태양광 태양광 패널의 성능을 자체적으로 향상시킵니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21236(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

광전지(PV) 태양광 패널은 먼지 축적으로 인해 부정적인 영향을 받습니다. 지점마다 먼지 밀도가 다르기 때문에 핫스팟이 형성될 위험이 높아집니다. 따라서 준비된 PDMS/SiO2 나노 코팅을 사용하여 PV 패널 표면에 쌓인 먼지를 줄였습니다. 그러나 이러한 코팅의 효과는 지리적, 기후적 요인에 의해 크게 영향을 받습니다. 비교 가능한 실험 테스트를 동시에 실행하기 위해 3개의 동일한 PV 모듈이 설치되었습니다. 첫 번째 모듈은 준비된 PDMS/SiO2 나노코팅으로 코팅되고, 두 번째 모듈은 상용 나노코팅으로 코팅되며, 세 번째 모듈은 코팅되지 않은 상태로 기준 역할을 합니다. 제조된 나노코팅은 소수성이며 자가세척 효과가 있었다. 기준 패널(RP), 상업용 나노코팅 패널(CNP), 준비된 나노코팅 패널(PNP)의 충전율은 각각 0.68, 0.69, 0.7이었습니다. 실외 조건에 40일간 노출된 후, RP 및 PNP 패널 표면의 먼지 밀도는 각각 10 및 4.39 g/m2였습니다. 따라서, 나노코팅 패널의 효율은 기준 패널에 비해 30.7% 더 높은 것으로 나타났다.

태양 복사는 세 가지 주요 파장 대역으로 나눌 수 있습니다. 400 nm 미만의 파장에 대한 자외선(UV) 복사(에너지가 3.1 eV보다 큰 광자). 400~760nm 사이의 파장(1.6~3.1eV 사이의 광자 에너지)에 대한 가시광선(VIS) 방사선입니다. 760 nm보다 큰 파장에 대한 적외선(IR) 복사(1.6 eV 미만의 광자 에너지). 근적외선(NIR) 범위는 최대 4m1입니다. 이집트는 연간 전 세계 복사 조도가 2000kWh/m22를 초과하는 높은 태양 복사 조도를 가지고 있습니다. 태양 변환 시스템의 최적 방향은 적도를 향하는 것이며 북반구에서 남쪽을 향하게 됩니다(방위각 = 0). 남반구에서는 북쪽을 향합니다(방위각 = 180). 최적의 기울기 각도는 위치의 위도와 연중 날짜의 영향을 받습니다3. 이집트에서 포집된 태양에너지를 최대화하기 위한 PV 모듈과 컬렉터의 최적 경사각은 βopt = Φ ± 15°4입니다. 태양광 기술은 현재 수력, 풍력에 이어 세계에서 세 번째로 널리 사용되는 재생 에너지원입니다. 또한, 화석 연료에서 나오는 전기는 400g~1000g CO2/kWh의 CO2 배출량을 유발하는 반면, 실리콘 기반 태양광 패널의 CO2 배출량은 미미합니다5. PV 모듈 제조업체가 제공하는 매개변수는 표준 테스트 조건(STC)에서 측정됩니다. 하지만 이런 상황은 현장에서는 흔하지 않습니다. I-V 특성에 대한 실험적 측정은 모든 PV 시스템의 품질과 성능을 입증하는 역할을 할 수 있으므로 매우 중요합니다. 단락 전류(Isc)와 개방 회로 전압(Voc)은 IV 및 PV 곡선의 주요 특성입니다. IV 곡선의 각 지점에 대해 전류와 전압의 곱은 해당 작동 조건에서의 전력 출력을 나타냅니다. 채우기 비율(FF)은 곡선의 직각도를 정의하는 Pm과 Isc Voc의 곱의 비율로 정의됩니다6. I-V 곡선을 측정하고 플롯하는 가장 쉬운 방법은 저항 부하를 사용하는 것입니다. 이는 여러 저항 값을 갖는 전력 저항기의 조합으로 구성되며 짧은 시간 동안 작은 저항 값에서 높은 저항 값으로 점진적으로 전환됩니다. 각 저항 값은 I-V 곡선7의 작동 지점으로 간주됩니다. 먼지 축적으로 인한 복사 손실은 PV 출력 전력을 감소시킵니다. PV 표면의 어느 지점에서나 다양한 먼지 축적으로 인해 PV 어레이에 들어오는 햇빛의 분포가 달라지며, PV 패널을 손상시키는 핫스팟이 발생할 가능성이 높아집니다8. 먼지 밀도가 높을수록 PV 단락 전류, 개방 회로 전압 및 출력 전력이 감소합니다. 밀도가 10g/m2인 먼지는 최대 PV 출력을 약 34%9 감소시킬 수 있습니다. 성능을 유지하려면 PV 모듈을 정기적으로 청소하는 것이 필수적입니다. 여러 가지 PV 모듈 청소 기술을 사용할 수 있으며 수동, 자동 또는 자체 청소로 분류할 수 있습니다. 수동 청소의 주요 문제점은 물과 전기의 높은 소비입니다. 자동화된 프로세스에도 전력이 필요하며 초기 비용이 매우 높습니다. 따라서 소수성 코팅과 같은 자가 세척 방법은 PV 모듈을 유지 관리하는 데 좋은 옵션입니다. 코팅 공정은 작동하는 데 전기가 필요하지 않으며 청소 중에 패널을 손상시키지 않습니다. 이 프로세스는 더 안정적이고 저렴합니다10. 나노실리카, 이산화티타늄, 산화아연 등과 같은 나노필러를 사용하면 대규모 산업 응용 분야를 위한 소수성 코팅을 만들 수 있다는 것이 잘 알려져 있습니다. 정의에 따르면, 소수성 나노코팅은 코팅 특성 또는 나노 규모 소수성 코팅의 형태에서 중심 역할을 하는 나노 크기 구성 요소를 하나 이상 포함합니다11. 상업용 소수성 SiO2 코팅 나노물질을 사용하면 태양광 PV 모듈의 전반적인 성능이 향상되었습니다. PV 시스템의 전반적인 효율을 나타내는 출력 전력은 먼지가 많은 모듈에 비해 15%, 매일 수동으로 청소하는 코팅되지 않은 모듈에 비해 5% 증가했습니다. 에너지원을 사용하지 않고도 먼지를 제거할 수 있는 능력으로 인해 태양광 PV 모듈의 전반적인 효율이 향상되었습니다12. 비슷한 실험 테스트를 동시에 실행하기 위해 두 개의 PV 모듈이 설치되었습니다. 첫 번째 모듈은 SiO2 나노입자로 코팅되어 있고, 두 번째 모듈은 코팅되지 않은 상태로 대조군 역할을 합니다. 제조된 나노입자 용액을 세척된 유리에 코팅하기 위해 마이크로 천을 사용하였다. 접촉각은 약 106.02°입니다. Wenzel-Baxter 정의에 따르면 이 각도는 소수성으로 간주됩니다. 코팅된 모듈의 평균 전기 효율은 약 13.79%인 반면, 코팅되지 않은 모듈의 평균 전기 효율은 약 13.29%입니다. 코팅된 패널은 표면을 정기적으로 청소하지 않는 경우에도 13% 더 많은 출력을 생성하는 것으로 밝혀졌습니다13.