태양광 발전 유지보수의 구체적인 점검 항목의 가이드라인으로써 "태양광 벌전 시스템 보수 점검 가이드라인" (JM16Z001)이 발행되었습니다.

내용은 국제 규격 IEC62446-1이 참조되었습니다. 더욱이 50kW 이상의 자가(自家)용 전기 공작물에 분류되는 시스템에 대해서도 설명되어 있으므로 관리자가 이해하기 쉬워졌습니다.

이곳에서는 이 가이드라인을 축으로 태양광 발전 중에서도 직류 측 유지보수의 계측에 대해서 설명합니다.

태양광 패널ㆍ발전ㆍ PV 유지보수용 측정기 (hiokikorea.com) 

IV 곡선 측정은 "날씨가 좋지 않으면 실행할 수 없다"라는 결점이 있지만 태양광 발전에서 가낭 기본적인 측정이며 메이커 보증 기간 내의 모듈 교환 시, 이상이 있는 것을 증명하기 위한 데이터로써도 사용되는 중요한 측정압니다. 

하지만, 측정된 곡선에서 이상의 유무나 내용을 파악하기에는 약간 전문적인 지식을 필요로 하므로 경험이 얕은 관리자는 이상을 판별할 수 없는 문제와 발전 사업주에게 이상을 설명할 때 사업자가 이해하지 못하는 등의 문제가 드물게 발생하는 경우가 있어, 관리자는 확실한 지식을 익힐 필요가 있습니다.

태양광 패널ㆍ발전ㆍ PV 유지보수용 측정기 (hiokikorea.com) 

위 표에 IV 곡선을 예로 나타냅니다. IV 곡선은 태양 전지(스트링 혹은 모듈 : 이하 태양 전지)의 전류-전압 특성을 측정하고 종축에 전류, 횡축에 전압을 나타낸 그래프 상에 그려진 곡선이며 얻은 특성 곡선에서 발전의 이상을 발견할 수 있습니다.

일반적으로 자주 보는 IV 곡선은 전류/전압 모두 양이며 수학적으로는 제 1상한(象限)이라고 불리는 영역의 것으로 이 영역은 태양 전지가 발전하고 있는 영역이기 때문에 발전 성능을 나타내는 곡선이 됩니다.

IV 곡선은 전류가 양, 전압이 음이 되는 영역 (제 2상한)과 전압이 양, 전류가 음이 되는 영역(제 4상한)으로 확장할 수 있으며 제 2상한은 태양 전지의 발전과 같은 방향으로 전압을 인가했을 때의 특성을 나타내며 바이패스 다이오드의 개방 검출에 이용되는 영역에서 제 4상한은 태양 전지의 발전과는 역방향의 전류를 흐르게 했을 때의 특성으로 이 영역은 LE 발광 검사에서 사용되는 영역입니다.

태양광 패널ㆍ발전ㆍ PV 유지보수용 측정기 (hiokikorea.com) 

위 표에 발전 영역 IV 곡선을 나타냈습니다.

일반적으로 측정되는 발전 영역에서 IV 곡선의 중요한 측정 요소를 예로 들겠습니다.

개방 전압（Voc): 태양 전지에서 전류가 흐르지 않는 상태의 전압

단락 전류（Isc): 태양 전지를 단락했을 때 흐르는 전류

최대 전력 동작점（Pmax):　IV곡선 상의 전류와 전압의 곱이 최대가 되는 점. 파워 컨디셔너는 태양 전지가 항상 이 점에서 동작하도록 제어됩니다.

최대 출력 동작 전압（Vpm): 최대 동작점에서의 전압

최대 출력 동작 전류（Ipm): 최대 동작점에서의 전류

곡선 단자（F.F.：Fill　Factor): 최대 출력（Pmax)을 Voc와 Isc의 곱에서 나눈 것

이 값이 일반적인 경우에서 벗어난 경우 그림자 등 일사에 이상이 있거나 태양 전지 자체에 이상이 있는 경우입니다.

하지만 이 측정 요소 뿐만이 아니라 IV 곡선의 형상이 이상을 나타내는 경우가 있으므로 주의가 필요합니다.

JM16Z001에 I-V 곡선이 나타내는 이상에 대해 기재가 되어 있으므로 상세에 대해서는 JM16Z001를 참조해 주십시오.

JM16Z001에는 절연 저항의 측정 방법으로 두 가지의 방법이 기재되어 있습니다. 

태양 배터리의 양극과 음극을 단락하여 대지 간 절연 저항을 측정하는 방법과 양극과 음극을 단락하지 않고 양극과 접지 사이를 측정한 후 음극과 접지 사이를 개별로 측정하는 방법입니다.

그림자 등의 영향으로 태양 전지 중 발전이 되지 않는 부분이 있는 경우, 그 부분에서 발열되는 것을 쉽게 예측할 수 있으므로 장기간의 단락은 바람직하지 않습니다. 그러나 태양 전지는 일종의 포토 다이오드이며 정전류원으로 취급되기 때문에 양극과 음극을 단락하는 것 자체는 문제가 되지 않습니다. 양극과 음극을 단락하는 이 방법은 지금까지의 절연 저항계를 사용하여 정확한 저항값을 측정할 수 있는 방법이지만, 10A 정도의 전류를 단락하므로 아크가 튈 위험이 있습니다.

이것을 방지하기 위해서는 전압 Voc, 전류 Isc 이상의 용량을 가진 계전기가 필요합니다. 태양 전지가 발전하지 않는 야간에 측정하는 경우는 용량이 작은 계전기를 사용하는 것이 가능하지만 야간은 시야가 나쁘기 때문에 다른 의미에서 위험이 동반되므로 주의가 필요합니다.

이 방법은 태양 전지의 양극-음극을 단락하지 않으므로 계전기도 필요없으며 간단하게 측정할 수 있지만 PV용 모드를 가진 절연 저항계 이외를 사용하는 경우는 올바른 값을 측정할 수 없는 경우가 있습니다.

이것은 이 때까지의 절연 저항계는 전위를 가졌지만 측정을 상정하지 않는 것에 따른 것입니다.

위 그림은 태양 전지의 양극-접지 사이의 절연 저항을 측정한 예로써, 음극-접지 사이가 지락된 경우를 상정한 것입니다. 현재, 양극-접지 사이의 절연 저항을 측정하기 위해 양극, 접지 각각에 절연 저항계의 측정 단자를 연결하면 음극이 지락을 발생시키므로 태양 전지가 발전한 전류가 지락 저항과 절연 저항계를 통해 흐르는 폐회로를 형성하게 됩니다.

때문에 태양 전지가 발전한 전류가 절연 저항계에 흐르게 되어 이 전류를 상정하지 않은 절연 저항계에서는 올바른 측정을 할 수 없습니다.

일반적인 절연저항계가 측정용으로 출력하는 전압은 부극성입니다. 이 예에서는 측정 전류와 태양 전지가 발전한 전류가 같은 방향으로 흐르기 때문에 측정 전류가 증가하게 되어 결과로써 절연 저항이 작게 측정되게 됩니다.

음극-접지 사이의 측정에서 양극이 지락을 일으키는 경우에는 태양 전지가 발전한 전류와 측정 전류가 각각 반대 방향으로 상쇄되게 흐르게 되어 측정 전류가 감소합니다.

결과로 절연 저항이 크게 측정되며 최악의 경우 지락을 일으키고 있음에도 불구하고 절연 저항이 무한대로 표시되는 경우가 발생합니다.

이 현상은 절연 저항계를 연결하는 것으로 발전된 전류가 흐르는 폐회로가 형성되어 발생하는 현상입니다.

양극-접지 사이의 측정에서 양극이 지락되고 있는 경우 또는 음극-접지 사이의 측정에서 음극이 지락되어 있는 경우, 절연이 양호하며 지락을 발생시키지 않는 경우는 발전된 전류가 흐르는 폐회로는 형성되지 않으므로 올바른 측정을 할 수 없습니다.

양극-접지 사이를 측정한 후 음극-접지 간을 측정하도록 순서가 기재되어 있는 것은 지락이 있는 경우에 음극-접지 간을 측정하면 태양 전지가 고장날 가능성이 있기 때문입니다.

때문에, 먼저 양극-접지 간을 측정하고 이상이 있는 경우, 음극-접지 간을 측정하지 마십시오. 

태양 전지의 일부가 먼지나 그림자의 영향으로 발전할 수 없게 된 경우, 그 부분은 부하가 되어 발전 효율이 저하될 뿐만 아니라 발열되거나 화재로 발전될 가능성이 있습니다.

이를 방지하기 위해 일반 태양 전지에는 바이패스 다이오드가 탑재되어 있습니다 (왼쪽 그림 참조).

발전한 전력을 효율 좋게 추출할 수 있도록 발전되지 않는 부분을 말 그대로 "바이패스"하기 위한 다이오드입니다. 이 다이오드가 고장나지 않았는지 시험하는 것이 JM16Z001에 기재되어 있습니다.

일반적인 태양 전지의 구조를 위 표에 나타냅니다.

바이패스 다이오드가 단락 고장난 경우, 이 바이패스 다이오드가 연결되어 있는 부분(클러스터로 불림)이 단락되게 되고 이 부분에서 발전한 전력을 추출할 수 없게 됩니다. 일반적인 결정계 태양 전지에서는 바이패스 다이오드가 단락 고장나면 1개 당 약 10V의 개방 전압이 저하되기 때문에 개방 전압을 정밀도 좋게 측정하는 것은 단락 고장을 검출하는 유효한 수단이 됩니다. 동일 구성의 태양 전지 스트링의 개방 전압을 비교하여 10V 정도 전압이 낮은 경우는 바이패스 다이오드의 단락 고장이 생각되지만 개방 전압의 저하는 바이패스 다이오드의 단락 뿐만아니라 먼지나 그림자 등으로 발전되지 않는 경우 또는 태양 배터리 그 자체가 고장난 경우도 생각되므로 주의가 필요합니다.

바이패스 다이오드의 개방 고장은 먼지나 그림자의 영향으로 발전할 수 없는 부분이 있는 경우 화재가 될 위험성이 있기 때문에 간단하고 효율 좋게 이 고장을 검출할 수 있는 방법이 요구되고 있었습니다. 단락 고장과는 다르게 태양 전지의 단순한 발전 성능 측정에서는 검출할 수 없기 때문에 낮에 개방 고장을 검출하기 위해서는 JM16Z001에 기재된 바와 같이 태양 전지의 일부를 차광하여 바이패스 다이오드 한개 한개에 대해 조사해야하며 큰 수고를 들여야 합니다. 

또한, 제 2상한의 IV 곡선을 측정하는 것도 바이패스 다이오드의 개방 고장을 검출할 수 있지만 이 부분의 IV 곡선을 측정하기 위해서는 큰 전원이 필요하게 되는 등의 과제가 있어 현장 레벨로 측정하기에는 곤란했습니다. 이러한 문제 때문에 위험성이 지적되고 있음에도 불구하고 바이패스 다이오드의 개방 고장 검사는 많이 이루어지지 않는 것이 현실입니다.

개방 전압(Voc)/ 단락 전류(Isc) 측정:

개방 전압을 정밀도 좋게 측정하는 것으로 바이패스 다이오드의 단락 고장을 검출할 수 있습니다. 또한 대용량 단락 개방기를 필요로 하지 않고 단락 전류를 측정할 수 있습니다.

※ 단락 고장 검출은 개방 전압 측정에 따르므로 햇빛 아래가 아니면 측정할 수 없습니다. 

바이패스 다이오드의 개방 검출:

단락 전류(Isc)+1A의 전류를 흐르게할 수 있는지 없는지 판단하는 것으로 스트링 단위에서 밤낮에 관계없이 바이패스 다이오드의 개방 고장을 검출할 수 있습니다.

바이패스 루트의 저항 측정:

바이패스 루트란, 바이패스 다이오드를 포함한 바이패스 전류가 흐르는 루트를 말하는데(그림 참조) 이 바이패스 루트의 저항을 측정할 수 있습니다.

이 중에는 태양 전지 사이의 콘텍터의 접지 저항 또는 배선로의 저항, 바이패스 다이오드의 온 저항이나 열화에 동반되는 저항도 포함됩니다.

원리 상, 정밀도는 기대할 수 없지만 수 Ω 저항이면 검출 가능합니다.

하지만 발전부(태양 전지 셀)의 저항은 측정할 수 없습니다.

바이패스 다이오드의 개방 검출이 가능해도 태양 전지가 고장나면 의미가 없으므로 측정 시에 스트링에 미치는 영향에 대해서 충분히 검토하고 있습니다.

먼저 Isc를 측정한 후에, Isc+1A의 정전류 제어인 것, 인가 시간이 수 ms로 짧은 것과 그 측정 원리에서 스트링에 미치는 영향은 IV 곡선을 측정하는 경우 또는 단락하여 절연 저항을 측정하는 경우와 같은 정도로 태양 전지가 고장나지는 않습니다.

JM16Z001에는 동일 구성의 다른 스트링과 비교하면 이상의 유무를 확인할 수 있기 때문에 스트링 전류라 칭하며 태양 전지 스트링의 단락 전류 측정과 동작 전류의 측정에 대해서 기재하고 있습니다. 

이 측정은 발전 성능에 관한 점검이라고 생각할 수 있지만 JM16Z001에 "발전 성능 측정이라고 해선 안된다"라는 기재가 있으므로 안전에 관한 점검의 일부라고 생각해 주십시오.

JM16Z001은 이 측정 항목에 대해 이러한 목적에 따라 발전 성능인지 안전에 관한 점검인지 나눠져 있습니다. 

태양 전지 스트링의 단락 전류는 스트링을 안전하게 단락/개방할 수 있는 계전기가 필요합니다.

단락에 대해서는 "양극과 음극을 단락하는 방법"을 참조해 주십시오. (실수로라도 전류계를 직접 태양 전지에 닿지 않도록 주의해 주십시오)

충분한 차단 용량이 있는 계전기가 있으면 일반 직류 전류계여도 측정할 수 있지만 FT4310을 사용하는 것으로 바이패스 다이오드의 개방 검사와 함께 계전기 없이 측정할 수 있습니다.

스트링의 동작 전류에서는 파워 컨디셔너가 작동하고 있을 때 (최대 전력점)에 직류 클램프 전류계로 측정 할 수 있습니다.

클램프 미터 CM4372은 클램프로 전류를 측정하는 동시에 테스트 리드로 전압 (최대 1700V)을 측정 할 수 있으며, 파워 컨디셔너 동작 시의 최대 출력 동작 점에서의 Ipm, Vpm를 쉽게 측정 할 수 있습니다 .

또한 Bluetooth 통신 기능을 가지고 있기 때문에 유상 / 무상 응용 프로그램을 사용하여 측정 결과를 태블릿 PC로 전송하고 보고서 작성의 번거로움을 줄일 수 있습니다.

※ 태양열 패널 발전 · PV 유지 보수 측정기 '제품 목록'은 이곳을 참조 바랍니다.