실내 가속 복합 모델을 활용한 태양광 모듈의 신뢰성 평가 방법 개발 = Development of a Reliability Evaluation Method for Photovoltaic Modules Based on an Indoor Accelerated Complex Model

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 기후 위기 대응과 에너지 전환의 필요성이 높아지면서, 태양광은 대표적인 재생에너지로 주목받고 있다. 태양광 모듈은 실제 발전 환경에서 온도ㆍ습도ㆍ광ㆍ열충격 등 다양한 스트레스 요인이 동시에 복합적으로 작용하여 열화가 발생한다. 이러한 열화는 자연스러운 현상이지만, 장기간 안정적인 발전을 위해서 정량적으로 평가할 수 있는 신뢰성 시험이 필요하다. 현재 국제 표준으로 활용되는 IEC 규격시험은 단일 스트레스 조건을 분리하여 내구성을 평가하는 방식으로 표준화된 검증에는 유효하지만, 실제 발전 환경의 복합적인 요인을 반영하기에는 한계가 있다. 현재 국제적으로 가장 널리 활용되는 IEC 규격시험은 모듈의 내구성과 안정성을 평가하는 표준화된 절차를 제공하고 있으나, 각 스트레스를 단일 인자 기반으로 분리하여 수행한다는 구조적 한계를 갖는다. 실제 발전 환경에서는 복합적 스트레스가 상호작용을 하며 열화가 비선형적으로 진행되지만, IEC 규격만으로는 이러한 복합적 열화 메커니즘을 충분히 재현하거나 예측하기에는 한계가 있다. 본 연구의 목적은 이러한 한계를 보완하기 위해 실제 발전 환경의 복합 스트레스를 실내에서 단기간에 재현할 수 있는 실내 가속 복합 시험 방법을 제안하고, 그 타당성을 실험적으로 검증하는 데 있다. 이를 위해 8-cell 미니모듈과 144-cell 상용화 모듈을 직접 제작하여 기존 IEC 규격시험과 IAC 시험을 병행 수행하였으며, 또한 기존 IEC 시험 조건을 가혹화한 DH 시험을 포함하여 단일 스트레스 기반 가속 시험의 적용 가능성도 함께 검토하였다. 각 시험 결과는 아레니우스–아이링 결합모델을 적용하여 출력 저하율, 유효온도, 유효습도, 유효광량, 가속계수 및 환산 수명으로 정량화하였다. 분석 결과, 기존 IEC 규격시험과 조건을 가혹화한 DH 시험에서는 열화 속도의 차이는 일부 관찰되었으나, 열화 양상의 본질적인 차이는 제한적으로 나타났다. 반면, IAC 시험은 온도ㆍ습도ㆍ광 스트레스를 동시에 인가함으로써 동일한 출력 저하 수준을 보다 짧은 시험 시간 내에 재현하였으며, 실제 발전 환경 열화 경향과 높은 상관성을 보였다. 또한 IAC 시험은 IEC 규격시험 대비 약 3배 수준의 시험 시간 절감 효과를 나타냈다. 결론적으로 본 연구는 기존 IEC 규격시험의 단일 스트레스 기반 한계를 실험적으로 확인하고 이를 보완할 수 있는 복합 스트레스 기반의 가속 신뢰성 평가 방법을 제안함으로써, 태양광 모듈의 장기 열화 거동을 보다 현실적으로 재현할 수 있는 새로운 실내 신뢰성 평가 체계를 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

ABSTRACT

As global efforts to address the climate crisis accelerate, the need for energy transition continues to intensify, and photovoltaic technology has emerged as a key renewable energy source. PV modules are exposed to various environmental stressors—including temperature, humidity, irradiance, and thermal cycling—that act simultaneously and interactively under real operating conditions, leading to complex and nonlinear degradation behavior. Although such degradation is inevitable, ensuring long-term operational stability requires reliable and quantitative evaluation methods.
Internationally standardized IEC reliability tests provide a well-established framework for assessing PV module durability. However, these tests are fundamentally based on single-stress conditions applied independently, which limits their ability to reproduce the combined stress environments encountered in actual field operation. While intensifying individual IEC test conditions can partially accelerate degradation, such approaches remain constrained by the intrinsic limitations of single-stress test structures and may not adequately capture complex degradation mechanisms arising from stress interactions.
To address these limitations, this study proposes and experimentally validates an Indoor Accelerated Complex (IAC) test designed to reproduce combined field stress conditions within a controlled indoor environment. For this purpose, 8-cell mini-modules and 144-cell commercial-scale modules were fabricated, and standard IEC tests, intensified damp heat (DH) tests, and IAC tests were conducted in parallel. The degradation behavior was quantitatively analyzed using an Arrhenius–Eyring combined acceleration model to derive key reliability indicators, including power degradation rate, effective temperature, effective humidity, effective irradiance, acceleration factor, and equivalent lifetime.
The results indicate that intensifying conventional IEC test conditions led to limited differences in degradation behavior, whereas the IAC test—simultaneously applying temperature, humidity, and irradiance—successfully reproduced more realistic degradation characteristics within a significantly reduced test duration. Specifically, the IAC test achieved approximately a threefold reduction in testing time compared to individual IEC stress tests, while exhibiting strong correlation with long-term field aging trends in terms of power loss and encapsulant degradation.
In conclusion, this study experimentally demonstrates the structural limitations of single-stress-based IEC acceleration approaches and validates the IAC test as an effective complex-stress accelerated reliability assessment method. The proposed IAC framework provides a practical and realistic pathway for improving PV module reliability evaluation and may serve as a complementary protocol to existing IEC standards for next-generation PV durability assessment.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 신뢰성 시험의 중요성 4
• 1. 탄소중립 및 에너지 전환 4
• 2. 전력수요ㆍ전력공급 구조 변화 5
• 3. 재생에너지 비중 변화 및 재생에너지의 변동성 6
• 4. 신뢰성 시험의 필요성과 한계 7
• Ⅲ. IEC 규격 및 가속 시험 9
• 1. IEC 규격 9
• 2. 가속 시험 16
• 3. 실내 가속 복합 테스트 분석 모델 20
• 4. End Of Life 25
• Ⅳ. 실험방법 26
• 1. 8-cell 모듈 제작 28
• 2. 144-cell 모듈 제작 33
• 3. 시험 조건 35
• 1) 8-cell 모듈 시험 항목 39
• 2) 144-cell 모듈 시험 항목 41
• Ⅴ. 결과 및 고찰 44
• 1. 8-cell 모듈 시험 데이터 45
• 2. 144-cell 모듈 시험 데이터 59
• 3. 가속계수 및 환산 수명 산출 79
• Ⅵ. 결론 94