[논문]설치환경 및 조건에 따른 양면수광형 태양광발전시스템의 기초 특성 연구

장주희; 권오현; 이상혁; 신민수; 이경수

doi:10.7836/kses.2018.38.6.051

설치환경 및 조건에 따른 양면수광형 태양광발전시스템의 기초 특성 연구
A Preliminary Research of the Bifacial PV System Under Installation Conditions 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.38 no.6, 2018년, pp.51 - 63

장주희 (한국산업기술대학교 에너지.전기공학과) , 권오현 (한국산업기술대학교 에너지.전기공학과) , 이상혁 (한국산업기술대학교 에너지.전기공학과) , 신민수 (한국산업기술대학교 에너지.전기공학과) , 이경수 (한국산업기술대학교 에너지.전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Nowadays the bifacial PV system market and its applications are increasing rapidly. The performance of the bifacial PV system take advantage of its rear surface irradiance. Also, the ground albedo, PV module tilt and azimuth, PV module installation height, shading effect and module temperature are factors of bifacial PV system performance. This paper investigates how the performance of bifacial PV system is influenced by above factors. First, we analyzed the energy yield depending on PV module installation by simulation. Secondly, we compare energy performance evaluation of monofacial and bifacial module on different weather condition by experiment. Thirdly, we tested the albedo effect and checked operating characteristics using Dupont Tyvek material for the bifacial PV module. Fourthly, we check the shading effect of bifacial PV module on bypass diode operating. Finally, we applied the bifacial PV module in the nearby subway station for the noise reduction barrier using a qualified simulation program. In summary, we confirm that the energy performance superiority of the bifacial PV module has a lot of application use including road. Also, we have confirmed the bifacial module and inverter design should be considered by rear surface irradiance.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 (a) Definition of view factor and (b) its implementation for the ground reflected radiation⁹⁾
그림 Fig. 2 Test bed of monofacial and bifacial PV system (Left: Installation condition, Right : Each type of PV system configuration)
표 Table 1 Specifications of PV modules
표 Table 2 Specifications of power conversion equipments
그림 Fig. 3 Bifacial PV module comparison between simulation data and measured data
그림 Fig. 4 Energy yield simulation results followed by the installation conditions
그림 Fig. 5 Comparison amount of irradiance between monofacial and bifacial energy yield characteristics
그림 Fig. 6 PV module mismatch under the weather conditions
그림 Fig. 7 Characteristic of PV module energy yield using Tyvek material
그림 Fig. 8 Operating voltage and current of PV module when the bifacial module exceeded the STC rated power (Left : Monofacial, Right : Bifacial)
표 Table 3 I-V curve experimental test results depending on partial shading conditions (No shading: 0, Half shading: 5, Full shading: 10), (Upper three rows: front surface, Bottom three rows: rear surface)
표 Table 3 I-V curve experimental test results depending on partial shading conditions (Continued)
그림 Fig. 9 Case study of the Bifacial PV system applied to the railway barrier

AI 본문요약
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문제 정의

네번째로는 모듈의 그림자 효과를 바이패스 동작특성에 따라 비교했다. 더 나아가 양면수광형 태양광발전시스템을 전철역 주변 방음벽에 적용하여 방음벽 효과와 양면수광형 태양전지 모듈의 사용에 따른 발전량을 기대할 수 있는 사례연구를 진행했다.
따라서 본 연구에서는 양면수광형 모듈에 영향을 미칠 수 있는 환경적 요소에 따른 발전성능의 변화추이를 확인했다. 첫 번째로는 양면수광형 모듈의 설치 형태에 따른 등가 에너지 생산량을 시뮬레이션을 통해 분석했다.

가설 설정

실제 건축물에 동일한 정격의 양면수광형 모듈과 단면수광형 모듈을 설치하는 경우를 가정하여 시뮬레이션을 진행했다. 양면수광형 모듈은 Table 1에서 나타난 실측실험에서 사용한 모듈과 동일한 모델로 가정하였다.
실제 건축물에 동일한 정격의 양면수광형 모듈과 단면수광형 모듈을 설치하는 경우를 가정하여 시뮬레이션을 진행했다. 양면수광형 모듈은 Table 1에서 나타난 실측실험에서 사용한 모듈과 동일한 모델로 가정하였다. 양면수광형 모듈과 단면수광형 모듈을 각각 전철역 선로 양옆에 설치하여 철도역 주변 소음을 줄일 수 있는 효과까지 고려하여 경사각 90 ° , 방위각 37 ° (남서)로 20직렬 24병렬로 구성하였고 시스템 용량을 182 kWp로 구성하였다.
1(a)와 같이 한 면에서 방출하는 빛이 다른 면에 작용하는 빛의 비율을 통해 나타난다. 이 방식에서 지면의 반사는 대부분 산란광선에 의해 일어나고 그림자 영향은 직달성분에 의해서 일어난다고 가정한다. 이때, 변수로 작용되는 View Factor는 Fig.
Table 3은 부분음영 실험조건과 전면과 후면의 그림자 영향에 대한 I-V 곡선이다. 하나의 양면수광형 모듈에 미치는 그림자 영역의 크기가 같다고 가정하고 음영에 따른 바이패스 다이오드의 동작 개수를 다르게 설정하였다. 일조량 계를 통해 전면과 후면의 일조량 측정을 진행했고, 적외선 카메라를 이용해 모듈표면온도를 측정하였다.
위 두 요소에서 확인할 수 있듯이 양면수광형 모듈의 출력은 양면수광형 모듈의 전면조건뿐만 아니라 후면조건의 영향을 크게 받는다. 후면조건은 모듈 후면의 일조량에 따라 달라진다. 모듈 후면에 입사하는 일조량을 계산하는 방법으로는 Ray tracing 방식⁸⁾과 View Factor 방식⁹⁾이 있다.

제안 방법

첫 번째로는 양면수광형 모듈의 설치 형태에 따른 등가 에너지 생산량을 시뮬레이션을 통해 분석했다. 두 번째로는 날씨에 따른 단면수광형 모듈과 양면수광형 모듈의 발전 성능 평가를 실증실험을 통해 진행했다. 세 번째로는 고밀도 폴리에틸렌 섬유로 뛰어난 빛 반사도를 가지고 있는 Tyvek을 반사매질로 사용해 양면수광형 모듈의 동작 특성을 확인하고 이를 통해 알베도에 따른 양면수광형 모듈의 발전량 비교를 진행했다.
두 번째로는 날씨에 따른 단면수광형 모듈과 양면수광형 모듈의 발전 성능 평가를 실증실험을 통해 진행했다. 세 번째로는 고밀도 폴리에틸렌 섬유로 뛰어난 빛 반사도를 가지고 있는 Tyvek을 반사매질로 사용해 양면수광형 모듈의 동작 특성을 확인하고 이를 통해 알베도에 따른 양면수광형 모듈의 발전량 비교를 진행했다. 네번째로는 모듈의 그림자 효과를 바이패스 동작특성에 따라 비교했다.
지면반사율은 23%, 55%, 80%¹, 높이는 0.5 m부터 0.5 m 간격으로 1.5 m까지 총 3가지 조건으로 분석을 진행했다. 시뮬레이션에 사용한 모듈과 인버터는 실증실험과 같은 모델을 사용했다.
따라서 본 연구에서는 양면수광형 모듈에 영향을 미칠 수 있는 환경적 요소에 따른 발전성능의 변화추이를 확인했다. 첫 번째로는 양면수광형 모듈의 설치 형태에 따른 등가 에너지 생산량을 시뮬레이션을 통해 분석했다. 두 번째로는 날씨에 따른 단면수광형 모듈과 양면수광형 모듈의 발전 성능 평가를 실증실험을 통해 진행했다.

대상 데이터

경사각은 0°부터 90°까지 5° 간격으로 총 19개, 방위각은 0 ° (정남)를 기준으로 10 ° 간격으로 총 36개의 조건을 통해 분석을 진행했다. 본교에서 측정한 기상환경데이터를 사용했으며, 총 발전량을 1 kWp 단위로 환산하여 진행했다.
양면수광형 모듈의 시뮬레이션 타당성 검증은 Fig 3(a)와 같이 실측데이터와의 비교를 통해 진행했으며 비교기간은 2018년 7월 1일부터 10월 15일로 선정했다. 시뮬레이션에 적용된 기상 데이터는 본교에서 측정한 일조량, 대기온도, 풍속 데이터를 적용하였으며, 실증에 사용한 모듈과 인버터 정보를 적용했다. 지면 반사율은 반사광선을 통해 계산된 값을 조건에 맞게 적용했다.

데이터처리

양면수광형 모듈의 시뮬레이션 진행에 앞서 시뮬레이션 타당성 검증을 진행했다. 양면수광형 모듈의 시뮬레이션 타당성 검증은 Fig 3(a)와 같이 실측데이터와의 비교를 통해 진행했으며 비교기간은 2018년 7월 1일부터 10월 15일로 선정했다.

성능/효과

(1) 모듈의 설치 높이가 증가할수록 양면수광형 모듈의 발전량이 증가하는 추세를 보였으며, 지면반사율이 23%, 55%, 80%로 증가할 때 마다 발전량이 13.9%, 24.9%, 33.53% 증가하는 경향도 확인하였다. 방위각 –40°에서 40°, 경사각 20°에서 40°사이 범위에서 높은 발전성능이 산출되는 것을 확인하였다.
(2) 양면수광형 모듈의 발전량은 산란광선의 영향에 크게 받음을 알 수 있었다.
(3) 단면수광형 모듈과 양면수광형 모듈 모두 흐린 날의 모듈 간 미스매치가 증가(편차율이 가장 큼)함을 확인하였다.
(4) 본 연구에서 사용한 반사매질인 Tyvek은 빛 반사율을 높이고 지면온도를 낮추는 역할을 하였으며 이를 통해, 양면수광형 모듈을 설치 시 반사매질을 고려하여 발전성능을 높이는 방법에 대해 확인하였다.
(5) 양면수광형 모듈을 사용해 PV 시스템을 구축할 시에는 모듈의 출력과 인버터 입력용량 설계를 적절히 고려하여야 함을 확인하였다.
(6) 양면수광형 모듈의 후면은 전면 대비 0.1배의 전류가 흐르는 것으로 나타났고, 동작하는 바이패스 다이오드의 개수가 1개/2개/3개 증가할수록 개방전압의 33%, 67%, 100%에 해당하는 전압강하가 발생함을 확인했다.
후면 부 경사면 일조량은 지면반사율에 비례한다. 따라서 단면수광형 모듈 대비 같은 정격의 양면수광형 모듈을 설치했을 때 연간 평균 13.9% 더 높은 발전량이 나타났으며, 지면반사율이 55%, 80%일 때 기준 대비 평균 24.9%, 33.5% 값이 증가한 것을 확인하였다.
Tyvek 설치 이후 단면수광형 모듈과의 일일 등가 발전량의 차이가 커졌다. 반사광선 측정을 통한 측정 알베도는 시멘트가 23%, Tyvek이 55%이며, 반사매질에 따른 양면수광형 모듈의 일일 등가발전량이 증가를 확인하였다.
따라서 높이가 높아질수록 그림자 영역에 따른 View Factor 값은 작아지게 되고 모듈 후면에 전달되는 빛의 양은 커진다. 시뮬레이션 결과에서도 양면수광형 모듈의 높이가 지면으로부터 높아질수록 발전량이 증가하는 모습이 나타났다.
1%로 나타났다. 시뮬레이션 결과와 실측데이터의 연간 발전량에 대한 오차율은 5% 미만으로 나타났고, 위 결과를 바탕으로 시뮬레이션 모델이 양면수광형 모듈 특성을 잘 반영하는 것으로 판단하였다.

후속연구

(7) 양면수광형 모듈을 전철역 주변 선로 소음벽 용도로 설치한 경우에 단면수광형 모듈 대비 연간 등가 발전량이 약 60% 높은 출력을 기대할 수 있었으며 향후에는 도심 지역의 철로 및 도로 등에 소음방지벽대용으로 응용할 수 있을 것으로 사료된다.
본 논문에서는 최근 시장이 확대되고 있는 양면수광형 모듈의 설치 형태별 성능 평가 및 응용 타당성 연구를 수행하였으며, 본 연구를 통해 양면수광형 모듈의 성능향상 방법 및 설치 응용 장소에 기초연구 자료로 널리 활용되길 희망한다. 본 연구 논문의 주요 내용은 다음과 같다.
또한 모듈의 설치 방위각은 남서향이므로 모듈 후면에 입사되는 직사광선이 정남향으로 설치했을 경우보다 증가하게 된다. 이를 통해, 양면수광형 모듈은 단면수광형 모듈 대비 약 60% 더 높은 발전출력 향상을 기대할 수 있었고, 소음 방지에도 도움이 되므로 이러한 도심 내 혹은 주변 철로, 도로 등에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
선행연구로는 양면수광형 모듈의 설치 형태에 따른 후면에 입사되는 일조량 분석과 그에 따른 발전량 예측 및 분석이 진행되어 왔으며^2,3), 양면수광형 모듈의 바닥면 반사조건 변화에 따른 발전성능 평가가 진행되었다^4,5). 하지만 현재까지 경사각 및 방위각 그리고 높이에 따른 발전량의 추이 및 변화비율에 대한 데이터와 양면수광형 모듈에서의 손실로 작용할 수 있는 그림자영향 및 온도에 대한 연구는 부족하며 다양한 조건에 따른 실측데이터 수집에는 한계가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양면수광형 모듈 발전성능에 영향을 미치는 요인은 무엇이 있는가?	양면수광형 모듈 발전성능은 후면 발전특성에 따라 달라지며 지면반사율, 높이, 경사각, 모듈사이의 거리, 방위각등의 환경적 요소에 영향을 많이 받는다1) . 이에 양면수광형 모듈의 발전성능을 개선시킬 수 있는 연구가 이루어져 왔다.
	Ray tracing 방식의 3단계는 무엇인가?	Ray tracing 방식은 3단계로 진행된다. 첫 번째로 모듈 설치 형태와 모듈에 의한 그림자의 영향을 받는 영역과 받지 않는 영역에 대한 구분을 진행한다. 그 후 빛이 입사되는 면에서 방출되는 빛을 나타내는 변수인 Configuration Factor(CF)를 이용해 지면이 받는 일조강도를 정의한다. 마지막으로 지면에 의한 반사광선과 대기에 의한 일조강도 그리고 뒷 열의 어레이 전면의 반사광선을 통해 모듈 후면의 일조강도를 정의한다. Ray tracing 방식은 참고문헌 8에서 자세하게 기술 되어있 다.
	모듈 후면에 입사하는 일조량을 계산하는 방법은 무엇이 있는가?	후면조건은 모듈 후면의 일조량에 따라 달라진다. 모듈 후면에 입사하는 일조량을 계산하는 방법으로는 Ray tracing 방식8)과 View Factor 방식9)이 있다. Ray tracing 방식은 3단계로 진행된다.

참고문헌 (2)

Cha, Hae, Bhang, Byeong, Park, So, Choi, Jin, Ahn, Hyung. Power Prediction of Bifacial Si PV Module with Different Reflection Conditions on Rooftop. Applied sciences, vol.8, no.10, 1752-.

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Yusufoglu, U.A., Lee, T.H., Pletzer, T.M., Halm, A., Koduvelikulathu, L.J., Comparotto, C., Kopecek, R., Kurz, H.. Simulation of Energy Production by Bifacial Modules with Revision of Ground Reflection. Energy procedia, vol.55, 389-395.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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