적용분야

태양에너지를 통해 지속 가능하고 신뢰성 있는 전력 생산을 실현하기 위해서는, 태양광(PV) 모듈의 수명을 연장하는 동시에 비용을 절감하는 것이 상업적으로 매우 중요합니다. PV 모듈이 생산하는 단위 에너지당 비용은 설치 장소의 평균 일사량, 모듈의 수명, 그리고 구매 가격에 의해 좌우됩니다. 이와 더불어, 생산 단계, 설치 이후, 그리고 운영 단계에서 품질 관리가 충분히 이루어지지 않을 경우 상당한 추가 비용이 발생합니다.

생산 과정에서 일부 결함이 있는 PV 모듈이 검출되지 않은 채 설치될 수 있으며, 이는 운영 중 성능 저하와 안전 위험으로 이어질 수 있습니다. 태양광 모듈의 결함을 검출하기 위한 기존 방식인 개별 또는 스트링 단위의 전류-전압(I-V) 곡선 측정은 태양광 하에서 각 스트링이나 모듈을 측정 장비에 개별적으로 연결해야 하므로, 시간과 인력이 많이 소요되는 단점이 있습니다.

대량 생산 환경에서는 전기 회로를 방해하지 않으면서 PV 모듈을 신속하고 비접촉 방식으로 대규모 검사할 수 있는 방법이 필요합니다. 모듈 내부 층간 분리로 공기층이 형성되어 열적·기계적 안정성이 저하되고, 추가적인 열화 및 잠재적인 고장으로 이어질 수 있는 박리(delamination)와 같은 주요 결함을 식별하는 것이 매우 중요합니다. 서로 다른 층 사이의 접착력이 약화되거나 상실되는 접착 불량(adhesion loss)은 구조적 완전성과 환경적 스트레스에 대한 내구성을 크게 저하시킵니다. 또한 수분 침투는 전기 부품의 부식을 유발하고, 단락 및 절연 저항 감소로 이어져 모듈 성능에 심각한 영향을 미칩니다.

모듈 내 개별 셀의 제조 품질 편차나 손상으로 인해 성능이 균일하지 않은 셀 불일치(cell mismatch)는 시간이 지남에 따라 전체 효율을 저하시킵니다. 태양전지에 발생하는 미세 균열이나 큰 균열은 시간이 지남에 따라 확산되므로 반드시 검출해야 하며, 이를 방치할 경우 심각한 성능 저하나 모듈의 완전한 고장으로 이어질 수 있습니다.

불량한 바이패스 다이오드나 내부 단락을 검출하는 것은 모듈의 성능과 수명에 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 바이패스 다이오드는 부분 음영으로 인한 태양전지 손상을 방지하는 역할을 하지만, 불량일 경우 과열, 열 핫스팟 발생, 나아가 화재 위험으로 이어질 수 있습니다. 내부 단락은 전류 흐름을 방해하여 모듈 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 추가적인 전기적 고장을 유발할 가능성도 있습니다. 이러한 결함을 조기에 식별하면 최적의 에너지 출력 유지는 물론, 안전 위험을 예방하고 태양광 모듈의 전체 수명을 연장할 수 있습니다.

가격 압박과 책임 리스크가 증가함에 따라, PV 모듈의 생산 과정과 운영 단계 모두에서 신속하고 효과적인 품질 보증을 위한 품질 검사 공정의 중요성은 더욱 커지고 있습니다.

각각의 불완전 요소, 결함, 또는 이상 현상은 고유한 열적 지문(thermal fingerprint)을 가지고 있어, 적외선(IR) 카메라를 통해 식별하고 시각화할 수 있습니다. 이에 따라 IR 카메라는 최종 생산 검사, 모듈 조립 및 시운전, 그리고 정기적인 현장 유지보수 등 다양한 단계에서 PV 모듈과 기타 시스템 구성 요소의 모니터링 및 품질 보증을 위해 활용됩니다. 비파괴 방식의 PV 모듈 검사를 위해서는 비냉각식 장파장 적외선 카메라가 이상적입니다. 이러한 카메라는 결함을 빠르게 위치 파악할 수 있게 하며, 다양한 응용 가능성을 제공합니다. 측정 목적에 따라 광각, 망원, 매크로 렌즈 중 적절한 렌즈를 선택하는 것이 중요합니다. 검출기 해상도는 80 × 80 픽셀로도 충분하지만, 넓은 영역이나 정밀한 분석이 필요한 경우에는 더 높은 해상도를 권장합니다. 열 감도는 최소 100 mK 이상이어야 합니다.

의미 있는 정상 상태 적외선 측정, 즉 신뢰할 수 있는 IR 이미지를 얻기 위해서는 모듈 표면에서 최소 700 W/m² 이상의 복사 강도가 필요합니다. 그렇지 않으면 IR 이미지의 대비가 너무 낮아집니다. 또한 태양광 모듈 표면을 가로지르는 공기 흐름은 대류 냉각을 유발하여 열 구배를 감소시키므로, 이를 피하는 것이 중요합니다.

IR 검사 시 모듈은 개방 회로(open circuit), 단락(short circuit), 부하 상태(under load) 등 서로 다른 운전 상태에서 검사됩니다. 각 상태는 서로 다른 유형의 결함을 드러낼 수 있습니다. 예를 들어 개방 회로 상태에서는 균일한 온도 분포가 기대되지만, 단락 상태나 부하가 걸린 상태에서는 국부적인 핫스팟이 나타날 수 있으며, 이는 셀 불일치, 바이패스 다이오드 불량, 또는 내부 단락과 같은 문제를 시사합니다.

측정 시에는 모듈 전면 유리의 실제 온도를 측정하며, 이는 현장에서 측정한 셀 온도와 일치해야 합니다. 모듈 후면의 IR 이미지를 함께 비교하면 온도 분포의 일관성을 검증하는 데 도움이 됩니다. 비냉각식 검출기를 사용하는 IR 카메라의 경우, 유리를 포함한 모든 비금속 재질에 대해 방사율(emissivity) 0.85~0.90을 설정할 수 있습니다. IR 측정에서는 입사각이 매우 중요하며, 최적의 IR 이미지는 대상에 대해 수직으로 촬영된 경우입니다. 모듈 법선 방향에서 30° 이상 벗어나면 각도 의존적 측정 오차가 크게 증가합니다. 또한 유리 표면은 정반사 특성이 있어 주변 물체가 열화상에 선명하게 반사될 수 있으므로, 다중 반사를 고려하고 이를 피하지 않으면 오해나 측정 오류가 발생할 수 있습니다.

IR 이미지는 일반적으로 결함 부위가 태양에너지를 전류로 변환하지 못하고 열로 방출하기 때문에, 인접 영역보다 더 높은 온도로 나타납니다. 결함이 심각할수록 온도 차이(temperature differential)는 더 크게 나타나며, 많은 제조사는 20°C 이상의 온도 차이를 불량 모듈의 증거로 간주합니다. 온도 차이가 더 작은 열 이상, 특히 10°C 미만인 경우에는 즉각적인 조치가 필요하지 않을 수 있으나, 대체로 태양전지가 지속적으로 열화되고 있음을 의미합니다. PV 모듈에서 핫스팟이 나타나는 IR 이미지는 오염에 의한 부분 음영이나 셀 균열로 인해 국부적인 발열이 발생했음을 시사할 수 있습니다. 따라서 IR 이미지를 정확히 해석하고, 각각의 원인 가능성을 개별적으로 식별하는 것이 매우 중요합니다.

핫스팟, 셀 불일치, 바이패스 다이오드 불량과 같은 각 유형의 이상 현상은 고유한 열적 특성을 가지며, 이는 적외선 카메라를 통해 검출할 수 있습니다. 이러한 온도 차이를 정량적으로 정확히 측정하고, 이상 현상의 심각도를 평가하며, 대응 우선순위를 결정하기 위해서는 방사형(라디오메트릭) 적외선 카메라 사용을 강력히 권장합니다. 방사형 IR 카메라만이 각 픽셀의 정확한 열 데이터를 캡처하고 저장할 수 있어, 온도 이상을 정밀하게 식별하고 수치화할 수 있습니다.

예를 들어, 단일 셀에서 발생한 핫스팟은 인접 영역과의 온도 차이에 따라 서로 다른 우선순위 수준으로 분류할 수 있습니다. 주변보다 10°C 미만의 온도 이상을 보이는 셀은 낮은 우선순위로 간주될 수 있는 반면, 20°C 이상의 온도 차이는 즉각적인 조치가 필요한 높은 우선순위의 문제를 의미합니다. 이러한 온도 편차는 내부 단락, 균열, 박리와 같은 근본적인 문제를 시사할 수 있으며, 이를 방치할 경우 심각한 에너지 손실과 잠재적인 안전 위험으로 이어질 수 있습니다.

온도 측정은 유사한 이상 현상 간의 심각도를 구분하는 데에도 매우 중요합니다. 예를 들어 접속함(junction box)에서 발생한 핫스팟이나 스트링 이상 현상은 관측된 온도 상승 정도에 따라 낮음, 중간, 높음의 우선순위로 분류할 수 있습니다. 이러한 분류는 유지보수 작업의 우선순위를 정하는 데 도움을 주어, 태양광 발전 시스템의 효율과 안전성을 유지하기 위해 가장 중요한 문제를 신속하게 해결할 수 있도록 합니다.

정확한 온도 측정과 낮은 NETD(등가 온도 차이)는 시간이 지남에 따라 점진적으로 진행되는 열화 과정을 조기에 감지하는 데 기여합니다. 온도 차이가 비교적 작은 열 이상은 즉각적으로 심각해 보이지 않을 수 있으나, 시간이 지나면서 악화될 수 있는 지속적인 열화를 의미합니다. 정기적인 모니터링을 통해 적시에 개입하면, 경미한 문제가 중대한 고장으로 확대되는 것을 방지하고 PV 모듈의 장기적인 신뢰성과 성능을 보장할 수 있습니다.