[논문 리뷰] Geometrical design of thin film PV modules for improved shade tolerance and performance

Sourabh Dongaonkar, Muhammad A. Alam|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 19.

Photovoltaic System Optimization Techniques참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 부분 쐐기 상태에서의 내구성과 성능을 향상시키기 위해 원형 및 나선형 셀 배열을 사용한 박막 태양전지(TFPV) 모듈의 새로운 기하학적 설계를 제안한다. 셀의 형상과 방향을 최적화함으로써 음극 파손을 방지하고, 부분 쐐기 상태에서도 출력 전력을 높이며, 시트 저항 손실을 감소시켜 기존의 직사각형 레이아웃에 비해 더 높은 내구성과 효율성을 확보한다.

ABSTRACT

Partial shading in photovoltaic modules is an important reliability and performance concern for all photovoltaic technologies. In this paper, we show how cell geometry can be used as a design variable for improved performance and resilience towards partial shading in monolithic thin film photovoltaic (TFPV) modules. We use circuit simulations to illustrate the geometrical aspects of partial shading in typical TFPV modules with rectangular cells, and formulate rules for shade tolerant design. We show that the problem of partial shading can be overcome by modifying the cell shape and orientation, while preserving the module shape and output characteristics. We discuss two geometrical designs with cells arranged in radial and spiral patterns, which (a) prevent the reverse breakdown of partially shaded cells, (b) improve the overall power output under partial shading, and (c) in case of spiral design, improve the module efficiency by reducing sheet resistance losses. We compare these designs quantitatively using realistic parameters, and discuss the practical approaches to their implementation.

연구 동기 및 목표

• 박막 태양전지(TFPV) 모듈에서 성능과 신뢰성을 저하시키는 부분 쐐기 문제를 해결하기 위해.
• 특히 셀의 형상과 방향과 같은 기하학적 특성이 부분 쐐기 상태에서의 내구성 향상에 어떻게 기여할 수 있는지 조사하기 위해.
• 모듈의 외형을 유지하면서도 전기적 성능을 향상시키는 대안적인 기하학적 레이아웃(원형 및 나선형)을 개발하고 평가하기 위해.
• 실제 모듈 파rameter를 사용한 회로 시뮬레이션을 통해 부분 쐐기 조건에서의 출력 전력 및 효율 향상 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 부분 쐐기 조건에서 기존의 직사각형 TFPV 모듈의 전기적 거동을 분석하기 위해 회로 시뮬레이션을 수행한다.
• 부분 쐐기 상태의 셀에서 전류 흐름과 전압 분포를 기반으로 쐐기 내성 설계 규칙을 수립한다.
• 두 가지 새로운 기하학적 구성 방식을 제안한다: 모듈 내부의 원형 및 나선형 배열.
• shaded 셀에서의 역전류와 전압 스트레스를 최소화하기 위해 셀의 형상과 방향을 최적화한다.
• 실제 모듈 파rameter를 사용하여 원형 및 나선형 레이아웃을 기존의 표준 직사각형 레이아웃과 비교한다.
• 나선형 레이아웃에서 감소된 시트 저항 손실이 전체 모듈 효율성에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 셀 기하학은 부분 쐐기 상태에서 TFPV 모듈이 역전압 파손에 얼마나 민감한가?
• RQ2 원형 및 나선형 셀 배열은 부분 쐐기 상태에서 기존의 직사각형 레이아웃에 비해 출력 전력을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 비직사각형 셀 기하학은 동일한 모듈 형태와 출력 특성을 유지하면서 성능 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ4 시트 저항 손실은 전체 모듈 효율성에 어떤 영향을 미치며, 나선형 레이아웃은 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 TFPV 모듈에 원형 및 나선형 셀 레이아웃을 도입할 때 실용적인 구현 과제와 이점은 무엇인가?

주요 결과

• 원형 및 나선형 셀 설계는 전류 분포를 균일하게 하여 전압 스트레스를 감소시킴으로써 부분 쐐기 상태의 셀에서 역전압 파손을 방지한다.
• 나선형 레이아웃은 시트 저항 손실을 감소시켜 기존의 직사각형 레이아웃에 비해 더 높은 모듈 효율성을 달성한다.
• 두 가지 대안적 기하학 레이아웃 모두 부분 쐐기 조건에서 기존의 표준 직사각형 모듈보다 뚜렷한 출력 전력 향상을 보였다.
• 회로 시뮬레이션 결과, 최적화된 셀 기하학이 원하는 모듈 출력 특성을 유지하면서 내구성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
• 제안된 설계는 전체 모듈 외형을 변경하지 않으면서도 TFPV 모듈의 신뢰성과 성능 향상을 위한 실현 가능한 길을 제시한다.
• 실제 파rameter를 사용한 정량적 비교를 통해 성능 향상과 쐐기 내성 향상의 명백한 개선이 확인되었으며, 설계 접근법의 타당성이 입증되었다.