6V 태양광 패널의 전압과 발전량을 분압과 부하 저항으로 재고 최대 전력점 찾기

이 센서로 무엇을 잴 수 있나

수업에서 쓰는 "6V 태양광 패널"은 작은 태양전지 여러 장을 직렬로 이은 판이에요. Adafruit는 판매하는 한 6V 패널을 설명하며, 셀 하나의 공칭 전압이 0.5V이고 12장을 이어 "6V"라고 부른다고 적어요. 이 글은 패널을 센서처럼 써서 두 가지를 재요. 하나는 패널 단자의 전압, 다른 하나는 정해 둔 부하 저항이 받는 전력(발전량)이에요.

이 두 숫자로 해를 향한 각도, 그늘이 진 넓이, 날씨와 시각에 따라 패널이 얼마나 일하는지 견줄 수 있어요. 부하 저항을 여러 개로 바꿔 가며 재면 이 패널이 가장 많은 전력을 내는 지점(최대 전력점)도 찾을 수 있어요.

6V는 이름일 뿐 늘 6V가 나오지는 않아요. 예를 들어 Voltaic Systems P123(6V 0.6W) 데이터시트는 표준 조건(1000W/m², 25℃)의 공칭값으로 최대 전력점 전압 6.11V, 개방 전압 7.25V, 단락 전류 0.12A를 적어요. 부하를 떼면 6V보다 높은 개방 전압이 나오는 거예요. 내 패널의 뒷면 표를 먼저 읽고, 없으면 멀티미터로 개방 전압을 재 둬요.

원리

태양전지는 빛을 받으면 전류를 만들어요. 만드는 전류는 빛의 세기에 거의 비례하지만, 아무것도 잇지 않았을 때의 개방 전압은 빛이 약해져도 조금만 줄어요. 그래서 흐린 날 그늘에서도 전압계는 꽤 높은 값을 보여 줘요. 전압만 보고 "발전이 잘 된다"고 하면 틀리기 쉬운 이유예요.

발전량은 전력, 곧 전압 × 전류예요. 이 글은 전류 센서 없이 아는 저항 R을 패널에 걸고 그 양 끝의 전압 V를 재서 P = V² ÷ R로 계산해요. R이 아주 크면 전압은 높지만 전류가 작고, R이 아주 작으면 전류는 크지만 전압이 무너져요. 그 사이 어딘가에서 P가 가장 커지는데, 그 저항값과 전압이 최대 전력점이에요.

피코는 패널 전압을 바로 읽지 못해요. 개방 전압이 7V를 넘을 수 있어서, 패널 + ─ 20kΩ ─ GP28 ─ 10kΩ ─ GND로 나눠요. GP28 전압은 패널 전압 × 10 ÷ (20 + 10), 곧 1/3이에요. 코드에서 3을 곱해 되돌리고, 3.3V × 3 = 9.9V까지 잴 수 있어요. 분압 저항으로 흐르는 전류는 7V에서 약 0.23mA라 패널 전류에 비하면 아주 작아요.

준비물

• 라즈베리파이 피코와 USB 케이블
• 6V 태양광 패널(뒷면 사양표 확인), 20kΩ 저항 1개, 10kΩ 저항 1개, 브레드보드, 악어 클립 선
• 부하 저항 여러 개(예: 47Ω, 100Ω, 220Ω, 470Ω, 1kΩ)와 각 저항의 정격 전력
• 멀티미터, 각도기, 패널을 기울일 받침, 그늘을 만들 두꺼운 종이
• (선택) 조도계나 BH1750 모듈로 빛의 세기 함께 기록

배선

브레드보드 따라 꽂기 순서 (8단계)

1. 피코를 브레드보드 가운데 홈에 걸쳐 꽂아요. USB 단자가 왼쪽을 보게 하고, 1번 핀이 f2, 40번 핀이 e2에 들어가요. 다리가 홈 양쪽에 모두 들어갔는지 옆에서 봐요.
2. 검은 선: 피코 38번 핀(GND) 옆 칸 a4 → 위쪽 − 줄(GND). 이제 이 줄 전체가 GND예요.
3. 태양광 패널 (6V) 전압 재기 꽂기: 다리 패널 + · 패널 −를 위쪽 a24 · a25에 차례로 꽂아요. 다리가 브레드보드에 바로 안 들어가면 암-수 점퍼선으로 같은 칸에 이어요.
4. 저항 20kΩ(색띠 빨강·검정·주황): d24 ↔ d27 (패널 + 다리 칸 → 나눔 칸 27열)
5. 저항 10kΩ(색띠 갈색·검정·주황): b27 ↔ 위쪽 − 줄(GND)
6. 초록 선: 나눔 칸 c27 → 피코 34번 핀(GP28) 옆 칸 a8. 5V 신호가 3.3V 아래로 줄어 피코가 안전해요.
7. 검은 선(GND): 태양광 패널 (6V) 전압 재기 패널 − 줄 b25 → 위쪽 − 줄(GND)
8. 마지막 확인: ① 위쪽 + 줄(3.3V)과 아래쪽 + 줄(5V)이 서로 이어지지 않았나요? ② 모든 부품의 GND가 − 줄에 이어졌나요? ③ 5V 신호 다리는 저항을 거쳐 피코에 이어졌나요? ④ 긴 브레드보드는 + − 줄이 가운데에서 끊긴 것도 있어요(빨간·파란 선이 끊겨 있으면 짧은 선으로 이어요). ⑤ 그림과 한 칸씩 비교한 뒤 USB를 꽂아요.

나눔 점(20kΩ과 10kΩ이 만나는 칸)을 GP28에 이어요. 두 저항을 바꿔 꽂으면 2/3가 걸려 6V 패널만으로도 GP28이 3.3V를 넘으니 색띠(20kΩ 빨강·검정·주황, 10kΩ 갈색·검정·주황)를 확인해요.

발전량을 잴 때는 부하 저항 하나를 패널 +와 − 사이에 따로 걸어요. 분압 회로는 그대로 두면 부하 양 끝의 전압을 함께 재게 돼요. 부하 저항은 받는 전력이 정격의 절반을 넘지 않게 골라요. 예를 들어 7V가 걸린 100Ω은 7² ÷ 100 = 0.49W를 받으니 1/4W 저항은 안 되고 1W 이상을 써요. 470Ω이면 약 0.10W라 1/4W로도 돼요.

코드

from machine import ADC, Pin
import time

panel = ADC(Pin(28))             # 패널 + → 20kΩ → GP28 → 10kΩ → GND
K = 3.0                          # (20kΩ + 10kΩ) ÷ 10kΩ. 멀티미터로 고친 값으로 바꿔요
R_LOAD = 0                       # 패널 +와 − 사이에 건 부하 저항(Ω). 0이면 개방 전압

def volts(n=32):
    s = 0
    for i in range(n):
        s += panel.read_u16()
    return s / n * 3.3 / 65535 * K

while True:
    v = volts()
    if R_LOAD > 0:
        ma = v / R_LOAD * 1000           # 부하에 흐른 전류(mA)
        mw = v * v / R_LOAD * 1000       # 부하가 받은 전력(mW) = V² ÷ R
        print(f"DATA: solar_v={v:.3f}, load_ohm={R_LOAD}, ma={ma:.1f}, mw={mw:.1f}")
    else:
        print(f"DATA: solar_v={v:.3f}, load_ohm=0, ma=0, mw=0")
    if v > 9.5:
        print("분압 한계(9.9V)에 가까워요. 패널을 가리고 배선을 확인해요")
    time.sleep(1)

• 시나브로 PICO 센서 가이드 예제(읽은 전압 × 3)에 평균, 부하 계산, 한계 경고를 더했어요.
• R_LOAD에 지금 걸어 둔 부하 저항값을 적으면 전류와 전력을 함께 내보내요. 부하를 바꿀 때마다 이 숫자도 바꿔요.
• 저항값은 표시값 대신 멀티미터로 잰 값을 쓰면 더 정확해요.

값 해석과 보정

분압 배율을 먼저 맞춰요. 패널을 가린 채 AA 건전지 몇 개처럼 9V보다 낮은 직류를 분압 입력에 물리고, 멀티미터 값 ÷ (GP28 전압)으로 K를 구해요. 저항 오차가 ±5%라면 K가 3에서 조금 벗어날 수 있어요.

빛이 일정한 동안 재요. 구름이 지나가면 전력이 몇 초 만에 크게 바뀌어요. 조건을 바꾸기 전과 후에 기준 조건을 한 번씩 다시 재서 빛이 그대로였는지 확인하거나, 조도계 값을 함께 적어요.

최대 전력점은 그래프로 찾아요. 가로축에 부하 저항, 세로축에 mw를 그리면 가운데가 볼록한 모양이 나올 거라 예상할 수 있어요. 가장 높은 점의 solar_v를 사양표의 최대 전력점 전압과 견줘 봐요. 실내 조명에서는 전류가 아주 작아서 최대 전력점이 큰 저항 쪽으로 옮겨 가요.

뜨거워진 패널은 전압이 내려가요. 같은 햇빛이라도 패널이 달궈지면 전압이 낮아져요. 오래 재는 실험이라면 패널 표면 온도도 함께 적어요.

자주 하는 실수

1. 패널을 GP28에 바로 꽂기. 개방 전압이 3.3V를 훨씬 넘어요. 반드시 분압해요.
2. 개방 전압만 재고 발전량을 말하기. 개방 전압은 빛이 약해져도 크게 줄지 않아요. 부하를 걸고 전력을 재요.
3. 부하 저항의 정격을 확인하지 않기. V² ÷ R이 정격을 넘으면 저항이 뜨거워지고 타요.
4. 패널 두 장을 직렬로 잇기. 개방 전압이 9.9V를 넘어 분압 한계를 벗어나요.
5. 패널로 피코 전원을 대신하기. 빛에 따라 전압이 출렁여 피코가 꺼졌다 켜져요. 피코는 USB로 켜요.

이 센서로 잴 수 있는 탐구

1. 해를 마주 보는 각도와 발전량 - 질문: 패널을 해를 마주 보는 방향에서 30°, 60° 돌리면 전력은 얼마나 줄고, cos(각도)로 예상한 값과 맞을까? - 바꾸는 것: 해와 패널 면이 이루는 각도(0°, 30°, 60°) - 재는 것: 100Ω 부하의 전력(mW), 개방 전압(V) - 방법: 맑은 날 같은 시간대에 각도기로 맞춰요. 각도를 바꾼 뒤 10초 기다리고 10줄 평균을 내요. cos30° ≈ 0.87, cos60° = 0.5로 예상값을 계산해 비교하고, 각도마다 3번 반복해요.

2. 셀 하나를 가리면 얼마나 줄까 - 질문: 셀이 12장인 패널에서 셀 하나(넓이의 1/12)만 가려도 전력이 1/12보다 훨씬 많이 줄어들까? - 바꾸는 것: 가린 넓이(없음, 셀 하나의 절반, 셀 하나, 셀 두 개) - 재는 것: 100Ω 부하의 전력(mW), 개방 전압(V) - 방법: 두꺼운 종이를 셀 경계에 맞춰 올려요. 셀이 직렬로 이어져 있다는 점과 함께 결과를 해석해요. 조건마다 3번 해요.

3. 이 패널의 최대 전력점은 어디일까 - 질문: 같은 햇빛에서 어느 부하 저항일 때 전력이 가장 클까? - 바꾸는 것: 부하 저항(47Ω, 100Ω, 220Ω, 470Ω, 1kΩ, 없음) - 재는 것: 전압(V), 전류(mA), 전력(mW) - 방법: 빛이 바뀌기 전에 끝내도록 저항을 빠르게 바꿔 끼워요. 처음과 끝에 100Ω을 한 번씩 더 재서 빛이 그대로였는지 확인해요.

안전

• 해를 맨눈이나 선글라스로 보지 않아요. 패널의 각도를 맞출 때는 그림자를 보고 맞춰요.
• 햇빛 아래의 패널과 부하 저항은 뜨거워져요. 장갑을 끼거나 식은 뒤 만지고, 유리 패널은 떨어뜨리지 않아요.
• 패널을 리튬 전지나 보조 배터리에 바로 잇지 않아요. 충전 회로 없이 이으면 과충전 위험이 있고, 리튬 전지는 합선되면 불이 날 수 있어요.
• 이 글의 실습은 직류 12V 이하이고, 분압 한계는 9.9V예요. 피코 USB를 뽑기 전에 패널을 덮거나 떼요. 전원이 꺼진 피코 핀에 전압이 걸리지 않게 하려는 순서예요.

더 알아보기

• 패널 자료: Voltaic Systems "P123 Datasheet"(6V 0.6W, 최대 전력점 6.11V·0.12A, 개방 전압 7.25V, 단락 전류 0.12A, 표준 조건 1000W/m²·25℃), Adafruit 태양광 패널 분류의 설명(셀 12장 × 0.5V = "6V")
• 라이브러리: 따로 없어요. MicroPython 내장 machine.ADC
• 기초 글: 분압 회로, 전원 계산, 센서 값의 신뢰도, 잴 수 있는 탐구 주제 만들기
• 함께 쓰는 글: 전압 센서 모듈, ACS712 전류 센서