태양광 다이오드

왜 배우는가: 태양광 모듈은 셀을 직렬로 묶은 구조라서 음영 하나가 발전 전체를 떨어뜨리고 국부 과열 손상을 일으킨다. 바이패스 다이오드와 블로킹 다이오드는 이 문제와 역류 문제를 막는 기본 보호 소자이므로, 설치 목적과 회로 구성을 함께 묻는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제124회 1교시 1번, 제113회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

바이패스 다이오드는 음영·고장 셀을 우회시키는 소자이고, 블로킹 다이오드는 축전지 쪽에서 어레이로 역전류가 흐르지 않도록 막는 소자다.

• 바이패스 다이오드
• 블로킹 다이오드
• 핫스팟
• 부분 음영
• 역전류 차단
• 스트링
• 축전지 역충전

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 태양광 모듈 안의 셀은 줄줄이 직렬로 묶여 있어서 한 셀이 그늘지면 그 셀이 전류의 통로를 막는다. 바이패스 다이오드는 그 셀 주변에 길을 열어 주는 우회로이고, 블로킹 다이오드는 물이 거꾸로 흐르지 못하게 막는 역지 밸브에 해당한다.

정식으로 정의하면, 바이패스 다이오드는 모듈이나 셀 군과 병렬로, 정상 동작 시 역방향 바이어스가 걸리도록 연결된 다이오드다. 정상 상태에서는 개방 상태로 전류가 흐르지 않는다. 음영이나 고장으로 그 셀 군의 출력이 떨어져 역전압이 걸리면 도통하여 해당 구간의 전류를 우회시킨다.

블로킹 다이오드는 스트링이나 어레이 출력선에 직렬로 놓여, 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 소자다. 야간이나 일사량이 낮아 태양광 전압이 축전지 전압보다 낮을 때, 축전지 전류가 어레이 쪽으로 되돌아오는 것을 막는다. 독립형 시스템에서는 충전조절기가 같은 역할을 함께 맡기도 한다.

두 소자는 연결 위치와 방향이 다르다. 바이패스는 병렬로, 블로킹은 직렬로 연결된다. 바이패스는 셀이나 모듈 단위의 과열 보호이고, 블로킹은 스트링과 축전지 측의 역류 보호다. 따라서 두 소자를 같은 목적으로 혼동하면 답안에서 감점된다.

핫스팟은 음영 셀이 나머지 셀의 전류를 받아 국부적으로 과열되는 현상이다. 과열이 계속되면 봉지재 변색, 셀 균열, 뒷면 시트 손상으로 이어지고, 최악의 경우 화재 위험까지 생긴다. 바이패스 다이오드의 1차 목적은 이 핫스팟을 막는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

태양광 모듈은 전압을 높이기 위해 셀을 직렬로 연결한다. 직렬 회로에서는 모든 셀이 같은 전류를 흘려야 한다. 그런데 셀 하나의 출력이 떨어지면, 나머지 셀이 만든 전류가 그 셀을 통과해야 한다. 이때 그 셀은 역방향 전압을 받아 소비 전력이 커지고 열이 발생한다.

음영은 낙엽, 눈, 새 배설물, 인접 구조물의 그림자처럼 피하기 어려운 원인에서 생긴다. 따라서 음영을 완전히 막는 것보다, 음영이 생겨도 손상이 모듈 전체로 번지지 않게 하는 설계가 필요하다. 이 요구에서 바이패스 다이오드가 도입됐다. 바이패스 다이오드를 셀 군마다 달면 그늘진 구간만 우회하고 나머지 구간은 정상 발전을 계속한다.

바이패스 다이오드는 음영·고장 셀의 역방향 과열을 막아 핫스팟 손상을 방지한다.

블로킹 다이오드가 필요한 이유는 두 가지다. 첫째, 밤이나 흐린 날 축전지 전압이 태양광 전압보다 높으면 축전지가 어레이로 역전류를 보낸다. 이 경우 축전지 에너지가 소모되고 모듈이 가열된다. 둘째, 전압이 서로 다른 스트링을 병렬로 묶으면 전압이 높은 스트링에서 낮은 스트링으로 전류가 흐를 수 있다. 블로킹 다이오드는 이 두 경우 모두에서 한 방향 통전을 보장한다.

야간 역류 차단

다이오드에는 순방향 전압강하에 따른 전력 손실이 있다. 바이패스 다이오드가 도통하면 그 소자에서 열이 나므로 모듈 설계와 접속함 설계에서 발열을 함께 고려해야 한다. 블로킹 다이오드는 정상 운전 중 계속 전류가 흐르므로 순방향 손실이 발전 효율에 직접 영향을 준다. 그래서 두 소자 모두 역내압과 순방향 특성을 함께 보고 선정한다.

이 두 소자는 설치 위치와 목적이 다르므로 답안에서는 '바이패스는 셀 단위 과열 방지, 블로킹은 스트링·축전지 측 역류 방지'로 정리해 쓰는 것이 정확하다.

4. 구성요소·원리·절차

태양광 모듈 하나는 여러 개의 셀이 직렬로 묶여 있다. 셀 하나에 그늘이 지면 그 셀의 전류 생산 능력이 떨어지고, 직렬 회로 전체의 전류가 이 셀에 맞춰 제한된다. 그 결과 나머지 셀이 만든 전류가 그늘진 셀을 통과하면서 핫스팟(Hot Spot) 발열이 생긴다. 바이패스 다이오드는 이 문제를 막기 위해 셀(또는 셀 묶음) 양단에 역방향으로 병렬 연결된다.

정상 동작 시 바이패스 다이오드는 개방 상태이고, 음영 셀에서만 전류를 우회시킨다

구성요소는 다음과 같다.

바이패스 다이오드 원리는 다음과 같다. 정상 셀 전류는 다이오드 역방향 전압이 크므로 흐르지 않는다. 음영 셀에서 역방향 전압이 순방향 전압(Forward Voltage) 이상이 되면 다이오드가 도통하여 전류가 우회한다. 이때 다이오드 손실은 P_{loss}=V_F \times I 로 계산하며, V_F 는 순방향 전압(V), I 는 우회 전류(A)다. 이 손실은 열로 방출되므로 다이오드 발열 관리가 필요하다.

블로킹 다이오드 원리는 다음과 같다. 다이오드를 어레이 출력단에 직렬로 두면 전류는 한 방향으로만 흐른다. 흐린 날이나 야간에 축전지 전압이 모듈 전압보다 높아지면 축전지에서 모듈 쪽으로 전류가 역류한다. 블로킹 다이오드는 이 역류를 차단한다. 따라서 순방향 전압 강하가 작고, 큰 전류를 견디며, 역방향 누설 전류(역포화 전류)가 작아야 한다.

바이패스 다이오드 설치 절차는 다음과 같다.

• 모듈 셀 배열에서 직렬 셀 묶음을 정한다.
• 각 묶음 양단에 다이오드를 역방향으로 병렬 연결한다.
• 다이오드 순방향 전압과 우회 전류로 발열 손실을 계산한다.
• 모듈 접속함에 설치하여 발열이 셀에 영향을 주지 않게 한다.

블로킹 다이오드 설치 절차는 다음과 같다.

• 스트링 또는 어레이 출력단에 다이오드를 직렬로 연결한다.
• 다이오드 정격 전류를 스트링 최대 전류 이상으로 선정한다.
• 축전지와 어레이 사이의 역류 경로를 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

태양광 모듈의 바이패스·블로킹 다이오드는 모듈 제작 및 시험 기준에 따른다. 국내에서는 모듈 인증 시험 기준과 전기설비 기준을 함께 적용한다. 설계 시 다이오드 정격은 다음 값으로 확인한다.

바이패스 다이오드는 모듈 내부에 내장되는 경우가 많다. 이 경우 접속함 기준과 모듈 사양서의 정격을 따른다.

블로킹 다이오드는 축전지가 있는 독립형 시스템에서 특히 중요하다. 현재는 충방전 제어기가 역류 차단 기능을 함께 수행하는 경우도 많다.

6. 유형과 비교

태양광 모듈 보호 소자는 역할에 따라 바이패스 다이오드, 역류(블로킹) 다이오드, 그리고 구조상 함께 쓰이는 접속함 내 소자로 나뉜다. 두 소자는 설치 위치와 동작 조건이 다르므로 혼동하지 않도록 비교해 둔다.