[논문]IEC 우박시험에 대한 태양광모듈 충돌 해석

박정재; 박치용; 류재웅

doi:10.7836/kses.2020.40.4.023

IEC 우박시험에 대한 태양광모듈 충돌 해석
Hail Impact Analysis of Photovoltaic Module using IEC Test 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.40 no.4, 2020년, pp.23 - 33

박정재 (한국수력원자력(주) 중앙연구원 그린에너지연구소) , 박치용 (한국수력원자력(주) 중앙연구원 그린에너지연구소) , 류재웅 (한국수력원자력(주) 중앙연구원 그린에너지연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The loss in photovoltaic power due to hailstorms has been highlighted as a major issue in the sustained growth of the PV power plant industry. This study investigates the safety of a solar module by conducting a numerical analysis of a hail test according to the IEC 61215 standard. Our study aims to elucidate the detailed behavior between the ice and solar modules and the micro-cracks forming on solar modules during hailstorms. To analyze the impact of hail, we used the ANSYS AUTODYN software to evaluate the impact characteristics on a solar module with different front glass thicknesses. The simulations show that a solar module with a glass thickness of 4.0 mm results in excellent durability against hail. The results indicate the feasibility of using simulations to analyze and predict micro-cracks on solar modules tailored to various conditions, which can be used to develop new solar modules.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1 Ice properties on analysis parameters
표 Table 2 Glass properties on analysis parameters
표 Table 3 Polyurethane properties on analysis parameters
표 Table 4 Silicon carbide properties on analysis parameters
표 Table 5 Aluminum 6061-T6 properties on analysis parameters
그림 Fig. 1 Validation of ice particle impacting aluminum substrate¹²⁾.
그림 Fig. 2 Hail impact modelling
표 Table 6 Summary of hail ice impact conditions using in simulation
그림 Fig. 3 Effective strain contours and progress of hail impaction on module
그림 Fig. 4 (a) Kinetic energy-time curve, (b) Penetration distance-time curve of ice and module
그림 Fig. 5 Effective strain contours and increasing KE at different impact times on 2.0 mm glass thickness module
그림 Fig. 6 Internal damage results of silicon solar cells with different glass thickness

AI 본문요약
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문제 정의

. IEC 61215의 우박 시험(Hail test)은 태양광모듈이 얼음 충격에 견딜 수 있는지 검증하는 것이 목적이다. 절차는 다음과 같다.
본 논문은 IEC 기준에 따라 우박 시험 조건을 충돌 해석 프로그램으로 구현하였고 태양광모듈의 전면 유리 두께를 변화하여 충돌 해석을 수행하였다. 우박 충돌 시 얼음 입자의 거동이 태양광모듈에 미치는 영향을 분석하여 태양광모듈의 건전성을 평가하고자 한다.

가설 설정

인명 피해 뿐만 아니라 재산피해 역시 증가하고 있다. 강력한 우박 폭풍은 태양광모듈에 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. 우박 충돌로 인한 태양광모듈의 피해는 전면 유리를 파손시키는 1차 피해가 있고 태양광모듈 내 실리콘 태양전지의 미세균열(micro-crack)을 발생시키는 2차 피해가 있다.
따라서 전면유리 두께는 태양광모듈의 건전성에 밀접한 관계가 있기 때문에 다양한 두께에 대한 충돌 해석을 수행하였다. 본 연구에서 태양광모듈 내 태양전지의 파손은 변형률이 15% 이상의 경우로 가정하였는데 이는 Yoon et al.¹⁶⁾에서 가정한 구성품의 파손 가정과 동일하게 적용하였다.
6은 얼음 입자의 운동에너지와 유리 두께 변화에 따라 충돌 후 태양광모듈 내부 실리콘 태양전지의 변형률 변화를 관찰한 결과이다. 실리콘 태양전지의 변형률이 15% 이상일 경우 파손 되었다고 가정하였고 충돌 후 소요되는 시간을 확인하였다. Fig.
3의 충돌 시뮬레이션 결과를 시간의 변화에 따른 운동에너지와 이동거리의 변화로 나타냈다. 얼음 입자의 운동에너지는 태양광모듈과 충돌하여 점차 감소한다. 반대로 태양광모듈의 운동에너지는 정적인 상태에서 얼음 입자의 충돌로 인해 증가하다 감소한다.
절차는 다음과 같다. 우박 시험은 일정 지름을 갖는 얼음을 규정 속도로 태양광모듈에 발사하여 타격 영역의 손상에 대하여 현저한 육안 결함이 없어야 하며 우박 시험 이전 출력 저하가 5%를 초과해서는 안 된다. 우박 충돌에 의한 태양광모듈의 손상, 전력 손실, 경제적 피해 등에 관한 문헌들이 보고되어 왔다^3-4).
유리 두께의 증가는 얼음 입자의 운동에너지 변화에 따라 실리콘 태양전지 내부의 파손을 감소시켰다. 태양광모듈의 전면유리는 얼음 입자와 충돌 시 얼음 입자의 운동에너지를 완충시켜 실리콘 태양전지의 내부 파손을 최소화시킨다. 태양광모듈의 유리 두께의 증가가 충돌 시 발생한 운동에너지의 완충 효과가 반영되어 나타난 결과로 추정한다.
태양광모듈을 구성하는 각 층은 완전 접촉(노드 공유)되어 있어 동일한 변형량을 갖도록 설계하였다. 태양광모듈의 형상은 원판으로 가정하였고 구성요소는 4절점의 사각형 요소로 격자를 생성하였다. Fig.

제안 방법

규격화된 태양광모듈(1600 × 980 mm²)의 중량 중 전면유리가 전체 태양광모듈의 약 65% 이상을 차지한다¹⁵⁾. 따라서 전면유리 두께는 태양광모듈의 건전성에 밀접한 관계가 있기 때문에 다양한 두께에 대한 충돌 해석을 수행하였다. 본 연구에서 태양광모듈 내 태양전지의 파손은 변형률이 15% 이상의 경우로 가정하였는데 이는 Yoon et al.
충돌 해석은 얼음 입자의 운동에너지와 태양광모듈을 보호하는 유리 두께를 대상으로 수행하였고 얼음 입자 충돌과정에서 발생되는 입자의 거동과 태양광모듈의 외부 파손을 관찰하였다. 또한 태양광모듈의 유리 두께의 변화가 얼음 입자 충돌 시 발생되는 모듈 내 실리콘 태양전지의 파손 여부를 분석하였다. 연구 결과는 우박 시험 결과를 통해 직접적인 모듈 파손여부 뿐만 아니라 육안으로 확인이 어려운 태양광모듈 내 실리콘 태양전지의 미세균열을 관측하고 예측하는데 활용이 가능하다.
본 논문은 IEC 기준에 따라 우박 시험 조건을 충돌 해석 프로그램으로 구현하였고 태양광모듈의 전면 유리 두께를 변화하여 충돌 해석을 수행하였다. 우박 충돌 시 얼음 입자의 거동이 태양광모듈에 미치는 영향을 분석하여 태양광모듈의 건전성을 평가하고자 한다.
본 연구는 IEC 61215에서 수행하는 태양광모듈의 신뢰성 평가 중 우박 시험을 전산해석으로 모사하여 실리콘 태양광모듈 내부 미세균열을 평가하였다. 충돌 해석은 경계조건을 단순화하여 수행하였기 때문에 실제 우박 시험과 동일한 결과로 볼 수 없으나 우박 충돌에 대한 연구실 실험과 현장 사례에서 나타나는 결과와 해석 결과는 유사함을 보였다.
충돌 해석은 전산해석에 소요되는 시간과 비용을 최소하화기 위해 2차원 축대칭 형태로 얼음 입자와 태양광모듈에 대한 모델링을 수행하였다. 충돌 해석에서 태양광모듈은 유리 기판, 봉지재, 실리콘 태양전지, 봉지재 순으로 각 층을 이루고 있으며 라그랑지안 요소로 모델링하였다. 태양광모듈을 구성하는 각 층은 완전 접촉(노드 공유)되어 있어 동일한 변형량을 갖도록 설계하였다.
충돌 해석은 경계조건을 단순화하여 수행하였기 때문에 실제 우박 시험과 동일한 결과로 볼 수 없으나 우박 충돌에 대한 연구실 실험과 현장 사례에서 나타나는 결과와 해석 결과는 유사함을 보였다. 충돌 해석은 얼음 입자의 운동에너지와 태양광모듈을 보호하는 유리 두께를 대상으로 수행하였고 얼음 입자 충돌과정에서 발생되는 입자의 거동과 태양광모듈의 외부 파손을 관찰하였다. 또한 태양광모듈의 유리 두께의 변화가 얼음 입자 충돌 시 발생되는 모듈 내 실리콘 태양전지의 파손 여부를 분석하였다.
IEC 61215 우박 시험과 동일하게 전산해석 모델링을 수행하였다. 충돌 해석은 전산해석에 소요되는 시간과 비용을 최소하화기 위해 2차원 축대칭 형태로 얼음 입자와 태양광모듈에 대한 모델링을 수행하였다. 충돌 해석에서 태양광모듈은 유리 기판, 봉지재, 실리콘 태양전지, 봉지재 순으로 각 층을 이루고 있으며 라그랑지안 요소로 모델링하였다.
태양광모듈은 다양한 재료로 구성되는데 본 연구는 태양광모듈의 구성요소를 유리, 봉지재, 실리콘 태양전지, 그리고 봉지재 순서로 단순화하였다. 태양광모듈을 고정하는 알루미늄 프레임은 제외하였다.

대상 데이터

8 m/s로 설정하였다. 충돌 기판의 재료는 Aluminum 6061-T6으로 실험과 동일한 재질이고 출돌 기판의 직경은 입자와 동일한 크기를 사용하였다. 모델 검증을 위한 충돌 해석은 표1과 표5에 재료의 물성 값과 모델을 정리하였다.

데이터처리

IEC 61215 우박 시험과 동일하게 전산해석 모델링을 수행하였다. 충돌 해석은 전산해석에 소요되는 시간과 비용을 최소하화기 위해 2차원 축대칭 형태로 얼음 입자와 태양광모듈에 대한 모델링을 수행하였다.
본 연구에 적용된 해석 방법의 적합성을 검증하기 위해 우박 충돌 실험에서 사용한 충돌 과정을 비교하였다¹²⁾. 얼음 입자 충돌 실험은 61.

이론/모형

얼음 입자는 ANSYS workbench의 engineering data에서 제공하는 물을 사용하고 참고문헌의 물성 값과 모델을 추가하였다. 얼음 입자의 상태방정식은 EOS, Strength 모델은 Johnson cook, Failure 모델은 Principal stress를 적용하였다^11-13).
충돌 해석에 사용한 재료의 물성 값과 모델은 Table 1부터 4까지 정리하였다. 충돌 해석은 부서지기 쉬운 물질의 충돌 해석을 위해 유한요소를 사용하지 않는 SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) 방법을 적용하였다. 이 방법은 요소 왜곡현상이 발생하지 않아 입자의 충돌 해석의 정확도가 높다¹¹⁾.
이 방법은 요소 왜곡현상이 발생하지 않아 입자의 충돌 해석의 정확도가 높다¹¹⁾. 태양광모듈은 라그랑지안 기법으로 유한 요소 모델링을 수행하였다. 해석의 단순화로 인해 모듈 구성부품의 변형률에 차이가 발생될 수 있으나 우박 충돌에 따른 실리콘 태양전지의 미세균열 경향을 분석하는데 있어 큰 영향이 없을 것으로 판단된다.

성능/효과

태양광모듈의 유리 두께의 증가가 충돌 시 발생한 운동에너지의 완충 효과가 반영되어 나타난 결과로 추정한다. 따라서 4.0 mm의 유리 두께를 갖는 태양광모듈이 얼음 입자 충돌에서 내구성이 우수한 결과를 보였다. 이러한 결과는 다른 문헌의 결과와 일치한다.
1은 검증 모델의 입자의 거동과 실험의 얼음 입자의 거동 과정이 유사함을 보였다. 따라서 본 연구에서 사용한 우박 충돌 해석 방법은 적절한 것으로 판단된다.
3 ms 이내에 모두 파손되었다. 유리 두께가 증가한 3.2와 4.0 mm의 태양광모듈들은 7.66 J의 운동에너지를 갖는 얼음에 대해서 모두 안정적이었다. 다만 46.

후속연구

연구 결과는 우박 시험 결과를 통해 직접적인 모듈 파손여부 뿐만 아니라 육안으로 확인이 어려운 태양광모듈 내 실리콘 태양전지의 미세균열을 관측하고 예측하는데 활용이 가능하다. 따라서 새로운 형태의 태양광모듈에 대한 신뢰성 및 정밀 분석에 활용하여 신뢰성 평가를 위한 시간을 단축 가능할 것으로 판단된다. 충돌 해석 결과향후, 실제 태양광모듈이 설치장소를 기반으로 전산해석 연구를 추가적으로 수행하여 기후 변화로 인해 가혹한 조건(우박의 직경 증가 등)에서 장기 신뢰성을 갖는 태양광모듈에 대한 연구를 수행하고자 한다.
또한 태양광모듈의 유리 두께의 변화가 얼음 입자 충돌 시 발생되는 모듈 내 실리콘 태양전지의 파손 여부를 분석하였다. 연구 결과는 우박 시험 결과를 통해 직접적인 모듈 파손여부 뿐만 아니라 육안으로 확인이 어려운 태양광모듈 내 실리콘 태양전지의 미세균열을 관측하고 예측하는데 활용이 가능하다. 따라서 새로운 형태의 태양광모듈에 대한 신뢰성 및 정밀 분석에 활용하여 신뢰성 평가를 위한 시간을 단축 가능할 것으로 판단된다.
따라서 새로운 형태의 태양광모듈에 대한 신뢰성 및 정밀 분석에 활용하여 신뢰성 평가를 위한 시간을 단축 가능할 것으로 판단된다. 충돌 해석 결과향후, 실제 태양광모듈이 설치장소를 기반으로 전산해석 연구를 추가적으로 수행하여 기후 변화로 인해 가혹한 조건(우박의 직경 증가 등)에서 장기 신뢰성을 갖는 태양광모듈에 대한 연구를 수행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광발전 시스템의 특성은?	최근 신· 재생에너지 중 태양광발전 시스템은 기술적 진보와 급격한 시장의 성장으로 급속도로 확대되고 있다. 태양광발전 시스템은 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 발전의 특성으로 외부 환경에 노출되어야 한다. 따라서 태양광발전 시스템은 외부 환경에서 내부 고장 또는 성능저하 없이 시스템의 성능과 품질을 유지하는 것이 중요하다1).
	강력한 우박 폭풍으로 인해 태양광모듈에 발생하는 문제는?	강력한 우박 폭풍은 태양광모듈에 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. 우박 충돌로 인한 태양광모듈의 피해는 전면 유리를 파손시키는 1차 피해가 있고 태양광모듈 내 실리콘 태양전지의 미세균열(micro-crack)을 발생시키는 2차 피해가 있다. 1차 피해는 육안으로 확인이 가능하나 2차 피해인 태양전지의 미세균열은 육안으로 확인이 어렵고 즉시 피해(발전 손실)를 확인하는 것은 더욱 어렵다. 미세균열은 electroluminescence (EL)와 열화상 측정 장치로 확인이 가능하나 지붕 태양광발전 설비같이 측정자와 측정 장비의 접근성이 떨어지는 곳에서는 확인이 어렵다.
	이상기후 현상으로 나타난 피해는?	전 세계는 심각한 이상기후 현상으로 살인 더위, 우박 폭풍, 기록적 폭우 등 인명피해가 속출하고 있다. 인명 피해 뿐만 아니라 재산피해 역시 증가하고 있다.

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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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