태양광모듈의에너지수율측정 : 기존접근방법과모범사례 Photovoltaic Module Energy Yield Measurements: Existing Approaches and Best Practice Report IEA-PVPS T13-11:2018 3

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1 태양광모듈의에너지수율측정 : 기존접근방법과모범사례 Photovoltaic Module Energy Yield Measurements: Existing Approaches and Best Practice Report IEA-PVPS T13-11:2018 3

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3 INTERNATIONAL ENERGY AGENCY PHOTOVOLTAIC POWER SYSTEMS PROGRAMME Photovoltaic Module Energy Yield Measurements: Existing Approaches and Best Practice ( 태양광모듈에너지수율측정 : 기존접근방법과모범사례 ) IEA PVPS Task 13, Subtask 3 Report IEA-PVPS T13-11:2018 May 2018 ISBN Primary authors: Gabi Friesen University of Applied Sciences and Arts of Southern Switzerland (SUPSI), PVLab, Canobbio-Lugano, Switzerland Werner Hermann TÜV Rheinland Energy GmbH, Köln, Germany Giorgio Belluardo European Academy (EURAC), Bolzano, Italy Bert Herteleer Ekistica, Alice Springs, Australia, formerly at KU Leuven, Gent, Belgium 5

4 Contributing authors: Jürgen Sutterlütti Gantner Instruments GmbH, Schruns, Austria Anton Driesse PV Performance Labs, Freiburg, Germany Keith Emery National Renewable Energy Laboratory (NREL), Colorado, USA Markus Schweiger TÜV Rheinland Energy GmbH, Köln, Germany Korean translation June 2021, Yoon, Kyung-Hoon 한글옮김윤경훈 Korea Institute of Energy Research ( 한국에너지기술연구원 ) 6

5 목차 머리말 감사말씀 약어 요약 서론 배경정보 시험의범위 에너지수율대에너지등급 측정관행에대한국제간조사 시험환경과하드웨어요건 설치구조와환경 설치랙의배치 태양광모듈설치 태양광모듈음영 알베도 센서위치지정 전류와전압측정 하드웨어해결책 하드웨어특성과배치 권장사항 환경파라미터의측정 면내조사강도 모듈온도 기상데이터 분광조사강도 데이터품질제어와유지관리관행

6 5.1 품질마커 유지관리 시험모듈의특성분석 모듈선정 / 샘플링 사전시험과제어측정 데이터분석과리포트 모듈에너지수율벤치마킹 에너지수율평가 STC 출력의영향 온도, 조사강도, 입사각그리고스펙트럼의영향 경감인자의계산 기후별모듈데이터의비교 모듈성능손실율 방법론 성능지표 필터링과보정기법 통계적기법 측정불확도분석 서론 불확도분석방법론 단일불확도기여요소들 STC 출력 U Pstc 에서의불확도 조사강도 U G 와조사량 U H 에서의불확도 측정된최대출력 U Pmax 에서의불확도 핵심성능지수 U E, U Ya 및 U MPR 에서의불확도 상대불확도 요약과결론 부록 1: 설문지

7 부록 2: 시험시설시트 부록 3: 영어 한글용어비교

8 머리말 1974년 11월에설립된국제에너지기구 (IEA) 는경제협력개발기구 (OECD) 의틀내에서회원국들간의포괄적인에너지협력프로그램을수행하는자치기구이다. 유럽연합도여기에참여한다. 새로운기술의연구, 개발과실증에서의협력은프로그램의중요한부분이되어왔다. IEA PVPS( 태양광발전시스템프로그램 ) 는 IEA 내에서수립된공동 R&D 협약중하나인데, 1993년부터 IEA PVPS 참가자들은태양에너지를전기로변환하는태양광발전응용분야에서다양한공동프로젝트를수행해왔다. IEA PVPS 프로그램의임무는지속가능한에너지시스템으로전환하는데태양광에너지가핵심적인역할을하도록국제협력을강화하는것이다. 기본전제는점점더많은국가의그리드연결시장에서배전망과중앙송전망모두태양광시스템의진출이빠르게확장되고있다는것이다. 이런추세의확장을위해서는태양광시스템의성능과지속가능성, 기술과설계지침, 계획방법, 자금조달등에대한신뢰할수있는정보를다양한주체와공유할수있어야한다. 특히메인그리드내에서의태양광보급률이높기때문에새로운그리드와태양광인버터관리전략을개발하고태양광예측과저장에더중점을두어야하며전체에너지시스템에대한경제적, 기술적영향을조사해야한다. 태양광발전의탈집중분산화특성으로인해에너지생산에대한책임이개인소유주, 지자체, 도시와지역의손으로더욱이동함에따라새로운태양광비즈니스모델을개발해야한다. IEA PVPS Task 13의전반적인목표는기술성능과불량에대한정보의수집, 분석을통해태양광시스템과서브시스템의신뢰성을향상시키는것인데, 이렇게함으로써태양광시스템의평가기준을제공하고, 시스템의전기적및경제적산출량을개선시킬수있는실제적인권장사항도개발하게된다. IEA PVPS Task 13의현재회원국은다음과같다 : 호주, 오스트리아, 벨기에, 중국, EPIA, 프랑스, 독일, 이스라엘, 이탈리아, 일본, 말레이시아, 네덜란드, 노르웨이, 스페인, 스웨덴, 스위스, 터키, 미국. 이보고서는에너지수율혹은성능평가를목적으로설치현장에서의모듈측정에초점을두고있다. 이보고서는개별적으로태양광모듈의에너지수율측정을시작하려는어떤사람들도스스로의시험설비를구축하거나혹은제 3 자에의해측정된결과를해석하는데필요한기술적인이해를높일수있도록하고자한다. 이보고서의편집자들은 Gabi Friesen 와 Ulrike Jahn 이다. 이보고서는해당주제에대한 Task 13 전문가들간에국제적합의를본의견을최대한반영한다. 작업의활동과결과에대한추가정보는 에서찾을수있다. 10

9 감사말씀 This paper received valuable contributions from several IEA-PVPS Task 13 members and other international experts. For its support in reviewing the document and/or participation in the survey, many thanks go to (in alphabetic order): Andreas Livera, University of Cyprus, PV Technology Laboratory, Cyprus. Arjen de Waal, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands. Atse Louwen, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands. Bill Sekulic, National Renewable Energy Laboratory (NREL), Colorado, USA. Brian Dougherty, National Institute of Standards and Technology (NIST), Gaithersburg, USA. Carolin Ulbrich, Helmholtz Zentrum Berlin, Berlin, Germany. Christopher Fell, CSIRO Energy Centre, Newcastle, Australia. Christian Reise, ISE Fraunhofer, Freiburg, Germany. David Moser, European Academy (EURAC), Bolzano, Italy. Dean Levi, National Renewable Energy Laboratory (NREL), Colorado, USA. Erdmut Schnabel, ISE Fraunhofer, Freiburg, Germany. George Makrides, University of Cyprus, PV Technology Laboratory, Cyprus. Guillaume Razongles, Institut National de l'energie Solaire (INES), Cadarache, France. Haitao Liu, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, China. Hélène Grandjean, Engie Laborelec, Linkebeek, Belgium. Joshua S. Stein, SANDIA National Laboratory, Albuquerque, USA. Karl Berger, Austrian Institute of Technology GmbH (AIT), Wien, Austria. Marcus Rennhofer, Austrian Institute of Technology GmbH (AIT), Wien, Austria. Matthew Boyd, National Institute of Standards and Technology (NIST), Gaithersburg, USA. Philip Ingenhoven, European Academy (EURAC), Bolzano, Italy. Wilfried van Sark, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands. This report is supported by: Swiss Federal Office of Energy (SFOE) under contract no.: SI/ German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) under contract no. FKZ A_B. U.S. Department of Energy under Contract No. DE-AC36-08GO28308 with Alliance for Sustainable Energy, LLC, the Manager and Operator of the National Renewable Energy Laboratory. Funding provided U.S. Department of Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Solar Energy Technologies Office. 본보고서한글번역에도움을주신 IEA-PVPS 집행부와 Task 13 OA, 보고서의저자들, 그리고 한국에너지기술연구원태양광연구단멤버들에게감사인사를전합니다 년 6 월윤경훈 Yoon, Kyung-Hoon 11

10 약어 AM AoI APE DHI DNI E ECT ER FF G G i G i,d G i,b G eff G stc GHI GNI H IAM I mp I sc IR KPI LID MM MPP MPPT MPR P nom P max Air mass Angle of incidence Average photon energy Diffuse horizontal irradiance Direct normal irradiance Energy output Equivalent cell temperature Energy rating Fill factor Irradiance In-plane (plane of array) irradiance In-plane diffuse irradiance In-plane direct beam irradiance Effective irradiance or spectrally sensitive irradiance Reference irradiance at standard test conditions Global horizontal irradiance Global normal irradiance Irradiation Incident angle modifier Current at maximum power point Short circuit current Infrared Key performance indicator Light induced degradation Spectral mismatch factor Maximum power point Maximum power point tracker Module performance ratio Nominal power Power at maximum power point 12

11 P stc P stc,stab PID PLR POA PR R s R sc R oc SIF T stc T c T amb T mod T BS ΔT CBS u UV V mp V oc w Y a Y f Y r ϴ τ γ Power at standard test conditions Stabilized power at standard test conditions Potential induced degradation Performance loss rate Plane of array Performance ratio Series resistance Resistance at short circuit current Resistance at open circuit voltage Spectral influence factor Reference temperature at standard test conditions Cell temperature Ambient temperature Module temperature Back sheet temperature Difference between cell and back sheet temperature Uncertainty Ultraviolet Voltage at maximum power point Open circuit voltage Wind speed PV module (array) energy yield Final yield Reference yield Tilt angle Recording interval P max temperature coefficient 13

12 요약 단일태양광모듈의모니터링은태양광모듈의성능, 수명그리고불량메커니즘의기술적차이를설명하고이해를높이는데중요한역할을한다. 시장에서태양광의성장이지속되면서점유율이커지고그리고기술의적절성에힘입어모듈수준에서옥외측정을이행하는이해당사자들이지속적으로증가하고있는데, 주요주체는시험기관, 교정시험소, 태양광모듈제조업체또한현장에서의비전문가들인판매업자, 투자자혹은보험회사들이과학저널부터기술저널까지의다양한매체를통해위험도평가보고서에서순수상업용출판에이르기까지그결과를공개하고있다. 그러나시험방법이서로다르고측정불확도에대한신고서가없어이들측정의비교는어렵게된다. 이는주로, 태양광모듈의에너지수율측정용의규격화된혹은공인된가이드라인이없기때문이다. 현재가용한 2 개의주요기준문서는 2012 년소개된 DERLAB (European Distributed Energy Resources Laboratories)[1] 과 2017 년발간된 IEC 태양광시스템모니터링용기술규격 (Technical Standard for the monitoring of PV systems)[2] 인데, 이는단일모듈시험용의모범사례가이드라인이다. 첫번째는시험목적이서로다른것에대한구별없이일부시험요건의정의에한정되어있다. 여기에서는단일측정수준에서의불확도기여가고려되어있지않고불확도를줄이는방법에대한권고사항도제공되어있지않다. 두번째는센서, 장비정확도, 품질확인과성능분석에대한상세등많은누락된측면을언급하고있지만, 단일모듈모니터링과벤치마킹조사에대한특별한요건을고려하고있지않다. 모듈혹은시스템수준에서의모니터링간의주요차이는, 그범위가다른것외에도, 시스템모니터링은일반적으로모듈수준에서도달가능한정확도를확보하지못한다는것이다. 시스템배치 ( 예 : 인버터성능, 모듈샘플링, 모듈선정, 불일치손실등 ) 와시스템전체의공간상의변화 ( 예 : 환기통풍, 오염, 음영등 ) 와관련되는이차영향은핵심이되는기술적차이와모듈수준에서의모니터링이유를감추게된다. 그리고시스템모니터링규격은성능, 수명및모듈수준에서이행된불량조사의기본이되는 IV-곡선측정을포함하지않고있다. 다른한편으로, 시스템모니터링은 AC 전류와전압혹은여타시스템관련전기적파라미터같이모듈모니터링에는적합하지않는일부측정을포함하고있다. 성능혹은신뢰성조사목적으로특별히설계된소형시스템은, 만약모든이차불확도를최소값으로줄일수있고그리고 DC 측과기상파라미터의측정이상호비교와상세분석이가능할만큼충분하다면, 훌륭한대안이될수있다. 시스템전체시험의단점은더많은공간이필요한점과특성을분석하고조사해야할모듈의수가더많아지는것이지만, 다른한편으로실제시스템스트레스조건의시뮬레이션이더잘될수있고통계적으로더적절한수의모듈이측정될수있다. 스트링내에서단일태양광모듈의 IV-곡선을측정할수있는새로운하드웨어솔루션은이접근방법을더매력적으로만들수있어가까운미래에확보가능할것이다. 이보고서의목표는일부규정의빈틈을채우고그리고개별태양광모듈의에너지수율측정을시작하고자하는모든사람에게도움을주고자하는것으로, 구체적으로는기술적이해를높이고, 자체의시험시설을구축하는방법제공, 제 3 자에의해측정된결과를보다잘해석할수있도록하는것이다. 14

13 국제적인주요연구소와시험기관들이적용하는개별태양광모듈의에너지수율측정에대한현재의관행들이보고서에소개되어있다. 모범사례권장과에너지수율측정을개선하기위한방안들이제시되어있다. IEA PVPS Task13 컨소시엄내에서, 모듈의에너지수율측정을평가하고어떻게불확도를계산하고최종사용자에게보고하는지에대한설문조사를이행하였다. 전세계에설치된 30 개이상의시험시설에서태양광모듈모니터링경험을가진 15 기관이인터뷰에응하였다. 연구개발기관뿐아니라 ISO 인정시험기관들이포함되었다. 설문지는시험범위에대한일반적인질문부터시험장비, 절차, 유지관리관행, 데이터분석과보고서작성에이르는모든면을커버한다. 태양광모듈수준에서모니터링을하는목적은다음과같이다양하다. 특정한환경조건과스트레스인자 ( 열화연구 ) 하에서셀기술의안정성을평가하기위해, 단일환경손실인자 ( 온도, 스펙트럼, 조사강도, 바람, 음영, 오염등 ) 를이해하면서기준기술 ( 벤치마킹연구 ) 대비과다- 혹은과소-성능을측정하기위해, 그리고에너지추정모델의검증용혹은특정모델용태양광모듈파라미터의교정용데이터의수집을위해. 모듈의에너지수율측정은에너지등급에관한 IEC 규격의검증용으로도필요하다는것을언급할필요가있는데, 이규격은현재작업중에있고모듈의표준시험조건에따르는현재의출력등급을대체하려는것이다 [3,4,5,6]. 정확하게결정된불확도를가진고정밀측정은향후에너지등급도입을앞당길수있는열쇠이다. 그리고보고서 IEA-PVPS T13-12:2018 태양광시스템수율예측과평가에서의불확도 (Uncertainties in PV System Yield Predictions and Assessments) 에기술된것과같은에너지수율추정이이로부터도움을받을수있을것이다. 빈번하지는않지만옥외측정을모듈특성분석목적으로실시하는데, 이는대부분옥내에서솔라시뮬레이터로하는것으로그측정불확도가잘정의되어있고알려져있다. 만약특성분석이옥외조건에서이행된다면, 일반적으로이는솔라트랙커와조사강도및온도수준을제어할수있는다른방법을사용한다. 이경우, 적분한에너지수율은관련이없고따라서전기적특성분석은이보고서의범주에있지않다. 범주가달라지면시험장비와데이터분석도달라지게된다. 가장적절하게측정된혹은계산된핵심성능지표 (KPI) 는순간적출력 (instantaneous power: P), 에너지산출량 (energy output: E), 에너지수율 (energy yield: Y a ), 모듈성능비 (module performance ratio: MPR) 그리고성능손실율 (performance loss rate: PLR) 이다. 출력데이터의측정불확도는측정시스템을구성하는각단일요소의측정불확도만큼측정시스템과그배치조건에의해달라진다. 이보고서는시험시설을구축하는데고려되어야할가장중요한요건, 예를들어시험랙의배치와모듈및센서의설치장착지침에대한개요를제공한다. 그리고어떤측정아티팩트 ( 예 : 과도상태혹은용량성영향, MPP 트랙킹오류, 부하설정의오류, 케이블손실등 ) 와부적절한데이터기록 ( 예 : 낮은샘플링속도, 동기화오차등 ) 으로인해발생할수있는최종 KPI 결정에서의오차를줄이기위해 IV-곡선트레이서그리고 / 혹은최대출력점트랙커같은전류 / 전압측정시스템을어떻게조합하고배치하는지에대한개요도제공한다. 교정필요성, 오류성데이터 ( 예 : 온도센서탈착, 센서오염, 데이터습득오차등 ) 그리고유지관리관행 ( 육안검사, 청소간격, 이메일경보등 ) 같은가용한품질관리측정도소개하고있는데, 이는 15

14 측정불확도를증가시키는드리프트, 불량혹은고장같은문제의조기탐지가능성을높여줄수있다. 최종목표는, 장기간에걸친정확하고신뢰할만한데이터와동일한가이드라인에따르는다른시험시설에서확보된데이터와도비교가능한데이터를확보하는것이다. 그러므로이들데이터의정량화와문서화를통해어떻게단일측정불확도를줄일수있을지에대한이해를높이는것이매우중요하다. 그러나비록모든측정불확도를줄이더라도서로다른태양광기술사이의적절한상호비교는, 태양광모듈이잘정의된샘플링절차에따라선정되고그리고 STC 출력과그불확도가알려져있을때만가능하다. STC 출력은실제로파라미터 Y a 와 MPR 계산의불확도에기여하는주요요소중의하나이다. 제조업체가신고한공칭출력 P nom 은태양광모듈의실제출력과는상당히다를수있고, 그측정불확도는문서화되는일이드물며상업용마케팅전략의대상이되기때문에일반적으로상호비교목적으로는적절성이떨어지는것으로간주된다. 제품의벤치마킹용으로가장적합한값은불확도를이미알고있고설치후변화가없는실제 STC 출력이다. 마지막측면은, 모듈이 STC 출력측정전에안정화되어있지않으면결과가오도될수있기때문에중요하다. 일반적으로측정불확도가더낮을수록그리고현장에서의안정성이높을수록순위매김의정확도는더높아진다. 인정시험기관에의해이행된고정밀측정과검증된안정화절차는정확도를최고에이르게한다. 일반적으로태양광모듈의설치전에전기적특성분석과광학적검사를이행하면낮은품질, 결함이있는혹은손상된모듈이선택될가능성이전혀없다. 특정기후조건에서태양광기술의차이를이해하고하나의태양광기술이다른것에비해과대- 혹은과소-평가성능인지를판단하기위해서는표준시험조건하에서의출력과대비한개별적인손실요인이정량화되어야한다. 특정조건 ( 예 : 확산빛의비율이높고, 고온, 입사각이높은경우등 ) 에서손실을최소화시킬수있는기술선정을가능하게해주는단일경감인자를계산하기위한여러접근방법이존재한다. 손실을계산하기위해서는제어된실험실조건에서모듈의완전한전기적특성분석혹은 IV-곡선의모니터링이필요하다. 모듈의은행성 (bankability) 측면에서, 열화율은모듈의전기적파라미터에의해주어지는즉각적인성능에대한자세한지식보다더중요하다. 장기적으로, 연간성능손실은전기적파라미터보다수명기간의생산성에더큰영향을미친다. 환경이노화프로세스에미치는영향에대해서는알려진것이훨씬더적다. 이런이유로많은시험기관이장기측정캠페인과 PLR 의계산에초점을두고있다. 결정된 KPI 과는무관하게편차는그값이측정불확도보다더높을때만의미를가진다. 측정불확도의크기가조사된환경영향보다더커서이를고려하지않고는벤치마킹혹은열화연구목적으로결과를사용할수없게되는상황들이있을수있다. 불확도에대한지식과불확도축소는이런측정을이행하는모두에게의무사항이어야한다. 때때로절대측정과상대측정사이에는구분이있어야한다. 일반적으로 PVPS Task 13 전문가그룹내에서수행된설문조사결과는대부분의기관내의측정불확도와과학적인상세설명의수준이매우높다는것을보여주고있다. 이는고정밀장비의반복적사용, 양호한측정관행및양호한품질관리와유지관리관행에의해입증되고있다. 그럼에도불구하고설문조사는서로다른옥외데이터의비교가능성및이데이터를모델검증용으로사용하는측면에서일부한계도드러내보였는데, 이는주요핵심성능지표 (KPI) 에대한통일된합의와측정불확도가용성의한계때문이다. 이에대한주요이유는, 측정불확도가지난 16

15 수년동안집중적으로조사되고검증된솔라시뮬레이터를사용하는 STC 성능의측정에비해에너지수율측정에서는시험조건의재현성이가능하지않으며측정불확도의결정은훨씬더복잡하기때문이다. 불확도는실제사이트와시간의존적이며추정하기어렵고문헌에잘기술되지않은많은인자들에의해영향을받는다. 에너지수율측정의비교가능성을향상시키기위한첫번째스텝은주요불확도기여요인에대해동의하고측정불확도보고에서공동의접근방법을제안하는것이다. 이보고서는미래프로젝트에서주요불확도기여요소들을어떻게줄이고어떻게계산하는지에대한권장사항을제공한다. 국제간의라운드로빈을통해모범사례접근방법을이행하고검증하는데많은노력을기울여야한다. 17

16 1 서론 태양광시장은고속성장중으로, SolarPower Europe에따르면 2017년전세계설치량이약 80 GW에달할것으로예상하고있고 [7], 유럽의경우에는, 2020년까지전기수요의 12 % 를달성할것으로추정하고있다. 기술의활용을더확대시킬수있는핵심인자는 Solar Europe Industry Initiative (SEII) 에의해강조된바와같이수명기간의에너지산출량을증가시켜태양광발전단가를낮추는것이다. 이는시스템의지속적이며믿을수있고원인추적이가능한모니터링을통해신뢰성과사용기간동안의성능향상으로달성할수있다. 또한, 보다정확하고규격화된성능, 에너지수율및수명시험이가능한기술개발이이루어져야한다. 이는투자자와소유주들에게는투자위험도를낮추어주게될것이고기술제공자에게는보다효율적인연구개발피드백을제공해줄수있을것이다. 시험시스템에서의품질운영을보장하는데있어핵심은신뢰성과양호한성능을확보하는것이다. 한편으로이는견고한성능모니터링을통해설치초기단계에서혹은발생전에가능한불량들을탐지하고진단하면서다양한성능손실메커니즘의배경이되는인자들을확인하고정확히정량화함으로써가능하다. 이모든것들은시스템과모듈수준에서독립적이고고품질의모니터링및시험개념을필요로한다. 전체적으로설계된하드웨어, 소프트웨어와센서등을구비한연구를통해시험의기반시설혹은위치와는무관하게신속하고반복가능한방식으로손실요인을분리하고그경향들을확인할수있게될것이다. 모듈과시스템수준에서에너지수율측정방법과초기결함탐지방법의개발을통해예방차원의유지관리전략과보다신뢰성있는실시간예측이개선됨으로써정확한에너지수율과수명예측이가능하게될것이다. 그결과로발전소는더오랜기간양호한상태에서작동하고수익의손실도최소화되므로균등화발전단가 (LCoE) 와투자비용에직접적으로영향을미치는시스템성능목표와의간격이줄어들게될것이다. 예를들어, 에너지수율측정의불확도가연간 1 % 까지감소하면, 연간수익은약 500 백만 Euro 증가하게된다. 이렇게하여견고하고추적가능한연구개발과산업용모니터링솔루션노력은보상받게된다. 18

17 2 배경정보 이번장에서는통상적으로태양광모듈의옥외측정이이루어지는범위를요약하고에너지수율과 에너지등급측정사이의차이를설명하고자한다. 2.1 시험의범위 현장에서단일모듈을시험하는이유는여러가지복합적으로단일범주에제한되어있지않다. 가장흔한이유들은다음과같다. 1. 모듈벤치마킹목적의에너지수율측정 [8,9,10]. 어떤태양광기술이다른기술에비해성능이더좋은지그리고어떤환경조건하에서좋은지하는질문이제기된다. 태양광모듈의에너지수율 (Y a ) 혹은모듈성능비 (MPR) 는가장널리사용되는 2 가지성능지표이다. 확인된차이의원인을잘이해하기위해완전한 IV 곡선을토대로한과학적인모니터링이추가로필요하다. 이시험의통상적인기간은 1 년으로데이터손실률이낮다는것을전제로한다. 모듈에너지수율측정을 2.2 장에서기술한에너지등급과혼동하여서는안된다. 2. 중 장기열화율및성능손실률 (PLR) 의측정과여러가지환경조건하에서열화메커니즘의조사 [11,12,13,14,15]. 일반적으로이런유형의시험은최소 3 년의장기노출기간과가장적절한환경파라미터의모니터링을필요로한다. 3. 기존혹은새로운에너지예측모델의검증용으로고품질의시계열측정 [16,17]. 여기서의강조점은데이터의정확성과입력되는기상파라미터와의양호한동기성이다. 이런목적으로는일반적으로 1 년의시계열로충분하다. 4. 모듈특성분석의범주측면에서, 다양한시험조건하에서모듈의성능측정. 목표는특정성능모델 ( 예 : LFM [18], SAM [19], PVSYST[20]) 혹은 IEC 규격 part 1 [21] 에따른성능매트릭스에필요한파라미터를모듈에서추출하는것이다. 보다신속하고더정확하다는장점때문에대부분의측정은 2-축트랙커위에서수행하고고정랙에서는하지않는다. 솔라트랙커로는입사각의제어가가능하고조사강도및모듈온도는감쇠필터나혹은개별적인온도장치로제어가가능하다. 5. 에너지수율과프로토타입의내구성시험과최적화 ( 예 : 혁신기술, 새로운소재나혹은모듈구성 ). 핵심은기준모듈과의차이를부각시키고제품개발자에게단시간에결과를제공하는것이다. 6. 음영혹은오염손실 [22], 열적손실 [23,24,25], 혹은퍼텐셜유도열화 (PID) 에의한손실같은특정성능손실의측정과조사. 요구되는시험조건을시뮬레이션하거나혹은추가적인파라미터를모니터링하기위해서는규격화된시험설비와시험절차에서의변화가필요하다. 이런변화는예를들어, 음영변화시나리오나후면절연을바꾼다든지, 외부바이어스전압의인가와열적분포및누설전류의모니터링등으로구성된다. 19

18 2.2 에너지수율대에너지등급 앞에서기술한바와같이, 단일모듈의에너지수율측정을흔히에너지등급측정으로잘못부르는경우가많다. 에너지등급 (Energy Rating: ER) 과 에너지수율 측정사이의혼동을피하기위해아래에서간략하게기술하고자한다. ER 접근방법은 IEC 시리즈규격에기술되어있는데, 이는출력 (watts), 에너지 (watt-hours) 와성능비를바탕으로하여태양광모듈의성능을평가하는데필요한요건을제정하는것을목표로하고있다. Part 1 은조사강도와온도수준을바꾸면서태양광모듈의출력등급측정을다루고, 입사각영향, 분광응답및작동온도결정용인 Part 2 는공개되어있고이미에너지예측에서의불확도를크게줄이는데기여하고있다. 에너지등급계산용의방법론을기술한 Part 3 과다양한기후지역을커버하는표준기상데이터세트를정의한 Part 4 는개발의초기단계에있다. 여러필자들이단일측정의불확도가최종에너지수율계산에어떻게파급되는지를기술한다 [26,27,28]. 에너지수율측정과에너지등급사이의주요차이는, 전자는특정하지않은기간동안실제작동조건과특정기후조건하에서의측정인반면, 후자는규격화된조건하에서순수계산에의한것이다. 에너지수율측정이대표성을갖기위해서는만일년을포함해야하고, 그결과는측정된사이트에한해서만유효하다. ER 의측정은훨씬더짧은기간내에수행할수있고, 위치가달라져도계산이가능하다. IEC 의 Part 1 은모듈의출력등급에관한것으로 3 가지의접근방법 트랙커를사용하여자연태양광에서의절차 (8.3 절 ), 트랙커없이자연태양광에서의절차 (8.4 절 ) 그리고솔라시뮬레이터를사용한절차 (8.5 절 ) - 을기술한다. 솔라시뮬레이터나혹은솔라트랙커를사용하는방식이가장많이사용되고반면에두번째고정랙에서의방식은거의사용되지않는다. 그이유는, 앞의두방법이훨씬잘기술되어있으며검증되었고 [21,29] 그리고고정랙에서수행할때는측정의불확도가더높기때문이다. 여기서강조되어야할점은, 에너지수율측정은모든관련규격에서의 ER 검증에그리고특별히이를신기술에확장시킬때필수적이라는것이다. 그러므로정확하게결정된불확도를가진고정밀의측정은매우중요한것이다. 20

19 3 측정관행에대한국제간조사 측정관행의현황을평가하기위해 PVPS IEA TASK 13 시험소간에국제간조사를시행하였다. 단일모듈에대해옥외측정을수행하는모든회원기관들이참여초대를받았다. 연구는 IEA Task 13 컨소시엄내에확인된 15 멤버에게주어지는설문조사방식으로추진하였다. 설문지는부록 1 에서확인할수있는데, 모든파트너들이응답하고설문을완성하였다. 부록 2 는각참여기관의시험기반시설을소개하는짧은정보를담고있다. 설문지를통해, 모듈의에너지수율측정이전세계적으로어떻게이루어지고불확도는어떻게계산하고그리고최종사용자에게어떻게보고하는지에대한상세한정보를수집하였다. 설문지는시험범위에대한일반적인질문부터시작하여참여기관의경험, 시용된시험장비, 시험절차그리고유지관리및데이터분석방법등모든측면을커버한다. 5 5 new comers 2-4 years experienced 5-10 years none only electrical performance 5 veterans >10 years, >100 module types tested b) 2 + module qualification + energy yield 그림 1: 모듈옥외시험을하는설문참여기관의경험 (a) 과 ISO 인정의유형 (b). 그림 1a 와같이 15 개참여기관의 1/3 은태양광모듈옥외시험과관련한베테랑들이며, 이분야가그들의주요활동분야의하나 ( 현장에서 10 년이상의경험과시험한모듈유형이 100 개이상 ) 이고, 다른 1/3 은옥외시험을수년간수행중에있지만베테랑들에비해서는덜집중적이고 (5~10 년의경험과시험모듈유형의개수가더적음 ) 그리고나머지는신규로진입한 (newcomers) (2~4 년의경험과대부분시험설비들이더적음 ) 기관들이다. 설문이 IEA 컨소시엄에한정되었음에도불구하고, 오늘날모듈의옥외시험관행의상황을잘대변하고있고해당정보는이런유형의시험을하는기관에게기준으로서의역할을할수있을것이다. 시험기관의유형은그림 1b 와같다. 15 개기관중 7 개는 ISO 인정을받은시험기관이다. 2 개기관은한개이상의 IEC 규격 ( 예 : IEC x, IEC x) 에따라태양광모듈의전기적특성분석에서만인정을받았다. 그나머지 4 개기관은 IEC 에따른모듈적격성시험분야에서인정을받았다. 1 개기관만이여기에서언급하고있는단일모듈의에너지수율에대한인정을받았다. 그이유는, 실제옥외조건하에서태양광모듈의에너지수율측정을기술한규격이없기때문이다. 여기서의인정은자체로정의한절차에따라이루어진것이다. 인정을받지않은 8 개기관은대부분대학교, 국가연구소및상업용목적으로측정을수행하는소수의사기업이다. 1 개기관을제외하고, 인정을받지않은시험기관은자체솔라시뮬레이터를갖고있지않다. kwh/wp 단위로에너지수율계산을위해서는제조업체의출력측정 (flasher list values), 다른시험기관이수행한측정혹은옥외데이터로부터외삽한 STC 출력값에의존해야한다. 이점이미치는영향에대해서는 절에서논의할것이다. 21

20 그림 2 는 15 개기간에의해수행된옥외시험범위의빈도수를보여주고있는데, 범위에 대해서는 2.1 장에서기술한바있다. 13 degradation studies 12 benchmarking 11 validation of models 10 prototype testing 5 other 그림 2: 15 개조사참여기관내에서모듈옥외시험의목적에대한조사피드백. 참여기관의상당수는다른기후대에있는옥외시험설비를가동한다. 조사는관련있는모든기후대 따뜻하고온건한, 매우건조, 대륙성, 적도와고산 에위치한 33 개시험설비를포함한다. 결정질실리콘부터박막기술까지모든핵심기술들이시험된다. 그림 3 은시험설비들이전세계에기후대별로분포된것을보여준다. 그림 3: 조사에참여한기관들이운영하는 33 개옥외시험설비의분포를보여주는기후 지도 ( 국기로표시 ). 22

21 4 시험환경과하드웨어요건 여러필자들에의해논의된바와같이 [31,32,33], 중장기옥외측정의불확도와신뢰성은여러파라미터에의해영향을받는다. 측정의정확도는측정시스템자체와함께측정시스템주위의조건에도의존한다. 이번장에서는시험설비의구축에고려해야할가장중요한요소들을소개하고, 개별하드웨어구성부품의영향에대해논의하고자한다. 국제전문가들의설문조사로부터도출된모범사례를그완전한기술적상세와일반적인권장사항과함께소개한다. 4.1 설치구조와환경 정확한에너지수율측정을위해서는전기간에걸쳐최적시험조건이보장되어야한다. 이는어떤데이터건거부되면에너지생산집계에서의불확도를증가시키기때문이다. 이러한고려사항은설치대구조와주위환경에대해특정한요건을필요로하게된다. 설문참여기관들이가장널리사용한설치 (mounting) 배치형대는오픈랙 (open-rack) 방식으로지리적위치에맞게기울기와방향을최적으로유지한다. 예를들어 BIPV 혹은양면형모듈같은특정모듈의시험을위해서는방향과경사도혹은후면절연의유무등다른배치형태가사용된다. 한시험기관은단기측정목적으로 2-축트랙커를사용한다. 오픈랙설치대모듈의요건에대해논의를이어갈것이지만, 이들요건은다른배치형태에도적용된다. 요건으로부터벗어나게될때의영향은모니터링데이터와관련된측정불확도를분석할때평가고려되어야한다. 여기서논의할핵심인자는다음과같다. 설치랙레이아웃 태양광모듈설치 태양광모듈음영 알베도 (albedo) 센서위치지정 설문조사는, 주위환경과모듈설치가시험현장의불균일성에미치는영향에대해서는체계적으로측정된것이거의없다는것을보여주었다. 대부분의경우추정하거나혹은명시되지않는다. 조사강도는흔히무시할정도이거나 1 % 미만으로가정하고, 반면에온도의경우에는 1 C 에서 8 C 까지큰편차가있는것으로신고하였다. 이들값은고려되는조건에의존하는데, 후면환기, 모듈의높이, 모듈사이의거리및모듈의본질적인차이등이다. 신고된모듈정열불량의최대값은 0.5~2 이지만설문참여기관의 1/3 은어떤값도밝히지않았다. 설문은또한지상혹은지붕위모듈의높이에있어서도큰차이를보여주었다. 9 개응답기관중일부는모듈의높이를지면 20~50 cm 위로, 다른경우에는 1~3 미터로보고하였다. 나머지기관들은높이에대해명시하지않았다. 23

22 아래에서는어떻게하면시험설비를좀더통일시킬수있을지에대해제안하고자한다. 일부일반규칙은 DERLAB 의발간물에서찾아볼수있다 [1] 설치랙의배치 태양광모듈용설치랙 (mounting racks) 은지리적인위치에서연간최대의일조량을받을수있도록기울기와방향을설정한다. 최적경사각은위도에의존한다. 최적기울기각도를찾는다양한권장사항은다음사이트에서찾을수있다. 위도 < 25 이면위도 x 그러나강우에의한태양광모듈의자체청소를위해서는최저경사각이 10 는되어야한다. 위도 25 ~ 50 이면위도 x 0.76 에 3.1 도를더하기. 위도 50 이상이면 45 의고정경사각사용. 측정에서의일관성없음을피하기위해서는, 시험모듈과조사강도센서가동일면에위치하여동일한경사각과방향을갖도록시험랙을배치하여야한다. 시험모듈과기준소자 ( 조사강도센서 ) 사이의어떤정렬불량도측정오차를불러온다. 그러므로태양광소자들이다른설치랙에위치할경우특별한주의가필요하다. 참여기관들의시험현장에서모듈의정렬불량은 0.5~2 % 로신고되었고, 조사강도센서들은모듈의 3 % 내에있는것으로조사되었다. 참여기관의 1/3 은어떤값도명시하지않았다. 정렬불량에의한측정오차는소자들사이의코사인각도에직접연관이된다. 그림 4 는정렬불량각도별로입사각함수에따른이코사인오차를보여주고있다. 조사강도피크시간 ( 입사각 < 45 ) 동안조사강도차이를 1 % 이하로유지하기위해서는정렬불량이 0.5 이하로유지되어야한다. 태양광모듈의에너지수율측정은통상적으로더넓은범위의입사각에걸쳐있음을주목해야한다. 입사각 > 50 인경우, 0.5 의정렬불량이 1 % 이상의측정오차를발생시킬수있다. 그림 4: 태양광소자의정렬불량에의한측정오차. 24

23 4.1.2 태양광모듈설치 태양광모듈설치랙의배치형태는태양광모듈길이방향의온도분포에큰영향을미칠수있다. 높은온도의모듈후면이저온의설치랙에매우가까우면통상적으로복사열교환에의해모듈온도구배 (gradients) 가발생하게된다. 이러한경우, 모듈온도를측정할대표적인위치를찾는것이어려워진다. 그러므로모듈에서의어떤불균일성 (non-uniformities) 을확인하기위해 800 W/m² 이상의조사강도에서전체시험모듈의적외선이미지를취하게되는데, 불균일성문제는이때다룬다. 경사진랙위에거치된태양광모듈의경우, 보통아래에서위방향으로온도구배가관찰된다. 온도프로필은시험시료주위의공기순환에크게좌우된다. 원치않는불균일성영향을줄이기위해시험모듈은적어도지상 1 미터이상그리고다른물체로부터적어도 10 cm 거리를두고설치하여야한다. 보통같은줄의왼쪽과오른쪽에위치한바깥모듈은, 특히풍속이높고그리고동-서방향풍향을가진지역에서는바람에의한강제대류가증가하면서작동온도가더낮아진다. 시험중인모듈에대한환경변화의영향을줄이기위해이런경우에는추가적으로더미모듈을설치할수도있다. 그렇지않으면개별모듈은불리하거나혹은유리한조건에놓일수있다 태양광모듈음영 특정위치에서모듈의연간에너지수율의정확한측정을위해서는폐기되는데이터포인트가적어야하고데이터의가용성이높아야한다. 기본적으로빌딩, 나무혹은담장과같은이웃하는물체에의해모듈에음영이발생하지않아야된다. 음영은높이가있는주변풍경이나혹은높은입사각조건에서태양광모듈설치용클램프에의해서도발생할수있다. 시험사이트에대한일반적음영분석용으로상업적으로가용한다양한음영분석도구들이있는데, 이는전체사이트의 360 도파노라마뷰위에일년동안태양의경로다이어그램을중첩시켜보여준다. 이는하루중일년중어느시점에어느지점에서태양이주위환경과교차하는지를보여준다. 다른방안으로일부 CAD 소프트웨어를사용하여사이트의음영을모델링할수있다. 태양광모듈의에너지수율측정용시험시설은여러개의설치랙으로구성할수있다. 이때그앞에설치된다른모듈에의해태양광모듈에그림자가생길수있다. 이런줄간 ( 랙간의 ) 의음영은음영한계각도 (shading limit angle) 에의해정의된것보다태양의위치각이낮을때발생한다. 그림 5 는평행하게설치한 2 개의랙배열에서어떻게음영한계각도를계산하는지보여준다. 태양의방위각과고도각 (SAC/SHC) 은주로랙간의간격 (DR) 과랙경사각 (θ) 에의존한다. 랙사이가가까울수록앞에있는모듈에의해뒤에있는모듈에음영이더많이발생한다. 25

24 그림 5: 설치랙을평행하게배열한형태에서음영한계각도의계산. 음영한계좌표 (shading limit coordinates) 는 (SA C, SH C ). 음영한계각도이상에서일어나는확산조사강도에의한 2 차음영의영향은광선추적법 (raytracing) 으로추정할수있다. 그러므로확산 ( 특히태양주위를도는 ) 조사강도의음영손실을피하기위해서는계산된음영한계각도가적어도 5 까지커져야한다. 그림 6 은다음과같은어레이배치형태에서일년중의음영영향을보여준다 : 위도 : 40 N, 태양광모듈길이 (L): 2 m, 태양광모듈경사각 (θ): 35, 행간간격 (DR): 4 m, 행의길이 (DM): 15 m. 이렇게계산된음영한계각도 SA C =75.1 와 SH C =4.2 를해당위치의태양경로차트로옮기면, 이포인트는 10 월 12 일과 2 월 28 일의태양경로위에놓인다는것을보여준다. 이는음영이태양의고도가더낮고방위각이더남향일때만일어난다는것을의미하는데, 기간으로는 10 월 12 일부터 2 월 28 일까지에해당한다. 태양고도의음영한계각도 (SH C ) 는 SAc 보다더낮은태양방위각에대해보정하여야하는데, 이는그림 6 의적색음영곡선으로나타난다. 일년중이곡선이태양경로차트와겹치게되면음영이일어나는데, 이는하지와동지와경계를접하고있다. 이사례에서, 동지와교차하는음영특성 ( 아래부분, 내부와의경계를이루는흑색선 ) 은모듈이 8:30 AM 에서 15:30 PM 까지는항상음영이없다는결과로이어진다. 이는이시험을위해폐기되어야할데이터의경계를정의한다. 그림 6: 위도 40 N 위치에서의태양경로차트의사례. 적색곡선은위에주어진사례에대한음영 특성을나타낸다. 26

25 4.1.4 알베도 모듈에도달하는총태양복사량 ( 글로벌복사량 ) 은직달, 확산및반사복사량의합이다. 경사면위에입사되는확산복사량은천공확산복사량으로정의하고, 반사복사량은지면과같이대기중의경로에있지않는 (non-atmospheric) 물체의반사에기인하는것이다. 첫번째근사법으로, 확산복사량은반구 (hemisphere) 안에등방성분포를가지는것으로가정할수있다. 이등방성모델은경사면에서의확산조사강도를너무낮게잡는다. 보다정확한모델은등방성, 태양주위를도는그리고수평선요소를고려하는것이다. 반사된복사량은주위 ( 풍경, 작물재배, 빌딩등 ) 의반사율에의존한다. 각표면은알베도가서로다르기때문에 ( 광대역반사율 ) 매우불균일하다. 설문에명시된지면유형은알베도가더낮은잔디부터알베도가높은자갈, 시멘트, 금속그리고심한경우에는백색페인트에이르기까지다양하다. 태양광모듈의경사가급할수록모듈은천공을향하는면적이적어지고반사된복사량을더많이받게된다. 따라서인접하는지면의알베도는태양광모듈시험시설에서매우중요한인자이다. 반사된복사량에의해유발된측정오차를최소화하기위해서는다음의권장사항을반드시고려하여야한다. 지면알베도는가급적균일하여야한다. 필요하면설치랙주위의지면을어두운색의자갈로덮을수있다. 지면위태양광모듈의설치높이는 1 미터이상이어야한다. 여러줄로설치할경우, 앞줄과뒤줄랙위의조사강도가다르지않도록줄간의거리는충분하게유지하여야한다. 반사도가높은표면 ( 금속부품, 수면등 ) 은모두제거하여야하고필요하면커버를하거나도색을한다. 도색할경우, 페인트유형이적외선반사를줄이지않는지유의하여야한다. 양면형모듈같은특별한경우에는지면의뒤쪽알베도역시균일하여야한다. 조사강도측정은, 경사각, 지면위높이그리고랙위에서의시료위치에따른영향을탐지할수있도록모듈후면의여러위치를포함하여양쪽면모두를대상으로할것을권장한다 센서위치지정 시험어레이에설치하는센서간의거리는설문참여기관에따라차이가심하였다. 면내조사강도의경우거리는 2~35 미터, 풍속측정의거리는 0.5~150 미터이다. 위원회의권장사항은다음과같다. 기상과모듈온도센서설치는규격 IEC 와 IEC 를따른다. 규모가큰시험시설혹은다양한설치랙을사용한경우는여러개의조사강도센서가사용될수있다. 태양광모듈성능측정의비교를위해서는설치랙의여러위치에서측정된일간태양복사량의변화폭이 ±1 % 를초과하지말아야한다. 기상센서에대한보다상세한내용은 4.3 장에제공되어있다. 27

26 4.2 전류와전압측정 하드웨어해결책 모듈출력측정용으로가용한하드웨어솔루션은크게 3 개의범주 최대출력점트랙커 (maximum power point trackers: MPPT), IV-트레이서 (tracers)(iv) 혹은 IV-트레이서를 MPPT 와결합한 (IV+MPPT) - 로나눌수있다. MPPT 범주는마이크로인버터를토대로한모니터링을포함하는데, 인버터안에있는내부센서의정확도가더낮아에너지수율상호비교용으로는충분하지않다. 일부경우는측정에의하기보다는색인표로부터파라미터를추론한다. 전류를측정할때교정된소형의저항기를직렬로추가하면바이어스오차가작은정확한모니터링이가능해진다. 선택한아날로그-디지털변환기 (analog-to-digital converter) 는가장낮은잡음과가장높은정확도그리고시간과온도에따른안정성이있어야한다. 개별모듈에최적화된모니터링을포함한 DC-to-DC MPPT 도있지만가격이비싸다. 두번째 IV-트레이서범주는모듈작동이최대출력점주위에서유지될수있게크기를맞춘고정된 (static) 혹은수동부하와결합한것이다. 수동부하의설치는, 개방전압혹은단락전류조건하에서의작동에비해보다실제적인모듈온도와노화영향을야기한다 [34]. 모듈이최대출력점에서작동하는동안에 IV-트레이싱을규칙적인간격으로수행하는세번째범주가과학계에서가장빈번하게사용되고있다. 그림 7 은설문조사의결과로, 참여기관의 81 % 는 IV-트레이서를 MPPT 와결합하여사용하고, 나머지는 IV-트레이서를수동부하와결합하여사용한다. 참여기관대부분이연구지향적이기때문에 MPPT 하나만사용하지는않는다는점은놀랍지않은데, MPPT 는분석을 P max 에한정시키고 IV-곡선으로부터추출할수있는다른파라미터의분석은허용하지않는다. 19% IV + MPPT 81% IV + passive load 그림 7: 참여시험기관들이사용한하드웨어유형. 적절한시험장비의최종선택은수행하고자하는옥외시험의범위에크게의존한다 (2.1 장참조 ). 표 1 은앞에서기술한 3 가지접근방법의장점과단점을요약한것이다. 표 1: 전류와전압측정방법의비교. 28

27 (1) MPPT (2) IV- 트레이서 (3) IV- 트레이서 + MPPT 설명 태양광모듈을최대출력점 적어도개방회로부터단락회로 (1) 과 (2) 의내용결합. (Pmax) 에유지. 방향으로 ( 혹은그반대방향 ) 전류를측정한다. 장점 어레이에서의 배치를 시뮬레이션. 정확한 에너지수율 측정 목적으로출력생산을적분할 수있다. 더낮은비용. I SC (mismatch) 근처의전류스텝혹은 Voc 근처의 rollover 를포함한전체 IV 곡선파라미터를결정할수있다. 태양광모듈의다른특성을결정하기위해 V<0 와 I<0 같은다른사분면으로확장할수있다. IV 스캔에서에너지수율계산에필요한모든파라미터와모든태양광기술의낮은조사강도거동과열적계수를추출할수있다. 사용자는대부분의작동시간에대해측정된출력을적분할수있고그러면서도 IV 곡선측정의완전한혜택을얻는다. 사용자는 MPP 트랙킹방법별영향을볼수있고 MPP 트랙킹, V OC 혹은 I SC 조건사이의영향을검증할수있다. 단점 Isc 와 Voc 같은 IV 곡선의 스캔하지않을때무엇을할지 더높은비용. 다른부분은측정이되지 결정해야한다. 실시간 MPP 않는다. 포인트들을계산하고이를 트랙킹효율에의해주어지는추가불확도를유발한다. 해당하는실제 Vmp 조건에넣을때요구되는알고리즘. 소자가 Isc, Voc 상태로있는지 혹은바로앞의 Vmp 가 태양광모듈의열화혹은 과도상태의거동에영향을 미치는지. (V=0 혹은 I=0 를 겪은후에일부모듈은거동이 달라질수있으며서서히 정상으로돌아온다 ). 과도상태는에너지수율계산에 영향을줄수있다. 설문조사는, 상업용제품부터맞춤개발까지, 고비용부터저비용솔루션그리고일체형 (all-in-one) 소자 (MPPT, IV-트레이서및데이터로거를하나의단일기기로통합 ) 부터자체조립시스템까지다양한범위를강조하고있다. 개별모듈의모니터링과고정밀최대출력점트랙킹목적의하드웨어소자를생산하는업체로다음의회사들이있다 : Daystar Inc., EKO Instruments, ET Instrumente, Gantner Instruments, Höcherl & Hackl GmbH, University of Ljubljana (LPVO- MS3X16), Papendorf Software Engineering GmbH, Pordis, Stratasense and SUPSI (MPPT3000). 29

28 이들측정에전자부하와결합하여마이크로인버터를사용하는다른제조업체로는 Femtogrid, PowerOne 및 Solaredge 가있다. 위에언급한일부제조업체는스트링의다른모듈의작동에는영향을미치지않고직렬스트링내에서단일모듈의 IV 곡선의주기적측정이가능한소자를생산한다. 그림 8 은 IV 측정과최대출력점트랙킹이동일기기내에통합된사례소자의계통도이다. 각모듈은각기시험소자에연결되어있고시험소자들은동기화가가능하다. PV module MPPT3000 Electronic Load Adapter U/I measure I - V Tracer MPPT Load Driver Peripherals RS485 - Display - Keyboard - Scroll button - Real Time Clock Galvanically Isolated RS485 Transceiver Independent MPPT and I -V Tracer Control Part DSP (Master) 2x Um, Im Outputs to external dataloggers Temperatures ϑ Opto-isolator Irradiances up to 3 inputs Auxiliary Measurement Part Micro-controller (Slave) 2x Aux Outputs to external dataloggers Other 그림 8: SUPSI 에설치된올인원하드웨어솔루션의사례계통도. 다중화 (multiplexing) 측정은모듈의누적에너지산출량뿐아니라완전한 IV 곡선도확보할수있어비용측면에서효과적이고유연한방법이다. 일부솔루션은, 예를들어 IV-곡선측정과 MPPT 혹은수동부하사이를전환할수있는멀티플렉서와결합이될수있는수많은 IV-트레이서를제공한다. 그림 9 는네덜란드 Utrecht 대학에있는멀티플렉서솔루션사례로 MPPT 모듈과결합된 24 개모듈로구성된어레이의계통도를보여주고있다. 이사례에서는, 각모듈의후면에부착된열전대용으로추가멀티플렉서가사용되고있다. 이솔루션은 IV-트레이서와부하사이의전환용으로강력한계전기 (relay) 를필요로하고전환과측정시간때문에측정된 IV 데이터는모든모듈에서동기화되지는않는다. 그러나 IV-트레이서가자체일사량계를통해조사강도도측정할수있는경우에는각 IV-트레이서와함께동기화된조사강도데이터를가질수있을것이다. 30

29 그림 9: 멀티플렉서솔루션사례의계통도 (Utrecht University) 하드웨어특성과배치 새로운옥외시험설비를선택하고설계할때는기기의불확도외에기타특징들과기술적명세도고려되어야한다. 여기서는통상적인관행을기술하고권장사항을소개하고자한다. 하드웨어정확도규격 IEC 에따르면, 전압과전류는개방전압과단락전류의 ±0.2 % 의정확도를가진기기를사용하여측정하여야한다. 태양광시스템의모니터링용규격 IEC 은 class A 측정 ( 최고의정확도 ) 목적으로인버터수준에서의측정불확도로 ±2.0 % 를규정하고있다. 단일모듈특성분석용으로는인버터에의해달성된것보다더높은정확도가요구된다. 이목적으로설계된 (4.2.1 참조 ) 최대출력트랙커는충분히이요건을만족한다. 그림 10 은설문응답자들이사용한 MPPT 그리고 / 혹은 IV-곡선트레이서의측정불확도를요약한것이다. I-V 측정의불확도 u[k=2] 는풀스케일에서 0.1~1.5 % 범위이다. 응답자의절반은측정불확도가 0.2 % 이하라고보고하였는데이는규격이요구하는한계이다. 응답자의 20 % 는 MPPT 소자에대한불확도를명시하지않았다. 신고한값의스프레드는부분적으로는하드웨어자체로인한것이지만, 불확도의값이서로다르다고명시한때문이다. 31

30 20% 27% 53% <=0.2% (min 0.1%) >0.2% (max 1.5%) NA 그림 10: IV 와 MPPT 측정정확도 u[k=2]. 하나의사례로, 실제작동조건하에서전류와전압범위는지속적으로시험중 ( 자동범위조정 ) 조건에적응된다. 대부분의 MPPT 소자들은이기능을가지지만모든 IV-트레이서의경우는그렇지않다. 이는측정정확도에직접영향을미치는데일부불확도요인들만이를감안한다. 그러나하드웨어의측정불확도는어떤성능지표의총불확도를계산할때고려해야할여러가지기여요인중의하나이다. 다른중요한기여요인으로는 IV-트레이서구성, MPP 트랙킹정확도, 샘플링빈도및데이터의동기화가있다. IV 트레이서특성모듈의 IV 곡선을추적할수있는많은솔루션들이시장에나와있는데, 용량성부하, 전자부하, 양극성출력증폭기, 4 단전원공급장치및 DC-DC 컨버터등이포함된다. 여러가지솔루션의장단점을기술한개요는문헌에서찾을수있다 [35]. 설문조사에응한연구소들이사용하고있는 IV-트레이서의 61 % 는출력측정에초점을두기위해 1 사분면 (I > 0, V > 0) 에제한되어있다. 그림 11 과같이, 응답자의 11 % 만이 4-사분면측정유닛을시행하였다. 이들유닛들은값이더비싸고, 프로그램가능하고그리고쌍방향출력공급을기본으로한것이다. 참여기관들이측정한포인트의개수는최소 20 에서최대 500 까지범위로선택한하드웨어에의존한다. IV 곡선의최대출력점은 P max 근처데이터의다항식피팅이나혹은다이오드모델을풀곡선에피팅하여결정한다. 그림 11: IV- 트레이서사양서 (1, 2 또는 4 개사분면측정 ). 32

31 IV- 곡선의주사 (sweep) 속도는특별히느리게반응하는태양광기술을측정할때 [30] 혹은 급변하는환경조건 ( 부분적으로흐린날씨 ) 하에서측정할때중대한영향을미친다. 그림 12 는 전형적인주사파라미터 ( 방향과속도 ) 를요약한것이다. 13% 40% reverse forward 13% 20% fast (<0.5 sec) medium (0.5-3 sec) 47% triangle 67% slow (>3 sec) 그림 12: IV-트레이서명세서 (IV-곡선스캔시의주사속도와방향 ). 응답자기기의 67 % 는주사속도가초당 0.5~3 범위로이는서서히반응하는태양광기술과빠르게변화하는시험조건을절충한것이다. 기기의 13 % 는더천천히 ( 초당 3 회이상 ) 측정하는데조사강도안정성과각개별 IV 곡선의검토에특별히유의하여야한다. 응답기기의 20 % 는초당 0.5 회이하의빠른주사속도를가지는데, 용량성 (capacitive) 모듈에서는특히역방향으로주사할경우측정오차의위험이증가할수있다. 47 % 는순방향으로주사하여 IV-곡선을구하고용량성모듈의경우에는대부분그주사속도를맞춘다. 13 % 는삼각펄스를적용하는데, 이는특별히용량의영향혹은조사강도변화에기인한측정상의아티팩트를확인하는데쓰인다. 용량효과에의해영향을받는대부분의고효율태양광기술의경우, 순방향 (I sc 에서 V oc ) 과역방향 (V oc 에서 I sc ) 주사로측정된 IV-곡선이중첩되는데, 이는측정이잘이루어졌다는지표이다. MPPT 특성 MPPT 소자트랙킹알고리즘은정적 (static) 과동적 (dynamic) 둘다정확도가다른데이는측정에상당한영향을미친다. 정적정확도는안정한조건하에서의트랙킹을기술하고, 반면에동적정확도는다양한조건 ( 예 : 빠른구름의이동 ) 하에서최대출력점을찾는 MPPT 의능력을기술한다. 정적정확도역시태양광기술의유형에의존하는데이는데이터시트에항상명시되어있지는않다. 예를들어충진율이낮은모듈의경우에는효과가떨어진다. 설문조사에는트랙킹정확도에대한정보가일반적으로결여되어있는데단지 3 기관만값을제공하였다. 정적정확도는 99~99.5 % 이고동적정확도는 98~99 % 범위이다. 이들값들은측정하였거나아니면데이터시트명세서로부터가져온것이다. 에너지수율적분모듈의에너지수율은 MPPT 혹은 IV-트레이서로부터의 P max 값들을적분하여계산한다. 그림 13 에서와같이, 15 개참여기관중 9 개기관은기본적으로 MPPT 소자에의존하고, 나머지 5 개기관은 IV-트레이서에의존한다. 일부는데이터의상호확인을위해둘다사용하는데, 이는정적과동적트랙킹정확도의확인도가능하게한다. 33

32 31% 13% 56% MPPT IV-tracer none 그림 13: 에너지수율적산에사용하는하드웨어. 하지만모든참여기관들이에너지수율을측정하지는않는다. 2 개 (13 %) 시험소는순간적으로측정한 IV 곡선에만초점을두는데, 이는 (1) 성능모델의검증과열화율의모니터링, 혹은 (2) 특정모델에서모듈파라미터추출에사용된다. MPPT 혹은수동부하는 IV-트레이스사이에모듈을시험조건에맞추는용도로만사용된다. 측정동기화전기적, 온도및조사강도측정채널의동기화수준은모듈측정의최종정확도에크게영향을미치고심지어는전체데이터확보의불확도를지배할수있다. 벤치마킹목적 (kwh 상호비교 ) 으로모듈의동기화측정을권유한다. 설문조사는그림 14 에서와같이시험소자의약절반이동기화되어있다는것을보여주고있다. MPPT 의 15 % 와 IV-트레이서의 27 % 는동기화되어있지않은데, 이모든기관들이실제로벤치마킹을수행하지는않는다. MPPT 의 31 % 는명시되어있지않다. IV-트레이서의 20 % 는비용때문에각태양광모듈용으로개별 IV-트레이서를사용하지않고하나의단일 IV-트레이서를멀티플렉서에연결하고있는데이는본질적으로동시추적을허용하지않는다. 이런절차에의해발생되는오차는반드시반영하고최종불확도분석에포함시켜야한다. 7% 20% 46% syncronised not-syncronised multiplexing 31% 54% 27% ND 15% 그림 14: 모듈간의동기화, (a) IV-트레이서혹은 (b) MPPT. 모듈사이의동기화와함께모듈데이터를조사강도데이터에동기화하는것역시매우중요한데, 특히데이터를모델의검증이나모듈파라미터를추출하기위해사용할때이다. 시그널사이의지체시간 (delay) 은조사강도센서의반응시간을초과하여서는안된다. 그림 15 는 MPPT 의 54 % 가조사강도측정과동기화되어있고, 38 % 는 2~30 초의지체시간을가진다는것을보여준다. 34

33 8% 38% max 2-30s delay simultaneous 54% ND 그림 4: 모듈의전기적측정과조사강도측정의동기화. 그림 16 에서와같이 IV 측정에는시험소에따라접근방법이다르다. 33 % 는 IV- 곡선전과후에 즉시조사강도를측정하는방법을따른다. 27 % 는 IV- 곡선바로전혹은후에 1 회단일조사강도 측정을하고, 27 % 는전류와전압과동시에조사강도를측정한다. 27% 13% 27% simultaneous before and after before or after ND 33% 그림 16: 조사강도측정을단일 IV- 곡선에동기화할때사용하는접근방법. 샘플링빈도데이터동기화와함께샘플링빈도역시모듈측정에큰영향을미친다. 시험소들이적용하는샘플링빈도는사용하는하드웨어에따라약간씩달라진다. MPPT 빈도는 0.1 초에서최대 2 분까지의범위이고, IV-트레이서는더늦어 1 분에서 15 분까지이다. MPPT 의경우에는평균혹은순간적값이저장된다. 1 분이하의더높은저장빈도는모듈의동적거동을연구하는사람들이선호한다. 그리고 5 분이상의더낮은빈도는에너지수율이아닌순간적인 IV- 곡선에만관심을가진사람들에게한정된다. 환경파라미터 ( 조사강도와온도 ) 의샘플링빈도는일반적으로모듈전류 / 전압빈도와같거나더 높다. 이들빈도는분광조사강도데이터를제외하고는모든파라미터에서 0.1 초에서 1 분사이의 범위이다. 분광조사강도는일반적으로더낮은 30 초에서 15 분사이의빈도로측정한다. 35

34 4.2.3 권장사항아래내용은최대출력점트랙커나혹은 IV-트레이서로전류-전압측정에서의권장사항을요약한것이다. 일반적권장사항 일반적인측정요건과장비의정확도는규격 IEC 와 IEC 에부합하여야한다. IEC 은태양광시스템용주요데이터수집요건을포함하고있는데태양광모듈용기준으로도사용되어야한다. 측정정확도 전류와전압데이터수집하드웨어의불확도는 I dc 0.05 %, V dc 0.05 % 이하여야한다. 교정된모든션트저항의불확도는 0.1 % 이하여야한다. DC 부하 전류와전압을, 빠른안정시간을갖고신속하게제어할수있는 DC 부하를선택한다. 전용의 zero 전류, 전압감지접속도선을사용한다 (4-선연결 ). 하드웨어에의해유발되는어떤차이라도제거할수있도록태양광모듈비교용으로동일메이커와모델의 DC 부하를사용한다. DC 부하는온도의변동과그에따른측정불확도를제한하고열적이동 ( 캐비닛온도는하루중 delta T = 30 K) 이최소화될수있도록일정한온도환경 ( 예 : 공조 ) 에있어야한다. IV 스캔절차 I sc, R sc, I mp, V mp, R oc 및 V oc 파라미터들은불규칙한곡선, 흩어짐, 혹은단조롭지않은 ( 지속적으로증가하거나혹은감소하지않는 ) 거동과같은소자나혹은측정과관련된문제가있는지밝히기위해스캔한 IV-곡선으로부터유도하여야한다. 부분적으로히스테리시스 (hysteresis) 효과 (IV 트레이서가다르게나타나는데특히 V mp 부근에서 ) 를최소화하기위해스캔속도, 방향, 안정시간및해상도는태양광기술에따라최적화되어야한다. 구름의변화로야기되는데이터의흩어짐을최소화하기위해스캔은 1~2 초보다길어서는안된다. 시스템은조사강도를천공값보다더높게증가시키는구름이짙어지는조건 ( 즉, 태양가까이에서구름으로부터반사 ) 동안에측정이가능하여야한다. 심지어북유럽같이덜화창한기후에서도조사강도는간단히 1800W/m² 피크에달한다. IV 스캔과 MPP 트랙킹사이의과도상태가측정에영향이없도록적절한타이밍을고려한다. IV 스캔당적어도 50 개측정포인트, 그리고측정포인트당최소 10 샘플링포인트가있어야한다. IV 곡선에서의포인트분포는, I sc, P max 및 V oc 가까이에포인트가충분하도록하기위해최적화할수있다. I sc 가까이에포인트가매우적으면 I sc 피팅이정확하지않을수있다. 잔류데이터를검사하기전에데이터포인트사이의내삽을권장한다. 피팅방법 : 삼차스플라인피팅, 즉다음에서포인트찾기 I sc 의경우, V<V oc /10 : V=0 에서의교차점이 Isc, 기울기는 -1/R sc 36

35 P max 의경우, V mp *0.45<V<V mp *0.55. V*I 의최대값이 P max V oc 의경우, I<I sc /10 : I=0 와의교차점이 V oc, 기울기는 -1/R oc. IV 스캔을시작하기전에안정된기상조건이필요하다. 측정하지않을때의모듈바이어스 IV-곡선측정동안을제외하고모듈은항상최대출력점 (MPP) 에서작동해야한다. IV 곡선측정사이에모듈을 I sc 혹은 V oc 에두면셀에서의재결합으로인한추가발생열때문에모듈온도가높아진다. 모듈바이어스가셀에손상을야기하고열화율을증가시킬수있기때문에, 박막소자에대해서는특별히유의하여야한다. 최대출력점트랙킹 때때로최대출력점 (MPP) 트랙커가모듈을 MPP 대신에국부적인최대점에서작동시킬수있으므로 MPP 트랙킹알고리즘이신속하고정확한지확인하여야한다. MPPT 의정적그리고동적트랙킹정확도 ( 트랙킹효율 ) 는알고있어야한다. MPPT 소자의트랙킹알고리즘은결과의공정한비교가가능하도록충진율 (FF) 과무관하게모든태양광기술에대해최적화되어야한다. 다양한환경조건에서다양한태양광기술에대해 IV-데이터와함께 MPPT 데이터의체계적인상호확인을권장한다. 데이터샘플링과동기화 많은멀티플렉서제품들은믿을수없으므로, 없애거나아니면고품질제품만사용한다. 모든태양광모듈의 IV 스캔을동기화한다. IV 스캔에서권장하는간격은 1 분이지만시험의범주에따라바꿀수있다. 샘플링빈도목표 1~5 분을평균으로하되환경파라미터의데이터수집율은 1-10 Hz 의범위에있어야한다. IV 스캔에서의측정포인트샘플링빈도목표를평균으로하되, IV 스캔파라미터의데이터수집율은 1000Hz 보다커야한다. 환경파라미터 ( 평균값 ) 의데이터수집율은 IV 스캔과동기화되어야한다. 추적동안조사강도안정성을확보하기위해 IV 트레이스전과후에조사강도를측정하는것이최선이다. I sc 에서 I mp 까지전류의흩어짐조사는조사강도의변동을나타낼수있지만, 이는덜직접적인방법이다. 션트 (Shunts) 외부션트가필요할때그범위는 1~10 mω 사이이다. 션트는교정인증서가있어야하고열적이동특성이낮아야한다. 교정된션트저항불확도는 0.01 % 에달할수있고, 온도계수는 ±5 ppm/k (20~60 C) 이하여야한다. 케이블 4-선연결이되어야하는데 2-선은모듈출력과전류측정용, 다른 2-선은 zero-current 전압측정용이다.. 거리 20 미터이상의경우에전선은단면적이적어도 6 mm 2 가되어야한다. 거리가 20 미터이하인경우전압강하가크지않다면 4 mm 2 로충분하다. 37

36 4-선연결이아니면, 케이블길이를최소화하여야하고, 전압강하의특징을확인하여야한다. 커넥터 접촉저항의큰변화없이옥외조건과반복되는재연결에견디기위해서는태양광모듈용표준커넥터 ( 예 : MC4) 를사용하여야한다. 태양광모듈커넥터를 4-선배치형태로나누는데는 Y-커넥터를사용한다. 부식, 먼지등에의해시간에따라변할수있으므로, 연장케이블의연결저항은주기적으로확인한다. 퓨즈와과전압보호 퓨즈와과전압보호는불확도를유발할수있으므로최적의성능측정을위해서는보호소자를사용하지않거나혹은시그널에미치는영향이최소가되도록설계한다. 확인과검증 단락전류조건에서전압강하를정량화하고측정값과모듈의참값 I sc 사이의차이를계산한다. 개방전압조건에서어떤전류흐름을정량화하고측정값과모듈의참값 V oc 사이의차이를계산한다. 교정 일반사항 : 표류나바이어스를피하기위해서는기준측정에대한규칙적인교정이필요하다. 제조업체사양에따라측정장비를교정한다. 적어도 2 년마다교정하고표류와바이어스를분기별로추적한다. 4.3 환경파라미터의측정 면내조사강도 조사강도는태양광모듈로투입되는태양에너지로, 그중요성은전기에너지산출량측정만큼중요하다. 그러나조사강도는정확하고일관된측정이훨씬더어려워잘조화된측정절차와가능한최고의기기사용을필요로한다. 태양광모듈의전체적인효율과모듈성능비 (MPR) 를평가하기위해서는모듈의면내로들어오는글로벌조사강도를측정하는것이필요하다. 일반적으로이런측정은풀스펙트럼범위에감응하는일사량계를이용하거나분광선택성의기준셀을사용한다. 그림 17 에서와같이, 조사된대부분의시험설비는두가지유형의조사강도센서를모두구비하고있다. 일반적으로면내조사강도 (G i ) 는최소 2 개의일사량계와분광응답이다른 1 개이상의기준셀로측정한다. 후자는시험모듈의분광응답과유사해야한다. 일사량계는들어오는광대역조사강도 (H) 의계산을위한기본적인선택이고, 기준셀은 STC 조건에대한보정이나혹은다른데이터분석목적으로사용된다. 38

37 MODULE IN-PLANE IRRADIANCE single pyranometer multiple pyranometers GLOBAL IRRADIANCE (BROADBAND) single c-si ref cell ref cells with different spectrale responsivities GLOBAL IRRADIANCE (SPECTRAL SENSITIVE) 그림 5: 조사된시험사이트에서시행한어레이면에서의글로벌조사강도측정유형. 이목적에가용한상업용일사량계는광범위한태양광스펙트럼을흡수하기위해흑색표면 (black surface) 을사용한다. 이흑색표면은대류냉각과넓은태양입사각범위에걸친반사손실을최소화하기위해유리로된돔아래에장착되어있다. 이용도로는가장최고등급의 (ISO-9060 분류에서 2 차표준 (secondary standard) ) 기기만사용되어야한다. 왜냐하면품질이더낮은기기들은작동환경에서주위와천공온도등의이차인자들에의해더크게영향을받기때문이다 [36]. 이차표준기기들은더안정성이있고, 조사강도의변화에태양광모듈이나기준셀의거의순간적인응답만큼빠르지는않지만수초정도내에서빠르게반응한다고품질의일사량계사용과함께단락전류 ( 온도보정한 ) 에비례하는시그널을제공하는태양광기준셀로면내조사강도를측정할것을권장한다. 이측정을흔히유효조사강도라고칭한다 [37]. 입사조사강도가 AM1.5G 스펙트럼과일치하고받는면에법선방향일때, 광대역과유효조사강도값은모두 1000 W/m² 이다. 이상적인일사량계는하나만정의할수있지만이상적인기준셀은매태양광모듈마다다른데, 기준셀은평가대상인태양광모듈과같은각도와분광응답을가져야한다. 평가대상모듈과유사한각도와분광응답을가진기준셀을이용하면효율방정식으로부터이들 2 가지인자를제거할수있고, 낮은조사강도성능와준안정성혹은열화에대한보다정확한수치를제공한다. 유사한응답은동일유형의셀을사용하거나혹은다른유형의기준셀에하나의필터유리를추가하여얻을수있다. 이것의가장흔한예가비정질실리콘 (a-si) 모듈의분광응답을근사하기위해사용하는 KG3 혹은 KG5 필터를가진 c-si 셀이다. 최근 KG1 필터를가진 c-si 셀이 CdTe 모듈과잘일치하는것으로밝혀졌다 [38]. 필터를사용한기준셀방법의장점은일부다른태양광기술보다더안정하다는점이다. 실제로매우한정된수의기준셀을설치하고유지하기때문에각도와분광응답에서약간의불일치는항상있게된다. 만약필요하다면, 각도불일치는기준셀과모듈의각도응답곡선을토대로정량화할수있고, DNI 측정과조합하여보정될수있다. 마찬가지로분광불일치는분광응답곡선을토대로정량화할수있고분광조사강도측정과조합하여보정할수있다 (7.1.3 절참조 ). 기준셀의단락전류는온도와함께증가하는데, 그인자는무시하기에는너무커서 c-si 의경우 C 당 0.05 % 정도이다. 이런이유로셀은그온도를측정할수있는방법을구비해야하고, 측정시스템은이온도를토대로보정을해야한다. 온도가높아지면셀소재의밴드갭이감소하는데, 39

38 이것이적외선영역에서의분광응답을증가시킨다. 단락전류의온도계수는주로이분광응답의변화에분광조사강도를곱한값에의해결정되므로옥내와옥외에서온도계수가다른것을관찰하게된다. 온도계수의불확도때문에온도보정기준셀의판독에대한불확도는작동온도가교정온도로부터멀어질수록더커진다 [39]. 기준셀의응답시간은열적으로응답하는일사량계보다더빠르다. 후자는조사강도값의갑작스런변화의 95 % 까지도달하는데 3~5 초를필요로하나기준셀은거의순간적으로응답한다. 응답이느리다고반드시측정오차로이어지는것은아니고, 실제로빨리응답하는기준셀은정확한적분값을계산하기위해더빈번하게판독해야하므로이것을하나의장점으로고려할수도있다 [40]. 현대의데이터수집장비는용이하게 1 초당하나의시료를측정할수있는데, 이는모든조사강도측정기기의최저한도이다. 빨리응답하는기기는안정된조사강도조건을탐지하는데매우유용한데, 이는정확한 IV-곡선측정시필요하다. 이런기기를사용한측정은 IV-곡선전과후에할수있고 [25] 혹은조사강도를 IV-포인트마다측정할수도있다. 데이터를수집하고그리고응답시간, 온도의존성, 방향응답과많은다른조사강도센서의특성을정량화하는방법을개선하는것이 PVSENSOR 프로젝트의목표이다 [36]. 많은특성들이체계적인오차를만들어내는데, 보정방법을개발하고사이트에고유한측정불확도에대한보다정교한평가를지원하는데이런오차들에대한지식을사용할수있다. 이주제에대한추가정보는 IEA 태양광시스템수율예측에서의불확도에관한보고서 (Report on uncertainties in PV System Yield Predictions) 에서찾을수있다 [41]. 글로벌광대역조사강도의측정불확도와관련한 15 참여기관의신고수치는, 표준서모파일일사량계의경우는 1.3~2.5 %, 그리고글로벌과확산서모파일센서와조합하여 SPN1 을사용한기관은 5~8 % 이었다. 분광기준셀로측정한글로벌조사강도의신고불확도는 1.8~5.0 % 이었다. 경사진모듈이받는전체조사강도는비록단일양 (quantity) (G i ) 이지만확산의양 (G i, d ) 과직달의양 (G i,b ) 을구분하는것이매우유용하다. 이들 2 가지조사강도구성성분의분광구성과입사각은서로다르므로이들은전체수율에미치는영향이다르다. 법선면직달조사강도 (DNI) 는최고등급의일사량계와자동트랙커를사용하여측정하여야한다. 이를입사각의코사인으로곱하면면에서의직달조사강도 (G i,b ) 가된다. 모듈의기울기와방향둘다는이계산을위해정확하게결정되어야한다. G i, d 를측정하는방법의대안으로 G i 값으로부터 G i, d 값을빼서 G i,b 를결정하는것은항상권장하지않는데, 왜냐하면 G i, d 는경사진면에서정확하게측정하는것이더어렵기때문이다. 확산조사강도측정에는일사량계와직달조사강도를막을수있는차광도구가필요하다. 최고의차광도구는디스크나공모양으로된것인데, 차광용공이있는상업용 2-축트랙커는천공 (sky) 을막지는않지만경사가없는수평면의확산조사강도측정용으로설계된것이다. 그럼에도불구하고, 경사진기기를가리기위해만약이런트랙커를사용하거나혹은주문제작한다면, 이는면내확산조사강도 G i, d 를결정하는최선의솔루션이다. 다른가용한상업용솔루션은차광밴드나혹은링을사용하는것이지만, 이는링에의해가려진천공의과외부분 ( 경사진경우에는지면역시 ) 을감안하기위해보정을하여야하므로추가적인불확도를초래한다. 이들보정인자들은수평면측정용으로개발되어검증을받았는데, 경사진경우의보정에이들을사용하는것은권장하지않는다 [42]. 40

39 어려움때문에조사대상기관의소수만이어레이면에서의확산조사강도를측정한다. 좀더흔하게는확산조사강도를차광용링으로혹은통합형확산조사강도측정도구가있는복사계 (SPN1 유형 ) 로측정한다. 그림 18 은측정된다른조사강도파라미터를보여준다. 대부분의시험기관은수평면에서의확산조사강도 (DHI) 를측정한다. 9 개시험기관은 2-축트랙커에설치된직달일사량계로법선면직달조사강도 (DNI) 를측정하고그리고거의모든기관은글로벌수평면조사강도를측정하는데, 이는태양광수율시뮬레이션에필요한기본적인입력자료의하나이기때문이다. METEROLOGICAL SOLAR RADIATION PARAMETERS HORIZONTAL GLOBAL IRRADIANCE DIFFUSE HORIZONTAL IRRADIANCE DIRECT NORMAL IRRADIANCE IN-PLANE DIFFUSE IRRADIANCE TOTAL UV IRRADIANCE 그림 6: 15 개시험기관에서이행한조사강도측정의유형과분포. 글로벌수평면과확산조사강도의측정은경사진모듈의수율을평가하는데직접적으로유용한것은아니지만, 전위모델을사용함으로써면내조사강도를추정할수있고그리고데이터일관성을확인하는데사용할수있다. 파라미터측정용으로정확도가더낮은기기도훨씬더낮은비용으로중복측정을제공함으로써목적에기여할수있다. 직접적으로모듈성능계산에들어가지않는 2 개의추가적인조사강도측정옵션이있다. 첫번째는 3000~4000 nm 이상의중간적외 (mid-infrared) 복사량이다. 야간복사계 (pyrgeometer) 로측정하는중간적외선조사강도는일사량계판독에서의열오프셋오차를보정하여측정불확도를낮추는데사용할수있다. 이측정은셀 / 모듈작동온도연구에도유용하다. 두번째옵션은 280~315 nm (UVB) 그리고 / 혹은 315~400 nm (UVA) 범위의자외조사강도이다. 이조사강도의대부분또는모두는양질의일사량계범위내에있으므로가용한에너지는이미광대역조사강도에포함되어있다. 태양광모듈에의해전기로변환되는부분은거의없는데, 유리와 EVA 에서의흡수율이높고그리고이파장범위에서의양자효율은매우낮기때문이다. 그러나자외선복사량이야기할수있는소재변화때문에장기연구에매우유용할수있다. 높은정확도의조사강도측정에는최고의기기가필수적이지만, 높은정확도의목표는적절한설치및유지관리에의해서만성취할수있다. 모범사례는여러문헌에기술되어있다 [40,43,44]. 태양광성능측정에적절한일부핵심사항은다음과같다. 41

40 일사량계와기준셀기울기 / 경사와방향은미소한차이내에서시험모듈의것과일치해야한다. 경사진기기는대략모듈과같은양의지면반사복사량을받아야한다. 이는보통이들을아주가깝게같은높이에설치함으로써가능하다. 이슬, 서리혹은적설의위험이있고그리고이런조건에서의데이터를평가해야할필요가있으면환기기설그리고 / 혹은저전력히터가있는기기를사용한다. 통풍장치는또한여러가지오차와불확도요인의하나인열오프셋을줄이는데도움이될수있다. 센서의광학부품은지역의조건과시험일정에맞추어깨끗이닦고규칙적으로검사해야한다. 일부기기에서는흡습제도확인하고, 기기내에서응축이생기지않도록주기적으로교체한다. 교정은규칙적으로확인해야한다. 가능하다면계획을세워서여러기기들을상호확인하고번갈아가면서외부교정기관에보내도록한다. 참고문헌에있는많은모범사례는지속적인작동을지향하고그리고특별한성능시험의기간과조건에맞게조정한다. 다음 2 개의표는조사강도파라미터와그대체측정방안을요약한것이다. 표 2: 필요한측정. 위치선호 (Preferred) 대안 (Alternate) G i 면내조사강도 in-plane irradiance 경사진 Tilted 이차표준일사량계 G eff 분광감응유효조사강도 spectrally sensitive effective irradiance Tilted 기준셀 G i,b 면내직달조사강도 in-plane direct beam irradiance Tilted DNI * cos(θ) G i,d 면내확산조사강도 in-plane diffuse irradiance Tilted 차광용볼을가진열오프셋이 적은이차표준일사량계 G i G i,b DNI 법선면직달조사강도 direct normal irradiance 트랙킹 Tracking 최고등급의직달일사량계와자동 트랙커 표 3: 데이터의일관성확인을지원하는추가적인측정. 위치선호 (Preferred) 대안 (Alternate) GHI 글로벌수평면조사강도 global horizontal irradiance 수평 Horizontal 이차표준일사량계 비이차표준일사량계 SPN1 DHI 수평면확산조사강도 diffuse horizontal irradiance Horizontal 차광용볼을가진열오프셋이 적은이차표준일사량계 차광용링을가진 일사량계 SPN1 42

41 4.3.2 모듈온도 STC 온도 25 C 이상으로모듈온도가증가하면거의예외없이모듈의효율이감소하는데, 이것이에너지손실의가장큰이차인자이다 ( 일차인자는조사강도와음영 ). 이처럼모듈온도의정확한결정은이상적인시스템과비교하여손실요인을적절히확인하고, 모듈온도계수를결정하는데중요하다. 모듈온도는모듈구조 ( 예 : 유리-유리모듈은유리-백시트모듈과온도프로필이다르다 ) 뿐아니라조사강도, 바람에노출 [45], 작동방법 ( 예 : MPP 대 V oc ), 설치대구조같은다양한인자들에의해영향을받는다 [46]. 일반적으로옥외모듈온도결정은접촉측정방법 ( 모듈에온도센서부착 ) 및비접촉방법 ( 통상 IR 서모그래픽카메라를사용 ) 을사용하거나혹은 V oc 와모듈온도사이의관계식과같은프록시측정을사용하는잘알려진모델관계식을통해이루어진다. 이방법들의상호비교는표 4 와같다. 접촉온도측정방법이모듈출력과에너지결정에관련되는 IEC 규격에서가장널리사용되는데, 이는비교적간단하고비용효과적이기때문이다.. 접촉온도측정방법은모듈이대상표면과물리적으로접촉하는하나의센서를필요로한다. 일반적으로이방법에서센서는모듈의뒷면 ( 백시트혹은유리 ) 에부착하는데, 연구목적으로주문제작한모듈에서는온도센서를셀의뒷면에라미네이션한상태에서측정할수도있다. 가장널리사용되는온도센서는 Pt100 RTD 와열전대인데 [47], 비슷한정확도를가지면서비용을낮추기위해디지털접촉센서같은대체방법을사용할수도있다 [48,49]. 일반적으로 Pt100 센서는불확도가가장낮고 ( 비용이더높음 ), 4-선연결을사용하여최선의결과를얻을수있다. 열전대는통상적으로케이블이더얇고 ( 설치에더용이할수도 ), 센서자체가 Pt100 센서보다더싸지만, 이들은냉접점 (cold junction) 을필요로한다. 냉접점사용에따른불확도는전체측정불확도에직접적으로추가되는데, 불확도가낮은냉접점은크기가더크거나비싸다. 디지털센서혹은다른원리 ( 예 : NTC 센서 ) 를이용한센서들도비용은더낮으나그불확도와소급성 (traceability) 이아직 Pt100 이나열전대센서의수준에는미치지못하고있다.. 대부분의접촉온도측정은에폭시접착제나 [47] 혹은테이프 [50], 가끔은열전도성페이스트를사용하여백시트 1 위에부착한다. 여기서의관심은셀온도이므로백시트측정온도에대한보정이필요하다. 가장광범위하게사용되는백시트-셀온도보정은다음방정식으로주어진다 [46]. T c = T BB + ΔT CBB G i G BSC 여기서 T c 는셀온도, T BS 는백시트온도, ΔT CBS 는 STC 조건에서셀과백시트사이의온도차이, G i 는면내조사강도이다. 접촉센서용으로사용된접착제의양이측정값에예상치못한시차를불러올수있고 [50], 그리고열페이스트를사용할지절연은어느정도사용되어야하는지등부착방법의선택에주의를하여야한다. 1 여기서백시트는태양광모듈의뒷면을의미하는포괄적용어임. 43

42 개방전압의측정은프록시혹은간접방법의사례에해당하는데, 여기서는대상 ( 셀온도 ) 의양 (quantity) 에잘알려진관계식을가진다른변수들이측정된다. 이방법은옥내조건 ( 그리고처음에는단일셀에대해 ) 부터옥외조건과모듈에채택되었고, 대상모듈은균질한표면온도를가진다고가정한다. 하지만바람의조건과설치장착방법이모듈을가로지르는방향의온도분포에영향을미치므로항상그런것은아니다 [23,24]. 등가셀온도 (equivalent cell temperature: ECT, IEC 에상세히기술 ) 는전압으로부터온도를끌어내는 one-diode 모델을사용하고모듈의개방전압과어레이면의조사강도를측정하여얻을수있다. 모델의교정은접촉온도측정과조사강도를달리한측정을요구하는데, 이것이최종결과값의정확도에영향을미친다. Two-diode 온도모델도사용되지만, one-diode 모델에비해매우복잡하다. IR 서모그래피카메라를사용할때다른유형의복잡성이나타나는데, 왜냐하면그이미지가모듈표면으로부터방출되는적외복사를나타내기때문에오퍼레이터의역할과훈련 [51] 부터카메라품질뿐아니라표준배경설정까지여러인자들이중요해진다. IR 서모그래피카메라는급격히개량되고있지만 ( 그리고비용은낮아지고있음 ), 이방법들은오퍼레이터가접촉혹은 V oc 방법에비근한결과를얻을수있을때까지, 특히얻고자하는값이절대모듈온도라면실질적인훈련을필요로한다. 다른한편으로, IR 카메라는현장에서빠르게활용할수있으며온도차이를쉽게관찰할수있게해준다. 이런이유로, IR 카메라는접촉온도센서의위치가바른지검증하고, 모듈의온도프로필이균질 ( 예 : V oc 방법이적용될수있는지확인하기위해 ) 한지확인하는데흔히사용된다. IR 카메라는모듈표면으로부터방출되는적외복사에의존하므로, 최선의결과는더높은조사강도에서얻어지는데, 이는열점같은문제들이보다쉽게확인될수있도록해준다 [51,52]. 바꿔말하면, 온도차이는조사강도가더낮을수록확인이더어렵고불확도가더높아진다. 장기옥외에너지수율측정에서는, 예로부터접촉방법을선호하였다. 최선의결과를보장하기위해서는그결과를적어도다른방법과결합하고, 규칙적인간격으로결과를상호검증할것을권장한다. 설문조사에서는, 시험사이트의다수 (15 개중 8 개 ) 가테이프와전도성페이스트나접착제를사용하여모듈에단일센서를부착한다는것을보여주었다. 4 개의기관은비균일성혹은중복확인에대한정보를얻기위해센서의개수를 2~4 개로증가시킨다. 명시된측정정확도는모두같거나 1 C 이하이다. 8% 1 sensor/module 31% 2-4 sensors/module 61% 1 sensor/module type 그림 7: 모듈후면에부착한온도센서의개수. 44

43 표 4: 모듈온도용주요측정방법의비교. 접촉방법 Contact methods V oc 방법 IR 방법 옥외측정 조사강도범위에서가장 안정된기상조건에서 조사강도 G > 600 W/m 2 조건에적용 낮은불확도변화 2 최선, 조사강도낮으면 권장 [52,53] 조사강도 가능 불확도증가 낮으면불확도증가 규격 IEC standards: 61215, 61829, , 61724, 60891, 에포함 IEC 에포함규격화예상 (IEC ) 작동조건 모듈은어떤작동점에도 시험모듈은 ( 잠정적으로 ) 모듈은어떤작동점에도 있을수있다. V oc 에, 나머지시간에는 있을수있음 MPP, V oc, I sc 제시간측정 연속측정가능 ( 시계열 연속측정 ( 모듈은 V oc 에 통상적으로스냅샷측정 ; 분석용으로사용가능 ) 유지되어온도가더 오퍼레이터의연속적 높음 ) 용전용모듈이나 개입없이적외센서를 V oc 의불연속측정 ( 예 : 사용하여반복측정가능 규칙적간격으로측정된 IV- 곡선으로부터 V oc ) 중에필요 측정이 포인트기반측정 ( 하나 모듈에서셀의평균온도 풀모듈, 이미지나혹은 커버하는면적 이상의셀 ) 센서뷰의평균화없음 해상도 < 0.01 C < 0.01 C 0.01 C 까지, 공간해상도는 IR 카메라에의해결정 : 커버된면적에대한픽셀의개수 불확도 (k=1) 센서만 0.1~0.25 C, 판독 모듈에대해교정이잘 0.1~1.0 C, 품질 ( 그리고 장비가 0.01~0.2 C 추가 되었으면 0.1~0.6 C, 서모그래픽카메라의 가능, 설치장착방법과 접촉측정과사용된 비용 ) 에의존 기준접합 ( 열전대용 ) 으로 모델 3 의불확도에의존 인해더많이추가 2 The 접촉센서의불확도는측정된온도의함수이지만, 이불확도의크기는 V oc 혹은 IR 방법에비해더낮다. 3 One-diode 모델은 IEC 에따라사용된다. Two-diode models 이더정확할수있으나사용자의 노력을훨씬더많이요구한다. 45

44 주요혹은가장 모듈위센서의위치, IEC 에따른 오퍼레이터오류 : 모듈과 자주접하게 반복성및오퍼레이터에 ECT 는접촉온도측정과 카메라사이각도, 방사율 되는오차의 의한설치방법, 뒷면 - 셀 비교를필요로하고, 모델 설정보정, 주위지역의 요인들 보정방법 계수용으로기상조건에 영향 ( 천공인근의모듈 : 매우민감 : 다양한 큰온도차이, 타 조건에서의 ECT 교정은 물체로부터 IR 반사 ) 온도의오차를불러올 가능성이큼 단점 뒷면설치된센서는셀 결정된온도는모듈 대체방법보다비용이더 온도로보정한결과여야 표면에걸쳐균일한 비싸다 ; 오퍼레이터 하고 [2], 셀에서 온도를가정 ( 표면온도 오류에더민감 ; 절대 뒷면으로의열전달은 차이 ΔT 를결정할수 온도측정이 시간상지체 ( 기상조건이 없음 ); 대체방법보다덜정확함 변화하는동안에중요 ); 모듈 ( 잠정적으로 ) 이 센서설치와유지관리 MPP 에있지않아시스템 작업의강도높음 ; 전면 거동에영향을줄수 온도를측정할수 있음 ; 시계열적용할경우 없음 ( 조사강도차단이 시스템이복잡해질수 요구되는데, 그렇게되면 있음 모듈에음영이발생 ) 기상데이터 모듈성능과안정성에대한깊은이해와시뮬레이션을위해서는, 면내조사강도와모듈온도외에다른환경파라미터에대한정보가필요하다. 그림 20 의막대그래프는통상적으로측정하는여타기상센서들을요약한것이다. 분광조사강도데이터의평가는 절에서별도로논의할것이다. METEROLOGICAL CLIMATIC PARAMETERS AMBIENT TEMPERATURE WIND SPEED & DIRECTION REL. HUMIDITY AIR PRESSURE PRECIPITATION 그림 20: 각시험시설에서측정한환경파라미터. 46

45 15 개기관모두시험설비에는주위온도와바람상태측정용센서가장착되어있고, 9~10 개기관은상대습도, 공기압및강수량을측정한다. IEC 기술적가이드라인 [2] 은오염비율과적설범위를포함한환경센서를어떻게설치하고운용하는지에대한권장사항을제공한다 분광조사강도 시간경과에따라태양광에너지수율에미치는분광변화의영향이총조사강도와온도같은다른인자만큼크지는않더라도무시하지않고고려하여야한다. 다른태양광기술보다분광변화에의해더영향을받는셀기술들도있다 [9,54,55,56,57,58,59,60,61,62]. 분광영향을고려하기위한가장좋은방법은분광조사강도를측정하는것인데, 만약이것이가능하지않을때는시뮬레이션한데이터를사용할수있다. 아래에서는이두가지방법에대해기술하고자한다. 측정된스펙트럼분광복사계 (spectroradiometers) 는분광조사강도, 즉모듈표면이받게되는빛의파장별출력밀도를, W/m 3, W/m 2 /nm, W/m 2 /µm 단위로측정하는기기이다. 크게 2 부류-스캐닝 (scanning) 분광복사계 ( 혹은모노크로메이터 ) 와어레이탐지 (array dector) 분광복사계 ( 혹은다색광원기 (polychromator)-의기기들이있다. 두유형은빛을모아기기내부로유도하는적분구 (integrating sphere), cosine correctors 혹은테프론산광기 (diffusers) 와같은광학부품을가지고있다. 일부경우에는광섬유가광학부품을기기벤치와연결한다. 강섬유길이와직경뿐아니라입력광학부품유형과소재의선택은스펙트럼의일부와기기에도달하는복사량에영향을미친다. 광학벤치로들어가기전에빛은입구슬릿을통과하는데, 이슬릿이명백한물체를정의하고선수각 (angle of entrance) 뿐아니라빛의양도결정한다. 이들인자들은기기의최종분광해상도와직접관련이된다. 분광복사계의중심부분은격자 (grating) 인데, 이는입사되는빛을그분광성분별로회절시키는요소이다. 스캐닝분광복사계의경우, 격자는한번에하나의특정파장을회절시킬수있도록, 즉특정파장의포톤만다음탐지기 (detector) 요소에도달하도록회전한다. 연속적인회전은특정범위의파장을스캔하기위해이루어진다. 이런이유로스캐닝분광복사계에는기계적으로움직이는부품이장착되어있는데, 이는안정된하우징으로보호해야하고, 그때문에좀더무겁고수송하기어렵다. 일부기기들에는더블모노크로메이터가장착되어있는데, 이는미광 (stray light) 의영향을크게줄이고광학성능을향상시킨다. 어레이탐지기분광복사계는회절격자를여러개의파장에해당하는다중이미지를동시에만드는방식으로다룬다. 이는줄이쳐진격자 ( 격자표면에평행홈들 ) 나혹은홀로그래픽격자 ( 사인함수로변화하는굴절률가진 ) 로얻을수있다. 다색광원기격자는움직일수있도록되어있지않다. 이때문에, 이들기기들은회전하는모노크로메이터를사용하는것들보다더작고가벼워서수송에더적합하다. 두유형의기기에서또다른차이는데이터수집시간이다. 격자의회전때문에모노크로메이터가전체탐지가능한분광범위를스캔하는데몇분이소요된다. 다색광원기는빛의탐지가동시에이루어지므로수집시간은훨씬더짧지만, 수마이크로초에서수초정도이다. 따라서 47

46 다색광원기는구름의빠른통과와같은급히변하는기상조건에의해야기되는측정스펙트럼에서의왜곡경향이덜하다. 단일 ( 모노크로메이터의경우 ) 혹은다중 ( 다색광원기의경우 ) 탐지기요소들은들어오는빛의에너지를전용소프트웨어의도움을받아시그널세기의값으로변환한다. 탐지기소재가기기에의해탐지될수있는상단의파장한계를결정한다. 가장널리사용되는소재는 Si 과 InGaAs 로각각 1117 nm 와 1700 nm 까지탐지할수있다 [63]. 밴드갭에너지가더낮은소재들은 2200~2600 nm 범위의탐지한계를제공할수있지만, 훨씬더고가이다. 모노크로메이터는보통탐지기로광전자증배관 (photomultiplier tube: PMT) 을사용하고, 다색광원기의픽셀어레이는전하결합소자 (charge coupled device: CCD) 혹은광다이오드 (photodiode) 어레이로구성한다. 여러잡음 (noise) 요인들이분광복사계로측정한스펙트럼에영향을미친다. 판독잡음 : 내부요소들과그작동의특성에의해야기된다. 산탄 (shot) 잡음 : 탐지기에입사되는포톤개수의통계적인변화와관련된다. 다크 (dark) 잡음 : 입사광이없을때전자들의열생성과관련된다. 고정패턴잡음 : 이웃하는픽셀사이의광응답의변화에의해야기된다. 일부잡음은전용소프트웨어내에서데이터수집설정을변경하거나혹은외부인자들 ( 주위온도 ) 을조정함으로써최소화할수있다. 잡음이구성요소들의특성과상호연결등기기에고유한인자와관련되어수정할수없게되는경우도있다. 이렇게분광복사계의적절한설정과사용은상당히복잡하기때문에측정된스펙트럼을검증하기위해서는경험이요구된다. 최근더많은시험설비들이한층개선된분광복사계를채택하였다. 그림 21 은 15 개시험기관에설치된분광복사계를요약한것이다. 측정할수있는파장범위와그방향에차이가있다. 센서유형에따라 1100, 1700 혹은 2500 nm 의파장까지도달할수있다. 더짧은파장의경우, 센서는 220~350 nm 사이에서응답하기시작한다. 9 개의분광복사계는고정된면의스펙트럼을측정하고, 그중 8 개는경사면에대해하나는수평면에대해측정한다. 2 개는 2-축트랙커위에설치되어있다. 10 SPECTRALE IRRADIANCE nm (350)-1700 nm (350)-1050 nm FIXED PLANE nm nm 2-AXIS TRACKING 그림 28: 분광조사강도측정에대한피드백 ( 분광범위와설치유형 ). 48

47 위에서언급한복잡성을극복하고상호정보교환을증대시키기위해스펙트럼측정의상호비교가세계곳곳에서여러차례추진되었다. 태양광스펙트럼중에서자외 (UV) 부분은인간의건강에미치는영향때문에여러번의상호비교에서높은관심의대상이었다 [64,65,66,67,68,69,70,71,72]. 최근 10 년사이에지표면에서다른스펙트럼영역의분광조사강도측정에대한관심이크게증가하였는데, 이는해당영역자체가태양광분야에미치는영향이크기때문이다. 최근의상호비교캠페인역시가시광과적외선같이태양광소재에민감한영역에초점이맞추어져있다. 주요캠페인은표 5 에요약되어있다. 서로다른분광복사계로얻은측정사이의차이는보통 ±10 % 범위내이다. 그럼에도불구하고일부경우에는, 측정과교정절차뿐아니라기기의설정과운영절차와관련한문제때문에더큰차이가날수도있다. 표 5: 태양광에큰영향을스펙트럼영역측정용분광복사계의상호비교캠페인. GHI: 글로벌수평면조사강도, DNI: 법선면직달조사강도, SM: 단일-모노크로메이터, DM: 더블모노크로메이터, P: 다색광원기. 참고문헌 [73] [74] [75] [76] [77] [78] 연도미보고 장소 Loughborough, UK El Arenosillo, Spain Golden, USA Portici, Italy Catania, Italy Madrid, Spain 측정대상 GHI GHI, DNI GHI GNI, DNI GNI, DNI GNI, DNI 기기의개수 스펙트럼 범위 (nm) 350~ ~ ~ ~ ~ ~ ~1700 기기유형 P SM, DM, P SM, DM, P SM, P SM, P SM, P 시뮬레이션한스펙트럼태양광스펙트럼의측정이항상가능한것은아닌데, 이는분광복사계의비용과교정, 소프트웨어설치, 운영및유지관리에전문지식이필요하기때문이다. 이런이유로태양광발전소에서스펙트럼데이터의가용성은전세계에서가능한곳이거의드물고, 주로과학적인목적으로사용된다. 여기에대한온전한대안으로, 일련의대기관련파라미터와지리적좌표가주어졌을때소위 복사전달모델 (Radiative Transfer Models: RTM) 을사용하여태양광스펙트럼을시뮬레이션하는것이다. 이런도구들의바탕에는, 포톤과방사, 산란, 흡수와반사를포함하는 49

48 대기에서의구성성분과의상호작용을고려함으로써우주로부터지표면으로전달되는복사의물리적과정을기술하는 복사전달방정식 (Radiative Transfer Equation: RTE) 이자리잡고있다. 일반적으로 RTM 은 3 개의주요범주로나누어진다. 복잡하고엄밀한모델 (sophisticated rigorous models) 매개변수모델 (parametric models) 통계적인모델 (statistical models) 첫번째모델은복사전달방정식을실행하고하나의이산종좌표방법 (discrete ordinate method) 을사용하여각스펙트럼파장에대해수치적인방법으로이를푼다. 이모델은또한 line-by-line 모델이라고도부르는데, 분자흡수의프로세스를각가스종혹은대기를구성하는에어로졸의스펙트럼선기여분의합계로다루기때문이다. 이런모델의사례들이, LOWTRAN [79], MODTRAN [80,81], SBDART [82], SBMOD [83], STREAMER [84], FASTCODE [85], UVSPEC [86] 이다. 이계열에속하는 RTM 은결과의정확도가높은데, 실행시간은매우길수있다. 이결점을극복하기위해이들모델의일부는알고리즘을간편하게만든다. 가장흔한것중의하나가소위 correlated K-distribution approximation 라고부르는것이다. 가스상의흡수계수에대한동일한세트의값들을주어진스펙트럼밴드에서여러차례접하기때문에이들값들을그룹화하여계산의중복을제거한다. 예를들어 correlated k-approach[87] 의경우, 전체스팩트럼에서 32 개밴드로작업하고, 투과율계산은각파장별로한번하는것이아니라주어진밴드하나마다한번씩이행한다. 또다른중요한단순화는 MAGIC[88] 와 SPECMAGIC[89] 에서이행한알고리즘을가지고한다. 이방법은색인표 (LUT) 를사용하는데, 이는미리계산된이산 (discrete) 복사전달모델결과이다. 일단 LUT 가가용하면, 주어진대기상태에서의투과율은런타임계산을대체하는내삽에의해 LUT 로부터추출할수있다. 두번째매개변수모델에서는, 복사전달방정식을간편한매개변수화된표현으로대체할수있다. 이런도구들은허용가능한범위의정확성을보증하면서도더빠른계산이가능하고, 사용자친화적인터페이스를가능하게한다. 이들은 1980 년대초부터문헌에나타났는데, 엔지니어링활용분야에서손쉬운해결책을제공할목적이었다. 이런모델의사례들이, SPCTRAL2 [90], SEDES [91], SMARTS1 [92] 그리고 SMARTS2 [93] 이다. 세번째통계적인모델은포톤과대기구성성분및표면의상호작용을주로몬테카를로기법을사용하여통계적인프로세스로다룬다. 일단시스템이설정되면무작위포톤들이매체안으로방사되고, 그리고평균자유행정에따라무작위거리후에그도메인을떠나기전까지흡수되거나산란된다. 상호반응길이, 산란각도및흡수율은사용자가선택한확률밀도함수 (probability density functions: PDF) 를바탕으로결정된다. 전체프로세스동안에포톤들은하나씩추적되고, 그들이스펙트럼을얻기위해매체를떠나는지가카운트된다. 이런사례들로, MYSTIC [94], GRI- MALDI [95] 그리고 BRITE [96] 가있다. 모델을구분하는다른기준이있는데, 예를들어파장범위및해상도, 편광의포함, 도메인의기하, 라이선스유형, 얼음과물구름취급용량, 생성된산출물의유형, 사용자인터페이스등이다. 일반적으로가용한어떤모델도최선이라고규정할수는없다. 대신에특정활용분야와해결해야 50

49 할문제에따라더적절한모델들이있다. 다양한환경조건하에서다양한 RTM 들의결과를비교하기위해많은노력을해왔었고아직도노력중이다. 가장유명한것의하나가 EU 의 Joint Research Center 가주선한복사전달모델상호비교 (Radiation Transfer Model Intercomparison: RAMI)[97] 인데, 이는적절하게설정한규칙과기준하에서 RTM 의역량, 성능및협정을평가하기위한하나의플랫폼으로구성되어있다. 51

50 5 데이터품질제어와유지관리관행 시험결과의신뢰성과정확성은선택된하드웨어뿐아니라이행된품질제어방안에도크게 좌우된다. 특히수년간지속되는장기측정캠페인의경우, 효율적인데이터수집과하드웨어 제어가필요하다. 원격지사이트나극한기후인경우이는더욱더문제가된다. 5.1 품질마커 설문조사는시험기관의데이터품질수준이일반적으로매우높고많은수의데이터품질마커 (marker) 가이행되었음을강조하고있다. 그림 22 는 15 개기관의일반적인오차마커와이행수준을요약한것이다 [16,31]. 잘못되거나낮은품질의데이터를세심하게필터링하는것은쉽게할수있다. 이메일경보가문제들을알려주는데가장널리사용되는도구이다. ERROR MARKERS 그림 22: 데이터품질제어의유형 ( 오차마커들 ) 과이를이행하는시험기관의개수. 5.2 유지관리 장비의규칙적인교정외에, 육안검사와센서의청소같은다른품질제어조치는표준관행이다. 그림 23 은조치가이행되는빈도뿐아니라 15 개기관의서로다른유지관리조치의이행수준을보여준다. 모듈의청소는사이트에따라매우다르다. 모든기관들이규칙적으로모듈을청소하지않지만, 언제청소할지잘정의된기준을가지고있다. IEC 규격은오염비 (soiling ratio) 가어떻게모니터될수있는지에대한제안을하고있다. 소수의기관들만웹캠을설치하고있는데, 이는대부분의경우원격지시스템에사용된다. 52

51 MAINTENANCE MEASURES LOG BOOK ND monthly daily - weekly VISUAL INSPECTION daily - montly SENSOR CLEANING ND daily ALERT SYSTEM >1 month 1-5 times /week MODULE CLEANING daily-weekly 1-10 min PICTURES 그림 9: 15 개시험기관에의해이행되는유지관리조치의유형과빈도에대한피드백. 53

52 6 시험모듈의특성분석 이번장에서는, 통상적으로어떻게얼마나많은태양광모듈이선택되는지그리고현장에설치하기 전에어떻게특성분석을하는지에대한개요를소개하고자한다. 모든정보는설문조사와일반적 권장사항에대한그림으로보강한다. 6.1 모듈선정 / 샘플링 그림 24 는암상태에저장한기준모듈혹은예비모듈의가용성을포함한통상적인시험시료의개와각그룹내에서서로다른접근방법에대한빈도를요약한것이다. 대부분 (15 개중 10 개기관 ) 은유형당 2~3 개모듈을, 일부는유형당 5 개까지, 15 개중 3 개기관은시험시료를단일모듈로한정한다. 그림 24: 15 개기관내에서시험시료의가용성 ( 시료개수, 기준모듈, 예비모듈 ). 특정규칙은없지만동일유형당시험모듈은 1 개이상을권장한다. 장기측정캠페인같은특별한경우에는하나이상하는것이장점이될수있고, 사용자가중복확인을할수도있고, 하나의모듈에불량이있을경우를대비한예비용이될수도있다. 예외는모듈의특성분석의범주나혹은프로토타입시험과같은단기측정캠페인인경우로이때는일반적으로 1 개의모듈로충분하다. 통계적으로적절한개수의모듈시험은비용이나소요되는공간때문에생략한다. 기준소자로사용하기위한목적으로암상태에서하나의여분모듈을저장하는것은규칙적인 STC 제어측정을할때매우유용한것으로여겨진다. 암상태저장기준모듈을가진 9 개기관은또한자체의솔라시뮬레이터를보유하고있어 STC 조건에서성능측정을할수있다. 기준모듈의 STC 출력은옥외노출모듈과함께측정하는데, 이는암상태보관모듈을가지고확보한것과 54

53 같이발생할수있는어떤열화율을탐지하고, 측정반복을통해실질적인열화를식별하기위함이다. 다른기관들은 7.3 장에기술한접근방법의하나에따라열화율을계산한다. 예비모듈의가용성도권장하고있는데, 15 개중 8 개기관이이를충족한것으로신고하였다. 모듈을선택하는기준과누가이를선택할지가매우중요한데, 특히선택이최종결과에큰영향을미치는벤치마킹연구의경우에그러하다. 이문제에대해서는 7.1 장에서보다상세히논의할것이다. 샘플링방식과관련하여규칙적으로인용되는 2 개의규격은 IEC 혹은 ISO 이지만시험의목적에따라달라지고, 가끔은개별샘플링절차가더적절할수있다. 목적은허용가능한범위내에서시료의개수를줄이는것인데, 이는시험결과를더많은수의모듈에이전할수있는지와함께시험비용사이에균형이요구된다. 현재벤치마킹측정을어떻게운용할지에대한상호협의는없다. 15 개기관중 7 개는특정기준 ( 예 : P nom 에가장가까운제조업체의평균출력 ) 에따라모듈을선택하였다고신고하였다. 모듈은제조업체에의해발급된플래셔 (flasher) 리스트를통해확인하거나혹은자체출력측정을토대로확인한다. 접근방법을명시하지않은다른 8 개기관은아마도, 자체샘필링절차를가진생산자로부터직접모듈을받았거나아니면모듈을익명으로매입한것이다. 후자의경우에는하나의특정모듈을선택할가능성은거의없다. 모든리포팅은다음접근방법을분명히밝혀야하고, 그접근방법은비교된모든모듈기술과유형에대해동일하여야한다. 샘플링절차는이행하는측정의범주에따라달라질수있다. 잠재적으로최대출력산출량에서의허용여유가넓기때문에, 에기술된바와같이에너지수율시험용시료는생산제품에서무작위로선택할것을권장하고있다. 출력등급별로최소 5 개의시료를 IEC 에따라전기적안정화를시키고전계발광분석을한다. 공칭출력대비가장차이가적은시료를선택할수도있다. 특별히 c-si 시료는셀의균열이없어야하는데, 옥외노출도중에균열의전파는출력열화를더증가시킬수있기때문이다. 그러므로옥외노출전에사전시험을하는것이매우중요하다. 6.2 사전시험과제어측정 현장에설치전에, 모듈은일련의품질평가그리고 / 혹은특성분석을거쳐야한다. 시험의일부, 특히 STC 측정은측정캠페인의마지막에혹은규칙적간격으로반복한다. 그림 25 는통상적으로수행된시험의개요를보여준다. 55

54 20% 20% 27% 6% none STC only + VI/EL/IR + GD, MATR, SR, TK, 27% + INS/WL 그림 105: 옥외노출전이행하는옥내시험 ( 사전심사 ) 의빈도. 범례 : 표준시험조건 (STC), 육안검사 (VI), 전계발광 (EL), 적외이미징 (IR), 조사강도의존성 (GD), 온도계수 (TK), 풀매트릭스 (MATR), 분광응답 (SR), 절연시험 (INS), 습윤누설 (WL). 참여기관의 73 % 는 STC 출력을측정한다. STC 출력은모듈에너지수율 (Y a ) 의정규화와모듈성능비 (MPR) 에사용되는핵심파라미터이다. 27 % 의다른기관들은예비시험을이행하지않고완전히옥외시험에의존하거나혹은제조업체가발급한데이터시트나플래셔목록에의존한다. 이는솔라시뮬레이터를보유하지않은기관의경우에해당한다. 일부기관은자격을갖춘시험소에모듈을보내 STC 측정을이행한다. STC 출력의원천과그불확도혹은공칭출력의허용오차는항상명시되어야한다. 문헌에보고된바와같이 [98], 대부분의기술들은초기열화나성능상승을겪는데 STC 측정을이행할때이점을고려하여야한다. 적절한전처리절차는특히공장에서오는모듈에적용하여야한다. 일부기술의경우에는, 암상태보관이태양에기노출된이후에도편차로이어지게된다 [99]. 최근발간된규격 IEC (2016) 는, 시작때혹은어떤스트레스시험후둘다 STC 출력을결정하기위해각기술별로어떻게안정화시켜야하는지분명한지침을주고있다. 자체 STC 측정을이행하는참여기관의절반은기존규격 [100] 혹은자체로정의한절차에따라모듈전처리한다는것을강조하였다. 일반적으로전처리는현장에서모듈해체후곧바로측정할때나혹은그기술이안정하다는증거가있으면생략할수있다. 사용된접근방법의검증증거는반드시제공되어야한다. 참여기관의 27 % 는 STC 측정에육안검사나다른광학적검사방법을추가하는데, 결함을확인하기위한전계발광그리고 / 혹은적외이미지가그러하다. 참여기관의또다른 20 % 는온도계수의측정, 낮은조사강도성능, 분광응답및 IEC 에따른풀매트릭스측정도이행하는등폭넓게전기적특성분석을한다. 또다른 20 % 는습윤누설과절연시험과같은전기적안전시험을포함한다. 56

55 7 데이터분석과리포트 실제작동조건하에서장기간측정작업을할때, 데이터처리의품질은데이터측정그자체만큼중요하다. 7 장에서는, 벤치마킹목적으로어떻게데이터가분석되는지, 성능손실의조사, 열화율의계산, 측정값을시뮬레이션한시계열과어떻게비교하는가에대한여러사례들을소개하고자한다. 측정불확도의영향과생산허용한도를고려하면서, 방정식, 필터링접근방법및통상적인데이터제출에대해리포팅한다. 7.1 모듈에너지수율벤치마킹 에너지수율평가 태양광모듈의에너지수율성능은대표성이있는기간에걸쳐특정기후에서의옥외측정을토대로 한다. 에너지산출량은, 시간스텝 τ ( 시간의함수로주어진데이터기록간격 ) 동안기록된 태양광모듈의최대출력값 (P max,n ) 을적분한것이다. 에너지 (E) 는통상 kwh 로나타낸다.. E = P mmm,k τ k [kkh] k 데이터포인트의이론적개수 (n TH ) 는데이터기록간격에서의일광시간과데이터기록간격 (τ) 의 지속시간으로부터계산한다. 일광시간은데이터기록기간중에서각날짜별로일출과일몰 시간으로부터도출한다. HHHHH Ho ddddddht n ST = τ DmDD oo Dymy 하나의사례로, 그림 26 은연중일광시간의변화를보여준다. 청색수평선으로마크된위도 40 N 은근사적으로 뉴욕시, 마드리드와베이징을대표한다. 그림 11: Sunrise 방정식에기술된가장정확한모델을사용하여위도와연중날짜별의함수로 나타낸일광시간의등고선플롯. 기준으로위도 40 N 가강조되어있다. source ( day_of_year_cmglee.svg). 57

56 실제로, 데이터포인트의이론적개수는다양한영향으로인해줄어들어사용가능한데이트 포인트가더적어진다. 기상파라미터용측정시스템의비작동시간 전자부하의비작동시간 타당해보이지않는기록으로인한데이터포인트의폐기 MPP 트랙킹불량으로인한데이터포인트의폐기 동일한타임스탬프를가진불완전한데이터포인트의폐기 모듈의음영혹은시험면에서조사강도의급속한변동에기인한데이터포인트의폐기 ( 구름의이동으로인한불균일한조사강도 ) 중복 ( 반복 ) 데이터기록의폐기 에너지수율측정용데이터가용성은아래식과같이계산된다. UHUoHd nhnauh Ho ddtd phdnth Ddtd daddddadddtd = 1 100% ThUHHUtdedd nhnauh Ho ddtd phdnth 고품질에높은정확도의에너지수율측정에필요한일반적요건에대해서는 2.1 과 4.2 장에서 이미논의하였다. 데이터요건의핵심개요는다음과같다. 데이터모니터링의기간은시험사이트에서의실제작동상태를고려하기위해기상학적으로온전히일년을커버한다. 주 : 짧은기간의에너지수율측정이필요한상황도있을수있다. 예를들어, 모듈제조업체가에너지수율성능에관한다른소재의영향을조사하기를원할경우이다 ( 즉, 전면유리의유형혹은특정유리코팅의유형 ). 데이터기록간격 τ 은 60 초이하로조사강도변동을탐지할수있는범위이다. MPP 데이터의측정과기상측정은동기화되어야한다. 에너지수율측정용데이터의가용성은 90 % 보다커야할것이다. 시험사이트에서의기상조건변화때문에서로다른태양광모듈의에너지수율시험을순차적으로하는것은문제의소지가있다. 태양광모듈벤치마킹은시간상으로동기화된에너지수율측정을토대로해야할것이다. 에너지수율성능의순위는 태양광모듈 ( 어레이 ) 에너지수율 (Y a ) 이나혹은 태양광모듈성능비 (MPR) 로나타낼수있다. Yd = MUdHHHUd UnUHdd ddudd (E) RUoUHUneU phpuh (P Dsc ) kkh kk P MPR = MUdHHHUd UnUHdd ddudd (E) RUoUHUneU phpuh (P Dsc ) MUdHHHUd HHddH HddddtdHn (H) RUoUHUneU dhhddddneu (G = 1000 k n 2) Y a 는서로다른 P stc 를가진모듈의비교를가능하게하고, MPR 은서로다른조사강도 ( 다른사이트에서측정하였거나, 방향이다른경우, 시험기간이다른경우에해당 ) 의모듈도비교할수있게해준다. 후자는입사에너지나혹은시간스텝 τ ( 데이터기록간격 ) 에서기록된조사강도 (G n ) 의적분값인조사량 H i, 의측정도필요로한다. 조사량 (H) 는통상 kwh/m 2 단위로표시한다. 58

57 H i = G i,k τ k [kkh/n 2 ] k 일반적으로태양광모듈벤치마킹은모듈성능비 (MPR) 를바탕으로하도록권장하고있는데, 이파라미터는데이터가용성과무관하기때문이다. MPR=1 은모듈의평균효율이 STC 에서의모듈효율에부합한다는의미이다. 모듈온도, 낮은조사강도거동, 분광 / 각도영향혹은준안정성으로인한성능손실은 MPR 값이더낮아지는결과로이어진다. 성능손실요소는해당위치의기후조건에의해서도달라진다. 단일성능손실을어떻게분석하는지는다음 7.1.2~7.1.4 절에기술되어있다 STC 출력의영향태양광모듈의출력표시 불확도에가장크게기여하는요인은 STC 출력의불확도이다. 태양광모듈의제조에는다양한허용오차요인이존재한다. 제조허용오차는사용된소재 ( 예 : 태양전지의전기적특성의스프레드 ) 아니면제조프로세스 ( 예 : 납땜프로세스의품질 ) 로부터유래하는것이다. 그러한결과의하나로, 생산라인에서태양광모듈의최대출력산출량은분포곡선을따르는데, 이는다양한출력범위 ( 등급 ) 의정의를필요로한다. 최대출력산출량의전체스프레드는모듈유형의데이터시트에문서화되어있다. 표 6 은 5 W bin 폭을가진 4 개의출력등급을예시적으로보여준다. 이런등급분류는통상적으로펄스형솔라시뮬레이터로측정한출력산출량에관계되는것이다. 측정결과는일반적으로플래쉬리스트 (flash list) 에문서화되어있다. 표 6: 출력등급에따른태양광모듈의분류. 출력등급 1 출력등급 2 출력등급 3 출력등급 4 공칭출력 (Wp) Watt 등급분류 (W) 0/+5 0/+5 0/+5 0/+5 공칭출력전압 (V) 공칭출력전류 (A) 개방전압 (V) 단락전류 (A) 효율 (%) 태양광모듈의가장중요한파라미터는공칭출력 (P nom ) 으로 Wp( 피크와트 ) 로표시한다. IEC 에정의된바와같이, 이단위는공칭출력이 STC 조건에서측정된것을의미한다. 제조상의허용오차를표현하는데 2 가지관행이있다. a) 플러스분류 ( 즉, 0/+5 W): 공칭출력은등급분류 (sorting) 의최저값이다. 모듈의출력산출량은이허용되는값보다커야한다. 59

58 b) 플러스-마이너스-분류 ( 즉, ±3%): 공칭출력은등급분류의평균값이고, 항상최대값과최저값사이에있다. 모듈제조업체의출력표시관행은국제적으로합의가되어있지않다. 대부분의경우, 공칭출력은플래시시험에만적용되는데, 이는제조상의허용오차를대표할뿐이다. 그러나총출력의허용오차는생산라인에서의측정불확도와잠재적인전기적불안정성에의해추가적으로영향을받을수있다. 두가지모두출력표시에서반드시필요한것으로고려되지는않는다. 태양광모듈이소비자에게배달되었을때그전기적출력산출량은안정적이지않을수있고, 빛이나온도에의해유발된영향을받는다 년발간된 IEC 규격은태양광모듈의전기적안정화용시험절차를정의한다. 태양광모듈은각사이클당최저 5 kwh/m² 의조사량으로조사강도사이클시험을한다. 매사이클후에출력산출량이측정된다. 연속 2 회의사이클에 3 개의출력값이나온다 (P1: 시초, P2: 중간, P3: 최종 ). 이들값으로부터 P MIN, P MAX 및 P AVERAGE 가결정된다. (P MAX - P MIN ) / P AVERAGE 항목이한계값보다더낮으면태양광모듈은전기적으로안정한것으로여기는데, c-si 태양광모듈의경우 1 %, 박막모듈의경우 2 % 이다. 안정화절차는느리게진행되는안정화프로세스를탐지하지못할수있음을주목해야한다. 기준출력 P stc 의선택 에너지수율성능을표현하는 2 가지정의에있어 (7.1.1 참조 ), 기준출력산출량은그결과에큰 영향을미친다. 다음의옵션들을선택할수있다. a) 제조업체가명시한그대로의공칭출력 P nom 앞에서설명한바와같이, 태양광모듈의실제출력산출량은공칭값과상당히다를수있다. 만약 P stc > P nom 이면에너지수율성능이높게측정될것인데, 이는제조업체에유리한결과이다. 그러므로에너지수율시험전에시료를전기적으로안정화시키는것이필요하다. b) IEC 에따라측정된그대로의안정화실제출력 P stc,stab 이기준값이태양광모듈의에너지수율측정에가장적절하다. 비교시험목적의모든시료들을동일하게다루어샘플링이나출력표시의영향이최소화된다. P stc,stab 는생산품의벤치마킹용으로최적의파라미터이다. c) 옥외노출시험에서측정한그대로의실제출력 P stc,out STC 에서의실제출력산출량을출력산출량의기준으로사용하면에너지수율분석의정확성을높일수있다. 이는 IV-곡선의측정과규격 IEC 을사용하여곡선을 STC 에외삽하는것을필요로한다. 이방법이박막모듈의준안정성 ( 초기안정화, 계절적영향 ) 거동이나출력산출량의열화를조사할수있는가능성을제공할수있다. 계산에사용되는기준출력, 그불확도그리고모듈이어떻게선택되었는지는항상명확하게제시해야하며결과평가에반영해야한다 (6.1 장참조 ). 그림 27 은스위스 Lugano 에서수행된 4-년기간의측정캠페인에서얻은순위의사례를보여준다. P stc,stab 는기준값으로 A 등급솔라시뮬레이터로측정한것이다. 그래프는 c-si 기준모듈 (c-si REF) 대비여러가지박막모듈의 MPR 을보여준다. 모듈간에 ±10 % 에이르는차이가관찰되었다. 안정화프로세스의영향을배제하기위해첫해는순위표에서제외되었다. 60

59 그림 127: 11 개박막모듈기술 ( 적색 : CIS, 회색 : CdTe, 녹색 : µc-si, 청색 : a-si) 에대해성능비차이, ΔPR=(PR-PRc-Si)/PRc-Si 로나타낸박막모듈순위 ( ). 아래설명과같이, 이차이는서로다른모듈특성과관련될수있다. 문헌 [8] 에하나의사례가제공되어있다 온도, 조사강도, 입사각그리고스펙트럼의영향 태양광모듈의에너지수율성능은태양광모듈의특성과기후조건의상호연관성으로정의된다. 그림 28 은에너지수율에미치는다양한영향인자들을보여준다 [101]. 주요기여도는아래에기술되어있다. 그림 28: 태양광모듈의에너지수율에영향을미치는인자들. 61

60 온도영향태양광모듈수준에서온도의영향은 P max 온도계수로나타낸는데, 이는 IEC 에따라일정조사강도에서온도를변화시키면서 (15~75 C) 측정한다. 그림 29 는다양한태양광모듈유형의 TK- P max 범위를비교한것으로, 같은태양광기술이라도 TK-P max 가달라질수있다는것을보여준다. 가장낮은값은 CdTe 모듈에서관찰되고가장높은값은다결정 c-si 와 CIGS 모듈에서관찰된다. 그림 139: 다양한태양광모듈유형의온도계수 [10]. 지역의기후와관련되는온도의영향은모듈온도로설명하는데, 이는낮동안에도변하고계절에 따라서도변한다. 적절한파라미터는연간평균가중모듈온도 계산한다. T mod, G T mod, G 인데, 이는다음방정식으로 여기서 T mod 는모듈온도, G i 는면내조사강도이다. 이방정식은, G i 가한계값 15 W/m² 위에 있으면단지모듈온도만이고려된다는것을확인시켜준다. 유리 / 백시트표준구조를가진다결정 Si 태양광모듈의 = T mod, G ( T mod Gi ) G 는, 독일쾰른에서는 30 C, 미국 Tempe 에서는 46 C 이다. 따라서, 사막 기후에서는중간기후에비해 7 % 더높은온도손실이관찰된다. 가장좋은것과나쁜 TK-P max 를 가진태양광모듈사이의에너지수율성능차이는약 3 % 이다. i 조사강도영향에너지수율에대한조사강도의영향은태양광모듈의효율곡선으로나타낸다. 효율곡선은 IEC 에따라통상일정한모듈온도 (25 C) 에서조사강도를변화시키면서 (100~1100 W/m²) 측정한다. 그림 30 은전형적으로정규화된효율곡선을보여주는데, 이로부터낮은조사강도에서의성능손실을직접확인할수있다. 62

61 그림 30: 다양한태양광모듈유형별효율곡선. 그림 31: 100 W/m² 간격으로구분한면내조사강도 ( 독일쾰른 ). 지역기후와관련한조사강도영향은 100 W/m 2 간격으로구분한면내조사강도의빈도분포에의해결정된다. 그림 31 은독일쾰른에서측정된분포곡선으로, 조사강도는거의균등하게분포되어있음을보여준다. 사막기후에서는통상적으로높은조사강도쪽으로크게이동되는것을볼수있는데, 이는낮은조사강도에서의모듈거동이덜뚜렷할것이라는것을의미한다. 입사각의영향다양한입사각하에서의태양광모듈성능은그각도응답곡선혹은입사각교정기 (IAM) 에의해설명된다. IAM 은 IEC 에따라 ±85 의각도범위에서측정된다. 곡선은최적코사인거동에관련된각도손실을설명한다. 그림 32 는다양한태양광유리유형에따른각도응답을보여준다. 일반적으로각도손실은입사각이 50 보다높을때관찰된다. 반사방지코팅은각도성능을약간개선한다 [102]. 63

62 태양광모듈의각도응답곡선은 10 간격으로분류한조사강도의각도분포와밀접한연관을 갖는다. 그림 28 은시험위치인쾰른에서의각도분포를보여주는데, 이곳에서는 70 보다큰각도 범위에서약 6 % 의태양에너지가입사된다. 그림 14: 전면유리의유형 ( 청색 : 표준유리, 적색 : 반사방지코팅유리 ) 별 c-si 태양광모듈의각도 응답곡선. 그림 33: 10 간격의입사각에서면내조사강도의분류 ( 위치 : 독일쾰른, 남향 35 경사면 )[10]. 유리유형별연간각도손실의스프레드는 -1.5~-2.7 % 범위이다 [103] 스펙트럼영향태양광스펙트럼은태양광소자가흡수하는입사조사강도의일부에영향을미친다. 지역적위치로인한구름의존재, 대기중수분과에어로졸 ( 먼지 ) 의농도및태양의각도에의존하는대기경로의길이변화에의해스펙트럼은하루중에도연중에도달라진다. 그림 34 의극단적인사례는스펙트럼의변화가매우클수있음을보여주는데, 실제로스펙트럼의가장큰차이는총조사강도가낮고그에따른출력산출량이낮아질때일어나는데이는새벽 / 해질녘이나구름이 64

63 짙을때이다. 시간경과에따른에너지수율에미치는스펙트럼변화의영향은총조사강도와온도 같은인자들만큼크지는않다. 그림 34: 호주 Newcastle 에서측정한글로벌스펙트럼, ( 위 ) 청명일한낮과늦은오후의비교. ( 아래 ) 한낮맑을때와흐릴때의비교. 모든스펙트럼은최대값을동일하게정규화한것이다. 순간적태양광출력에미치는스펙트럼의영향은아래식에따라불일치인자 MM 로입사 조사강도를스케일링하는것과동일하다. MM = G yyo(λ) S R (λ) dλ G B (λ) S S (λ) dλ G yyo (λ) S S (λ) dλ G B (λ) S R (λ) dλ 여기서 G ref 는기준분광조사강도 ( 보통 AM1.5 글로벌기준 [IEC ]), S R 은조사강도센서의 분광응답, G S 는측정된분광조사강도, S T 는모듈의분광응답이다 ( 그림 35 의예참조 ). 고품질 65

64 일사량계의경우, S R 은파장에무관하므로방정식에서배제한다. 그리고분광보정은비교적작기 때문에출력산출량은조사강도와비례하여보정할수있다고가정하는것이합리적이다. 그림 15: 태양광기술별분광응답. 대안으로는, 분광불일치인자를아래식에따라현장에서적절한태양광모듈의 I sc 측정을통해 합리적으로추론할수있다 MM = I Dc@mymD G yyo G mymd I Dc@yyo 여기서 G meas 는측정된조사강도, I meas, ref 는각각측정된단락전류와기준단락전류값이다. 순간적인분광불일치인자가유용하긴하지만, 에너지수율연구는우선적으로주어진 사이트에서의장기영향을다룬다. 시간에따라누적된에너지수율에미치는분광변화의영향을 정량화하기위해, Duck 와 Fell[105] 은 분광영향인자 (spectral impact factor: SIF) 를정의하였는데, 이는특정기간동안관찰된분광불일치인자의조사강도가중평균이다. 예를들어, 에어매스 (AM) 혹은포톤평균에너지 (APE) 와같은다른분광파라미터들도이용할수있다 [106]. 아래에정의된 SIF 는선형스케일인자 (linear scale factor) 로, 지역의유효평균스펙트럼과 AM1.5 기준스펙트럼 사이의차이를반영하기위해측정혹은계산된에너지수율에적용될수있다. SIS = MM G i G i 호주에있는청명일과흐린날이잘조합된 33 S 해안지역에서, 임의의하루동안 0.95~1.10 범위의 SIF 값을관찰하였다. 계절적인영향에의해청명일에약 ±0.02 범위에서 SIF 값의변화가 66

65 야기되었는데, CdTe 모듈의경우는평균 1.01, c-si 모듈은 0.99, CIGS 모듈은평균 0.98 의값을 보였다. 흐린날에는값이더높아지는데, 통상적으로 1.10 까지산발적으로분포하였다 경감인자의계산 경감 (derate) 인자는 절에서기술한것과같이, STC 에서의출력에대해개별손실요인을정량화한다. 이런손실인자를계산하는여러가지방법들이문헌에소개되어있다 [8,9, 10,105]. IEC :2017 규격은태양광시스템에대해기술하고있는데, 이를쉽게단일태양광모듈에도적용할수있다. 그림 36 은 PV-KLIMA 프로젝트의사례인데, 여기서경감인자는기후별로다양한모듈에대해계산하였다. 추정한모듈성능비 (MPR Calc ) 는 5 개의개별경감인자를고려하여아래선형방정식에따라계산한것이다. MPR calc = 1 + MPR TEMP + MPR LIRR + MPR MMF + MPR AOI + MPR SOIL 선형성능손실분석 (LPLA) 이라부르는이접근방법에서, 옥내에서측정한태양광모듈의특성을사용하여기후별로계산한손실항목 ΔMPR 에해당하는메커니즘과측정된기상데이터는서로분리되어있다. 전기적으로안정한태양광모듈의 MPR 에영향을미치는손실메커니즘은온도 (ΔMPR TEMP ), 낮은조사강도 (ΔMPR LIRR ), 분광불일치 (ΔMPR MMF ), 각도손실 (ΔMPR AOI ) 및오염 (ΔMPR SOIL ) 이다. 손실항목 ΔMPR 의정의는, 손실은네거티브숫자로확인되고, 이득은포지티브숫자로확인된다는것을의미한다. 각손실항목은특정성능손실항목의조사강도가중평균으로부터계산할수있다. 다른기후에서작동하는서로다른태양광모듈유형의경우, 이들손실인자들의양은크게다를수있다. 계산을단순화하기위해영향인자들은서로독립적이라고가정한다. 개별영향들의합계역시설치조건에따라크게달라진다. 최적설치장착조건에서는결과가유효하다. 개별인자의영향은설치장착조건이최적이아니면더커진다. 태양광모듈이서로밀접하여설치되었거나지붕일체형인경우온도에의한손실은증가한다. 낮은조사강도의부분과그손실역시최적설치방향이아니거나경사지게설치되었을경우증가한다. 설치방향이최적이아닐경우평균적으로단파장 (blue shift) 이예상될수있는데, 이는계절적인영향을더증가시키게된다. 옥외측정출력값과라벨에표시된값과의편차도고려하면서, 측정된 MPR 과계산된 MPR calc 사이의차이를계산하였다. 시료가전기적으로안정할경우, 결과는셀기술과는무관하다. 비록이차영향은무시할수있지만, 측정된수율대비하여이방법으로추정한수율과의편차는시험한 60 개모듈대부분에서 ±3 % 이내이다. 편차가더심한것은기본적으로안정되지않은성능과대표성이없는 P max,outdoor 때문이라는결론에이른다. 각개별영향인자들을분리시키고그특성을최적화함으로써결과를더개선할수있을것이다. 67

66 그림 16: 4 개위치에서측정된 3 가지모듈유형의선형성능손실분석 [10]. 7.2 기후별모듈데이터의비교 벤치마킹이나혹은열화율은기상과지역조건에따라크게달라진다. 그러므로다른기후에서의 측정은기술적차이를확인하고이해를높이는데매우중요하다. 태양광모듈의에너지수율성능은독일이지원한 PV-KLIMA 프로젝트의범주에서광범위하게연구되었다. 유형이다른 15 개태양광모듈에너지수율의비교측정이 3 년의기간에걸쳐 5 개시험위치에서조사되었다. 각태양광모듈은하나의전자부하에연결되고, MPP 데이터는조사강도 ( 경사면글로벌, 수평면글로벌, 수평면확산, 법선면직달 ), 면내분광조사강도 ( 파장 300~1600 nm 범위 ), 주위온도, 상대습도, 풍속및풍향과함께기록되었다. 이렇게얻은데이터베이스를사용하여태양광모듈의종합적인성능손실분석이이루어졌다. 표 7 은각위치에서의기후조건범위를보여준다. 작동조건이크게달라짐으로써태양광모듈의에너지수율순위가사이트에매우의존적이되었다. 표 7: PV-KLIMA 프로젝트내에서 TÜV Rheinland 가운영한에너지수율시험위치. 유리 / 백시트 구조를가진표준 c-si 태양광모듈의가중평균모듈온도가주어져있다. 위치 연간태양 복사량 / 경사 각도 200 W/m² 이하조사강도의비율 가중평균 모듈온도 ( > 15 W/m²) 포톤 평균에너 지 (APE) 연간 강수량 Cologne (Germany) 1195 kwh/m² % 30 C 1,68 ev 774 mm 68

67 Ancona (Italy) Chennai (South-East India) Tempe (Arizona, USA) Thuwal (Saudi Arabia) 1556 kwh/m² kwh/m² kwh/m² kwh/m² % 34 C 1,67 ev 757 mm 9 % 45 C 1,71 ev 1197 mm 5 % 46 C 1,68 ev 219 mm 4 % 45 C 1,70 ev 70 mm 다양한기후조건에서시험한다양한태양광기술에대한주요발견 태양광모듈의에너지수율성능은 MPR 값으로표현하는데, 계절적영향과일년전체에대한변화 분석을위해통상월간단위로계산한다. 서로다른태양광모듈의에너지수율을비교하기위해 연간 MPR 값을기준으로하였다. 그림 37 은에너지수율비교결과를보여준다. 모듈유형에따라최고와최저사이에상당한차이를보여주고있는데, 이는온도, 조사강도, 분광영향및입사각영향을조합한것이다. Ancona ( 지중해 ): 12% Cologne ( 중간 ): 14% Tempe ( 매우건조 ): 21% Chennai ( 열대 ): 23% 그림 36 에나타낸바와같이, 시험위치사이의성능차이는주로온도영향때문으로간주할수 있다. MPR 값의스프레드는가중평균모듈온도및 P max 온도계수와함께증가한다. MPR 스프레드는 5 %(CdTe1) 에서 14 %(CIGS1) 범위이다. 69

68 그림 17: 지중해, 중간, 매우건조및열대기후를대표하는 4 개위치에서측정된태양광모듈 유형별 MPR 값 [10]. 다양한기후에서시험한태양광기술별성능수치 기후별로모듈데이터를나타낼수있는또다른방법이이전 IEA Report 에서 소개되었는데 [107,108], 이방법은 IV-곡선을필요로한다. 제안된방법은위치별로측정기간을달리하여많은수의모듈들을비교할때특별히유용하다. 모든데이터가일년기간으로단일플롯에포함되는데, 이방법은비가역적인열화나혹은열화율조사용도의경우에는적용할수없다. 최대출력 (PR(P max )) 과단락전류 (PR(I sc )) 의일간성능비는모듈의성능을특성분석할때핵심파라미터로사용된다. 이방법의기본아이디어는, PR(I sc ) 로 PR(P m ) 수치들을정규화시키는것을바탕으로하는자기언급 (self-referencing) 접근방식이다. 이런방식으로조사강도센서교정과분광영향으로인한스프레드를줄일수있고, 조사강도와온도의존성을보다쉽게분석할수있게된다. 그림 38 과그림 39 는 7 개의다른위치 ( 노르웨이, 영국, 독일, 미국, 스위스, 프랑스, 70

69 사이프러스 ) 에서측정한 c-si 와 a-si 모듈 (a-si, a-si/μ-si, a-si/a-si, a-si/a-si/a-si) 에대한사례를 보여주고있다. 정규화시킨그래프는각기술별로전형적인조사강도와온도의존성을보여준다 (ΣIsc/Isc,stc)/(ΣG/1000) Norway UK Germany USA Switzerland France 0.2 Jan Feb Apr May Jul Sep Oct Dec (ΣPm/Pm,stc)/(ΣG/1000) Norway UK Germany USA Switzerland France 0.2 Jan Feb Apr May Jul Sep Oct Dec Norm. (ΣPm/Pm,stc)/(ΣG/1000) Norway UK Germany USA Switzerland France 0.2 Jan Feb Apr May Jul Sep Oct Dec Norm. (ΣPm/Pm,stc)/(ΣG/1000) Norway UK Germany USA Switzerland France 0 1'000 2'000 3'000 4'000 5'000 6'000 7'000 8'000 9'000 Daily irradiation H [Wh/m²] Norm. (ΣPm/Pm,stc)/(ΣG/1000) y = x ɣ=-0.45%/ C Norway UK Germany France USA Switzerland daily avg. irradiance weighted module temperature [ C] 그림 18: 위치별로측정한 6 개 c-si 모듈의일간성능비 PR(P max ) ( 상단 / 우 ) 와 PR(I sc ) 상단 / 좌 ) 로분석한접근방법의사례. 스텝 1: 정규화시킨성능비기준 PR(P m ) 에통합. 스텝 2: 일간조사강도 ( 하단 / 좌 ) 와조사강도가중평균모듈온도 ( 하단 / 우 ) 의존성에서의플롯. 71

70 (ΣIsc/Isc,stc)/(ΣG/1000) Norway 0.6 UK Germany USA 0.4 Switzerland France Cyprus 0.2 Jan Feb Apr May Jul Sep Oct Dec (ΣPmax/Pmax,stc)/(ΣG/1000) Norway UK 0.6 Germany USA 0.4 Switzerland France Cyprus 0.2 Jan Feb Apr May Jul Sep Oct Dec 1.2 norm. (ΣPmax/Pmax,stc)/(ΣG/1000) Norway UK 0.6 Germany USA 0.4 Switzerland France Cyprus 0.2 Jan Feb Apr May Jul Sep Oct Dec Norm. (ΣPmax/Pmax,stc)/(ΣG/1000) Norway UK Germany USA Switzerland France Cyprus 0 1'000 2'000 3'000 4'000 5'000 6'000 7'000 8'000 Daily irradiation H [Wh/m²] Norm. (ΣPmax/Pmax,stc)/(ΣG/1000) y = x ɣ=-0.18 %/ C 0.8 Norway UK 0.6 Germany USA 0.4 Switzerland France Cyprus daily avg. irradiance weighted module temperature [ C] 그림 39: 위치별로측정한 7 개 a-si 기반모듈의일간성능비 PR(P max ) ( 상단 / 우 ) 와 PR(I sc ) 상단 / 좌 ) 로분석한접근방법의사례. 스텝 1: 정규화시킨성능비기준 PR(P m ) 에통합. 스텝 2: 일간 조사강도 ( 하단 / 좌 ) 와조사강도가중평균모듈온도 ( 하단 / 우 ) 의존성에서의플롯. 72

71 7.3 모듈성능손실율 방법론여기서는, IV-곡선혹은최대출력값을측정할때태양광모듈의성능손실율 (performance loss rate: PLR) 을평가하는데사용되는방법론의개요를소개하고자한다. 여기기술한방법의일부는태양광시스템용 [109,14,110,111,112,113] 으로개발된것이지만모듈수준에서도충분히적용할수있다. 수명기간의여러단계에서태양광모듈의옥내특성분석을통한 PLR 의평가와관련한주제는여기에서다루지않는다. 일부기술, 특히박막은소재자체에서의안정화프로세스때문에작동후처음몇달동안에현저한성능손실을보여준다. 초기단계에서가파른특징을보여주는 PLR 은이어서좀더안정된 ( 장기 ) 성능손실거동으로이어진다. 그림 40 은작동시작 6 년동안 2 가지기술 (mc-si 과 a-si) 을비교한사례이다. mc-si 모듈의경우는명백하지않지만 a-si 모듈에서일어나는초기성능손실을강조하기위해성능의초기값을함께나타내었다. Si polycrystalline %/year (6 years loss = -3.1%) 그림 40: INES 에서측정한작동시작후 6 년동안 mc-si( 좌 ) 와 a-si( 우 ) 모듈의성능거동. 적색 : 초기성능. 흑색점선 : 성능손실의추이. 여기서소개한방법은초기와장기 PLR 둘다를추출하는데에도적용할수있다. PLR 의계산은시계열성능지표로부터하나의추이를추출하는데있다. 효율적인측면에서다음과같은문제에대해특별한주의가필요하다. 가용한데이터의길이 : 신뢰할만한 PLR 의평가를위해서는적어도 3 년에서 5 년의시계열데이터 ( 채택한방법뿐아니라기술에의존 ) 가있어야한다. PLR 계산용으로가용한여러방법의 73

72 정확도는가용한시계열의기간과함께증가하고, 그리고여러방법으로얻은결과들은유사한 값으로수렴하는경향이있다 [109,14]. 계절적변동과특이값 (outliers): 여러방법의정확도는태양광모듈 / 시스템성능의연간 변화폭에의해크게부정적인영향을받는다. 이는특히결정질실리콘제품의경우에그러하다. 이런이유로, 특이값을제거하기위해적절한필터링테크닉을채택하고, 성능값을기준 조건 ( 예 : STC) 세트에맞추어보고하기위해보정테크닉을채택하고, 그리고계절적 변동 ( 결정적평활화 (smoothing)) 을축소하는데있어특별한주의가요망된다 [110,111,114]. 하나의대안으로, 계절적변동의크기로부터하나의추이를독립적으로추출하는통계적인 방법을적용할수있다 ( 통계적평활화 ) [112,113,115,116,117]. 일반적으로 PLR 의계산은하나의성능지표 (metric), 하나이상의필터링과보정테크닉및하나의 통계적방법을필요로한다 성능지표 성능지표는특정시간범위 ( 일, 주, 월, 년 ) 동안태양광모듈 / 시스템의성능을기술하는하나의 지수 (index) 이다. PLR 를계산하는데사용되는가장흔한성능지수는, 모듈 / 어레이성능비, 모듈 / 어레이 PVUSA, MPP 에서모듈 / 어레이 DC 출력이다. 가능할경우이들지수들은, 조사강도, 모듈온도및때때로스펙트럼측정을사용하여 STC 에보정한다. 모듈 / 어레이성능비 태양광시스템의경우, 성능비 PR 은다음과같이정의된다 [118]: PR = Yo YH 여기서 Y f 는최종수율로설치된 kw 당발전된 AC- 에너지이고, Y r 은기준수율로어레이면 (POA) 조사강도 G i 와 STC 조건에서의조사강도의비이다 절에서이미기술한것과같이특정모듈의 PLR 을계산하기위해 MPR 을사용할수있다. 거기에서의 PR 은설치된 kw 당발전된 DC- 에너지를바탕으로한것인데, 여기에서는 Y f 대신 모듈 / 어레이수율 Y a 로표시된다. MPR = Yd YH MPR 방법의장점은조사강도에의정규화이다. 그러나강한온도의존성은 MPR 지표의강한 계절적변동에반영된다. 모듈 / 어레이 PVUSA PVUSA (Photovoltaics for Utility Scale Applications) 지표는 1990 년대에 NREL 이개발한 방법으로 [119], 성능시험조건 (performance test conditions: PTC, 법선조사강도 1000 W/m 2, 주위온도 20 C, 풍속 1 m/s) 하에서태양광모듈 / 시스템의성능을평가하기위한것이었다. 이 방법은아래매개변수화방정식에따라 MPP (P max ) 에서측정된모듈 / 시스템출력과측정된 어레이면조사강도 (G i ), 풍속 (w) 및주위온도 (T amb ) 사이에가장적합한 (best-fit) 상관관계를 수행한다. 74

73 PndP = Gd(d + a Gd + e p + d Tdna) 파라미터 a, b, c, d 는 PTC 조건에서의출력을추정하는데사용된다. 이방법은모듈 / 어레이 성능비방법보다는훨씬더많은수의변수를포함하지만, 특별히온도와바람의냉각효과를 고려하기때문에더잘작동될것으로예상한다. MPP 에서의 DC- 출력 MPP 에서의 DC- 출력은가장간단한파라미터로, PLR 의계산용으로사용할수있다. 그러나이는 조사강도, 온도및분광효과에의해크게영향을받는다. 이런이유로이파라미터는아래에 기술한것과같이, 항상필터링및보정테크닉과결합하여사용한다 필터링과보정기법 특이값을제거하고성능의계절적변동을약화시킬수있는테크닉의채택은결과의정확도에 크게영향을미치는데, 특히시계열성능값 ( 다음절참조 ) 에대해어떤평활화 (smoothing) 도 이루어지지않았을때그러하다. 가장적절한필터와보정세트는일반화될수없고특정상황에 따라달라진다. 예를들어, 태양광모듈 / 시스템과조사강도센서가서로멀리떨어져있다면, 두 요소가서로다른조사강도값을기록하는상황 ( 특별히단거리에장애물이존재할때 ) 에해당하는 성능값은배제해야한다 [120]. 이를이행하는적절한방법은, 한계값 PR ± n σ 를초과하는 PR 의 순간값을배제하는것이다. 여기서 PR 은정의된기간에서 PR 의평균혹은최빈수 (mode) 이고, σ 는표준편차, n 은희망하는출력이더높거나낮음에따라선택한다. 정규 (Gaussian) 분포를따라 값들이합리적으로분포되었다면앞의조건이적용될수있다. 또다른가능한필터는선택된성능 지표 (metric) 와관련된다. 예를들어, 800 W/m 2 보다더높은어레이면조사강도하에서계산할 때는 PVUSA 지표가더정확하다는것이실증되었다 [121]. MPP 에서측정된 DC-Power 에적용된가장흔한보정은조사강도와온도영향과관계된다. P coyy = P G BSC G γ(t c T BSC ) 여기서 γ 는출력온도계수 (%/ C), G STC 와 T STC 는 STC 조건에서의조사강도와모듈온도이다. 측정하지않을때셀온도는문헌에있는가용한공식으로계산할수있다 [122]. 분광효과를반영하기위해 [109], 즉 AM1.5 스펙트럼을기준으로한조사강도스펙트럼으로보고하기위해추가적인보정을적용할수있다 [124]. 실제, 분광데이터가가용할때 ( 측정된것이거나혹은 절에기술한것과같이시뮬레이션한것이거나 ), 분광보정은 PLR 추정을위한선형회귀불확도의감소에기여하는데, 그림 41 에보는바와같이결정질실리콘기술에서특별히그러하다. 이사례에서 PLR 은, Bolzano( 북동이탈리아 ) 에설치된 24 개각기다른태양광시스템의 3 년연속 DC-출력을선형회귀로계산한것이다. 서로다른필터링과보정테크닉세트를적용하여얻은선형회귀의불확도가비교되어있다. 75

74 그림 41: 서로다른필터링과보정테크닉을사용한, 3 년연속월간 DC- 출력에대해선형회귀를 사용한 PLR 계산에서의회귀불확도. IV-곡선을옥외에서측정할때, STC 조건에서의주요파라미터 (I sc, V oc, FF 및 P max ) 를추출하기위해서는 IEC 규격에따라보정을해야한다 [125]. STC 조건으로 IV-곡선을보정한사례는그림 42 와같다. 그림 43 은하나의기술에대해 STC-보정한시계열 IV-곡선파라미터를보여준다 [13]. 그림 42: IEC 에따라측정된 IV- 곡선을 STC 조건으로보정. 76

75 그림 43: IEC 에따라 STC 조건으로보정한일부시계열 IV- 곡선파라미터 (P max, FF, V oc ). 표시된값들은하나의 a-si 시료이다 통계적기법 일단일련의시계열성능지수가가용하면, 하나의추이를추출하고 PLR 을계산하는데하나혹은더많은통계적테크닉이필요하다. 다음은문헌에소개된것들이다. 선형회귀 (linear regression) 단순혹은이중주기성피트 (simple- or dual-periodicity fit) 고전적시계열분해 (classical time series decomposition: CSD) 논리적회귀를사용한계절적추이분해 (seasonal trend decomposition) (LOESS) 문헌에서찾을수있는또다른통계적테크닉은자기회귀이동평균 (autoregressive integrated moving average: ARIMA) 이다 [123]. 선형회귀선형회귀는성능지표의시계열월간값을피팅할수있는가장간단한방법이다. 일반적으로이테크닉은모든시리즈데이터에적용할수있지만, 일부경우에는초기성능손실 (6 개월의작동때까지지속 ) 이명백하고, 초기와이어지는기간에대해 2 개의다른선형회귀를적용할수있다. 선형회귀는다음과같이표시된다. 77

76 X = d t + a 여기서, X 는포괄적인성능지표, t 는시간범위에서의누진수 ( 일, 월등 ), a 와 b 는회귀계수이다. PLR 은다음과같이계산한다. PPR = 12 m b 후자는또한상대적인 (relative) PLR 로부르기도한다. 문헌에서는또다른정의가사용되는데, 여기서 PLR 은 12*a 로계산되며, 이는절대적인 (absolute) PLR 에해당한다. 그러므로 2 가지정의 중에어떤것을사용하느냐에따라특별한주의가필요하다. 그이유는일부의경우에는 PLR 을 정의하는공식이보고되지않아오해가일어날수있기때문이다. 그림 44 는 c-si 와하나의박막기술을대상으로 3 개의서로다른성능지표 조사강도, 온도및 분광효과를보정한 PR, PVUSA, DC- 출력 - 에적용된선형회귀를보여준다 [109]. 그림 44: 조사강도, 온도및분광효과를 STC 에보정한 3 년기간의시계열월간 PR, PVUSA, DC- 출력의선형회귀. 단순혹은이중주기성피트시계열성능지표를더잘피팅하기위해, 단순혹은이중주기성피팅을적용할수있는데, 특히계절적변동이명백하고, 이것에대한만족스런보정결과를얻지못할경우에그러하다. 아래와같이정의되는선형의장기추이를포함하는계절함수에시계열을피팅시켰다. 단순주기성피트 : 이중주기성피트 : X = A 0 Hdn 2π s τ + dt + a S X = A 0 Hdn 2π s S τ 1 + A 1 Hdn 2π s 2S τ 1 + dt + a 여기서 X 는포괄적성능지표, A 0 와 A 1 은계절적진동, t 시간변수 ( 일, 월 ), T 는각각의주기성 ( 월간값의경우 12, 일간값의경우 ), τ 는계절적거동의시간오프셋, a 는장기선형추이, b 는데이터의오프셋이다. 계수 a 와 b 는 PLR 계산용방정식에결합된다. 단순혹은이중주기성은그복잡성에서다를뿐아니라이중주기성피팅이가을과봄사이거동차이를더잘 78

77 잡아내는점에서도다르다. 이아이디어의가능한확장은하나의선형감퇴 (linear decline) 를가진 Fourier 와같은확장이다. 그림 40 (a) 와 (b) 는 Bolzano 에있는 4 kwp 시스템의 66 개월기간시계열월간성능비값에대해두가지방법을적용한사례이다. 고전적시계열분해 (CSD) 고전적시계열분해를위해, 12 개월에걸쳐대칭적인이동평균을사용하여추이를컴퓨팅한다. s+5 s+6 X mom (t) = X(t) + 1 X(t) s 6 s 5 여기서 X 는포괄적인성능지표, t 는시간변수 ( 일혹은월 ) 이다. 이방법은성능지표의값을보정하기보다는수학적으로평활화하기때문에계절적변동을감소시킬수있다. 이전과마찬가지로, PLR 을계산하기위해선형회귀를평활화된시계열에적용한다. 이동평균은 6 개월만데이터내에들어가므로나머지의추이에대한정보는초기와마지막 6 개월에서는없다. 그림 40 (c) 는 Bolzano 에있는 4 kwp 시스템의 66 개월기간시계열월간성능비값에대해두가지방법을적용한사례이다. 논리적회귀를사용한계절적추이분해 (LOESS) 문헌 [126] 에기술된이기법은비선형관련성을추정하는데사용하는계절적추이분해와 LOESS 방법을결합한다. 이는앞의방법과유사하다고볼수있는데, 추가적인특징으로여기서는시계열에서 (CSD 를사용할때빠진것들 ) 의처음과마지막달에대해서도역시하나의추이요소를찾아내기위해다양한내부회귀루프 (internal regression loops) 를사용한다. 다른한편으로앞의것보다훨씬더복잡하다. PLR 의값을계산하기위해서는, 앞의방법과마찬가지로선형회귀를평활화된시계열에적용한다. 그림 45 (d) 는 Bolzano 에있는 4 kwp 시스템의 66 개월기간시계열월간성능비값에대해이방법을적용한사례를보여준다. 79

78 그림 19: Bolzano 에있는시스템의 66 개월성능비값에대해적용된여러가지통계적테크닉의사례들. (a) 단순주기성피트, (b) 이중주기성피트, (c) 고전적시계열분해, (d) 논리적회귀를사용한계절적추이분해. 각그림에서, 위로부터 : 오리지널시계열월간 PR, 계절적요소, 장기추이, 나머지. 80

79 8 측정불확도분석 설문조사는모듈의옥외성능이나수율시험에서의불확도추정에대한통일성과가용성이부족함을강조하였다. 15 개기관중 7 개만이불확도내용을신고하고있다. 6 개기관은순간적출력측정 P max 의불확도를추정하고, 그 6 개중 5 개기관은 E, H 및 MPR 총계에대한불확도도보고한다. 한개기관을제외하고나머지모든기관은그계산을 GUM 규격에바탕을두고있다 [136]. 단지 2 개기관만이자체의접근방법을공개하였다 [31,16]. 신고된불확도는에너지 (E) 의경우에는 1~2 %, 입사조사량의경우는 1.5~4.1 %, MPR 은 4~6 % 범위이다. 8 장에서는측정불확도계산에적용할수있는일부일반적인규칙을제공하고, P stc, H, E 및통상적으로유도한성능지표 Y a, MPR 에대한단일기여요소를소개하고자한다. 태양광시스템 PLR 에서의불확도를어떻게결정하는지에대한기술은 Belluardo 의작업에제공되어있고, IEA Report 에요약되어있다 [27]. 이방법은태양광모듈 PLR 계산용방식과동일하게적용할수있다. 8.1 서론 절에서이미기술한바와같이, 에너지산출량 E 는측정된출력을시간에걸쳐적분한 것이다. 통상적으로유도하는 2 개의성능지표는특정모듈수율 Y a 및모듈성능비 MPR 이다. Yd = E P Dsc MPR = E P Dsc Hd 1000 이들파라미터는 STC 출력 P stc 와측정된입사조사강도 G i 를시간에걸쳐적분한태양조사량 H i 의측정에의존한다. P stc 와대조적으로, E, Y a 및 MPR 값들은고유의것이아닌데, 이는모듈에너지용의기준조건이특별하게명시된것이아니기때문이다. 이들값은모듈과입사에너지의모니터링과이들파라미터측정과관련불확도평가를필요로한다. 시험모듈의순간적인출력생산은주위온도, 바람조건, 조사강도스펙트럼확산조사강도의비율, 입사각및총조사강도에따라변한다. 날마다계절적사이클로변화하는이들작동조건들을추적하고기록할수있지만일련의특정기준조건에정규화시킬수는없다. 핵심성능지표 E, Y a 및 MPR 에대한불확도분석은 5 장에서논의한품질제어와유지관리관행을따른다고가정한다. 그렇지않으면추가적인불확도가포함되어야한다. 통상적으로분석은어떤준안정성을무시하고, 시료는안정된상태에있다고가정한다. 그렇지않는경우라면, 특정에너지수율과모듈성능비에약간또는그이상의상당한변화가일어나게된다. 비정질실리콘에서일어나는광유도열화와열어닐링 [98], 결정질실리콘에서의초기광유도열화 [137], CdTe 및 CIGS 에서의다른준안정성 [138,139] 이그대상이다. 그리고모든사이트에서의모듈설치장착은, 특히지면위거리유지는정확하게동일한방식으로이루어진다고가정함으로써 4.1 장의지침에따라열적및알베도차이가최소화될수있다. 81

80 적절히설계된시험사이트의경우, 일출과일몰가까이를제외하고는모듈에음영이없어야한다. 측정된조사강도는, 비록알베도와음영이조사강도를불균일하게만들더라도시험면에서의평균조사강도라고가정한다. 전류-전압및최대출력측정은 4.2 장의지침에따라이행한다. 그리고먼지축적과열화같은파라미터역시에너지수율에영향을미친다. 이들작동파라미터가 Y a 와 MPR 에미치는영향은분석에서고려되어야한다. 8.2 불확도분석방법론 측정에서의불확도표현을커버하는 ISO 가이드 [136] 는국제적으로인정된일련의문서로, 모든 측정프로세스에서의불확도분석을규격화하고, ISO 인정을받은모든시험기관들이이를 따르도록요구한다. ISO 가이드에따라파라미터 X 의확장불확도 U 는다음과같이나타낸다. U X = k H 2 ih i k i 여기서 k 는포함인자 (coverage factor) 이다. 통상적으로 k=2 가사용되는데, 이는약 95 % 의신뢰수준을가진불확도간격을정의한다. 확장불확도는 Type A 와 Type B 불확도가조합된것이다. Type A 불확도는통계적방법 ( 예 : 독립측정의표준편차 ) 으로평가한다. 분광불일치인자같은일부불확도요소는 GUM 에기술된몬테카를로방법을사용하여평가할수있다. Type B 불확도는여타모든오차요인들을커버하며제조업체의사양서, 교정결과및실험적혹은평가정보를포함할수있다. GUM 증보판 JCGM 101:2008 측정데이터의평가 (Evaluation of measurement data) - Supplement 1 측정에서의불확도표시가이드 (Guide to the expression of uncertainty in measurement) 몬테카를로방법을사용한분포의전파 (Propagation of distributions using a Monte Carlo method) 가몬테카를로테크닉을어떻게사용하는지기술하고있다. 다시위방정식과관련하여, 파라미터 X 의표준불확도요소 u i 는포함인자 k i 를가지고있다. 불확도요소의분포는, 만약표준편차와같이통계적방법을사용하여도출한것이거나혹은포함인자 2 를사용하는교정기관이제공한것이라면통상적으로정규곡선이다. 확률이전체불확도간격에대해동일하면불확도는직사각형분포를가질수도있다. 직사각형분포의경우, k i = 이사용된다. 평가프로세스를단순화하기위해불확도를모두백분율로표시할수있다. 이접근방법은에서는민감도 s i 가통일이되는데, 그래서 s i 를얻기위해모든다른파라미터에대해관심파라미터의편미분을해야하는수고를덜어준다. 온도혹은분광보정과관련되는것과같은결과물로표시될수없는불확도요소는별도로취급하고, 그들의요소는위방정식에있는다른불확도요소와조합한다. 8.3 단일불확도기여요소들 STC 출력 U Pstc 에서의불확도 STC 에서최대출력산출량 P stc 의불확도를계산하는절차는, ISO 의해당불확도분석을준수하는교정기관들간의여러차례에걸친국제상호비교를통해제정되었다 [140,141]. 이불확도는특정에너지수율 Y a 와모듈성능비 MPR 의불확도결정에사용되기때문에매우중요하다. 조사강도측정의불확도와함께이는실제로그기여도가가장크다. 82

81 P stc 에서의불확도는교정기관으로부터받은모듈교정에의해결정할수있다. 이경우교정기관은 U Pstc 를 95 % 신뢰한계의불확도값으로인용하는데, 그값은통상 ±1.3~±3 % 이다. 만약 U Pstc 가 IEC 모듈적격성시험을통과한모듈의데이터시트로부터얻어진것이면일반적인불확도가 ±5 % 로좀더높다. 만약연구자가 U Pstc 를평가한다면, 기준셀불확도, IV 시스템측정불확도, 공간적불균일, 스펙트럼오차, 온도오차, 접촉오차, 준안정성오차를포함한다양한요소의불확도가포함되어야한다 [146,147,148,149,99,150,151,152,16,26]. 자연태양광하의옥외측정에비해옥내에서솔라시뮬레이터하에서측정될때 P stc 에차이가있을수있다. 자연태양광이더선호되는조건이거나혹은 NREL, ASU, Sandia 및 ESTI 에서준수하는절차와같이세심하게제어된조건일수있는데, 이들시험기관에서는조사강도, 온도와분광조건을거의 STC 조건이되도록엄격히제어하고있다 [150,151,153] 조사강도 U G 와조사량 U H 에서의불확도 조사강도센서로측정한조사강도 G 에서의불확도 U G 는, 입사각, 확산대비직달의비, 공기온도, 지면반사율및문헌 [27] 에상세히논의된다른인자들과관련된오차요인들을포함한다. 기준셀혹은일사량계로측정된광대역조사강도에서의불확도는 절에서논의하였으며여러그룹들에의해평가되었다 [154,155,156,157, 158,159]. ASTM 규격 일사량계와직달일사량계로광대역조사강도의교정과현장측정에서의불확도평가표준가이드 (Standard Guide for Evaluating Uncertainty in Calibration and Field Measurements of Broadband Irradiance with Pyranometers and Pyrheliometers) [160] 은최신의일사량계교정에 ISO GUM 을적용하는것에대한지침을제공한다. 주어진사례는, 데이터를아침과오후로그룹을짓고, 천정각의함수로 2 도폭의빈으로만드는것에대한것이다. 이렇게빈을만들면, 낮시간의존불확도를평가하는데필요한데이터를제공하는것외에도어떤수준측량오차의관찰이나다른시간대의존성의보정을가능하게한다. 단일센서를사용한 G i 측정에서의불확도는탐지기의교정절차에크게의존한다. 예를들어단일센서를분광보정없는열탐지기를사용하여옥내에서교정할때는, 95 % 신뢰도를가진불확도가 8 % 를초과할수있다 [161,162,163]. 온도보정을한봉지된실리콘탐자기의경우, 옥외교정불확도는 1 % 로낮고 [164], 최신일사량계의경우는통상 3 % 정도가된다 [155,154]. 95 % 신뢰구간을토대로한, 조사량 H 에서의불확도는다음과같이계산한다. U T = 2 U G 측정된최대출력 U Pmax 에서의불확도 자연태양광하에서측정된출력 U Pmax 의불확도추정과관련된많은자료들이있다 [146,149,99,148,151]. 모듈에대한일반적인불확도추정은문헌 [16] 에제공되어있다. 태양광에너지가조사강도, 온도, 분광혹은입사각변화를감안하는보정이되지않으면, E 에서의불확도는태양광모듈출력 (U mpp ) 을측정하기위해사용한장비의불확도에의해지배된다. 이들불확도는최대출력점트랙킹오차, 용량성영향, 태양광모듈 2-선연결시의저항손실, 최적이아닌측정범위및이전에논의한다른하드웨어관련오차를포함한다. 83

82 95 % 신뢰구간 P max 의불확도는다음과같이계산한다. U Pmmm = 2 U mmm 핵심성능지수 U E, U Ya 및 U MPR 에서의불확도 핵심성능지표불확도의결정을위해서는시험시설전체를고려하여야한다. 불균일영향과정렬 상의오차도고려되어야한다. 첫번째어려움은설치랙에서의평균조사강도결정에있는데, 이는알베도와인근음영에의해 영향을받는다. 동일한조사강도에서균일한빛에비해불균일한빛에서는모듈전류가 감소한다 [142]. 이런조정은, 측정된에너지에오차요소를추가하는방식으로모듈에서의불확도 분석에포함시킬수있다 [143,144,145]. 또한여러가지환기와통풍및열대류영향으로인한 열적불균일성도고려되어야한다. 4 장에서의권장사항을따름으로써, 불균일성 (U U ) 에기인한 대부분의오차는표 8 의불확도목록으로한정시킬수있다. 모듈사이의정렬불량뿐아니라시험면과조사강도센서사이의정렬불량도역시불확도 (U A ) 에 고려된다. 데이터포인트사이의시간간격과포함시키거나폐기해야할포인트의결정역시통합핵심 성능지표 (KPI) 의정확도에상당한영향을미친다 [165,166,167]. 데이터기록간격과데이터 가용성에대한 절의권장사항이준수된다고가정하면, 시간에대한출력적분과관련되는 오차는무시할정도라고간주할수있고에너지에서의불확도는출력에서의값과같게된다. 그렇지않다면, 적분시간에관련한오차요인이추가되어야한다. 그리고만약최대출력과 조사강도가같은시간에측정되지않는다면, 빛의변동폭과데이터의동기화에기인하는불확도가 MPR U MPR 의불확도에추가된다. 이들시간관련 2 가지불확도 (U T ) 는최소화해야한다. 목록에있는모든기여분을고려할때, E, Y a 및 MPR 의 95 % 신뢰구간불확도는다음과같이 계산할수있다. U E = 2 U Pmmm U S U A U U 2 2 U Ya = 2 U 2 E 2 + U 2 P sss 2 + U 2 S 2 + U 2 A 2 + U 2 U 2 U MPR = 2 U 2 P sss 2 + U 2 E 2 + U 2 T 2 + U 2 S 2 + U 2 A 2 + U 2 U 2 표 8 은전형적인값을가진단일불확도의지배적인오차요인들을요약한것이다. 84

83 이미논의한바와같이계산된불확도는역시경과시간 (time period) 의함수이다. 특정연도, 달, 일 및시간동안의적분양은서로다른불확도를갖는다. 따라서경과시간은불확도숫자와함께 항상명시되어야한다. 85

84 표 8: U Pstc, U G, U H, U Pmax, U E, U Ya, U MPR 에서의지배적인오차요인들. U PP 최대출력점오차, U T 시간에기인하는오차, U A 정렬에기인하는오차, U u 균일성에기인하는오차. 오차요인값 k 코멘트 STC 출력 : U Pstc 모듈교정 1.3~3% 2 인정시험기관정확도 > 3% 2 옥외데이터의 STC 보정 데이터시트값 ( 모듈교정의 대체 ) 조사강도 / 조사량 : U G, U H > 3% 2 제조업체허용치 ( 측정불확도포함 ) 센서교정 1.0~5% 2 온도보정한분광일치기준셀 2~8% 2 전형적인일사량계교정 교정드리프트 (%/year) 0.5~1% 2 오염영향, 센서교체 모듈성능 : U Pmax, U E, U Ya, U MPR 출력, U mpp 전류 / 전압측정 0.05~0.1% 2 데이터습득오차 1% 2 최적이아닌측정범위선정으로인한오차 최대출력 0.1~1.5% 2 최대출력점트랙킹에서의오차, 장비의온도오차 예상이상의온도범위 (-10 to 30 C) 0.0~1.0% 2 22 C 에서교정, 더넓은범위에서사용 저항손실 0~50% 2 2- 선대 4- 선측정 용량성영향 0~50% 2 모듈기술과주사속도에의존 시간, U T 동기화 0~1% 2 출력과조사강도의동시혹은별도측정. 안정된혹은변동성천공조건 정렬, U A 모듈 / 센서그리고 모듈 / 모듈 0~5% 2 평균입사각에의존. 60 입사각에서 0.5 도 정렬오차는 1.5 % 불확도, U U 조사강도 1% 2 단일모듈, 대면적, 알베도등 온도 1~4 C 2 단일모듈, 대면적, 바람, 설치장착등 86

85 8.4 상대불확도 동일한조사강도조건에서 2 개의모듈을나란히측정할때 MPR 혹은 Y a 에서의차이는각각 ΔMPR 혹은 ΔY a 로알려져있으며모듈의벤치마킹용으로사용된다. 상대적인측정의경우, 표 8 에있는불확도의많은부분은무시할수있다. 특히조사강도측정에따른가장높은기여도를완전히무시할수있다. 시험시설의모듈들은동일한하드웨어로측정되고, STC 출력은통상적으로동일한시험기관에의해결정되는데, 솔라시뮬레터의조사강도를설정하는데사용되는기준셀교정으로인한것과같은일부전형적인오프셋오차는 0 으로설정될수있도록한다. 이렇게하면합성 (combined) 불확도를크게줄일수있다. 그림 46 은불확도가어떻게 MPR 로부터 ΔMPR 로변화하는지를보여주는하나의사례이다. 시험사이트의불균일성이다른측정불확도에비해지배적인요소가된다. 합성측정불확도 U MPR (k=2)=4.5 % 합성측정불확도 UΔ MPR (k=2)=1.5 % 그림 20: MPR 과 ΔMPR 의합성측정불확도에서의단일기여요소들 87

86 9 요약과결론 PVPS Task 13 컨소시엄내에서수행한설문조사는, 아래항목들의반복사용으로증명된바와같이측정정확도와시험시설의과학적인상세내용이일반적으로매우높다는것을강조하고있다. 고정밀장비 ( 예 : IV 곡선기반모니터링, 고정밀최대출력점트랙커, 이차표준일사량계, 분광복사계등 ) 양호한측정관행 ( 용량성영향과같은주요아티팩트의방지, 적절한샘플링속도의사용등 ) 양호한품질제어와유지관리관행 ( 예 : 품질마커의사용, 이메일경보, 규칙적교정등 ) 그럼에도불구하고설문조사는일부한계도드러내보였는데, 주로서로다른옥외데이터의비교가능성및이들을모델의검증용으로사용하는것에관한것이다. 그이유는데이터를보고하는방법에대한통일된합의의부족때문이다. 설문조사는또한최종측정불확도의추정이흔히개략적이고심지어는일부누락되어있다는것을보여준다. 주요비판은다음의부족사항으로확인되었다. 3 개의주요성능지표 E, Ya 및 MPR 에대한합성불확도결정용공동접근방법. 임의의불확도계산에고려해야할모든가능한기여불확도를포함하는기준목록의가용성 ( 예 : MPP 트랙킹정확도, 열적불균일, 알베도, 모듈후면과셀온도와의차이등 ). 벤치마킹결과에서의통일성합의 ( 시험절차, 모듈샘플링절차, STC 기준출력의불확도등 ). 시험기관간의측정캠페인. 이런취약점의주요이유는옥외시험조건의재현이자연적으로는거의불가능하다는사실때문이다. 따라서옥외측정의불확도결정은 STC 에서의측정보다훨씬더복잡하다. 불확도는실제로사이트와시간의존적이며많은인자들에의해영향을받기때문에추정하기가어렵고문헌에서도기술된것이드물다. 보다정확한 STC 성능데이터의확보에대한압박때문에과거에는 STC 측정의비교가능성을개선하기위한국제적인수준에서의협업에많은노력을기울였는데현재는인정받은시험기관내에서의비교가능성이 ±1 % 이하로내려오게되었다. 이는주로다음항목의준수에따라성취된것이다. 단일불확도기여에대한노하우의공유. 불확도계산방법의상호조화. 신고한불확도에서의주요신뢰도를평가하기위한블라인드라운드로빈이행. 에너지수율측정의비교가능성을향상시키기위한첫번째스텝은주요불확도에대해동의를 하고, 측정불확도를보고하는공동의접근방법을제안하는것이다. 두번째는진도를평가하기 88

87 의해시험기관들에기준모듈을돌리는것이다. 허용가능한기간에신뢰할만한결과를얻기 위해서는실행가능한해결책이확인되어야할것이다. 89

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100 부록 1: 설문지 102

101 다양한기후에서모듈에너지수율 측정에대한설문지 서론 태양광모듈은표준시험조건 (STC) 하에서측정된출력산출량에따라가격이책정된다. 그러나최종사용자는모듈이생산한에너지와실제작동조건에서의수명에더관심이있는데, 왜냐하면이것이투자회수기간에직접영향을미치기때문이다. 출력등급시스템에서에너지기반등급으로의태양광지표의변화는미래에새로운혁신적이고비용효과적인기술의개발을뒷받침하면서다양한태양광기술의경쟁력을더강화시킬것이다. 이문제를부분적으로극복할수있는태양광모듈용의새로운에너지등급규격은현재 IEC [IEC 61853] 에서준비중에있는데, 산업계에의해채택되기전최종안이나오고검증되기까지는아직좀더노력이필요하다. 그리고여기에서는모듈수명에대한고려가되어있지않다. 다양한기후위치에서태양광모듈의에너지수율측정은 IEC 에너지등급규격의검증과모듈성능및수명의실증과이해도증진에중요한역할을한다. 실제작동조건에서신뢰할수있고정확한장기측정은다양한에너지예측모델뿐아니라기후에따른에너지등급을수명예측과수명기간의에너지등급으로확장할수있게해줄것으로기대되는새로운가속노화절차를정의하는데있어서도결정적으로중요하다. 이목표를달성하기위해서는고품질의데이터가절대적으로요구되지만, 이들측정들을어떻게이행하는지에대한가용한규격은현재없는실정이다. 부정확한측정혹은불충분한검증연구에기반한모듈순위, 에너지수율과수명예측에서의높은불확도는재정적인위험도를더높이게된다. 명확하게규정되지않은불확도는잘못된위험추정으로태양광시장에손상을줄수있다. 범주 이설문서의목적은, 전세계에서현재어떻게모듈에너지수율측정이이행되고, 어떻게불확도가계산되고, 최종수요자에게보고되는지에대한상세한정보수집이다. 이런입력자료를토대로, 다양한기후에서측정된데이터의비교가능성을개선하기위해무엇이필요한지, 어떻게측정과시설이서로통일된조화를이룰수있는지에대한질문이제기될것이다. 설문조사의결과물은 : 공용보고서 태양광모듈장기옥외에너지수율측정 - 현재접근방법과장비 (Long-term Photovoltaic Module Outdoor Energy Yield Measurements - existing approaches and equipment). 이설문조사에서수집된데이터는비밀로다룰것이며관계파트너들의승인후에익명으로 발간될것이다! 103

102 지침 다음사항을고려하여양식을채우세요, 더많은시험시설을운영한다면가장좋은 / 가장대표적인케이스만고려하거나혹은 2 개 이상의설문지를채우세요 복수선택을허용 고유의숫자로대답이안되면전형적인값그리고 / 혹은범위를명시하세요 필요하면, NA ( 정보가용하지않음 ) 혹은 ND ( 정보정의되지않음 ) 를사용하세요 유용하다고생각되는곳에는코멘트를추가하세요 이해를높이기위해서라면문서, 그림을추가하세요 가장중요한참고문헌을추가하세요 ( 자체소유나 3 자로부터 ) 104

103 일반정보 Company/Institute: Contact person: 1. 배경정보 1.1 옥외측정의범주는? 모듈에너지수율벤치마킹 (kwh/kw 상호비교 ) 모듈열화연구 에너지추정모델의검증 모듈프로토타입의최적화 출력등급 ( 규격 IEC 절트랙커없이태양광하에서의절차 ) 기타, 다른범주제시 1.2 시험의주안점은? 연구지향 소비자 / 투자자지향 ( 제조업체명의의발간 ) 산업계지향 ( 자산데이터 ) 1.3 옥외시험에대한경력은몇년이고얼마나많은유형의모듈시험을했는지? 1.4 시험의일반적인 지속시간은? 단기 (<6 개월 ) 중기 (6-24 개월 ) 장기 (>2 년 ) 1.5 다양한기후에서모듈 시험을하는지? no yes, 기후분류에따른기후유형의명시 ISO 인정을 받았는지? no yes, STC 출력측정 yes, 출력측정 (IEC61853 part 1) yes, 모듈적격성시험 (IEC61215/61646) yes, 에너지수율측정 4 4 YES 에표시한것은, 시험이기관의인정범위내에있으며감사를받았음을의미한다. 측정불확도와검증을 포함하는문서화된절차서도가용하다는의미이다. 105

104 2. 시험시료 ( 샘플링 / 특성분석 ) 2.1 유형당 최저 / 일반적인모듈의 개수는? 2.2 샘플링절차를따르는지? 5 ( 예 : 육안검사, 플래셔목록, 전기적성능, 무작위샘플링등 ) 2.3 암상태에보관한기준모듈이있는지? 2.4 통상적으로예비모듈이있는지? 2.5 현장에설치전에모듈특성분석을하는지? ( 예 : Pm@STC, IEC 61853, EL 등 ) no yes, no yes no yes no ( 여기에대한코멘트 ) yes, 시험을명시하세요 2.6 특성분석혹은현장에설치전에어떤안정화처리를하는지? 2.7 중간측정을하는지? ( 예 : STC 출력의제어, IR, EL 등 ) no ( 여기에대한코멘트 ) yes, 안정화절차를명시하세요 no yes, 시험을명시하세요 2.8 최종측정을이행하는지? ( 예 : STC 출력의제어, IR, EL 등 ) 2.9 중간혹은최종측정전에어떤안정화처리를하는지? no yes, 시험을명시하세요 no ( 여기에대한코멘트 ) yes, 명시하세요 2 어떻게하는지자세하게기술하세요. 샘플링절차는다음사항에중요하다 : 이상값이나혹은고장모듈을배제 대표적인모듈을시험 ( 생산허용도를고려 ) 모듈의개수와선정된기준을정의 106

105 기타코멘트 : 107

106 3. 시험장비의기술 ( 모듈 I/V 측정 ) 장비 : 제조업체 / 이름 방법론 : 부하 : I-V 트레이서의사양서와데이터프로세싱 6 : only MPPT (e.g. power optimizer) only I-V MPPT with I-V 능동부하 MPP 수동부하 fixed load (resistor) Voc other 사분면 동기화 I/V 데이터 yes no I 자동범위 yes no V 자동범위 yes no 풀스케일 V 측정정확도풀스케일 I 측정정확도. 통상의 I-V 주사시간 고용량 (capacitive) 모듈의주사 시간? 구분하지않음. 모든모듈의주사시간은동일 용량성영향을피하기위해주사시간최적화. 기본 I-V 주사방향 Isc Voc Voc Isc Isc Voc I-V points 2 개 I-V 곡선사이의기본샘플링빈도간격 I-V 파라미터외삽의유형 (linear fit, polynomial fit, ) Isc Voc Pmax 여러개의모듈을병렬하여 시험시데이터는동기화 되는가? yes (individual sync. I-V tracers) no (individual not sync. I-V tracers) max delay no (multiplexing), max delay 3 선택한법이 only MPPT 이면무시하세요 108

107 MPP 트랙커사양서와 데이터프로세싱 7 : MPP 트랙킹알고리즘 정적트랙킹효율 동적트랙킹효율 I auto-range yes no V auto-range yes no V 측정정확도 I 측정정확도 보통저장되는 Im, Vm 값 instantaneous values rate: average of rate: 동기화모듈데이터 yes no, max delay module data 조사강도측정의동기화 : I-V 트레이서데이터와 동기화 3 simultaneous I, V, G measurement single meas. before or after I-V curve max delay single meas. before and after I-V curve max delay other, specify MPPT 데이터와동기화 4 yes no, max delay kwh 적분 : I-V 데이터로부터계산된 yes no MPPT 데이터로부터계산된 yes no 에너지카운터 yes, accuracy no 교정절차 : 기본간격 교정받은기관 ISO17025 인정시험실 기타명시하세요 : 하드웨어작동조건 : 시험장비의정확도가 보장되는조건 온도구간 덥거나습한기후의경우 제어와에어컨유형 4 선택한법이 only I-V 이면무시하세요 109

108 기타코멘트 : 110

109 4. 면내 / 경사면조사강도센서의기술 서술 ( 제조업체, 센서모델, 가열 / 환기 유닛선택, 확산링등 ) 샘플링 속도 정확도 [k=2] n 일사량계 : 각시험시설용센서의 최저개수 기준셀 : 셀유형을명시 PR 계산에사용되는 기준조사강도 : 교정절차 : ( 간격, 소급성체인등 ) 기타코멘트 : 111

110 5. 모듈온도센서의서술 서술 센서유형 : PT100/PT1000 RTD other 모듈당개수 : 위치선정 : 고정하기 ( 테이프, 실리콘등 ): 측정정확도 : 기타코멘트 : 112

111 6. 기상센서의서술 서술 ( 센서모델 ) Sampling rate Accuracy n 글로벌수평면조사강도 : 확산수평면조사강도 : 직달법선면조사강도 : 자외복사계 : 알베도 : 주위온도 : 풍속 : 풍향 : 공기상대습도 : 기압 : 강수량 : 기타 : 기타코멘트 : 113

112 7. 분광복사계의서술 서술 제조업체 / 이름 : 센서유형 : 파장범위 : 입구광학 (entrance optic): 위치선정 : 경사 수평 측정간격 : 저장된데이터 : raw data APE MM factor (for modules) other 교정절차 : ( 간격, 소급성체인등 ) 기타코멘트 : 114

113 8. 시험스탠드의서술 방향 : 설치장착유형 : 지면 : 최적에가까움 연중변화 파사드혹은지붕설치옵션 표준오픈랙 BIPV 솔루션 양면형지면 / 알베도유형 지면으로부터최저거리를 고려하는지? no yes, 명시하세요 시험사이트의균일성 : 하나의숫자혹은각포인트에대한코멘트. 의견이없으면 NA 라고추가. 모듈사이의추정정렬불량? 모듈과센서사이의추정 정렬불량? 추정조사강도불균일성? 추정열적불균일성? 장애물이나혹은주위의차이에 따라차이발생 센서위치선정 : 모듈과조사강도센서사이의최대거리 면내조사강도센서의최저개수? 시험장으로부터풍속센서의최대거리 배선 : 4-선연결 yes no 기타배선손실? no yes, specify 기타코멘트 : 115

114 9. 유지관리 9.1 고장탐지대비한경보시스템이있는지? 9.2 규칙적육안검사를시행하는지? 예 : 모듈파손, 오염, 온도센서등 no yes 간격 : no yes 간격 : 제어유형을명시하세요 : 9.3 모듈을청소하는지? 9.4 조사강도센서를청소하는지? 9.5 시험시설의사진을보존하는지 ( 웹캠 )? 9.6 로그북을가지고있는지 ( 비정상, 수리, 교체, 눈등 )? no yes, 간격 yes, 기준 no yes, 간격 yes, 기준 no yes, 간격 no yes 기타코멘트 : 116

115 10. 데이터프로세싱 10.1 데이터에대한어떤자동적인개연성확인을이행하는지그리고오류 / 나쁜데이터를표시하는지? no yes, 누락데이터 범위밖 연결끊어진모듈 비정상피크 잡음성시그널 음영이생긴모듈 눈탐지 온도센서의부분적혹은완전분리 못쓰게된 I-V 곡선, 명시하세요 10.2 어떤중복분석을이행하는지? 예 : 여러개의센서 / 모듈 10.3 시간경과에대한안정성을확인하기위해측정출력을보정하는지? no yes, 디음사항을확인한다. 조사강도시그널의드리프트 ( 센서의불량혹은오염 ) 모듈시그널의드리프트 ( 모듈의불량혹은오염혹은데이터습득에의문제 ) 기타 no yes, 어떻게혹은참고사항을기술하세요 : 10.4 kwh/kw 를계산하기위해사용하는 STC 출력은무엇? 10.5 다른무슨순간적인데이터가계산되는지? 명판 옥내측정 STC 출력 옥외측정 STC 출력 ( 솔라트랙커 ) 옥외측정 STC 출력 ( 고정형랙 ) 접근방법을기술하고추출된 STC 출력의불확도 u[k=2] 에너매스 AM 입사각 AOI 포톤평균에너지 APE 10.6 매일무슨합계 데이터를계산하는지? 에너지 E [kwh] 조사강도 H [kwh/m²] 성능비 PR [-] 최저, 최대, 평균모듈온도 [ C] ( 시간간격내에서 ) 117

116 최저, 최대, 평균주위온도 [ C] ( 시간간격내에서 ) 최저, 최대, 평균풍속 [m/s] ( 시간간격내에서 ) 24 시간최저, 최대, 평균모듈온도 [ C] 24 시간최저, 최대, 평균주위온도 [ C] 24 시간최저, 최대, 평균풍속 [m/s] 조사강도가중모듈온도 Tmod,w [-] UV ( 명시하세요 ) 강수량 [mm] 기타 10.7 일별유형에따라기상데이터를분류하는지? 10.8 기타무슨합계데이터를계산하는지? 10.9 이른아침혹은오후데이터는배제하는지? kwh 와같이매일의합계데이터계산에고려되지않는데이터 합계값을계산할때다른어떤필터를적용하는지? no yes, day types 와그들이어떻게결정되는지기술하세요 월간 연간 총계 no yes 기준을명시하세요 : no yes, 접근방법을명시하세요 : 기타코멘트 : 118

117 11. 불확도계산 11.1 순간적인값에대한불확도를명시하는지? 예 : Im, Vm, Pm, Isc, Voc, G, T 등 ) 11.2 합계값에대한불확도추정을하는지? 예 : E, H, PR 등 년동안측정한 c-si 모듈의일반적인불확도를확장불확도로나타내면 (k=2) 11.4 불확도계산은 ISO GUM 규격에따라이행한것인지? no yes no yes E [kwh] ± x% H [kwh/m2] ± x% PR [-] ± x% yes no, 접근방법을명시하세요 11.5 불확도계산절차를 기술하는참고 문서 / 시트가있는지? no yes, 가용하면참고문서를명시하세요 11.6 그것을 IEA Task 13 내에서공유할수 있는지? yes no 기타코멘트 : 119

118 12. 리포팅 12.1 에너지수율보고용 표준양식이있는지? no yes, 다음항목을포함한다. 시험사이트의기술 (AZ, EL, mounting) 시험절차의기술 계산의기술 시험소자의기술 모듈의추가시험리포터 ( 특성분석 ) 기상데이터 kwh/kw 순위 월간, 연간그리고총에너지산출량과성능비 옥외데이터의측정불확도 열화율 데이터손실 ( 표시단위 ) 12.2 열화율계산을어떻게 하는지? a-si 같은준안정기술에대한보고를어떻게하는지? 낮은조사강도의영향을어떻게고려하는지? 온도의영향을어떻게 고려하는지? 5 5 데이터를어떻게나타내는지참고문서나혹은사례를하나추가하세요 ( 그림 + 서술 ). 120

119 12.6 분광조사강도의 영향을어떻게 고려하는지? 서로다른기후로부터의시험결과를어떻게비교하는지? 보고서에다른정보를추가하는지? 예 : 다른기후로의변환, 이론적인값, 에너지라벨등 기타코멘트 : 121

120 13. 모델링 13.1 측정데이터를 모델링한데이터와 비교하는지? no yes 13.2 사용하는모델은무엇? ( 모델이여기에충분하다는것을기술하는참고 ) 13.3 모듈의무슨입력파라미터가필요한지? (STC 값혹은 I-V 곡선, 온도계수, 풀메트릭스등 ) 13.4 모델의검증에 필요한입력데이터는 무엇? 글로벌면내조사강도 ( 일사량계 ) 글로벌수평면조사강도 직달법선면조사강도혹은확산조사강도 분광조사강도 풍속 주위온도 모듈후면온도 풀 I-V 곡선 Pm 값 Im 과 Vm 값 Isc 값 Voc 값 기타 13.5 모델에필요한 데이터의분해능은무엇? 기타코멘트 : 122

121 14. 모니터링 14.1 단일모듈의자체모니터링데이터를 TASK 13 내에서공유하는데관심이있는지? yes no 14.2 공유할수있는 시분해적데이터는무엇? 글로벌면내조사강도 ( 일사량계 ) 글로벌수평면조사강도 직달법선면조사강도 확산수평면조사강도 분광조사강도 풍속 주위온도 모듈후면온도 풀 I-V 곡선 Pm 값 Im 과 Vm 값 Isc 값 Voc 값 AM, AOI APE 조사강도안정성 14.3 데이터의시간 분해능은? 14.4 IEC 에따른 모듈의추가시험이 필요한지? yes no 기타코멘트 : 123

122 부록 2: 시험시설시트 124

123 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution AIT Austrian Institute of Technology Giefinggasse Vienna, Austria 기반시설위치 : Vienna, 오스트리아 소개측정플랫폼을갖춘옥외시험시설구비. 시험시설은 ISO/IEC 인정을받았고, 고품질 IECEE CBTL 스킴운영하면서 IEC 61215, IEC 및 IEC 규격에다른시험서비스제공. 태양광스트링혹은모듈의단기와장기평가제공. 특별관심분야 : 초기열화, PID 같은열화메커니즘. 추가평가관련서비스 : 정확한출력산출량, 에너지수율평가. 전기광학 (EL 혹은고정화서모그래피 ) 혹은광학적방법 ( 자외선-형광혹은적외-서모그래피 ) 뿐아니라전기적측정에의한열화메커니즘조사 ). Pannonian 저지대에있는플랫폼은대륙성기후에속해있다. 특별시설혹은모듈설계도포함될수있다. 사진 : 기술세부사항 : 측정항목 : 출력측정, 에너지수율평가, NMOT(5 초간격 ), 환경파라미터, 분광복사계 (300~1600nm), 구름카메라 (1 분간격 ), 풍속 2D, 조사강도, PID- 장치, IV- 측정혹은고정부하포인트, 1- 축과 2- 축트랙커 참고문헌 : [1] R. Ebner, B. Kubicek, G. Újvári, S. Novalin, M. Rennhofer, M. Halwachs: "Optical Characterization of Different Thin Film Module Technologies"; International Journal of Photoenergy, Article ID , p (2015). [2] M. Knausz, G. Oreski, G. Eder, Y. Voronko, B. Duscher, T. Koch, G. Pinter, K. Berger: "Degradation of photovoltaic backsheets: Comparison of the aging induced changes on module and component level"; J. APPL. POLYM. SCI. Vol. 132(24), p (2015) 125

124 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution CEA at INES Le Bourget-du-Lac FRANCE 기반시설위치 : 소개 : Le Bourget-du-Lac, Saint-Paul-lez-Durance - 프랑스 태양광모듈성능은 1983 년부터실제작동조건과다양한기후 ( 지중해 Cadarache, 고산지 Pic de Bures Mount, 반대륙성 INES) 하에서 CEA (Alternative Energy and Atomic Energy Commission) 가연구하고 있다. 이들플랫폼내에서 CEA 는 IV 곡선트레이서를사용하는개별모듈모니터링용으로 200 이상의 옥외채널을운용하고있다. 지금까지약 400 개의모듈이, 한편으로는상업용기술의벤치마킹목적으로 다른한편으로는모듈의혁신을추진하기위한목적으로옥외에서연구되었는데, 이들옥외측정은 플래쉬 - 테스트, EL, 환경챔버, 고정화서모그래피, 고전압스트레스, 자외선스트레스등을사용한옥내 신뢰성및내구성시험과결합되어있다. 사진 : 기술세부사항 : 채널의일부는 2개의 IV 곡선사이에서 MPP 추적을하는상업용소자들이고, 다른채널들은 IV 곡선과 Voc 혹은 2개의곡선사이의고정부하목적으로특별히개발한것이다. IV 곡선은매 5분마다자동으로측정되며, 기상분석과필터링및보정이가능하도록조사강도와모듈온도는매 1분마다모니터한다. 참고문헌 : [1] In situ monitoring of degradation processes inside PV modules of different technologies with VIM, J. Merten et al., 24 th EU-PVSEC, 2009, Hambourg, Germany. [2] Performance Analysis of Crystalline Silicon PV Modules After 18 Months Exposure under Tropical Climate, L. Mabille, G. Razongles, L. Sicot, J. Merten, 26 th EU-PVSEC, 2011, Hambourg, Germany. 126

125 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution PV Performance Laboratory CSIRO Energy Centre 10 Murray Dwyer Cct, Mayfield West, NSW 2304 AUSTRALIA 기반시설위치 : Newcastle, New South Wales, 오스트레일리아 소개 : CSIRO 의태양광성능시험실은태양광셀과모듈의성능연구와시험목적의옥내와옥외측정세트이다. 셀측정실험실은 ISO/IEC 인정을보유하고있고, 상업용규모의모듈용인정획득을위한개선이추진중이다. 옥외태양광연구기설 (PVORF) 은 2013 년부터운영중에있다. 여기서의측정결과는소비자보호용기사뿐아니라다양한연구발간물에사용되고있으며, 회사들이부수적인제품을개발하도록도움을주고, 법적절차를알려준다. 사진 : 기술적세부사항 : PVORF 는상업용과연구용모듈의진단시험용으로 60 개의개별시험베드를운영하는데, 북향에 경사각 30 로되어있다. I-V 곡선은원하는시간에측정할수있고, 중간측정에서는사이트에서의사용 목적으로에너지산출량이기록된다. 각모듈의후면온도를기록하고오염영향을방지하기위해모듈은 규칙적으로청소한다. 태양과기상조건의모니터링은고정밀의지상스테이션으로이행하는데, 이는 글로벌 Baseline Surface Radiation Network 의한부분이다. 태양광스펙트럼역시 300~1700 nm 파장 범위에서측정한다. 참고문헌 : [1] Duck, B.C., Fell, C.J., Anderson, K.F., Sacchetta, C., Du, Y., Zhu, Y., Determining the value of cooling in photovoltaics for enhanced energy yield. Sol. Energy 159, doi: /j.solener [2] Duck, B.C., Fell, C.J., Improving the Spectral Correction Function IEEE 43rd Photovolt. Spec. Conf

126 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution PV Outdoor Monitoring Team Contact: 기반시설위치 : Tempe, Arizona, 미국 and many worldwide customer installations 소개 : 이회사의옥외시험시설 Outdoor Test Facility (OTF) 은태양광모듈의쉽고정확한검증과기술 비교목적에요구되는모든데이터세트를제공한다. 여기서는추적기록데이터를생성하고은행성 지원을위해모든태양광기술 (500 Wp 까지 ) 의에너지수율, 낮은조사강도거동과열적계수용모든 파라미터측정을이행한다. 태양광모듈의실제거동은모듈생산업체, 시스템통합업체, 보험회사, 은행, 투자자, 연구개발파트및태양광기술을이해하고확인하고싶은사람들에게는필수적이다. 컨퍼런스논문으로부터의사진과그림 : Residual analysis for 6 LFM analysis from a CIGS Module Log Resistance-Voltage RV measurements (Gantner (left), NREL (right)) 기술적세부사항 : 분석기능 : 에너지수율파라미터 (PRdc, YA, YR), 연간태양시간 고정형, 트랙커 설치모듈의일 / 월 / 연간성능 벤치마킹, 트랙킹의혜택검증, 장기추이, 결함발견 열적, 낮은조사강도, 입사각거동, 계절적검증, LID 영향 분광민감도 시뮬레이션 (PVSyst, PVLib) 검증 손실인자모델 (LFM) 계수, 기계론적성능모델 (MPM) 계수 모듈의특성을확인하기위한핵심특징 : 측정범위 : 0 60V, 0 50A, Pmax: 500W (800W max.) 24bit resolution with 1200Vdc galvanic isolation, 50kHz sample rate Dynamic sweep time and scan interval Tracking modes (Mpp, Voc, Isc) Fully synchronized scan concept Calculation of key parameters (Isc, Rsc, Imp, Vmp, Roc, Voc) (curvature parameters for I mismatch and Rollover) Output of Coefficient for Models (Loss Factors Model (LFM) and Mechanistic Performance Model (MPM), SAPM,.) Reliable software with special self-monitoring features, automatic data check, user alerts Reliable and proven industry components and calibrated sensors Standalone Plug & Play system for indoor/outdoor use (IP65), customized channels 참고문헌 : [1] J. Sutterlüti et al.; Characterizing PV modules under outdoor conditions: What s most important for energy yield ; Proceedings 26th EUPVSEC, (2011), pp [2] Sellner et al.; "Understanding Module Performance further: validation of the novel loss factors model and its extension to ac arrays ; 27th PVSEC Frankfurt 2012 [3] J. Sutterlueti et al: Improved PV Performance Modelling by Combining the PV_LIB Toolbox with the Loss Factors Model (LFM), IEEE PVSC 42, New Orleans

127 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution Photovoltaic and Wind Power Systems Quality Test Center(PV Test Center),Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences (IEE,CAS) 기반시설위치 : 소개 : Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences Gong He county, Qinghai Province, 중국 PV Test Centre of IEE 는태양광셀과모듈의성능측정에대해중국 CMA 와 CNAS 으로부터 ISO 인정을받았다 년에 Task 13 에합류하였고, 다양한기후조건하에서의모듈불량특성분석, 신뢰성과 내구성측정기술에대한연구를시작하였다. 옥외와옥내측정데이터를결합하여모듈의전기적성능, 안전 신뢰성과기계적스트레스분석을하고있다. 2012~2014 기간에중국칭하이성내에모듈 ( 용량 : 1MW) 용 옥외시험사이트를구축하였다. 11 개의다른종류의모듈이설치되었고장기성능시험중에있다 년에는상해와씨닝에 2 개의루프탑모듈실증플랫폼을구축하고덥고습한기후와고원기후 하에서의모듈성능비교시험을수행중에있다. 사진 : 기술적세부사항 : 옥외멀티채널 I-V 시험시스템은정확도높은데이터획득시스템과최대출력점트랙킹을갖추고다양한 모듈의장기및동기화시험에사용할수있다. 핵심성능파라미터 ( 최대출력, 조사강도, 모듈온도 ), MPR 및 모듈출력손실을자동적으로처리하고계산할수있다. 기상스테이션은솔라트랙커, 직달일사량계, 일사량계, 자외복사계, 온도와습도센서, 풍속계와기압계를갖추고있다. I-V 디어터와기상데이터를 결합하여전형적인환경조건하에서다양한모듈의에너지수율성능을분석한다. 참고문헌 : [1] Haitao Liu, Performance Ratio Measurement Method of Photovoltaic Modules under Natural Sunlight Condition, 29 th CCDC, Chongqing [2] Haitao Liu, Irradiance and Temperature Dependence Characterization of Vacuum Glass BIPV Modules, Applied Mechanics and Materials Mechanical Science and Engineering,

128 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) Freiburg, Germany 기반시설위치 : Freiburg ( 독일 ), Gran Canaria ( 스페인 ), Negev desert ( 이스라엘 ) 소개 : 태양광시스템에영향을미치는기후조건은위치에따라달라지므로태양광모듈과태양열집열기의소재와부품에요구되는조건이달라진다. 본연구소는태양광모듈과태양열집열기의신뢰성에미치는다양한기상조건의영향을평가하기위해기후가다른 4개지역에옥외시험시설을운용하고있다. 옥외시험사이트는자체인정시험소인 Fraunhofer ISE CalLab PV Modules 과 TestLab PV Modules 로부터시장에서요구하는최고의규격, 정밀도와정확도측면에서도움을받고있다. 사진 : 기술적세부사항 : 태양광모듈의 IV 곡선, 모듈온도및환경조건의장기기록을위한고유의태양광모니터링시스템을 개발하였다. 이시스템이자체시험사이트와고객이희망하는사이트에서사용된다. 모듈들은동시에 측정되고측정멈춤시에 MPP 로저장된다. 모듈관련과환경데이터는품질관리와파라미터추출을위해 일일사후처리절차를거치고그다음에시료와, 시험사이트와옥내외데이터를측정하는센서들을 연결하는고성능데이터베이스에저장된다. 데이터분석과평가는 Python 의장점을사용하는최근의 조사결과들뿐아니라잘알려진루틴과표준절차를포함하는강력한 Python 프레임워크를사용하여 수행된다. 참고문헌 : [1] Schill, C., Brachmann, S. & Koehl, M. Impact of soiling on IV-curves and efficiency of PV-modules. Solar Energy 112, (2015). [2] Koehl, M., Heck, M. Load evaluation of PV-modules for outdoor weathering under extreme climatic conditions. 4th European Weathering Symposium 2009, Budapest, Hungary, September

129 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution Engie Laborelec 1630 Linkebeek - Belgium 기반시설위치 : Linkebeek, 벨기에 and Arica, 칠레 (Atacama desert) 소개 : Laborelec 은제품의노화와에너지수율의거동에대한이해를높이고, 기술적인취약점을확인하고해결하거나혹은그개선방법을알려주기위한목적으로실험실에서태양광제품을시험한다. 옥외모듈시험벤치는다양한태양광기술 (c-si, 박막, 유기와페로브스카이트 ) 을통합하여 2009 년부터운용되고있다. Laborelec 은또한전세계에설치된태양광파일럿용모니터링플랫폼뿐아니라파사드일체형유기태양전지파일럿 ( 콘크리트기반으로유리에일체화 ), 마이크로그리드에연결된지상용태양광기반시설, 태양광 + 배터리시스템 ( 기업대소비자활용목적으로자체소비최대화 ) 을운용하고있다. Laborelec 은또한칠레 ( 아타카마사막, 전세계에서조사강도가가장높은곳중의하나 ) 에양면형, 집광형태양광및다른태양광기술을포함하는시험기반시설도운용하고있다. 사진 : 기술적세부사항 : 시험벤치에서모듈은개별적으로혹은 2 개모듈을하나의스트링으로 DC 측 (MPP 데이터평균 1 분, IV 곡선매 15 분 ) 에서정확하게모니터링된다. 모듈온도와주위온도센서, 하나의기준셀및 2 개의일사량계 ( 경사면과수평면글로벌조사강도, 확산조사강도 ) 도설치에포함되어있다. 참고문헌 : 131

130 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILI- TIES Responsible institution Research Group Energy & Automation (KU Leuven) 기반시설위치 : Gent, 벨기에 에너지및자동화연구그룹은셀의옥내분광분석뿐아니라옥외에서모듈의에너지수율 특성분석에대해 Imec 과 EnergyVille 과협력하면서 2008 년부터산업계를위해태양광셀과 모듈에대한연구를수행하고있다. 사진 : 기술적세부사항 : 옥내측정은각도에따른분광데이터를확보할수있는능력과함께 IQE/EQE 같은셀의특성을결정하는데목표를두고있다. 옥외측정은다중의고정밀모듈온도센사와함께고정밀의자체개발소자, 상업용 I-V 트레이서와 MPP 트랙커를결합사용하여수행하고있다. 모든측정은기상스테이션데이터와고분해능 (1 Hz) 으로저장된데이터와조합을한다. 참고문헌 : [1] B. Herteleer, B. Huyck, F. Catthoor, J. Driesen and J. Cappelle, Normalised Efficiency of Photovoltaic Systems: Going beyond the Performance Ratio, Solar Energy, vol. 157, pp , [2] B. Herteleer, B. Morel, B. Huyck, Cappelle, R. Appels, B. Lefevre, F. Catthoor and J. Driesen, High Frequency Outdoor Measurements of Photovoltaic Modules Using an Innovative Measurement Set-Up, in 29th EU PVSEC, Amsterdam,

131 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FA- CILITIES Responsible institution National Renewable Energy Laboratory Denver West Parkway Golden, CO 기반시설위치 : Golden, Colorado 소개 : NREL 은 1981 년부터셀, 모듈및시스템수준에서의태양광모니터링, 분석과모델링에참여하고있다. 모듈과시스템의장기성능을시험하고태양광의신뢰도를개선하기위한시험방법을찾아내기의한목적으로가속시험장비로모듈과시스템의스트레스저항성을시험하고, 태양광사용을보증하기위한목적으로국제적인표준을창출하는노력을하고있다. 매년, National Center for Photovoltaics (NCPV) 는태양광신뢰성에관한정보교환을권장하기위해산업계 PV Reliability Workshop 을주최하고있다. 소자성능그룹은전류-전압, 양자효율및다양한범위의셀과모듈기술에대한측정을수행한다. 여기에는상업용, 개발용및산학의과학자의연구용시료가포함된다. 이그룹은일차기준셀과이차기준셀그리고이차모듈교정과시간경과에따른모듈출력측정에관한 ISO 인정을보유하고있다. 소자성능그룹이보고하는모든측정에대해서는 ISO 9001 인정이되어있다. 태양광관련시설에는 Outdoor Test Facility (OTF), Solar Energy Research Facility (SERF) 및 Energy Systems Integration Facility (ESIF) 이포함되어있다. NCPV 소속의 OTF 연구자들은시뮬레이션된, 가속옥내와옥외그리고일반적인옥외조건에서첨단기술과새롭게떠오르는태양광기술을연구하고평가한다. 사진 : 기술적세부사항 : 태양광특성분석장비와시험베드의목록과기술적세부사항은다음항목을포함한다 : 솔라시뮬레이터, 옥외테스트베드, 분광감응설비. 소자성능그룹은 : 모듈과시스템수준에서의신뢰도, 에너지등급, 표준은 PV reliability and Engineering 그룹 : 참고문헌 : [1] M. G. Deceglie, L. Micheli, M. Muller, "Quantifying Soiling Loss Directly from PV Yield" IEEE Journal of Photovoltaics Vol. 8 (2), 2018 pp [2] K. Jordan, M. Deceglie, C. Deline, D. Jordan, "Calculating PV Degradation Rates Using Open-Source Software," SolarPro Vol. 11(2), 2018 [3] D. Jordan, C. Deline, S. Kurtz, G. Kimball, M. Anderson, "Robust PV Degradation Methodology and Application," IEEE Journal of Photovoltaics Vol. 8(2), 2018 pp [4] B. Marion and B. Smith, "Photovoltaic System Derived Data for Determining the Solar Resource and for Modeling the Performance of Other Photovoltaic Systems," Solar Energy Vol. 147(1), 2017 pp [5] B. Marion, "Numerical Method for Angle-of-Incidence Correction Factors for Diffuse Radiation Incident Photovoltaic Modules," Solar Energy Vol. 147(1), 2017 pp

132 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILI- TIES Responsible institution Sandia National Laboratories 기반시설위치 : Albuquerque, New Mexico 미국 소개 : 샌디아태양광시스템평가연구실 (Sandia s Photovoltaic Systems Evaluation Laboratory: PSEL) 은 1976 년부터태양광셀, 모듈과시스템을시험해오고있다. PSEL 은현재모듈과시스템의옥내와옥외특성분석과신뢰성평가에전문화되어있으며 New Mexico Regional Test Center 와 PV Lifetime 프로젝트를주관하고있다. 50 개이상의서로다른태양광기술들이현장에서평가중에있는데, 대상은최신의모듈과셀기술, 양면형기술, 태양광지붕재, 반사장비와오염방지코팅, 모듈수준의전력전자와모니터링시스템을망라한다. 사진 : 기술적세부사항 : 7 에이커의부지에고정형경사면랙과시스템수준의연구용 1- 축트랙커 2 개의대형 2- 축트랙커로 8 개의모듈 ( 추적되는 ) 을동시에측정할수있는 IV 데이터획득 시스템을가진다중시험이가능한사이트배치 스펙트럼을포함한태양광종합기상스테이션 조사강도소자용옥외교정시설 인버터의 DC 와 AC 사이드에서시스템출력의지속적인모니터링용장비 현장에서시간경과에다른모듈과스트링 IV 곡선측정용자동화이동형 IV 트레이서 옥내모듈시험실 : Spire 4600 SLP 플래쉬테스터, Reltron EL 유닛, Dark IV, FLIR 적외 참고문헌 : 특성분석, Atonometrics 광조사스테이션 [1] King, B. H., et al. (2016). Procedure to Determine Coefficients for the Sandia Array Performance Model (SAPM). Albuquerque, NM, Sandia National Laboratories. SAND [2] King, D. L., et al. (2004). Photovoltaic Array Performance Model. Albuquerque, NM, Sandia National Laboratories. SAND

133 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution PVLab (SUPSI-ISAAC) 6952 Canobbio Switzerland 기반시설위치 : Canobbio (Lugano) - Switzerland 소개 : 1991 년부터실제작동조건하에서의태양광모듈에너지수율모니터링과분석이 SUPSI PVLab 핵심활동의한영역이되었다. 최근수년간은건물일체형모듈에핵심을두고다양한제품과기술의성능을비교분석하고있다 년부터옥외측정이옥내성능측정과결합되었고, 2008 년부터는요구에따라여러신뢰성시험 ( 노화, 기계적안정성과안전 ) 과결합하고있다. 소비자주문형의시험스탠드도특별한특징 ( 즉, 후면절연, 컬러프린팅, 오염방지, 음영허용도, 빛포획증강등 ) 의연구목적으로개발가능하다. 태양광모듈이시험과관련하여 SAS 로부터 ISO 인정을받았다. 사진 : 기술적세부사항 : 모든측정은 IV 트레이서기능 (MPPT3000) 과조사강도와온도모니터링용채널을가진자체 개발한고정밀최대출력점트랙커로이행한다. 측정은기상스테이션과분광데이터와결합된다. 경보기능을가진정교한품질관리절차는현재가능한최고의측정정확도를보여준다. 매일의 데이터프로세싱은매일의유형과전형적인환경파라미터뿐아니라모든핵심성능지표, 손실 인자를결정하기위해자동적으로이루어진다. 참고문헌 : [1] S. Dittmann et al.: Energy yield measurements at SUPSI - importance of data quality control and its influence on kwh/wp inter-comparisons, 26th EPVSEC, Hamburg, September [2] G. Friesen et al., A 4 year energy yield inter-comparison of thin-film modules: linking indoor to outdoor performance data, 6th WCPEC, Kyoto

134 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution: TÜV Rheinland Energy GmbH Am Grauen Stein Cologne, Germany 기반시설위치 : Cologne ( 독일 ), Tempe (Arizona 미국 ), Chennai ( 인도 ), Thuwal ( 사우디아라비아 ) 소개 : TUV Rheinland 는독일 PV-KLIMA 연구프로젝트의일환으로이시험시설을개발하였다. 4개의시스템이 2013년부터운용중에있는데, 4개의위치는다양한기후에속해있다 : Cologne ( 독일, 온건 Cfb), Tempe ( 미국, 사막 Bwh), Chennai ( 인도, 아열대l Aw) Thuwal ( 사우디아라비아, 사막 Bwh). 옥외설치전에시험모듈의에너지수율성능을 IEC 과 IEC 에따라옥내에서측정한다. 다음과같은서비스를제공한다. 다양한기후에서의태양광모듈의에너지생산과성능손실분석 계절적영향, 전기적안정성과출력산출량열화분석 기상과환경파라미터의연도별변화에대한장기분석사진 : Cologne (Germany) Chennai (India) Tempe (Arizona) Thuwal (Saudi Arabia) 기술적세부사항 : 시스템은 30 개까지의모듈에너지수율비교측정을할수있다. 시험시료는전자부하에연결되어 있는데, 이는최대출력모드에서동기화작동한다. 에너지수율외에모듈의 I-V 곡선이 10 분 간격으로측정된다. 시험시설은 300~1600 nm 범위의분광조사강도를비롯한모든관련 파라미터의측정과함께기상스테이션을포함한다. 그리고오염손실도모니터링된다. 참고문헌 : [1] M. Schweiger, W. Herrmann, A. Gerber, U. Rau: Understanding the Energy Yield of Photovoltaic Modules in Different Climates by Linear Performance Loss Analysis of the Module Performance Ratio, IET Renewable Power Generation, doi: /iet-rpg [2] M. Schweiger, J. Bonilla, W. Herrmann, A. Gerber, U. Rau: Performance Stability of Photovoltaic Modules in Different Climates, Progress in Photovoltaics, 2017, DOI: /pip

135 SHORT PRESENTA- TION OUTDOOR MODULE TEST FACILITIES Responsible institution PV Technology Laboratory 1678 Nicosia- Cyprus y/ 기반시설위치 : Nicosia - 사이프러스 소개 : 2005 년에설립된 PV Technology Laboratory 는사이프러스대학의일부분이며셀 / 모듈과시스템수준에서의태양광연구용의최신옥내및옥외기반시설로구성되어있다. 옥외시설은 IEC 에의해설정된요구조건에따라모든중요한환경과태양광시스템의작동파라미터를고분해능으로측정하고모니터링하는진단장비로구성되어있다. 현재 50 개이상의태양광기술이장기평가목적으로시험사이트에제출되어있다. 태양광기술은고정형과트랙킹장착구조둘다의형태로옥외에설치되어있다. 옥외장비에는추가적으로, 가속열화시험용으로개발된 PID 장치와함께프로그램작동이가능한계통연계형인버터, 모듈 IV 곡선트랙킹, MPP 트랙커가포함된다. 사진 : 기술적세부사항 : 태양광시스템의성능과일반기상조건들이 IEC 에따라최첨단측정플랫폼의사용과함께기록되고저장된다. 플랫폼은고분해능으로데이터를저장하는중앙데이터로깅시스템에연결된기상과전기적센서를포함한다. 확보된데이터는시스템이예상한바와같이이행되는지아닌지를결정하기위해자동적으로일간기준으로처리된다. 그리고태양광시스템에서의성능손실, 고장및불량을확인하기위해측정된것과시뮬레이션한 DC 출력생산사이의실제비교를이행한다. 참고문헌 : [1] G. Makrides, B. Zinsser, M. Schubert, and G. E. Georghiou, Performance loss rate of twelve photovoltaic technologies under field conditions using statistical techniques, Sol. Energy, vol. 103, no. October 2016, pp , [2] A. Phinikarides, G. Makrides, and G. E. Georghiou, Estimation of annual performance loss rates of grid-connected photovoltaic systems using time series analysis and validation through indoor testing at standard test conditions, 42nd IEEE PVSC, pp. 1 5,

136 SHORT PRESENTATION OUTDOOR MODULE TEST FA- CILITIES Responsible institution Copernicus Institute of Sustainable Development (Utrecht University) Utrecht the Netherlands 기반시설위치 : Utrecht, 네덜란드 소개 : 2013 년부터운영중인 Utrecht Photovoltaic Outdoor Test facility (UPOT) 는다양한유형의상업용과프로토타입태양광모듈을실제작동조건하에서측정하는시험시설이다 년에시설은약 50 개의풀사이즈모듈을동시에측정할수있도록확장될것이다. 이시설에는면내분광조사강도용분광복사계뿐아니라솔라트랙커 ( 직달일사량계와확산일사량계와함께 ), 글로벌수평면과면내조사강도측정용일사량계를포함한대형센서어레이장비를갖추고있다. 태양광모듈측정은개별모듈별로 IV 트레이서와온도측정과함께높은시간분해능으로이행된다. 최종적으로기상데이터가측정되고, 그리고 360 도카메라가시험시설주위전체상공의이미지를촬영한다. 사진 : 기술적세부사항 : 모든측정은 EKO instruments 의 IV 트레이서로이행된다. 확장후의측정은 Ljubljana 대학이 개발한새로운도구로수행할것이다. 측정사이에모듈은 Femtogrid 출력최적화기 (power optimizers) 에의해 MPP 에유지된다. 솔라트랙커, 일사량계와기상스테이션은 PC 에연결된 데이터로거를통해제어된다. 분광복사계와 IV 트레이서는동일 PC 에직접연결된다. 품질관리 후에측정결과가처리되고, MySQL 데이터베이스에저장된다. 참고문헌 : [1] W.G.J.H.M. Van Sark, Atse Louwen, Arjen C. de Waal, Boudewijn Elsinga, Ruud E.I. Schropp (2012), UPOT: The Utrecht photovoltaic outdoor test facility, Proceedings of the 27 th EUPVSEC, pp [2] Louwen, A., de Waal, A. C., Schropp, R. E. I., Faaij, A. P. C., and van Sark, W. G. J. H. M. (2017) Comprehensive characterisation and analysis of PV module performance under real operating conditions. Prog. Photovolt: Res. Appl., 25: doi: /pip

137 부록 3: 영어 한글용어비교 accredited accuracy air mass (AM) albedo amorphous silicon (a-si) angle of incidence (AOI) average photon energy azimuth bankability black surface blueshift calibration characterization clear sky coloured module combined standard uncertainty combined uncertainty correction coverage factor crystalline silicon (c-si) damp heat daylight dector diffuse direct normal irradiance (DNI) elevation angle energy yield equivalent irradiance error analysis expanded uncertainty external quantum efficiency (EQE) failure fill factor (FF) gain gigawatt (GW) global horizontal irradiance global irradiance (G) global normal irradiance (GNI) grating height angle heterojunction (HTJ) 139 인정받은정확성에어매스알베도비정질실리콘입사각포톤평균에너지방위각은행성검은표면, 흑체판단파장이동, 청색이동교정특성분석청명컬러모듈합성표준불확도합성불확도보정포함인자결정질실리콘고온고습일광탐지기확산, 산란법선면직달조사강도고도각에너지수율등가조사강도오차분석확장불확도외부양자효율불량충진율이득기가와트글로벌수평면조사강도글로벌조사강도글로벌법선면조사강도격자고도각이종접합

138 in plane 면내 ( 面內 ) insolation irradiance irradiation IV tracer Key Performance Indicator (KPI) leak current linear performance loss analysis (LPLA) linear regression maximum power point (MPP) mechanistic performance model (MPM) metastability metric mounting rack multicrystal silicon (mc-si) multi-junction negative temperature coefficient (NTC) nominal module operating temperature (NMOT) off-sun on-sun open-circuit voltage performance loss rates (PLR) performance ratio (PR) performance test conditions (PTC) Plane of array (POA) polychromator potential induced degradation (PID) power output practices preconditioning pyranometer pyrgeometer pyrheliometer quadrant qualification test quantity radiation radiometer random error raytracing real-time data (RTD) reference cell regression analysis relative uncertainty 일조량조사강도조사량 IV 트레이서핵심성능지수누설전류선형성능손실분석선형회귀최대출력점기계론적성능모델준안정성지표설치랙다중결정실리콘다중접합네거티브온도계수공칭모듈동작온도차광시일조시개방전압성능손실률성능비성능시험조건어레이면다색광원기퍼텐셜유도열화출력산출량, 출력생산량관행전처리일사량계야간복사계직달일사량계 4 분면적격성시험양복사복사계우연한오차광선추적법실시간데이터기준태양전지, 기준셀회귀분석상대불확도 140

139 resistance temperature detector (RTD) scheme shading shading limit angle sky temperature soiling sorting spectral irradiance spectral mismatch (SMM) spectral response (SR) spectroradiometer standard test ondition (STC) sun hours sweep speed synchronization systematic error temperature coefficient test facilities thermofile tolerances traceability tracker transient transposition uncertainty wet leakage zenith angle 저항온도탐지기계획음영, 차광음영한계각도천공온도오염분류분광조사강도분광불일치분광응답분광복사계표준시험조건태양시간주사속도동기화계통적오차온도계수시험설비열전퇴, 서모파일허용오차소급성트랙커, 추적기과도상태전위불확도습윤누설천정각 번역문의 : khdbs52@gmail.com 141

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