2.1 태양광 셀 전기적 특성 분석

태양광 셀의 전기적 특성평가는 I-V 곡선으로 특성을 평가할 수 있다. 전기에너지를 광에너지로 바꾸는 LED와 달리 태양전지는 광에너지를 전기에너지로 바꾸며 구조가 반대이다. 다이오드의 특성을 평가하는 I-V 곡선을 태양전지에도 활용할 수 있다. 태양전지의 이상상태의 I-V 특성은 식 (1)과 같이 일반적인 다이오드 특성 관계식을 통하여 나태낼 수 있다^(8.9).

이때 I 는 다이오드를 흐르는 전류, V 는 다이오드에 걸리는 전압, I0 는 암 상태 포화전류, n 은 이상 계수, T 는 절대온도, q 는 기본전하, k 는 볼쯔만 상수 이다.

식 (1)은 양변에 자연로그를 취하여 식 (2)와 같이 분석할 수 있다.

이를 통하여 전류와 전압의 관계는 q, n, k, T 에 의하여 이상상태와 편차를 갖음을 알 수 있다. 이때, q, k 는 상수이므로 n 과 T 에 의해 편차가 발생함을 알 수 있다. 특히 이상 계수인 n 의 경우 이상상태에서는 1을 갖지만, 반도체 소자의 특성상 발생할 수 있는 기생저항인 직렬저항과 병렬저항에 의하여 10 이상의 값을 갖을 수도 있게된다. 특히 온도가 반도체 입장에서 전류의 흐름에 영향을 줄 수 있다는 것이 태양광 발전시 모듈의 온도와 출력량의 상관관계 분석에 중요한 역할을 하게된다.

이러한 반도체적 특성을 기반으로 셀을 기반으로 한 모듈과 스트링 성능분석에 I-V 곡선을 전기안전 요소로 활용할 수 있다. 기준 상태를 표준시험조건인 Standard Test Condition (STC) 로 설정하고 현재 측정된 I-V 곡선과의 편차를 통하여 특성을 평가한다.

전압과 관련된 개방전압(Vo) 감소는 모듈의 경우 Potential Induced Degradation (PID), 균열, 음영, 오염 등으로 인한 핫스팟 발생과 바이패스 다이오드 손상 등에 의해 나타난다. PID, 핫스팟의 경우 태양광 모듈 내 셀의 고장 및 불평형에 의해 발생하므로 전압의 감쇄가 적게 나타난다. 반면 바이패스 다이오드 손상의 경우 모듈 내에 바이패스 다이오드 개수에 따라 모듈 영역이 나뉘어서 상대적으로 감쇄가 크게 나타난다.

전류와 관련된 단락전류(ISC) 감소는 모듈 전체적인 변색에 의해 일사량 감소와 유사한 상황이 발생할 경우 나타나게 된다. 또한 출력 감소의 경우 음영지역 발생에 따라 단락전류 감소와 함께 발생하게 된다. 음영 지역의 경우 측정 시간과 계절에 따라 다르게 발생하며 하루 주기로 반복되는 경우가 대부분이여서, 출력저하에 기인한 내부 전기적 소자 파괴에도 영향을 미치게 된다. 또한 대부분의 현장의 경우 모듈 단위가 아닌 스트링 단위로 측정되기 때문에 모듈의 배치에 따라 음영에 대한 영향도 다르게 나타난다.

또한 전력의 측면에서, I-V 곡선의 충진률을 통해 태양광 셀의 손실을 정량화할 수 있다. 이론적 최대값을 갖게되는 $V_{OC}\bullet I_{SC}$ 대비 현재 측정되는 최대값인 $V_{MPP}\bullet I_{MPP}$ 값을 비교하여 태양광 셀의 성능을 평가할 수 있다.

2.2 태양광발전 직류구간 전기적 위해성 분석

태양광발전의 직류구간은 셀, 모듈, 스트링이 포함된다. 전기적으로 저항성분이 영향을 미치게되며 특히 태양광 셀에서 발생하는 기생 병렬 저항성분으로 인한 누설전류가 위해성을 갖게된다. 이것들은 모듈 외함마다 연결된 보호도체를 통하여 접지전극으로 모이게 된다. ⁽¹⁰⁾

그림 1 다이오드 I-V 곡선의 기생저항 영향 모식도

Fig. 1 A schematic diagram of parasitic resistance effect of diode I-V curve

직류구간은 다이오드의 직렬 병렬 회로 조합으로 구성되어 P-N 접합의 다이오드 구조에 영향을 받는다. 수 nm 수준의 공정상 한계로 반도체에는 기생저항으로서 병렬저항과 직렬 저항이 발생하게 된다. 이러한 기생저항 특성에 의하여 측정되는 I-V 곡선은 이상적인 모양과는 차이를 갖게된다.

병렬저항은 반도체 특성상 계면에서 우회경로가 발생하여 나타난다. 이 경우 구동전압까지의 기울기가 0에서 병렬저항 값에 따라 증가하는 특성을 보인다. 이것은 반도체의 경우 도핑의 균일도의 한계에 의해 P-N 사이의 전기적 장벽 높이에 차이가 발생한다. 전기적 장벽은 반도체로서 일정 수준의 전기적 흐름을 막아주는 역할을 하여야 하는데, 부분적으로 전기적 장벽 높이가 기준 값보다 상대적로 낮은 구간에서는 누설성분이 발생할 수 있으며 이것이 병렬저항을 형성하게 된다. 셀 수준의 등가회로를 적용하였을 때, 발전전류는 주회로로 흐르게 되고 누설전류는 기생회로 로서 병렬로 위치한 회로로 흐르게 된다. 따라서 누설전류는 일사량의 증가에 따라 선형적으로 증가하는 원인이 된다.

직렬저항은 접촉저항이 클 경우 발생할 수 있다. 이 경우 구동전압 이상에서 기울기가 무한대에서 접촉저항 값에 따라 감소하는 특성을 보인다.

2.3 태양광발전 교류구간 전기적 위해성 분석

통상적으로 교류누설전류는 지락, 단락과 같은 고장상황에서 발생하고 다중접지 계통의 불평형, 접지전로의 폐루프, 선로와 대지간의 표유정전용량 등의 원인으로 정상상태에서도 발생할 수 있다. 최근 전력변환장치의 도입에 따라 표유정전용량의 경로를 따른 누설통전이 용이해지고 있다. 태양광발전은 전력변환장치의 kHz 대역의 스위칭 주파수 성분으로 인하여 누설통전이 용이한 상황이고, 태양광 모듈과 철골 구조물 등의 영향으로 도전부 이외에 인근 도전성부로 표유정전용량이 존재하기 쉬운 구조이다. 전력변환장치로부터 전로와 중성점 사이 등에 Common Mode Voltage (CMV) 가 발생하게 되고 이와 같은 경로에 표유정전용량이 존재하여 누설통전 경로를 제공하게 될 경우 Common Mode Current (CMC) 가 발생하여 위해성의 원인이 될 수 있다⁽¹¹⁾.

대부분의 현장에서는 도전성부분이 존재하므로 표유정전용량이 존재하기 쉽다. 따라서 이상적인 회로에서 벗어나 누설성분이 발생하게 된다. 이것은 전력케이블 사이, 전력케이블과 대지 사이, 전력케이블과 전력설비 외함 사이 등에서 발생할 수 있다.

특히 주파수가 증가할 경우 용량성 임피던스가 감소하여 누설이 발생하기 쉽다. 그림 1에서 VCM1 는 직류전로와 접지 사이의 전압을 의미하고 VCM2 는 교류전로와 접지 사이의 전압을 의미한다. CCG.SWF 는 DC 전로와 접지 사이의 등가 표유정전용량이고, CCG,60Hz 는 교류 전로와 접지 사이의 등가 표유정전용량이다. CCE.SWF 는 DC 전로와 외함 사이의 등가 표유정전용량이고, CCE,60Hz 는 교류 전로와 외함 사이의 등가 표유정전용량이다.

접지는 PCS와 태양광모듈 외함에 연결된 각 접지 전선을 접지단자함에서 전기적으로 접속한 후 접지도체에 연결되고, 접지도체는 지중에서 접지극과 연결된다.

그림 2 전력변환장치 기준 표유정전용량 영향 모식도

Fig. 2 A schematic of the stray capacitance based on power converter

전력변환장치는 전력용 반도체 소자의 스위칭 동작을 통하여 필요한 전압을 합성하게 되며, 이러한 동작은 CMV를 발생시킨다. CMV 는 전로와 접지사이의 전압이며, 주파수는 전력변환장치의 스위칭 주파수이다. 표유정전용량 등의 누설통전 경로가 존재하면 CMC 가 발생한다. ICM은 CMC로 인한 누설전류를 의미한다. 현장 특성을 반영하여 도출된 표유정전용량에 의한 누설전류는 식 (4), (5) 와 같이 나타낼 수 있다.

ICM 은 주파수가 클수록 크고, 기생정전용량이 작을수록 크게 나타난다. 따라서, 60 Hz 보다 수 kHz 의 스위칭 주파수를 쓰는 스위칭 주파수 구간이 용량성 임피던스가 작으므로 스위칭 주파수 구간의 표유정전용량 영향이 증가되어 누설전류 발생이 증가할 수 있다. 전력변환장치에서 발생한 전기적 성분이 기기외함과 대지 등과의 용량성 임피던스를 통하여 전기적 경로를 형성하게 되고, 접지선이 이러한 외부 영향으로 인한 누설전류의 유입경로가 된다. 이를 통하여 60 Hz 보다 스위칭 주파수 구간에서의 누설전류 영향이 더 큰 비중을 차지하는 것을 확인할 수 있다.

3.1 일사량 변화에 따른 직류누설전류 영향

일사량은 06:00 부터 14:00 까지 지속적으로 증가하다가 감소하였다. 12:54 에 최대값인 1071 W/m$^{2}$ 이 측정되었다. 구름 등에 의한 그늘로 인하여 순간순간 일사량이 감소하는 특징은 보였지만 시간에 따라 전반적으로 일관된 패턴을 보였다.

직류 누설전류는 일사량 증가에 따라 증가하는 특징을 보였다. 그림 4와 같이 직류 누설전류는 0.9 mA 에서 1.245 mA 로 측정되었으며 일사량의 증감 패턴과 유사하다. 특히 일사량 13:41에 순간적으로 388 W/m$^{2}$ 까지 감소할 때 직류누설전류 값도 감소함을 확인할 수 있다. 또한 일사량이 감소 상태이다가 16:50에 811 W/m$^{2}$ 로 증가할 때도 누설전류 값이 증가함을 확인할 수 있다.

직류누설전류는 반도체 공정상의 한계로 미시적인 수준에서 발생하지만, 광에너지와 전기적에너지 사이에서 선형적인 특성을 확인할 수 있다. 일사량이 1000 W/m$^{2}$ 조건에서 직류누설전류는 1.21 mA 로 측정되었고, 800 W/m$^{2}$ 조건에서 1.15 mA 로 측정되었고, 640 W/m$^{2}$ 조건에서 1.07 mA 로 측정되었다. 즉 일사량이 80 % 씩 감소할 때마다 직류누설전류는 95 % 씩 감소하는 선형적인 특성을 확인할 수 있다.

이를 통하여, 직류누설전류와 일사량은 순간적인 변동량을 선형화하여 분석하였을 때, 선형적인 특성으로 연관성을 갖음을 확인할 수 있다.

그림 4 시간에 따른 순간 일사량과 직류누설전류

Fig. 4 Instantaneous irradiation and DC leakage current according to time

3.2 출력량 변화에 따른 교류누설전류 영향 분석

태양광발전 출력량은 06:00 부터 14:00 까지 지속적으로 증가하다가 감소하였다. 12:54에 최대값인 15923 W 가 측정되었다. 구름 등에 의한 그늘로 인하여 순간순간 감소하는 특징은 보였지만 시간에 따라 전반적으로 일관된 패턴을 보였다.

교류누설전류는 일사량 증가에 따라 증가하는 특징을 보였다. 그림 5와 같이 직류 누설전류는 325 mA 까지 측정되었으며 일사량의 증감 패턴과 유사하다. 특히 출력량이 감소 상태이다가 16:50 에 11017 W 로 증가할 때도 누설전류 값이 증가함을 확인할 수 있다.

전력변환장치의 스위칭 주파수는 kHz 대역으로 표유정전용량을 통한 누설통전이 용이하다. 따라서 발전량 증가에 따른 출력량 증가에 따라 교류누설전류 발생이 증가하게 된다. 하지만 출력량 증가에 따라 교류누설전류 증가가 일정 수준으로 제한되었고, 이것은 교류누설전류가 출력량 이외의 원인에 의하여 제약이 발생함을 알 수 있다.

그림 5 시간에 따른 순간 출력량과 교류누설전류

Fig. 5 Instantaneous power and AC leakage current according to time

그림 6은 태양광발전의 온도 제약을 확인할 수 있다. 07:34 부터 19:18분 까지 최적 발전 조건이 25 ℃ 를 초과함을 확인할 수 있었고 12:54분에 최대 온도인 74.5 ℃ 까지 증가함을 확인하였다.

온도의 제약이 없이 일사량의 영향으로만 출력량이 증가하였다면 07:34 과 12:54 를 비교하였을 때, 일사량과 출력량의 선형적 특성이 지배적이라고 가정하였을 경우, 일사량이 132.21 W에서 1071.4 W 까지 8.1 배 증가하였을 때, 출력량은 2.5 kW에서 20.25 kW 까지 발전하여야 하지만 15 kW 까지로 제한됨을 확인할 수 있다. 이에 따라 누설전류의 증가도 제한됨을 확인할 수 있다.

이를 통하여, 교류누설전류는 출력량 증가에 따라 증가하지만, 최적온도를 기준으로 일정수준으로 제한됨을 확인할 수 있다.

그림 6 시간에 따른 순간 일사량과 모듈온도

Fig. 6 Instantaneous irradiation and module temperature according to time