빠르고 신뢰성 있는 태양전지 패널 시험 툴
태양전지 패널의 연구 개발 과정에서 적외선 카메라는 패널의 시험과 평가에 최적의 툴로 인정받고 있다. 태양전지 패널의 R&D 단계에서는 고도로 정밀한 측정이 필요하므로, 정밀하게 통제된 시험 환경하에서 냉각식 디텍터를 장착한 고성능 카메라를 사용하는 것이 보통이다.
그러나 적외선 카메라는 태양전지 패널의 연구 개발 단계에서만 사용할 수 있는 것은 아니다. 현재 비냉각식 적외선 카메라도 태양전지 패널의 설치 전 품질 관리용으로, 그리고 설치 후 예방 정비 업무에 널리 사용되고 있다. 비냉각식 적외선 카메라는 가격이 저렴하고 무게가 가벼워서 휴대하기 간편하므로 현장에서 사용하는 데 매우 적합하기 때문이다.
적외선 카메라를 사용하면 문제가 발생할 염려가 있는 부분을 사전에 찾아내 미리 시정조치할 수 있게 된다. 그러나 적외선 카메라라고 해서 모두 태양전지 패널 검사에 사용할 수 있는 것은 아니며, 또한 효율적인 검사와 정확한 판단을 도출하기 위해서는 일정한 규칙과 안내를 따라야 한다.
여기서 소개하는 응용 사례는 결정질 태양전지를 대상으로 하고 있지만, 적외선 열화상 기술의 원리는 동일하므로 그 적용되는 규칙과 지침은 박막 필름 모듈의 열화상 검사에도 동일하게 적용할 수 있다.
태양전지 패널을 적외선 카메라로 검사하는 방법
태양전지는 그 개발 및 생산 과정에서 전기적으로 또는 플래시 램프를 사용해 동작시킨다. 이렇게 함으로써 정확한 적외선 열화상 측정에 필요한 충분한 수준의 열적 콘트라스트(명암비)가 있는지 확인할 수 있다. 그러나 이 방법은 현장에 설치돼 있는 태양전지 패널의 시험에는 적용할 수가 없으므로, 운전자는 태양광에서 충분한 양의 에너지가 입사되고 있는지 확인해야 한다.
현장에서 태양전지를 검사할 때 충분한 열적 콘트라스트를 확보하려면 50W/㎡ 이상의 일조 강도가 필요하다. 최상의 결과를 위해서는 700W/㎡ 정도의 일조 강도가 바람직하다. 일조 강도는 표면에 입사되는 태양광의 총 에너지로서 kW/㎡ 단위로 표시되며, 수평면 일조계(Pyranometer) 또는 직달일조계(Pyrheliometer)로 측정한다. 그리고 장소와 현지 날씨에 의해 크게 영향을 받는다. 또한, 기온이 낮을 때에도 열적 콘트라스트가 증가할 수 있다.
어떤 종류의 커넥터가 적합할까?
예방 정비용으로 사용되는 휴대형 적외선 카메라는 대개 감도가 8~14㎛ 파장대에 있는 비냉각식 마이크로볼로미터 디텍터를 사용하고 있다. 그러나 이 파장대역에서 유리는 광선이 투과할 수 없는 불투명한 물질이다. 태양전지를 앞쪽에서 검사할 때 적외선 카메라가 보는 것은 유리 표면의 열 분포며, 그 뒤에 있는 태양전지의 열 분포는 간접적으로만 볼 수 있다. 그러므로 태양전지 패널의 유리 표면에서 볼 수 있고 측정할 수 있는 온도 차이는 작아지게 된다. 이러한 온도 차이를 볼 수 있도록 가시화하려면 검사에 사용되는 적외선 카메라의 온도분해능이 0.08K 이하라야 한다. 열화상에서 작은 온도 차이를 가시화하려면 카메라가 레벨과 스팬을 수동으로 조절할 수 있어야 한다.
태양전지 모듈은 대개 반사율이 높은 알루미늄 구조물 위에 설치되며, 알루미늄은 일조 에너지를 반사하므로 열화상에는 저온 부분으로 나타난다. 따라서 실제로는 적외선 카메라가 구조물의 온도를 영하로 기록하게 된다.
적외선 카메라의 히스토그램 이퀄라이저는 자동적으로 최고 및 최저 측정 온도에 맞춰지므로 대부분의 작은 온도 이상 부위는 열화상에 나타나지 않게 된다. 높은 콘트라스트의 열화상을 얻으려면 레벨과 스팬을 연속적으로 수동 조절해 줄 필요가 있다.
DDE(Digital Detail Enhance ment)라 부르는 디지털 방식의 화질 개선 기능으로, 이 문제를 해결할 수 있다. DDE는 동적 변동 범위가 큰 장면의 이미지를 자동적으로 최적화하므로 열화상을 수동으로 조절할 필요가 없다. 그러므로 DDE 기능을 갖춘 적외선 카메라여야만 태양전지 패널을 신속 정확하게 검사할 수 있는 것이다.
유용한 기능들
적외선 카메라의 또 다른 유용한 기능은 GPS 데이터를 열화상에 첨부해 주는 기능이다. 이 기능은 태양광발전소처럼 넓은 장소에서 문제가 있는 장치의 위치를 정확하게 표시할 수 있으며, 보고서 작성시 해당 장비와 그 열화상을 연결시킬 수 있다.
적외선 카메라에는 실화상 카메라를 내장해 연관되는 실화상(디지털 사진)을 열화상과 함께 저장할 수 있어야 한다.
실화상 내 열화상을 삽입할 수 있는 기능도 매우 유용하다. 카메라 내에 열화상과 함께 음성 또는 텍스트로 주석을 첨부해 저장할 수 있는 기능도 보고서를 작성할 때 유용하게 사용 가능하다.
8~14㎛ 파장대역에서 유리의 방사율은 0.85~0.90 정도지만, 유리 표면의 온도 측정은 결코 간단하지 않다. 유리 표면의 반사는 거울과 같아서 온도가 다른 주변 물체도 열화상에 선명하게 나타나게 된다. 따라서 최악의 경우 측정 결과를 잘못 판단해 오류가 발생하게 된다.
적외선 카메라에 반사광을 방지하고 유리 표면의 반사 효과를 제거하려면 카메라를 측정 대상에 직각으로 설치하지 않도록 해야 한다. 그러나 방사율은 카메라를 직각으로 설치할 때 최고가 되며 각도가 커질수록 낮아지므로, 직각을 0°로 기준시 카메라와 물체 사이에 5~60° 정도의 각도를 주는 것이 좋다.
원거리 검사
측정 장치를 설치할 때 적절한 시각을 확보하는 것이 곤란할 경우도 많다. 대부분의 경우에는 삼각대를 사용할 수 있지만, 삼각대로 해결하기 어려운 경우에는 이동식 작업대 또는 심지어 헬리콥터를 타고 태양전지 패널 위로 비행하면서 조사하기도 한다.
이런 경우에 목표물에서 먼 거리를 유지하는 것이 넓은 면적으로 검사할 수 있어서 더 유리할 수 있다. 이처럼 원거리에서 검사할 때 열화상 화질을 확보하려면 분해능이 최소 320×240픽셀 이상, 바람직하게는 640×480픽셀 이상인 것이 좋다.
또한 카메라는 교환식 렌즈를 사용할 수 있어야만 헬리콥터 등 원거리에서 망원렌즈로 교환해 열화상을 촬영할 수 있다. 그러나 망원렌즈는 분해능이 높은 적외선 카메라에만 사용하는 것이 좋다. 분해능이 낮은 적외선 카메라에 망원렌즈를 사용하면 태양전지 패널의 미소한 결함이 열화상에 제대로 나타나지 않게 된다.
다른 시각에서 보기
현장에 설치돼 있는 태양전지 모듈은 후방에서도 적외선 카메라로 검사할 수 있는 경우가 대부분이다. 후방에서 검사하면 태양과 구름에 의한 반사광의 간섭을 최소화할 수 있다. 뒤쪽에서 측정한 온도는 패널 전면의 유리를 통하지 않고 직접 측정한 것이므로 더 높게 나타난다.
주변 조건과 측정 조건
적외선 열화상 검사를 할 때는 하늘이 맑은 상태여야 한다. 구름이 있으면 일조 강도가 낮아지고 태양전지 표면에서 반사해 측정시 간섭을 일으키기 때문이다. 그러나 하늘이 흐리더라도 사용하는 적외선 카메라의 감도가 높으면 유용한 정보를 얻을 수 있다.
바람이 세면 태양전지 표면이 바람의 대류 효과에 의해 온도가 낮아지게 되므로 온도 구배가 낮아진다. 기온이 낮을수록 열 콘트라스트가 더 높게 나타나므로, 이른 아침에 적외선 카메라 검사를 실시하는 것도 한 방법이다.
열 콘트라스트를 높일 수 있는 또 다른 방법은 태양전지에서 부하를 차단해 전류가 흐르지 못하도록 함으로써 태양광에 의해서만 온도가 올라가도록 하는 것이다. 그 다음 부하를 연결하면 태양전지는 가열된 상태에서 관측될 수 있다.
그러나 정상적인 조건하에서는 시스템을 표준 가동 상태, 즉 부하가 연결된 상태에서 검사하는 것이 좋다. 태양전지의 종류와 고장 또는 결함 유형에 따라, 부하를 차단하거나 회로를 단락시킨 상태에서 측정하는 것도 유용한 정보를 얻을 수 있다.
측정 오차
측정 오차는 주로 카메라 위치가 부적절하거나 주변 환경 또는 측정 조건이 양호하지 못한 경우에 발생한다.
측정 오차의 주요 원인으로는 시각이 너무 좁거나 일조 강도가 시간에 따라 변할 때(구름이 가리는 경우 등) 혹은 반사광(태양, 구름, 주변의 고층 건물, 측정 장치 등의 반사광) 및 부분적인 그늘(주변 건물 및 기타 구조물) 등을 들 수 있다.
적외선 열화상을 통해 조사할 수 있는 것
태양전지 패널 일부분의 온도가 다른 부분보다 더 높으면 그 부분이 적외선 열화상에 뚜렷하게 나타난다. 이 온도가 높은 부분은 그 모양과 위치에 따라, 여러 가지 결함을 알려줄 수 있다. 만일 모듈 전체의 온도가 정상적인 패널보다 더 높은 것으로 측정되면 상호 연결 문제일 가능성이 있다.
개별 태양전지 또는 한 줄의 태양전지가 다른 부분보다 고온으로 측정되면 바이패스 다이오드의 고장, 내부 회로의 단락 또는 태양전지 미스매치가 문제일 가능성이 높다.
태양전지에 그늘이 지거나 균열이 있으면, 열화상에 고온 부위로 나타나거나 다각형 모양으로 나타난다. 하나 또는 일부분의 태양전지의 온도가 높으면 태양전지에 결함이 있거나 그림자 때문이다.
또, 부하를 차단하고 연결해 회로를 단락시킨 그 각각의 상태마다 열화상 촬영 후 비교하는 것이 좋으며, 태양전지 모듈의 앞뒤에서 각각 적외선 열화상을 촬영하고 비교하는 것도 유용한 정보를 얻을 수 있다. 물론, 정확한 고장 원인을 찾아내려면 비정상적인 온도의 모듈을 전기적으로 시험하고 육안검사를 실시해야 한다.
태양광발전시스템 감시 툴, 적외선 카메라
태양광발전시스템의 적외선 열화상 검사는 태양전지와 모듈의 잠재적인 결함과 배선 연결 문제를 신속하게 발견할 수 있도록 해준다. 검사는 정상적인 가동 상태에서 실시되므로 시스템의 가동을 중단할 필요가 없다.
정확한 열화상과 정보를 얻으려면 아래와 같은 조건과 측정 절차를 준수해야 한다.
- 용도에 적합한 성능의 적외선 카메라와 액세서리 사용
- 충분한 일조 강도(최저 500W/㎡, 700W/㎡ 정도가 바람직)
- 시각이 적당한 각도 범위 내 있을 것(5~60° 사이)
- 그림자와 반사 방지
적외선 카메라는 기본적으로 결함을 찾아내기 위해 사용하는 도구다. 발견된 비정상 부분을 제대로 분류하고 평가하려면 태양전지 기술에 대한 충분한 이해, 태양광발전시스템에 대한 지식, 그리고 전기 측정에 관한 지식이 필요하다. 이를 위해서는 적절한 보고 문서를 작성해야 하며, 보고서에는 검사 조건 및 추가 측정, 기타 관련 사항이 포함돼야 한다.
적외선 카메라를 사용하는 검사는 태양광발전시스템을 설치하는 단계에서부터 품질 관리를 위해, 그리고 가동 중에는 정기적인 검사를 위해 실시되는 완전하고도 간편한 시스템 모니터링 방법이다. 따라서 적외선 카메라를 사용한 열화상 검사는 태양전지 패널의 기능을 최고 상태로 유지하고 시스템의 수명을 최대로 연장할 수 있는 가장 좋은 방법이다. 적외선 카메라로 태양전지 패널을 주기적으로 검사하면 높은 초기 투자비가 투입되는 태양광발전시스템의 투자비 회수 기간을 최소로 단축할 수 있다.
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