이 장에서는 태양전지 모듈의 장기적인 ‘발전량 신뢰성’과 ‘안전성’을 확보하기 위한 현장 측정장치인 String Tracer와 셀 라인 검사기를 소개하며, 태양전지 모듈의 열화와 이상 유무를 검지하고 고장개소를 특정하는 방법에 대해 알아본다.
번역·정리 김대근 기자
고도 정보화 사회에 있어서 전기설비가 수행하는 역할은 매우 크며, 일상적·정기적 보수 점검을 통해 높은 신뢰성과 안전성이 유지되고 있다. 현재 재생가능에너지로서 보급이 확대되고 있는 태양광 발전 시스템에 있어서도 분산형 발전의 관점에서 보면, 장기적인 발전량 신뢰성 및 안전성을 유지하기 위한 점검 시스템의 구축이 필요하다. 그러나 고전압 사양 및 가혹한 연속 옥외폭로, 그리고 빛이 닿으면 무조건적으로 발전하는 특수성이 있음에도 불구하고 특히 일반 주택용 태양광 발전 시스템에서는 판매방법 및 시공업자의 다양화 등으로 인해 아무래도 가전제품적인 인식이 앞서 최소한의 보수·점검은 실시되고는 있지만, 발전량 신뢰성 및 안전성 확보에 필요한 점검항목이 부족한 것이 현 실정이다. 한편, 태양광 발전 시스템의 태양전지 모듈에서의 고장 내용에 관해서는 각 분야 산학연 연구활동에 의해 현장의 장기폭로품을 포함한 고장 상태가 명확하게 밝혀지고 있다. 이러한 배경 아래 안전성, 발전량 신뢰성을 확보하기 위해서는 △간편성 △확실성 △신속성이라는 요건을 충족한 점검 방법의 확립이 불가결하다. 본고에서는 태양전지 모듈군(String)의 전기적 출력 특성 열화 및 이상의 유무를 검지하는「 String Tracer」([사진 1] 참조), 이상이 있음으로 판단된 경우, 고장개소를 셀 단위까지 특정하여 발전출력의 저하 원인을 찾아내는「셀 라인 검사기」([사진 2] 참조)의 기능과 상기의 장치들을 이용한 태양전지 모듈의 유지보수 방법에 대해 소개한다.
태양전지 모듈의 유지보수 현황
태양광 발전 시스템의 성능을 유지하고 효율적으로 운용하기 위해서는 라이프 사이클(Life Cycle)에 맞춘 정기점검, 발전량 저하를 방지하기 위한 예방점검, 그리고 발전량 저하 시의 원인조사가 필요하다. 발전설비는 소규모의 일반가정 발전설비, 중규모의 사업소 발전설비, 대규모의 발전사업설비 등으로 분류되지만, 어떤 설비든지 기본단위는 태양전지 모듈이며, 예방점검 항목 및 원인조사의 내용에는 차이가 없다. JEMA JEM-TR228「소출력 태양광 발전 시스템의 보수·점검 가이드라인」에는 준공 시 점검, 일상점검, 정기점검에 대해 규정화되어 있으며, 그 항목의 내용은 [표 1]과 같지만, 태양전지 모듈 특성의 측면에서 본 '발전량 신뢰성', '안전성'에 관한 점검항목은 규정화되어 있지 않다. 그러나 JEMA JEM-TR228을 바탕으로 JPEA(일본태양광협회, Japanese Photovoltaic Energy Association)에 의해 만들어진「 태양광 발전 시스템 보수점검 가이드라인【주택용】」에서는 개방전압의 측정 외에 I-V 특성 곡선의 측정도 권장되고 있는 등 태양전지 모듈 특성을 측정하고 발전량 유지를 실시하는 점검항목이 권장되고 있다. 실제 현장에서의 고장 조사의 결과를 보면, 설치년수의 경과와 더불어 고장 발생율은 상승하는 경향을 보이고 있으며, 발전량과 안전성을 유지하기 위해서는 규정화된 점검항목 이외의 조사가 필요하다. 또 발전량 저하를 방지하기 위한 예방점검을 효율적으로 실시하기 위해서는 태양전지 모듈의 고장모드와 발전 전력량 변화와의 관계를 명확하게 할 필요가 있으며, 과거 보고된 연구 성과를 바탕으로 고장모드를 크게 나눈 경우, 다음 [표 2]와 같은 고장 모드와 점검 항목들을 생각해볼 수 있다. 이 가운데「발전 능력 저하」 및「이상 발열」그리고「발전능력 저하 억제기능 상실」등의 고장에 대해서는 발전량 저하와 밀접한 관계가 있으며, 발전량에 미치는 영향의 정도가 크기 때문에 이는 예방점검의 필수항목이라고 할 수 있다.
String Tracer(이상 유무 검지장치)
태양전지 모듈의 발전능력을 판단하는 방법의 하나로 스트링 전류-전압 특성(I-V 특성)의 측정이 있다. 그러나 태양전지 모듈은 일사량 및 모듈의 온도 변화에 의해 발전량도 변화한다.(I-V 특성도 변화한다) 또 측정 시 일사계 및 온도계를 설치하기 위해서는 많은 시간과 노력이 든다. 이 과제를 해결하기 위해「복수 스트링의 (동시) I-V 특성 비교」를 실시할 수 있는「String Tracer」를 개발하였다.
특장점
이 장치의 특장점을 아래와 같이 설명한다.
① 1스트링마다 이동 I-V 특성 측정(측정 I-V 곡선을 4스트링까지 거듭 표시하고, 자동저장 후 다음 스트링의 측정 대기화면으로 이동한다. 연속 측정을 통해 4스트링 이상의 측정이 가능하다. 약 3초 간격으로 연속 측정이 가능하다) ② 4스트링 동시 I-V 특성 측정(일사량의 변화에 따른 영향을 최소화한다)
※①, ②의 기능으로 측정 시간의 대폭적인 절감 실현
③ 파워 컨디셔너 연계 상태에서의 I-V 특성 측정
④ 연속적인 스트링 전압·전류의 측정
이 장치의 기본 컨셉은「I-V 특성의 측정」 자체가 목적이 아니라,「 이상 스트링의 발견」이 목적이며, 현장에서 일사계 및 온도 센서를 사용하지 않고 이상 스트링을 간편하게 찾아내는 수단으로서 스트링 한 개의 I-V 특성이 아닌, 복수의 I-V 특성을 동시에 그래프로 표시함으로써 상대적인 비교를 통해 이상판단을 실시한다. 또, 비교 판정만이 아닌, 1스트링 단위에서의 측정과 일사량 및 온도를 측정하고, 기준 상태의 특성 변환기능도 어플리케이션 소프트웨어로 대응하고 있다. I-V 특성의 측정뿐만 아니라 전압 및 전류치를 연속적으로 최대 7일간 계측하는 기능도 갖추고 있기 때문에 하루 발전량의 추이 및 그늘(그림자)의 영향도 조사할 수 있다
사양
「String Tracer」의 사양은 [표 3]과 같다.
이상개소 특정방법
이상이 있는 스트링에 대해 I-V 특성의 측정을 실시한 경우, 태양전지 모듈의 고장 모드에 의해 I-V 특성에 변화가 나타난다. 태양전지 모듈의 열화에 의해 발전량이 저하되고 있는 스트링을 포함한 측정결과의 예를 [그림 1]에, 클러스터 이상이 있는 스트링을 포함한 측정결과의 예를 [그림 2]에 나타냈다. 발전량이 저하되고 있는 경우는 다른 스트링과 비교하면 I-V 특성이 크게 달라지기 때문에 상대적인 비교를 통해 눈으로 간단히 이상 유무를 판정할 수 있다.
셀 라인 검사기(고장개소 특정 장치)
앞서「다른 스트링과의 비교를 통해 이상 상태를 검지하는」방법에 대해 설명했지만, 다음 단계로서 어느 장소(모듈)에 이상이 있는지를 특정하는「고장개소의 특정작업」이 필요하다. 여기에서는 태양전지 모듈의 고장개소 검지 기능을 갖춘「셀 라인 검사기」와 그것을 이용한 고장개소 특정방법을 소개한다. 고장 모듈을 특정함으로써 신속하고 간편하게 고장 모듈만을 교환할 수 있기 때문에 교환비용의 절감 및 전기판매 수입에 대한 영향도 경감시킬 수 있다.
특장점
태양전지 모듈의 고장으로서 아래 5가지 종류의 대표적인 고장 상태가 있으며, 셀 라인 검사기를 이용하여 각각 고장개소를 특정할 수 있다.
① 모듈 접속선·연결 커넥터의 접촉불량개소 특정
② 클러스터 고장 모듈의 특정
③ 바이패스 다이오드 단선 모듈의 특정
④ 바이패스 다이오드 단락 모듈의 특정
⑤ 핫 스폿(Hot Spot, 열지점) 발생 모듈의 특정(고장 셀의 특정)
현장은 높은 곳에서의 작업도 많아「간편」하고「확실」하게 탐사할 수 있도록 송신기로부터의 탐사신호를 수신기에서 확인하는 방식으로 하였다. 상기의 고장개소를 특정하기 위해서는 태양전지 모듈면을 탐사할 필요가 있지만, 송신기에서 신호를 보내기 때문에 일사량의 변화에 영향을 받지 않고 탐사가 가능하다.
사양
셀 라인 검사기의 송신기 및 수신기의 사양은 [표 4]와 같다.
고장개소 특정방법
송신기를 탐사할 스트링의 단자에 연결하여 태양전지 모듈면에서 수신기의 반응을 확인한다. 모듈의 주요 고장개소를 [그림 3]에, 탐사방법을 [그림 4]에 나타냈다. 발전량에 큰 영향을 주는 고장탐사의 경우, 클러스터 이상 및 바이패스 다이오드의 이상 검지가 중요하며, 셀라인 검사기를 이용하여 간단하게 고장개소의 특정이 가능하다. 셀 단위의 고장개소 특정에 대해서는 발전량에 미치는 영향이 적어 조사에서 우선순위를 낮게 보기 쉽지만, 인터커넥터가 단선된 경우에는 단선되지 않은 인터커넥터 측에 전류가 집중되어 발열의 원인이 된다. 고장 확대를 방지하고 안전성을 확보하기 위해서는 셀 단위에서의 고장 탐사도 필요한 점검항목이다. 인터커넥터 단선의 특정 방법으로는 인터커넥터면을 수신기로 추적하여 수신 레벨의 변화를 눈으로 확인함으로써 판별 가능하다.
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