KR101692558B1 - 태양광 발전 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 태양광 발전 시스템은 복수의 태양 전지를 구비하고, 전류와 전압을 출력하는 태양 전지 모듈, 복수의 동작 모드 중 하나의 동작 모드에 대응하는 모드 선택 신호를 출력하는 모드 입력부, 그리고 상기 태양 전지 모듈 및 상기 모드 입력부에 연결되어 있고, 복수의 동작 모드 중에서 상기 모드 입력부로부터 인가되는 모드 선택 신호에 대응하는 동작 모드를 선택하고, 선택된 동작 모드에 맞게 상기 태양 전지 모듈로부터 인가되는 상기 전류와 상기 전압에 기초하여 상기 태양 전지 모듈의 전력을 생성하여 출력하는 동작 제어부를 포함한다. 이로 인해, 사용자에 의해 선택된 동작 모드에 맞게 전력을 산출하는 제어 동작이 행해져 사용자의 만족도가 향상된다.

Description

태양광 발전 시스템 및 그 제어 방법{PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 태양광 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)에 의해 p-n 접합을 형성하는 반도체부, 그리고 서로 다른 도전성 타입의 반도체부에 각각 연결된 전극을 구비한다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체부에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되어, 전자는 n형의 반도체부 쪽으로 이동하고 정공은 p형의 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 n형의 반도체부와 p형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결함으로써 전력을 얻는다.
이러한 태양 전지는 단독으로도 이용 가능하지만, 좀더 효율적인 사용과 설치를 용이하기 위해 동일한 구조를 갖는 복수의 태양 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양 전지 모듈을 제작한다.
따라서 사용자는 원하는 개수만큼의 태양 전지 모듈을 연결한 모듈 어레이인 태양 전지 패널을 설치하고, 이 태양 전지 패널로부터 최종 전력을 얻어 사용한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 사용자의 만족도를 향상시키는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 태양광 발전 시스템은 복수의 태양 전지를 구비하고, 전류와 전압을 출력하는 태양 전지 모듈, 복수의 동작 모드 중 하나의 동작 모드에 대응하는 모드 선택 신호를 출력하는 모드 입력부, 그리고 상기 태양 전지 모듈 및 상기 모드 입력부에 연결되어 있고, 복수의 동작 모드 중에서 상기 모드 입력부로부터 인가되는 모드 선택 신호에 대응하는 동작 모드를 선택하고, 선택된 동작 모드에 맞게 상기 태양 전지 모듈로부터 인가되는 상기 전류와 상기 전압에 기초하여 상기 태양 전지 모듈의 전력을 생성하여 출력하는 동작 제어부를 포함한다.
상기 모드 입력부는 제1 동작 모드와 상기 제1 동작 모드와 다른 제2 동작 모드를 구비할 수 있다.
상기 모드 입력부로부터 상기 제1 동작 모드에 대응하는 모드 선택 신호가 인가되면, 상기 동작 제어부는 초기 전압을 현재 전압으로 변환하고, 상기 태양 전지 모듈로부터 인가되는 상기 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 현재 전류를 판독하고, 상기 현재 전압과 현재 전류를 이용하여 현재 전력을 산출하며, 산출된 상기 현재 전력과 이전 전력을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시키거나 증가시켜 새로운 현재 전압을 산출할 수 있다.
상기 초기 전압은 상기 태양 전지 모듈의 개방 전압에 의해 정해질 수 있다.
상기 모드 입력부로부터 상기 제2 동작 모드에 대응하는 모드 선택 신호가 인가되면, 상기 동작 제어부는 초기 전압을 현재 전압으로 변환하고, 상기 태양 전지 모듈로부터 인가되는 상기 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 현재 전류를 판독하고, 상기 현재 전압과 현재 전류를 이용하여 현재 전력을 산출하며, 산출된 상기 현재 전력과 이전 전력을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시키거나 증가시켜 새로운 현재 전압을 산출하고, 상기 새로운 현재 전압이 설정 전압 범위 내에 포함될 경우, 상기 현재 전압을 상기 초기 전압으로 변환할 수 있다.
상기 초기 전압은 상기 태양 전지 모듈의 개방 전압에 의해 정해질 수 있다.
상기 특징에 따른 태양광 발전 시스템은 감지된 온도에 대응하는 온도 감지 신호를 출력하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.
상기 모드 입력부는 상기 제1 및 제2 동작 모드와 다른 제3 동작 모드를 더 구비할 수 있다.
상기 모드 입력부로부터 상기 제3 동작 모드에 대응하는 모드 선택 신호가 인가되면, 상기 동작 제어부는 상기 온도 감지부로부터 인가되는 온도 감지 신호를 판독하여 감지된 온도를 판정하고, 복수의 초기 전압 중에서, 판정된 상기 온도에 대응하는 초기 전압을 선택하여, 상기 초기 전압을 현재 전압으로 변환하고, 상기 태양 전지 모듈로부터 인가되는 상기 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 현재 전류를 판독하고, 상기 현재 전압과 현재 전류를 이용하여 현재 전력을 산출하며, 산출된 상기 현재 전력과 이전 전력을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시키거나 증가시켜 새로운 현재 전압을 산출할 수 있다.
상기 복수의 초기 전압의 전압 범위는 32V 내지 41V이고, 상기 전압 범위에 대응하는 온도 범위는 -5℃ 내지 55℃일 수 있다.
상기 복수의 초기 전압의 개수는 모두 8개일 수 있다.
상기 특징에 따른 태양광 발전 시스템은 상기 동작 제어부에서 출력되는 상기 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하로 출력하는 DC-AC 변환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 태양광 발전 시스템의 제어 방법은 모드 선택 신호를 판독하여, 복수의 동작 모드 중에서 상기 모드 선택 신호에 대응하는 동작 모드를 판정하는 단계, 판정된 상기 동작 모드가 일반 모드일 경우, 이미 정해진 하나의 초기 전압을 현재 전압으로 하고, 상기 현재 전압과 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 이용하여 전력을 생성하고, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 변화시켜 새로운 전력을 생성하는 단계, 그리고 판정된 상기 동작 모드가 자동 모드일 경우, 온도 감지 신호를 판독하여 감지된 온도를 판정하고, 복수의 초기 전압 중에서 감지된 상기 온도에 대응하는 초기 전압을 선택하여, 선택된 상기 초기 전압을 현재 전압으로 변환하고, 상기 현재 전압과 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 이용하여 전력을 생성하고, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 변화시켜 새로운 전력을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 일반 모드일 경우의 상기 전력 생성 단계는, 이미 정해진 하나의 초기 전압을 판독하여 현재 전압으로 변환하는 단계, 태양 전지 모듈로부터 출력되는 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 산출하는 단계, 상기 현재 전압과 상기 전류를 이용하여 전력을 생성하는 단계, 상기 전력과 이전 전력을 비교하는 단계, 상기 전력이 상기 이전 전력보다 크거나 같을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계, 그리고 상기 전력이 상기 이전 전력보다 작을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 증가시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자동 모드일 경우의 상기 전력 생성 단계는, 상기 온도 감지 신호를 판독하는 단계, 상기 온도 감지 신호에 대응하는 온도를 판정하는 단계, 상기 복수의 초기 전압 중에서, 판정된 상기 온도에 대응하는 초기 전압을 선택하는 단계, 선택된 상기 초기 전압을 현재 전압으로 변환하는 단계, 태양 전지 모듈로부터 출력되는 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 산출하는 단계, 상기 현재 전압과 상기 전류를 이용하여 전력을 생성하는 단계, 상기 전력과 이전 전력을 비교하는 단계, 상기 전력이 상기 이전 전력보다 크거나 같을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계, 그리고 상기 전력이 상기 이전 전력보다 작을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 증가시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 태양광 발전 시스템의 제어 방법은 판정된 상기 동작 모드가 상기 일반 모드나 상기 자동 모드가 아닐 경우, 이미 정해진 하나의 초기 전압을 판독하여 현재 전압으로 변환하는 단계, 태양 전지 모듈로부터 출력되는 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 산출하는 단계, 상기 현재 전압과 상기 전류를 이용하여 전력을 생성하는 단계, 상기 전력과 이전 전력을 비교하는 단계, 상기 전력이 상기 이전 전력보다 크거나 같을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계, 상기 전력이 상기 이전 전력보다 작을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 증가시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계, 상기 새로운 현재 전압이 설정 전압 범위 내에 포함되는지 판정하는 단계, 그리고 상기 새로운 현재 전압이 설정 전압 범위 내에 포함될 경우, 상기 새로운 현재 전압을 상기 초기 전압으로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 특징에 따르면, 사용자에 의해 선택된 동작 모드에 맞게 전력을 산출하는 제어 동작이 행해져 사용자의 만족도가 향상된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광 발전 시스템에 대한 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 동작 제어부의 동작 순서도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 동작 제어부의 동작 모드가 일반 모드일 경우, 동작 제어부의 동작 순서도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 동작 제어부의 동작 모드가 신뢰성 모드일 경우, 동작 제어부의 동작 순서도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 동작 제어부의 동작 모드가 자동 모드일 경우, 동작 제어부의 동작 순서도이다.
도 6와 도 7은 각각 전압에 따른 전력 곡선을 도시한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템 및 그 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광 발전 시스템에 대한 개략적인 블록도이다.
도 1에 도시한 것처럼, 태양광 발전 시스템(1)은 태양 전지 모듈(10), 모드 입력부(20), 온도 감지부(30), 태양 전지 모듈(10), 모드 입력부(20) 및 온도 감지부(30)에 연결된 동작 제어부(40), 동작 제어부(40)에 연결되어 있는 DC-AC 변환부(50), 그리고 DC-AC 변환부(50)에 연결된 부하(60)를 구비한다.
태양 전지 모듈(10)은 복수의 태양 전지(도시하지 않음)를 구비하고 있고, 복수의 태양 전지는 전자용 전극(도시하지 않음)과 정공용 전극(도시하지 않음)을 이용하여 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결되어 있다. 이러한 태양 전지 모듈(10)은 입사되는 태양광과 같은 빛을 이용하여 전류와 전압을 생성하여 출력한다.
모드 입력부(20)는 사용자에 의해 선택된 동작 모드에 해당하는 모드 선택 신호를 출력하여 동작 제어부(30)로 입력한다. 본 실시예에서, 사용자에 의해 선택 가능한 동작 모드는 일반 모드(normal mode), 신뢰성 모드(reliability mode) 및 자동 모드(automatic mode)이지만, 필요에 따라 이중 일부 모드는 생략 가능하며 별도의 동작 모드가 추가될 수 있다.
일반 모드는 이미 정해진 하나의 초기 전압(Vmax)에 기초하여 태양 전지 모듈(10)에서 출력되는 최대 전력을 판정하여 출력하는 MPPT(maximum power tracking) 제어를 실시하는 동작 모드이다. 이때, 초기 전압(Vmax)은 각 태양 전지 모듈의 개방 전압(open circuit voltage, Voc)으로 정해지고, 개방 전압은 전극들의 단자를 개방(open)한 후(즉, 전류=0) 측정된 전압이다.
신뢰성 모드는 태양 전지 모듈(10)의 동작 상태가 핫 스팟(hot spot, 열화현상) 등과 같은 비정상 상태로 판단될 경우, 태양 전지 모듈(10)의 상태를 보호하기 위한 상태로 MPPT 제어를 실시하는 동작 모드이다. 이 때, 핫 스팟은 태양 전지 모듈(10) 또는 태양 전지의 특정 부분에 나뭇잎이나 오염 물질 등의 영향으로 특정 부분의 온도가 증가하는 경우에 발생하며, 이 경우, 발열 등으로 인해 과전류가 흐르는 현상이 발생한다.
자동 모드는 태양 전지 모듈(10)이 설치된 지역에서 측정된 온도에 따라 이미 정해진 복수의 초기 전압들(Vmax…Vmaxn) 중 하나의 초기 전압을 선택한 후, 이 선택된 초기 전압에 기초하여 태양 전지 모듈(10)에서 출력되는 최대 전력을 판정하여 출력하는 MPPT 제어를 실시하는 동작 모드이다. 이 경우, 복수의 온도 범위와 각 온도 범위에 대응하는 하나의 초기 전압이 이미 정해져 있다.
이러한 모드 입력부(20)는 사용자의 선택 동작에 동작 상태가 변하여 선택된 모드에 대응하는 모드 선택 신호를 출력하는 적어도 하나의 스위치를 구비할 수 있다. 또한, 모드 입력부(20)는 적어도 하나의 스위치가 부착되어 있고 스위치의 동작 상태에 해당하는 모드 선택 신호를 무선으로 출력하는 원격 제어 장치(remote controller)일 수 있다.
온도 감지부(30)는 주변의 온도에 따라 해당하는 크기의 전기 신호(예, 전압)를 출력한다.
동작 제어부(40)는 태양 전지 모듈(10)로부터 출력되는 신호와 모드 입력부(20)로부터 입력되는 신호를 판독하여, 사용자에 의해 선택된 동작 모드에 맞게 태양 전지 모듈(10)로부터 출력되는 신호의 상태를 변환하여 DC-AC 변환부(40)로 출력한다.
DC-AC 변환부(50)는 동작 제어부(30)에서 출력되는 직류인 발전 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터(inverter)이다. 따라서, DC-AC 변환부(50)는 변환된 교류 전력을 부하(60)로 출력한다.
부하(60)는 태양 전지 모듈(10)의 동작에 의해 생성된 교류 전력에 의해 동작되는 전기 기기이다. 부하(60)는 태양 전지 모듈(10)의 동작에 의해 생성된 교류 전력뿐만 아니라 다른 전원 공급원으로부터 동작에 필요한 전력을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 태양 전지 모듈(10)로부터 전력이 생성될 경우에는 DC-AC 변환부(40)로부터 출력되는 발전 전력을 이용하고, 태양 전지 모듈(10)에서의 발전 동작이 이루어지지 않거나 발전 용량이 설정치 이하일 경우, 다른 전원 공급원으로부터 인가되는 전력을 이용하여 동작된다.
이러한 구조를 갖고 있는 태양광 발전 시스템(1)의 동작은 다음과 같다.
먼저, 태양 광이 태양 전지 모듈(10)에 조사되면, 태양 전지 모듈(10)에 구비된 각 태양 전지가 동작하여 입사된 빛의 양에 대응하는 전자와 정공을 생성한 후, 전자용 전극(도시하지 않음)과 정공용 전극(도시하지 않음)을 통해 전기적으로 연결된, 예를 들어, 직렬로 연결된 인접한 태양 전지로 전자와 정공을 이동시켜 태양 전지 모듈(10)로부터 직류의 전류와 전압이 생성되어, 이들 전류와 전압은 동작 제어부(30)로 입력된다. 이때, 생성되는 전류와 전압의 크기는 태양 광의 세기에 따라 달라진다.
또한, 모드 입력부(20)에 부착된 스위치의 동작에 의해 일반 모드, 신뢰성 모드 및 자동 모드 중 하나의 모드가 선택되면, 모드 입력부(20)는 선택된 모드에 해당하는 모드 선택 신호를 동작 제어부(30)로 출력한다.
다음, 도 2를 참고로 하여, 동작 제어부(30)의 동작을 살펴본다.
도 2에 도시한 것처럼, 전원 등의 공급에 의해 동작 제어부(30)의 동작이 시작되면(S10), 동작 제어부(30)는 모드 입력부(20)에서 출력되는 모드 선택 신호를 판독하여(S11), 선택된 동작 모드를 판정한다(S13). 이로 인해, 동작 제어부(30)는 모드 입력부(20)를 통해 사용자 등에 의해 선택된 동작 모드에 맞는 제어 동작을 실시한다.
즉, 도 2에 도시한 것처럼, 선택된 동작 모드가 일반 모드로 판정될 경우(S15), 동작 제어부(30)는 설정된 초기 전압(Vmax)에 기초하여 태양 전지 모듈(10)에서 출력되는 최대 전력을 탐색하는 MPPT 제어를 실시한다.
다음, 도 3을 참고로 하여, 일반 모드를 실행하는 동작 제어부(30)의 동작을 설명한다.
본 실시예에서, 태양 전지 모듈(10)에서 출력되는 전압(V)에 대한 전력의 변화률이 도 6에 도시한 것과 같은 경우, 일반 모드를 수행하기 위한 초기 전압(Vmax)은, 예를 들어, 약 35V로 정해진다.
이미 설명한 것처럼, 이 초기 전압(Vmax)는 태양 전지 모듈(10)의 개방 전압(Voc)에 기초하여 정해진다.
그런 다음, 이 초기 전압(Vmax)에서 정해진 전압 변화폭(α)만큼 감소시키면서 전력(P)을 판정한 후 DC-AC 변환부(50)로 출력하면서 최대 전력(Pmax)을 탐색하는 과정을 수행한다
따라서, 일반 모드의 동작이 시작되면(S17), 동작 제어부(40)는 태양 전지 모듈(10)의 개방 전압(Voc)에 따라 이미 정해져 메모리(도시하지 않음) 등에 저장되어 있는 초기 전압(Vmax)과 전압 변화폭(α)을 판독한다(S171).
그런 다음, 동작 제어부(40)는 초기 전압(Vmax)을 현재 전압(Vn)으로 한다(S173). 그런 다음, 태양 전지 모듈(10)에서 출력되는 전류를 이용하여 현재 전압(Vn)이 출력될 때의 해당 전류를 판독하여 현재 전압(In)으로 정한다(S175)
다음, 단계(S177)로 넘어가, 이 현재 전압(Vn)과 현재 전압(Vn)을 곱하여 현재 전력(Pn)을 산출한 후, 산출된 DC-AC 변환부(50)로 출력한다(S179). 이미 설명한 것처럼, 태양광 전지 모듈(10)로부터 실시간으로 전압(Vn)과 이 전압(Vn)에 대한 전류(In)가 인가되므로, 동작 제어부(40)는 태양광 전지 모듈(10)의 출력 신호에 기초하여 현재 전압(Vn)과 이 전압(Vn)에 대응하는 현재 전류(In)를 판정한다.
따라서, DC-AC 변환부(50)는 동작 제어부(40)에서 출력되는 직류의 현재 전력(Pn)을 교류의 현재 전력으로 변환한 후, 부하(60)로 출력한다.
이로 인해, 부하(60)는 DC-AC 변환부(50)에서 출력되는 전력, 즉 태양 전지 모듈(10)에서 출력되는 전압과 전류를 이용하여 동작에 필요한 전력을 소모한다.
이미 설명한 것처럼, 부하(60)는 태양 전지 모듈(10)의 동작에 의해 생성된 교류 전력뿐만 아니라 다른 전원 공급원으로부터 동작에 필요한 전력을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 태양 전지 모듈(10)로부터 전력이 생성될 경우에는 DC-AC 변환부(40)로부터 출력되는 발전 전력을 이용하고, 태양 전지 모듈(10)에서의 발전 동작이 이루어지지 않거나 발전 용량이 설정치 이하일 경우, 다른 전원 공급원으로부터 인가되는 전력을 이용하여 동작된다.
다시, 동작 제어부(40)의 동작을 살펴보면, 단계(S79)로 넘어가 동작 제어부(40)는 현재 전력(Pn)과 이전 전력(Pn-1)을 비교한다(S1711).
현재 전력(Pn)이 이전 전력(Pn-1)보다 클 경우, 예를 들어, 도 6에서 "A" 지점에서 "B" 지점으로 이동한 상태로 판단되면, 동작 제어부(40)는 태양 전지 모듈(10)로부터의 출력 전압과 출력 전류에 기초한 전력(Pn)의 크기가 이전 상태(Pn-1)보다 증가한 상태로서, 최대 전력(Pmax)이 출력되는 지점인 최대 전력 지점(R)을 탐색하기 위해서는 전압(Vn)값을 증가시켜야 하는 상태로 판단한다.
따라서, 동작 제어부(40)는 현재 전압(Vn)을 전압 변화폭(α)만큼 감소시켜 다음 상태를 위한 새로운 현재 전압(Vn)을 생성하고, 현재 상태에서의 현재 전압(Vn)과 현재 전력(Pn)은 이전 전압(Vn-1)과 이전 전력(Pn-1)으로서 메모리에 저장된다(S1713).
그런 다음, 동작 제어부(40)는, 이미 설명한 것처럼, 단계(S175)로 넘어가 현재 전압(Vn)과 현재 전류(In)을 이용하여 현재 전력(Pn)을 산출하여, 산출된 현재 전력(Pn)과 이전 전력(Pn-1))을 비교하여 최대 전력의 탐색 동작을 수행한다.
하지만, 단계(S1711)에서, 현재 전력(Pn)이 이전 전력(Pn-1)보다 작을 경우, 동작 제어부(40)는 현재 전압(Vn)이 최대 전력(Pmax)을 탐색하기 위한 최대 전력 지점(R)을 지나간 상태로 판단한다. 따라서, 동작 제어부(40)는 현재 전압(Vn)을 증가시켜 최대 전력(Pmax)이 출력되는 지점인 최대 전력 지점(R)을 탐색할 수 있도록 한다.
이를 위해, 동작 제어부(40)는 최대 전력을 탐색하기 위해, 현재 전압(Vn)을 전압 변화폭(α)만큼 증가시켜 다음 상태를 위한 새로운 전압(Vn)을 생성하고, 현재 상태에서의 현재 전압(Vn)과 현재 전력(Pn)은 이전 전압(Vn-1)과 이전 전력(Pn-1)으로서 메모리에 저장된다(S1715).
그런 다음, 동작 제어부(40)는 단계(S75)로 넘어가 현재 전력(Pn)을 산출하여, 산출된 현재 전력(Pn)과 이전 전력(Pn-1))을 비교하여 최대 전력(Pmax)의 탐색 동작을 수행한다.
이와 같이, 모드 입력부(20)로부터의 입력 선택 모드가 일반 모드일 경우, 동작 제어부(40)는 태양 전지 모듈(10)에 기초한 전력을 산출하여 DC-AC 변환부(50)로 출력하고 또한 초기에 설정된 최대 전압(Vmax)과 전압 변화폭(α)을 이용하여, 시간에 따라 현재 전압을 전압 변화폭(α)만큼 감소시키거나 증가시키면서, 최대 전력(Pmax)을 탐색하는 동작을 수행한다.
하지만, 모드 선택 신호에 기초하여 판정된 동작 모드가 신뢰성 모드일 경우(S1), 동작 제어부(40)는 단계(S2)로 넘어가 신뢰성 모드용 MPPT 제어 동작을 실시한다.
신뢰성 모드에 따라 MPPT 제어 동작을 실시하는 동작 제어부(40)의 동작은 도 4와 같다.
도 4를 참고를 참고로 하면, 단계(S211-S2115)의 동작은 이미 도 3을 참고로 하여 설명한 단계(S171-S1715)의 동작과 동일하다.
따라서, 이미 도 3을 참고로 하여 설명한 것처럼, 태양 전지 모듈(10)의 개방 전압(Voc)을 기초로 하여 정해진 최대 전압(Vmax)에서부터 전압 변화폭(α)만큼 전압(Vn)을 가감하여 최대 전력 지점을 탐색한다.
하지만, 단계(S2113)나 단계(S2115)을 통해 전압 변화폭(α)만큼 가감되어 새롭게 생성된 현재 전압(Vn)이 이미 정해진 설정 전압 범위 내에 포함되는지 판단한다(S2117).
태양 전지 모듈(10)의 일부가 구름, 나뭇잎, 흙, 또는 먼지 등으로 가려질 경우, 이들에 의해 가려진 부분에서 열이 발생하고, 이로 인해, 태양 전지 모듈(10)에서 출력되는 전류는 급격하게 증가하는 과전류 현상이 발생하여, 태양 전지 모듈(10)의 동작 상태로 비정상 상태로 동작하게 된다.
이럴 경우, 과전류 현상에 의해 태양 전지 모듈(10)에서 출력되는 전류는 증가하고, 이로 인해, MTTP 제어 동작을 통해 최대 전력(Pmax)을 탐색하기 위해 변하는 전압(Vn)은 핫 스팟 범위로서 정해진 비정상 동작 범위(Vc)까지 감소하게 된다. 따라서, 동작 제어부(40)는 최대 전력(Pmax)을 탐색하기 위한 전압(Vn)이 설정 전압 범위인 비정상 동작 범위(Vc)에 포함될 경우, 현재 태양 전지 모듈(10)의 동작 상태를 비정상 상태로 판정한다. 이때, 비정상 동작 범위(Vc)는 태양 전지 모듈(10)의 동작 상태나 주변 환경 등에 따라 가변된다.
따라서, 다음 상태의 동작을 위해 가변된 전압(Vn)이 설정 전압 범위(Vc)에 포함되는 상태로 판단되면, 동작 제어부(40)는 단계(S211)로 넘어가 초기 전압(Vmax)을 판독하여, 현재 전압(Vn)을 읽어온 초기 전압, 즉, 최대 전압(Vmax)으로 변환한 후(S213), 이후의 단계를 실행하여 전력 산출 동작을 실시한다.
이처럼, 현재 전압(Vn)이 최대 전압(Vmax)으로 변환됨에 따라, 태양 전지 모듈(10)에서 출력되는 전류를 감소하므로, 발열 현상으로 인해 발생하는 과전류 현상이 제거되어, 발열 현상으로부터 태양 전지 모듈(10)을 보호한다.
다시, 도 2로 되돌아가, 모드 입력부(20)로부터 인가되는 모드 선택 신호에 의해 판정된 동작 모드가 신뢰성 모드가 아닐 경우, 동작 제어부(40)는 자동 모드로 판정한다(S23).
따라서, 자동 모드를 실시하기 위해, 온도 감지부(30)로부터 인가되는 온도 감지 신호를 판독하여, 현재 태양 전지 모듈(10)이 설치된 지역의 온도를 판정한 후(S25), 자동 모드(S27)를 실시한다.
다음, 도 5를 참고로 하여, 자동 모드를 실시하는 동작 제어부(40)의 동작을 설명한다.
도 5에 도시한 한 것처럼, 동작 제어부(40)의 동작 상태가 자동 모드로 전환되면(S27), 동작 제어부(40)는 복수의 초기 전압(Vmax1…Vmaxn) 중에서 판정된 온도에 대응되는 초기 전압(Vmax1…Vmaxn)을 판정한다(S271). 일반적으로, 실리콘(silicon)과 같은 반도체 재료로 이루어져 있는 태양 전지는 온도에 따라 동작 상태가 가변되고, 즉, 온도가 상승할 경우, 출력되는 전압이 감소하게 되고, 예를 들어, 1K도 증가할 때마다 약 0.126V가 감소한다. 이로 인해, 각 태양 전지에서 출력되는 전압과 전류가 변하게 된다. 결국, 태양 전지 모듈(10)의 동작 상태를 주변 환경의 온도에 따라 출력되는 전압과 전류가 변하게 되므로, 주변 환경의 온도에 맞게, MPPT 제어를 위한 초기 전압을 조정하여, MPPT 제어를 위한 동작 제어부(40)의 제어 시간을 단축하거나 제어 효율을 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 태양 전지 모듈(10)의 동작 온도 범위(예, 약 -15℃ 내지 약 55℃)를 복수개의 범위로 분할하고, 각 분할된 범위마다 상이한 최기 전압(Vmax1…Vmaxn)을 설정한다.
예를 들어, 약 -15℃ 내지 약 55℃의 온도 범위를 모두 8개의 온도 범위로 나누어 총 8개의 초기 전압(Vmax1-Vmax8)을 설정할 수 있고, 각 초기 전압(Vmax1-Vmax8)에 대한 온도 범위와 전압값을 다음과 같이 설정될 수 있다.
-5℃ ~ -15℃: Vmax1=41V
-5.1℃ ~ 0℃: Vmax2=40V
0.1℃ ~ 5℃: Vmax3=38V
5.1℃ ~ 15℃: Vmax4=37V
15.1℃ ~ 25℃: Vmax5=36V
25.1℃ ~ 35℃: Vmax6=35V
35.1℃ ~ 45℃: Vmax7=33V
45.1℃ ~ 55℃: Vmax8=32V
이처럼, 복수의 초기 전압(Vmax1-Vmaxn) 중에서 감지된 온도에 대응하는 하나의 초기 전압(Vmax1-Vmaxn)이 정해지면, 이미 도 3의 단계(S173) 내지 단계(S1715)의 동작과 동일한 동작을 수행하여, 최대 전력(Pmax)을 탐색한다(S273-S2715).
이와 같이, 본 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 사용자에 의해 선택된 동작 모드에 맞게 MPPT 제어 동작이 이루어지므로, 사용자의 요구 조건을 만족시킬 수 있다.
또한, 태양 전지 모듈(10)이 비정상적으로 동작할 경우, 태양 전지 모듈(10)의 동작 상태를 안전한 상태로 변환하므로, 발열이나 과전류 등으로 인한 태양 전지 모듈의 손상이나 파손을 방지한다. 이로 인해, 태양 전지 모듈(10)의 수명이 연장된다.
또한, 태양 전지 모듈(10)이 설치된 환경에 맞는 최적의 상태로 MPPT 제어 동작이 행해지므로, MPPPT 제어 시간이 단축되므로 태양 전지 모듈(10)의 동작 효율이 향상된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 복수의 태양 전지를 구비하고, 전류와 전압을 출력하는 태양 전지 모듈,
    복수의 동작 모드 중에서 사용자에 의해 수동으로 선택된 하나의 동작 모드에 대응하는 모드 선택 신호를 출력하는 모드 입력부, 그리고
    상기 태양 전지 모듈 및 상기 모드 입력부에 연결되어 있고, 상기 복수의 동작 모드에 따른 서로 다른 동작 순서를 저장하고 있으며, 상기 복수의 동작 모드 중에서 상기 사용자에 의해 수동으로 선택되어 모드 입력부로부터 인가되는 모드 선택 신호에 대응하는 동작 모드를 선택하고, 선택된 동작 모드에 맞는 동작 순서에 따라 동작하여, 상기 태양 전지 모듈로부터 인가되는 상기 전류와 상기 전압에 기초하여 상기 태양 전지 모듈의 전력을 생성하여 출력하는 동작 제어부
    를 포함하는 태양광 발전 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 모드 입력부는 제1 동작 순서에 따라 작동하는 제1 동작 모드와, 상기 제1 동작 순서와는 다른 제2 동작 순서에 따라 작동하는 제2 동작 모드를 구비하는 태양광 발전 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 모드 입력부로부터 상기 제1 동작 모드에 대응하는 모드 선택 신호가 인가되면, 상기 동작 제어부는 상기 제1 동작 순서에 따라, 초기 전압을 현재 전압으로 변환하고, 상기 태양 전지 모듈로부터 인가되는 상기 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 현재 전류를 판독하고, 상기 현재 전압과 현재 전류를 이용하여 현재 전력을 산출하며, 산출된 상기 현재 전력과 이전 전력을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시키거나 증가시켜 새로운 현재 전압을 산출하는 태양광 발전 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 초기 전압은 상기 태양 전지 모듈의 개방 전압에 의해 정해지는 태양 광 발전 시스템.
  5. 제2항에서,
    상기 모드 입력부로부터 상기 제2 동작 모드에 대응하는 모드 선택 신호가 인가되면, 상기 동작 제어부는 상기 제2 동작 순서에 따라, 초기 전압을 현재 전압으로 변환하고, 상기 태양 전지 모듈로부터 인가되는 상기 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 현재 전류를 판독하고, 상기 현재 전압과 현재 전류를 이용하여 현재 전력을 산출하며, 산출된 상기 현재 전력과 이전 전력을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시키거나 증가시키는 새로운 현재 전압을 산출하고, 상기 새로운 현재 전압이 설정 전압 범위 내에 포함될 경우, 상기 현재 전압을 상기 초기 전압으로 변환하는 태양광 발전 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 초기 전압은 상기 태양 전지 모듈의 개방 전압에 의해 정해지는 태양 광 발전 시스템.
  7. 제2항에서,
    감지된 온도에 대응하는 온도 감지 신호를 출력하는 온도 감지부를 더 포함하는 태양광 발전 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 모드 입력부는 상기 제1 및 제2 동작 순서와 다른 제3 동작 순서에 따라 작동하는 제3 동작 모드를 더 구비하는 태양광 발전 시스템.
  9. 제8항에서,
    상기 모드 입력부로부터 상기 제3 동작 모드에 대응하는 모드 선택 신호가 인가되면, 상기 동작 제어부는 상기 제3 동작 순서에 따라, 상기 온도 감지부로부터 인가되는 온도 감지 신호를 판독하여 감지된 온도를 판정하고, 복수의 초기 전압 중에서, 판정된 상기 온도에 대응하는 초기 전압을 선택하여, 상기 초기 전압을 현재 전압으로 변환하고, 상기 태양 전지 모듈로부터 인가되는 상기 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 현재 전류를 판독하고, 상기 현재 전압과 현재 전류를 이용하여 현재 전력을 산출하며, 산출된 상기 현재 전력과 이전 전력을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시키거나 증가시켜 새로운 현재 전압을 산출하는
    태양광 발전 시스템.
  10. 제9항에서,
    상기 복수의 초기 전압의 전압 범위는 32V 내지 41V이고, 상기 전압 범위에 대응하는 온도 범위는 -5℃ 내지 55℃인 태양광 발전 시스템.
  11. 제10항에서,
    상기 복수의 초기 전압의 개수는 모두 8개인 태양광 발전 시스템.
  12. 제1항에서,
    상기 동작 제어부에서 출력되는 상기 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하로 출력하는 DC-AC 변환부를 더 포함하는 태양광 발전 시스템.
  13. 복수의 동작 모드 중에서 사용자에 의해 수동으로 선택된 모드 선택 신호를 판독하여, 서로 다른 동작 순서에 따라 각각 동작하는 상기 복수의 동작 모드 중에서 상기 사용자에 의해 수동으로 선택된 모드 선택 신호에 대응하는 동작 모드를 판정하는 단계, 및
    상기 사용자에 의해 수동으로 선택된 동작 모드에 맞는 동작 순서에 따라 동작하여, 태양 전지 모듈로부터 인가되는 전류와 전압에 기초하여 상기 태양 전지 모듈의 전력을 생성하여 출력하는 단계
    를 포함하며,
    판정된 상기 동작 모드가 일반 모드일 경우, 저장되어 있는 제1 동작 순서에 따라, 이미 정해진 하나의 초기 전압을 현재 전압으로 하고, 상기 현재 전압과 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 이용하여 전력을 생성하고, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 변화시켜 새로운 전력을 생성하고
    판정된 상기 동작 모드가 자동 모드일 경우, 저장되어 있는 제2 동작 순서에 따라, 온도 감지 신호를 판독하여 감지된 온도를 판정하고, 복수의 초기 전압 중에서 감지된 상기 온도에 대응하는 초기 전압을 선택하여, 선택된 상기 초기 전압을 현재 전압으로 변환하고, 상기 현재 전압과 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 이용하여 전력을 생성하고, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 변화시켜 새로운 전력을 생성하는 태양광 발전 시스템의 제어 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 일반 모드일 경우의 상기 전력 생성 단계는,
    이미 정해진 하나의 초기 전압을 판독하여 현재 전압으로 변환하는 단계,
    태양 전지 모듈로부터 출력되는 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 산출하는 단계,
    상기 현재 전압과 상기 전류를 이용하여 전력을 생성하는 단계,
    상기 전력과 이전 전력을 비교하는 단계,
    상기 전력이 상기 이전 전력보다 크거나 같을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계, 그리고
    상기 전력이 상기 이전 전력보다 작을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 증가시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계
    를 포함하는 태양광 발전 시스템의 제어 방법.
  15. 제13항에서,
    상기 자동 모드일 경우의 상기 전력 생성 단계는,
    상기 온도 감지 신호를 판독하는 단계,
    상기 온도 감지 신호에 대응하는 온도를 판정하는 단계,
    상기 복수의 초기 전압 중에서, 판정된 상기 온도에 대응하는 초기 전압을 선택하는 단계,
    선택된 상기 초기 전압을 현재 전압으로 변환하는 단계,
    태양 전지 모듈로부터 출력되는 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 산출하는 단계,
    상기 현재 전압과 상기 전류를 이용하여 전력을 생성하는 단계,
    상기 전력과 이전 전력을 비교하는 단계,
    상기 전력이 상기 이전 전력보다 크거나 같을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계, 그리고
    상기 전력이 상기 이전 전력보다 작을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 증가시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계
    를 포함하는 태양광 발전 시스템의 제어 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에서,
    판정된 상기 동작 모드가 신뢰성 모드일 경우, 저장되어 있는 제3 동작 순서에 따라,
    이미 정해진 하나의 초기 전압을 판독하여 현재 전압으로 변환하는 단계,
    태양 전지 모듈로부터 출력되는 전류를 이용하여 상기 현재 전압에 대응하는 전류를 산출하는 단계,
    상기 현재 전압과 상기 전류를 이용하여 전력을 생성하는 단계,
    상기 전력과 이전 전력을 비교하는 단계,
    상기 전력이 상기 이전 전력보다 크거나 같을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 감소시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계,
    상기 전력이 상기 이전 전력보다 작을 경우, 상기 현재 전압을 전압 변화폭만큼 증가시켜 새로운 현재 전압을 생성하는 단계,
    상기 새로운 현재 전압이 설정 전압 범위 내에 포함되는지 판정하는 단계, 그리고
    상기 새로운 현재 전압이 설정 전압 범위 내에 포함될 경우, 상기 새로운 현재 전압을 상기 초기 전압으로 변환하는 단계
    를 실시하는 태양광 발전 시스템의 제어 방법.
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