[논문]실물 실험을 통한 태양광 모듈의 표면온도와 태양광 발전량과의 관계에 대한 연구

조성우

doi:10.17664/ksgee.2018.14.3.008

실물 실험을 통한 태양광 모듈의 표면온도와 태양광 발전량과의 관계에 대한 연구
A Study on the Relationship Between Photovoltaic Module Surface Temperature and Photovoltaic Power Using Real Experiment 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.14 no.3, 2018년, pp.8 - 14

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PV module power is calculated on PV module surface temperature adjustment by irradiation on the summer and autumn in NOCT(Nominal Operating Cell Temperature) conditions. The summer and autumn periods were selected because of large variation in outdoor air temperature and irradiation. This study was performed to understand relationship between PV module surface temperature and photovoltaic power using field measurement. As a results, it was determined that the amount of irradiation was proportional to the amount of photovoltaic power in the field measurement. However, it was also identified that the PV power generation decreased by increased PV module surface temperatures due to irradiation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 실측된 데이터를 토대로 STC (Standard Test Condition, AM 1.5. 1,000 mW/cm2, PV모듈 표면온도 25°C) 및 NOCT Nominal Operating Cell Temperature; 풍속 1 m/s, AM 1.5, 주변온도 20°C, 일사량 800 W/m2의 조건)하에서 제품 사양서에서 제공되는 발전량과의 실질적인 발전량과의 차이 및 주변 환경 즉 표면온도의 변화에 따른 발전량과의 관계를 파악하는데 목적을 두고 있다.
그러므로 STC 이외의 조건에서는 추가적인 보정이 필요하며, 이에 따른 온도 보정에는 다양한 방법이 있다. 본 논문에서는 일반 적으로 널리 이용되고 있는 NOCT에 의한 온도보정을 하고자 하며, 구체적인 내용은 제조사의 사양서를 근거로 하였다.
본 논문에서는 표면온도가 발전량에 미치는 영향이 크다는 것을 근거로 외기온도에서 큰 차이를 보이는 하절기와 중간기(가을을 칭함)를 대상으로 NOCT 조건에서의 일사량에 따른 표면온도를 보정하여 발전량을 계산하고, 이를 실측 결과값과 비교하여 일사량과 표면온도 및 발전량과의 관계를 파악하는데 목적을 두고 있다.
본 연구에서는 태양광 발전량, 일사량 및 PV 모듈의 표면온도와의 관계에 대하여 측정된 발전량과 제품사양서상에서 제시된 조건하에서 예측된 발전량을 비교한 결과를 정리하면 아래와 같다.
본 연구에서는 태양광 발전량의 변화 추이를 평가하기 위하여 발전량과 밀접한 관계가 있는 PV모듈의 표면온도와 일사량에 대한 실측을 수행하였다. 본 논문에서는 실측된 데이터를 토대로 STC (Standard Test Condition, AM 1.

제안 방법

그러므로 본 연구에서도 PV모듈 후면부 10개 지점의 평균 표면온도를 활용하여 PV모듈의 성능파악을 위한 근거로 하고자 하며, 1분 간격으로 측정하여 데이터로그에 기록되도록 하였다.
일사량은 일사량 센서(PSP 405 power supply로 동력 공급)를 통하여 측정되며, 1분 간격으로 측정 하였다. PV모듈의 표면온도는 수분 등의 외적인 영향으로 정밀한 측정이 어려우므로 대부분의 경우 PV모듈의 후면부를 측정하고 셀의 접합온도와 동일하다고 가정한다[6].

대상 데이터

PV모듈 경사각은 창원지역의 위도와 동일한 35°, solar cell은 다결정 실리콘을 채택 하였으며,축전지는 12 V의 배터리 2개를 설치하였으며, 부하측에는 DC 12 V, 6A의 열전소자에 연결하였다.
PV모듈의 발전량 추이를 파악하기 위하여 경남 창원시에 위치한 C대학에 PV모듈 250W×2 EA를 컨테이너 상부에 정남방향으로 설치하였으며, 전경과 PV모듈의 크기는 Fig. 1, 2와 같다.

성능/효과

(2) 일사량과 발전량과는 비례관계에 있으나, 일사량으로 인한 PV모듈의 표면온도 상승은 발전량을 감소시키는 요인으로 작용된다는 것으로 실험을 통하여 확인하였다.
(3) PV 모듈의 주변온도가 높고, 일사량이 많은 하절기의 경우와 비교하여 주변온도가 낮고, 일사량이 적은 중간기의 PV 모듈의 효율은 높게 나타난 것으로 확인되었다. 일사량과 발전량과는 비례관계에 있는 반면, 일정온도 부근의 표면온도에서는 발전량이 증가하나, 그 이상에서는 오히려 감소되는 경향을 보이고 있으므로 태양광 발전량은 표면온도에 큰 영향을 받는 것으로 판단된다.
(4) 제품 사양서의 STC 조건하에서는 PV 모듈의 표면온도를 25°C 부근을 제시하고 있으며, 중간기의 경우 PV 모듈의 표면온도는 측정결과 15~25°C 로 나타났다.
국내에서는 태양광발전량의 특성을 파악하기 위하여 Shin et al.[2]은 태양전지모듈(이하 PV모듈로 칭함)의 온도에 따라 출력량이 급격히 변화하는 특성을 가지고 있으므로 PV모듈의 표면온도를 낮추기 위한 방안을 고려한 결과 PV모듈 뒷면의 온도를 낮추는 것이 발전량에 효과적이라고 발표하였다. Kim et al.
(1) PV 모듈의 일반적인 특징으로 PV 모듈의 표면온도 상승에 따라 전류는 증가하고, 전압은 반비 례하는 것으로 보고되고 있다. 본 실험에서 측정된 데이터와 일치하는 양상을 보이는 것으로 나타났다.
본 연구에서 채택한 PV모듈은 일사량증가에 따라 발전량도 증가하는 양상을 보이며, 하절기의 경우 단위면적당 일사량에 대하여 0.4415 × (단위면적당 일사량) + 14.623 Wh, 중간기는 0.4928 × (단위면적당 일사량) + 1.9984 Wh를 보이고 있다.
5%로 제품 사양서에서 제공하고 있는 모듈 효율보다 다소 높은 결과를 보이는 것으로 나타났다. 이를 통하여 PV 모듈의 발전량은 일사량에는 비례하는 것을 알 수 있으나, 일사의 영향으로 PV 모듈의 표면온도 상승은 발전량을 감소시키는 요인으로 작용하는 것으로 나타났다. 그러므로 PV 모듈의 발전량을 향상시키기 위해서는 PV 모듈의 표면온도를 낮추는 방안을 강구할 필요가 있다고 판단된다.
2배와 비교하여 차이는 크게 줄어드는 것으로 나타났다. 측정기간 동안 PV 모듈의 효율은 16.5%로 제품 사양서에서 제공하고 있는 모듈 효율보다 다소 높은 결과를 보이는 것으로 나타났다. 이를 통하여 PV 모듈의 발전량은 일사량에는 비례하는 것을 알 수 있으나, 일사의 영향으로 PV 모듈의 표면온도 상승은 발전량을 감소시키는 요인으로 작용하는 것으로 나타났다.
측정기간 동안 제품 사양서를 근거로 한 예측 발전량에 대한 평균은 144.2 Wh이며, 측정된 발전량은 110.6 Wh로 하절기의 2.2배와 비교하여 차이는 크게 줄어드는 것으로 나타났다. 측정기간 동안 PV 모듈의 효율은 16.
하절기 PV 모듈의 표면온도가 높을수록 측정된 발전량의 증가폭은 둔화되는 것을 볼 수 있으며, 예측된 발전량의 경우와는 많은 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 측정기간 동안 평균 예측 발전량은 236.
하절기와 중간기 PV모듈 표면온도 상승과 전압의 관계는 기울기가 음(−)의 방향을 보이는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	효율을 결정짓는 PV모듈의 온도는 어떤 요소에 의해 결정되는가?	PV모듈은 반도체 소자와 같이 온도에 민감하며, 특히 전압은 온도변화에 영향을 크게 받는 인자로서 온도 상승에 따라 출력이 저하되는 원인이 된다[7, 8]. 실질적으로 외부에 설치되는 PV모듈은 통상적으로 다양한 온도 및 일사량 조건에서 운전되므로, 효율을 결정짓는 PV모듈의 온도는 주로 일사량과 주변온도, 풍속 등의 환경적 요소에 의해서 결정된다[8]. 그러므로 STC 이외의 조건에서는 추가적인 보정이 필요하며, 이에 따른 온도 보정에는 다양한 방법이 있다.
	태양전지모듈의 발전량을 높이는 방법은 무엇인가?	국내에서는 태양광발전량의 특성을 파악하기 위하여 Shin et al.[2]은 태양전지모듈(이하 PV모듈로 칭함)의 온도에 따라 출력량이 급격히 변화하는 특성을 가지고 있으므로 PV모듈의 표면온도를 낮추기 위한 방안을 고려한 결과 PV모듈 뒷면의 온도를 낮추는 것이 발전량에 효과적이라고 발표하였다. Kim et al.
	2016년 기준 태양광 발전 설비의 설치의 국내 현황은?	신재생에너지는 “신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 시행령” 제 15조에 의하여 연면 적이 1,000m2 이상인 건축물에는 의무적으로 설치 하여야 한다. 2016년 국내에 신설된 태양광발전용 량은 904.1 M로 집계되며, 이중 89%가 신재생에너 지공급의무화제도로 인하여 설치되었다. 또한, 태양광발전 실치 용량은 주택지원사업의 경우 28 MW, 공공건물의 경우 40 MW에 이르고 있다[1]. 이와 같이 태양광 발전 설비의 설치 장소는 가정용과 같은 소규모 건축물에서부터 중·대규모 건축물까지 다양한 분포를 가진다.

참고문헌 (10)

http://www.keei.re.kr/keei/download/EDB1705.pdf
Shin, H. Y., Choi, H. K., Kim, Y. K., An, Y. K., Choi, J. Y., Yoon, C. G., Lim, M. H., Kim, J. S., and Seo, B. G., 2009, The efficiency of solar cell related to temperature, Proceedings of KIIEE Annual Conference, pp. 356-359.
Kim, J. S., Kim, D. W., Lee, J. H., Park, W. S., and Oh, H., 2014, Studies efficiency change according to the temperature characteristics of the solar module, Proceedings of KAICS Annual Conference, pp. 215-217.
No, S. T., Comparison of measured and predicted photovoltaic electricity generation and input options of various softwares, 2014, Journal of KIEAE, Vol. 14, No. 6, pp. 87-92.
Ruijun Zhang, Parham A. Mirzaei, and Jan Carmeliet, 2017, Prediction of the surface temperature of building-integrated photovoltaics: Development of a high accuracy correlation uisng computational fluid dynamics, Solar Energy, Vol. 147, pp. 151-163.

상세보기
Can Coskun, Ugurtan Toygar, Ozgur Sarpdag, and Zutal Oktay, 2017, Sensitivity analysis of implicit correlations for photovoltaic module temperature: A review, Journal of Cleaner Production, Vol. 164, pp. 1474-1485.

상세보기
Kuwano Yukinori, 1990, Solar cells and their applications, Power, Tokyo, pp. 41-42.
Park, H. N. and Kim, H. S., Analysis of electrical characteristics of PV cells considering ambient temperature and irradiance level, 2016, Transactions of Korean Institute of Power Electronics, Vol. 21, No. 6, pp. 481-485.

원문보기 상세보기
Yum, S. B., Choi, H. K., Choi, Y. J., Hong, S. G., and Kim, T. H., 2009, Solar photovoltaic according to installation of cooling system, Journal of Korean Institute of Illuminating and Electrical Installtion Engineers, Vol. 23, No. 5, pp. 66-71.
Nakazima Yasutaka and Kasaki Kazutosi, 1998, Solar energy technology, Ohmsha, Tokyo, pp. 121-122.

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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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