중국과 이탈리아 연구진이 태양광 모듈의 열적 고장에 미치는 다양한 경사각의 영향을 실험했습니다. 그 결과, 30도 이상의 경사각을 사용할 경우 고장 발생 시간이 증가하는 것을 발견했습니다.

과학자들은 균일한 복사 패널과 경사진 패널로 구성된 실험 장치를 사용하여 유리의 열 파손, 표면 온도, 입사 열유속 및 파손 특성을 추적했습니다. 또한 유한 요소법(FEM) 모델을 사용하여 실험 장치를 시뮬레이션하고 평균 오차를 측정했습니다.

"태양광 모듈은 유리로 구성되어 있는데, 유리는 깨지기 쉬운 소재라 화재 발생 시 쉽게 파손되거나 떨어져 나갈 수 있습니다. 유리에 균열이 생기면 태양광 패널의 가연성 물질이 화염 복사열을 직접 받고 산소와 접촉하게 되어 태양광 시스템의 고장을 가속화합니다. 더욱이, 태양광 모듈의 유리가 깨져 떨어져 나가면 노출된 태양광 패널 표면이 거대한 가연성 표면으로 변할 수 있습니다."라고 해당 그룹은 밝혔습니다. "그럼에도 불구하고, 태양광 패널은 널리 사용되고 중요성이 높음에도 불구하고 다양한 경사각에서의 성능에 대한 테스트는 아직 이루어지지 않았습니다."

연구팀은 600mm x 600mm 크기의 프로판 가스 연소식 복사 패널을 균일한 열원으로 사용했습니다. 이 패널에 아연 도금 강철 프레임으로 제작된 태양광 패널 장착 장치를 설치했는데, 이 프레임은 최대 1,200°C의 온도를 견딜 수 있습니다. 장착 장치 내부에는 300mm x 300mm 크기의 단결정 실리콘 태양광 패널과 3.2mm 두께의 비강화 유리층을 포함시켰습니다. 총 15개의 패널을 테스트했는데, 0°, 15°, 30°, 45°, 60°의 각 경사각에 대해 3개씩 사용했습니다.

분석 결과, 태양광 패널이 열복사에 노출될 경우, 유리 균열은 일반적으로 화재에 노출된 표면에서 최대 온도 차이가 발생하는 가장자리에서 시작되는 것으로 나타났습니다. 또한, 패널 하단에 수렴하는 리본 구조가 존재하기 때문에 경사각이 45°보다 클 경우 패널 가장자리보다는 하단에서 균열이 발생하기 쉬운 것으로 밝혀졌습니다.

또한, 유리층과 태양 전지층 사이, 그리고 후면판과 태양 전지층 사이에서 가연성 가스 방울이 발견되었는데, 과학자들은 이러한 방울이 스파크를 일으키거나 실제 화재가 발생할 경우 점화될 가능성이 있다고 밝혔습니다.

또한, 측정 결과에 따르면 태양광 패널의 첫 고장 발생 평균 시간은 패널 경사각이 0°에서 60°로 증가함에 따라 늘어나는 경향을 보였다. 구체적으로, 첫 고장 발생 평균 시간은 경사각 0°, 15°, 30°, 45°, 60°에서 각각 36초, 33초, 40초, 62초, 71초였다.
연구진은 "태양광 패널을 30°C 이상으로 기울이면 패널이 파손되는 데 걸리는 시간이 크게 늘어났는데, 30°C는 태양광 패널의 열적 파손에 중요한 경사각이다"라고 밝혔다. "파손 시간은 사례별로 차이가 있었지만, 임계 온도 차이는 61°C에서 84°C 사이로 비슷했으며, 대부분의 균열은 8~15kW/m2 범위에서 발생했다."

연구팀은 아바쿠스(Abaqus) 소프트웨어를 사용하여 시스템의 수치 유한 요소법(FEM) 모델을 개발하고, 유리 파손이 처음 발생하는 시점을 100초로 설정하여 시뮬레이션을 진행했습니다. 실험 결과와 비교했을 때, FEM 모델은 온도 분포에서 평균 13.5%의 오차를, 최초 파손 시간에서는 15% 미만의 오차를 보였습니다.

"에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)의 기포와 테들라-폴리에스터-테들라(TPT)의 팽창으로 인한 어려움을 고려할 때, 이 결과는 열 모델이 태양광 패널의 온도 분포를 예측할 수 있음을 시사한다"고 연구진은 결론지었다. "3층 구조에 따른 온도 상승 가정은 경사각이 큰 경우에도 적합한 것으로 입증되었다."

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