KR101442233B1 - 태양전지모듈의 전력제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지모듈의 전력제어장치에 관한 것으로서, 입사된 태양광에 의해 생성된 전력을 양극단자와 음극단자를 통해 출력하는 태양전지 모듈과, 양극 단자와 음극단자와 접속되어 태양전지 모듈에서 생성된 전력을 공급계통에 대응한 공급전력으로 변환하는 전력변환부와, 태양전지 모듈에서 출력되는 전력을 검출하면서, 태양전지 모듈에서 출력되는 전력이 설정된 하한 전력 이하가 되면 태양전지 모듈의 양극단자와 음극단자에 각각 설정된 제1동전위를 인가하고, 태양전지 모듈에서 출력되는 전력이 설정된 기준 전력 이상이 되면 태양전지모듈의 양극단자와 음극단자에 제1동전위의 인가를 해제시키는 역분극화부를 구비한다. 태양전지모듈의 전력제어장치에 의하면, 태양광이 조사되지 않을 때 태양전지모듈의 양극단자와 음극단자에 동전위의 양 또는 음의 전압을 인가하여 역분극화를 유도함으로써 태양전지모듈의 발전효율감소를 억제할 수 있다.

Description

태양전지모듈의 전력제어장치{power control apparatus for solar cell}
본 발명은 태양전지모듈의 전력제어장치에 관한 것으로서, 상세하게는 태양전지모듈의 분극화에 의한 발전효율 감소를 억제할 수 있도록 하는 태양전지모듈의 전력제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전시스템은 태양전지모듈에 입사되는 입사광량의 변동에 따라 출력전압이 가변하며, 이에 따라 전력변환기의 동작전압을 가변시키는 최대전력점 추정(MPPT) 방식의 제어방법이 적용된다.
최대 전력점 추종(MPPT)제어는 태양광에너지의 전력이 일사량과 온도에 따라 비선형 특성을 가지므로 최대 전력점을 찾아 효율을 최대화하는 제어 방법이다.
이러한 최대 전력점 추종제어방식은 국내 공개특허 제10-2012-0027782호 등 다양하게 개시되어 있다.
한편, 태양전지 모듈은 대부분 금속 프레임에 어레이되게 설치되는데, 프레임과 태양전지 모듈의 음극단자 사이에 음의 전압이 인가되는 상황이 지속되면 태양전지 모듈에서 생성된 일부 전자들이 프레임을 통해 유출되는 분극화 현상(Polarization)이 발생한다. 즉, 태양광이 태양전지 모듈에 입사되는 낮동안에는 광기전력 효과에 의해 태양광 발전이 이루어지며, 이 과정에서 태양전지모듈을 구성하는 유리와, 시트, 충진제가 절연체 역할을 하여 태양전지 모듈과 프레임 사이가 유효 커패시터 역할을 함으로써 전하가 쌓이게 되고, 밤동안에는 낮에 축적된 전하가 태양전지셀에 스트레스를 야기시켜 태양전지 발전효율을 저하시키는 문제점이 있다.
이러한 분극화 현상을 발전효율 감소현상(PID; potential induced degradation)이라하며, 이를 개선하기 위한 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 태양전지모듈의 분극화에 의한 발전효율 감소를 억제할 수 있는 태양전지모듈의 전력제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양전지모듈의 전력제어장치는 입사된 태양광에 의해 생성된 전력을 양극단자와 음극단자를 통해 출력하는 태양전지 모듈과; 상기 양극 단자와 음극단자와 접속되어 상기 태양전지 모듈에서 생성된 전력을 공급계통에 대응한 공급전력으로 변환하는 전력변환부와; 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 전력을 검출하면서, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 전력이 설정된 하한 전력 이하가 되면 상기 태양전지 모듈의 상기 양극단자와 음극단자에 각각 설정된 제1동전위를 인가하고, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 전력이 설정된 기준 전력 이상이 되면 상기 태양전지모듈의 양극단자와 음극단자에 상기 제1동전위의 인가를 해제시키는 역분극화부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 역분극화부는 상기 태양전지 모듈의 출력전압을 검출하는 전압검출부와; 상기 태양전지 모듈의 양극단자와 음극단자에 상기 제1동전위를 인가 또는 인가해제할 수 있도록 된 동전위 인가부와; 상기 전압검출부에서 검출된 전압이 상기 하한전력에 대응하는 제1하한전압 이하가 되면 상기 동전위인가부의 상기 제1동전위가 상기 태양전지 모듈의 양극단자와 음극단자에 각각 인가되게 상기 동전위 인가부를 제어하는 제어부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 전력변환부는 상기 제어부에 제어되어 상기 태양전지 모듈의 양극단자와 음극단자를 통해 입력되는 제1직류전압을 상기 제1직류전압보다 높게 설정된 제2직류전압으로 변환하는 직류-직류 컨버터와; 상기 직류-직류 컨버터에서 출력되는 제2직류전압을 교류전압으로 변환하는 직류-교류 인버터;를 구비한다.
또한, 상기 역분극화부는 상기 태양전지모듈이 설치된 프레임에 상기 태양전지 모듈과 일체로 설치된다.
본 발명에 따른 태양전지모듈의 전력제어장치에 의하면, 태양광이 조사되지 않을 때 태양전지모듈의 양극단자와 음극단자에 동전위의 양 또는 음의 전압을 인가하여 역분극화를 유도함으로써 태양전지모듈의 발전효율감소를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 전력제어장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 태양전지모듈이 프레임에 설치된 상태에서의 분극화 발생 상태를 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 도 1의 역분극화부에 대해 일 예로 적용한 회로도이다.
도 4는 도 1의 태양전지 모듈에 전력제어장치가 설치된 상태를 나타내 보인 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양전지모듈의 전력제어장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 전력제어장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전력제어장치(100)는 태양전지모듈(PV모듈)(110), 전력변환부, 역분극화부를 구비한다.
태양전지 모듈(110)은 입사된 태양광에 의해 양극단자(111)와 음극단자(112)를 통해 생성된 전력을 출력한다.
태양전지 모듈(110)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상부에 보호용 탑커버(121)와, 하부에 완충층(122) 및 하부시트(123)가 순차로 적층된 구조로 되어 , 가장자리를 감싸는 가스켓(124)에 의해 프레임(117)에 결합된 구조로 통상 설치된다.
여기서, 탑커버(121)는 유리소재로 형성될 수 있고, 완충층(122)은 에틸렌비닐 에세테이트(EVA) 소재로 형성될 수 있으며, 하부시트는 유리소재로 형성될 수 있다.
이러한 구조에서 알루미늄과 같은 금속소재로 형성된 프레임(117)과 태양전지모듈(110) 사이에 마련된 탑커버(121), 완충층(122), 하부시트(123)가 등가 커패시터(200)와 같은 기능을 하여 낮시간동안의 전력생성시 분극화(polarization)에 의해 a1 내지 a4로 표기된 경로를 통해 누설전류가 발생하거나 프레임(117)에 전하가 축적된다.
따라서, 이러한 분극화에 의한 태양전지모듈(100)의 발전효율저하를 후술하는 역분극화부에 의해 억제할 수 있고 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
전력변환부는 태양전지 모듈(110)의 양극 단자(111)와 음극단자(112)와 접속되어 태양전지 모듈(110)에서 생성된 전력을 공급계통에 대응한 공급전력으로 변환한다.
도시된 예에서는 전력변환부는 태양전지 모듈(110)의 양극단자(111)와 음극단자(112)를 통해 입력되는 제1직류전압(Va)을 제1직류전압(Va)보다 높게 설정된 제2직류전압으로 변환하는 직류-직류(DC/DC) 컨버터(130)와, 직류-직류 컨버터(130)에서 출력되는 제2직류전압을 상용 교류전압으로 변환하는 직류-교류(DC/AC) 인버터(140)가 적용되었다.
역분극화부는 태양전지 모듈(110)에서 출력되는 전력을 검출하면서, 태양전지 모듈(110)에서 출력되는 전력이 설정된 하한 전력 이하가 되면 태양전지 모듈(110)의 양극단자(111)와 음극단자(112)에 각각 설정된 제1동전위(Vc)를 인가하고, 태양전지 모듈(110)에서 출력되는 전력이 설정된 기준 전력 이상이 되면 태양전지모듈(110)의 양극단자와 음극단자에 제1동전위(Vc)의 인가를 해제시킨다.
이러한 역분극화부는 태양전지 모듈(110)의 출력전압을 검출하는 전압검출부(150)와, 태양전지 모듈(110)의 양극단자(111)와 음극단자(112)에 제1동전위(Vc)를 인가 또는 인가해제할 수 있도록 된 동전위 인가부(180)와, 전압검출부(150)에서 검출된 전압이 하한전력에 대응하는 제1하한전압 이하가 되면 동전위인가부(180)의 제1동전위가 태양전지 모듈(110)의 양극단자(111)와 음극단자(112)에 각각 인가되게 동전위 인가부(180)를 제어하는 제어부(160)를 구비한다.
여기서 태양전지모듈(110)이 낮동안 400V의 전압을 생성하도록 구축된 경우, 제1하한전압은 일 예로서, 1 내지 3V로 설정되고, 기준전력에 대응되는 기준전압은 10V로 설정될 수있다.
이러한 역분극화는 등가회로로 나타내 보인 도 3에 도시된 바와 같이 제1동전위(Vc)에 해당하는 전위를 공급하는 동전위공급원(180a)과, 동전위 공급원(180a)의 양극단과 태양전지 모듈(110)의 양극단자와 음극단자를 각각 제어부(160)의 제어신호에 따라 접속 또는 분리되게 스위치 온/오프 되게 접속된 스위치소자(185)로 되어 있다.
도 3에서, 태양전지모듈(110)의 전력생성루프에 대해 역방향으로 접속된 다이오드는 역방향 보호용 다이오드이다.
여기서, 동전위 공급원(180a)에서 공급되는 제1동전위는 태양전지 모듈(110)의 낮동안의 생성전압에 대응되는 전압을 공급하도록 구축되는 것이 바람직하고, 일 예로서, 태양전지모듈(110)이 낮동안 400V의 전압을 생성하는 경우 동전위 공급원(180a)은 400V의 직류전원을 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 동전위 공급원(180a)은 낮시간 동안의 발전상태에서 태양전지모듈(110)로부터 생성된 전력을 충전하여 이용할 수 있도록 구축되는 것이 바람직하다.
따라서, 밤시간에 태양전지 모듈(110)의 양극단자(111)와 음극단자(112)를 통해 제1동전위(Vc)를 유지하면 낮시간 동안 분극화에 대응하여 등가로 표기한 커패시터(200)에 충전된 전하에 의한 태양전지 모듈(110)로의 역전압 인가가 방지됨으로써 태양전지모듈(110)의 스트레스를 억제할 수 있고, 그에 따른 발전효율저하를 방지할 수 있다.
이와는 다르게 동전위 공급원은 동전위의 음의 전압을 양극단자(111)와 음극단자(112)에 공급하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
한편, 도시된 예와 다르게 제어부(160)는 조도센서를 이용하여 동전위 인가부(180)의 접속 및 접속해제를 결정하거나, 타이머에 의해 결정하도록 구축할 수 있음은 물론이다.
전류검출부(170)는 태양전지모듈(110)로부터 직류-직류 컨버터(130)를 통해 흐르는 전류를 검출하여 제어부(160)에 제공한다.
제어부(160)는 전압검출부(160)에서 출력되는 전압정보와 전류검출부(170)에서 출력되는 전류정보를 이용하여 통상의 최대전력점 추종제어에 의해 직류-직류 컨버터(130)의 스위칭 듀티를 조정한다.
한편, 동전위 인가부(180), 전압검출부(150), 전류검출부(170), 직류-직류 컨버터(130) 및 제어부(160)는 도 4에 도시된 바와 같이 단일 패키지(135)로 형성되어 프레임(117)을 통해 설치된 태양전지모듈(110)의 입사면 맞은편인 되는 후면에 일체로 장착되는 것이 바람직하다.
110: 태양전지모듈(PV모듈) 111: 양극단자
112: 음극단자 130: 직류-직류 컨버터
150: 전압검출부 160: 제어부
180: 동전위 인가부

Claims (4)

  1. 입사된 태양광에 의해 생성된 전력을 양극단자와 음극단자를 통해 출력하는 태양전지 모듈과;
    상기 양극 단자와 음극단자와 접속되어 상기 태양전지 모듈에서 생성된 전력을 공급계통에 대응한 공급전력으로 변환하는 전력변환부와;
    상기 태양전지 모듈에서 출력되는 전력을 검출하면서, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 전력이 설정된 하한 전력 이하가 되면 상기 태양전지 모듈의 상기 양극단자와 음극단자에 각각 설정된 제1동전위를 인가하고, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 전력이 설정된 기준 전력 이상이 되면 상기 태양전지모듈의 양극단자와 음극단자에 상기 제1동전위의 인가를 해제시키는 역분극화부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 전력제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 역분극화부는
    상기 태양전지 모듈의 출력전압을 검출하는 전압검출부와;
    상기 태양전지 모듈의 양극단자와 음극단자에 상기 제1동전위를 인가 또는 인가해제할 수 있도록 된 동전위 인가부와;
    상기 전압검출부에서 검출된 전압이 상기 하한전력에 대응하는 제1하한전압 이하가 되면 상기 동전위인가부의 상기 제1동전위가 상기 태양전지 모듈의 양극단자와 음극단자에 각각 인가되게 상기 동전위 인가부를 제어하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 전력제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전력변환부는
    상기 제어부에 제어되어 상기 태양전지 모듈의 양극단자와 음극단자를 통해 입력되는 제1직류전압을 상기 제1직류전압보다 높게 설정된 제2직류전압으로 변환하는 직류-직류 컨버터와;
    상기 직류-직류 컨버터에서 출력되는 제2직류전압을 교류전압으로 변환하는 직류-교류 인버터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 전력제어장치.
  4. 제2항에서 있어서, 상기 역분극화부는 상기 태양전지모듈이 설치된 프레임에 상기 태양전지 모듈과 일체로 설치된 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 전력제어장치.
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