<목차>
1. 모듈(module) 이란?
2. 모듈 구성요소 및 종류
3. 모듈의 전기적인 특성
모듈(module) 이란?
태양광발전시스템 중 모듈이란 태양전지를 가로 또는 세로로 연결하여 결합한 형태로 태양전지는 햇빛을 받을 때 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 반도체 소자를 의미합니다. 하지만 일반적으로 태양전지는 셀, 모듈, 어레이 등을 총칭하여 말하기도 합니다.
태양전지는 반도체 물질로 태양빛이 태양전지 내 흡수되면 태양전지 내부에서 정공, 전자가 1쌍으로 만들어지고 pn접합에서 발생한 전기장에 의해 각각의 전극으로 이동하여 전류가 흐르게 됩니다.
이론적인 설명은 위의 내용과 같지만 일반적으로 부르는 모듈이라 함은 시중 제조업체에서 판매하는 1장의 모듈을 의미하며 이러한 모듈은 셀로 구성되고 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결된 하나의 구조를 어레이라고 부릅니다.
셀(cell): 빛을 흡수하는 부분으로 실제로 전류를 발생시키는 부분
모듈(module): 빛을 흡수하여 전자를 발생시키는 셀들의 집합
어레이(array): 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되어 하나의 구조를 이루는 단위
모듈의 구성요소 및 종류
모듈은 기본적으로 셀을 표면재와 백시트 사이에 넣고 충전재로 고정한 뒤 프레임을 설치한 뒤 seal로 마감하는 형태로 구성됩니다. 모듈에서 가장 중요한 요소는 셀이며 이러한 셀을 보호해 주기 위해 다양한 구성요소가 필요합니다.
- 셀: 태양빛을 흡수하여 전류를 발생시키는 반도체
- 표면재(강화유리): 셀을 보호하되 빛을 투과시키기 위해 90% 이상의 투과율을 확보하며 내충격력을 보유한 강화유리를 설치
- 충진재: 실리콘수지, PVB, EVA등을 사용하여 기포방지와 셀의 상하 이동으로 인한 균일성을 유지하기 위해 사용
- 프레임: 알루마이트 내식처리를 한 알루미늄 표면에 아크릴 도장을 한 재질을 사용하며 모듈의 가장자리에 위치
- SEAL: 리드의 출입부나 모듈의 단면부를 처리하기 위해 이용
일반적으로 상업용 태양광발전소나 베란다 태양광등에서 흔히 볼 수 있는 태양광 모듈은 실리콘으로 만들어지는 결정질 실리콘 태양전지로 1세대 모듈이라 부릅니다. 단결정이나 다결정이냐에 따라 구분되며 이는 셀의 크기가 반으로 줄어드는 하프셀이냐 아니냐로 구분 지을 수도 있습니다.
2세대 태양전지는 주로 박막형 태양전지를 의미하며 박막이란 반도체에서 주로 사용되는 용어인 thin film으로 전기가 통하지 않는 실리콘에 불순물을 투입해 전기적인 특성을 갖도록 하는 과정입니다. 박막을 형성하는 과정은 방식에 따라 PVD와 CVD로 나뉘며 PVD는 물리적으로 스퍼터링을 통해 불순물을 투입시킨다면 CVD는 기화시킨 뒤 기판 위로 가스를 확산시켜 막을 형성하는 방식입니다.
3세대 태양전지는 주로 유기물을 활용한 태양전지로 식물의 광합성 원리와 유사하게 빛을 받으면 특수한 염료 혹은 유기물이 전기를 발생시키는 방식입니다.
모듈의 전기적 특성
모듈은 반도체인 만큼 여러가지 전기적인 특성을 지니게 됩니다. 하지만 이는 전자회로, 물리전자공학 등 여러 과목에 대한 이해도가 필요한 부분이기 때문에 기본적인 전기적인 특성만 알아보도록 하겠습니다. 우선, 모듈에 입사된 빛 에너지가 변환되어 발생하는 전기적 출력특성으로는
- 최대출력: 최대출력 동작전압 x 최대출력 동작전류
- 개방전압: +, - 단자를 개방한 상태의 전압
- 단락전류: +, - 단자를 단락한 상태의 전류
- 최대출력 동작전압: 최대출력일 경우의 동작 전압
- 최대출력 동작전류: 최대출력일 경우의 동작 전류
위의 전기적인 특성을 얻기 위해서는 최대출력 시험을 진행하게 되는데 시험조건은 표준 시험조건(STC: Standard Test Condition)을 따르며 AM1.5를 기준으로 합니다. 이때 AM이란(Air Mass)의 약자로 태양직사광이 지상에 입사하기까지 통과하는 대기의 밀도를 표시하는 양으로 태양고도 90도에서의 일사를 AM1로 하여 그 배율에 따라 광의 통과거리가 1.5일 경우 AM1.5가 되며 이는 태양고도 42도 정도에 해당합니다. 또한 모듈의 표면온도는 25도, 방사조도는 1000[W/㎡]를 따릅니다.
<태양전지 모듈 표준시험 조건(STC)>
- 모듈 포면온도: 25도
- AM: 1.5
- 방사조도: 1,000[W/㎡]
태양광 모듈 중 일부 태양전지 셀에 그늘이 생기면 그 부분의 발전량이 저하됨과 동시에 다이오드에 역전압이 걸려 발열이 생길 수 있습니다. 이러한 경우에는 바이패스 다이오드를 설치하여 출력저하 및 발열을 억제하며 하나의 모듈뿐만 아니라 셀 한 장마다 한 개의 바이패스 다이오드의 기능을 갖게 하여 출력저하를 최소화시키는 제품이 출시되고 있습니다.
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