KR101001278B1 - 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 단위 발전부로부터 발전 전력을 취합하여 송출하고 필요 전력은 상용 전원으로부터 확보함에 있어 구성 및 설치 간편성과 안정성을 높인 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 솔라 모듈과 부하 및 그 절환부로 단순하게 구성된 하나 이상의 단위 태양광 발전부를 그리드 형태로 계통과 연계시켜, 발전되는 전력은 상용계통으로 송출하고 전력이 필요한 경우에는 상용계통으로부터 전력을 공급받아 전송하는 통합 제어부를 구성하는 것으로, 태양광 발전 장치를 간소화하여 크기와 비용을 줄일 뿐만 아니라 상용 전원으로 부하를 동작시키도록 하여 범용성과 효율 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 복수의 단위 태양광 발전부와 통합 제어부를 별도의 제어선로 없이 전력선로만으로 연결하더라도 통합 제어부의 제어에 따라 발전 상태와 상용 전원 사용 상태가 안정적으로 절환될 수 있도록 함으로써, 설치 호환성을 높이고 설치 비용을 크게 경감시켜 현실적 적용 가능성과 경제성을 만족시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법{GRID CONNECTED SOLAR GENERATION APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 복수의 단위 발전부로부터 발전 전력을 취합하여 송출하고 필요 전력은 상용 전원으로부터 확보함에 있어 구성 및 설치 간편성과 안정성을 높인 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

불안정한 유가 변화와 기후변화협약의 규제 등에 의해서 신재생에너지의 중요성이 날로 커져가고 있으며, 국가차원에서도 신재생에너지 보급을 위해 다양한 기관을 설립하고 기술 개발을 장려하기 위한 제도를 신설하는 등 신재생에너지의 개발과 확산에 많은 노력을 기울이고 있다.

특히, 신재생에너지의 효율적인 보급과 확산을 위한 기반 기술인 스마트 그리드에 대한 실증이 이미 실시되고 있는 상황에서 신재생에너지 중 대표적 에너지인 태양광을 이용한 발전 장치에 대한 보다 현실성 있는 적용 모델이 요구되고 있다.

기본적으로 태양광 발전 시설은 자원의 무한성과 오염물질 배출이 없는 청정 에너지라는 점에서 각광받고 있으나 설치 면적에 비례하는 전력 생산 구조와 설치를 위한 대지의 제한에 의해 점차 그 설치 위치가 지면에서 건물 옥상이나 벽면과 같은 여유 공간이나 전주 등의 컬럼 상단으로 바뀌고 있다.

그에 따라 실제 전력을 사용하는 부하에 근접하여 태양광 발전 장치가 분산배치되는 구조가 보다 일반화될 것으로 예상되고 있는데, 예를 들어 일반 가정이나 산업체의 일부 공간에 태양광 발전 장치가 분산 배치되어 전력 사용량 중 일부를 충당하거나, 가로등이나 발광 표지 등에 소형 태양광 발전 장치가 설치되어 소모 전력의 일부를 제공하는 경우 등이 보다 일반화될 것임은 자명하다.

하지만, 아직까지 태양광 발전 장치에 적용되는 솔라셀의 광 전환 효율은 11~18% 수준으로 일조 조건이 매우 양호할 경우 제곱미터 당 110~180W의 전력을 생산하는 정도이므로, 상기 태양광 발전 장치가 충당할 수 있는 전력이 실제 필요한 전력에 비해 부족한 경우가 많다. 특히, 태양광 발전은 그 발전 조건이 주간으로 한정되며 발전 가능 시간은 계절에 따라 동절기 5시간, 하절기 8시간 정도이므로 발전 전력의 편차가 계절에 따라 상당하며, 일기에 따라서도 발전량 편차가 크기 때문에 태양광 발전을 안정적인 전원으로 적용하는 것은 다소 무리가 있는 실정이다.

최근, 태양광 발전 장비를 통해 부하가 사용하는 전력을 모두 담당하도록 하는 독립형 장치들이 등장하고 있으나, 이러한 경우에는 부하를 고효율 부하로 교체하고 초절전 구성을 적용하는 등 사용 부하를 줄이기 위한 고려가 필요하고, 솔라 모듈의 확장을 통한 발전량 증가가 필요하다. 하지만, 이러한 경우라 하더라도 편차가 심한 태양광 발전 장치만으로 부하의 소비 전력을 안정적으로 감당하기 어려우며, 부하를 고가의 고효율 부하로 교체하고 초절전 구성을 적용하기에는 비용이 높아지고 기존 부하 적용 장치와의 호환성이 낮아 현실성이 떨어지는 상황이 발생하게 된다. 더불어, 솔라 모듈을 확장하는 경우 가용면적이 제한적인 도심이나 토지 매입 비용이 많은 장소 혹은 국가적으로 설치를 제한하는 장소(전, 답, 과수원, 목장용지, 임야의 5대 지목)에서는 적절한 공간을 확보하기 어렵고 기구적으로도 공간 배치가 어려워 적용 제한이 커지고, 솔라 모듈을 공중에 설치할 경우에도 자하중이나 풍압하중에 의해 설치가 어렵거나 제한이 커지게 된다.

도 1은 기존에 사용되는 태양광 발전 장치가 적용된 가로등 구성을 보인 것이다. 도시된 바와 같이, 해당 구성은 가로등 컬럼(10)과, 상기 가로등 컬럼(10)에 연장 구성된 램프(20)와, 상기 가로등 컬럼(10) 상단에 배치된 솔라 모듈(30)과, 상기 가로등 컬럼(10)의 소정 영역에 배치되어 상기 솔라 모듈(30) 및 램프(20)와 연결된 제어함(40)으로 이루어진다. 상기 제어함(40)에는 축전지와 점등 제어부 및 전원 절환부 등이 구성될 수 있다.

상기 제어함(40)은 솔라 모듈(30)에 의해서 생성된 전력을 축전지에 축전하고, 해당 축전지에 축전된 전력을 이용하여 상기 램프(20)를 점등하는 방식으로 동작한다.

앞서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구조에서, 구성 가능한 솔라 모듈(30)의 크기는 상당히 제한적이기 때문에 발전 가능한 전력은 50~100W 정도로, 계절에 따라 5시간~8시간 정도 발전이 가능하다. 한편, 가로등의 경우 동절기에는 14시간, 하절기에는 8시간 정도 점등하게 되며, 일반적으로 사용되는 메탈 할라이드 방식의 150W~400W 램프를 사용할 경우 가로등 한기 당 일일 소비전력은 1.5kW~5.6kW에 이르게 된다.

그로 인해 적용된 솔라 모듈(30)에 의해 발전되는 발전량은 축전지의 효율을 고려하지 않는다 하더라도 필요한 전력에 절대적으로 부족하여 독립적인 동작이 불가능하며, 장마철 등과 같이 일조량이 부족한 경우에는 무용지물이 되어 안정성과 신뢰성이 극히 낮다. 또한, 시간의 경과에 따라 축전지의 성능이 하락하기 때문에 주기적으로 축전지를 교체해야 하는 등 관리 비용이 상당하여 경제성도 낮은 상황이다.

최근 고효율 램프로 LED 램프가 사용되기도 하지만 그러한 경우라 하더라도 일일 소비전력은 1.2kW~4kW 수준으로 상당하며 아직까지 이러한 고효율 램프의 사용이 일반적이기 않기 때문에 범용성도 낮은 형편이다.

결국, 태양광 충전 전력보다 더 많은 소비 전력이 발생하는 부하를 구비한 경우에는 상용 전원을 추가로 연결하고 있으며, 축전된 전력이 소진되는 경우 상용 전원을 이용하여 부족한 소비 전력을 충당하는 구조를 이용하고 있다.

이러한 구조 역시 축전지를 필요로 하며, 각각의 개별 부하에 적용되는 태양광 발전 장치에는 충전 및 보호 회로, 전력 감시 회로, 전원 절환 회로 등이 요구되고, 발전에 의해 충전되는 DC 전력과 상용 AC 전력을 부하에 공통적으로 적용하기 위한 변환 회로(인버터나 어댑터)와, 이들을 제어하기 위한 제어 구조 등이 모두 구성 되어야 하기 때문에 개별 발전 장치의 비용 및 관리 비용이 높고, 복잡한 구조로 인하여 고장이 잦다.

따라서, 이러한 기존의 방식과 다른 새로운 동작 방식의 태양광 발전 장치로서, 기존 부하에 쉽게 적용할 수 있는 범용성과 동작의 안정성 및 설치 편의성을 고루 갖추어 현실성과 경제성을 극대화시킬 수 있는 새로운 태양광 발전 장치 및 그 동작 방법이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

상기와 같이 태양광 발전 장치에 대한 현실성과 경제성을 극대화시키기 위하여 새롭게 제안하는 본 발명 실시예들의 목적은 솔라 모듈과 부하 및 그 절환부로 단순하게 구성된 하나 이상의 단위 태양광 발전부를 그리드 형태로 계통과 연계시켜, 발전되는 전력은 상용계통으로 송출하고 전력이 필요한 경우에는 상용계통으로부터 전력을 공급받아 전송하는 통합 제어부를 구성하는 것으로, 태양광 발전 장치를 간소화하여 크기와 비용을 줄일 뿐만 아니라 상용 전원으로 부하를 동작시키도록 하여 범용성과 효율 및 신뢰성을 높일 수 있도록 한 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 다른 목적은 복수의 단위 태양광 발전부와 통합 제어부를 별도의 제어선로 없이 전력선로만으로 연결하더라도 통합 제어부의 제어에 따라 발전 상태와 상용 전원 사용 상태가 안정적으로 절환될 수 있도록 함으로써, 설치 호환성을 높이고 설치 비용을 크게 경감시킬 수 있도록 한 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 단위 태양광 발전부들의 발전 전력이 범용 계통 연계 인버터에 적합하도록 상기 통합 제어부에서 단위 태양광 발전부들을 용이하게 직병렬 및 분산 구성함으로써 통합 제어부의 설계 및 제조의 부담을 줄이고 단위 태양광 발전부의 구성 제한을 완화하도록 한 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치는 상용계통과의 연동을 위해 구비된 계통연계 인버터의 입력과 상용계통에서 얻어지는 상용 전원 중 하나를 연결 전력선과 선택적으로 결선하여 발전 전력 송전과 상용 전원 사용 중 하나를 결정하는 통합제어부와; 상기 연결 전력선을 통해 직병렬로 연결되고, 해당 연결 전력선의 인가 전력 종류에 따라 선택적으로 동작하는 절환부를 구비하여 상기 연결 전력선을 구비된 솔라 모듈과 부하 중 하나와 연결하며, 상기 솔라 모듈과 상기 절환부 사이에는 상용 전원 인가와 상기 절환부의 절환 동작 사이의 지연 동안 상기 상용 전원의 충격을 완충하는 완충부가 포함된 하나 이상의 단위 발전부를 포함하여 이루어진다.

상기 단위 발전부의 절환부는 상용 전원 인가에 따라 동작하는 스위칭 소자를 포함하며, 필요에 따라 상기 스위칭 소자와 상기 연결 전력선 사이에 저주파 필터링 소자가 직렬로 연결될 수 있다.

상기 완충부는 상기 솔라 모듈의 양극 중 적어도 한 극과 상기 전력선 사이에 연결되어 교류전류에 대한 선택적 저항을 제공하는 리액터나 직렬 연결되어 저온에서 저항이 커지고 고온에서 저항이 낮아지는 NTC 서미스터일 수 있다.

상기 통합 제어부의 상기 계통 연계 인버터는 복수의 입력단을 구비하며, 상기 단위 발전부가 상기 계통 연계 인버터의 입력단에 직병렬 형태로 분산 접속될 수 있도록 하는 인터페이스를 더 포함하여 상기 계통 연계 인버터에 인가되는 전압이 기 설정된 기준 범위를 유지하도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치는 계통 인버터의 입력과 상용 전원이 선택적으로 연결되는 연결 전력선에 하나 이상 연결되는 단위 발전부를 포함하는 계통 연계형 태양광 발전 장치로서, 상기 단위 발전부는 하나 이상의 솔라 모듈과; 상기 연결 전력선에 저주파 필터를 통해 병렬 연결되어 상기 연결 전력선에 상용 전원이 인가될 때 동작하여 상기 연결 전력선을 상기 솔라 모듈과 단선시키는 절환 스위치와; 상기 솔라 모듈의 입출력단과 상기 절환 스위치 단자 사이의 두 결선 중 적어도 하나에 직렬 연결되어 상기 솔라 모듈이 발전하는 동안은 기 설정된 수준 이하의 저항을 유지하고 상기 연결 전력선에 상용 전원이 인가된 후 상기 절환 스위치가 동작할 때까지는 상기 상용 전원 전류에 대한 저항으로 동작하는 완충부를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 방법은 솔라 모듈을 포함하는 하나 이상의 단위 발전부를 제어하는 통합 제어부가 상용계통과의 연동을 위해 구비된 계통연계 인버터의 입력과 상용계통에서 얻어지는 상용 전원 중 하나를 선택하여 상기 단위 발전부와 연결되는 연결 전력선의 결선 상태를 절환하여 발전 전력 송전과 상용 전원 사용 중 하나를 결정하는 통합 제어부 모드 전환 단계와; 상기 연결 전력선에 상용 전원이 인가되면 상기 단위 발전부에 구성된 절환부가 상기 연결 전력선을 솔라 모듈에서 분리하며, 상기 상용 전원 인가에서 절환부의 동작까지의 지연 동안 상기 솔라 모듈과 상기 절환부 사이에 배치된 완충부를 저항으로 이용하는 단위 발전부 모드 전환 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법은 솔라 모듈과 부하 및 그 절환부로 단순하게 구성된 하나 이상의 단위 태양광 발전부를 그리드 형태로 계통과 연계시켜, 발전되는 전력은 상용계통으로 송출하고 전력이 필요한 경우에는 상용계통으로부터 전력을 공급받아 전송하는 통합 제어부를 구성하는 것으로, 태양광 발전 장치를 간소화하여 크기와 비용을 줄일 뿐만 아니라 상용 전원으로 부하를 동작시키도록 하여 범용성과 효율 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법은 복수의 단위 태양광 발전부와 통합 제어부를 별도의 제어선로 없이 전력선로만으로 연결하더라도 통합 제어부의 제어에 따라 발전 상태와 상용 전원 사용 상태가 안정적으로 절환될 수 있도록 함으로써, 설치 호환성을 높이고 설치 비용을 크게 경감시켜 현실적 적용 가능성과 경제성을 만족시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 장치 및 그 방법은 단위 태양광 발전부들의 발전 전력이 범용 계통 연계 인버터에 적합하도록 상기 통합 제어부에서 단위 태양광 발전부들을 용이하게 직병렬 및 분산 구성함으로써 통합 제어부의 설계 및 제조의 부담을 줄이고 단위 태양광 발전부의 구성 제한을 완화하여 적용 범용성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 태양광 발전장치의 적용 예를 보인 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 방식을 설명하는 개념도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성을 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 절환 동작 문제 해결 방식을 설명하기 위한 개념도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 완충부의 예.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 절환부 동작을 설명하는 개념도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 점등 관리부의 예를 나타낸 구성도.

상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 동작 방식을 설명하기 위한 개념도로서, 도시한 바와 같이 복수의 가로등에 각각 설치된 단위 발전부(50)를 통합 제어부(60)와 전력선으로 연결하여 발전 가능한 시간 동안에는 각 단위 발전부(50)가 발전한 전력을 상기 통합 제어부(60)가 상용 계통으로 송전하고, 각 부하(가로등 램프)의 운영이 필요한 시간 동안에는 상기 통합 제어부(60)가 발전을 중단시키고 상용 전원을 상기 각 부하에 제공하는 방식으로 동작한다.

즉, 도시된 실시예의 경우, 상기 단위 발전부(50)는 솔라 모듈과, 상기 솔라 모듈과 부하를 선택하는 절환부를 포함하여 이루어지며, 상기 단위 발전부(50)들은 상기 통합 제어부(60)와 연결 전력선을 통해 직렬 혹은 병렬로 연결된다.

상기 통합 제어부(60)는 상기 단위 발전부들이 발전하는 전력을 계통 연계 인버터를 통해서 상용 계통과 연계시켜 발전 전력을 송출하는 것으로 전력을 송전(판매) 혹은 충전해 두었다가 가로등의 점등이 필요한 시점이 되면 상용 전원을 상기 단위 발전부에 제공하여 연결된 부하가 동작하도록 한다.

이를 통해서 가능한 단순한 구성과 낮은 관리 비용만으로 태양광 발전 전력의 활용성을 높일 수 있으며 부하의 안정적인 동작을 보장할 수 있게 된다.

물론, 이러한 신재생 에너지의 판매와 상용 전원 이용을 위한 계통 연계형 발전 전력 관리 시스템에 관한 내용은 스마트 그리드의 기본적인 원리 중 하나에 속하는 것이지만, 기존의 계통 연계형 발전 전력 관리 시스템의 경우 고가의 스마트 그리드 단말기와 별도의 발전 장치 제어부 구성이 요구되므로 다양한 분산 부하들과 분산된 솔라 모듈들을 최소한의 구성으로 효과적으로 관리하고자 하는 경우에는 적합하지 않다.

예를 들어, 도 2에 도시된 가로등과 같이 단순한 부하를 가지면서 물리적으로 긴 거리에 분산 배치된 구조물에 솔라 모듈을 분산 구성하는 경우 기존의 발전 장치 제어 구성과 제어 선로 구성 등을 적용할 경우 개별 단위 구성의 비용이 상승하고 설치가 복잡해져 경제성이 낮아진다.

특히, 솔라 모듈의 경우 설치 제한에 의해서 점차 컬럼의 상단이나 건물의 일측 등에 분산되어 구성되는 경우가 많고, 그 적용 부하의 경우에도 다양한 부하의 종류와 배치들이 혼재하고 있기 때문에 보다 범용적인 용도로 기존 부하에 대해 간편하게 적용함과 아울러 그 적용 비용을 최소화 할 수 있어야 하므로 기존의 구성은 이러한 용도에 적합하지 않다.

따라서, 본 발명에서는 도 3 및 도 4에 도시한 실시예와 같은 태양광 발전 장치를 제안한다. 해당 장치는 도 2에 예로 든 가로등과 같이 솔라 모듈이 긴 거리에 분산되어 구성되는 경우는 물론이고, 그 외의 다양한 상황에 대해서 별도의 구성 변경 없이 범용적으로 적용 가능하며, 부하의 종류에 대해서도 기존 상용 전원을 이용하는 부하라면 변경 없이 그대로 적용 가능하기 때문에 범용성이 높을 뿐만 아니라 적용 제한도 크게 완화시킬 수 있다. 또한, 도시된 구조를 통해 확인할 수 있지만, 그 구성 역시 최소한의 구성만으로 원하는 동작을 안정적으로 실시할 수 있도록 되어 있어 구성 비용 및 관리 비용을 크게 줄일 수 있으며, 별도의 제어 선로나 제어 신호 해석 장치 등이 요구되지 않으며 경우에 따라서는 기존의 전력 선로를 그대로 활용할 수도 있어 제어 비용이나 선로 구축 비용을 극단적으로 줄일 수 있게 된다.

도 3 및 도 4는 도 2에 도시한 예에 적용 가능한 태양광 발전 장치의 구성 예 및 그 동작 상태를 보인 것으로, 도 3에 도시한 태양광 발전 장치의 예는 크게 통합 제어부(100)와 복수의 단위 발전부(200 내지 209)로 이루어진다. 상기 통합 제어부(100)와 단위 발전부(200 내지 209)는 연결 전력선(160)으로 결선되는데, 상기 단위 발전부(200 내지 209)는 상기 연결 전력선(160)에 직렬, 병렬 혹은 직병렬 혼합 방식으로 연결될 수 있으며, 상기 연결 전력선(160)은 일반 전력선(2선 혹은 접지 포함 3선 등)을 그대로 이용한다.

상기 통합 제어부(100)는 상용 계통과 솔라 모듈에 의해 발전된 DC 전력을 연동시키는 계통 연계 인버터(110)와, 발전 모드와 가로등 점등 모드를 선택하기 위한 점등 관리부(120)와, 상기 점등 관리부(120)의 모드 선택을 지연시켜 반영하는 지연부(130)와, 상기 지연부(130)를 통한 모드 선택에 따라 동작하여 계통 연계 인버터(110)의 입력과 상용 전원 출력을 접점(150)을 통해 상기 연결 전력선(160)에 선택적으로 연결하는 스위치(140)를 포함한다. 여기서, 상기 지연부(130)는 생략 가능하며, 상기 지연부(130)로 본 발명이 한정되지 않는다는 것에 주의한다.

상기 점등 관리부(120)는 점등 테스트 등을 위한 외부의 수동 입력을 받아들여 상기 스위치(140)의 동작을 직접 제어할 수도 있다.

도시된 실시예의 경우에는 가로등을 대상으로 하기 때문에 점등 관리부(120)를 구성하며, 다른 종류의 부하나 적용 구조물에 대해서는 그에 적절한 모드 관리부나 부하 관리부 등을 구성할 수 있는데, 해당 관리부의 기능은 기본적으로 발전 모드와 부하 사용 모드를 선택하는 것이므로 통합 제어부(100)에 해당 기능의 관리부가 포함되는 것으로 발명을 이해하는 것이 바람직하다.

상기 단위 발전부(200)는 기본적으로 발전을 위한 솔라 모듈(210)과, 가로등으로 동작하기 위한 부하인 안정기(250) 및 램프(260)와, 상기 연결 전력선(160)을 접점(240)을 통해 상기 솔라 모듈(210)과 부하에 선택적으로 연결하기 위한 절환부(230, 235)를 포함한다. 물론, 상기 부하의 경우 단위 발전부(200) 내부에 필수적으로 구성될 필요는 없으며 부하와 연결하기 위한 인터페이스만 구성될 수도 있다. 더불어, 복수의 단위 발전부가 구성될 경우 모든 단위 발전부마다 부하가 연결될 필요는 없으며, 임의의 단위 발전부에만 부하가 하나 이상 연결되는 형태로 구성될 수도 있다.

상기 절환부의 절환 스위치(230)는 상기 연결 전력선(160)에 인가되는 전력의 종류에 따라 접점(240)을 절환시켜 상기 연결 전력선(160)을 솔라 모듈(210)과 부하부에 선택적으로 연결하게 되는데, 도시된 실시예에서는 상용 전원에 의해 동작하는 릴레이로 구성할 수 있다.

즉, 통합 제어부(100)의 스위치(140) 동작에 의해서 상기 연결 전력선(160)에 상용 전원이 인가되면 상기 절환 스위치(230)는 해당 상용 전원에 의해 동작하여 상기 연결 전력선(160)이 솔라 모듈(210) 대신 부하의 안정기(250)와 연결되도록 절환한다.

이러한 방식을 이용함으로써 상기 연결 전력선(160)은 기존의 단순한 전력선을 그대로 이용할 수 있으며 별도의 제어선로나 복잡한 제어부 구성이 요구되지 않는다.

도 3에 도시된 상태는 통합 제어부(100)의 스위치(140)가 상기 연결 전력선(160)을 계통 연계 인버터(110)의 입력과 연결한 상태이며, 이러한 경우 상기 단위 발전부(200)의 절환 스위치(230) 역시 상기 솔라 모듈(210)을 연결 전력선(160)과 연결하여 상기 솔라 모듈(210)에서 발전하는 전력이 상기 계통 연계 인버터(110)로 전달되도록 한다. 상기 계통 연계 인버터(110)는 상기 솔라 모듈(210)을 통해 제공되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 상용 계통에 전달한다.

상기 계통 연계 인버터(110)는 상용 계통으로부터 60Hz의 제로 교차 신호(zero crossing signal)를 검출하고 이에 동기시켜 DC를 AC로 변환하는 것으로 통상 입력 허용 전압이 150V~450V이고, 구성된 전력 소자의 허용 전류를 고려하여 15~18A 정도로 입력 전류가 제한된다. 그에 따라 통상적인 인버터의 경우 안정적인 동작을 위해서 입력 전압이 약 170~190V 사이가 되는 것이 바람직한데, 솔라 모듈의 경우 셀당 단위 기전력이 0.5V 정도로 약 180V의 전압을 얻기 위해서는 360개 정도의 셀이 직렬 연결되어야 한다. 이러한 경우 모듈의 크기는 적어도 3m x 1.6m에 이르기 때문에 이를 컬럼에 연결하는 것은 불가능하다. 따라서, 컬럼에 연결 가능한 한계를 고려해 볼 때 약 100V 내외의 전압을 얻을 수 있어 계통 연계 인버터(110)를 효과적으로 동작시키기 어려운 상황이 발생하게 된다.

그에 따라 본 발명의 실시예에서는 상기 통합 제어부(100)에 복수의 단위 발전부를 직렬 혹은 병렬로 연결할 수 있도록 하는 인터페이스(미도시)를 더 제공하여 연결되는 단위 발전부의 수와 배치 등을 고려하여 170~190V 사이의 전압이 얻어지도록 구성할 수 있게 한다. 현실적으로, 도시된 실시예와 같은 가로등 제어함의 경우 가로등 격등 운영 등을 위해서 복수의 연결 단자가 지원되고 있기 때문에 이들을 상기 추가적으로 제공하는 인터페이스를 통해서 직병렬 연결함으로써 원하는 전압을 얻을 수 있어 단위 발전부의 수와 배치를 고려하여 연결 방식을 조절하는 것만으로 최적의 운영 상태로 조절 가능하기 때문에 범용성을 높일 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 구성에서 통합 제어부(100)의 스위치(140)가 점등 관리부(120)에 의해 제어되어 상기 연결 전력선(160)을 상용 전원과 연결한 상황을 보인 것이다. 이에 따라 상기 단위 발전부(200)의 절환 스위치(230)는 상기 연결 전력선(160)으로 제공되는 상용 전원에 의해 동작하여 상기 연결 전력선(160)을 안정기(250)와 연결하여 램프(260)가 상용 전원에 의해 점등되도록 한다.

하지만, 이렇게 별도의 제어선로나 제어 신호 없이 상용 전원 인가 만으로 단위 발전부(200)의 절환 스위치(230)가 동작하는 방식을 이용할 경우, 상기 연결 전력선에 인가되는 전력의 종류가 발전 시 솔라 모듈(210)이 제공하는 DC 전력이고 상용 전원 인가 시 AC 전력으로 달라진다는 특수한 상황과, 상기 절환 스위치(230)가 AC 전력 인가 후 실제 접점 전환이 이루어질 때까지 수십ms의 지연이 발생하기 때문에 해당 지연 시간 동안 발생되는 단락 상황에 의해 의도한 동작이 이루어지지 않게 된다. 즉, 상기 절환 스위치(230)는 발전 전류 및 상용 전류를 견딜 수 있을 정도(예를 들어 3A 이상)의 것을 사용해야 하기 때문에 경제성을 고려하여 릴레이 소자를 이용하게 되는데, 제어 전력 인가 후 일반적으로 20ms 이상의 지연이 발생한다.

도 5는 상기 통합 제어부(100)로부터 연결 전력선(160)에 상용 전원(AC)이 제공되는 순간의 단위 발전부(200) 상태를 나타낸 것이다.

솔라 모듈(210)이 DC 전력을 생산하여 상기 연결 전력선(160)을 통해서 통합 제어부(100)에 전달하고 있는 상황에서 상기 통합 제어부(100)의 모드 변경에 의해서 상기 연결 전력선(160)에 상용 전원이 연결되면, 도시한 바와 같이 연결 전력선(160)을 통해 제공되는 AC 전력에 의해서 상기 절환 스위치(230)가 동작하기까지의 지연 시간 동안 솔라 모듈(210)을 통해 제공되는 DC 전력과 통합 제어부(100)로부터 제공되는 AC 전력이 충돌하게 된다.

그에 따라 상기 절환 스위치(230)는 상용 전원에 의해 동작하기 시작하다가 상기 AC 전력과 DC 전력의 충돌에 의한 전압 강하에 의해서 정상적인 접점 전환이 이루어지지 못하게 되어 실질적으로 동작 불능 상태에 빠지게 된다.

결국, 상기 절환 스위치(230)가 접점을 전환하는 지연 시간 동안 상기 연결 전력선(160)의 상태가 상용 전원 연결 상태를 안정적으로 유지해야 함과 아울러 상기 상용 전원이 솔라 모듈(210)에 인가되어 솔라 모듈(210)에 충격을 주지 않도록 해야 한다. 더불어, 솔라 모듈(210)이 발전 상태인 경우 상기 연결 전력선(160)을 통해 발전 전력이 손실 없이 전달되어야 하는 3가지 조건을 만족시켜야 한다.

이를 위해서 도시된 실시예에서는 상기 솔라 모듈(210)과 절환 스위치(230)의 스위치 단자 사이에 완충부(220)를 구성한다.

상기 완충부(220)는 상용 전원에 대해서 소정의 저항으로 동작해야 하고, 상기 솔라 모듈(210)이 동작하는 발전 상태에서는 단순 결선으로 동작해야 하기 때문에 도 6과 같은 구성을 적용한다.

도 6a는 상기 솔라 모듈(210)의 양극과 상기 절환 스위치(230)의 스위치 단자(실질적으로는 연결 전력선의 양 단자) 사이에 직렬로 각각 서미스터를 연결한 완충부(221)의 예를 보인 것이다. 상기 서미스터는 NTC(Negative Temperature Coefficent) 서미스터인 것이 바람직하며, 그 특성에 따라 온도 상승 시에는 저항이 감소하고 온도가 상온 정도로 낮아질 경우 저항이 증가하게 된다. 예를 들어, 상온에서 수십Ω 정도의 저항을 제공하고 150℃ 이상에서는 1Ω이하로 동작하는 허용 전류가 5A 정도의 NTC 서미스터를 이용할 경우 상기 솔라 모듈(210)이 발전 상태로 동작 중에는 온도 상승에 따라 저항이 낮아져 발전 전력의 손실이 없거나 경미하게 된다.

일반적으로 가로등의 경우 발전이 가능한 일광 시간과 점등이 필요한 야간은 구분되어 있기 때문에, 발전 모드를 중단한 후 소정 시간 후에 점등을 실시하게 된다. 즉, 상기 통합 제어부(100)의 점등 관리부(120)의 동작에 의해 발전 상태를 종료(통합 제어부의 스위치를 동작시켜 상기 연결 전력선(160)을 계통 연계 인버터(110)나 상용 전원과 연결하지 않은 플로팅 상태로 둠)한 후 일정 시간이 경과 된 다음 점등이 필요할 때 상기 연결 전력선(160)을 상용 전원과 연결한다. 이렇게 충분한 시간 동안 상기 NTC 서미스터가 냉각되면 이로 구성되는 완충부(221)는 수십Ω의 저항을 가진 상태가 되므로 상기 연결 전력선(160)을 통해 상용 전원이 인가될 경우 상기 절환 스위치(230)가 접점 절환을 완료할 수 있도록 상기 연결 전력선(120)을 솔라 모듈(210)과 구분시킬 수 있다.

상기 통합 제어부(100)는 이러한 일반적인 상황 외에, 테스트를 위한 목적이나 일반적이지 않은 상황에서 발전 상태에서 점등 상태로 순간적으로 변화될 수 있는데, 이러한 경우에는 상기 완충부(221)의 서미스터 온도가 높아져 있는 상태이므로 완충 역할을 할 수 없게 된다. 이를 방지하기 위해서 도 2 및 도 3에 도시된 경우와 같이 지연부(130)를 이용하여 상기 점등 관리부(120)에서 상용 전원 선택 상태가 결정되면 해당 지연 시간 동안 상기 연결 전력선(160)을 플로팅 상태로 유지한 이후에 상용 전원과 연결하도록 상기 스위치(140)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 지연부(130)는 수분 정도의 지연을 제공할 수 있으며, 이러한 지연은 계절이나 시간에 따라 가변 되도록 구성될 수도 있다.

상기 설명과 같이 상기 완충부로서 NTC 서미스터를 이용할 경우 가장 저렴하면서도 안정적으로 연결 전력선(160)을 DC 전력과 AC 전력을 위한 선로 및 절환 스위치(230) 구동 선로로 활용할 수 있게 된다.

물론, 상기 완충부(221)로 NTC 서미스터를 1개만 이용할 수도 있다.

도 6b는 다른 종류의 완충부를 보인 것으로, 도시된 구성은 리액터(223)를 이용한 경우로, 60Hz에 대해 수십Ω 정도의 임피던스를 제공할 수 있도록 수십mH 정도의 리액턴스를 가지는 리액터를 적용한 경우이다(다이오드는 AC의 역전압 차단용으로 생략될 수 있다). 이러한 경우 상기 통합 제어부(100)에서 별도의 지연부를 구성하지 않더라도 상용 전원 인가 시에만 선택적으로 저항으로 동작하게 되어 실시간 제어가 가능해진다. 다만, 이러한 경우 허용 전류를 수A 정도로 높이기 위해서는 철심 코어를 이용하는 등 리액터의 크기와 비용이 높아질 수 있다.

따라서, 부하의 종류나 동작 방식 등을 고려하여 상기 완충부로 서미스터와 리액터를 선정할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 절환부 동작을 설명하는 개념도로서, 도시한 경우는 상기 단위 발전부(200)가 발전 중인 상황을 나타낸 것이다.

이러한 경우, 도시한 바와 같이 계통 연계 인버터(110)와 솔라 모듈(210) 사이에는 폐회로가 구성되며, 상기 연결 전력선과 연결된 절환 스위치(230)에는 상기 솔라 모듈(210)에서 상기 계통 연계 인버터(110)로 제공되는 DC 전압이 발전 상태에 따라 가변적으로 흐르게 된다. 그에 따라 상기 절환 스위치(230)에도 상기 DC 전압이 인가되게 되어 불필요하게 절환 스위치(230)에서 전력이 소모되는 현상이 발생한다. 예를 들어, 절환 스위치(230)의 종류에 따라 진동이 발생하는 현상이 나타나며 이는 소음과 진동 및 불필요한 전력 소비를 야기하므로 도시된 바와 같이 발전 전류가 상기 절환 스위치(230)로 흐르지 않도록 저주파 필터(235)를 상기 연결 전력선과 절환 스위치(230)의 일단 사이에 직렬로 연결하는데, 신호의 필터링이 아닌 동작 전력에 대한 필터링이기 때문에 상기 절환 스위치(230)의 정격 전류를 고려하여 커패시턴스 값을 결정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 저주파 필터(235)가 수㏀ 정도의 임피던스를 가질 수 있도록 1㎌이하의 커패시턴스를 가지도록 할 수 있다.

도 8은 상기 통합 제어부(100)의 점등 관리부(120)에 대한 구성 예를 보인 것으로, 도시된 바와 같이 정확한 시간과 위치를 확인하여 기 설정된 스케줄과 위경도 값에 따라 발전 시간과 점등 시간을 관리하기 위한 GPS 수신부(122)와, 온도와 조도 중 하나 이상을 포함하는 환경 정보를 측정하여 동작 정보를 제공하는 환경 정보 센싱부(123)와, 외부 제어 정보를 수신하여 동작 정보를 제공하는 통신부(124)와, 점검을 포함하는 불특정 외부 제어를 수신하여 그에 따른 동작 정보를 제공하는 점검부(125)와, 상기 각부의 동작 정보에 따라 동작하는 스위치(126)로 구성된다. 물론, 이러한 구성 외에도 단순한 타이머, 시계 등이 적용될 수도 있으며, 상기 구성들 중 일부만 구성될 수도 있다.

예를 들어, 상기 통신부(124)의 경우 전력선 통신에 의해서 상용 계통으로 제공된 정보를 상기 통합 제어부(100)에서 수신하여 발전 및 부하 사용을 관리할 수도 있으며, 경우에 따라서 그 결과나 상태 정보를 전달할 수도 있다. 이러한 경우에도 통합 제어부(100)와 단위 발전부(200) 사이의 구성은 연결 전력선과 절환 스위치만으로 충분하기 때문에 최소한의 비용으로 기존 부하의 사용 전력 중 일부를 충당할 수 있는 태양광 발전 장치를 선택적으로 적용할 수 있게 된다.

물론, 부하의 종류에 따라 통합 제어부(100)에는 점등 관리부(120)외에 다른 종류의 발전/부하 전환 관리부가 적용될 수도 있다는 것에 주의한다.

이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

100: 통합 제어부 110: 계통 연계 인버터
120: 점등 관리부 130: 지연부
140: 스위치 200: 단위 발전부
210: 솔라 모듈 220: 완충부
230: 절환 스위치 235: 저주파 필터부

Claims (20)

1. 상용계통과의 연동을 위해 구비된 계통연계 인버터의 입력과 상용계통에서 얻어지는 상용 전원 중 하나를 연결 전력선과 선택적으로 결선하여 발전 전력 송전과 상용 전원 사용 중 하나를 결정하는 통합제어부와;
   상기 연결 전력선을 통해 직병렬로 연결되고, 해당 연결 전력선의 인가 전력 종류에 따라 선택적으로 동작하는 절환부를 구비하여 상기 연결 전력선을 구비된 솔라 모듈과 부하 중 하나와 연결하며, 상기 솔라 모듈과 상기 절환부 사이에는 상용 전원 인가와 상기 절환부의 절환 동작 사이의 지연 동안 상기 상용 전원의 충격을 완충하는 완충부가 포함된 하나 이상의 단위 발전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 단위 발전부의 절환부는 상용 전원 인가에 따라 동작하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 스위칭 소자와 상기 연결 전력선 사이에 저주파 필터링 소자가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
   
4. 청구항 2에 있어서, 상기 스위칭 소자는 반응 시간이 1ms 이하인 릴레이인 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 완충부는 상기 솔라 모듈의 양극 중 적어도 한 극과 상기 전력선 사이에 연결되어 교류전류에 대한 선택적 저항을 제공하는 리액터를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 완충부는 상기 솔라 모듈의 양극과 상기 연결 전력선 사이에 직렬 연결되어 저온에서 저항이 커지고 고온에서 저항이 낮아지는 NTC 서미스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
   
7. 청구항 6에 있어서, 상기 통합제어부는 상기 결선 상태 절환 시 상기 NTC 서미스터의 온도 하강을 위한 지연을 제공하는 지연부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
   
8. 청구항 7에 있어서, 상기 지연부는 외부 제어 신호에 따라 지연 시간이 조절되는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서, 상기 통합 제어부의 상기 계통 연계 인버터는 복수의 입력단을 구비하며, 상기 단위 발전부가 상기 계통 연계 인버터의 입력단에 직병렬 형태로 분산 접속될 수 있도록 하는 인터페이스를 더 포함하여 상기 계통 연계 인버터에 인가되는 전압이 기 설정된 기준 범위를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
   
10. 청구항 1에 있어서, 상기 통합 제어부는 상기 단위 발전부를 통한 발전과 상용 전원 제공 상태를 절환하기 위해 시간과 공간 정보 확보를 위한 GPS 수신부, 온도와 조도 중 하나 이상을 포함하는 환경 정보를 측정하는 환경 정보 센싱부, 외부 통신 제어 정보를 수신하는 통신부, 점검을 포함하는 불특정 외부 제어를 수신하는 점검부 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
    
11. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 단위 발전부 중 선택된 단위 발전부에만 하나 이상의 부하가 연결되는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
    
12. 계통 인버터의 입력과 상용 전원이 선택적으로 연결되는 연결 전력선에 하나 이상 연결되는 단위 발전부를 포함하는 계통 연계형 태양광 발전 장치로서,
    상기 단위 발전부는,
    하나 이상의 솔라 모듈과;
    상기 연결 전력선에 저주파 필터를 통해 병렬 연결되어 상기 연결 전력선에 상용 전원이 인가될 때 동작하여 상기 연결 전력선을 상기 솔라 모듈과 단선시키는 절환 스위치와;
    상기 솔라 모듈의 입출력단과 상기 절환 스위치 단자 사이의 두 결선 중 적어도 하나에 직렬 연결되어 상기 솔라 모듈이 발전하는 동안은 기 설정된 수준 이하의 저항을 유지하고 상기 연결 전력선에 상용 전원이 인가된 후 상기 절환 스위치가 동작할 때까지는 상기 상용 전원 전류에 대한 저항으로 동작하는 완충부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
    
13. 청구항 12에 있어서, 상기 완충부는 NTC 서미스터나 리액터인 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
    
14. 청구항 12에 있어서, 상기 연결 전력선에는 복수의 단위 발전부가 직렬 또는 병렬로 연결되며 상기 복수의 단위 발전부 중 기 설정된 단위 발전부의 절환 스위치는 상기 솔라 모듈이 단선될 경우 상기 연결 전력선과 하나 이상의 부하를 연결하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
    
15. 청구항 12에 있어서, 상기 단위 발전부는 가로등을 포함하는 수직형 컬럼 구조물 중 선택된 구조물에 설치되며 상기 단위 발전부의 절환 스위치는 램프를 포함하는 상기 수직형 컬럼 구조물의 부하 중 선택된 부하와 연결되는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 장치.
    
16. 솔라 모듈을 포함하는 하나 이상의 단위 발전부를 제어하는 통합 제어부가 상용계통과의 연동을 위해 구비된 계통연계 인버터의 입력과 상용계통에서 얻어지는 상용 전원 중 하나를 선택하여 상기 단위 발전부와 연결되는 연결 전력선의 결선 상태를 절환하여 발전 전력 송전과 상용 전원 사용 중 하나를 결정하는 통합 제어부 모드 전환 단계와;
    상기 연결 전력선에 상용 전원이 인가되면 상기 단위 발전부에 구성된 절환부가 상기 연결 전력선을 솔라 모듈에서 분리하며, 상기 상용 전원 인가에서 절환부의 동작까지의 지연 동안 상기 솔라 모듈과 상기 절환부 사이에 배치된 완충부를 저항으로 이용하는 단위 발전부 모드 전환 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 방법.
    
17. 청구항 16에 있어서, 상기 단위 발전부 모드 전환 단계에서 상기 절환부는 상용 전원 인가 시 상기 연결 전력선을 부하와 연결하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 방법.
    
18. 청구항 16에 있어서, 상기 완충부는 상기 솔라 모듈과 상기 절환부 사이에 직렬 연결된 NTC 서미스터이며, 상기 통합 제어부 모드 전환 단계에서 상기 상용 전원 사용으로 전환될 경우 상기 연결 전력선을 플로팅 상태로 기 설정된 지연 시간 동안 유지하여 상기 NTC 서미스터의 저항을 높이는 지연 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 방법.
    
19. 청구항 18에 있어서, 상기 지연 단계의 지연 시간은 외부 제어 신호에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 방법.
    
20. 청구항 16에 있어서, 상기 완충부는 상기 솔라 모듈과 상기 절환부 사이에 직렬 연결되어 상용 전원 주파수에서 기 설정된 크기의 저항으로 동작하는 리액터인 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 발전 방법.

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