태양광 모듈에서의 열 발생 (Heat Generation in PV Modules)

태양광 모듈에서의 열 발생 (Heat Generation in PV Modules)

 

 

1. 태양광 모듈의 온도 (PV Module Temperature)

태양전지를 태양광 모듈로 봉지함에 따라 원치 않게 발생하는 부작용은 모듈 내외부로의 열의 흐름이 봉지에 의해 바뀌고 그에 의해 모듈의 동작 온도가 상승한다는 점이다. 이렇게 온도가 올라가면 전압을 낮추게 되고 결과적으로 출력 전력을 낮추어 태양광 모듈에 큰 영향을 미치게 된다. 게다가, 온도의 상승은 여러 가지 결함이나 열화에도 관계를 하게 되는데, 왜냐하면 온도의 상승이 열팽창과 연관되어 스트레스를 증가시키고 또한 온도가 10℃ 올라갈 때 마다 약 2배 정도 열화 속도가 증가하기 때문이다.

역방향 바이어스 조건에서 바이패스 다이오드가 일체화된 16 개의 태양전지로 구성된 모듈의 열화상 이미지 (thermographic). 각 색깔의 변화는 4℃ 의 온도변화에 해당한다.

 

모듈의 동작온도는 모듈이 생산하는 열 , 외부로 손실되는 열과 주위 동작온도 사이의 평형에 의해 결정된다. 모듈이 생산하는 열은 모듈의 동작온도, 모듈과 태양전지의 광학적 특성 그리고 모듈에서 태양전지의 패킹 밀도에 의존한다. 주위로 손실되는 열은 3가지 메커니즘중의 하나에 의해 진행되는데 , 전도(conduction), 대류(convection) 그리고 복사(radiation)이다. 이들 손실 메커니즘은 모듈 재료의 열 저항, 모듈의 방사 특성 그리고 주위 조건(특히 풍속)에 의존한다.

 

 

2. 태양광 모듈에서의 열 발생 (Heat Generation in PV Modules)

태양광에 노출된 태양광 모듈은 전기뿐 아니라 열도 생산한다. 최대 출력점에서 동작하는 전형적인 상업용 모듈의 경우 입사 태양광의 약 10~15%만 전기로 변환되고 나머지 대부분은 열로 변환된다. 모듈의 가열에 영향을 미치는 인자들은 아래와 같다.

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① 모듈 상단으로부터의 반사

② 모듈의 전기적 동작점

③ 태양전지로 커버되지 않는 영역에서 모듈에 의한 빛의 흡수

④ 모듈 혹은 태양전지에서 낮은 에너지 (적외선 ) 빛의 흡수

⑤ 태양전지의 패킹 밀도

태양광 모듈에 입사되는 빛은 전기뿐 아니라 열도 생산한다.

 

1) 앞면 반사 (Front Surface Reflection)

모듈의 앞면으로부터 반사된 빛은 전력생산에 기여하지 않는다. 이런 빛은 최소화시켜야 할 전기적인 손실 메커니즘으로 간주한다. 반사된 빛은 모듈을 가열하는데 기여하지도 않는다. 따라서 모듈의 최대 온도 상승은 입사된 전력에 반사율을 곱한 것으로 계산한다. 상단이 유리로 된 보통 모듈의 경우, 반사된 빛은 입사에너지의 약 4 %이다.

 

2) 모듈의 동작점과 효율 (Operating Point and Efficiency of the Module)

태양전지의 동작점과 효율이 태양전지에 의해 흡수된 빛 중에서 전기로 변환되는 빛의 비율을 결정한다. 만약 태양전지가 단락전류나 개방전압에서 동작한다면 전기를 생산하지 못하는 것으로 태양전지가 흡수하는 모든 전력은 열로 변환된다.

 

3) 모듈에 의한 빛의 흡수 (Absorption of Light by the PV Module)

태양전지가 아닌 모듈의 여타 부분에 의해 흡수되는 빛도 모듈을 가열하는데 기여한다. 얼마나 많은 빛이 흡수되고 반사되는 지는 모듈의 후면 지지 층(backing layer)의 색깔과 재료에 의해 결정된다.

 

4) 적외선의 흡수 (Absorption of Infra-red Light)

태양전지의 밴드갭보다 작은 에너지를 가진 빛은 전력 생산에 기여하지 못하나, 만약 태양전지나 모듈에 의해 흡수되면 가열에는 기여한다. 태양전지의 후면에 있는 알루미늄은 이 적외선 빛을 흡수하는 경향이 있다. 태양전지 후면이 알루미늄으로 완전히 덮여 있지 않은 경우에는 적외선이 태양전지를 통과하여 모듈을 빠져나가게 된다.

 

5) 태양전지의 패킹 밀도 (Packing Factor of the Solar Cells)

태양전지는 특별히 태양 복사를 효율적으로 흡수하도록 설계되어 있다. 태양전지는 모듈 봉지재와 후면 지지층 보다 훨씬 더 많은 열을 생산한다. 그러므로 태양전지의 패킹 밀도가 높으면 단위면적당의 열 생산도 증가한다.