일상 부하의 필요 전력은 수 와트에서 킬로와트 범위입니다. 단일 태양전지는 이러한 부하 수요를 충족할 만큼 충분한 전력을 생산할 수 없으며, 셀 면적에 따라 0.1~3와트 정도만 생산 가능합니다. 계통 연계 및 산업용 발전소의 경우 메가와트 또는 기가와트 범위의 전력이 필요합니다.
따라서 단일 PV 셀만으로는 이러한 높은 수요를 감당할 수 없습니다. 이를 위해 태양전지들을 배열하고 전기적으로 연결하는데, 이러한 연결과 배열을 PV 모듈이라 합니다. PV 모듈은 단일 셀이 공급할 수 있는 것보다 더 큰 수요를 충족할 수 있게 합니다.
태양 복사가 단일 태양전지에 입사하면 양극(애노드)과 음극(캐소드) 사이에 전위가 생성됩니다 (애노드가 양극, 캐소드가 음극). 필요한 전력을 위해 전압을 높이려면 N개의 셀을 직렬 연결합니다. 한 셀의 음극을 다른 셀의 양극에 연결합니다.
N개의 태양전지를 직렬 연결하면 두 개의 단자가 생기며, 이 단자 간의 전압은 직렬 연결된 셀들의 전압 합입니다. 예를 들어, 단일 셀 전압이 0.3V이고 10개를 직렬 연결하면 총 전압은 0.3V × 10 = 3볼트입니다.
0.6V 셀 40개를 직렬 연결하면 총 전압은 0.6V × 40 = 24볼트. 직렬 연결 시 전압은 더해지지만 전류는 동일하게 유지됨을 유의하세요.
마찬가지로, 셀들을 병렬 연결하면 개별 셀의 전류가 더해집니다. 한 셀의 양극을 다음 셀의 양극에, 음극을 다음 셀의 음극에 연결합니다.
직렬 연결과 달리, 병렬 연결 시 스트링의 총 전압은 변하지 않습니다. 예를 들어, 셀의 전류 생산 능력이 2A이고 5개를 병렬 연결하면 총 전류 생산 능력은 2A × 5 = 10A가 됩니다.
PV 모듈 파라미터는 제조사가 표준 시험 조건(STC) 즉, 온도 25°C 및 복사 조사량 1,000W/m² 하에서 명시합니다. 대부분의 시간과 장소에서 STC 조건은 발생하지 않습니다. 태양 복사량이 항상 1,000W/m² 미만이고 셀 동작 온도가 25°C보다 높기 때문이며, 이 불확실성은 PV 모듈의 출력 전력 감소로 이어집니다.
앞서 논의한 바와 같이 PV 모듈은 여러 태양전지로 구성되므로, 그 파라미터와 발전량에 영향을 미치는 요인은 앞서 다룬 태양전지와 유사합니다. 따라서 그 부분은 여기서는 다시 다루지 않겠습니다.
PV 모듈의 기본 요구사항 중 하나는 일일 태양 복사 하에서 다양한 전압 레벨의 배터리를 충전할 충분한 전압을 제공하는 것입니다. 이는 저조도 및 고온 조건에서도 배터리를 충전할 수 있도록 모듈 전압이 충분히 높아야 함을 의미합니다.
PV 모듈은 12V 배터리 레벨의 배수인 12V, 24V, 36V, 48V 등의 전압을 제공하도록 설계됩니다. 12V 배터리를 PV 모듈로 충전하려면 VM이 15V인 모듈이 필요하고, 24V 배터리에는 VM이 30V인 모듈이 필요합니다. PV 시스템의 다른 기기들도 배터리 전압 레벨과 호환되게 제작됩니다.
필요한 전압 레벨을 제공하기 위해 셀들을 직렬 연결합니다. PV 셀에 사용된 다양한 기술에 따라 직렬 연결에 필요한 셀 수가 달라집니다. 직렬 연결할 셀 수는 개별 셀의 최대 전력점 전압(VM)과 STC 대비 셀 온도 상승으로 인한 전압 강하에 따라 달라집니다.
12V 배터리를 충전할 PV 모듈을 설계한다고 가정. 셀의 개방 회로 전압 VOC = 0.89V, 최대 전력점 전압 VM = 0.79V. 셀 동작 온도 = 60°C, 온도 1°C 상승당 전압 감소 = 2mV. 몇 개의 셀을 직렬 연결해야 하는가?
1단계: 최대 전력점 전압 VM = 0.79V 찾기.
VM이 지정되지 않은 경우 VOC의 80~85%로 간주.
2단계: 동작 온도(60°C)에서의 전압 손실 구하기.
STC 대비 온도 상승 = 동작 온도 – STC 온도 = 60°C – 25°C = 35°C
온도 상승에 따른 전압 손실 = 35°C × 0.002V = 0.07V
3단계: 동작 조건에서의 전압 결정.
동작 조건 전압 = STC 전압(VM) – 온도 상승에 따른 전압 손실 = 0.79V – 0.07V = 0.72V
4단계: 배터리 충전에 필요한 PV 모듈 전압 결정.
12V 배터리 충전에는 약 15V의 모듈 전압 필요.
5단계: 직렬 연결할 셀 수 결정.
직렬 연결 셀 수 = PV 모듈 전압 / 동작 조건 전압 = 15V / 0.72V = 20.83 ≈ 21셀
따라서 12V 배터리 충전에는 21개의 직렬 연결 셀 필요. 다른 태양전지 기술에서는 동일한 출력 전압을 위해 다른 수의 직렬 셀이 필요할 수 있습니다. N개의 전기적으로 연결된 셀로 구성된 실제 PV 모듈 사진은 그림 3 참조.
VOC, ISC, VM, IM 등 모듈 파라미터 측정을 위해 전압계와 전류계 또는 멀티미터, 가변 저항( rheostat), 연결선이 필요합니다.
VOC 측정 시 모듈 양 단자에 부하를 연결하지 않아야 합니다. 멀티미터로 PV 모듈의 개방 회로 전압 측정 방법:
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ISC 측정 시에도 모듈 양 단자에 부하를 연결하지 않아야 합니다.
멀티미터로 PV 모듈의 단락 전류 측정 방법:
I-V 곡선 측정을 위해 태양광 PV 모듈을 가변 저항과 직렬 연결합니다 (아래 그림 참조).
모듈 음극을 전류계 양극에 연결하고 전압계를 PV 모듈에 직접 연결합니다 (그림 4 참조).
연결을 반대로 하면 읽기 값에 음수 부호가 붙으므로, 올바른 값을 얻으려면 미터를 다시 연결하세요. 가변 저항( rheostat)을 한쪽으로 조정하여 전압이 최대가 되고 전류가 최소가 되게 합니다. 이 위치에서 전류와 전압 값을 기록합니다. 이제 rheostat을 천천히 다른 쪽으로 이동하며 매 조정마다 읽기 값을 기록하여 rheostat이 완전히 단락될 때까지 계속합니다. 아래 식을 사용하여 각 전압과 전류 값에 대한 전력을 계산합니다.
P = V × I
이렇게 측정된 값들을 사용하여 PV 모듈의 다른 모든 파라미터를 구할 수 있습니다.
시장에서 가장 흔한 셀은 "결정질 실리콘 셀" 기술입니다. 이 셀들은 12.5×12.5cm² 및 15×15cm² 면적으로 제공되며, 이보다 큰 셀은 찾기 어렵고 대부분의 대형 태양광 발전소에서 이 면적의 셀을 사용합니다.
그렇다면 이 모듈은 얼마나 높은 와트수를 제공할 수 있고, 어떻게 모듈당 더 높은 전력을 얻을 수 있을까요? 일반적으로 설계된 PV 모듈은 12V 배터리 충전을 위해 VM 15V를 가지며, 이 전압을 얻기 위해 셀의 동작 온도와 개별 셀의 피크 전압 VM에 따라 32~36개를 직렬 연결합니다.
셀이 생산하는 전류는 면적, 입사광량, 입사각, 전류 밀도에 따라 달라집니다. 결정질 실리콘 셀의 단락 전류 밀도 JSC는 30~35mA/cm² 범위입니다.
예시로 전류 밀도 30mA/cm²를 가정하면, 12.5×12.5cm² 면적의 단락 전류는:
ISC = JSC × 면적 = 30mA/cm² × 12.5 × 12.5cm² = 4.68A
15×15cm²의 경우:
ISC = 30mA/cm² × 15 × 15cm² = 6.75A
대부분 제조사에서 IM은 ISC의 약 90~95%입니다. 예시로 95% 가정.
IM = 0.95 × ISC
12.5×12.5cm² 면적의 IM:
IM = 0.95 × 4.68A = 4.446A
15×15cm² 면적의 IM:
IM = 0.95 × 6.75A = 6.412A
이제 이 두 셀의 최대 피크 전력 결정:
PM = VM × IM
PM = 15V × 4.446A = 66.69W (12.5×12.5cm² 면적)
PM = 15V × 6.412A = 96.18W (15×15cm² 면적)
따라서 12.5×12.5 및 15×15cm² 면적의 최적 셀 기술을 활용하면 각각 66.69W와 96.18W의 출력 전력을 얻을 수 있습니다 (IM을 ISC의 95%, 전류 밀도 30mA/cm²로 가정).
모듈의 전압과 전류를 높이려면 더 많은 셀을 직렬 및 병렬로 연결해야 하며, 이는 계산된 것보다 더 높은 전체 모듈 전력을 제공합니다.
이제 STC에서 최대 전력점 전압 VM 45V, 60°C 동작 온도에서 33.5V를 제공하는 PV 모듈을 설계해 봅시다. 개방 회로 전압 VOC 0.64V, 온도 1°C 상승당 VM 감소 0.004V인 셀 사용.
1단계: 최대 전력점 전압 VM 찾기. 지정되지 않은 경우 VOC의 80~85%로 간주.
VM = 0.85 × VOC = 0.85 × 0.64V = 0.544V
2단계: 동작 온도(60°C)에서의 전압 손실 구하기.
STC 대비 온도 상승 = 60°C – 25°C = 35°C
전압 손실 = 35°C × 0.004V = 0.14V
3단계: 동작 조건에서의 전압 결정.
동작 조건 전압 = STC 전압(VM) – 온도 상승 전압 손실 = 0.544V – 0.14V = 0.404V
4단계: 필요한 PV 모듈 전압 결정.
모듈 전압 약 33.5V 필요.
5단계: 직렬 연결할 셀 수 결정.
직렬 연결 셀 수 = 33.5V / 0.404V = 82.92 ≈ 83셀
이제 이 83개 셀이 STC에서 VM = 45V일 때 얼마나 전력을 생산할 수 있는지 계산해 봅시다. 이전 예시의 전류 값 사용.
IM = 4.446A (12.5×12.5cm² 면적)
IM = 6.412A (15×15cm² 면적)
45V에서 두 셀의 최대 피크 전력:
PM = VM × IM
PM = 45V × 4.446A = 200.07W (12.5×12.5cm² 면적)
PM = 45V × 6.412A = 288.54W (15×15cm² 면적)
따라서 대용량 전력 요구에 따라 더 큰 면적의 셀들을 직렬 및 병렬로 연결하여 PV 모듈을 구성합니다. 또한 이 PV 모듈들을 직렬 및 병렬로 연결하여 메가와트급 전력을 생성하는 PV 어레이를 구성할 수 있습니다.
PV 모듈의 직렬 연결된 모든 셀은 동일하며 빛이 입사하면 전류를 생산합니다. 하지만 어떤 셀이 물체에 의해 그늘지면 입사광이 차단되어 해당 셀은 낮은 전류 또는 거의 전류를 생산하지 못합니다.
이 셀은 이제 셀 직렬 스트링에서 전류 흐름에 대한 저항 역할을 합니다. 부하처럼 작용하여 다른 셀들이 생산한 전력이 그늘진 셀에서 소모되어 셀 온도 상승과 핫스팟 형성 초래. 이는 모듈 유리 파손, 화재, 시스템 사고로 이어질 수 있습니다.
바이패스 다이오드는 이러한 재난을 방지하기 위해 사용됩니다. 그림 5와 같이 바이패스 다이오드는 태양전지와 반대 극성으로 병렬 연결됩니다.
정상 무음영 조건에서 바이패스 다이오드는 역방향 바이어스되어 개방 회로처럼 동작. 하지만 직렬 연결된 셀 스트링에서 음영 발생 시, 그늘진 셀이 역방향 바이어스되고 이는 반대 극성으로 연결된 바이패스 다이오드에 순방향 바이어스로 작용.
이제 이 그늘진 셀의 바이패스 다이오드가 그늘진 셀이 아닌 다이오드를 통해 전류를 흐르게 합니다. 따라서 다이오드가 셀을 바이패스하여 과열로 인한 손상 방지, 그래서 '바이패스 다이오드'라 부릅니다. 이상적으로는 모듈 내 셀마다 하나씩 다이오드가 있어야 하지만, 실제로는 모듈 비용 효율성을 위해 10~15개 셀의 직렬 조합당 하나의 바이패스 다이오드를 연결합니다.
오프그리드 시스템에서 모듈은 부하에 전력 공급 및 배터리 충전에 사용됩니다. 밤에는 햇빛이 없어 모듈이 에너지를 생산하지 않고, 충전된 배터리가 부하와 PV 모듈에 전력 공급 시작. PV 모듈로 공급되는 전력은 전력 손실입니다. 이 손실을 방지하기 위해 배터리에서 PV 모듈로의 전류 흐름을 차단하는 다이오드를 설치합니다. 이 다이오드 덕분에 배터리에서 모듈로의 전류 흐름을 차단하여 전력 손실을 방지합니다.
이 주제는 이전 게시물 PV 패널의 직렬, 병렬 & 직병렬 연결에서 자세히 설명했습니다. 태양광 모듈 스트링과 직렬 어레이, 병렬 어레이, 직렬과 병렬 조합의 스트링 및 어레이 배선 방법을 배울 수 있습니다.
산업기술
기계·전자 회로에서 히트싱크(Heat Sink)는 간과하기 쉬우나, 하드웨어 설계에선 필수 불가결합니다. CPU, 다이오드, 트랜지스터 등 거의 모든 전자 부품이 발열하며, 방열 불량은 성능 저하·비효율·수명 단축을 초래합니다. 나노 기술 발전과 소형화·고효율화 추세 속에 최적 히트싱크 설계는 필수 체크포인트입니다. 히트싱크란? 고발열 부품에서 과잉 열을 빼내 주변 공기/유체로 방출하는 장치 고열전도도 소재로 표면적 확대 → 차가운 공기/유체 통과로 열전달 푸리에 법칙: 열은 고온→저온 이동. 히트싱크는 온도 구배(Tempera
린 제조는 적시 생산(Just-in-Time)을 위해 공정을 조정하는 것입니다. 과소 또는 과잉 생산은 폐기물이나 불만족 고객으로 이어집니다. 린 생산 라인 구축 시 셀 설계는 이 목표 달성의 중요한 단계입니다. 작업 셀 설계나 선택 전 고려사항: 생산 라인 중 어느 부분에 작업 셀을 사용할 것인가? 어떤 응용 분야를 수행할 것인가? 부품을 기계나 영역에서 어떻게 적재/하역할 것인가? 이동 방향은 어떻게 되는가? 바닥 공간은 얼마나 확보되는가? 로봇을 어떻게 마운트할 것인가? 작업자 참여 여부? 참여 시 로봇, 기계, 제품 접근
