Solar PV performance under partial shading condition: Lit Review/ko

프로젝트 데이터
유형	태양광 PV 시스템 성능
저자	리야 로이
위치	런던 , 온타리오
상태
연령	2025
OKH 선언문	다운로드

독자 여러분!!

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배경

부분적 그늘 아래에서 태양광 PV 패널의 에너지 성능 및 화재 위험: 실험 연구 ^{[ 1 ]}

음영 위치와 표면 온도가 전력 출력에 미치는 영향을 강조합니다.
부분적인 그늘 >> 표면 온도 증가
출처에서 부분적으로 음영이 나타납니다 >> 새 똥, 잎, 그림자
67% 음영 비율(최악의 경우) >> 99.6°C 표면 온도
실험 설정:
- 요오드-텅스텐 램프를 갖춘 태양 시뮬레이터, 데이터 측정 시스템 및 태양광 PV 시스템
- PV 모듈의 앞면과 뒷면 온도를 측정하기 위한 18개의 열전대
- 다양한 비율(25%, 33%, 50%, 67%, 75%, 100%)로 부분 음영을 시뮬레이션하기 위한 검은색 판지
- 주변 온도 20°C
- 조도 @ 1100 W/m²
음영 처리된 위치
- 태양광 PV 패널의 7개 위치:
  1. 오른쪽 위
  2. 오른쪽
  3. 맨 아래
  4. 가운데
  5. 맨 위
  6. 왼쪽
  7. 왼쪽 아래
- 음영 없음 및 전체 음영을 포함한 7가지 다양한 음영 비율
이상 솔루션과의 유사성에 따른 주문 선호도 기술(TOPSIS)
- 실험 결과를 평가하기 위해 사용되었습니다
- 에너지 출력과 화재 위험의 잠재적 감소를 평가합니다.
- 에너지 손실과 위험을 최소화하는 최적의 음영 시나리오를 식별하는 데 도움이 됩니다.
- 점수가 높을수록 더 나은 성과를 나타냅니다.
표면 온도 및 에너지 출력 성능
- 중간 셀(No. 17‌)의 온도는 처음에는 상승하다가 다양한 음영 비율에 따라 안정화됩니다.
- 안정화의 마지막 400초 동안의 평균 온도가 분석에 사용됩니다.
- 단락 전류는 음영 비율이 증가함에 따라 감소하는 반면 개방 회로 전압은 최소한의 변화를 보입니다.
- 그늘진 셀은 그늘지지 않은 셀보다 지속적으로 더 높은 온도를 나타냅니다.
- 세포의 위치에 따라 다른 음영 비율로 발생하는 최대 온도
- 오른쪽 위 셀 >> 67% 음영 비율로 99.6°C의 최고 온도에 도달하여 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)의 녹는점인 85°C를 초과합니다.
- 중간 셀 음영 >> 92.9% ↓ 출력 >> 2.2W에 불과
- 음영 처리된 중앙 셀(완전히 음영 처리됨) >> 단락 전류 88.2% 감소
- 가장 높은 화재 위험은 최상단 셀(No. 22‌)과 관련이 있으며, 음영 비율은 25%, 67%, 100%입니다.
온도와 전력 소모의 관계
- 그늘진 셀의 온도 상승과 태양광 패널의 전력 강하 사이의 비선형 관계가 탐구되어 복잡한 상호 작용을 나타냅니다.
- 그늘진 셀의 온도 상승은 처음에는 전력 강하로 증가하지만 바이패스 다이오드 활성화로 인해 특정 임계값에 도달한 후에는 감소합니다.
- 온도 상승과 전력 강하의 관계 >> (ΔT = 2.79ΔP - 0.08ΔP², R² = 0.844)

다양한 음영 조건에서 태양 전지 성능에 대한 실험 및 수치 연구 ^{[ 2 ]}

주요 성능 매개변수에 대한 음영 효과를 강조하고 불규칙한 음영 하에서 성능을 예측하는 방법을 제안합니다.
주요 성능 매개변수 >> 개방 회로 전압, 단락 회로 전류 및 최대 출력 전력
셰이딩은 단락 전류와 최대 출력 전력을 크게 감소시킵니다 >> 셰이딩 비율이 증가함에 따라 선형적으로 감소합니다
Voc >> 약간 감소하는 반면 직렬 저항(Rs)은 기하급수적으로 증가하여 전력 손실에 중요한 역할을 한다는 것을 나타냅니다.
다양한 음영 조건에서 성능을 예측하고 주요 매개변수의 상대적 편차를 3% 이하로 달성하기 위해 동등한 변환 방법이 제안되었습니다.
실험 설정 및 방법론
- 태양 전지의 일부를 덮기 위해 검은색 불투명 재료를 사용하여 음영을 시뮬레이션했습니다.
- Newport 태양 시뮬레이터는 2% 미만의 조도 불균일성으로 1000W/m²의 안정적인 조명을 제공했습니다.
- 단일 다이오드 모델은 태양 전지의 등가 회로로 작용합니다 >> 광전류원, 다이오드, 등가 션트 저항, 등가 직렬 저항
- 국부적인 음영은 서로 다른 조도의 영역을 생성하여 광전류와 직렬 저항에 영향을 미칩니다.
그늘진 환경에서의 상대적 전력 손실
- 전력 손실 범주 >> 핑거 셰이딩, 버스바 셰이딩, 에미터 영역 셰이딩, 접촉 저항 및 핑거와 버스바의 저항
- 최대 출력 전력에서 작동 전압에 대한 직렬 저항의 영향을 설명합니다.
COMSOL Multiphysics를 사용한 수치 시뮬레이션을 실험 데이터와 비교하여 모델 정확도를 평가했습니다.
다양한 음영 조건에서 최대 출력 전력의 상대 편차는 3.922% 이내로 나타나 모델의 높은 신뢰성을 나타냈다.
음영 조건에서 태양 전지의 성능
- Voc는 음영이 증가함에 따라 약간 감소합니다 . 음영이 50%일 때 약 3% 감소합니다 .
- Isc는 음영에 따라 선형적으로 감소하며 기울기는 -0.187입니다. 음영이 50%일 때 약 49% 감소합니다.
- Pmax는 -0.100의 기울기로 선형적으로 감소합니다. 50% 음영에서는 약 50% 감소합니다.
- Rs는 음영 처리에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 음영 처리가 50%일 경우 약 32% 증가합니다.
- 셰이딩 비율은 광생성 캐리어의 생성 및 수집에 상당한 영향을 미쳐 출력 전력을 감소시킵니다.
- 10% 셰이딩 비율 >> 상대 전력 손실은 9.79%(x축) 및 9.19%(y축)입니다.
- 30% 셰이딩 비율 >> 손실은 27.42%(x축) 및 27.60%(y축)로 증가합니다.
- 50% 셰이딩 비율 >> 손실은 46.03%(x축) 및 46.01%(y축)입니다.
- 전력 손실의 주요 요인에는 접촉 저항, 손가락 저항 및 모선 저항이 포함되며 모선 저항이 가장 중요합니다.
일반 셰이딩 시나리오에서의 성능
- 실험 검증 결과 Voc의 경우 상대 편차가 0.152%, Isc의 경우 0.275%, Pmax의 경우 2.432%인 것으로 나타났습니다.
불규칙한 셰이딩 시나리오에서의 성능
- 1232 mm²의 음영 면적을 가진 잎은 19.3%의 음영 비율을 나타냅니다.
- 3% 미만의 주요 성과 매개변수에 대한 상대적 편차
- Pmax의 최대 편차는 2.199%에 불과하여 높은 예측 정확도를 나타냅니다.
- 불규칙한 셰이딩 >> 비대칭 전압 분포 및 오믹 손실 증가로 효율 저하에 기여

태양광 PV 어레이 성능에 대한 그림자 조건의 영향: 전체 규모 실험 및 경험적 연구 ^{[ 3 ]}

발전량 감소 >> 태양 전지가 완전히 막혔을 때 발전 용량이 최대 90% 감소한다는 것을 보여주는 실증 연구
모듈의 ⅔가 음영 처리됨>> Isc가 20-25% 감소 >> Voc가 25-30% 감소
본 연구에서는 발전 효율이 그림자 영역의 3/2승과 음의 상관관계를 갖는다는 것을 나타내는 실증 모델을 개발하였다.
다양한 그림자 조건이 태양광 PV 시스템에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요하다는 점을 강조합니다.
실험 플랫폼은 3행 10열로 배열된 30개의 모듈이 있는 전체 크기의 PV 어레이로 구성되었습니다.
검은색 불투명 판지를 사용하여 제어된 음영 조건을 만들어 직접, 확산 및 전체 조도 효과에 대한 체계적인 분석이 가능해졌습니다.
본 연구에서는 IV 곡선 테스터를 사용하여 출력 특성을 측정했습니다.
Isc는 그림자 영역이 증가함에 따라 선형적으로 감소하는 것을 보여주어 PV 발전소의 결함 감지에 도움이 됩니다.
Voc는 작은 그림자 조건에서는 비교적 안정적으로 유지되었지만 더 넓은 영역이 그늘졌을 때 상당한 감소를 보였습니다.
Voc 모니터링이 특히 대규모 음영 시나리오에서 PV 어레이의 그림자 범위를 추정하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다.
두 개의 셀이 음영 처리되었을 때 East-3의 경우 η는 약 4%로 떨어졌고 East-7의 경우 음영 처리가 증가할수록 더욱 감소했습니다.
PV 모듈의 절반이 그늘에 가려졌을 때 η는 표면 온도 증가로 인해 이론적인 50%에서 벗어나 약 45%로 떨어졌습니다.
그림자 면적이 0%에서 15%로 증가함에 따라 East-7과 East-9의 η는 최소한의 방해로 인해 약간만 감소합니다.
East-1 및 East-5의 초기 효율성 급락은 계산 문제로 인한 것으로 보이며, 5% 그림자를 넘어서면 모든 모듈이 유사한 효율성 감소 패턴을 보입니다.

부분적 음영 조건에서의 태양광 시스템 성능: 바이패스 다이오드 수와 인버터 효율 곡선의 역할에 대한 통찰력 ^{[ 4 ]}

핫스팟 형성을 완화하기 위한 실용적인 솔루션 >> 바이패스 다이오드
바이패스 다이오드 수 ↑ >> PV 시스템 성능을 향상시키지만 전역 최대 전력점을 변경하여 전압 위치와 전력 크기를 이동시켜 결과적으로 인버터 효율 곡선의 작동점을 변경합니다. >> 이는 지속적인 순방향 바이어스 작동으로 인해 열 응력을 증가시킬 수 있습니다.
부하 및 입력 전압 측면에서 서로 다른 효율 특성을 가진 3개의 인버터를 조사합니다.
또한 다양한 수의 바이패스 다이오드를 사용한 모듈 구성
추가 요인 >> 주변 온도, 직렬 연결 PV 모듈 수를 변경하여 인버터 부하율 및 음영 강도
다양한 사례는 무작위 조도 샘플을 사용하여 Simscape/Simulink 기반 회로 모델을 사용하여 시뮬레이션됩니다.
브라질리아 대학의 125kWp 그리드 연결 PV 시스템은 50kW 인버터를 사용하여 78%의 안정적인 성능 비율을 보여줍니다.
태국 북부 지역에 대한 사례 연구에 따르면 선택된 인버터는 3가지 다른 PV 모듈 유형에 대해 350W/m2 이상의 조도에서 최대 효율로 작동할 수 있다고 보고됩니다.
코르시카의 5개 지역과 불가리아의 7개 지역에서 수행된 또 다른 연구에서는 선택된 인버터에 따라 PV 어레이를 30% 더 크게 또는 30% 더 작게 해야 한다고 강조했습니다.

태양광 시스템의 효율성 평가: 마이크로인버터와 기존 비최적화 솔루션 비교 ^{[ 5 ]}

성능과 비용을 최적화하는 마이크로인버터.
온두라스 빌라누에바에서 7일간 진행된 연구를 통해 에너지 생산, 비용, 운영 효율성을 비교했습니다.
마이크로인버터 시스템은 독립 패널 최적화로 인해 중앙 인버터 시스템보다 9.8% 더 많은 에너지를 생산했습니다.
데이터에 따르면 마이크로인버터는 다양한 조건에서 더 높은 효율성을 유지한 반면, 중앙 인버터는 성능 저하를 겪었습니다.

수정된 브리지 연결 구성을 통한 태양광 어레이의 부분 음영 조건 영향 완화 ^{[ 6 ]}

기존의 직렬, 병렬, 직렬-병렬(SP) 및 전체 교차 연결(TCT) 구성은 부분 음영 조건에서 상당한 불일치 손실을 겪습니다.
부분 음영으로 인해 PV 어레이의 전력 출력이 감소합니다. 이는 기존 직렬-병렬 구성의 스트링 내부에서 불일치 손실이 발생하기 때문입니다.
기존 솔루션: 최대 전력점 추적(MPPT)[2], 바이패스 다이오드[3] 및 직렬-병렬, 교차 연결, 브리지-링크 또는 허니콤 구성과 같은 최적화된 어레이 설계 ^{[ 7 ]}

하드웨어 솔루션을 사용한 그리드 연결 PV 시스템의 부분적 음영 완화 방법에 대한 중요한 평가 및 검토: 모듈 수준 및 어레이 수준 접근 방식 ^{[ 8 ]}

이 리뷰에는 마이크로 인버터, 전력 최적화기, 에너지 회수 회로와 같은 모듈 수준 솔루션이 포함됩니다.
건물 통합 태양광 발전(BIPV)은 주로 인근 구조물과 환경 요인으로 인해 부분적인 그늘로 인해 에너지 생산량이 크게 감소합니다.
부분적인 음영은 음영이 9%만 있어도 최대 50%의 전력 손실을 초래할 수 있습니다.
고급 MPPT 기술에는 차등 진화 및 입자군 최적화와 같은 메타휴리스틱 알고리즘이 포함됩니다.
이러한 방법은 글로벌 최대 전력점을 찾기 위해 지점별 검색을 최적화하는 것을 목표로 합니다.
마이크로 인버터 기술 개요
- 마이크로 인버터는 개별 모듈에 직접 연결되어 독립적인 에너지 추출을 허용하고 시스템 전체 오류 위험을 줄입니다.
- 단일 피크 PV 곡선을 처리할 수 있는 기능 덕분에 Perturb 및 Observe(P&O) 와 같은 간단한 MPPT 알고리즘을 활용합니다.
- 상업용 마이크로 인버터는 일반적으로 240~300W의 전력 정격으로 제공되며 최대 변환 효율은 94~96%입니다.
- 마이크로 인버터는 절연형(변압기 사용)과 비절연형(부스트 컨버터 사용) 토폴로지의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
- 마이크로 인버터(및 전력 최적화기)는 작동을 유지하기 위해 지속적으로 전력을 소비해야 합니다.
- 마이크로 인버터는 제한된 장착 공간으로 인해 모듈이 플랜트 내에 분산되거나 여러 방향으로 배열되어야 하는 시스템에 효과적인 솔루션입니다.
- 시스템 내 모듈에 결함이 발생하더라도 나머지 모듈의 발전 성능에는 영향을 미치지 않습니다. 이러한 특징 덕분에 마이크로 인버터는 BIPV 애플리케이션에 매우 적합한 선택입니다. 마이크로 인버터 시스템의 또 다른 주요 장점은 업그레이드 가능성입니다.
- 시스템 내 모듈에 결함이 발생하더라도 나머지 모듈의 발전 성능에는 영향을 미치지 않습니다. 이러한 특징 덕분에 마이크로 인버터는 BIPV 애플리케이션에 매우 적합한 선택입니다. 마이크로 인버터 시스템의 또 다른 주요 장점은 업그레이드 가능성입니다.
셰이딩 시나리오와 그 영향
- 7가지 셰이딩 시나리오 >> 가벼운 셰이딩부터 강한 셰이딩까지
- 모듈이 문자열을 형성하지 않으므로 핫스팟이 발생할 가능성이 없습니다.
- 마이크로 인버터는 부분적 음영 상황에서 유연성과 효율성을 제공합니다.
- 마이크로 인버터는 분산 설치가 가능하고 자율적으로 작동하여 음영 효과를 최소화합니다.
- 대부분의 스트링 인버터는 95% 효율을 초과하는 반면 마이크로 인버터는 93-96%의 효율을 보입니다.
- 음영 변동성으로 인해 마이크로 인버터의 에너지 수율이 1.5~20.3% 향상될 수 있습니다.
- 마이크로 인버터를 탑재한 일반적인 6.2kW 주거용 시스템 비용은 와트당 3.06달러인 반면, 최적화기를 탑재한 스트링 인버터의 경우 와트당 2.64달러입니다.
- 마이크로 인버터에는 종종 25년 보증이 제공됩니다.
- 마이크로 인버터 시장은 2019년부터 2025년까지 연평균 성장률 17.3%로 성장할 것으로 예상되며, 매출은 56억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.
- 에너지 이득 측면에서 마이크로 인버터 에너지 이득은 스트링 인버터 시스템보다 1.8% 더 높습니다.

부분적으로 그늘진 조건에서 그리드 연결 마이크로그리드 PV 기반 소스의 최적 제어 ^{[ 9 ]}

PV 어레이 모듈이 불균일한 방사선 조사에 노출되면 전력-전압(PeV) 특성이 여러 개의 피크를 나타냅니다. 가장 높은 피크를 전역 최대 점(global maximum point) 이라고 하고 , 나머지는 국소 최대점(local maximum point)이라고 합니다.

PV 시스템의 부분 음영 조건 완화 방법 검토 ^{[ 10 ]}

AC 모듈은 BIPV 시스템에서 음영 손실을 25%에서 19.5%로 줄일 수 있으며 표준 DC 배열과 비교하여 비용도 7.5% 절감할 수 있습니다.

마이크로인버터 및 스트링 인버터 그리드 연결 태양광 시스템 - 종합 연구 ^{[ 11 ]}

6kW 주거용 PV 시스템은 철저히 평가되었습니다.
대부분의 마이크로인버터 제조업체는 현재 표준 25년 보증을 제공하고 있습니다[5, 6, 9, 10].
인버터는 일반적으로 PV 에너지 시스템에서 가장 고장이 발생하기 쉬운 구성 요소로 간주됩니다[11, 19]
결과는 스트링 인버터가 고장의 43%와 에너지 손실의 36%를 담당한다는 것을 보여줍니다 .[19]
가벼운 음영(7% 음영), 중간 음영(15-19%), 강한 음영 25%에서 마이크로인버터 발전량은 각각 3.7%, 7.8%, 12.3%로 스트링 인버터보다 높았습니다.

콜롬비아의 5.1kWp 주거용 PV 시스템에서 마이크로 인버터와 스트링 인버터 간의 성능 및 경제성 비교 ^{[ 12 ]}

선택된 위치는 콜롬비아 메데인에 위치한 안티오키아 대학교 공학관(19번 블록)입니다. >> 모델링된 어레이는 20개의 모듈로 구성되어 있습니다. >> 5.1kWp
음영 조건이 없는 경우 마이크로 인버터는 성능 비율을 5.9% 향상시킵니다.
with partial shading condition the improvement on the performance ratio reaches 8%. Nevertheless, it is necessary 7.5% less initial capital to install the PV system using string inverter.

Reference List

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키워드	빠른 문헌 검토 , 태양광 발전 , 수명 주기 평가 , PV
지속가능개발목표	SDG07 저렴하고 깨끗한 에너지
저자	리야 로이
특허	CC-BY-SA-4.0
언어	영어 (en)
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조회수	8페이지 뷰( 분석 )
생성됨	2025년 6월 29일, 리야 로이
마지막 편집	2025년 6월 30일 StandardWikitext 봇 작성
인용하다	리야 로이 (2025). "부분 차광 조건에서의 태양광 발전 성능: 문헌 검토" . Appropedia . 2025년 8월 8일 확인 .
API 쿼리	기본 , 의미 론적 , HTML , 파일 등

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[11] S. Harb, M. Kedia, H. Zhang, RS Balog, 마이크로인버터 및 스트링 인버터 그리드 연결형 태양광 시스템 - 종합 연구, 2013 IEEE 39th Photovoltaic Specialists Conference(PVSC), 2013: pp. 2885–2890. https://doi.org/10.1109/PVSC.2013.6745072.

[12] OA Arráez-Cancelliere, N. Muñoz-Galeano, JM Lopez-Lezama, 콜롬비아의 5, 1 kWp 주거용 PV 시스템에서 마이크로 인버터와 스트링 인버터의 성능 및 경제적 비교, 2017 IEEE 전력 전자 및 전력 품질 응용 워크숍(PEPQA), 2017: pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/PEPQA.2017.7981678.

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독자 여러분!!

배경

부분적 그늘 아래에서 태양광 PV 패널의 에너지 성능 및 화재 위험: 실험 연구 [ 1 ]

다양한 음영 조건에서 태양 전지 성능에 대한 실험 및 수치 연구 [ 2 ]

태양광 PV 어레이 성능에 대한 그림자 조건의 영향: 전체 규모 실험 및 경험적 연구 [ 3 ]

부분적 음영 조건에서의 태양광 시스템 성능: 바이패스 다이오드 수와 인버터 효율 곡선의 역할에 대한 통찰력 [ 4 ]

태양광 시스템의 효율성 평가: 마이크로인버터와 기존 비최적화 솔루션 비교 [ 5 ]

수정된 브리지 연결 구성을 통한 태양광 어레이의 부분 음영 조건 영향 완화 [ 6 ]

하드웨어 솔루션을 사용한 그리드 연결 PV 시스템의 부분적 음영 완화 방법에 대한 중요한 평가 및 검토: 모듈 수준 및 어레이 수준 접근 방식 [ 8 ]

부분적으로 그늘진 조건에서 그리드 연결 마이크로그리드 PV 기반 소스의 최적 제어 [ 9 ]

PV 시스템의 부분 음영 조건 완화 방법 검토 [ 10 ]

마이크로인버터 및 스트링 인버터 그리드 연결 태양광 시스템 - 종합 연구 [ 11 ]

콜롬비아의 5.1kWp 주거용 PV 시스템에서 마이크로 인버터와 스트링 인버터 간의 성능 및 경제성 비교 [ 12 ]

Reference List

부분적 그늘 아래에서 태양광 PV 패널의 에너지 성능 및 화재 위험: 실험 연구 ^{[ 1 ]}

다양한 음영 조건에서 태양 전지 성능에 대한 실험 및 수치 연구 ^{[ 2 ]}

태양광 PV 어레이 성능에 대한 그림자 조건의 영향: 전체 규모 실험 및 경험적 연구 ^{[ 3 ]}

부분적 음영 조건에서의 태양광 시스템 성능: 바이패스 다이오드 수와 인버터 효율 곡선의 역할에 대한 통찰력 ^{[ 4 ]}

태양광 시스템의 효율성 평가: 마이크로인버터와 기존 비최적화 솔루션 비교 ^{[ 5 ]}

수정된 브리지 연결 구성을 통한 태양광 어레이의 부분 음영 조건 영향 완화 ^{[ 6 ]}

하드웨어 솔루션을 사용한 그리드 연결 PV 시스템의 부분적 음영 완화 방법에 대한 중요한 평가 및 검토: 모듈 수준 및 어레이 수준 접근 방식 ^{[ 8 ]}

부분적으로 그늘진 조건에서 그리드 연결 마이크로그리드 PV 기반 소스의 최적 제어 ^{[ 9 ]}

PV 시스템의 부분 음영 조건 완화 방법 검토 ^{[ 10 ]}

마이크로인버터 및 스트링 인버터 그리드 연결 태양광 시스템 - 종합 연구 ^{[ 11 ]}

콜롬비아의 5.1kWp 주거용 PV 시스템에서 마이크로 인버터와 스트링 인버터 간의 성능 및 경제성 비교 ^{[ 12 ]}