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문제 정의
- 72셀 이상의 모듈 경우에는 바이패스 다이오드 4개가 설치된 제품도 있다. 본 논문에서는 부분 음영 발생했을 때 바이패스 다이오드 발열 특성과 바이패스다이오드가 결함이 발생하였을 때의 PV 모듈 발열 특성을 비교분석하였고, 이러한 바이패스 다이오드의 열 특성을 이용한 고장 진단 방법을 제안하고자 한다.
제안 방법
- 9는 인버터가 정상 동작하고 있는 상황에서 부분음영 상태의 모듈과 바이패스 다이오드 1개가 손상된 모듈의 표면 열화상 온도를 비교한 그림이다. 그림의 좌측 모듈 상단을 부분 음영상태로 하고 우측 모듈의 바이패스 다이오드 1개를 인위적으로 파손하여 비교 실험을 하였다. 또한, 정션박스 내부의 온도를 측정하였으며, PV 시스템이 동작하지 않는 상태와 동작하는 각 상태에서 온도 특성을 비교 분석하였다.
- 손상된 바이 패스 다이오드에 흐르는 전류 및 인버터 연계 되어 운전되는 출력전류를 측정하였다. 또한, 모듈 표면의 온도변화를 측정하기 위해 열화상 카메라를 이용하였다. 본 실험 시 일사량은 약 900 ～ 910 W/㎡이었으며, 대기온도는 약 15 ～ 20 ℃ 이었다.
- 그림의 좌측 모듈 상단을 부분 음영상태로 하고 우측 모듈의 바이패스 다이오드 1개를 인위적으로 파손하여 비교 실험을 하였다. 또한, 정션박스 내부의 온도를 측정하였으며, PV 시스템이 동작하지 않는 상태와 동작하는 각 상태에서 온도 특성을 비교 분석하였다.
- 10장의 직렬연결 모듈 중 1장의 바이패스 다이오드를 인위적으로 파괴시켜 실험을 실시하였다. 손상된 바이 패스 다이오드에 흐르는 전류 및 인버터 연계 되어 운전되는 출력전류를 측정하였다. 또한, 모듈 표면의 온도변화를 측정하기 위해 열화상 카메라를 이용하였다.
- 손상된 바이패스 다이오드를 갖는 PV 모듈의 특성을 실험하기 위하여 인위적으로 정션 파괴 된(단락상태) 바이패스 다이오드 1개를 PV 모듈 정션박스 내부에 연결하여 실험을 실시하였다. 측정에 사용된 PV 모듈은 바이패스 다이오드가 3개가 적용된 260 W 60셀로 구성된다.
- 7은 STC 상태에서 솔라시뮬레이터를 이용하여 음영 조건 및 바이패스 다이오드의 고장 개수에 따른 태양전지 모듈의 I-V 특성 곡선을 나타낸다. 실험에 사용된 태양전지 모듈의 STC 조건에서 특성 데이터는 Table 1과 같으며, 파손된 다이오드를 1개, 2개, 모듈의 1/ 3 음영, 2/3 음영, 1/3 부분음영, 2/3 부분음영 각각의 상태에 대하여 정상상태와 비교실험을 실시하였다. 각 상태에 대한 실험 설정은 Fig.
- 태양전지 모듈의 음영상태와 바이패스 다이오드가 손상 되었을 때 모듈의 특성 데이터 변화를 도출하기 위하여 필드 실증과 및 PV 시뮬레이터를 이용한 특성 실험을 실시하였다. 또한 이를 통하여 음영, 오염, 적설과 같은 상태와 바이패스 다이오드가 손상되었을 경우 특성 데이터가 다르다는 것을 본 연구를 통하여 확인하였다.
대상 데이터
- 태양광 시스템은 260 W 태양전지 모듈 10 장이 직렬로 연결되어 있다. 10장의 직렬연결 모듈 중 1장의 바이패스 다이오드를 인위적으로 파괴시켜 실험을 실시하였다. 손상된 바이 패스 다이오드에 흐르는 전류 및 인버터 연계 되어 운전되는 출력전류를 측정하였다.
- 손상된 바이패스 다이오드를 갖는 PV 모듈의 특성을 실험하기 위하여 인위적으로 정션 파괴 된(단락상태) 바이패스 다이오드 1개를 PV 모듈 정션박스 내부에 연결하여 실험을 실시하였다. 측정에 사용된 PV 모듈은 바이패스 다이오드가 3개가 적용된 260 W 60셀로 구성된다.
성능/효과
- (1) 인버터가 동작하고 있을 때, 부분 음영 모듈에서는 바이패스 다이오드를 통해 전체 전류가 흐르게 되어 정션박스 내부 온도 및 다이오드 표면온도가 손상된 바이패스 다이오드가 있는 모듈보다 높아진다.
- (3) 손상된 바이패스 다이오드가 있는 모듈은 인버터가 동작할 때 단락전류에서 출력전류를 뺀 량의 전류가 손상된 다이오드로 흐르게 된다.
- 일반적으로 결정질 태양전지모듈 제품 대부분의 경우에 있어서 바이패스 다이오드는 반드시 적용되고 있다. 3) 바이패스 다이오드의 주요 기능은 태양전지 셀의 손상이 발생하였을 경우 핫스팟 및 모듈 화재를 예방할 수 있다. 또한, 태양전지모듈의 일부분 음영, 적설, 오염이 발생 될 경우, 나머지 부분에서 생산되는 전기에너지를 바이패스 시켜 에너지 손실을 저가할 수 있도록 한다.
- 5)6) 일반적인 대형 인버터 시스템(Centralized PV Inverter System)의 경우 모듈의 직 병렬 수에 따라서 다르겠지만, 모듈 1장 손실의 약 10배 이상의 발전량 손실을 야기하기도 한다. 7) 바이패스 다이오드 고장진단 기술은 정기적인 유지보수 시 모듈의 정션박스 (Junction -Box)를 개폐하여 진단하는 방법과 모듈 내의 고장진단 센서를 부착 하는 방법이 있다. 그러나 모듈의 음영, 오염, 적설 등의 상태와 바이패스 다이오드 손상에 대한 고장 구분 기술이 명확하게 진단하는 기술은 현재까지 없는 상태이다.
- 태양전지 모듈의 음영상태와 바이패스 다이오드가 손상 되었을 때 모듈의 특성 데이터 변화를 도출하기 위하여 필드 실증과 및 PV 시뮬레이터를 이용한 특성 실험을 실시하였다. 또한 이를 통하여 음영, 오염, 적설과 같은 상태와 바이패스 다이오드가 손상되었을 경우 특성 데이터가 다르다는 것을 본 연구를 통하여 확인하였다. 이를 통하여 바이패스 다이오드의 고장 및 음영 상태 진단을 온도 특성을 이용하여 검출이 가능함을 알 수가 있었다.
- 부분음영 상태의 모듈 정션박스 온도가 손상된 바이패스 다이오드가 있는 모듈 정션박스 온도보다 약 5℃ 이상 높게 측정이 된 것을 확인할 수가 있었으며, 이때 일사량은 700 ～ 740 W/m²인 상태였다.
- 또한 이를 통하여 음영, 오염, 적설과 같은 상태와 바이패스 다이오드가 손상되었을 경우 특성 데이터가 다르다는 것을 본 연구를 통하여 확인하였다. 이를 통하여 바이패스 다이오드의 고장 및 음영 상태 진단을 온도 특성을 이용하여 검출이 가능함을 알 수가 있었다.
- 10은 인버터가 동작하지 않는 상태에서 일사량에 따른 정션박스 내부 온도의 변화를 나타내고 있다. 인버터가 동작하지 않고, 부분 음영 상태일 때 모듈 정션박스 내부 온도는 평균 38 ℃를 유지하고 있었으며, 바이패스 다이오드가 손상된 모듈의 정션박스 내부 온도는 일사량에 따라서 온도변화가 50 ～ 100 ℃까지 발생하는 것을 확인할 수가 있었다. Fig.
후속연구
- 따라서 인버터가 연결되어 운전 중일 때 손상된 바이패스 다이오드로 흐르는 전류는 음영상태 시 흐르는 전류보다 양이 적어 바이패스 다이오드에서 열이 덜 발생 될 것이다. 일사량이 최대일 경우에는 다이오드에서 열이 많이 발생되므로 본 특성이 적용된다면 고일사량에서 음영과 바이패스 고장특성이 구분 될 것이다.
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