2.1 STC 조건에서의 발전특성

여러 재생에너지 발전시스템 중 태양광에너지에 대한 발전량은 기후상황에 따른 여러 변수를 적용하여 추정할 수 있다. 태양광 시스템의 발전량 예측의 가장 기본적인 측정환경은 STC조건이 있다. IEC 표준에 제시된 태양전지 및 태양전지 모듈에 대한 표준시험조건으로 해당 모듈의 성능을 측정하는 경우 조사되는 빛의 스텍트럼은 AM(Air Mass, 대기질량지수)1.5, 빛의 조사강도는 1000W/m, 측정 시 모듈의 표면온도는 25℃가 되는 표준 측정 조건을 말한다⁽²⁾. STC조건에서의 발전특성 평가는 현실적으로 자연광을 통한 측정은 일사량 및 온도변화로 어려움이 있어 여러 변수를 고려한 보정식을 사용하여 예측하는 방법을 일반적으로 사용한다.

따라서 IEC61215-2표준에서는 IEC60904-9의 요구사항을 만족하는 Class BBA 혹은 그 이상의 성능을 가지고 있는 태양광 시뮬레이터를 사용하도록 규정되어 있다. 이러한 시뮬레이터 등급은 표 1과 같은 스펙트럼(Spectral match), 균일도(Non-uniformity), 불안정도(Temporal instability) 의 3가지 기준에 의해 분류되며 본 논문을 위해 사용한 시뮬레이터는 IEC60904-9에 제시된 등급 중 A+A+A+ 등급의 장비를 사용하여 측정 신뢰도를 확보하였다⁽³⁾. 이러한 표준 측정 조건은 다양한 발전성능을 가지는 태양전지 모듈을 단일 기준으로 평가하기 위하여 제안된 측정 조건이다.

본 논문에서는 재생 모듈에 대한 성능을 STC조건에서 분석하여 재생 계수를 산정하는 방법을 제시한다. 이를 통해 궁극적으로 재생 모듈에 대한 발전량을 예측하는 방법을 제시하기 위함이다. 그림 2는 STC조건에서의 태양광 모듈 발전성능 측정 시 사용되는 IEC60904-9에 적합한 태양광 시뮬레이터이고 그림 3은 동일 조건에서의 대표적인 태양광 모듈의 발전특성 그래프이다.

이러한 태양광 모듈의 발전성능은 일반적으로 아래 식 (1) 및 식 (2)와 같은 요소에 의해 표현되며 단일 모듈 및 발전 시스템의 발전량 예측은 일사량, 일조시간, 풍속, 지형적 요소 등 여러 변수가 되는 기상조건을 고려하여 예측하는 방법들이 사용되고 있다⁽⁴⁾.

$I_{sc}$ : 태양전지 모듈의 양단 단락 시 유기 전류

$I_{m}$ : 태양전지 모듈의 최대 동작 전류

$I_{oc}$ : 태양전지 모듈 전류가 0일때의 개방 전압

$V_{m}$ : 태양전지 모듈의 최대 동작 전압

$P_{pv,\:STC}= V_{m}\times I_{m}$: STC 조건에서의 최대출력지점 동작전력

$P_{pv}$ : 일사량, 온도에 의한 모듈 발전량[W]

$P_{pv,\:STC}$ : STC 조건에서의 모듈 출력[W]

$G$ : 모듈에 조사되는 일사량(STC 조건의 경우 1000W/s)

$r$ : 모듈의 온도계수[%/℃]

$Tem$ : 모듈의 온도[℃]

식 (1)의 STC조건에서의 발전전력은 온도 및 일사량이 상수화 되어 있는 것이며 이러한 변수를 고려한 태양광 모듈의 발전전력 예측식은 식 (2)와 같이 표현한다.

식 (2)는 태양광 모듈의 발전성능을 나타내며 모듈의 성능에 가장 영향을 많이 주는 요소인 모듈에 조사되는 일사량 및 온도를 변수로 하여 발전량을 예측한다. STC조건의 경우 일사량은 1000W/s로 조사되고 온도의 경우 25℃로 설정되므로 STC조건과 비교한 일사량 및 온도 및 모듈별 온도계수에 의해 발전량이 결정된다고 판단할 수 있다.

이러한 태양광 모듈의 발전전력 예측식의 경우 온도 및 일사량에 따른 발전전력을 예측할 수 있으나 본 논문에서 재생 모듈에 대한 재생 보정계수 도출을 위해서 측정조건을 STC 조건으로 한정하므로 태양광 모듈 예측 발전전력과 동일함을 알 수 있다.

또한, 이러한 개별 태양광 모듈을 적용한 태양광 발전시스템에 대한 발전량을 예측하는 경우 발전시간, 설비용량, 및 설비의 종합효율 등을 고려하여 식 (3)과 같이 예측하는 것이 일반적이다. 이러한 예측식의 경우 장기간 수집된 데이터를 기반으로 일사량, 일조시간, 운량, 지리적 요소(위도, 해발고도, 풍속 등)등을 변수로 설정하여 추정식을 제안하는 연구도 지속적으로 이루어지고 있다⁽⁵⁾.

$E_{ex1}$ : 특정 기간 내 발전량[kWh]

$H_{a}$ : 해당 지역 일일 발전시간[h]

$P_{as}$ : 태양광 발전시스템 설비용량[kW]

$D_{ay}$ : 설비 운영일수[day]

$k$ : 설비의 종합효율

즉, 본 논문에서 도출 방법을 제시하는 재생 보정계수는 $P_{pv,\:STC}=P_{pv}$를 기반으로 신규 및 재생 모듈의 일반 발전성능 표현을 위한 예측식 도출을 위해 일사량, 온도 등의 주요 변수를 STC조건으로 상수화하고 고장시점별 장기열화 성능 도출 등 후속 연구를 통해 신규 모듈 및 재생 모듈에 대한 전압, 전류, 전력의 성능변화를 분석하여 각 고장 시점별 재생 모듈에 대한 재생 보정계수를 도출해 발전량 예측에 적용한다.

2.2 장기열화 시험 선정 및 샘플링

현재 결정질 태양전지 모듈에 대한 장기 운전에 적합성 여부를 평가하는 대표적인 표준으로는 IEC61215가 운용되고 있으며 이는 IEC60721-2-1에 정의되어 있는 옥외 기후에서의 모듈 설계 적합성에 대한 요구사항 내용을 근간으로 제정되었다. 실리콘계 태양광 모듈의 신뢰성 및 안전성을 평가하는 국제 표준은 IEC61251-1로 평가에 대한 요구사항이며, IEC61215-2는 평가절차에 대해 세부적으로 기술하였다. 해당 표준에서는 온습도 복합시험, 고온저온 사이클링 시험 등 가속수명 및 가속스트레스 개념을 샘플별로 적용하여 전 세계적인 기후의 대표 환경 열화모델에 적용하여 해당 시험을 적용 후 출력 변화율을 비교하여 발전 성능을 검증하고 있다. 해당 표준은 태양전지 모듈에 대한 수명을 25년 이상 보증하는 것을 목표로 하여 작성되었으나 이는 신뢰성을 보증하기 어렵고 설계적합성 측면에서 접근한 표준이라고 할 수 있으므로 품질불량 및 초기 고장률을 감소시키기 위한 다양한 신뢰성 검증시험도 지속적으로 요구되고 있다.

일반적으로 가속시험(High Acceleration Life Time test)은 짧은 시간 내에 수명에 대한 사항들을 취득하며 고장 및 설계 단점보완, 검증시간 단축을 하는 방법으로 일정, 계단, 점진적 스트레스 등을 인가하는 방법 등이 활용되고 있다. 이러한 가속시험에는 가속 수명시험(Accelerated Life Testing:ALT)과 가속 스트레스시험(Accelerated Stress Testing:AST)이 있으며 이들 각각의 시험은 특정 사용 환경에서의 수명 추정, 설계개선, 동작한계 평가 등에 사용되고 있다⁽⁶⁾.

결정질 실리콘 태양전지 모듈에 대한 수명 및 설계적합성, 형식승인에 대한 요구사항 표준인 IEC61215의 경우 각 샘플 모듈별로 고온고습, 온도 사이클, 습도 동결 시험 등의 환경시험이 실시되고 있으며 이 중 온도 사이클 200시험의 경우 - 40℃~85℃의 온도조건의 1주기를 6시간으로 설정하고 200주기 시험 후 해당 태양전지 모듈의 발전성능, 전기적 성능 등을 평가하여 기후조건 상 우리나라의 4계절의 기후를 모의 하는 시험으로 가장 적합한 가속시험이라 할 수 있다. 온도 사이클 200시험의 경우 온도 조건이 연교차가 크고 계절의 변화가 뚜렷한 기후조건에 적합하며 모듈 수명 10년에 해당하는 장기열화 모델이다. 본 연구를 위해 태양광 모듈 수명 최소 20년에 해당하는 장기열화가 필요하기 때문에 온도 사이클 400시험을 실시하여 발전량 예측을 위한 시험을 장기열화 시험모델로 선정하여 수행한다. 현재 많은 복합시험 등이 연구되고 있으나 공식화된 항목으로는 태양전지 모듈의 표준에 명기된 가속시험 유형을 사용하는 것이 바람직하다고 판단된다. 이러한 기준이 되는 환경조건에서 온도범위를 줄이고 1주기를 짧게 하는 여러 가지 가속시험에 대한 연구가 지속되고 있고 평가기관 혹은 제조사마다 일부 상이한 요소들이 있으므로 결정질 태양전지 모듈에 적용하는 공식화된 사이클 시험은 국제표준에 제시된 내용을 사용하는 것이 바람직하다.

현재까지의 연구 결과에 따르면 온도 사이클 수의 증가보다는 온도구간의 증가가 가속시험에 약 2배 이상의 상관성을 가지고 있고 이러한 2가지 요소를 변화하여 보증하는 모듈의 수명에 대한 적합성을 선언할 수 있다⁽⁷⁾. 그러나 이는 연구단계의 모델이며 신규 태양전지 모듈이 아닌 재생 모듈에 사용되는 연구를 진행함에 있어서는 국제적으로 가장 보편적으로 활용되는 모델을 사용하는 것이 타당할 것이다.

이에 본 논문에서는 폐 모듈 재생 후 평가된 전압, 전류, 전력 등의 발전성능을 장기열화 시험의 대표모델을 IEC61215에 명기되어 가장 보편적으로 사용하며 우리나라의 기후환경에 대한 스트레스 인자와 가장 유사한 온도 사이클 400 시험으로 선정하여 일정 사이클 열화 후 동일 발전성능요소의 변화율을 측정하였다. 그림 4는 이와 같은 대표적인 대표 장기열화 시험모델에 대한 시간, 온도, 전류조건을 표현하고 있다.

발전량 보정계수 도출에 사용할 데이터 도출 및 분석을 위해 국내 태양광 발전 시스템에 90% 이상의 비중을 차지하고 있는 결정질계 실리콘 태양광 모듈을 기준으로 샘플링을 시행하였다. 그림 5는 샘플로 선정한 대표 샘플 모듈의 전면과 후면이며 본 논문에서 사용된 50매의 모듈은 대표성 및 일관성 있는 재생 모듈의 발전특성 데이터 도출을 위해 A사의 동일모듈을 선정하며 최근 발전시스템에 가장 많은 비중을 차지하며 이에 비례하여 폐 모듈이 가장 많이 발생할 것으로 예상되는 단결정의 실리콘계 결정질 하프셀 390W용량의 모듈을 선정하였다. 샘플링은 동일 모델(전기적 정격, 모델 등)의 결정질계 태양광 모듈 50매를 확보하여 고장 시기별 재생 후 발전량 예측을 위하여 각 10매씩 대표 샘플로 활용한다.

국내 태양광 폐 패널의 형태는 사용 후 발생된 폐 패널과 제조 시 발생하는 공정 부산물로 구분할 수 있으며 이러한 폐 패널의 발생량은 초기 태양광 모듈 설치량과 비례하여 발생할 것으로 판단된다. 현재 태양광 폐 패널의 종류는 실리콘 기반 패널이 약 88%로 가장 많은 비중을 차지하며 CIGS, CdTe 패널이 약 5% 내외를 차지하고 있다^(8,9). 태양전지 모듈의 발전 특성의 경우 일사량 및 대기온도, 모듈온도, 풍속 등과 관련이 있지만 일사량은 전류특성, 모듈 및 대기온도는 모듈의 유기전압에 가장 큰 영향을 주는 요소이다. 따라서 전압, 전류, 전력특성을 분석함으로써 샘플로 선정된 태양전지 모듈에 대한 고장 전후, 고장 시기별 구분 및 장기열화 전후의 STC조건에서의 발전특성을 분석하여 발전량 예측을 위한 데이터로 활용하고자 한다.

그림 6은 재활용 처리된 태양광 폐 패널의 종류를 나타내며 이는 현장에 설치된 종류별 모듈 규모와 일치하는 비중을 차지함을 볼 수 있다.

본 논문에서의 발전성능 측정은 총 50매의 샘플링된 모듈에 대해 STC조건에서 초기 성능을 측정하였다. 표 2는 샘플링 된 50매 모듈에 대한 각 유형별 전기적 정격 및 각 유형별 샘플의 측정 평균값을 나타낸다.

효율적인 실험수행을 위하여 현재 계절별 특성을 반영하는 중위도 지역의 기후에서 공식적으로 적용하고 있는 온도 사이클 200시험을 확대하여 20년의 수명을 가정할 수 있는 온도 사이클 400시험을 적용하였으며, 총 50매 모듈을 샘플링하여 고장 사이클별 발전성능 예측을 위한 동일형태의 고장에 적용하였다. 고장 사이클별 초기, 100사이클, 200사이클, 300사이클 후 고장을 가정하여 각 10매씩의 초기출력을 측정하고 해당 온도사이클 시험 후 동일고장 모의를 통한 발전특성을 분석한다. 이를 통하여 모듈의 고장 시기별 재생 모듈의 발전특성을 각각 분석하여 비고장 모듈의 발전특성과 비교하여 각각의 재생 보정계수를 도출하여 재생 모듈의 고장시기별 발전량 예측 알고리즘에 활용할 예정이다.

본 논문에서는 대표 고장유형, 우리나라 기후환경인 중위도 및 계절별 기후조건에 맞는 20년 장기열화 시험인 온도사이클 400시험 후 각 고장 시기별 발전특성 분석을 위한 샘플링을 통하여 향후 연구에 대한 방법을 제시하였다.

본 논문에서 샘플링된 동일모델 태양광 모듈 50매에 대한 초기 발전특성은 그림 7과 같다. 초기 발전특성 요소별 최대, 최소 편차는 P의 경우 1.3%, V는 1.4%, I는 0.7%로 안정적인 초기특성을 유지함을 알 수 있다.

3.1 고장유형 정의

태양광 모듈의 발생 폐 패널의 배출 형태를 조사한 결과 유리 및 프레임 파손 혹은 장기열화에 의한 출력저하로 인한 원인이 가장 대표적인 발생 원인이다. 여러 가지 고장 원인을 모의해 재생 모듈에 대한 사용방법 및 발전 성능 평가를 위한 연구 진행이 가능하지만 현재는 관리부실 혹은 설치 부주의로 인한 유리 파손 고장사례가 고장의 많은 비중을 차지하는 것으로 조사되고 있다. 또한 여러 고장유형을 모의 하는 경우 시험을 통한 데이터 도출이 용이하지 않고 재생 모듈에 대한 연구의 초기 단계임을 고려하여 실 사용환경에서 고장유형 중 발생빈도가 높고 발전특성의 재생이 가능한 고장을 대표 고장유형으로 선정해 진행하였다.

이에 따라, 본 논문에서는 재생 모듈에 대한 발전량 예측에 사용될 태양전지 모듈의 고장유형으로 실리콘계 결정질 모듈의 여러 고장 유형 중 설치부주의, 우박, 기계적 하중 혹은 풍압 등에 의한 고장 및 고장 후 발전특성을 측정할 수 있는 고장인 전면 glass 파손으로 한정하였다.

3.2 고장 후 성능 측정 및 일반적 재생방법

폐 패널의 재생에 관하여 해외에서는 개인을 중심으로 소규모의 가정용 태양광에 한해 재생 활동이 이루어지고 있다. 태양광모듈의 전면부의 손상이 발생했을 때, 고분자수지 및 기타 물질을 활용하여 발전성능에 영향을 최소화하는 투명 재질을 활용하여 전면부의 손상을 수리하고 태양전지모듈을 재사용하고 있다. 그러나 이에 대한 발전요소별 성능특성, 안전성, 신뢰성 평가는 부재한 상황이다. 국내 및 해외에서 태풍, 산사태, 돌풍, 우박, 기타 사항 등으로 소규모의 손상이 발생한 패널이 폐 패널로 분류되어 매립되거나 방치되고 있다.

본 논문에서는 KS C 8577에 정의된 기계적 충격에 의한 전면 glass파손을 모의 하였으며 일관성 있는 고장유형 모의를 위해 그림 8과 같은 구슬낙하시험기를 이용하여 1040g의 강구를 1.97m 높이에서 20J의 충격에너지로 샘플링 모듈 중 고장 시점에 따라 각 10매에 적용하여 고장을 모의하였으며 온도 사이클 시험 중 각 목표 사이클 도달 시 동일한 고장을 모의하여 향후 연구도 진행할 예정이다. 일반적으로 전면 glass파손에 사용되는 재생 방법은 고분자 수지를 활용한 방법으로 접착력 및 투명도가 좋아 열점 등의 발생을 최소화 할 수 있기 때문이다.