【HOT ISSUE 1 】 태양광 모듈의 신뢰성 향상을 위한 보고
2021-08-01

 
태양광 모듈의 신뢰성 향상을 위한 보고
에너지연, IEA ‘태양광 모듈 보고서’ 번역서 발간

전력망에 접속하는 태양광 발전 설비의 양이 빠르게 확대되고 있다. 따라서 이러한 추세를 이어가기 위해 태양광 발전 시스템의 성능과 지속가능성, 기술, 설계지침, 계획과 방법 등에 대한 신뢰가 중요하다. 이를 위해 무엇보다 다양한 주체들이 정보를 투명하게 공유하는 것이 필요하다. IEA-PVPS 프로그램은 지속가능한 에너지 시스템으로의 전환에서 태양광 에너지가 핵심적인 역할을 하도록 국제협력을 강화하는 것을 목표로 한다. 이번 보고서 발표는 이러한 맥락과 닿아 있다. 한국에너지기술연구원은 IEA 등과의 국제협력을 통해 이처럼 다양한 보고서를 번역해 발간하고 있다. (메인 이미지 : 〈태양광 모듈불량에 대한 검토〉(좌)와 〈현장설치 태양광모듈 불량에 대한 평가〉(우) 보고서의 표지)

정리 강창대 기자 자료 한국에너지기술연구원

한국에너지기술연구원(에너지연)이 국제에너지기구 태양광발전 협력사업(IEA*-PVPS**)에서 발간한 태양광 모듈 관련 보고서 2편을 한글로 번역해 IEA-PVPS 홈페이지에 공식 게재했다.

탄소중립과 관련해 태양광 발전의 중요성이 커지고 태양광 모듈의 신뢰성이 더욱 주목받고 있는 가운데, 그동안 ‘태양광모듈 불량’이라는 특정 주제에 대한 한글 연구논문은 다수 있었으나, 이를 보다 체계적으로 기술한 자료는 없었다. 이에 국내 기술 인력과 연구자들은 물론, 일반인과 태양광을 배우는 학생들이 참고할 수 있는 최고 권위의 IEA-PVPS 발간 보고서 두 편을 에너지연이 번역해 발간했다.

태양광 모듈 불량의 검토와 평가
첫 번째 보고서 〈태양광모듈 불량에 대한 검토〉(Review of Failures of Photovoltaic Modules, 총 136쪽)는 태양광모듈에 관심을 가진 일반인과 현장 기술인력 및 연구자들을 대상으로 모듈 불량에 관한 체계적이고 교과서적인 내용을 담고 있다.

이 보고서는 세 가지로 구성된다. 첫째, 모든 불량을 확인하고 분석할 수 있는 측정방법, 여기에는 육안 검사, 전류-전압 특성 곡선, 적외선 이미지 검사 등이 포함된다. 둘째, 모듈에 발생할 수 있는 모든 불량에 대한 상세한 기술을 제공한다. 더불어, 각 불량이 출력손실과 안전문제에 미치는 영향에 대한 설명을 제시한다. 마지막으로, 현장에서 모든 불량을 탐지할 수 있는 새로운 방법의 제안이 이 보고서에 포함돼 있다.

두 번째 보고서 〈현장설치 태양광모듈 불량의 평가〉(Assessment of Photovoltaic Module Failures in the Field, 총 120쪽)는 전문가들을 대상으로, 현장에 설치된 태양광모듈에서 다양하게 발생할 수 있는 불량 요인별로 그에 따른 출력손실과 그 예측 방법을 소개한다.

불량 발생 메커니즘을 규명하기 위해서는 모듈 소재들 간의 상호작용 및 봉지재 소재와 라미네이션 공정 사이의 양립이 어려운 점들에 대한 이해가 필요하다. 기후대와 관계없이 출력손실에 가장 큰 영향을 미치는 불량모드는 전위차 유도열화(PID), 바이패스 다이오드 불량, 셀 균열과 봉지재 변색이다. 모듈의 불량 외에도, 이 보고서는 특정 옥외지역에서의 모듈 오염 역시 태양광시스템의 출력에 큰 영항을 미치는 것으로 밝혀지고 있는 추세를 설명한다.

이 두 번역서는 IEA-PVPS 홈페이지(iea-pvps.org)의 보고서 섹션에서 페이지 하단의 ‘한국어 버전’(Korean Version of the Report)을 클릭하면 누구나 무료로 열람할 수 있다.

보고서 번역에는 1994년부터 2012년까지 IEA-PVPS 초창기에 ‘태스크 1’(Task 1, 정보교환 및 보급 분야)의 한국 대표로 활동했으며 에너지연 태양광연구단의 명예연구원인 윤경훈 박사가 참여했다. 윤 박사는 이 보고서들에 관해 “태양광시스템의 성능과 신뢰성(Performance and Reliability of Photovoltaic Systems) 분야인 태스크 13(Task 13)에 참여한 전문가들의 연구결과”라고 소개하며, 이번 번역서로 “국내 관련 연구자들과 현장 전문 인력들이 도움을 받고, 향후 신뢰성 높은 태양광 모듈의 보급 확대를 통해 탄소중립에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 태양광 소재·부품·장비 이슈 해결을 위한 산학연 협력의 중심기관인 한국에너지기술연구원은 태양광 전 가치사슬영역에 걸쳐 기관이 보유한 국내 최고기술과 인프라를 보유하고 있다. 이 기술과 인프라를 활용해 국내외 기업 및 학연 기관과 연계해 태양광 셀 및 모듈 기술 개발의 중추적인 역할을 담당하고 있다. 또한 우수한 태양광 기술의 개발과 보급 확산을 위해 국제협력을 지속적으로 추진해 왔으며, IEA 및 IEC*** 등 유수의 국제기구에 다수의 전문가를 파견하여 활동해 오고 있다.

모듈 불량에 관한 체계적인 지식
옥외에 설치하는 태양광모듈은 빛을 받아 전기를 생성하는 핵심소자인 태양전지를 보호하고(기계적 충격에 취약), 가혹한 설치 환경에 견딜 수 있도록 여러 층의 다양한 소재를 라미네이션(Lamination)하여 만들고 공인 시험을 통해 적격성을 확인 후 출시된다.

하지만 실제 설치 환경은 매우 다양하며 예측이 쉽지 않다. 태양광 모듈은 설치부터 수명기간 동안 다양한 환경 요인(온도, 습도, 태양광 조사강도 등)이나 외부 요인(수송, 설치 등)에 의해 출력이 저하하거나 정상적으로 작동하지 않는 불량이 발생하게 된다. 특히 오래 전에 설치된 모듈일수록 사용 소재 및 설계기술의 미흡 혹은 공인 시험 규격의 불완전성 등으로 설치 전에 예상하지 못했던 다양한 불량이 발생하게 된다. 이는 발전량의 감소로 이어지며 태양광의 발전단가를 높이는 중요한 요인이 된다.

보고서 〈태양광모듈 불량에 대한 검토〉는 태양광모듈에 관심을 가진 일반인과 현장 기술인력 및 연구자들을 대상으로 모듈 불량에 관한 체계적이고 교과서적인 내용을 담고 있다. 우선, 이 보고서는 모든 불량을 확인하고 분석할 수 있는 측정방법에 기술하고 있다. 여기에는 크게 ▲ 육안검사와 ▲ 전류-전압 곡선, ▲ 서모그래피, ▲ 전계발광, ▲ 자외선 형광분석, ▲ 신호전송방법 등이 있다. 그리고 보고서는 모듈에 발생할 수 있는 모든 불량에 대해 상세히 기술하고 각 불량이 출력손실과 안전문제에 미치는 영향을 설명한다. 태양광 모듈의 불량은 일반적으로 박리나 백시트 접착 손실, 전션 박스 불량, 프레임 파손 등이 있다. 실리콘 웨이퍼 기반의 모듈에서는 EVA 변색, 셀 균열, 달팽이자국, 탄 자국, PID, 셀과 스티링 상호연결 리본의 단절, 바이패스 다이오드 결함 등이 나타나고, 박막모듈에서는 접착된 커넥터에서의 마이크로 아크, 션트 열점 등이 발생한다. CdTe 박막 모듈에서는 전면 유리파손이나 후면접촉 열화 등이 불량으로 관찰된다. 이외에도, 보고서는 현장에서 모든 불량을 탐지할 수 있는 새로운 방법을 망라해 제안한다.
IEC 61215 육안검사에서 발견되는 전형적인 불량들
태양광 모듈의 시각적 결함 예. ⒜ 아크 방전의 위험이 있을 정도로 모듈 와이어가 다이오드를 접촉하고 있는 경우(동작이 원활하지 않음), ⒝셀에서의 균열(셀 면적의 10% 이상이 전기회로로부터 벗어나는 균열 전파), ⒞ 라미네이트된 모듈 내에 셀 조각이 발견되어 동작에 손상을 주는 경우.

〈현장설치 태양광모듈 불량에 대한 평가〉는 전문가들을 대상으로, 현장에 설치된 태양광모듈에서 다양하게 발생할 수 있는 불량 요인별로 그에 따른 출력손실과 그 예측 방법을 소개한다. 불량 발생 메커니즘을 규명하기 위해서는 모듈 소재들 간의 상호작용 및 봉지재 소재와 라미네이션 공정 사이의 양립이 어려운 점들에 대한 이해할 필요가 있다.

모듈의 열화모드를 모델링하기 위해서는 분자수준에서 열화의 근본적인 메커니즘과 프로세스를 이해해야 하는데, 대부분의 경우 봉지재와 백시트 필름은 모듈 성능저하에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 일반적으로 동시에 활성화되는 여러 열화 모드가 있으며 이들이 시너지 혹은 길항효과를 가지므로 어느 단일 메커니즘과 연관시키는 것은 매우 어렵다.

잘 알려진 불량모드의 경우, 출력손실을 예측하는 모델링 방법들이 일부 정리되어 있으나 소재의 파라미터를 고려하지 않은 경험적 모델로 한계가 있다. 다양한 기후에 따라 발생하는 불량모드의 차이를 확인하기 위해서는 보다 광범위한 데이터세트가 필요하다. 기후대와 관계없이 출력손실에 가장 큰 영향을 미치는 불량모드는 전위차 유도열화(PID), 바이패스 다이오드 불량, 셀 균열과 봉지재 변색이다. 모듈의 불량 외에도 특정 옥외지역에서의 모듈 오염도 태양광시스템의 출력에 큰 영항을 미치는 것으로 밝혀지고 있다.
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* IEA(International Energy Agency): 국제에너지기구. 1973년 석유파동의 영향으로 1974년 경제협력개발기구(OECD) 틀 안에서 설립됐다. 파리에 기반을 둔 다정부 조직이며, 연례로 〈세계에너지전망〉(World Energy Outlook)을 발표하고 있다.
** IEA-PVPS(Photovoltaic Power System Programme): 국제에너지기구 태양광발전 협력사업. 태양광 분야에서 다양한 공동프로젝트를 수행하고 있으며, 32개 회원국이 참여하는 IEA 산하 공동연구개발 계약 프로그램이다. 집행위원회 산하 18개의 세부위원회(Task 1~18)를 통해 여러 가지 보고서를 발간하고 있다. 
*** IEC(International Electrotechnical Commission): 국제전기기술위원회. 모든 전기 및 전자 관련 기술에 대한 국제표준을 준비하고 게시하는 국제표준기구이다. IEC 표준은 발전, 송전 및 배전에서 가전제품, 사무기기, 반도체, 광섬유, 배터리, 태양에너지, 나노기술 및 해양에너지에 이르기까지 다양한 기술을 포괄한다.

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