[논문]반사판을 이용한 집광형 태양광 모듈 실증 연구

정혜정; 이영우; 유희수; 부성재

반사판을 이용한 집광형 태양광 모듈 실증 연구
Performance evaluation of concentrator photovoltaic modules with aluminium reflectors 원문보기

정혜정 (한국생산기술연구원) , 이영우 (프로텍 (주)) , 유희수 (광주과학기술원 과학기술응용연구소) , 부성재 (한국생산기술연구원)

본 연구에서는 알루미늄 반사판을 이용한 저집속 (2.25X) 집광형 태양광 모듈을 설계 및 제작하여 실증 연구를 실시하였다. 반사판을 이용한 집광형PV시스템의 성능향상을 평가하기 위하여, 일사량과 모듈온도 변화에 따른 출력변화와 효율변화를 평판형 모듈과 집광형 모듈에 대해서 각각 측정하고 비교하였다. 결과적으로 반사판을 사용 집속한 모듈이 약 20% 이상의 출력 증가를 보였으며, 모듈의 평균 온도 상승에도 불구하고 1.4 배의 발전효율 증가를 확인하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 '반사판을 이용한 집광형 태 양광 모듈’ (1)의 field test를 통하여 반사판을 활용한 집광장치가 일반 PV 모듈에 미치는 영향을 조사하였다.
이를 위하여 입사각과 일사량 및 모듈 온도에 따른 특성과 출력변화를 관찰하고 저가격의 반사형 광학장치를 이용한 경제적인 저집속형(< 5X) 집광형 태양광 모듈 시스템의 효율성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

반사판을 이용한 집광형 PV시스템의 성능을 평가하기 위하여, 일사량과 모듈온도 변화에 따른 출력변화와 효율변화를 평판형 모듈과 집광형 모듈에 대해서 각각 측정하고 비교하였다.
3.1 실증연구 시스템 구성

성능의 비교, 평가를 위해 , 평판형 모듈(Fig. 3), (Fig. 4), 집광형 모듈 집광형 모듈 시스템(Fig. 5)을 설치하여 측정 하였다.
5은 2 KW급 프로그램 방식 태양광 추적형의 집광 PV시스템으로서 계통연계형으로 제작하였다. 측정 데이터는 계통연계형 인버터를 사용하여 AC로 전환된 값을 1분 간격으로 모니터링하여 컴퓨터에 저장 하였다.
평판형 모듈은 string 모듈 4개를 결합하여 측정하고, 집광형 모듈은 string 모듈 4개와 집광 장치를 결합하여 Table 1의 조건으로 설치하여 집광에 따른 변화를 측정하였다.

대상 데이터

본 실증의 집광형 PV시스템은 단면 알루미늄 반사판, 지지대, 지지대판이 고정되어 하나의 집광장치로 구성된 line형 집광장치(Fig. 1)와 8개의 셀을 직렬로 연결하여 제작한 태양광모듈(Fig. 2)(string module) 을 결합한 구조⁽²⁾로서, 전체 집광형 PV시스템은 54개의 line형 집광장치와 51개의 평판형 태양광 모듈로 구성하여 시스템의 전체 출력은 2.1KW로 설계 되었다.
본 연구에서는 알루미늄 반사판을 이용한 저집속 (2.25X) 집광형 태양광 모듈을 설계 및 제작하여 실증 연구를 실시하였다.
사용된 평판형 태양광 string 모듈은 5인치 8개의 단결정 실리콘 셀로 구성되어 총 출력은 21.3W 이다.
적용된 인버터는 계통 연계형 3KW 급으로서 입력은 DC 350V 이하이고, 출력은 AC 220V, 60Hz이며 태양광 모듈을 포함한 집광형 모듈의 무게는 약 600kg으로서, 태양광 추적식으로 제작하기 위해 트래커의 지지부를 별도 제작하고 모듈 지지대 또한 바람의 영향 등을 고려하여 제작하였다.

성능/효과

결론적으로 실증연구를 통해 모듈의 평균 온도 상승에도 불구하고 1.4 배의 발전효율 증가를 확인하였다.
또한 모듈온도에 따른 출력변화를 살펴보면 동일한 낮은 모듈온도에서는 평판형 모듈과 집광형 모듈 모두 비슷한 출력을 보이고 있으며, 고온에서는 집광형 모듈의 출력이 좀 더 나은 것으로 나타났다. 특히 평판형의 경우 모듈온도는 60℃ 를 넘지 않았으며 집광형 모듈의 경우 집속에 의한 온도 증가로 약 70℃ 정도 까지 상승하였으나, 본 실증 집광형 모듈은 70℃에서도 평판형 모듈의 최고출력 수준인 80W 정도의 우수한 출력을 나타내었다.
또한 설계된 집광장치와 모듈간의 여유 공간이 공기순환으로 인하여 모듈의 온도 상승을 저하하여 2.25X의 집속에서의 모듈온도 상승을 평균 약 4℃ 정도로 억제함으로써 집속에 의한 출력상승 효과만을 강조 할 수 있었다.
반사판을 이용한 집광형 PV시스템의 성능향상을 평가하기 위하여, 일사량과 모듈온도 변화에 따른 출력변화와 효율변화를 평판형 모듈과 집광형 모듈에 대해서 각각 측정하고 비교한 결과, 반사판을 사용 집속한 모듈이 약 20% 이상의 출력 증가를 보였으며, 모듈온도 70℃에서도 집광형 모듈은 평판형 모듈의 최고출력 수준인 80W 정도의 우수한 특성을 나타내었다.
일사강도가 증가함에 따라 발전성능이 일정하게 증가하는 특성을 나타내었지만 집광형 모듈의 경우 일사량이 600~700W/m²일 때 최대 발전 성능을 나타내었다.
일사량 증가에 따라 집광형 모듈의 출력증가율이 평판형 모듈보다 훨씬 높았으며, 특히 약 550W/m² 이상의 일사량에서는 약 20% 이상의 출력 차이를 보였다.
또한 모듈온도에 따른 출력변화를 살펴보면 동일한 낮은 모듈온도에서는 평판형 모듈과 집광형 모듈 모두 비슷한 출력을 보이고 있으며, 고온에서는 집광형 모듈의 출력이 좀 더 나은 것으로 나타났다. 특히 평판형의 경우 모듈온도는 60℃ 를 넘지 않았으며 집광형 모듈의 경우 집속에 의한 온도 증가로 약 70℃ 정도 까지 상승하였으나, 본 실증 집광형 모듈은 70℃에서도 평판형 모듈의 최고출력 수준인 80W 정도의 우수한 출력을 나타내었다.

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