1. 서 론

태양광에너지는 신재생에너지 중 가장 주요한 발전원이다. 2021년 기준 전 세계적으로 약 200 GW 이상의 신규 태양광발전이 설치된 것으로 추산된다, 국내에도 약 4 GW 이상의 신규 태양광발전이 설치되는 등 국내외에서 태양광발전의 신규 설치는 지속적으로 증가하고 있다^[1].

태양광발전은 태양광 셀을 집적하여 모듈(Photovoltaic module, PV module)로 제작해야 단위용량을 증가시켜 에너지로서 사용할 수 있다^[2]. 태양광모듈은 직류전압, 직류전류를 생산하여 결국 직류전력을 발생시킨다. 그러나 태양광 모듈의 전류, 전압 등의 전기적특성은 태양광 모듈의 온도에 따라 그 특성이 변화한다. 즉, 태양광모듈의 온도가 상승하면 전압과 전력은 선형적으로 감소하며, 전류는 선형적으로 증가하게 된다. 따라서 온도에 따른 태양광 모듈의 전압, 전류 특성을 정확하게 계측할 수 있어야 태양광의 온도에 따른 특성을 정확하게 추출할 수 있고, 또한 이를 바탕으로 다양한 환경에서 태양광 모듈에 대한 온도 특성을 예측 할 수 있게 된다.

태양광 모듈의 전력측정 방법은 자연광 및 인공광을 사용한 측정방법이 있으나 자연광 측정방법의 경우 온도와 조사강도가 실시간으로 변화하여 재현성 및 신뢰성 확보에 어려움이 있다. 따라서 일반적으로 태양광모듈의 전력 측정은 온도와 조사강도가 제어되는 인공태양광원을 이용한 태양광모듈 시뮬레이터를 사용하여 측정한다.

인공광을 사용하여 태양광모듈의 전력을 측정할 수 있는 시뮬레이터는 작동방식에 따라 크게 펄스형 태양광모듈 시뮬레이터와 연속조사형 태양광모듈 시뮬레이터로 나누어진다. 펄스형은 순간적인 섬광을 측정 대상 태양광모듈에 수 ms에서 수백 ms의 짧은 시간 동안 조사한 후 태양광모듈에서 순간적으로 발생하는 전압, 전류를 측정한다. 펄스형은 광조사에 의한 측정 대상 태양광모듈의 온도 변화가 적고. 측정 속도가 빠른 장점으로 현장에서 가장 폭넓게 사용되고 있다. 그러나 이런 특성은 연속적인 광조사가 이루어지는 실제 옥외 태양광발전 현장과는 상이하여 열점내구성시험, 온도상승시험, 광조사시험 등과 같은 특정한 시험에 대해서는 적용할 수 없는 단점이 있다.

연속조사형은 실제 옥외 태양광발전 현장과 제반 조건이 유사하기에 실험의 실제성이 보장된다. 그러나 지속적인 광 입사로 인하여 태양광 모듈의 온도상승을 발생시켜 결국 태양광 모듈 내·외부의 온도편차로 인하여 정밀한 측정을 어렵게 하고 오차를 발생시킬 수 있다^[3].

연속조사형에 대한 온도상승 문제를 해결하기 위해 국제전기기술위원회 태양광모듈 표준화분과인 IEC TC 82 WG2에서는 IEC 60891 온도조사강도 보정표준, IEC 60904 전기적 특성 측정표준을 제정하여 측정의 신뢰성을 향상시키기 위한 노력을 하고 있다. 이러한 규정에서는 더욱 정확한 태양광모듈의 전기적 특성 측정을 위하여 펄스형 인공 태양광원, 연속조사형 인공 태양광원, 옥외 자연 태양광원 하에서 온도, 조사강도, 스펙트럼을 보정하고, 측정오차를 감소시키기 위한 보정식을 제시하고 있다^[4]. 태양광모듈의 전력 측정을 위한 기존의 연구들은 주로 펄스형에 국한되어 있다. 펄스형은 측정 대상 시료의 내·외부 온도가 포화되어 동일하기 때문에 연속형과는 차이가 있다. 또한 측정 과정 중 온도상승이 미미하기에 IEC에서 제시한 보정식 모델이 유효하게 적용된다.

본 논문에서는 연속조사형 조건에서 태양광모듈의 전력 측정 시 온도 변화에 의해 발생하는 전력 측정의 오차를 개선하기 위한 온도 보정법을 제안하였다. 대부분의 태양광 모듈이 설치되는 옥외 자연 태양광원 및 이와 비슷한 환경을 모의한 연속조사형에서는 지속적인 광조사에 의한 시료의 온도상승이 발생하게 되며 시료 내·외부의 온도 차 또한 발생한다. 이로 인해 기존의 온도 보정식을 적용하는 데 한계가 있어, 연속조사형에 대하여 보다 적합한 온도 보정식을 제안하였다. 이를 통해 향상된 측정환경을 제공하고, 신형 태양광모듈 시뮬레이터의 개발과 국제표준화 및 신뢰성 연구에도 기여하고자 한다.

2. 온도보정법 적용 전력 측정 보정식의 도출

식 (1)은 IEC 60891에서 제시한 태양광모듈의 전류 보정식을 나타낸다.

여기서, $I_{1}$은 측정된 전류값, $I_{2}$는 보정된 전류값, $I_{sc}$는 측정된 단락 전류값, $G_{1}$은 시뮬레이터의 실제 조사강도, $G_{2}$는 보정을 원하는 조사강도, $\alpha$는 온도의 변화에 따른 전류온도계수, $T_{1}$은 실제측정온도, $T_{2}$는 보정 희망온도를 나타낸다^[5,6].

$G_{1}$, $G_{2}$의 조사강도가 표준측정조건(Standard Test Condition, STC)의 에어매스(Air Mass, A.M) 1.5 1000 $W/m^{2}$로 동일할 때 식(1)은 식(2)로 간소화된다.

태양광모듈의 전류, 전압, 전력 특성은 선형성을 가지기에 식 (2)의 전류 및 전류온도계수를 전력$P$ 및 온도의 변화에 따른 전력온도계수δ에 대한 식으로 변환할 수 있다. 또한 전력온도계수의 단위를 최초의 $W/^{\circ}{C}$대신 비율인 $\%/^{\circ}{C}$로 채택하면 식 (3)을 얻을 수 있다.

$P_{1}$은 실측 전력을 의미하며, $P_{2}$는 보정 전력을 의미한다.

$T_{2}$에는 보정 내부온도 $T_{2c}$를 적용하고, $T_{1}$에는 실제 내부온도$T_{1c}$를 적용하면 식 (4)와 같이 변환된다.

실제 내부온도 $T_{1c}$는 시료의 측정후면온도$T_{1r}$와 측정전면온도$T_{1f}$, 상호 간의 온도편차계수 $\sigma$를 적용해 식 (5)와 같이 계산할 수 있다. 따라서 식 (6)의 온도편차계수 $\sigma$를 제안하였다.

식(4)에 식(5)를 적용하여 온도보정법을 적용한 최종적인 전력측정보정식 식(7)을 제안하였다.

$\delta$ : 전력온도계수(Power temperature coefficient)

$\sigma$ : 온도편차계수(Temperature deviation coefficient)

$P_{2}$ : 보정전력, $P_{1}$ : 실측전력, $T_{1r}$ : 실측후면온도,

$T_{1f}$ : 실측전면온도, $T_{1c}$ : 실제내부온도

$T_{2c}$ : 보정내부온도

3. 태양광모듈의 전력 측정 개선을 위한 온도 보정 실험

제안한 온도보정법 적용 전력 측정 보정식을 검증하기 위하여 검증실험을 수행하였다. 그림 1은 실험의 순서를 나타낸다.

그림 1. 실험 과정 순서도

Fig. 1. Test flow chart

태양광모듈은 종류별로 전기적 열적 특성이 상이하다^[7].따라서 실험을 일관성을 위하여 실험 대상 시료는 가장 대표적인 태양광모듈 유형인 Glass To Backsheet(GTB) Type의 태양전지로 선정하였다. GTB태양광모듈은 유리전면재료, 고분자봉합재료, 태양전지 셀, 고분자봉합재료, 고분자후면재료가 층별로 접합되어 있다. 측면은 단자대를 이용하여 보호하고 이 단자대가 전력을 외부로 인출하는 구조이다. 총 5종의 시료를 선정하였으며 1번 시료는 후면전계효과(Back surface Field effect, BSF)기술이 적용된 시료이고, 2번 시료는 초기 양산형 퍼크(Passivated Emitter and Rear Cell, PERC)기술이 적용된 시료이다. 마지막으로 3, 4, 5번 시료는 현재 사용하고 있는 최신의 PERC기술이 적용된 시료이다.

실험 시료를 선정한 후, 실험 시료 후면부 개방을 위하여 후면재료와 후면부 봉합재료를 1cm x 1cm 만큼 제거하였다. 이를 통해 태양전지 셀의 직접적인 온도측정을 위한 공간을 확보하였다. 후면재료와 봉합재료 제거 중 시료 손상이 발생하면 실험 결과에 영향을 줄 수 있기 때문에 후면부 개방 후에는 전계발광(Electroluminescence, EL)영상 촬영을 통해 실험 대상 시료의 손상 유무를 확인하였다^[8].

준비된 시료를 그림 2와 같이 연속조사형 태양광모듈 시뮬레이터에 설치하고 태양광모듈 내부의 셀 온도를 변화시켜가며 전력특성을 측정하였다. 이 때, 조사강도는 태양광모듈 STC A.M 1.5 조건에 기반을 두어 조사강도 1000$W/m^{2}$ 로 일정하게 유지하였다. 시뮬레이터 주위온도 또한 STC 조건에 근거하여 태양광모듈 시험실의 표준온도인 25℃로 유지하였다^[9].

태양광모듈 시뮬레이터의 등급은 태양광모듈 시뮬레이터의 요구사항을 제시한 IEC 60904-9 표준에 따른 CLASS AAA 등급의 태양광모듈 시뮬레이터를 사용하였다. 여기서 첫 번째 A는 광원의 자연 태양광과의 스펙트럼 정합성 25% 이하, 두 번째 A는 공간적 불균일도 2% 이하, 세 번째 A는 시간적 불안정성 단기 0.5% 이하 및 장기 2% 이하를 의미한다^[10].

냉각 및 온도조절 방식은 연속조사형에서 가장 널리 사용하는 공기 냉각식 냉각장치를 사용하였다. 태양광모듈 내부 셀 온도를 25℃에서 65℃까지 5℃ 단위로 변화시켜가며 내부 온도 $T_{c}$, 후면온도 $T_{r}$, 전면온도 $T_{f}$, 전력 $P$값을 측정하였다. 또한 측정값의 상호비교를 위하여 펄스형에서도 STC A.M 1.5 1000$W/m^{2}$ 조사강도 및 모듈온도 25℃일 때, 태양광모듈의 전력을 측정하였다.

그림 2. 연속조사 태양광모듈 시뮬레이터를 이용한 실험개념도

Fig. 2. Experimental conceptual diagram using continuous solar module simulator

5개의 시료에 대하여 실험을 수행하여 온도 및 전력 데이터를 획득하였다. 그림3과 그림4는 1번 시료의 내·외부 온도특성과 전력 특성을 보여주며, 그림5와 6은 3번 시료의 내·외부 온도특성과 전력 특성을 보여준다.

그림 3. 1번 시료의 내부온도, 후면온도, 전면온도의 관계

Fig. 3. The relationship between $T_{c}$, $T_{r}$, $T_{f}$ of sample No. 1

그림 4. 1번 시료의 내부온도, 전력의 관계

Fig. 4. The relationship between $T_{c}$, $P$ of sample No. 1

그림 5. 3번 시료의 내부온도, 후면온도, 전면온도의 관계

Fig. 5. The relationship between $T_{c}$, $T_{r}$, $T_{f}$ of sample No. 3

그림 6. 3번 시료의 내부온도, 전력의 관계

Fig. 6. The relationship between $T_{c}$, $P$ of sample No. 3

실험으로 취득한 온도 및 전력 데이터를 통하여 다음과 같은 사실을 확인하였다.

첫째, 태양광모듈 내부와 외부(전면, 후면)의 온도 차는 그림3과 그림5와 같이 STC조건에서 가장 편차가 컸다. 다만 태양광모듈의 온도가 상승할수록 그 편차가 감소하였으며 선형성을 보였다. 이러한 특성을 이용하여 전면온도와 후면온도의 차이를 이용하여 내부 온도를 추정할 수 있다.

둘째, 연속적으로 조사되는 인공태양광이 입사되는 전면부는 가장 높은 온도를 가진다. 입사광이 없는 후면부는 가장 낮은 온도를 가진다. 전력이 생성되는 전기회로부인 태양광모듈 내부는 중간온도를 가지며 이에 따라 상호 간에 온도편차가 발생한다. STC 표준측정조건에서 태양광모듈 내부와 태양광모듈 후면 간에는 표 1과 같은 온도편차가 발생하였다.

셋째, 태양광모듈 내·외부의 온도편차로 인해 STC 조건에서 전력 측정오차가 발생하였다. 모듈 후면부 온도 25℃를 기준으로 STC 조건에서 전력을 측정할 경우, 모듈 내부 온도 25℃를 기준으로 STC 조건에서 전력을 측정할 때보다 표 2와 같이 0.34~1.62 % 전력 오차가 발생하였다.

넷째, 모듈 내부온도를 기준으로 연속조사형에서 측정한 STC 전력과 펄스형에서 측정한 STC 전력은 표 3과 같이 -0.14 ~ -0.53 %의 오차를 보였다. 연속조사형에서 후면온도를 기준으로 측정한 STC 전력과 펄스형에서 측정한 STC 전력은 표 4와 같이 –0.48 ~ -2.12 %의 오차를 보였다. 즉, 태양광모듈 내·외부의 온도 편차는 전력 측정오차를 확대시키는 것을 실험 결과로 확인하였다.

다섯째, 연속조사형에서 태양광모듈의 전력을 정밀하게 측정하기 위해서는 내·외부의 온도편차에 의한 영향을 최소화하기 위해 내부의 온도 값을 기준으로 전력을 측정해야 한다. 이때, 태양광모듈의 후면부를 물리적으로 제거하여 내부 온도를 직접 측정할 수도 있으나, 본 논문에서 제안한 온도편차의 보정식을 이용한다면 태양광모듈의 손상 없이 내부 온도를 추정할 수 있으며 이를 통해 정확하고 간편한 태양광모듈의 전력 측정이 가능해진다.

4. 실험 결과를 적용한 온도보정식 검증

본 장에서는 실험 결과를 이용하여 제안한 식 (7)의 유효성을 검증하여 보았다. 온도편차계수 σ는 식(6)을 적용하여 표 1에서 내부온도 $T_{c}$= 25℃일 때의 값을 기준으로 산출하였다. 전력온도계수 δ는 실험을 통해 획득한 값의 단위를 W/℃에서 %/℃로 변환하였다. 실측전면온도$T_{1f}$에는 후면온도 $T_{r}$= 25℃일 때의 온도측정값, 실측전력 $P_{1}$에는 표 4에 제시된 후면온도 $T_{r}$= 25℃일 때의 연속조사형 전력$P$, 실측후면온도 $T_{1r}$에는 실제 측정온도인 25℃, 보정내부온도 $T_{2c}$에는 STC 온도인 25℃를 각각 적용하였다. 표 5는 시료별 온도보정석에서 사용한 각 변수를 나타낸다.

온도보정식 적용 전 연속조사형과 펄스형의 전력 오차는 표 4와 같이 –0.48 ~ -2.12%였으나, 보정 후에는 표 6과 같이 –0.27 ~ -1.21%로 오차가 감소하여 오차가 21.8 ~ 42.9% 개선한 것으로 분석되었다.

온도편차계수는 태양광 모듈의 종류와 특성에 따라 구별되는 특징을 보였다. 즉, 2010년대 중반의 후면전계효과 기술이 적용된 1번 시료와 2010년대 중반의 초기 양산형 퍼크 기술이 적용된 2번 시료는 온도편차계수가 약 0.2로 도출되었다. 2020년 이후 생산되어 현재의 PERC기술이 적용된 3, 4, 5 번 시료는 약 0.1 이하로 도출되었다. 이러한 온도편차계수의 차이는 태양광기술의 발전에 따른 태양전지 셀의 물리적·구조적 특성차이와 봉합재료 및 전면재료의 차이에서 기인한 것으로 판단된다.

5. 결론 및 향후 연구방향

연속조사형 태양광 시뮬레이터는 연속적으로 입사되는 광 에너지에 의하여 태양광 모듈에 온도제어의 문제가 발생한다. 그러나 실제 발전환경과 유사한 측정환경이기에 펄스형으로는 시험이 불가능한 연속조사형에서만 수행할 수 있는 다수의 신뢰성, 안전성, 성능시험이 존재한다. 따라서 연속조사형이 가지고 있는 온도제어 및 측정오차 등의 단점을 보완하고 측정기술을 고도화해야 한다.

본 논문에서는 태양광모듈에서 연속조사형 조건에 특화된 온도보정식을 수립하고 온도편차계수를 제안하였다. 온도보정법 적용 전력 측정 보정식에 제안한 온도편차계수를 적용하여 연속조사형 측정환경에서 전력을 보다 정확하고 간편하게 측정할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 펄스형 및 연속형 시뮬레이터를 이용하여 5가지 태양광 모듈에 대한 실험을 수행하여 온도보정계수를 도출하였으며, 보정식을 통하여 오차를 21.8~42.9%까지 개선하였다.

온도편차계수는 시료의 생산시기 및 특성에 따라 다른 특성을 보였다. 따라서 시료 종류별 대표성을 강화하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것이다. 또한 온도만이 아닌 조사강도에 대한 보정이 필요하며, 온도와 조사강도를 통합한 보정식이 필요할 것으로 사료된다. 이를 위해 후속 연구에서는 온도 및 조사강도를 동시에 변화시키며 연속형 시뮬레이터에 보다 적합한 온도 및 조사강도 통합 보정식을 도출하고자 한다. 온도 및 조사강도의 변화 범위를 적절히 설정하고 충분한 반복시험을 수행함으로써 전력측정 오차의 개선효과도 추가 검증하고자 한다. 최종적으로 IEC TC82 WG2(국제전기기술위원회 태양광모듈표준화분과)에서 제·개정을 지속 논의 중인 IEC 60904 표준과 IEC 60891 표준의 표준화 작업에도 기여하고자 한다.