KR101405882B1

KR101405882B1 - 태양광 전력 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101405882B1
Application number: KR1020130126769A
Authority: KR
Inventors: 이옥재
Original assignee: 주식회사 해라이트; 이옥재
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-06-27

Abstract

태양광 전력 제어 장치 및 방법이 개시된다. 최대 전력 점 추종을 빠르게 수행하는 전력 제어 장치는 복수의 축전지 각각의 단자전압 및 충전전류를 측정하고, 측정된 단자전압 및 충전전류 정보를 제공하는 충전부 및 제공 받은 단자전압 및 충전전류에 상응하는 전력으로 각 축전지를 충전하는 제어부를 포함한다. 따라서, 축전지의 충전과 방전이 동시에 이루어지는 환경에서도 에너지 저장효율을 높일 수 있다.

Description

태양광 전력 제어 장치 및 방법{PHOTOVOLTAIC POWER CONTROL APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 태양광 전력 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지가 생산한 전기를 제어하여 축전지에 저장하는 태양광 전력 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

태양광발전은 발전기의 도움 없이 태양광 모듈을 이용하여 태양빛을 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식이다. P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 태양광 모듈에 태양광이 조사되면, 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 태양광 모듈에 정공(hole)과 전자(electron)가 발생한다. 이때 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위차가 발생하면 전류가 흐르게 되는 것이다.

태양광 발전은 공해가 없고, 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있고, 유지보수가 용이하다는 장점이 있지만, 전력 생산량이 기후에 영향을 받아 일정치 않다는 단점이 있다.

일반적으로 태양광 발전을 통해 생산한 전기는 계통 연계형 방식과 독립형 방식을 통해 사용자에게 공급된다. 계통 연계형 방식은 태양광 발전 설비를 기존에 존재하는 전력 공급망에 연계하는 방법이고, 독립형 방식은 태양광 발전을 통해 생산한 전기를 축전지에 보관하는 방법이다. 지리적 요인에 의해 전력 공급망이 설치되기 어려운 장소 또는 설치에 비용이 과다하여 실제적으로 전력 공급망이 설치되지 못하는 장소 등에는 독립형 태양광 발전을 통해 전기를 공급할 수 있으며, 태양광 발전이 이루어지지 않는 부조일을 고려하여 날마다 최대한의 발전전력을 충전해야 하는 특성을 가지고 있어 계통 연계 방식보다 규칙적인 충전과 신뢰성이 더 요구된다.

독립형 태양광 발전은 태양광 모듈, 축전지, 전력 제어 장치로 구성되며, 태양광 모듈을 통해 생산된 전기는 전력 제어 장치를 통하여 축전지에 저장된다.

한편 지금까지 태양광용 LED(Light Emitting Diode) 가로등 시스템에서 축전지의 충전은 복수개의 축전지를 병렬로 연결하여 주간에 동시에 충전하고 야간에 동시에 방전하는 방법을 사용해 왔다. 일반적으로 축전지의 충전은 벌크충전(Bulk Charge), 흡수충전(Absorption Charge), 부동충전(Float Charge)의 3단계를 통하여 이루어진다.

벌크충전 단계는 가능한 한 빨리 축전지가 충전될 수 있도록 높은 전류, 높은 전압으로 축전지에 전력을 공급하는 단계이다. 태양광 발전에서는 발전 효율을 높이기 위해 최대 전력 점 추종(Maximum Power Point Tracking, MPPT) 방법을 사용하기 때문에, 실제로는 최대 전력 점에서의 전압과 전류를 축전지에 알맞은 전압과 전류로 변환하여 축전지를 충전하는 단계이다. 일반적으로 축전지 용량의 80%에 도달할 때 까지가 벌크충전의 단계이다.

흡수충전 단계는 축전지가 최대용량으로 충전될 때까지 높은 전압을 유지하면서 충전하는 단계이다. 축전지가 완전히 충전되서 상기 전류가 일정 전류 이하로 감소되면 부동충전 단계로 넘어간다.

부동충전 단계는 축전지가 과충전이 일어나지 않는 범위 내에서 일정한 전압과 전류로 충전하는 단계이다. 축전지의 자연방전을 막고 축전지를 사용가능한 상태로 유지시킨다.

축전지의 최대 충전용량을 기준으로 사용한 충전량을 백분율로 나타낸 것을 방전심도라고 하는데, 상기와 같은 축전지 충전 단계에서는 방전심도에 따라 충전효율이 달라지게 된다. 즉 태양전지의 발전량이 일정하더라도 축전지에 저장되는 에너지는 다를 수 있다. 방전심도가 깊은 벌크충전 단계에서 축전지는 최대의 충전효율을 갖는다.

상기한 바와 같은 복수개의 축전지를 병렬로 연결하여 동시에 충전하고 동시에 방전하는 방법은 충전량과 방전량이 비슷하여 방전심도가 얕게 유지되는 경우 에너지 저장의 효율이 떨어지고, 축전지로 메모리 효과(Memory Effect)가 있는 종류의 축전지(예를 들면, 니켈-카드뮴 전지)를 사용하는 경우라면 잦은 충방전으로 인해 축전지의 수명을 단축시킨다는 단점이 있다.
즉, 태양광 발전 장치는 복수개의 축전지를 동시에 충전하거나 방전시키므로, 복수의 축전지 중 제1 축전지의 충전량이 작고, 제2 축전지의 충전량이 상대적으로 많은 상태에서 충전을 수행하는 경우, 제1 축전지는 깊은 방전심도를 가지는 반면 제2 축전지는 낮은 방전 심도를 가진다. 이 경우, 제1 축전지의 사용 효율은 높으나, 제2 축전지의 사용 효율은 낮은 문제가 있다.
한편, 한국 등록특허공보 제10-1294807호(독립형 태양광 발전시스템의 제어장치 및 제어방법)에 따르면, 하나의 축전지를 포함하고 있는 태양광 발전시스템에서 전력량 감지부를 통해 태양전지에서 발전되는 전력량을 감지하고, 충전량 감지부를 통해 축전지의 충전되는 충전전력을 감지하여, 하나의 축전지에 대하여 충전되는 충전량 및 방전되는 방전량을 제어한다.
그러나, 이와 같은 기술은 축전지가 하나일 경우는 축전지의 효율적인 충방전을 제공할 수 있으나, 태양광 발전에 복수의 축전지를 사용할 경우, 태양광 전지판의 출력 전력이 동일하게 적용되어 복수의 축전지의 충전상태가 고려되지 않은 상태로 축전지의 충방전이 이루어지는 단점이 있다.

상기한 바와 같은 단점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 태양전지(100)가 발전한 에너지의 저장효율을 높이는 태양광 전력 제어 장치(200)를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 다른 목적은 상기 방법을 구현하는 태양광 전력 제어 방법을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 태양광 전력 제어 장치는 복수의 축전지 각각의 단자전압 및 충전전류를 측정하고, 측정된 단자전압 및 충전전류 정보를 제공하는 충전부 및 상기 제공 받은 단자전압 및 충전전류에 상응하는 전력으로 각 축전지를 충전하는 제어부를 포함한다.

여기서, 상기 전력 제어 장치는 복수의 충전부를 포함하고, 상기 충전부 각각은 상기 축전지와 각각 전기적으로 연결될 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 상기 복수의 축전지 중 측정된 단자전압이 가장 낮은 축전지를 활성채널 상태로 설정하고, 상기 활성채널을 제외한 채널을 대기채널 상태로 설정하고, 상기 활성채널 축전지가 먼저 미리 설정된 최대 전압까지 충전되거나, 상기 대기채널 축전지 중 적어도 하나가 미리 설정된 최소 전압까지 방전되면, 상기 축전지의 상태를 갱신할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 벌크충전, 흡수충전 및 부동충전 모드 중 축전지의 단자전압 정보와 충전전류에 상응하는 하나의 충전 모드로 상기 각 축전지를 충전하며, 활성채널 축전지를 벌크충전 모드로 충전하는 경우, 태양전지가 생산한 모든 전력으로 활성채널 축전지를 충전할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 활성채널 축전지의 충전에 필요한 전력을 제외한 전력으로 상기 대기채널 축전지를 충전할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 전력제어장치가 전력을 공급해야 하는 경우, 상기 대기채널 축전지에 충전된 전력을 공급할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 태양광 전력 제어 방법은 복수의 축전지 각각의 단자전압 및 충전전류를 측정하고, 상기 측정된 단자전압 및 충전전류에 상응하는 전력으로 각 축전지를 충전하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 축전지를 충전하는 단계는 상기 복수의 채널 중 측정된 단자전압이 가장 낮은 축전지를 활성채널 상태로 설정하고, 상기 활성채널을 제외한 채널을 대기채널 상태로 설정하고, 상기 활성채널 축전지가 먼저 미리 설정된 최대 전압까지 충전되거나, 상기 대기채널 축전지 중 적어도 하나가 미리 설정된 최소 전압까지 방전되면, 상기 축전지의 상태를 갱신할 수 있다.

여기서, 상기 축전지를 충전하는 단계는 벌크충전, 흡수충전 및 부동충전 모드 중 축전지의 단자전압 정보와 충전전류에 상응하는 하나의 충전 모드로 상기 각 축전지를 충전하며, 활성채널 축전지를 벌크충전 모드로 충전하는 경우, 태양전지가 생산한 모든 전력으로 활성채널 축전지를 충전할 수 있다.

여기서, 상기 축전지를 충전하는 단계는 활성채널 축전지의 충전에 필요한 전력을 제외한 전력으로 상기 대기채널 축전지를 충전할 수 있다.

여기서, 상기 축전지를 충전하는 단계는 전력제어장치가 전력을 공급해야 하는 경우, 상기 대기채널 축전지에 충전된 전력을 공급할 수 있다.

상술한 바와 같은 전력 제어 장치 및 방법에 따르면, 태양전지가 생산한 전력을 저장하는 축전지를 여러 개의 채널로 구분하고, 각 채널의 축전지의 방전심도를 깊은 수준까지 도달하게 함으로써 축전지의 충전과 방전이 동시에 이루어지는 환경에서도 에너지 저장효율을 높일 수 있고, 메모리 효과를 가지는 축전지를 사용하는 경우, 메모리 효과로 인한 축전지의 수명 단축을 억제할 수 있다.

또한, 배터리를 채널로 구분하여 운영함으로써, 배터리 중 일부가 성능에 이상이 생겨 작동하지 못하는 경우, 다른 배터리를 사용하여 생산한 전력을 저장할 수 있어 태양광 발전 시스템의 안전성을 높일 수 있고, 유지보수를 편리하게 할 수 있다.

도 1은 축전지의 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치의 회로을 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 도 4에 도시한 채널에 따른 축전지 충전 과정의 일 예를 보다 상세하게 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 축전지의 충전 특성을 나타내는 그래프로서, 축전지가 벌크충전(Bulk Charge)(10), 흡수충전(Absorption Charge)(20), 부동충전(Float Charge)(30)의 세 개의 모드로 충전되는 동안 단자전압과 충전전류의 변화를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 벌크충전(10) 모드에서 일정한 전류로 충전되는 축전지는 시간이 지남에 따라 단자전압이 상승한다. 축전지의 단자전압이 흡수충전 개시전압에 도달하면 흡수충전(20) 모드가 시작된다. 여기서 상기 흡수충전 개시전압은 일반적으로 축전지가 최대 충전용량의 80%로 충전되었을 때의 축전지 단자전압을 의미하며, 축전지의 종류 및 특성에 의해 결정된다.

흡수충전(20) 모드에서 축전지는 상기 흡수충전 개시전압보다 높고 축전지가 완전히 충전되었을 때의 축전지 단자전압보다 높은 일정 전압을 유지하며 충전되고, 충전전류는 시간이 지남에 따라 감소한다. 상기 충전전류가 부동충전 개시전류 이하로 감소하면 부동충전(30) 모드로 넘어간다. 여기서 상기 부동충전 개시전류는 일반적으로 축전지가 최대 충전용량의 100%로 충전되었을 때의 축전지 충전전류를 의미하며, 축전지의 종류 및 특성에 의해 결정된다.

부동충전(30) 모드에서 축전지는 자연방전 또는 부하의 전력소모에 의한 방전을 보충할 수 있을 정도의 전력만을 공급받으며, 단자전압과 충전전류는 일정하게 유지된다. 축전지의 충전전류 거의 없을 때 상기 충전은 종료된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도로서, 두 개의 채널로 구성된 축전지를 충전하는 전력 제어 장치(200)의 구성을 나타낸다.

도 2는 태양전지(100), 전력 제어 장치(200) 및 축전지(300)로 이루어진 충전 시스템을 가정한다.

도 2를 참조하면, 상기 전력 제어 장치(200)는 스위칭부(210), 전압 측정부(220), 전류 측정부(230) 및 제어부(240)를 포함할 수 있으며, 제어부(240)를 제외한 상기 스위칭부(210), 전압 측정부(220), 전류 측정부(230)는 두 개의 축전지(300-a, 300-b)와 대응하여 복수의 충전부 채널(200-a, 200-b)로 구성될 수 있다.

스위칭부(210)는 반도체 계전기, 고전력 스위칭용 반도체, 기계식 계전기, 전자 접촉기 등 다양한 스위칭 수단으로 구성될 수 있고, 제어부(240)가 제공하는 스위칭 제어신호에 따라 태양전지(100)와 축전지(300)를 전기적으로 연결하거나 분리할 수 있다. 스위칭부(210)가 반도체 계전기로 구성될 경우, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 중 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하여 구성될 수 있다.

전압 측정부(220)는 전위차계와 같은 아날로그 전압 측정기 또는 ADC(Analog to Digital Converter) 기능을 구비한 디지털 전압 측정기로 구성될 수 있고, 축전지와 병렬로 연결되며, 축전지의 양쪽 단자에 걸리는 전압(이하 '단자전압'이라 지칭함)을 측정하고, 상기 측정된 단전전압 정보를 제어부(240)에 제공할 수 있다.

전류 측정부(230)는 아날로그 또는 디지털 전류 측정기 등으로 구성될 수 있으며, 축전지와 직렬로 연결되며, 축전지에 흐르는 전류(이하 '충전전류'라 지칭함)를 측정하고, 상기 측정된 충전전류 정보를 제어부(240)에 제공한다.

제어부(240)는 MPU(Micro Process Unit), PLD(Programmable Logic Device) 등 다양한 제어 유닛 등으로 구성될 수 있으며, 전력 제어 장치(200)의 각 부분(210, 220, 230)을 제어한다.

제어부(240)는 스위칭 제어신호를 제공하여 축전지별 전력공급을 제어한다.

제어부(240)는 전압 측정부(220)를 제어하여 지속적으로 축전지의 단자전압 정보를 제공 받고, 전류 측정부(230)를 제어하여 지속적으로 축전지의 충전전류 정보를 제공받는다. 또한, 상기 제공받은 단자전압, 충전전류 정보를 이용하여 축전지의 충전모드를 판단한다. 상기 충전모드는 벌크충전, 흡수충전, 부동충전 중 하나일 수 있다.

제어부(240)는 축전지가 여러 개의 채널로 구성될 경우, 충전부 채널(200-a, 200-b)을 축전지 채널(300-a, 300-b)과 대응시켜 축전지를 충전할 수 있다. 도 2에 예시한 바와 같이, 제1 채널 충전부(200-a)는 제1 축전지(300-a)를 충전시킬 수 있고, 제2 채널 충전부(200-b)는 제2 축전지(300-b)를 충전시킬 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 축전지가 두 개 이상의 채널로 구성되는 경우에도 충전부 채널을 상기 축전지 채널과 각각 대응시켜 축전지를 충전할 수 있다. 도 2의 예시는 제어부(240)를 공통으로 하고 전압 측정부(220), 전류 측정부(230), 스위칭부(210)만을 채널로 구성하였지만, 제어부(240)도 채널별로 구성될 수 있다. 상기의 경우 채널별 제어부(240)는 서로간의 통신을 통해 전력 제어 장치(200)의 기능을 수행할 수 있다.

제어부(240)는 전압 측정부(220)로부터 제공 받은 제1 축전지(300-a)와 제2 축전지(300-b)의 단자전압을 비교하고, 비교결과 더 높은 단자전압을 가지는 축전지 채널을 대기채널(Standby Channel)로 설정하고, 더 낮은 단자전압을 가지는 축전지 채널을 활성채널(Active Channel)로 설정한다.

제어부(240)는 활성채널 축전지와 대기채널 축전지를 충전하며 부하에 전력을 공급해야 하는 경우, 대기채널 축전지에 충전된 전력을 공급한다.

제어부(240)는 축전지의 채널 및 충전모드에 따라 다른 전력으로 축전지를 충전한다. 상기 충전을 위해 제어부(240)는 스위칭 제어신호를 제공할 수 있다. 제어부(240)는 활성채널 축전지가 벌크충전 모드에 있다고 판단되면, 태양전지(100)가 생산한 모든 전력을 활성채널 축전지를 충전하기 위해 사용한다. 제어부(240)는 활성채널의 축전지가 흡수충전 모드에 있다고 판단되면, 상기 활성채널의 축전지를 상기 일정 전압으로 유지시키면서 충전시키고, 태양전지(100)가 생산한 전력 중 상기 활성채널 축전지의 충전에 필요한 전력을 제외한 여분의 전력을 대기채널 축전지에 공급한다. 제어부(240)는 활성채널의 축전지가 부동충전 모드 있다고 판단되면, 상기 축전지에 자연방전 또는 부하로 인한 방전을 보상하기 위한 전력만을 공급한다. 이때, 상기 축전지가 완전히 충전되어 더 이상 충전전류가 흐르지 않거나, 대기채널 축전지가 완전히 방전된 경우, 다시 제1 축전지(300-a)와 제2 축전지(300-b)의 단자전압을 비교하고, 비교결과 더 높은 단자전압을 가지는 축전지 채널을 대기채널로 설정하고, 더 낮은 단자전압을 가지는 축전지 채널을 활성채널로 설정한다.

도 3는 도 2에 도시한 전력 제어 장치의 구성을 회로도로 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, 전력 제어 장치의 스위칭부(210)는 제1 트랜지스터(TR1), 제2 트랜지스터(TR2), 제3 트랜지스터(TR3), 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.

제1 트랜지스터(TR1)는 NPN 바이폴라 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)의 베이스(base)에 다이오드(diode)의 캐소드(cathode), 제3 트랜지스터(TR3)의 소스 및 제1 저항(R1)을 통과한 태양전지가 연결되고 콜렉터에 제2 저항(R2)을 통과한 태양전지가 연결되며, 이미터(emitter)로 제2 트랜지스터(TR2)의 게이트 및 다이오드의 애노드(anode)가 연결된다.

제2 트랜지스터(TR2)는 MOSFET의 소스에 태양전지가 연결되고 드레인(drain)에 축전지가 연결되며 게이트로 제1 트랜지스터(TR1)의 이미터와 다이오드의 애노드가 연결된다.

제3 트랜지스터는 MOSFET의 소스에 상기 다이오드의 캐소드, 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스 및 제2 저항(R2)을 통과한 태양전지가 연결되고, 게이트에 제어부(250)가 연결되며, 드레인에 접지가 연결된다.

제1 저항(R1)은 태양전지와 제1 트랜지스터(TR1)의 콜렉터 사이에 연결되어 태양전지로부터 제1 트랜지스터(TR1)로 흘러 들어가는 전류에 양을 줄여서 제1 트랜지스터(TR1)의 고장을 막을 수 있다.

제2 저항(R2)은 태양전지와 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스 사이에 연결되어 태양전지로부터 제1 트랜지스터(TR1)로 흘러 들어가는 전류에 양을 줄여서 제1 트랜지스터(TR1)의 고장을 막을 수 있다.

다이오드(D1)는 애노드에 상기 제1 트랜지스터(TR1)의 이미터와 제2 트랜지스터(TR2)의 게이트가 연결되고, 캐소드에 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스와 상기 제2 저항(R2)과 제3 트랜지스터(TR3)의 소스가 연결된다. 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스의 전류가 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스-이미터를 통하지 않고, 제2 트랜지스터(TR2)의 게이트로 직접 흘러 들어가는 것을 막을 수 있다.

상기 소자들(TR1, TR2, TR3, R1, R2, D1)로 구성된 스위칭부(210)는 다음과 같이 동작한다.

먼저 제3 트랜지스터(TR3)가 턴오프(turn off)되어 있는 경우, 제2 저항(R2)을 통해 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스-이미터에 순방향 전압이 걸리면, 제1 트랜지스는 턴온(turn on)되고, 제1 저항(R1)과 제1 트랜지스터(TR1)의 콜렉터-이미터를 통해 제2 트랜지스터(TR2)의 게이트가 빠르게 high 상태로 전하가 충전되어, 제1 트랜지스터(TR1)의 소스-드레인을 통해 태양전지와 축전지가 연결될 수 있다.

반대로 제3 트랜지스터(TR3)가 턴온되어 있는 경우, 제1 트랜지스터(TR1)의 베이스 전압이 접지전압(groung)까지 내려가면서 제1 트랜지스터(TR1)는 턴오프되고, 제2 트랜지스터(TR2)의 게이트에 high 상태로 충전되어 있던 전하는 다이오드(D1)를 통해 빠르게 low 상태로 방전된다.

MOSFET의 게이트에 다른 트랜지스터를 이용하지 않고 저항만을 연결하여 스위칭 회로를 구성하게 되면, 상기 MOSFET의 게이트에 연결된 저항에 의해 상기 게이트의 전하 충전시간이 길어지고, 따라서 소스와 드레인을 연결에 걸리는 시간이 길어진다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 방법을 나타내는 흐름도로서, 태양전지가 생산한 전력을 두 개의 채널로 구성된 축전지에 나누어 저장하는 방법을 나타낸다.

도 4에서는 태양전지(100), 전력 제어 장치(200), 제1 축전지(300-a) 및 제2 축전지(300-b)로 태양광 발전 시스템이 구성되고 상기 태양전지(100)가 생산한 전력은 상기 제1 축전지(300-a)와 제2 축전지(300-b)에 나누어 저장되는 것으로 가정한다.

도 4를 참조하면 자연 또는 인공 광원으로부터 빛 에너지를 제공받은 태양전지(100)는 전력을 생산하여 전력 제어 장치(200)에 제공한다. 전력을 제공받은 상기 전력 제어 장치(200)는 먼저 제1 축전지와 제2 축전지의 단자전압을 측정한다(S400).

전력 제어 장치(200)는 제1 축전지의 단자전압과 제2 축전지의 단자전압을 비교하여(S410) 제1 축전지의 단자전압이 낮은 경우, 제1 채널을 활성채널로 설정하고, 제2 채널을 대기채널로 설정한다(S420). 반대로 제2 축전지의 단자전압이 낮은 경우, 제2 채널을 활성채널로 설정하고, 제1 채널을 대기채널로 설정한다(S425).

전력 제어 장치(200)는 태양전지(100)로부터 공급 받은 전력을 활성채널에 공급하여 활성채널 축전지 및 대기채널 축전지를 충전한다(430). 여기서, 전력 제어 장치(200)는 활성채널 축전지의 충전을 우선하기 때문에 먼저 상기 활성채널 축전지의 충전에 필요한 전력을 활성채널 축전지에 공급하고 여분의 전력을 대기채널 축전지에 공급한다. 또한, 축전지를 충전하는 동시에 태양광 발전 시스템 외부에 전력을 공급해야 하는 경우에도, 상기 대기채널 축전지에 충전된 전력을 공급한다. 따라서, 전력 제어 장치(200)는 활성채널 축전지를 빠르게 완전히 충전시킬 수 있고, 대기채널 축전지의 방전심도를 깊게 할 수 있다. 또한, 전력 제어 장치(200)는 상기 활성채널 축전지가 미리 설정된 최대 전압까지 충전되거나, 상기 대기채널 축전지가 미리 설정된 최소 전압까지 방전되었다면, 다시 제1 축전지(300-a)의 단자전압과 제2 축전지(300-b)의 단자전압을 비교하여 활성 및 대기채널을 설정하고 상기 단계 S400 내지 S430을 반복한다. 여기서, 상기 미리 설정된 최대 전압은 활성채널 축전지가 충전될 수 있는 최대 용량에 근접될 때까지 충점됨으로써, 충전효율이 낮아져 채널설정을 바꿀 필요가 있는 상태의 전압을 의미하며, 상기 미리 설정된 최소 전압은 대기채널 축전지가 방전될 수 있는 최소 용량에 근접될 때까지 방전됨으로써, 더 이상 방전이 불가능 하여 채널설정을 바꿀 필요가 있는 상태의 전압을 의미한다.

도 5는 도 4에 도시한 채널에 따른 축전지 충전 과정의 일 예를 보다 상세하게 나타내는 흐름도로서, 전력 제어 장치가 축전지의 충전모드에 따라 활성채널 및 대기채널 축전지에 공급하는 전력을 다르게 하는 과정을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 먼저 전력 제어 장치(200)는 이후 과정에서 미리 설정된 일정 시간의 간격으로 상기 활성채널 및 대기채널 축전지의 단자전압과 충전전류를 측정한다(S431).

여기서 미리 설정된 일정 시간은 매우 짧은 시간으로, 전력 제어 장치를 구성하고 있는 전압 측정부, 전류 측정부 또는 제어부의 동작속도에 의해 결정될 수 있고, 실질적으로 이하 과정들에서 전력 제어 장치(200)가 충전하는 축전지의 단자전압과 충전전류를 실시간으로 측정할 수 있는 시간이 될 수 있다.

다음으로 전력 제어 장치(200)는 활성채널 축전지의 단자전압과 흡수충전 개시전압을 비교한다(S432).

상기 비교결과 상기 단자전압이 흡수충전 개시전압보다 낮을 경우, 전력 제어 장치(200)는 상기 축전지를 벌크충전 모드로 충전한다(S433).

여기서, 벌크충전 모드란 태양전지(100)가 공급할 수 있는 최대 전력으로 축전지를 충전하는 것을 의미한다. 즉, 활성채널 축전지가 벌크충전 모드인 경우 다른 채널은 벌크충전 모드를 제외한 다른 모드의 충전단계만을 수행할 수 있음을 의미한다. 따라서 축전지 충전절차 중에서 가장 중요한 벌크충전을 불규칙적인 일기조건 하에서도 빠른 시간 내에 수행하여 태양광 발전을 효율적으로 운영할 수 있다. 상기 최대 전력은 태양전지(100)의 발전 전력과 상기 발전한 전력을 축전지에 저장하는 효율에 의해 결정될 수 있다. 상기 태양전지(100)의 발전 전력은 일사량뿐만 아니라 태양전지(100)와 전기적으로 연결된 부하에 따라 변할 수 있으므로 최대 전력 점 추종(MPPT)을 통해 최대화 될 수 있다. 상기 최대 전력 점 추종을 통해 발전된 전력은 축전지의 충전에 필요한 전압으로 승압 또는 감압되어 축전지에 저장됨으로써 저장효율을 높일 수 있다. 예를 들면, 최대 전력 점 추종을 통해 태양전지(100)의 발전 전력이 16V, 3A이고, 축전지의 축전지의 충전에 필요한 전압은 12V일 경우, 전압의 변경 없이 상기 발전 전력을 축전지에 충전하면 상기 축전지에 충전되는 전력은 12VㅧA=36W이지만, 상기 16V, 3A의 전력을 12V, 4A로 변환하여 축전지에 충전하면 상기 축전지에 충전되는 전력은 12Vㅧ4A=48W가 될 수 있다.

상기와 같이 벌크충전 모드로 활성채널 축전지를 충전하게 되면, 활성채널 축전지의 단자전압은 상기 축전지가 충전됨에 따라서 증가한다.

단계 S432 및 S433은 상기 활성채널 축전지의 단자전압이 흡수충전 개시전압에 도달할 때까지 반복된다.

단계 S432의 비교결과, 상기 활성채널 축전지의 단자전압이 흡수충전 개시전압에 도달한 경우, 전력 제어 장치(200)는 상기 축전지의 충전전류와 부동충전 개시전류를 비교한다(S434).

상기 비교결과, 상기 충전전류가 부동충전 개시전류보다 높은 경우, 전력 제어 장치(200)는 상기 활성채널 축전지를 흡수충전 모드로 충전한다(S435).

상기와 같이 흡수충전 모드로 활성채널 축전지를 충전하게 되면, 활성채널 축전지의 충전전류는 상기 축전지가 충전됨에 따라서 감소하고, 상기 축전지를 충전하기 위한 전력도 감소한다. 상기와 같이 축전지를 충전하기 위한 전력이 감소하면 태양전지(100)가 생산한 전력의 여분이 있을 수 있다. 이때, 전력 제어 장치(200)는 상기 여분의 전력으로 대기채널 축전지를 충전할 수 있다.

단계 S434 및 S435은 상기 축전지의 충전전류가 부동충전 개시전류에 도달할 때까지 반복된다.

단계 S434의 비교결과, 상기 충전전류가 부동충전 개시전류에 도달한 경우, 전력 제어 장치(200)는 상기 축전지에 충전전류가 흐르고 있는지 판단한다(S436).

상기 판단결과, 상기 충전전류가 흐르는 경우, 전력 제어 장치(200)는 상기 활성채널 축전지를 부동충전 모드로 충전한다(S437).

상기와 같이 부동충전 모드로 활성채널 축전지를 충전하게 되면, 상기 축전지의 충전에 필요한 전력은 매우 작으므로, 대기채널로 공급되는 상기 여분의 전력은 활성채널로 공급되는 전력보다 많을 수 있다.

활성채널 축전지가 흡수충전 또는 부동충전 모드로 충전되고 있는 경우, 여분의 전력으로 충전되는 대기채널 축전지도 활성채널 축전지의 충전과 마찬가지의 절차로 충전될 수 있다. 예를 들면, 전력 제어 장치(200)는 대기채널 축전지의 단자전압과 충전전류를 측정하여 상기 축전지의 충전모드를 결정하고, 결정된 충전모드에 상기 축전지를 충전할 수 있다. 또한, 전력 제어 장치(200)는 축전지에 연결된 부하에서 전력을 소모할 경우, 대기채널 축전지로부터 상기 전력을 공급한다.

단계 S436 및 S437은 상기 활성채널 축전지의 충전전류가 더 이상 흐르지 않을 때까지 반복된다.

단계 S436의 판단결과, 상기 활성채널 축전지의 충전전류가 더 이상 흐르지 않는 경우, 전력 제어 장치(200)는 도 4에 도시한 축전지의 단자전압을 비교하여 축전지의 활성 또는 대기채널을 설정하고, 상기 설정한 채널에 따라 상기 축전지를 다르게 충전하는 과정을 반복한다(단계 S400 내지 S430).

일반적인 경우, 상기와 같이 활성채널 축전지가 완전히 충전된 상태가 되는 동안 대기채널 축전지는 부하에 의한 방전 또는 자연방전에 의해서 단자전압이 감소하게 된다. 따라서, 한 채널의 축전지가 활성채널로 설정되어 완전히 충전된 경우, 상기 활성채널 축전지와 대기채널 축전지의 단자전압을 비교하면 활성채널 축전지의 단자전압이 높고, 상기 두 채널의 활성/대기채널 설정은 뒤바뀌게 된다. 예를 들면, 제1 축전지가 활성채널로 제2 축전지가 대기채널로 설정된 경우, 제1 축전지의 충전전류가 더 이상 흐르지 않으면 전력 제어 장치(200)는 제1 축전지를 대기채널로 설정하고, 제2 축전지를 활성채널로 설정한다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 태양전지 200 : 전력 제어 장치
200-a : 제1 채널 충전부 200-b : 제2 채널 충전부
210 : 스위칭부 220 : 전압 측정부
230 : 전류 측정부 240 : 제어부
240 : 제어부 300 : 축전지
300-a : 제1 축전지 300-b : 제2 축전지

Claims

태양전지로부터 생성된 에너지를 복수의 축전지에 저장하는 전력제어장치로서,
상기 복수의 축전지 각각의 단자전압 및 충전전류를 측정하고, 측정된 단자전압 및 충전전류 정보를 제공하는 충전부; 및
상기 복수의 축전지 중 측정된 단자전압이 가장 낮은 축전지를 활성채널 상태 축전지로 설정하고, 상기 복수의 축전지 중 상기 활성채널 상태 축전지를 제외한 축전지를 대기채널 상태 축전지로 설정하고, 상기 활성채널 상태 축전지의 단자전압이 흡수충전 모드를 시작하는 개시전압보다 낮은 경우 상기 활성채널 상태 축전지에 대해 벌크충전을 수행하고, 상기 활성채널 상태 축전지의 충전전류가 부동충전 모드를 시작하는 개시전류 보다 높은 경우 상기 활성채널 상태 축전지에 대해 흡수충전을 수행하고, 상기 활성채널 상태 축전지의 충전전류가 0이 아닌 경우 상기 활성채널 상태 축전지에 대해 부동충전을 수행하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 활성채널 상태 축전지에 대해 벌크충전을 수행하는 경우,
상기 태양전지의 출력전압이 상기 활성채널 상태 축전지의 충전전압보다 높으면, 상기 태양전지의 출력전력과 상기 활성채널 상태 축전지의 충전전력이 동일하도록 상기 출력전압을 감압하고, 상기 활성채널 상태 축전지에 충전되는 전류를 증가시키는 전력제어장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력제어장치는,
복수의 충전부를 포함하고, 상기 충전부 각각은 상기 축전지와 각각 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력제어장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 활성채널 상태 축전지가 먼저 미리 설정된 최대 전압까지 충전되거나, 상기 대기채널 상태 축전지 중 적어도 하나가 미리 설정된 최소 전압까지 방전되면, 상기 축전지의 상태를 갱신하는 것을 특징으로 하는 전력제어장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 활성채널 상태 축전지의 충전에 필요한 전력을 제외한 전력으로 상기 대기채널 상태 축전지를 충전하는 것을 특징으로 하는 전력제어장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제어부는,
전력제어장치가 전력을 공급해야 하는 경우, 상기 대기채널 상태 축전지에 충전된 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전력제어장치.
태양전지로부터 생성된 에너지를 복수의 축전지에 저장하는 전력제어방법으로서,
상기 복수의 축전지 각각의 단자전압 및 충전전류를 측정하는 단계; 및
상기 복수의 축전지 중 측정된 단자전압이 가장 낮은 축전지를 활성채널 상태 축전지로 설정하고, 상기 복수의 축전지 중 상기 활성채널 상태 축전지를 제외한 축전지를 대기채널 상태 축전지로 설정하고, 상기 활성채널 상태 축전지의 단자전압이 흡수충전 모드를 시작하는 개시전압보다 낮은 경우 상기 활성채널 상태 축전지에 대해 벌크충전을 수행하고, 상기 활성채널 상태 축전지의 충전전류가 부동충전 모드를 시작하는 개시전류 보다 높은 경우 상기 활성채널 상태 축전지에 대해 흡수충전을 수행하고, 상기 활성채널 상태 축전지의 충전전류가 0이 아닌 경우 상기 활성채널 상태 축전지에 대해 부동충전을 수행하는 단계를 포함하되,
상기 활성채널 상태 축전지에 대해 벌크충전을 수행하는 경우,
상기 태양전지의 출력전압이 상기 활성채널 상채 축전지의 충전전압보다 높으면, 상기 태양전지의 출력전력과 상기 활성채널 상태 축전지의 충전전력이 동일하도록 상기 출력전압을 감압하고, 상기 활성채널 상태 축전지에 충전되는 전류를 증가시키는 전력제어방법.
청구항 7에 있어서
상기 부동충전을 수행하는 단계는
상기 활성채널 상태 축전지가 먼저 미리 설정된 최대 전압까지 충전되거나, 상기 대기채널 상태 축전지 중 적어도 하나가 미리 설정된 최소 전압까지 방전되면, 상기 축전지의 상태를 갱신하는 것을 특징으로 하는 전력제어방법.
삭제
청구항 7에 있어서,
상기 부동충전을 수행하는 단계는,
상기 활성채널 상태 축전지의 충전에 필요한 전력을 제외한 전력으로 상기 대기채널 상태 축전지를 충전하는 것을 특징으로 하는 전력제어방법.
청구항 10에 있어서,
상기 부동충전을 수행하는 단계는,
전력제어장치가 전력을 공급해야 하는 경우, 상기 대기채널 상태 축전지에 충전된 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전력제어방법.