1. 서 론

최근 탄소중립을 위한 분산형 에너지 시스템 확대에 따라 다양한 독립형 전원 시스템 연구가 이루어지고 있다. 특히 독립형 태양광 가로등은 별도의 계통 연계 없이 태양광 모듈에서 생산된 전력을 배터리에 저장하고 이를 야간 조명에 활용하여 전력 공급이 어려운 지역 등에 적용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 가로등에 적용되는 태양광 모듈은 제한된 발전 가능 면적, 구조물의 형상 및 설치 방향 등을 고려해야 한다. 특히 60셀 또는 72셀의 표준화된 크기로 제작된 일반적인 실리콘 태양광 모듈의 경우, 가로등 구조물 설계 시 고려해야 할 제한된 설치 면적 및 모듈의 출력 전압 등에 대한 유연한 대처가 불가능한 것이 현실이다^1,2,3). 이러한 문제점을 해결하기 위해 태양광 가로등에 적합한 태양광 모듈의 디자인에 관한 연구가 필요하다.

태양광 가로등은 설치 특성상 주변 건축물과 가로수 또는 가로등의 구조물 등에 의해 부분 음영이 흔히 발생한다. 이러한 부분 음영은 동일한 모듈 내의 태양전지 간의 일사량 사이로 인한 전류 불일치를 발생시켜 모듈 전체의 출력을 저해하는 문제점을 발생시킨다⁴⁾. 특히, 일반적인 태양광 모듈의 경우 필요 출력 전압을 얻기 위하여 다수의 태양전지를 직렬로 연결하기 때문에 일부 태양전지의 광전류 감소가 스트링 전체의 효율을 감소시키는 원인이 되므로 실제 음영 면적에 비해 상대적으로 큰 출력 손실을 초래하게 된다^4,5). 또한 음영 조건에서 특정 태양전지의 역바이어스 동작 발생으로 핫스팟이 발생할 경우 모듈의 출력뿐만 아니라 장기 신뢰성 측면에서도 큰 손실이 발생할 수 있다⁶⁾. 이를 위해 가로등용 태양광의 직병렬 조합 최적화를 통해 이러한 문제점을 최소화할 수 있도록 다양한 연구가 진행 중이다⁷⁾.

일반적인 결정질 실리콘 태양광 모듈은 부분 음영에 따른 출력 손실과 태양전지의 역바이어스 현상 완화를 위해 바이패스 다이오드가 적용된다^8,9,10). 하지만 가로등용 태양광 모듈의 경우 일반 태양광 모듈의 절반 이하의 면적으로 제작되는 경우가 많아 이를 적절히 활용하기 어려운 구조이다. 특히 음영 현상으로 인한 출력 전압 저하는 기존 태양광 가로등의 배터리 충전을 위한 최소 전압 이하로의 발전이 이뤄져 원활한 배터리 충전을 방해하는 요소가 된다. 이러한 한계를 개선하기 위해 태양전지를 물리적으로 분할하고 직렬로 접합하는 슁글드(Shingled) 기술이 연구되고 있다. 이는 분할 셀을 이용한 전기적 연결 구조를 통해 부분 음영(Partial shading) 발생 시 출력 손실을 최소화할 수 있다는 장점이 있다^11,12,13,14). 분할된 태양전지는 셀의 동작전류를 낮춰 모듈 제작 시 저항에 의한 출력 감소를 최소화할 수 있으며, 셀 간격 및 전극에 의한 비수광 영역을 감소시켜 제한된 모듈 면적에서 높은 셀 집적도를 확보할 수 있다. 분할된 태양전지는 전도성 접착제(Electrically Conductive Adhesive, ECA)를 이용하여 직렬 접합하는 구조로 일반적인 리본 기반의 셀 연결구조에 비해 높은 셀 집적도를 보인다¹⁵⁾. 또한 ECA를 이용하여 제작된 스트링의 분할셀의 개수와 스트링 사이의 직병렬 구조를 디자인하여 모듈의 출력 전압 및 크기를 조절할 수 있는 장점을 가지고 있다¹⁶⁾. 특히, 기존 Full size 태양전지를 이용한 모듈과 비교하여 작은 크기의 분할 셀을 기본 단위로 사용하므로 출력 전압과 모듈의 크기를 더욱 세밀하게 조절할 수 있다. 본 연구에서는 태양광 가로등에 적합한 크기와 발전 전압을 갖는 직렬접합형 태양광 모듈에 대한 직병렬 디자인과 그에 따른 특성 분석을 진행하였다. 또한 최종적으로 선정된 모듈과 기존 비슷한 크기의 일반 태양광 모듈과의 부분 음영에 따른 출력감소율의 변화를 비교했다.

2. 실 험

본 연구에서는 가로등에 적합한 직렬 접합형 태양광 모듈 제조를 위한 스트링 제작을 진행하였다. Fig. 1은 직렬접합 스트링 제작을 위한 태양전지 분할 및 접합 공정을 나타낸 모식도이다. 먼저 5개의 슁글드 버스바 디자인을 갖는 M6급(166 mm × 166 mm), p-PERC (Passivated Emitter rear Cell) 태양전지를 전면 전극 패턴 기준으로 IR레이저 스크라이빙을 진행한 후, 물리적으로 분리하여 5개의 분할된 태양전지를 제작한다. 이후 분할된 태양전지에 ECA를 전면 버스바 위에 분사한 후 또 다른 분할된 태양전지의 후면과 중첩하여 전기적으로 연결했다. 이때 인접한 분할셀 사이의 간격은 약 1.2 mm로 설정하였다.

일반적으로 태양광 가로등에 설치되는 배터리의 경우 12 V 또는 24 V의 충전 전압을 갖는다^17,18). 이를 만족하기 위하여 본 연구를 위해 제작된 모듈은 분할된 태양전지 21개를 직렬로 접합하여 스트링을 제작하였다. 이렇게 제작된 스트링 6개의 직병렬 조합을 기반으로 0.71 m²의 가로등용 태양광 모듈을 제작하였다. 이렇게 제작된 모듈은 대면적 솔라시뮬레이터(DKSMT-1527UL, DENKEN co. ltd.)와 I-V 측정장비(DKSMT-80, DENKEN co. ltd.)을 이용하여 전기적 특성을 측정하였다. 마지막으로 부분 음영 시 출력 감소율을 측정하기 위하여, 본 연구를 통해 개발된 모듈과 상용 모듈의 하부 10% 면적을 직각 삼각형의 모양으로 가린 전·후의 출력 변화를 확인하였다.

Fig. 1

Schematic illustration of the fabrication process for series-connected c-Si solar cell strings

3. 결과 및 토의

Fig. 2는 가로등용 태양광 모듈을 위해 제작된 스트링을 이용한 직병렬 회로 구조를 나타낸다. 가로등용 태양광 모듈의 제한된 설치 면적에서 요구되는 출력 전압 및 전류 특성 확보를 위해 동일한 6개의 스트링을 이용하였으며, 스트링 간 연결방식에 따라 6병렬(6 Parallel, 6P), 3병렬 2직렬(3 Parallel × 2 Series, 3P2S), 2병렬 3직렬(2 Parallel × 3 Series, 2P3S)의 3가지 회로 구조로 설계했다. 6직렬(6 Series, 6S) 디자인의 경우, 일반적으로 태양광 가로등에 설치되는 배터리의 충전 전압인 12 V 또는 24 V보다 출력 전압이 크게 높을 것으로 예상되어 본 연구에서는 제외하였다. 우리는 Fig. 2의 회로 구조 설계를 바탕으로 총 3종의 가로등용 태양광 모듈을 제작하였다.

Fig. 2

Electrical configurations of series-connected PV strings with different series-parallel arrangements

Fig. 3은 앞의 Fig. 2에서 제시한 직병렬 구조를 기반으로 제작된 태양광 모듈의 I-V 특성을 나타내는 그래프이며, Table 1은 측정된 I-V 데이터를 기반으로 분석된 각 모듈의 전기적 특성치를 나타낸다. 6개의 스트링을 모두 병렬로 연결했을 경우 개방전압(Voc)는 14.60 V, 단락전류(Isc)는 11.34 A로 측정되었다. 3S2P의 구조에서는 Voc와 Isc가 각각 29.24 V와 5.85 A로 측정되었으며, 2S3P의 구조에서는 Voc와 Isc가 각각 43.83 V와 3.77 A로 측정되었다. 반면 6S 모듈의 경우 Voc가 90 V이상으로 보유 중인 I-V 측정장치의 측정 한계값(80 V)을 넘어 정확한 전기적 특성 분석이 불가능했다. 이러한 결과는 개별 스트링의 전기적 특성이 비교적 균일하게 제작되었음을 확인할 수 있다. 또한 태양광 가로등에서 일반적으로 사용되는 배터리의 충전 전압인 12 V 또는 24 V에 적합한 모듈이 각각 6P와 3P2S 모듈인 것을 확인하였다. 다만 태양광 모듈의 경우, 발전된 전류의 값이 크면 태양광 모듈의 전체 저항에 의해 발전효율이 낮아지는 경향을 보임에 따라¹⁹⁾, 본 연구에서는 3P2S 모듈이 가로등용 태양광 모듈로 가장 적합한 모듈로 판단된다.

Fig. 3

I-V curves of the fabricated PV modules with 6P, 3S2P, and 2S3P string configurations

앞의 연구를 기반으로 우리는 기존 상용 태양광 모듈(100 W, 0.578 m², SUNVOLT co. ltd.)과 개발 태양광 모듈의 부분 음영 시 출력 감소에 대한 전기적 특성 분석을 진행했다. Fig. 4는 상용 태양광 모듈과 본 연구를 통해 제작한 직렬 접합형 태양광 모듈의 부분 음영 전·후 이미지와 I-V 특성을 분석한 결과다. 부분 음영의 조건은 실제 가로수 및 주변 구조물에 의해 쉽게 발생할 수 있는 모양을 모사하기 위해 삼각형 형태의 차광 영역을 전체 모듈 면적의 10 %로 계산하여 적용하였다. 상용 모듈의 경우 바이패스 다이오드가 적용된 모델이지만 Fig. 4(a)와 같이 음영 구역을 형성할 경우 음영 전 발전 출력에 비해 92.95 %의 출력 감소율을 보이는 것으로 확인되었다. 반면에 직렬 접합형 태양광 모듈의 경우 음영 전·후 출력 감소율이 34.48 %로 상용 모듈에 비해 비교적 낮은 출력 감소율을 보이는 것으로 확인되었다. 이러한 차이는 분할 셀 기반 스트링의 직·병렬 연결 구조에 따른 음영 영향의 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 일반적으로 직렬 연결된 태양전지는 일부 셀에 음영이 발생할 경우 전류 불일치로 인해 전체 스트링의 출력이 제한되지만, 병렬로 연결된 스트링은 음영의 영향을 상대적으로 적게 받은 전류 경로를 통해 발전을 유지할 수 있다. 기존 연구에서도 Shingled 모듈의 스트링 길이와 병렬 연결 구조가 부분 음영에 따른 출력 손실에 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다^12,14). 따라서 본 연구에서 적용한 3P2S 연결 구조와 분할 셀의 배치가 부분 음영에 따른 출력 감소를 완화하는 데 기여한 것으로 판단된다. 이는 모듈 내부 스트링의 직·병렬 조합을 조절하여 부분 음영 시 출력감소율을 획기적으로 낮출 수 있다는 결과를 확인할 수 있다.

Fig. 4

Comparison of shading characteristics between the commercial and series-connected PV modules: (a) commercial PV module under unshaded and partially shaded conditions, (b) series-connected PV module under unshaded and partially shaded conditions, (c) I-V characteristics of the commercial PV module, and (d) I-V characteristics of the series-connected PV module

4. 결 론

본 연구에서는 가로등의 제한된 설치면적과 요구 출력전압을 고려하여 분할셀 기반 직렬접합형 태양광 모듈을 제작하고 직·병렬 연결구조에 따른 전기적 특성과 부분음영에 의한 출력손실을 분석하였다. 6개의 스트링을 이용하여 6P, 3P2S 및 2P3S 구조의 모듈을 제작한 결과, 3P2S 구조에서 29.24 V의 개방전압과 138.65 W의 최대출력을 나타내어 가로등용 모듈에 적합한 구조로 선정하였다. 또한 모듈 면적의 10%에 부분음영을 적용한 결과, 상용 모듈은 92.95%의 출력 감소율을 보인 반면 제작 모듈은 34.48%로 나타났다. 이를 통해 분할셀 기반 직렬접합 및 직·병렬 회로설계가 가로등용 태양광 모듈의 부분음영에 따른 출력손실 저감에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다.