태양광발전 시스템을 설계할 때 태양광 모듈의 위치는 상당히 중요하다. 태양광 모듈은 태양에너지를 가장 잘 흡수할 수 있는 각도로 설치되어야 가장 높은 출력을 기대 할 수 있다. 이때 또한 고려해야 할 사항이 바로 그림자에 의해 생기는 핫스팟(Hot Spot)이다.
태양광 모듈은 아주 적은 일부가 그림자로 인해 가려지더라도 모듈 전체의 출력이 크게 저하된다. 모듈은 각각의 태양전지를 직렬로 연결한 구성이기 때문에 그림자로 인해 가려져 출력이 없는 태양전지에 전류가 통과하면서 출력저하를 야기하기 때문이다. 예를 들어 54개 태양전지로 구성된 모듈에서 단 한 개의 셀이 나뭇잎 등에 의해 완전히 가려졌다면 출력 값은 거의 제로에 가깝게 떨어질 수 있다. 만일 한 개의 셀이 50% 이상 가려졌다면 출력 역시 현저히 떨어질 수 있다.
이와 같은 그림자에 의한 손실을 예방하기 위해 일반적으로 바이패스다이오드가 내장된 정션박스가 모듈에 부착된다. 바이패스다이오드는 그림자로 인해 출력이 저하된 셀 또는 셀그룹을 우회해 전류가 흐르도록 하고, 이를 통한 출력감소는 오직 그림자에 의해 가려진 셀 또는 셀그룹에 해당되는 부분으로 제한해 출력을 유지할 수 있다.
최근 태양광 모듈의 효율과 용량경쟁이 심화되면서 바이패스다이오드의 역방향전압(Reverse Voltage)과 순방향전압손실(Forward Voltage Drop)의 사양이 중요하게 부각되고 있다.
태양광 모듈의 전기적 특성
태양전지는 빛에 의한 광기전력 현상을 이용해 전기에너지를 발생시키는 반도체이다. 그러므로 반도체가 가지는 기본적인 성질 즉, 온도변화와 빛(광속)에 의해서 전기적인 성질이 변하게 된다. 태양광 모듈은 일반적으로 5인치 또는 6인치 셀이 직렬연결로 구성되어 있다. 일반적으로 mono-Si의 경우 한 개의 셀에서 나오는 전압은 0.6V이며, 6×9=54개의 셀로 이루어져 있는 200W 모듈 경우 54×0.6=32.4V의 전압을, 8×12=96개의 셀로 이루어져 있는 400W 모듈 경우 96×0.6=57.6V의 전압을 추정할 수 있다.
이러한 태양광 모듈에는 출력되는 전압과 전류의 연결 고리를 만들어 주는 역할을 하는 정션박스(Jun ction-Box)가 모듈 후면에 부착돼있다. 그리고 정션박스 내부에는 리본을 연결시켜주는 클립과 태양의 일사량에 따라 에너지를 전달하는 바이패스다이오드가 있다. .
태양광 모듈의 전압과 전류 값은 셀의 온도변화에 따라 조금씩 변하는 특성이 있다. 그림 1은 태양광 모듈의 온도에 따른 출력 전압과 전류 값의 그래프이다. 일사량은 STC(Standard Test Condition) 1,000W/㎡, 온도 25℃를 기준으로 측정했다. 전압이 높은 빨간색 선은 온도가 -10℃ 일 때 전압과 전류 값이며, 회색으로 표시한 선은 온도가 85℃ 일 때 전압과 전류 값을 나타냈다. 아래 온도변화에 따른 특성을 자세히 산출했다.
그림 2는 온도 25℃를 기준으로 태양광 모듈의 일사량에 따른 출력 전압과 전류 값을 나타냈다. 그래프를 통해 일사량에 따라 전류 값이 현저히 변화하는 것을 알 수 있다. 전류 값이 8.3A의 오렌지색은 1,000W/㎡이며, 전류 값이 2A의 연두색은 200W/㎡이다. 그러므로 동일한 일사량 조건에서 태양전지 온도의 변화는 전압과 전류의 변화를 가져온다는 것을 알 수 있다.
온도변화에 따른 전압 변화에 대해 알아보자. 온도 변화는 계절적 요인을 고려한 태양광 모듈의 동작 상태를 통해 알 수 있다. 태양광 모듈의 STC 1000W/㎡, 온도 25℃를 기준으로 했을 때 태양광 모듈의 사양에는 Temperature Coefficient of the Circuit Voltage Voc(Open Circuit Voltage) 값이 주어진다. 이때 이 값이 만약 -0.35%/K라면, 온도 1℃당 -0.35%의 전압이 변한다는 뜻이다.
만약 Voc 값이 32.4V라면 온도가 1℃ 변화함에 따라 전압은 32.4×-0.35%/K=-0.113V/K씩 변한다.
전압값은 온도가 낮은 동지일 때와 온도가 높은 하지일 때 가장 변화가 심하다. 전압값을 V=Voc-[{(at25℃)-온도 설정값}×온도계수]의 수식으로 계산할 경우, 동지일 때 태양광 모듈의 온도가 -15℃로 떨어지면 이 때의 전압값은 V=32.4-(25-(-15)×-0.113) =36.92V가 된다. 즉 동지일 때 -15℃가 되면 태양광 모듈의 Voc 값이 36.92V까지 올라갈 수 있다는 것이다. 하지일 경우 태양광 모듈의 온도가 70℃로 올라가면 이때 동작 온도는 Vmp-[{25-(70)×-0.113}]=Vmp-5.085V만큼 전압이 떨어지게 된다. 이처럼 태양광 모듈의 전압을 받는 인버터의 입력 전압 범위에 따라 태양광 모듈의 어레이가 결정된다.
그러므로 태양광 모듈의 직렬 설계 시, 하지일 때는 태양광 모듈의 전압이 내려가서 인버터의 동작전압 범위에 준한지 확인하고, 동지일 때는 태양광 모듈의 전압이 올라가 있기 때문에 인버터의 Voc 값 이하로 고려해 설계해야만 이상 없이 최대 효율로 동작하게 된다. 또한 태양광 모듈은 온도와 외부 환경 요인에 따라 출력 효율이 달라진다. 모듈에 핫스팟이 생길 경우, 즉 그림자에 의해 부분음영이 생길 경우에는 효율이 떨어진다. 그런데 태양광 모듈의 부분음영이 생길 경우 정션박스 내부의 다이오드로 효율을 개선할 수 있다.
바이패스다이오드의 동작특성
바이패스다이오드는 그림 4와 같이 태양광 모듈에서 2×10 셀과 병렬로 연결되어 있다. 정상적일 때 다이오드는 회로적으로 오픈(동작 없음)된 상태라고 볼 수 있다. 그러나 셀이 잘못 배열되거나, 낙엽이나 구름, 황사먼지 등으로 으로 일부분이 그림자가 질 경우에는 그 부분의 전류용량이 떨어지고, 이 영향으로 전체효율이 감소하게 된다. 또한 하나의 셀이 완전히 가려지거나, 이상이 발생할 경우 회로적으로 전력의 경로가 뒤바뀌는 성향을 띄게 된다. 그래서 셀의 에너지의 우회 이동 경로를 만들어주는 역할을 바이패스다이오드가 하게 된다.
다이오드를 통해 에너지를 전달하게 되면 이때 다이오드 내부에 전력 손실이 발생하고, 이 손실량을 PLoss=VF×I로 계산할 수 있다. 이때 VF(Forward Voltage)는 다이오드 특성에 제공하는 특성그래프로 판단할 수 있고, 출력되는 전류의 양은 셀의 사양에서 알 수 있다. PLoss는 열로 방출되며, 발열에 따라 주위 부품에 영향을 줄 수 있다. 이에 따라 모듈의 효율과 수명이 달라 질 수 있다.
그림 3은 바이패스다이오드가 있는 경우와 없는 경우를 실험한 측정값이다. 시험 조건은 태양전지 24장을 6×4 직렬로 바이패스다이오드를 3개 연결한 것과, 다이오드가 없는 것으로 2장 제작했다. 동일 조건에서 그림자 비율을 5%씩 증가시켜 Pmax 값을 측정했다. 이 때 바이패스다이오드가 있는 경우와 없는 경우를 보면 그림자 비율이 5~60%까지는 전력변화가 비슷하며, 60% 이상 그림자가 지면 바이패스다이오드가 동작하는 것을 확인할 수 있다. 또한 바이패스다이오드가 없는 모듈은 출력 Pmax 값이 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 그림 4의 자료에서 바이패스다이오드의 역할과 중요성을 확인할 수 있다.
그림 5는 빨간색 안에 섹션을 나누었다. 그림자가 발생할 경우 출력 효율을 나타낸 것이다. 하나의 섹션 안에 어느 곳에서나 그림자가 발생 경우 모듈의 출력을 표현한 것이다. 예를 들어 그림 4의 태양광 모듈에서 섹션 안에 1개의 셀에 그림자가 100% 생기고, 2, 3 섹션은 그림자가 없을 경우의 출력은 66.66%(그림 5-(가)), 1, 2 섹션에 각각 그림자가 100% 생기고 3라인은 그림자가 없을 경우 출력은 33.33%(그림 5-(나)), 1, 2, 3섹션에 그림자가 모두 100% 경우는 출력이 0%(그림 5-(다))라고 할 수가 있다.
참고로 정션박스에서 바이패스다이오드의 블로킹(Blocking) 역할을 빼놓을 수 없다. 태양광 모듈은 셀이 6×10 직렬로 연결되어 있다면 한 개의 셀에서는 0.6V의 에너지가 발생되고, 한 개의 직렬(10개의 셀)에서 발생되는 전압은 6V이다. 정상적일 때 셀과 셀에서 순방향으로 전압이 계속해서 증가하고 일정한 전류가 흐르게 된다. 이때 한 개의 셀이 낙엽으로 가려지면 아주 작은 전류가 흐르거나 동작하지 않게 된다. 그럴 경우 다음단계의 셀에서는 전압과 전류가 발생하는데, 이 전압과 전류가 역으로 유입되는 현상을 막아주는 역할(Blocking Diode : 역 전압, 역 전류)을 다이오드가 하게 된다.
SBD(Schottky Barrier Diode)는 배리어메탈(Barrier Metal)과 반도체간 다수전자의 이동현상을 이용한 것으로 배리어메탈에 산화물을 증착하는 기술이 가장 중요하다. 배리어메탈은 GaAs 주로 많이 사용한다. Si과 메탈간의 서로 다른 에너지 값을 에너지 준위라고 하며, 절대온도에서 이 값을 페르미준위(Fermi Level)라고 한다. 서로 다른 페르미 준위에 에너지를 가하면 전자가 이동하는데, 높은 페르미 준위의 전자는 낮은 페르미 준위로 이동하고, 낮은 페르미 준위는 전자가 채워지면서 페르미 준위가 올라간다. 이때 전자 이동으로 열이 발생하는데, 이때 구조적으로 열을 잘 발산시키는 것과, 배리어메탈의 증착기술과 리드와 메탈간에 본딩 기술이 다이오드의 신뢰성을 좌우한다.
SBD는 일반적인 PN 정션 다이오드와 다른 제조과정이다. 그리고 SBD는 Fast Recovery Time의 특성으로 고속 스위칭용도에 고주파용(수백KHz)으로 사용하고 있다. 또한 Vf 값이 낮아 전력손실과 열 발생을 줄일 수 있다. Vrrm이 100V 이상의 값을 갖는 SBD는 연구 중에 있다.
일반적인 SBD의 Vrrm이 60V의 경우 Vf 값은 0.55~0.7정도, 동작온도 -55~150℃까지 설계되어 있다. 표 1에서 LST1560 다이오드의 Vf 값은 0.5 이하이며, 동작온도가 -50~ 220℃에 이른다. Vf 값이 낮기 때문에 상대적으로 흐르는 전류 값에 대한 내부 발열온도가 낮다. 발열온도가 낮다는 것은 열로 인해 발생하는 손실을 줄인다는 것을 의미하다. 발열온도를 그래프와 계산식에서 비교해 보자.
먼저 LST1560 다이오드의 그림 7에서 15A일 때 Vf 값은 0.475 정도이고, 이때 손실량은 PLoss=15×0.48=7.2W이다. 최대 IF(Forward Current) 값이 15A로 설계된 LST1560에서 위의 손실량 7.2 값을 기준으로 내부 발열온도를 계산할 수 있다. 만약 8A의 전류가 흐른다면 내부 발열 온도는 8A×7.2=57.6℃이며, 주위온도를 80℃로 가정하면 80℃+57.6℃=137.6℃정도의 온도 발생을 예측할 수 있다. 이때 실제 전력손실을 보면 그림 7에서 알 수 있듯 0.44정도이고, 전류 8A일 때 손실량은 0.44V×8A=3.52W임을 알 수 있다.
실제로 그림 8에서 그 값을 확인할 수 있다. 전류가 11A 일 때 온도를 계산해 보면 11A×7.2=79.2℃ 발열하고, 내부 주위온도가 80℃라면 79.2℃+80℃=159.2℃로 계산 할 수 있다. 실제 표 2의 실험 자료에서도 온도를 확인해 보면 11A일 때 Lead temp. Tlead값이 159.7℃로 거의 비슷한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다.
여기서 다이오드 Tj(Junction Temperature) 값을 산출해 보자. 이 값은 Tj=TLead+Vf×I×Rth 공식에 따른다. 공식에 대입해 보면 다이오드 Tj 값은 Tj=159.7℃+(0.299V×11A×3.2℃/W)=159.7℃+10.52℃=170.22℃임을 알 수가 있다. 표 2에서의 온도 시험을 살펴보면 11A일 때 온도결과 값이 최대 185.2℃라는 것을 확인할 수 있다. 그리고 표 1에서 동작온도인 Tj-최대 값이 220℃까지 사용할 수 있음을 알 수 있고, 그림 8을 통해 주위온도가 80℃일 때 13.8A까지 사용 가능함을 알 수 있다. 이때 와트의 손실을 계산식과 그래프를 비교해 보면 계산식 PLoss=11A×0.48=5.28W이고, 이는 표 8의 출력 값 5.08W와 조금은 차이가 있지만 근사값임을 확인할 수 있다. 또한 그림 7에서 온도가 올라갈수록 Vf 값이 점점 낮아짐을 알 수가 있다.