KR100668489B1

KR100668489B1 - 태양광 최대 전력추적 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100668489B1
Application number: KR1020040111279A
Authority: KR
Inventors: 박희성; 장성수; 장진백; 박성우; 이주훈; 김성훈
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2007-01-12
Also published as: KR20060072601A

Abstract

본 발명에서 태양광 최대전력 추적방법 및 그 장치를 개시한다.

본 발명에 따르면, a) 임의의 전류값의 k배수한 전류값(Iset)을 설정하는 단계; b) 전류값(Iset)을 고정한 후, 태양 전지의 출력전압을 증가시키는 단계; c) 전류값(I)이 상기 전류값(Iset) 보다 작을 경우, 현재의 태양 전지 전압값을 설정하며 전류값(I)이 상기 전류값(Iset) 보다 클 경우, 태양 전지 출력 전압값(V)을 지속적으로 증가시키는 단계; d) 상기 c)단계에서 전류값(I)이 전류값(Iset) 보다 작은 경우를 만족시 태양 전지 출력 전압값의 k배수한 전압값(Vset)을 고정하고 태양 전지 출력 전압을 감소시키는 단계; 및 e) 전압값(V)이 상기 전압값(Vset)에 도달하였는지를 판단하고, 전압값(V)이 전압값(Vset) 보다 작을 경우, 현재의 전류값을 설정하며 전압값(V)이 전압값(Vset) 보다 클 경우, 태양 전지 출력 전압을 지속적으로 감소시키는 단계로 구성된다.

본 발명은 일사량, 온도, 부하의 변화에도 태양광 전지의 최대 전력점을 손쉽게 추적할 수 있는 효과가 있다. 또한, 단위 면적당 최대 전력량을 생산하기 위한 생산단가를 격감시키는 효과가 있다.

태양광 전지, 솔라셀, 최대 전력, 피크전력, MPPT

Description

태양광 최대 전력추적 장치 및 방법{A MAXIMUM POWER POINT TRACKER OF PHOTOVOLTAIC AND TRACKING METHOD THEREOF}

도 1은 태양광 전지의 IV 곡선 및 전력 곡선을 나타낸 그래프이다.

도 2는 태양광 전지의 최대 전력 포인트를 설명하기 위한 전력 곡선이다.

도 3은 본 발명의 주요 동작을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

도 4는 본 발명에 따른 회로도이다.

도 5는 부하 변동시의 태양전지의 전압변화 및 부하전압 변화를 나타낸 실험 그래프이다.

도 6은 태양광 전지의 일사량 변화에 따른 출력 전력변화를 나타낸 실험 그래프이다.

<주요 도면에 대한 부호의 설명>

401 : 전압 검출부 403 : 전류 검출부

405 : 전압 비교기 407 : 전류 비교기

409 : 홀딩부 411 : 플립플롭

413 : 아날로그 출력부 415 : PWM 생성부

본 발명은 태양광 발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부하 및 온도의 변화에 관계없이 최대 전력을 출력하기 위한 컨버터의 듀티 래퍼런스를 제공하고, 이를 위한 단순 구조의 아날로그 회로 구현이 가능한 태양광 최대 전력추적 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 최대전력추적 태양광 발전시스템은 태양전지 어레이가 있는 발전장치, 발전된 전기를 충전하는 컨버터 장치, 충전된 전기를 보관하는 배터리가 있는 저장장치, 그리고 상기 발전장치, 컨버터 장치, 저장장치를 제어하는 제어장치로 크게 구성되어져 있다.

이와 같이 구성되는 최대전력 추적을 위한 태양광 발전시스템은 출원번호 10-2004-0043104 호에서 상기의 컨버터 장치를 구현하고 있다. 여기서, 컨버터 장치는 발전장치, 저장장치와 상기 제어장치와 연결된다. 상기 컨버터장치는 먼저 태양전지 어레이에 의해 전압을 충전받고, 제어장치에 의해 생성된 PWM(펄스폭변조)신호를 전달받아 충전전압을 조절시키는 PWM단계와, 상기 제어장치에 의해 상기 태양전지와 배터리로부터 전류와 전압을 검출하여, 검출순간의 전력값과 그 전의 전력값의 차이를 비교하여 최대 출력점에 해당되는지 판단하여 충전전류를 조절시키는 최대전력 추적단계를 포함하여 작동됨에 따라, 최적의 전압과 전류를 찾게 되며, 이에 의해 최대전력 추적이 이루어지도록 한다.

상기 컨버터 장치는 상기 제어장치 내부에 포함된 마이크로프로세서에 의해 생성된 디지털 기반의 PWM신호는 펄스트랜스에 전달되고, 이로 인해 컨버터 장치에 포함된 스위치가 작동된다. 상기 마이크로프로세서에 의해 태양전지와 배터리로부터 전류와 전압을 검출하고, 검출순간의 전력값과 그 전의 전력값의 차를 비교하여 동작점이 최대 출력점에 해당되는지 여부를 판단하게 된다.

여기에서 상기 펄스트랜스는 배터리 충전최대전압, 충전전류밀도 등에 따라서 턴수(감는 비율)가 결정되며, 임펄스 순간의 충전전압(태양전지에서 배터리 충전전압)이 38V까지 충전된다. 그리고, 충전전류는 평균이 연속성을 갖도록 펄스트랜스의 턴수를 결정한다.

만약 전력값차가 0이면 태양전지가 현재 최대출력이라 판단할 수 있으므로, 그 전의 전력값을 순간의 전력값으로 업데이트하여 저장하고 다음 제어루프를 수행하게 된다. 그러나 전력값차가 0이 아니면 0이 되도록 상기 컨버터 장치의 회로에 포함된 스위치에 의해 스위치 ON/OFF 시간(듀티비)을 조절하여 동작점이 최대 출력점에 해당되도록 한다. 여기에서 상기 컨버터 장치는 벅 컨버터(buck converter) 특성을 갖는 것으로, PWM 알고리즘으로 작동되며, 연속 전류모드로 운전되도록 PWM 알고리즘으로 스위칭 기법을 구축하고 있다.

최대 출력점을 추적하기 위한 최대전력추적(MPPT, maximum power point tracking)단계는 태양전지 어레이의 순간 파라미터(순간전압V(n), 순간전류I(n))를 검출하는 검출단계와, 상기 검출부에서 측정된 순간 파라미터(순간전압V(n), 순간전류I(n))와 측정값 직전의 순간 파라미터(순간전압V(n-1), 순간전류I(n-1))와의 차이(ΔV, ΔI)를 계산하는 연산단계와, 상기 측정된 순간 파라미터(V(n), I(n))와 측정값 직전의 순간 파라미터(V(n-1), I(n-1))의 값에 의한 전력차이(ΔP=P(n)- P(n-1), P(n)=V(n)ㆍI(n), P(n-1)=V(n-1)ㆍI(n-1))가 영(zero)이 되는 전압과 전류를 추적하는 추적단계로 이루어진다.

그러나, 이와 같은 전력추적은 전력량의 차이를 기준으로 그 차이값이 '0'인 지점을 찾고자 하는 것으로, 지속적인 전력값 계산과, 전상태의 전력값과 현 상태의 전력값간의 차이를 지속적으로 연산해야 한다. 따라서, 이를 구현하기 위한 회로는 소정의 알고리즘을 갖는 마이크로 프로세서의 존재가 필연적이며, 결국 시스템 구현의 어려움과 개발 단가를 상승시키는 문제점을 야기한다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 태양전지의 동작전압, 전류가 최대 출력이 가능한 위치로 제한함으로서, 전력량 추적의 효율성을 극대화할 수 있는 태양광 최대전력 추적방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 전력량 추적을 위한 회로 구현을 단순화하여 시스템의 개발 단가를 격감하며, 회로의 신뢰성을 증대시킬 수 있는 태양광 최대전력 추적방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 태양광 최대전력 추적방법은, a) 임의의 전류값의 k배수한 전류값(Iset)을 설정하는 단계; b) 전류값(Iset)을 고정한 후, 태양 전지의 출력전압을 증가시키는 단계; c) 전류값(I)이 상기 전류값(Iset) 보다 작을 경우, 현재의 태양 전지 전압값을 설정하며 전류값(I)이 상기 전류값(Iset) 보다 클 경우, 태양 전지 출력 전압값(V)을 지속적으로 증가시키는 단계; d) 상기 c)단계에서 전류값(I)이 전류값(Iset) 보다 작은 경우를 만족시 태양 전지 출력 전압값의 k배수한 전압값(Vset)을 고정하고 태양 전지 출력 전압을 감소시키는 단계; 및 e) 전압값(V)이 상기 전압값(Vset)에 도달하였는지를 판단하고, 전압값(V)이 전압값(Vset) 보다 작을 경우, 현재의 전류값을 설정하며 전압값(V)이 전압값(Vset) 보다 클 경우, 태양 전지 출력 전압을 지속적으로 감소시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 관점에 따른 태양광 최대출력 추적장치는, 태양광 전지의 최대 출력전원을 추적하기 위한 장치에 있어서, 다수의 솔라셀로 구성되어 태양광을 집적하기 위한 어레이 태양광 전지로부터 출력되는 전압을 검출하고, 검출전압에 대한 k배수를 추출하기 위한 전압 검출부; 상기 태양광 전지로부터 출력되는 전류를 검출하고, 검출전류에 대한 k배수를 추출하기 위한 전류 검출부; 상기 전압 검출부의 출력 전압을 샘플링하고 특정 전압점에서 홀딩하기 위한 제1 샘플 앤 홀드회로 및 상기 전류 검출부의 출력 전류를 샘플링하고 특정 전류점에서 홀딩하기 위한 제2 샘플 앤 홀드회로로 구성되는 홀딩부; 상기 제1 샘플 앤 홀드회로의 출력 전압과 상기 전압 검출부의 출력 전압을 상호 비교하기 위한 전압 비교기; 상기 제2 샘플 앤 홀드회로의 출력 전류와 상기 전류 검출부의 출력 전류를 상호 비교하기 위한 전류 비교기; 상기 전류 비교기의 비교 결과, 상기 전류 검출부의 출력 전류(I)가 설정 전류값(Iset) 보다 클 경우 상기 태양광 전지의 출력전압을 증가시키고, 상기 전압 비교기의 비교 결과, 상기 전압 검출부의 출력 전압(V)가 설정 전압값(Vset) 보다 클 경우 상기 태양광 전지의 출력전압 을 감소시키기 위한 플립플롭; 상기 플립플롭의 출력값에 대한 적분을 수행하여 응답성을 낮게 하기 위한 아날로그 출력부; 및 상기 아날로그 출력부의 출력 레벨에 따라 펄스폭 변조 신호를 제공하기 위한 PWM 생성부로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 전압 검출부 및 상기 전류 검출부는 태양광 전지로부터 제공되는 출력 전류 및 전압을 k 배수 분할하기 위한 저항과, 각각의 분할 전류 및 전압을 팔로윙(Following)하기 위한 전압 팔로워(Voltage-Follower)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플립플롭은 RS-F/F이며, 상기 플립플롭의 SET 단자는 태양광 전지의 출력전압과 접속되며, RESET 단자는 태양광 전지의 출력전류와 접속되고, 상기 홀딩부와 접속되는 상기 플립플롭은 비반전 단자인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플립플롭은 RS-F/F이며, 상기 플립플롭의 SET 단자는 태양광 전지의 출력전류와 접속되며, RESET 단자는 태양광 전지의 출력전압과 접속되고, 상기 홀딩부와 접속되는 상기 플립플롭은 반전 단자인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 태양과 최대전력 추적 원리를 설명하기 위해 태양전지의 전력-전압(P-V) 곡선을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 태양전지의 출력 전류 대 전압 그래프(Solar array I-V Curve)는 출력전압이 커지면 출력전류가 작아지고, 출력전류가 커지면 출력전압이 커지는 비선형적인 모양을 갖는다. 따라서, 본 발명에서는 태양광 전지의 최대의 전압 및 최대의 전류를 생산하기 위한 최 대 전력점을 찾을 것이다.

또한, 태양전지의 출력 전력(P)은 피크점(Peak)에 도달하기까지 증가한 후, 전력 피크점에서 급격히 저하된다. 본 발명에서는 이와 같은 태양전지의 출력 전력에 대한 피크점을 검출하고, 검출된 피크 위치에서 소정의 충전장치로 태양 에너지를 충전하기 위한 스위칭을 수행할 것이다.

여기서, 태양전지의 출력 전력(P)을 검출하기 위한 방법을 제시한다. 먼저, 상술된 태양전지의 출력 전력 그래프는 피크점을 중심으로 동일한 전력량이 나타난다. 즉, P1, P2 지점은 동일한 출력 전력이며, 상기 P1, P2 지점 사이로 피크 전력 포인트(Peak Power Point:PPP)가 존재한다. 상기 P1 지점의 전력은 전류(I1) 및 전압(V1)의 출력량이 기반하며, P2 지점의 전력은 전류(I2) 및 전압(V2)의 출력량에 기반한다.

따라서, 정상상태에서 P1 지점의 전력량과 P2 지점의 전력량이 동일할 경우;

가 성립된다.

그리고, 도시된 그래프에서 상기 V1 값과 V2 값은 소정 배율의 차이를 가지고 있으며, 이를 수학식으로 나타낼 경우;

여기서 k < 1이고, k가 1에 가까워질 경우, 태양전지의 출력 전력은 최대 값을 출력한다. 도 1에서와 같이 P1, P2 값이 동일한 값을 출력하는 경우는 최대 전력점(Peak Power Point)이 된다. 즉, P1 = P2 ≒ Ppeak를 나타낸다. 따라서, 최대 전력 추적은 상술된 P1, P2 지점에서 동작하도록 전압 지령치를 설정하여, 시스템의 최대 전력을 추적할 수 있다.

전류-전압(I-V) 곡선 중 어느 한 동작점에서의 전력은 이와 동일한 전력을 갖는 다른 동작점을 갖는다. 따라서, 어느 한 동작점의 전류(I1) 지점과 동일한 전력점을 갖는 다른 동작점의 전압(V2)은 상기 전류(I1) 지점의 전압(V1) 보다 높다. 물론, 상기 전압(V2) 지점의 전류(I2)는 상기 전류(I1) 보다 낮다. 이는 수학식 1에 근거한다.

또한, 상기 전류-전압 곡선과 전력곡선을 살펴 보면, 전류-전압 곡선의 특정 지점이 상기 전력곡선의 최대 전력점(PPP)의 좌측에 존재할 경우, ΔI/Ippt > ΔV/Vppt 관계를 갖는다. 여기서, Ippt(Current of peak power point)는 최대전력점의 전류를 의미하며, Vppt(Voltage of peak power point)는 최대전력점의 전압을 의미로써, 즉 태양전지판이 최대전력을 생산할 수 있는 지점에서의 전류값과 전압값을 의미한다. 그리고, ΔI = I - kI, ΔV = V - kV이다. 이와 같은 특징은 전류-전압 곡선의 기울기가 높은 부분이 최대 전력점이 존재하기 때문으로, 기울기가 높은 부분의 전류 변화량은 높고, 전압 변화량은 낮다. 즉, 최대 전류점에 비해 전류의 변화량이 높은 반면, 최대 전압점에 비해 전압의 변화량은 낮기 때문이다.

반면, 상기 전류-전압 곡선과 전력곡선을 살펴보면, 전류-전압 곡선의 특정 지점이 상기 전력곡선의 최대 전력점(PPP)의 우측에 존재할 경우, ΔI/Ippt < ΔV/Vppt 관계를 갖는다.

그리고, 최대 전력점(PPP)의 좌우측에 존재하는 동일한 전력점은 2개가 발생되며, 이러한 2 개의 전력점 사이로 최대 전력점이 존재한다. 따라서, 도 2의 P-V 곡선에서와 같이, 하나의 동작점은 최대 전력점을 지나 P-V 곡선의 반대쪽 경사의 같은 전력을 나타내는 동적점에 수렴한다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

먼저, 태양 전지의 최대 전력점에서는;

를 만족한다. 그리고, 2차 보간법과 같이 두 점의 중심에서의 미분 기울기를 두 점 사이의 선형 기울기로 근사화할 수 있으며, 이 때 수학식 2와 같이 동작할 경우;

와 같은 관계가 성립된다. 그리고, 정상 상태에 이르게 될 경우, P1 = I1V1 = P2 = I2V2가 되어, 두 동작점 사이에 최대 전력점이 위치함을 확인 할 수 있다. 따라서, 상기 k값이 '1'에 근접하도록 수렴할 경우;

을 만족한다. 이는 두 동작점이 모두 최대 동작점에 있음을 의미하는 것으로, 태양전지의 최대 출력을 나타낸다. 따라서, 상기 k 값이 '1'에 가까울수록 두 동작점은 최대 동작점에 수렴하는 것을 인지할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 주요 연산을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

도시된 바와 같이, S301 단계에서 임의의 전류값의 k배수한 전류값(Iset)을 설정한다. 설정된 전류값(Iset)은 해당 전력량을 갖고 있으며, 이러한 전력량에 해당하는 전력점은 I-V 곡선에서 두 개가 존재한다. 어느 하나의 전력점이 상기의 전류값(Iset)으로 설정되며, 나머지 하나의 전력점은 S303 단계에서 전압 증가를 통해 추출된다.

즉, 상기 전류값(Iset)을 고정한 후, 태양 전지의 출력전압을 증가시킨다. 상기 전류값(Iset)는 임의의 전류값에 대한 k 배수이며, k는 '1'보다 작다. 따라서, 상기 임의의 전류값에 대한 전류값(Iset)을 얻기 위해, 그리고 동일한 전력하에서 전압 증가가 필요하다. 이와 같은 전압 증가는 S305 단계에서, 현재 검출되는 전류값(I)이 상기 전류값(Iset)에 도달하는지를 판단한다.

판단결과, 상기 전류값(I)이 전류값(Iset) 보다 작을 경우, 현재의 태양 전지 전압값을 설정하며 전류값(I)이 상기 전류값(Iset) 보다 클 경우, 태양 전지 출력 전압값(V)을 지속적으로 증가시킨다.

여기서, 상기 전류값(I)이 상기 전류값(Iset) 보다 작을 경우, S307 단계에서 전압값(Vset)을 유지한다. 상기 전압값(Vset)는 전류값(I)의 k 배수한 전류값(Iset)에 대응하는 전압이며, 이러한 전압값(Vset)이 설정되면 S309 단계에서 상기 태양광 전지의 출력 전압을 감소시킨다.

출력 전압의 감소는 전류의 증가를 나타내는 것이며, 전압값(Vset)의 k 배수한 전압값(V)까지 감소시킨다. 그리고, S311 단계에서 전압값(V)이 상기 전압값(Vset)에 도달하였는지를 판단하고, 전압값(V)이 전압값(Vset) 보다 작을 경우, 현재의 전류값을 설정하며 전압값(V)이 전압값(Vset) 보다 클 경우, 태양 전지 출력 전압을 지속적으로 감소시킨다. 따라서, 이와 같은 과정을 지속적으로 반복하여 동일한 두 전력점(P1 및 P2) 사이를 좁힘으로서, 최대 전력값(Ppeak)를 검출한다.

도 5는 본 발명에 따른 최대 전력 추적을 위한 회로도이다.

도시된 바와 같이, 다수의 솔라셀로 구성되어 태양광을 집적하기 위한 어레이 태양광 전지(미도시함)으로부터 출력되는 전압을 검출하고, 검출전압에 대한 k배수를 추출하기 위한 전압 검출부(401)와, 태양광 전지(미도시함)으로부터 출력되는 전류를 검출하고, 검출전류에 대한 k배수를 추출하기 위한 전류 검출부(403)와, 상기 전압 검출부(401)의 출력 전압을 샘플링하고 특정 전압점에서 홀딩하기 위한 제1 샘플 앤 홀드회로 및 상기 전류 검출부(403)의 출력 전류를 샘플링하고 특정 전류점에서 홀딩하기 위한 제2 샘플 앤 홀드회로로 구성되는 홀딩부(409)와, 상기 제1 샘플 앤 홀드회로의 출력 전압과 상기 전압 검출부(401)의 출력 전압을 상호 비교하기 위한 전압 비교기(405)와, 상기 제2 샘플 앤 홀드회로의 출력 전류와 상기 전류 검출부(403)의 출력 전류를 상호 비교하기 위한 전류 비교기(407)와, 상기 전류 비교기(407)의 비교 결과, 상기 전류 검출부(403)의 출력 전류(I)가 설정 전류값(Iset) 보다 클 경우 상기 태양광 전지의 출력전압을 증가시키고, 상기 전압 비교기(407)의 비교 결과, 상기 전압 검출부(401)의 출력 전압(V)가 설정 전압값(Vset) 보다 클 경우 상기 태양광 전지의 출력전압을 감소시키기 위한 플립플롭(411)과, 상기 플립플롭(411)의 출력값에 대한 적분을 수행하여 응답성을 낮게 하기 위한 아날로그 출력부(413)와, 상기 아날로그 출력부(413)의 출력 레벨에 따라 펄스폭 변조 신호를 제공하기 위한 PWM 생성부(415)로 구성된다.

상기 전압 검출부(401)는 태양광 전지로부터 제공되는 출력 전압을 k 배수 분할하기 위한 저항과, 분할 전압을 팔로윙(Following)하기 위한 전압 팔로워(Voltage-Follower)로 구성된다. 상기 전류 검출부(403)는 태양광 전지로부터 제공되는 출력 전류를 k 배수 분할하기 위한 저항과, 분할 전류를 팔로윙(Following)하기 위한 전류 팔로워(Current-Follower)를 포함한다.

상기 플립플롭(411)은 RS-F/F이 적절하며, 상기 플립플롭의 SET 단자는 태양광 전지의 출력전압과 접속되며, RESET 단자는 태양광 전지의 출력전류와 접속된다. 물론, 상기 플립플롭(411)의 SET 단자가 태양광 전지의 출력전류와 접속되고, RESET 단자가 태양광 전지의 출력전압과 접속될 수 있다. 이 때, 상기 홀딩부(409)는 상기 플립플롭(411)의 반전 단자(Q-Bar)와 접속될 것이다.

한편, 상기 제1 샘플링 앤드 홀더회로와 상기 전압 비교기(405) 사이로 소정 용량의 캐패시터가 접속되고, 상기 제2 샘플 앤 홀드회로와 상기 전류 비교기(407) 사이로 소정 용량의 캐패시터가 접속된다. 이는 상기 각 캐패시터를 통해 제공되는 전압 또는 전류의 소정치 즉, k 배수에 해당하는 전압 또는 전류량을 유지한다.

먼저, 상기 제1 샘플 앤 홀드회로 및 제2 샘플 앤 홀드회로는 상기 홀딩 제어부에 의해 홀딩 신호를 공급받는다. 상기 전류 검출부(403)는 현재의 전류값을 k 배수한 수치로 전류 분배를 수행하며, 제2 샘플 앤 홀드회로는 k배수로 분배된 전류값에 대응하는 신호를 상기 전류 비교기(407)로 공급한다. 따라서, 현재 태양광 전지로부터 제공되는 전류는 k배수한 전류 보다 큰 상태이다.

상기 전류 비교기(407)는 하이레벨의 신호를 플립플롭(411)의 RESET 단자(회로 설계에 따라 SET 단자가 될 수 있음)로 제공한다. 따라서, 플립플롭(411)의 출력단은 로우레벨(회로 설계에 따라 하이레벨이 될 수 있음)을 유지한다. 상기 홀딩 제어부는 상기 제1 샘플 앤 홀드회로에 샘플링한 값을 홀딩하기 위한 홀딩신호를 제공한다. 이는 상기 전압 비교기(405)의 입력단 전압을 높이는 것으로, 현재 출력되는 태양광 전지의 출력 전압을 높이게 된다.

상기 태양광 전지의 출력 전압이 높아짐에 따라, 태양광 전지의 출력 전류는 낮아진다. 태양광 전지의 출력 전류는 상기 전류 비교기(407)에 의해 k 배수에 해당하는 전류치에 도달하는지를 판단한다. 여기서 k는 '1' 보다 작은 상수이다. 즉, 태양광 전지의 출력 전압은 현재의 전류(I)가 k 배수에 해당하는 전류값(Iset)에 도달할 때까지 지속적으로 증가시킨다. 이는 전류 비교시 조건을 만족하지 않는 경 우(I ≥ Iset)는 전류 비교기(407)의 출력값은 하이레벨로 변함이 없기 때문에, 상기 플립플롭(411)의 출력은 태양전지의 출력 전압을 증가시킬 수 있도록 그 출력을 유지한다.

태양광 전지의 출력전압이 증가하는 것은 태양광 전지의 출력전류를 감소시키는 것으로, 태양광 전지의 출력전류가 Iset에 도달할 경우, 상기 전류 비교기(407)의 출력은 로우레벨로 절환된다. 그리고, 지속적인 전압 증가로 인해 상기 전압 비교기(405)의 출력은 하이레벨로 절환된다. 이는 상기 플립플롭(411)의 출력 결과를 반전시키는 것으로, 홀딩 제어부는 상기 제1 샘플 앤 홀드회로를 현 상태로 유지함으로서 현재의 출력 전압(Vset)를 홀딩한다.

그리고, 상기 홀딩 제어부는 출력전압(Vset)값을 홀딩하고, 상기 전압 비교기(405)는 현재의 전압값(V)과 상기 출력전압(Vset)을 비교한다. 여기서 조건이 만족하지 않을 때(V > Vset)는 태양전지 출력전압이 감소하도록 플립플롭의 출력을 유지하고 조건을 만족하는 경우(V < Vset), 상기 제2 샘플링 앤드 홀더회로의 출력 전류값(Iset)을 홀딩한다.

이어서, 상기 과정을 반복함으로서 상기 플립플롭(411)은 지속적인 반전을 수행한다. 그리고, 상기 아날로그 출력부(413)는 플립플롭(411)의 출력신호에 대응하는 펄스신호를 소정치의 직류 신호로 변환한다.

상기 아날로그 출력부(413)의 출력 레벨은 PWM 발생부(415)에 의해 펄스폭 변조신호로 변환된다. PWM 발생부는 임의의 펄스트랜스(미도시)에 전달되고, 이로 인해 컨버터 장치에 포함된 스위치를 동작시킨다. 따라서, 태양광 전지의 최대치에 대응하는 출력전원은 배터리로 축전된다.

도 5는 본 발명에 따른 태양광 최대 전력추적 장치의 실험결과를 나타낸 것으로, 부하의 변동시 태양광 전지의 전압 변화 및 부하의 전압변화를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 부하의 변동시에도 태양광 전지의 최대 전압 위치에서 동작이 유지됨을 나타낸다. 도 6은 동일 부하에서 태양광 전지의 일사량이 변화할 때, 태양광 전지의 전압 및 전류의 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서, 태양광 전지의 전압 및 전류 특성곡선의 전류 값이 변경되어도 태양전지의 최대 전압값이 유지되며, 이를 근거로 최대 전력이 생산됨을 알 수 있다.

이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 최대 전력추적 장치 및 전력 추적방법은 최대 전력포인트는 서로다른 전류 및 전압을 갖는 동일한 두 전력점 사이에 존재함을 감안하여 어느 하나의 전류 포인트를 갖는 전력점으로부터 다른 하나의 전력점까지의 전압을 증가시켜, 전압점을 검출하고 이로부터 전류량을 증가시켜 또 다른 전류점을 검출함을 반복함으로서, 태양광 전지의 최대 전력점을 실시간으로 검색한다. 따라서, 일사량, 온도, 부하의 변화에도 태양광 전지의 최대 전력점을 손쉽게 추적할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 태양광 전지의 최대 출력전원을 추출하기 위한 회로 구현을 단순화된 아날로그화된 회로 제공할 수 있어, 다수의 응용 분야에서 단위 면적당 최대 전력량을 생산하기 위한 생산단가를 격감시키는 효과가 있다.

Claims

태양광 전지의 최대 출력전원을 추적하기 위한 방법에 있어서,

상기 태양광 전지의 출력 전력에 대한 전력곡선 상에서 두 개의 전력점(P1,P2)에 대응하는 전류(I1, I2) 및 전압(V1, V2)이 수학식 6;

을 만족할 때, 상기 두 개의 전력점 사이를 좁혀가는 것을 특징으로 하는 태양광 최대 전력추적 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 k는 '1' 보다 작은 상수인 것을 특징으로 하는 태양광 최대 전력추적 방법.
제 1 항에 있어서 태양광 최대 전력추적은,

a) 임의의 전류값의 k배수한 전류값(Iset)을 설정하는 단계;

b) 전류값(Iset)을 고정한 후, 태양 전지의 출력전압을 증가시키는 단계;

c) 전류값(I)이 상기 전류값(Iset) 보다 작을 경우, 현재의 태양 전지 전압값을 설정하며 전류값(I)이 상기 전류값(Iset) 보다 클 경우, 태양 전지 출력 전압값(V)을 지속적으로 증가시키는 단계;

d) 상기 c)단계에서 전류값(I)이 전류값(Iset) 보다 작은 경우를 만족시 태양 전지 출력 전압값의 k배수한 전압값(Vset)을 고정하고 태양 전지 출력 전압을 감소시키는 단계; 및

e) 전압값(V)의 상기 전압값(Vset)에 도달하였는지를 판단하고, 전압값(V)이 전압값(Vset) 보다 작을 경우, 현재의 전류값을 설정하며 전압값(V)이 전압값(Vset) 보다 클 경우, 태양 전지 출력 전압을 지속적으로 감소시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 최대 전력추적 방법.
태양광 전지의 최대 출력전원을 추적하기 위한 장치에 있어서,

다수의 솔라셀로 구성되어 태양광을 집적하기 위한 어레이 태양광 전지로부터 출력되는 전압을 검출하고, 검출전압에 대한 k배수를 추출하기 위한 전압 검출부;

상기 태양광 전지로부터 출력되는 전류를 검출하고, 검출전류에 대한 k배수를 추출하기 위한 전류 검출부;

상기 전압 검출부의 출력 전압을 샘플링하고 특정 전압점에서 홀딩하기 위한 제1 샘플 앤 홀드회로 및 상기 전류 검출부의 출력 전류를 샘플링하고 특정 전류점에서 홀딩하기 위한 제2 샘플 앤 홀드회로로 구성되는 홀딩부;

상기 제1 샘플 앤 홀드회로의 출력 전압과 상기 전압 검출부의 출력 전압을 상호 비교하기 위한 전압 비교기;

상기 제2 샘플 앤 홀드회로의 출력 전류와 상기 전류 검출부의 출력 전류를 상호 비교하기 위한 전류 비교기;

상기 전류 비교기의 비교 결과, 상기 전류 검출부의 출력 전류(I)가 설정 전류값(Iset) 보다 클 경우 상기 태양광 전지의 출력전압을 증가시키고, 상기 전압 비교기의 비교 결과, 상기 전압 검출부의 출력 전압(V)가 설정 전압값(Vset) 보다 클 경우 상기 태양광 전지의 출력전압을 감소시키기 위한 플립플롭;

상기 플립플롭의 출력값에 대한 적분을 수행하여 응답성을 낮게 하기 위한 아날로그 출력부; 및

상기 아날로그 출력부의 출력 레벨에 따라 펄스폭 변조 신호를 제공하기 위한 PWM 생성부로 구성된 것을 특징으로 하는 태양광 최대 전력추적 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 전압 검출부 및 상기 전류 검출부는 태양광 전지로부터 제공되는 출력 전류 및 전압을 k 배수 분할하기 위한 저항과, 각각의 분할 전류 및 전압을 팔로윙(Following)하기 위한 전압 팔로워(Voltage-Follower)로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 최대 전력추적 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 플립플롭은 RS-F/F이며, 상기 플립플롭의 SET 단자는 태양광 전지의 출력전압과 접속되며, RESET 단자는 태양광 전지의 출력전류와 접속되고, 상기 홀딩부와 접속되는 상기 플립플롭은 비반전 단자인 것을 특징으로 하는 태양광 최대 전력추적 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 플립플롭은 RS-F/F이며, 상기 플립플롭의 SET 단자는 태양광 전지의 출력전류와 접속되며, RESET 단자는 태양광 전지의 출력전압과 접속되고, 상기 홀딩부와 접속되는 상기 플립플롭은 반전 단자인 것을 특징으로 하는 태양광 최대 전력추적 장치.