KR100933894B1 - 태양전지 특성곡선 모의 시스템 및 그 방법 - Google Patents

태양전지 특성곡선 모의 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 특성곡선 모의 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 태양전지의 온도 정보와 광량 정보를 읽고, 전력변환부로부터 태양전지 출력단자 전압(Vpv)을 읽고, 태양전지 모듈의 온도 특성곡선과 광량 특성곡선을 추출하여 온도 및 광량 구간을 결정하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후 태양전지의 온도전압변환계수, 온도전류변환계수, 광량전압변환계수, 광량전류변환계수를 계산하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계에서 계산한 계수를 이용하여 시뮬레이터의 전류 명령값을 계산하는 제 3 단계;를 포함하여 구성함으로서, 복잡한 태양전지 특성곡선 수학식을 사용하지 않으며 여러 개의 특성곡선을 테이블화하는 번거로움을 해결하여 간단한 기본 테이블과 몇 개의 데이터 상의 값으로 모든 동작 영역에서 태양전지 특성 곡선을 연속적으로 추출할 수 있게 되는 것이다.
태양전지, 특성곡선, 모의, 전류제어, 전력변환

Description

태양전지 특성곡선 모의 시스템 및 그 방법{System and Method for simulation of photo voltaic characteristic curves}
본 발명은 태양전지 모의 시스템에 필수적인 태양전지 특성곡선을 모의하는 기술에 관한 것으로, 특히 복잡한 태양전지 특성곡선 수학식을 사용하지 않으며 여러 개의 특성곡선을 테이블화하는 번거러움을 해결하여 간단한 기본 테이블과 몇 개의 데이터 상의 값으로 모든 동작 영역에서 태양전지 특성 곡선을 연속적으로 추출하기에 적당하도록 한 태양전지 특성곡선 모의 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 신재생에너지 부분에 각광 받으면서 전력변환 장치의 계통연계 운전에 대한 연구가 활발히 전개 되고 있다. 특히 태양전지 발전분야에서 괄목할만한 성장성을 보이고 있어 관련기업들이 태양전지분야에 역량을 집중하고 있다. 전력전자 분야에서 태양전지를 제어하고 직류를 교류로 바꾸어 계통에 연계하는 전력변환 장치를 주로 연구하고 있다. 전력변환 장치를 연구하는데 있어서 반드시 필요 한 부분이 태양전지의 특성을 모의해 주는 태양전지 모의장치가 필요하다. 태양전지의 특성곡선 방정식은 지수함수와 비선형적인 수학식으로 구성되어 태양전지곡선을 모의하는데 프로세싱 파워가 많이 필요하게 되는 문제점이 있다.
도 1은 종래 두 개의 다이오드와 브레이크쓰루 특성 모의가 가능한 태양전지의 등가회로이다.
그래서 태양전지의 정확한 모델링을 위해서는 도 1에서 보는 바와 같이 두 개의 다이오드를 이용한 모델을 이용한다. 여기서 다른 ideally factor m을 가진 두 개의 다이오드가 병렬로 연결된 등가회로가 사용된다. 일반적으로 다이오드 방정식에서는 다이오드의 역방향에 대한 브레이크쓰루(breakthrough)가 표현되지 않는다. 그러나 실제 태양전지에서는 높은 역전압에서 브레이크쓰루(breakthrough) 현상이 관찰되므로 이러한 특성을 모의하기 위하여 역방향 전류원이 추가되면 아래와 같은 태양전지 셀에 대한 정확한 모델이 완성된다. 키르히호프(Kirchhoff)의 전류 법칙(Kirchoff's Current Law, KCL)을 이용하면 아래와 같은 전류-전압에 관한 특성 수학식을 얻을 수 있다.
Figure 112007081288592-pat00001
여기서 V는 태양전지의 단자 전압(terminal voltage at the solar cell), I는 태양전지의 단자 전류(terminal current at the solar cell), IPh 는 광전 류(photo current), IS1 은 첫 번째 다이오드의 포화 전류(saturation current of the first diode), IS2 는 두 번째 다이오드의 포화 전류(saturation current of the second diode), RS 는 직렬 저항(serial resistance), RP 는 병렬 저항(parallel resistance), m1 은 첫 번째 다이오드의 다이오드 계수(diode factor of the first diode, 이상적으로 m1 은 1), m2 는 두 번째 다이오드의 다이오드 계수(diode factor of the second diode, 이상적으로 m2 는 2), VT 는 온도 전압(temperature voltage), VBr 은 브레이크다운 전압(breakdown voltage, VBr 은 -15V ~ -50V 의 범위임), a 는 수정 계수(correction factor, 여기서 a = 0 ~ 1 -1), n 은 애벌런치 브레이크다운의 지수(exponent for avalanche breakdown, 여기서 n = 1 ~ 10)이다.
수학식의 뒤쪽 부분에서,
Figure 112007081288592-pat00002
는 높은 역전압에 대한 브레이크쓰루(breakthrough) 특성을 모의하기 위한 수학식이다.
일반적인 태양전지의 특성곡선에 대한 수학식은 위에서 보듯이 기본적으로 지수함수를 포함한 비선형적인 특성곡선식으로 필요한 데이터의 개수가 많음을 볼 수 있다.
그러나 일반적으로 이러한 내부 변수는 태양전지 제공업체에서 제공하지 않는 것이 일반적이므로 정확한 모의는 힘든 실정이다.
또한 이를 태양전지 모의 시스템에서 구현하기에는 수학식이 복잡해서 마이크로프로세서에서 구현하기에는 시간상으로 부족한 면이 있어 고성능의 마이크로프로세서가 필요하다는 단점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 복잡한 태양전지 특성곡선 수학식을 사용하지 않으며 여러 개의 특성곡선을 테이블화하는 번거로움을 해결하여 간단한 기본 테이블과 몇 개의 데이터 상의 값으로 모든 동작 영역에서 태양전지 특성 곡선을 연속적으로 추출할 수 있는 태양전지 특성곡선 모의 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지 특성곡선 모의 시스템의 블록구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 태양전지의 온도 정보와 광량 정보를 입력받고, 전력변환부(30)로부터 태양전지 출력단자 전압을 입력받으며, 태양전지 모듈의 온도 특성곡선과 광량 특성곡선을 추출하여 데이터 테이블을 생성하여 태양전지의 계수를 추출하고, 추출한 계수를 이용하여 시뮬레이터의 전류 명령값을 계산하여 출력전류명령을 내보내는 태양전지 특성곡선 추출부(10)와; 상기 태양전지 특성곡선 추출부(10)에서 내보낸 출력전류명령을 전달받고, 상기 전력변환부(30)에서 출력되는 태양전지 출력전류에서 출력전류를 전달받아 전류기준치를 연산하여 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조) 신호를 출력하는 전류제어부(20)와; 상기 전류제어부(20)에서 PWM 신호를 전달받아 전력변환을 수행하여 태양전지 출력전지를 내보 내는 전력변환부(30);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 태양전지 특성곡선 추출부(10)는, 태양전지의 온도전압변환계수, 온도전류변환계수, 광량전압변환계수, 광량전류변환계수 중에서 하나 이상을 추출하여 상기 전류제어부(20)로 전달하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지 특성곡선 모의 방법을 보인 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 태양전지의 온도 정보와 광량 정보를 읽고, 전력변환부(30)로부터 태양전지 출력단자 전압(Vpv)을 읽고, 태양전지 모듈의 온도 특성곡선과 광량 특성곡선을 추출하여 온도 및 광량 구간을 결정하는 제 1 단계(ST1)와; 상기 제 1 단계 후 태양전지의 온도전압변환계수, 온도전류변환계수, 광량전압변환계수, 광량전류변환계수를 계산하는 제 2 단계(ST2, ST3)와; 상기 제 2 단계에서 계산한 계수를 이용하여 시뮬레이터의 전류 명령값을 계산하는 제 3 단계(ST4 ~ ST6);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 단계는, 태양전지의 온도전압변환계수(αT)를
Figure 112007081288592-pat00003
에 의해 구하고, 여기서 Voc는 개방전압이며, VocLO는 지금 온도가 속해 있는 구간에서 낮은 온도 쪽에서의 Voc 값이고, VocHI는 높은 온도쪽에서의 Voc 값이며, TLO 는 구간의 낮은 온도이며, THI는 높은 온도를 의미하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 단계는, 태양전지의 온도전류변환계수(βT)를
Figure 112007081288592-pat00004
에 의해 구하고, 여기서 Isc는 단락전류이며, IscLO는 지금 온도가 속해 있는 구간에서 낮은 온도 쪽에서의 Isc 값이고, IscHI는 높은 온도쪽에서의 Isc 값이며, TLO는 구간의 낮은 온도이며, THI는 높은 온도를 의미하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 단계는, 태양전지의 광량전압변환계수(αI)를
Figure 112007081288592-pat00005
에 의해 구하고, Irr은 현재 상태의 광량이며, IrrLO는 Irr이 속한 구간에서의 낮은 광량을 의미하며, IrrHI는 높은 쪽 광량을 의미하고, VociHI는 높은 광량에서의 Voc 이며, VociLO는 낮은 광량에서의 Voc인 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 단계는, 태양전지의 광량전류변환계수(βI)를
Figure 112007081288592-pat00006
에 의해 구하고, 여기서 IscHI는 높은 쪽 광량에서의 Isc를 의미하며, IscLO는 낮은 쪽 광량에서의 Isc를 의미하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계는, 광량전압변환계수 및 온도전압변환계수를 이용하여 기준테이블의 전압값(VpvTABLE)으로 변환시키고, 기준테이블의 전압값(VpvTABLE)으로 룩업 테이블을 읽어 기준테이블의 전류값(IpvTABLE)을 얻으며, 기준테이블의 전류값(IpvTABLE)을 온도 및 광량값에 해당하는 전류값으로 변환하고 시뮬레이터의 전류명령값으로 변환하여 전류명령값을 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계는, 기준테이블의 전압값(VpvTABLE)을
Figure 112007081288592-pat00007
에 의해 구하고, 여기서 Vpv는 시뮬레이터의 출력전압값으로 실제 태양전지 모듈의 단자전압이고, VpvTABLE은 기본 특성곡선 테이블에 해당하는 태양전지 단자 전압인 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계는, 기준테이블의 전류값(IpvTABLE)을
Figure 112007081288592-pat00008
에 의해 구하고, 여기서 IpvTABLE은 기본 특성곡선 테이블에 해당하는 값인 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계는, 전류명령값(IpvREF)을
Figure 112007081288592-pat00009
에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 태양전지 특성곡선 모의 시스템 및 그 방법은 복잡한 태양전지 특성곡선 수학식을 사용하지 않으며 여러 개의 특성곡선을 테이블화하는 번거로움을 해결하여 간단한 기본 테이블과 몇 개의 데이터 상의 값으로 모든 동작 영역에서 태양전지 특성 곡선을 연속적으로 추출할 수 있다.
이에 따라 본 발명은 다음과 같은 효과를 갖게 된다.
첫째, 복잡한 수학식이 필요 없어 마이크로프로세서로 구현하기가 간단하다.
둘째, 필요한 데이터 테이블이 기준곡선 하나에 대해서만 필요하므로 메모리 용량이 적게 들고 테이블 데이터 추출이 줄어든다.
셋째, 데이터의 추출이 단속적이지 않고 온도와 광량의 모든 동작영역에서 연속적으로 추출이 가능하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 태양전지 특성곡선 모의 시스템 및 그 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하 기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 간단한 기본 테이블과 몇 개의 데이터 상의 값으로 모든 동작 영역에서 태양전지 특성 곡선을 연속적으로 추출하고자 한 것이다.
태양전지는 전류원의 형태로 표현이 가능하다. 따라서 태양전지 모의 시스템에서 최종 제어변수는 태양전지의 출력전류이다. 태양전지 출력전류가 결정되면 태양전지 모의장치의 전력변환장치에서 이 전류를 흘리기 위한 제어동작이 일어나게 된다. 그리고 태양전지 모의장치에서 입력은 태양광량, 현재의 태양전지 온도, 그리고 태양전지의 단자 전압이 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지 특성곡선 모의 시스템의 블록구성도이다.
그래서 태양전지 특성곡선 추출부(10)는 태양전지의 온도 정보와 광량 정보를 입력받고, 전력변환부(30)로부터 태양전지 출력단자 전압을 입력받으며, 태양전지 모듈의 온도 특성곡선과 광량 특성곡선을 추출하여 데이터 테이블을 생성하여 태양전지의 온도전압계수, 온도전류계수, 광량전압계수, 광량전류계수를 추출하고, 추출한 계수를 이용하여 시뮬레이터의 전류명령값을 계산하여 출력전류명령을 전류 제어부(20)로 내보낸다.
전류제어부(20)는 태양전지 특성곡선 추출부(10)에서 내보낸 출력전류명령을 전달받고, 전력변환부(30)에서 출력되는 태양전지 출력전류에서 출력전류를 전달받아 전류기준치를 연산하여 PWM 신호를 전력변환부(30)로 출력한다.
전력변환부(30)는 전류제어부(20)에서 PWM 신호를 전달받아 전력변환을 수행하여 태양전지 출력전지를 내보내고, 태양전지 출력단자 전압은 태양전지 특성곡선 추출부(10)로 전달되도록 하고, 태양전지 출력전류는 전류제어부(20)로 전달되도록 한다.
한편 본 발명은 태양전지 모의 시스템의 여러 분야에서 태양전지 특성곡선 추출 알고리즘 부분에 대한 것이다. 태양전지의 특성곡선에 대한 방정식은 상기한 바와 같이 프로세서로 구현하기에는 여러모로 복잡한 면이 있다. 이를 해결하기 위해 태양광량에 따른 곡선 10개와 온도에 따른 곡선 기본적으로 3개를 테이블화하여 입력해 두고 이들 데이터로부터 보간을 통하여 테이블로 존재하지 않는 중간 값을 추출해내는 방법을 일반적으로 사용하고 있다. 이러한 종래 방법의 경우 테이블을 구축하여 데이터화는 작업이 매우 번거로우며 데이터량도 많다. 또한 온도와 광량간에 전환 및 연속데이터 추출에 있어서 어려움이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지 특성곡선 모의 방법을 보인 흐름도이다.
그래서 태양전지의 온도 정보와 광량 정보를 읽고, 전력변환부(30)로부터 태 양전지 출력단자 전압(Vpv)을 읽고, 태양전지 모듈의 온도 특성곡선과 광량 특성곡선을 추출하여 온도 및 광량 구간을 결정한다(ST1).
그리고 태양전지의 온도전압계수와 온도전류계수를 계산한다(ST2).
또한 태양전지의 광량전압계수와 광량전류계수를 계산한다(ST3).
그리고 계산한 계수를 이용하여 시뮬레이터의 전류명령값을 계산한다(ST4 ~ ST6).
이러한 동작을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에서 이용하는 광량에 따른 태양전지 특성곡선(25℃)을 보인 그래프로서, 일반적으로 태양전지 모듈업체에서 제공되는 태양전지 모듈의 특성곡선이다.
태양전지는 온도와 광량에 의해 출력에 영향을 받기 때문에 온도의 변화에 대한 특성변화와 광량의 변화에 대한 특성곡선 2개가 주어진다. 본 발명에서는 이들 두개의 데이터에서 얻을 수 있는 정보를 테이블화하여 간단하게 전 온도, 광량 구간에서 특성곡선의 데이터 값을 추출하는 방법을 제시한다.
도 5는 도 4의 광량그래프에서 추출한 Isc 및 Voc 데이터(25℃)를 보인 표이다.
여기서 Isc 는 단락전류(Short Circuit Current)이고, Voc 는 개방전압(Open Circuit Voltage)이다.
그래서 도 4의 광량 변화에 대한 그래프에서 도 5의 표에서와 같은 데이터들 을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명에서 온도에 따른 태양전지 특성곡선(1000W/m2)을 보인 그래프이다.
도 7은 도 6의 온도그래프에서 추출한 Isc 및 Voc 데이터(1000W/m2)를 보인 표이다.
그래서 도 6으로부터 온도에 따른 데이터를 도 7의 표에서와 같이 얻을 수 있다.
그리고 기본 데이터 테이블로 도 5에서 광량 1000W/m2, 25℃일 때의 그래프 데이터를 약 100개로 나누어 테이블화 한다. 테이블의 개수는 임의로 정할 수 있고 좀 더 정밀한 데이터를 원하면 데이터량을 늘릴 수가 있다.
도 8은 본 발명에서 특성그래프에서 추출한 100개의 데이터로 재구성한 특성곡선(1000W/m2, 25℃)을 보인 그래프이다.
그러면 도 5의 표, 도 7의 표, 그리고 도 8의 기본 특성 그래프 데이터로 모든 동작영역의 태양전지 특성곡선을 추출 할 수 있다.
현재 온도 T가 45℃ 이고 광량이 700W/m2이라고 가정을 하고 이에 대한 특성곡선을 추출하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저 온도 데이터에서 전압과 전류에 대한 기본 데이터 곡선에 대한 변환계수 값을 추출한다. 온도가 25도와 50도 사이에 있으므로 개방전압(Open Circuit Voltage) Voc는 다음의 수학식 1과 같이 구한다.
Figure 112007081288592-pat00010
여기서 VocLO는 지금 온도가 속해 있는 구간에서 낮은 온도 쪽에서의 Voc 값이고, VocHI는 높은 온도쪽에서의 Voc 값이며, TLO는 구간의 낮은 온도이며, THI는 높은 온도를 의미하고, Voc25는 25도에서의 Voc 값을 의미한다. 앞의 조건에서 보면 각각의 값은 다음과 같다.
Figure 112007081288592-pat00011
이 값들을 대입하면 현재온도 T에서의 Voc값을 구할 수 있다.
Figure 112007081288592-pat00012
테이블로 가진 데이터는 25℃/1000W/m2의 그래프이므로, 기준그래프와 지금 온도 사이의 온도 전압변환계수(αT)는 다음과 같이 구해진다.
Figure 112007081288592-pat00013
단락전류(Short circuit current) Isc에 대한 온도전류변환계수는 전압변환 계수와 비슷하게 다음의 수학식 2에서와 같이 구해진다.
Figure 112007081288592-pat00014
여기서 Isc는 단락전류이며, IscLO는 지금 온도가 속해 있는 구간에서 낮은 온도 쪽에서의 Isc 값이고, IscHI는 높은 온도쪽에서의 Isc 값이며, TLO는 구간의 낮은 온도이며, THI는 높은 온도를 의미하고, Isc25는 25도에서의 Isc 값을 의미한다.
각각의 데이터 값으로부터 계산을 하면 다음과 같은 계수값을 얻을 수 있다.
Figure 112007081288592-pat00015
온도에 대한 전류변환 계수는 온도전압변환계수(βT)와 같이 구할 수 있다.
Figure 112007081288592-pat00016
위에서 구한 변환 계수를 적용하여 45℃, 1000W/m2의 조건에 대한 태양전지 모듈 특성곡선은 도 9와 같다.
도 9는 본 발명에서 변환계수를 적용하여 기준 특성곡선에서 추출한 새로운 특성곡선을 보인 그래프이다.
온도에 대한 특성곡선을 25℃ 곡선 데이터와 도 5 및 도 7의 표를 이용하여 0, 50, 75℃일 때 태양전지 특성곡선을 위에서 제시한 변환계수를 적용하여 구한 곡선을 도 10과 같이 얻을 수 있다.
도 10은 본 발명에서 제안한 변환계수를 통해 재구성한 태양전지 모듈의 온도 특성곡선을 보인 그래프이다.
도 10은 태양전지 모듈업체에서 제공한 온도 특성곡선인 도 6과 동일함을 알 수 있다.
태양전지의 또 다른 입력인 광량변화에 대한 특성곡선도 온도에 대한 변환계수와 비슷한 방법으로 기본특성곡선으로부터 추출해 낼 수 있다. 전압에 대한 광량전압변환계수(αI)는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007081288592-pat00017
여기서 Irr은 현재 상태의 광량이며, IrrLO는 Irr이 속한 구간에서의 낮은 광량을 의미하며, IrrHI는 높은 쪽 광량을 의미하고, VociHI는 높은 광량에서의 Voc 이며, VociLO는 낮은 광량에서의 Voc이고, Voc1000는 광량이 1000W/m2에서의 Voc 값을 의미한다. 그리고 전류에 대한 광량전류변환계수(βI)도 위에서와 비슷한 방식으로 구하여 다음의 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007081288592-pat00018
여기서 IscHI는 높은 쪽 광량에서의 Isc를 의미하며, IscLO는 낮은 쪽 광량에서의 Isc를 의미하고, Isc1000는 광량이 1000W/m2에서의 Isc 값을 의미한다. 광량이 700W/m2일 때의 특성곡선 광량전압변환계수(αI)를 위에서 유도한 수학식을 이용하여 구할 수 있다. 광량 700W/m2은 특성 데이터를 보인 도 5의 표에서 800W/m2과 600W/m2 사이에 위치하는 값이다. 이 값들을 이용하여 다음과 같이 특성변환계수를 구할 수 있다.
Figure 112007081288592-pat00019
광량전류변환계수(βI)도 다음과 같이 구해진다.
Figure 112007081288592-pat00020
이들 두 특성변환계수를 이용하여 광량 700W/m2, 25℃일 때의 특성곡선은 도 11과 같다.
도 11은 본 발명에서 광량변환계수와 기본특성곡선을 이용하여 추출한 700W/m2 일 때의 특성곡선을 보인 그래프이다.
또한 도 12는 본 발명에서 광량변환계수와 기본특성곡선을 이용하여 추출한 광량특성곡선을 보인 그래프이다.
이러한 도 12는 기본특성곡선과 위에서 구한 특성변환계수(αI, βI)를 이용하여 800, 600, 400, 200W/m2 일 때의 태양전지 모듈특성곡선이다. 도 12의 결과는 도 4의 결과와 동일함을 알 수 있다.
한편 전류명령치 발생 알고리즘에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
태양전지 시뮬레이터를 구현하기 위해서는 도 2의 태양전지 모의 시스템의 개념도에서와 같이 태양전지 특성곡선에 의한 전류명령을 구해 내는 것이다.
본 발명에서는 시간이 많이 걸리는 지수함수를 포함한 복잡한 계산식이나 태양전지의 수많은 변수없이 간단히 태양전지 특성곡선만으로 데이터를 추출하고 이를 통해 전영역에서 전류명령치를 간단히 구할 수 있는 알고리즘을 제안한다.
먼저 입력 사항으로 시뮬레이터에 사용자가 온도와 광량에 대한 프로파일을 입력하게 된다. 이 입력된 온도와 광량을 이용하여 태양전지 시뮬레이터의 출력전압에 대한 태양전지 특성곡선에 대응하는 전류명령치를 만들어 된다. 상기한 바와 같이, 온도전압변환계수(αT), 온도전류변환계수(βT), 광량전압변환계수(αI), 광량전류변환계수(βI)를 테이블 구간을 판단하여 구한다. 현재 시뮬레이터의 출력전압은 현재온도 및 광량에 대한 값이므로 이를 기준테이블의 전압값으로 변환을 해야 한다. 여기서 기준테이블은 온도에 따른 전압값 및 전류값과 광량에 따른 전압값 및 전류값으로 이루어진 테이블이다. 기준테이블의 전압값으로의 변환은 광량전압변환계수 및 온도전압변환계수를 이용하여 다음의 수학식 5와 같이 구할 수 있다.
Figure 112007081288592-pat00021
여기서 Vpv는 시뮬레이터의 출력전압값으로 실제 태양전지 모듈의 단자전압이고, VpvTABLE은 기본 특성곡선 테이블에 해당하는 태양전지 단자 전압이다. VpvTABLE 값으로 look-up table을 읽으면 다음의 수학식 6에서와 같이 전류 값 IpvTABLE을 얻을 수 있다. 여기서 룩업 테이블(look-up table)은 온도전압변환계수, 온도전류변환계수, 광량전압변환계수, 광량전류변환계수에 의해 형성된 테이블이다.
Figure 112007081288592-pat00022
이 전류값은 기본 특성곡선 테이블에 해당하는 값이므로, 이를 온도 및 광량값에 해당하는 전류값으로 변환을 하면 다음의 수학식 7과 같이 우리가 최종 얻고자하는 시뮬레이터의 전류명령치로 변환이 된다.
Figure 112007081288592-pat00023
이처럼 본 발명은 복잡한 태양전지 특성곡선 수학식을 사용하지 않으며 여러 개의 특성곡선을 테이블화하는 번거로움을 해결하여 간단한 기본 테이블과 몇 개의 데이터 상의 값으로 모든 동작 영역에서 태양전지 특성 곡선을 연속적으로 추출하게 되는 것이다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 두 개의 다이오드와 브레이크쓰루 특성 모의가 가능한 태양전지의 등가회로이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지 특성곡선 모의 시스템의 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지 특성곡선 모의 방법을 보인 흐름도이다.
도 4는 본 발명에서 이용하는 광량에 따른 태양전지 특성곡선(25℃)을 보인 그래프이다.
도 5는 도 4의 광량그래프에서 추출한 Isc 및 Voc 데이터(25℃)를 보인 표이다.
도 6은 본 발명에서 온도에 따른 태양전지 특성곡선(1000W/m2)을 보인 그래프이다.
도 7은 도 6의 온도그래프에서 추출한 Isc 및 Voc 데이터(1000W/m2)를 보인 표이다.
도 8은 본 발명에서 특성그래프에서 추출한 100개의 데이터로 재구성한 특성곡선(1000W/m2, 25℃)을 보인 그래프이다.
도 9는 본 발명에서 변환계수를 적용하여 기준 특성곡선에서 추출한 새로운 특성곡선을 보인 그래프이다.
도 10은 본 발명에서 제안한 변환계수를 통해 재구성한 태양전지 모듈의 온도 특성곡선을 보인 그래프이다.
도 11은 본 발명에서 광량변환계수와 기본특성곡선을 이용하여 추출한 700W/m2 일 때의 특성곡선을 보인 그래프이다.
도 12는 본 발명에서 광량변환계수와 기본특성곡선을 이용하여 추출한 광량특성곡선을 보인 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 태양전지 특성곡선 추출부
20 : 전류제어부
30 : 전력변환부

Claims (11)

  1. 태양전지의 온도 정보와 광량 정보를 입력받고, 전력변환부로부터 태양전지 출력단자 전압을 입력받으며, 태양전지 모듈의 온도 특성곡선과 광량 특성곡선을 추출하여 데이터 테이블을 생성하여 태양전지의 계수를 추출하고, 추출한 계수를 이용하여 시뮬레이터의 전류명령값을 계산하여 출력전류명령을 내보내는 태양전지 특성곡선 추출부와;
    상기 태양전지 특성곡선 추출부에서 내보낸 출력전류명령을 전달받고, 상기 전력변환부에서 출력되는 태양전지 출력전류에서 출력전류를 전달받아 전류기준치를 연산하여 PWM 신호를 출력하는 전류제어부와;
    상기 전류제어부에서 PWM 신호를 전달받아 전력변환을 수행하여 태양전지 출력전지를 내보내는 전력변환부;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 태양전지 특성곡선 추출부는,
    태양전지의 온도전압변환계수, 온도전류변환계수, 광량전압변환계수, 광량전류변환계수 중에서 하나 이상을 추출하여 상기 전류제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 태양전지 특성곡선 모의 시스템.
  2. 삭제
  3. 태양전지의 온도 정보와 광량 정보를 읽고, 전력변환부로부터 태양전지 출력단자 전압(Vpv)을 읽고, 태양전지 모듈의 온도 특성곡선과 광량 특성곡선을 추출하여 온도 및 광량 구간을 결정하는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계 후 태양전지의 온도전압변환계수, 온도전류변환계수, 광량전압변환계수, 광량전류변환계수를 계산하는 제 2 단계와;
    상기 제 2 단계에서 계산한 계수를 이용하여 시뮬레이터의 전류명령값을 계산하는 제 3 단계;
    를 포함하여 수행하고,
    상기 제 3 단계는,
    광량전압변환계수 및 온도전압변환계수를 이용하여 기준테이블의 전압값(VpvTABLE)으로 변환시키고, 기준테이블의 전압값(VpvTABLE)으로 룩업 테이블을 읽어 기준테이블의 전류값(IpvTABLE)을 얻으며, 기준테이블의 전류값(IpvTABLE)을 온도 및 광량값에 해당하는 전류값으로 변환하고 시뮬레이터의 전류명령값으로 변환하여 전류명령값을 계산하는 것을 특징으로 하는 태양전지 특성곡선 모의 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    태양전지의 온도전압변환계수(αT)를
    Figure 112009054004242-pat00024
    에 의해 구하고, 여기서 Voc는 개방전압이며, VocLO는 지금 온도가 속해 있는 구간에서 낮은 온도 쪽에서의 Voc 값이고, VocHI는 높은 온도쪽에서의 Voc 값이며, TLO는 구간의 낮은 온도이며, THI는 높은 온도를 의미하고, Voc25는 25도에서의 Voc 값을 의미하는 것을 특징으로 하는 태양전지 특성곡선 모의 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    태양전지의 온도전류변환계수(βT)를
    Figure 112009054004242-pat00025
    에 의해 구하고, 여기서 Isc는 단락전류이며, IscLO는 지금 온도가 속해 있는 구간에서 낮은 온도 쪽에서의 Isc 값이고, IscHI는 높은 온도쪽에서의 Isc 값이며, TLO는 구간의 낮은 온도이며, THI는 높은 온도를 의미하고, Isc25는 25도에서의 Isc 값을 의미하는 것을 특징으로 하는 태양전지 특성곡선 모의 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    태양전지의 광량전압변환계수(αI)를
    Figure 112009054004242-pat00026
    에 의해 구하고, Irr은 현재 상태의 광량이며, IrrLO는 Irr이 속한 구간에서의 낮은 광량을 의미하며, IrrHI는 높은 쪽 광량을 의미하고, VociHI는 높은 광량에서의 Voc 이며, VociLO는 낮은 광량에서의 Voc 값을 의미하고, Voc1000는 광량이 1000W/m2에서의 Voc 값을 의미하는 것을 특징으로 하는 태양전지 특성곡선 모의 방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    태양전지의 광량전류변환계수(βI)를
    Figure 112009054004242-pat00027
    에 의해 구하고, 여기서 IscHI는 높은 쪽 광량에서의 Isc를 의미하며, IscLO는 낮은 쪽 광량에서의 Isc를 의미하고, Isc1000는 광량이 1000W/m2에서의 Isc 값을 의미하는 것을 특징으로 하는 태양전지 특성곡선 모의 방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    기준테이블의 전압값(VpvTABLE)을
    Figure 112009054004242-pat00028
    에 의해 구하고, 여기서 Vpv는 시뮬레이터의 출력전압값으로 실제 태양전지 모듈의 단자전압이고, VpvTABLE은 기본 특성곡선 테이블에 해당하는 태양전지 단자 전압인 것을 특징으로 하는 태양전지 특성곡선 모의 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    기준테이블의 전류값(IpvTABLE)을
    Figure 112007081288592-pat00029
    에 의해 구하고, 여기서 IpvTABLE은 기본 특성곡선 테이블에 해당하는 값인 것을 특징으로 하는 태양전지 특성곡선 모의 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    전류명령값(IpvREF)을
    Figure 112007081288592-pat00030
    에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 태양전지 특성곡선 모의 방법.
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