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태양광모듈의 모델링 및 성능향상을 위한 최적구성방안에 관한 연구
A study on the Optimal Configuration Algorithm for Modeling and Improving the Performance of PV module 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.5, 2016년, pp.723 - 730  

정종윤 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) ,  최성식 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) ,  최홍열 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) ,  유상원 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) ,  이인철 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) ,  노대석 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부)

초록
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태양광 모듈은 필요한 발전량을 얻기 위해 태양 전지를 직렬과 병렬로 조합하여 구성하며, 이 모듈은 일사량 및 온도에 따라 발전성능이 크게 좌우되는 특성을 가지고 있다. 또한, 태양광 전원은 건물 또는 나무 등의 주변 환경에 의한 음영과 같은 특수한 상황에 의하여 출력손실이 발생하게 된다. 즉 태양광 전원을 구성하는 태양광 모듈 일부에 부분음영이 발생할 경우, 태양광 모듈의 단락전류가 제한되어 전체 발전량 손실을 초래하고, 열점(Hot-Spot) 현상과 같은 열화현상이 발생하여 모듈의 수명을 단축시킨다. 따라서 본 논문에서는 태양광 모듈의 출력을 향상시키기 위한 태양전지와 바이패스 다이오드의 최적구성 알고리즘을 제시하였다. 또한, 부분 음영에 의한 출력손실을 최소화하기 위하여 태양광 어레이의 회로를 최적으로 구성하는 알고리즘을 제시하였다. 상기 알고리즘을 바탕으로 회로해석 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여 태양광 모듈과 태양광 어레이를 모델링하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 본 논문에서 제안한 태양 전지와 바이패스 다이오드의 최적구성 알고리즘과 태양광 어레이의 최적구성 알고리즘이 태양광 전원의 성능 향상에 유용함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Solar cells in a PV module are connected in series and parallel to produce a higher voltage and current. The PV module has performance characteristics depending on solar radiation and temperature. In addition, the PV system causes power loss by special situations, including the shadows of the surrou...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 상기 문제점을 해결하기 위하여 기존 태양광모듈의 출력특성을 분석하고, 모듈의 출력 성능을 향상시키기 위하여 태양전지와 바이패스 다이오드의 최적구성을 위한 알고리즘을 제시하였다. 또한, 부분 음영에 의한 태양광스트링의 출력손실을 최소화시키기 위하여 스트링 회로구조 변경 알고리즘을 제시하였다.
  • 음영이 없는 정상상태에서, 부분음영이 어레이 전체 면적의 약 50[%]만 발생하여도, 어레이를 구성하는 스트링 전압의 감소로 인하여 인버터가 동작을 정지하여 전체 출력이 0으로 되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 어레이 회로의 구조변경을 통해 고정적으로 발생하는 음영으로 인한 출력손실을 최소화시키기 위한 알고리즘을 제시한다.
  • 본 논문에서는 태양광모듈의 바이패스 다이오드 배열과 태양광 어레이의 회로구성 변경을 통하여 태양광 모듈의 성능향상을 위한 최적구성 알고리즘을 제안하였다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
  • 따라서, 바이패스 다이오드 개수가 증가하여 감소하는 출력손실의 크기보다 다이오드 동작으로 발생하는 도통손실의 크기가 커지면 모듈의 전체손실은 증가하게 된다. 즉, 태양전지의 출력손실과 바이패스 다이오드의 도통손실의 합을 최소로 하는 태양광모듈의 최적구성을 산정하는 것이 본 알고리즘의 기본 개념이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
태양광모듈의에 설치하는 바이패스 다이오드는 어떤 현상을 방지하기 위해 설치되는가? 일부 태양광전원은 주변 환경을 고려하지 않고 설치되어 건물 또는 나무 등으로 인한 음영과 같은 특수한 상황에 의해 출력전력의 손실이 발생한다. 태양광모듈을 구성하는 태양전지 하나라도 이상이 발생할 경우, 태양전지의 단락전류로 제한되어 전체 발전량의 손실이 발생하며, 열점(Hot-Spot) 현상과 같은 열화현상으로 모듈의 출력손실 또는 수명을 단축시킨다. 상기 현상으로 인한 출력손실과 모듈의 손상을 방지하기 위하여 태양광모듈에는 바이패스 다이오드가 설치되어 있다.
태양광전원은 무엇에 따라 성능이 크게 좌우되는가? 태양광전원은 필요한 발전량을 얻기 위해 태양광모듈을 직병렬로 조합하여 전체 시스템을 구성하는데, 일사량 및 온도에 따라 성능이 크게 좌우된다. 일부 태양광전원은 주변 환경을 고려하지 않고 설치되어 건물 또는 나무 등으로 인한 음영과 같은 특수한 상황에 의해 출력전력의 손실이 발생한다.
기존의 바이패스 다이오드의 문제는 무엇인가? 상기 현상으로 인한 출력손실과 모듈의 손상을 방지하기 위하여 태양광모듈에는 바이패스 다이오드가 설치되어 있다. 그러나 태양광모듈의 출력을 결정하는 주요 요소 중 하나인 바이패스 다이오드는 모듈제조사의 편의에 의해서만 구성되고, 다이오드 자체의 효율을 상승시키는 연구만 주로 진행되어지고 있는 실정이다[1-3]. 한편, 태양의 위치 변화에 따라 주변 고층 건물 및 나무 등의 음영이 태양광 어레이를 가리게 되면 해당 어레이의 출력손실이 발생한다.
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참고문헌 (12)

  1. A. Molki, "Dust affects solar cell efficiency," Physics Education, vol. 45, pp. 456-458, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/0031-9120/45/5/F03 

  2. A.R .Gxasheka, "Evaluation of performance parameters of PV modules deployed outdoors," Renewable Energy, vol. 30, pp. 611-620. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2004.06.005 

  3. E.D. Dunlop, "Lifetime performance of crystalline silicon PV module," 3rd World conference on photovoltaic energy conversion, pp. 2927-2930, 2003. 

  4. A. Parretta. L. Sarno and R. M. Vicari, "Effects of solar irradiation condition on the outdoor performance of photovoltaic modules", Optics Communications 153, 1998, pp.153-163. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0030-4018(98)00192-8 

  5. J. Jie, Y. Hua, H. Wei, P. Gang, L. JianingandJ. Bin, "Modeling of a novel trombe wall with PV cells", Building and Environment 42, 2007, pp.1544-1552. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2006.01.005 

  6. Takeshi Igarashi, Teruhisa Kumano, Hitoshi Hayashiya and Toshiaki Takino, "Efficiency Improvement of Rooftop Photovoltaic System at Railway Station", 2015 ICEE 

  7. Siyu Guo, Walsh T.M, Aberle A.G, Peters, M, "Analysing partial shading of PV modules by circuit modeling", Conference(PVSC), 2012 IEEE 38th, On pp. 2957-2960 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/PVSC.2012.6318205 

  8. L. Castaner and S. Silvestre, "Modelling photovoltaic systems using PSpice",John Wiley & Sons, Ltd., 2002, New York DOI: http://dx.doi.org/10.1002/0470855541 

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  10. Xenophontos, A.; Bazzi, A.M. "Analytical modeling of PV maximum power curves under uniform and partial shading conditions", Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2014 IEEE 40th, On pp. 1982-1986 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/pvsc.2014.6925314 

  11. N.D. Kaushika, Anil K. Rai, "An investigation of mismatch losses in solar photovoltaic cell networks", Energy 32, 2007, pp. 755-759 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2006.06.017 

  12. A. Mermoud and T. Lejeune, "Partial shading on PV arrays: bypass diode benefits analysis", in 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2010, pp. 4654-4658. 

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