Most PV modules are fabricated by 6 cell-strings with solar cells connected in series. Moreover, bypass diodes are generally installed every 2 cell-strings to prevent PV modules from a damage induced by current mismatch or partial shading. But, in the case of special purpose PV module, like as BIPV ...
Most PV modules are fabricated by 6 cell-strings with solar cells connected in series. Moreover, bypass diodes are generally installed every 2 cell-strings to prevent PV modules from a damage induced by current mismatch or partial shading. But, in the case of special purpose PV module, like as BIPV (Building Integrated Photovoltaic), the number of cell-strings per module varies according to its size. Differ from a module employing even cell-strings, the configuration of bypass diode should be optimized in the PV module with odd strings because of oppositely facing electrodes. Hence, in this study, electrical characteristics of special purposed PV module with odd string was empirically and theoretically studied depending on arrangement of bypass diode. Here, we assumed that PV module has 3 strings and the number of bypass diodes in the system varies from 2 to 6. In case of 2 bypass diodes, shading on a center string increases short circuit current of the module, because of a parallel circuit induced by 2 bypass diodes connected to center string. Also, the loss is larger, as the shading area in the center string is enlarged. Thus, maximum power of the PV module with 2 bypass diode decreases by up to 59 (%) when shading area varies from 50 to 90 (%). On the other hand, In case of 3 and 6 bypass diodes, the maximum power reduction was within about 3 (W), even the shading area changes from 50 to 90 (%). As a result, It is an alternative to arrange the bypass diode by each string or one bypass diode in the PV module in order to completely bypass current in case of shading, when PV module with odd string are fabricated.
Most PV modules are fabricated by 6 cell-strings with solar cells connected in series. Moreover, bypass diodes are generally installed every 2 cell-strings to prevent PV modules from a damage induced by current mismatch or partial shading. But, in the case of special purpose PV module, like as BIPV (Building Integrated Photovoltaic), the number of cell-strings per module varies according to its size. Differ from a module employing even cell-strings, the configuration of bypass diode should be optimized in the PV module with odd strings because of oppositely facing electrodes. Hence, in this study, electrical characteristics of special purposed PV module with odd string was empirically and theoretically studied depending on arrangement of bypass diode. Here, we assumed that PV module has 3 strings and the number of bypass diodes in the system varies from 2 to 6. In case of 2 bypass diodes, shading on a center string increases short circuit current of the module, because of a parallel circuit induced by 2 bypass diodes connected to center string. Also, the loss is larger, as the shading area in the center string is enlarged. Thus, maximum power of the PV module with 2 bypass diode decreases by up to 59 (%) when shading area varies from 50 to 90 (%). On the other hand, In case of 3 and 6 bypass diodes, the maximum power reduction was within about 3 (W), even the shading area changes from 50 to 90 (%). As a result, It is an alternative to arrange the bypass diode by each string or one bypass diode in the PV module in order to completely bypass current in case of shading, when PV module with odd string are fabricated.
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문제 정의
본 논문에서는 홀수 스트링을 갖는 태양전지 모듈의 전기적 특성을 확인하기 위한 연구를 수행하였다. Matlab-Simulink를 이용하여 홀수 스트링 태양전지모듈의 바이패스 다이오드 배치와 음영에 관한 시뮬레이션을 진행하였으며, 스트링의 개수는 3개로 가정하였고, 바이패스 다이오드의 개수와 일사량을 변화시켰다.
가설 설정
본 논문에서는 홀수 스트링을 갖는 태양전지 모듈의 전기적 특성을 확인하기 위한 연구를 수행하였다. Matlab-Simulink를 이용하여 홀수 스트링 태양전지모듈의 바이패스 다이오드 배치와 음영에 관한 시뮬레이션을 진행하였으며, 스트링의 개수는 3개로 가정하였고, 바이패스 다이오드의 개수와 일사량을 변화시켰다. 마지막으로, 시뮬레이션 결과를 토대로 모듈을 제작 및 측정하여 홀수 스트링을 갖는 태양전지모듈의 바이패스 다이오드 배치에 따른 영향을 확인하였다.
이를 반영하여, 본 논문에서는 홀수 스트링을 갖는 태양전지 모듈의 바이패스 다이오드 배치를 3가지 방법으로 고려하였다. 스트링의 개수는 3개로 가정하였고, 음영으로 인한 손실을 최소화하고 효율적인 바이패스 다이오드 배치를 위해 바이패스 다이오드 개수를 2개, 3개, 6개로 변화시켰으며, 이것을 그림으로 나타내면 Fig. 3과 같다.
음영에 따른 바이패스다이오드 동작 특성은 Matlab simulink를 이용해 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 모델은 18개의 태양전지가 3개의 스트링으로 구성되었고, 태양전지는 모두 동일한 전기적 특성을 가지고 있다고 가정하였다. Fig.
제안 방법
Matlab-Simulink를 이용하여 홀수 스트링 태양전지모듈의 바이패스 다이오드 배치와 음영에 관한 시뮬레이션을 진행하였으며, 스트링의 개수는 3개로 가정하였고, 바이패스 다이오드의 개수와 일사량을 변화시켰다. 마지막으로, 시뮬레이션 결과를 토대로 모듈을 제작 및 측정하여 홀수 스트링을 갖는 태양전지모듈의 바이패스 다이오드 배치에 따른 영향을 확인하였다.
본 논문은 홀수 스트링을 갖는 PV 모듈의 바이패스 다이오드 배치에 따른 전기적인 특성을 확인하기 위해 Matlab simulink를 이용한 시뮬레이션을 진행하고, 실제 모듈을 제작하여 출력을 측정하고 비교하였다. 바이패스 다이오드 2개인 경우 바이패스 다이오드가 중첩되는 스트링에 음영이 발생하면 병렬회로가 구성되어 전류가 증가하기 때문에 계통의 안정성에 영향을 줄 것이라 생각되며, 특히 음영이 50% 이상이 되면 출력손실이 커짐을 확인하였다.
이를 반영하여, 본 논문에서는 홀수 스트링을 갖는 태양전지 모듈의 바이패스 다이오드 배치를 3가지 방법으로 고려하였다. 스트링의 개수는 3개로 가정하였고, 음영으로 인한 손실을 최소화하고 효율적인 바이패스 다이오드 배치를 위해 바이패스 다이오드 개수를 2개, 3개, 6개로 변화시켰으며, 이것을 그림으로 나타내면 Fig.
대상 데이터
9와 같이 모듈을 제작하였다. 제작된 PV 모듈은 효율 17.8%, 출력 4.28 W, 면적 253.36 cm2 급의 다결정 태양전지를 이용하여 제작하였고, Fig. 9와 같이 18개의 태양전지가 3개의 스트링으로 구성하였다.
이론/모형
04 cm2이다. 모든 측정은 STC (Standard Test Condition)조건에서 모듈 시뮬레이터(Simulator)를 이용하여 측정하였다. 실험은 Fig.
음영에 따른 바이패스다이오드 동작 특성은 Matlab simulink를 이용해 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 모델은 18개의 태양전지가 3개의 스트링으로 구성되었고, 태양전지는 모두 동일한 전기적 특성을 가지고 있다고 가정하였다.
성능/효과
본 논문은 홀수 스트링을 갖는 PV 모듈의 바이패스 다이오드 배치에 따른 전기적인 특성을 확인하기 위해 Matlab simulink를 이용한 시뮬레이션을 진행하고, 실제 모듈을 제작하여 출력을 측정하고 비교하였다. 바이패스 다이오드 2개인 경우 바이패스 다이오드가 중첩되는 스트링에 음영이 발생하면 병렬회로가 구성되어 전류가 증가하기 때문에 계통의 안정성에 영향을 줄 것이라 생각되며, 특히 음영이 50% 이상이 되면 출력손실이 커짐을 확인하였다. 하지만 바이패스 다이오드를 스트링 별로 배치하게 되면 바이패스 다이오드가 중첩되지 않기 때문에 이와 같은 현상이 발생하지 않는다.
이는 바이패스 다이오드가 동작하는 영역에서 최대출력지점이 형성되고, 2번 스트링의 음영에 의한 모듈 내 병렬회로 구성되어 전류가 증가하기 때문에 음영이 50%인 경우와 다르게 스트링 별 출력이 변화한 것이다. 바이패스 다이오드가 3개인 경우도 최대출력지점은 바이패스 다이오드가 동작하는 영역에서 형성되지만, 바이패스 다이오드 1개당 연결된 태양전지의 수가 바이패스 다이오드가 2개인 경우에 비해 절반이기 때문에 바이패스 다이오드 동작에 의한 모듈의 전압 감소가 적다. 따라서 바이패스 다이오드가 3개인 경우의 최대 전류는 2개인 경우와 비교해 최대 전류는 약 8.
후속연구
하지만 바이패스 다이오드를 스트링 별로 배치하게 되면 바이패스 다이오드가 중첩되지 않기 때문에 이와 같은 현상이 발생하지 않는다. 홀수 스트링으로 PV 모듈을 제작하는 경우 음영에 의한 모듈의 손상을 방지하기 위해 바이패스 다이오드를 스트링 별로 배치하거나 모듈 전체에 바이패스 다이오드 1개를 배치하여 음영이 발생하면 전류를 완전히 우회시키는 것이 대안이 될 수 있을 것이라 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
결정질 실리콘 태양전지모듈은 어떻게 구성되는가?
1(a)와 같이 구성된다. 스트링의 개수는 6개이며, 2 스트링 당 1개의 바이패스 다이오드가 삽입된다. 각 스트링은 서로 반대 극성으로 배치되며, 버스바 리본(Busbar ribbon)으로 접합한다. 접합된 버스바 리본은 정션박스가 있는 모듈 상단 가운데 부분으로 모아지게 된다. 생산되는 결정질 실리콘 태양전지모듈은 대다수 이와 같은 형태이며, 짝수 스트링으로 제작된다.
태양광을 이용한 발전 원리는 무엇인가?
신재생에너지원 중 태양광은 원가 절감과 효율 개선을 통해 타 신재생에너지원 대비 발전 단가를 낮춰 최근 10년 동안 가장 가파르게 성장해왔다. 태양광을 이용한 발전 원리는 글자 그대로 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이며1)2), 실리콘 기판을 기반으로 한 태양전지가 태양광 산업의 많은 부분을 차지하고 있다. 옥외환경에서 태양전지가 발전하기 위해 서 수십 개의 태양전지를 직렬 또는 병렬로 연결하고 모듈화 공정을 거쳐 태양전지모듈로 제작한다.
옥외에 설치되는 태양전지모듈은 음영에 의한 출력 손실과 핫스팟을 예방하기 위해 무엇을 설치하는가?
옥외에 설치되는 태양전지모듈은 25~30년 동안 발전하게 되며3)4), 다양한 환경 요소 중 음영에 의한 출력 손실과 핫스팟(Hotspot)을 예방하기 위해 바이패스 다이오드(Bypass diode)를 설치한다. 일반적인 태양전지모듈은 60개 혹은 72개의 태양전지가 직렬로 연결되고, 바이패스 다이오드가 2 스트링(string) 당 1개 씩, 총 3개가 설치된다.
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