Current Photovoltaic Research 7(2) 46-50 (2019) pissn 2288-3274 DOI:https://doi.org/10.21218/CPR.2019.7.2.046 eissn 2508-125X 기후데이터분석을통한태양광모듈의내구성평가기준제안 김경수 1) * ㆍ윤재호 2) 1) 태양광연구실, 한국에너지기술연구원, 대전광역시, 34129 2) 신재생에너지연구소, 한국에너지기술연구원, 대전광역시, 34129 Suggestion of PV Module Test Methods Based on Weathering Monitoring Kyungsoo Kim 1) * Jaeho Yun 2) 1) Photovoltaic Laboratory, Korea Institute of Energy Research, Daejeon 34129, Korea 2) New and Renewable Energy Institute, Korea Institute of Energy Research, Daejeon 34129, Korea Received May 21, 2019; Revised June 14, 2019; Accepted June 14, 2019 ABSTRACT: The photovoltaic (PV) system consists of solar cells, solar modules, inverters and peripherals. The related evaluation and certification are proceeding as standards published by the IEC (International Electrotechnical Commission) TC (Technical Committee) 82. In particular, PV module is a component that requires stable durability over 20 years, and evaluation in various external environments is very important. Currently, IEC 61215-based standards are being tested, but temperature, humidity, wind and solar radiation conditions are not considered in all areas. For this reason, various types of defects may occur depending on the installation area of the same photovoltaic module. In particular, the domestic climate (South Korea) is moderate. The various test methods proposed by IEC 61215 are appropriate, excessive, or insufficient, depending on environmental condition. In this paper, we analyze the climate data collection for one year to understand the vulnerability of this test method of PV modules. Through this, we propose a test method for PV module suitable for domestic climatic conditions and also propose a technical consideration for installation and design of PV system. Key words: Solar Energy, Renewable Energy, PV System, Certificate, PV Module, Weathering Monitoring 1. 서론 태양광시스템 (Photovoltaic System) 의핵심기술은태양전지및태양전지모듈제조기술, PCS 기술, 시스템최적구성및설계기술, 유지점검등의기술이복합적으로완성되어야하는융합기술이다. 태양전지모듈의구조는일반적으로저철분강화유리 / 충진재 / 태양전지 / 충진재 / 후면시트의구조로되어있으며, 태양전지와달리모듈의제조공정및부자재의품질에의해수명이좌우된다. 태양광시스템은무엇보다도고효율태양전지를가혹한외부환경요인에영향없이 25년이상발전가능하도록만드는것이핵심기술이다. 태양광모듈은설치지역의환경에따라온화한지역, 고온지역, 고온고습지역, 건조기후및극한기후등으로나눌수있다. 미국의켈리포니아의데스밸리의경우 58.3 C까지온도기록이 *Corresponding author: kskim@kier.re.kr 있으며, 중동의두바이지역의경우일일최대 30 C의온도차이가나타나기도한다. 2019년발간된 IEA PVPS 자료에의하면, 2018년설치용량기준으로태양광시장은 100 GW를수준이며, 세계누적용량은 500 GW에육박했다. 중국 (45 GW), 인도 (10.8 GW), 미국 (10.6 GW) 이태양광시장을주도하고있으며, 태양광의가격경쟁력이향상되면서세계적으로신흥시장이확대되고있다. 설치된태양광모듈의 90% 는결정질실리콘태양전지로이루어져있다 1). 태양광모듈은 IEC에서발간된 IEC 61215 시험기준을통하여평가를진행하며, 이를토대로제품에대한인증마크를발행하고있다. 비록표준에의한시험을통과했다고하더라고외부환경에서의태양전지모듈의장기적내구성은모듈의제조방법및설치기법에따라다양하게불량사례가나타난다 2-4). IEC 61215 표준은태양광모듈의설치시초기에발생할수있는불량을점검하는것으로장기적인내구성에대하여서는보장하지는않는다. 특히태양광모듈은 20년이상태양빛에의한전기발생하지만인증시험에서는장기운영에대한고려를하 c 2019 by Korea Photovoltaic Society This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 46
K.S. Kim and J.H. Yun / Current Photovoltaic Research 7(2) 46-50 (2019) 47 지않는매우낮은수준 ( 약 10 kwh/m 2 ) 의초기안정화를위한평가를수행하고있다. 또한. 자외선환경에대하여태양광모듈의전면에 15 kwh/m 2 의조사를수행하고있는데이는매우낮은수치이다. 즉 IEC 61215 표준은모든설치지역의환경을고려한시험법이아니라경우에따라가혹하거나또는낮은수준의평가방법이다. 이에국내에서도국내환경을고려한태양광모듈의시험법개발을통하여현재시행되고있는태양광모듈의인증시험법의개정을위한근거자료가필요한상황이다 5). 본연구에서는대한민국대전지역에기상데이터수집을위하여기후측정장비를설치하였다. 이를토대로태양광모듈이겪는연간기후조건을분석하였고또한분석된기후조건을토대로국내기후조건에적절한태양광모듈의합리적인평가방법을도출하고 IEC 61215와비교하여분석하였다. 2. 실험방법 2.1 환경데이터수집장치설명 외부환경에서연간태양전지모듈이받게되는환경적데이터를수집하기위하여 Fig. 1과같이시스템을설치하였다. 총 3가지의형태로설치하였다. 첫째로태양빛을추적 (tracking system) 하여직달일사량, 산란일사량및전체일사량을측정하였다. 이때사용된트렉커본체는일본 EKO 제품의 STR-22이고직달일사량 (MS-54), 산란및전체일사량 (MS-802) 를적용하였다. 트렉커가태양을추적할때직달일사량센서와수평면일사량센서 (EKO, MS-602) 를동일평면상에설치하여를트렉킹시수평면일사량센서로입사되는일사강도를측정하였다. 두번째로수평면에위치하는형태로여기서는전체일사량 (CMP-10, RC01) 및자외선센서 (CUV5) 를설치하였다. 셋째로 45도각도로전체일사량 (CMP-10,RC01) 및설치형태는 openrack 구조이다. 전체일사량측정을위하여설치된 EETS 제조사의 RC01 센서는결정질실리콘태양전지를사용한것으로고가의일사량센서와의측정값의차이를확인하기위하여설치하였다. 기후측정시스템의설치위치는대전광역시유성구장동 71-2 이며, 2018년 3월부터 2019년 2월까지의안정적으로얻어진데이터를분석하였다. 데이터측정주기는 1분이며이때외부온도, 습도, 풍속, 풍향등도함께측정하였다. 측정장비에대한제조사및모델명은 Table 1에정리하였다. 본데이터수집을통하여데이터를분석하고이를통하여얻고자하는내용은아래와같다. 1. 태양광모듈의자외선시험조건검토 2. 풍속을고려한기계적내구성평가시험조건검토및모듈제조방법에대한제안 3. 연간누적일사량을고려한광조사시험의검토 4. 최고및최저온도측정을통한챔버시험 ( 온도싸이클시험, 결로동결시험 ) 의검토 5. 국내기후조건에서의고정식과추적태양광시스템의일사량비교 6. 고가의일사량센서와태양광모듈과구조가같은태양전지를이용한센서와의차이점확인 3. 결과및분석 3.1 환경데이터분석및 IEC 61215 표준과의비교 1년 (2018.3-2019.2) 동안의외기온도의변화를관찰한결과최고온도는 8월에 39.1 C, 최저온도는 12월에 11.3 C 이였다. IEC 61215는지상에설치되는태양광모듈은 Fig. 2의온도프로파일과같이최저 40 C에서최고 85 C에서작동되는경우 Table 1. Specifications of monitoring sensor Fig. 1. Weather data monitoring system Sensor and measurement type Manufacturer Model Pyranometer, diffuse horizontal EKO MS-802 Pyranometer, global horizontal Pyrheliometer, direct normal EKO/ Kipp&Zonen/ Eppley/ EETS EKO/ Kipp & Zonen MS-802/ CMP 10/ PSP/ RC01 MS-54/ CHP1 GPS solar tracker w/ shading ball EKO STR-22 Barometric pressure sensor Lufft WS503 Wind set, speed and direction Lufft WS503 Relative humidity and temp sensor Lufft WS503 UV Sensor Kipp & Zonen CUV5
48 K.S. Kim and J.H. Yun / Current Photovoltaic Research 7(2) 46-50 (2019) Fig. 3. Monitoring system classifications and suggested applications Fig. 2. Thermal cycling test profile 3) 에한하여시험하고있다. IEC TS 63126 ( 표준명 :Guidelines for qualifying PV modules, components and materials for operation at high temperatures) 에서는태양광모듈의설치환경이높은온도조건의경우핫스폿 (hot-spot endurance test), 자외선시험, 온도사이클시험등에서의최대온도를높이는것에대하여가이드라인을설정하고있는데본실험을통한기후측정분석결과에서는 IEC TS 63126에서제안하고있는최대온도범위 70 C 이내의기후환경으로기존 IEC 61215에서의시험법을준용하면문제가없게된다. 그러나 1년동안의외기온도의모니터링데이터를기반으로하여국내모듈시험의경우온도사이클시험에서의최대온도 (85 C) 를낮추고, 최소온도 (-40 C) 를높여도특별한문제가나타나지않을것으로판단된다. 자외선시험의경우 280 nm ~ 400 nm의파장범위에서누적 15 kwh/m 2 로태양광모듈의전면에조사를진행하게된다. 자외선센서를통하여측정된연간누적자외선량은 53.8 kwh/m 2 으로 IEC 61215에서제안하는시험의약 3.6배에해당된다. 그러므로자외선에대한시험방법은현재의시험방법보다강화할필요성이높다고판단된다. 또한 1년동안의연평균습도는약 65% 로분석되어태양광모듈의자외선시험에습도조건을포함하여진행하는것이바람직하다고판단된다. 현재의시험은시험모듈의온도를 60 C±5 C로유지하는것으로평가하고있다. 풍속의경우최대풍속 13.2 m/s, 평균풍속 1.2 m/s로측정되었다. IEC 61215의경우최소모듈이견뎌야하는정적하중은 2400 Pa로모듈표면에눈등의정적하중에의한내구성을평가하고있다. 태양광시스템설계시보통의경우풍속 30 m/s ~ 40 m/s 수준을고려하고있으므로, 설치지역의최대및최소풍속에대한측정데이터를기준으로하여과설계에대한시스템시공비를낮추고모듈에대한기계적강도의요구사항도낮출필요성이있다. 특히눈에의한적설하중을고려한다면 2400 Pa에해당되는모듈의기계적강도의최소사양은적설량약 1.2 m에해당되므로겨울철눈에의한피해가예상되는강원도등의도서산간지역을제외하고는태양광모듈의기계하중에대한내구성평가기준을 2400 Pa 이하로낮출필요성이있다. Fig. 4. Sampling and recording interval requirements 전세계의주요이해관계자들이채택한태양광발전소모니터링에관한여러국제표준이있다. 가장새롭고포괄적인표준은 2017년 3월에제정된 IEC 61724-1 (Photovoltaic system performance Part 1: Monitoring) 으로써 IEC 61724-2 와 IEC 61724-3을통하여측정된데이터분석에대한기본을제공하고있다. IEC 61274-1은일사강도입력에서 AC 전원출력에이르는태양광시스템의성능모니터링및분석을위한장비, 방법및용어에대해설명을하고있다. IEC 61724-1 표준에는 3가지등급의모니터링시스템 (A, B, C) 으로분류하고있는데이는다양한수준의불확실도와사용방법에따라정의하고있다. Fig. 3은 IEC 61724-1에규정한모니터링시스템등급에대한분류를정리하였고 Fig. 4는각등급에맞는일사량, 온도, 풍속등에데이터수집에대한샘플링시간및최대기록시간에대하여정의하였다 6-8). 설치각도에따른연간일사조건을분석하였다. 수평면으로설치된일사량계의연간누적일사량은 1342 kwh/m 2 이고, 45도로설치된경우 1536 kwh/m 2 으로관측되었다. IEC 61215 시험에서는초기안정화 (initial stabilization) 시험에서약 10 kwh/m 2 과옥외폭로시험에서약 60 kwh/m 2 으로실제로인증용모듈이시험을통하여받게되는총누적일사량은연간태양광모듈이받는총일사량과비교하면 10분의 1 수준으로매우낮은수준이다. 이에인공광원을이용한태양광모듈의장기내구성평가가필요하다고판단된다. 또한고정식 (45 ) 과트레킹태양광시스템의운영에따른누적일사량은비교하였다. 트렉커가태양을추적할때직달일사량센서와함께설치된일사량계 (EKO, MS-602) 의연간누적일사량은 1990 kwh/m 2 로고정식 (45 ) 대비약 30% 의높아국내의경우트렉커를이용한단축또는양축의태양광시스템의운영에대한검토도긍정적으로필요한것으로판단된다. ISO 9060 표준은 태양에너지 - 반구태양및직접태양복사측정을위한장비의명세및분류 에관한것으로그것은수평또는기울어진방사조도를측정하기위한것이다. 일사량계는사
K.S. Kim and J.H. Yun / Current Photovoltaic Research 7(2) 46-50 (2019) 49 나타내는것으로태양전지의반응계수가 Thermopile형태의일사량계와비교하여일정하지않아도태양광발전소에서설치하여운영하는데 3%~6% 수준의오차를감안하고사용한다면저렴한가격으로적용이가능할것으로판단된다. Fig. 5. Sampling and recording interval requirements 3.2 국내환경을고려한태양광모듈시험법및일사량취득센서제안국내대전지역의장기적기후데이터의수집과분석을통하여다음과같이 IEC 61215 기반태양광모듈의내구성시험법에대한수정및변경을제안하고자한다. Fig. 6. Pyranometer(left) and Si solar cell(right) type irradiance sensor 용되는 PV 셀또는태양열집열기의유형에상관없이가능한모든들어오는태양에너지를측정하기위해넓은스펙트럼대역폭에걸쳐평평한스펙트럼응답을가져야한다. 이측정은일반적으로들어오는방사선을흡수하고서모파일을가열하며온도상승을작은전압으로변환하는검은색으로코팅된 thermoelectric 유형의감지기를사용하여측정된다. Fig. 5의경우일반적인일사량계와실리콘태양전지를사용한일사량계의입사태양광파장에대한반응도를나타낸것이다. 실리콘태양전지를사용한센서대비전파장영역에서의반응속도가균일하게나타나는것을확인할수있다 9). 높은등급의일사량계는수백만원에이르는고가의센서로일반태양광발전사업자가설치하여사용하기는부담이있어보통의몇만원에서수십만원이하의실리콘형태의센서를이용하여일사량을측정하는곳이많다. 이에본실험에서는태양광발전시스템에서설치되는모듈의구조와동일한태양전지를이용한센서 ( 영국 EETS사, 모델명 RC01) 로고가의일사량계를대체할수있는지에대한검토및분석을진행하였다. 태양전지센서의구조는 glass/eva/solar cell/ EVA/Backsheet이며독일 Fraunhofer연구소에서 STC (Standard Test Condition) 에서의검교정을완료하다. 이때온도계수시험을통하여태양전지의온도변화에따른전류변화율 (0.043%/K) 및전압변화율 (-0.329%/K) 을일사강도계산에반영하였다. Fig. 6은본실험에서사용된일사량계 (thermopile type pyranometer) 와실리콘태양전지를이용하여제작된센서의이미지이다. 수평면 (0 ) 와 45 설치된실리콘태양전지모듈형태의센서의경우연간 1292 kwh/m 2 와 1440 kwh/m 2 으로측정되었다. 이는수평면에서는약 3% 의오차와 45 의경우약 6% 의오차를 1. 자외선시험법 : 280 nm ~ 400 nm 파장에서의총누적자외선량 15 kwh/m 2 에서 50 kwh/m 2 으로변경. 자외선시험시습도조건을포함한시험진행. 2. 온도사이클시험법 : 고온조건 (80 C) 에서 70 C로변경. 저온조건 (-40 C) 에서 20 C로변경 3. 기계강도시험법 : 2400 Pa에서설치지역을고려한제조사및고갱의요구에맞는 2400 Pa 이하에서의시험도허용그리고시스템설계및설치기준으로, 1. 일사량측정을위하여기존 thermopile 형태의일사계또는설치된태양광모듈의기술과동일한검 교정된실리콘태양전지센서의설치도고려할수있도록검토 2. 태양광시스템설치시 1년이상의장기데이터를기반으로하여태양광모듈의시험조건검토등을제안한다. 4. 결론 태양전지모듈은온도변화, 일사강도 ( 자외선, 기사광선, 적외선 ), 습도, 눈, 바람및진동등의다양한환경변화가운데전기에너지를생성하게된다. 국내는 IEC 61215 국제표준을기반으로하여 KS C 8561을제정하여결정질태양전지모듈에대한시험과인증을진행하고있다. 국내대전지역의 1년동안의기후데이터를분석하고이를설치지역의기후조건을고려한태양광모듈의일부시험에대한시험법변경에대하여제안하게되었다. 그리고태양광시스템의설계시두가지기술의일사량계를설치하여연간누적일사량을계산하고그값을기반으로하여일사량센서의선택에대한기술적인의견도기술하였다. 이를통하여추후국내태양광모듈의국내환경에대응하는인증, 연구및시험에서의정보를제공하고자하였다. 추후대전지역뿐아니라국내외장기적인환경모니터링데이터를수집및분석하여태양광모듈의내구성평가기술및표준개발에기여할계획이다.
50 K.S. Kim and J.H. Yun / Current Photovoltaic Research 7(2) 46-50 (2019) 후기 This work was supported by the New & Renewable Energy of the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) grant funded by the Korea government Ministry of Knowledge Economy (No. 20163010012310). Project Name : The Construction of MW class PV power generation R&BD demonstration complex. References 1. IEA PVPS Snap shot of global PV market, International Energy Agency, 2019. 2. IEC 61215-1, Terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval - Part 1: Test requirements, IEC Central Office, 2016. 3. IEC 61215-2, Terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval - Part 2: Test procedures, IEC Central Office, 2016. 4. IEC 61215-1-1, Terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval - Part 1-1: Special requirements for testing of crystalline silicon photovoltaic (PV) modules, IEC Central Office, 2016. 5. KS C 8561, Crystalline silicone photovoltaic(pv) module(performance), IEC Central Office, 2016. 6. IEC 61724-1, Photovoltaic system performance - Part 1: Monitoring, IEC Central Office, 2017. 7. IEC TS 61724-2, Photovoltaic system performance - Part 2: Capacity evaluation method, IEC Central Office, 2016. 8. PD IEC TS 61724-3, Photovoltaic system performance. Energy evaluation method, IEC Central Office, 2016. 9. KIPP&ZONEN, The benefits of accurately measuring solar irradiance, www.kippzonen.com, 2019.