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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 71, No. 2, p.373-379

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 23 September 2021Revised : 4 January 2022Accepted : 6 January 2022

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2022.71.2.373

Design of Blind Photovoltaic Modules

창호용 블라인드 태양광 모듈의 설계

차명회 (Myung-Hoi Cha) ¹iD 백승재 (Seung Jae Baik) ^†iD

(School of Electrical and Electronic Engineering, Hankyong National University, Korea.)

^†Corresponding Author : School of Electrical and Electronic Engineering, Hankyong National University, Korea.

E-mail : sjbaik@hknu.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

We propose an indoor blind-type solar module that can be applied to the windows of buildings. A comparative study was conducted with solar modules by alternatively assuming crystalline silicon, CIGS, or amorphous silicon thin film solar cell technology. It is self-evident that the output power of the crystalline silicon solar cell module is the largest, but the power gap between modules is smaller than that predicted from the cell efficiency because the module power loss in thin film solar cell modules is comparatively small. In addition, since the temperature coefficient of the thin film solar cell is smaller than that of the crystalline silicon solar cell, the output power gap between the crystalline silicon and thin film solar cell modules is further reduced when operating in a high temperature environment. It is expected that this blind-type solar module would contribute about 10% reduction of the existing fossil energy generation, and about 50% of electricity consumption per household as an urban auxiliary power source.

Key words

Solar cells, Thin film solar cells, Blind photovoltaic module, Renewable energy, Climate change

1. 서 론

지구 온난화 억제를 위해 성립된 2015년 파리협정에서는 지구의 평균기온 상승을 산업화 이전 대비 1.5℃ 이하로 억제하는 목표가 발표되었다. 이를 위해 세계적으로 화석에너지를 이용한 발전의 비중을 줄이고 신재생 에너지 사용을 확대하는 다양한 정책이 제안 및 실행되고 있다. ⁽¹⁾ 신재생 에너지원 중 가장 비중이 높은 태양광 발전의 주된 방식은 대규모 지상 발전 방식이다. ⁽²⁾ 대규모 지상 발전 방식을 보완하기 위한 도시나 수상에서의 소규모 태양광 발전 방식도 개발됐는데 이것에는 미니 태양광 발전 ⁽³⁾, 수상 태양광 발전 ⁽⁴⁾, 건물 일체형 태양광 발전 (BIPV) ⁽⁵⁾, 가로등/주차장 태양광 발전 ⁽⁶⁾ 등이 있다. 그러나 이러한 소규모 태양광 발전 방식은 개개의 발전 규모를 모두 합쳐도 대규모 방식보다 효과가 작고, 실수요의 한계가 뚜렷하여 확장성이 낮다는 평가를 받고 있다. ⁽³⁾ 도시에서 많은 사람이 사용할 수 있고 기존 에너지원과 경쟁 가능 수준의 높은 발전량을 얻을 수 있는 기술을 어떻게 찾을 수 있을까? 제안하는 기술은 실내 태양광 발전 기술이면서 실외 태양광 발전의 출력에 근접할 것으로 기대되는 기술이고, 창호용 인테리어 제품에 태양광 기능이 결합된 블라인드 형태의 태양광 모듈이다. 이 기술은 이미 국내외 기업에서 제품 형태로 발표된 바 있다. ⁽⁷⁾ 본 논문에서는 이 기술이 전력원으로 사용될 때의 파급력을 정량적 수치를 통해 나타내고자 한다. 공동주택에 이러한 형태의 태양광 시스템을 설치하면 한 가구 월평균 전력사용량의 50%정도를 태양광 시스템에서 얻을 수 있을 것이며, 또한 공동주택 전체인 1050만 가구로 비교하면 화석에너지 발전 비중이 10% 정도 낮아질 것이다. 그리고 상용화된 결정질 태양전지뿐 아니라 이미 제품 기술이 확립된 박막 태양전지 제품들을 적용한 태양광 모듈의 출력을 다양한 운용 환경에서 비교 해석한 결과를 제공할 것이다.

2. 시뮬레이션 방법

태양광 모듈의 해석은 태양광 모듈 시뮬레이션을 위해 개발된 상용 툴인 LAOSS^TM ⁽⁸⁾를 사용하였다. 이때 태양전지 셀의 전류-전압 특성은 오픈 소스 태양전지 시뮬레이션 툴인 SCAPS^TM ⁽⁹⁾를 사용하여 추출하였다. SCAPS^TM를 이용하여 결정질 실리콘, CIGS 박막 및 비정질 실리콘 박막 태양전지의 암 전류-전압 및 광 전류-전압 특성 (AM1.5G 스펙트럼 적용)을 각각 시뮬레이션 하였다. 태양전지 구조 및 각 물질 층들의 물성 수치는 기존 시뮬레이션 문헌을 참조하여 적용하였다. ⁽¹⁰⁾이때 운용 환경에 따른 출력 변화를 조사하기 위해 –40℃~80℃의 온도 변화를 가정하여 시뮬레이션 하였다.

3. 시뮬레이션 결과 및 모듈 설계

3.1 SCAPS^TM 시뮬레이션 조건

SCAPS^TM에 적용한 태양전지 구조는 결정질 실리콘, CIGS 박막 및 비정질 실리콘 박막 태양전지 각각에 대해 그림 1, 그림 2및 그림 3에 도시된 것과 같다. 세 가지 태양전지 구조에 적용된 각 소재의 물성 변수는 결정질 실리콘은 표 1 ⁽¹⁰⁾, CIGS 박막은 표 2 ⁽¹¹⁾, 그리고 비정질 실리콘은 표 3 ⁽¹²⁾에 정리되어 있다.

표 1. SCAPS^TM에 적용한 결정질 실리콘 태양전지의 물성 변수들 ⁽¹⁰⁾ (CB: Conduction Band, VB: Valence Band)

Table 1 Properties of Crystalline Silicon Solar Cells Applied to SCAPS^TM ⁽¹⁰⁾ (CB: Conduction Band, VB: Valence Band)

Properties	p-layer	n-layer
Thickness [㎛]	100	0.5
Band gap [eV]	1.12	1.12
Electron affinity [eV]	4.05	4.05
Dielectric permittivity [relative]	11.9	11.9
CB effective of states [1/㎤]	2.280E+19	2.280E+19
VB effective of states [1/㎤]	1.830E+19	1.830E+19
Electron thermal velocity [㎝/s]	1.000E+07	1.000E+07
Hole thermal velocity [㎝/s]	1.000E+07	1.000E+07
Electron mobility [㎠/Vs]	1.107E+03	5.00E+01
Hole mobility [㎠/Vs]	4.266E+02	2.00E+01
Shallow uniform donor density [1/㎤]	1.000E+01	1.00E+20
Shallow uniform acceptor density [1/㎤]	1.000E+16	1.00E+01

표 2. SCAPS^TM에 적용한 CIGS 태양전지의 물성 변수들⁽¹¹⁾(CB:Conduction Band, VB:Valence Band)

Table 2 Properties of CIGS thin film solar cells applied to SCAPS^TM ⁽¹¹⁾ (CB:Conduction Band, VB:Valence Band)

Properties	p-CIGS	n-CdS	ZnO:Al
Thickness [㎛]	2.5	0.06	0.1
Band gap [eV]	1.4	2.42	3.3
Electron affinity [eV]	4.1	3.8	4
Dielectric permittivity [relative]	13.6	10.0	9.0
CB effective of states [1/㎤]	2.22E+18	2.22E+18	2.22E+18
VB effective of states [1/㎤]	1.78E+19	1.78E+19	1.78E+19
Electron thermal velocity [㎝/s]	1.00E+7	1.00E+7	1.00E+7
Hole thermal velocity [㎝/s]	1.00E+7	1.00E+7	1.00E+7
Electron mobility [㎠/Vs]	1.50E+02	1.00E+02	1.00E+02
Hole mobility [㎠/Vs]	2.50E+01	5.50E+01	2.50E+01
Shallow uniform donor density [1/㎤]	1.00E+00	1.00E+17	1.00E+18
Shallow uniform acceptor density [1/㎤]	2.00E+16	1.00E+00	1.00E+00

표 3. SCAPS^TM에 적용한 비정질 실리콘 박막 태양전지의 물성 변수들 ⁽¹²⁾ (CB: Conduction Band, VB: Valence Band)

Table 3 Properties of amorphous silicon thin film solar cells applied to SCAPS^TM ⁽¹²⁾ (CB: Conduction Band, VB: Valence Band)

Properties	p-layer	i-layer	n-layer
Thickness [㎛]	0.005	0.4	0.03
Band gap [eV]	2.3	1.95	1.8
Electron affinity [eV]	3.9	3.9	3.9
Dielectric permittivity [relative]	11.9	11.9	11.9
CB effective of states [1/㎤]	1.00E+20	1.00E+20	1.00E+20
VB effective of states [1/㎤]	1.00E+20	1.00E+20	1.00E+20
Electron thermal velocity [㎝/s]	1.00E+06	1.00E+06	1.00E+06
Hole thermal velocity [㎝/s]	1.00E+06	1.00E+06	1.00E+06
Electron mobility [㎠/Vs]	5.00E+00	5.00E+00	5.00E+00
Hole mobility [㎠/Vs]	1.00E+00	1.00E+00	1.00E+00
Shallow uniform donor density [1/㎤]	1.00E+00	1.00E+00	1.00E+20
Shallow uniform acceptor density [1/㎤]	1.00E+18	1.00E+00	1.00E+00

첫 번째로 그림 1에 도시된 결정질 실리콘 태양전지 구조와 표 1에 물성 변수를 살펴보면 붉은색 영역은 100㎛ 두께의 웨이퍼로 제조한 p형 기판 태양전지로 파란색 영역은 0.5㎛ 두께의 전면전극과 접합 n+ 이미터 영역으로 가정하였다. 이때 이미터 도핑 프로파일은 균일한 것으로 가정하였고, 밴드갭은 1.12eV로 공지된 결정질 실리콘의 파장별 광 흡수계수를 적용하였으며, 광 입사부의 반사 손실과 결정질 실리콘의 벌크 트랩은 없는 것으로 가정하였다. 그리고 전자와 정공의 계면 재결합 속도는 107cm/s로 하였다. 전면 전극 및 후면 전극과 태양전지와의 접합은 이상적인 오믹컨택 (Ohmic contact)으로 가정하였다. ⁽¹⁰⁾

그림 1 SCAPS^TM에 적용한 결정질 실리콘 태양전지의 구조

Fig. 1 Structure of crystalline silicon solar cell applied to SCAPS^TM

두 번째로 그림 2에 도시된 CIGS 박막 태양전지의 구조와 표 2에 물성변수를 살펴보면 붉은색 영역인 2.5㎛ 두께의 p형 CIGS 광 흡수층과 왼쪽 파란색 영역인 0.06㎛ 두께의 n형 CdS, 그리고 오른쪽 파란색 영역인 0.1㎛ 두께의 Al 도핑한 ZnO 투명전극을 적용하였다. 이때 각 층의 도핑 프로파일은 균일한 것으로 가정하였고, 각 층의 밴드갭은 p-CIGS는 1.4eV로 n-CdS는 2.42eV로, Al-ZnO는 3.5eV로 공지된 CIGS의 파장별 광 흡수계수를 적용하였으며, 광 흡수층의 결함 밀도는 1017cm-3으로 가정하였다. 그리고, 광 입사부의 반사 손실은 없는 것으로 가정하고 전면전극 및 후면 전극과 태양전지와의 접합은 이상적인 오믹컨택 (Ohmic contact)으로 가정하였다. ⁽¹¹⁾

그림 2 SCAPS^TM에 적용한 CIGS 박막 태양전지의 구조

Fig. 2 Structure of CIGS thin film solar cell applied to SCAPS^TM

세 번째로 그림 3에 도시된 비정질 실리콘 박막 태양전지의 구조와 표 3에 물성변수를 살펴보면 붉은색 영역인 0.005㎛ 두께의 p형 비정질 실리콘층과 녹색 영역인 0.4㎛ 두께의 광 흡수층, 그리고 파란색 영역인 0.03㎛ 두께의 n형 비정질 실리콘층을 적용하였다. 이때 각 층의 도핑 프로파일은 균일한 것으로 가정하였으며, 각 층의 밴드갭은 p-layer은 2.3eV로 i-layer은 1.95eV로 n-layer은 1.8eV로 공지된 비정질 실리콘의 파장별 광 흡수계수를 적용하였다. 광 입사부의 반사 손실은 없는 것으로 가정하고 흡수층의 결함 밀도는 1017cm-3으로 가정하였다. 전면전극 및 후면 전극과 태양전지와의 접합은 이상적인 오믹컨택 (Ohmic contact)으로 가정하였다. ⁽¹²⁾

그림 3 SCAPS^TM에 적용한 비정질 실리콘 박막 태양전지의 구조

Fig. 3 Structure of amorphous silicon thin film solar cell applied to SCAPS^TM

3.2 SCAPS^TM 시뮬레이션 결과

앞에서 설명한 시뮬레이션 구조들에 대하여 태양전지 동작 온도를 25℃로 고정하고 암 전류-전압과 광 전류-전압 특성을 각각 시뮬레이션하였다. 광 흡수층의 밴드갭 크기에 따라 개방전압과 단락전류의 대소관계가 결정된다. 광 흡수층의 밴드갭이 가장 큰 비정질 실리콘 태양전지의 개방전압이 가장 크고, 광 흡수층의 밴드갭이 가장 작은 결정질 실리콘 태양전지의 단락전류가 가장 크다.

이론적으로 태양전지의 효율이 가장 높은 광 흡수층의 밴드갭은 1.4eV인데, CIGS는 이러한 조건을 만족하는 소재이지만 다결정질 박막으로 제조되므로 이에 부합하는 적절한 결함 밀도를 적용하였고, 그 결과 단결정 실리콘 태양전지의 효율보다 작고 비정질 실리콘 태양전지의 효율 더 큰 수준의 출력 특성을 구현한 것이다.

각 태양전지에 대한 시뮬레이션을 통해 얻은 광전변환 효율은 결정질 실리콘 태양전지 17.37%, CIGS 박막 태양전지 14.77%, 비정질 실리콘 태양전지 12.42% 순으로 얻어졌다. 광전변환 효율의 온도계수를 환산하면 결정질 실리콘 태양전지 –0.07%/℃, CIGS 박막 태양전지 –0.06%/℃, 비정질 실리콘 박막 태양전지 –0.03%/℃와 같으며, 온도 증가에 따라 서로 다른 종류의 태양전지 사이의 효율 격차가 줄어드는 것을 그림 4의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있다.

그림 4 (a) 결정질 실리콘 (b) CIGS 박막 (c) 비정질 실리콘 박막 태양전지의 암 전류-전압 및 광 전류-전압 특성곡선 (25℃ 환경). (d) 세 가지 태양전지들의 동작 온도에 따른 광전변환 효율의 변화

Fig. 4 (a) Crystalline Silicon (b) CIGS thin film (c) amorphous silicon thin film solar cells of Dark current-voltage and photocurrent-voltage characteristic curves (25℃ environment). (d) Changes in photoelectric conversion efficiency according to the operating temperature of the three solar cells

표 4. 25℃에서 세 가지 태양전지들의 시뮬레이션 결과

Table 4 Simulation results of three solar cells at 25℃

태양전지 종류	개방전압 [V]	단락 광전류 밀도 [A/m²]	충실도 [%]	변환효율 [%]
결정질 실리콘	0.58	361	82.31	17.37
CIGS 박막	0.76	277	69.81	14.77
비정질 실리콘	1.14	163	66.20	12.42

3.3 모듈 설계

상술한 각각의 태양전지를 적용한 블라인드 모듈의 출력 예측에 사용한 모듈의 규격 결정을 위해 면적이 84m²인 통상의 공동주택의 창호 규격을 참조하였다. ⁽¹³⁾ 공동주택 정면부의 창호 입면도가 그림 5에 도시되어 있고 그 규격은 표 5에 정리되어 있다. 이때 공동주택 정면부 창의 채광 면적은 정면부 총면적의 54%가량으로 평가된다. 결정질 실리콘 태양전지와 박막 태양전지를 적용한 블라인드 태양광 모듈의 설계 예시가 그림 6및 그림 7에 도시되어 있다. 결정질 실리콘 태양전지의 경우 단위 태양전지의 규격이 정해져 있고, 본 설계에서는 8인치 태양전지 (가로/세로 길이 각각 156mm)를 절반으로 나눈 셀을 적용하였다. 이때 그림 6에 도시된 왼쪽 영역의 대모듈 경우 총 240개, 오른쪽 영역의 소모듈 경우 총 96개의 셀이 배치된다. 단위 셀의 규격과 창호의 규격이 배수 관계가 아니기 때문에 그림에 표현된 것과 같이 여분의 영역이 생긴다. 그림 7에 도시된 박막 태양전지 모듈의 경우 왼쪽 영역의 대모듈과 오른쪽 영역의 소모듈 의 단위 셀의 규격이 정해져 있지 않으므로 여분의 영역을 최소화할 수 있다. 이때 모듈 출력을 최대화하는 설계를 통해 단위 셀의 크기를 결정할 수 있다. 실리콘 태양전지 및 박막 태양전지의 창의 면적 및 셀의 면적 비교를 표 6에 정리 하였다.

그림 5 모듈 설계에서 사용한 공동주택 정면부 창의 입면도

Fig. 5 Elevation view of the front window of the apartment house used in the module design

그림 6 결정질 실리콘 블라인드 태양광 모듈의 설계 예시. 파란색 영역이 태양전지가 놓여 있는 영역이고, 각 사각형은 단위 태양전지의 영역을 나타냄. 단위 태양전지의 규격이 정해져 있어서 가장자리에 공간이 발생함.

Fig. 6 Design example of crystalline silicon blind solar module. The blue area is the area where the solar cell is placed of Each square represents the area of a unit solar cell. The size of the unit solar cell is fixed, so there is a space at the edge

그림 7CIGS 및 비정질 실리콘 블라인드 태양광 모듈의 설계 예시. 수평 방향의 선은 가로 방향으로 길쭉한 단위 태양전지가 분리된 영역을 나타냄. 분리 영역의 폭은 0.3mm임.

Fig. 7 Design examples of CIGS and amorphous silicon blind solar modules. Horizontal lines represent seperation between unit cells. The width of the separation is 0.3mm.

표 5. 모듈 설계에 사용한 공동주택 정면부 창의 규격

Table 5 Specifications of the front window of the apartment house used for the module design

No.	높이 [cm]	폭 [cm]	수량 [EA]	면적 [㎠]
1	190	70	8	106,400
2	190	167	1	31,730

표 6. 창의 면적과 셀의 면적 비교

Table 6 Comparison of window area and cell area

셀의 종류	창의 면적 [㎠]	셀의 면적 [㎠]	셀의 비율 [%]
결정질 실리콘	138.130	122.653	88.7%
CIGS	138.130	133,202	96.4%
비정질 실리콘	138.130	134,031	97.0%

3.4 LAOSS^TM 시뮬레이션 조건 및 결과

결정질 실리콘 태양전지 모듈 시뮬레이션은 그림 8에 도시된 전극 구조에 표 7의 전극 물성을 적용하여 수행하였다. 이때 버스바의 폭은 1.5mm, 핑거그리드의 폭은 0.05mm ⁽¹⁴⁾로 고정한 다음 핑거그리드의 간격을 변화시키며 단위 셀의 출력이 최대가 되는 조건을 계산한 결과가 그림 9에 도시되어 있다. 그 결과 핑거그리드 간격이 1.4mm 일 때 출력이 최대가 되는 것을 확인하였고, 이때의 전극 구조가 표 8에 기재되어 있다. 박막 태양전지 모듈 시뮬레이션은 그림 7의 모듈 구조에 표 7의 전극 물성을 적용하여 수행하였다. 모듈의 수평방향 배선 역할을 하는 버스바의 폭은 0.05mm로 하고, 버스바를 포함한 단위 셀 사이의 절단 영역 (손실 영역) 의 폭은 0.3mm ⁽¹⁵⁾로 고정하여 설계하였다.

그림 8 결정질 실리콘 셀의 전극 디자인. 파란색 수평선은 버스바를 나타내고 검은색 수직선은 핑거 그리드를 나타냄.

Fig. 8 Electrode Design of Crystalline Silicon Cells. The blue horizontal line represent the busbar and the black vertical line represent the finger grid.

그림 9 대모듈 규격에서 핑거 그리드 사이의 간격 변화에 따른 결정질 실리콘 태양전지모듈 출력의 변화

Fig. 9 Changes in crystalline silicon solar cell module output according to the change in spacing between finger grids in large module specifications

표 7. 결정질 실리콘 태양전지와 박막 태양전지 모듈 설계에 사용된 전극 물성

Table 7 Electrode properties used in the design of crystalline silicon solar cells and thin film solar cell modules

태양전지 종류	이미터/TCO 면저항 [Ω]	상부전극/버스바 면저항 [Ω]	하부전극 면저항 [Ω]
결정질 실리콘	13	0.0125	0.265
CIGS 박막	13	0.0125	0.265
비정질 실리콘	13	0.0125	0.265

표 8. 결정질 실리콘 단위 셀 핑거그리드 설계 결과

Table 8 Crystalline Silicon Unit Cell Finger Grid Design Results

단위 셀 규격 [폭/높이,mm]	핑거 그리드의 폭 [mm]	핑거 그리드의 길이 [mm]	버스바의 폭 [mm]	단위 셀 내 핑거 그리드의 개수 [개]/폭[mm]
156/78	0.05	39.1875	1.5	224/1.4

그림 10과 그림 11에 도시된 것과 같이 CIGS의 경우 단위 셀 폭이 8.058mm 일 때, 비정질 실리콘의 경우 단위 셀의 폭이 9.730mm 일 때 출력이 최대임을 알 수 있고, 설계 결과는 표 9에 정리되어 있다.

그림 10 대모듈 규격에서 CIGS 박막 태양전지의 단위 내 셀의 수량 및 셀 폭 변화에 따른 모듈 출력의 변화(1670×1900)

Fig. 10 Changes in module output according to changes in the number and width of cells in a unit of CIGS thin-film solar cells in large-module specifications

그림 11 대모듈 규격에서 비정질 실리콘 태양전지의 단위 내 셀의 수량 및 셀 폭 변화에 따른 모듈 출력의 변화(1670×1900)

Fig. 11 Changes in module output according to changes in the number and width of cells in a unit of amorphous silicon solar cells in large-module specifications

표 9. 박막 태양전지 모듈 내 단위 셀의 폭 및 수량 설계 결과

Table 9 Width and age of the unit cell in the thin film solar cell module

태양전지 종류	모듈 내 단위 셀의 폭[mm]	모듈 내 단위 셀의 수량[EA]
CIGS	8.071	227
비정질 실리콘	9.754	189

3.5 모듈 출력 결과

그림 9, 그림 10그리고 그림 11의 결과들로부터 대모듈 1개 및 소모듈 8개로 이루어진 창호용 블라인드 시스템 전체의 출력을 계산하여 그림 12에 도시하였다. 통상의 상온인 20℃에서 세 가지 시스템의 출력을 계산하면 결정질 실리콘 모듈이 1,950W, CIGS 박막 모듈이 1,947W, 비정질 실리콘 박막 모듈이 1,656W이다. 각 시스템에 사용된 태양전지의 온도계수 차이에 의해 시스템의 온도계수가 계산되는데, 결정질 실리콘 모듈은 –8.3W/℃, CIGS 박막 모듈은 –7.4W/℃, 비정질 실리콘 박막 모듈은 –3.7W/℃이다. 이러한 차이 때문에 고온 환경인 80℃가 되면 세 가지 태양전지 시스템 간 출력의 차이가 감소하며, CIGS 박막 모듈의 경우는 30℃ 이상의 환경에서는 결정질 실리콘 모듈보다 출력이 높게 계산된다. 표준 태양광 조건에서 셀의 효율은 결정질 실리콘 태양전지가 가장 높지만, 모듈 구성 시 박막 태양전지 모듈은 손실면적을 감소시킬 수 있으므로 결정질 실리콘 모듈의 출력에 근접하는 설계가 가능하고 고온 환경에서는 박막 태양전지 모듈의 출력 저하가 상대적으로 적다는 장점을 활용할 수 있다.

그림 12 공동주택 정면부 창의 전체 출력 비교

Fig. 12 Comparison of the overall output of the front window of the apartment house

상술한 블라인드 모듈의 설계 및 출력 값들은 태양광의 수직입사를 가정하여 얻어진 결과들이다. 창호용 블라인드 태양광 모듈을 공동주택에 설치하면 지면에 수직으로 설치된다. 따라서 입사광의 입사각 조건이 최대 출력을 얻을 수 있는 수준에 미치지 못한다. ⁽¹⁶⁾ 상온인 20℃에서 예상되는 출력을 계산하기 위해 다음과 같이 가정하였다. 모듈의 설치각도는 공동주택 정남향에 수직으로, 서울 (북위 37°34‘) 지역 춘/추분시의 입사각을 가정하였다. 이때 모듈의 설치 시 예상되는 태양광 입사 상황은 그림 13에 도시되어 있다. 이에 따라 블라인드 태양광 모듈에서 예상되는 출력은 결정질 실리콘 모듈 1,181W, CIGS 박막 모듈 1,179W, 비정질 실리콘 박막 모듈 1,003W로 각각 계산되었다. 블라인드 태양광 모듈이 설치된 가구당 일일 발전량을 계산하기 위해 평균 일일 발전시간을 3.6시간 ⁽¹⁷⁾으로 가정하여 얻어진 각 태양광 시스템의 일일 발전량은 결정질 실리콘 모듈 4.25kWh, CIGS 박막 모듈 4.24kWh, 비정질 실리콘 박막 모듈 3.61kWh으로 각각 계산된다.

그림 13 정오에 태양이 남중고도에 위치할 때의 블라인드 태양광 모듈에 태양광이 입사되는 상황

Fig. 13 The situation in which sunlight is incident on the blind solar module when the sun is located at the southern middle altitude at noon

그림 14과 그림 15에 도시된 것처럼 이 때 주거용 건물의 평균 전력사용량을 월별 223kWh ⁽¹⁸⁾로 가정하였을 때 세 가지 블라인드 태양광 모듈의 월별 발전량은 각각 127.6kWh, 127.4kWh, 108.3kWh로서 이는 월평균 57.2%, 57.1%, 48.5% 로 대응된다. 우리나라 공동주택 1050만 가구 ⁽¹⁹⁾모두에 설치하여 사용한다면 각 태양광 모듈 종류별로 44.6GWh, 44.5GWh, 37.9GWh 의 일일 전력 생산량이 계산된다. 이 수치들은 2020년 에너지원별 발전용량 ⁽²⁰⁾으로 비교하면 원자력 발전량의 10.2%, 10.1%, 8.6%를 석탄 발전량의 8.3%, 8.3%, 7.0% 에 해당된다. 따라서, 창호용 블라인드 태양광 시스템 적용을 통해 기존 전력 생산의 10%에 근접하는 발전 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 더욱이 블라인드 태양광 모듈은 실내 태양광 시설로서 적용이 간편하여 기후변화에 대한 전 세계적 대안 ⁽²¹⁾ 중 단기간에 적용할 수 있는 기술로써 활용될 수 있을 것이다.

그림 14 주거용 평균 전력사용량 및 세 가지 태양광 시스템의 월평균 발전량 비교

Fig. 14 Average monthly usage for residential and Comparison of average monthly power generation of three solar systems

그림 15 에너지원 별 연간 발전량 및 세 가지 태양광 시스템 년간 발전량 비교

Fig. 15 Annual generation of fossil energy and Comparison of annual generation of three solar systems

4. 결 론

본 연구에서는 공동주택 창호에 적용할 수 있는 블라인드 형태의 태양전지 모듈을 설계한 결과를 제시하였다. 결정질 실리콘 태양전지 및 CIGS 박막 태양전지 그리고 비정질 실리콘 태양전지를 적용한 각각의 태양광 모듈의 출력을 시뮬레이션을 통해 예측하고 비교하였다. 설계에 사용한 평균적인 공동주택 규격에 따라 설계한 태양광 시스템에서 얻어지는 월간 발전량[Wh]은 각각의 경우 127.6kWh, 127.4kWh, 108.3kWh 로 계산되었고 이 값들은 공동주택 가구의 평균 월간 전력 소모의 약 50%가량에 해당한다. 박막 태양전지 모듈은 셀의 광전변환 효율은 낮지만, 모듈 구현 시 광 활성층의 면적 비율을 높일 수 있고 온도계수가 낮은 특징을 가지고 있어 공동주택용 모듈로서 결정질 실리콘 태양전지 모듈과 경쟁할 수 있는 품질을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 현재 우리나라의 에너지원별 발전량과 비교했을 때 공동주택 설치가 쉬운 블라인드 태양광 모듈 기술은 향후 기존 에너지원을 10%가량 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

This work was supported by a research grant from Hankyong National University in the year of 2020.

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저자소개

차명회 (Myung-Hoi Cha)

2020. 2. Bachelor of Engineering, Department of Mechatronics, Hankyong National University

2022. 2. Master of Engineering. School of Electrical and Electronic Engineering

2015. 8.~present, Manager in S-FOOD Co.

백승재 (Seung Jae Baik)

1994. 2. Bachelor of Engineering

1996. 2. Master of Engineering

2001. 8. Doctor of Engineering, all from Department of Electrical Engineering, KAIST

2001. 9~2009. 8. Principal engineer in Samsung Electronics Co.

2009. 9.~2012. 2. Research professor in KAIST

2012. 3.~present, Professor in Hankyong National University

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

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창호용 블라인드 태양광 모듈의 설계

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 시뮬레이션 방법

3. 시뮬레이션 결과 및 모듈 설계

3.1 SCAPS^TM 시뮬레이션 조건

3.2 SCAPS^TM 시뮬레이션 결과

3.3 모듈 설계

3.4 LAOSS^TM 시뮬레이션 조건 및 결과

3.5 모듈 출력 결과

4. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

차명회 (Myung-Hoi Cha)

백승재 (Seung Jae Baik)

Article Information (continued)

Key words

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창호용 블라인드 태양광 모듈의 설계

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Key words

1. 서 론

2. 시뮬레이션 방법

3. 시뮬레이션 결과 및 모듈 설계

3.1 SCAPSTM 시뮬레이션 조건

3.2 SCAPSTM 시뮬레이션 결과

3.3 모듈 설계

3.4 LAOSSTM 시뮬레이션 조건 및 결과

3.5 모듈 출력 결과

4. 결 론

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차명회 (Myung-Hoi Cha)

백승재 (Seung Jae Baik)

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3.1 SCAPS^TM 시뮬레이션 조건

3.2 SCAPS^TM 시뮬레이션 결과

3.4 LAOSS^TM 시뮬레이션 조건 및 결과