태양광 발전설비 화재 예방을 위한 바이패스 다이오드 스마트 냉각 시스템 = Bypass Diode Smart Cooling System for Fire Prevention of PV Systems
저자
발행사항
서울 : 서울과학기술대학교, 2022
학위논문사항
학위논문(석사)-- 서울과학기술대학교 : 안전공학과 2022. 2
발행연도
2022
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
v, 67 p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 송형준
UCI식별코드
I804:11034-200000597653
소장기관
Studies about photovoltaic systems, converting light energy into electrical energy, have mainly focused on enhancing its efficiency and expanding its application. One key technology is installing a bypass diode to the photovoltaic (PV) module, which reduces the energy loss caused by the current mismatch and improves the stability of PV systems. The bypass diode prevents energy loss from the partially shaded PV module and increases output power by bypassing the current instead of the shaded solar cell with a hot spot.
However, the heat generated by the flow of current through the bypass diode can elevate the temperature of the surrounding PV components. Since low heat resistant materials with low heat transfer coefficient envelop the junction box, the bypass current might heat the bypass diode and degrade it. For example, when the high current continuously flow through the diode at high temperature, the characteristics of the bypass diode might be destroyed. Then the generated current from other strings can flow continuously through the bypass diode. In particular, the heat caused by overcurrent exceeds the melting point of the junction box and deforms it. The distance between components inside the junction box decreases, resulting in an increased chance of arc and a fire in the worst case. Therefore, the influence of surrounding components due to heat generation
should also be considered because the existing bypass diode only considers its heat resistance. However, few studies have been conducted to analyze this problem and propose solutions.
Therefore, this study analyzed the temperature characteristics according to the local heating situation of the bypass diode. Moreover, the smart cooling is suggested to facilitate heat dissipation for preventing PV systems from damage. As a result of the experiment, the system can avoid PV system degradation by keeping the bypass diode temperature below the junction box's maximum service temperature under hot-spot heating. Additionally, it improves the stability of PV systems by cooling the bypass diode's temperature below the junction box's melting point when the bypass diode is damaged. Consequently, this work can contribute to operating PV systems safely under local heating and failure of bypass diodes.
태양광 발전은 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 사용할 수 있도록 하는 기술로, 주로 태양광 발전의 효율이나 활용범위를 넓히기 위한 연구가 진행되고 있다. 바이패스 다이오드는 태양광 모듈의 뒤편에 설치하여 열점 가열로 인한 손실을 줄여주고 태양전지의 열화를 방지하여 태양광 발전설비의 안정성을 향상시키는 역할을 하는데, 이를 통한 태양광 설비의 발전 손실을 효율적으로 줄이는 방안에 관한 논의가 이루어지고 있다.
바이패스 다이오드는 열점 가열 상황에서 음영이 생긴 태양전지 대신 전류를 흐르게 하여 손실을 막고 발전효율을 높인다. 그러나 바이패스 다이오드에 전류가 흐르면서 생기는 열은 주변 시스템에 영향을 미치는데, 정션박스는 내열성이 낮아 열 방출에 의한 열화가 진행된다. 바이패스 다이오드가 과전류나 과전압으로 손상이 될 경우, 소자의 특성이 파괴되어 흐르는 전류를 차단하지 못하여 지속적으로 흐르는 문제가 발생한다. 특히 과전류가 흐를 경우 정션박스의 녹는점을 상회하는 열이 발생하여 정션박스에 변형이 생기고 심한 경우 정션박스 내부 소자의 이격거리가 줄어들어 Arc가 발생하여 화재로 이어질 위험이 있다. 기존 바이패스 다이오드는 자체의 내열성만 고려하므로 발열로 인한 주변 설비의 영향도 고려되어야 한다. 하지만 아직까지 이를 분석하여 대책을 제안하는 연구는 많이 이루어지지 않고 있다.
이에 본 연구에서는 바이패스 다이오드의 발열 상황에 따른 온도 특성을 분석하고 발열로 인한 태양광 설비의 피해를 예방하기 위해 열을 냉각시키는 스마트 냉각 시스템에 관한 연구를 진행하였다. 실험결과 시스템은 열점 가열 상황에서 바이패스 다이오드를 정션박스의 최대사용온도 이하로 유지시켜 열화를 예방할 수 있으며, 바이패스 다이오드 손상 시 정션박스의 녹는점보다 낮은 온도로 냉각시켜 시스템의 안정성을 향상시키는 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 바이패스 다이오드의 발열 상황에서 안전하게 태양광 설비를 운영하기 위한 개선 방안을 제시하고자 한다.
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