[논문]수상/해상 태양광발전 시스템의 패키징 기술개발 동향

최수빈; 김명훈; 김광석

doi:10.6117/kmeps.2020.27.3.021

수상/해상 태양광발전 시스템의 패키징 기술개발 동향
Trend of Packaging Technology for Floating Photovoltaics 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.3, 2020년, pp.21 - 27

최수빈 (한국생산기술연구원 탄소소재응용연구그룹) , 김명훈 (한국생산기술연구원 탄소소재응용연구그룹) , 김광석 (한국생산기술연구원 탄소소재응용연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

The importance of floating photovoltaic systems has recently been emerging to address some issues arising from the installation of conventional ground-mounted photovoltaics. Floating photovoltaics have a few advantages such as cutting down land usage, reducing water evaporation or creating algae. Though there is still necessity to supplement with technical issues: mechanical stability, reliability and long-term durability of floaters and modules. In this paper, we focus the current level of packaging development and introduce research trends that could be applied to next-generation floating photovoltaics.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Global installed floating photovoltaic capacity.¹⁰⁾
표 Table 1. Potential and power production of floating photovoltaic available in artificial reservoirs¹²⁾
그림 Fig. 2. Pontoons for floating photovoltaic developed by (a) Scotra,²¹⁾ (b) NemoENG²²⁾ and (c) Efloat.²³⁾
그림 Fig. 3. Module of floating photovoltaic developed by Hanhwa Q cell.²⁴⁾
그림 Fig. 4. Characterization of the properties of encapsulation films. (a) Structure schematic diagram of the perovskite solar cell and cross-section SEM image of perovskite solar cell with encapsulation layer. (b) TEM image of barrier layer on the perovskite solar cells.²⁵⁾
그림 Fig. 5. (a) 3D scheme of the flexible floating DSC (Dye-sensitized solar cell) architecture, and the assembled cell in (b) flat and (c) bent configuration.⁶⁾
6)" alt="Fig. 6. (a) "Fakir"-shaped external side of the PDMS membrane; (b, c) FESEM images of the pillared array uniformly distributed on the PDMS surface; (d) super-hydrophobic nature of the fabricated substrate as verified by water-contact- angle measurement.⁶⁾" onerror="this.src='/images/noimg.png'" class="objectfit" /> 그림 Fig. 6. (a) "Fakir"-shaped external side of the PDMS membrane; (b, c) FESEM images of the pillared array uniformly distributed on the PDMS surface; (d) super-hydrophobic nature of the fabricated substrate as verified by water-contact- angle measurement.⁶⁾
그림 Fig. 7. Daily average operating temperature (weighted against irradiance) for 2 floating structures. T1 to T4 (or T3) refers to different temperature sensors present on that floating platform. The module temperature for the rooftop reference system is shown in gray dashed line.³⁰⁾
그림 Fig. 8. Total specific yield and (Right) performance ratio for the floating photovoltaic systems as well as the rooftop reference system for the period of half a year from April to September 2017.³⁰⁾
표 Table 2. Summary of features and designs for various FPV systems (sub-systems) in the testbed³⁰⁾

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

특히, 해수면에 위치하고 있을 때는 염분에 의해 부유체나 모듈이 부식되지 않도록 내염성을 지녀야 한다.⁵⁾ 이러한 특성을 모두 만족하기 위해서는 패키징 기술이 무엇보다 중요하므로 최근 연구되고 있는 수상/해상 태양광 패키징 기술에 대해 살펴보고자 한다.
본 고에서는 수상/해상 태양광발전에 대한 기술 및 연구 동향을 파악하고자 최근에 주목받는 관련 연구기관과 업체의 프로젝트를 살펴보았고, 차세대 부유식 태양광에 적용 가능한 패키징 기술 연구결과를 소개하였다. 수상/해상 태양광발전 상용화의 시작 단계에서 주목해야 할 이슈와 보완해야 할 내용을 통해 설치 환경에서 요구되는 안정성과 내구성에 대한 명확한 기준 확립이 필요함을 알 수 있다.
본 논문에서는 수상/해상 태양광발전 산업의 특성과 국내·외 시장 동향을 파악하고, 패키징 기술 개발을 통해 수상/해상 태양광발전 시스템이 직면하고 있는 문제 개선을 위한 최근 연구 결과를 소개하고자 한다.

제안 방법

30) 싱가포르의 Tengeh 저수지에 설치된 테스트베드를 기준으로 성능 평가를 하였으며, 해당 태양광발전은 1 MW 용량으로 설계했다.
제한된 국토 내에서 에너지 수요를 만족시키기 위한 새로운 방식이 요구되었는데, 대안으로 부유 구조물과 태양광 시스템을 결합하여 저수지나 댐 혹은 바다의 수면 위에 설치하는 방식인 수상/해상 태양광발전 (Floating photovoltaic, FPV) 시스템이다.^5-7)수상/해상 태양광발전은 육상 태양광 대비 시설 유지에 관한 기술들이 추가적으로 요구되어 설치 비용이 1.
태양광발전 시스템의 성능을 확인하기 위해 8개의 부유식 태양광발전과 지상식 샘플의 에너지 수율과 PR을 비교 평가하였고 각 부유식 태양광발전의 특성과 디자인은 Table 2에 나타나있다. Fig.
테스트베드가 설치된 환경의 온·습도, 바람 및 반사계수를 고려하여 모듈 온도, 시스템 수율(Specific yield) 및 성능 척도(PR; Performance ratio) 분석을 하였다.

대상 데이터

2(c)). 충남 서산 모월 저수지와 청양군 저수지에서 설비를 실증하였으며, 현재 베트남에 대규모 수상 태양광 설치를 위해 실증테스트를 진행 중이다.²³⁾

성능/효과

1) 신재생에너지의 종류로는 3종의 신에너지와 8종의 재생에너지가 있으며, 전체 전기에너지에서 신재생에너지에 의해 발전된 에너지가 차지하는 비중이 점차 증가하는 추세이다. 태양광발전은 유지보수가 용이하고 에너지원이 사실상 무한하기 때문에 전 세계적으로 많이 이용되고 있으며, 국내·외에서 산업용 대규모 사업은 물론 소규모 일반가정용 태양광발전 설비까지 널리 이용되고 있다.
18) 부유체는 부유일체형 타입과 기구형부유체 타입으로 크게 분류되며, 특징이 명확히 구분되므로 설치 장소에 따라 용도에 맞는 타입을 적용해야 한다.¹⁹⁾ 부유일체형 타입은 시공이 간단하고 단가가 저렴하다는 장점을 가지고 있지만 빠른 수위변화나 유속에 취약한 구조이므로 해상 태양광발전에는 적합하지 않다.
¹⁸⁾ 부유체는 부유일체형 타입과 기구형부유체 타입으로 크게 분류되며, 특징이 명확히 구분되므로 설치 장소에 따라 용도에 맞는 타입을 적용해야 한다.¹⁹⁾ 부유일체형 타입은 시공이 간단하고 단가가 저렴하다는 장점을 가지고 있지만 빠른 수위변화나 유속에 취약한 구조이므로 해상 태양광발전에는 적합하지 않다. 이 때 적용하는 방식이 기구형부유체타입으로 하중 안정성이 우수하고 기계적 강도가 뛰어난 프레임을 기반으로 하여 주로 풍속이 강하고 유속이 빠른 곳에 적용할 수 있다.
Fig. 6에서 보이는 것과 같이 PDMS 표면은 “Fakir” 형태의 패턴을 디자인해 극도의 소수성을 유도하였으며, 이러한 소재와 구조를 통해 소자 자체가 수면에 부유할 수 있으며 대면적으로 제조할 경우 차세대 부유형 태양광발전이 가능할 것으로 보인다.
그래프의 reference 샘플은 육상 태양광발전 시스템으로 온도 비교를 위해 함께 표기하였다. Fig. 7에서 알 수 있듯이 두 종류의 부유식 태양광발전 시스템은 육상 시스템에 비해 모듈의 동작온도가 낮았다. 두 구조 모두 센서의 위치에 따라 온도가 균일하게 나타나지 않았는데, 이는 한 플랫폼 내에서도 위치에 따라 냉각 효과에 차이가 있음을 의미하므로 정밀한 냉각 성능 평가를 위해서는 온도 측정 위치와 충분한 측정 개수를 고려해야 한다.
부유식 태양광발전 시스템은 육상식에 비해 보다 우수한 에너지 수율과 PR을 갖는 점을 확인할 수 있다. PR 평가 결과에서는 모듈 냉각 특성이 가장 우수했던 system H가 가장 높은 성능 값을 나타냈다. 부유식 태양광발전이 평균적으로 80% 이상의 PR을 나타내는 것에 반해 부진한 결과를 나타낸 시스템들도 있었는데, 자세한 조사 결과 조류 배설물이나 오염에 의해 전력 및 생산 손실이 있는 것으로 밝혀졌다.
알루콘이 지닌 메틸기는 물 분자를 분해하는 반응을 일으켜 습도가 높은 환경에서 수증기의 침투를 억제하는데 우수한 특성을 나타낸다. 봉지된 소자의 내수성을 평가하기 위해 태양전지를 물속에 300분 담그거나 상대습도 80%인 환경에 2,000시간 노출한 후 효율을 측정했을 때 초기 값의 96%를 나타내 추후 부유식 태양광발전에 적용 가능할 것으로 전망된다. 파도에 의한 충격을 완화하기 위해 유연한 형태의 해상 태양광발전이 주목받고 있는데, 이탈리아 Turin 대학교의 F.
PR 평가 결과에서는 모듈 냉각 특성이 가장 우수했던 system H가 가장 높은 성능 값을 나타냈다. 부유식 태양광발전이 평균적으로 80% 이상의 PR을 나타내는 것에 반해 부진한 결과를 나타낸 시스템들도 있었는데, 자세한 조사 결과 조류 배설물이나 오염에 의해 전력 및 생산 손실이 있는 것으로 밝혀졌다. 전반적으로 부유식 태양광발전 시스템은 냉각 성능에 의해 높은 효율을 나타낼 수 있다는 상관관계를 확인하였으나 모듈 특성이나 시스템 배치와 같은 기타 요소 역시 시스템 성능을 평가하는데 적지 않은 영향을 미친다고 볼 수 있다.

후속연구

1 GW 수준의 수상 태양광 사업을 추진하기로 공표했다.¹¹⁾ Table 1과 같이 대륙별 인공저수지에 설치 가능한 수상 태양광의 잠재력 및 전력생산량을 고려해보면, 현재 진행 중인 프로젝트들을 시작으로 향후 수상/해상 태양광발전 사업 확장에 더욱 박차를 가할 것으로 전망된다.¹²⁾
16) 해당 사업에서 태양광모듈 제조사들의 수출을 보조하는 역할을 맡은 한국산업기술시험원은 모듈, 접속함, 인버터 외함, 부유체 및 구조체에 대해 국내·외 규격에 따른 성능/시험평가 방법을 개발하여 최적화 기준을 마련할 계획이다.
¹⁶⁾ 해당 사업에서 태양광모듈 제조사들의 수출을 보조하는 역할을 맡은 한국산업기술시험원은 모듈, 접속함, 인버터 외함, 부유체 및 구조체에 대해 국내·외 규격에 따른 성능/시험평가 방법을 개발하여 최적화 기준을 마련할 계획이다.¹⁷⁾ 이를 통해 안정성과 신뢰성을 보증할 수 있는 수상/해상 태양광발전용 신뢰성 평가 기준도 확립할 것으로 기대된다.
또한 최근 전라북도는 신재생에너지사업을 추진하면서 수상 태양광발전에 관한 연구역량 확보에 주력하고 있다. 수상 태양광 종합평가센터 구축사업으로 수상, 염해 간척지 등에 적용 가능한 모듈 및 부유체 등을 평가할 수 있는 센터를 조성할 예정이다.¹⁶⁾ 해당 사업에서 태양광모듈 제조사들의 수출을 보조하는 역할을 맡은 한국산업기술시험원은 모듈, 접속함, 인버터 외함, 부유체 및 구조체에 대해 국내·외 규격에 따른 성능/시험평가 방법을 개발하여 최적화 기준을 마련할 계획이다.
전반적으로 부유식 태양광발전 시스템은 냉각 성능에 의해 높은 효율을 나타낼 수 있다는 상관관계를 확인하였으나 모듈 특성이나 시스템 배치와 같은 기타 요소 역시 시스템 성능을 평가하는데 적지 않은 영향을 미친다고 볼 수 있다. 이러한 분석 결과들은 부유식 태양광발전 시스템의 성능을 평가할 때 단일 요소보다는 다양한 요소들을 복합적으로 고려해야 하며, 모듈 외 시스템 주요 구성 요소인 부유체나 계류장치 등의 성능 평가 기준 확립도 이루어져야 한다는 점을 시사한다.
안정성을 갖추기 위해서는 무엇보다도 패키징 기술이 중요한데, 이에 관한 연구결과를 살펴보면 주로 내수성을 보완하여 효율을 증가시키는 방식으로 연구가 이루어지고 있으며, 추가로 부유체를 설치하지 않아도 자체적으로 부유할 수 있는 소재를 선택하고 구조를 디자인하는 연구도 찾아볼 수 있다. 토지를 개간하지 않아도 유휴 수면에 설치를 한다는 점에서 가장 환경친화적인 신재생 에너지원이라는 평가를 받는 수상/해상 태양광발전의 수요는 꾸준히 증가할 것으로 예측되므로, 안정성과 내구성을 평가하기 위한 보다 엄격한 정책이 확립되고, 이를 갖추는 방향으로 연구가 진행된다면 수상/해상 태양광발전 시장이 더욱 활성화될 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부유체는 어떻게 분류되는가?	수상 태양광발전에서 부유체와 계류시설은 전체 설비에서 43%로 매우 높은 비율을 차지하며, 시설물의 안정성 유지에 중요한 역할을 하고 있다.18) 부유체는 부유일체형 타입과 기구형부유체 타입으로 크게 분류되며, 특징이 명확히 구분되므로 설치 장소에 따라 용도에 맞는 타입을 적용해야 한다.19) 부유일체형 타입은 시공이 간단하고 단가가 저렴하다는 장점을 가지고 있지만 빠른 수위변화나 유속에 취약한 구조이므로 해상 태양광발전에는 적합하지 않다.
	수상/해상 태양광이 해결해야 할 개선점은 무엇인가?	수상/해상 태양광이 많은 장점과 기대효과를 가지고 있지만 아직까지 해결해야 할 이슈들이 남아있다. 우선, 태풍이나 해일과 같은 자연재해에 의해 급격하게 변화하는 수위나 바람 등의 환경에도 설비가 파손되면 안 되고, 해상에 설치하는 경우에는 염분에 의한 부식도 고려해야 한다. 지상식 태양전지에도 수분으로부터의 보호막을 형성하기는 하지만 수상 환경에서 작동하기 위해서는 더욱 까다로운 안전 기준이 확립되어야 한다.13) 또한 기존 시스템에 케이블 및 지지대를 추가로 설치해야 하므로 초기 설치 단가가 상대적으로 비싸다. 수상/해상 태양광발전 사업 확장을 위해서는 설치 단가 감소가 가능한 제조 및 설치 기술을 요구한다.
	수상/해상 태양광발전의 장점은 무엇인가?	수상/해상 태양광발전은 기존에 사용하지 않는 수역에 설치가 가능하기 때문에 다른 용도로 사용될 수 있는 토지 사용을 줄일 수 있고, 수면에 설치되면 냉각 효과가 유도되어 전력 생산 효율의 증대로 이어진다는 것을 가장 큰 장점으로 보고 있다. 또한 저수지나 댐에 설치 시 식수 혹은 관개용으로 이용 가능한 물의 증발을 막을 수 있고, 조류의 성장을 억제할 수 있다.8,9) 이러한 장점으로 현재 국내·외에서 본격적으로 사업이 확장되고 있다.

참고문헌 (30)

F. Shariatzadeh, P. Mandal, and A. K. Srivastava, "Demand response for sustainable energy systems: A review, application and implementation strategy", Renewable Sustainable Energy Rev., 45 , 343 (2015).
E. W. McFarland, "Solar energy: setting the economic bar from the top-down", Energy Environ. Sci., 7, 846 (2014).

상세보기
M. A. Green, "Commercial progress and challenges for photovoltaics", Nat. Energy, 1, 15015 (2016).

상세보기
H. Tanaka and K. S. Kim, "Reliability evaluation for photovoltaic modules", J. Microelectron. Packag. Soc., 19(2), 1 (2012).
K. Trapani and M. R. Santafe, "A review of floating photovoltaic installations: 2007-2013", Prog. Photovoltaics, 23, 524 (2015).
F. Bella, A. Lambetti, S. Bianco, E. Tresso, C. Gerbaldi, and C. F. Pirri, "Floating, Flexible Polymeric Dye-Sensitized Solar-Cell Architecture: The Way of Near-Future Photovoltaics", Adv. Mater. Technol., 1, 160002 (2016).
C. Ferrer-Gisbert, J. J. Ferran-Gozalvez, M. R. Santafe, P. F. Gisbert, F. J. Sanchez-Romero, and J. B. Torregrosa-Soler, "A new photovoltaic floating cover system for water reservoirs", Renewable Energy, 60, 63 (2013).

상세보기
N. Zhang, G. Chen, Y. Xu, X. Xu, and L. Yu, "Power Generation, Evaporation Mitigation, and Thermal Insulation of Semitransparent Polymer Solar Cells: A Potential for Floating Photovoltaic Applications", ACS Appl. Energy Mater., 2, 6060 (2019).

상세보기
M. R. Santafe, J. B. T. Soler, F. J. S. Romero, P. S. F. Gisbert, J. J. F. Gozalvez, and C. M. F. Gisbert, "Theoretical and experimental analysis of a floating photovoltaic cover for water irrigation reservoirs", Energy, 67, 246 (2014).
World Bank Group, "Floating Solar Market Report-Excutive Summary", 1, ESMAP (2018).
https://zdnet.co.kr/view/?no20200803175851
Korea energy agency, "Analysis report of floating photovoltaic market" (2018).
S. H. Lee, B. M. Park, K. H. Kim, Y. C. Chang, J. Pyee, and H. J. Chang, "Effects of passivation thin films by spray coatings on properties of flexible CIGS solar cells", J. Microelectron. Packag. Soc., 23(3), 57 (2016).
https://www.yna.co.kr/view/AKR20150330043800009
http://m.cnews.co.kr/m_home/view.jsp?idxno201801031136520120985
http://www.electimes.com/article.asp?aid1592444853200365002
http://m.solartodaymag.com/news/articleView.html?idxno9019
Korea institute of civil engineering and building technologt, "Preliminary study on development of buoyant body and mooring system for marine solar power plant" (2018).
Y. K. Choi, N. H. Lee, A. K. Lee, and K. J. Kim, "A study on major design elements of tracking-type floating photovoltaic systems", Int. J. Smart Grid Clean Energy, 3, 70 (2014).
http://www.fntoday.co.kr/ews/articleView.html?idxno203502
http://www.scotra.co.kr/
http://nemoeng.com/new/
http://efloat.co.kr/
https://www.q-cells.com/
H. Wang, Y. Zhao, Z. Wang, Y. Liu, Z. Zhao, G. Xu, T. Han, J. Lee, C. Chen, D. Bao, Y. Huang, Y. Duan, and Y. Yang, "Hermetic seal for perovskite solar cells: An improved plasma enhanced atomic layer deposition encapsulation", Nano Energy, 69, 104375 (2020).

상세보기
B. Conings, J. Drijkoningen, N. Gauquelin, A. Babayigit, J. D'Haen, L. D'Olieslaeger, A. Ethirajan, J. Verbeeck, J. Manca, E. Mosconi, F. De Angelis, and H. G. Boyen, "Intrinsic thermal instability of methylammonium lead trihalide perovskite", Adv. Energy Mater., 5, 8 (2015).
K. W. Bong, J. L.ee, and P. S. Doyle, "Stop flow lithography in perfluoropolyether (PFPE) microfluidic channels", Lab Chip, 14, 4680 (2014).

상세보기
J. Zhang, A. Wang, and S. Seeger, "Nepenthes Pitcher Inspired Anti-Wetting Silicone Nanofilaments Coatings: Preparation, Unique Anti-Wetting and Self-Cleaning Behaviors", Adv. Funct. Mater., 24, 1074 (2014).

상세보기
https://standard.go.kr/KSCI/standardIntro/getStandardSearch-View.do?menuId919&topMenuId502&upperMenuId503 &ksNoKSC8561&tmprKsNoKSC8561&reformNo04
H. Liu, V. Krishna, J. L. Leung, T. Reindl, and L. Zhao, "Field experience and performance analysis of floating PV technologies in the tropics", Prog. Photovolt. Res. Appl., 26, 957 (2018).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증