태양전지 모듈의 설치방향에 따른 오염특성 분석

1. 서 론

재생에너지 3020 보급 정책에 따라 국내 태양광시스템 설치가 증가되고 있다. 태양광발전시스템 중 태양전지모듈은 옥외에 설치되어 20년 이상의 장기간 동안 태양에너지를 전기에너지로 변환하는데 일사량, 온도와 같은 외부환경 요인에 영향을 받는다. 또한, 태양광발전소 주변의 나무나 장애물 또는 구름에 의해 음영이 발생될 수 있으며, 음영이 발생하게 되면 부정합 손실이 발생하여 태양광 시스템의 발전성능이 저하된다^[1~3]. 최근 환경오염으로 미세먼지, 황사와 같은 대기오염의 심각성이 커지고 있으며, 이런 환경오염으로 태양광발전소의 발전량이 감소하고 있다^[4~7]. 특히 봄철의 송홧가루, 황사로 인하여 태양전지 모듈 표면이 오염되면 입사되는 빛의 양을 감소시켜 발전 효율이 저하되며, 오염 물질의 종류나 오염 량에 따라 발전성능이 달라진다^[8~10]. 일반적으로 모듈 표면에 쌓인 오염물들은 비에 의해 씻겨내려 발전 성능을 회복하는 경우가 대부분이지만, 태양전지모듈 프레임의 두께로 인해 빗물이 자연적으로 흘러 내려가는 것을 방해하여 오염된 빗물이 고이는 현상이 발생하게 된다. 반복적인 현상은 물때의 영향이 되기도 하며, 오염물들은 모듈 하단부에 축적되어 발전 성능을 저하시킨다. 최근 태양전지모듈 제조업체들은 태양전지와 태양전지 사이 간격을 줄이고, 태양전지 면적을 크게 하는 방법 등으로 모듈의 출력 용량과 효율을 증가시키고 있다. 하지만 이로 인해 태양전지모듈 내 여백이 줄어들어 모듈 하단부에 축적되는 오염에 의해 성능 저하가 발생할 가능성이 높아진다. 그러므로 태양전지모듈을 초기 설치할 때부터 오염으로 인한 발전 성능 저하를 고려하여 설치할 필요성이 있다.

본 논문에서는 태양전지 모듈의 설치 방향에 따라 다르게 형성되는 오염을 모의하여 태양전지 모듈의 전기적인 특성과 성능 비를 분석하였다. 우선 태양전지 모듈이 가로 혹은 세로로 설치되었을 경우 각각 모듈 하단부에 쌓이는 오염들이 끼치는 영향을 분석하였다. 장기간 모듈 표면에 쌓인 오염을 가정하기 위해 태양전지 모듈에 입사되는 빛의 양을 줄일 수 있는 투과 필름을 사용하였으며, Solar Simulator를 이용해 오염물들의 면적에 따른 I-V 특성곡선을 측정하였다. 옥외 조건에서 태양전지의 결정질 종류와 모듈 설치 방향에 따라 발생되는 오염으로 인한 출력 저하 특성을 분석하였다. 옥외 특성 분석을 위해 60 cell 단결정과 다결정 태양전지 모듈을 각각 2장씩 설치하였다. 실리콘 결정질 모듈 종류별 특성을 알아보기 위하여 장기간동안 실증을 진행하였고, 각 모듈의 출력성능을 성능 비(PR)로 비교분석하였다.

2. 태양전지 모듈의 설치 방향과 오염 면적에 따른 전기적 특성 분석

태양광발전시스템은 발전소의 설치 면적 및 장소와 주변 환경에 따라 최적 경사각을 고려하여 태양전지 모듈을 세로 혹은 가로로 설치하게 된다^[11]. 이때 모듈이 설치되는 방향과 각도에 따라서 오염 물질들이 표면에 쌓이는 정도가 다르게 된다. 일반적으로 사용되는 60 cell 규격(6 × 10)의 태양전지 모듈을 가로로 설치하였을 경우에는 Fig. 1의 (a), 세로로 설치하였을 경우는 Fig. 1의 (b)와 같다. 태양전지 모듈 표면에 먼지나 황사와 같은 오염 물질이 쌓일 경우 일반적으로 모듈의 하단부에 축적된다. 즉, 모듈이 가로로 설치된 경우에는 Fig. 1의 (a)와 같이 모듈 하단부에 10장의 태양전지들이 오염 물질에 의해 영향을 받게 되며, 모듈이 세로로 설치된 경우에는 Fig. 1의 (b)와 같이 모듈 하단부에 6장의 태양전지 셀들이 오염에 영향을 받는다.

Fig. 1.

Each installation direction of PV modules and locations of soiling

본 절에서는 태양전지 모듈의 오염 위치에 따른 전기적 특성을 분석하기 위해 Solar Simulator를 이용하여 출력 성능을 측정하였다. 출력성능 측정 모듈은 옥외 설치된 모듈과 동일한 60 cell 규격의 다결정 태양전지 모듈을 사용하였으며, 측정된 모듈의 출력성능 데이터는 Table 1과 같다.

Table 1.

Spec. of PV module

모듈의 설치 방향과 오염 면적에 따른 특성을 분석하여 위해 오염 면적을 변화시키며 출력특성을 측정하였다. 장기간에 걸쳐 오염이 심하게 발생하였을 경우를 가정하여 투과율이 5%인 필름을 붙였으며, 오염 면적은 모듈 하단부의 1개 스트링을 전부 가렸을 경우를 최대로 가정하고 Fig. 2와 같이 오염 면적을 1/3씩 줄여가며 실험하였다. 전기적 출력을 측정하기 위해 광원 등급이 AAA인 Solar Simulator를 사용하였으며, 표준시험 조건(Standard Test Condition, Insolation = 1,000 W/m², Ambient Temperature = 25℃)에서 실험을 실시했다.

Fig. 2.

Experiment to analyze according to soiling area of each PV module installation direction

태양전지 모듈에 발생한 오염의 위치 및 면적에 따른 전기적 출력 측정 결과, Fig. 3의 (a)와 같이 모듈이 가로로 설치된 경우에는 오염에 의해 바이패스 다이오드가 동작하였다. 하지만, 세로로 설치된 경우에는 오염이 발생했음에도 Fig. 3의 (b)와 같이 바이패스 다이오드가 동작하지 않았다.

Fig. 3.

I-V characteristic cure accoding to installation direction and soiling area

가로 설치의 경우에는 모듈 내 1개의 스트링에만 오염이 발생하므로, 오염이 발생하지 않은 스트링들과의 전위차가 발생하게 된다. 이로 인해 해당 스트링과 연결된 바이패스 다이오드가 동작하게 된다. 따라서 Fig. 3의 (a)와 같이 바이패스 다이오드가 동작한 계단식 I-V 특성곡선이 나타나며, 오염 면적이 증가할수록 출력은 감소하게 된다. 세로 설치의 경우에는 오염으로 인한 음영이 모듈 전체에 영향을 주었다. 즉, 오염으로 인해 모듈 내 전위차가 발생하지 않았으며, 이로 인해 바이패스 다이오드가 동작하지 않아 Fig. 3의 (b)와 같은 I-V 특성곡선을 나타내게 된다.

모듈의 설치 방향은 오염 발생 위치를 다르게 하므로, 이로 인한 바이패스 다이오드의 동작 여부가 달라지면서 모듈의 출력 특성도 변화하게 된다. Table 2와 3은 각각 모듈이 가로와 세로로 설치되었을 경우의 오염 면적별 출력 특성을 나타낸다. 정상일 경우와 오염 면적이 1/3인 경우 모듈의 설치 방향과 상관없이 거의 비슷한 최대출력(P_max)이 나타났지만, 2/3 면적부터는 모듈의 설치 방향에 따라 최대출력이 변화하였다.

Table 2.

Output characteristics of horizontally installed PV module by each soiling area

Table 3.

Output characteristics of vertically installed PV module by each soiling area

실험결과 가로로 설치된 모듈은 오염 면적이 2/3일 경우 최대 출력이 175.66 W이였으며, 오염 면적이 1일 경우 최대 출력은 175.12 W로 2/3인 경우와 비교하여 0.54 W의 출력 차이가 발생하였다. 특히, 오염 면적이 증가하지만 단락 전류(I_sc)값은 약 9.2~9.26 A로 거의 변하지 않았다. 그러나 세로로 설치된 모듈은 오염 면적이 2/3일 경우 최대 출력이 160.03 W이였으며, 오염 면적이 1일 경우 최대 출력이 49.24 W로 2/3 대비 86.79 W의 출력 차이가 발생하였다.

가로 방향 설치 모듈의 경우에는 바이패스 다이오드가 동작하여 단락 전류의 큰 변화가 없었으나, 오염 면적에 따라 최대 출력점이 변화하였다. 이러한 차이에 의해 가로 설치 모듈의 경우에는 오염 면적이 증가하여도 출력이 크게 감소하지 않았다. 하지만 세로방향 설치 모듈의 경우, 바이패스 다이오드가 동작하지 않아 오염 면적이 증가할수록 모듈의 단락 전류가 지속적으로 감소한다. 단락 전류가 감소하면서 최대 전류 또한 감소하게 되어 최대 출력이 가로 설치에 비해 크게 감소하게 된다.

3. 옥외 환경에서의 태양전지 모듈의 설치 방향 및 오염에 따른 PR 분석

앞에서는 실내 환경에서 태양전지 모듈의 I-V 특성곡선을 측정하여 오염 위치와 면적에 따라 출력 특성이 다르다는 것을 확인하였다. 하지만 실제 태양전지 모듈이 발전하는 환경은 옥외 환경이기 때문에, 본 절에서는 옥외 환경에서 태양전지 모듈의 설치 방향 및 오염에 따른 성능 분석 실험을 수행하였다.

실험은 Fig. 4와 같이 태양전지 모듈의 성능(전압, 전류, 출력)과 일사량을 측정할 수 있는 연구원 내 옥외 성능 시험 장소에서 실시하였으며, 모듈의 설치 각도는 30°, 설치 방향은 정남향이었다. 오염의 정도는 2절과 같이 5% 투과율을 갖는 필름을 사용하였으며, 모듈 설치 방향(가로, 세로)을 고려하여 필름을 부착하였다.

Fig. 4.

Test bed for PR analysis

실험 조건은 오염이 없는 경우와 오염 면적이 모듈 하단부 태양전지의 1/3 및 2/3을 가리는 경우로 가정하였다. 실험에는 단결정과 다결정 태양전지 모듈을 각각 2장씩 사용했으며, 모듈의 사양은 Table 4와 같다. 모듈 간의 출력 편차를 고려해 성능 비를 이용하여 오염과 설치 방향에 따른 성능을 분석하였다. 성능 비의 계산 방법은 식 (1)과 같으며, E_out은 태양전지 모듈의 실제 시간당 발전량, P₀는 태양전지 모듈의 정격 출력, H_i는 시간당 모듈면의 일사량, G_i,ref는 표준시험 조건에서 기준 일사 강도(1 kW/m²) 이다.

Table 4.

Spec. of PV modules

실험은 각 조건(오염이 없는 경우, 1/3 오염, 2/3 오염)에서 약 10일 정도 일사량 및 발전량을 측정하였다. 오전 10시부터 오후 4시 사이에 측정된 10분 평균 데이터를 이용하여 분석을 하였으며, 오염에 의한 명확한 성능 차이를 확인하기 위해 600~1,000 W/m² 구간의 데이터를 사용하여 성능 비를 계산하였다.

Table 5와 Fig. 6은 태양전지 모듈의 설치 방향과 오염 면적에 따른 실험 결과를 나타낸다. 모듈 표면에 오염이 없는 경우, 모든 모듈의 성능 비는 87~89%로 정상적인 발전을 확인할 수 있었다. 모듈 하단부의 태양전지모듈 면적의 33% 이상을 가리는 오염에서 성능 비는 세로방향 설치 경우 70.82%(단결정), 71.46%(다결정), 가로방향 설치 경우 71.00%(단결정), 68.52%(다결정)였다. 오염에 의한 모듈의 전체적인 성능 비는 감소하였다. 모듈별 성능 비는 약 1%정도의 차이가 있지만, 2절의 실험 결과와 같이 33% 오염에서는 모듈의 설치 방향에 따른 출력 차이는 발생하지 않았다. 모듈 하단부의 태양전지모듈 면적의 66% 이상을 가리는 오염에서의 성능 비는 세로 설치의 경우 43.58%(단결정), 47.12%(다결정), 가로 설치의 경우 56.18%(단결정), 55.32%(다결정)였다. 이 경우에는 모듈의 설치 방향에 따라 성능 비의 차이가 발생하였다. 가로 설치와 세로 설치의 성능 비의 차이는 약 10% 정도가 발생하였으며, 2절의 실험결과와 같은 경향을 나타내었다.

Table 5.

Results according to each installation direction and soiling area of PV module

실험 결과, 모듈의 하단 부 오염이 태양전지 면적의 1/3인 경우에는 모듈의 설치 방향에 관계없이 발전 성능이 동등한 수준임을 확인하였다. 하지만, 태양전지모듈 면적의 66% 이상 가려지는 오염인 경우 모듈의 세로방향 설치가 가로방향 설치 보다 발전 성능이 크게 저하됨을 확인하였다.

Fig. 5.

PR according to the installation direction of PV module and soiling area

4. 결 론

본 논문에서는 태양전지 모듈의 설치 방향과 하단 부 오염 면적 변화에 따른 출력 특성을 분석하였다. 먼저, 표준 시험 조건에서 모듈의 설치 방향과 오염 면적을 고려하여 I-V 특성 곡선을 측정하였다. 가로 방향의 경우에는 모듈 하단 부 오염에 의해 바이패스 다이오드가 동작하지만, 세로 방향의 경우에는 바이패스 다이오드가 동작하지 않았다. 이러한 차이로 인해 오염 면적이 일정 수준(1/3)이상으로 커지면 세로 방향 설치 모듈의 출력이 가로 설치 모듈보다 크게 감소하였다. 다음으로, 옥외 환경에서의 발전 성능을 분석하였다. 1/3 오염에서는 모듈의 설치 방향에 관계없이 동일한 성능 비를 나타내었지만, 2/3 오염에서는 세로 설치 모듈의 성능 비가 가로 방향 설치 모듈보다 약 10%정도 낮았다. 이는 표준 시험 조건과 같은 결과로 모듈 하단부 오염 면적이 커질수록 세로 방향 설치 모듈이 가로 설치 모듈보다 성능이 낮은 것을 확인하였다.

본 논문의 실험 결과로부터, 모듈을 세로 방향으로 설치하는 것보다 가로 방향으로 설치하는 것이 하단 부 오염으로 인한 출력 손실을 저감 할 수 있는 방안으로 판단되며, 하단 부 오염의 적절한 청소만으로도 발전소의 성능을 상승시킬 수 있을 것이다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행한 결과입니다(No: 20183020010990).

References

• Lobera, D.T., and Valkealahti, S., 2013, “Mismatch losses in PV power generators caused by partial shading due to clouds”, Proceedings of the 2013 4th IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG 2013), 1-7.
• LLappalainen, K., and Valkealahti, S., 2017, “Photo-mismatch losses caused by moving clouds”, Solar Energy, 158, 455-461. [https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.10.001]
• Lorente, D.G., Pedrazzi, S., Zini, G., Dalla Rosa, A., and Tartarini, P., 2014, “Mismatch losses in PV power plants”, Solar Energy, 100, 42-49. [https://doi.org/10.1016/j.solener.2013.11.026]
• Bergin, M.H., Ghoroi, C., Dixit, D., Schauer, J.J., and Shindell, D.T., 2017, “Large reductions in solar energy production due to dust and particulate air pollution”, Environ. Sci. Technol. Lett., 4(8), 339-344. [https://doi.org/10.1021/acs.estlett.7b00197]
• of soiling on IV-curves and efficiency of PV-modules”, Solar Energy, 112, 259-262. [https://doi.org/10.1016/j.solener.2014.12.003]
• Oh, W., and Chan, S.I., 2015, “The performance loss by the soiling of photovoltaic modules”, J. Korean Solar Energy, 35(2), 63-71.
• Maghami, M.R., Hizam, H., Gomes, C., Radzi, M.A., Rezadad, M.I., and Hajighorbani, S., 2016, “Power loss due to soiling on solar panel: A review”, Renew. Sust. Energy Rev., 59, 1307-1316. [https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.01.044]
• Urrejola, E., Antonanzas, J., Ayala, P., Salgado, M., Ramírez-Sagner, G., Cortés, C., Pino, A., and Escobar, R., 2016, “Effect of soiling and sunlight exposure on the performance ratio of photovoltaic technologies in Santiago, Chile”, Energy Convers. Manage., 114, 338-347. [https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.02.016]
• Gholami, A., Khazaee, I., Eslami, S., Zandi, M., and Akrami, E., 2018, “Experimental investigation of dust deposition effects on photo-voltaic output performance”, Solar Energy, 159, 346-352. [https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.11.010]
• Al-Addous, M., Dalala, Z., Alawneh, F., and Class, C.B., 2019, “Modeling and quantifying dust accumulation impact on PV module performance”, Solar Energy, 194, 86-102. [https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.09.086]
• Kim, J.C., and Kim, H.N., 2018, “Study on the regional differences of optimal orientation and tilt angle for photovoltaic systems: Simulations by a system advisor model”, New. Renew. Energy, 14(2), 9-20. [https://doi.org/10.7849/ksnre.2018.6.14.2.009]