[논문]공기 중의 미세먼지에 의한 태양전지의 오염에 관한 연구

한진목; 최수광; 김세웅; 정영관

doi:10.7316/khnes.2018.29.3.292

공기 중의 미세먼지에 의한 태양전지의 오염에 관한 연구
A Study on the Contamination of Photovoltaic Cells by Fine Dust in the Air 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.3, 2018년, pp.292 - 298

한진목 (금오공과대학교 기계공학과 대학원) , 최수광 (금오공과대학교 기계공학과 대학원) , 김세웅 (금오공과대학교 기계공학과) , 정영관 (금오공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The contamination of photovoltaic (PV) cells reduces the incidence of sunlight and reduces the power generation output of PV cells. The main factor influencing the contamination of PV cells installed outdoors is the fine dust in the air, but the influence of temperature, humidity, rain and wind can be considered. In this paper, experiments on the contamination of PV cells according to the fine dust density, the temperature and humidity of air were investigated. As results of this study, the contamination area of PV cells increases with contamination time and cumulative fine dust density in the air. The contamination of PV cells increases when the temperature is low and the humidity is high. Also, as the contamination of PV cells is affected to the wind, the deviation of contamination area is happened.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 공기 중의 노출시간, 미세먼지의 농도, 대기온도 그리고 습도가 태양전지의 오염에 미치는 영향을 실험을 통하여 연구하였다.
본 연구에서는 인공오염이 아닌 자연 대기 중에서 오염된 태양전지 셀에 대한 오염시간, 공기 중의 누적미세먼지농도 그리고 공기의 온도와 습도에 의한 따른 태양전지 셀의 오염면적과 출력의 변화에 관한 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

9는 태양전지 셀을 옥외에 방치시켜 공기 중의 미세먼지에 의해 3일에서 24일 동안 자연 오염을 진행시킨 태양전지 셀의 실체현미경 확대 사진이다. 시간의 경과와 함께 태양전지 셀의 미세먼지 오염면적과 큰 미세먼지가 증가하고 있다. 이로 인하여 태양광의 입사면적이 감소되어 발전출력의 저하가 발생할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

제안 방법

태양전지 셀의 오염 측정은 Fig. 5와 같이, Sometech 사의 SV32 실체현미경을 이용하여 100배로 확대 촬영을 한 후에, National Institutes of Health사의 Image Javascript 프로그램을 이용하여 오염 픽셀수를 산출하고 촬영된 태양전지 국부면적에 대한 오염면적의 비인 오염면적률을 계산하였다. 태양전지 셀의 발전 출력은 Agilent사 N3302A 전자부하기를 이용하여 측정하였다.
Fig. 6에서 보여주는 것처럼, 외부의 광원에 의한 영향을 피하기 위하여 면적 20×20 cm, 높이 30 cm 크기의 암실에 OSRAM사 64653ELC 할로겐전구를 설치하여 전구의 밝기가 동일한 조도 값을 갖도록 설정한 후에 오염 전과 오염 후의 태양전지 셀을 장착하여 발전출력을 측정하였다.
계절에 따라 변화가 심한 황사와 소나무류 꽃가루의 영향을 배제하기 위하여 8월 중순부터 9월 말경까지 오염실험을 실시하였다.
낮 동안 온도가 높았던 공기 중의 수분은 온도가 낮은 밤 동안에 결로되며, 안개와 같은 공기 중의 미세 수분입자가 증가하여 습도가 높아진다. 따라서 대기의 자연적인 온도와 습도의 영향이 태양전지 셀의 오염에 미치는 영향을 측정하기 위하여 온도와 습도의 차이가 뚜렷한 낮 또는 밤의 동안에만 23일에 걸쳐 오염을 진행시키는 실험도 실시하였다. 태양전지 셀의 오염에 미치는 대기의 온도와 습도의 영향을 관찰하기 위한 태양전지 셀은 Fig.
1과 같이 4층 건물의 옥상에 1 m 높이의 거치대와 3 m 높이에 약 3×3 m² 넓이의 지붕과 사방이 개방된 텐트를 설치하였다. 또한, 오염에 미치는 거리의 영향을 줄이기 위하여 태양전지 셀들을 작은 면적에 밀집시켜 오염실험을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구를 위한 태양전지 셀은 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 대만 Motech Solar사의 셀을 이용하였다. 공기 중의 미세먼지에 의하여 태양전지의 자연적인 오염을 진행시키기 위한 설치장소로, 주변에 자연녹지와 농업지역 그리고 국가공단은 물론 다양한 교통망의 영향을 받고 있고, 근처에 태양광발전 시설이 설치되어 있는 경북 구미시 양호동의 건물 옥상을 이용하였다.
대기 중의 미세먼지 농도와 온도 및 습도에 대한 신뢰성을 높이기 위하여 실험장소의 근거리에 관측 시설이 있는 기상청의 자료를 사용하였다. PM10 기준 하루 평균 미세먼지농도를 이용하였으며, 날짜의 경과에 따른 미세먼지농도는 하루 평균치의 누적 농도값을 이용하였다.
본 연구를 위한 태양전지 셀은 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 대만 Motech Solar사의 셀을 이용하였다. 공기 중의 미세먼지에 의하여 태양전지의 자연적인 오염을 진행시키기 위한 설치장소로, 주변에 자연녹지와 농업지역 그리고 국가공단은 물론 다양한 교통망의 영향을 받고 있고, 근처에 태양광발전 시설이 설치되어 있는 경북 구미시 양호동의 건물 옥상을 이용하였다.

성능/효과

1) 공기 중에 노출되는 오염시간과 공기 중의 누적미세먼지농도의 증가에 비례하여 태양전지의 오염면적은 증가한다. 24일 동안에 누적미세먼지농도가 약 5배 증가하였을 때 태양전지의 오염면적률은 약 2.
13은 23일간 낮 또는 밤에만 선택적으로 공기 중에 노출시킨 태양전지 셀의 누적미세먼지농도와 오염면적률의 관계를 보여주고 있다. 14일과 23일 동안에, 낮에만 공기 중에 노출시킨 태양전지 셀은 3.5%에서 5.3%로 오염면적률이 증가하였으며, 밤에만 노출시킨 태양전지 셀은 4.0%에서 6.3%로 오염면적률이 증가하였다. 밤의 오염면적률은 낮과 비교하여 약 0.
2) 23일 동안에 낮보다 밤의 누적미세먼지농도와 오염면적이 각각 약 11.8%와 약 19.5%가 크게 나타났으며, 온도가 낮을수록 상승기류가 줄어 태양전지의 오염면적은 증가한다.
3) 아울러, 습도가 높을수록 수분에 의한 점착력과 응집력 증대로 인하여 상대적으로 큰 입자들의 오염원이 증가하며, 오염면적도 증가한다.
4) 국소면적에 노출시킨 태양전지 셀들의 오염면적률의 편차가 최대 3.5배로 크고, 누적미세먼지농도가 약 5배의 증가하는 것과 비교하여 오염면적률이 약 2.1배로 작은 것은 바람의 영향이라고 추정할 수 있다.
11은 태양전지 셀의 오염면적률과 발전출력과의 관계를 나타내고 있다. 공기 중의 미세먼지에 의한 오염면적률의 증가와 함께 발전출력이 감소한다는 것을 알 수 있다. 오염면적률이 24일간 7.
낮과 비교하여 밤에만 오염시킨 태양전지의 오염정도가 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 밤에만 오염시킨 태양전지 셀에서 낮에만 오염시킨 태양전지 셀과 비교하여, 상대적으로 큰 미세먼지가 많다는 것을 알 수 있다. 이것은 야간에 공기 중의 수분의 결로로 인하여 미세먼지의 응집력이 증가하는 것을 그 원인으로 생각할 수 있다.
공기 중의 미세먼지에 의한 오염면적률의 증가와 함께 발전출력이 감소한다는 것을 알 수 있다. 오염면적률이 24일간 7.6%까지 증가함에 따라서 태양전지 셀의 발전출력은 약 21.2% 감소되었다.
이상의 결과로부터 태양전지는 공기 중의 미세먼지농도가 높고 노출시간이 길수록 오염이 증가할 뿐만 아니라 온도가 낮고 습도가 높아도 오염이 증가하고 바람의 영향도 받는 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지는 어디에 설치되는가?	광전 효과에 의해 전기를 생산하는 태양전지는 햇빛의 조사량에 따라 발전량이 달라진다. 그러므로 태양전지는 건물의 옥상이나 고속도로 휴게소 주차장과 같이 햇빛이 잘 드는 장소에 설치되며, 재생에너지원으로 그 설치 면적이 크게 늘어나고 있다.
	태양전지는 무엇인가?	광전 효과에 의해 전기를 생산하는 태양전지는 햇빛의 조사량에 따라 발전량이 달라진다. 그러므로 태양전지는 건물의 옥상이나 고속도로 휴게소 주차장과 같이 햇빛이 잘 드는 장소에 설치되며, 재생에너지원으로 그 설치 면적이 크게 늘어나고 있다.
	본 연구에서 지표오염과 강우에 의한 영향을 줄이기 위해 어떻게 하였는가?	따라서 미세먼지 이외의 영향을 피하기 위하여, Fig. 1과 같이 4층 건물의 옥상에 1 m 높이의 거치대와 3 m 높이에 약 3×3 m2 넓이의 지붕과 사방이 개방된 텐트를 설치하였다. 또한, 오염에 미치는 거리의 영향을 줄이기 위하여 태양전지 셀들을 작은 면적에 밀집시켜 오염실험을 실시하였다.

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