[논문]결정질 실리콘 태양광 모듈의 Potential Induced Degradation 진단 분석

오원욱; 박노창; 천성일

결정질 실리콘 태양광 모듈의 Potential Induced Degradation 진단 분석 원문보기

태양광발전학회 = Bulletin of the Korea Photovoltaic Society, v.4 no.2, 2018년, pp.14 - 24

오원욱 (전자부품연구원 융복합전자소재연구센터) , 박노창 (전자부품연구원 융복합전자소재연구센터) , 천성일 (전자부품연구원 융복합전자소재연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The potential induced degradation (PID) phenomenon of crystalline silicon photovoltaic (PV) modules has been often found in outdoor PV systems until recently since firstly reported in 2010. Many studies have been conducted about the mechanism and the preventive methods, but systematic diagnosis of the PID has not been applied on-site. This paper focuses on analysis of 5 categories and 10 PID diagnosis methods using the monitoring data, light current-voltage, dark current-voltage, infrared and electroluminescence. We expect to contribute to improvement of power generation through PID diagnosis and troubleshooting in PV plants.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

결정질 실리콘 태양광 모듈의 PID 진단 방법을 사례 중심으로 소개한다. 분석 순서는 현장 방문 전에 모니터링 데이터 기반, 방문 후 현장에서 측정 가능한 L-IV tracer, EL, Dark I-V를 순차적으로 기술하고, 실제 PID가 발생된 시스템의 데이터 기반으로 상세하게 설명한다.
본 논문에서 결정질 실리콘 태양광 모듈의 PID 진단을 할 수 있는 5가지 분야의 세부적인 10가지 방법을 소개한다. 먼저, 현장 방문 전 모니터링 데이터를 이용해서 PID를 진단하는 방법과 현장에 방문해서 휴대용 광조사전압전류 장치(Light I-V tracer)를 이용한 측정, 주간 infrared(IR) 측정, 옥외 야간 electroluminescence(EL)측정, 야간 암 전압전류(Dark I-V) 측정을 순차적으로 설명한다.

제안 방법

PID 고장 진단의 정확도, 측정의 숙련도, 소요되는 시간과 비용적 측면을 고려하여 방법을 비교하였다. 모니터링 데이터의 경우 기존 경사일사량과 모듈 온도까지 측정이되고 있고, 설치 이후 데이터부터 저장이 되어 있다면, 모니터링에서 발전성능을 일별, 월별, 연별 확인이 가능하기 때문에 간단한 식을 사용하여 계산이 가능하므로 별도의 비용이 들지 않는다.
최근 Sergiu Viorel Spataru는 Light I-V와 Dark I-V의 비교 분석으로 결정질 실리콘 태양광 모듈의 고장을 식별하였다.^[16] 특히, 전기적, 광학적, 태양전지의 충격과 PID의 사례로 구분하여 별도의 전류 손실 식을 도출하고 고장을 진단하였다. 본 연구진이 선행연구에서 태양전지와 미니모듈의 PID 현상을 Dark-IV로 고장 분석을 진행하였다.
대부분의 문헌은 수 시간에서 수 일의 미래의 기상데이터 예보와 이를 바탕으로 한 발전량 예보 기법이다. 고장 진단을 기법으로 현재의 발전량을 판단하는 기준의 예측을 선행 연구하였다.^[10] 머신러닝 기법의 장점은 방대한 빅데이터를 일괄 처리할 수 있는 장점이 있다.
그림 5와 표 1의 2개의 스트링을 환산하여 위의 두 가지 방법으로 정리한 결과이다. 그리고 실제 9개 모듈의 개별 STC측정 값의 합으로 단순화하여 출력을 비교하였다. IEC 60891에서 사용된 파라미터는 Current Temp.
정확한 진단을 위해서 모듈 수거 후 할 수 있는 표준상태에서 출력과 EL 측정의 경우는 제외하였다. 또한, 발전소 사용자, 안전관리자, 모니터링 관리자, 유지관리업체, 제조사 등의 실제 옥외 태양광 발전시스템의 운영과 관련된 이해관계자들에게 필수적으로 도움이 될 수 있는 내용으로 구성하였다.
^[16] 특히, 전기적, 광학적, 태양전지의 충격과 PID의 사례로 구분하여 별도의 전류 손실 식을 도출하고 고장을 진단하였다. 본 연구진이 선행연구에서 태양전지와 미니모듈의 PID 현상을 Dark-IV로 고장 분석을 진행하였다.^[9]
그림 8(a)는 1개의 스트링 내 모듈 위치별 초기 출력 대비 PID 발생 후 표준상태 출력의 비이다. 음극 방향의 모듈의 경우 점진적으로 출력 손실이 발생된 전형적인 PID 발생 스트링의 출력 분포를 보이고 있고, 양극 방향의 정상모듈과 음극 방향의 Dark I-V curve를 특정 전압(14.4V)에서의 전류의 상대비로 비교하였다. 그림 8(b)는 상관식분포로 14.

이론/모형

그림 3은 머신러닝 모델 중 support vector regression(SVR) 모델을 이용해서 설치 초기 경사일사량과 모듈온도, 발전량을 학습 후 1년 지난 같은 특정일의 발전량 예측을 수행하였다. 예상 출력에 비하여 약 11% 정도 하루 동안 실제 덜 발전하였다.

성능/효과

유지관리는 행정 관리(administrative maintenance), 예방 정비(preventive maintenance), 고장정비(corrective maintenance)의 3가지로 구분이 된다.^[3]국내의 태양광 유지관리 시장에서는 기술적인 접근 보다는 행적적인 관리의 비중이 높다. 향후 시스템 설치 확대에 실시간 모니터링 기술, 고장 진단 기술, 발전량 예측 기술 등 다양한 진보된 기술이 적용된 유지관리 기법이 필요하다.
그림 2(a)와 2(b)의 발전량과 발전시간으로는 2015년 5월과 6월의 높은 발전량에 의해 모니터링 데이터만으로 이상감지는 역시 어렵다. 경사일사량을 추가하여 월 PR을 확인한 결과 2014년과 2015년 동월인 7월의 PR은 약 10%의 저하가 확인되었다. 일 단위 결과와 동일하게 PR에 의한 이상 감지에 효과적이다.
9% 정도 덜 환산되었다. 그러나 두 스트링의 결과를 종합하면 표 1의 (-) 9개 모듈의 출력은 정상대비 34.5% 저하로 보이나, Osterwald 방법으로 환산 후 25.3%, IEC 60891로는 16.9%, STC 측정 후 합산되 모듈의 출력으로는 15.2%로 예상된다.
두 번째 방법은 IEC 60891 ed2^[13]를 이용한 방법으로 Osterwald 식에 비하면 좀 더 변수가 많고, 계산하는데 어려움이 있으나 정확도는 매우 높다. 식은 다음과 같다.
1Ω/°C를 사용했다. 두가지 방법 모두 정상 스트링은 1.1%와 0.6% 정도의 출력 환산이 되었으나, PID 발생 모듈의 경우 Osterwald의 경우 -10.9% 정도 덜 환산되었다. 그러나 두 스트링의 결과를 종합하면 표 1의 (-) 9개 모듈의 출력은 정상대비 34.
9W로 예상이 된다. 실제 표준 상태 모듈 출력 측정 결과 각각 210.5W(초기대비 출력 72.6%)와 198.5W(초기대비 출력 68.4%)로 각각 1.2%, 0.3% 오차를 보인다. Dark I-V 분석을 이용해서 정확한 출력을 예측하는 것도 중요하지만, PID 발생 유무를 쉽고 빠르게 초기에 진단이 가능한 방법이다.

후속연구

많은 연구가 진행되었음에도 불구하고, 상용 모니터링 기술에 적용되지 않는 이유는 고비용과 솔루션의 연산 속도 등 여러 문제가 존재한다. 향후 기술의 발전과 사용자의 니즈로 다양한 진단 기법에 적용될 것이다.
^[3]국내의 태양광 유지관리 시장에서는 기술적인 접근 보다는 행적적인 관리의 비중이 높다. 향후 시스템 설치 확대에 실시간 모니터링 기술, 고장 진단 기술, 발전량 예측 기술 등 다양한 진보된 기술이 적용된 유지관리 기법이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 태양광 모듈에서 발생하는 PID(potential induced degradation)는 어떤 현상인가?	결정질 실리콘 태양광 모듈에서 발생하는 potential induced degradation(PID)는 2010년 최초 보고된 이후로 최근까지 옥외 태양광 발전시스템에서 종종 발견되는 열화의 한 종류로 현상, 메커니즘, 해결 방법에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다.[4-8] PID는 셀과 프레임의 전압차에 의해서 모듈이 직렬 연결된 스트링의 (-) 지역의 모듈에만 유리로부터 Na 이온이 태양전지의 PN 접합으로 이동하여 누설전류가 발생하는 현상이다.[8] 초기에는 병렬저항이 감소되고, 이후 개방전압(open circuit voltage, Voc) 저하 및 fill fater(FF) 손실을 동반하게 된다.
	Dark I-V 분석이 Light I-V 측정보다 활용도가 낮은 이유는 무엇인가?	이를 위해서는 먼저 태양전지와 모듈의 Dark I-V 특성을 살펴볼 필요가 있다. 태양전지의 주된 분석기법 중에 하나인 Dark I-V 분석은 대면적 모듈화하면서 균일한 태양전지의 개별 특성 보다는 전체 모듈화된 완제품의 특성 관찰이 중요하기 때문에 Light I-V 측정에 비하여 활용도가 낮다. 태양광 모듈의 Dark I-V 분석과 관련된 문헌 조사 결과, 1997년 미국의 Sandia National Laboratories의 D.
	설치된 지 수년 후에 PID에 의한 출력 저하현상이 관찰되는 이유는 무엇인가?	그럼에도 불구하고 이전 설치된 특정 모듈에서 설치된 지 수년 후에 PID에 의한 출력 저하현상이 관찰된다. 그 이유는 발전량을 모니터링하지 않거나, 기본적인 모니터링 정보만 확인하고 있기 때문에, 급격한 출력 저하가 발생한 경우에만 PID에 의한 열화를 인지하는 경향이 있다. 특히, 소규모발전 시스템의 경우 발전성능을 파악할 수 있는 경사면 일사량과 모듈의 온도를 계측하지 않기 때문에 열화를 인지하는데 시간이 소요된다. 단순한 발전량과 발전시간으로 판별하는 경우 일별, 월별, 연별 외부 환경의 변화가 심하기 때문에 정량적으로 비교하는데 무리가 있다.

참고문헌 (16)

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Spataru, S. V., Sera, D., Hacke, P., Kerekes, T., & Teodorescu, R., Fault identification in crystalline silicon PV modules by complementary analysis of the light and dark current-voltage characteristics, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Vol. 24, pp. 517-532, 2016.

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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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