KR101425935B1 - 태양광 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 스트링별로 MPPT 제어를 통해 발전 최적점을 도출하여 인버터로 전송함으로써 발전 효율을 향상시키도록 한 태양광 발전 장치에 관한 것으로서, 다수의 태양전지 모듈이 직렬과 병렬로 연결되어 이루어진 태양전지 어레이와, 상기 태양전지 어레이를 구성하며 상기 태양전지 모듈을 직렬로 연결하는 다수의 스트링과, 상기 태양전지 어레이의 일측에 구성되어 일사량을 감지하는 일사량 센서와, 상기 각 스트링별로 생산된 전력과 함께 상기 일사량 센서로부터 측정된 일사량을 이용하여 각 스트링의 MPPT 제어를 통해 각 스트링의 최대 전력을 생산하는 다수의 스트링 옵티마와, 상기 일사량 센서로부터 측정된 일사량을 전달받아 상기 각 스트링 옵티마를 제어하는 스트링 제어부와, 상기 각 스트링 옵티마로부터 생산된 전력을 공급받아 분배하는 분배기를 통해 분배된 전력량에 따라 선택적으로 동작하여 상기 각 태양전지 모듈을 통해 생성된 DC 전력을 계통에 연계할 수 있도록 AC 전력으로 변환하기 위해 동일한 kW용량으로 분리된 다수의 인버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 발전 장치{Photovoltaic power generation apparatus}

본 발명은 태양광 발전 장치에 관한 것으로, 특히 발전 효율을 향상시키도록 한 태양광 발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 태양광 발전은 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. 현재 태양으로부터 받은 에너지를 태양전지를 통해 변환할 수 있는 전기에너지의 비율은 전체 태양에너지의 약 15~20%에 불과하다.

구체적으로, 태양광 발전을 일으키는 태양전지(solar cell)의 출력은 매우 작으므로 필요한 출력을 얻기 위해, 태양전지를 여러 개를 직렬로 연결하여 태양전지 모듈(PV Module, PhotoVoltanic Module)을 구성하고 상기 태양전지 모듈을 다시 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양전지 어레이(PV Array)를 구성한다.

태양전지 어레이의 전압 크기는 직렬 연결된 태양전지 모듈 개수에 비례하며, 태양전지 어레이의 전류 크기는 병렬 연결된 선로의 개수에 비례한다.

한편, 태양광 발전 장치는 태양전지의 출력이 주변 환경에 따라 출력 값이 달라지기 때문에 여타의 발전 방식보다 안정적인 전기 공급이 어렵다.

다시 말하면, 태양광 발전 장치는 태양전지의 출력이 일사량, 온도, 구름 등의 주변 환경에 따라 전압과 전류가 비선형적으로 변화하는 특성을 가지고 있다.

이러한 태양전지의 낮은 효율 및 불안정한 전력공급을 개선하기 위해서는 태양전지 자체의 성능을 높여 효율을 개선하는 것이 가장 근본적인 대책이지만 현재까지의 기술로는 뚜렷한 개선이 어려운 실정이다.

그러므로 태양광 발전의 경쟁력을 높이기 위해서는 발전 장치의 성능을 높여 효율을 개선하는 것도 중요하지만, 태양광 발전의 효율을 유지하기 위해 최대 출력을 안정적으로 유지할 수 있는 시스템이 요구된다. 최대 출력을 생산하기 위한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어가 필수적이다.

도 1은 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

종래 기술에 의한 태양광 발전 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 다수의 태양전지(PV) 모듈(10)이 직렬과 병렬로 연결되어 이루어진 태양전지 어레이(10A)와, 접속반(30) 및 인버터(40)로 구성된다.

상기 태양전지 모듈(10)은 태양광을 DC 전력으로 변환하여 접속반(30)을 통해 인버터(40)로 전송하며, 상기 인버터(40)는 각 태양전지 모듈(10)을 통해 생성된 DC 전력을 계통에 연계할 수 있도록 AC 전력으로 변환해주는 역할을 한다.

여기서, 태양광 발전 장치의 용량에 따라 태양전지 모듈(10)이 직렬과 병렬로 연결되는데, 상기 태양전지 모듈(10)이 직렬로 연결되어 하나의 스트링(20, string)이 구성되고, 이들 스트링이 병렬로 연결되어 태양전지 어레이(10A)가 구성된다.

상기 접속반(30)은 역류 방지 다이오드를 포함하여 이루어지는데, 상기 역류 방지 다이오드를 통한 복수의 태양전지 어레이(10A)로부터의 전력을 통합하여 인버터(40)의 입력단으로 공급한다.

상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치는 각 태양전지 모듈(10)로부터 생산된 전력을 상기 접속반(30)을 통해 상기 인버터(40)로 전송되고, 상기 인버터(40)에서 MPPT를 제어하여 발전하고 있다.

한편, 상기 MPPT 제어는 인버터(40)에서 이루어지는데, 태양광 발전 장치의 동작점으로 최대 전력점(MPP)을 자동으로 추적하는 기능을 수행한다.

그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치에서 인버터에서 이루어지는 MPPT 제어는 각 스트링을 통합하여 발전하게 되므로 스트링간 발전량 불균일시 최적의 MPPT 제어가 불가능하여 발전 효율이 저하된다.

즉, 태양전지 어레이(10A)는 여러 개의 태양전지 모듈(10)이 직렬 또는 병렬 연결로 연결되어 있기 때문에 태양전지 어레이를 구성하여 태양전지 모듈(10)의 설치 위치, 방향 등에 의한 스트링별 발전량 차이로 인하여 인버터에서 MPPT 제어를 하더라도 음영이 발생할 경우 국부적 최대전력점(Local MPP)이 발생하므로 MPPT제어가 국부적 최대 전력점 근처에서 동작하여 실제의 최대전력점을 찾지 못한다.

또한, 각 스트링을 동일한 특성 및 수량의 태양전지 모듈로 구성해야 하므로 설치 공간의 제한이 많다.

또한, 일출, 일몰 또는 일사량이 작을 경우 인버터의 입력 전압 범위 제한으로 인해 발전하지 못해 발전 효율이 떨어진다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 각 스트링별로 MPPT 제어를 통해 발전 최적점을 도출하여 인버터로 전송함으로써 발전 효율을 향상시키도록 한 태양광 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 다수의 인버터를 분리 형태로 구성하여 개별 동작을 가능하게 함과 함께 유지 보수를 원활하게 진행하도록 한 태양광 발전 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 다수의 스트링 및 인버터의 고장을 조기에 검출하여 태양광 최적 운전을 실시함과 함께 스트링별 발전 저해 요소를 조기에 검출하여 유지 보수를 실시하여 발전 효율을 극대화시키도록 한 태양광 발전 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 태양광 발전 장치는 다수의 태양전지 모듈이 직렬과 병렬로 연결되어 이루어진 태양전지 어레이와, 상기 태양전지 어레이를 구성하며 상기 태양전지 모듈을 직렬로 연결하는 다수의 스트링과, 상기 태양전지 어레이의 일측에 구성되어 일사량을 감지하는 일사량 센서와, 상기 각 스트링별로 생산된 전력과 함께 상기 일사량 센서로부터 측정된 일사량을 이용하여 각 스트링의 MPPT 제어를 통해 각 스트링의 최대 전력을 생산하는 다수의 스트링 옵티마와, 상기 일사량 센서로부터 측정된 일사량을 전달받아 상기 각 스트링 옵티마를 제어하는 스트링 제어부와, 상기 각 스트링 옵티마로부터 생산된 전력을 공급받아 분배하는 분배기를 통해 분배된 전력량에 따라 선택적으로 동작하여 상기 각 태양전지 모듈을 통해 생성된 DC 전력을 계통에 연계할 수 있도록 AC 전력으로 변환하기 위해 동일한 kW용량으로 분리된 다수의 인버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 태양광 발전 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 각 스트링별로 MPPT 제어를 통해 발전 최적점을 도출하여 인버터로 전송함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 다수의 인버터를 분리 형태로 구성하여 개별 동작을 가능하게 함과 함께 유지 보수를 원활하게 진행할 수 있다.

셋째, 다수의 스트링 및 인버터의 고장을 조기에 검출하여 태양광 최적 운전을 실시함과 함께 스트링별 발전 저해 요소를 조기에 검출하여 유지 보수를 실시하여 발전 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 의한 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타낸 전체 구성도
도 3은 도 2의 스트링 옵티마를 나타낸 구성도
도 4 및 도 5는 종래와 본 발명의 태양광 발전 장치에서 각 스트링별로 전력 생산의 차이가 발생한 예를 나타낸 도면
도 6 및 도 7은 종래와 본 발명의 태양광 발전 장치에서 생산된 전력을 비교한 그래프
도 8은 본 발명에 의한 태양광 발전 장치에서 분배기를 개략적으로 나타낸 구성도

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 태양광 발전 장치를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 태양광 발전 장치를 개략적으로 나타낸 전체 구성도이다.

본 발명에 의한 태양광 발전 장치는 도 2에 도시한 바와 같이, 다수의 태양전지(PV) 모듈(110)이 직렬과 병렬로 연결되어 이루어진 태양전지 어레이(100)와, 상기 태양전지 어레이(100)를 구성하며 상기 태양전지 모듈(110)을 직렬로 연결하는 다수의 스트링(120)과, 상기 태양전지 어레이(100)의 일측에 구성되어 일사량을 감지하는 일사량 센서(130)와, 상기 각 스트링(120)별로 생산된 전력과 함께 상기 일사량 센서(130)로부터 측정된 일사량을 이용하여 각 스트링(120)의 MPPT 제어를 통해 각 스트링(120)의 최대 전력을 생산하는 다수의 스트링 옵티마(210)와, 상기 일사량 센서(130)로부터 측정된 일사량을 전달받아 상기 각 스트링 옵티마(210)를 제어하는 스트링 제어부(220)와, 상기 각 스트링 옵티마(210)로부터 생산된 전력을 공급받아 분배하는 분배기(310)를 통해 분배된 전력량에 따라 선택적으로 동작하여 상기 각 태양전지 모듈(110)을 통해 생성된 DC 전력을 계통에 연계할 수 있도록 AC 전력으로 변환해주는 다수의 인버터(300)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 일사량 센서(130)는 상기 태양전지 모듈(110)의 표면 온도를 측정하여 측정된 일사량과 함께 표면 온도 값을 상기 스트링 제어부(220)로 전달하게 된다.

상기 다수의 인버터(400)와 일정한 간격을 갖고 동일 케이스내에 구성되어 상기 스트링 제어부(220)로부터 신호를 받아 상기 각 스트링(120)을 실시간으로 감시하는 태양광 발전 감시장치(320)를 더 포함하여 구성되어 있다.

상기 다수의 인버터(400)는 일반적으로 사용하는 250kW의 인버터를 50kW씩 5개로 분리하는 것으로, 상기 각 스트링(120)별로 생산된 전력량에 따라 상기 분배기(310)에서 적절하게 선택하여 동작시키므로 인버터의 수명을 한층더 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 동작하는 인버터(400)가 최대로 동작하여 발전량을 향상시킬 수 있다.

뿐만 아니라 상기 다수의 인버터(400) 중 고장난 인버터만을 교체 또는 수리함으로써 인버터의 교체 비용을 보다 효과적으로 줄일 수가 있다.

한편, 상기 다수의 스트링 옵티마(210)는 상기 스트링 제어부(220)와 함께 별도의 케이스에 실장되는데, 상기 케이스에는 팬(fan)이 설치되어 온도에 따라 팬의 가동을 상기 스트링 제어부(220)에서 제어한다.

도 3은 도 2의 스트링 옵티마를 나타낸 구성도이다.

도 3에서와 같이, 스트링 옵티마(210)는 퓨즈(211), MPPT 연산부(212), 차단부(213) 및 스트링 제어부(220)로 이루어져 있다.

여기서, 상기 퓨즈(211)는 상기 각 스트링(120)을 통해 상기 태양전지 모듈(110)로부터 생산된 전력에 따라 온/오프하는 역할을 한다.

상기 MPPT 연산부(212)는 상기 퓨즈(211)를 통해 입력된 전력을 MPPT 제어하여 최대 전류를 생산한다.

상기 차단부(213)는 상기 다수의 인버터(300)로부터 입력되는 역전류를 차단하는 역할을 한다.

상기 스트링 제어부(220)는 각 스트링 옵티마(210)에 대응되게 설치될 수도 있지만, 전체적으로 하나의 스트링 제어부(220)를 통해 각 스트링 옵티마(210)를 제어할 수 있다.

상기와 같이 구성된 스트링 옵티마(210)는 다수의 스트링(120)으로부터 인가된 DC 200~860V 전압을 각각 650V로 승압하여 각 인버터(300)로 공급한다.

즉, 상기 스트링 옵티마(210)는 각 스트링(120)으로부터 입력 전압을 동일한 전압으로 승압하여 출력함으로써 스트링별 MPPT 제어를 할 수 있고, 일사량에 따른 MPPT 추적 예지 제어를 할 수가 있다.

따라서 각 스트링(120)별로 MPPT 제어를 실시함으로써 최대 출력 전력을 생산하여 인버터(300)에 제공함으로써 전력 생산량을 보다 향상시킬 수가 있다.

또한, 상기 일사량 센서부(130)와 상기 스트링 제어부(220)는 RS-485 통신을 하게 되고, 상기 스트링 제어부(220)와 태양광 발전 감시장치(320)도 RS-485 통신을 수행하여 실시간으로 각 스트링(120)별 고장 진단을 할 수가 있다.

도 4 및 도 5는 종래와 본 발명의 태양광 발전 장치에서 각 스트링별로 전력 생산의 차이가 발생한 예를 나타낸 도면이고, 도 6 및 도 7은 종래와 본 발명의 태양광 발전 장치에서 생산된 전력을 비교한 그래프이다.

도 4 및 도 5에서와 같이, 직렬로 연결된 다수의 태양전지 모듈로 이루어진 복수개의 스트링(A,B,C) 중 스트링 A는 태양전지 모듈의 일부에 낙엽이나 이물질에 의해 오염이 발생된 경우를 나타내고 있고, 스트링 B는 태양전지 모듈의 일부에 음영이 발생한 경우를 나타내고 있으며, 스트링 C는 정상적인 태양광 발전을 행하는 것을 나타내고 있다.

종래 기술에 의한 태양광 발전 장치는 오염이나 음영이 발생할 경우에 도 1과 같이 접속반(30)을 통해 250kW의 인버터(40)에서 MPPT 제어를 통해 각 태양전지 모듈(10)을 통해 생성된 DC 전력을 계통에 연계할 수 있도록 AC 전력으로 변환해주는 역할을 한다.

즉, 종래에는 각 스트링별로 생산된 전력을 접속반(30)에서 집합하여 250k의 인버터(40)에 전달하여 AC전력으로 변환하여 전력을 생산하였다.

그 결과 도 6에서와 같이, 접속반(30)을 통해 스트링 A,B,C에서 생산된 전력을 모집하여 하나의 인버터(40)에 공급하므로 음영이나 오염 발생시 각 스트링별로 전력 생산이 상이하여 상기 인버터(40)에서 MPPT 이하로 동작하여 전체적으로 발전량이 줄어듦을 알 수 있다.

반면에 본 발명에 의한 태양광 발전 장치는 종래와 같이 접속반을 사용하지 않고 250kW의 인버터를 50kW의 인버터 5개로 분리하고, 상기 각 스트링별로 대응하게 스트링 옵티마(210)를 설치하여 상기 스트링 옵티마(210)에서 MPPT 제어하여 최대 전력을 5개로 분리된 인버터(400)에 선택적으로 공급하여 해당 인버터에서 AC전력으로 변환하여 전력을 생산한다.

그 결과 도 7에서와 같이, 스트링별로 대응되게 설치된 스트링 옵티마(210)에서 MPPT 제어하여 각 스트링별로 발전량을 최적화하여 각 스트링별로 전력 생산에 차이가 발생하더라도 최대 전력을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 전력 생산이 작은 경우에 필요한 인버터만을 선택하여 전력 생산을 최대로 할 수 있고, 인버터의 수명도 연장할 수 있다.

예를 들면, 50kW의 인버터 5개로 분리하여 250kW 용량의 인버터를 설치하고, 100kW만을 동작할 경우에 2개의 인버터를 최대로 동작하고 나머지 3개의 인버터는 대기 상태를 하고 있다. 만약, 2개의 인버터 동작이 완료된 후 3개의 인버터가 필요한 경우에는 대기 상태로 되어 있던 3개의 인버터를 사용하게 된다. 즉, 5개의 인버터를 순환 구동하여 사용하므로 인버터의 수명을 한층더 향상시킴과 함께 전력 생산을 향상시킬 수 있다.

또한, 5개의 인버터 중 하나의 인버터가 고장난 경우에 해당 인버터만 발전을 차단하고 나머지 인버터들을 구동함으로써 발전 손실을 최소화할 수 있다. 따라서 플러그인 타입으로 인버터 고장시 발전 중단을 최소화할 수가 있다.

또한, 본 발명은 인버터를 5개로 분리하여 250kW 용량을 갖는 인버터로 제작하여 인버터에 인가되는 입력 전압이 종래와 같이 낮더라도 본 발명에서는 스트링 옵티마를 통해 승압하여 발전하게 되므로 발전 효율을 한층더 향상시킬 수 있다.

즉, 종래에는 일출, 일몰 및 구름 등의 영향으로 인하여 일사량이 작아 스트링 전압이 인버터의 최저 동작전압보다 낮아지면 250kW의 인버터 동작이 중단되지만, 본 발명에서는 스트링 옵티마를 사용하여 일사량이 작더라도 전압을 승압하여 인버터에 인가하므로 인버터의 동작 중단을 미연에 방지할 수가 있다.

도 8은 본 발명에 의한 태양광 발전 장치에서 분배기를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 분배기(310)는 저장부(311), 연산부(312) 및 선택부(313)로 구성되어 있다.

상기 저장부(311)는 상기 각 스트링 옵티머(210)로부터 전달된 승압된 전압을 입력을 받아 저장하고, 상기 연산부(311)는 상기 저장부(311)에 저장된 전압을 합산한다.

그리고 상기 선택부(313)는 상기 연산부(311)를 통해 합산된 결과에 따라 5개의 인버터(300) 중 어느 것을 선택할 것인지를 선택하게 된다. 따라서 상기 선택부(313)에 의해 선택된 인버터(300)를 제외한 나머지 인버터(300)는 동작을 하지 않고 대기하고 있다가 상기 선택부(313)에 의해 선택된 동작을 수행하게 된다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100 : 태양전지 어레이 110 : 태양전지 모듈
120 : 스트링 130 : 일사량 센서
210 : 스트링 옵티마 220 : 스트링 제어부
300 : 인버터 310 : 분배기
320 : 태양광 발전 감시장치

Claims (5)

1. 다수의 태양전지 모듈이 직렬과 병렬로 연결되어 이루어진 태양전지 어레이와,
   상기 태양전지 어레이를 구성하며 상기 태양전지 모듈을 직렬로 연결하는 다수의 스트링과,
   상기 태양전지 어레이의 일측에 구성되어 일사량을 감지하는 일사량 센서와,
   상기 각 스트링별로 생산된 전력과 함께 상기 일사량 센서로부터 측정된 일사량을 이용하여 각 스트링의 MPPT 제어를 통해 각 스트링의 최대 전력을 생산하는 다수의 스트링 옵티마와,
   상기 일사량 센서로부터 측정된 일사량을 전달받아 상기 각 스트링 옵티마를 제어하는 스트링 제어부와,
   상기 각 스트링 옵티마로부터 생산된 전력을 공급받아 분배하는 분배기를 통해 분배된 전력량에 따라 선택적으로 동작하여 상기 각 태양전지 모듈을 통해 생성된 DC 전력을 계통에 연계할 수 있도록 AC 전력으로 변환하기 위해 동일한 kW용량으로 분리된 다수의 인버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 일사량 센서는 상기 태양전지 모듈의 온도까지 검출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스트링 옵티마는 상기 각 스트링과 대응하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 인버터는 순환 구동하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 인버터는 하나의 케이스 내부에 구성되고, 그 합이 250kW인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.

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