[논문]PV 모듈 내 바이패스 다이오드 손상에 의한 열적 전기적 특성 변화 분석

신우균; 정태희; 고석환; 주영철; 장효식; 강기환

doi:10.7836/kses.2015.35.4.067

PV 모듈 내 바이패스 다이오드 손상에 의한 열적 전기적 특성 변화 분석
Analysis on thermal & electrical characteristics variation of PV module with damaged bypass diodes 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.35 no.4, 2015년, pp.67 - 75

신우균 (한국에너지기술연구원 태양광연구실, 충남대학교 에너지과학기술대학원) , 정태희 (한국에너지기술연구원 태양광연구실) , 고석환 (한국에너지기술연구원 태양광연구실) , 주영철 (한국에너지기술연구원 태양광연구실) , 장효식 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 강기환 (한국에너지기술연구원 태양광연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

PV module is conventionally connected in series with some solar cell to adjust the output of module. Some bypass diodes in module are installed to prevent module from hot spot and mismatch power loss. However, bypass diode in module exposed outdoor is easily damaged by surge voltage. In this paper, we study the thermal and electrical characteristics change of module with damaged bypass diode to easily find module with damaged bypass diode in photovoltaic system consisting of many modules. Firstly, the temperature change of bypass diode is measured according to forward and reverse bias current flowing through bypass diode. The maximum surface temperature of damaged bypass diode applied reverse bias is higher than that of normal bypass diode despite flowing equal current. Also, the output change of module with and without damaged bypass diode is observed. The output of module with damaged bypass diode is proportionally reduced by the total number of connected solar cells per one bypass diode. Lastly, the distribution temperature of module with damaged bypass diode is confirmed by IR camera. Temperature of all solar cells connected with damaged bypass diode rises and even hot spot of some solar cells is observed. We confirm that damaged bypass diodes in module lead to power drop of module, temperature rise of module and temperature rise of bypass diode. Those results are used to find module with a damaged bypass diode in system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

다음은 모듈 내 손상된 바이패스 다이오드가 연결될 경우 모듈의 출력 변화를 확인하기 위해 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 모듈은 60개의 다결정 태양전지와 바이패스 다이오드가 3개 설치된 출력이 약 255W인 모듈 2장을 이용하였다.
따라서, 본 논문에서는 모듈 내 바이패스 다이오드가 손상되었을 때 열·전기적 특성 변화를 비교함으로써 옥외 설치된 모듈 내 바이패스 다이오드 손상 유무를 쉽고 정확하게 확인할 수 있는 방법을 강구하였다.
모듈 내 바이패스 다이오드가 손상될 경우 확인할 수 있는 방법에 관한 연구를 진행하였다. 본 논문의 결과는 다수의 모듈이 설치된 시스템을 유지 및 관리하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문은 다수의 모듈이 설치된 태양광 시스템에서 바이패스 다이오드가 손상된 모듈을 쉽게 구별하기 위하여 정상적인 모듈 대비 바이패스 다이오드가 손상된 모듈의 열·전기적 특성변화를 비교 분석하였다.
반면 모듈에서 태양전지가 출력 불균일 상태가 되면 해당되는 바이패스 다이오드는 순방향의 전류가 흐르게 된다. 본 실험에서는 바이패스 다이오드의 열 발생으로써 바이패스 다이오드의 고장유무를 판단하기 위해 실험을 진행하였다. 손상되지 않는 바이패스 다이오드에는 역전압 전류가 거의 흐르지 않는다고 가정하였고, 모듈의 정상 및 불균일 동작을 모두 고려하여 손상된 바이패스 다이오드에는 순·역방향 전류와 정상적인 바이패스 다이오드에는 순방향 전류를 흘려주면서 다이오드의 온도 변화를 측정하였다.
본 실험은 모듈 내 다이오드 자체의 열 발생으로 손상된 바이패스 다이오드를 구별할 수 있는지를 확인하기 위해 진행하였다. 바이패스 다이오드는 태양전지의 극성과 반대로 연결되므로 정상적인 경우에는 전류가 흐르지 않는다.

가설 설정

손상되지 않는 바이패스 다이오드에는 역전압 전류가 거의 흐르지 않는다고 가정하였고, 모듈의 정상 및 불균일 동작을 모두 고려하여 손상된 바이패스 다이오드에는 순·역방향 전류와 정상적인 바이패스 다이오드에는 순방향 전류를 흘려주면서 다이오드의 온도 변화를 측정하였다.

제안 방법

2에 다이오드는 Table. 1에서와 같이 정격전류가 각각 12A, 20A, 25A인 바이패스 다이오드를 선정하였고, 다이오드 자체의 특성차를 고려하여 동일한 다이오드에 세 개씩 반복적으로 실험을 진행하였다. 정상적으로 동작하는 바이패스 다이오드와 항복전압(62V) 이상에서 단락전류를 5초정도 흘려 인위적으로 손상된 바이패스 다이오드를 각각 3개씩 실험하였다.
따라서 바이패스 다이오드가 순·역방향일 때 전류를 흘려주어 다이오드 자체의 온도변화를 확인하였다.
이를 위하여 우선 전류상승에 따른 바이패스 다이오드의 표면 열 발생 정도를 분석하였다. 또한 손상된 바이패스 다이오드가 설치된 모듈과 정상적으로 바이패스 다이오드가 동작하는 모듈의 I-V커브를 비교함으로써 다이오드 손상 유무에 따른 전기적인 출력 차이를 확인하였다. 마지막으로 실제 설치된 모듈에서 손상된 바이 패스 다이오가 설치될 경우 모듈에서 표면의 온도변화를 확인함으로써 다수의 모듈로 구성된 시스템에서 바이패스 다이오드가 손상된 모듈을 구별하는 방법을 찾을 수 있었다.
이를 위하여 우선 모든 바이패스 다이오드가 정상적으로 작동하는 모듈을 옥외 노출시키면서 전체적인 온도 분포를 확인하였다. 또한 인위적으로 손상시킨 바이패스 다이오드를 한 스트링에 설치하여 모듈의 표면 온도 변화를 비교하였다.
이를 위해 우선 정상적인 바이패스 다이오드에 DC power supply를 이용해 역전압을 인가하여 인위적으로 손상시켰으며, 이를 정상적인 다이오드와 I-V 커브를 측정하여 손상 유무를 확인하였다. 또한 정상적인 바이패스 다이오드와 손상된 바이패스 다이오드에 최대 단락전류(8A)까지 전류를 증가시키며 표면온도를 비교함으로써 모듈 내 정상적으로 동작하는 다이오드와 구별 가능성을 평가하였다. Fig.
마지막으로 실제 동작하는 모듈에서 한 스트링의 바이패스 다이오드가 손상되었을 때 모듈의 표면 온도 변화를 관찰하였다. 이를 위하여 우선 모든 바이패스 다이오드가 정상적으로 작동하는 모듈을 옥외 노출시키면서 전체적인 온도 분포를 확인하였다.
8에서와 같이 오른쪽에 삽입되었으며 손상된 바이패스 다이오드는 20개의 태양전지와 연결되었다. 모듈 내 표면 온도 변화는 모두 열화상 카메라(Fluke Ti27)를 이용하여 관찰하였으며, 본 실험은 대기온도가 28℃이고 일사량이 약 750W/m2 일 때 진행하였다.
바이패스 다이오드의 단락전류 값에 따른 다이오드 자체의 온도를 측정하기 위해 정상적인 다이오드와 손상된 다이오드에 DC power supply를 이용하여 2A, 4A, 6A, 8A의 전류를 각각 흘렸으며, 온도는 TC sensor와 Data logger를 통해 측정하였다. 사용된 TC sensor는 T-type으로 Data logger를 이용하여 측정할 경우 측정 온도의 정확도는 ±0.
본 실험에서는 이전 실험과 동일하게 출력이 255W급으로써 60개의 다결정 태양전지로 구성되어진 모듈을 사용하였으며, 다결정 태양전지의 불균일한 역전압 특성을 고려하여 동일한 두 개의 모듈을 이용하여 비교하였다. 또한 이전 실험과 같이 바이패스 다이오드는 B-type의 바이패스 다이오드를 이용하였다.
모든 측정은 STC(Standard Test Condition)조건에서 모듈 시뮬레이터(Simulator) 를 이용하여 I-V 커브를 측정 비교하였다. 우선 모두 정상적인 다이오드를 설치하여 모듈 출력을 측정하고 손상된 바이패스 다이오드를 하나씩 증가시키면서 출력 변화를 비교하였다.
실험에 사용된 모듈은 60개의 다결정 태양전지와 바이패스 다이오드가 3개 설치된 출력이 약 255W인 모듈 2장을 이용하였다. 이때 바이패스 다이오드는 역전류에 온도 상승 정도가 중간 정도인 B-type 다이오드를 적용하였다. 모든 측정은 STC(Standard Test Condition)조건에서 모듈 시뮬레이터(Simulator) 를 이용하여 I-V 커브를 측정 비교하였다.
본 논문은 다수의 모듈이 설치된 태양광 시스템에서 바이패스 다이오드가 손상된 모듈을 쉽게 구별하기 위하여 정상적인 모듈 대비 바이패스 다이오드가 손상된 모듈의 열·전기적 특성변화를 비교 분석하였다. 이를 위하여 바이패스 다이오드가 손상된 경우 다이오드 자체 열 발생, 모듈 출력 및 표면온도 변화를 확인하였다.
마지막으로 실제 동작하는 모듈에서 한 스트링의 바이패스 다이오드가 손상되었을 때 모듈의 표면 온도 변화를 관찰하였다. 이를 위하여 우선 모든 바이패스 다이오드가 정상적으로 작동하는 모듈을 옥외 노출시키면서 전체적인 온도 분포를 확인하였다. 또한 인위적으로 손상시킨 바이패스 다이오드를 한 스트링에 설치하여 모듈의 표면 온도 변화를 비교하였다.
따라서, 본 논문에서는 모듈 내 바이패스 다이오드가 손상되었을 때 열·전기적 특성 변화를 비교함으로써 옥외 설치된 모듈 내 바이패스 다이오드 손상 유무를 쉽고 정확하게 확인할 수 있는 방법을 강구하였다. 이를 위하여 우선 전류상승에 따른 바이패스 다이오드의 표면 열 발생 정도를 분석하였다. 또한 손상된 바이패스 다이오드가 설치된 모듈과 정상적으로 바이패스 다이오드가 동작하는 모듈의 I-V커브를 비교함으로써 다이오드 손상 유무에 따른 전기적인 출력 차이를 확인하였다.
따라서 바이패스 다이오드가 순·역방향일 때 전류를 흘려주어 다이오드 자체의 온도변화를 확인하였다. 이를 위해 우선 정상적인 바이패스 다이오드에 DC power supply를 이용해 역전압을 인가하여 인위적으로 손상시켰으며, 이를 정상적인 다이오드와 I-V 커브를 측정하여 손상 유무를 확인하였다. 또한 정상적인 바이패스 다이오드와 손상된 바이패스 다이오드에 최대 단락전류(8A)까지 전류를 증가시키며 표면온도를 비교함으로써 모듈 내 정상적으로 동작하는 다이오드와 구별 가능성을 평가하였다.
1에서와 같이 정격전류가 각각 12A, 20A, 25A인 바이패스 다이오드를 선정하였고, 다이오드 자체의 특성차를 고려하여 동일한 다이오드에 세 개씩 반복적으로 실험을 진행하였다. 정상적으로 동작하는 바이패스 다이오드와 항복전압(62V) 이상에서 단락전류를 5초정도 흘려 인위적으로 손상된 바이패스 다이오드를 각각 3개씩 실험하였다.

대상 데이터

또한 정상적인 바이패스 다이오드와 손상된 바이패스 다이오드에 최대 단락전류(8A)까지 전류를 증가시키며 표면온도를 비교함으로써 모듈 내 정상적으로 동작하는 다이오드와 구별 가능성을 평가하였다. Fig. 1과 같이 DC power supply, Souce-Meter(Keithley2430),Data logger(GRAPHTEC GL7000)로 구성된 장비를 이용하여 실험하였다.
본 실험에서는 이전 실험과 동일하게 출력이 255W급으로써 60개의 다결정 태양전지로 구성되어진 모듈을 사용하였으며, 다결정 태양전지의 불균일한 역전압 특성을 고려하여 동일한 두 개의 모듈을 이용하여 비교하였다. 또한 이전 실험과 같이 바이패스 다이오드는 B-type의 바이패스 다이오드를 이용하였다. 손상된 바이패스 다이오드는 Fig.
다음은 모듈 내 손상된 바이패스 다이오드가 연결될 경우 모듈의 출력 변화를 확인하기 위해 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 모듈은 60개의 다결정 태양전지와 바이패스 다이오드가 3개 설치된 출력이 약 255W인 모듈 2장을 이용하였다. 이때 바이패스 다이오드는 역전류에 온도 상승 정도가 중간 정도인 B-type 다이오드를 적용하였다.

데이터처리

이때 바이패스 다이오드는 역전류에 온도 상승 정도가 중간 정도인 B-type 다이오드를 적용하였다. 모든 측정은 STC(Standard Test Condition)조건에서 모듈 시뮬레이터(Simulator) 를 이용하여 I-V 커브를 측정 비교하였다. 우선 모두 정상적인 다이오드를 설치하여 모듈 출력을 측정하고 손상된 바이패스 다이오드를 하나씩 증가시키면서 출력 변화를 비교하였다.

성능/효과

(1) 정상적인 바이패스 다이오드 순방향 전류와 손상된 바이패스 다이오드 역방향 전류를 비교하였을 때 저전류에서는 온도차가 별로 존재하지 않지만, 단락전류에 부근에서는 손상된 바이패스 다이오드는 급격하게 표면 온도가 상승하는 것을 볼 수 있었다. 이는 단락전류만큼 큰 불균일 상태에서 다이오드 표면 온도를 측정하면 바이패스 다이오드 손상 유무를 쉽게 구별할 수 있을 것으로 판단된다.
(2) 손상된 바이패스 다이오드가 있는 모듈의 경우 손상된 다이오드 개수에 비례하여 모듈 출력이 감소하는 것을 확인하였다. 이는 부분적으로 불균일에 의해 다이오드가 동작하는 경우와 다르게 태양광 시스템에서는 일사량 변화와 상관없이 출력 전압이 줄어들 것으로 판단된다.
(3) 모듈 내 일부분의 바이패스 다이오드가 손상될 경우 해당되는 스트링의 표면온도가 급격하게 상승하게 되며 일부분의 태양전지는 hot spot이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 현상을 열화상 카메라로써 쉽게 구별할 수 있다.
또한 손상된 바이패스 다이오드가 설치된 모듈과 정상적으로 바이패스 다이오드가 동작하는 모듈의 I-V커브를 비교함으로써 다이오드 손상 유무에 따른 전기적인 출력 차이를 확인하였다. 마지막으로 실제 설치된 모듈에서 손상된 바이 패스 다이오가 설치될 경우 모듈에서 표면의 온도변화를 확인함으로써 다수의 모듈로 구성된 시스템에서 바이패스 다이오드가 손상된 모듈을 구별하는 방법을 찾을 수 있었다.
본 실험 결과를 통하여 모듈 내 발전 불균일 상태에서는 모든 다이오드에 순방향 전류가 흐르게 됨으로써 정상적인 다이오드와 손상된 다이오드의 온도차는 상대적으로 적어 다이오드 손상유무를 판단하기 힘들 것으로 사료된다. 그러나 출력 불균일이 없는 정상적으로 발전하는 모듈에 일사량이 높아 발전전류가 많고, 부하가 커 다이오드에 역전압이 크게 인가되는 상황에서는 바이패스 다이오드의 열 발생 정도로써 쉽게 고장유무를 판단할 수 있을 것으로 생각된다.
11을 통해 알 수 있다. 이 결과를 바탕으로 옥외 설치된 모듈의 스트링 내 일부 태양전지의 온도가 상승한다면 이는 바이패스 다이오드 손상에 의해 나타날 수 있는 현상임을 본 실험을 통하여 알 수 있다.
이 결과를 통하여 바이패스 다이오드가 손상된 모듈은 출력 불균일에 의한 다이오드가 동작하는 모듈과 다르게 항상 출력 전압이 낮은 것을 확인할 수 있다. 결국 모듈 내 바이패스 다이오드 불량을 평가하는 하나의 기준으로 활용될 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

모듈 내 바이패스 다이오드가 손상될 경우 확인할 수 있는 방법에 관한 연구를 진행하였다. 본 논문의 결과는 다수의 모듈이 설치된 시스템을 유지 및 관리하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이패스 다이오드에 주로 사용하는 쇼트키 다이오드를 사용하는 이유는?	일반적으로 바이패스 다이오드는 대부분 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 사용함으로써 동작전압은 0.2∼0.3V로 낮아 모듈 내 미세한 출력 불균일 상태에서도 모듈을 보호할 수 있을 뿐만 아니라 항복전압이 60∼100V로 높아 출력전압이 높은 모듈에서 안정적으로 동작할 수 있다.
	Bypass diode를 설치하지 않았을 때 생길 수 있는 문제점은?	또한 모듈 내 각각의 태양전지의 출력 불균일(Mismatching)하에서 모듈의 온도 상승을 억제하고 출력 손실을 줄이기 위하여 바이패스 다이오드(Bypass diode)를 설치하게 된다. 만일 모듈에 바이패스 다이오드가 설치 되지 않을 경우 음영에 의해 태양전지에 출력이 줄면서 그 태양전지는 급격하게 온도가 상승하게 되고 심할 경우 hot spot이 발생하게 된다. 결국 그 태양전지는 열화(Degradation)됨으로써 모듈 전체의 출력이 감소하게 된다.1 ⁾2 ⁾3 ⁾
	바이패스 다이오드를 설치하는 이유는 무엇인가?	일반적으로 출력전압이 낮은 태양전지는 다수의 태양전지를 직렬로 연결하여 출력 전압을 높이고, 장기간 옥외 노출되었을 때 태양전지를 보호하기 위하여 모듈의 형태로 제작되어 진다. 또한 모듈 내 각각의 태양전지의 출력 불균일(Mismatching)하에서 모듈의 온도 상승을 억제하고 출력 손실을 줄이기 위하여 바이패스 다이오드(Bypass diode)를 설치하게 된다. 만일 모듈에 바이패스 다이오드가 설치 되지 않을 경우 음영에 의해 태양전지에 출력이 줄면서 그 태양전지는 급격하게 온도가 상승하게 되고 심할 경우 hot spot이 발생하게 된다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

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