KR20080093894A

KR20080093894A - 전기 에너지의 광전지 소스로부터 전기 에너지를 수확하기위한 장치

Info

Publication number: KR20080093894A
Application number: KR1020080035007A
Authority: KR
Inventors: 존 스탠리 글래져; 루이즈 마이클 앤드류 드
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2008-10-22
Also published as: KR101465796B1; US20110036387A1; CN101290527A; EP1983632A2; JP5276349B2; US8227683B2; EP1983632A3; US20080257397A1; JP2008269596A; EP1983632B1; CN101290527B

Abstract

본 발명은 전기 에너지(14)의 광전지 소스로부터 전기 에너지를 수확하는 시스템, 방법, 장치에 관한 것이다. 광전지 소스는 광전지 소스의 별개의 조도 및 별개의 온도 중 적어도 하나의 각 범위에 대해 최대 전력의 포인트들을 포함하는 전압-전류 곡선(20, 22, 24, 26, 28)의 군에 의해 정의된 전력-생성 특성을 갖는다. 상기 장치는 광전지 소스에 결합된 스위칭 변환기(12)로 이루어진다. 변환기는 입력 전압과 입력 전류 사이의 사전 정의된 함수 관계를 갖는 입력 전압-전류 곡선을 갖는다. 변환기의 입력 전압-전류 곡선의 사전 정의된 함수 관계는 상기 광전지 소스로부터의 최대 전력에 대응하는 전류 및 전압 계산을 수행할 필요없이 상기 변환기의 동작 동안 상기 광전지 소스에 대한 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부에 대한 근사(예를 들면, 32, 34)를 제공하도록 구성된다.

Description

전기 에너지의 광전지 소스로부터 전기 에너지를 수확하기 위한 장치{SYSTEM, METHOD, AND APPARATUS FOR EXTRACTING POWER FROM A PHOTOVOLTAIC SOURCE OF ELECTRICAL ENERGY}

본 발명은 일반적으로 전기 에너지원으로부터 전력을 수확(harvesting)하는 것에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다양한 동작 상태 또는 환경 상태에서 광전지(PV) 전력원(Photovoltaic Power Source), 연료 전지(fuel cell) 또는 배터리(battery)와 같은 전기 에너지원으로부터 최대 또는 거의 최대의 전력을 추출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

소정의 일사(insolation)(조도(illumination intensity)) 레벨에서, 광전지(PV) 에너지원은 일반적으로 전류-전압(I-V) 곡선이라고 하는 전류대 전압의 그래프에 의해 특징지워질 수 있다. PV 소스가 균일하게 조사될 때, PV 소스는 통상 소정의 조도 및/또는 온도에서 최대 전력이 추출될 수 있는 고유한 전류 및 전압 값을 갖는다.

최대 전력을 추출하기 위해, PV 소스에 접속된 전기 부하는 부하의 I-V 곡선 이 최대 전력 포인트에서 PV 소스의 I-V 곡선과 교차하도록 조정되어야 한다. 이것은 일반적으로 그 각각의 I-V 특성을 감지된 PV 소스 특성의 함수로서 조정함으로써 PV 소스의 최대 전력 포인트를 동적으로 구하도록 제어된, 스위칭 전력 변환기와 같은 능동 부하를 PV 소스에 연결함으로써 달성된다.

스위칭 전력 변환기는 PV 부하 변환기라고도 하는데, 부가적인 변환기에 의해 처리되거나 또는 작업 부하(working load)에 직접 공급될 수 있는 유용한 전력을 출력하도록 구성될 수 있다. PV 소스의 전력은 적절한 전력 모니터 수단에 의해 감지될 수도 있으며, 그 다음에 최대 전력 포인트 추적 알고리즘이 적절한 프로세서에서 처리되어 그 입력 I-V 곡선이 최대 전력 포인트에서 PV 소스의 I-V 곡선과 교차하도록 스위칭 변환기 동작을 동적으로 조정하는 방법을 결정할 수도 있다. 이 알고리즘의 처리로 인해 생성된 제어 신호는 변환기로 전송되어, 이러한 방법으로 조정될 수 있다. 이 구성에서는, 일반적으로 작업 부하가 기본적으로 PV 소스의 모든 가용 전력을 사용한다고 가정된다.

최대 전력 포인트 추적부를 구비한 PV 시스템은, 이론적으로는 PV 소스 환경에서의 변화로 인한 변화 그리고/또는 PV 소스의 노화로 인한 변화를 동적으로 추적할 수 있고 PV 시스템의 동작 동안 최대 전력을 추출해야 한다. 그러나, 실제로는 최대 전력 추적 기법에 수반되는 몇몇 문제점이 있다. 첫째, 프로세서에서 추적 알고리즘을 실시하기 위해서는 그러한 프로세서에 전력을 공급하기 위해 전력 소비 증가가 요구되며, 따라서 PV 시스템의 수확 효율성을 감소시킨다. 둘째, 최대 전력 추적은 일반적으로 단순히 스위칭 변환기를 기준(reference)으로 조정하는 것보다 훨씬 더 복잡하고 변환기의 스위칭 동작은 최대 전력 포인트를 적절히 결정하는 것을 방해할 수 있으며, 어떤 경우에는 최대 전력 포인트 알고리즘을 구하는 동안에 동작이 불안정해지기 쉽다. 셋째, 전력 추적 알고리즘은 일반적으로 PV 소스의 전류 및 전압의 감지를 요구한다. 이 전류 감지는 흔히 부가적인 손실을 일으키며, 따라서 PV 시스템의 전체 효율을 더욱 감소시킨다.

따라서, 전술한 문제점을 갖지 않는 광전지 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 복수의 PV 소스를 결합하여 통합(예를 들면, 전력 스태킹(power stacking))하기에 적합한 I-V 곡선 특성을 가지며 따라서 스케일에 효율적인 비교적 저렴하고 신뢰할 수 있는 PV 부하 변환기 토폴로지를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 임의의 원하는 수의 기본 광전지 모듈을 갖는 대형 PV 어레이를 구성하는데 도움이 될 수도 있다.

일반적으로, 본 발명은 그 일측면에서 전기 에너지의 광전지 소스를 포함하는 광전지 시스템을 제공함으로써 전술한 요구를 총족시킨다. 광전지 소스는 광전지 소스에 대해 별개의 조도 및 별개의 온도 중 적어도 하나의 각 범위에 대해 최대 전력의 포인트들을 포함하는 전압-전류 곡선 군에 의해 정의된 전력-생성 특성을 포함한다. 스위칭 변환기가 광전지 소스에 결합되고, 여기서, 변환기는 입력 전압과 입력 전류 사이의 사전 정의된 함수 관계를 갖는 입력 전압-전류 곡선을 포함한다. 변환기의 입력 전압-전류 곡선의 사전 정의된 함수 관계는 광전지 소스로부터의 최대 전력에 대응하는 전류 및 전압 계산을 수행할 필요없이 변환기의 동작 동안 광전지 소스에 대한 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부에 대한 근사를 제공하도록 구성된다.

다른 측면에서, 본 발명은 또한 광전지 시스템으로부터 전력을 수확하는 방법을 제공함으로써 전술한 요구를 충족시킨다. 이 방법은 광전지 소스에 대해 별개의 조도 및 별개의 온도 중 적어도 하나의 각 범위에 대해 최대 전력의 포인트들을 포함하는 전압-전류 곡선 군에 의해 전기 에너지의 광전지 소스의 전력-생성 특성을 정의한다. 이 방법은 또한 스위칭 변환기가 광전지 소스에 결합되도록 하며, 여기서 변환기는 입력 전압과 입력 전류 사이의 사전 정의된 함수 관계를 갖는 입력 전압-전류 곡선을 포함한다. 변환기는 광전지 소스로부터의 최대 전력에 대응하는 전류 및 전압 계산을 수행할 필요없이 변환기의 입력 전압-전류 곡선의 사전 정의된 함수 관계의 구성에 기초하여 광전지 소스에 대한 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부를 근사하도록 동작한다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 전기 에너지의 광전지 소스로부터 전기 에너지를 수확하는 장치를 제공함으로써 전술한 요구를 총족시킨다. 광전지 소스는 광전지 소스에 대해 별개의 조도 및 별개의 온도 중 적어도 하나의 각 범위에 대해 최대 전력의 포인트들을 포함하는 전압-전류 곡선 군에 의해 정의된 전력-생성 특성을 갖는다. 이 장치는 광전지 소스에 결합된 스위칭 변환기를 포함하고, 변환기는 입력 전압과 입력 전류 사이의 사전 정의된 함수 관계를 갖는 입력 전압-전류 곡선을 포함한다. 변환기의 입력 전압-전류 곡선의 사전 정의된 함수 관계는 광전지 소스로부터의 최대 전력에 대응하는 전류 및 전압 계산을 수행할 필요없이 변환기의 동작 동안 광전지 소스에 대한 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부에 대한 근사를 제공하도록 구성된다.

본 발명에 따르면, 최대 전력 추적 회로를 이용할 필요가 없고 또한 그러한 회로를 제어할 필요가 없으며, 따라서 최대 전력 추적 회로 또는 제어와 관련된 문제점이 회피된다. 예를 들어 본 발명에 따르면, 최대 전력 추적 알고리즘을 구현하는 처리 수단이 필요치 않아 상당한 전력 절감을 달성할 수 있는데, 이는 이러한 처리 수단에 전력을 공급할 필요가 없기 때문이다. 또한, 본 발명에 따르면, 이러한 처리 수단을 제공하는데 요구되는 비용이 생략되므로, PV 시스템에서 상당한 비용 감소가 이루어진다.

본 발명의 특징들 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명은 다양한 동작 상태 및/또는 환경 상태에서, 단일 광전지 셀 또는 셀(cell)들로 이루어진 배터리의 경우에는 광전지 모듈로 이루어질 수 있는, 광전지(PV) 전력원과 같은 전기 에너지원으로부터 최대 또는 거의 최대의 전력을 추출하는데 바람직하게 사용될 수 있는 혁신적인 광전지(PV) 시스템 및/또는 방법을 제안한다. 본 발명의 바람직한 측면들에 따르면, 최대 전력 추적 회로를 이용할 필요가 없고 또한 그러한 회로를 제어할 필요가 없으며, 따라서 최대 전력 추적 회로 또는 제어와 관련된 문제점이 회피된다. 예를 들어 본 발명에 따르면, 최대 전력 추적 알고리즘을 구현하는 처리 수단이 필요치 않아 상당한 전력 절감을 달성할 수 있는데, 이는 이러한 처리 수단에 전력을 공급할 필요가 없기 때문이다. 또한, 본 발명에 따르면, 이러한 처리 수단을 제공하는데 요구되는 비용이 생략되므로, PV 시스템에서 상당한 비용 감소가 이루어진다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명을 구현하는 광전지 시스템은 PV 소스(14)와 전기 부하(16) 사이에 전기적으로 결합될 수 있는 DC-DC 변환기와 같은 스위칭 변환기(12)를 포함할 수 있는데, 여기서 스위칭 변환기의 입력 I-V 곡선은 다양한 동작 상태 및/또는 환경 상태에서 최대 전력 포인트 추적을 수행할 필요없이 PV 소스로부터 최대 또는 거의 최대 전력이 추출되도록 구성된다. 일실시예에서, 변환기는 입력 전압과 입력 전류 사이의 사전 정의된 함수 관계를 갖는 입력 전압-전류 곡선을 포함할 수 있다. 이하에 상세히 논의되는 바와 같이, 입력 전압과 입력 전류 사이의 사전 정의된 함수 관계는 선형 관계 또는 3차원 관계가 될 수도 있다.

변환기의 입력 전압-전류 곡선의 사전 정의된 함수 관계는 변환기의 동작 동안에 광전지 소스로부터 최대 전력에 대응하는 전류 및 전압 계산을 수행할 필요없이 광전지 소스에 대한 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부에 대한 근사를 제공하도록 구성될 수도 있다. 당업자라면, 광전지 소스에 대한 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부가 소정의 전력 범위에 대한 최소 자승법(least square fit)과 같은 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이며, 또는 하위 전력 포인트와 상위 전력 포인트가 교차하도록 변환기의 전압-전류 곡선을 선택할 수도 있는 한편, 하위 전력 포인트와 상위 전력 포인트 사이의 중간 전력 포인트에 대해 최소자승법이 수행될 수도 있다. 최소 자승법의 이용은 광전지 소스에 대한 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부에 대한 변환기의 입력 전압-전류 곡선의 사전 정의된 함수 관계에 의해 제공된 근사를 결정(예를 들면, 정량화)하는데 사용될 수 있는 기법의 단지 일례일 뿐이다. 합리적인 근사 방법의 다른 예는 PV 소스의 동작의 대략 평균의 전력 포인트를 통계적으로 결정하기에 충분한 데이터를 축적한 경우에 구현될 수도 있다. 이 경우, 변환기의 입력 전압-전류 곡선은 동작의 대략 평균의 전력 포인트를 근사하도록 구성될 수도 있다. 이러한 평균은 계절(예를 들면, 연중 이맘때), 지리적 위치, 온도 등과 같은 요인에 따라 변할 수도 있다.

도 2는 다양한 조도에서 PV 소스의 입력 I-V 곡선 군(예를 들면, I-V 곡선(20, 22, 24, 26, 28))의 일례를 도시한 것이다. 도 2는 또한 다양한 I-V 곡선과 교차하는 PV 소스의 최대 전력 곡선(곡선 30)의 일례의 그래프를 도시하고 있다. 또한, 도 2는 전력 스위칭 변환기에 대한 가능한 입력 I-V 곡선의 두 실시예를 도시하고 있다. 전력 스위칭 변환기에 대한 제 1 입력 I-V 곡선 예는 리니어핏 근사(linear fit approximation)(32)를 포함하는데, 이는 이 곡선이 최대 전력 포인트 곡선(30)에 근사하도록 선택된 전압 축을 따른 전압 오프셋을 갖는 저항 함수에 근거할 수도 있다. 전력 스위칭 변환기에 대한 제 2 입력 I-V 곡선의 예는 큐빅핏 근사(cubic fit approximation)(34)를 포함할 수도 있다.

당업자라면 알 수 있듯이, 스위칭 변환기에서 적절한 I-V 입력 곡선을 달성하기 위한 복수의 기법이 존재한다. 예를 들면, 변환기가 원하는 입력 I-V 곡선 특성을 나타내도록 하는 감지 및 피드백 제어 기법을 사용할 수도 있다. 본 발명에 따르면, 기본적으로 최소의 추가적인 제어를 갖거나 또는 어떠한 추가적인 제어 도 갖지 않는 원하는 I-V 곡선을 나타내는 다양한 상용화 가능한 변환기 토폴로지 중 어느 하나를 이용하는 것이 제안된다. 간단한 일례로 선형 I-V 곡선을 갖는 스위칭 변환기 부류 중 어느 하나를 사용하는 것을 들 수 있다. 예를 들면, 고 역률 정류기(high power factor rectifier)와 같은 선형 저항기 에뮬레이터는 I=K1*V(K1은 주어진 적용 요건에 기초하여 조정될 수도 있는 상수)에 의해 정의된 바와 같은 선형 I-V 곡선을 생성할 수 있다.

실제 PV 시스템에서 한가지 고려해야 할 사항은, PV 소스에 의해 공급된 전류 및/또는 전압의 양이 조도 및/또는 온도에서 발생할 수 있는 많은 변화들로 인해 실질적으로 변하기 쉽다는 것이다. 즉, 실제 PV 시스템은 실질적으로 조도, 주변 온도, 설치 위치 및 이들의 조합에 의존할 수도 있다. 많은 응용에 있어서 구현하기에 복잡하지 않고 유용한 I-V 평면의 원점을 통한 리니어핏이 반드시 넓은 범위의 동작 상태에 있어서 PV 소스로부터의 전력 추출을 최대화하는 최적의 입력 I-V 곡선을 제공하지는 않을 것이다. 이러한 경우에, 부하 변환기 입력 I-V 곡선이 PV 소스의 I-V 곡선의 최대 전력 포인트 근방에서 비교적 높은 경사(즉, 비교적 높은 전도성)를 가질 때 개선된 성능이 얻어질 수 있다. 이 목적을 달성하기 위한 한 방법은 그 입력 I-V 곡선에 대해 비교적 급격한 경사(예를 들면, 리니어핏 근사를 제공)를 갖는 변환기를 사용하는 것으로, 이것은 전압축을 따라 적절히 오프셋되어, 도 2에 도시된 바와 같이 리니어핏 근사가 최대 전력 포인트 근방의 PV 소스 I-V 곡선(입력 I-V 곡선(32))과 교차한다. 이 목적을 달성하기 위한 다른 방법은 도 2에 도시된 바와 같이(예를 들면, 큐빅핏 근사), 경사가 증가하는 곡선(입력 I- V 곡선(34))을 갖는 변환기를 사용하는 것이다. 아래에서는 전력 스위칭 변환기에서 이러한 예시적인 입력 I-V 곡선을 실현하는데 사용될 수 있는 스위칭 변환기 토폴로지의 몇몇 예를 제시할 것이다.

도 3은 전압 오프셋을 갖는 선형핏(예를 들면, 도 2의 입력 I-V 곡선(32))을 갖는 입력 I-V 곡선을 제공하도록 구성된 변환기 회로(40)의 일례의 블록도이다. 예를 들어, PID(proportional-integral-derivative) 제어기(42)는 전압 신호(Vin)와 (적절한 스케일링 인자(Req)에 의해 스케일링될 수 있는)전류 신호(Iin)를 조합하여 리니어핏을 나타내는 에러 신호를 출력하는 가산기(41)로부터의 출력을 처리하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어 삽입도 45를 참조하라. 가산기(46)는 PID 제어기(42)로부터의 출력과 오프셋 전압을 결합하여 리니어핏과 오프셋 전압의 합을 나타내는 (변환기에 대한 PWM(pulse-width modulation) 기준점(setpoint)으로서 사용될 수도 있는)신호를 생성한다. 예를 들어 삽입도 48을 참고하라. 예를 들면, 도 3에 도시된 회로는 벅/부스트(buck/boost) 변환기, 벅 변환기 또는 부스트 변환기와 같은 다양한 단일 스위치 변환기 토폴리지로 구현될 수 있는 표준 재고품(off-the-shelf) PWM 조절기(예를 들면, 텍사스 인스트루먼트 사의 조절기 부분 UC3854번)에서 이용가능한 기능 블록을 이용하여 구현될 수 있다. 온도 보상은 오프셋 기준을 예를 들어 PV 소스의 온도를 나타내는 감지된 파라미터의 함수로서 조정함으로써 선택적으로 구현될 수 있다.

도 4는 큐빅핏 근사를 갖는 입력 I-V 곡선(예를 들면, 도 2의 입력 I-V 곡선(34))을 제공하는 플라이백(flyback) 변환기로서 구성된 변환기(62)를 구비한 PV 시스템(60)의 구현예의 블록도이다. 변환기(62)는 사전 정의된 주파수의 펄스 파형을 생성하며 이득 증폭기(66)에 의해 공급된 전압(V_D)에 비례하는 펄스 듀티사이클(D)을 갖는 펄스폭 변조기(PWM)(64)를 포함한다. PWM(64)의 출력은 MOSFET 스위치와 같은 반도체 파워 스위치(Q₁)의 게이팅 단자에 결합된다. 도 4는 또한 결합된 인덕터(L₁, L₂) 쌍, 다이오드(D₁) 및 소정의 전기 부하(67)에 결합된 필터 캐패시터(C_out)를 도시하고 있다. 플라이백 변환기는 DCM(discontinuous conduction mode)에서 동작하도록 설계될 수 있는데, 이러한 동작은 당업자에게 잘 알려져 있다. DCM 플라이백 변환기 입력 I-V 곡선은 I=V*D²/K₂로 주어지는데, 여기서 D는 변환기 듀티 사이클, 즉 제어 입력이고, K₂는 상수이다. 따라서, 전류는 입력 전압(V)에 비례하며, 이는 선형 I-V 곡선을 생성한다. 만약 예를 들어 저항 분할기 네트워크(예를 들면, 저항기(R₁, R₂))를 이용하여 PV 소스(68)로부터 전압(V)을 감지하여 감지된 전압(V_sense)을 출력하고, 전압(V_sense)이 이득 증폭기(66)로 공급되면, 듀티사이클(D)은 V에 비례하게 된다. 즉, D=K₃*V인데, 여기서 K₃은 상수이며, 따라서 전압(V)의 함수로서 전류(I)에 대한 관계가 I=V³*K₃ ²/K₂가 된다. 즉, 원하는 바와 같이, 전류(I)는 V³에 비례한다.

동작 성능을 더욱 향상시키기 위해, 본 발명은 입력 I-V 곡선이 PV 소스 온 도의 함수로서 전압축을 따라 이동하도록 변환기의 입력 I-V 곡선이 PV 소스 온도의 함수로 조정될 수도 있다는 점을 고려한다. PV 소스의 온도를 나타내는 파라미터의 감지는 집적 회로 상의 서미스터 또는 다른 온도 센서에 의해 이루어질 수 있는데, 이들은 변환기 회로의 일부일 수도 있다. 일부 응용에서는, PV 소스 및 변환기 회로가 통합되어 공통 패키지 내에서 서로에게 열적으로 결합될 수도 있기 때문에, 이 온도 감지는 다수의 방법으로 쉽게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 일부 응용에서, 온도 센서는 PV 소스의 다른 셀들과 함께 탑재된 여분의 선택적으로 차단된 PV 셀일 수도 있다. 예를 들면, 광전지 소스의 부분은 조명으로 인한 반응을 회피하도록 마스킹될 수도 있고, 마스킹된 부분으로부터의 전기 신호가 광전지 소스의 온도 감지에 사용될 수도 있다. 당업자라면 알 수 있듯이, 물리적 근사 및 도전성 경로 특성의 다양한 조합이 주어진 응용에 대해 원하는 열적 결합을 달성하는데 사용될 수도 있다. 또한, 열적 결합은 일실시예에서 PV 소스 및 변환기 회로가 실질적으로 동일 온도에서 또는 선택적으로는 서로에 대해 예측 가능한 온도 오프셋에 있을 수 있도록 구성될 수도 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 PV 소스(70)의 온도 표시를 획득하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들면, 온도 센서(72)가 변환기 회로(74) 내의 각 집적 회로의 일체부일 수도 있다. 예를 들면, 온도 센서가 반도체 디바이스의 밴드갭 기준과 같이, 그 내부의 열 감지 전압 기준을 활용하여 집적 회로의(따라서 집적 회로에 열적으로 결합된 PV 소스의) 온도 변화를 감지할 수도 있다.

다른 예에서, 온도 센서는 저항기, 다이오드, 캐패시터 또는 트랜지스터와 같은 집적 회로 내의 열감지 전기 소자를 구동시키도록 결합된 외부 기준 전압을 활용할 수도 있다. 다른 예에서는, 온도 센서가 예를 들어 다이오드 전류 누설을 감시함으로써 각 집적 회로 내의 온도를 감지할 수도 있다. 즉, 집적 회로의 일부분인 일부 회로(통상적으로는 PV 소스로부터의 신호를 처리하거나 조정하는데 사용됨)가 PV 소스의 온도 표시를 획득하는데 사용될 수 있다. 또한, 온도 센서는 다이오드 패드 상에 탑재된 표면 실장형 소형의 서미스터와 같은 집적 회로에 형성된 적절한 패드 상에 조립될 수도 있다. 예를 들어, 온도 센서는 집적 회로에 열적으로 결합된 외부면 상에 탑재되듯이 집적 회로 외부에 배치될 수도 있기 때문에, 온도 센서는 각 집적 회로에 일체화될 필요는 없다. 일실시예에서, 열감지 전기 소자(예를 들면, 온도 센서로서 기능)는 PV 셀 또는 PV 모듈의 후면에 직접 탑재될 수 있다. 예를 들어, 광전지 소스는 조명에 노출되는 제 1 면과 제 1 면 반대쪽의 조명에 노출되지 않는 제 2 면을 포함할 수도 있다. 이 실시예에서는, 변환기가 PV 셀 또는 PV 모듈의 제 2 면, 즉, PV 셀 또는 PV 모듈의 조명되지 않은 면에서 광전지 소스와 통합될 수도 있다.

일부 응용예에서, 단일 PV 모듈은 소정의 전력 인가에 필요할 수 있는 충분한 전력을 공급할 수 없을 수도 있기 때문에, PV 모듈의 어레이가 필요할 수도 있다. 실제 PV 어레이에서 전력 스케일링을 달성하기 위해서는 몇 가지 어려운 점이 있다. 예를 들면, 공지되어 있는 PV 어레이에서, 원하는 전력 비를 달성하도록 접속되는 PV 모듈의 수를 꾸준히 증가시키는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 이것은 접속되는 변환기들의 각각의 입력 및 출력 I-V 특성들 사이에 불일 치(incompatibility)가 발생할 가능성이 있기 때문이다. 또한, 최대 전력 포인트 추적 알고리즘을 구비한 PV 시스템에서, 이러한 알고리즘은 복수의 PV 모듈의 최대 전력 포인트를 결정할 수 없을 수 있는데, 이는 PV 모듈 어레이에서 개별 PV 모듈의 서브셋이 차단될 때 발생할 수 있다. 부분적인 차단(shading)은, 최대 전력 추적의 복잡성을 부분적으로 증가시키는 방식으로 PV 어레이의 합성 I-V 곡선의 형상을 수정하며, 따라서 일부(local) 및 전체(global) 최대 전력 포인트 추적 알고리즘 모두를 결정할 필요가 있을 수 있다. 따라서, 공지되어 있는 PV 어레이는 서로 상호 접속될 수 있는 PV 모듈의 수로 한정될 수 있으며, 결과적으로 원하는 전력 스케일러빌러티를 제공하는 능력이 부족할 수 있다.

본 발명을 구현하는 입력 I-V 곡선을 갖는 변환기들에 의해 제공되는 또 다른 이점은, 도 6에 도시된 바와 같이, 그러한 변환기들의 각각의 출력 I-V 곡선이, 이들 변환기들이 서로 접속될 때 전력을 공유하기에 적합한 특성을 보여준다는 것이다. 이것은 각각의 PV 소스(84, 86)를 포함하는 모듈(80, 82)과 같은 복수의 PV 모듈로부터 출력된 전력을 결합하는 것을 가능하게 한다. 이 이점은, 위에서 논의한 입력 I-V 곡선들의 예의 경우와 같이, PV 부하 변환기의 입력 I-V 곡선이 PV 부하 변환기의 출력에 독립적일 때 달성될 수 있다. 따라서, 각각의 PV 부하 변환기는 바람직한 전력 스케일링 능력을 제공하는 전력원으로서 작용할 것이다. 각각의 변환기는 전력원이 되고, 작업 부하가 기본적으로 PV 소스에 의해 유도된 모든 전력을 사용한다고 가정할 때, 직렬 회로, 병렬 회로 또는 직렬/병렬 회로의 조합에서와 같이 바람직한 방식으로, PV 모듈 어레이의 일부분일 수 있는 다른 그러한 변 환기에 접속될 수 있다.

이상, 몇몇 입력 I-V 곡선 특성 예에 대하여 특정 실시예를 논의하였지만, 변환기의 입력 I-V 곡선 특성을 고려하여 몇몇 포괄적인 유익한 상황을 아래에 제시한다.

1. 입력 I-V 곡선의 경사가 PV 소스의 I-V 곡선과 PV 부하 변환기의 입력 I-V 곡선의 교차점에서 정(positive)이다.

2. PV 소스 곡선과의 교차점에서의 PV 부하 변환기의 입력 곡선에 접하는 선이 Isc 아래의 전류축(단락 전류(short circuit current)) 또는 Voc 아래의 전압축(개로 전압(open circuit voltage))과 교차한다.

3. PV 소스의 I-V 곡선과 PV 부하 변환기의 입력 I-V 곡선의 교차가 통상의 동작 상황 하에서 최대 전력 포인트 또는 거의 최대 전력 포인트에 있을 수 있다. 동작은 모든 동작 상황 세트 하에서 적어도 한 포인트에 있어서의 이론적인 최대치에 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 이러한 실시예들은 단지 예로서 제시된 것이다. 본 발명으로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 수많은 변경, 변형 및 대체가 이루어질 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 청구범위의 사상 및 범주에 의해서만 한정된다.

도 1은 본 발명을 구현하는 광전지 시스템의 일실시예를 도시한 블록도.

도 2는 다양한 조도 레벨에서 PV 소스의 I-V 곡선의 예를 도시한 도면으로, 다양한 I-V 곡선과 교차하는 PV 소스의 최대 전력 생성 곡선 그래프의 예 및 본 발명을 구현하는 전력 변환기에 대한 입력 I-V 곡선의 두 실시예를 도시한 도면.

도 3은 전압 오프셋을 갖는 리니어핏 근사(linear fit approximation)를 갖는 입력 I-V 곡선을 제공하도록 구성된 변환기의 일실시예를 도시한 블록도.

도 4는 큐빅핏 근사를 갖는 입력 I-V 곡선을 제공하도록 구성된 변환기를 구비한 PV 시스템의 일실시예를 도시한 블록도.

도 5는 본 발명을 구현하는 PV 시스템의 일실시예를 도시한 블록도로서, 변환기의 입력 I-V 곡선이 PV 소스의 온도 함수로 조정될 수 있는, PV 시스템의 일실시예를 도시한 블록도.

도 6은 본 발명을 구현하는 PV 모듈러 어레이로 구성된 PV 시스템의 일실시예를 도시한 블록도로서, 그 내부의 각 모듈 변환기가 다른 변환기에 상호접속되어 원하는 전력 스케일러빌러티를 제공할 수 있는, PV 시스템의 일실시예를 도시한 블록도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

12 : 변환기

14 : 광전지(PV) 소스

16 : 전기 부하

20, 22, 24, 26, 28 : I-V 곡선

30 : 최대 전력 곡선

32 : 리니어핏 근사

34 : 큐빅핏 근사

40 : 변환기 제어 회로

41 : 가산기

42 : PID(proportional-integral-derivative) 제어기

45 : 삽입도

46 : 가산기

48 : 리니어핏을 도시한 삽입도

60 ; PV 시스템

62 : 변환기

64 : 펄스폭 변조기(PWM)

66 : 이득 증폭기

67 : 전기 부하

68 : PV 소스

70 : PV 소스

72 : 온도 센서

74 : 회로

80, 82 : PV 모듈

84, 86 : PV 소스

Q₁ : 반도체 파워 스위치

L₁ 및 L₂ : 결합된 인덕터 쌍

D₁ : 다이오드

C_out : 필터 캐패시터

V_sense : 감지된 전압

R₁ 및 R₂ : 저항기

K₂ : 상수

Claims

전기 에너지의 광전지 소스(14)로부터 전기 에너지를 수확(harvesting)하기 위한 장치로서,

상기 광전지 소스는 상기 광전지 소스에 대해 별개의 조도 및 별개의 온도 중 적어도 하나의 각 범위에 대해 최대 전력의 포인트들을 포함하는 전압-전류 곡선(20, 22, 24, 26, 28) 군에 의해 정의된 전력-생성 특성을 포함하며,

상기 장치는 상기 광전지 소스에 결합된 스위칭 변환기(12)를 포함하고,

상기 변환기는 상기 입력 전압과 상기 입력 전류 사이의 사전 정의된 함수 관계를 갖는 입력 전압-전류 곡선을 포함하고, 상기 변환기의 상기 입력 전압-전류 곡선의 상기 사전 정의된 함수 관계는 상기 광전지 소스로부터의 최대 전력에 대응하는 전류 및 전압 계산을 수행할 필요없이 상기 변환기의 동작 동안 상기 광전지 소스에 대한 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부에 대한 근사(approximation)를 제공하도록 구성되는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변환기의 상기 입력 전압-전류 곡선은 상기 광전지 소스에 대한 상기 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부에 대한 리니어핏(linear fit) 근사(32)를 포 함하는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변환기의 입력 전압-전류 곡선은 상기 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부에 대한 큐빅핏(cubic fit) 근사(34)를 포함하는

장치.
제 2 항에 있어서,

상기 스위칭 변환기는 플라이백(flyback) 타입 변환기, 벅-부스트(buck-boost) 타입 변환기, 벅 또는 부스트 타입 변환기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 타입의 변환기를 포함하는

장치.
제 2 항에 있어서,

상기 스위칭 변환기는 상기 리니어핏 근사를 포함하는 상기 입력 전압-전류 곡선의 전압축을 따라 전압 오프셋을 제공하도록 추가적으로 구성된 벅-부스트 타 입의 변환기를 포함하는

장치.
제 5 항에 있어서,

상기 전압 오프셋에 대한 값은 상기 광전지 소스의 감지된 온도에 따라 변하는

장치.
제 3 항에 있어서,

상기 변환기는 플라이백 타입의 변환기를 포함하는

장치.
제 1 항에 있어서,

각각의 광전지 소스(84, 86)로부터 전력을 수신하도록 각각 결합된 복수의 스위칭 변환기(87, 88)를 포함하되, 각각의 변환기는 상기 각각의 광전지 소스에 대한 상기 최대 전력의 포인트들 중 적어도 일부에 대한 근사를 제공하도록 구성된 상기 입력 전압과 상기 입력 전류 사이의 사전 정의된 함수 관계를 갖는 입력 전압 -전류 곡선을 포함하고,

각각의 변환기 출력은 서로 접속되어 출력 전력의 원하는 스케일링에 도달하도록 회로 조합을 형성하는

장치.
제 8 항에 있어서,

상기 회로 조합은 직렬 회로, 병렬 회로 및 이들 회로의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는

장치.
제 8 항에 있어서,

각각의 변환기는 DC-DC 변환기를 포함하는

장치.