모듈 고효율 결정하는 정션박스용 다이오드 선택 기준은?

편집자 주

태양광 모듈의 대형화, 고효율화 경쟁이 치열하다. 모듈의 출력을 결정하는 바로미터는 모듈을 구성하는 태양전지의 전기적 특성, 즉 전압과 전류 값이다. 태양전지는 빛에 의한 광기전력 현상을 이용해 전기에너지를 발생시키는 반도체다. 그러므로 반도체가 가지는 기본적인 성질 즉, 온도변화와 빛(광속)에 의해서 전기적인 성질이 변하게 된다.

태양광 모듈 설계 시 이러한 전기적인 특성을 잘 고려해 선택해야 하는 것이 다이오드다. 국내 최초로 태양광 전문 다이오드 개발에 성공한 태양광 전문기업 엘에스티에너지(LST Energy)를 통해 모듈에 적합한 다이오드 선택의 기준을 알아보고자 한다.

어떤 다이오드를 고를 것인가?

태양광 모듈의 최대 출력값(Pmax)은 셀이 직렬로 연결된 모듈의 전압(Voc)과 전류(Isc) 값을 바탕으로 산출할 수 있다. 여기에 모듈의 효율(Efficiency)과 브랜드를 고려하면 모듈에 대한 대략적인 등급이 결정된다고 할 수 있다.

태양광 모듈을 구성하는 많은 원자재 가운데 태양전지의 전기적 특성이 가장 중요하게 반영되는 것이 모듈 후면에 부착되는 정션박스(Junction-box)인데, 정션박스의 전기적 성질은 다이오드에 의해 결정된다. 가령 다음과 같은 전기적 사양을 갖는 모듈이 있다고 해보자.

· Pmax 270W

· Voc 39.8V

· Vmp 33.4V

· Isc 8.62A

· Imp 8.11A

모든 모듈의 사양서에는 위와 같은 전기적 수치가 표기되어 있다. 모듈의 가장 중요한 지표인 최대 출력값은 Pmax = Vmp × Imp 공식으로 결정된다. 그리고 Vmp와 Imp 값은 이상적인 최대치인 Voc와 Isc값을 기준으로 구해진다. 물론 Vmp와 Imp는 Voc와 Isc 보다 낮은 값을 갖는다.

당신이 모듈 원자재 구매팀에서 근무한다고 가정한다면 위의 모듈의 전기적 특성이 정션박스를 고르는데 참고할 자료가 될 수 있을까. 단순히 가격과 디자인만으로 선택하지는 않을까. 결론부터 말한다면 전기적 특성을 고려하지 않은 원자재의 선택은 모듈의 출력 저하는 물론이고, 모듈의 수명을 단축시키는 가장 큰 원인이 된다. 정션박스 안에 삽입된 다이오드의 사양과 모듈의 전기적 특성을 비교해보는 것이 그래서 중요하다.

그렇다면 위에서 언급한 모듈의 사양을 바탕으로 선택할 수 있는 적정한 다이오드의 전기적 특성은 어떻게 될까. 우선 다이오드가 갖는 주요 전기적 지표와 특성을 살펴보면 다음과 같다.

· VR(Reverse Voltage) 역방향 전압 : 모듈이 역방향 전압에 대해서 얼마만큼 견딜 수 있느냐를 나타내는 지표로, 모듈의 수명과 안전에 관련된 지표

· IF(Forward Current) 순방향 전류 : 모듈에 얼마만큼의 전류를 인가할 수 있느냐를 나타내는 지표

· VF(Forward Voltage Drop) 전압강하손실 : 순방향 전압강하 손실로 효율과 관련된 지표. 낮을수록 효율이 높음을 의미

이러한 특성을 바탕으로 모듈의 Voc와 Isc 값을 통해 다이오드의 VR과 IF 값을 각각 결정하게 되는데, 일반적으로 다음의 공식을 따른다.

· VR > 3 × Voc/n (n은 정션박스에 삽입된 다이오드 개수)

· IF > 1.25 × Isc

따라서 앞서 제시한 모듈의 사양을 바탕으로 사용하게 될 다이오드의 특성을 살펴보면 VR 39.8V이상(정션박스에 다이오드 3개 삽입 가정, 가장 일반적인 형태), IF는 10.8A(1.25×8.62) 이상의 제품을 사용해야 한다. 하지만 실제로 VR 값은 45V 이상이 요구되는데 이것은 모듈의 사용온도범위(Temperature Range)와 온도계수(Temperature Coefficients)에 의한 여유분을 고려한 값이다.

여기서 주의할 점은 VR 값이 높을수록 안정적이라는 믿음으로 무작정 VR 값이 높은 다이오드를 선호하는 경우다. VR 값은 VF에 비례하므로 그만큼 손실이 커지게 된다. 따라서 모듈의 최소 요구사양에 맞는 다이오드의 선택을 통해 효율을 최대화하는 것이 필요하다고 볼 수 있다.

LST 다이오드 시리즈

태양광 모듈의 효율은 무조건 높은 것이 좋겠지만 각 모듈의 출력은 사용목적과 제작방식에 따라 천차만별이다. 따라서 각기 다른 전기적 특성을 지니고 있는 모듈에 가장 적합한 형태의 다이오드를 사용하는 것이 중요하다. 지난해 국내 최초로 태양광 전문 다이오드 개발에 성공한 엘에스티에너지는 일반형인 ‘축(Axial)’ 타입의 다이오드 6개 모델과 얇은 ‘박막(Flat)’ 타입 2개 등 모두 8개 모델을 선보이고 있다. IF 값이 12~30A에 이르고 VR 값도 70V까지 수용 가능하도록 제작된 LST 다이오드는 현재 시장에 출시된 어떠한 대용량 모듈에도 안전한 범위의 전압 허용치를 갖는 것은 물론 전압강하 손실도 최소로 설계됐다는 평가를 받는다.

실제로 60V의 VR 값을 갖는 축 타입 제품 ‘LST 1560’의 VF 값 0.5V는 동일한 VR 값을 지닌 다이오드 가운데 가장 낮은 VF 값을 갖는 제품으로 평가받고 있다.

박막 타입의 다이오드도 차세대 태양광 모듈의 기술력을 한발 앞서 구현한 제품으로 세계 시장의 주목을 받고 있다. 이 제품은 2mm 이내의 두께에도 불구하고 다이오드의 주요 전기적 기능(Functions)의 최대치를 실현할 수 있도록 만들어진 제품으로, 고효율과 심미적 기능을 중시하는 차세대 태양광 모듈 기업들에게 환영을 받고 있다. 이렇듯 우수한 제조공법과 견고한 솔더링 작업을 통해 모듈의 기대수명인 25년을 뛰어넘는 장기신뢰성을 갖는 것 또한 LST 다이오드의 우수성이다.

이상에서 살펴본 것처럼 모듈의 전기적 특성을 바탕으로 한 정션박스와 다이오드를 선택하는 것은 모듈제조업체에게 중요한 과정이라 할 수 있다.

지금까지 국내에서 제작되는 정션박스의 경우 중국산 다이오드를 주로 사용해왔는데, 가격은 낮지만 핵심부품인 칩(Chip)의 제조공정이 파악되지 못하는 경우가 더러 있어, 모듈의 장기신뢰성 측면에서 심각한 문제를 야기할 수 있다.

이미 국내 점유율 60%를 넘는 정션박스를 공급함으로써 전문성을 인정받고 있는 엘에스티에너지는 다이오드의 국산화 성공을 바탕으로 국내뿐 아니라 해외시장에서도 호응을 얻고 있다.