[논문 리뷰] Dealing in practive with hot-spots

R. B. Moreton, E. Lorenzo외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

Photovoltaic System Optimization Techniques참고 문헌 5인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 적외선 열화상, 발광전기형광, 작동 전압 측정을 이용하여 현장에서 적용 가능한 표준화된 절차를 제안한다. 이 절차는 열점(핫스팟)이 있는 태양전지 모듈을 식별하고 분류하는 데 목적이 있으며, 전압 손실과 온도 차이를 바탕으로 명확한 수용/기각 기준을 설정한다. 작동 전압이 에너지 손실을 가장 신뢰할 수 있는 지표로 규명되어 계약 분쟁과 품질 보증 프레임워크에서 실용적으로 활용할 수 있다.

ABSTRACT

The hot-spot phenomenon is a relatively frequent problem occurring in current photovoltaic generators. It entails both a risk for the photovoltaic module's lifetime and a decrease in its operational efficiency. Nevertheless, there is still a lack of widely accepted procedures for dealing with them in practice. This paper presents the IES-UPM observations on 200 affected modules. Visual and infrared inspection, electroluminescence, peak power and operating voltage tests have been accomplished. Hot-spot observation procedures and well defined acceptance and rejection criteria are proposed, addressing both the lifetime and the operational efficiency of the modules. The operating voltage has come out as the best parameter to control effective efficiency losses for the affected modules. This procedure is oriented to its possible application in contractual frameworks.

연구 동기 및 목표

• 상업용 PV 설치에서 열점에 대한 널리 수용되는 절차가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 실증 데이터를 바탕으로 현장 적용이 가능한 객관적인 수용 및 기각 기준을 설정하기 위해.
• 열점의 심각도를 실제 에너지 손실과 모듈 수명 주기 리스크와 연결하여 운영 효율성과 계약 준수를 중심으로 분석하기 위해.
• 제조업체와 EPC 기업 간에 결함이 있는 모듈로 인한 분쟁을 해결하기 위한 실용적인 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 실제 환경 조건에서 확인된 200개의 PV 모듈에 대해 시각적 점검과 적외선 열화상 검사를 실시하였다.
• 내부 결함(미세 균열, solderring 문제 등)을 확인하기 위해 전자형광 영상 촬영을 수행하였다.
• 표준시험조건(STC)과 실제 일조량(G > 700 W/m²) 조건에서 최대 출력 및 작동 전압을 측정하여 성능 손실를 평가하였다.
• 온도 차이(ΔT)와 작동 전압 손실 간의 선형 상관관계를 확립하여 적외선 영상에서 열점의 심각도를 외삽하였다.
• ΔT와 전압 손실 기반의 의사결정 트리(결정수업)를 제안하였으며, 각각 임계값으로 30°C와 3% 전압 손실을 설정하였다.
• 3~5년간의 운영 기간 동안 3개의 다른 제조사에서 생산된 데이터를 활용하여 열점 행동의 일관성과 변동성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열점이 있는 PV 모듈에서 실제 에너지 손실을 평가하기 위해 현장에서 측정 가능한 가장 신뢰도 높은 매개변수는 무엇인가?
• RQ2 실제 열점 조건에서 온도 차이(ΔT)와 전압 손실 간의 상관관계는 어떻게 되는가?
• RQ3 계약적 환경에서 PV 모듈을 수용 또는 기각하기 위한 ΔT와 전압 손실의 임계값은 무엇인가?
• RQ4 열점 온도는 장기적인 열화 위험과 모듈 수명에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 상업용 PV 시스템에서 현장 기반의 열점 평가를 위한 표준화되고 반복 가능한 절차를 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 작동 전압 손실이 열점 영향을 받은 모듈에서 실제 에너지 손실을 평가하는 데 가장 효과적이고 신뢰도가 높은 지표로 규명되었다.
• 일부 모듈 유형에서 온도 차이(ΔT)와 전압 손실 간에 강한 선형 상관관계가 관찰되었으며, 결정 계수(R²) 값은 최대 0.63에 이르렀다.
• 30°C의 온도 차이(ΔT) 기준값을 설정하여 잠재적으로 결함이 있는 모듈을 식별하는 데 실용적인 기준으로 활용하였다.
• 3%를 초과하는 전압 손실은 표준 보증 한도를 초월하는 에너지 손실을 의미하며, 이는 모듈 기각의 근거로 충분하다고 확인되었다.
• 제안된 방법은 실제 현장 조건에서 일관되고 반복 가능한 열점 평가를 가능하게 하여 계약 분쟁 해결을 지원한다.
• IES-UPM는 이 절차를 실제 중재 과정에서 제조업체와 EPC 기업 간의 분쟁 해결에 성공적으로 적용하였다.