건조한 해안 환경에서 PV 시스템에 먼지가 미치는 영향

사우디아라비아의 Imam Abdulrahman Bin Faisal 대학이 이끄는 연구팀은 다양한 먼지 구성이 광전지 성능에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 실험적 연구를 수행했습니다. 이 연구에서는 건조한 해안 환경에서 작동하는 태양광 패널의 네 가지 먼지 유형-몬모릴로나이트, 카올리나이트, 벤토나이트 및 천연 먼지-를 조사했습니다.

"이 연구의 결과는 건조한 해안 지역에서 PV 유지 관리를 최적화하는 데 실질적인 의미를 갖습니다"라고 그룹은 설명했습니다. "먼지 구성과 분해 메커니즘을 연결함으로써 이해관계자는 청소 일정의 우선순위를 정하거나 주요 광물에 맞는 코팅을 선택할 수 있습니다. 예를 들어 소수성 코팅은 칼슘이 풍부한 환경에서 습도로 인한 접착을 완화할 수 있으며- 철-이 풍부한 지역은 내열성- 소재의 이점을 누릴 수 있습니다."

실험은 쾨펜(Köppen) 기후 시스템에서 BWh(뜨거운 사막)로 분류되는 사우디아라비아 페르시아만 연안의 도시인 주바일(Jubail)에서 수행되었습니다. 20W 다결정 PV 패널은 2025년 9월 9일부터 29일까지 실외 성능 테스트에 사용되었습니다. 최대 전력에서 패널은 1.14A의 전류와 17.6V의 전압을 제공했으며, 개방-회로 전압은 21.1V, 단락{9}}전류는 1.29A였습니다.

몬모릴로나이트, 카올리나이트 및 벤토나이트 점토는 상업용 광물 분말로 공급되었으며 45μm 미만으로 체질되었습니다. 자연 먼지 샘플은 Jubail의 주변 조건에 노출된 유리 표면에서 수동으로 수집되었습니다. 먼지 증착은 약 1.0g/m²의 표면 밀도에서 시작하여 약 7.0g/m²까지 점차 증가하는 7단계로 수행되었습니다. 측정은 각 증착 단계 후에 수행되었습니다.

"SEM-EDX를 통한 광물학적 분석은 성능 저하 패턴과 직접적인 상관관계가 있는 뚜렷한 구성 프로필을 밝혀냈습니다."라고 학계는 말했습니다. "높은 실리카(25.37%) 및 산화칼슘(30.52%) 함량을 특징으로 하는 천연 먼지는 가장 해로운 오염물질로 나타났으며, 광산란과 흡습성 접합이 결합되어 증착 밀도 6g/m2에서 48%의 전력 손실을 유발했습니다."

칼슘-이 풍부한 먼지는 높은 습도(40~65% 상대습도)로 인해 느슨한 미립자가 자연적인 청소 메커니즘에 저항하는 접착층으로 변환되는 해안 조건에서 특히 문제가 되는 것으로 나타났습니다. 대조적으로, 몬모릴로나이트의 철 함량 증가(62.67%)는 열 저하에 기여하여 패널 표면 온도를 40.4C로 높이고 개방{6}}전압을 감소시켰습니다.

"습도는 독립적인 스트레스 요인이 아닌 중요한 증폭 요인으로 나타났으며, 상대 습도가 60%를 초과하면 효율이 15~30% 감소했습니다. 이 임계값은 가역적 오염에서 시멘트 접착으로의 전환을 의미하며, 여기서 모세관력은 바람에 의한 제거에 저항할 수 있는 충분한 강도로 먼지 입자를 PV 표면에 결합합니다."라고 학계에서는 설명했습니다. "일별 분석에 따르면 습도가 낮은 오전 시간(오전 8시~11시 30분, 효율 12~13%)에 최적의 발전이 발생하는 반면, 오후 시간대에는 20~25% 효율 손실이 발생하는 것으로 나타났습니다."

또한 팀은 미립자 오염이 성능 저하에 큰 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 대기질 지수(AQI)는 습도만 사용할 때보다 효율성과 더 강한 음의 상관관계를 보여줍니다. "AQI 수준이 160을 초과하면 공기 중의 에어로졸과 표면 오염에 의한 빛 산란의 결합 효과로 인해 적당한 먼지 침착 밀도(3~4g/m2)에서도 변환 효율이 10% 미만으로 감소했습니다."라고 결론을 내렸습니다.

그들의 연구 결과는 Journal of Materials Research and Technology에 게재된 "건조한 해안 환경에서 광전지 성능에 미치는 먼지 구성 영향에 대한 실험 및 모델링 연구"에서 확인할 수 있습니다. 이번 연구에는 사우디아라비아의 Imam Abdulrahman Bin Faisal 대학, 이집트 원자력청, 이집트 Ain Shams 대학의 과학자들이 참여했습니다.