KR20010079059A - 태양전지 파라미터 추정 알고리즘 및 측정장치 - Google Patents

태양전지 파라미터 추정 알고리즘 및 측정장치 Download PDF

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KR20010079059A
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Abstract

본 발명은 태양전지 파라미터 추정 알고리즘 및 측정장치에 관한 것으로서 빛이 조사되는 조건에서 태양전지의 전압, 전류, 온도와 일사량을 측정하고 수치 해석적 방법을 이용하여 태양전지 등가회로 파라미터를 측정함으로써 태양전지 셀 및 모듈의 정확한 특성 및 성능평가를 할 수 있으며 이에 따라서 태양전지 셀 및 모듈의 생산 시 품질관리가 가능하다.
하나의 다이오드 모델을 이용한 태양전지 등가회로 모델을 사용하고 특성방정식으로부터 태양전지의 동작영역특성을 이용하여 각각의 영역에 적합한 방정식으로 분리하고 최소자성법 알고리즘을 이용하여 각각의 파라미터를 추정하고 2개의 방정식의 커플링 되어있는 요소를 반복법을 통하여 보상함으로써 추정된 파라미터의 정확도를 향상시켰다.

Description

태양전지 파라미터 추정 알고리즘 및 측정장치{Parameter estimation algorithm and measurement equipment of solar cell}
본 발명은 태양전지 파라미터 추정 알고리즘 및 측정장치에 관한 것으로 암조건이 아닌 빛이 입사되는 조건하에서 태양전지의 전압, 전류, 온도와 일사량을 측정하고 수치해석적 방법을 이용하여 5가지의 태양전지 등가회로 파라미터를 추정하여 셀 및 모듈의 특성 및 성능을 측정하는 알고리즘 및 장치에 관한 것이다. 이러한 알고리즘 및 측정장치를 태양전지의 품질관리 용도로 확장이 용이하도록 마이크로 프로세서를 기초로 알고리즘을 구현하고 컴퓨터와 통신을 통한 데이터 관리가 가능하도록 장치를 구성하는 것을 목적으로 한다.
태양전지의 특성은 비선형적인 전압-전류 특성을 가지며, 온도 및 일사량에 따라 변화하는 특성을 가지고 있으며 비선형 모델로 구성되어진다. 현재의 태양전지에 특성 측정에 관한 국내외 규격을 이용하여 이러한 비선형적 특성을 표현할 수 없으며, 동작 전구간에서의 정확한 성능 및 특성을 나타내지 못한다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 태양전지의 등가회로 파라미터가 요구되어지며 수치해석적 알고리즘을 이용한 파라미터의 추정을 통하여 성능을 측정할 수 있다.
태양전지 모듈 경우 태양전지 셀의 직렬연결로 구성되어지며 이때 각각의 셀의 특성이 조금씩 차이가 있는 경우 이에 의하여 태양전지 모듈의 효율이 낮아질 수 있으며, 특성 차이가 큰 모듈을 직병렬로 연결하여 태양전지 전원을 구성하는 경우 태양전지의 효율이 감소하게 된다. 따라서 태양전지의 효율향상을 위하여 모듈 및 전원의 조립 시 태양전지 셀 및 모듈의 정확한 특성을 측정할 필요성이 있다.
태양전지의 등가회로는 하나의 다이오드 모델과 두개의 다이오드 모델을 이용한방법이 있으며, 어모퍼스 계열의 태양전지를 제외한 태양전지 셀은 두개의 다이오드 모델이 적합하나, 태양전지 모듈의 파라미터를 측정하기 위해서는 하나의 다이오드 모델을 사용하는 것이 타당하다. 태양전지 모듈의 경우 태양전지 셀의 직렬연결로 이루어지며 태양전지의 직렬저항 성분과 병렬저항 성분이 파라미터 추정 시 많은 영향을 주게 되며 따라서 종래의 하나의 다이오드 모델을 이용한 알고리즘으로는 추정오차가 증가하여 정확한 파라미터를 추정할 수 없게 된다.
따라서 본 발명은 태양전지 모듈의 파라미터 추정 시 알고리즘 상에서 각각 직렬 및 병렬저항 성분을 보상하는 알고리즘을 이용하여 정확한 파라미터를 측정하는 것을 목적으로 하며, 이러한 알고리즘 및 측정장치 및 품질관리로 확장이 용이하도록 마이크로 프로세서를 기초로 알고리즘을 구현하고 컴퓨터와 통신을 통한 데이터 관리가 가능하도록 장치를 구성하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 태양전지 파라미터 측정 장치의 구성도.
도 2는 태양전지 파라미터 추정 알고리즘.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1. 태양전지 10. 컴퓨터
20. 제어장치 30. 부하장치
40. 전압, 전류, 온도 일사량 센서 50. 태양광 혹은 시뮬레이터
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양전지 파라미터 측정장치는 도 1과 같으며 태양광 혹은 시뮬레이터(50)의 빛을 태양전지(1)에서 전기에너지로 변환하고, 마이크로 프로세서를 사용한 제어장치(20)를 통하여 저항을 이용한 부하장치(30)를 제어하여 태양전지의 전류 및 전압 출력특성을 측정하고, 온도 및 일사량 센서(40)를 이용하여 제어장치(20)로 현재의 측정 환경 조건을 측정한다. 도 2와 같은 파라미터 추정알고리즘을 통하여 파라미터를 추정하고, 컴퓨터(10)로 결과 값을 분석 및 관리하도록 구성되어있다.
태양전지 파라미터 추정 알고리즘은 도 2와 같으며 도 1의 태양전지 파라미터 측정장치를 통하여 측정한 태양전지 셀 혹은 모듈의 전류 및 전압 특성곡선과 하나의 다이오드 모델의 특성방정식(1)을 이용하게되며 최소 자성법 및 반복법을 통하여 태양전지 파라미터를 추정하게 된다.
하나의 다이오드 모델의 태양전지 특성 방정식은 식 (1)과 같다.
(1)
여기서, 태양전지의 전류(I), 전압(V), 전하량(q), 플랑크 상수(K), 온도(T), 광전류(Iph), 직렬저항(Rs), 병렬저항(Rsh), 이상계수(A)와 포화전류(Isat)이다. 식(1)에서 파라미터 추정 알고리즘을 통하여 광전류, 직렬저항, 병렬저항, 이상계수 및 포화전류의 5가지의 파라미터를 추정하게 된다. 태양전지의 전류 및 전압 특성은 전압원과 전류원 영역으로 구분이 가능하며 본 발명에서 전압원 영역에서는 광전류 및 병렬저항을 추정하고 전류원 영역에서는 이상계수 및 직렬저항을 추정하게 되며, 전압원 영역에서의 추정 시 직렬저항을 전류원 영역에서의 추정 시 병렬저항을 보상하는 알고리즘을 포함하고 있다.
도 2의 추정알고리즘에서 추정시간을 단축하기 위하여 적절한 직렬저항 및 병렬저항의 초기 값을 설정한다. 전류원 영역에서는 추정 알고리즘을 수행하기 위하여 식(1)을 정리하면 식(2)와 같이 나타낼 수 있다. 이때, 식(2)에서 직렬저항은 초기 값 혹은 전압원 영역에서 앞서 수행한 결과 값을 이용하여 보상하게 된다.
(2)
전류원 영역에서 식(2) 및 RLS 알고리즘을 이용하여 병렬저항 및 광전류를 추정한다.
전압원 영역에서 추정 알고리즘을 수행하기 위하여 식(1)을 정리하면 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.
(3)
이때, 식(3)에서 병렬저항의 보상은 가상의 실제전류()를 통하여 보상할 수 있으며, 실제전류는 식(4)로 표현되어진다. 이때 식(3)의 병렬저항은 초기값 혹은 전류원 영역에서 앞서 수행한 결과 값을 이용하여 보상하게 된다.
(4)
전압원 영역에서 식(3)과 식(4) 및 RLS 알고리즘을 이용하여 이상계수 및 직렬저항을 추정한다.
식(2)에서는 직렬저항이 식(3)에서는 병렬저항이 존재함으로 직접적으로 해석될수 없으며, 추정한 결과에 많은 오차를 포함하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 반복법을 이용하여 각각의 식에 앞서 수행한 결과값을 이용하여 보상함으로써 파라미터 추정오차를 줄일 수 있다.
위의 과정을 통하여 추정한 4개의 결과를 통하여 역포화 전류를 추정하게 된다. 태양전지의 개방회로를 포함한 전압원 영역에서는 출력전류가 작아 태양전지의 단자전압에 대한 직렬저항의 영향을 출어들게 되며, 병렬저항에 의한 영향이 커지게 된다. 또한 다이오드 전류가 크며, 역포화 전류에 의한 영향이 많이 나타나게 되어 이 영역에서 역포화 전류를 추정함으로써 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.
이러한 현상은 개방회로 상태에서 식(1)을 역포화전류로 정리하면 쉽게 이해된다. 이때, 역포화 전류 방정식은 식(5)로 표현되어진다.
(5)
위에서 제시한 방법을 통하여 추정된 5가지의 결과 값은 컴퓨터로 전송되며 분석 및 관리되어진다.
태양전지의 모듈 및 전원의 정확한 성능평가가 가능하며 객관적이 측정결과를 제시할 수 있다. 태양전지 셀 및 모듈의 생산 시 품질관리가 가능하여 동일한 특성의 셀을 이용하여 모듈을 구성하거나, 동일한 특성의 모듈을 이용하여 전원을 구성함으로써 태양전지의 사용효율을 크게 향상시킬 수 있다. 저가의 태양전지 파라미터 추정장치를 개발함으로써 생산 시 품질관리에 적용이 용이하며 고급화된 사용자의 욕구를 충족시킬 수 있다. 특수한 조건하에서 측정하는 것 뿐 아니라 옥외에 설치된 태양전지 전원의 광조사 상황에서도 파라미터 측정이 가능하여 태양전지 전원의 고장여부를 쉽게 검출할 수 있다.

Claims (4)

  1. 태양전지 파라미터 추정알고리즘에서 모듈의 파라미터 측정을 위하여 태양전지 특성방정식에서 병렬저항성분을 포함한 하나의 다이오드 모델을 이용한 특성방정식 식(1)을 사용한 태양전지 파라미터 측정장치에서,
    추정 알고리즘을 전류원 영역에서 식(2)를 이용하여 광전류 및 병렬저항을 추정하고 직렬저항성분을 보상하는 방법을 이용한 태양전지 파라미터 측정장치.
  2. 제1항의 방법으로 식(1)을 기준으로 사용한 측정장치에서,
    전압원 영역에서 식(3) 및 식(4)를 이용하여 이상계수 및 직렬저항을 추정하고 병렬저항 성분을 보상하는 방법을 이용한 태양전지 파라미터 측정장치.
  3. 제1항의 방법으로 식(1)을 기준으로 사용한 측정장치에서,
    광전류, 이상계수, 직렬저항, 병렬저항을 추정한 값을 이용하고 태양전지의 전압원 영역에서 식(1) 혹은 식(5)를 이용하여 역포화전류를 추정하는 방법을 이용한 태양전지 파라미터 측정장치.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항의 방법으로 제조된 물건
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