KR101302541B1 - 전력 추출기 회로 - Google Patents

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엑슬런트 에너지 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 최적 미만(less-than-optimum) 조건 동안, 태양 전지 어레이의 전력을 캡쳐하는데 이용되는 전력 추출기 회로를 개시한다. 감소된 입사 태양 방사시에, 태양 전지 어레이에 의해 공급된 저전력 레벨은 통상적으로 부하를 동작시키기에 충분하지 않을 것이나, 전력 추출기 회로가 있음으로 해서, 태양 전지판에 의해 발생된 저전력을 배터리 또는 부하의 에너지 배리어를 극복하기에 충분히 높은 레벨로 축적할 것이다. 전력 추출기 회로는 바람직하게는 전압 및 전류 부스터 회로를 포함하고, 태양 전지 어레이의 모든 전력 레벨에서 동작하도록 설계된다: 저전력 레벨에서는, 태양 전지 어레이의 저전력 기간동안 부스터 기능을 제공하며, 고전력 레벨에서는 태양 전지 어레이의 통상의 동작동안 구성요소 고장을 방지한다. 많은 전력 추출기 회로들은 또한 태양 전지 어레이의 광범위한 전력 레벨을 커버하기 위해 직렬로 인스톨될 수 있다. 본 발명의 전력 추출기 회로는 또한 다른 전원에 사용되어, 통상적으로 손실되었던 일부의 전력을 이용할 수 있다.
태양 전지 어레이, 전력 추출기 회로, 입사 태양 방사, 에너지 배리어, 전압 및 전류 부스터 회로

Description

전력 추출기 회로{POWER EXTRACTOR CIRCUIT}
기술분야
본 발명은 전원으로부터 저전력 체제의 전력을 채취하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 주위의 기후 조건을 변경시키는 동안 광전지 어레이(photovoltaic array)의 전력 출력을 전달하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
태양 전력(solar power)은 막대한 시장성이 있는 깨끗하고 재생가능한 에너지 자원(바람, 지열 증기, 바이오매스, 및 수력 전기 등) 중 하나이다. 태양 전력은 태양으로부터의 에너지를 이용하여, 태양광 전지(photovoltaic solar cell)를 통해, 간접 난방, 조명, 온수 및 간접 전기 생성을 제공한다. 광전지는 태양광을 전기로 직접 변환시키는 가장 전도유망한 능동적인 태양 전력이다. 그러나, 광전지는 높은 제조 비용과 낮은 효율성 면에서 보면, 매우 고가이다.
광전지 어레이의 효율성을 개선시키기 위해 상당량의 작업이 행해져 왔다. 초기의 개선들 중 하나는 배터리의 추가이다. 배터리 없이도, 광전지 어레이는 전력을 부하에 직접 공급할 수는 있다. 이 구성의 최대의 단점은 태양 에너지의 불규칙한 분포이다: 대낮의 동작 중에는, 광전지 어레이가 과도한 전력을 생성할 수 있는데 반해, 야간 또는 태양광이 감소된 기간에는, 광전지 어레이로부터 공급되지 않는다. 배터리의 추가에 의해, 과도한 태양 방사 기간 중, 예컨대 대낮에는 광전지 어레이에 의해 배터리가 충전될 수 있으며, 이어서 배터리에 저장된 에너지는 야간 중에 전력을 공급하는데 이용될 수 있다.
하나의 태양 전지는 보통 부하의 통상적인 요구량보다 훨씬 적은 전압 및 전류를 생성한다. 광전지는 통상적으로 광전지 및 그 동작 조건, 예컨대 직사 태양광, 흐림 등에 따라서 0.2 ~ 1.4V 및 0.1 ~ 5A를 공급하는 반면, 부하는 약 5 ~ 48V, 0.1 ~ 20A를 요구한다. 따라서, 많은 광전지를 직렬로 배치하여 필요한 전압 요구량을 제공하고, 병렬로 배치하여 필요한 전류 요구량을 제공한다. 형성시 약한 셀이 있으면, 전압 또는 전류가 강하하여 태양 전지 어레이가 적절하게 기능하지 못할 것이기 때문에, 이러한 배치는 중요하다. 따라서, 예컨대, 배터리에 12V를 제공하기 위해, 17V용으로 배치된 광전지 어레이를 참조하는 것이 보통이다. 추가 5V는 태양 전지 제조 및 태양 전지 동작, 예컨대 감소된 태양광 조건의 변동에 대한 안정성 여유를 제공한다.
이러한 광전지 어레이에 의해 생산되는 전류가 일정하기 때문에, 광조건이 최대인 경우, 광전지 어레이는 고정된 배터리 전압에 기인하여 효율성을 잃게 된다. 예를 들어, 광전지 어레이의 비율이 75W, 17V이면, 75/17=4.41A의 최대 전류를 가질 것이다. 직사 태양광 중에, 광전지 어레이가 17V 및 4.41A를 생산하지만, 배터리의 배율이 12V이기 때문에, 전달된 전력은 약 30%의 손실에 대해 단지 12*4.41 = 52.94W이다. 이것은 상당한 전력 손실이지만; 감소된 태양광 조건에서는, 광전지 어레이에 의해 생산되는 전류 및 전압은 낮은 전자 생성에 기인하여 강 하될 것이어서 배터리를 충전시킬 수 없을 수도 있기 때문에, 광전지 어레이에 의해 제공된 최대 가능 전압을 감소시키는 것은 바람직하지 않다. 도 1은, 광전지(photo cell)로부터 배터리를 직접 충전시키는 것은 최적의 결과를 산출하지 않을 수도 있음을 보여주는, 종래 기술의 광전지의 전압-전류 출력을 도시한다. 이러한 4개의 곡선에서, 개선된 광전지가 표준 전지 이상의 이점을 가질 수 있으며, 개선된 광전지 기술은 보다 높은 파워 출력을 생산할 수 있음을 나타낸다. 그러나, 최적의 파워는 여전히 배터리에 전달되고 있지 않다. 최적의 파워 지점인 "배터리 충전 윈도우"는 곡선의 굴곡부의 상당히 아래쪽에 위치한다.
광전지 어레이의 효율성을 개선시키기 위해, 광전지 어레이가 제공하는 전압을 추종하여 전력이 배터리에 공급되기 전에 DC-DC 컨버터에 의해 배터리 전압으로 변환하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 방식을 도입한다. 이 MPPT 방식은, MPPT 회로에 의해 소모되는 전력이 과도하지 않다면, 30% 전력 손실을 회복할 수 있다.
MPPT 기술과 함께, 각종 방법 및 회로가 태양 전지 어레이의 효율성 및 응용성을 개선하도록 개발되어 왔다. 예를 들어, 3W(1V, 3A)의 저전력 태양 전지로부터 5V의 공급이 필요한 경우, 전압 부스터 회로는 부하를 동작시키기 위해 태양 전지 전압을 5V로 할 필요가 있다.
그러나, 이러한 모든 방법들 및 회로들의 기본적인 가정은 항상, 광전지 어레이가 적어도 필요한 전력, MPPT 예에서는 75W이고, 5V 응용에서는 3W을 생산하여 배터리 또는 부하를 동작시킬 수 있다는 것이다. 지금까지, 어떤 회로도 감소된 태양광 조건 동안에는 태양 전지의 전력을 캡쳐하도록 설계된 적은 없었다. 거의 항상, 태양 전지는 흐린날, 저녁 또는 밤과 같은 낮은 태양광 조건 하에서는 태양 전지가 동작하지 않을 것이라고 결론이 났다.
발명의 개요
감소된 입사 태양 방사 하에서는, 태양 전지 어레이는 배터리를 충전하거나 부하에 전력을 공급하기에 충분한 전력을 생산할만큼의 충분한 태양광을 받을 수 없으며, 따라서 태양 전지 어레이는 동작하지 않으며, 태양 전지판(solar panel)에 의해 발생된 전력이 손실된다.
본 발명은 이러한 환경 하에서 손실된 태양 전지판으로부터 발생된 전력을 캡쳐하도록 설계된 전력 추출기 회로에 관한 것이다. 본 발명의 기본적인 개념은 태양 전지판(또는 임의의 전원)으로부터 다수의 작은 전력 패킷들을 수집하여 축적하고, 이어서 그 축적된 전력을 부하에 전력을 공급하거나 배터리를 충전시키는데 이용하는 것이다. 개별의 작은 전력 패킷 단독으로는 저전압 또는 저전류 때문에, 배터리를 충전하거나 부하에 전원공급하는 등의 임의의 유용한 작업에 적당하지 못하다. 다수의 작은 전력 패킷들을 축적함으로써, 수집된 전력은 배터리를 충전하거나 부하에 전력공급할만큼 충분히 높다. 축적해야할 패킷 수는 응용에 의존하지만, 일반적으로 적어도 작업을 유용하게 하기에 충분해야 한다. 따라서, 많은 저전력의 작은 패킷들을 캡쳐하여, 배터리를 충전하거나 부하를 동작시키기에 충분히 높은 고전력 패킷을 형성하도록 이들을 축적함으로써, 본 발명의 전력 추출기 회로는 감소된 입사 태양 방사 하에서 태양 전지판에 의해 발생된 저전력을 이용할 수 있다.
전력 추출기 회로는 바람직하게는 전압 및 전류 부스터 회로를 포함한다. 전압 부스터 회로는 보다 높은 전압을 발생시키는데 이용할 수 있으며, 전류 부스터 회로는 보다 높은 전류를 발생시키는데 이용할 수 있다. 전력 추출기 회로는 또한 바람직하게는, 태양 전지 어레이의 저전력 기간동안 저전력 레벨의 부스터 기능을 제공하고, 태양 전지 어레이의 통상의 동작동안 고전력 레벨의 컴포넌트 고장을 방지하여, 태양 전지 어레이의 모든 전력 레벨에서 동작하도록 설계된다. 전력 추출기 회로는 고전력에서 전력 추출기 회로의 손상을 방지하기 위해 회로 차단기를 더 포함한다. 더구나, 많은 전력 추출기 회로들이 또한 태양 전지 어레이의 광범위한 전력 레벨을 포함하도록 직렬로 인스톨될 수 있다.
본 발명의 전력 추출기 회로는 또한 통상 손실될 전력 부분을 이용하도록 다른 전원으로 이용될 수 있다.
도 1은 태양 모듈로부터 전압을 충전하는 종래의 배터리를 도시한 도면.
도 2는 예시적인 종래기술의 태양 전원 시스템을 도시한 도면.
도 3은 태양 전지 시스템에서의 본 발명의 실시예를 도시한 도면.
도 4는 전력 추출기 회로의 기본적인 구성을 도시한 도면.
도 5는 전력 추출기 회로의 변압기 플라이백 토폴로지를 도시한 도면.
도 6은 트랜지스터를 전력 추출기 회로의 스위치로 사용하는 본 발명의 일 실시예를 도시한 도면.
도 7은 펄스폭 변조의 예시적 회로를 도시한 도면.
도 8A는 555 타이머 칩의 핀아웃을 도시한 도면.
도 8B는 단안정 동작을 위한 555 타이머 회로의 예시적 회로를 도시한 도면.
도 9는 비안정 동작을 위한 555 타이머 회로의 예시적 회로를 도시한 도면.
도 10은 555 타이머 회로를 이용한 본 발명의 전력 추출기 회로의 예시적인 회로를 도시한 도면.
도 11은 2개의 캐스케이딩 전력 추출기 회로에 대한 본 발명의 일 실시예를 도시한 도면.
발명의 상세한 설명
태양 전지 어레이는 태양광 아래이면 어디서든지 동작될 수 있기 때문에 훌륭한 전력 소스이다. 그러나, 태양 전지 어레이가 보통 낮은 광 조건하에서는 동작되지 않기 때문에, 태양 전지 어레이의 효율성을 개선시키는 것이 최대의 관심사이다. 구체적으로, 거의 모든 태양 전지 어레이가 재충전 배터리를 가지고 있기 때문에, 태양 전지 어레이가 배터리를 충전하기에 충분한 전력을 생산하도록 하지 못하는 기후 조건하에서는, 태양 전지 어레이가 동작하지 않는다.
본 발명은, 태양 전지 어레이의 효율성을 개선시키고, 구체적으로는 낮은 광 조건하에서 태양 전지 어레이를 동작시키는 회로를 설명한다. 본 발명은 또한 최상의 태양광 조건에서도 많은 태양 전지들이 여전히 낮은 광 조건 하에서 고품질의 단일 결정 실리콘 태양 전지만큼의 낮은 전력을 생산할 수 있기 때문에, 저품질 태 양 전지 및 유연성 있는 태양 전지에 적절하다.
본 발명의 기본 구성은 낮은 태양광 조건 하에서 태양 전지에 의해 발생된 많은 저전력 패킷들을 추출하고, 이들을 축적하며, 이어서 배터리를 충전하기 위해 축적기 내의 전력을 이용하는 전력 추출기 회로이다. 또한, 부하가 축적기로부터 전원의 순환성을 저지하도록 설계되는 한, 축적기로부터의 전력을 부하에 전력공급하는데 이용할 수 있으며, 축적기의 순환이란 많은 전력 패킷들로 충전되어 부하로 방전되는 것을 의미한다.
도 2는 예시적인 종래기술의 태양 전지 전원 시스템을 도시한다. 이 구성에서, 태양 전지(10)는 배터리(20) 및 부하(30)에 전력을 제공한다. 배터리(20) 및 부하(30)는 12VDC로 설계되어 있어서, 12V보다 훨씬 낮은 동작 전압으로는 동작하지 않는다. 태양 전지는 통상적으로 완전 직사 태양광(40) 하에서는 어림잡아 17V이다. 그러므로, 최적의 태양광 하에서는, 구성이 최상의 효율성을 위해 MPPT 회로를 필요로 한다. 그러나, 태양광(40)이 예컨대 흐린 날씨에서와 같이 낮아지게될 경우, 태양 전지판(10)은 12V보다 낮은, 예컨대 10V만을 생산할 수 있다. 이 조건하에서, 태양 전지판은 효력이 없게 되며, 부하(30)는 배터리(20)에 의해 동작된다. 따라서, 이러한 구성에서 0V 내지 12V의 태양 전지판에 의해 발생된 전력이 낭비될 것이다.
도 3은 본 발명의 전력 추출기 회로의 제1 실시예를 도시한다. 전력 추출기 회로(115)는 태양 전지판(110)과 배터리(120) 및 부하(130) 사이에 배치된다. 전력 추출기 회로(115)는 그 내부 회로를 동작시키기 위해 태양 전지판(110)으로부터 전력 라인(112)을 통해 전력을 얻는다. 전력 추출기 회로는 축적기, 전압 부스터 또는 전류 부스터를 포함하며, 부하를 동작시키거나 배터리를 충전시킬 수 있는 레벨까지 태양 전지판으로부터 저전력 패킷들을 축적하도록 설계된다. 예를 들어, 날씨가 흐리고, 태양 전지판이 단지 5V, 1mA만 출력한다고 가정한다. 전력 추출기 회로가 없다면, 이 태양 전기판은 배터리를 충전하거나 5mW 이상의 전력을 필요로 하는 부하를 동작시킬 수 없을 것이다. 본 발명의 전력 추출기 회로는, 예컨대, 5V, 1mA의 많은 전력 패킷들을 얻어 내어, 축적기에 넣는다. 충분한 전력 패킷들을 축적한 후에는, 축적기가 충분한 전력, 배터리를 충전시키거나 부하에 전력공급하기 위해, 예컨대 30V, 5mA의 전압 또는 전류를 갖게 될 것이다. 전력 추출기 회로는 태양 전지판의 전력 발생을 증가시키지 않으며, 단지 전력을 전달하기 전에 에너지 장벽을 극복하기에 충분한 전력 패킷들을 축적한다. 따라서, 전력 추출기 회로는 바람직하게는 전력 추출기 회로의 특성에 기인하여 배터리를 충전시키거나, 순환 설계된 부하를 동작시키는데 사용된다.
본 발명의 전력 추출기 회로의 또 다른 특성은 그 전력 요구조건이다. 전력 추출기 회로가 대략 고전력(상기 예에서, 12 내지 17V)으로 태양 전지판, 배터리 및 부하의 모든 성분들에 접속될지라도, 전력 추출기 회로는 훨씬 낮은 전력, 또는 상기 예에서 훨씬 더 낮은 4~5V의 전원으로 동작되도록 구성된다. 그 이유는 전력 추출기 회로가 실제로 태양 전지판의 전력 레벨이 내려가고, 태양 전지판이 피크전력이 아닌 경우에 동작한다는 것이다. 그러나, 전력 추출기 회로는 또한 태양 전지판의 고전력을 피크로 유지할 필요가 있다. 그러므로, 대략 17V의 태양 전지판 에 대해, 4.5V 내지 12V 범위의 전력을 캡쳐하고, 전원 추출기 회로는 4.5 내지 18V의 범위에서 동작하도록 설계될 필요가 있다.
다른 실시예에서, 전력 추출기 회로는 고전력의 전력 추출기 회로에 손상을 입히는 것을 방지하기 위해, 회로 차단기를 더 포함한다. 예컨대, 상기 전원 추출기 회로는 회로 차단기에 의해 전력 추출기 회로를 절연시키고 바이패스하여, 배터리 및 부하에 태양 전지판을 직접 접속시키도록 4.5 내지 12V의 범위에서 동작할 수 있다. 높은 전력 레벨 때문에, 전력 추출기의 유용성이 제한되며, 전력 추출기 회로의 절연 및 바이패스는 태양 전지판 회로의 전체적인 효율성을 감소시키지 않을 것이다.
또 다른 실시예에서, 전력 추출기 회로는 태양 전지판으로부터 보다 넓은 전력 범위를 더 추출하기 위해 캐스케이딩될 수 있다. 예를 들어, 0.3 내지 4.5V의 범위에서 동작하는 전력 추출기는 4.5 내지 17V의 범위에서 동작되는 또 다른 전력 추출기에 의해 캐스케이딩될 수 있다. 12V의 배터리에 접속된 17V의 태양 전지판은 0.3 내지 17V의 범위에서 그 전력이 추출될 수 있다.
상기 설명은 태양 전지 전력 추출에 중점을 둔 것이지만, 본 발명의 전력 추출기 회로는 단지 태양 전력에만 제한되는 것이 아니며, 임의의 전기 전원에 적용될 수 있다. 예를 들어, 부하에 접속되어 있는 소모된(run-down) 배터리가 부하를 동작시킬 수는 없지만 전력 추출 회로에 의해, 전력 축적 기간 후에, 배터리가 잠시동안 부하를 동작시키기에 충분한 전력을 공급할 수 있다. 또한, 많은 소모된 배터리를 병렬로 접속시킴으로써, 전력 추출 회로가 몇시간동안 부하를 동작시키기 에 충분한 전력을 공급할 수 있다. 또 다른 응용은 전기를 발생시키기 위해 흐르는 물을 이용하는 수력 발전이다. 존재하는 부하를 충전하기에 충분치 못한 감소된 물 흐름의 기간동안, 본 발명의 전력 추출 회로는 손실될 수 있는 수력 전기를 추출하여 저장한다. 또 다른 응용은 전기를 발생시키기 위해 공기 흐름을 이용하는 풍력이다. 존재하는 부하를 충전하기에 충분치 못한 약한 바람의 기간동안, 본 발명의 전력 추출 회로는 손실될 수 있는 풍력을 추출하여 저장한다. 또 다른 응용은 연료 전지 기술이다. 취침 모드의 기간동안, 연료 전지는 존재하는 부하를 위해 너무 적은 전력을 발생시킨다. 본 발명의 전력 추출 회로를 이용하면, 저전력 기간동안의 연료 전지로부터 발생된 전력을 추출하여 저장할 수 있다.
본 발명의 기본 원리는, 많은 작은 전력 패킷들을 축적하고, 이어서 이 전력 패킷들의 수집을 부하에 전력공급하거나 배터리를 충전하는데 이용하는 개념이다. 축적 단계는 태양 전지 또는 전원으로부터 전력의 패킷을 수집하고, 이어서 이 전력의 패킷을 축적기에 넣는 단계를 포함한다. 축적기 내의 전력이 부하에 전력공급하거나 배터리를 출력하기에 충분해질 때까지, 상기 전력을 수집하여 축적기에 넣는 단계를 반복한다. 이어서 축적기 내의 전력을 이용하여, 부하에 전력공급하거나 배터리를 충전시킨다. 그리고, 그 사이클을 다시 반복한다. 작은 전력 패킷들 - 이 전력 패킷들 단독으로는 실제로 쓸모없고, 아무데도 이용될 수 없을 정도로 충분히 작음 - 을 수집하여 축적함으로써, 이 전력 패킷들의 축적이 이용하기에 충분히 높은 상당량의 전력을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 전력 추출기 회로의 개념은 전압 부스터 회로의 사상과 잘 맞아 떨어진다. 통상의 DC-DC 전압 부스터 회로에서, 전력을 인덕터에 충전하고, 이어서 그 전력을 축적하는 커패시터로 반전시킨다. 그러나, 부스터 회로가 전력을 보존한다는 점, 이것은 전압과 전류의 곱을 일정하게 유지하면서 전압을 증가시키는 것을 의미하는데, 이런 점에서의 전압 부스터 회로와는 다르게, 본 발명의 전력 추출기 회로는 단지 전력과 시간의 곱을 의미하는 작업만을 보존한다. 따라서, 본 발명의 전력 추출기 회로는 시간에 따라 전력 레벨을 증가시킬 수 있다. 본 발명은 전압 부스터의 사상을 이용하지만, 작은 전력 패킷들을 동력화하는 새롭고 상이한 발명 개념을 제공하며, 이 전력 패킷들을 축적함으로써, 결과적으로 결합된 전력 패킷들을 이용할 수 있게 된다.
축적된 전력은 보다 높은 전압 및 보다 높은 전류를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명은 전압 부스터 및 전류 부스터를 포함할 수 있다. 바람직한 구성은 전압 부스터이며, 높은 비율의 1차 코일 대 2차 코일을 갖는 변압기에 의해, 전류 또한 보다 높은 레벨로 부스팅될 수 있다. 따라서, 본 발명이 전압 부스터의 개념을 이용하고 있을지라도, 전력 추출기 회로가 짧은 시간이지만 입력 전력보다 높은 전력 레벨의 버스트 모드(burst mode)의 전력을 생산하기 때문에, 그 결과는 완전 상이하다.
전압 부스터 회로는 DC-DC 컨버터에 널리 이용되어 왔다. 병렬로 접속된 n개의 커패시터를 충전하면, 전압 V가 각 커패시터 양단에 나타날 것이다. 이어서, 이 커패시터들을 직렬로 재정렬하면, 총 전압이 nV로 증가할 것이다. 인덕터(L), 스위치(S), 다이오드(D) 및 축적기 커패시터(C)를 포함한, (기본적인 전압 부스터 구성을 이용한) 보다 양호한 기본 전력 추출기 구성이 도 4에 도시된다. 스위치(S)는 통상 펄스 발생기에 의해 제어된다. 인덕터(L), 스위치(S) 및 펄스 발생기가 전압 추출기 회로의 제1 구성요소인 전력 축적(210)을 구성하고, 커패시터(C)는 제2 구성요소인 축적기(220)를 구성한다. 스위치(S)가 장시간동안 개방되어 있으면, 커패시터(C) 양단의 전압은 입력 전압과 동일하다. 스위치가 폐쇄되는 경우(충전 상태), 전력을 인덕터(L)에 저장하고, 다이오드(D)는 커패시터(D)가 방전되는 것을 방지한다. 스위치가 개방되는 경우(방전 상태), 인덕터(L)에 저장된 전력을 커패시터(C)로 방전하여 커패시터(C)에 축적한다. 스위치 개방 및 폐쇄의 과정을 계속 반복하면, 커패시터(C) 양단의 전압은 매 사이클마다 상승할 것이다. DC-DC 컨버터는 통상 몇몇 피드백을 이용하고, 출력 전압을 조절하도록 제어하지만, 전력 추출기는 피드백이 필요할 수도, 필요하지 않을 수도 있다. 전력 추출기의 주관심사가 전력 패킷들의 축적이므로, 축적된 전력 레벨이 너무 높을 수 있으며, 개별 구성요소의 고장을 초래할 수 있다. 기본 전력 추출기 회로는 반전 토폴로지를 산출하는 인덕터와 다이오드의 스와핑, 또는 출력 전압을 반전하여 절연하는 부스트를 산출하는 부스트 변압기 플라이백 토폴로지 등의 다양한 구성을 가질 수 있다. 도 5는, 변압기의 2차 코일(Sec)인 축적기(240) 또는 커패시터(C)인 축적기(245) 중 하나 또는 둘 모두와 함께, 변압기의 1차 코일(Pri) 및 펄스 발생기에 의해 제어되는 스위치(S)를 포함하는 전력 축적(230)을 도시한다. 전력 추출기 회로는 통상적으로 스위치 및 인덕터를 포함하며, 변압기 플라이백 토폴로지에서, 변압기의 1차 코일은 전력 추출기 회로의 인덕터이다. 커패시터 또는 변압기의 2 차 코일은 축적기의 역할을 한다. 높은 비율의 변압기의 1차 코일 대 2차 코일을 이용함으로써, 전력 추출기 회로는 축적기, 예컨대, 2차 코일 또는 그 2차 코일과 병렬인 여분의 커패시터에 공급되는 현재 레벨을 부스트할 수 있다.
전력 추출기 회로 내의 스위치는 펄스 신호 발생기에 의해 제어되는 게이트(또는 베이스)를 갖는 소스 및 드레인(또는 이미터/콜렉터) 양단에 접속된 트랜지스터일 수 있다. 도 6은, 변압기의 2차 코일(Sec)인 축적기(260) 또는 커패시터(C)인 축적기(265) 중 하나 또는 축적기(260, 265) 둘 모두와 함께, 변압기의 1차 코일(Pri) 및 펄스 발생기에 의해 제어되는 트랜지스터 스위치(T)를 포함하는 전력 축적(260)을 도시한다. 대중적인 제어 기술은, 스위치가 50% 듀티 사이클로 사이클링되는 펄스-주파수 변조, 소정의 피크 인덕터 전류에 도달하면 충전 사이클을 종료하는 전류-제한 펄스-주파수 변조, 및 스위치 주파수가 일정하고 듀티 사이클이 부하에 의해 변동하는 펄스-폭 변조를 포함한다. 도 7은 톱니파 신호 및 변조 사인 신호를 갖는 비교기를 이용하는 펄스 폭 변조의 예시적인 회로를 도시한다. 사인파가 톱니파보다 더 높은 경우, 비교기의 출력 신호가 높아진다.
펄스 발생기는 또한 전력 추출기 회로의 기본 구성요소이다. 펄스 발생기에 대한 각종 회로 구성이 있다. 한가지 기본 펄스 발생기 구성은, 도 8A에 도시된 555 타이머 칩 등의 칩을 이용한 타이머 회로이다. 555 타이머를 이용한 회로에 대한 많은 타이밍 계산들이 스텝 전압 또는 정전압 입력에 의한 직렬 R-C 회로의 응답 및 커패시터 양단에 걸린 지수 출력에 기초한다. 555 타이머의 두가지 기본 동작 모드는 (1) 타이머가 웨이크업(wake up)하여, 단일 펄스를 발생시키고, 이어 서 다시 슬립(sleep)으로 돌아가는 단안정 동작, 및 (2) 타이머가 펄스 발생, 슬립, 펄스 발생, 슬립, ... 영원히 반복하는 무한 사이클로 트래핑되는 비안정 동작이다.
단안정(1-펄스) 동작은 시퀀스에서 이러한 이벤트를 구성하여 이해될 수 있다 (도 8B에 도시된 회로):
0. (t=0까지) 폐쇄된 스위치는 C를 충전하지 않고 유지한다: Vc=0, Vout은 낮다.
1. (t=0에서) 트리거링 이벤트가 발생한다: Vtrigger는 매우 간단히 Vconrol/2 이하로 떨어진다. 이는 스위치가 개방하도록 한다.
2. (0<t<t1) Vc(t)가 시정수 RC에 의해 Vcc를 향해 지수적으로 상승한다. Vout은 높다.
3. (t=t1에서) Vc가 Vcontrol에 도달한다. 이는 스위치가 닫히게 하고, 즉시 C를 방전시킨다.
4. (t=t1로부터) 폐쇄된 스위치는 C를 방전된 채로 유지한다: Vc=0, Vout은 낮다.
도 8에 도시된 비안정(펄스 트레인) 동작이 Vc=Vcontrol/2인 지점에서 시작하여 이 이벤트를 구성하는 것으로 이해될 수 있다:
1. (t=0에서) Vc=Vcontrol/2이고, 스위치는 개방된다.
2. (0<t<t1) Vc(t)는 시정수 (R1+R2)C에 의해 Vcc로 지수적으로 상승한다. Vout은 높다.
3. (t=t1에서) Vc가 Vcontrol에 도달한다. 이는 스위치가 폐쇄되도록 한다.
4. (t1<t<t1+t2) Vc(t)는 시정수 R2C에 의해 0으로 지수적으로 떨어진다. Vout은 낮다.
5. (t=t1+t2=T에서) Vc가 Vcontrol/2에 도달한다. 이는 스위치가 개방되게 한다. 이 조건들은 단계 1에서와 동일하며, 그래서 사이클은 매 T초마다 반복된다. (단계 2로 진행)
도 9의 555 타이머 회로를 이용하면, 본 발명의 일 실시예가 도 10에 도시된다. 그 회로는 출력을 절연시키기 위해 변압기 플라이백 토폴로지를 이용하고, 또한 커패시터를 충전하기 위해 보다 높은 전류를 공급할 수 있다.
555 타이머의 정격 전압이 4.5V와 18V 사이이기 때문에, 555 타이머는 특히 17V 태양 전지판에 적절하다. 따라서, 도 9의 실시예는, 통상의 태양 전지판이 제공할 수 없는 전력을 제공하는 태양 전지판의 4.5V 동작으로 떨어진 입사 태양 방사에서도 동작될 수 있다.
태양 전지판의 0.3V 동작으로 떨어진 다른 동작에 대해서는, 보다 낮은 전압으로 동작하는 발진기를 필요로 한다. 단지 0.4 또는 0.5V(Wattenhofer et al.의 미국특허 제5,936,477호)에서도 동작할 수 있는 링 발진기는 낮은 전력 레벨에서 부스터 회로를 제공하는데 필요할 것이다. 도 11은 요구되는 전압 범위를 커버하기 위해 직렬로 접속하고 있는 두 개의 캐스케이딩 전력 추출기 회로(300, 310)를 도시한다. 적절한 동작을 보장하기 위해 캐스케이딩 및 회로 차단기를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 펄스 폭 변조(PWM) 제어기 및 직류(DC) 부하 제어 및 배터리 보호 회로를 이용하는 배터리 충전기, 종래의 장비 등을 동작시키기 위해 AC 전압을 발생시키기 위한 인버터 등의 태양 전력의 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.
사용중, 태양 전지들을 펼쳐서, 배터리 팩을 충전하는데 이용하기 위한 광 수신 영역을 증가시킬 수 있으며, 사용하지 않는 경우 소형으로 접어넣어 저장할 수 있다. 태양 전지가 박형이기 때문에, 태양 전지 큐브는 비교적 소형이다. 비정질 실리콘 태양 전지 유닛의 수를 증가시킴으로써 태양 전지를 보다 크게 만들 수 있다. 또한 케이블 또는 그 밖의 접속기들에 의해 복수의 태양 전지들을 전기적으로 접속시킬 수 있다. 이러한 형태에서, 태양 전지 출력은 용이하게 변경될 수 있다. 그러므로, 배터리의 전압 또는 용량 요구조건이 변경되는 경우에도, 충전 출력은 새로운 요구조건에 맞게 쉽게 수정될 수 있다. 본 발명의 충전기 기술은, 충전 윈도우가 태양 전지의 4가지 곡선 상의 최대 효율성 지점에 보다 근접하게 위치되도록 전원 스위칭 기술을 이용함으로써, "배터리 충전 윈도우"를 조정할 수 있다. 이어서 그 발생된 전력을, 배터리가 완전 충전 및 부하에 속해 있는 동안에는, 예비 배터리를 충전하거나 방전 시간을 연장하는데 이용할 수 있다.
본 발명은 또한 태양 전지들이 보다 낮은 전력을 생산하는 경향이 있기 때문 에, 저가의 태양 전지에 특히 적절하고, 고가의 태양 전지에는 효율적이지 못하다. 유연성 태양 전지, 플라스틱 태양 전지는, 본 발명의 전력 추출 회로로부터 유리할 수 있는 저가의 태양 전지들의 예이다.
회로는, 각 배터리 기술, 그 중에서도, 니켈 카드뮴(Ni-CD) 배터리, 리튬 이온 배터리, 납산(lead acid) 배터리를 포함한 기술에 맞추어져 있다. 예를 들어, Ni-CD 배터리들이 충전하기 전에 방전되어야 할 필요가 있다.
본 발명의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명의 각종 개조 및 변경이 행해질 수 있음을 본 기술분야의 숙련자라면 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 청구항 및 그 등가물들이 범위 내에만 있다면 본 발명의 개조 및 변경을 포함하는 것으로 의도된 것이다.

Claims (39)

  1. 전력 추출 회로로서,
    부하 또는 배터리에 연결된 축전기 - 상기 부하 또는 배터리는 입력 전력 요구량을 가짐 -; 및
    가변 전원과 상기 축전기 사이에 접속된 전력 축적 회로 - 상기 전력 축적 회로는 상기 가변 전원으로부터 전력을 추출하여 상기 축전기로 전달함 -
    를 포함하고,
    상기 전력은 상기 전원이 상기 부하의 입력 전력 요구량에 매치되는 충분한 전력을 생성하지 않는 기간 동안 상기 전원으로부터 추출되고,
    상기 전력 축적 회로는 상기 전원으로부터 추출된 전력의 성분을 부스트하도록 시간에 따라 전력이 축적되어, 상기 축전기를 상기 부하의 입력 전력 요구량에 매치되는 전력 레벨로 시간에 따라 충전하고,
    상기 부하의 입력 전력 요구량에 매치되는 전력 레벨로 전하가 축적될 때, 상기 축전기는 상기 부하의 입력 전력 요구량에 매치되지 않는 전력 레벨로 방전될 때까지 상기 부하에 대해 축적된 전하를 방전시키고,
    상기 축전기는 상기 부하 또는 배터리에 대해 시간에 따라 축적된 전력을 제공하는 전력 추출 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기간은 상기 전원의 전압 레벨 또는 전류 레벨이 실질적으로 공칭 동작 값(nominal operating value) 아래로 떨어질 때의 상기 전원의 동작 기간을 포함하는 전력 추출 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 축적 회로는 전압 부스터 회로(voltage booster circuit), 전류 부스터 회로, 또는 전압 부스터 및 전류 부스터의 결합물(combination)을 포함하는 전력 추출 회로.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 축적 회로는 발진기에 의해 공급되는 미리 정해진 주파수를 갖는 펄스 신호 발생기(pulse signal generator)에 의해 제어되는 전력 추출 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력 축적 회로는 펄스 신호 발생기에 의해 동작되는 스위칭 회로 및 인덕터(inductor)를 포함하는 전력 추출 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전력 축적 회로는 변압기의 1차 코일 및 펄스 신호 발생기에 의해 동작되는 스위칭 회로를 포함하는 전력 추출 회로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는, 소스-드레인 경로가 상기 전원과 상기 변압기 사이에 접속되고, 게이트가 펄스 신호 발생기의 출력에 접속되는 스위칭 트랜지스터를 포함하는 전력 추출 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 축전기는 변압기의 2차 코일을 포함하는 전력 추출 회로.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 축전기는 커패시터를 포함하는 전력 추출 회로.
  12. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 신호 발생기는 링 발진기(ring oscillator)인 전력 추출 회로.
  13. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 신호 발생기는 비안정 타이머(astable timer)인 전력 추출 회로.
  14. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 신호 발생기는 RC 타이머 회로를 포함하는 전력 추출 회로.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제1항에 있어서,
    상기 전원은 광전(photo-voltaic) 변환에 의해 동작되는 태양 전원을 포함하는 전력 추출 회로.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 제1항에 있어서,
    상기 전력 축적 회로는 전력 축적 제어 기술에 의해 제어되고, 상기 전력 축적 제어 기술은 펄스-주파수 변조를 포함하는 전력 추출 회로.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 전력 축적 회로는 전력 축적 제어 기술에 의해 제어되고, 상기 전력 축적 제어 기술은 펄스폭 변조를 포함하는 전력 추출 회로.
  33. 삭제
  34. 전원의 효율성을 개선하는 방법으로서,
    상기 방법은 가변 전원으로부터 전력을 축적하는 단계
    를 포함하고,
    상기 전력을 축적하는 단계는,
    상기 전원으로부터 전력의 패킷들을 수집하고 - 상기 전력은 상기 전원이 부하의 입력 전력 요구량에 매치되는 충분한 전력을 생성하지 않는 기간 동안 상기 전원으로부터 추출되고, 상기 축적하는 단계는 전력의 각각의 패킷의 전력 성분을 부스팅하는 단계를 포함함 -,
    상기 전력의 패킷들로 시간에 따라 축적기를 충전하여, 상기 축적기를 상기 부하의 입력 전력 요구량에 매치되는 전력 레벨로 충전하고,
    상기 축적기를 상기 부하에 대해 방전시킴으로써 상기 축적된 전력으로 상기 부하에 전력공급하는 - 상기 방전은, 상기 축적기를 상기 부하의 입력 전력 요구량에 매치되는 전력 레벨로 충전하도록 시간에 따라 전력의 패킷들을 축적할 때까지, 상기 축적기의 전력 레벨을 상기 부하의 입력 전력 요구량에 매치되지 않는 전력 레벨로 감소시킴 -
    것에 의해 수행되는, 전원의 효율성 개선 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 전력의 축적은 DC-DC 전압 부스팅 변환, 전류 부스팅 변환, 또는 전압 부스팅 및 전류 부스팅의 결합물에 의해 달성되는, 전원의 효율성 개선 방법.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 전원은 태양 전지 어레이를 포함하는, 전원의 효율성 개선 방법.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 전원은 태양 전지 어레이를 포함하며, 상기 전원이 상기 부하의 입력 전력 요구량에 매치되는 충분한 전력을 생성하지 않는 기간은 상기 태양 전지 어레이에 의해 생성된 전력의 패킷의 전압 레벨 및 전류 레벨에서 상기 부하를 동작시키기에 충분하지 못한 태양 전지 어레이에 입사하는 태양 방사의 기간을 포함하는, 전원의 효율성 개선 방법.
  38. 제34항에 있어서,
    상기 부하는 배터리를 포함하며, 상기 부하에 전력공급하는 것은 상기 배터리를 충전하는 것을 포함하는, 전원의 효율성 개선 방법.
  39. 삭제
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