PV 솔라셀 온도 대 발전 전력의 상관관계

PV 솔라셀은, 광 다이오드와 다름없습니다. 구성 전자가 최대한 안정적인 결합 조건 즉, <바닥상태>에 있다가 빛이 들어올 때 <들뜸상태>가 되고 그 두 상태의 차이에 해당하는 전자의 이동이 시작됩니다. 그런데, PV 셀의 온도가 상승하면 바닥상태가 높은 쪽으로 이동하면서, ‘두 상태의 차이’는 작아집니다. 그에 따라 발전량이 감소합니다.

이 관계를 간단한 개념 함수로 정리해 보면,

두 상태의 차이 = fx(초기 온도 ± 변화된 값) 이고,
PV 셀의 발전 전력 = fx(상온 상태 전자 결합 구조 ± 온도 상승에 따른 전자 결합 구조, 기타 변수)

다음 글을 참조하십시오. (출처 : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610213000829)

태양 전지의 성능은 온도가 증가함에 따라 저하되는데, 이는 근본적으로 전하 캐리어 농도 증가로 인한 내부 캐리어 재결합 속도 증가 때문입니다. 작동 온도는 광전 변환 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 태양광(PV) 모듈의 전기 효율과 출력은 모두 작동 온도에 비례합니다. 기존 문헌에 제시된 다양한 상관관계식들은 독립형 프레임에 장착된 PV 모듈 또는 PV 어레이, PV-열 집열기, 건물 일체형 태양광 어레이 등에 적용할 수 있는 간소화된 작동 방정식입니다. 전기적 성능은 주로 사용된 PV 재료에 의해 영향을 받습니다. 문헌에 발표된 수많은 셀 온도 관련 상관관계식들은 기본적인 환경 변수와 재료 또는 시스템에 따라 달라지는 수치 매개변수를 포함합니다. 본 논문에서는 상용 등급 실리콘 기반 태양 전지/모듈의 작동 온도와 태양광 발전 설비의 전기적 성능에 미치는 영향에 대해 간략하게 논의합니다. 일반적으로 성능 비율은 온도 때문에 위도가 높아질수록 감소합니다. 하지만 고도가 높은 지역은 낮은 온도로 인해 더 높은 성능비를 보이는데, 예를 들어 남부 안데스 산맥, 히말라야 지역, 남극 대륙 등이 있습니다. 고온 지역에서는 온도 변화에 덜 민감한 PV 모듈이, 저온 지역에서는 온도 변화에 더 민감한 모듈이 더 효과적입니다. 본 연구에서는 일사량과 주변 온도가 PV 시스템 성능에 미치는 영향을 고려하여 태양광 에너지 잠재력의 지리적 분포를 분석합니다.

다음 그래프는, 태양의 광 강도인 조도(Irradiance)와 발전 전력과 발전 전압의 상관관계를 단적으로 보여주고 있습니다.

* www.researchgate.net/figure/P-V-characteristics-at-various-temperature-and-solar-irradiance_fig2_309600416

1) 조도가 클 때, 예를 들어 한여름의 발전전력은 최고치에 도달합니다. 그때의 패널 온도는 89도이고 발전전압은 약 12V입니다.
2) 조도가 작을 때, 예를 들어 겨울철의 발전전력은 최저치에 도달합니다. 그때의 패널온도는 45도이고 발전전압은 약 19V입니다.

이 그래프에서, P = I × V 공식으로 발전 전류량을 계산할 수도 있습니다. 그보다 중요한 것은, 사람에게는 발전 총량 즉, 전력값 P가 가장 중요한데, 발전전압이 높다고 무조건 좋은 것은 아니라는 점입니다. 이것은, 최대전력점(MPP) 개념으로 연결됩니다.

최대 전력점, MPP 이해

PV 셀/패널의 온도 반응 속성은, 전압/전류/전력 단위 온도계수(Temperature Coefficent)로 정의됩니다. 예를 들어,

• 온도계수/전류값이 0.04%/도이면, 온도 1도 상승에 따라서 전류량은, 상온 25도 기준 0.04% 증가하고
• 온도계수/전압값이 -0.44%/도이면, 온도 1도 상승에 따라 상온 25도 기준 전압이 -0.44% 감소합니다.
• 온도계수는 기술적 참고 항목입니다. 일반적으로 PV 패널 제조사는 적절한 온도 범위를 지정하고 있고, 그 범위 안에서라면 제조사 보증 전력을 얻어낼 수 있습니다.
• 그것에 시간 경과에 따르는 PV 셀의 발전 능력 저하, 예를 들어 30년 후 85%를 보장한다는 식의 언급도 있습니다.

다음은 한화 큐셀 제품의 예시입니다.

• V_oc : 개방회로를 상정하고 1K 즉, 1도 단위 감소를 표시합니다.
• I_sc : 단락회로를 상정하고 1K 즉, 1도 단위 증가를 표시합니다. 반도체는 흔히, 온도가 증가하면 전류량이 증가한다는 점에 유의합니다.
• P_mpp : 최대전력점 설정에 관련된 온도계수입니다.
  -0.29%/K이므로, 온도가 증가하면 전력량이 감소합니다. 단순히 이 수치만 보아도, 여름철 PV 셀의 온도를 적절한 수준으로 끌어내리는 게 중요하다는 것을 알 수 있습니다. 상온 25도에서 90도가 되었다고 할 때, 90-25=65도 차이가 있는 셈이고 그러면, 65 × 0.29% = 18.85%입니다. 약 20%쯤 출력 감소가 있다고 하고, n개 패널이 설치된 조건을 생각하면 전체 발전량 감소는 큰 규모가 될 것입니다.

* 메인 이미지 출처 및 글 열람 : https://www.solarquotes.com.au/blog/how-to-read-a-solar-panel-specification-part-1-power-temperature-specs/