KR101226628B1 - 태양광 발전시스템의 직렬전압 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지판이 서로 다른 전압을 가질 경우에도 모든 발전 에너지를 전부 활용할 수 있게 하기 위하여, 낮은 전압을 발전하는 전지판에 직렬로 보상전압을 추가시켜 최적의 조건에서 발전 가능한 전압으로 만들어 주는 태양광 발전시스템의 직렬전압보상장치에 관한 것으로, 종래 태양광발전시스템에서 발전출력을 키우기 위해서 전지판의 병렬연결시 역전류의 흐름을 방지하기 위하여 사용하는 다이오드로 인하여 전지판의 발전전압이 서로 차이가 나타나게 되면 발전효율이 급격히 떨어지게 되나, 본 발명은 개별 전지판의 발전전압을 측정하여 부족전압이 발생하는 전지판이 있는 경우에 별도로 구비된 부족 전압 발생기를 직렬연결하여 병렬연결된 모든 전지판의 출력전압을 일정하게 만들어 줌으로서 항상 최적의 발전 효율을 가지게 만들고, 어떤 조건에서도 항상 모든 태양전지판이 발전하는 전압을 출력전압으로 사용할 수가 있어서 발전효율을 획기적으로 높일 수 있다.

Description

태양광 발전시스템의 직렬전압 보상장치{SERIES VOLTAGE COMPENSATION APPARATUS FOR SOLAR GENERATING SYSTEM}

본 발명은 태양전지판 고장 자동 보상 기능을 가지는 태양광 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 발전에서 발전용량을 크게 하기 위하여 전지판을 직렬과 함께 병렬 연결장치를 부가하여 어떤 조건에서도 항상 최적의 발전효율이 나올 수 있도록 해주는 태양광 발전시스템의 직렬전압보상장치에 관한 것이다.

일반적으로 상용화된 태양전지판은 전압/전류 용량이 적기 때문에 여러장을 직렬연결하여 전압의 크기를 크게 하며, 전류를 크게 하기 위해서는 병렬연결한다.

즉, 태양광발전에서 태양전지판도 상용 교류 220V 전압을 얻기 위해서는 여러개가 직렬로 연결되어야 하며, 또 요구되는 전력을 만들기 위해서는 병렬연결이 되어야 한다.

이때 직렬연결은 상용으로 판매되는 태양전지판을 직렬접속하면 되나, 전류를 크게 하기 위한 병렬연결은 별도의 접속장치를 사용해야한다.

일반적인 접속장치의 역할은 개별 태양전지판에서 만들어진 전류를 합쳐주는 기능을 하면 되나, 개별 태양전지판에서 발전 되는 전압이 다를 수 있으므로 출력단자를 바로 연결할 수가 없다.

즉, 발전 되는 전압이 서로 다른 경우 출력단자를 그냥 합쳐주면, 높은 전압을 발전하는 태양전지판의 전기가 낮은 전압을 발전하는 태양전지판으로 넘어 들어가 소모되기 때문에 발전 되는 전체 전기에너지가 줄어드는 상태가 된다.

따라서 최소한 전압이 다른 경우에는 역전류가 흐르는 것을 막기 위한 소자가 필요하며, 기존의 시스템에서는 간단한 다이오드라는 소자만을 직렬연결하여 해결하고 있다.

그러나, 이러한 종래기술에 의한 다이오드는 전류가 역방향으로 흐르는 것을 막아주는 역할을 하므로 높은 전압이 낮은 전압측으로 흘러들어가는 것을 막아주는 역할을 하여 시스템의 동작을 안정시켜주는 역할을 하나, 상대적으로는 여러개의 전압 중 높은 전압만을 연결시켜 줌으로써 낮은 전압은 발전에너지로 사용되지 못하는 상황이 발생하여 발전효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 태양전지판이 서로 다른 전압을 가질 경우에도 모든 발전 에너지를 전부 활용할 수 있게 하기 위하여, 낮은 전압을 발전하는 전지판에 직렬로 보상전압을 추가시켜 최적의 조건에서 발전 가능한 전압으로 만들어 주는 태양광 발전시스템의 직렬전압보상장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 직렬전압보상장치는, 직렬 연결되어 전압을 발생하는 다수의 태양전지판; 상기 태양전지판들을 그룹화하여 접속 스위치부에 병렬 연결하는 하나 이상의 태양전지판 그룹; 상기 각각의 태양전지판 그룹으로 역방향 전류가 못 흐르게 하기 위하여 각각의 다이오드(DO1, DO2)가 직렬연결되고, 상기 다이오드(DO1, DO2) 쪽 접점(CC)과 선택적으로 연결가능한 각각의 접점(NO, NC) 및 릴레이를 포함하는 접속 스위치부; 별도의 태앙전지판을 구비하여 부족전압을 발생시키며, 상기 접속 스위치부의 일측의 접점(NO)에 연결되는 부족 전압 발생부; 태양전지판 그룹의 전압을 측정하는 태양전지판 전압측정부; 및 상기 부족 전압 발생부에서 발생된 전압과 상기 태양전지판 전압측정부에서 측정된 전압에 따라 보상이 필요한 상기 태양전지판에 직렬로 연결되도록 상기 접점(CC)를 제어하여 상기 릴레이를 선택적으로 연결시키는 시스템 제어부를 포함한다.

상기 시스템 제어부는, 상기 태양전지판 전압측정부에서 측정된 어느 하나의 태양전지판 그룹의 전압이 미리 설정된 기준 전압 이하일 경우, 상기 부족 전압 발생부에서 발생된 전압이 공급되도록 한다.

또한, 본 발명은 상기 접속 스위치부의 접점(NC)에 연결되어 상기 태양전지판에서 모아진 전기를 상용전원 전력망으로 송출하는 태양광 발전용 인버터부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 직렬전압보상장치에 의하면, 종래 태양광 발전시스템에서 발전출력을 키우기 위해서 전지판의 병렬연결시 역전류의 흐름을 방지하기 위하여 사용하는 다이오드로 인하여 전지판의 발전전압이 서로 차이가 나타나게 되면 발전효율이 급격히 떨어지게 되나, 본 발명은 개별 전지판의 발전전압을 측정하여 부족전압이 발생하는 전지판이 있는 경우에 별도로 구비된 부족 전압 발생기를 직렬연결하여 병렬연결된 모든 전지판의 출력전압을 일정하게 만들어 줌으로서 항상 최적의 발전 효율을 가지게 만들고, 어떤 조건에서도 항상 모든 태양전지판이 발전하는 전압을 출력전압으로 사용할 수가 있어서 발전효율을 획기적으로 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 DC-DC 변환기를 이용한 개별 태양전지판 부족전압보상장치를 나타낸 블록도.
도 2는 도 1의 직류-직류 강압형 변환기를 나타낸 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 직렬전압보상장치를 나타낸 블록도.
도 4는 도 3을 더욱 상세히 나타낸 블록도.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에서는 직렬 전압 보상기를 사용하며, 구현하는 방법으로 다음과 같은 두 가지방법을 제시할 수 있다.

첫째로, 한 개의 태양전지판에서 나오는 전압을 별도의 전원으로 사용하여, 이를 DC-DC buck type 변환기로 제어하여 원하는 출력이 나오게 만들어 보상전원으로 사용한다.

도 1은 DC-DC 변환기를 이용한 개별 태양전지판 부족전압보상장치를 나타낸 블록도이다.

개별 태양전지판에서 발전되는 부족 전압에 대한 보상 방법은 도시된 바와 같이 태양전지판 발전전압 전체를 개념적으로 DC-DC 변환기를 이용하여 원하는 전압을 직접 만들어 줄 수 있으나, 다루는 전력이 클 경우에는 전압 용량도 커지고, 전류 용량도 증가됨으로 고가가 되고 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서 전체 전압을 만드는 방법 대신 도 2와 같이 부족 전압만을 보충해 주는 직렬 보상기를 만들 수 있다.

위의 방법을 조금 더 자세히 설명하면, 태양전지판에서 나오는 전압을 PWM 제어로 전압을 가변시킬 수 있는 직류-직류 강압형 변환기를 이용하여 필요로 하는 보상전원을 만들어 직렬 보상하는 방법이며, 직류-직류 강압형 변환기는 도 2와 같은 회로 구성을 가진다.

도 2에서 스위치(S/W)로 입력전압을 on/off 시키면, 다이오드(D1) 양단 출력에서는 입력전압이 유입되었다 안되었다를 반복하는 PWM 신호가 만들어지고, 이를 인덕터(L)를 통해서 평활화하면 출력(V0 전압)에서는 PWM 파의 평균치가 나오게 되며, 따라서 PWM 도통률을 제어하여 원하는 크기의 출력을 만들 수 있다.

그러나 전자소자와 제어기를 사용하므로 단가가 올라가며, 고장 위험을 항상 내포하고 있다.

둘째로, 도 3에 도시된 바와 같이, 표준 크기의 절반 이하의 전압용량을 가지는 별도의 태양전지판에서 발전되는 전압을 바로 보상전원으로 사용하여 부족되는 위치에 직렬로 삽입하는 방식이며, 이렇게 하면 효율이 떨어지고 고장 위험성이 있을 수 있는 별도의 전력변환장치는 사용하지 않으므로 신뢰성 있는 보상기가 구현된다.

이 경우는 보상이 필요한 적정전압에 해당하는 전압을 발전하는 별도의 태양전지판을 추가하여 이를 직접 보상전원으로 사용하는 것이다.

이러한 구성은 모든 전지판이 다이오드로 병렬연결되는 위치에 개별적으로 추가될 필요는 없다.

다이오드는 일종의 회로 동작상으로는 OR 로직을 만드므로 여러개의 입력 전압 중 가장 큰 것만이 출력에 나오게 되며, 따라서 상대적으로 낮은 전압을 발전하는 전지판은 동작을 못하게 되며, 따라서 이 중 가장 낮은 전지판 쪽에만 부족전압 보상기를 추가하면 된다.

한편 연결된 전지판이 전부 다 낮은 전압으로 발전하면 특별히 보상할 필요가 없으며, 결국은 여러개 중에서 가장 낮은 것만 보상하면 되기 때문에 시스템의 구성에 따라서 다르겠지만, 보상이 필요한 위치에 한 개의 보상기를 삽입시켜 주는 것으로 충분하다.

따라서 병렬연결된 개별 전지판의 전압을 감지하여 전압이 부족한 전지판을 찾아내고 그 위치에 보상기를 삽입하는 제어 회로가 필요하다.

이를 나타내면 도 3 및 도 4와 같다.

도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 직렬전압보상장치를 나타낸 블록도이고, 도 4는 도 3을 더욱 상세히 나타낸 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 직렬전압보상장치(1000)는 직렬연결된 다수의 태양전지판(100, 110, 120), 태양전지판 그룹(200, 300), 접속 스위치부(400), 부족 전압 발생부(500), 별도의 태양전지판(510), 태양전지판 전압측정부(600), 시스템 제어부(700), 릴레이 및 구동부(800), 태양광 발전용 인버터부(900)를 포함한다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 발전 전압을 높이기 위하여 다수의 태양전지판(100, 110, 120)을 직렬연결하고, 전류 용량을 크게 하기 위하여 상기 태양전지판(100, 110, 120)들을 그룹화한 하나 이상의 태양전지판 그룹(200, 300)을 다시 접속 스위치부(400)에 병렬 연결한다.

접속 스위치부(400)에는 각각의 태양전지판 그룹(200, 300)으로 역방향 전류가 못 흐르게 하기 위하여 각각의 다이오드(DO1, DO2)가 직렬연결된다.

또한, 상기 다이오드(DO1, DO2) 쪽 접점(CC)과 선택적으로 연결가능한 각각의 접점(NO, NC) 및 릴레이(800)를 포함한다.

그리고, 별도의 태앙전지판(510)을 구비하여 부족전압을 보상하는 부족 전압 발생부(500)를 상기 접속 스위치부(400)의 일측의 접점(NO)에 연결한다.

태양전지판 전압측정부(600)는 태양전지판(100, 110, 120)의 전압을 측정한다.

시스템 제어부(700)는 상기 부족 전압 발생부(500)에서 발생된 전압과 상기 태양전지판 전압측정부(600)에서 측정된 전압에 따라 보상이 필요한 태양전지판(100, 110, 120)에 직렬로 연결되도록 접점(CC)을 제어하여 릴레이(800)를 선택적으로 연결시킨다.

이때 릴레이(800) 구동에도 전기가 사용되므로 전기 손실을 최소화하기 위해서 보상기를 사용하지 않는 조건이 릴레이 구동을 안하는 조건이 되도록 릴레이 접접을 NC(평상시 접점 도통상태)가 되도록 한다.

태양광 발전용 인버터부(900)는 상기 태양전지판(100, 110, 120)에서 모아진 전기를 상용전원 전력망으로 송출한다.

상기 시스템 제어부(700)의 전원은 보상용 전지판의 여분의 전원을 사용할 수 있다.

따라서 본 발명을 기존 시스템에 바로 적용하더라도 보상용으로 추가되는 적은 용량의 전지판 이외에는 별도의 손실되는 에너지가 없으므로 매우 효과적으로 태양발전시스템의 효율을 높일 수 있다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100, 110, 120: 직렬연결된 태양전지판
200, 300 : 태양전지판 그룹
400: 접속 스위치부
500: 부족 전압 발생부
510 : 별도의 태앙전지판
600: 태양전지판 전압측정부
700: 시스템 제어부
800: 릴레이 및 구동부
900 : 태양광 발전용 인버터부
1000 : 직렬전압보상장치

Claims (3)

1. 직렬 연결되어 전압을 발생하는 다수의 태양전지판과;
   상기 태양전지판들을 그룹화하여 접속 스위치부에 병렬 연결하는 하나 이상의 태양전지판 그룹과;
   상기 각각의 태양전지판 그룹으로 역방향 전류가 못 흐르게 하기 위하여 각각의 다이오드(DO1, DO2)가 직렬연결되고, 상기 다이오드(DO1, DO2) 쪽 접점(CC)과 선택적으로 연결가능한 각각의 접점(NO, NC) 및 릴레이를 포함하는 접속 스위치부;
   별도의 태앙전지판을 구비하여 부족전압을 발생시키며, 상기 접속 스위치부의 일측의 접점(NO)에 연결되는 부족 전압 발생부;
   태양전지판 그룹의 전압을 측정하는 태양전지판 전압측정부; 및
   상기 부족 전압 발생부에서 발생된 전압과 상기 태양전지판 전압측정부에서 측정된 전압에 따라 보상이 필요한 상기 태양전지판 그룹에 직렬로 연결되도록 상기 접점(CC)를 제어하여 상기 릴레이를 선택적으로 연결시키는 시스템 제어부와;
   상기 시스템 제어부는,
   상기 태양전지판 전압측정부에서 측정된 어느 하나의 태양전지판 그룹의 전압이 상대적으로 미리 설정된 기준 전압 이하일 경우, 상기 부족 전압 발생부에서 발생된 전압이 직렬연결되어 공급되도록 하는 것에 있어서,
   여러 개의 부족 전압 발생부를 사용하지 않고 하나의 부족 전압 발생부를 릴레이를 통해서 태양전지판 접합부의 저전압이 발생된 필요한 곳으로 직렬연결하여 상기 태양전지판 그룹에서 모아진 전기를 상용전원 전력망으로 송출하는 태양광 발전용 인버터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 직렬전압보상장치.
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