KR20130049063A - 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법 - Google Patents

태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법 Download PDF

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안진호
신성용
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 출원은 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 더욱 상세하게는 쇼트 상태의 최대 전류 대비 실제 발전시의 동작 전류의 비율을 전자 부하기로 조절하면서 실제 현장에 설치되었을 때의 다양한 상황을 고려하여 핫스팟의 기준을 제시할 수 있는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 제공하기 위한 것이다.
그 기술적 구성은 제어부가 단락 전류(Isc) 대비 제1 퍼센트값 또는 최대 전력 전류(Imp) 대비 제2 퍼센트값을 입력받아 태양광 모듈 내의 셀에 특정 전류가 흐르도록 전자 부하기로 송신하는 제1 단계; 상기 특정 전류가 상기 태양광 모듈 내의 셀에 일정 시간 동안 인가되면, 셀의 핫스팟 여부를 확인하기 위해 열화상 카메라로 상기 태양광 모듈을 촬영하는 제2 단계; 상기 단락 전류(Isc) 대비 제1 퍼센트값 또는 최대 전력 전류(Imp) 대비 제2 퍼센트값의 입력이 없으면 종료하고, 상기 입력이 있다면 상기 제1 단계로 복귀하는 제3 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법{METHOD FOR MEASURING HOTSPOT OF CELL IN PHOTOVOLTAIC MODULE}
본 출원은 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 단락 전류 또는 최대 전력 전류의 대비값으로 제어하여 주위 환경의 변화에서도 절대적인 핫스팟 측정의 재현성 및 정확도를 높일 수 있는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 발전(太陽光 發電, Solar Photovoltaic)은 발전기의 도움없이 태양전지를 이용하여 태양광을 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전방식으로, 태양의 빛 에너지를 태양전지인 광전 변환기를 써서 직접 전기 에너지로 변환시켜 이용하는 것이다.
태양 빛이 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 태양전지에 쪼여지면, 태양 빛이 가지고 있는 에너지에 의해 태양전지에 정공(Hole)과 전자(Electron)가 발생하며, 이때, 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위차가 발생하면 전류가 흐르게 되는 것이다.
여기서, 태양광 모듈(PhotoVoltaic Module, PV 모듈)은 태양전지를 종 및 횡으로 연결하여 결합한 형태로, 개별 태양전지에서 생산된 전기가 모듈에 동시에 모이게 되며, 태양전지를 많이 붙일수록 발전 용량은 커지게 되며, 점차 대형화되는 추세이다.
태양전지(Solar Cell, 이하“셀”이라 칭함)는 태양광의 조사(照射)에 의한 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 반도체 장치로서, 대표적인 실리콘 셀은 쾌청할 때의 직사일광을 받는 1cm2의 면적에서 대략적으로 0.45V, 30mA의 특성을 얻을 수 있다.
또한, 셀은 전지라는 이름이 붙어있지만, 건전지 등의 전지와는 다르며, 셀은 방송 위성뿐 아니라, 휴대용 전자계산기, 전자 시계, 옥외 시계, 무인 등대, 텔레비전, 라디오 중계소에 이르기까지 그 응용범위가 점점 넓어지고 있으며, 재료는 실리콘, 칼륨 등이다.
이러한 셀의 핫스팟(HotSpot)은 현장에서 동작중에 전류능력이 떨어지는 셀에서 나타나는 현상으로, 열의 크기는 외기 온도, 일사량, 전류 등에 따라 달라지며, 만약 현장에서 동작하는 전류가 10A 라고 하고, 셀의 크랙에 의해 핫스팟이 난 셀의 허용 전류가 셀의 크랙 부분에 의해 8A라고 한다면, 10A의 동작 전류를 견디지 못하고 발전이 아닌 부하(Load)로서 작용하도록 발열이 일어나게 되며, 반대로 현장에서 동작하는 전류가 5A라고 하면, 셀이 크랙, 즉 금이 가거나 파손이 되는 등의 현상이 발생했더라도 핫스팟은 일어나지 않게 되는 것이다.
이러한 셀을 검사하는 방법으로는, 셀에 빛을 조사하여 전류-전압의 특성을 분석하는 방법을 주로 사용하였으나, 셀의 수명과 밀접하게 관계된 각종 결함들 즉, 마이크로 크랙, 외부 크랙, 내부 크랙, 휘도 저하, 전극 불량, 쇼트, 접합 항복 또는 열점 중 일부분만이 검사됨에 따라, 미세 결함을 검사하지 못하는 문제점이 있었다.
이에 따라, 등록특허번호 제10-0962291호에는 외관상 보이지는 않으나 진행성으로 인해 적층 공정시 전체 태양광 모듈에 심각한 오류를 유발시키는 마이크로 크랙, 즉 셀 내부의 결정립 또는 결정립계의 영향으로 발견하기 어려운 마이크로 크랙을 발견하기 위한 장치 및 방법이 개시되어 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 셀 검사 장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 셀 검사 장치(1000)는 솔라 모듈 지지부(100), 전원 공급부(200), 솔라 모듈(300), EL 광방출부(400), 방출부(400), EL 이미지 생성 카메라부(500), 통신 단말기부(600, 700)를 비롯하여 발열 도체판(310), 잉크젯 마킹부(510) 및 디스플레이부(610)를 포함하는 장치로, 다수의 다결정 셀(320)이 다수의 행과 열로 묶여 인라인화된 솔라 모듈(300)을 형성하고, 솔라 모듈(300)의 결함 상태를 밀폐된 공간 내에서 검사한다.
셀 검사 장치(1000)는 다음과 같은 프로세싱을 통해 솔라 모듈(300)의 결정립 또는 결정립계로 인한 결함 상태를 비롯하여 내부 쪼개짐, 외부 쪼개짐, 휘도 저하 또는 전극 불량에 관한 사항들 및 쇼트, 접합 항복 또는 열점에 관한 사항들을 포괄적으로 검사한다.
다수의 다결정 셀(320)로 기구성된 솔라 모듈(300)이 장치 내로 진입하면, 솔라 모듈 지지부(100)는 솔라 모듈(300)이 온도 가열식, 고주파유도 가열식, 핫에어 주입식, 난방 가열식 및 오븐 가열식 중 선택된 어느 하나로부터 발생된 예열을 기설정된 예열 구간에서 제공받게끔 솔라 모듈(300)을 지지한다.
솔라 모듈 지지부(100)는 기구비된 발열 도체판(310) 상단에 솔라 모듈(300)을 안착시키고, 온도 가열식, 고주파유도 가열식, 핫에어 주입식, 난방 가열식 및 오븐 가열식 중 선택된 어느 하나로부터 발생된 섭씨 90도 내지 110도의 예열을 발열 도체판(310)을 통해 솔라 모듈(300)에 직간접적으로 제공한다.
온도조절장치(800)가 자체 발생시킨 예열을 솔라 모듈 지지부(100) 또는 EL 광 방출부(400)에 제공할 경우, 솔라 모듈(300)은 예열 구간 상에 존재하는 솔라 모듈 지지부(100)의 발열 도체판(310) 또는 검사 구간 상에 존재하는 EL 광 방출부(400)의 발열 도체판(310)을 통해 예열을 전도받는다.
이로 인해, 솔라 모듈(300)에 기구성된 다수의 다결정 셀(320)은 예열 구간에 있는 발열 도체판(310)으로부터 전도된 예열 또는 검사 구간에 있는 발열 도체판(310)으로부터 전도된 예열에 영향을 받아 내부적 결함요소에 해당되는 결정립 또는 결정립계를 제거시킨다.
그러나, 제조공정이 마쳐지고 나서 외주를 주문했던 도급사에 도착한 경우, 이러한 공정은 제조사에서의 결함률을 낮추기 위한 방법으로만 적용될 뿐, 도급사에서 현장에 설치된 태양광 모듈 내의 셀의 발열을 검사하기 위한 방법은 개시되어 있지 않으며, 셀 내의 크랙이 아닌, 셀의 크랙을 검사하기 위한 방법에 대해서도 개시되지 않았고, 기존의 방법은 단순히 셀 간의 온도차만을 가지고 핫스팟(HotSpot)을 검사했으나, 이러한 방법은 일사량, 주위온도, 풍속 등의 주변 환경의 변화로 절대적인 기준을 잡을 수 없었고, 기존의 인버터는 기 설정된 전류만을 도통하게 하므로, 외부에서 태양광 발전하는 동안에 기 설정된 전류보다 더 많은 전류가 도통하게 되는 경우, 기 설정된 전류가 흘렀을 때에는 셀이 발열되어 부하로 작용하는 핫스팟이 아니라고 판단된 셀도 핫스팟이 될 수 있으므로, 셀의 발열 현상인 핫스팟에 대한 정확한 기준을 제시하지 못하는 등의 문제점이 있었다.
본 출원은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 셀 내의 크랙이 아닌, 제조가 완료된 태양광 모듈 내 셀 자체의 크랙, 먼지, 그림자로 인한 핫스팟이 있는지의 여부를 측정하기 위하여, 단순히 셀 간의 온도차만을 가지고 판단하는 것이 아니라, 주변 환경이 변하더라도 절대적인 핫스팟의 기준을 제시할 수 있는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원은 쇼트 상태의 최대 전류 대비 실제 발전시의 동작 전류의 비율을 전자 부하기로 조절하면서 실제 현장에 설치되었을 때의 다양한 상황을 고려하여 핫스팟의 기준을 제시할 수 있는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원은 직류로 연결된 셀에 일정한 전류가 흐르도록 하고, 전류의 세기를 전자 부하기로 증감시켜 어떠한 전류에서 어떠한 셀이 부하로 작용하는지를 확인하기 위해, 일정 시간 동안 발열된, 즉 핫스팟인 셀을 열화상 카메라로 검출함과 동시에, 외부 환경 및 온도의 다양성을 고려하여 어떠한 환경 및 온도에서도 셀이 핫스팟으로 작용하지 않는 기준을 제시할 수 있는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 출원은 실시예들 중에서, 제어부가 단락 전류(Isc) 대비 제1 퍼센트값 또는 최대 전력 전류(Imp) 대비 제2 퍼센트값을 입력받아 태양광 모듈 내의 셀에 특정 전류가 흐르도록 전자 부하기로 송신하는 제1 단계; 상기 특정 전류가 상기 태양광 모듈 내의 셀에 일정 시간 동안 인가되면, 셀의 핫스팟 여부를 확인하기 위해 열화상 카메라로 상기 태양광 모듈을 촬영하는 제2 단계; 상기 단락 전류(Isc) 대비 제1 퍼센트값 또는 최대 전력 전류(Imp) 대비 제2 퍼센트값의 입력이 없으면 종료하고, 상기 입력이 있다면 상기 제1 단계로 복귀하는 제3 단계;를 포함하는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 이용하여 과제를 해결할 수 있도록 이루어진다.
일 실시예에서, 상기 단락 전류(Isc)는 상기 태양광 모듈을 측정하여 샘플링된 결과로 갱신되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 최대 전력 전류(Imp) 대비 제2 퍼센트값은 상기 최대 전력 전류(Imp)와 제2 퍼센트값을 곱한 대비값이 상기 최대 전력 전류(Imp) 이상으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 단락 전류(Isc)와 제1 퍼센트값을 곱한 대비값과 상기 최대 전력 전류(Imp)와 제2 퍼센트값을 곱한 대비값은 하기 수학식과 같이 정의되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001

이상에서 설명한 바와 같이, 상기와 같은 구성을 갖는 본 출원의 개시된 기술은 ① 셀 내의 크랙이 아닌, 제조가 완료된 태양광 모듈 내 셀 자체의 크랙, 먼지, 그림자로 인한 핫스팟이 있는지의 여부를 측정하기 위하여, 단순히 셀 간의 온도차만을 가지고 판단하는 것이 아니라, 주변 환경이 변하더라도 절대적인 핫스팟의 기준을 제시할 수 있고, ② 쇼트 상태의 최대 전류 대비 실제 발전시의 동작 전류의 비율을 전자 부하기로 조절하면서 실제 현장에 설치되었을 때의 다양한 상황을 고려하여 핫스팟의 기준을 제시할 수 있으며, ③ 직류로 연결된 셀에 일정한 전류가 흐르도록 하고, 전류의 세기를 전자 부하기로 증감시켜 어떠한 전류에서 어떠한 셀이 부하로 작용하는지를 확인하기 위해, 일정 시간 동안 발열된, 즉 핫스팟인 셀을 열화상 카메라로 검출함과 동시에, 외부 환경 및 온도의 다양성을 고려하여 어떠한 환경 및 온도에서도 셀이 핫스팟으로 작용하지 않는 기준을 제시할 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 셀 검사 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 설명하기 위한 핫스팟의 개념을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 위한 장치 도시한 블록도이다.
도 4는 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법의 실시예를 도시한 도이다.
도 5는 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정장치의 대비값을 설명하기 위한 I-V 곡선이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 개시된 기술에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하, 본 출원에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 설명하기 위한 핫스팟의 개념을 설명하는 도면이다. 도 2 및 도 6을 참조하면, 태양광 모듈 내의 셀(Solar Cell)들은 직렬로 연결되어 있으며, 이러한 셀의 효율을 특정지워주는 변수로는 개방 전압(Open-Circuit Voltage, Voc), 단락 전류(Short-Circuit Current, Isc) 및 필팩터(Fill Factor, FF) 등이다.
개방 전압은 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때, 셀의 양단에 형성되는 전위차이며, 동종접합(Homojuction)의 경우로 예를 들면, 얻을 수 있는 최대한의 개방 전압은 P형 반도체와 N형 반도체 사이의 일함수값(Work Function)의 차이로 주어지며, 이값은 반도체의 밴드갭(Band Gap)에 의해 결정되므로, 밴드갭이 큰 재료를 사용하면 대체로 높은 개방 전압값이 얻어진다.
단락 전류는 회로가 단락된 상태, 즉 외부 저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(-)의 전류 밀도이며, 이값은 우선적으로 입사광의 세기와 파장분포(Spectral Distribution)에 따라 달라지지만, 이러한 조건이 결정된 상태에서는 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지 내부에서 외부 회로 쪽으로 보내지는가에 의존되며, 재결합에 의한 손실은 재료의 내부에서나 계면에서 일어날 수 있다.
또한, 단락 전류를 크게 하기 위해서는 태양전지 표면에서의 태양 빛의 반사를 최대한으로 감소시켜야 하며, 반사감소 코팅을 해주거나 도체 접촉점을 만들 때 태양 빛을 가리는 면적을 최소화해야 하며, 가능한 모든 파장의 흡수하기 위해서는 반도체의 밴드갭 에너지가 작을수록 유리하지만, 이와 같은 경우 개방 전압도 감소하게 되므로, 적정한 밴드갭을 가진 재료로 셀을 만드는 것이 바람직하다.
필팩터는 최대전력점에서 전류밀도와 전압값의 곱을 개방 전압과 단락 전류의 곱으로 나눈 값이며, 필팩터는 빛이 가해진 상태에서 I-V 곡선의 모양이 얼마나 사각형에 가까운가를 나타내는 지표이다.
이러한 배경 지식을 바탕으로, 도 2를 참조하면, 태양광 모듈이 태양광 발전을 할 현장에 설치가 되면, 그림자, 먼지, 크랙 등으로 인해 동일하게 제조된 셀이라고 하더라도, 각각 다른 단락 전류(Isc)가 발생할 수 있으며, 이에 따라 첫 번째 셀은 단락 전류(Isc)가 7A, 두 번째 셀은 8.3A, 세 번째 셀은 8.2A, 네 번째 셀은 8.1A 로 각각 다른 단락 전류, 즉 각 셀이 허용할 수 있는 전류가 현장의 상황에 따라 각기 다르게 변경되었다고 가정하자.
(a)에서는 최대 전력점(Maximum Power Point)을 가지게 하는 최대 전력 전류가 7.5A 로 흐르고 있다고 가정하고, 직렬 연결은 전류가 모두 동일하므로, 각 셀을 통해 모두 동일하게 7.5A 의 전류가 도통하고 있는 상태이다.
이러한 상황에서, 첫 번째 셀은 7A 만큼 허용할 수 있고, 나머지 0.5A 만큼은 자신의 허용량을 초과하였으므로, 계속하여 7.5A의 전류가 흐를 경우, 첫 번째 셀은 발열하게 되고, 이에 따라 셀 자체가 에너지를 소비하는 부하(Load)로 작용하여 핫스팟이 되는 것이다.
(b)에서는 최대 전력점을 가지게 하는 최대 전력 전류가 8.2A 로 흐르고 있다고 가정하고, 직렬 연결은 모두 동일하므로, 각 셀을 통해 모두 동일하게 8.2A의 전류가 도통하고 있는 상태이다.
이러한 상황에서, 첫 번째 셀은 7A 만큼 허용할 수 있고, 네 번째 셀은 8.1A 만큼 허용할 수 있으므로, 첫 번째 셀에서는 1.2A 만큼, 네 번째 셀에서는 0.1A 만큼은 자신의 허용량을 초과하였고, 계속하여 8.1A의 전류가 흐를 경우, 첫 번째 셀과 네 번째 셀은 시간의 차이는 있겠지만 발열하게 되고, 이에 따라 셀 자체가 에너지를 소비하는 부하로 작용하여 두 군데의 핫스팟이 발생하게 되는 것이다.
(c)에서는 최대 전력점을 가지게 하는 최대 전력 전류가 8.25A 로 흐르고 있다고 가정하고, 직렬 연결은 모두 동일하므로, 각 셀을 통해 모두 동일하게 8.25A의 전류가 도통하고 있는 상태이다.
이러한 상황에서, 첫 번째 셀은 7A 만큼 허용할 수 있고, 세 번째 셀은 8.2A 만큼 허용할 수 있으며, 네 번째 셀은 8.1A 만큼 허용할 수 있으므로, 첫 번째 셀에서는 1.25A 만큼, 세 번째 셀에서는 0.05A 만큼, 네 번째 셀에서는 0.15A 만큼은 자신의 허용량을 초과하였고, 계속하여 8.2A의 전류가 흐를 경우, 첫 번째 셀과 세번째 셀과 네 번째 셀은 시간의 차이는 있겠지만 발열하게 되고, 이에 따라 셀 자체가 에너지를 소비하는 부하로 작용하여 세 군데의 핫스팟이 발생하게 되는 것이다.
위에서 본 것과 같이, 최대 전력 전류가 어느 정도 흐르느냐에 따라, 외부 환경 변화에 따라 단락 전류가 변경된 각각의 셀은 핫스팟이 될 수도 있고, 핫스팟이 아닐 수도 있으며, 어느 정도를 핫스팟으로 지정할 것인지에 대한 기준이 제시되지 않아 본 출원에서는 이러한 기준을 제시하고자 한다.
도 3은 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 위한 장치 도시한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 본 출원에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정장치(1)는 태양광 모듈(10), 전자 부하기(20), 입출력부(30), 제어부(40), 열화상 카메라(50), 디스플레이부(60)를 포함한다.
여기서, 입출력부(30)는 제어부(40)에 포함될 수도 있고, 따로 구비될 수도 있으며, 디스플레이부(60)는 열화상 카메라(50)의 작은 LCD 화면으로는 분석이 불가능할 때 혹은 더 크게 보고 싶은 경우에 구비될 수 있으며, 크게 볼 필요가 없는 경우에는 디스플레이부(60)를 구비하지 않아도 가능함은 자명하다고 할 것이다.
태양광 모듈(10)은 내에는 다수개의 셀(11)이 종 및 횡으로 연결되어 결합되어 있으며, 개별 셀(11)에서 생산된 전기가 태양광 모듈(10)에 동시에 모이게 되는 구성이며, 이러한 태양광 모듈(10)에 일정한 동작 전류가 흐르고 있으며, 이에 따라 각 셀(11)에 도통되는 전류는 동일하게 된다.
전자 부하기(20)는 태양광 모듈(10)에 연결되어, 일정한 동작 전류, 즉 단락 전류 대비 또는 최대 전력 전류 대비값(%)을 입력하면, 그 대비값(%)에 해당하는 전류가 상기 태양광 모듈(10)에 도통되어 각각의 셀(11)에 대비값(%)에 해당하는 전류가 흐르도록 상기 태양광 모듈(10)과 연결된다.
단락 전류(Isc)와 실제 동작 전류인 최대 전력 전류(Imp)는 일정한 차이가 있는데, 예를 들면, 단락 전류(Isc)가 10A 로 측정되었더라도, 실제 동작하는 최대 전력 전류(Imp)는 9A 가 될 수 있고, 단락 전류(Isc) 기준으로 92.5% 로 대비값을 잡는 경우, 단락 전류(Isc) 기준으로 대비값인 9.25A 에 해당하는 전류로 태양광 모듈(10)이 동작하도록 제어하는 것이다.
여기서, 단락 전류(Isc)를 기준으로 대비값을 설정하는 경우, 최대 전력 전류(Imp)값 이하로 떨어지게 설정하지 않는데, 그 이유는 현장에서의 직사광선 등의 조건인 경우, 최대 전력 전류(Imp)보다 낮게 설정하게 되면, 현장에서 태양광 모듈(10)이 설치되었을 때, 핫스팟이 실험에서보다 훨씬 더 많이 발생할 수 있기 때문에, 실험 단계에서 현장에서 발생할 수 있는 모든 경우의 수를 고려한 조건을 설정하기 위함이다.
따라서, 단락 전류(Isc) 대비 최대 전력 전류(Imp)는 대략적으로 92.5% 정도이고, 단락 전류(Isc) 기준으로 대비값을 설정할 때에는 92.5% 이하, 즉 최대 전력 전류(Imp) 보다는 떨어지면 안되며, 최대 전력 전류(Imp) 기준으로 대비값을 설정할 때에는 100% 이상으로 설정해야 한다.
예를 들어, 단락 전류(Isc)가 10A이며, 최대 전력 전류(Imp)가 9.25A인 경우, 태양광 모듈(10)이 현장에 설치될 경우에는 최대 전력 전류보다는 이상의 전류가 흐르게 될 수 있고, 이에 따라 이러한 상황에서 핫스팟이 없도록 해야하기 때문에, 단락 전류(Isc) 대비값으로는 92.5% 인 9.25A 보다는 높은값으로, 최대 전력 전류(Imp) 대비값으로는 100% 가 넘는 값으로 설정해야 하며, 그 수식은 이하의 수학식 1과 같다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004

따라서, 최대 전력 전류(Imp) 기준으로 퍼센트를 설정할 때에는 100% 이상이어야 하고, 단락 전류(Isc) 기준으로 퍼센트를 정할 때에는 최대 전력 전류(Imp)에 해당하는 퍼센트보다 낮아지면 안되며, 대비값 자체로 봤을 때에는 최대 전력 전류(Imp) 보다는 커야 하고, 단락 전류(Isc) 보다는 낮은값으로 설정하는 것이 바람직하다.
그리고, 단락 전류(Isc) 등의 값은 샘플링을 실시하여 항상 갱신될 수 있는 값이며, 이에 따라 각각의 기준을 잡을 때 측정을 하고 이에 따라 대비값 또는 대비(%)를 설정하도록 한다.
입출력부(30)는 단락 전류나 최대 전력 전류를 퍼센트로 대비값을 입력하고, 입력된 퍼센트값을 사용자에게 디스플레이하는 도구이며, 이는 제어부(30)에 포함된 구성일 수 있고, 제어부(30)에 포함된 경우 생략가능한 구성이다.
제어부(40)는 전자 부하기(20)에 연결되어 전자 부하기(20)의 단락 전류나 최대 전력 전류를 퍼센트로 대비값을 인가하기 위하여 구비되며, 전자 부하기(20)는 제어부(40)에 입력되는 대비값에 따라 태양광 모듈(10)에 전류를 인가하게 되는 것이다.
부가적으로, 열화상 카메라(50)가 연결되어, 열화상 카메라(50)에 찍힌 화면을 입력받아, 큰 모니터와 같은 디스플레이부(60)에 핫스팟인 부분을 확대하여 보기 위해 사용될 수도 있으며, 이러한 구성은 생략가능하고, 상황에 따라 부가될 수 있는 부가적 요소로 작용할 수 있다.
열화상 카메라(50)는 전자 부하기(20)에서 일정 시간 동안 전류를 흘려서, 만약 핫스팟인 부분이 있다면 이를 찾아내기 위해 구비되는 것으로, 표면에서 방사되는 적외선의 측정에 의해 얻어진 표면의 온도 분포를 흑백의 농담(濃淡: 짙고 엷음) 또는 색깔로 표시되는 화상을 볼 수 있는 것으로, 콘트라스트(Contrast) 또는 색채 형태에 상응하는 장면을 그려놓은 가시적인 화상을 얻을 수 있도록 구비된다.
따라서, 태양광 모듈(10)을 촬영했을 때, 온도가 높은 핫스팟인 부분이 있는지의 여부를 확인할 수 있다.
디스플레이부(60)는 열화상 카메라(50)의 LCD 화면이 작아 핫스팟인 부분이 있는지의 여부를 확인하기 불분명할 때, 또는 더 큰 화면으로 보고자 할 때, 모니터 형태로 구비될 수 있으며, 열화상 카메라(50)가 제어부(40)에 연결되어 그 이미지를 제어부(40)로 주면, 디스플레이부(60)에서 출력될 수 있도록 구비될 수도 있으며, 직접 열화상 카메라(50)가 디스플레이부(60)에 연결될 수도 있으며, 사용자의 취향 또는 상황에 따라 다양하게 구성가능함은 자명하다.
이하에서 이상에서 상술한 구성으로 본 출원에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정장치의 구동 과정을 설명한다.
도 4는 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법의 실시예를 도시한 도이다. 도 4a를 참조하면, 태양광 모듈(10)을 태양을 바라보도록 설치하고, 전자 부하기(20), 제어부(40), 입출력부(30)를 순서대로 연결하는데, 입출력부(30)는 상기에서 설명한 것과 같이 삭제가능한 구성이다.
여기서, 제어부(40)에 대비값을 입력하기 위해, 입출력부(30)를 통해 단락 전류(Isp) 기준인지 또는 최대 전력 전류(Imp) 기준인지를 선택한 다음, 대비값에 해당하는 대비 퍼센트값을 입력하는데, 여기서 각각의 기준은 샘플링한 값으로 갱신될 수 있으며, 이를 기준으로 대비값에 해당하는 퍼센트값을 입력하도록 한다.
그리고 나서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 대비값에 해당하는 전류가 인가되면서 발생되는 발열 현상인 핫스팟을 관찰하기 위해, 일정 시간을 두고, 그 이후에 열화상 카메라(50)를 구비하여 태양광 모듈(10)을 촬영하면, 핫스팟이 있는 경우에는 빨간색으로 그 부분이 표시될 수 있다.
핫스팟인 부분의 설명과 데이터를 더욱 자세히 보기 위해서는 부가적으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 열화상 카메라(50)를 제어부(40)에 연결하여 디스플레이부(60)에 도시되도록 연결할 수도 있고, 또는 열화상 카메라(50) 자체를 디스플레이부(60)에 직접 연결할 수도 있으며, 디스플레이부(60)에 연결하지 않고 열화상 카메라(50) 자체에서 보고자 할 경우에는 도 4c의 경우는 제거가능하다.
도 5는 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법을 도시한 흐름도이다. 도 5에서 도시된 바와 같이, 모든 장비의 연결이 완료되었으면, 입력부를 통하여 단락 전류(Isc) 또는 최대 전력 전류(Imp)의 대비값에 해당하는 퍼센트를 제어부가 입력받게 된다(S10).
여기서, 제어부는 입력된 기준 및 대비값에 해당하는 퍼센트값을 입력받은 경우, 이에 퍼센트값에 해당하는 대비값인 특정 전류가 흐르도록 전자 부하기에 명령을 내리며, 전자 부하기는 셀에 특정 전류가 흐르도록 한다(S20).
그리고 나서, 만약 태양광 모듈 내에 구비된 셀이 핫스팟인지의 여부를 확인하기 위해, 일정 시간 동안 전류를 흘려주고(S30), 일정 시간이 경과하여 셀의 핫스팟이 발생했는지의 여부를 확인하기 위해(S40), 열화상 카메라로 태양광 모듈을 촬영하고(S50), 촬영된 이미지를 보고 핫스팟의 유무를 판단할 수 있게 되는 것이다.
여기서 추가된 디스플레이부에서 태양광 모듈의 핫스팟을 표시할 것인지의 여부는 상기에서 기재된 것과 같이, 각각의 상황에 따라 제거될 수도 추가될 수도 있는 단계(S60)이며, 다른 대비값이 입력되어 다른 측정이 발생하지 않으면, 본 방법은 종료하고, 다른 측정이 발생하는 경우, 상기 단계(S10)로 복귀한다.
도 6은 본 출원에 개시된 기술에 따른 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정장치의 대비값을 설명하기 위한 I-V 곡선이다. 도 6에서 도시된 바와 같이, 단락 전류(Isc)는 샘플링하여 계속적으로 갱신될 수 있는 값이고, 이에 따른 최대 전력 전류(Imp, i)도 변경될 수 있으며, 이를 이용하여 제어하면, 핫스팟 측정의 재현성 및 정확도를 높일 수 있으며, 단순히 온도차에 의한 판단이 아닌, 특정 전류에 대한 핫스팟 유무를 판단할 수 있고, 단락 전류 대비 퍼센트, 최대 전력 전류 대비 퍼센트 등과 같이 제어함으로써 환경에 따른 절대값이 아닌, 상대 제어를 통하여 환경적 영향을 줄일 수 있다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 출원의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정장치
10: 태양광 모듈 11: 셀
20: 전자 부하기 30: 입출력부
40: 제어부 50: 열화상 카메라
60: 디스플레이부

Claims (5)

  1. 제어부가 단락 전류(Isc) 대비 제1 퍼센트값 또는 최대 전력 전류(Imp) 대비 제2 퍼센트값을 입력받아 태양광 모듈 내의 셀에 특정 전류가 흐르도록 전자 부하기로 송신하는 제1 단계;
    상기 특정 전류가 상기 태양광 모듈 내의 셀에 일정 시간 동안 인가되면, 셀의 핫스팟 여부를 확인하기 위해 열화상 카메라로 상기 태양광 모듈을 촬영하는 제2 단계;
    상기 단락 전류(Isc) 대비 제1 퍼센트값 또는 최대 전력 전류(Imp) 대비 제2 퍼센트값의 입력이 없으면 종료하고, 상기 입력이 있다면 상기 제1 단계로 복귀하는 제3 단계;
    를 포함하는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락 전류(Isc)는 상기 태양광 모듈을 측정하여 샘플링된 결과로 갱신되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단락 전류(Isc) 대비 제1 퍼센트값은
    상기 단락 전류(Isc)와 제1 퍼센트값을 곱한 대비값이 상기 최대 전력 전류(Imp) 이하로 내려가지 않도록 설정되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 최대 전력 전류(Imp) 대비 제2 퍼센트값은
    상기 최대 전력 전류(Imp)와 제2 퍼센트값을 곱한 대비값이 상기 최대 전력 전류(Imp) 이상으로 설정되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 단락 전류(Isc)와 제1 퍼센트값을 곱한 대비값과 상기 최대 전력 전류(Imp)와 제2 퍼센트값을 곱한 대비값은 하기 수학식과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법.
    Figure pat00005


KR1020110114099A 2011-11-03 2011-11-03 태양광 모듈 내 셀의 핫스팟 측정방법 KR20130049063A (ko)

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