KR101747199B1 - 승압 전압을 제공하는 태양광 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 승압 전압에 의해 부하에 안정적인 동작 전압을 제공하기 위한 태양광 발전 시스템으로서, 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지; 상기 태양전지의 발전 전압에 따라, 상기 태양전지와 선택적으로 연결되는 전력 설정 저항 및 부하 저항; 및 상기 태양전지의 발전 전압이 접점 전환 전압보다 높아질 경우, 접점을 전환시켜, 상기 발전 전압 승압에 따라 상기 부하 저항이 안정적으로 동작할 수 있도록 하는 계전기; 를 포함하는, 태양광 발전 시스템이 제공된다.

Description

승압 전압을 제공하는 태양광 발전 시스템{SOLAR CELL GENERATING SYSTEM FOR PROVIDING THE BOOSTED VOLTAGE}
본 발명은 승압 전압을 제공하는 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 계전기의 접점 전환에 의해 승압 전압을 발생시켜 안정적으로 부하 동작 전압을 제공하는 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 기존 화석 에너지 고갈에 따른 대체 에너지원의 필요성 및 지구 온난화, 환경오염 등과 같은 환경 문제 해결에 대한 필요성의 대두에 따라 신재생에너지에 대한 연구, 개발이 집중되고 있다.
이에, 최근 활발히 연구되고 있는 신재생에너지 중 하나인 태양광 발전은 태양으로부터의 광 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸어주는 발전 방식이다. 태양광 발전 시스템은 에너지원에 제한이 없으며, 공해 유발원이 없어 환경 문제 해결을 위해 필수적인 자원이다.
다만, 이러한 태양광 발전은 전력 생산이 일사량에 의존하는데, 일사량 변동에 따라 출력이 불안정해지는 문제점이 있다.
태양전지는 태양의 광 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 장치로서, 도 1은 이러한 태양전지가 시간에 따라 출력하는 발전 전압(Vg)을 도시한 그래프이다.
도 1의 곡선(a)는 구름 등과 같이 주위에 장애물이 존재하는 환경 하에서, 일출시 태양전지의 발전 전압(Vg)을 나타낸다. 도 1에서 임계 전압(Vc)은 부하를 안정적으로 동작시키는데 필요한 전압을 말한다.
도 1의 그래프를 참고하면, 구름 또는 주위의 장애물에 의해 발전 전압(Vg)이 순시적으로 변화하는 것을 알 수 있는데, 특히, 흐린 날의 경우, 일사량이 높지 않아 태양전지가 임계 전압(Vc) 이상의 발전 전압(Vg)을 출력하지 못하는 구간이 발생한다.
도 1의 시간 구간 T1에서 T2, T3에서 T4, 및 T5 이후의 구간에서는 임계 전압(Vc) 이상의 발전 전압(Vg)이 출력되어 부하의 동작에 문제가 없으나, 구간 T2에서 T3 및 T4에서 T5는 저전압에 의해 부하 동작을 안정되게 할 수 없다.
태양광 발전을 효율적으로 활용하기 위해서는 전 구간에서 부하의 동작을 안정화시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 계전기의 접점 전환을 태양전지의 출력 전압을 급상승시킴으로써, 발전 전압이 순시적으로 변함에도 불구하고, 전 구간에서 부하가 안정적으로 동작할 수 있도록 하는 것이다. 특히, 부하 측이 일정한 임계 전압 이상을 요구하는 마이크로프로세스 또는 제어 장치인 경우에 있어, 안정적인 기동 전원 전압을 보장 받을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전력 설정 저항치의 조절을 통해 태양전지 발전 전압의 승압 폭을 변동시킬 수 있도록 하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 승압 전압에 의해 부하에 안정적인 동작 전압을 제공하기 위한 태양광 발전 시스템으로서, 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지; 상기 태양전지의 발전 전압에 따라, 상기 태양전지와 선택적으로 연결되는 전력 설정 저항 및 부하 저항; 및 상기 태양전지의 발전 전압이 접점 전환 전압보다 높아질 경우, 접점을 전환시켜, 상기 발전 전압 승압에 따라 상기 부하 저항이 안정적으로 동작할 수 있도록 하는 계전기; 를 포함하는, 태양광 발전 시스템이 제공된다.
상기 계전기에 흐르는 전류를 제한하는 인덕터 강압 저항을 더 포함하는, 태양광 발전 시스템이 제공된다.
상기 계전기는, 상기 전력 설정 저항과 연결된 상시 폐접점; 상기 부하 저항과 연결된 상시 개접점; 상기 태양전지와 연결된 공통 접점; 및 상기 태양전지 발전 전압이 상기 접점 전환 전압보다 낮을 경우에는, 상기 상시 폐접점이 상기 공통 접점에 연결되도록 하며, 상기 태양전지 발전 전압이 상기 접점 전환 전압보다 높을 경우에는, 상기 상시 개접점이 상기 공통 접점에 연결되도록 하여 상기 부하 저항에 안정적인 동작 전압이 제공되도록 하는 인덕터를 포함할 수 있다.
상기 인덕터에 남아있는 전기 에너지를 방전시키는 환류 다이오드를 더 포함하는, 태양광 발전 시스템이 제공된다.
상기 전력 설정 저항은, 상기 부하 저항보다 작은 값을 갖는, 태양광 발전 시스템이 제공된다.
상기 계전기의 접점이 복귀되는 시점에서의 상기 태양전지 발전 전압을 복귀 전압이라고 할 때, 상기 복귀 전압은 상기 접점 전환 전압보다 낮은 값을 갖는, 태양광 발전 시스템이 제공된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 승압 전압에 의해 부하에 안정적이 동작 전압을 제공하기 위한 태양광 발전 시스템으로서, 일단은 인덕터 강압 저항과 연결되고, 타단은 전력 설정 저항 및 부하 저항과 연결된 태양전지; 상기 태양전지의 발전 전압과 접점 전환 전압의 관계에 따라, 태양전지의 일단과 연결된 공통 접점과 선택적으로 연결되는 상시 폐접점 및 상시 개접점을 포함하는 계전기; 일단은 상기 상시 폐접점과 연결되며, 타단은 상기 태양전지에 연결된 전력 설정 저항; 일단은 상기 태양전지와 연결되며, 타단은 상기 공통 접점과 연결되는 상기 인덕터 강압 저항; 및 일단은 상기 상시 개접점과 연결되고, 타단은 상기 태양전지와 연결되는 부하 저항을 포함하는, 태양광 발전 시스템이 제공된다.
상기 계전기는, 일단은 상기 태양전지와 연결되고, 타단은 상기 인덕터 강압 저항과 연결되는 인덕터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 계전기의 접점 전환을 통해 태양전지에 흐르는 전류를 감소시킴에 따라 승압된 전압을 제공함으로써, 부하 동작에 필요한 임계 전압 이상의 발전 전압이 전 구간에서 안정적으로 제공될 수 있다.
특히, 부하 측이 일정한 임계 전압 이상을 요구하는 마이크로프로세스 또는 제어 장치인 경우에 있어, 안정적인 기동 전원 전압을 보장 받을 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 설정 저항치와 부하 저항치의 차이를 조절함으로써, 발전 전압의 승압 폭을 변동시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 구름 또는 주위의 장애물이 존재하는 환경 하에서, 내부 저항이 존재하지 않는 태양전지가 시간의 흐름에 따라 출력하는 발전 전압을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 승압 전압을 제공하기 위한 태양광 발전 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 발전 전압을 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2의 태양광 발전 시스템에서 본 발명의 다른 실시예에 따라, 부하 저항의 구성이 대체된 태양광 발전 시스템을 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 4의 태양광 발전 시스템의 발전 전압을 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 4의 태양광 발전 시스템에서 태양전지 및 RS-계전기 직렬연결부가 연결된 회로만을 분리하여 도시한 도면이다.
도 7은 계전기 접점 전환 전, 도 4의 태양광 발전 시스템의 동작 상태를 나타내는 등가 회로도이다.
도 8은 계전기 접점 전환 이후, 도 4의 태양광 발전 시스템의 동작 상태를 나타내는 등가 회로도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 승압 전압을 제공하기 위한 태양광 발전 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양전지(210), 계전기(220), 환류 다이오드(Free Wheeling Diode)(230), 전력 설정 저항(Rp)(240), 인덕터 강압 저항(RS)(250) 및 부하 저항(RL)(260)을 포함한다.
태양전지(210)는 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 태양전지(210)의 발전 전압(Vg)은 일사량의 영향을 받는다. 따라서, 햇빛이 없는 야간에는 태양전지(210)의 발전량이 최소화되어 발전 전압(Vg)은 0V에 가까워지고, 일출 후 일사량 증가에 따라, 태양전지(210)의 발전 전압(Vg)은 증가하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지(210)는 자체적으로 내부 저항(Rv)이 존재할 수도 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 내부 저항(Rv)이 존재하는 태양전지(210)를 '유저항 태양전지', 내부 저항(Rv)이 존재하지 않는 경우에는 '무저항 태양전지'라 하기로 한다.
계전기(220)는 태양전지(210)의 발전 상태에 따라, 부하와 태양전지(210) 간 연결 관계를 전환하는 기능을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 계전기(220)에 의한 부하 연결 관계의 전환이 순간적으로 일어남으로써, 부하에 승압 전압을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계전기(220)는 상시 폐접점(221), 공통 접점(222), 상시 개접점(223) 및 인덕터(224)로 이루어질 수 있다.
후술할 바와 같이, 계전기(220)는 인덕터(224)에 전류를 흘려주어 형성된 자기장 세기가 달라짐에 따라, 상시 폐접점(221), 공통 접점(222) 및 상시 개접점(223) 간의 상호 연결 상태가 전환되는데, 이하, 계전기(220)의 세 접점 간 연결 상태 전환을 '접점 전환'이라 하고, 접점 전환이 일어나는 계전기(220) 양단 전압을 '계전기 동작 전압'이라고 하기로 한다.
계전기(220) 양단 전압이 계전기 동작 전압을 초과하게 되면 접점 전환이 일어나게 되어, 상시 폐접점(221)과 연결 상태에 있던 공통 접점(222)이 상시 폐접점(221)과의 연결을 끊고, 상시 개접점(223)과 상호 연결된다.
상시 폐접점(221)은 일반적으로 닫힌 상태로 존재하다가, 계전기(220)의 접점 전환이 있으면 열리게 되는 접점을 말한다. 즉, 평상시 상시 폐접점(221)은 공통 접점(222)에 연결된 닫힌 상태이며, 계전기 동작 전압에 도달하여 접점 전환이 일어나면 접점이 열려 공통 접점(222)과의 연결이 끊어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상시 폐접점(221)은 전력 설정 저항(Rp)(240)의 일단(N4)과 연결될 수 있다. 따라서, 상시 폐접점(221)이 공통 접점(222)과 연결된 상태에서는 전력 설정 저항(Rp)(240)에 전류 I1이 흐르게 되며, 접점 전환에 의해 공통 접점(222)과의 연결이 끊어지면 전류 I1은 0이 된다.
공통 접점(222)은 상시 폐접점(221) 또는 상시 개접점(223)에 선택적으로 연결될 수 있는 접점으로, 접점 전환 전에는 상시 폐접점(221)에 연결된 상태로 존재하다가, 접점 전환에 의해 상시 개접점(223)과 연결된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 접점(222)은 태양전지(210)의 일단(N2)과 연결될 수 있다.
한편, 상시 개접점(223)은 계전기(220)의 접점 전환 전, 열린 상태로 존재하다가 접점 전환에 의해 닫히게 되는 접점을 말한다. 즉, 평상시에는 연결이 끊긴 상태로 존재하다가, 계전기(220) 양단 전압이 계전기 동작 전압에 도달하면 접점 전환이 일어나게 되어 상시 개접점(223)이 닫히면서 공통 접점(222)과 연결된다.
일 실시예에 따른 상시 개접점(223)은 부하 저항(RL)(260)의 일단(N5)과 연결되어, 접점 전환 이후 상시 개접점(223)이 공통 접점(222)과 연결되면, 부하 저항(RL)(260)에 전류 I3가 흐르게 된다.
요약하면, 접점 전환 전, 공통 접점(222)은 상시 폐접점(221)과 연결된 상태로 존재하여 전력 설정 저항(Rp)(240)에 전류 I1이 흐르는 반면, 부하 저항(RL)(260)의 경우는, 상시 개접점(223)이 공통 접점(222)에 연결되어 있지 않아, 전류 I3가 흐르지 않게 된다(즉, I3=0). 이때, 전류 I1은 Vg/Rp와 같다.
한편, 접점 전환이 일어나면 상시 폐접점(221)과 공통 접점(222)의 연결이 끊어지고, 상시 개접점(223)과 공통 접점(222)이 연결되어 전력 설정 저항(Rp)(240)에 흐르던 전류 I1이 차단됨(즉, I1=0)과 동시에, 부하 저항(RL)(260)에 전류 I3가 발생되며, 상기 전류 I3는 Vg/RL가 된다.
계전기(220)의 인덕터(224)는 전자석의 성질을 띠고 있어 인덕터(224)에 전류가 흐름에 따라 자기장이 형성되고, 계전기(220) 양단에 걸리는 전압이 계전기 동작 전압에 도달해 자기장의 세기가 계전기(220)의 접점들을 동작시키기에 충분해지면 접점 전환이 일어나게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 인덕터(224)의 일단(N1)은 태양전지(210)와 연결되고, 타단(N3)은 후술할 인덕터 강압 저항(Rs)(250)과 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환류 다이오드(Free Wheeling Diode)(230)는 계전기(220)의 인덕터(224) 주변 소자가 파괴되는 것을 방지하기 위해 인덕터(224) 내에 남아있는 전기 에너지를 방전시키는 역할을 할 수 있다.
환류 다이오드(230)는 인덕터(224)와 병렬로 연결되어, 일단(N1)은 태양전지(210)와 연결되고, 타단(N3)은 인덕터 강압 저항(Rs)(250)과 연결되게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 설정 저항(Rp)(240)의 일단(N4)은 상시 폐접점(221)과 연결되며, 타단(N1)은 태양전지(210)와 연결된다. 따라서, 상시 폐접점(221)이 공통 접점(222)과 연결된 상태에서는, 전력 설정 저항(Rp)(240)에 전류 I1 (I1=Vg/Rp)이 흐르게 된다. 한편, 이 경우, 전력 설정 저항(Rp)(240)에서 소모되는 전력은 (I1)2ⅹ(Rp)가 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터 강압 저항(RS)(250)은 계전기(220) 보호를 위해 인덕터(224)에 흐르는 전류를 제한할 수 있다.
인덕터 강압 저항(RS)(250)의 일단(N3)은 계전기(220)의 인덕터(224)와 연결되며, 타단은 태양전지(210)의 일단(N2)과 연결된다. 또한, 인덕터 강압 저항(RS)(250)의 타단은 공통 접점(222)과 연결되어 있어, 공통 접점(222)이 상시 폐접점(221)과 연결되는 경우에는, 전력 설정 저항(Rp)(240)의 일단(N4)과 등전위가 되고, 공통 접점(222)이 상시 개접점(223)과 연결되는 경우에는, 부하 저항(RL)(260)의 일단(N5)과 등전위를 형성하게 된다.
인덕터 강압 저항(RS)(250)에 흐르는 전류 I2는 Vg/(RS+인덕터 저항)의 값을 가지며, 인덕터(224)에 흐르는 전류와 동일한 값을 갖는다.
일 실시예에 따른 부하 저항(RL)(260)의 일단(N5)은 상시 개접점(223)과 연결되며, 타단은 태양전지(210)의 타단(N1)과 연결될 수 있다.
계전기(220) 접점 전환시, 공통 접점(222)과 상시 개접점(223)이 연결되면서, 부하 저항(RL)(260)에 전류 I3 (I3=Vg/RL)가 흐르게 된다.
상술한 도 2의 태양광 발전 시스템의 접점 전환 전후의 동작을 요약하면, 계전기(220)의 접점 전환 전에는 상시 폐접점(221)과 공통 접점(222)이 연결된 상태로 존재하므로, 전력 설정 저항(Rp)(240)에 전류 I1이 흐르며, 부하 저항(RL)(260)에는 전류가 흐르지 않는다. 따라서 접점 전환 전, 태양전지(210)에 흐르는 전류 I0는 I1+I2와 같다.
반면, 본 발명의 실시예에 따라, 계전기(220)의 접점 전환이 있으면, 연결되어 있던 상시 폐접점(221)과 공통 접점(222)의 연결이 끊어지고, 상시 개접점(223)과 공통 접점(222)이 연결되어, 전력 설정 저항(Rp)(240)에 흐르던 전류 I1이 차단되고(I1=0), 부하 저항(RL)(260)에는 전류 I3이 흐르게 된다. 이 경우에는 태양전지(210)에 흐르는 전류 I0가 I2+I3와 같게 된다.
이하, 계전기(220) 접점 전환을 하는 시점을 '접점 전환 시점(Top)'이라 하고, 이때의 태양전지(210)의 발전 전압(Vg)을 '접점 전환 전압(Vop)'이라 하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접점 전환 전압(Vop)은 접점 전환 시점(Top)에서, 계전기(220)의 인덕터(224) 양단에 걸리는 계전기 동작 전압 및 인덕터 강압 저항(RS)(250)의 양단에 걸리는 전압의 합과 같게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지(210)에는 자체적인 내부 저항(Rv)이 존재할 수 있는데, 이와 같이 내부 저항(Rv)이 존재하는 유저항 태양전지(210)의 발전 전압은 내부 저항(Rv)이 부존재하는 무저항 태양전지(210)의 발전 전압에서 내부 저항(Rv) 양단의 전압을 빼준 값과 같게 된다.
따라서, 유저항 태양전지(210)의 발전 전압은 태양전지(210) 내부 저항(Rv)의 양단 전압에 따라 달라지게 된다.
한편, 태양전지(210)의 내부 저항(Rv) 값은 접점 전환이 일어나더라도 큰 변화가 없기 때문에 태양전지(210)의 내부 저항에 흐르는 전류 I-0 값의 변화에 따라 태양전지(210) 내부 저항(Rv)의 양단 전압이 달라지며(즉, Rv 양단 전압=RvⅹI0변화량(ΔI0)), 그에 따라, 유저항 태양전지(210)가 출력하는 발전 전압 또한 달라진다.
즉, 접점 전환에 의해 태양전지(210)에 흐르는 전류 I-0 값을 순간적으로 감소시키는 경우, '태양전지 내부 저항(Rv)ⅹI0변화량(ΔI0)' 만큼 유저항 태양전지(210) 발전 전압은 급상승하게 된다.
상기 태양전지(210)에 흐르는 전류 I0은 접점 전환 전에는 I1+I2와 같고, 접점 전환 후에는 I2+I3와 같게 되므로, 전류 I0의 변화량(ΔI0)은 I3-I1가 된다. 또한, 상술한 바와 같이, 접점 전환 전 전류 I1=Vg/Rp, 접점 전환 후 전류 I3=Vg/RL이므로, 전력 설정 저항(Rp)(240)과 부하 저항(RL)(260) 값의 차이가 클수록 I0 변화량(ΔI0)이 커짐을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 전류 I0 값, 즉, 전력 설정 저항(Rp)(240)과 부하 저항(RL)(260) 값의 차이를 통해, 유저항 태양전지(210)의 발전 전압을 승압시킬 수 있다.
이하, 도 3을 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 승압 전압 제공 방법을 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 발전 전압(Vg)을 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제1 곡선(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 무저항 태양전지(210)의 발전 전압 파형을 도시한다.
제2 곡선(b) 및 제3 곡선(c)의 경우, 유저항 태양전지(210)의 발전 전압을 도시하는데, 제2 곡선(b)는 접점 전환 전과 전환된 접점이 복귀된 이후의 발전 전압 파형에 해당하고, 제3 곡선(c)는 접점 전환 이후부터 접점 복귀 전까지의 발전 전압 파형에 해당한다.
유저항 태양전지(210)를 포함하는 태양광 발전 시스템은 접점 전환 전, 공통 접점 및 상시 폐접점이 연결되어 제2 곡선(b)와 같이 동작한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 일출 이후 일사량의 증가에 따라 발전 전압(Vg)이 증가하다가 접점 전환 시점(Top)에서 접점 전환 전압(Vop)에 도달하면, 계전기 양단에는 계전기 동작 전압이 걸리게 되어 계전기(220)가 동작하게 된다.
상기 계전기의 동작, 즉, 접점 전환에 의해 공통 접점과 상시 폐접점의 연결이 끊어지고, 열려있던 상시 개접점이 닫혀 공통 접점과 연결되면서, 도 3의 제3 곡선(c)와 같이 동작하게 된다.
이하, 본 발명의 실시예에 따라 접점 전환 시점(Top)에서 제2 곡선(b)에서 제3 곡선(c)로의 발전 전압(Vg)이 승압되는 과정을 상세히 설명하도록 한다.
제2 곡선(b)에서 상시 폐접점 및 공통 접점이 연결된 경우에는 전력 설정 저항(Rp)(240)에 전류 I1이 흐르게 되고, 제3 곡선(c)의 상시 개접점 및 공통 접점이 연결된 경우에는 전류 I-1이 차단되고, 부하 저항(RL)(260)에 전류 I3가 흐르게 된다.
즉, 제2 곡선(b)는 태양전지(210)에 흐르는 전류 I0가 I1+I2인 경우의 발전 전압을 도시하며, 제3 곡선(c)는 전류 I0가 I2+I3인 경우의 발전 전압을 도시한다. 따라서, 태양전지(210)에 흐르는 전류 I0는 접점 전환 전후로 I3-I1의 차이를 갖게 되는데, 이러한 전류 I0 값의 차이는 계전기(220)의 접점 전환에 의해 순간적으로 일어난다.
상술한 바와 같이, (유저항 태양전지 발전 전압)=(무저항 태양전지 발전 전압)-(태양전지 내부 저항(Rv)의 양단 전압(VRv)) 이므로, 유저항 태양전지(210)의 발전 전압은 태양전지(210) 내부 저항(Rv)의 양단 전압에 따라 달라지게 된다.
이때, 태양전지 내부 저항(Rv)의 양단 전압 변화량의 크기, |ΔVRv|=Rvⅹ|ΔI0| 이며, 동일한 태양전지의 동일 조건 하에서 무저항 태양전지 발전 전압은 일정하므로, 결국, 유저항 태양전지 발전 전압의 변화량의 크기 또한, |ΔVg|= Rvⅹ|ΔI0| 의 관계가 성립하게 된다.
따라서, 접점 전환에 의해, I0를 감소시키면 유저항 태양전지(210)의 발전 전압을 상승시킬 수 있을 뿐 아니라, I0 변화량(ΔI0)을 증가시킴으로써, 발전 전압(Vg) 승압 폭도 높일 수 있다.
요약하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 접점 전환 시점(Top)에서 계전기(220) 동작에 의해 접점 전환이 일어나면서, 전력 설정 저항(Rp)(240)에 흐르던 전류 I-1이 차단되고, 부하 저항(RL)(260)에 전류 I3가 흐르게 되어 태양전지(210)에 흐르는 전류 전류 I0의 크기가 감소함에 따라, 유저항 태양전지의 발전 전압을 승압시킬 수 있다.
한편, |ΔI0|=|I3-I1|, I1=Vg/Rp 및 I3=Vg/RL의 관계에 의해, 전류 I0의 변화량은 전력 설정 저항(Rp)(240) 및 부하 저항(RL)(260)에 의해 달라지는 것을 알 수 있다.
따라서, 전력 설정 저항(Rp)(240)이 부하 저항(RL)(260)보다 작은 값을 갖고, 그 차이가 커질수록 발전 전압의 승압 폭이 상승된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 계전기(220)의 접점 전환을 통해 발전 전압을 승압시킴으로써, 부하 동작에 필요한 임계 전압(Vc) 이상의 전압을 출력할 수 있으며, 이후, 유저항 태양전지(210)가 출력하는 발전 전압(Vg)은 제3 곡선(c)와 같은 형태로 나타나게 된다.
접점 전환 이후에도, 일사량 증가에 따라 태양광 발전 시스템의 발전 전압(Vg)이 제3 곡선(c)를 따라, 계전기 정격 전압(Vr) 또는 그 이상으로 상승하다가 이후, 일사량이 감소하면서 발전 전압(Vg)이 서서히 감소하게 된다.
감소하던 발전 전압(Vg)이 복귀 시점(Tb)에서 복귀 전압(Vb)보다 낮아지면, 계전기(220)가 동작을 멈추게 되어 공통 접점 및 상시 개접점의 연결이 끊어지고, 공통 접점과 상시 폐접점의 연결상태로 복귀된다.
본 명세서에서, 복귀 전압(Vb)은 의한 공통 접점 및 상시 개접점의 연결이 끊어지고, 다시 공통 접점 및 상시 폐접점이 연결된 접점 전환 전 상태로 계전기(220) 접점의 연결 상태를 복귀시키는 태양전지(210)의 발전 전압(Vg)을 말한다. 또한, 발전 전압(Vg)이 복귀 전압(Vb)에 도달하여 접점 연결 상태가 복귀되는 시점을 계전기 복귀 시점(Tb)이라 하기로 한다.
일반적으로 물체를 변형하는 과정에서 물체가 흡수한 에너지와 복원되는 과정에서 물체가 방출한 에너지가 달라지는 특성을 히스테리시스(Hysteresis)적 특성이라 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 접점 전환이 일어나는 접점 전환 전압(Vop)과 접점 연결이 복귀되는 복귀 전압(Vb)이 달라지는 히스테리시스적 특성을 나타낼 수 있으며, 상기 접점 전환 전압(Vop) 및 복귀 전압(Vb)의 차이 전압(Vd)을 이용해 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템을 구현할 수 있다.
도 3의 복귀 시점(Tb) 이후, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 다시 제2 곡선(b)를 따른 발전 전압(Vg)을 출력하게 된다. 이러한 제2 곡선(b)의 공통 접점과 상시 폐접점의 연결 상태는 일출시까지 지속되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 일출 이후, 일사량 변화에 따라 상술한 도 3의 동작 과정을 반복할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 부하 저항(RL)(260)으로 접점 전환 시점(Top)부터 전원을 공급하기 시작하여, 복귀 시점(Tb)에 이르러서 전원을 차단할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 구체적인 적용예를 설명하도록 한다.
도 4는 도 2의 태양광 발전 시스템에서 본 발명의 다른 실시예에 따라, 부하 저항(RL)(260)의 구성이 대체된 태양광 발전 시스템을 나타낸 회로도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 도 4의 태양광 발전 시스템의 계전기는 정격 전압 DC 12V, 계전기 동작 전압 DC 6.5V, 계전기 복귀 전압 DC 2.5V의 사양을 가지며, 620Ω의 인덕터 저항과 공통 접점, 상시 폐접점 및 상시 개접점을 포함한다.
또한, 도 4의 태양전지(210)는 14V/3.5A의 정격 전압/전류를 가지며, 전력 설정 저항(Rp)(240)의 저항치는 100Ω, 인덕터 강압 저항(RS)(250)은 200Ω의 저항치를 갖는다.
부하 저항(RL)(260)의 경우에는, LDO 레귤레이터 IC KIA7805 및 1kΩ의 저항으로 이루어지며, 이때, 1kΩ의 저항에는 5V의 전압이 걸리게 된다.
도 4에서 1kΩ의 저항에 흐르는 전류를 I4라 하면, 부하 저항(RL)(260)에 흐르는 전류 I3는 IQ+I4로 나타낼 수 있다. 이 경우, 전류 I4=5V/1kΩ=5mA가 되고, IQ는 KIA7805 데이터를 참고해보면 약 4.2mA에 해당함을 알 수 있다. 따라서, 부하 저항(RL)(260)에 흐르는 전류 I3= IQ+I4=4.2mA+5mA=9.2mA 의 값을 갖는다.
도 5는 도 4의 태양광 발전 시스템의 발전 전압(Vg)을 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5의 제1 곡선(a)는 도 4의 태양광 발전 시스템에서 무저항 태양전지(210)의 발전 전압 양상을 도시하며, 제2 곡선(b)는 접점 전환 전의 유저항 태양전지(210)의 발전 전압을 나타낸다. 제3 곡선(c)의 경우는 접점 전환 시점(Top) 이후, 전류 I1이 차단되면서 부하 저항(RL)(260)에 전류 I3 (I3= IQ+I4)가 흐르는 경우, 유저항 태양전지(210)의 발전 전압을 도시한다.
도 5를 참고해 볼때, 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 태양광 발전 시스템은 접점 전환 전, 제2 곡선(b)와 같은 발전 전압을 출력하다가, 접점 전환이 일어남에 따라, 제3 곡선(c)의 발전 전압을 출력하므로, 접점 전환 시점(Top)에서 ΔVg=10.5V-8.61V=1.89V 의 승압 전압을 제공함을 알 수 있다.
또한, 시간 Tf 이후에는 제1 곡선(a)의 무저항 태양전지 발전 전압과 유저항 태양전지 발전 전압이 거의 동일하게 나타나게 된다.
이하, 도 5의 그래프의 해석과 관련하여, 도 6 내지 도 8을 참고해 수치적으로 계산함으로써 상세히 설명하도록 한다.
도 5의 접점 전환 시점(Top)에서의 계전기를 동작시키기 위해 필요한 태양전지(210)의 출력량인 접점 전환 전압(Vop), 전류 I1 및 전류 I0의 계산을 도 6을 참조하여 설명하도록 한다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 인덕터 강압 저항(RS)(250) 및 계전기의 직렬 연결 부분을 'RS-계전기 직렬연결부'라고 하기로 한다.
도 6은 도 4의 태양광 발전 시스템에서 태양전지(210) 및 RS-계전기 직렬연결부가 연결된 회로만을 분리하여 도시한 도면이다.
먼저, 접점 전환 시점(Top)에서 인덕터(224) 양단에 걸리는 전압은 계전기 사양에 따라, 계전기 동작 전압인 6.5V가 되며, 이때, 인덕터(224)에 흐르는 전류, 즉, I2는 (인덕터 양단 전압)/(인덕터 저항)=6.5V/620Ω 이므로, 약 10.5mA가 된다.
인덕터 강압 저항(RS)(250)에는 인덕터(224)와 동일한 전류 I2가 흐르기 때문에, 인덕터 강압 저항(RS)(250) 양단에 걸리는 전압은 RsⅹI2=200Ωⅹ10.5mA=2.1V 이며, 인덕터(224) 양단 전압을 정확히 계산해보면, 620Ωⅹ10.5mA=6.51V 가 된다.
따라서, 접점 전환 시점(Top)에서 태양전지(210) 발전 전압 Vg=2.1V+6.51V=8.61V가 되며, 이는 접점 전환 전압(Vop)이 된다.
이하, 접점 전환 시점(Top)에서 전력 설정 저항(Rp)(240)에 흐르는 전류 I1을 계산해보도록 한다.
접점 전환 전, 전력 설정 저항(Rp)(240)은 태양전지(210)와 병렬로 연결되므로, 전력 설정 저항(Rp)(240) 양단에 걸리는 전압은 태양전지(210) 양단 전압과 동일하다.
따라서, 전류 I1=(Rp 양단 전압)/(Rp)=8.61V/100Ω=86.1mA 이며, 접점 전환 전의 전류 I0=I1+I2=86.1mA+10.5mA=96.6mA 이다.
즉, 접점 전환 전, 공통 접점 및 상시 폐접점이 연결된 태양광 발전 시스템이 접점 전환 시점(Top)에 도달했을 때, 태양전지(210)에 흐르는 전류 I0는 96.6mA 임을 알 수 있다.
이하, 도 7 및 도 8을 참고하여, 도 4의 태양광 발전 시스템으로부터 제공되는 승압 전압을 계산해보도록 한다.
도 7 및 도 8에서는 무저항 태양전지의 발전 전압을 Vg1, 유저항 태양전지 발전 전압은 Vg2으로 나타내어 구분하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지(210)의 발전 전압(Vg) 변화량의 크기(|ΔVg|)는 태양전지 내부 저항(Rv) 양단 전압 변화량의 크기(|ΔVRv|)와 같으므로, |ΔVRv|을 구하기 위해, 먼저, 도 7을 참고하여 태양전지(210) 내부 저항(Rv) 값을 계산해보도록 한다.
도 7은 계전기 접점 전환 전, 도 4의 태양광 발전 시스템의 동작 상태를 나타내는 등가 회로도이다.
도 5의 제1 곡선(a)를 참고할 때, 도 4의 태양광 발전 시스템은 무저항시, 시간 Ta -에서 8.61V의 발전 전압(Vg1)을 출력한다. 그러나 시간 Ta -에서 유저항시의 발전 전압(Vg2)은 5V에 해당한다.
도 7은 태양전지 내부 저항(Rv)을 분리하여 도시한 등가 회로로서, 도 7의 유저항 태양전지(210)에서 내부 저항(Rv)을 분리한 나머지 부분에 걸리는 발전 전압은 무저항 태양전지의 발전 전압(Vg1)과 같다.
즉, 무저항 태양전지 발전 전압(Vg1)에서 태양전지 내부 저항(Rv)에 걸리는 전압을 빼준 값이 유저항 태양전지(210)의 발전 전압(Vg2)에 해당한다.
또한, 전력 설정 저항(Rp)(240)과 RS-계전기 직렬연결부는 유저항 태양전지(210)의 발전 전압(Vg2)과 동일한 전압을 갖게 되므로, 전력 설정 저항(Rp)(240) 및 RS-계전기 직렬연결부 양단에는 5V의 전압이 걸리게 된다.
도 7을 참고하면, 태양전지 내부 저항(Rv)은 (무저항시 발전 전압-저항시 발전 전압)/(I-0)=(Vg1-Vg2)/(I-1+I2)에 해당하게 된다.
이때, 전류 I1-=Vg2/Rp=5V/100Ω, I2=Vg2/(RS+인덕터 저항)=5V/820Ω으로 각각 I1-=50mA, I2≒6.1mA가 되어, Rv=(8.61V5V)/(50mA+6.1mA)≒64.34Ω 값을 갖는다.
도 8은 계전기 접점 전환 이후, 도 4의 태양광 발전 시스템의 동작 상태를 나타내는 등가 회로도이다.
접점 전환 시점(Top)에서 계전기의 접점이 전환되면, 태양전지(210)는 전력 설정 저항(Rp)과의 연결이 끊어지고, 부하 저항(RL)(260)과 연결되어 도 8과 같은 회로가 동작하게 된다.
도 8의 유저항 태양전지(210)의 발전 전압(Vg2)은 도 5의 제3 곡선(c)에 해당하므로, 접점 전환 시점(Top)에서의 발전 전압은 10.5V에 해당한다. 따라서, 도 8에서 Vg2, 즉, 태양전지(210)의 양단 전압, RS-계전기 직렬연결부의 양단 전압 및 부하 저항(RL)(260)의 양단 전압은 모두 10.5V가 된다.
이때, 전류 I2--=Vg2/(RS+인덕터 저항)=10.5V/820Ω≒12.8mA 이고, I3--=9.2mA 이므로, 태양전지(210)에 흐르는 전류 I0= I-1+I2=12.8mA+9.2mA=22mA 가 된다.
결과적으로, 도 8에서 태양전지 내부 저항(Rv)에 걸리는 전압은 I0ⅹRv=22mAⅹ64.34Ω=1.415V 가 되며, 무저항시 발전 전압 Vg1은 Vg2+(Rv 양단 전압)=10.5V+1.415V=11.915V 가 된다.
한편, 도 5에서 상술한 바와 같이, 도 5의 시간 Tf 이후에는 무저항 태양전지 발전 전압(Vg1)과 유저항 태양전지 발전 전압(Vg2)이 거의 동일하게 나타나는데, 도 6 내지 도 8의 계산 과정을 참고하면, 이때의 태양전지 내부 저항(Rv)은 0Ω에 가까워짐을 알 수 있다.
따라서, 도 5의 시간 Tf 이후의 태양광 발전 시스템에서는 태양전지의 최대 용량까지 사용이 가능하게 되며, 부하 전류 I3 또한 최대로 할 수 있으므로, 대용량 부하를 연결하여 사용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
210: 태양전지
220: 계전기
221: 상시 폐접점
222: 공통 접점
223: 상시 개접점
224: 인덕터
230: 환류 다이오드
240: 전력 설정 저항(Rp)
250: 인덕터 강압 저항(RS)
260: 부하 저항(RL)

Claims (8)

  1. 승압 전압에 의해 부하에 안정적인 동작 전압을 제공하기 위한 태양광 발전 시스템으로서,
    광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양전지;
    상기 태양전지의 발전 전압에 따라, 상기 태양전지와 선택적으로 연결되는 전력 설정 저항 및 부하 저항; 및
    상기 태양전지의 발전 전압이 접점 전환 전압보다 높아질 경우, 접점을 전환시켜, 상기 발전 전압 승압에 따라 상기 부하 저항이 안정적으로 동작할 수 있도록 하는 계전기; 를 포함하고,
    상기 전력 설정 저항은, 상기 부하 저항보다 작은 값이고,
    상기 발전 전압의 승압은, 상기 접점 전환이 일어나면서, 상기 전력 설정 저항에 흐르던 전류는 차단되고, 상기 부하 저항에 전류가 흐르게 되어 상기 태양전지에 흐르는 전류의 크기가 감소함에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계전기에 흐르는 전류를 제한하는 인덕터 강압 저항을 더 포함하는, 태양광 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계전기는,
    상기 전력 설정 저항과 연결된 상시 폐접점;
    상기 부하 저항과 연결된 상시 개접점;
    상기 태양전지와 연결된 공통 접점; 및
    상기 태양전지 발전 전압이 상기 접점 전환 전압보다 낮을 경우에는, 상기 상시 폐접점이 상기 공통 접점에 연결되도록 하며, 상기 태양전지 발전 전압이 상기 접점 전환 전압보다 높을 경우에는, 상기 상시 개접점이 상기 공통 접점에 연결되도록 하여 상기 부하 저항에 안정적인 동작 전압이 제공되도록 하는 인덕터를 포함하는, 태양광 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인덕터에 남아있는 전기 에너지를 방전시키는 환류 다이오드를 더 포함하는, 태양광 발전 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 계전기의 접점이 복귀되는 시점에서의 상기 태양전지 발전 전압을 복귀 전압이라고 할 때, 상기 복귀 전압은 상기 접점 전환 전압보다 낮은 값을 갖는, 태양광 발전 시스템.
  7. 승압 전압에 의해 부하에 안정적이 동작 전압을 제공하기 위한 태양광 발전 시스템으로서,
    일단은 인덕터 강압 저항과 연결되고, 타단은 전력 설정 저항 및 부하 저항과 연결된 태양전지;
    상기 태양전지의 발전 전압과 접점 전환 전압의 관계에 따라, 태양전지의 일단과 연결된 공통 접점과 선택적으로 연결되는 상시 폐접점 및 상시 개접점을 포함하는 계전기;
    일단은 상기 상시 폐접점과 연결되며, 타단은 상기 태양전지에 연결된 전력 설정 저항;
    일단은 상기 태양전지와 연결되며, 타단은 상기 공통 접점과 연결되는 상기 인덕터 강압 저항; 및
    일단은 상기 상시 개접점과 연결되고, 타단은 상기 태양전지와 연결되는 부하 저항을 포함하고,
    상기 전력 설정 저항은, 상기 부하 저항보다 작은 값이고,
    상기 발전 전압의 승압은, 상기 접점 전환이 일어나면서, 상기 전력 설정 저항에 흐르던 전류는 차단되고, 상기 부하 저항에 전류가 흐르게 되어 상기 태양전지에 흐르는 전류의 크기가 감소함에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는, 태양광 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 계전기는,
    일단은 상기 태양전지와 연결되고, 타단은 상기 인덕터 강압 저항과 연결되는 인덕터를 더 포함하는, 태양광 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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