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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:
- 오른쪽 위
- 오른쪽
- 맨 아래
- 가운데
- 맨 위
- 왼쪽
- 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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- ↑ Y. Lu, J. Wang, P. Liu, R. Rafee, S. Rashidi, G. Li, Experimental and numerical study of solar cell performance under different shading conditions, Solar Energy 296 (2025) 113599. https://doi.org/10.1016/j.solener.2025.113599.
- ↑ Z. Song, L. Huang, Q. Dong, G. Zhang, M.Y.L. Chew, S. Setunge, L. Shi, Impacts of shadow conditions on solar PV array performance: A full-scale experimental and empirical study, Energy 320 (2025) 135219. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.135219.
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- ↑ A. Guichi, S. Mekhilef, E.M. Berkouk, A. Talha, Optimal control of grid-connected microgrid PV-based source under partially shaded conditions, Energy 230 (2021) 120649. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120649.
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- ↑ 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.
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