혁신적인 접근 방식 공개: 모래 침식 속 태양광 모듈 수명 예측

2025년 2월 24일, 태양 에너지 연구 최전선에서 흥미로운 소식이 전해졌습니다. 알제리의 한 연구진이 모래 환경에서의 태양광 모듈 내구성 연구에서 상당한 진전을 이루었습니다. 그들은 완전히 새로운 테스트베드를 설계하고 풍속과 모래 밀도라는 두 가지 중요한 요소를 고려하는 고유한 가속 법칙을 공식화했습니다. 이 새로운 방법론을 네 개의 태양광(PV) 모듈에 적용하여 시험한 결과, 모래의 영향을 고려했을 때 최대 47년의 수명을 기록하는 놀라운 결과를 보였습니다.

이 연구는 제조, 모듈 품질 평가, 오염 문제 해결, 그리고 전반적인 기술 R&D를 포함한 태양 에너지 산업의 여러 중요 영역을 포괄합니다. 특히 사막 지형이 광활하고 태양 에너지 잠재력이 크지만 모래 침식으로 어려움을 겪고 있는 북아프리카 알제리와 같은 지역에 상당한 기여를 할 것으로 기대됩니다.

알제리 과학자들은 PV 모듈 전용으로 혁신적인 가속 노화 테스트베드를 제안하고, 모래 침식으로 인한 성능 저하에 맞춰 이전에는 볼 수 없었던 가속 법칙을 개발했습니다. 교신 저자인 압델카데르 엘카라즈는 pv 매거진과의 인터뷰에서 "저희 연구는 기존 모델과 차별화됩니다. 모래 침식에 특화된 법칙을 도입했습니다. 풍속과 모래 밀도를 통합함으로써 사막 환경에서 모듈 수명을 훨씬 더 정확하게 예측할 수 있습니다."라고 밝혔습니다.

사막 지역에서 모래 침식은 PV 모듈의 신뢰성에 가장 큰 위협 중 하나입니다. 강풍에 의해 흩날리는 모래 입자는 모듈 표면에 기계적 및 광학적 손상을 입힙니다. 이러한 손상은 다양한 형태로 나타납니다. 보호 유리층이 마모되고, 반사 방지 코팅이 긁히며, 먼지와 이물질이 쌓입니다. 이러한 모든 요인이 합쳐져 광 투과율을 감소시키고 궁극적으로 모듈의 전체 출력을 저하시킵니다.

맞춤 제작 테스트베드는 공학의 경이로움입니다. 연구원들은 이를 통해 모래 침식에 영향을 미치는 변수를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 모래 밀도를 조절할 수 있는 모래 공급 장치, 풍속을 조절하는 가변 속도 팬, 그리고 모듈이 모든 각도에서 모래에 노출되도록 하는 회전 단계가 있습니다. 실제 사막 환경을 더욱 정확하게 반영하기 위해 사막화 지역의 모래를 사용했습니다. 이러한 모래는 입자가 크고 불규칙적인 모양을 가지고 있어 침식이 더욱 심해집니다.

연구진은 테스트를 위해 단결정 실리콘 PV 모듈 4개를 선정했습니다. 그중 두 개는 새 100와트 Dinel Solaire 모듈이었고, 나머지 두 개는 기존에 사용하던 80와트 Visel 모듈이었습니다. 테스트 조건 1에서 모듈은 모래 밀도 5.8g/m³, 풍속 12m/s의 조건에 노출되었습니다. 테스트 조건 2는 모래 밀도 10.3g/m³, 풍속 15m/s로 더욱 엄격한 조건을 적용했습니다. 연구진에 따르면, 테스트 조건 1은 "가혹한 가속 환경"을, 테스트 조건 2는 "훨씬 더 가혹하고 가속되는 환경"을 시뮬레이션했습니다.

창시자의 이름을 딴 엘카라즈-부사이드 법칙(Elkharraz-Boussaid's Law)이라는 이름의 새로운 가속 법칙은 풍속과 모래 밀도를 고려합니다. 이 법칙은 특정 조건에서 시스템이 고장 나기 전까지 작동할 수 있는 평균 시간을 나타내는 평균 고장 시간(MTTF)을 계산합니다. 퍼지 논리 기반 데이터 분석 프로그램과 결합하면 가속 계수(AF)를 결정할 수 있습니다. AF는 가속 시험 조건에서의 성능 저하율과 실제 상황에서의 성능 저하율 간의 비율을 정량화하는 중요한 지표입니다.

엘카라즈 교수는 "수집한 데이터를 알제리 아드라르에 있는 태양광 발전소의 실제 풍력 데이터와 연관시켰습니다. 이 포괄적인 데이터 세트를 사용하여 일반적인 사막 운영 조건에서 모듈의 실제 수명을 추정했습니다."라고 설명했습니다.

결과는 매우 의미심장했습니다. 알제리 아드라르 지역에서, 퍼지 논리 기반 데이터 분석 프로그램과 연계하여 수행한 모델 분석 결과, VISEL 모듈의 수명이 46.8년으로, 31.6년으로 추정된 DINEL 모듈보다 훨씬 길 것으로 예측되었습니다. 연간 열화율 또한 이러한 결과를 뒷받침했는데, VISEL 모듈은 0.64%, DINEL 모듈은 1.38%였습니다. 이러한 열화율은 기존 연구 결과와 일치하며, 모래가 많이 발생하는 지역에서 모듈 수명을 정확하게 예측할 수 있는 이 모델의 잠재력을 보여줍니다.

이 연구 결과는 재생에너지(Renewable Energy) 저널의 "태양광 모듈의 모래 침식 저하에 대한 새로운 가속 법칙(A novel acceleration law for sand erosion degradation of photovoltaic modules)"에 게재되었습니다. 알제리 아흐메드 드라이아 아드라르 대학교, 메데아 대학교, 그리고 재생에너지개발센터(CDER)의 과학자들이 이 획기적인 연구에 협력했습니다.