에 비해 8.2%, mo-Si에 비해 19.0% 이상 높은 값을 기록했다.
- 성능계수는 제작사의 표준시험조건에서 모듈의 성능 특성을 근거로 하는 정의에 기초한 변수이므로 실제 운전 시 여러 환경요소에 따라 100%를 초과할 수도 있는 값이다. 특히 본 연구에 사용된 CIGS-A 및 CIGS-B모듈의 경우 제작사에서도 모듈의 성능은 이미 Light Soaking을 고려한 값이라고 밝힌 바 있지만, 실제 운전출력은 카탈로그 상 값 보다 더 크게 나타나기도 해 Light Soaking 효과가 나타나고 있는 것으로 사료된다. 다만, Light Soaking 효과가 단기적으로는 출력 증가 등 도움이 되는 측면이 있으나 장기적으로 더 빠른 성능 감소 등이 나타날 수 있으므로(7) 지속적인 운전 데이터 확보를 통해 장주기 성능평가를 시행할 필요가 있다.
- 55%) 순으로 높은 효율을 보여 결정질 실리콘 모듈의 높은 효율 특성을 확인할 수 있다. 특히 본 연구에 사용된 CIGS모듈은 제작사에서 제시한 효율 12.6%(CIGS-A), 11.4%(CIGS-B)에 비해서도 높은 효율을 보여, CIGS모듈은 열대몬순기후의 높은 운전온도 조건에서도 실제로 효율저하가 크지 않은 특성을 보이는 것으로 나타났다.
- 각 태양광모듈의 성능계수에도 계절적인 영향이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 평균외기온도(#)와 일평균일사량(#) 모두 성능계수와 유의미한 음(-)의 상관관계가 있으며, 특히 평균외기온도가 성능계수와 강한 상관관계를 가진 것으로 나타나 일사량 증가에 따른 발전량의 증가보다도 외기온도의 상승과 일사량의 상승으로 인한 모듈의 온도 상승으로 인한 효율감소에 의해 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- mo-Si모듈은 비교대상 모듈 중 가장 우수한 효율 성능을 기록했다. 하지만 열대몬순기후 조건의 높은 운전온도로 인해 효율저하가 크게 나타났으며, 이런 효율저하로 인해 CIGS모듈의 실제 운전효율은 mo-Si의 운전효율에 근접하는 것으로 확인되었다. a-Si도 Yield특성 및 성능계수 특성에서 모두 mo-Si 보다 우수한 것으로 확인되었다.
- 하지만 표준시험조건에서의 효율(ηref)에 대한 비효율(η/ηref)을 확인해 보면 효율성능은 CIGS-B, CIGS-A, a-Si, mo-Si의 순으로 성능계수 비교평가에서와 일관되게 나타나는 것으로 결론지을 수 있다(Fig. 8 하단).
후속연구
- 결론적으로 본 연구를 통해 태국의 열대몬순기후 지역에서는 박막형모듈이 결정계모듈에 비해 우수한 성능 특성을 보이고 있으며, 가장 우수한 성능을 보이는 기술은 CIGS모듈임을 확인할 수 있었다. 다만, 본 연구에 사용된 CIGS 모듈성능은 운전초기 Light Soaking 효과에 영향을 받을 수 있고, 본 연구가 상업운전 개시 후 1년의 기간을 대상으로 한 만큼, 향후에는 각 모듈의 운전특성을 지속적으로 모니터링하여 모듈의 경년열화 특성 및 장기운전에 따른 성능 특성 변화 등에 대한 추가연구를 진행하는 한편, 기후요소들과 성능의 상관관계에 대해 분석할 예정이다.
- 월평균기온(#)을 독립변수로 모듈의 평균 효율을 설명하는 선형회귀모델을 개발하고자 하였으나, 모듈의 운전온도(Tcell) 와 모듈효율(ηcell)의 일반적인 관계식(식 (4))(8,9)과 형태는 유사하나 온도계수에서 다소 거리가 있어 일사량 등과 같은 다른 요소들까지 고려한 비선형 모델을 고려해야 할 것으로 사료되며, 이는 추후 연구과제로 남겨둔다.
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