KR101832513B1 - 임계치 적응식 태양광 셀의 전자 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 발전기의 전자 관리 시스템과 관련하며, 상기 시스템은 병렬로 연결된 복수의 n개 정적 변환기(11, 12, 13)를 포함하며, 각각의 변환기(11, 12, 13)는 상기 발전기의 적어도 하나의 태양광 셀(10)에 전기적으로 접속된다. 연결된 변환기들의 개수는 생성된 전력을 임계치들 P1, P2, ...Pn-1과 비교함으로써 결정되며, 상기 임계치들은 증가하는 수의 변환기에 대한 성능 곡선들의 교차점에서 실질적으로 상기 전력 값들로서 규정된다. 본 발명은 또한 상기 시스템을 포함하는 발전기 및 연관된 제어 방법과 관련한다.

Description

임계치 적응식 태양광 셀의 전자 관리 시스템{SYSTEM FOR THE ELECTRONIC MANAGEMENT OF PHOTOVOLTAIC CELLS WITH ADAPTED THRESHOLDS}
본 발명은 태양광 발전기의 분야에 관한 것으로, 특히, 전자 시스템을 통합한 태양광 모듈에 관한 것이며, 이러한 형태의 모듈은 태양광 발전기 및 태양광 셀의 전자 관리 시스템을 포함한다.
본래 알려진 방법으로, 태양광 발전기(photovoltaic generator: PVG)는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 하나 이상의 태양광(PV) 셀을 포함한다. 무기 물질의 경우, 태양광 셀은 본질적으로 반도체 물질을 기반으로 구성된 (pn 또는 pin 접합) 다이오드를 포함한다. 이 물질은 빛 에너지를 흡수하는 특성을 가지고 있으며, 그 에너지의 상당 부분은 전하 캐리어(전자 및 홀)에 전달될 수 있다. 각각의 N형 및 P형의 두 영역의 도핑에 의한 - 아마도 비도핑된 영역(pin 접합에서 "진성(intrinsic)"으로 지칭되며 "i" 이라 지정됨)에 의해 분리된 - (pn 또는 pin 접합)의 구조는 전하 캐리어를 분리하여, 이들이 태양광 셀이 포함하는 전극을 통해 수집되게 한다. 태양광 셀이 공급할 수 있는 최대 전위차(개방 회로 전압, VOC)와 최대 전류(단락 회로 전류, ICC)는 전반적으로 셀을 만드는 물질과 이 셀 주변의 (스펙트럼 강도, 온도 등을 매개로 한 조명을 포함하는) 조건의 함수이다. 유기 물질의 경우, 여기(excitons)라고 알려진 전자-정공 쌍이 생성되는 도너 및 억셉터 물질의 개념에 대해 더 언급하자면, 모델은 현저하게 다르다. 그 목적은 여전히 같은데, 즉, 전류를 수집하고 생성하기 위해 전하 캐리어를 분리하는 것이다.
도 1은 (종래 기술에 따른) 태양광 발전기의 일예를 개략적으로 도시한다. 대부분의 태양광 발전기는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 태양광 셀들을 포함하는 적어도 하나의 패널을 포함한다. 복수의 셀 그룹들은 패널의 총 전압을 높이기 위해 직렬로 연결될 수 있으며, 복수의 셀 그룹들은 또한 시스템을 통해 전달되는 세기를 높이기 위해 병렬로 연결될 수 있다. 마찬가지로, 복수의 패널은 응용에 따라 발전기의 전압 및/또는 전류의 세기를 높이기 위해 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다.
도 1은 두 개의 병렬 브랜치를 포함하는 태양광 발전기를 도시하며, 각각의 브랜치는 세 개의 셀 그룹(2)을 포함한다. 태양광 발전기의 전기적 안전을 보장하기 위하여, 넌리턴 다이오드(non-return diodes)(3) 및 바이패스 다이오드(4)가 제공될 수 있다. 넌리턴 다이오드(3)는 부하 또는 발전기의 다른 브랜치로부터 도달하는 음전류(negative current)가 셀에 흐르는 것을 방지하기 위해 발전기의 각 병렬 브랜치에 직렬로 연결된다. 바이패스 다이오드(4)는 셀 그룹(2)에 역병렬(anti-parallel)로 연결된다. 바이패스 다이오드(4)는 결핍(deficiency) 또는 섀도잉 문제(shadowing problem)를 보이는 셀 그룹(2)을 분리해줄 수 있으며 핫 스팟의 문제를 해결해줄 수 있다.
발전기의 최대 전압은 발전기를 구성하는 셀들의 최대 전압들의 합에 해당하며, 발전기가 전달할 수 있는 최대 전류는 셀들의 최대 전류들의 합에 해당한다. 무부하 셀의 경우, 즉, 전류가 전달되지 않는(개방 회로) 경우에는 셀의 최대 전압 VOC에 도달하며, 셀의 단자들이 단락 회로일 때, 즉, 셀의 단자에 인가되는 전압이 0볼트인 경우에는 셀의 최대 전류 ICC에 도달한다. 최대값 VOC 및 ICC는 태양광 셀을 구현하는데 사용되는 기술과 물질에 따라 달라진다. 전류 ICC의 최대값은 또한 셀의 일사량(insolation)의 레벨에 크게 좌우된다. 따라서, 태양광 셀은 비선형 전류/전압 특성(IPV, VPV) 및 최적의 전압값 Vopt 및 최적의 전류값 Iopt에 해당하는 최대 전력점(maximum power point: MPP)을 갖는 전력 특성을 나타낸다. 도 2는 (도면에서 PPM으로 식별되는) 최대 전력점을 갖는 태양광 셀의 전류/전압(IPV, VPV) 특성 및 전력/전압(PPV, VPV) 특성을 도시한다. 마찬가지로, 태양광 발전기도 비선형 전류/전압 특성 및 최대 전력점을 갖는 전력 특성을 나타낸다. 셀들 중 일부가 가려지는 경우, 또는 그룹의 하나 이상의 셀이 결함있는 경우, 이 그룹의 최대 전력점 MPP은 바뀌게 될 것이다.
최대 전력을 찾으라는 명령을 사용하여 태양광 발전기의 동작을 최적화하는 것이 알려져 있으며, 이는 최대 전력점 추적기(Maximum Power Point Tracker: MPPT)라고 알려져 있다. 이러한 유형의 MPPT 명령은 응용에 따라서, 직류/교류(DC/AC) 변환기 또는 직류/직류(DC/DC) 변환기일 수 있는 하나 이상의 정적 변환기(static converter: CS)와 연관될 수 있다. 그러므로, 도 1은 발전기의 출력에 연결되어 발전기의 모든 셀들에 의해 생성되어 부하에 전달하는 전기적 에너지를 수집하는 DC/AC 정적 변환기(8)를 도시한다. 부하의 요건에 따르면, 변환기는 출력 전압을 증가 또는 감소시킬 수 있으며 및/또는 출력 전압을 반전시킬 수 있다. 따라서, 도 1은 변환기(8)와 연관된 MPPT 명령부(6)를 도시한다.
MPPT 명령부(6)는 전력 특성의 최대 점에 해당하는 태양광 발전기(PVG)의 최적 전압값 Vopt에 대응하는 입력 전압을 얻기 위해 변환기(들)(8)를 제어하도록 설계되어 있다. 최대 전력점은 시간 상관 변수, 특히 당일의 일사량, 온도 또는 셀의 노화, 또는 작동 중인 셀의 개수와 같은 복수의 파라미터에 따라 달라질 것이다.
이와 같이, 태양광 발전기의 출력은 특정 셀의 오작동이나 가려짐으로 인해 많은 악영향을 받지 않는다. 발전기의 전기적 출력은 각각의 태양광 셀의 상태에 직접 좌우된다.
태양광 발전기에 의해 전달되는 전력은 일사량의 함수로서 달라진다. 특히, 하나가 아닌 두 개나 세 개, 또는 심지어 그 보다 많은 변환기가 전력의 함수로서 사용될 수 있다. PVG에 의해 생성된 전력의 변화의 함수로서 (셀 또는 위상) 변환기의 개수를 적응하는 방법이 있다. 실제로, 실질적인 전력 변화를 관리하기 위해서는 단일 변환기의 사용이 반드시 유리하지 않으며, 변환 출력은 악영향을 받는다. 단일 위상(또는 단일 변환기)을 기초로 하여 구성된 전력 변환기의 출력은 PV 전력 공급이 최대일 때 줄어드는 반면 세 개의 변환기를 포함한 구조는 전달된 PV 전력에 관계없이 거의 일정한 출력을 유지하는 경향이 있다. 이것은 더 많은 에너지가 배터리에 전달되는 결과를 가져올 것이다.
도 3은 이런 형태로 PV 셀의 출력에 세 개의 CS(이 경우에는 부스트 변환기)를 포함하는 구성을 도시한다. 이들 변환기는 장치의 피크 전력(Ppeak)과 관련하여 발전기 전력의 함수로 작동된다. 공지의 방법으로, PVG에 의해 전달되는 전력이 Ppeak의 3분의 1보다 적거나 같을 때, 한 개의 CS가 사용되고, PVG에 의해 전달되는 전력이 Ppeak의 1/3과 2/3 사이일 때는 2개의 CS가 사용되고, 전달되는 전력이 Ppeak의 2/3 보다 클 때는 3개의 CS가 사용된다.
따라서, PVG의 변환 출력을 증가시킬 필요가 있다.
그러므로, 본 발명은 태양광 발전기의 전자 관리 시스템을 제공하며, 상기 시스템은,
- 병렬로 연결된 복수의 n개의 정적 변환기(11, 12, 13)를 포함하며, 각각의 변환기(11, 12, 13)는 상기 발전기의 적어도 하나의 태양광 셀(10)에 전기적으로 연결되어 있으며,
- 상기 연결되는 변환기의 개수는 임계치들 P1, P2, ... Pn-1에 따라 생성된 전력을 비교함으로써 결정되고, 상기 임계치들은 증가하는 수의 변환기들에 대한 효율 곡선들의 교차점에서 실질적으로 전력들의 값으로서 규정된다.
일 실시예에 따르면, n은 3이다.
일 실시예에 따르면,상기 제1 임계치는 1/3보다 적고, 바람직하게는 20%와 33% 사이이고, 유리하게는 23%와 32% 사이이다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 임계치는 2/3보다 크고, 바람직하게는 35%와 55% 사이이고, 유리하게는 40%와 50% 사이이다.
일 실시예에 따르면, 상기 임계치 값들은 상기 적어도 하나의 태양광 셀의 최적 전압값 Vopt에 좌우된다.
일 실시예에 따르면, 상기 임계치 값들은 상기 변환기들의 입력 전압에 좌우되고, 유리하게는 상기 입력 전압은 상기 적어도 하나의 태양광 셀의 최적 전압값 Vopt이다.
일 실시예에 따르면, 상기 임계치 값들은 년 주기 및/또는 햇빛에 좌우된다.
일 실시예에 따르면, 상기 임계치 값들은 상기 변환기들의 듀티 사이클에 좌우된다.
일 실시예에 따르면, 상기 임계치 값들은 상기 변환기들의 온도에 좌우된다.
일 실시예에 따르면, 상기 임계치 값들은 상기 변환기들의 노화에 좌우된다.
일 실시예에 따르면, 상기 임계치 값들은 결정되어 상기 관리 시스템의 메모리에 저장되며, 적용되는 상기 임계치 값들은 상기 태양광 발전기의 파라미터의 측정치의 함수로서 변경가능하다.
일 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 효율 곡선을 전력의 함수로서 결정하는 장치를 포함한다.
상기 시스템에서 CS를 순환하는 일 실시예에 따르면, 상기 변환기들은 차례로 연결되어 있다.
상기 CS를 순환하는 본 실시예의 한가지 대안에 따르면, 상기 변환기들의 순환은 이용된 변환기들의 개수가 변동하는 경우에 수행된다.
상기 CS를 순환하는 본 실시예의 한가지 대안에 따르면, 상기 변환기들의 순환은 상기 변환기들의 부품들의 상태에 좌우된다.
또한, 본 발명의 주제는 태양광 발전기이며, 상기 태양광 발전기는,
- 적어도 하나의 태양광 셀;
- 본 발명에 따른 상기 관리 시스템을 포함한다.
또한, 본 발명의 주제는,
- 적어도 하나의 태양광 셀;
- 병렬로 연결된 복수의 n개 정적 변환기(11, 12, 13) - 각각의 변환기(11, 12, 13)는 적어도 하나의 태양광 셀(10)에 전기적으로 접속됨 - 를 포함하는 태양광 발전기의 제어 방법이며, 상기 방법은,
- 상기 적어도 하나의 태양광 셀에 의해 생성된 전력의 결정 및 상기 피크 전력과의 비교 단계;
- 임계치 값들 P1, P2, ...Pn-1과의 비교 단계;
- 상기 임계치들 P1, P2, ...Pn-1은 적어도 하나의 태양광 셀에서 증가하는 수의 변환기들에 대한 효율 곡선들의 교차점에서 실질적으로 상기 전력들의 값으로서 규정되며;
- 상기 측정된 전력값이 Pi-1과 Pi 사이에 있을 때 i개 변환기의 연결 단계, 또는 상기 측정된 전력값이 Pn-1보다 크면 상기 모든 변환기들의 연결 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법에서 상기 CS를 순환하는 일 실시예에 따르면,
- 상기 모든 변환기들이 연결되어 있지 않을 때 상기 i번째 변환기는 다른 변환기들의 연결 중에 더 이상 연결되지 않는다.
상기 CS를 순환하는 본 실시예의 한가지 대안에 따르면, 상기 방법은,
- 적어도 하나의 제1 변환기의 연결 단계;
- 더 많은 수의 변환기의 연결 단계를 포함하며,
- 더 적은 수의 변환기의 연결의 경우에서, 상기 제1 변환기는 연결되지 않는다.
상기 CS를 순환하는 본 실시예의 한가지 대안에 따르면, 상기 방법에서,
상기 변환기들의 순환 단계는 상기 측정된 전력값이 상기 임계치들 Pi-1와 Pi 사이에서 변할 때 실행된다.
상기 CS를 순환하는 본 실시예의 한가지 대안에 따르면, 상기 방법은,
- 각 변환기의 사용 지속기간 및/또는 사용 횟수의 결정 단계;
- 사용 지속기간 및/또는 사용 횟수가 상기 변환기들에 대해 소정 기간에 걸쳐 다소 같아지도록 상기 변환기들의 연결 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 특히 본 발명에 따른 상기 발전기에 적합하다.
도 1은 전술한 종래 기술의 태양광 발전기의 도면을 도시한다.
도 2는 전술한 태양광 셀의 이론적인 전류/전압과 전력 특성을 도시한다.
도 3은 복수의 변환기(여기서는 부스트 유형의 3개의 정적 변환기 CS)를 포함하는 PVG의 도면을 도시한다.
도 4는 3개의 CS의 효율 곡선을 도시한다.
도 5는 발명에 따른 하루 중 시간의 함수로서 CS의 개수를 도시한다.
도 6은 실시예에서 사용되는 구성을 도시한다.
본 발명은 태양광 셀에 연결된 DC/AC 또는 DC/DC 변환기일 수 있는 복수의, 전형적으로 세 개인, (셀 또는 위상) 변환기를 포함하는 태양광 발전기의 전자 관리 시스템을 제안한다. 변환기는 적어도 하나의 태양광 셀에 전기적으로 연결되어 이 셀에 의해 생산되는 에너지를 수집하고 이를 부하에 전송한다. "부하"라는 용어는 태양광 발전기에서 생성된 에너지가 대상으로 하는 전기적 응용물을 말한다. 다음의 설명은 3개의 변환기를 참조하여 제시되지만 본 발명은 더 많은 개수에도 마찬가지로 적용되는 것은 물론이다. 이하에서 CS는 (이 경우 정적) 변환기를 지정하는 것으로 사용되는 약어일 것이다.
통상의 방식에서, 이러한 변환기는 MPPT로 알려진 명령에 의해 제어된다. 예를 들어, 최대 전력점 추적기 명령(maximum power point tracker command) MPPT는 발전기에 의해 전달되는 전력에 미치는 전압 변화의 영향을 식별하고 그 전력을 증가시키는 것으로 식별된 방향으로 전압의 변동을 일으키는 알고리즘을 구현할 수 있다. 따라서, 이러한 유형의 알고리즘은 제1 전압 동안 발전기에 의해 전달되는 전력을 측정하고, 소정 시간 이후, 제1 전압보다 높은 제2 전압을 부과한 다음 해당 전력을 측정 또는 추정하는 것으로 구성되어 있다. 제2 전압에 대응하는 전력이 제1 전압에 대응하는 전력보다 높은 경우, 알고리즘의 다음 단계는 더 높은 제3 전압을 부과하는 것이다. 반대 경우에서 적용되는 제3 전압은 제1 전압보다 낮다. 따라서, 점차적으로, 시스템은 가능한 한 최대 전력점에 근접하기 위해 태양광 발전기의 단자에 인가되는 전압을 지속적으로 적응시킬 수 있다. 다른 알고리즘이 MPPT 명령에 맞게 구현될 수 있음은 물론이다.
도 3은 이러한 형태의 시스템을 도시하며, PVG는 CS(11, 12, 13) (부스트 1, 2, 3) 및 MPPT 명령부(14)에 연결된 태양광 유닛(10)을 포함하며, CS의 출력은 배터리(15)에 연결된다.
변환기의 제어는 변환기의 효율 곡선을 통합한다. 이러한 곡선은 도 4에 제시된다. 이 도면에서는 하나의 위상, 두 개의 위상 및 세 개의 위상에 대한 효율이 표시된다. Ppeak는 예를 들어 85 W에서 제공된다. 한 개의 위상의 경우, 효율은 Ppeak의 대략 1/3 지점에 이르기까지 증가한다는 것을 주목하여야 한다. 두 개의 위상의 경우, 효율은 대략 35 W와 40 W 사이의 값을 갖는 지점에 이르기까지 증가한다. 세 개의 위상의 경우, 효율은 이 지점보다 더 크다.
종래 기술의 응용예는 변환기의 개수 변화 중 두 개의 기설정된 임계치에 해당한다. 그리고 관리 시스템은, MPPT 관리 시스템에 의해 측정된 전력의 함수로서, 즉, 1/3 Ppeak 보다 적은, 1/3 Ppeak와 2/3 Ppeak 사이, 그리고 2/3 Ppeak보다 큰 것으로서, 하나, 두 개 또는 세 개의 변환기를 사용한다.
본 발명은 변환기의 개수의 함수로서 효율의 실제 곡선을 고려한다. 그러면 변환기의 개수의 함수로서 효율의 최적화를 도모하고, 변환기의 전력 곡선의 교차점은 변환기 개수의 함수로서 결정된다. 따라서, 도 4에서, 하나의 변환기의 경우와 두 개의 변환기의 경우의 효율 곡선 간의 제1 교차점이 제1 임계치 P1으로 제공되며, 이어서 이 임계치는 관리 시스템의 메모리에 저장될 것이다. 셀들 PV에 의해 전달된 전력이 이 임계치 미만일 때, 하나의 CS가 사용될 것이며, 반면 전력이 임계치 P1 이상일 때는 2개의 CS가 사용될 것이다. 도 4는 또한 2개의 CS에 따른 곡선과 3개의 CS에 따른 곡선 간의 교차점을 도시한다. 효율이 더 높은 임계치는 2/3에서의 지점으로부터 크게 이동된 것을 주목하여야 한다. 이러한 두 번째 지점은 임계치 P2이며, 셀들 PV에 의해 전달된 전력과 Ppeak에 대한 이들의 비교치의 함수로서 그 임계치 미만에서는 2개 CS가 사용되며, 그 임계치 이상에서는 3개 CS가 사용된다.
종래 기술은 변환기가 최적의 개수인 경우 효율이 최적화될 것이라는 선결 조건으로부터 시작하여, 변환기가 세 개인 경우에 셋으로 분리하는 것을 바탕으로 한다. 변환기가 세 개인 경우, 최적한 개수는 1, 2 또는 3이고, 간격은 3으로 나누었다. 본 발명은 변환된 전력의 임계값을 가능한 한 실제와 가까이 채택함으로써, 이러한 선결 조건을 벗어난다. 도 4에서는 본 발명에 따라 효율이 최대가 되는 것이 관찰된다.
제시된 경우에서 P1와 P2의 값은 각기 28%와 45%이다. 일반적인 방법으로, 임계치 P1은 1/3 미만이며, 전형적으로는 20%와 33% 사이, 유리하게는 23%와 32% 사이에 있다. 일반적으로, 임계치 P2는 2/3 미만이며, 전형적으로는 35%와 55% 사이, 유리하게는 40%와 50% 사이에 있다. 물론, 사용된 장치들의 함수로서 다른 값이 결정될 수도 있다.
따라서, 하루 중 시간의 함수로서 적절한 개수의 CS들이 사용된다. 도 5는 하루 중 시간의 함수로서 CS들의 개수를 나타낸다. 3개 CS를 갖는 실시예가 하루 동안 압도적이지만, 이것은 단지 종래 기술에 따른 세 개의 변환기만을 보여준 것이다.
변환기의 개수가 2, 3, 4, 또는 그 이상의 임의의 개수의 변환기에도 동일한 원리가 적용가능하며, (총 n개 변환기를 초과하여) 연결된 변환기의 개수는 생성된 전력을 임계치 P1, P2, ... Pn-1와 비교함으로써 결정되고, 이러한 임계치는 증가하는 수의 변환기들에 대한 효율 곡선들의 교차점에서의 전력들의 값으로서 규정되는데, 임계치 P1은 1개 변환기 및 2개 변환기의 효율 곡선들 간의 교차에 의한 것이고, 임계치 Pn-1은 n-1개 변환기 및 n개 변환기의 효율 곡선들 간의 교차에 의한 것이다.
임계치 값들 P1 및 P2는 GPV의 제조에 사용된 장치들의 함수로서 달라진다. 위상의 개수의 함수로서 CS의 효율 곡선을 측정하는 것, 즉, 도 4의 곡선을 구성하는 것과 이들 값을 관리 시스템의 메모리에 저장하는 것이 가능하다. 그러면 이들 값은 수정없이 시스템에 의해 사용될 것이다.
또한, 효율 곡선에 영향을 미치는 인자를 고려하는 것도 가능하다.
특히, 일년 중 계절 및/또는 전자 기기 자체의 특성을 고려하는 것도 가능하다.
패널 PV의 온도는 계절의 함수로서 변하기 때문에, 일년의 계절은 고려될 수 있는 인자이다. 패널의 특성은 또한 계절의 함수로서 달라지며, 특히 전압 Vopt의 최적값은 일년의 기간의 함수로서 달라진다. 예를 들어, 다음과 같이 전압 Vopt의 최적값을 변경하는 것도 가능하다(최적의 전압값은 패널의 온도가 증가함에 따라 감소한다).
겨울 봄 여름 가을
18V 16V 14.5V 17V
전압 Vopt의 최적값의 함수로서, 임계값 또한 달라진다. 예를 들어, 다음과 같이 임계값 P1 및 P2를 Ppeak의 %로 표현되게 하는 것이 가능하다(예를 들어, 위에서 28% 및 45%라는 값은 가을에 얻은 것으로 추정된다).
겨울
18V		 봄
16V		 여름
14.5V		 가을
17V
P1 (%Ppeak) 24 29 32 28
P2 (%Ppeak) 41 47 47 45
그러므로, 임계치 P1 및 P2의 값들을 관리 시스템의 메모리에 저장한 후(이들 값은 달력의 함수로서 적용된다) 이 값들을 계절의 함수로서 적응시키는 것, 또는 시스템(MPPT)에 의해 측정된 최적 전압값 Vopt을 사용하여, 연관된 임계치 값 P1 및 P2에 적용하는 것이 가능하며, 시스템의 메모리는 여러 전압값과 여러 임계치 값 간의 대응관계를 포함한다.
최적 전압값 Vopt은 또한 햇빛의 함수로서 달라질 수도 있는데, 이 값은 일반적으로 일사량의 레벨이 줄어듦에 따라 감소한다.
또한, 변환기의 효율은 후자의 특성의 함수로 달라진다. 특히, 변환기의 효율은 듀티 사이클의 함수, 소자의 온도의 함수, 및 소자 노화의 함수로서 달라질 수 있다.
전력 변환기의 효율은 그의 입력 포트에 나타난 전력의 최대치를 그의 출력 포트에서 복구하는 후자의 용량으로서 정의되며, 100%에 대한 차이는 손실이다.
GPV에서 통상적으로 사용되는 DC/DC 부스트 변환기의 경우, 손실은 수동 부품의 주울 손실(joule losses) 및 연결 설비의 주울 손실뿐만 아니라, 능동 소자(전계 효과 트랜지스터 및 다이오드)의 전도 및 스위칭 손실에 해당한다.
이러한 손실은 기본적으로 듀티 사이클, 온도 및 노화와 같은 세 가지 기본 파라미터의 함수로서 달라질 수 있으며, 일반적으로 이들 파라미터의 상대적인 중요도가 이 순서대로이다.
따라서, 변환기의 효율은 대체로 듀티 사이클에 좌우된다.
(부스트 변환기의 경우) 듀티 사이클은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112012055146974-pct00001
= 1 - Vin/Vout
그러므로, 출력 전압 Vout, 즉 배터리의 전압은, 예를 들어, 과충전 또는 불충분 충전의 경우, 또는 다른 공칭 전압의 배터리로 교체할 때, 듀티 사이클에 영향을 미칠 수 있다.
전압 Vin 또한 듀티 사이클의 값에 영향을 미칠 수 있다. MPPT 제어를 받는 태양광 응용예에서, 이 전압은 패널의 최적 전압(Vopt), 즉 GPV에 의해 생성된 전력이 최대가 되는 전압에 해당한다. 지금, 위에서 이 전압이 특히 계절(패널의 온도) 및 햇빛의 함수로서 달라질 수 있음을 보여주었다.
듀티 사이클을 고려하기 위하여, 관리 시스템은 변환기의 단자 양단의 전압을 측정하고 이에 따라 임계치를 적응시킬 수 있다. 또한, 최적 전압값(Vopt)은 이미 측정되어 있으며, 이 측정값은 듀티 사이클을 결정할 때 사용될 것이며, 그래서 이 측정값은 최적 전압값과 동시에 결정될 수 있다.
따라서, 변환기의 효율은 일반적으로 부품의 온도, 특히 전계 효과 트랜지스터의 온도 및 다이오드의 온도에 좌우된다. 트랜지스터의 경우, 저항은 접합 온도가 증가함에 따라 증가하며, 이로써 전도 손실의 상승을 초래한다. 다이오드의 경우, 그 영향은 반대로, 온도가 증가할수록 전도 손실이 감소한다. 그러나, 이 영향은 변환기 내에서 혼재하여 사용함으로써 유래된 것이기 때문에, 그 영향은 특히 예측이 매우 어렵다. 일반적으로, 변환기의 효율은 온도에 좌우되며, 즉 효율은 온도 변화에 따라 달라진다.
온도를 고려하기 위하여, 부품의 온도를 측정하고 그 측정 결과를 관리 시스템에 이입해주는 하나 이상의 열 프로브가 제공될 수 있다.
따라서, 변환기의 효율은 대체로 변환기의 노화에 좌우된다. 트랜지스터의 저항은 노화 중에 증가하며, 다이오드에 대하여도 임계 전압의 값도 마찬가지이다. 노화 또는 장시간 동작은 능동 부품의 전기적 동작을 변경하는 영향을 미칠 뿐만 아니라 손실의 증가를 초래하게 되어, 결국 변환기의 효율의 특성의 변경을 초래한다.
노화를 고려하기 위하여, 예를 들어 다이오드의 사이클 횟수를 측정하고 전자 시스템의 년한을 결정하는 카운터가 제공될 수 있다.
GPV에 대한 관리 시스템에 측정 장비를 포함시킴으로써 "현장에서" 효율 곡선을 결정하는 것도 가능하다. 이러한 경우, 시스템은 기설정된 값의 에너지가 전달되는 등의 이후, 또는 무작위적으로, 기설정된 시간(특정 날짜 및/또는 특정 시간)에, 기설정된 간격으로, 사전 기록된 루틴에 따라 임계치의 P1 및 P2의 측정을 수행할 것이다. 이와 달리, GPV를 구현할 때 직면하는 각각의 상황에 대응하는 P1 및 P2의 값을 관리 시스템의 메모리에 저장하는 것도 가능하다. 또한, 하이브리드 방식, 즉 정보의 일부가 저장되고 정보의 다른 부분이 측정되는 방식으로 동작하는 것도 가능하다. 예를 들면, 계절의 값이 저장되고 반면에 부품의 온도가 측정된다.
유리한 일 실시예에 따르면, 시스템은 하나의 CS에 지속적인 스트레스를 부과하지 않도록 CS 순환 루틴을 포함한다. 실제로, 도 3에서, 변환기 CS(11)는 연속적으로 연결되어 있고, 그래서 변환되는 전류를 연속하여 수신한다. 다른 CS는 PV 전력의 생성 시 일어나는 변화에 따라 사용된다. 그러므로, CS(11)는 지속적으로 스트레스를 받게 되고, 게다가 PV 전력이 변동하는 경우에 처리되는 전력의 변화를 받기 쉽다. 따라서, 부품들 중 하나가 지속적으로 스트레스를 받기 때문에 시스템의 신뢰도는 감소한다. 유리일 실시예에 따르면, 사용된 CS가 순환된다.
순환은 패널에서 생성된 PV 전력 변화의 경우에 조절될 수 있거나, 변환기의 상태에 따라 조절될 수 있거나, 또는 두 가지 모두의 경우에 조절될 수 있다. 무작위 할당 명령도 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, CS의 변화는 사용된 CS의 개수가 증가하는 경우에 발생한다. 예를 들어, CS(11)가 연결되어 있고, 명령이 2개 CS를 사용해야 한다고 판단하면, CS(12 및 13)가 사용될 것이고, 반면에 CS(11)는 더 이상 연결되지 않을 것이다. CS의 개수가 한 단위로 되면, CS(11) 보다는 CS(12)(또는 CS(13))가 연결될 것이며, CS(11)는 여전히 유휴 상태에 있을 것이다. 3개의 CS가 연결되어야 하는 경우, 1개 또는 2개 CS로 되돌림 중에 순환이 일어난다. 이 경우에, 시작점은 CS(11)가 연결되어 있는 상황이고, 그런 다음 3개의 CS가 연결되고, 그런 다음, 되돌림 조건으로 2개 CS가 필요하여 CS(12 및 13)가 연결되거나, 또는 되돌림 조건이 단지 1개 CS만을 필요로 하면 CS(12) 또는 CS(13)가 연결될 것이다.
다른 실시예에 따르면, CS의 변화는 CS의 사용을 계산하는 것으로 인해 발생한다. 이러한 계산은 사용 지속기간을 기반으로 할 수 있으며, 순환은 모든 CS에 대해 주어진 기간에 걸쳐 다소 동등한 사용 지속기간을 보장하는 방식으로 수행된다. 이 기간은 하루, 수일 또는 하루 중 몇 시간, 예를 들어, 한 시간 이상일 수 있으며, 이 지속기간 역시 하루 중 시간 및/또는 계절의 함수일 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 사용되어야 하는 CS는 최소로 사용된 한 개이고, 즉, 한 개의 CS는 최소 사용 시간을 갖는다. 계산은 또한 사용 지속기간에 무관하게, CS의 사용이나 스트레스의 지속기간보다는 개수를 카운트함으로써 수행될 수 있다. 그러므로, 이 경우에 사용해야 하는 CS는 최소 횟수로 스트레스를 받았던 CS이다. 또한, 두 가지 변수를 결합한 실시예를 고려해보는 것도 가능하다.
다른 실시예에 따르면, 무작위 방식으로 순환이 수행되게 하는 것이 가능하며, 그러면 임의의 발전기가 관리 시스템에서 제공된다. CS의 개수가 증가 또는 감소하는 경우에는 무작위 방식으로, 아마도 필요하다면 "셔플" 모드(이 모드는 사용된 CS는 무작위 선택에서 제외되는 모드에 해당한다)에서 선택이 이루어진다.
전술한 설명에서, CS 순환은 사용된 CS의 개수의 변화가 있을 때 수행된다. 사용된 CS의 개수가 일정할 때는(최대 개수와 다른 한) 이러한 순환이 일어나도록 제공하는 것도 물론 가능하다. 따라서, 기상학적 조건으로 단지 한 개 CS만이 사용될 때, 한 개의 CS가 주어진 지속기간보다 더 많이 지속적으로 사용되지 않도록 이 CS를 초기에 유휴 상태에 있는 CS로 교체하는 루틴이 제공될 수 있다.
사용된 변환기의 순환은 능동 부품이 전력 변동의 경우에 받는 열 및 전기적 스트레스를 줄이는 효과가 있다.
열 변동은 상당 부분 제조 중에 사용된 물질의 팽창 계수의 레벨 차이, 예를 들어, 구리의 16 ppm/℃와 알루미늄의 24 ppm/℃ 대비 실리콘의 4 ppm/℃의 차이로 인하여 반도체에서 기계적 제약을 초래한다. 복수의 열 사이클 이후 전기적 접점에 의해 받은 기계적 제약의 결과는 접점에서 미세한 균열의 출현이며, 심지어는 그 접점의 지점에서 파손이 있기도 한다. CS 순환의 실시예의 목적은 모든 변환기에 열 및 전기적 스트레스를 분산하는 것이다.
본 발명에 따른 전자 관리 시스템은 또한, 예를 들어, PVG의 부품의 과열을 표시하는 메시지에 따라 변환기의 종료를 제어하는 안전 기능을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 전자 관리 시스템은 또한 도난 방지 기능을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 관리 시스템은 또한 셀 그룹들 및/또는 변환기들의 동작 상태에 관한 정보를 전기 네트워크의 제어 센터에 전송할 수 있다. 이것은 PVG의 유지를 용이하게 해준다. 특히, 유지관리에 책임이 있는 운용자는 태양광 셀의 소정 그룹 또는 소정 변환기의 오작동을 더욱 신속하게 통보받고 그에 따라서 조치를 취할 수 있다.
본 발명에 따른 관리 시스템은 전적으로 또는 부분적으로 태양광 발전기에 통합될 수 있다.
가능한 일 실시예에 따르면, 다중-접합(multi-junction) 태양광 장치가 사용될 수 있다. 그러면 상이한 접합들의 전기적 결합의 문제를 관리하는 것이 필요하다. 다중-접합 태양광 장치, 예를 들어, 탠덤-접합(tandem-junction) 장치는 장치에 의한 태양 스펙트럼 흡수 영역을 높이는 방식으로 복수의 단일 접합들이 적층된 태양광 장치를 말한다. 탠덤-접합 태양광 장치는 더 양호한 전기적 변환 출력을 얻게 해준다. 탠덤-접합 태양광 장치에서 전기적 결합의 주요 단점은 일사량 조건과 무관하게 탠덤을 이루는 태양광 셀들의 성능을 조화시킬 필요가 있다. 탠덤의 각 셀의 전류 생성은 셀들이 활성적인 스펙트럼의 영역에 따라 자연히 다르고, 또한 일사량 조건의 함수로서 변하기 때문에 이상적인 경우는 현실에서 가능하지 않다. 이것은 탠덤-접합 태양광 장치의 소자들의 취약함 때문에 그의 본질적인 제한을 초래한다. 이러한 유형의 전류 제한은 실질적으로 탠덤-접합 태양광 장치의 이론적 출력을 낮춘다. 한가지 해결책은 탠덤-접합 태양광 장치의 접합들을 전기적으로 결합 해제하는데 있다. 탠덤의 태양광 셀은 여전히 광학적으로는 결합되어 있지만 전기적으로는 결합 해제되어 있다. 그리고, 각 접합은 두 개의 전기적 전극에 연결되어 있으며, 따라서 (탠덤의 경우) 4전극 태양광 장치가 얻어진다. 변환기를 탠덤의 각각의 (최소한 하나의) 태양광 셀에 연결함으로써, 시스템은 전기적으로 결합 해제된 태양광 셀들이 함께 동작하는 다중-접합 태양광 장치가 얻어지게 하며, 각각의 셀은 본 발명에 따라서 관리 시스템을 통하여 최적의 방식으로 관리된다.
다음 실시예는 본 발명을 제한 없이 설명한다.
실시예
이 실시예에서, 임계치가 PV/peak의 1/3 및 2/3에 고정된 종래 기술에 따라 구현된 3개의 CS를 구비하는 시스템과 본 발명에 따라 구현된 3개의 CS를 구비하는 시스템이 비교된다.
본 발명에 따른 방법에 의해 달성된 에너지 이득을 평가하기 위해 선택한 테스트 프로토콜은 동일한 입력 소스(솔라 시뮬레이터) 및 동일한 다상 전력 카드(동일 전기 부품의 동작)을 사용하여 구성하였다. 시뮬레이터는 동일한 전력 프로파일(예를 들어, 하나의 모듈이 비교적 화창한 날 중에 85 W의 피크 전력을 생성)을 두 경우에 적용하였고, 반면 동일한 MPPT를 이용하여 MPP를 구했거나, 또는 P1 및 P2의 값들만을 다르게 했다.
이 테스트 동안, 지속적으로 배터리의 공칭 전압(24 V)을 보장하기 위하여 전자 부하가 연결된 24 V 배터리를 사용하였다. 도 6은 사용한 측정 시스템을 도시한다.
측장기(measuring bench)를 토대로, 변환기의 입력 및 출력에서 발생한 전류 및 전압이 동시에 측정된다. 이들 값은 PV 전력 (PPV)이 시뮬레이터를 통해 공급되게 하고 전력이 배터리 (PBAT)에 전달되게 해주며 따라서 변환기의 출력(PBAT/PPV)이 줄어들게 된다. 시간 변수(테스트 지속 시간)을 고려함으로써, 생성된 PV 에너지 량(EPV) 및 배터리에 전달된 에너지의 양(EBAT)이 계산된다.
본 발명의 방법에 따른 임계치 P1과 P2의 결정은 도 4에 표시된다. 임계치는 각각 28%와 45%이다.
다음과 같은 결과를 얻게 되는데, 비교예는 종래 기술에 따른 1/3 및 2/3의 임계치에 해당한다.
PV 에너지
[Wh]		 배터리 에너지
[Wh]		 dc-dc 출력
[%]
비교예 387.4 344 88.8
본 발명 387.6 346.6 89.5
이 테스트 동안, 두 시스템은 이들 입력 포트에서 대략 동일한 양의 에너지, 즉, 387 Wh를 받았다. 본 발명에 따른 방법에 의해 임계치가 결정되는 시스템은 부하에 2.4 Wh 이상을 전달할 수 있었고, 이것은 궁극적으로 0.7%의 전력단의 변환 효율의 레벨 이득이라는 결과를 가져온다.

Claims (22)

  1. 태양광 발전기(photovoltaic generator)의 전자 관리 시스템으로서,
    병렬로 연결된 복수의 n개의 정적 변환기(11, 12, 13)를 포함하고,
    각각의 변환기(11, 12, 13)는 상기 발전기의 적어도 하나의 태양광 셀(10)에 전기적으로 접속되고,
    연결되는 변환기들의 개수는 생성되는 전력을 임계치들 P1, P2, ...Pn-1과 비교함으로써 결정되고, 상기 임계치들은 실질적으로 증가하는 수의 변환기들에 대한 효율 곡선들의 교차점에서의 전력들의 값들로서 규정되고, 상기 임계치 값들은 상기 변환기들의 온도에 좌우되는 전자 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 n은 3인 전자 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 제1 임계치는 피크 전력의 1/3보다 적은 전자 관리 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제2 임계치는 피크 전력의 2/3보다 적은 전자 관리 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계치 값들은 상기 적어도 하나의 태양광 셀의 최적 전압값 Vopt에 좌우되는 전자 관리 시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계치 값들은 상기 변환기들의 입력 전압에 좌우되고, 상기 입력 전압은 상기 적어도 하나의 태양광 셀의 최적 전압값 Vopt인 전자 관리 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 임계치 값들은 년 주기 및/또는 일사량(insolation)에 좌우되는 전자 관리 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계치 값들은 상기 변환기들의 듀티 사이클에 좌우되는 전자 관리 시스템.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계치 값들은 상기 변환기들의 노화에 좌우되는 전자 관리 시스템.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계치 값들은 결정되어 상기 관리 시스템의 메모리에 저장되고, 적용되는 상기 임계치 값들은 상기 태양광 발전기의 파라미터의 측정치의 함수로서 변경가능한 전자 관리 시스템.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력의 함수로서 효율 곡선을 결정하는 장치를 포함하는 전자 관리 시스템.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환기들은 차례로 연결되어 있는 전자 관리 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 변환기들의 순환(rotation)은 사용되는 변환기들의 개수가 변동하는 경우에 실행되는 전자 관리 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 변환기들의 순환은 상기 변환기들의 부품들의 상태에 좌우되는 전자 관리 시스템.
  15. 태양광 발전기로서,
    적어도 하나의 태양광 셀; 및
    제1항에 청구된 관리 시스템
    을 포함하는 태양광 발전기.
  16. 태양광 발전기를 제어하는 방법으로서 - 상기 태양광 발전기는 적어도 하나의 태양광 셀; 및 병렬로 연결된 복수의 n개의 정적 변환기(11, 12, 13)를 포함하고, 각각의 변환기(11, 12, 13)는 적어도 하나의 태양광 셀(10)에 전기적으로 접속됨 -,
    상기 적어도 하나의 태양광 셀에 의해 생성되는 전력을 결정하여 피크 전력과 비교하는 단계;
    상기 적어도 하나의 태양광 셀에 의해 생성되는 전력을 임계치 값들 P1, P2, ...Pn-1과 비교하는 단계 - 상기 임계치들 P1, P2, ...Pn-1은 실질적으로 적어도 하나의 태양광 셀에서 증가하는 수의 변환기들에 대한 효율 곡선들의 교차점에서의 전력들의 값들로서 규정됨 -; 및
    상기 적어도 하나의 태양광 셀에 의해 생성되는 전력 값이 Pi-1과 Pi 사이에 있을 때에는 i개의 변환기를 연결하고, 또는 상기 적어도 하나의 태양광 셀에 의해 생성되는 전력 값이 Pn-1보다 클 때에는 모든 변환기들을 연결하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 모든 변환기들이 연결되지는 않을 때에 다른 변환기들의 연결 중에 i번째 변환기는 더 이상 연결되지 않는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 방법은,
    적어도 하나의 제1 변환기를 연결하는 단계; 및
    더 많은 수의 변환기들을 연결하는 단계
    를 포함하고,
    상기 더 많은 수의 변환기들보다 적은 개수의 변환기들이 연결되는 경우에, 상기 제1 변환기는 연결되지 않는 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 변환기들의 순환 단계는 상기 적어도 하나의 태양광 셀에 의해 생성되는 전력 값이 상기 임계치들 Pi-1과 Pi 사이에서 변할 때 실행되는 방법.
  20. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 방법은,
    각각의 변환기의 사용 지속기간 및/또는 사용 횟수를 결정하는 단계; 및
    사용 지속기간 및/또는 사용 횟수가 소정 기간에 걸쳐 상기 변환기들에 대해 다소 같아지도록 상기 변환기들을 연결하는 단계
    를 포함하는 방법.
  21. 제17항 또는 제18항에 있어서, 제15항에 청구된 태양광 발전기를 제어하는 방법.
  22. 삭제
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