1. 서 론

태양광발전시스템은 태양의 빛에너지를 전기로 변환하는 신재생에너지발전원이며 2022년 기준 국내외적으로 가장 빠르게 성장하고 있는 에너지원이다. 태양광발전시스템에서 핵심적인 요소는 태양광모듈(Photovoltaic Module, PV module)이다. 태양광모듈은 다수의 태양전지 셀들을 직렬로 연결하고 패키징하여 구성된다. 태양광모듈 내의 태양전지 셀은 광전효과를 통해 광자를 전자로 변환하여 전기에너지를 생산한다. 태양전지 셀은 충격에 대한 내충격성, 온도 및 습도의 변화에 대한 내후성, 전기적 절연 안전성 등의 문제로 그 자체로는 전력 생산에 활용하기 어렵다^[1].

태양광모듈은 태양전지 셀을 안전하고 경제적이며 장기간 사용할 수 있게 하는데 그 의의가 있다. 태양광모듈에 요구되는 안전성, 경제성, 장기 신뢰성을 확보하기 위하여 다수의 시험규격과 시험방법이 연구되고 있다. 이러한 연구는 국제전기기술위원회 태양광 분과(International Electrotechnical Commission Technical committee 82, IEC TC82) 내 태양광모듈 표준화 그룹(Working Group 2, WG2), 태양전지셀 표준화 그룹(Working Group 8, WG8), 태양광발전시스템 및 주변기기 그룹(Working Group 3&6, WG3&6)을 중심으로 수행된다.

태양광모듈의 시험평가 중 가장 중요하고 자주 시행되는 항목은 전력의 결정이다. 태양광모듈에서 생산되는 전력을 정확히 결정할 수 있어야 안전성, 경제성, 신뢰성을 확보하는 것이 가능해진다.

태양광모듈의 전력 측정에는 솔라 시뮬레이터가 사용된다. 솔라 시뮬레이터는 인공 태양광원에서 발생한 빛으로 측정 대상 태양광모듈에 전력을 발생시키고, 전기적 신호를 계측하고 전압-전류 특성곡선을 얻어 전력을 결정한다^[2]. IEC 60904-9 솔라시뮬레이터 요건 표준에 따라 섬광 형태의 펄스형 태양광모듈 시뮬레이터(펄스형), 연속광 형태의 연속조사 태양광모듈 시뮬레이터(연속형)가 사용된다^[3].

이 중 연속형은 옥외 자연 태양광과의 유사성이 높다는 이점이 있으나 측정 대상 태양광모듈의 온도상승 및 온도 편차 문제가 발생한다는 단점이 있다. 이러한 온도 편차는 전력 측정의 오차를 증가시켜서 측정의 정확성을 저해한다^[4].

참고문헌 ^[5]에서는 연속형의 온도보정법에 주안점을 두어 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 새로운 인자인 조사강도(Irradiance, $G$)의 변화에 의한 태양광모듈의 전력과 내·외부 온도 편차의 상호 관계를 함께 고려하였다.

연속형에서 온도와 조사강도가 함께 변화할 때의 전력에 보정식을 적용하여 표준측정조건(Standard Test Condition, STC)에서의 전력으로 변환하였다. 이를 위하여 온도 및 조사강도가 통합적으로 반영된 보정식을 수립하고 실험을 통하여 검증해보았다. 이러한 일련의 과정을 통해 더욱 간편하고 정확한 연속형의 태양광모듈 전력 측정법을 제안하고, 관련 시험규격 및 시험방법을 개선하고자 한다.

2. 온도 및 조사강도 통합보정 적용 전력 측정 보정식의 도출

태양광모듈의 전력은 식 (1)과 같이 조사강도에 따라 선형적으로 비례하여 증가 또는 감소한다^[6].

$P_{1}$ : 보정 전 전력, $P_{2}$: 보정 후 전력

$G_{1}$ : 보정 전 조사강도, $G_{2}$ : 보정 후 조사강도

태양광모듈 내·외부의 온도 편차가 없는 측정조건에서 온도 및 조사강도에 따라 전력을 보정하려는 연구는 지속적으로 있었다^[7]. IEC TC82에서는 이러한 연구들을 IEC 60891 온도 및 조사강도 보정 표준에 반영하였다^[8].

그러나 연속형에서는 태양광모듈 내·외부의 온도편차를 고려하여야 한다. 따라서 참고문헌 ^[5]에서는 IEC 60891 온도 및 조사강도 보정 국제표준을 바탕으로 연속형에 대한 온도보정 실험을 하였다. 이를 통하여 식 (2)에 식 (3)을 대입하여 식 (4)와 같은 온도보정식을 제시하였다^[5].

$P_{1}^{'}$ : 온도보정 후 전력

$P_{1}$ : 보정 전 전력

$\delta$ : 전력온도계수

$\sigma$ : 온도편차계수

$T_{1r}$ : 보정 전 후면(rear)온도

$T_{1f}$ : 보정 전 전면(front)온도

$T_{1c}$ : 보정 전 내부온도

$T_{2c}$ : 보정 후 내부온도

식 (4)의 보정식을 실험 결과에 적용하여 연속형에서 태양광모듈의 전력을 결정할 때 온도 편차에 의한 오차를 감소시킬 수 있다는 것을 확인하였다^[5].

본 논문에서는 온도보정식의 온도 인자에서 더욱 나아가 조사강도에 의한 영향도 함께 고려하기 위하여 통합 보정식을 도출하였다.

이를 위하여 식 (1)의 $P_{1}$에 식 (2)의 $P_{1}^{'}$을 대입하여 식 (5)를 구하였다.

식 (5)에 식 (3)을 적용하고 전개하면 최종적으로 식 (6)을 얻게 된다.

3. 태양광모듈의 전력 측정 예측을 위한 온도 및 조사강도 통합보정 실험

태양광모듈의 전력 측정 예측을 위하여 온도 및 조사강도를 함께 변화시켜가며 연속형에서 실험을 수행하였다. 실험을 통해 측정 대상 태양광모듈 내·외부 온도편차, 조사강도, 전력 간의 상호 관계를 확인하였다.

조사강도는 400, 600, 800, 1000 W/㎡ 로 변화시켰다. 조사강도 1000 W/㎡는 태양광모듈의 전력을 측정하는 대표적인 조사강도이다. 태양광모듈의 정격전력은 STC 조건인 조사강도 1000 W/㎡, 온도 25 ℃ 에서의 전력으로 결정한다^[9]. 조사강도 1000 W/㎡ 는 태양광선이 지표면에 수직 한 축에서 48.2°로 기울어져 대기권에 입사할 때 지표면에서의 조사강도이다^[10].

각각의 조사강도에서 태양광모듈은 STC 상태에 해당하는 25 ℃부터 5 ℃ 단위로 태양광모듈의 내부온도를 상승시켜가며 내·외부 온도편차와 전력을 측정하였다. 온도를 상승시키는 방식은 연속형의 공기 냉각식 온도조절장치를 사용하여 열평형을 이루는 방식을 채택하였다.

실험 결과의 정확성과 확장성을 위하여 다양한 종류와 크기의 태양광모듈 5종에 대하여 실험하였다. 태양광모듈의 후면부는 1 ㎝ x 1 ㎝ 만큼 개방하여 태양광모듈의 내부 셀 온도와 후면온도, 전면온도를 동시에 측정할 수 있게 하였다. 후면부 개방 후에는 전계발광 촬영법을 이용해 태양광모듈의 이상 유무를 점검하였다^[11].

5종의 시료 중 대표성이 있는 시료는 1번 시료와 3번 시료이다. 1번 시료는 2010년대 중반까지 가장 널리 생산 및 보급되었던 후면전계효과(Back Surface Field Effect, BSF)기술이 적용된 태양광모듈이다. 3번 시료는 2020년대 현재 제일 많이 사용되고 있는 퍼크(Passivated Emitter and Rear Cell, PERC)기술이 적용된 태양광모듈이다.

실험 결과에 따른 1번 시료의 조사강도와 전력, 조사강도와 온도 편차의 관계는 그림 1 및 그림 2와 같이 나타났다. 실험에 사용한 1번 시료는 STC 조건에서 270W의 정격전력을 가지는 태양광모듈이다. 연속형의 온도조절 장치로 태양광모듈의 내부온도 $T_{c}$를 STC 조건의 25℃로 일정하게 유지하면서 조사강도를 400 $W/m^{2}$ 에서 1000$W/m^{2}$ 로 상승시킬 때, 태양광모듈의 전력은 그림 1과 같이 조사강도에 비례하여 선형적으로 증가하였다.

조사강도에 따른 내·외부 온도 편차는 그림 2와 같이 나타났다. 조사강도의 증가에 따라 태양광모듈 내부온도 $T_{c}$, 전면온도 $T_{f}$ 간의 온도 편차는 지속해서 증가하였다.

내부온도 $T_{c}$, 후면온도 $T_{r}$간의 온도 편차는 조사강도가 400 $W/m^{2}$ 에서 800 $W/m^{2}$ 로 증가할 때 함께 증가하다가, 800 $W/m^{2}$ 이후 구간에서는 소폭 감소하였다. 온도 편차는 전면부에서 더욱 크게 나타났다. 전면부의 온도 편차가 크게 나타나는 것은 전면의 투명한 저철분 강화유리를 통하여 광 입사가 이루어져 흡열이 되기 때문이다. 후면부의 온도편차가 전면부 대비 비교적 작은 것은 후면부는 광 입사가 이루어지는 전면부의 반대편이며 온도조절장치에 의해 지속적인 냉각이 이루어지기 때문이다. 800 $W/m^{2}$ 이후 구간에서 내부온도 $T_{c}$, 후면온도 $T_{r}$간의 온도 편차가 소폭 감소한 것은 흡열과 발열, 냉각의 균형에 의한 열평형에 기인한 것으로 판단된다.

태양광모듈에 대한 조사강도가 400 $W/m^{2}$, 800 $W/m^{2}$ 일때 1번 시료의 내부온도가 증가할수록 후면온도, 전면온도의 관계는 그림 3과 그림 4와 같이 나타난다. 이러한 온도 편차의 증가는 입사되는 광에너지의 증감과 관련이 있으며, 내부온도가 증가함에 따라 온도 편차가 작아지는 것은 열평형과 연관이 있다.

조사강도 $G$ 가 증가하고 태양광모듈 내부의 온도 $T_{c}$ 가 변화함에 따라 태양광모듈의 전력 $P$ 는 그림 5 및 그림 6과 같이 선형적인 상관관계를 가진다.

이러한 선형적 특성으로 인해 식 (6)과 같이 전력온도계수 $\delta$, 온도편차계수 $\sigma$, 후면온도 $T_{r}$, 전면온도 $T_{f}$ 의 보정식을 도출할 수 있다. 보정식을 통하여 연속형에서 STC 조건이 아닌 온도 및 조사강도 구간에서 전력을 측정하여도 STC 조건의 전력을 계산하여 예측할 수 있다.

Fig. 1. Relationship between irradiance and power for sample #1

Fig. 2. Relationship between irradiance and temperature deviation for sample #1

Fig. 3. Relationship between $T_{c}$, $T_{r}$, $T_{f}$ for sample #1 at $G$ = 400 $W/m^{2}$

Fig. 4. Relationship between $T_{c}$, $T_{r}$, $T_{f}$ for sample #1 at G = 800 $W/m^{2}$

Fig. 5. Relationship between $T_{c}$, $G$, $P$ for sample #1

Fig. 6. Relationship between $T_{c}$, $G$, $P$ of sample #3

4. 온도 및 조사강도 통합 보정식을 이용한 전력 예측

실험 결과를 온도 및 조사강도 통합 보정식에 적용하여 STC 조건에서의 전력을 예측하였다. 실험 대상 태양광모듈의 전력은 그림 5, 6과 같이 다양한 온도 및 조사강도 조건에 따라 변화한다. 이러한 측정값을 식 (6)에 대입함으로써 STC 조건에서의 전력을 예측할 수 있다. 이러한 전력 예측을 통하여 STC 조건이 아닌 측정조건에서 장기 광조사가 필요한 시험을 진행하여도 STC 전력을 용이하게 예측할 수 있게 된다.

표 1은 태양광모듈 5종의 내부온도 $T_{c}$ 가 35 ℃, 조사강도 $G$ 는 600 $W/m^{2}$ 일 때의 전력 $P$ 와 후면온도 $T_{r}$, 전면온도 $T_{f}$ 를 보여준다.

표 1의 후면온도, 전면온도, 전력 데이터와 참고문헌 ^[5]에서 구한 표 2의 온도편차계수, 전력온도계수를 식 (6)에 함께 대입하여 STC 조건에서의 보정전력을 얻었다. 획득한 보정전력의 유효성을 비교하기 위하여 표 3과 같이 펄스형의 전력과 비교하여 오차를 계산하였다.

표 3에서 획득한 보정전력의 유효성을 비교하기 위하여 식 (5)에 보정 전 내부온도 $T_{1c}$ 는 35 ℃를 대입하여 추가적인 STC 보정전력을 획득하였다. 그리고 이를 펄스형의 전력과 비교한 결과 표 4의 오차를 보였다.

외부온도를 기준으로 보정한 표 3의 전력오차는 0.02~2.05 % 이며 평균오차는 0.54%로 나타났다. 내부온도를 기준으로 보정한 표 4의 전력오차는 -0.06~2.17% 이며 평균오차는 0.60%로 나타났다.

전면과 후면 외부온도를 기준으로 전력을 보정하였을 때 내부 실제 온도를 기준으로 전력을 보정하였을 때보다 오차가 적었다. 태양광모듈의 후면개방 및 손상이 없어도 태양광모듈의 종류에 따른 전면온도와 후면온도, 온도편차계수, 전력온도계수 특성을 안다면 전력을 더 쉽고 정확하게 측정할 수 있다.

더 나아가, 매번 온도편차계수와 전력온도계수를 측정하는 번거로움을 줄여보고자 표 2의 온도편차계수와 전력온도계수를 평균하여, 온도편차계수 $\sigma$ 는 0.1274, 전력온도계수 $\delta$ 는 -0.3146를 얻었다. 이를 식 (6)에 대입하여 STC보정전력을 얻고 펄스형 전력과 비교하여 표 5와 같은 오차를 구하였다.

평균 변수를 적용한 표 5의 전력오차는 0.80~2.42% 이며 평균 오차는 0.66% 이다. 정밀한 측정을 할 때는 각각의 태양광모듈의 물리적 특성이 상이하기에 온도편차계수와 전력온도계수를 각각 적용하는 것이 좋다^[12]. 대략적인 경향성을 볼 때는 공통의 평균 변수를 적용하여도 오차가 크게 증가하지 않는다는 것을 확인하였다.

공통의 변수를 설정할 때 태양전지의 종류에 따른 세분화된 온도편차계수와 전력온도계수를 사전에 확보하고, 이를 보정식에 적용한다면 보다 합리적이고 정확한 보정전력의 획득을 기대할 수 있을 것이다.

5. 결 론

태양광모듈의 전력 측정은 태양광모듈의 성능, 안전성, 신뢰성 평가에서 가장 핵심적인 요소이다. 그러나 섬광 형태의 펄스형과 달리 연속형 태양광모듈 시뮬레이터에서의 전력 측정은 옥외 발전환경과의 유사성을 확보할 수 있는 장점이 있으나 온도 편차가 발생하는 단점이 있다. 따라서 다양한 온도 및 조사강도에서 이루어지는 연속형 시뮬레이터에서의 전력 측정 시 태양광모듈의 손상 없이 이를 STC 조건의 전력으로 간편하고 정확하게 보정을 하는 것이 필요하다.

본 논문에서는 온도편차계수를 이용한 보정 방법을 STC조건인 1000 $W/m^{2}$에서 400 $W/m^{2}$ 까지 확대 적용하였다. 이러한 온도 및 조사강도 통합보정 방법을 통하여 다음의 결론을 얻었다.

첫째, 연속형을 이용한 전력 측정에서 태양광모듈의 전면온도, 후면온도, 전력온도계수, 온도편차계수, 조사강도를 적용할 수 있다면, 다양한 조사강도에서 내부온도를 추정하여 태양광모듈의 손상 없이 정확하고 간편하게 전력 측정을 수행할 수 있다. 둘째, 태양광모듈의 종류에 따른 물리적 특성의 차이에 따라 유사한 제품 간에는 공통적인 전력온도계수, 온도편차계수를 적용하여 전력 보정을 수행할 수 있다. 공통적인 변수를 더 정교하게 설정할 수 있다면 보정전력의 정확성을 더욱 향상할 수 있다. 셋째, STC 조건이 아닌 상황에서 얻은 온도, 조사강도, 전력데이터를 온도 및 조사강도 통합보정을 통해 쉽고 정확하게 보정함으로써 다양한 시험조건에서의 응용성을 확보할 수 있다.

향후 본 논문에서 수행한 시료의 수와 시뮬레이터 조건을 증가시키고 확대된 데이터를 확보함으로써 더욱 향상된 온도편차계수와 보정식을 수립하고자 한다. 이를 태양광모듈의 전력 측정을 위한 참고자료로 제시하고, 표준화에 반영함으로써 태양광모듈의 전력 측정 기술과 태양광 국제표준화의 발전에도 도움이 되고자 한다.