KR101138907B1 - 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 태양 에너지를 집광하여 전기적 출력을 생산하도록 구성되는 셀(Cell)과, 이 셀의 전극을 연결하는 인터커넥트 리본(Interconnect Ribbon)과, 이 인터커넥트 리본을 서로 연결하는 버스바(Bus Bar)와, 태양전지의 전력 산출을 측정하고 저항을 적용하여 최대 전력을 얻을 수 있도록 구성된 최대전력점(Maximum Power Point Tracking: MPPT)칩 및 상기 MPPT칩이 구성되고, 상기 인터커넥트 리본 및 버스바를 통해 복수 구성되는 셀과 연결되는 PCB(Printed Circuit Board)로 이루어진 태양전지 모듈을 포함하고, 상기 태양전지 모듈은 외부 환경적 요인으로 인해 개별 태양전지 모듈의 전력이 수시로 변하는 상황에서도 최대 전력을 수확할 수 있는 것을 특징으로 하는 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈을 제공한다.

Description

최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈{Maximum Power Point Tracking Method Using Solar Cell Module}
본 발명은 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 인버터에서 중앙제어를 수행하던 최대전력점(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 기능을 각각의 태양광 모듈 내에 삽입하여 태양광 발전 시스템의 모듈간 또는 Cell간의 성능 불일치를 개선하고 음영에 의한 전력 생산량 감소문제를 해결할 수 있는 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광발전은 높은 발전단가에 비해 전력 생산 효율이 낮은 단점이 있다. 그러나, 화석 에너지의 감소와 무공해라는 환경적인 요구가 증가함에 따라 현재에는 태양광 발전 효율 개선에 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만, 환경적 요인으로 인하여 태양으로부터 받은 에너지를 태양전지를 통해 변환할 수 있는 전기에너지의 비율은 전체 태양에너지의 약 10~20%에 불과하다.
여기서, 태양전지 모듈은 구리(Cu), 주석(Sn), 납(Pb)등과 같은 조성물로 구성되어 있으며, 각 셀(Cell)들을 연결하는 인터커넥트(Interconnect)와, 전류를 전달하도록 도체의 역할을 하는 버스바(Bus Bar)를 통해 다수의 셀들을 연결하여 모듈을 구성한다.
종래 기술에 의한 태양전지 모듈은 10개의 Cell들을 연결하고, 이 셀들은 6줄로 나열하여 인터커넥트 리본(Interconnect Ribbon)과 구리 소재의 표면에 2원금속 또는 3원 금속으로 이루어진 버스바를 납땜(Soldering)에 의해 전기가 흐를 수 있도록 연결하여 태양전지 모듈을 제작하게 된다.
하지만, 종래 기술에 의한 태양전지 모듈은 직렬연결된 여러 개의 셀에서 생산한 각각의 최고 전력값을 더하는 것이 아니라 최소 모듈의 전력값에 의해 영향을 받도록 설계되어 있어서 전력 수확량이 현격하게 줄어드는 문제점이 있었으며, 이는 모듈 한 개라도 음영이 발생하게 되면 전체 전력 생산량이 떨어지게 되는 단점이 있었다.
아울러, 종래 기술에 따른 태양광 발전 시스템은 그 특성상 일사량이나 온도 등의 기상조건의 영향을 많이 받을 수밖에 없어, 태양전지의 출력이 일사량, 온도, 구름 등의 주변 환경에 따라 그 전압과 전류가 비선형적으로 변화하게 될 뿐만 아니라, 이용할 수 있는 시간대도 한정적일 수밖에 없어 주어진 환경조건하에서 최대한의 전력을 확보하는 것이 필요한 실정이다.
이에 따라 태양전지 출력은 주위 환경에 의해 그 출력이 비선형적으로 변화하는 특성을 가지고 있기 때문에 태양광 발전 시스템에서 최대전력점 추종(MPPT: Maximum Power Point Tracking)기법이 사용되고 있다.
하지만, 기존의 태양광 발전 시스템에 사용되는 MPPT 기법은 태양전지 어레이를 구성하는 모듈에 모두 동일한 일사량 조건을 갖는 경우, 주어진 일사량, 온도 환경조건에서 태양전지 어레이의 전력, 전압 특성곡선에 오직 하나의 최대전력점이 존재하는 경우에 적합하며, 구름, 주변의 나무, 건물, 어레이의 부분적 오염 등에 의해 부분적인 음영은 빈번히 발생하는 문제점이 발생하였으며, 특히 주변에 건물이 많은 태양광 어레이의 경우에는 더욱더 빈번히 발생하는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 최대전력점(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 기능을 각각의 태양전지 모듈 내에 삽입하여 외부 환경적 요인으로 인해 개별 태양광 모듈의 전력이 수시로 변하는 상황에서도 전력을 최대한 수확할 수 있어 태양광 발전 시스템의 모듈간 또는 셀간 성능의 불일치를 개선하고, 음영에 의한 전력 생산량 감소문제를 해결하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명은 태양 에너지를 집광하여 전기적 출력을 생산하도록 구성되는 셀(Cell), 이 셀의 전극을 연결하는 인터커넥트 리본(Interconnect Ribbon), 이 인터커넥트 리본을 서로 연결하는 버스바(Bus Bar), 태양전지의 전력 산출을 측정하고 저항을 적용하여 최대 전력을 얻을 수 있도록 구성된 최대전력점팁(Maximum Power Point Tracking chip: MPPT Chip) 및 상기 MPPT칩이 구성되고, 상기 인터커넥트 리본 및 버스바를 통해 복수 구성되는 셀과 연결되는 PCB(Printed Circuit Board)로 이루어진 태양전지 모듈을 포함하고, 상기 태양전지 모듈은 외부 환경적 요인으로 인해 개별 태양전지 모듈의 전력이 수시로 변하는 상황에서도 최대 전력을 수확할 수 있는 것을 특징으로 하는 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 MPPT칩은 6개의 셀 당 하나의 MPPT칩으로 구성되어 이 셀들의 최대전력점을 트랙킹(Tracking)하는 시스템을 제공하는 것을 특징으로 하는 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 태양전지 모듈은 6개의 셀들이 인터커넥트 리본에 의해 연결 구성되어 하나의 모듈로 구성하고, 이 모듈은 버스바와 인터커넥트 리본이 납땜에 의해 연결되며, 10개의 스트링(String)이 서로 연결 구성되어 하나의 태양전지 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 최대전력점칩(Maximum Power Point Tracking: MPPT Chip)을 각각의 태양전지 모듈 내에 삽입하여 외부 환경적 요인으로 인해 개별 태양광 모듈의 전력이 수시로 변하는 상황에서도 전력을 최대한 수확할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양광 발전 시스템의 모듈간 또는 셀간 성능의 불일치를 개선하고, 음영에 의한 전력 생산량 감소문제를 해결 가능한 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MPPT가 구성된 태양전지를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MPPT가 구성된 태양전지 모듈을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MPPT칩을 나타낸 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MPPT가 구성된 태양전지 모듈을 통해 음영 발생시 출력값을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MPPT가 구성된 태양전지를 나타낸 도면, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MPPT가 구성된 태양전지 모듈을 나타낸 도면, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MPPT칩을 나타낸 도면, 도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MPPT가 구성된 태양전지 모듈을 통해 음영 발생시 출력값을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지 모듈은 태양 에너지를 집광하여 전기적 출력을 생산하도록 다수 구성되는 셀(Cell: 110), 이 셀(110)들의 전극을 연결하는 인터커넥트 리본(Interconnect Ribbon: 120), 인터커넥트 리본(120)을 서로 연결하는 버스바(Bus Bar: 130) 및 최대전력점(Maximum Power Point Tracking: MPPT)칩(140)이 구성된 PCB(Printed Circuit Board: 150)을 포함하여 구성된다.
셀(Cell: 110)은 인터커넥트 리본(120)을 통해 직렬 또는 병렬로 연결되며, 버스바(130)에 의해 MPPT칩(140)이 구성된 PCB(150)와 연결 구성되어 태양전지 모듈을 구성하는 구성요소이다.
이러한 셀(110)들은 인터커넥트 리본(120)에 의해 각각의 전극들이 서로 연결 구성되며, 총 6개의 셀(110) 당 하나의 MPPT칩(140)이 구성될 수 있도록 연결 구성된다.
또한, 6개의 셀(110)들을 버스바(130)를 통해 총 60개의 셀(110)이 연결될 수 있도록 구비하고, 이들을 납땜에 의해 연결되도록 하여 전류가 흐르는 통전 상태로 구성되게 함으로써, 하나의 태양전지 모듈을 구성하도록 한다.
즉, 도 1b에 도시된 바와 같이, 6개의 셀(110)들을 인터커넥트 리본(120)으로 연결하여 하나의 모듈로 구성하고, 인터커넥트 리본(120)과 버스바(130)가 납땜에 의해 연결되면서 일측부는 MPPT칩(140)이 구비된 PCB(150)와 연결되는 것이다.
아울러, 전술한 바와 같이, 하나의 모듈로 구성된 6개의 셀(110)을 인터커넥트 리본(120)과 버스바(130)를 통해 서로 연결하되 10개의 모듈, 다시말해 총 60개의 셀(110)들을 연결하여 하나의 태양전지 모듈로 구성하도록 하는 것이다.
여기서, PCB(150)는 도 3에 도시된 바와 같이, 6개의 셀(110)들에 적용되는 MPPT칩(140)을 구성하고, 그 양측으로 이 셀(110)들의 전극을 연결하고 있는 인터커넥터 리본(120)과 납땜에 의해 연결되는 구리 재질의 버스바(130)가 구성된다.
또한, 최소 단위로 이루어진 태양전지 모듈, 다시말해 6개의 셀(110)들로 이루어진 모듈이 하나의 PCB(150)에 연결될 수 있도록 이 PCB(150)에는 일정 간격 이격되게 구성되며, 인터커넥터 리본(120)과 연결되는 버스바(130)가 납땜에 의해 연결되는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 최소 단위로 이루어진 태양전지 모듈에 각각 구성되어 하나의 태양전지 모듈로 구성할 때 서로 연결 구성될 수도 있을 것이다.
여기서, 최대전력점(Maximum Power Point Tracking: MPPT)칩(140)은 전지의 산출을 측정하고 저항(부하)을 적용하여 어떠한 환경 조건 아래에서도 최대 전력을 얻을 수 있도록 설계된 칩을 말한다.
이와 같은 본 발명의 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈은 도 4에 도시된 바와 같이, MPPT칩(140)을 적용한 태양전지 모듈과 MPPT칩(140)을 적용하지 않은 상태의 태양전지 모듈을 비교하였으며, 비교 데이터는 표 1과 같다.
구분 Pmax(최대출력값)
Standard Module 음영 (無) 220Wp
Standard Module 1 Cell 음영 135Wp
6 Cell 음영 110Wp
MPPT chip Module 1 Cell 음영 190Wp
6 Cell 음영 190Wp
상기의 표 1에 나타난 바와 같이, 음영이 전무한 상태의 일반적인 모듈(Standard Module)의 경우에는 220Wp가 측정되고 있고, 음영이 있는 경우의 측정 데이터는 1 Cell 음영일 경우, 135Wp의 측정 데이터가 산출됨에 따라, 1 Cell의 음영이 발생한다 하더라도 40% 정도의 효율저하 발생하였으며, 6 Cell 음영일 경우에는 50% 정도의 효율저하 발생하고 있음을 알 수 있다.
하지만, 본 발명의 MPPT칩(140)이 적용된 태양전지 모듈은 1 Cell 음영일 경우, 190Wp의 측정 데이터가 산출됨에 따라, 1 Cell의 음영이 발생한다 하더라도 12~15%% 정도의 효율저하 발생하였으며, 6 Cell 음영일 경우에도 마찬가지로 190의 Wp가 출력되고 있으며, 12~15%의 효율저하가 발생하고 있음을 알 수 있다.
즉, 음영이 발생한다 하더라도 태양전지 모듈의 환경적 요인에 따라 발생할 수밖에 없는 출력 저하를 최소화할 수 있게 되어 태양전지 모듈의 부분음영 지역의 발생에 따른 손실에 대한 보상이 이루어지게 되는 것이다.
이와 같은 본 발명은 최대전력점(Maximum Power Point Tracking: MPPT) 기능을 각각의 태양전지 모듈 내에 삽입하여 외부 환경적 요인으로 인해 개별 태양광 모듈의 전력이 수시로 변하는 상황에서도 전력을 최대한 수확할 수 있어 태양광 발전 시스템의 모듈간 또는 셀간 성능의 불일치를 개선하고, 음영에 의한 전력 생산량 감소문제를 해결 가능한 발명이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 셀 120: 인터커넥터 리본
130: 버스바 140: MPPT
150: PCB

Claims (4)

  1. 태양 에너지를 집광하여 전기적 출력을 생산하도록 구성되는 셀(Cell)과, 이 셀의 전극을 연결하는 인터커넥트 리본(Interconnect Ribbon)과, 이 인터커넥트 리본을 서로 연결하는 버스바(Bus Bar)와, 태양전지의 전력 산출을 측정하고 저항을 적용하여 최대 전력을 얻을 수 있도록 구성된 최대전력점(Maximum Power Point Tracking: MPPT)칩 및 상기 MPPT칩이 구성되고, 상기 인터커넥트 리본 및 버스바를 통해 복수 구성되는 셀과 연결되는 PCB(Printed Circuit Board)로 이루어진 태양전지 모듈을 포함하고,
    상기 태양전지 모듈은 외부 환경적 요인으로 인해 개별 태양전지 모듈의 전력이 수시로 변하는 상황에서도 최대 전력을 수확할 수 있는 것을 특징으로 하는 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MPPT칩은 6개의 셀 당 하나의 MPPT칩이 구성되어 이 셀들의 최대전력점을 측정하는 것을 특징으로 하는 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 PCB는 6개의 셀들로 이루어진 모듈이 하나의 PCB에 연결되며, 인터커넥터 리본과 연결되는 버스바가 납땜에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈은 6개의 셀들이 인터커넥트 리본에 의해 연결 구성되어 하나의 모듈로 구성하고, 이 모듈은 버스바와 상기 인터커넥트 리본이 납땜에 의해 연결되며, 10개의 모듈이 서로 연결 구성되어 하나의 태양전지로 구성되는 것을 특징으로 하는 최대전력점 추종기법을 이용한 태양전지 모듈.
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