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.
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.
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...
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 surrounding environment, such as nearby buildings and trees. In other words, an increase in power loss and a decrease in life cycle can occur because of the partial shadow and hot-spot effect. Therefore, this paper proposes the optimal configuration algorithm of a bypass diode to improve the output of a PV module and one of a PV array to minimize the loss of the PV array. In addition, this paper presents a model of a PV module and PV array based on the PSIM S/W. The simulation results confirmed that the proposed optimal configuration algorithms are useful tools for improving the performance of PV system.
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 surrounding environment, such as nearby buildings and trees. In other words, an increase in power loss and a decrease in life cycle can occur because of the partial shadow and hot-spot effect. Therefore, this paper proposes the optimal configuration algorithm of a bypass diode to improve the output of a PV module and one of a PV array to minimize the loss of the PV array. In addition, this paper presents a model of a PV module and PV array based on the PSIM S/W. The simulation results confirmed that the proposed optimal configuration algorithms are useful tools for improving the performance of PV system.
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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.
제안 방법
(1) 본 논문에서 제시한 태양광모듈의 모델링에 대한 신뢰성을 확인하기 위하여, STC조건에서 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 제조사에서 제시한 태양광모듈의 출력특성과 모델링에 의한 시뮬레이션 값이 거의 일치함을 확인하였다.
(3) 음영에 따른 출력손실을 줄이기 위하여, 본 논문에서 제시한 알고리즘을 바탕으로 어레이의 회로 구성을 변경하여 출력특성을 개선하였다. 그 결과 기존의 어레이 회로구성에서 발생한 1[kW]의 출력에서 3[kW]로 향상되어 본 연구에서 제시한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
3.1절에서 제안한 알고리즘의 유용성을 확인하기 위하여, Fig. 10과 같이 태양광모듈의 배열을 2×30, 3×20, 4×15, 6×10 등으로 변경시키며 시뮬레이션을 수행하였다.
4.1절에서 제시한 태양광모듈의 모델링에 대한 신뢰성을 확인하기 위하여, STC(Standard test condition)조건인 일사량 1000[W/㎡]과 온도 25[℃]에서 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 Table 1과 같이 제조사에서 제시한 태양광모듈의 출력특성과 식 (3)의 값 그리고, 모델링에 의한 시뮬레이션 값이 거의 일치하여, 본 연구에서 제시한 모델링이 유용함을 확인하였다.
4.2절에서 제시한 태양광 어레이의 모델링에 대한 신뢰성을 확인하기 위하여, STC조건 하에서 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 어레이에 음영이 발생하지 않은 정상상태에서 Fig.
[Step 1] 태양광 어레이가 설치된 주변 환경(건물, 나무 등) 및 계절에 따라 태양광 어레이에 발생하는 음영의 면적과 음영이 발생하는 시간대를 측정한다.
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. 상기 알고리즘을 바탕으로 회로해석 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여 태양광모듈과 태양광 스트링을 모델링하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 본 논문에서 제안한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
어레이의 회로 변경은 음영이 발생한 스트링 중에서 두 개의 스트링 사이에 와이어를 연결하여 음영이 발생되지 않은 부분은 정상적으로 작동하도록 스트링 회로를 구성하였다. 또한, 스위치와 블록킹 다이오드를 연결하여 음영이 발생하지 않은 정상상태의 모듈과 음영이 발생한 모듈을 분리시켰다.
즉, 음영이 발생한 스트링 중에서 두 개의 스트링 사이에 와이어를 연결하여 음영이 발생되지 않은 부분은 정상적으로 동작할 수 있도록 스트링 회로를 변경하였다. 또한, 이상상태의 모듈을 블록킹 다이오드와 스위치를 통해 정상상태의 모듈과 분리시켜 이상모듈에 따른 출력손실을 최소화 시켰다. 따라서, Fig.
10과 같이 태양광모듈의 배열을 2×30, 3×20, 4×15, 6×10 등으로 변경시키며 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 태양광모듈의 이상상태를 분석하기 위하여 음영의 크기를 모듈 면적에 대하여 10[%], 30[%], 60[%] 등으로 변화시키며 출력특성을 비교, 분석하였다. Table 2와 같이, 음영의 면적이 30[%]인 경우 2×30, 6×10 배열에서 출력손실이 크게 감소하였고, 10×6배열 이후에는 바이패스 다이오드의 도통 손실의 증가로 모듈의 출력손실이 다시 증가함을 확인하였다.
바이패스 다이오드와 태양전지의 구성 변경에 따른 모듈의 특성을 분석하기 위하여, 전력소자해석 프로그램인 PSIM을 이용하여 태양광모듈을 모델링하였다. 태양광모듈은 현재 주로 사용되고 있는 250[W]급 다결정 모듈을 대상으로 Fig.
상기와 같은 음영에 따른 출력손실을 줄이기 위하여, 3.2절의 알고리즘을 바탕으로 어레이의 회로구성을 변경하여 출력특성을 개선하였다. 즉, 음영이 발생한 스트링 중에서 두 개의 스트링 사이에 와이어를 연결하여 음영이 발생되지 않은 부분은 정상적으로 동작할 수 있도록 스트링 회로를 변경하였다.
3과 같이 회로구성을 변경한다. 어레이의 회로 변경은 음영이 발생한 스트링 중에서 두 개의 스트링 사이에 와이어를 연결하여 음영이 발생되지 않은 부분은 정상적으로 작동하도록 스트링 회로를 구성하였다. 또한, 스위치와 블록킹 다이오드를 연결하여 음영이 발생하지 않은 정상상태의 모듈과 음영이 발생한 모듈을 분리시켰다.
7과 같다. 여기서, 음영이 발생한 스트링 중에서 두 개의 스트링 사이에 와이어를 연결하여 음영이 발생되지 않은 부분은 정상적으로 작동하도록 스트링 회로를 구성하였다. 또한, 스위치와 블록킹 다이오드를 연결하여 음영이 발생하지 않은 정상상태의 모듈과 음영이 발생한 모듈을 분리시켰다.
2절의 알고리즘을 바탕으로 어레이의 회로구성을 변경하여 출력특성을 개선하였다. 즉, 음영이 발생한 스트링 중에서 두 개의 스트링 사이에 와이어를 연결하여 음영이 발생되지 않은 부분은 정상적으로 동작할 수 있도록 스트링 회로를 변경하였다. 또한, 이상상태의 모듈을 블록킹 다이오드와 스위치를 통해 정상상태의 모듈과 분리시켜 이상모듈에 따른 출력손실을 최소화 시켰다.
대상 데이터
4와 같이 모델링을 수행하였다. 상기 모듈은 기본 구성으로 60개의 태양전지와 3개의 바이패스 다이오드로 구성되어있으며, 태양전지 20개마다 하나의 다이오드가 설치되어 있다.
바이패스 다이오드와 태양전지의 구성 변경에 따른 모듈의 특성을 분석하기 위하여, 전력소자해석 프로그램인 PSIM을 이용하여 태양광모듈을 모델링하였다. 태양광모듈은 현재 주로 사용되고 있는 250[W]급 다결정 모듈을 대상으로 Fig. 4와 같이 모델링을 수행하였다. 상기 모듈은 기본 구성으로 60개의 태양전지와 3개의 바이패스 다이오드로 구성되어있으며, 태양전지 20개마다 하나의 다이오드가 설치되어 있다.
성능/효과
(2) 바이패스 구성에 따라 시뮬레이션을 수행한 결과, 음영의 면적이 30[%]인 경우 2×30, 6×10 배열에서 출력손실이 크게 감소하였고, 10×6배열 이후에는 바이패스 다이오드의 도통 손실의 증가로 모듈의 출력손실이 다시 증가함을 확인하였다.
Fig. 11과 같이, 본 연구에서 제시한 모델링을 이용하여, 정상상태의 어레이 전체출력을 구하면 9[kW]이지만, 음영이 50[%] 발생한 이상상태의 전체출력은 1[kW]까지 감소함을 확인하였다.(89[%] 감소)
Table 2와 같이, 음영의 면적이 30[%]인 경우 2×30, 6×10 배열에서 출력손실이 크게 감소하였고, 10×6배열 이후에는 바이패스 다이오드의 도통 손실의 증가로 모듈의 출력손실이 다시 증가함을 확인하였다.
1절에서 제시한 태양광모듈의 모델링에 대한 신뢰성을 확인하기 위하여, STC(Standard test condition)조건인 일사량 1000[W/㎡]과 온도 25[℃]에서 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 Table 1과 같이 제조사에서 제시한 태양광모듈의 출력특성과 식 (3)의 값 그리고, 모델링에 의한 시뮬레이션 값이 거의 일치하여, 본 연구에서 제시한 모델링이 유용함을 확인하였다. 한편, 모델링을 이용하여 태양광모듈의 특성커브를 분석하면 Fig.
(3) 음영에 따른 출력손실을 줄이기 위하여, 본 논문에서 제시한 알고리즘을 바탕으로 어레이의 회로 구성을 변경하여 출력특성을 개선하였다. 그 결과 기존의 어레이 회로구성에서 발생한 1[kW]의 출력에서 3[kW]로 향상되어 본 연구에서 제시한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
2절에서 제시한 태양광 어레이의 모델링에 대한 신뢰성을 확인하기 위하여, STC조건 하에서 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 어레이에 음영이 발생하지 않은 정상상태에서 Fig. 9와 같이 전체출력은 9[kW], 각 스트링의 출력은 3[kW]로 모델링이 정상적으로 수행되었음을 확인하였다.
(1) 본 논문에서 제시한 태양광모듈의 모델링에 대한 신뢰성을 확인하기 위하여, STC조건에서 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 제조사에서 제시한 태양광모듈의 출력특성과 모델링에 의한 시뮬레이션 값이 거의 일치함을 확인하였다.
또한, 이상상태의 모듈을 블록킹 다이오드와 스위치를 통해 정상상태의 모듈과 분리시켜 이상모듈에 따른 출력손실을 최소화 시켰다. 따라서, Fig. 12와 같이 기존의 어레이 회로구성에서 발생한 1[kW]의 출력에서 3[kW]로 향상되어 본 연구에서 제시한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
또한, 음영의 면적이 60[%]인 경우에는 3×20, 6×10 배열에서 출력손실이 최소가 되었으며, 10×6 배열 이후에는 모듈의 출력손실이 다시 증가함을 확인하였다.
또한, 부분 음영에 의한 태양광스트링의 출력손실을 최소화시키기 위하여 스트링 회로구조 변경 알고리즘을 제시하였다. 상기 알고리즘을 바탕으로 회로해석 프로그램인 PSIM S/W를 이용하여 태양광모듈과 태양광 스트링을 모델링하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 본 논문에서 제안한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
또한, 음영의 면적이 60[%]인 경우에는 3×20, 6×10 배열에서 출력손실이 최소가 되었으며, 10×6 배열 이후에는 모듈의 출력손실이 다시 증가함을 확인하였다. 한편, 상기와 같이 알고리즘을 이용하여 계산한 값과 모델링에 의하여 수행한 값을 분석한 결과 거의 일치함을 확인하였다.
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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