이 글은 부분 음영 대응, 100kW 태양광 바이패스 다이오드 도통과 전역 탐색을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 태양광 모듈의 직렬 구성과 부분 음영 시 바이패스 다이오드 도통 원리, 100kW급 계통 연계 태양광 어레이 사양과 부분 음영 조건 설정을 다룹니다.
태양광 모듈의 직렬 구성과 부분 음영 시 바이패스 다이오드 도통 원리
계통 연계 태양광 발전 시스템에서 복수의 모듈은 인버터의 입력 전압 규격을 맞추기 위해 직렬 스트링으로 연결됩니다. 직렬 회로의 특성상 스트링 내의 모든 모듈에는 동일한 전류가 흐릅니다. 특정 모듈에 나뭇가지나 구조물로 인한 부분 음영이 발생하면 해당 모듈의 광전류 생성이 급감합니다.
직렬 스트링에 흐르는 전류가 음영 모듈의 생성 전류를 초과하면 음영 셀은 전류를 공급하지 못하고 내부 저항으로 인해 역방향 바이어스 상태에 놓입니다.
식 (1)의 조건이 만족되면 음영 모듈은 전력을 생산하는 발전원에서 전력을 소비하는 부하로 전환됩니다. 이때 역방향 전압이 계속 증가하면 국부적인 발열로 인해 핫스팟 현상이 발생하고 영구적인 모듈 파손으로 이어집니다. 모듈 내부에는 이러한 손상을 방지하기 위해 일정 개수의 셀마다 바이패스 다이오드가 역병렬로 연결되어 있습니다.
식 (2)에서 n_d는 모듈 내부의 바이패스 다이오드 개수이며 V_F는 다이오드의 순방향 전압 강하입니다. 음영 모듈 양단의 역방향 전압이 다이오드의 도통 임계 전압에 도달하면 다이오드가 도통되어 초과 전류를 우회시킵니다. 그 결과 음영 모듈은 발전에서 제외되고 역전압은 다이오드의 도통 전압으로 제한되어 핫스팟 손상을 방지합니다.
100kW급 계통 연계 태양광 어레이 사양과 부분 음영 조건 설정
100kW급 상용 계통 연계 태양광 발전 시스템을 구성하기 위해 정격 출력 500W급 단결정 모듈 200장을 사용합니다. 모듈 1장의 표준 시험 조건(일사량 1000W/m^2, 온도 25°C) 사양은 최대 출력 전압 V_mp가 40V, 최대 출력 전류 I_mp가 12.5A, 개방 전압 V_oc가 48V, 단락 전류 I_sc가 13.5A입니다. 모듈 내부에는 3개의 바이패스 다이오드가 장착되어 있으며 다이오드 1개당 순방향 도통 전압 V_F는 0.7V입니다.
어레이는 1개 스트링당 20장의 모듈을 직렬로 연결하고 총 10개의 스트링을 병렬로 연결하여 계통 연계 인버터에 접속합니다.
식 (3)에서 직렬 모듈 수 N_s는 20이고 병렬 스트링 수 N_p는 10입니다. 어레이의 정격 최대 출력 전압은 800V이며 정격 전류는 125A이므로 총 정격 출력은 100000W, 즉 100kW가 됩니다.
여기서 1개 스트링 내에서 15장의 모듈은 표준 일사량 1000W/m^2를 유지하고 5장의 모듈은 30% 수준인 300W/m^2의 부분 음영을 받는 상황을 가정합니다. 정상 모듈의 최대 출력 전류 I_mp_unshaded는 12.5A이고 음영 모듈의 최대 출력 전류 I_mp_shaded는 일사량에 비례하여 3.75A로 감소합니다. 음영 모듈의 최대 출력 전압 V_mp_shaded는 38V로 유지됩니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.