태양광 발전소에서 특정 스트링의 전류가 낮다면? 직렬회로의 원리로 이해하는 이상 스트링 진단 방법

태양광 발전소를 점검하다 보면 동일한 조건에서 운전 중인 스트링 중 특정 스트링의 전류만 유난히 낮게 측정되는 경우가 있습니다.

이럴 때 많은 분들이 "패널이 고장 난 것 같다"라고 생각하지만, 실제로는 왜 전류가 낮아지는지를 이해해야 정확한 원인 분석이 가능합니다.

이번 글에서는 직렬회로의 원리를 바탕으로 스트링 전류를 이용해 이상 여부를 판단하는 방법을 쉽게 설명해 보겠습니다.

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직렬로 연결된 태양광 스트링의 특징

태양광 발전소의 모듈은 일반적으로 여러 장이 직렬(Series) 연결되어 하나의 스트링을 구성합니다.

예를 들어 20장의 모듈이 하나의 스트링을 이루고 있다면 다음과 같은 형태입니다.

모듈1 → 모듈2 → 모듈3 → … → 모듈20

직렬회로의 가장 중요한 특징은 다음과 같습니다.

• 전류(Current)는 모든 모듈에서 동일하다.
• 전압(Voltage)은 각 모듈의 전압이 합산된다.

즉, 스트링 전체에는 항상 동일한 전류가 흐르게 됩니다.

 

직렬 연결에서는 전류가 모두 동일하다.

태양광 모듈이 직렬로 연결되면

패널1 ─ 패널2 ─ 패널3 ─ ... ─ 패널20

 

직렬회로의 특성상

I1 = I2 = I3 = ... = I20

 

즉

스트링 전체에는 동일한 전류가 흐른다.

반면 전압은

Vtotal = V1 + V2 + V3 + ...

 

이 된다.

따라서 직렬회로에서는

• 전류 = 가장 약한 모듈에 의해 결정
• 전압 = 모든 모듈 전압의 합

이라는 특징을 가진다.

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호스로 이해하는 직렬회로

직렬회로는 하나의 긴 호스와 매우 비슷합니다.

물을 전류라고 생각해 보겠습니다.

펌프
 │
 ▼
==========================
      하나의 긴 호스
==========================

호스 안에서는 처음부터 끝까지 같은 양의 물이 흐릅니다.

중간에서 갑자기

• 앞쪽은 초당 10L
• 뒤쪽은 초당 7L

처럼 흐를 수는 없습니다.

물이 중간에서 사라지거나 새로 생기지 않기 때문입니다.

전기도 동일한 원리입니다.

전자들이 한 줄로 이동하기 때문에 직렬회로에서는 어느 위치에서나 같은 전류가 흐르게 됩니다.

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호스를 눌러보면 어떻게 될까?

이번에는 호스 중간을 손으로 눌러보겠습니다.

정상일 때

==========================
      10L/s
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중간을 좁히면

==========╥===============
         좁아진 부분

이제 호스를 통과할 수 있는 물의 양은 줄어듭니다.

10L/s

↓

7L/s

중요한 점은 좁아진 부분 이후만 7L가 되는 것이 아니라 호스 전체의 유량이 7L/s로 감소한다는 것입니다.

좁아진 부분이 전체 유량을 결정하기 때문입니다.

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태양광 모듈도 같은 원리이다

20장의 모듈이 모두 정상이라면

모든 모듈 최대 출력전류

10A

스트링 전류 역시

10A

가 됩니다.

그런데 18번째 모듈이

• 셀 크랙
• PID
• 핫스팟
• 심한 오염
• 음영

 

등의 원인으로 최대 7A밖에 공급하지 못한다고 가정해 보겠습니다.

직렬회로에서는

10A

↓

10A

↓

7A

↓

10A

처럼 흐를 수 없습니다.

결국 스트링 전체가

7A

로 제한됩니다.

즉, 한 장의 모듈 성능 저하가 전체 스트링의 전류를 감소시키는 것입니다.

 

예를 들어

MPPT 1

String 1 : 9.8 A
String 2 : 9.9 A
String 3 : 9.7 A
String 4 : 9.8 A

 

이는 정상이다.

반면

String 1 : 9.8 A
String 2 : 9.9 A
String 3 : 6.4 A
String 4 : 9.8 A

 

라면

String 3에 연결된 모듈 또는 배선에 이상이 있을 가능성이 매우 높다.

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자동차 톨게이트를 생각하면 더욱 이해하기 쉽다

4차선 도로를 달리던 차량이 갑자기 1차선으로 줄어드는 구간을 만나면 어떻게 될까요?

🚗🚗🚗🚗

↓

🚗

차량 통과량은 1차선의 처리 능력에 맞춰 감소합니다.

태양광 스트링도 마찬가지입니다.

성능이 저하된 모듈 하나가 병목(Bottleneck)이 되면 스트링 전체의 전류가 감소합니다.

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스트링 전류 비교가 중요한 이유

동일한 MPPT에서 운전 중인 스트링이라면 일사량과 온도 조건이 거의 동일하므로 전류도 비슷해야 합니다.

예를 들어

스트링측정 전류

String 1	10.1A
String 2	10.0A
String 3	10.2A
String 4	7.1A

와 같은 결과가 나왔다면 String 4에는 이상이 있을 가능성이 높습니다.

가능한 원인은 다음과 같습니다.

• 태양광 모듈 셀 크랙
• 핫스팟 발생
• PID 열화
• 부분 음영
• 모듈 오염
• 바이패스 다이오드 이상
• MC4 커넥터 접촉불량
• 스트링 퓨즈 열화
• DC 케이블 접속불량
• 단자 접촉저항 증가

 전류가 낮아지는 원인(Current Limiting Effect)

구분	전류 감소여부	특징
모듈 셀 크랙	매우 큼	열화상으로 발견 가능
핫스팟	큼	발전량 감소
PID	큼	시간이 갈수록 감소
음영	매우 큼	특정 시간대만 발생
모듈 오염	중간	세척 후 회복 가능
커넥터 접촉불량	큼	발열 발생
퓨즈 열화	큼	열화상에서 고온 확인 가능
DC 케이블 접속불량	큼	전압 강하 발생
바이패스 다이오드 동작	전압 감소 위주	전류 변화는 작을 수도 있음

따라서 스트링 전류 비교는 유지관리에서 가장 빠르고 효과적인 1차 이상 진단 방법이라고 할 수 있습니다.

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바이패스 다이오드가 동작하는 경우

패널 일부 셀이 손상되면

바이패스 다이오드가 동작할 수도 있다.

이 경우

전류는 비교적 유지될 수도 있지만

패널 전압이 감소한다.

따라서

전류만 비교하는 경우에는

모든 이상을 찾을 수는 없다.

이 경우는

스트링 전압도 함께 확인해야 한다.

전류만으로 단정해서는 안 된다

다만 스트링 전류가 낮다고 해서 반드시 모듈이 불량인 것은 아닙니다.

 

다음과 같은 전기적 이상도 동일한 현상을 유발할 수 있다.

• 스트링 퓨즈 열화
• MC4 커넥터 접촉불량
• DC 케이블 단선 또는 부분 단선
• 단자대 접촉불량
• 인버터 입력단 접촉저항 증가
• MPPT 입력 이상

전류 감소는 DC측 모든 구성품의 이상으로 발생할 수 있으므로 다음과 같은 추가 점검이 필요합니다.

• 스트링 전압 비교
• 열화상 촬영
• 퓨즈 및 커넥터 점검
• 개방전압(Voc) 측정
• 운전전류 측정
• I-V Curve 측정
• 육안 점검

스트링 전류가 다른 스트링 대비 유의미하게 낮을 경우에는 다음 순서로 점검하는 것이 효율적이다.

1. 인버터 스트링 전류 비교
   • 동일 MPPT 내 다른 스트링과 비교한다.
2. 스트링 전압 확인
   • 전압이 정상인지 함께 확인한다.
3. 열화상 점검
   • 모듈, 커넥터, 스트링 퓨즈, 단자대의 국부 발열 여부를 확인한다.
4. 개방전압(Voc) 측정
   • 직렬 모듈 수에 비해 전압이 부족한지 확인한다.
5. 운전전류(Isc 또는 운전 전류) 측정
   • 클램프미터를 이용하여 실제 전류를 측정한다.
6. 현장 육안 점검
   • 오염, 음영, 균열, 프레임 변형, 케이블 손상 등을 확인한다.
7. I-V Curve 측정(필요 시)
   • 전류-전압 특성을 분석하여 모듈 열화, 셀 손상, 바이패스 다이오드 이상 등을 정밀 진단한다.

이러한 절차를 함께 수행하면 보다 정확하게 원인을 찾을 수 있습니다.

 

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마무리

태양광 스트링은 직렬회로로 구성되어 있기 때문에 모든 모듈에는 동일한 전류가 흐릅니다.

따라서 단 하나의 모듈 또는 DC측 구성품이라도 전류를 충분히 공급하지 못하면 그 부분이 병목이 되어 스트링 전체의 전류가 감소합니다.

바로 이러한 직렬회로의 특성 때문에 인버터에서 스트링별 전류를 비교하는 것만으로도 이상 스트링을 매우 효과적으로 선별할 수 있습니다.

현장에서는 스트링 전류 비교를 시작으로 전압 측정, 열화상 검사, 육안 점검, I-V Curve 측정 등을 순차적으로 수행하면 대부분의 이상 원인을 신속하게 찾아낼 수 있습니다.

정기적인 스트링 전류 모니터링은 발전량 손실을 최소화하고 장기적인 설비 신뢰성을 유지하는 가장 기본적이면서도 중요한 유지관리 방법입니다.

 

동일한 일사량, 온도 및 설치 조건에서 운전되는 동일 MPPT 내 스트링은 거의 동일한 전류를 발생시켜야 한다. 따라서 특정 스트링의 전류가 다른 스트링에 비해 유의미하게 낮은 경우에는 해당 스트링을 구성하는 모듈 중 일부의 성능 저하(셀 크랙, PID, 핫스팟, 음영, 오염 등) 또는 DC 측 전기설비(퓨즈, 커넥터, 케이블, 단자, 인버터 입력부)의 이상으로 인해 직렬회로의 전류가 제한되고 있을 가능성이 높다. 따라서 스트링 전류 비교는 발전소 유지관리에서 이상 스트링을 선별하는 매우 효과적인 1차 진단 방법이며, 이후 전압 측정, 열화상 검사, 육안 점검, I-V 곡선 측정 등을 통해 원인을 구체적으로 확인하는 것이 바람직하다.

 

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