KR101959302B1

KR101959302B1 - 태양광 모듈, 및 태양광 시스템

Info

Publication number: KR101959302B1
Application number: KR1020120008250A
Authority: KR
Inventors: 이기옥; 김명환
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2019-03-18
Also published as: KR20130087171A

Abstract

본 발명은 태양광 모듈, 및 태양광 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 dc/dc 컨버터를 포함하는 정션 박스를 포함하며, dc/dc 컨버터는, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 제1 스위칭 소자와, 제2 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환된 직류 전원을 출력하는 플라이백 컨버터를 포함한다. 이에 의해, 출력 전류 품질을 개선할 수 있게 된다.

Description

태양광 모듈, 및 태양광 시스템{Photovoltaic module, and photovoltaic system}

본 발명은 태양광 모듈, 및 태양광 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 출력 전류 품질을 개선할 수 있는 태양광 모듈, 및 태양광 시스템에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 반도체 소자를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키F는 차세대 전지로서 각광받고 있다.

한편, 태양광 모듈은 태양광 발전을 위한 태양전지가 직렬 혹은 병렬로 연결된 상태를 의미하며, 태양광 모듈은 태양전지가 생산한 전기를 모으는 정션박스를 포함할 수 있다.

본 발명의 목적은, 출력 전류 품질을 개선할 수 있는 태양광 모듈, 및 태양광 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양전지를 구비하는 태양전지 모듈과, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 dc/dc 컨버터를 포함하는 정션 박스를 포함하며, dc/dc 컨버터는, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 제1 스위칭 소자와, 제2 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환된 직류 전원을 출력하는 플라이백 컨버터를 포함한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템은, 복수의 태양전지 모듈과, 각 태양전지 모듈에 대응하여, 각 태양전지 모듈로부터 공급되는 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 dc/dc 컨버터를 포함하는 복수의 정션 박스를 포함하며, 각 dc/dc 컨버터는, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 제1 스위칭 소자와, 제2 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환된 직류 전원을 출력하는 플라이백 컨버터를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, dc/dc 컨버터는, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 제1 스위칭 소자와, 제2 스위칭 소자를 구비하며, 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환된 직류 전원을 출력하는 플라이백 컨버터를 포함함으로써, 출력 전류 품질을 개선할 수 있게 된다.

특히, dc/dc 컨버터는, 제2 스위칭 소자의 온 또는 온/오프 반복에 의한, 플라이백 컨버터의 제1 동작 모드와, 제2 스위칭 소자의 오프에 의한, 플라이백 컨버터의 제2 동작 모드로, 구분되어 동작함으로써, 출력 전류 품질을 개선할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도이다.
도 2는 도 1의 태양광 모듈의 배면도이다.
도 3은 도 1의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 태양광 모듈의 바이패스 다이오드 구성의 일예이다.
도 5는 도 1의 태양광 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시한다.
도 6은 도 1의 태양광 모듈의 전압 대비 전력 곡선을 예시한다.
도 7은 도 1의 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도의 일예이다.
도 8a 내지 도 8b는 도 7의 dc/dc 컨버터에서 출력되는 출력 전류의 실시예 및 비교예를 예시한다.
도 9a 내지 도 9b는 도 7의 회로도의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 10은 도 1의 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도의 다른예이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도의 일예이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도의 다른예이다.
도 13a 내지 도 13b는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 파워 옵티마이징을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도이고, 도 2는 도 1의 태양광 모듈의 배면도이며, 도 3은 도 1의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(50)은, 태양전지 모듈(100), 태양전지 모듈(100)의 일면에 위치하는 정션 박스(200)를 포함한다. 또한, 태양광 모듈(50)은, 태양전지 모듈(100)과 정션 박스(200) 사이에 배치되는 방열부재(미도시)를 더 포함할 수 있다.

먼저, 태양전지 모듈(100)은, 복수의 태양 전지(130)를 포함할 수 있다. 그 외, 복수의 태양전지(130)의 하면과 상면에 위치하는 제1 밀봉재(120)와 제2 밀봉재(150), 제1 밀봉재(120)의 하면에 위치하는 후면 기판(110) 및 제2 밀봉재(150)의 상면에 위치하는 전면 기판(160)을 더 포함할 수 있다.

먼저, 태양전지(130)는, 태양전지(130)는, 태양 에너지를 전기 에너지로 변화하는 반도체 소자로써, 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell), 염료감응형 또는 CdTe, CIGS형 태양전지 등일 수 있다.

태양전지(130)는 태양광이 입사하는 수광면과 수광면의 반대측인 이면으로 형성된다. 예를 들어, 태양전지(130)는, 제1 도전형의 실리콘 기판과, 실리콘 기판상에 형성되며 제1 도전형과 반대 도전형을 가지는 제2 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층의 일부면을 노출시키는 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하며 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 반사방지막과, 적어도 하나 이상의 개구부를 통해 노출된 제 2 도전형 반도체층의 일부면에 접촉하는 전면전극과, 상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극을 포함할 수 있다.

각 태양전지(130)는, 전기적으로 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있다. 구체적으로, 복수의 태양 전지(130)는, 리본(133)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 리본(133)은, 태양전지(130)의 수광면 상에 형성된 전면 전극과, 인접한 다른 태양전지(130)의 이면 상에 형성된 후면 전극집전 전극에 접합될 수 있다.

도면에서는, 리본(133)이 2줄로 형성되고, 이 리본(133)에 의해, 태양전지(130)가 일렬로 연결되어, 태양전지 스트링(140)이 형성되는 것을 예시한다. 이에 의해 6개의 스트링(140a,140b,140c,140d,140e,140f)이 형성되고, 각 스트링은 10개의 태양전지를 구비하는 것을 예시한다. 도면과 달리, 다양한 변형이 가능하다.

한편, 각 태양전지 스트링은, 버스 리본에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 도 1은, 태양전지 모듈(100)의 하부에 배치되는 버스 리본(145a,145c,145e)에 의해, 각각 제1 태양전지 스트링(140a)과 제2 태양전지 스트링(140b)이, 제3 태양전지 스트링(140c)과 제4 태양전지 스트링(140d)이, 제5 태양전지 스트링(140e)과 제6 태양전지 스트링(140f)이 전기적으로 접속되는 것을 예시한다. 또한, 도 1은, 태양전지 모듈(100)의 상부에 배치되는 버스 리본(145b,145d)에 의해, 각각 제2 태양전지 스트링(140b)과 제3 태양전지 스트링(140c)이, 제4 태양전지 스트링(140d)과 제5 태양전지 스트링(140e)이 전기적으로 접속되는 것을 예시한다.

한편, 제1 스트링에 접속된 리본, 버스 리본(145b,145d), 및 제4 스트링에 접속된 리본은, 각각 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)에 전기적으로 접속되며, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)은, 태양전지 모듈(100)의 배면에 배치되는 정션 박스(200) 내의 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)와의 접속된다. 도면에서는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양전지 모듈(100) 상에 형성된 개구부를 통해, 태양전지 모듈(100)의 배면으로 연장되는 것을 예시한다.

한편, 정션 박스(200)는, 태양전지 모듈(100)의 양단부 중 도전성 라인이 연장되는 단부에 더 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.

도 1 및 도 2에서는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양전지 모듈(100)의 상부에서 태양전지 모듈(100)의 배면으로 연장되므로, 정션 박스(200)가 태양전지 모듈(100)의 배면 중 상부에 위치하는 것을 예시한다. 이에 의해, 도전성 라인의 길이를 줄일 수 있어, 전력 손실이 줄어들 수 있게 된다.

도 1 및 도 2와 달리, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양전지 모듈(100)의 하부에서 태양전지 모듈(100)의 배면으로 연장되는 경우, 정션 박스(200)가 태양전지 모듈(100)의 배면 중 하부에 위치할 수도 있다.

후면 기판(110)은, 백시트로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 하며, TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 도 3에서는 후면 기판(110)이 직사각형의 모양으로 도시되어 있으나, 태양전지 모듈(100)이 설치되는 환경에 따라 원형, 반원형 등 다양한 모양으로 제조될 수 있다.

한편, 후면 기판(110) 상에는 제1 밀봉재(120)가 후면 기판(110)과 동일한 크기로 부착되어 형성될 수 있고, 제1 밀봉재(120) 상에는 복수의 태양전지(130)가 수 개의 열을 이루도록 서로 이웃하여 위치할 수 있다.

제2 밀봉재(150)는, 태양전지(130) 상에 위치하여 제1 밀봉재(120)와 라미네이션(Lamination)에 의해 접합할 수 있다.

여기에서, 제1 밀봉재(120)와, 제2 밀봉재(150)는, 태양전지의 각 요소들이 화학적으로 결합할 수 있도록 한다. 이러한 제1 밀봉재(120)와 제2 밀봉재(150)는, 에틸렌 초산 비닐 수지 (Ethylene Vinyl Acetate;EVA) 필름 등 다양한 예가 가능하다.

한편, 전면 기판(160)은, 태양광을 투과하도록 제2 밀봉재(150) 상에 위치하며, 외부의 충격 등으로부터 태양전지(130)를 보호하기 위해 강화유리인 것이 바람직하다. 또한, 태양광의 반사를 방지하고 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 들어간 저철분 강화유리인 것이 더욱 바람직하다.

정션 박스(200)는, 태양전지 모듈(100)의 배면 상에 부착되며, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 직류 전원을 이용하여 전력 변환할 수 있다. 구체적으로, 직류 전원을 저장하는 커패시터부(도 7의 520)를 구비할 수 있다. 또한, 정션 박스(200)는, 직류 전원의 레벨 변환하여 출력하는 dc/dc 컨버터(도 7의 530)를 더 구비할 수 있다. 또한, 정션 박스(200)는, 태양전지 스트링들 간의 전류가 역류하는 것을 방지하는 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)를 더 포함할 수 있다. 또한, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터(도 7의 540)를 더 구비할 수 있다. 이에 대해서는 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른, 정션 박스(200)는, 적어도 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)와, 직류 전원을 저장하는 커패시터부(도 7의 520)와, dc/dc 컨버터(도 7의 530)를 구비할 수 있다.

이러한 정션 박스(200)가 태양전지 모듈(100)과 일체형으로 형성되는 경우, 후술하는 도 11 또는 도 12의 태양광 시스템과 같이, 각 태양 전지 모듈(100)에서 생성된 직류 전원의 손실을 최소화하여 효율적으로 관리할 수 있게 된다. 한편, 일체형으로 형성된 정션 박스(200)는 MIC(Module Integrated Converter) 회로라고 명명될 수 있다.

한편, 정션 박스(200) 내의, 회로 소자들의 수분 침투 방지를 위해, 정션 박스 내부는, 실리콘 등을 이용하여, 수분 침투 방지용 코팅이 수행될 수 있다.

한편, 정션 박스(200)에는 개구(미도시)가 형성되어, 상술한 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이 정션 박스 내의 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)와 연결되도록 할 수 있다.

한편, 정션 박스(200)의 동작시에는 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc) 등으로부터 고열이 발생하는데, 발생된 열은 정션 박스(200)가 부착된 위치에 배열된 특정의 태양전지(130)의 효율을 감소시킬 수 있다.

이를 방지하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(50)은, 태양전지 모듈(100)과 정션 박스(200) 사이에 배치되는 방열부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 정션 박스(200)에서 발생되는 열을 분산시키기 위해, 방열 부재(미도시)의 단면적은, 플레이트(미도시)의 단면적 보다 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 태양전지 모듈(100)의 배면 전부에 형성되는 것이 가능하다. 한편, 방열부재(미도시)는 열 전도도가 좋은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 등의 금속재질로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 정션박스(160)의 일 측면에는, 전력 변환된 직류 전원 또는 교류 전원을 외부로 출력하기 위한, 외부접속단자(미도시)가 형성될 수 있다.

도 4는 도 1의 태양광 모듈의 바이패스 다이오드 구성의 일예이다.

도면을 참조하여 설명하면, 6개의 태양전지 스트링(140a,140b,140c,140d,140e,140f)에 대응하여, 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)가 접속될 수 있다. 구체적으로, 제1 바이패스 다이오드(Da)는, 제1 태양전지 스트링과, 제1 버스 리본(145a) 사이에 접속되어, 제1 태양전지 스트링(140a) 또는 제2 태양전지 스트링(140b)에서 역전압 발생시, 제1 태양전지 스트링(140a) 및 제2 태양전지 스트링(140b)을 바이패스(bypass)시킨다.

예를 들어, 정상적인 태양 전지에서 발생하는 대략 0.6V의 전압이 발생하는 경우, 제1 바이패스 다이오드(Da)의 애노드 전극의 전위에 비해 캐소드 전극의 전위가 대략 12V(=0.6V*20)가량 더 높게 된다. 즉, 제1 바이패스 다이오드(Da)는, 바이패스가 아닌 정상 동작을 하게 된다.

한편, 제1 태양전지 스트링(140a)의 어느 태양 전지에서, 음영이 발생하거나, 이물질이 부착되거나 하여, 핫 스팟(hot spot)이 발생하는 경우, 어느 한 태양 전지에서 발생하는 전압은 대략 0.6V의 전압이 아닌, 역전압(대략 -15V)이 발생하게 된다. 이에 따라, 제1 바이패스 다이오드(Da)의 애노드 전극의 전위가 캐소드 전극에 비해 대략 15V 정도 더 높게 된다. 이에 따라, 제1 바이패스 다이오드(Da)는, 바이패스 동작을 수행하게 된다. 따라서, 제1 태양전지 스트링(140a) 및 제2 태양전지 스트링(140b) 내의 태양 전지에서 발생하는 전압이 정션 박스(200)로 공급되지 않게 된다. 이와 같이, 일부 태양전지에서 발생하는 역전압이 발생하는 경우, 바이패스 시킴으로써, 해당 태양전지 등의 파괴를 방지할 수 있게 된다. 또한, 핫 스팟(hotspot) 영역을 제외하고, 생성된 직류 전원을 공급할 수 있게 된다.

다음, 제2 바이패스 다이오드(Db)는, 제1 버스 리본(145a)과 제2 버스 리본(145b) 사이에 접속되어, 제3 태양전지 스트링(140c) 또는 제4 태양전지 스트링(140d)에서 역전압 발생시, 제3 태양전지 스트링(140c) 및 제4 태양전지 스트링(140d)을 바이패스(bypass)시킨다.

다음, 제3 바이패스 다이오드(Dc)는, 제1 태양전지 스트링과, 제1 버스 리본(145a) 사이에 접속되어, 제1 태양전지 스트링(140a) 또는 제2 태양전지 스트링(140b)에서 역전압 발생시, 제1 태양전지 스트링 및 제2 태양전지 스트링을 바이패스(bypass)시킨다.

한편, 도 4와 달리, 6개의 태양전지 스트링에 대응하여, 6개의 바이패스 다이오드를 접속시키는 것도 가능하며, 그 외 다양한 변형이 가능하다.

도 5는 도 1의 태양광 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시하며, 도 6은 도 1의 태양광 모듈의 전압 대비 전력 곡선을 예시한다.

먼저, 도 5를 참조하면, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 개방 전압(Voc)이 커질수록, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 단락(short) 전류는 작아지게 된다. 이러한 전압 전류 곡선(L)에 따라, 정션 박스(200) 내에 구비되는 커패시터부(520)에, 해당 전압(Voc)이 저장되게 된다.

한편, 도 6을 참조하면, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 최대 전력(Pmpp)은, 최대 전력 검출 알고리즘(Maximum Power Point Tracking; MPPT)에 의해 산출될 수 있다. 예를 들어, 개방 전압(Voc)을 최대전압(V1)에서부터 감소시키면서, 각 전압 별, 전력을 연산하고, 연산된 전력이 최대 전력인지 여부를 판단한다. V1 전압에서, Vmpp 전압까지는 전력이 증가하므로, 연산된 전력을 갱신하여 저장한다. 그리고, Vmpp 전압에서, V2 전압까지는 전력이 감소하므로, 결국, Vmpp 전압에 해당하는 Pmpp를 최대 전력으로 결정하게 된다.

이와 같이, 핫 스팟이 발생하지 않는 경우, 전압 전력 곡선(L)에서 변곡점은 1개만이 발생하게 되므로, V1 구간에서 V2 구간의 탐색(exploring)만으로 간단하게 최대 전력을 산출할 수 있게 된다.

도 7은 도 1의 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도의 일예이고, 도 8a 내지 도 8b는 도 7의 dc/dc 컨버터에서 출력되는 출력 전류의 실시예 및 비교예를 예시하며, 도 9a 내지 도 9b는 도 7의 회로도의 동작 설명에 참조되는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 정션 박스(200)는, 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), dc/dc 컨버터(530), 인버터(540), 및 제어부(550)를 포함할 수 있다.

정션박스(200)는, 교류 전원을 출력하게 된다. 이러한 정션 박스(200)는, 교류 전원 출력이 가능하므로, 마이크로 인버터(micro inverter)를 구비하는 정션 박스라 명명될 수 있다.

바이패스 다이오드부(510)는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)에 각각 대응하는 a 노드 , b 노드, c 노드, d 노드의 각 사이에, 배치되는 제1 내지 제3 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)를 포함한다.

커패시터부(520)는, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 직류 전원을 저장한다. 도면에서는, 3개의 커패시터(Ca,Cb,Cc)가 병렬 접속되는 것을 예시하나, 직렬 접속되거나, 직병렬 혼합 접속되는 것도 가능하다.

dc/dc 컨버터(530)는, 커패시터부(520)에 저장된 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환을 수행한다. 도면에서는, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 제1 스위칭 소자(S1), 제1 스위칭 소자(S1)를 통해 공급되는 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환하여 출력하는, 플라이백 컨버터(flyback converter)를 예시한다.

플라이백 컨버터는, 권선비에 따라 전류를 증폭하여 출력하는 트랜스(T)(Transformer), 트랜스(T)의 입력측과 접지단 사이에 접속되어, 스위칭 동작을 수행하는 제2 스위칭 소자(S2), 증폭 전류를 일방향 도통하는 다이오드(D2), 증폭된 전류 또는 전압을 저장하는 커패시터(C1)을 구비한다.

본 발명의 실시예에 따른 dc/dc 컨버터(530)는, 제1 스위칭 소자(S1)와, 플라이백 컨버터를 구비하여, 비절연 타입으로 dc/dc 컨버터를 구성함으로써, 출력 전류 품질 개선하도록 한다. 특히, 플라이백 컨버터를 벅 컨버터 모드로 동작하도록 함으로써, 출력 전류 품질을 개선하도록 한다.

이에 대해서는 도 8a 내지 도 9b를 참조하여 후술한다.

한편, dc/dc 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자의 스위칭 동작은, 제어부(550)에 의해 제어된다.

다음, 인버터(540)는, dc/dc 컨버터(530)에서 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다. 도면에서는, 풀 브릿지 인버터(full-bridge inverter)를 예시한다. 즉, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b)가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.

인버터(540) 내의 스위칭 소자들은, 인버터 제어부(미도시)로부터의 인버터 스위칭 제어신호에 기초하여, 턴 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 교류 전원이 출력되게 된다. 바람직하게는, 그리드(grid)의 교류 주파수와 동일한 주파수(대략 60Hz)를 갖는 것이 바람직하다.

한편, dc/dc 컨버터(530)와 인버터(540) 사이에, 레벨 변환된 dc 전원을 저장하기 위한 커패시터부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 커패시터부(미도시)는, 상술한 커패시터부(520)와 유사하게, 복수의 커패시터를 구비할 수 있다.

도 7과 같이, 정션박스 내에 직류 전원을 저장하는 커패시터부와, 저장된 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 dc/dc 컨버터와, 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터를 구비함으로써, 정션 박스를 통해 간단하게 교류 전원을 공급할 수 있게 된다. 또한, 태양광 모듈의 설치가 용이해지며, 복수의 태양광 모듈을 포함하는 태양과 시스템 구성시, 용량 확장에 유리하게 된다.

한편, 입력전류 감지부(A)는, dc/dc 컨버터(530)로 입력되는 입력전류(ic1)를 감지하며, 입력전압 감지부(B)는, dc/dc 컨버터(530)로 입력되는 입력전압(vc1)을 감지한다. 감지된 입력전류(ic1)와 입력전압(vc1)은, 제어부(550)에 입력된다.

한편, 출력전류 감지부(C)는, dc/dc 컨버터(530)에서 출력되는 출력전류(ic2)를 감지하며, 출력전압 감지부(B)는, dc/dc 컨버터(530)에서 출력되는 출력전압(vc2)을 감지한다. 감지된 출력전류(ic2)와 출력전압(vc2)은, 제어부(550)에 입력된다.

한편, 제어부(550)는, 도 7의 dc/dc 컨버터(530)의 제1 스위칭 소자(S1), 및 제2 스위칭 소자(S2)를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다.

한편, 제어부(550)는, 인버터(540)의 스위칭 소자를 제어하는 인버터 제어 신호를 출력할 수도 있다.

제어부(550)는, 감지된 입력전류(ic1), 입력 전압(vc1), 출력전류(ic2), 또는 출력전압(vc2) 중 적어도 하나에 기초하여, dc/dc 컨버터(530) 내의 제1 스위칭 소자(S1), 및 제2 스위칭 소자(S2)의 턴 온 타이밍 신호를 출력할 수 있다.

한편, 제어부(550)는, 태양전지 모듈(100)에 대한, 최대 전력 지점을 연산하고, 그에 따라, 최대 전력에 해당하는 직류 전원을 출력하도록, dc/dc 컨버터(530)를 제어할 수 있다.

도 8a 내지 도 8b는 도 7의 dc/dc 컨버터에서 출력되는 출력 전류의 실시예 및 비교예를 예시하며, 도 9a 내지 도 9b는 도 7의 회로도의 동작 설명에 참조되는 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 dc/dc 컨버터(530)는 2개의 동작 모드로 구분되어 동작한다.

구체적으로, 제2 스위칭 소자(S2)의 온 또는 온/오프 반복에 의한, 제1 동작 모드(mode 1)와, 제2 스위칭 소자(S2)의 오프에 의한, 제2 동작 모드(mode 2)로 구분되어 동작할 수 있다.

도 9a와 같이, 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온하는 경우, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 직류 전원, 구체적으로는 전류가, 제1 스위칭 소자(S1), 트랜스(T)의 입력측, 및 제2 스위칭 소자(S2)를 거쳐 접지단으로 흐르게 된다.

그리고, 도 9b와 같이, 제1 스위칭 소자(S1)는 턴 온을 유지하고, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프되는 경우, 태양전지 모듈(100)에서 공급되는 직류 전원, 구체적으로는 전류가, 접지단으로 흐르지 못하게 된다.

이와 같이, 도 9a와 도 9b가 반복되는 경우, 즉, 제1 스위칭 소자(S1)가 턴 온된 상태에서, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온/오프를 반복하는 경우, 트랜스(T)의 출력측은, 트랜스(T)의 권선비에 따라, 변환된 전류를 출력하게 된다. 이러한 모드를 dc/dc 컨버터(530)의 제1 동작 모드(mode 1)라 할 수 있다. 이에 따라, 커패시터(C1) 양단의 전압은, 도 8a의 제1 동작 모드(mode 1)에서의 전압 파형과 같을 수 있다.

한편, 도 9c와 같이, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프되는 경우, 플라이백 컨버터는, 벅 컨버터처럼 동작할 수 있다. 구체적으로, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프되는 경우, 트랜스(T)의 출력측에 저장된 에너지가, 제2 스위칭 소자(S2)의 내부 다이오드(기생 다이오드)와, 트랜스(T)의 출력측을 통해 전류 성분으로서 출력될 수 있다. 이때, 제1 스위칭 소자(S1)도 턴 오프될 수 있다.

제2 스위칭 소자(S2)가 소정 시간 동안 턴 오프되며, 제1 스위칭 소자(S1)도 턴 오프되므로, 결국, 제2 스위칭 소자(S2)의 내부 다이오드(기생 다이오드)와, 트랜스(T)의 출력측을 통해 흐르는 전류 성분은 0으로 수렴하게 된다. 이에 따라, 커패시터(C1) 양단의 전압은, 도 8a의 제2 동작 모드(mode 2)에서의 전압 파형과 같을 수 있다.

한편, 제2 동작 모드(mode)가 없는 경우, 즉, 제1 동작 모드(mode)로만 동작하는 경우, 커패시터(C1) 양단의 전압은, 도 8b와 같이, 일정 전압에 의해 바이어스(bias)되게 된다. 특히, 제1 스위칭 소자(S1)가 없어, 태양전지 모듈(100)에서 직류 전원이 계속 공급되는 경우, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온/오프 반복 중 턴 오프만으로는, 커패시터(C1) 양단의 전압이 0V까지 하강하지 못하게 된다. 이에 따라, 출력 전류 품질이 나빠지며, 특히, 하모닉 전류 성분 영향이 커질 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따라, dc/dc 컨버터(530)를 제1 동작 모드(mode 1)와 제2 동작 모드(mode 2)로 구분하여 동작하면, 도 8a와 같이, 커패시터(C1) 양단의 전압은, 바이어스(bias)되지 않고, 0V까지 하강하게 된다. 따라서, dc/dc 컨버터(530)에서 출력되는 출력 전류의 전류 품질을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 하모닉 전류 성분이 현저히 감소하게 된다.

도 10은 도 1의 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도의 다른예이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 정션 박스(200)는, 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), dc/dc 컨버터(530), 및 제어부(550)를 포함할 수 있다. 도 7의 내부 회로도와 달리, 도 10의 내부 회로도는, 인버터(540)를 포함하지 않는 것에 그 특징이 있다.

이에 따라, 정션박스(200)는, 직류 전원을 출력할 수 있다. 이때, 정션박스(200)가 파워 옵티마이징(power optimizing) 기능을 수행하는 경우, 이러한 정션 박스(200)는, 파워 옵티마이저(power optmizer)라 명명될 수 있다.

도 10과 같이, 정션박스 내에 직류 전원을 저장하는 커패시터부와, 저장된 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 dc/dc 컨버터를 구비함으로써, 정션 박스를 통해 간단하게 직류 전원을 공급할 수 있게 된다. 또한, 태양광 모듈의 설치가 용이해지며, 복수의 태양광 모듈을 포함하는 태양과 시스템 구성시, 용량 확장에 유리하게 된다.

한편, 도 7 및 도 10과 달리, 정션박스(200)는, 바이패스 다이오드부(510) 및 커패시터부(520)만을 구비하는 것도 가능하다. 이에 따라, 정션 박스(200) 외부에 별도로, dc/dc 컨버터(530), 및 인버터(540)가 배치될 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도의 일예이다.

도면을 참조하면, 도 11의 태양광 시스템은, 복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ...,50n)을 구비한다. 각 태양광 모듈(50a, 50b, ...,50n)은, 교류 전원을 출력하는 정션박스(200a, 200b, ...,200n)를 구비할 수 있다. 이때의 정션박스(200a, 200b, ...,200n)를, 마이크로 인버터를 구비하는 정션 박스라 할 수 있으며, 각 정션박스(200a, 200b, ...,200n)에서 출력되는 교류 전원은 계통(grid)으로 공급되게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른, 도 7의 정션박스(200)의 내부 회로는 도 11의 마이크로 인버터에 적용될 수 있다.

즉, 각 정션박스(200a, 200b, ...,200n)는, 도 7과 같이, 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), dc/dc 컨버터(530), 인버터(540) 및 제어부(550)를 포함할 수 있다. 특히, dc/dc 컨버터(530)는, 도 7과 같이, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 제1 스위칭 소자(S1), 제1 스위칭 소자(S1)를 통해 공급되는 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환하여 출력하는, 플라이백 컨버터(flyback converter)를 구비할 수 있다. 그리고, 그 동작은 도 8a 내지 도 9b에 대한 설명과 같다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도의 다른예이다.

도면을 참조하면, 도 12의 태양광 시스템은, 복수의 태양광 모듈(50a, 50b, ...,50n)을 구비한다. 각 태양광 모듈(50a, 50b, ...,50n)은, 직류 전원을 출력하는 정션박스(1200a, 1200b, ...,1200n)를 구비할 수 있다. 그리고, 각 태양광 모듈듈(50a, 50b, ...,50n)에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 별도의 인버터(1210)가 더 구비되게 된다. 이때의, 정션박스(1200a, 1200b, ...,1200n)는, 직류 전원을 효율적으로 출력하기 위한 파워 옵티 마이저를 구비하는 정션 박스라 할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른, 도 10의 정션박스(200)의 내부 회로는 도 12의 파워 옵티마이저에 적용될 수 있다.

즉, 각 정션박스(200a, 200b, ...,200n)는, 도 10과 같이, 바이패스 다이오드부(510), 커패시터부(520), dc/dc 컨버터(530), 및 제어부(550)를 포함할 수 있다. 특히, dc/dc 컨버터(530)는, 도 10과 같이, 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 제1 스위칭 소자(S1), 제1 스위칭 소자(S1)를 통해 공급되는 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환하여 출력하는, 플라이백 컨버터(flyback converter)를 구비할 수 있다. 그리고, 그 동작은 도 8a 내지 도 9b에 대한 설명과 같다.

도 13a 내지 도 13b는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템의 파워 옵티마이징을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.

먼저, 도 13a를 참조하면, 파워 옵티마이징이 적용되지 않는 경우를 설명한다. 도면과 같이, 복수의 태양전지 모듈이 도면과 같이 직렬 접속된 상태에서, 일부 태양전지 모듈(1320)에서 핫 스팟이 발생하여, 일부 전력 손실이 발생하는 경우(예를 들어, 70W 전력 공급), 정상적인 태양전지 모듈(1310)도, 일부 전력 손실이 발생(예를 들어, 70W 전력 공급)하게 된다. 따라서, 총 980W의 전력만을 공급하게 된다.

다음, 도 13b를 참조하여, 파워 옵티마이징이 적용되는 경우를 설명한다. 일부 태양전지 모듈(1320)에서 핫 스팟이 발생하여, 일부 전력 손실이 발생하는 경우(예를 들어, 70W 전력 공급), 해당 태양전지 모듈(1320)에서 공급되는 전류가 다른 태양전지 모듈(1310)에서 공급되는 전류와 동일하도록, 해당 태양전지 모듈(1320)에서 출력되는 전압을 낮춘다. 이에 따라, 핫 스팟이 발생한 태양전지 모듈(1320)에서는 일부 전력 손실이 발생(예를 들어, 70W 전력 공급)하게 되나, 정상적인 태양전지 모듈(1310)에서는, 전력 손실이 없게(예를 들어, 100W 전력 공급) 된다. 따라서, 총 1340W의 전력을 공급할 수 있게 된다.

이와 같이, 파워 옵티마이징에 따르면, 다른 태양전지 모듈에서 공급되는 전류에 맞추어, 핫 스팟이 발생하는 태양전지 모듈에서 공급되는 전압을 조정할 수 있다. 이를 위해, 각 태양전지 모듈은, 다른 태양전지 모듈에서 공급되는 전류치 또는 전압치를 입력받아, 해당 태양전지 모듈 내의 전압 출력 등을 제어할 수 있다.

한편, 한편, 본 발명의 실시예에 따른, 도 10의 정션 박스(200)는, 도 13b의 파워 옵티마이저에 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 태양광 모듈은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims

복수의 태양전지를 구비하는 태양전지 모듈; 및
상기 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 dc/dc 컨버터를 포함하는 정션 박스;를 포함하며,
상기 dc/dc 컨버터는,
상기 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 제1 스위칭 소자; 및
제2 스위칭 소자를 구비하며, 상기 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환된 직류 전원을 출력하는 플라이백 컨버터를 포함하며,
상기 dc/dc 컨버터는,
상기 제2 스위칭 소자의 온 또는 온/오프 반복에 의한, 상기 플라이백 컨버터의 제1 동작 모드와,
상기 제2 스위칭 소자의 오프에 의한, 상기 플라이백 컨버터의 제2 동작 모드로, 구분되어 동작하며,
상기 제2 동작 모드 구간 동안, 상기 dc/dc 컨버터의 전압은, 그라운드 전압까지 하강하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
삭제
제1항에 있어서,
상기 dc/dc 컨버터는,
상기 제2 동작 모드에서, 벅 컨버터 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
제1항에 있어서,
상기 dc/dc 컨버터는,
상기 제2 동작 모드에서, 상기 제2 스위칭 소자의 오프시, 상기 제1 스위칭 소자도 오프되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
제1항에 있어서,
상기 dc/dc 컨버터에 입력되는 입력 전원 또는 상기 dc/dc 컨버터에서 출력되는 출력 전원 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 dc/dc 컨버터를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
제5항에 있어서,
상기 정션 박스는,
상기 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
제1항에 있어서,
상기 정션 박스는,
상기 복수의 태양전지 중 역방향 전압이 발생하는 태양전지를 바이패스 시키는 바이패스 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
제1항에 있어서,
상기 정션 박스는,
상기 dc/dc 컨버터에서 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
제1항에 있어서,
상기 정션 박스는,
상기 태양전지 모듈에 부착되어 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
복수의 태양전지 모듈;
상기 각 태양전지 모듈에 대응하여, 상기 각 태양전지 모듈로부터 공급되는 직류 전원을 레벨 변환하여 출력하는 dc/dc 컨버터를 포함하는 복수의 정션 박스;를 포함하며,
상기 각 dc/dc 컨버터는,
상기 태양전지 모듈에서 공급되는 직류 전원을 스위칭하여 공급하는 제1 스위칭 소자; 및
제2 스위칭 소자를 구비하며, 상기 직류 전원을 이용하여, 레벨 변환된 직류 전원을 출력하는 플라이백 컨버터를 포함하며,
상기 dc/dc 컨버터는,
상기 제2 스위칭 소자의 온 또는 온/오프 반복에 의한, 상기 플라이백 컨버터의 제1 동작 모드와,
상기 제2 스위칭 소자의 오프에 의한, 상기 플라이백 컨버터의 제2 동작 모드로, 구분되어 동작하며,
상기 제2 동작 모드 구간 동안, 상기 dc/dc 컨버터의 전압은, 그라운드 전압까지 하강하는 것을 특징으로 하는 태양광 시스템.
삭제
제10항에 있어서,
상기 dc/dc 컨버터는,
상기 제2 동작 모드에서, 상기 제2 스위칭 소자의 오프시, 상기 제1 스위칭 소자도 오프되는 것을 특징으로 하는 태양광 시스템.
제10항에 있어서,
상기 정션 박스는,
상기 dc/dc 컨버터에서 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 시스템.
제10항에 있어서,
상기 복수의 정션 박스에서 각각 출력되는 직류 전원을 입력받아 교류 전원으로 변환하여 계통으로 출력하는 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 시스템.