© 2025 Korea Photovoltaic Society
ABSTRACT
Subscript
1. 서 론
2. 설비구성 및 시험방법
2.1 설비구성
2.2 시험방법
3. 실험결과 및 분석
3.1 수상태양광 불량 현황
3.2 이용률 변화
3.3 출력 변화
3.4 출력 저하 원인
4. 고찰 및 결론
Subscript
FPV : floating photovoltaic
BOS : balance-of-System
CC : cross connector
EVA : ethylene vinyl acetate
POE : polyolefin encapsulant
Voc :open circuit voltage
FF : fill factor
Isc : short circuit current
1. 서 론
국가 탄소 감축 정책에 대응하여, 한국은 재생에너지 부문을 빠르게 확대해 왔다. 현재 태양광(PV)발전은 국내 재생에너지 생산의 약 70%를 차지한다. 그러나 한국의 산악지형과 제한된 가용부지로 인해, 육상태양광 설비의 대규모 추가 보급에는 한계가 있다. 이에 수면 유휴부지를 활용할 수 있는 것과 육상태양광 시스템 대비 수면에 의한 쿨링효과로 인하여 출력을 향상할 수 있다는 장점을 갖고 있어 수상태양광(FPV) 시스템 개발이 관심을 받고 있다. 그러나 FPV의 운영일수가 육상태양광 대비 부족하여 열화 및 고장 메커니즘에 관한 연구는 부족한 실정이다.
수상태양광은 육상태양광과 근본적으로 모듈을 활용하여 출력을 발생시키는 것은 동일하나 육지가 아닌 수면위에 설치되어 있다는 점에서 시스템의 형태에 차이가 있다. 수면에 떠 있을 수 있게 하는 부력체, 그리고 수면에서 파도나 바람에 의해서 이동하지 못하게 계류와 앵커를 이용하여 고정하는 장치가 추가 되어 있다. 또한 육상에 있는 계통과 연계되게 하기 위해서 수중전기케이블로 구성되어 있다.
시스템적으로는 동일한 일반적으로 태양광 장기열화는 육상태양광 시스템으로 많은 연구가 되어 왔다1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20). Quintana et al.은 미국 유타주 Natural Bridges 국립공원에 설치된 PV 시스템에서 모듈 열화율이 연 0.5%였으나, 오염과 BOS 요인으로 인해 전체 시스템 손실이 연 2.5%에 달했다고 보고하였다2). Reis et al.은 캘리포니아 Arcata 지역의 단결정 실리콘 모듈 192개를 11년간 조사한 결과, 평균 열화율이 연 0.4%로 낮았으며, 이는 주로 단락전류(Isc) 감소에서 기인하였다고 분석하였다20). Osterwald et al.연구에서는 초기에 산소 오염으로 인한 급격한 성능 저하가 나타났으나, 이후 장기 열화는 봉지재 황변뿐만 아니라 자외선 노출에 의해 발생한 열이 봉지재 열화와 관련이 있다고 보고하고 있다21). 그 외 다른연구에서 전력손실 원인을 다양하게 제시하였다. Morita et al.은 직렬저항 증가를 주요 원인으로 판단하였으며22), Sakamoto et al.은 2,000개 이상의 모듈을 조사해 평균 열화율이 0.5% 미만이었고, 주로 충진율(FF)과 Isc 감소에서 손실이 발생했다고 밝혔다23). Hishikawa et al.도 일본 전역 열화된 육상태양광에서 Isc 손실이 일관되게 나타남을 확인하였다24). King et al.의 연구에서 중간값 기준 연 0.5%의 열화를 솔더 접합부 파손에 기인하다고 보고하였으며25), Wohlgemoth와 Tamizhmani MG는 현장 모듈 고장의 90% 이상이 부식과 인터커넥트 단선 때문이라고 보고하고 있다26, 27).
환경조건 또한 열화속도에 큰 영향을 준다. Realini et al.은 20년 운영된 스위스 육상태양광의 열화가 연0.2% 라고 보고하고 있고11, 12), 뿐만아니라 스웨덴(연0.17%)13),매사추세츠(연0.4~0.5%)14) 등 온대 기후에서는 매우 낮은 열화율이 보고되고 있는 반면에, 리비아나 미국애리조나주 피닉스와 같은 사막 기후에서는 약 1% 수준의 높은 열화율이 나타났다15, 16). 기후별 응력 요인도 다양하다. 극지 및 고산 지역에서는 적설과 풍하중으로 인해 열화가 가속되지만29), 건물 외벽에 설치되어 적설 하중을 피한 경우에는 열화가 거의 없다고 보고하고 있다30). Marion et al.과 Kiefer et al.은 콜로라도의 단결정 실리콘 어레이에서 약 연 1%의 열화를 보고하고 있으며, 이는 주로 어레이 손실에서 기인했다고 보고하고 있다31, 32). 또한 Vignola et al.33)은 정확한 열화 평가를 위해 정밀한 측정 방법의 중요성을 강조하였고, Sorloaica-Hickman N et al.과 Bunea et al.은 장기 안정성 평가 시 측정 불확실성과 반사 방지 코팅과 같은 소재 차이를 고려해야 한다고 지적하였다34, 35).
FPV 보급이 빠르게 증가하고 있음에도 불구하고, 장기간 운영된 FPV의 현장 열화와 결함에 대한 데이터는 여전히 부족하다. FPV가 육상태양광 시스템과 유사한 열화 양상을 보일 것이라는 가정이 일반적이지만, FPV는 수면 증발 냉각으로 효율이 향상될 수 있는 장점이 있는 반면, 지속적인 수분 노출로 특정 고장 모드가 가속될 위험도 존재한다.
본연구에서는 13년간 연속으로 운영된 FPV 모듈의 열화 메커니즘을 분석하여, 실제 수분 환경에서의 FPV 시스템 장기 신뢰성에 대한 새로운 통찰을 제공하고자 한다.
2. 설비구성 및 시험방법
2.1 설비구성
Fig. 1은 수상태양광 시스템을 나타낸 사진이다. #1은 국내 최초 2011년부터 운영이 시작된 K-water 수상태양광 시스템 중 가장 장기적으로 운영된 시스템이다. 240 W의 모듈이 시스템 내 모듈은 414개로 이루어져 있으며 수상태양광 총용량은 99.2 kW이다. #3 수상태양광은 추적식 태양광시스템으로 태양을 추적할 수 있는 좌우 위아래 회전이 가능한 구조에서 운영되었다. 총 100 kW의 용량으로 운영되어 왔고, 310 W 모듈이 총 314개로 구성되어 있다. 상세규격은 Table 1에 나타내었다. 또한 설치된 #1, #3 수상태양광시스템의 모듈의 재료는 납이 미포함된 전극(Cross Connector)과 봉지재로는 POE (Polyolefin Encapsulant)를 사용하여 수분에 강하면서 친환경적인 모듈로 구성되어 있다.
Fig. 1
Floating PV system (Up #1, Down #3)
Table 1.
Specification of floating PV module
|
Parameter
|
#1
|
#3
|
|
Capacity (kW)
|
99.2
|
100
|
|
Qty. of module [pcs]
|
414
|
314
|
|
Type of silicon
|
Mono
|
Mono
|
|
Pmax [W]
|
240
|
310
|
|
Voc [V]
|
38.0
|
45.1
|
|
Isc [A]
|
8.64
|
8.8
|
|
Vmp [V]
|
29.9
|
37.4
|
|
Imp [A]
|
8.16
|
8.2
|
2.2 시험방법
장기운영된 수상태양광의 불량률을 확인하고 출력저하 원인을 파악하기 위해서 Fig. 2와 같이 시험을 진행하였다. 우선 출력을 발생시키고 있는 수상태양광에 열화상 드론을 활용하여 모듈의 열적인 특성을 분석하였고, 외관을 확인하여 불량을 파악하였다. 불량은 한 모듈에 다양한 불량이 존재할 수 있으므로 각 불량을 전체 모듈을 대비하여 각 불량의 비율을 비교하였다. 또한 출력비교는 #1 수상태양광 시스템의 총 414개 모듈 중 초기 데이터가 기 확보된 100개 모듈을 선별하여 출력 저감율을 확인하였다. #3는 초기출력 데이터 미확보로 출력저감율 분석이 불가하여 결과를 나타내지 않았다. #1 수상태양광의 출력 저감을 활용하여 수상태양광의 출력저감 원인을 파악하고자 하였다. 출력데이터를 측정하기 전 모듈 세척 및 커넥터 교체 이후 모듈 외관 및 IV를 측정하여 출력변화를 비교 분석하였다. 추가로 운영되어질 때 기록된 수상태양광의 시스템의 발전량을 활용하여 년도 별로 이용률을 확인하여 연간 발전량의 변화를 비교하였다. 연간 태양광 이용률은 아래 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
Fig. 2
Test sequence to check long term FPV system
3. 실험결과 및 분석
3.1 수상태양광 불량 현황
장기운영된 수상태양광 모듈의 외관확인 시 회복가능한 조류 배설물에 의한 핫스팟 발생과 회복 불가능한 부식, 셀크랙을 동반한 스네일 트랙, 백시트 크랙, 바이패스 다이오드 핫스팟, 박리 등이 발견되었다. Fig. 3은 #1, #3 수상태양광 시스템에 발생한 불량률 현황을 나타낸 그래프이다. #1 수상태양광 시스템에서는 주로 조류배설물 외관불량과 부식에 의한 불량이 각 각 전체 모듈 중 11.6% 발생한 것을 확인할 수 있었고. #1 수상태양광 시스템에서 조류배설물은 모듈에 다수 발생하였으나(Fig. 3 (a)) 모든 조류배설물이 모듈의 핫스팟과 연계되지는 않아 핫스팟은 1.7% 정도 발생한 것을 확인할 수 있었다. 그 다음 주요로 많이 발생한 불량은 전극부식으로 전체 모듈에 11.6% 발생하였고, 이는 Fig. 4 (b)와 같이 J/B 부근에 나타난 불량으로 J/B가 경화된 실리콘으로 밀봉되어 있으나 장기간 운영이 되면서 수분 및 외력에 의해서 접착력이 약화 되어 그 틈으로 수분이 들어가 발생한 불량으로 예측된다. 일반적으로 육상태양광에서의 전극불량은 셀 내에서 전극의 부식 불량이 출력저하의 주요한 요인 중 하나이다38, 39). 이러한 원인은 육상태양광에서 사용하고 있는 EVA에서 산(acid)이 발생하여 전극을 부식시킨다고 보고하고 있다. 그런데 수상태양광은 POE를 사용하고 있으므로 봉합재의 산 보다는 직접적으로 수분의 접촉이 일어난 부분에서 부식이 발생하는 것으로 예상된다. 그 외 불량으로는 스네일 트랙, 박리, 모듈 황변이 각각 1.9%, 0.2%, 1.0%의 불량률을 확인할 수 있었다. #3 수상태양광 시스템의 불량률(Fig. 3)은 백시트 크랙이 100% (Fig. 4 (c))불량률을 보이고 그 다음으로는 셀크랙을 동반한 스네일 트레일(Fig. 4 (d))이 19.1%의 불량률을 보인다. 이는 회전식 시스템으로 수상태양광이 운영되어 발생한 것으로 판단된다. 고정이 되어있지 않은 불안한 구조형태로 모듈의 안정성을 방해하는데 큰 요소로 작용할 것이라고 판단된다. 그 결과가 백시트의 크랙 발생 및 셀크랙을 동반한 스네일 트랙이 각 각 100%, 19%의 불량이 발생한 것으로 보인다.
Fig. 3
The status of visual defect in #1, #3 FPV system
Fig. 4
Status of Visual defect in FPV
3.2 이용률 변화
이러한 수상태양광 내 불량 분포들이 운영출력에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였다. Fig. 5와 Fig. 6은 #1, #3 수상태양광의 12~13년간 발전량에 따른 이용률을 나타낸 그래프이다.
Fig. 5와 Table 2에서 나타낸 #1 수상태양광 시스템의 이용률 같은 경우 초기 2011년에 설비 안정화로 인하여 낮은 이용률을 보이다가 2012년 이용률이 평균 14.8%로 증가하였다. 2019년까지 평균 13~15.6%를 유지하다 2020~2021년 계류 및 케이블 단선에 의해서 낮은 이용률을 보이게 된다. 이후 2022년 개선을 완료하면서 초기의 이용률과 비슷한 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 2021년~2022년을 제외하면 약 13년동안 이용률이 1.3% 감소한 것을 확인할 수 있다.
Fig. 5
Capacity factor as a function of year in #1 FPV system
Table 2.
Capacity factor of #1 FPV system
|
Ave.
|
’11
|
’12
|
’13
|
’14
|
’15
|
’16
|
Capa. factor
(%)
|
14.4
|
8.6
|
14.8
|
15.6
|
14.5
|
14.9
|
14.4
|
|
’17
|
’18
|
’19
|
’20
|
’21
|
’22
|
’23
|
|
15.3
|
14.3
|
13.0
|
3.3
|
2.8
|
14.0
|
13.5
|
Fig. 6과 Table 3은 #3 수상태양광 시스템의 운영년도에 따른 이용률을 나타낸 그래프이다. #3의 평균 이용률이 13.3%를 보이고, 초기설치된 연도인 2013년을 제외하면 2014년 14.4%에서 2023년 10.9%로 서서히 이용률이 감소(-3.5%) 한 것을 알 수 있다.
Fig. 6
Capacity factor as a function of year in #3 FPV system
Table 3.
Capacity factor of #3 FPV system
|
Ave.
|
’13
|
’14
|
’15
|
’16
|
’17
|
Capa. factor
(%)
|
13.3
|
7.6
|
14.4
|
14.6
|
13.5
|
15.2
|
|
’18
|
’19
|
’20
|
’21
|
’22
|
’23
|
|
14.7
|
14.0
|
12.8
|
11.7
|
11.2
|
10.9
|
#1 수상태양광 시스템은 년에 이용률이 –0.1%/yr, #3 수상태양광 시스템은 년에 이용률이 0.3%/yr 정도 감소한 것으로 분석되는데 이는 육상태양광 대비(출력감소 평균 0.5%~1%/yr) 대비 낮은 값을 보인다.
3.3 출력 변화
전극부식 및 백시트 크랙이 발생했음에도 불구하고 낮은 이용률 저하가 발생한 원인을 출력 및 전류, 전압, 저항요소를 이용하여 면밀히 분석을 진행하였다. 장기운영된 수상태양광 모듈의 출력변화를 분석하기 위해서 #1 수상태양광 시스템에서 100개의 모듈을 선별하여 100개 모듈의 초기, 2년차, 4년차, 13년차의 출력을 측정하였다. Fig. 7과 Table 4는 #1 수상태양광 시스템의 출력 저하(Fig. 7(a)) 및 분포(Fig. 7(b))를 비교한 결과이다. 출력은 초기 평균 246.53 W과 비교해서 2년차, 4년차 각 각 242.19 W, 242.49 W로 0.16%, 0.03% 의 낮은 감소율을 보였다. 그리고 13년차에는 평균 출력 240.57W로 초기 대비 0.87%의 감소율을 보였으며, 이 평균 출력의 감소율은 연간 0.06%로 육상 태양광의 0.5/yr ∼ 1%/yr 36, 37) 대비 현저히 낮은 저하율을 보인다. 출력 분포 표준편차는 0.51에서 13.50으로 13년차에는 초기대비 넓은 분포를 보이나 가장 낮은 출력 저하율도 0.07%/yr로 보고되어진 육상태양광의 연간 출력 저하율(0.5~1%/yr)보다 낮은 결과를 보인다.
Fig. 7
Power loss and distribution as a function of year with long term operation in FPV system
Table 4.
Power of Average and standard deviation in FPV system
|
Yearly PV (@STC)
|
|
YEAR
|
Yr0 (2011)
|
Yr2 (2013)
|
Yr4 (2015)
| Yr12 (2023) |
|
Pmax (W)
|
246.53
|
242.19
|
242.489
| 240.57 |
|
STDVE (%)
|
0.51
|
0.92
|
1.17
| 13.5 |
3.4 출력 저하 원인
출력 저하 원인을 분석하기 위해 Pmax 저하율과 Voc (Open circuit voltage: 개방전압), Isc (Short circuit current: 단락전류), FF (Fill Factor:충진율) 저하율을 비교하여 R2의 값을 확인하였다(Fig. 8). Isc와 Voc가 다른 요소들 대비 R2의 값이 0.4439, 0.4981로 가장 영향이 컸으며, FF가 0.0753으로 가장 낮은 R2 값을 보였다. 다른 연구38, 39)에서는 외부환경에서 가장 큰 출력 저감 요인 중 FF 저감과 관련이 있다고 보고하고 있다. 이는 수분이 모듈에 침투하면서 EVA가 산화되면서 산(acid)을 발생시키고 이는 리본에 영향을 주어 부식을 발생시키고 직렬저항을 증가 된다고 보고하고 있다. 반면 본 논문에서는 FF의 변화가 출력저감에 가장 낮은 영향성을 보이고 있어, 이는 일반적인 출력저감 요인과 상반되는 결과로 육상태양광 대비 수상태양광 시스템에서 낮은 출력저감률을 갖는 원인일 것으로 예측된다.
Fig. 8
Correlation of Pmax, Voc, Isc and FF
수상태양광의 낮은 출력 저감률의 원인을 면밀히 분석하기 위해 FF 변화와 이를 영향 주는 직렬저항과 병렬저항의 변화를 살펴보았다. Fig. 9은 운영기간에 따른 FF의 변화를 나타낸 그래프이다. FF의 변화를 보았을 때 2년차, 4년차 일 때 초기대비 FF가 3.5% 증가하다 13년차에는 2, 4년차 대비 2% 감소하였지만 초기대비 1% 증가한 결과를 보였다. 13년이나 수상태양광이 운영이 되었지만, 오히려 FF의 증가 및 거의 변화가 없다는 것을 알 수 있는 결과였다. 이는 출력 저하율을 감소시키는 주요한 원인으로 작용했을 것이라고 판단된다.
Fig. 9
Degradation rate of FF as a function of year
FF의 변화를 좀 더 면밀하게 확인하기 위해서 직렬저항(Fig. 10 (a)), 병렬저항(Fig. 10 (b))을 분석하였다. Fig. 10 (a)에서의 직렬저항의 변화를 확인해 보았을 때, 초기, 2, 4년차 동안에는 오히려 1~2% 하락을 보이는 반면에 13년차에는 직렬저항이 갑자기 14.40% 증가한 결과를 보인다. Fig. 10 (b)에 나타낸 병렬저항의 변화율 또한 점차 증가하는 경향을 보이고있다. 2, 4년 5~7% 정도 증가하는 경향을 보이다가 13년차 운영되었을 때는 24.87% 병렬저항이 증가한 결과를 확인할 수 있었다. FF가 증가하다 일부 감소하였지만 초기대비 증가하는 경향을 보이는 결과는 초기 2,4년차에는 직렬저항은 감소하고, 병렬저항이 증가하면서 FF가 증가하는 경향을 보였고, 그러다 13년차에는 직렬저항이 증가하게 되지만, 병렬저항도 동시에 증가하게 되면서 FF의 큰 저하가 발생하지 않은 것으로 판단된다. 직렬저항의 증가는 J/B 부근 전극들의 부식 발생에 의해서 일부 직렬저항이 증가하게 된 것이라 판단이 되고 병렬저항의 증가는 수상태양광에서 사용되는 Pb가 저감된 전극을 사용함으로 발생된 40)현상이라고 판단되나 이는 추가적인 분석이 필요할 것으로 보인다.
Fig. 10
Degradation rate of series resistance(a) and shunt resistance(b)
4. 고찰 및 결론
본 논문에서는 13년 장기운영된 수상태양광 시스템의 출력변화 및 전기적인 특성을 확인하여 장기운영에서 발생할 수 있는 불량과 그 원인에 대해서 분석하였다. 13년동안 장기운영된 수상태양광의 출력 저하율 0.06%/year의 결과를 보였으며 보고된 문헌을 확인해 보았을 때 육상태양광의 출력저하(0.5%/year~1%/year) 보다 낮은 결과를 보였다. 일반적으로 태양광 출력의 저하는 Isc와 FF 감소에 의해서 주요하게 출력이 저하된다고 보고하고 있으나 본 연구에서는 수상태양광의 운영일수가 증가하면서 FF가 오히려 1~4% 증가한 경향을 보였다. 이는 FF 변화의 주요 요소인 직렬저항은 증가하지만 병렬저항도 동시에 증가하여 오히려 13년 동안 운영된 수상태양광 모듈의 FF 증가되는 것으로 보인다. 병렬저항의 증가는 수상태양광 모듈을 구성하는 재료의 특성으로 인하여 발생한 것으로 판단된다. 수상태양광 모듈을 제작할 때 수상환경을 대비하여 EVA대신 POE (Poly Olefin Encapsulant)를 이용하였고 댐에 설치되는 K-water 수상태양광 모듈은 물의 수질오염을 최소한으로 하기 위해서 모듈의 전극(Cross connector: CC)에 납(Pb)이 없는 제품을 이용하여 수상태양광 모듈을 제작하였는데, 이러한 수상태양광 모듈의 재료 특성으로 인하여 육상태양광 대비 봉지재의 산화가 발생하지 않아 직렬저항의 증가가 크지 않았던 것으로 판단되고, 전극에 Pb 포함되지 않았을 때 Pb가 있을때 보다40) 전극의 내구성이 증가41) 한다는 것을 근거하여 모듈의 병렬저항이 증가하게 되면서 출력의 변화가 육상태양광 대비 낮은 것으로 판단된다. 본 결과들을 종합하였을 때, 출력저감률을 낮춘 원인으로 수원의 오염을 방지하기 위해 Pb가 없는 전극과 수분에 저항성을 높이기 위한 그러나 단가가 높은 POE가 적용되어 발생한 결과로 예측된다. Pb가 없는 전극은 환경적인 요인뿐만 아니라 출력열화의 저감에도 효과가 있는 것으로 예측되고 있다. 향후 Pb저감 전극의 효과에 대해서 출력이 안정적으로 유지되는 부분에서 더 분석이 필요할 것으로 판단되며 수상태양광의 단가 최적화를 위해서 봉지재 종류별 영향성을 확인한다면 향후 단가 경쟁력 확보와 더불어 수상환경에 최적화된 수상태양광 모듈 개발할 수 있을 것으로 판단된다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(No. RS- 2024-00459289).
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