KR20100072457A - 태양전지 모듈의 특성분석 장치 및 그 분석방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 모듈의 특성 분석장치 및 그 분석방법에 관한 것으로, 복수개의 태양전지가 직/병렬로 연결되는 태양전지 모듈의 출력단자와 연결되어 광전압 및 광전류를 측정하는 측정회로; 상기 태양전지 모듈의 온도를 측정하는 온도센서; 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 광량을 측정하는 광량센서; 및 상기 측정회로, 온도센서 및 광량센서를 제어하고, 상기 측정된 데이터를 분석하는 제어부를 포함한다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 간단한 구성을 갖는 장치로 설치하여 태양전지 모듈의 특성을 분석하고 비교할 수 있을 뿐 아니라, 간단한 측정값을 통하여 모듈 시스템의 특성 또는 상태를 정확하게 분석할 수 있다.
태양전지 모듈, IGBT, 특성곡선
Description
본 발명은 태양전지 모듈 특성분석장치 및 그 분석방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성의 이동용 측정 장치를 통해 태양광을 흡수하는 태양전지 모듈로부터 수집된 데이터와 제품 고유의 특성곡선과의 비교 분석하는 분석장치 및 그 분석방법에 관한 발명이다.
태양전지 모듈(photovoltaic module, PV module)은 태양광 전기 시스템의 기초가 되는 단위이다. 태양전지 모듈은 유리로 된 덮개와 비바람을 막기 위한 지지대 사이에 감싸여지는 서로 연결된 셀(cell)들로 이루어진다. 모듈은 일반적으로 얹기에 적합한 알루미늄 프레임에 짜맞추어 진다. 태양판(solar panel)이라는 단어는 태양전지 모듈을 일컫는데 자주 사용된다.
또한 같은 표현이 태양을 이용한 물 가열 시스템에 관련하여 사용되므로 혼동을 피하기 위하여 "태양전지 모듈"이 선호된다.태양광 발전 시스템의 출력에 영향을 미치는 인자는 사용자가 전체 시스템 출력에 대한 기대치와 시간에 따라 변화하는 날씨 조건아래에서 경제적 이익을 가질 수 있도록 이해되어야 한다. 태양전지 모듈에 의해 발생되는 유용한 전기의 양은 변환 영역에 비추어지는 광에너지의 강도에 따라 직접적으로 발생된다.
따라서 사용가능한 태양광이 클수록 발전될 수 있는 전기의 양은 커진다. 예를 들면 열대지방에서는 고위도 지방에서 보다 전기의 발전에 필요한 더 많은 태양광을 더 많이 얻을 수 있다. 또한 태양광 발전 시스템은 밤에는 전기를 발전시킬 수 없고 모듈이 그늘지지 않게 하는 것이 중요하다. 만일 전기가 주간 이외에 필요한 경우이거나 날씨가 나쁜 기간이 연장될 것으로 예상되는 경우에는 저장장치가 필수적이다. 이하 다양한 특성에 따라 변환효율이 달라지는 이유를 간략히 설명한다.
재료
무엇 보다도 태양전지 모듈의 성능은 셀의 재료에 달려있다. 비정질 실리콘으로 된 모듈의 변환효율은 6~8%이지만, 다결정 실리콘의 모듈은 약 15%의 변환효율을 갖게된다. 단결정 실리콘 모듈의 효율은 가장 높아서 약 16%이다. 모듈의 일반적인 크기는 0.5ㅧ1.0 ㎡과 0.33ㅧ1.33 ㎡으로 약 36개의 태양전지(PV cell)로 이루어진다.
표준시험조건(standard test condition, STC)
태양전지 모듈은 DC전류를 발생시킨다. 발생된 DC전류는 표준시험조건(STC)하에서 제조자에 의해 평가된다. 표준시험 조건은 제조되는 공장에서 쉽게 만들어지고, 제품에 대한 지속적인 비교가 허용된다. 그러나, 일반적인 외부에서의 작동상태 하에서의 발생전류로 평가되기 위해서는 보정이 필요하다. 표준시험조건은 태 양전지의 온도 25℃, 태양광 조사량 1000W/㎡ (보통 맑은 날 여름 정오의 태양광 강도에 유사한 최대 태양광 강도), 대기의 1.5 배를 통과하여 여과된 태양광 스펙트럼(ASTM 표준 스펙트럼)이다.
제조자는 표준조건하에서 100 와트의 전류가 발생되는 태양전지 모듈에 대해서 "100와트 모듈"이라고 말한다. 이러한 모듈은 자주 ㅁ5%의 신뢰도로 평가되는데 이는 모듈이 95 와트의 전류를 발전시키더라도 여전히 "100 와트 모듈"로 불리게 된다. 보수적으로는, 생산되는 전력 범위의 하한치를 시작점으로 사용하는 것이 가장 좋을 것이다(100 와트 모듈에 있어 95 와트).
도 1 은 전압이 단락된 경우(부하가 없는 경우)부터 개방회로(최대 전압)까지 증가하는 경우 일반적인 태양전지로부터 얻어지는 전류 대 전압의 그래프이다. 그래프의 모양은 전지의 성능을 나타낸다. 이는 "제조성능" 또는 이상상태에서의 태양전지 성능이라고 할 수 있다.
스펙트럼 또는 광량
태양광 장치로부터 발생되는 전류는 태양광의 스펙트럼 분포에 의해 영향을 받는다. 이는 태양광의 스펙트럼 분포는 일출과 일몰시에는 붉은 빛이 강하지만, 정오에는 파란 빛이 강하여 주간 동안에 변화하는 것으로 일반적으로 이해된다. 스펙트럼 또는 광량의 변화가 성능에 미치는 정도는 고려되는 태양광 기술에 따라 현저한 차이를 나타낸다. 어떤 경우에도 스펙트럼의 변화는 하루의 시간에 의존적인 성능에 구조적인 영향을 미치게 된다. 유사하게, 태양전지 모듈이나 수평면일사계(pyranometer)의 광학적 성질은 태양광의 입사각과 관련하여 그 성능에 구조적인 영향을 미칠 수 있다.
온도
모듈로부터 발생되는 전류는 모듈의 온도가 증가할수록 감소한다. 지붕에서 작동하는 경우 태양전지 모듈은 내부온도가 50 내지 75℃에 이를 정도로 충분히 가열될 것이다. 결정화된 모듈에 대해서 CEC에 의해 추천되는 일반적인 온도에 따른 감소 인자는 89% (0.89)이다. 따라서, "100 와트 모듈"은 일반적으로 약 85 와트(95 와트ㅧ0.89 = 85 와트)에서 작동될 것이다.
태양전지 모듈이 과열되지 않도록 하기 위해서, 공기가 모듈 주위를 자유롭게 흐를 수 있도록 장착하는 것이 필수적이다. 이는 낮 시간에 온도가 많이 올라가는 경향이 있는 지방에서는 매우 중요한 고려사항이다. 이상적인 태양광 전기 발생 조건은 차갑고, 밝고, 맑은 날이다.
모듈간의 부조화와 배선에서의 손실
PV 모듈의 연결에 따른 최대 발생 전력은 항상 개개의 모듈의 최대 발전양의 총합보다 작다. 이러한 차이는 하나의 모듈과 이웃의 모듈간에 성능에 있어 미세한 차이로 인한 것으로 이를 "모듈 부조화(module mismatch)"라 하고 발생전력에서 적어도 2%의 손실을 일으킬 수 있다. 전력의 손실은 또한 시스템 내의 배선에 의한 저항으로 인해서도 발생한다. 이러한 손실은 최소한으로 이루어져야 하는데, 이를 3% 이하로 유지하기가 어려울 경우가 많다. 이러한 손실로 인한 감소인자는 합리적으로 95%(0.95)이다.
이처럼 다양한 요인에 의한 효율저하를 고려하여 , 처음 태양전지 모듈이나 태양전지 모듈을 직병렬하여 구성한 태양전지 발전 시스템의 특성을 제조사가 제공한 값과의 차이를 여러 가지 이유에 의해서(시스템 처음 설치 후 설치가 잘되었는지 확인 하고자 할 때, 지속적인 사용 후 얼마나 노화가 일어 났는지 지속적으로 알고 싶을 때, 동작중 오류가 발생했을 때 태양전지 모듈의 이상 유무를 판단 하고자 할 때 등) 알아보고자 할 때, 용이하게 특성을 분석하고 검사할 수 있는 시스템이나 방법이 필요한 실정이다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는, 간단한 구성을 갖는 장치로 설치하여 태양전지 모듈의 특성을 분석하고 비교할 수 있을 뿐 아니라, 간단한 측정값을 통하여 모듈 시스템의 특성 또는 상태를 정확하게 분석할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 함이다.
또한, 이동성이 편리하여 고가의 특성 분석장비를 태양전지 모듈마다 설치할 필요없이 측정장비의 간단한 설치로 빠르고 정확하게 대용량의 태양전지 모듈 특성 및 상태를 분석하고 비교할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하고자 함이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 태양전지 모듈의 특성 분석장치로서, 본 발명의 특징은 복수개의 태양전지가 직/병렬로 연결되는 태양전지 모듈의 출력단자와 연결되어 광전압 및 광전류를 측정하는 측정회로; 상기 태양전지 모듈의 온도를 측정하는 온도센서; 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 광량을 측정하는 광량센서; 및 상기 측정회로, 온도센서 및 광량센서를 제어하고, 상기 측정된 데이터를 분석하는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 측정회로는 상기 모듈의 출력단자와 커패시터 및 저항이 병렬연결되고, 상기 개방전압 및 단란전류 측정을 위한 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 IGBT인 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 제어부는 마이크로프로세서이고, 상기 마이크로 프로세서와 연결되어 상기 측정된 분석 데이터를 표시하는 표시부를 더 포함하는 것일 수 있고, 상기 표시부는 퍼스널 컴퓨터(PC)인 것일 수 있으며, 상기 모듈 특성분석장치는 상기 태양전지 모듈의 출력단자에 연결하여 사용되는 이동용 분석장치인 것일 수 있다.
태양전지 모듈 특성 분석방법으로서, 본 발명의 특징은 (a) 태양광을 흡수할때의 태양전지 모듈의 온도 및 수광된 광량을 측정하는 단계; (b) 상기 태양전지 모듈로부터 상기 온도 및 수광된 광량에 따른 광전압 및 광전류를 측정하는 단계; (c) 상기 태양전지 모듈 고유의 특성 데이터와 상기 측정된 데이터와 비교하는 단계; (d) 상기 비교된 데이터를 통하여 상기 태양전지 모듈의 현재 특성을 분석하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (c) 단계는 상기 태양전지 모듈의 가변온도 구간을 결정하고, 상기 측정된 온도에 따른 전류 및 전압변환 계수를 계산하는 단계; 상기 측정된 광량에 따른 전류 및 전압변환 계수를 계산하는 단계; 상기 계산된 전류 및 전압변호 나 계수를 이용하여 특성 곡선을 표시하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (d)단계는 상기 특성 곡선으로부터 최대전력점(Maximum power point) 전압 및 전류, 개방전압, 단락전류를 기록하고 비교데이터를 산출하는 것이 바람직하다.
이와같은 본 발명을 제공하면, 간단한 구성을 갖는 장치로 설치된 태양전지 모듈의 특성을 분석하고 비교할 수 있을 뿐 아니라, 간단한 측정값을 통하여 모듈 시스템의 특성 또는 상태를 정확하게 분석할 있다.
또한, 이동성이 편리하여 고가의 특성 분석장비를 태양전지 모듈마다 설치할 필요없이 측정장비의 간단한 설치로 빠르고 정확하게 태용량의 태양전지 모듈 특성 및 상태를 분석하고 비교할 수 있게 된다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 모듈 분석장치의 구성을 예시한 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 분석장치는 태양전지(10) 모듈의 출력단자와 연결되어 광전류 또는 광전압을 측정하는 측정회로(23), 태양전지(10) 모듈의 온도를 측정하는 온도센서, 광량을 측정하는 광량센서 및 측정된 각 데이터를 제어하고 분석하는 제어부(25) 및 제어부(25)와 연결되어 다양한 방법으로 분석된 데이터를 표시하는 표시부(25)로 구성된다.
측정회로(23)는 태양전지(10) 모듈의 출력단자와 커패시터와 저항을 병렬로 연결하고 각각의 지로에 스위칭소자를 연결하여 광전류 및 광전압을 측정하는 구조로 되어 있다. 여기서 스위칭 소자는 대용량의 태양전지(10) 모듈에 대한 측정이 가능하도록 IGBT 소자를 이용하는 것이 바람직하고, IGBT 소자의 스위칭과 커패시터의 충방전을 이용해 광전류 및 광전압을 측정한다.
그리고, 온도센서 및 광량센서를 이용해 태양광을 흡수할 때의 태양전지(10) 모듈의 온도와 광량을 측정하는데, 이는 모듈의 온도와 흡수된 광량에 따라 모듈의 측정값이 달라지기 때문에 상술한 광전압 및 광전류의 온도 및 광량에 따른 값을 측정하여 보다 정확하고, 신뢰도가 높은 분석값을 도출해 내기 위함이다.
제어부(25)는 측정된 광전압, 광전류, 온도 및 광량의 데이터를 통하여 온도에 따른 전압 및 전류 변환계수를 산출하고, 광량에 따른 전류 및 전압변환계수를 산출하여 태양전지(10) 모듈 고유의 특성데이터와 비교되는 특성 데이터를 산출한다. 또한, 제어부(25)는 마이크로프로세서를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 IGBT 소자의 스위칭 동작 및 광전압, 광전류, 온도센서, 광량센서를 제어한다.
이처럼 본 발명에서 제안한 분석장치는 상술한 구성을 가지는 이동형 장치인 것이 바람직한데, 이는 간단한 탈장착으로 태양전지(10) 모듈 특성을 정확하게 분석할 수 있고, 본래의 태양광 발전시스템내에 복잡한 구성으로 설치할 필요가 없다는 장점이 있기 때문이다.
즉, 일반적인 태양전지(10) 발전 시스템의 경우 수많은 모듈을 직/병렬 연결하여 구성하게 되는데 모듈을 설치하고 발전용 전력변환 장치를 연결하기 전에 모듈의 특성이 잘 나오는지 미리 측정해 볼 필요가 있고, 이러한 장치는 필드에서 바 로 적용하기 위해서는 이동성이 보장되어야 하며 태양광 발전소가 대용량화됨에 따라 전류 용량도 이를 커버할 만한 전류용량을 가져야 하기 때문이다.
따라서 본 장치는 대전류 전력소자인 IGBT를 이용하여 250kW급 대용량 태양전지 발전소를 아래 도 2에 나타낸 바와 같이 간단한 장치를 통하여 쉽게 특성을 측정할 수 있게 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 장치를 이용하여 측정된 태양전지 모듈의 광전압 및 광전류 그래프이다.
도 3에서 나타낸 바와 같이 S1,S2는 IGBT 전력소자를 사용하여 구성할 수 있으며 소자의 전류용량을 증대 시킴으로써 측정가능한 발전소 용량을 얼마든지 증대시킬 수 있다. 태양전지는 단자 전압에 의해 제어되는 전류원 특성을 가지므로 S2를 도통하여 커패시터 C1의 잔류 전압을 저항 R1 통하여 방전시킨 후, S2를 OFF 하고 S2을 도통하게 되면 초기에 전압이 0V 이므로 개방전류(short citcuit current) Isc가 흘러들어 C1을 충전 시키게 되며 전압이 증가하게 됨에 따라 태양전지의 전류가 줄어들게 되고 최종으로 open circuit voltage Voc에 도달하게 되면 전류가 0A로 되어 전압이 더 이상 증가하기 않게 된다. 이러한 특성은 도 3에 나타낸 봐와 같이 태양전지 모듈의 광 I-V 특성 곡선으로 표현 된다.
도 3과 같은 그래프가 측정되었을 때 현재의 발전 시스템의 특성이 노화가 되었거나 시스템의 설치가 잘못되었는지 등을 알아보기 위해서는 제조사가 제공하는 특성곡선을 통하여 현재의 태양전지 모듈의 특성 및 상태를 분석하고 점검할 수 있게 된다. 그리고, 표시부(25)를 PC로 하여 다양한 분석작업을 시행할 수 있고, 데이터를 그래프화 하여 제조사에서 제공되는 그래프 또는 데이터를 비교하고 더욱 정확한 분석을 통한 점검을 할 수 있는 장점이 있다.
즉, 이와 같은 간단한 구성의 시스템을 태양전지 모듈에 연결하여 상태분석을 할 수 있기 때문에 이동성이 편리하여, 태양전지 발전 시스템 내에 복잡한 설비 구성을 할 필요 없고, 필요에 따라 언제라도 간단하게 연결하여 태양전지 모듈의 상태를 분석하고 수리 또는 교체할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 특성 분석방법의 흐름도를 예시한 도면이다. 본 발명의 분석방법은 태양광을 흡수할 때의 태양전지 모듈의 온도 및 수광된 광량을 측정하는 단계; 상기 태양전지 모듈로부터 상기 온도 및 수광된 광량에 따른 광전압 및 광전류를 측정하는 단계; 상기 태양전지 모듈 고유의 특성 데이터와 상기 측정된 데이터와 비교하는 단계; 상기 비교된 데이터를 통하여 상기 태양전지 모듈의 현재 특성을 분석하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 먼저 데이터 추출 단계로써 S2를 도통하여 기존에 C1에 충전된 전압이 없게 R1을 통하여 방전을 한다.(S100) 그런 다음 태양전지 특성곡선을 얻기 위하여 S2를 개방 하고 S1을 도통하여 태양전지 모듈전류로 C1을 충전하게 하고 이때의 전류 전압 특성값을 센싱하여 프로세서에서 메모리에 저장을 하게 한다. 이때의 주변 기후 상황을 기록하기 위하여 온도센서 및 광량센서로부터 들어온 데이터를 같이 기록하게 된다.(S200)
이렇게 태양발전 시스템의 특성 데이터를 저장한 후 PC를 특성분석 장치에 연결하고 데이터를 다운로드 하여 그래프를 그리고 전압,전류 데이터로부터 출력 특성곡선도 추출하고(S400), 최대전력점(Maximum power point) 전류, 전압, 개방전압(open circuit voltage: Voc), 단락전류(short circuit current: Isc)등을 기록한다.
측정된 데이터 그래프와 제조사가 제공한 특성을 분석하기 위하여 특성을 추출한 온도와 같은 광량에서의 제조사 특성 곡선을 위에서 제안한 알고리즘을 통하여 추출한 후(S400), 제조사 제공 최대전력점(Maximum power point) 전류, 전압, open circuit voltage Voc, short circuit current Isc등을 기록하여 비교표를 작성하여 제공하고(S500), 측정데이터 및 제조사 데이터 추출 그래프를 동시에 그림으로 표시하여 특성을 비교할 수 있게 제공한다.(S600) 도 5는 측정된 데이터 및 제조사 데이터를 추출하여 나타낸 비교 그래프이다.
이하에서는 본 발명에서 제안한 임의의 태양전지 모듈의 특성 곡선 추출 알고리즘을 구체적으로 설명하기로 한다.
일반적으로 제조사의 특성곡선을 이용하여 측정시의 대기 온도와 광량에 해당하는 그래프를 구해야만 측정 데이터와 비교가 가능하다. 따라서 본 발명에서 제안한 태양전지 모듈 특성분석 방법의 간단한 알고리즘으로 제조사가 제공하는 그래프를 모두 테이블화 하지 않고도 원하는 온도와 광량에 따른 그래프를 얻을 수 있다.
도 6은 일반적으로 태양전지 모듈업체에서 제공되는 태양전지 모듈의 특성곡선이다. 태양전지는 온도와 광량에 의해 출력에 영향을 받기 때문에 온도의 변화에 대한 특성변화와 광량의 변화에 대한 특성곡선 2개가 주어진다. 본 발명에서는 이들 두개의 데이터에서 얻을 수 있는 정보를 테이블화하여 간단하게 전 온도, 광량 구간에서 특성곡선의 데이터 값을 추출하는 방법을 제시한다. 그림 3의 광량 변화에 대한 그래프에서 [표 1]에서와 같은 데이터들을 얻을 수 있다.
[표 1] 광량그래프에서 추출한 Isc 및 Voc 데이터(25℃)
| Irradiance(W/m 2 ) | I sc (A) | V oc (V) | ||
| 1000 | I sc1000 | 5.57 | V oc1000 | 51.5 |
| 800 | I sc800 | 4.48 | V oc800 | 50.6 |
| 600 | I sc600 | 3.38 | V oc600 | 49.8 |
| 400 | I sc400 | 2.30 | V oc400 | 48.8 |
| 200 | I sc200 | 1.20 | V oc200 | 47.3 |
또한, 도 7은 온도에 따른 태양전지 모듈의 특성곡선을 나타낸 도면이다. 도 7로부터 온도에 따른 데이터를 아래 [표 2]에서와 같이 얻을 수 있다.
[표 2] 온도그래프에서 추출한 Isc 및 Voc 데이터(1000W/㎡)
| Temperature(℃) | I sc (A) | V oc (V) | ||
| 0 | I sc0℃ | 5.57 | V oc0℃ | 54.9 |
| 25 | I sc25℃ | 5.56 | V oc25℃ | 51.5 |
| 50 | I sc50℃ | 5.59 | V oc50℃ | 47.9 |
| 75 | I sc75℃ | 5.63 | V oc75℃ | 44.9 |
그리고 기본 데이터 테이블로 도 6에서 광량 1000W/m2, 25℃일 때의 그래프 데이터를 약 100개로 나누어 테이블화 한다. 테이블의 개수는 임의로 정할 수 있고 좀 더 정밀한 데이터를 원하면 데이터량을 늘릴 수가 있다. 도 8은 100개의 데이터 를 추출하여 그래프로 나타낸 도면이다.
[표 1], [표 2], 그리고 도 8의 기본 특성 그래프 데이터로 모든 동작영역의 태양전지 특성곡선을 추출할 수 있다. 이를 수행하는 알고리즘은 아래와 같다.
현재 온도 T가 45℃ 이고 광량이 700W/m2이라고 가정을 하고 이에 대한 특성곡선을 추출하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저 온도 데이터에서 전압과 전류에 대한 기본 데이터 곡선에 대한 변환계수 값을 추출한다. 온도가 25도와 50도 사이에 있으므로 open circuit voltage V oc 는 다음과 같이 구한다.
(수식 1)
여기서 V ocLO 는 지금 온도가 속해 있는 구간에서 낮은 온도 쪽에서의 V oc 값이고 V ocHI 는 높은 온도쪽에서의 V oc 값이며 T LO 는 구간의 낮은 온도이며 T HI 는 높은 온도를 의미한다. 앞의 조건에서 보면 각각의 값은 다음과 같다.
이 값들을 대입하면 현재온도 T에서의 V oc 값을 구할 수 있다.
테이블로 가진 데이터는 25℃/1000W/m2의 그래프이므로 기준그래프와 지금 온도 사
이의 온도 전압변환계수(α T )는 다음과 같이 구해진다.
단락전류(Short circuit current:I sc )에 대한 온도전류변환계수는 전압변환계수와 비슷하게 다음과 같이 구해진다.
각각의 데이터 값으로부터 계산을 하면 다음과 같은 계수값을 얻을 수 있다.
온도에 대한 전류변환 계수는 온도전압변환계수(β T )와 같이 구할 수 있다.
위에서 구한 변환 계수를 적용하여 45℃, 1000W/m2의 조건에 대한 태양전지 모듈 특성곡선은 도 9와 같다.
온도에 대한 특성곡선을 25℃ 곡선 데이터와 [표 1],[표 2]를 이용하여 0, 50, 75℃일 때 태양전지 특성곡선을 위에서 제시한 변환계수를 적용하여 구한 곡선을 도 10과 같이 얻을 수 있다. 이는 태양전지 모듈업체에서 제공한 온도 특성곡선 도 7과 동일함을 알 수 있다.
태양전지의 또 다른 입력인 광량변화에 대한 특성곡선도 온도에 대한 변환계수와 비슷한 방법으로 기본특성곡선으로부터 추출해 낼 수 있다. 전압에 대한 광량전압변환계수(α I )는 다음과 같은 수식으로 구할 수 있다.
여기서 I rr 은 현재 상태의 광량이며 I rrLO 는 I rr 이 속한 구간에서의 낮은 광량을 의미하며 I rrHI 는 높은 쪽 광량을 의미하고 V ociHI 는 높은 광량에서의 V oc 이며 V ociLO 는 낮은 광량에서의 V oc 이다. 그리고 전류에 대한 광량전류변환계수(β I )도 위에서와 비슷한 방식으로 구할 수가 있다.
여기서 I scHI 는 높은 쪽 광량에서의 I sc 를 의미하며 I scLO 는 낮은 쪽 광량에서의 I sc 를 의미한다. 광량이 700W/m2일 때의 특성곡선 광량전압변환계수(α I )를 위에서 유도한 수식을 이용하여 구할 수 있다. 광량 700W/m2은 특성 데이터 표 1의 800W/m2과 600W/m2 사이에 위치하는 값이다. 이 값들을 이용하여 다음과 같이 특성변환계수를 구할 수 있다.
광량전류변환계수(β I )도 다음과 같이 구해진다.
이들 두 특성변환계수를 이용하여 광량 700W/m2, 25℃일 때의 특성곡선은 아래와 같다. 도 12는 기본특성곡선과 위에서 구한 특성변환계수(α I, β I )를 이용하여 800, 600, 400, 200W/m2 일 때의 태양전지 모듈특성곡선이다. 도 6과 동일한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 상술한 임의의 온도, 광량에 따른 특성곡선을 구하기 위한 알고리즘을 순서도로 표현하면 도 13과 같다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1 은 전압이 단락된 경우(부하가 없는 경우)부터 개방회로(최대 전압)까지 증가하는 경우 일반적인 태양전지로부터 얻어지는 전류 대 전압의 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 모듈 분석장치의 구성을 예시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 장치를 이용하여 측정된 태양전지 모듈의 광전압 및 광전류 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 특성 분석방법의 흐름도를 예시한 도면,
도 5는 본 발명의 방법에 의해 측정된 데이터 및 제조사 데이터를 추출하여 나타낸 비교 그래프,
도 6은 일반적으로 태양전지 모듈업체에서 제공되는 태양전지 모듈의 특성곡선을 나타낸 도면,
도 7은 온도에 따른 태양전지 모듈의 특성곡선을 나타낸 도면,
도 8은 특성그래프에서 추출한 100개의 데이터로 재구성한 특성곡선을 나타낸 도면,
도 9는 온도에 따른 변환계수를 적용하여 기준 특성곡선에서 추출한 새로운 특성곡선을 나타낸 도면,
도 10은 변환계수를 통해 재구성한 태양전지 모듈의 온도 특성곡선을 나타낸 도면,
도 11은 광량변환계수와 기본 특성곡선을 이용하여 추출한 700W/㎡ 일때의 특성곡선을 나타낸 도면,
도 12는 광량변환계수와 기본 특성곡선을 이용하여 추출한 광량특선곡선을 나타낸 도면,
도 13은 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 특성곡선 추출 알고리즘을 나타낸 도면이다.
Claims (9)
- 복수개의 태양전지가 직/병렬로 연결되는 태양전지 모듈의 출력단자와 연결되어 광전압 및 광전류를 측정하는 측정회로;상기 태양전지 모듈의 온도를 측정하는 온도센서;상기 태양전지 모듈에서 출력되는 광량을 측정하는 광량센서; 및상기 측정회로, 온도센서 및 광량센서를 제어하고, 상기 측정된 데이터를 분석하는 제어부를 포함하는 태양전지 모듈 특성분석장치.
- 제1항에 있어서,상기 측정회로는 상기 모듈의 출력단자와 커패시터 및 저항이 병렬연결되고,상기 개방전압 및 단란전류 측정을 위한 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 특성분석장치.
- 제2항에 있어서,상기 제1 및 제2 스위칭 소자가 IGBT 인것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 특성분석장치.
- 제1항에 있어서,상기 제어부는 마이크로프로세서이고, 상기 마이크로 프로세서와 연결되어 상기 측정된 분석 데이터를 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 특성분석장치.
- 제4항에 있어서,상기 표시부는 퍼스널 컴퓨터(PC)인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 특성분석장치.
- 제1항 내지 제5항에 있어서,상기 모듈 특성분석장치는 상기 태양전지 모듈의 출력단자에 연결하여 사용되는 이동용 분석장치인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 특성분석장치.
- (b) 태양광을 흡수할때의 태양전지 모듈의 온도 및 수광된 광량을 측정하는 단계;(a) 상기 태양전지 모듈로부터 상기 온도 및 수광된 광량에 따른 광전압 및 광전류를 측정하는 단계;(c) 상기 태양전지 모듈 고유의 특성 데이터와 상기 측정된 데이터와 비교하는 단계;(d) 상기 비교된 데이터를 통하여 상기 태양전지 모듈의 현재 특성을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 특성 분석방법.
- 제7항에 있어서,상기 (c) 단계는 상기 태양전지 모듈의 가변온도 구간을 결정하고, 상기 측정된 온도에 따른 전류 및 전압변환 계수를 계산하는 단계;상기 측정된 광량에 따른 전류 및 전압변환 계수를 계산하는 단계;상기 계산된 전류 및 전압변호나 계수를 이용하여 특성 곡선을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 특성 분석방법.
- 제7항에 있어서,상기 (d)단계는 상기 특성 곡선으로부터 최대전력점(Maximum power point) 전압 및 전류, 개방전압, 단락전류를 기록하고 비교데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 특성 분석방법.
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