KR101343191B1 - 태양광 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템은 태양 에너지를 흡수하여 전기에너지로 변환하는 태양광 모듈; 상기 태양광 모듈에서 출력된 입력전압을 검출하고, 상기 검출된 입력전압을 통해 최대 전력점에 대응하는 직류전압을 출력하는 직류변환기; 상기 직류변환기에서 검출한 입력전압 및 상기 최대 전력점에 대응하는 직류전압을 포함하는 데이터 신호를 전송하는 인터페이스부; 상기 인터페이스로부터 수신한 데이터 신호에 상기 태양광 모듈에 대한 정보를 포함하여 전송하는 데이터 결합기; 상기 데이터 결합기로부터 수신한 데이터 신호에서 직류전압 오프셋을 제거하는 데이터 합성기; 및 상기 직류전압 오프셋이 제거된 데이터 신호를 이용해 최대 전력점을 추적하는 데이터 제어기를 포함한다.

Description

태양광 시스템{PHOTOVOLTAIC SYSTEM}
본 발명은 태양광 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되면서 대표적인 환경친화적 그린에너지인 태양광 및 풍력에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 태양광 발전은 무한하고 청정에너지라는 관점에서 상당히 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전 및 가로등뿐만 아니라 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신 장치 등 매우 다양하게 활용되고 있다.
그러나, 태양에너지를 전력으로 변환시키는 태양전지의 발전효율은 대략 10% 대에 그치고 있다. 따라서, 태양 에너지를 어떻게 효율적으로 취득할 수 있는지가 당면 과제이다.
태양전지(solar cell)는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것으로서, 전압원 또는 전류원이라고 말할 수 없는 특수한 전원이다. 일반적인 선형 전압원(linear voltage source)을 사용할 때에는 부하 조건에 상관없이 원하는 동작 조건을 얻을 수 있다.
태양전지는 대표적인 비선형 소스이기 때문에, 태양전지로부터 생성되는 전력은 부하 조건이나 일조량 혹은 주위 온도에 따라서 크기가 변화하는 특징을 지니고 있다.
따라서, 태양전지로부터 가장 큰 유효전력을 얻을 수 있는 지점(Maximum Power Point; MPP)을 추적(Tracking)하여 고정시켜 주는 기술이 필요하였다.
그러나, 종래의 무선 통신을 이용한 태양광 시스템은 무선통신장치 및 중계기가 필요하여 가격 상승뿐만 아니라 설치환경에 많은 제약이 따르고, 유선 통신을 이용한 태양광 시스템은 통신 전용 케이블 선이 필요하여 원가 상승, 설치, 유지 보수 관리가 힘들다는 단점이 있다.
또한, 최대전력 추적 제어 장치는 입력과 출력에 대한 각각의 전류 값 및 전압 값 검출기가 필요하고, 복수의 아날로그 디지털 컨버터가 필요하게 되는 등 많은 부품들이 사용되어 원가 상승의 주 원인으로 작용한다.
본 발명은 태양광 모듈에서 직류 교류 변환기 또는 직류변환기에서 직류 교류 변환기 간에 설치된 직류 케이블선을 통해 데이터를 송수신하여 태양광 시스템의 가격 절감과 설치 및 유지보수 등을 효율적으로 수행하는 태양광 시스템의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 시스템은 태양 에너지를 흡수하여 전기에너지로 변환하는 태양광 모듈; 상기 태양광 모듈에서 출력된 입력전압을 검출하고, 상기 검출된 입력전압을 통해 최대 전력점에 대응하는 직류전압을 출력하는 직류변환기; 상기 직류변환기에서 검출한 입력전압 및 상기 최대 전력점에 대응하는 직류전압을 포함하는 데이터 신호를 전송하는 인터페이스부; 상기 인터페이스로부터 수신한 데이터 신호에 상기 태양광 모듈에 대한 정보를 포함하여 전송하는 데이터 결합기; 상기 데이터 결합기로부터 수신한 데이터 신호에서 직류전압 오프셋을 제거하는 데이터 합성기; 및 상기 직류전압 오프셋이 제거된 데이터 신호를 이용해 최대 전력점을 추적하는 데이터 제어기를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 직류 케이블선을 이용하여 직류변환기의 최대 전력점의 추적을 간단하고 효율적으로 수행할 수 있다.
둘째, 직류변환기의 구성을 단순화시켜 저가의 태양광 시스템을 구축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직류변환기의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직류변환기의 블록도이다.
도 6의 (a) 내지 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 결합기의 다양한 실시 예이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 데이터 제어기의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 태양광 모듈에 대한 정보가 데이터 결합기에 의해 직류 케이블선을 통해 전달되는 방식을 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 시스템의 동작추이를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 모듈을 베터리 셀로 대치한 태양광 시스템의 구성도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 태양광 시스템은 태양광 모듈(10), 직류변환기(20), 무선통신부(RF)(30), 중계기(40), 직류 교류 변환기(50)를 포함한다. 일 실시 예에서 태양광 시스템은 상기 구성요소들이 직렬로 연결되고, 직렬로 연결된 태양광 시스템은 병렬로 복수 개의 어레이를 구성할 수 있다.
일 실시예에서 태양광 모듈(10)은 태양에너지를 흡수하기 위한 모듈로 태양전지일 수 있다.
일 실시예에서 태양광 모듈(10)은 실리콘으로 구성된 웨이퍼(Wafer)로 구성될 수 있다.
각 태양광 모듈(10)은 각 태양광 시스템의 일조 조건이나 온도 조건에 따라 다른 곳에 위치할 수 있다. 일 실시 예에서 태양광 모듈(10)은 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 형태로 구성될 수 있다. 빛이 태양광 모듈(10)에 쪼여지면, 빛이 가지고 있는 에너지에 의해 태양광 모듈(10)에 정공(Hole)과 전자(Electron)이 발생하며, 이 때 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되고, 이에 따라 전위차가 발생하며, 전류가 흐르게 된다.
여기서, 태양광 모듈(10)은 빛 에너지(태양에너지)를 전기 에너지로 바꾸는 모듈로, 일반적인 전기 에너지원(대표적으로 전기-화학 배터리, 발전기)과는 다른 전기적인 특성을 지니고 있다. 기존의 전기 에너지는 선형 전압원(Linear Voltage Source)의 특성을 가지고 있기 때문에, 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸릴지라도 항상 일정한 전압을 유지하면서 안정하게 동작하고, 하나의 동작점만을 가지고 있기 때문에, 어떠한 입출력 조건에서도 항상 안정한 시스템으로 동작한다. 즉, 선형 전압원을 가지는 전기 에너지원을 사용할 때에는 부하 조건에 관계없이 원하는 동작 조건을 얻어낼 수 있게 되는 것이다. 하지만, 태양광 모듈(10)은 기존의 전기 에너지와는 다른 비선형 소스(Non Linear Soure)의 특성을 가지고 있기 때문에, 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸리면 일정한 전압을 유지하지 못하고, 여러 개의 동작점을 가질 수 있는 등 불안정하게 동작할 수 있다.
직류변환기(20)는 태양광 모듈(10)에서 출력하는 최대 전력점을 추적할 수 있다. 일 실시예에서 입력 검출기에 의해 검출된 전압 또는 전류의 값과 출력 검출기에 의해 검출된 전압 또는 전류의 값을 이용하여 각 태양광 모듈(10)에서 최대의 전력을 출력하는 최대 전력점을 추적할 수 있다. 입력 검출기는 입력전압 검출기 및 입력전류 검출기를 포함할 수 있고, 출력 검출기는 출력전압 검출기 및 출력전류 검출기를 포함할 수 있다.
무선통신부(30)는 각 직류변환기(20)에서 측정한 입력전압, 입력전류, 출력전압, 출력전류 및 입력전력, 출력전력 및 추적된 최대 전력점에 대한 정보를 중계기(40)로 전송한다.
중계기(40)는 각 직류변환기(20)에서 측정한 입력전압, 입력전류, 출력전압, 출력전류 및 입력전력, 출력전력 및 추적된 최대 전력점에 대한 정보를 무선통신부(30)로부터 수신한다. 또한, 중계기(40)는 각 태양광 모듈(10)이 가지고 있는 정보 예를 들어, 각 태양광 모듈(10)의 식별번호(ID), 각 태양광 모듈(10)이 받는 태양 빛의 강도(일사량), 태양광 모듈(10)의 온도(표면온도)에 대한 정보를 수신할 수 있다.
중계기(40)는 상기 정보를 실시간으로 감시하고, 각 태양광 시스템에서 최대 전력을 출력하지 못하는 경우, 최대 전력점을 추적하도록 태양광 시스템을 제어할 수 있다.
직류 교류 변환기(50)는 수신한 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 부하에 공급한다.
그러나, 상기와 같이 무선통신을 이용한 태양광 시스템은 별도의 무선통신부(30) 및 중계기(40)가 필요하여 가격 상승뿐만 아니라 설치환경에 많은 제약이 따른다는 문제가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 태양광 시스템은 태양광 모듈(10), 직류변환기(20), 유선통신부(60), 직류 교류 변환기(50), 데이터 제어기(70)를 포함한다.
태양광 모듈(10), 직류변환기(20) 및 직류 교류 변환기(50)는 도 1에서 설명한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
각 유선통신부(60)는 서로 유선으로 연결되어 있고, 각 직류변환기(20)에서 측정한 입력전압, 입력전류, 출력전압, 출력전류 및 입력전력, 출력전력 및 추적된 최대 전력점에 대한 정보를 데이터 제어기로 전송한다.
데이터 제어기(70)는 각 직류변환기(20)에서 측정한 입력전압, 입력전류, 출력전압, 출력전류 및 입력전력, 출력전력 및 추적된 최대 전력점에 대한 정보를 각 유선통신부(60)를 통해 수신한다. 또한, 데이터 제어기(70)는 각 유선통신부(60)에서 는 각 태양광 모듈(10)이 가지고 있는 정보 예를 들어, 각 태양광 모듈(10)의 식별번호(ID), 각 태양광 모듈(10)이 받는 태양 빛의 강도(일사량), 태양광 모듈(10)의 온도(표면온도)에 대한 정보를 수신할 수 있다.
데이터 제어기(70)는 상기 정보를 실시간으로 감시하고, 각 태양광 시스템에서 최대 전력을 출력하지 못하는 경우, 최대 전력점을 추적하도록 태양광 시스템을 제어할 수 있다.
그러나, 상기와 같이 유선을 이용한 태양광 시스템은 별도의 통신전용 케이블 선이 필요하여 원가 상승, 설치 및 유지보수 관리가 힘들다는 문제가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직류변환기의 블록도이다.
직류 변환기(20)는 입력전압 검출기(21a), 입력전류 검출기(21b), 출력전압 검출기(23a), 출력전류 검출기(23b), 제1 내지 제4 아날로그 디지털 변환기(22a, 22b, 24a, 24b), 제어부(25), 최대전력 추적부(26), 스위치 드라이버(27), 스위칭회로(28)를 포함한다.
입력전압 검출기(21a)는 태양광 모듈(10)에서 출력되어 스위칭회로(28)로 입력되는 전압을 검출한다.
입력전류 검출기(21b)는 태양광 모듈(10)에서 출력되어 스위칭회로(28)로 입력되는 전류를 검출한다.
제1 아날로그 디지털 변환기(22a)는 스위칭회로(28)로 입력되는 입력전압 값을 디지털 값으로 변환한다.
제2 아날로그 디지털 변환기(22b)는 스위칭회로(28)로 입력되는 입력전류 값을 디지털 값으로 변환한다.
출력전압 검출기(23a)는 스위칭회로(28)에서 출력하는 전압을 검출한다.
출력전류 검출기(23b)는 스위칭회로(28)에서 출력하는 전류를 검출한다.
제3 아날로그 디지털 변환기(24a)는 스위칭회로(28)에서 출력하는 출력전압 값을 디지털 값으로 변환한다.
제4 아날로그 디지털 변환기(24b)는 스위칭회로(28)에서 출력하는 출력전류 값을 디지털 값으로 변환한다.
최대전력 추적부(26)는 입력전원 값과 출력전원 값을 이용하여 태양광 모듈(10)이 출력할 수 있는 최대 전력점을 추적한다.
스위칭회로(28)는 태양광 모듈(10)에서 부하로 입력되는 전원의 크기를 변환할 수 있다. 일 실시예에서 스위칭회로(28)는 트랜지스터, 예들 들어 FET, MOSFET 혹은 IGBT로 구현될 수 있다.
제어부(25)는 직류변환기(20)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
제어부(25)는 상기 입력전압 값, 입력전류 값 중 어느 하나를 이용하여 또는 입력전압 값 및 입력전압을 이용하여 최대 전력점을 출력하도록 하는 제어신호를 생성하여 최대전력 추적부(26)로 전송할 수 있다.
제어부(25)는 상기 출력전압 값, 출력전류 값 중 어느 하나를 이용하여 또는 출력전압 값 및 출력전압을 이용하여 최대 전력점을 출력하도록 하는 제어신호를 생성하여 최대전력 추적부(26)로 전송할 수 있다.
제어부(25)는 상기 입력전원 값 및 출력전원 값을 이용하여 최대 전력점을 출력하도록 하는 제어신호를 생성하여 최대전력 추적부(26)로 전송할 수 있다.
제어부(25)는 최대전력 추적부(26)에서 추적한 최대 전력값을 출력하도록 스위칭회로(28)를 제어할 수 있다. 스위칭회로(28)는 제어부(25)의 제어에 따라 태양광 모듈(10)에서 부하로 입력되는 전압 값 및 전류 값의 크기를 변환할 수 있다.
상기과 같이 직류변환기(20)는 최대 전력점을 추적하기 위한 구성을 가지나, 입력과 출력에 대한 전류 값 및 전압 값에 대한 검출기가 필요하고, 4개의 아날로그 디지털 변환기가 요구되는 등 복잡하고, 많은 구성 품들이 사용되어 원가 상승의 주요인으로 작용한다.
또한, 도 1 내지 도 3에 기재된 태양광 시스템에서는 각 태양광 모듈(10)과 각 직류변환기(20)에서 흐르는 전류는 동일하므로 각 직류변환기(20)에서 전류를 직접 검출하는 방법은 비효율적이며, 전류를 검출하는 것은 고가의 방식이 사용되므로 전체 태양광 시스템의 가격을 상승시키게 된다.
따라서, 전체 태양광 시스템의 가격 절감 및 설치, 유지 보수 관리를 효율적으로 할 수 있는 방안이 필요하다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 각 태양광 시스템은 태양광 모듈(100), 직류변환기(200), 인터페이스부(300), 데이터 결합기(400), 데이터 합성기(500), 데이터 제어기(600), 직류 교류 변환기(700)를 포함할 수 있다.
도 4와 같이, 각 태양광 모듈의 구성요소들은 직렬(String)방식으로 연결되어 있고, 각 태양광 모듈(100)은 병렬로 연결되어 하나의 어레이를 구성할 수 있다.
일 실시예에서 태양광 모듈(100)은 태양에너지를 흡수하기 위한 모듈로 태양전지일 수 있다.
일 실시예에서 태양광 모듈(100)은 실리콘으로 구성된 웨이퍼(Wafer)로 구성될 수 있다.
각 태양광 모듈(100)은 각 태양광 시스템의 일조 조건이나 온도 조건에 따라 다른 곳에 위치할 수 있다.
태양광 모듈(100)은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 출력한다.
직류변환기(200)는 태양광 모듈(100)의 출력전압 및 직류변환기(200)의 출력전압을 이용하여 후술한 데이터 제어기(600)에 의해 최대 전력점에 따른 출력전압을 생성하고, 출력한다. 여기서, 최대 전력점이란, 태양광 모듈(100)이 부하에 공급할 수 있는 최대 전력 값을 의미할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각 태양광 모듈(100)이 출력하는 전압 값은 Vm1, Vm2, ..., Vmn으로 표시하였으며, 각 태양광 모듈(100)과 직렬연결된 직류변환기(200)를 통해 최대 전력을 부하에 공급할 수 있도록 전압 값을 출력한다. 직류변환기(200)에서 출력하는 출력전압 값은 Vo1, Vo2, ..., Von으로 표시하였다.
인터페이스부(300)는 직류변환기(200)에서 검출한 입력전압 값 및 추적된 최대 전력점에 대한 데이터를 직류변환기(200)로부터 디지털 값으로 수신하여 후술할 데이터 결합기(400)에 전송할 수 있다.
데이터 결합기(400)는 상기 인터페이스로부터 수신한 데이터 신호에 상기 태양광 모듈(100)에 대한 정보를 포함하여 전송한다.
데이터 합성기(500)는 인터페이스부(300)로부터 수신한 데이터에서 직류전압 오프셋을 제거하고, 데이터 제어기(600)에 전송한다.
데이터 제어기(600)는 직류전압 오프셋이 제거된 데이터를 이용해 최대 전력점을 검출할 수 있다. 최대 전력점은 전체 태양광 시스템이 부하에 최대전력을 공급하기 위한 점으로 특정 전압에 대응되는 최대전력 값을 의미할 수 있고, 특정 전류에 대응되는 최대전력 값을 의미할 수 있다.
직류 교류 변환기(700)는 상기 최대 전력 점에 해당하는 최대 전력을 교류형태로 변환하여 부하에 제공한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직류변환기(200)의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 직류변환기(200)는 입력전압 검출기(210), 출력전압 검출기(230), 입력 아날로그 디지털 변환부(220), 출력 아날로그 디지털 변환부(240), 스위치 드라이버(250), 스위칭회로(260)를 포함할 수 있다.
입력전압 검출기(210)는 태양광 모듈(100)에서 출력되어 스위칭회로(260)로 입력되는 입력전압을 검출한다.
입력 아날로그 디지털 변환기(220)는 검출된 입력전압을 디지털 신호로 변환한다.
출력전압 검출기(230)는 직류변환기(200)의 출력전압을 검출한다.
출력 아날로그 디지털 변환기(240)는 검출된 입력전압을 디지털 신호로 변환한다.
디지털 신호로 변환된 입력전압 및 출력전압은 후술한 데이터 제어기(600)에 의해 최대 전력점을 추적하는데 이용되어 최대 전력점에 대한 추적 제어신호가 스위치 드라이버(250)로 전달된다.
스위치 드라이버(250)는 상기 최대 전력점에 대응하는 전압 값을 출력하도록 스위칭회로(260)를 구동하는 구동신호를 생성하여 스위칭회로에 전송한다.
스위칭회로(260)는 스위치 드라이버(250)로부터 구동신호를 수신하여 최대 전력점에 대응하는 전압 값을 출력하도록 작동한다.
도 6의 (a) 내지 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 결합기(400)의 다양한 실시 예이다.
데이터 결합기(400)는 수신한 각 직류변환기(200)의 출력전압 값을 포함한 데이터 및 각 태양광 모듈(100)에 대한 정보를 포함한 데이터를 결합하여 데이터 제어기(600)로 전송하거나 데이터 제어기(600)로부터 데이터를 수신하여 인터페이스부(300)로 전송한다.
데이터 결합을 위해 도 6 (a) 내지 (d)의 실시 예를 이용한다.
도 6의 (a)는 캐패시터를 이용해 각 직류변환기(200)의 출력전압 값을 포함한 데이터와 각 태양광 모듈(100)에 대한 정보를 포함한 데이터를 결합하는 예를 보여준다.
도 6의 (b)는 트랜스포머를 이용해 각 직류변환기(200)의 출력전압 값을 포함한 데이터와 각 태양광 모듈(100)에 대한 정보를 포함한 데이터를 결합하는 예를 보여준다.
도 6의 (c)는 믹서(Mixer)를 이용해 각 직류변환기(200)의 출력전압 값을 포함한 데이터와 각 태양광 모듈(100)에 대한 정보를 포함한 데이터를 결합하는 예를 보여준다.
도 6의 (d)는 다중화기(MUX; Multiplexer)를 이용해 각 직류변환기(200)의 출력전압 값을 포함한 데이터와 각 태양광 모듈(100)에 대한 정보를 포함한 데이터를 결합하는 예를 보여준다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 데이터 제어기(600)의 구성도이다.
도 7을 참조하면, 데이터 제어기(600)는 전류검출기(610), 아날로그 디지털 컨버터(620), 제어부(630), 최대전력 추적부(640)를 포함한다.
전류검출기는 태양광 모듈(100)에 흐르는 전류를 검출한다.
아날로그 디지털 컨버터(620)는 각 직류변환기(200)의 출력 전압을 디지털 신호로 변환환다.
제어부(630)는 각 직류변환기(200)(1 내지 N)의 출력 전압(V01 내지 ON)을 전류 검출기에서 검출된 전류 값(I)와 곱하여 각 태양광 모듈(100)이 출력하는 전력 값(PM1 내지 PMN)을 계산한다. 또한, 각 태양광 모듈(100)이 출력하는 출력 전압 값 및 각 태양광 모듈(100)에 대한 정보를 수집하여 최대 전력점을 추적하도록 후술할 최대전력 추적부(640)를 제어한다.
최대전력 추적부(640)는 최대전력 추적 알고리즘을 사용하여 각 직류변환기(200)에 포함된 스위칭회로의 듀티 비를 결정하여 최대전력점을 추적할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 태양광 모듈(100)에 대한 정보가 데이터 결합기(400)에 의해 직류 케이블선을 통해 전달되는 방식을 나타내는 도면이다.
일 실시 예에서 태양광 모듈(100) N은 직류변환기 N(200)에서 검출되고 아날로그 디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환되고 인터페이스부(300) N에 의해 식별번호(ID)를 부여 받고 정보 N1 내지 NK들과 프레임 N으로 정형화된다. 일 실시 예에서 정보 N1 내지 NK들은 태양광 모듈(100) N의 출력전압 VMN, 직류변환기(200)의 출력 전압 VON, 태양광 모듈(100) N의 표면온도 등에 대한 정보를 의미할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
정형화된 프레임 N은 디지털 또는 아날로그 신호로 변조되어 데이터 결합기(400)(N)에 의해 VON의 직류 전압 오프셋(DC offset)을 가지고, T1 시간동안 결합된다. 다른 태양광 모듈(100) 또한, 상기와 같은 방식으로 인터페이스부(300)에 의해 순차적으로 정형화되고, 각 데이터 결합기(400)에 의해 직류 전압 오프셋(DC offset)을 가지고 일정시간 동안 결합한다. 가장 높은 전위를 갖는 직류변환기(200) 1에는 VO1 내지 VON가 합해진 전위가 걸리고, 데이터 결합기(400) 1은 프레임 1부터 프레임 N까지의 모든 데이터를 합하고, 직류 케이블선을 통해 데이터 합성기(500)에 전송한다.
데이터 합성기(500)는 수신한 각 직류변환기(200)의 출력전압 값을 포함한 데이터에서 직류 전압 오프셋을 제거하고, 각 태양광 모듈(100)에 대한 정보를 포함한 데이터를 합성하여 데이터 제어기(600)로 전송한다. 각 태양광 모듈(100)에 대한 정보는 각 태양광 모듈(100)의 출력 전압, 식별번호, 각 태양광 모듈(100)의 표면온도, 일조시간 등을 포함할 수 있다.
데이터 제어기(600)는 수신한 데이터가 아날로그 신호인 경우 복조하는 과정을 수행하고, 수신한 데이터가 디지털 신호인 경우, 복조 과정을 수행하지 않는다.
일 실시 예에서 직류 케이블선을 통해 데이터 합성기(500)로 데이터를 전송할 시에 아날로그 신호 또는 디지털 신호로 전송하는 것은 태양광 시스템에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
데이터 제어기(600)는 직류 전압 오프셋이 제거된 데이터를 제어부에 의해 판독하고, 전류 검출기를 통해 전류를 검출한다. 데이터 제어기(600)는 각 태양광 모듈(100)의 출력전압인 VM1 내지 VMN 또는 각 직류변환기(200)(1 내지 N)의 출력 전압(V01 내지 ON)을 전류 검출기에서 검출된 전류 값(I)와 곱하여 각 태양광 모듈(100)이 출력하는 전력 값(PM1 내지 PMN)을 계산한다. 각 태양광 모듈(100)이 출력하는 전력 값 및 출력전압 값 등에 대한 정보는 사용자나 관리자가 감시하기 위해 사용될 수 있다.
최대전력 추적부(640)는 상기 정보를 사용하여 최대전력 추적 알고리즘을 사용하여 각 직류변환기(200) 내부 스위칭회로(260)의 듀티(Duty)비를 결정할 수 있다. 여기서, 듀티비란, 디지털 신호의 한 주기내의 파형에서 1과 0값의 비율을 의미하는 것으로 스위칭회로(260)가 ON 또는 OFF되는 시간 간격을 의미할 수 있다.
제어부(630)는 각 직류변환기(200)(1 내지 N)안에 포함된 각 스위칭회로(260)의 듀티비에 관한 정보 혹인 필요한 제어신호 등을 도 8에 도시한 것처럼 N1 내지 NK 형태로 프레임화하여 디지털 또는 아날로그 신호로 데이터 결합기(400)로 전송한다. 데이터 결합기(400)는 프레임화된 데이터를 직류 케이블선을 통해 각 데이터 결합기(400)(1 내지 N)로 전송하고, 각 데이터 결합기(400)(1 내지 N)는 프레임화된 데이터에서 직류 성분을 오프셋한다. 디지털 형태로 전송된 데이터는 복조과정 없이 즉시 판독되나 아날로그 신호로 변조된 정보는 복조되어 판독된다. 각 인터페이스부(300)(1 내지 N)는 고유의 식별정보(ID)에 해당되는 신호만 인식하고 나머지는 무시한다. 각 직류변환기(200)는 인식된 정보에 따라 명령을 수행한다. 예를 들어, 각 직류변환기(200)의 내부 스위칭회로(260)의 듀티 비에 의해 각 태양광 모듈(100)의 출력전압(VM1 내지 VMN)과 각 직류변환기(200)의 출력전압(VO1 내지 VO2)이 재조정됨과 동시에 재 검출된다. 재 검출된 상기 값은 각 인터페이스부(300), 각 데이터 결합기(400), 직류 케이블선을 통해 데이터 합성기(500)로 전송되고, 데이터 제어기(600)에서 재해석된다. 재 해석된 정보에 의해 다시 최대전력 추적 알고리즘에 따라 각 스위칭회로(260)의 듀티 비가 결정되고, 다시 각 직류 변환기(200)를 제어하여 각 태양광 모듈(100)의 출력전압과 각 직류변환기(200)의 출력전압을 조장하게 되고, 원하는 최대 전력점에 도달할 때까지 이 과정은 반복된다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 시스템의 동작추이를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예인 태양광 시스템이 이상적으로 동작했을 때의 상태를 도시한 것으로, 각 태양광 모듈(100)은 동일하게 최대전력 값인 100W만큼의 전력을 출력하고(내부 소모 전력을 무시한다는 가정하에), 각 직류변환기(200)의 출력전압은 30V로 동일하고, 각 태양광 모듈(100)에 흐르는 전류는 3.33A로 동일한 것으로 가정한다.
도 10은 태양광 시스템의 상태가 변화한 경우, 상태를 도시한 도면이다. 특히, 태양광 모듈(100)이 총 10개이고, 그 중에서 태양광 모듈(100) 10의 상태가 변화되었을 경우를 상정한 도면이다.
일 실시 예에서 태양광 시스템의 상태가 변한 경우란, 태양광 모듈(100) 10에 그늘이 발생하였거나, 다른 외부의 원인에 의해 상태가 변한 경우를 의미할 수 있다. 도 10을 참조하면, 태양광 모듈(100) 10의 상태가 변한 경우, 태양광 모듈(100) 1 내지 9까지 각 직류변환기(200)의 출력전압은 30V에서 34V로, 태양광 모듈(100) 10의 전압은 20V로 변하게 되고, 태양광 모듈(100) 10에 흐르는 전류가 3.33A에서 1.5A로 감소하여 전체 태양광 시스템에 흐르는 전류에 영향을 주게 된다. 즉, 전체 태양광 시스템에 흐르는 전류가 1.5A로 감소하게 된다.
따라서, 태양광 모듈(100) 1 내지 9가 출력하는 전력 값은 51W가 되고, 태양광 모듈(100) 10이 출력하는 전력은 30W가 되어, 태양광 모듈(100) 1 내지 10이 출력하는 전체 출력 값은 489W로 도 9의 전체 태양광 시스템에 비하여 511W가 감소된 전력 값을 출력한다.
이 경우, 도 8에서 언급한 방법으로 각 직류변환기(200)의 출력전압 및 각 태양광 모듈(100)에 흐르는 전류 값에 대한 정보를 전송하고 데이터 제어기(600)에 의해 태양광 모듈(100) 10의 최대 전력점을 추적할 때까지 명령과 정보를 주고 받게 된다.
도 11은 태양광 모듈(100) 10의 최대 전력점이 검출된 경우, 전체 태양광 시스템의 상태를 나타낸 도면으로, 도 11을 참조하면, 최종적으로 태양광 모듈(100) 10의 최대 전력점은 19V와 2.9A로 직류 변환기 10에 의해 재 조정되고 나머지 태양광 모듈(100) 1 에서 9는 2.9A에서 최대 전력 점을 얻기 위해 34.48V로 재 조정되고, 총 전력은 955.1W로 증가된다.
즉 이상이 생긴 태양광 모듈(100) 10을 제외한 나머지 태양광 모듈(100)들은 100W로 복귀되어 전체 태양광 시스템이 도 10과 같이 출력 전력 값이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 방법으로 각 태양광 모듈(100)의 부정합(mismatch)이나 특정 태양광 모듈(100)에 이상이 발생하여 효율이 감소되어 전체 시스템의 효율을 감소시키는 문제를 해소할 수 있어 기존의 최대전력 추적시스템 방식보다 단순하면서도 효율적으로 운영될 수 있다. 이와 동일한 방법으로 각 태양광 모듈(100)과 각 직류변환기(200)의 온도 측정 데이터, 과전압 및 과전류 보호 등의 정보를 받아 명령을 재 전달 함으로써 전체 태양광 시스템을 감시하거나 보호할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광 모듈(100)을 베터리 셀로 대치한 태양광 시스템의 구성도이다.
도 4에서 각 태양광 모듈(100)은 전기 자동차 또는 태양광 충전용 전지의 배터리 셀(Cell)로 대치될 수 있으며, 이에 따라 추가적인 시스템 없이 배터리 운영 시스템에 적용시킬 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
100: 태양광 모듈
200: 직류변환기
300: 인터페이스부
400: 데이터 결합기
500: 데이터 합성기
600: 데이터 제어기
700: 직류 교류 변환기

Claims (12)

  1. 태양 에너지를 흡수하여 전기에너지로 변환하는 태양광 모듈;
    상기 태양광 모듈에서 출력된 입력전압을 검출하고, 상기 검출된 입력전압을 통해 최대 전력점에 대응하는 직류전압을 출력하는 직류변환기;
    상기 직류변환기에서 검출한 입력전압 및 상기 최대 전력점에 대응하는 직류전압을 포함하는 데이터 신호를 전송하는 인터페이스부;
    상기 인터페이스부로부터 수신한 데이터 신호에 상기 태양광 모듈에 대한 정보를 포함하여 전송하는 데이터 결합기;
    상기 데이터 결합기로부터 수신한 데이터 신호에서 직류전압 오프셋을 제거하는 데이터 합성기; 및
    상기 직류전압 오프셋이 제거된 데이터 신호를 이용해 최대 전력점을 추적하는 데이터 제어기를 포함하는 태양광 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직류변환기, 상기 인터페이스부, 상기 데이터 결합기, 상기 데이터 합성기 및 상기 데이터 제어기는 직류 케이블선에 의해 연결된 태양광 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 모듈, 상기 직류변환기, 상기 인터페이스부 및 상기 데이터 결합기는 복수 개로 구성되는 태양광 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 추적된 최대 전력점에 해당하는 최대 전력을 부하에 교류신호로 변환하여 제공하는 직류교류 변환기를 더 포함하는 태양광 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 태양광 모듈은,
    태양광 시스템의 일조 조건 또는 온도 조건에 따라 위치하는 태양광 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 직류변환기는,
    상기 태양광 모듈에서 출력되어 상기 직류변환기로 입력되는 전압을 검출하는 입력전압 검출기;
    상기 직류변환기에서 출력되는 전압을 검출하는 출력전압 검출기; 및
    상기 입력전압 및 출력전압을 이용하여 상기 최대 전력점에 대응하는 직류전압을 출력하는 스위칭회로를 포함하는 태양광 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 태양광 모듈에 대한 정보는,
    상기 태양광 모듈의 출력전압, 상기 태양광 모듈의 식별번호를 포함하는 태양광 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 데이터 제어기는,
    상기 태양광 모듈에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출기;
    상기 직류변환기의 출력전압과 상기 검출된 전류를 이용해 최대 전력점을 생성하는 제어신호를 출력하는 제어부; 및
    상기 출력된 제어신호를 수신하여 최대 전력점을 추적하는 최대전력 추적부를 포함하는 태양광 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 데이터 결합기는,
    캐패시터를 이용해 각 직류변환기의 출력전압에 대한 데이터와 각 태양광 모듈에 대한 정보를 포함한 데이터를 결합하는 태양광 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 데이터 결합기는,
    트랜스포머를 이용해 각 직류변환기의 출력전압에 대한 데이터와 각 태양광 모듈에 대한 정보를 포함한 데이터를 결합하는 태양광 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 데이터 결합기는,
    믹서를 이용해 각 직류변환기의 출력전압에 대한 데이터와 각 태양광 모듈에 대한 정보를 포함한 데이터를 결합하는 태양광 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 데이터 결합기는,
    다중화기를 이용해 각 직류변환기의 출력전압에 대한 데이터와 각 태양광 모듈에 대한 정보를 포함한 데이터를 결합하는 태양광 시스템.


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