2.1 실험모듈 제작

태양광 설비에 국부적인 발열현상이 발생할 시, 전기적 특징을 분석하기 위하여 실험용 태양광 발전시스템을 제작하였다. 제작된 태양광 모듈의 셀은 단결정 실리콘 태양전지(JA Solar)로 최대출력 5.18W(최대전압 0.5V, 최대전류 10.36A)이며, 한 스트링에 9개가 직렬로 연결되어 있고 다섯 개의 스트링이 병렬로 연결되어 있다. 이는 직병렬로 연결되어 있는 태양광 모듈 시스템을 간단한 모델로 모사한 것이다. 그림 2와 같이 발열 모드에 따른 온도를 감지하고 이를 위한 지능형 냉각 시스템 개발을 위해 상단 스트링의 3개 셀마다 바이패스 다이오드(SB1240, Max. off-state Voltage 40V, Diotec)를 배치하였고 유리(앞면)와 백시트(뒷면)로 모듈을 구성하였다. 또한, 인버터 대신 전자부하(RK-8512, 150V/60A, Merrick)를 이용하여 태양광 모듈의 전류 전압을 발전 상태와 유사하게 조절하였다.

2.2 실험상황 및 조건

태양광 발전설비 이상상황을 표 1과 같이 세 가지 상황으로 가정하여 실험을 진행하였다. 먼저 비교를 위해 태양광 모듈에서 부분음영 상황과 바이패스 다이오드의 고장 없이 정상동작 상태에서 바이패스 다이오드의 온도 특성을 분석하였다. 또한 바이패스 다이오드가 고장이 나지 않은 상황에서 부분음영으로 인해 온도가 올라가는 경우에 대해서 바이패스 다이오드의 온도 특성을 분석하였다. 마지막으로 바이패스 다이오드의 고장난 경우에 인버터가 꺼진 상황에 대해서도 같은 실험을 반복하였다.

태양광 설비의 구성요소에 아무런 문제가 없다면, 태양광 모듈은 설비의 정해진 시스템대로 동작을 하게 된다. 발전량은 복사조도에 비례하게 되고 모듈 내에서 태양광 셀은 동일한 성능을 가진다. 운영 및 관리가 용이한 상태로 이런 상황을 정상동작 상태(Normal state)로 정의한다.

정상동작 중 의도치 않게 주변에 의한 그림자 또는 동물의 배설물로 일부 셀만 가려지는 경우인 부분 음영은 일시적으로 발생하는 빈도가 높다. 태양전지의 가려진 정도에 따라 가려진 태양전지의 광전류량은 감소하게 되고 이로 인해 전류 불균일이 발생한다. 이 경우 해당 부분과 병렬로 연결된 바이패스 다이오드로 전류가 흐르게 되어 국부적인 발열현상이 일어나고 열화가 일어나는데 이를 부분음영 (Partial shading) 상태로 가정한다.

바이패스 다이오드 고장상태(Broken diode)는 기술한 두 상황과는 다르게 태양광 설비의 부품결함이 발생한 상태이다. 바이패스 다이오드는 시스템에서 의도된 다이오드의 기능을 발휘하지 못하고 회로에서 저항과 같은 역할을 하게 되어 전류를 양방향으로 모두 흘려보내게 된다. 인버터의 동작이 중단된 경우 폐회로를 통해 다른 스트링에서 만들어진 전류가 바이패스 다이오드로 들어오게 되어, 정상상태와는 다르게 매우 높은 전류가 흐른다. 인버터가 켜진 상황에서는 태양광 모듈은 정상적으로 동작하는 것처럼 보이나 결함이 생긴 바이패스 다이오드와 병렬로 연결된 태양광 모듈 스트링의 비율만큼 개방전압이 감소하여 전체출력이 감소한다. 인버터가 켜진 상황이라면 전류는 전력계통을 따라 흘러 시스템에 영향을 미치지 않지만, 인버터가 꺼진 상황이라면 생성된 전류가 결함이 생긴 바이패스 다이오드를 따라 흘러 단기간에 시스템에 영향을 주는 고온의 열이 발생하게 된다.

상황별 열 특성을 분석하기 위하여 K-type 센서(4028 Type K Beaded Probe, 측정범위 –40℃~300℃, Traceable)를 그림 3처럼 설치하였다. 설치장소는 노란색으로 표시되어 있으며 총 3곳으로 1)바이패스 다이오드 2)비교용 셀 3)외기이다. 열 특성은 디지털 온도데이터로거(S220-T8, 측정범위 –200℃~1800℃, HUATO)로 실시간으로 기록하였으며, 교차검증과 발열부위 측정을 위하여 열화상 카메라(Thermo GEAR 100EX, 측정범위 –40℃~1500℃, Avio)로 모듈의 온도를 기록하였다.

세 실험상황의 측정은 제작된 태양광 모듈에 각각의 실험조건을 적용하여 이루어졌다. 정상동작 상황은 태양광 모듈에 어떠한 실험적 제어가 없이 발전하도록 설계하였다. 부분음영 상황은 정상동작 상황에서 그림 3에 초록색으로 표시된 1개의 셀을 검은색 가림막으로 완전히 빛을 차단하여 재현하였고, 바이패스 다이오드 고장 상황은 동일한 바이패스 다이오드에 과전압을 인가하여 소자특성을 파괴한 뒤 그림 3에 빨간색으로 표시된 부분에 있던 정상 바이패스 다이오드와 교체하고 인버터와 연결을 끊고 실험 모듈을 발전시키는 것으로 재현하였다. 인버터의 동작 유무는 전자부하를 이용하여 제어하였다.

열 특성은 K-type 센서를 부착하고 1)정상동작 상태 2)부분음영 상태 3)바이패스 다이오드 고장 상태에 대하여 상황별로 20분간 측정하고 열화상 카메라로 발열 부위를 분석하였다. 실험 당시 복사조도는 800-900$W/m^{2}$, 주변 온도는 15-23℃였다.

2.3 바이패스 다이오드 열 특성

태양광 시스템에서 설비의 성능과 안정성을 저하시키는 현상인 부분음영과 바이패스 다이오드 고장으로 온도 특성을 실험상황을 통해 구현하였다. 이를 열화상 카메라와 K-type Thermocouple 온도센서로 측정하여 그림 4와 같다. 그림 4에서 바이패스 다이오드의 위치는 빨간색으로 표시하였다.

첫 실험상황은 음영이 없는 태양광 스트링의 인버터가 정상적으로 작동하고, 모듈의 바이패스 다이오드가 고장이 나지 않은 상태이다. 생성된 전류는 인버터가 켜져 있어 이를 통해 전력망을 따라 흐르게 된다. 모듈의 성능을 제한하는 조건이 없으므로 스트링에 있는 태양전지들은 동일한 전류를 생성한다. 이 경우 바이패스 다이오드를 통해 전류가 흐르지 않기 때문에 온도가 올라가지 않는다. 그림 4(a) 와 같이 TDiode는 40℃를 넘지 않고 일정하게 유지되었고 태양광 모듈이 일정한 온도로 유지된다. 즉, 정상동작 상태에서는 바이패스 다이오드로 전류가 흐르지 않고 그에 따른 발열이 일어나지 않는다.

두 번째 경우는 부분음영 상태이다. 태양광 모듈에 인버터가 정상 동작하고, 바이패스 다이오드에 결함이 없는 상황으로 외부환경으로 인해 특정 태양전지에 부분음영이 발생한 경우이다. 음영으로 인해 전류가 낮은 셀과 병렬로 연결된 바이패스 다이오드가 활성화되어 직렬로 연결된 스트링 내에서 생성된 전류가 음영이 생긴 셀을 따라 흐르지 않고 바이패스 다이오드를 따라 흐르게 된다. 전류가 흐르는 경우 줄열이 발생하여 바이패스 다이오드에 발열현상이 발생한다.

부분음영 상태의 TDiode는 그림 4의 (b)에서와 같다. 한 셀을 가림막으로 완전히 가리자 8A의 전류가 흘러 해당 셀과 병렬로 연결된 TDiode는 200초 뒤 약 80℃까지 상승하여 수렴한다. 하지만 가려지지 않은 셀과 병렬로 연결된 바이패스 다이오드는 정상동작 상태의 바이패스 다이오드처럼 40℃에서 변화를 보이지 않았다.

마지막 경우는 바이패스 다이오드 결함이 발생하고 인버터가 작동하지 않는 경우이다. 바이패스 다이오드의 손실로 인해 바이패스 다이오드가 그림 1에 나타난 것과 같이 저항같은 역할을 하게 되고, 역전류를 방지할 수 없게 된다. 이로 인해 태양광 모듈에 폐회로가 형성되어 모듈에 병렬로 연결된 스트링에서 생성된 전류가 소실되지 않고 결함이 있는 바이패스 다이오드로 모두 흐른다. 이때 고장난 바이패스 다이오드로 흐르는 전류는 병렬로 연결된 태양전지 스트링의 개수에 비례하여 증가하게 된다. 따라서 이 경우는 매우 높은 전류가 바이패스 다이오드로 흘러 단시간에 급격한 온도 상승이 그림 4(c)와 같이 나타난다. 모듈에 인가된 전자부하측정(인버터)이 켜진 상황에서는 TDiode가 일정한 값을 유지한다. 그러나 전자부하(인버터)를 끈 경우 그림 1에 나타난 것처럼 고장난 바이패스 다이오드에 병렬로 연결된 스트링에서 형성된 전류가 모두 결함이 있는 바이패스 다이오드로 흘러서 그 온도는 급격하게 올라간다⁽⁹⁾. 그림 2와 같이 5개의 병렬 연결된 태양광 셀 스트링으로 구성된 시스템에서 바이패스 다이오드가 고장난 경우 TDiode는 60초 후 약 200℃에 수렴하게 된다. 이 경우 바이패스 다이오드를 감싸고 있는 정션박스가 녹기 시작하고 연기가 발생하며 변형이 발생하였다.

앞의 결과들을 정리하면 태양광 시스템이 정상동작 상태(인버터 동작, 바이패스 다이오드 정상)에서는 바이패스 다이오드의 발열현상이 나타나지 않는다. 하지만 태양광 시스템에서 부분음영과 바이패스 다이오드 고장에 의한 이상상황에서 발생하는 발열은 바이패스 다이오드가 들어있는 정션박스를 녹일 만큼 높으며 바이패스 다이오드 파손과 모듈 열화의 원인이다. 특히 바이패스 다이오드의 고장은 전선을 손상시켜서 아크로 이어질 수 있고 절연파괴의 위험도 있어 방지대책이 필요하다.

3.1 지능형 냉각 시스템 동작원리

앞에서 확인한 바와 같이 태양광 발전설비에서 발생하는 부분음영과 바이패스 다이오드 고장은 장기간 지속될 경우 시스템에 손상은 물론 화재 위험성 증가로 연결될 수 있다. ⁽¹⁷⁾. 본 연구에서는 태양광 발전소의 효율적인 운영 및 안정성을 제고하기 위해 지능형 냉각용 팬 시스템을 도입하여 각 발열현상에서 미치는 영향을 분석하였다.

냉각 팬은 기존 태양광 모듈의 바이패스 다이오드의 발열현상을 완화시켜 시스템 효율성 및 신뢰성 향상시키는 역할을 한다. 그림 5의 (a)는 지능형 냉각 시스템의 개략도이다. 먼저 NTC 서미스터(Negative thermal coefficient thermistor)를 통해 온도를 감지하여 이를 제어 시스템으로 데이터를 송신한다. 시스템은 바이패스 다이오드의 온도를 수신하여 이상여부를 판단하고 냉각이 필요하다고 판단될 경우 연결된 냉각용 팬을 동작시킨다. 지능형 냉각 시스템은 마이크로컨트롤러 보드를 기반으로 하여 프로그래밍을 통해 구축하였다.

그림 5의 (b)인 순서도(Flow chart)를 통해 냉각 시스템의 동작 방식을 도식화하였다. 태양광 모듈의 바이패스 다이오드 발열현상은 태양광 시스템의 발전이 이루어질 때 특정 상황에서 발생하므로 NTC 서미스터는 태양광 시스템이 동작하고 있는 상황에서 온도 데이터를 제어부로 전송한다. 태양광 시스템에서 정상적인 동작 중에 TDiode는 60℃를 넘지 않으므로 이를 기준점으로 잡아 냉각 시스템을 활성화한다. 설치 위치 및 상황에 따라서 이 온도는 변경이 가능하다. TDiode가 기준점을 초과하면 시스템에 이상이 있는 것으로 판단하여 피드백 신호를 제어부로 보내 냉각 시스템이 활성화되고 기준점에 도달하지 못 한다면 시스템에 이상 발열현상이 없는 것으로 분류하여 냉각 시스템은 활성화되지 않는다.

지능형 냉각 시스템은 NTC 서미스터(KY-013, 측정범위 –55℃~125℃, HUABAN), 측정 냉각용 팬(PV902512PSPF, 12V/0.4A, FOXCONN), 마이크로컨트롤러 보드(Arduino UNO), 12V 전원부로 구성되어 있다. 냉각용 팬은 약 5W 정도의 전력을 소모하는데, 팬의 크기를 다이오드 크기에 맞게 줄이는 경우 그 값은 더 떨어질 것으로 예상된다.

본 실험은 마이크로컨트롤러 보드를 냉각 시스템의 제어부로 사용하였지만, 시스템 피드백과 제어가 가능하다면 시스템에 대신하여 적용할 수 있고, 전원부를 배터리가 아닌 냉각 시스템이 설치된 태양광 발전설비로 한다면 보다 안정적으로 전원을 공급할 수 있다. 또한, 본 시스템에서는 실험실 환경에서 하나의 바이패스 다이오드에만 적용하여 실험하였지만 실제 냉각 시스템에는 여러 개의 바이패스 다이오드를 연결하여 동시에 자동 냉각이 가능하다.

3.2 지능형 냉각 시스템 실험 구성

고안된 냉각 시스템의 적용을 위해 전면의 바이패스 다이오드를 실험용 모듈 후면으로 배치하고 충분한 냉각을 위해 냉각 시스템을 바이패스 다이오드와 정션박스로부터 3cm의 거리가 되도록 태양광판에 고정시켰다. NTC 서미스터는 바이패스 다이오드 표면에 부착하였고 컨트롤 보드는 냉각팬 옆에 전원부와 같이 배치하였다. 설치된 냉각 시스템은 그림 6과 같다.

냉각 시스템의 적용을 통한 냉각효과 정도를 측정하기 위해 NTC 서미스터와 별도로 바이패스 다이오드에 K-type 센서를 설치하였다. 태양광 모듈을 동작시키고 냉각 시스템의 활성화 여부에 따른 바이패스 다이오드의 온도를 데이터 로거를 통해 측정하였다. 바이패스 다이오드의 온도가 특정 환경에서 NTC의 측정 범위를 초과하기에, 실험의 정확도를 높이기 위해 K-type 센서를 중심으로 온도를 측정하였다. NTC 서미스터는 온도 측정에 보조적인 역할을 하였고 냉각용 팬을 동작시키는 용도로 사용하였다. 온도를 감지할 수 있는 센서라면, NTC 서미스터 대신 냉각 시스템에 적용이 가능하다.

냉각 시스템의 활성화 상황은 부분음영 상태와 바이패스 다이오드 고장을 모두 고려한 동작점이 60℃인 경우와 바이패스 다이오드 고장만을 고려한 동작점이 120℃인 경우로 나누어 바이패스 다이오드의 온도 특성을 분석하였다. 측정은 냉각 시스템이 활성화된 후 충분한 시간이 흘러 온도가 수렴할 때까지 진행하였다. 또 바이패스 다이오드의 발열현상과 정도를 관측하기 위해 열화상 카메라로 바이패스 다이오드 온도가 수렴하고 난 후 이를 기록하였다.

3.3 지능형 냉각 시스템 발열 방지 효과

태양광 모듈에 냉각 시스템을 적용한 결과는 그림 7과 같다. 그래프에서 나타난 보라색 점선과 녹색 점선은 각각 바이패스 다이오드를 감싸고 있는 정션박스의 구성 물질인 폴리페닐렌에테르(Polyphenylene oxide, PPO)의 최대사용온도(87℃)와 녹는점(177℃)을 표시한 것이다. 바이패스 다이오드에 결함이 있는 경우, TDiode는 지능형 냉각 시스템이 60 ℃, 120 ℃에서 켜진 경우 모두 177℃ 아래로 유지된다. 반면 냉각 시스템이 적용되지 않은 경우 바이패스 다이오드로 19 A의 전류가 흘러서 TDiode는 200℃를 초과하여 정션박스를 용융시켜서 절연저하, 누설전류 발생과 같은 위험한 상황으로 연결될 수 있다.

부분음영에 의한 발열상황에서는 냉각 시스템의 동작 시작점을 60℃ 로 적용하였다. 이 경우 냉각 시스템이 없는 경우 바이패스 다이오드로 10 A의 전류가 흘러서 TDiode는 100 ℃ 까지 상승한다. 이는 정션박스의 최대 사용온도인 87℃를 넘어서 장기간 동작시 바이패스 다이오드 파괴나 시스템 고장으로 연결될 수 있다^(7,9). 하지만 냉각 시스템을 적용한 경우 TDiode는 60℃까지 낮아지는 결과를 보였다.

이를 통해 본 실험에서 제안한 바이패스 다이오드 지능형 냉각 시스템은 태양광 발전에 있어 위험을 초래하는 상황을 방지하는데 효과가 있는 것이 검증되었다. 지능형 냉각 시스템의 도입을 통해 부분음영시 정션박스의 최대사용온도 기준을 넘어 열화가 진행되는 상황이 발생을 방지할 수 있다. 또한, 바이패스 다이오드에 결함이 있는 경우 정션박스 용융을 방지할 수 있어서 절연파괴나 누전발생 상황을 대비할 수 있다.

3.4 지능형 냉각 시스템과 방열판 성능 비교

태양광 모듈 동작 시 열이 발생하면 설비의 효율이 떨어지는 현상이 발생하기 때문에 시스템의 효율을 높이고자 태양광 모듈에 방열판을 부착하여 설비의 온도를 낮추는 방안에 관한 연구들이 진행되었고 실제 모듈의 온도감소에 효과가 있어 활용가능성을 보여주었다⁽¹⁵⁾. 방열판은 공기와 접촉하는 면적을 넓혀 생성된 열이 빠르게 식을 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 별도의 전력이 없이 효율적으로 온도를 감소시킬 수 있는 장점이 있어서 이를 적용하는 시도들이 늘어나고 있다. 따라서 제안된 지능형 냉각 시스템과 기존 방열판 시스템을 비교하기 위해 실험모듈의 동일한 바이패스 다이오드에 방열판을 붙이고 냉각성능을 비교분석하였다.

방열판의 재질은 알루미늄으로 크기는 11×11×5 mm3며, 바이패스 다이오드와 정션박스에 6개를 부착하였다. 그 후 부분음영이 발생한 상황에서(바이패스 다이오드에 10A의 전류가 인가) 온도가 수렴할 정도로 충분히 발전시키고 이를 열화상과 K-type 온도센서로 분석하였다.

그림 8(a), (b), (c)는 각각 일반 상태의 바이패스 다이오드, 방열판을 부착한 바이패스 다이오드, 지능형 냉각 시스템이 적용된 바이패스 다이오드이다. 냉각 시스템이 적용되지 않은 경우, TDiode는 100℃ 까지 올라간다. 방열판의 경우, 그림 8(d)에 나타난 것처럼 방열 효과로 인해 TDiode 상승을 늦출 수 있다. 하지만 방열효과가 제한적이어서 20분이 경과하자 TDiode가 95℃에 수렴하였다. 이는 제조사에서 제안하는 최대사용온도 보다 높아서 다이오드 및 발전 시스템의 열화를 가속시킬 수 있다. 즉 방열 효과는 있지만, 성능의 한계로 인해 안정적인 구동을 하기에는 무리가 있다. 반면 바이패스 다이오드에 본 연구에서 제안하는 지능형 냉각 시스템을 도입하는 경우 열이 축적되지 않고 지속적으로 방출되어 TDiode를 60℃ 이하로 관리할 수 있다.

게다가 방열판은 부착 부위에만 한정적으로 냉각이 가능하다. 본 지능형 냉각 시스템은 프로토타입으로 적용 범위를 하나의 바이패스 다이오드에만 적용하였지만 제어부 성능에 따라 감지할 수 있는 범위를 넓힐 수 있다. 단가를 고려한 경우 여러개의 센서와 냉각 시스템을 단일 제어 시스템에 연결할 경우 설치 가격이 더 내려갈 것으로 예측된다. 따라서 본 연구에서 제안하는 지능형 냉각 시스템은 기존에 제안된 방식보다 훨씬 효과적으로 바이패스 다이오드 발열을 방지하여 태양광 발전 설비의 신뢰성을 개선할 수 있다.