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태양광전지와 최대출력감지

게시자: Sundew Shin, 2009. 6. 15. 오후 5:16   [ 2011. 8. 29. 오후 10:55에 업데이트됨 ]

시작하는 글

 '이 PV 모듈은 최대 얼마의 전력을 생산 할 수 있을까'

여기서 최대(출력)는 앞으로 다룰 두 개의 특성곡선이 만나는 최대출력점(Mpp, Maximum Power Point)에 의해 정의 되고, 이 글에서는, 이를 찾는 이론적 배경과 상용 실현 된 기술들에 대해 살펴 보고자 한다.

모듈의 에너지 변환효율

먼저, PV모듈 자체의 효율을 살펴 보자.
PV모듈의 에너지변환효율(n)은 다음과 같이 순간출력(Pin) 대 이론적 최대출력의 비로 표현 된다:[2]
[Equation 1. Power Conversion Efficiency]

다시 말해서 고효율 PV 모듈은:
  • 단락전류(Short-circuit Current)가 높다.
  • 개방전압(Open-circuit Voltage)이 높다.
  • FF(Fill Factor, 이론적 최대출력 대 실재 최대출력 비)가 1에 가깝다.
    (상용 PV 모듈은 이 값이 0.7 보다 작으며 B급 모듈은 일반적으로 0.4미만이다. [3])

최대출력점 유지 운전

일단, 모듈의 에너지 효율이 결정 되었으니, 이제는 운전 효율을 높이는 것이 목표이다.
다음은 모듈x의 단락전류(Short-circuit Current)와 개발전압(Open-circuit Voltage) 사이의 관계를 보여 주는 그래프이다. 물론 모듈에 인가 되는 일조량과 온도조건에 따라 전체적인 크기(magnitude)가 결정 되지만 전체적인 이런 형태이다.
이 그림에서 잘 나타내 졌듯, 최대출력점( MPP)은 I*V의 크기(녹색 면적)가 최대가 되는 곳이다.
Short-circuit Current vs. Open-circuit Voltage

MPPT제어는 인버터의 직류동작전압을 일정시간 간격으로 변동시켜 그 때의 태양전지 출력전력을 계측하여 이전에 발생한 부분과 비교하고 항상 전력이 크게 되는 방향으로 인버터의 직류전압을 변화 시킨다.
  • Short-circuit Current = Norton Current
  • Open-circuit Voltage = Thévenin voltage source

최대출력점 Tracking Algorithm

모듈이 최대의 성능을 내도록 하기 위해서, 제어 시스템은, 이 최대출력점에서 모듈이 지속적으로 출력을 내도록 유도 해야 한다.
쉽게 말 해 이 과정은, PV DC출력을 상시 감시하면서 내부 가변저항값을 조정하여 MPP값에 근사하도록 맞추는 작업이다.

제어 알고리즘의 순서는 다음과 같다:
  1. 모듈x의 온도계수(%/C, Temperature Coefficient)를 Maker로 부터 받는다.
  2. 일조량과 온도조건에 따른 특성곡선을 예측 한다.
  3. 이 곡선과 y = V * I 곡선과의 유일한 접점이 최대출력점이다. [1]
다음은 예제 제어 시스템의 모습이다.

Control Diagram, Siemens MPP Tracker

특성 그래프

[Equation 2. Open-circuit Voltage]

여러 환경적인 요인들을 모두 반영한다면 엄청나게 복잡해 지겠지만, 대략 PV셀의 전류와 전압은 지수(exponential)관계를 갖는다. 반면 최대출력점은 이 특성곡선의 미분(differentiation)관계이다.

Solar Cell I-V Curve in Varying Sunlight

시스템 동특성 탐지

이론은 이론일 뿐이고, 스마트 모터드라이브 인버터가 그러 하듯, 솔라 인버터 역시 모듈과 주변 기기에 대한 최초 파라미터를 넣어 주고 미세보정(Fine Tuning) 단계를 진행 시키면 단위입력에 대한 시스템응답은 분석 해서 실효적인 PV 시스템의 동특성을 자동으로 찾아 내 준다.

Figures

  1. SINVERT Solar, Siemens Korea
  2. SINVERT Solar, Siemens Korea

Equations

  1. Power Conversion Efficiency [1]
  2. Open-circuit Voltage, PV Module [1]

References

  1. Messenger, Roger A., Jerry Ventre. Photovoltaic systems engineering, CRC Press, 2003. ISBN 0849317932
  2. Luque, Anotnio, Hegedus, Steven. Handbook of photovoltaic science and engineering, John Wiley and Sons, 2003. ISBN 0471491969
  3. Fill factor. (2009, April 18). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 02:31, April 18, 2009, from http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fill_factor&oldid=284546698

Appendix A: 상용 기술들

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