KR20110121607A - 태양광 패널에서 핫 스팟의 검출과 방지 - Google Patents

Abstract

전자 모듈은 태양광 패널의 출력 전압을 예상 값과 비교하고 태양광 패널로부터의 전력 수요를 제어함으로써 출력 전압이 예상 값으로부터 미리 결정된 값만큼 변화하지 않도록 한다. 미리 결정된 값은 태양광 패널 및 제조 허용 오차를 포함하는 포토 다이오드의 온도 의존성에 대한 상온 값을 정정함으로써 결정될 수 있다.

Description

태양광 패널에서 핫 스팟의 검출과 방지{DETECTION AND PREVENTION OF HOT SPOTS IN A SOLAR PANEL}

본 출원은, Kernahan 등에 의해 2008년 4월 2일 제출되고 본 명세서에 전체 내용이 통합되어 있는 공동 소유된 미국 특허 출원 일련번호 제 12/061,025호에 관한 것이다.

태양광 패널(solar panel)은 이들의 제조업자에 의해 적어도 25년 동안 지속할 것으로 예측되고 있다. 그와 같은 장기간의 수명을 가능하도록 처리될 많은 수명-제한 조건 중 한 가지는 패널 상의 핫 스팟(hot spot)이다. 핫 스팟은 발생한 열에 의해 패널에 손상을 일으키고/일으키거나 확산 에이징(diffusion aging)으로 인해 패널 셀 재료의 장기간 열화(degradation)를 일으켜서 수명을 제한할 수 있다. 고장 모드(failure mode)는 납땜 접합부(solder joint), 핀 홀(pin hole) 또는 셀 내 개방 회로의 용융 및 패널 케이스에 대한 손상을 포함한다. 핫 스팟의 일부 원인은 조립 결함, 표준 이하 재료, 태양 전지의 오염, 및 항상 존재하는 제조상 변수와 같이, 제조와 관련된 것이다. 패널에 결함이 있게 제조될 수 있지만, 이는 예상보다는 짧지만 연장된 시간 동안 서비스가 가능할 수 있다. 다른 원인은 제조업체 또는 설치업체의 통제를 넘어선다. 예를 들어, 패널 내의 일부 셀은, 부분적인 가림(shade), 국지 영역 내의 오염 또는 조분(bird dropping), 패널에서 온도 편차, 그리고 셀 사이의 확산 영역의 일정하지 않은 에이징으로 인해 다른 셀보다 태양광에 더 많거나 적게 노출될 수 있다.

핫-스팟 가열의 유해한 효과는 바이패스 다이오드(bypass diode)를 이용함으로써 회피될 수 있다. 바이패스 다이오드는 병렬로 접속되지만, 태양 전지에 반대 극성으로 접속된다. 정상적인 동작하에서, 각각의 태양 전지는 순방향으로 바이어스될 것이고, 바이패스 다이오드는 역방향으로 바이어스될 것이므로 사실상 개방 회로가 될 것이다. 그러나, 태양 전지가 여러 개의 직렬 접속 셀 사이에서의 단락-회로 전류의 미스매치(mismatch)로 인해 역으로 바이어스되는 경우, 바이패스 다이오드가 전도됨으로써 양호한 태양 전지로부터의 전류는 각각의 양호한 셀을 순방향으로 바이어스하기보다는 외부 회로로 흐르게 된다. 불량한 셀 양단의 최대 역 바이어스는 바이패스 다이오드에 의해 대략 단일 다이오드 강화로 감소함으로써 전류를 제한하고 핫-스팟 가열을 방지한다.

태양광 패널의 전형적인 회로 모델이 도 1에 도시된다. 설명을 위해, 예는 단지 2개의 직렬 셀이다. 분명하게도 전형적인 패널은 더 많은 직렬의 셀을 가짐으로써 "스트링(string)"을 형성하고, 일부는 병렬의 다중 스트링을 갖는다. 도 1의 모델에서, 각각의 태양 전지는 역-바이어스된 다이오드와 병렬 상태로 있는 전류원으로써 모델링된다. 도 1의 예는 셀(104), 바이패스 다이오드(110, 112)와 각각 직렬인 셀(102)을 포함한다. 모델의 전류는 포토 다이오드(106, 108)가 적절한 광에 노출될 때 상기 포토 다이오드로부터 발생한다. 전력 용량이 동일하고 동일하지 않고, 각각의 경우가 개방 및 단락 회로 구성인, 태양 전지와 관련된 네 가지 경우가 고려된다. 단란 회로 상태에서 그리고 매칭된 셀에서 태양 전지 및 바이패스 다이오드 이 둘 양단의 전압은 영(0)이다; 그러므로, 바이패스 다이오드는 효과를 갖지 않는다. 회로가 개방되면(또한 매칭되지 않은 셀의 경우) 각각의 셀로부터의 단락 전류로 인해 셀이 순방향 바이어스된다. 바이패스 다이오드는 역으로 바이어스되어, 다시 회로에 효과를 미치지 않는다.

이제 셀(104)이 가려져서, 상기 셀(104)이 셀(102)의 전력 제공 용량보다 더 작은 전력 제공 용량을 갖는다고 가정하자. 단락 회로 상태의 경우, 일부 전류는 셀(102)로부터 흘러나오므로, 셀(102)은 순방향으로 바이어스된다. 바이패스 다이오드(110)는 다시 역방향으로 바이어스되어 효과를 갖지 않는다. 양호한 셀(102)의 전압은 불량한 셀(104)의 바이패스 다이오드(112)를 순방향으로 바이어스하여, 바이패스 다이오드(112)가 전류를 전도하도록 한다. 가려진 셀(104) 자체는 약 -.5볼트의 다이오드 강하로 역방향으로 바이어스된다. 불량한 셀(104) 및 개방 회로인 네 번째 상태의 경우, 가려진 셀(104)은 감소된 전압을 갖는다. 바이패스 다이오드(110, 112)는 역방향으로 바이어스되어 효과를 갖지 않는다.

그러나, 실제로, 태양 전지당 하나의 바이패스 다이오드는 일반적으로 너무 비싸므로 대신 바이패스 다이오드는 통상적으로 태양 전지의 그룹에 걸치도록 배치된다. 가려지거나 저전류의 태양 전지 양단의 전압은 동일한 바이패스 다이오드를 공유하는 다른 직렬의 셀의 순방향 바이어스 전압에 바이패스 다이오드의 전압을 더한 것과 동일하다. 가려지지 않은 태양 전지 양단의 전압은 저전류 셀의 가려진 정도에 좌우된다. 예를 들어, 셀이 완전히 가려지면, 가려지지 않은 태양 전지는 자신들의 단락 회로 전류에 의해 순방향으로 바이어스되지 않을 것이므로 약 0.6V일 것이다. 불량한 셀이 부분적으로만 가리워지면, 양호한 셀로부터의 전류의 일부는 회로를 통하여 흐를 수 있고, 나머지는 각각의 태양 전지 접합부를 순방향으로 바이어스하는데 이용됨으로써, 각각의 셀 양단의 전압을 순방향으로 바이어스하도록 한다. 가려진 셀에서 최대 전력 손실은 약 그룹 내의 모든 셀의 발생 능력과 동일하다. 손실을 발생시키지 않는, 다이오드당 최대 그룹 크기는 실리콘 셀의 경우 약 15셀/바이패스 다이오드이다. 그러므로, 정상적인 36셀 모듈의 경우, 2개의 바이패스 다이오드가 이용되어 "핫-스팟" 손상에 취약하지 않음을 보장한다.

이제 전형적인 태양광 패널 구성 및 부분적인 가림의 응답을 고려한다. 직렬로 연결된 25 모듈 세트는 11.23 A 또는 5,250W에서 467.5V의 공칭 전압(Vmpp)을 형성한다. 각각의 모듈은 각각 38셀(492mV, 3.743A에서 mpp)의 세 스트링으로 구성되고 각 스트링의 상부 중앙과 하부가 연결된 것으로 가정한다. 상부의 중앙 및 하부의 중앙 사이에 바이패스 다이오드가 있다(Vf 410mV). 만일 하나의 셀이 374mA 이상(10%) 강하되는 정도까지 가려지거나 훼손되었다면, 두 후보 동작 포인트는 스트링에 대한 MPPT 스캔에 의해 발견될 것이다:

10.853A 또는 5,075W에서 약 457.5V 또는

11.230A 또는 5,140W에서 약 457.7V

셀이 가려진 모듈의 부분이 단지 10.853A만을 발생시키기 때문에, 모듈의 바이패스 다이오드에는 전류가 흐르게 되어, 바이패스 다이오드의 19개의 바이패스된 셀의 410mA 및 9.350V가 상기 모듈 전압으로부터 공제된다(모듈의 스트링으로부터 총 9.760V의 손실). 바이패스된 19셀 내에서 양호한 셀에 걸친 전압에 가려진 셀 양단의 전압에 더해진 총합은 가려진 셀의 전류에서 410mV(바이패스 다이오드 양단의 전압)와 같아야만 한다(모든 19셀이 직렬이기 때문이다).

상기 솔루션(solution)은 18개의 양호한 셀에 걸쳐 약 8.856V이고 가려진 셀에서 3.369A 또는 31.2W의 전력 소비시에 가려진 셀에 걸쳐 -9.266V이다. 다른 두 세트의 19셀의 경우 이들 또한 바이패스 다이오드의 -410mV로 합산하게 되므로 유사한 상황이 존재하는 것이 주의해야 한다.

바이패스 다이오드는 모듈 스트링 전류에 바이패스된 섹션의 뺀 차를 갖는다. 모듈은 54% 손실에 대해 97.026W를 생성하고 추가 100W를 열로 방산한다. 스트링 모니터링 수단(string monitoring means), 예를 들어 ADC는, 스트링에 대해 공칭 Vmp에서 10V 강하를 기록할 것이다. 조사하기 위해 파견된 기술자는 자신이 18V를 예상할 때 모듈이 9V에서 동작하고 자신이 모듈의 절반에 걸쳐 셰도우(shadow)를 형성할 때 전력의 변화가 없으며, 모듈 내의 일부 셀이 비정상적으로 뜨거웠음을 발견할 것이다(모든 표준 고장 수리 관찰). 기술자는 모듈이 80% 한계점 아래에 있다고 결론을 내릴 수 있고 이는 고장이 났다고 단언할 수 있다. 그러나 공장에서, 이 모듈이 약 8.940V에서 374mA(3.3%)의 전류 단계를 나타내지만, 상기 모듈은 18.7V 및 10.853A 또는 203w에서 공칭 아래의 단지 3.4%만으로 플래시 테스트(flash test)할 것이다.

하나 이상의 셀의 반전의 결과는 상이한 태양 전지 기술에 따라 변한다. 단-결정 유형(mono-crystalline type)의 경우, 지속적인 손상이 존재하지 않지만 효율의 손실이 존재한다. 박막 구성의 셀의 경우, 제공된 셀에서의 전압의 반전은 바로 손상된다. 확인되는 바와 같이, 바이패스 다이오드는 불량 셀에 의한 부분적인 가림 또는 다른 원인에 의해 일어나는 핫 스팟을 감소시키기 위하여 필요하고 효과적인 방법이다. 그러나, 도 2를 참조하면, 스트링(202, 204, 206, 208, 210, 212)은 크기 "X"라 칭하는 특정 크기의 도체의 상호 접속점을 갖는다. 바이패스 다이오드(213, 222)가 전도되면, 이들은 스트링 중 하나의 전류의 3배만큼 많은 전류를 운반할 수 있으므로, 각각의 바이패스 다이오드에 대한 도체는 통상적으로 단일 스트링 도체보다 3배의 크기이다. 이때 바이패스 다이오드 상호 접속점(230, 232)의 크기는 태양광 패널을 구성하기 위해 최소 에어리어에 현저한 에어리어를 추가한다.

필요한 수단은 바이패스 다이오드 및 이들의 태양광 패널의 부수적인 에어리어 증가 없이 핫 스팟을 방지하기 위한 수단이다.

본 발명은 효율을 저하시키는 보호 다이오드를 이용하지 않고 핫 스팟의 조건을 예방한다. 본 발명의 방법은 패널의 동작 조건을 제어하기 위한 장치가 이용되는 것으로 가정하고, 상기 장치는 스트링 양단의 총 전압을 측정하기 위한 수단, 및 패널의 동작 조건을 변경하기 위한 수단을 포함한다. 바이패스 다이오드가 필요하거나 이용되지 않으므로, 종래 기술에 있어서의 전형적인 상호 접속에 요구되는 에어리어를 절약한다. 본 발명에서, 순시 전압은 측정된 동작 온도에 대한 예상 전압과 비교된다. 전압이 예상보다 특정한 양만큼 적은 경우, 패널로부터 요구되는 전력(전류)이 감소함으로써 상기 전압이 예상된 전압의 다이오드 강하보다 적게 되어, 핫 스팟이 방지된다. 불량한 셀의 역방향 바이어스인 핫 스팟이 방지됨으로써, 바이패스 다이오드가 필요하지 않다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의해 바이패스 다이오드 및 이들의 태양광 패널의 부수적인 에어리어 증가 없이 핫 스팟을 방지하는 것이 가능하다.

도 1은, 태양광 패널의 전기 모델를 나타낸 도면.
도 2는, 특히 상호 접속에 필요한 에어리어와 관련되는 전형적인 태양광 패널의 예시의 물리적 배치를 도시한 도면.
도 3은, 태양광 패널의 출력을 태양광 패널의 온도와 관련시킨 그래프.

일부 용어의 정의:

그리드(Grid)	외부 소스, 전형적으로 전력 공급 회사에 의해 구내로 제공되는 AC 전력
PV	광전지 패널(Photovoltaic panel); 통상적으로 이용되는 "태양광 패널"에 대한 다른 용어
cps	"cycles per second"에 대한 축약어: AC 전력 공급원의 주파수
AC	"교류(alternating current)"에 대한 축약어: 비록 또한 제공되는 전압의 극성이 교호하는 점에서 이를 "교류 전압(alternating voltage)"으로 간주할 수 있다.
DC	"직류(direct current)"에 대한 축약어: 항상 소정의 극성으로 제공되는 전력. 전원의 전압은 고정될 수 있거나 고정되지 않을 수 있다.
FET	전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor)
PAM	펄스 진폭 변조(Pulse Amplitude Modulation). 메시지 정보가 일련의 신호 펄스의 진폭으로 인코딩되는 신호 변조 형태
PCM	펄스 코드 변조(Pulse Code Modulation). 신호의 크기가 일정한 간격으로 정기적으로 샘플링되는 아날로그 신호의 디지털 표현으로, 디지털(통상적으로 이진) 코드에서 일련의 심볼로 양자화된다.
MPPT	최대 전력 포인트(Maximum Power Point): 전원이 자체의 최대 전력 출력 조건에서 동작하는 상태. 태양광 패널에서, 디바이스를 제어하는 것은 흔히 다른 동작 조건을 시도하여 순시 조건에 대한 최대 전력 포인트를 결정할 수 있다.
어레이 컨버터(Array Converter)	태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 전자 모듈로서, 미국 특허 출원 일련번호 12/061,025에 더 상세하게 개시되어 있다.

본 발명에 따르면, 태양광 패널은 전자 모듈에 의해 제어되고, 상기 모듈은 패널 셀의 온도를 측정하기 위한, 그리고 패널에 의해 제공되는 전력(전류)을 제어하기 위한 수단을 포함한다. 태양광 패널은 양호한 동작 조건 하에서 사양에 의해, 또는 시간의 경과에 따라 성능 데이터를 축적함으로써 도출되는 경험에 의해 결정되는 바에 따른 특정 출력 전압을 제공할 것으로 예상될 수 있다. 이용 가능한 전류는 패널 상에 입사하는 태양광의 강도의 함수이고, 전압은 셀의 온도의 함수이므로, 셀에 대해서 그 밖의 다른 것들은 정상 상태로 가정한다. 상술한 바와 같이, 손상, 열화, 오염, 또는 패널의 단순한 부분적인 가림으로 인한 불량한 셀은 다른, 영향을 받지 않은 셀과 동일한 전력을 제공하지 않을 것이다. 스트링 내의 모든 셀이 전기적으로 직렬 상태이므로, 전류는 동일해야만 한다. 그러므로, 불량 셀이 순시 전력 용량에 대하여 조정할 수 있는 유일한 방식은 상기 셀에 대하여 전압을 낮추는 것에 의한다. 명백하게도, 이때, 스트링 내의 셀이 일부 전압을 상실하면, 전체 스트링 또한 마찬가지이다.

전자 모듈은 전형적으로 패널을 주기적으로, 예를 들어, 시간당 한번 테스트하여 최대 전력 포인트(MPPT) 동작 조건을 결정한다. 이는 패널로부터 요구되는 전류를 변경하고, 패널 양단의 전압을 측정하고, 그 후에 상기 조건에 대한 전류를 전압에 전류를 곱한 적(product)으로 결정함으로써 달성된다. 특정 범위에 걸쳐 전류가 변함으로써, 피크 전력 포인트(peak power point)를 찾을 수 있다. 종래 기술에서, 그와 같은 MPPT 테스팅은 선택된 조건이 스트링 내의 불량 셀을 순방향 바이어스 상태로 구동할 수 있는지의 여부와는 관계없이 행해짐으로써, 바이패스 다이오드가 상술한 바와 같이 순방향으로 바이어스되도록 한다. 본 발명에 따르면, 전자 모듈은 우선 태양광 패널 셀의 온도를 결정하고, 인지된 온도에 대한 예상 패널 전압을 결정하고, 전류로 하여금 전압이 예상 전압 아래의 미리 결정된 양보다 더 크게 강하하지 않도록 한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서 MPP 미만의 허용되는 최대값은,

R_TMPP - 허용 오차 - 열화(온도)

상기 식에서, R_TMPP는 실온에 대한 최대 전력 포인트 상태이고, "허용 오차(tolerance)"는 태양광 패널 제조업자에 의해 제공되는 값이고, 열화(온도)는 온도가 증가함으로써 발생하는 다이오드 전압 강하, 예를 들어, 실리콘 태양 전지에 대해 -2.1mV/℃이다. 물론 이 값은 다른 태양 전지 화학물질에 대하여 상이할 것이다.

상기 결과에 따르면, 실제로 바이패스 다이오드가 존재했던 경우, 바이패스 다이오드는 결코 순방향으로 바이어스되지 않을 것이므로, 상기 다이오드가 필요하지 않으며 본 발명에 따라 전자 모듈용으로 설계된 태양광 패널은 바이패스 다이오드 없이 제조됨으로써, 바이패스 다이오드의 상호 접속에 요구되는 에어리어가 절약된다.

25 모듈의 세트가 병렬로 접속되어 총 5,250W의 어레이를 형성하는 예를 고려하자. 각각의 패널은 패널에 접속된 개별 전자 모듈, 예를 들어, '025 출원에 개시된 어레이 변환기에 의해 제어되고, 여기서 전자 모듈은 스트링 양단의 전압을 측정하고 자체의 패널로부터 요구되는 전류를 제어하기 위한 수단을 포함한다. 각각의 모듈은 114셀의 하나의 스트링으로 구성되는 것을 가정하자(mpp @ 492mV, 3.743A). 하나의 셀의 전류가 374mA만큼(10%) 강하될 정도로 상기 셀이 가려지거나 오염되었다면, 상기 모듈에 대한 전력은 단지 10%만큼 감소할 것이다. 어레이 변환기는 단지 약 56.088V * 3.369 또는 189w의(10% 손실) MPP 솔루션만이 허용될 것이다. 이는 측정된 온도에서 공칭 Vmp의 90%(프로그램 가능 한계)보다 작은 임의의 솔루션이 MPPT 솔루션으로 허용되지 않을 것이기 때문이다. 이는 심지어 MPPT 탐색 중에도 5.6V(바이패스 다이오드 방법의 절반의 양)를 초과하는 만큼 셀을 반전시키지 않는 것을 보장한다.

다른 24 어레이 변환기 모듈은 영향을 미치지 않은 채로 유지될 것이므로, 총 전력은 스트링 인버터의 경우에 대비하여 5,228w 대 5,140w이다. 가려진 단일 셀(single shaded cell)을 갖는 단일 모듈은 어떠한 추가 전력도 방산하지 않는다.

Claims (8)

1. 전자 모듈에 의해 태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 방법에 있어서,
   상기 태양광 패널의 온도를 결정하는 단계와,
   상기 태양광 패널의 예상 출력 전압을 온도의 함수로 결정하는 단계와,
   상기 태양광 패널의 현재 출력 전압을 결정하는 단계와,
   상기 현재 출력 전압을 상기 예상 출력 전압과 비교하는 단계와,
   상기 태양광 패널로부터 도출된 전류의 값에 의해 상기 출력 전압의 순시 값이 상기 예상 출력 전압 아래의 미리 결정된 양보다 더 크게 떨어지지 않도록 상기 태양광 패널을 제어하는 단계를
   포함하는, 태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 예상 출력 전압은 상기 태양광 패널의 사양으로부터 결정되는, 태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 예상 출력 전압은 특성 데이터(characteristic data)로부터 결정되는, 태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 예상 출력 전압은 날씨 데이터에 따라 결정되는, 태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 예상 출력 전압은 시간에 따른 이동 평균(rolling average)을 계산하여 결정되는, 태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 예상 출력 전압은 소정의 태양광 패널의 출력 전압을 공통 시스템의 다른 태양광 패널의 출력 전압과 비교하여 결정되는, 태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 미리 결정된 양은 상기 태양광 패널의 제조업자에 의해 결정되는, 태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 미리 결정된 양은 허용 오차 값(tolerance value)을 공제하고 상기 태양광 패널 특유의 온도 정정 인자를 공제하여 최대 전력 포인트 전압 상태를 조정함으로써 결정되는, 태양광 패널의 동작을 제어하기 위한 방법.

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