KR20110090378A - 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지부와 전압이 충전된 상용전원, 그리고 상기 태양전지부의 출력전압을 검출하는 접속반과 상기 태양전지부와 상기 상용전원이 연결되어 상기 접속반에 전원을 공급하는 전원공급장치로 구성되되, 상기 전원공급장치는 상기 태양전지부와 상기 상용전원으로부터 입력되는 전원을 선택적으로 제어하여 상기 접속반에 공급할 수 있어 기존의 상용전원으로 사용되는 배터리 또는 외부 발전장치의 방전 및 정전, 순간전압상승 및 강하, 과전압 등으로 인해 접속반에 전원을 공급할 수 없는 상황에서도 안정적이고 지속적으로 전원을 공급할 수 있으며, 사후 관리가 용이하고 자체적인 전원공급원 확보 및 전원공급원의 효율적인 제어를 통해 전력사용요금을 줄일 수 있어 경제적인 효과를 가지는 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치에 관한 것이다.

Description

태양광 접속반 시스템의 전원공급장치{Power supply for photovoltaic power system}

본 발명은 태양전지로부터 출력되는 전압을 검출하는 접속반에 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치에 관한 것이다.

지구환경의 오염 및 화석 에너지원의 고갈은 특별한 이슈가 되기에는 이미 너무나 당연한 현안이며, 인류를 위협하는 중요한 요소가 되었다. 이에 따라 국가와 인종을 초월해서 환경오염을 줄이고 환경친화적인 신재생 에너지원을 찾아내는데 노력을 기울이고 있었다.

신재생에너지는 새로운 에너지의 패러다임 전환에 있어서 그 중심이 될 것으로 기대되는 에너지원이며, 특히 신재생에너지 중에서도 태양광발전시스템은 실용화에 가장 가까운 발전방식이다.

1년간에 지구 전체로 쏟아지는 태양 에너지량의 크기는, 대강 9.5×1020kcal이고, 이 분량의 크기는, 전세계에서 1년간에 소비되는 에너지량의 1만배 이상으로 상당하다.

태양광 발전시스템은 태양에너지를 이용함으로써 연료비가 필요없고, 대기오염이나 폐기물 발생이 없습니다. 또한 시스템을 반자동화 또는 자동화시키기에 용이하여, 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 태양광발전시스템은 최대 전력을 발전하는 시간대가 하절기 피크 전력소비 시간대와 비슷하여, 전력사업용 및 주택 건물용으로 전력계통과 연계운전 시 전력 수급 불균형을 해소할 수 있고 주택 및 건물의 지붕 등에 다양한 형태로 설치함으로써 국내 부존자원을 효율적으로 사용할 수 있는 전력 공급원으로 주목받고 있었다.

태양광발전은 현재 전 세계적으로 큰 붐이 일고 있는 분야로서, 매년 30 ~ 40% 이상의 증가추세를 나타내고 있었다. 최근 2 ~ 3년 사이에는 더욱 현격한 증가 추세를 나타냄에 따라 현재 태양광업계 85% 이상을 장악하고 있는 실리콘 태양전지의 원재료 부족 현상까지 나타나고 있는 실정이었다.

우리나라의 경우 2003년까지 설치된 PV 시스템의 누적량이 6MW에 불과했었다. 그러나 2004년부터 PV시스템 보급이 급격히 증가하기 시작하여 2005년에는 한 해 동안 약 6MW에 이르는 PV시스템이 설치되었다. 세계 에너지기구에서 조사한 바에 따르면, PV시스템의 수요 증가 부분에서 우리나라는 IEA가입국 중 최근 가장 큰 증가추세를 보이는 독일에 이어 두 번째로 높은 증가추세를 나타내고 있었다.

상기와 같이 미래의 신재생 에너지원으로 각광받고 있는 태양광 발전 장치는 태양으로부터 입사되는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 수집하고, 수집된 전기 에너지를 저장하는 한편, 수집 단계에서 직류로 변환된 전기 에너지를 교류 에너지로 변환시켜 변압기로 입력시키도록 된 것이다.

이러한 태양광 발전 장치는 입사되는 태양광을 수집하는 집광판이 다수 개 설치되고, 각각의 집광판에 상술한 태양광 발전 시스템이 구비되는 것이 일반적이었다.

한편, 태양광 발전 장치에는 예상하지 못한 급격한 전압이나 전류가 발생하는 전자 쇼크에 의해 회로가 손상되는 문제점과, 또한 주위 환경 변화와 같은 기타 요인에 따른 집광판의 발전 특성 불균형 등을 방지하기 위한 여러 가지 보호 장치들을 구비하였다.

이러한 보호 장치에는 역방향으로 흐르는 전류를 차단하여 입/출력단의 회로를 보호하는 역전압 방지용 다이오드로 이루어진 역전압 방지 수단과, 태양 전지판을 통해 생성된 전력 전압과 전류를 검출하여 발전 상태의 정상여부를 감시하는 전압 및 전류 측정 센서와, 과전류를 차단하여 회로를 보호하는 과전류 보호용 퓨즈 등이 구성되어 있고, 주로 태양광 발전 장치와 부하 또는 중앙의 제어부 사이에 설치된 접속반에 구성되었다.

상기와 같은 기존의 접속반은 발전기 또는 배터리 등의 상용전원으로부터 구동을 위한 전력을 지속적으로 공급받게 되어있었다.

그러나, 발전기 형태의 상용전원은 정전, 순간전압상승 및 강하, 과전압 등과 같은 사유로 인하여 접속반에 전력을 공급할 수 없는 상황이 자주 초래되는 문제점이 있었다.

상기와 같이 상용전원에 문제가 발생하였을 경우를 대비하여 상기 접속반의 구동전력을 공급할 수 있는 비상전원인 UPS(무정전 전원장치) 구비하여 전력을 임시적으로 공급함으로서, 사고 발생시에도 상기 접속반의 지속적인 구동을 가능하게 하였다.

일반적으로 비상전원장치로 사용되는 UPS는 순간적으로 발생하는 정전 및 각종 전원장애의 발생에 관계없이 항상 부하에 임시적으로 안정된 전원을 공급하기 위한 장치로써 임시적으로 안정되고 지속적인 전원공급이 요구되는 곳에서 널리 사용되고 있었다.

그러나, 상기의 비상전원 장치인 UPS는 내부에 구성되는 배터리에 충전되어있는 한정된 전력을 공급할 수 있기 때문에 전력공급 시간이 한정되어 지속적인 전력공급이 어려우며, UPS 장치의 전력공급 시간까지 상용전원을 복구하지 못했을 때는 UPS 장치의 존재가 유명무실해지는 문제점이 있었다.

또한, 태양광 접속반 시스템과 같은 대규모의 설비에 사용되는 UPS 장치는 대용량의 전력을 임시적으로 안정적이게 공급할 수 있어야 하기 때문에 높은 구입비용과 설치비용이 소요됨과 동시에 설치 이후에도 배터리의 수명 주기에 따라 교체를 해야 하기 때문에 지속적인 관리와 높은 관리비용이 소요되어 비경제적인 문제점이 있었다.

이에 따라, 상기와 같은 문제점을 해결하고 배터리 또는 외부 발전장치의 방전 및 정전, 순간전압상승 및 강하, 과전압 등으로 인해 접속반에 전원을 공급할 수 있는 방안의 필요성이 요구되는 실정이었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 태양전지로부터 출력되는 전압을 검출하는 접속반에 안정적이고 지속적으로 전원을 공급할 수 있는 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 태양전지부와 전압이 충전된 상용전원, 그리고 상기 태양전지부의 출력전압을 검출하는 접속반과 상기 태양전지부와 상기 상용전원이 연결되어 상기 접속반에 전원을 공급하는 전원공급장치로 구성되되, 상기 전원공급장치는 상기 태양전지부와 상기 상용전원으로부터 입력되는 전원을 선택적으로 제어하여 상기 접속반에 공급할 수 있는 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치를 제안한다.

이상에서와 같이 본 발명의 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치는 기존의 상용전원으로 사용되는 배터리 또는 외부 발전장치의 방전 및 정전, 순간전압상승 및 강하, 과전압 등으로 인해 접속반에 전원을 공급할 수 없는 상황에서도 안정적이고 지속적으로 전원을 공급할 수 있으며, 사후 관리가 용이하고 자체적인 전원공급원 확보 및 전원공급원의 효율적인 제어를 통해 전력사용요금을 줄일 수 있어 경제적인 효과를 가지는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치의 구성도.

이하, 본 발명의 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치를 첨부도면 도 1에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치는 태양이 방출하는 에너지를 수집하는 다수개의 집광판으로 구성된 태양전지판과 상기 태양전지판에서 수집된 에너지를 전기 에너지로 변환하여 출력하는 변환부로 구성되는 태양전지부(100)와, 상기 태양전지부(100)에서 방출되는 전압을 검출하고 관련된 데이터를 수집하여 외부 모니터링 장치로 송출할 수 있는 접속반(300)과 상기 접속반(300)의 작동을 위한 전력을 공급할 수 있는 일정 전압이 충전된 배터리로 이루어진 상용전원(200) 그리고, 상기 태양전지부(100)와 상기 상용전원(200)이 연결되고 상기 태양전지부(100)와 상기 상용전원(200)이 출력하는 전압을 입력받아 상기 접속반(300)에 전원을 공급하는 전원공급장치(400)로 구성된다.

기존의 접속반(300)은 일정량의 전압이 충전된 배터리 또는 외부 발전장치로 이루어진 상용전원(200)만으로부터 전원을 공급받아 작동을 하였으나, 배터리에 충전된 전압이 소진되거나 정전, 순간전압상승 및 강하, 과전압 등이 발생되어 외부 발전장치에 문제가 발생 되었을 경우 상기 접속반(300)에 전원을 공급할 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같이 상용전원에 문제가 발생하였을 경우를 대비하여 상기 접속반의 구동전력을 공급할 수 있는 비상전원인 UPS(무정전 전원장치)를 구비하여 전력을 임시적으로 공급함으로써, 사고 발생시에도 상기 접속반의 지속적인 구동을 가능하게 하였다.

그러나, 상기의 비상전원 장치인 UPS는 내부에 구성되는 배터리에 충전되어있는 한정된 전력을 공급할 수 있기 때문에 전력공급 시간이 한정되어 지속적인 전력공급이 어려우며, UPS 장치의 전력공급 시간까지 상용전원을 복구하지 못했을 때는 UPS 장치의 존재가 유명무실해지는 문제점이 있다.

또한, 태양광 접속반 시스템과 같은 대규모의 설비에 사용되는 UPS 장치는 대용량의 전력을 임시적으로 안정적이게 공급할 수 있어야 하기 때문에 높은 구입비용과 설치비용이 소요됨과 동시에 설치 이후에도 배터리의 수명 주기에 따라 교체를 해야 하기 때문에 지속적인 관리와 높은 관리비용이 소요되어 비경제적인 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명에서는 기존의 상용전원(200)과 함께 태양전지부(100)로부터 출력되는 전압을 상기 접속반(300)의 작동을 전력공급원으로 활용할 수 있도록 하였다.

따라서, 충전된 전압의 소진 또는 정전, 순간전압상승 및 강하, 과전압 등으로 인하여 상용전원(200)에서 상기 접속반(300)에 전원을 공급할 수 없는 상황이 발생되었을 경우 상기 태양전지부(100)로부터 출력되는 전압을 상기 접속반(300)에 공급하여 상기 접속반(300)이 지속적으로 작동할 수 있도록 하는 것이다.

한편, 상기 태양전지부(100)와 상용전원(200)이 연결되어 상기 접속반(300)에 전원을 공급하는 전원공급장치(400)는 상기 태양전지부(100)와 상용전원(200)으로부터 입력되는 두 개의 전원을 선택적으로 제어하여 상기 접속반(300)에 공급함으로서 효율적인 전원의 운용을 가능토록 하는 것이다.

상기 태양전지부(100)와 상용전원(200)으로부터 입력되는 전원을 제어하기 위하여 상기 전원공급장치(400)는 다수개의 릴레이와 두 개의 전원공급원으로부터 공급되는 전압의 입력여부를 검출할 수 있는 센서를 포함하여 구성되는 것이다.

이때, 상기 두 개의 전원공급원을 제어하기 위하여 사용되는 릴레이(Relay)는 전기접점을 개폐하여 동일 또는 다른 회로에 접속된 장치를 작동시키는 기능을 하며 전기적 입력의 유/무, 대/소등을 식별해 동작시키는 중요한 전자부품이다.

릴레이는 코일에 전류를 흘리면 자석이 되는 성질을 이용하고 있는 것으로서 코일이 전자석으로 되었을 때 철판을 끌어당겨,그 철판에 붙어있는 스위치부의 접점을 개폐시키는 것이다. 릴레이는 전기적으로 독립된 회로를 연동시킬 수 있는 특징을 가지는바, 5V와 같은 저전압계로 구성된 회로의 동작에 의해 AC 100V계의 회로를 ON/OFF시키든가, 대전류의 회로를 ON/OFF시킬 수 있는 것이다.

상기와 같은 릴레이는 릴레이에 신호를 한번 주면 닫힌 상태가 되고, 신호를 끊어도 이 닫힌 상태가 계속 유지되며, 다시 신호를 주면 열린 상태가 되고 신호를 끊어도 열린 상태가 계속 유지되는 걸쇠릴레이, 접촉단자의 보호 및 빠른 속도 반응을 위해 단자들이 진공이나 불활성 기체 속에 넣은 리드릴레이, 내구성을 위해 전자석이나 움직이는 단자 대신 트랜지스터를 사용한 고체릴레이(solid state relay)와 같이 여러 종류가 있으며, 코일에 가하는 전압(구동전압), 접점용량 등에 따라 적절한 것을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 전원공급장치(400)에 연결되는 두 개의 전기공급원 중 전원이 공급되는 하나의 전기공급원으로 릴레이의 전기접점이 연결되어 상기 접속반(300)에 전원을 공급할 수 있는바, 보다 상세하게는 태양이 떠오르는 일출시부터 태양이 저무는 일몰시까지는 태양전지부(100)에서 출력하는 전원을 상기 접속반(300)으로 공급하고, 일몰 이후부터 일출시까지는 상용전원(200)으로부터 입력받아 접속반(300)으로 공급함으로서 연속성 있게 전원을 공급할 수 있으며 태양이 떠 있는 시간 동안은 자체적으로 생성하는 전원을 전원공급원을 사용하여 상용전원(200)의 사용으로 인한 전기요금이 발생되지 않아 경제적인 운용을 할 수 있는 것이다.

한편, 상기 릴레이의 접점은 전압이 입력되는 방향 또는 두 개의 입력부 중 큰 전압이 입력되는 방향으로 전기접점이 연결되는바, 일몰로 인하여 태양전지부(100)가 전원을 공급할 수 없게 되면 연결되어 있는 상용전원(200)으로 릴레이의 전기접점이 이동되어 지속적으로 전원을 공급할 수 있지만, 일출시에는 태양전지부(100)에서 전원이 공급되기 시작하더라도 상용전원(200) 역시도 동일한 전압의 전원을 공급하고 있기 때문에 릴레이의 전기접점이 이동하지 못하는 문제점이 발생된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 전원공급장치(400)은 두 개의 전원공급원으로부터 공급되는 전압의 입력여부를 검출할 수 있는 센서를 포함하여 구성되는 것이다.

따라서, 시스템의 설정에 따라 상기 센서가 일출시 상기 태양전지부(100)로부터 전원공급장치(400)에 전압의 입력여부를 검출하여 릴레이의 접점이동신호를 전달함으로서 전원공급원이 상용전원(200)에서 태양전지부(100)로 변경될 수 있도록 하는 것이다.

한편, 본 발명에서 DC 24V의 전압이 접속반(300)의 작동 전압으로 인가된다. 그러나, 태양전지부(100)에서 출력되는 전압은 DC 35 ~ 48V의 전압으로서 상기 접속반(300)에 인가하기 부적합 전압이다.

따라서, 본 발명에서는 태양전지부(100)에서 출력되는 전압을 강하시켜 접속반(300)에 인가하기 적합한 전압으로 변환하는 컨버터(500)가 상기 태양전지부(100)와 전원공급장치(400)의 사이에 구비된다.

본 발명에서 사용되는 컨버터(500)는 DC 전압을 일단 AC 전력으로 변환하고 이를 변압기로 전압을 바꾼 다음, 다시 DC 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 사용하여 태양전지부(100)로부터 출력되는 DC 35~48V의 전압을 입력받아 상기 접속반(300)에 공급하기 적합한 DC 24V의 전압으로 변환하여 전원공급장치(400)로 출력하게 되는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치는 기존의 상용전원(200)으로 사용되는 배터리 또는 외부 발전장치의 방전 및 정전, 순간전압상승 및 강하, 과전압 등으로 인해 접속반(300)에 전원을 공급할 수 없는 상황에서도 안정적이고 지속적으로 전원을 공급할 수 있으며, 사후 관리가 용이하고 자체적인 전원공급원 확보 및 전원공급원의 효율적인 제어를 통해 전력사용요금을 줄일 수 있어 경제적인 효과를 가지는 것이다.

100 : 태양전지부 200 : 상용전원
300 : 접속반 400 : 전원공급장치
500 : 컨버터

Claims (4)

1. 태양전지부(100);와
   전압이 충전된 상용전원(200);과
   상기 태양전지부(100)의 출력전압을 검출하는 접속반(300)으로 구성되는 태양광 시스템에 있어서,
   상기 태양전지부(100)와 상기 상용전원(200)이 연결되어 상기 접속반(300)에 전원을 공급하는 전원공급장치(400);가 구성되되,
   상기 전원공급장치(400)는 상기 태양전지부(100)와 상기 상용전원(200)으로부터 입력되는 전원을 선택적으로 제어하여 상기 접속반(300)에 공급하는 것임을 특징으로 하는 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전원공급장치(400)는 다수개의 릴레이가 포함되는 것임을 특징으로 하는 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 전원공급장치(400)는 상기 태양전지부(100)로부터 출력되는 전압의 입력 여부를 검출하는 센서가 더 포함되는 것임을 특징으로 하는 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전원공급장치(400)와 상기 태양전지부(100) 사이에
   상기 태양전지부(100)로부터 출력되는 DC전압을 전원공급용 DC전압으로 변환하는 컨버터(500)가 구성되는 것임을 특징으로 하는 태양광 접속반 시스템의 전원공급장치.
   

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