태양광 모듈 효율 실증 테스트 시스템 National Instrument Korea 전략마케팅 / 팀장 윤 동 원 1
회사 소개 소재: 미국 텍사스 오스틴 설립일: 1976년 지사 및 직원: 40여 개국의 지사, 4,300명의 직원 2007년 매출: $740M R&D 투자: 1) 사업비의 16% R&D 투자 2) 1,400명 이상의 R&D인력 대표 제품: LabVIEW, GPIB, DAQ, PXI, PAC 전세계 90개국에서 25,000개 이상의 고객사 보유 Fortune : 일하기 좋은 100대 기업 9년 연속 선정 2 BusinessWeek: 경력을 시작하기 좋은 50대 기업
사업 영역 시장 점유율 1위 제품 LabVIEW: 그래픽 기반 계측 및 제어 소프트웨어 GPIB: 계측기 제어용 인터페이스 카드 DAQ: 데이터 수집 장치 차세대 주력 제품 PAC: 산업용 고성능 분산 제어 PXI: 모듈형 계측기 3
태양광 산업내의 주요 거래 업체 (세계) 시장점유 순위 회사명 본사 국적 적용 제품 / 어플리케이션 1 Q-Cell 독일 LabVIEW, Vision, S & V, GPIB 2 Sharp 일본 LabVIEW, GPIB 3 Suntech 중국 DAQ 4 Kyocera 일본 LabVIEW, Vision, Control & Design 5 First Solar 미국 LabVIEW, DAQ, crio, GPIB 6 MOTECH 대만 GPIB 7 Sanyo 일본 LabVIEW, crio, cfp, MI, Vision 4 자료: 닛케이비즈니스, 매일경제신문 재인용(2008. 9. 28) * 순위는 2007년 말 기준
목차 1. 태양전지/모듈의 효율 측정 2. 태양광 모듈의 실증 테스트 3. 태양광 모듈 효율 실증 테스트 시스템 5
1. 태양전지/모듈의 효율 측정 IV measurement 6
태양전지 검사시 필요한 측정 항목 1. Efficiency (IV measurement) 2. Resistivity a. Sheet Resistivity b. Shunt Resistance 3. Quantum efficiency (LBIC) 4. Lifetime 5. Wafer thickness 7
IV measurement 전류-전압 특성 곡선 테스트 (I-V curve test) 종류 일반적으로 다이오드, 트랜지스터 등 의 특성을 구하기 위한 테스트 태양전지의 전력 생산 효율을 측정하 기 위하여 수행 Fill Factor(FF)를 구하여 효율 비교 Forward bias test(illuminated) Reverse-bias test(dark) 8
IV measurement Forward Bias (Illuminated) Test 자연광 또는 솔라시뮬레이터를 이용하여 빛을 조사하고 그에 따른 반응을 측정.(IEC 60904-1) 전압을 0V부터 시작하여 스윕하고 그때의 싱킹 전류를 측정 테스트로 얻어지는 값 개방 전압 (Open Circuit Voltage ; VOC) 단락 전류 (Short Circuit Current ; ISC) 최대 전력 (Maximum Power ; PMAX) 최대 전력시 전류 (IMP) 최대 전력시 전압 (VMP) Fill Factor (FF) Shunt Resistance (RSH) Series Resistance (RS) 최대 효율 (Maximum Efficiency ; ηmax) Reverse-Bias (Dark) Test 태양전지에 빛이 들어가지 않도록 차폐하여 측정 이 경우 태양전지는 수동 다이오드와 같이 반응 테스트로 얻어지는 값 Shunt Resistance (RSH) Series Resistance (RS) 9
Forward Test (Illuminated) Source Measure Unit(SMU)로 IV curve 측정 데이터 수집 시스템으로 주변 상태 모니터링 주요 파라미터를 소프트웨어로 분석 10
Voltage and Current Ratings (V OC and I SC ) Maximum Current, I sc occurs when the load is a short Maximum Voltage, V OC occurs when the load is open 11
Maximum Power (P MAX ) Power = 0 at I sc and V OC Power reaches maximum at V MP and I MP 12
Fill Factor Main measure of cell quality Compare maximum power (P MAX ) to theoretical maximu m power (P T ) based on I sc and V oc 13
Efficiency (η) Ratio of output power (P OUT ) to Input Power (P I N) For maximum efficiency, P OUT = P MAX P IN is the product of irradiance (W/m 2 ) and the area of the cell (m 2 ) P out η = ηmax Pin 14 = P MAX P in
IV Measurement (Shunt Resistance 구하기) 같으나[1] 정확한 식은 아래와 Rsh Voltage oc sweep을 시작하여 전류가 급격히 떨어 지기 전까지의 구간을 선형회귀 하여 V/I로 를 구할 수 있다. Shunt가 커질 수록 효율에 심각한 악영향을 주 며, Voc도 내려가는 효과가 생긴다 (출력 저하) 실제 어떤 부분에서 어떠한 이유로 shunt가 발 생하는지는 알 수 없다. [1] Antonio Luque, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering 15 [2] Chan, D. S. H. et al., IEEE Transactions on Electron Devices (ISSN 0018-9383), vol. ED-31, March 198 4, p. 381-383.
Shunt and Series Resistance Efficiency is reduced by parallel shunt (R SH ) and series (R S ) resist ances Approximate R SH and R S from IV curve 16
태양전지 검사 장비 시스템 개략도 솔라 시뮬레이터 시리얼 통신 PXI 산업용 컴퓨터 시리얼 통신 포트/보드 산업용 카메라 Frame grabber LabVIEW 스테이지 I-V measurement Power SMU 모터 모션 드라이브 모션 신호 모션 컨트롤러 17
1. 태양전지/모듈의 효율 측정 PXI 모듈형 계측기란? 18
계측용 버스 기술의 역사 1965 1987 1997 2005 19 Photo Courtesy of Keithley
PCI & PXI PXI Features: 타이밍 과 동기화 PCI PCI Bus PXI (PCI extensions 20 for Instrumentation)
PXI 시스템의 구성 요소 PXI 컨트롤러 임베디드 PC Windows OS 섀시 PXI 백플레인 PCI bus 타이밍과 동기화 PXI 모듈 21
1. 태양전지/모듈의 효율 측정 태양광 모듈 (PV Module) 22
기술 개요: 모듈(PV Module) 기술 개요 하나의 태양전지 cell들은 0.5~10V, 0.1~10A 정도의 출력 을 가지므로 직접 사용에는 부 적합 직/병렬로 셀들을 연결하여 실 용적인 전압/전류 출력을 가지 는 유닛을 제작 방수 코팅을 하여 시공할 수 있 는 제품 완성 박막형 태양전지의 경우 셀을 따로 만들지 않고 한번에 모듈 을 제작 23 각각의 cell들을 직/병렬로 연결
필요한 측정 및 제어 기술 PV 모듈 인증 시험(에너지기술연구원) 24
필요한 측정 및 제어 기술(계속) 25
필요한 측정 및 제어 기술(계속) PV 모듈 인증 시험(에너지기술연구원) 외관 검사 : 외관상 이상 패턴 유무 검사 > (머신 비전) 기계적 충격 및 발전 성능 검사 : Strain gauge, load cell 등을 이용한 측정 및 전압, 전류 측정 > (아날로그 입력) 셀 검사와 유사 환경 측정적 충격 및 발전 성능 검사 : 온도 센서, 습도 센서 등을 이용한 측정 및 26 전압, 전류 측정 > (아날로그 입력)
태양광 모듈 검사 장비 시스템 개략도 솔라 시뮬레이터 (또는 유사 광원) 시리얼 통신 PXI 산업용 컴퓨터 시리얼 통신 포트/보드 산업용 카메라 Frame grabber 전압 측정 DMM LabVIEW 스테이지 Electric load 전류 측정 DMM 모터 모션 드라이브 모션 신호 모션 컨트롤러 27
1. Siliken. Cadena de valor energía fotovoltaica. Silicio Metalúrgico Silicio Electr ónico Obleas Células Módulos Inversores Instalación Promoción Actualmente nos proveem os externamente 28
적용 사례 Siliken Renewable Energy, NI 하드웨어와 소프트웨어 로 표준화를 실현하여 솔라 패널 생산 최적화 산업: 발전/에너지, 기본 원자재 - 철강/ 목재/ 건설, Manufacturing, 영상장비 제품: Touch Panel Module, LabVIEW, PXI-1422, Sound and Vibration Measurement Suite, PCI-6122, FPGA 모듈, NI CompactDAQ, PXI- 4472, PCI-6220, CompactRIO 해결 과제: 솔라 패널의 생산과 설치를 최적화 실리콘 정제부터 최종 제조 검증과 설치 및 모니터링 솔루션: NI 하드웨어와 소프트웨어를 사용하여 솔라 패널 생산 프로세스(실리콘 정제와 최종 제품 의 제조 및 테스트)를 최적화하여 고품질의 솔라 패널을 지속적으로 생산하도록 함. 29
적용 사례 Siliken Renewable Energy, NI 하드웨어와 소프트웨어 로 표준화를 실현하여 솔라 패널 생산 최적화 (계속) NI 하드웨어와 소프트웨어를 사용하여 솔라 패널 제조 및 품질 테스트 LabVIEW와 NI PCI-6220 다기능 M 시리즈 데이터 수집 보드 기반의 새로운 PC 기반 시 스템을 사용하여 솔라 모듈의 마감공정을 반자동 프로세스로 통합 솔라 패널을 조립하고 난 후 각 모듈이 명시한 전력을 생성할 수 있도록 모듈의 전력 출 력을 검증하는 I-V 특성 테스트가 필요 NI CompactRIO, LabVIEW FPGA, NI PC-6122 S 시리즈 다기능 DAQ 보드를 사용하여 뛰어난 정밀도와 개선된 처리량으로 본 테스트들을 수행 이전에는 I-V 곡선이 30 포인트로 구성되어 있었지만 현재는 I-V 특성화 테스트에 2,000 개가 넘는 포인트를 사용하기 때문에 보다 정밀한 교정 요소들을 제공 태양광 인버터 제조 Siliken Renewable Energy는 솔라 패널 생산뿐 아니라 솔라 패널 인버터와 같은 필수 장 비를 제조 이 인버터는 전기 스위칭 프로세스를 통해 직접전류를 교류전류로 변경하는데 주 로 사용 인버터를 제조하기 시작하기 전에는 NI CompactRIO와 NI TPC-2006 터치 패널 컴퓨 터를 사용하여 프로토타입을 개발 NI의 플랫폼들이 기존의 제어 및 테스트 툴보다 뛰어난 운영 장점과 30 단축된 개발 시간 을 제공하여 더 빠른 개발이 가능
2. 태양광 모듈의 실증 테스트 모니터링 시스템 31
태양광 모니터링의 필요성 산업자원부고시 제2007-52호 신 재생에너지설비의 지원 설치 관리에 관한 기준 7장 53조 3항 3소유주는 단위사업별 설비용량기준으로 10킬로와트 이상의 발전 설비, 100제곱미터 이상의 태양열설비 및 30RT 이상의 지열설비는 단위시설별로 에너지생산량 및 가동상태를 웹(Web)으로 확인할 수 있는 설비(이하 모니터링 설비 라 한다.)가 설치 가동되도록 하여야 한다. 32
태양광 발전소 구조 모듈 스트링(또는 배열) 인버터 기존 전력 계통/Load 로 연결 관리동 / 배전반 33
태양광 발전단지의 분류 목적 사례 실증 단지 연구 개발 용으로 태양광 발전에 필요한 각종 데이터 를 얻고자 함. 순천 MW급 실증단지(서울 마린) 상용 단지 국가에서 지원하는 발전 차 액 지원금으로 사업을 하고 자 함 태안 태양광 발전소 (LG) MW당 측정 채널수 많음 제한적 웹서버로 연결하여 실시간 모니터링 모니터링 방법 필요함 인버터별, 모듈별로 출력 을 측정하여 비교. 아날로그 채널수가 많으므 로 모니터링 유닛이나 PLC 로는 가격이 너무 비싸짐 필요함 인버터에서 기본적으로 제공하거나 지식경제부에 서 규정한 최소 모니터링 항목을 만족시키는 모니터 링 유닛을 사용 34
적용 사례 MW 급 태양광실증연구 모니터링 시스템 구축 기관 : 서울마린 주식회사 문제점 : 본 시스템은 국내외 다수의 태양 광 시스템으로 구성된 MW급 태양광 발 전소의 실증연구를 위한 통합 계측 모니 터링 시스템 구축. 사용 NI 제품 : LabVIEW, Compact FieldPoint 장점 : 1) 시스템 구축 비용에 있어서 가격 경쟁 력이 있음. 2) 인터페이스 구성의 자유도가 뛰어나 G UI 환경을 개발자가 원하는 대로 설계 및 수정이 가능. 3) 수집 및 분석된 데이터의 신뢰성이 높 음 35
적용 사례 메인화면 모듈성능 화면구분 통합모니터링 모듈성능비교시험 기능 전체발전량,그룹별발전량등통합적인모니터링 모듈성능비교시험의그룹별 설명 분산,통합인버터 인버터비교시험 비교시험모니터링 분산,통합인버터 인버터비교시험 분산,통합인버터비교시험의그룹별 모듈/인버터조합 비교시험 모듈/인버터조합 모듈/인버터조합비교시험의그룹별 기준정보 비교시험모니터링 센서정보 인버터전/후단DC/AC측정데이터실시간모니터링 센서보정 DB저장주기및DB저장시간등여러가지모니터링/시스템정보설정 모듈계측 센서보정 모듈DC,온도계측 모듈의DC관련전압/전류및온도를실시간모니터링 분석 단락시험 데이터분석 2Point계측방식을통한1차방적식을적용할수있는센서보정방식, 시스템로그분석 MC Control시험 데이터와확인 MC를수동으로제어하면서인버터전압및상태복귀를실시간으로 DB에저장된데이터를원하는데이터만추출하여자동보고서 36 시스템이벤트로그데이터를날짜별검색(데이터분석) 주요 기능 (서울마린) 모니터링/시스템정보 각종센서의정보(Scale, 인버터전/후단DC/AC 측정데이터실시간모니터링 Calibration Factor, TagNo등 )및 y=ax+b(a(span), b(offset)자동계산적용) 생성(Excel형식)
적용 사례 DB 복구 기능 (서울마린) 37
3. 태양광 모듈 효율 실증 테스트 시스템 38
태양광 모듈 검사 및 측정 현황 모듈 검사 분류 생산 공정 검사 (효율 및 이물/Crack 검사) 인증 테스트 (에너지기술연구원 검사 기준) 난점 : 일반적으로 태양광 모듈의 크기가 수십 cm 또는 그 이 상이므로 그에 알맞은 광원(솔라 시뮬레이터) 구비 금 액이 고가 박막형 태양전지 모듈의 경우 처음부터 모듈로 만들어 지므로 효율 측정에 어려움이 있음 39
태양광 모듈 검사 및 측정 현황 (계속) 실증 테스트 야외에서 실제 태양광에서 출력값(I,V)만을 측정 모듈/인버터 등의 교차 시험 난점 온도나 일사량의 변화에 따른 효율 등의 특성 검사가 어려움 기존의 source meter등을 이용할 경우 다채널 비교 시 험을 위해 고가의 시스템이 필요 시험 대상 모듈의 사양에 따라 측정 범위, 해상도 등을 최적화하기 어려움 40
새로운 측정시스템에 대한 needs 적절한 가격의 대면적 태양광 모듈 효율 측정 시스템 필요 고가/대면적 솔라시뮬레이터 없이 구현할 수 있어야 시간에 따른 효율(또는 Fill factor)의 변화를 모니터링해야 함 박막형 태양광 모듈의 경우 수명에 대한 우려가 제기되고 있어 더 민감 41
태양전지/모듈 측정이 만족해야 하는 기준 IEC 60904에 준함 사용가능 광원 : 자연광 또는 솔라시뮬레이터로 모사된 광원 일정 수준 이상의 온도 오차 이내의 장비를 사용해야 함 측정 대상과 측정 기기 사이가 멀 경우를 고려하여 4와이어 방식 채 택 자연광을 사용하는 경우 광량의 변화율이 일정 수준내에 들어와야 유효한 검사 최소 광량을 넘어야 유효한 검사 검사 당시의 스펙트럼 특성과 기준 태양광 스펙트럼과의 비교 및 교 42 정
NI 태양광 모듈 효율 실증 테스트 시스템 장점 : 저가로 여러 모듈에 대한 동시 측정 가능 (10개 모듈 측정 기준 <5천만원) 43 단점 : 스위칭을 하기 때문에 모듈 간의 테스트 데이터에 delay가 존재
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결론 효율 측정 시스템 (실내/고가/ 솔라 시뮬레이터 사용) 실증 단지 모니터링 시스템 PXI & LabVIEW 다채널 효율 측정 및 장기간 모니터링 시스템 (야외/저가/자연광 사용) (야외/저가/자연광 사용) 47
감사합니다 48