KR20130011689A - 태양광 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 전면기판, 후면기판 및 상기 전면기판과 상기 후면기판 사이의 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈, 후면기판상에 위치하고 태양전지 모듈에서 생성한 직류전원의 역류를 방지하는 정션 박스, 후면기판상에 위치하고 정션박스를 통해 공급되는 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터부, 및 전력이 유입되는 전력망에 접속하여 교류전원을 전력망에 공급하는 접속부를 포함한다. 이에 의해, 태양전지 모듈에서 발생한 전력을 가내로 유입되는 전력망에 용이하게 공급할 수 있다.

Description

태양광 모듈{Photovoltaic module}
본 발명은 태양광 모듈에 관한 것으로, 가내로 유입되는 전력망과의 단순한 연결에 의해 태양전지 모듈에서 발생한 전력을 전력망에 공급할 수 있는 태양광 모듈에 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 변화시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
본 발명의 목적은, 태양전지 모듈에서 발생한 전력을 가내로 유입되는 전력망에 용이하게 공급할 수 있는 태양광 모듈을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 전면기판, 후면기판 및 상기 전면기판과 상기 후면기판 사이의 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈, 후면기판상에 위치하고 태양전지 모듈에서 생성한 직류전원의 역류를 방지하는 정션 박스, 후면기판상에 위치하고 정션박스를 통해 공급되는 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터부, 및 전력이 유입되는 전력망에 접속하여 교류전원을 전력망에 공급하는 접속부를 포함한다.
또한, 인버터부는 직류전원을 교류전원으로 변환하는 마이크로인버터와, 마이크로인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 제어부는 교류전원이 전력망에 유입되는 외부 전력과 정합하도록 마이크로인버터의 동작을 제어한다.
또한, 인버터부는, 마이크로인버터의 출력 전류를 감지하는 출력 전류 감지부 및 마이크로인버터의 출력 전압을 감지하는 출력 전압 감지부를 포함하고, 제어부는, 출력 전류와 출력 전압에 기초하여, 마이크로 인버터의 동작을 제어한다.
또한, 인버터부는 컨버터부를 더 포함할 수 있다.
또한, 정션 박스는 바이패스 다이오드부와 커패시터부를 구비하며, 인버터부와 연결되어 직류 전원을 공급한다.
또한, 태양전지 모듈과 체결하는 프레임을 포함하고, 프레임은, 상부 결합부, 하부 결합부 및 이들을 연결하는 연결 결합부를 포함하는 암형 결합부와, 연결 결합부로부터 연장된 단면이 L자 형상의 다리부를 구비하고, 태양전지 모듈의 주변 가장자리부가 암형 결합부에 결합되는 것에 의해 태양전지 모듈을 지지한다.
또한, 프레임은, 인버터부를 커버하도록 다리부의 일부가 연장된 커버부를 포함할 수 있다.
또한, 커버부와 인버터부 사이의 열전도층을 포함할 수 있다.
또한, 인버터부와 후면기판 사이의 단열층을 포함할 수 있다.
또한, 커버부의 외측일면에는 방열핀이 형성될 수 있다.
또한, 인버터부 또는 접속부는 제1 통신모듈을 포함하고, 태양광 모듈은, 제1 통신모듈과 통신할 수 있는 제2 통신모듈을 구비한 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
또한, 모니터링부는 외부 전력을 감지하며, 제2 통신모듈은 감지된 외부 전력을 상기 제1 통신 모듈로 송신하고, 제어부는, 제1 통신 모듈에서 수신한 외부 전력에 근거하여 마이크로인버터의 동작을 제어한다.
또한, 모니터링부는 스크린을 포함하고, 스크린은 감지된 외부 전력을 표시할 수 있다.
또한, 제1 통신모듈은 태양광 모듈에서 발생한 전력량을 제2 통신모듈로 송신하며, 스크린은 제2 통신모듈이 수신한 전력량을 표시할 수 있다.
또한, 모니터링부는 접속부와 이격된 위치에서 전력망에 접속할 수 있다.
또한, 제1 통신모듈과 제2 통신모듈간의 통신은 근거리 통신 또는 전력선통신에 의할 수 있다.
또한, 접속부와 모니터링부는 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 모듈이 마이크로 인버터와 접속부를 구비함으로써, 가내로 유입되는 전력망과의 단순한 연결에 의해 태양전지 모듈에서 발생하는 전력을 공급하여, 가내로 유입되는 전력의 소모를 줄일 수 있다.
또한, 태양전지 모듈을 지지하는 프레임이 인버터부를 커버하는 커버부를 포함함으로써, 인버터부에서 발생하는 열을 효과적으로 발산할 수 있다.
또한, 스크린을 구비하는 모니터링부를 포함하여, 태양광 모듈에서 발생하는 전력량을 실시간으로 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도이다.
도 3은 도 2의 태양광 모듈의 배면도이다.
도 4는 도 2의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 B-B' 단면을 도시한 도이다.
도 6은 도 2의 태양광 모듈의 바이패스 다이오드 구성의 일 예이다.
도 7은 도 1의 A의 내부 회로도의 일 예이다.
도 8은 도 2의 태양전지 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시한다.
도 9는 도 2의 태양전지 모듈의 전압 대비 전력 곡선을 예시한다.
도 10는 도 1의 태양전지 모듈의 정션박스, 인버터부 및 접속부 간의 접속 방법을 도시한 도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈의 구성도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 도면에서, 각 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니며, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용하기로 한다.
또한, 각 구성요소의 설명에 있어서, "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한, 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 일 실시예에 따른 태양광 모듈의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈(100)은, 태양전지 모듈(50), 정션 박스(170), 인버터부(200) 그리고 전력망(190)과 접속할 수 있는 접속부(180)를 포함할 수 있다. 인버터부(200)는 마이크로인버터(250)와 제어부(260)를 포함할 수 있다.
먼저, 태양전지 모듈(50)은 태양광으로부터 직류 전원을 생성한다. 태양전지 모듈(50)에 관하여서는 도 2 내지 도 5에서 자세히 후술하기로 한다.
정션 박스(170)는, 태양전지 모듈(50)의 배면 상에 부착되며, 태양전지 스트링들 간의 전류가 역류하는 것을 방지하고, 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)를 포함할 수 있다. 이에 대하여서는 도 6에서 자세히 후술하기로 한다.
인버터부(200)는 태양전지 모듈(50)에서 생산한 직류 전원을 교류 전원으로 변환할 수 있도록, 마이크로인버터(250)와 제어부(260)를 포함할 수 있다.
마이크로인버터(250)는 태양전지 모듈(50)에서 생산한 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다. 이를 위해, 마이크로인버터(250)는 복수의 스위칭 소자를 구비한다. 또한, 제어부(260)는 마이크로인버터(250)의 동작을 제어한다.
접속부(180)는 외부의 전력이 가내로 유입되는 전력망(190)과 접속하여, 마이크로인버터(250)에서 변환한 교류 전원을 전력망(190)에 공급한다. 접속부(180)는 콘센트 타입 또는 플러그 타입이거나, 또는 두 개의 혼합 형태를 가질 수 있다.
일 예로, 가내로 유입되는 전력망(190)은 한국전력에서 공급하는 전력이 제공되는 가내의 전기 배선망일 수 있으며, 이 전력망(190)에는 R1, R2, R3 등과 같은 각종 ac 전원 기기들이 가내에 존재하는 다수의 콘센트에 의해 병렬로 연결될 수 있다.
접속부(180)는 전력망(190)과 연결된 다수의 콘센트 중 임의의 어느 하나에 접속하여, 전력망(190)과 연결될 수 있다. 이에 의해, 새로운 전력원으로 작용하는 태양광 모듈(100) 역시 병렬로 연결된다. 따라서, ac 전원 기기에서 소모하는 전력의 일부를 태양광 모듈(100)에서 공급하게 되므로, 가내로 유입되는 외부 전력의 소모를 줄일 수 있다.
한편, 전력망(190)에 공급되는 외부의 전력과 마이크로인버터(250)에서 변환하여 공급하는 교류 전원은 모두 위상이 시간에 따라 변하는 교류 전원이므로, 이 두 개의 전원이 정합하여야, 두 개의 교류 전원 간의 중첩에 의해 파형이 손상되지 않는다.
특히, 두 개의 교류 전원의 주파수와 위상이 동일하여야, 두 개의 교류 전원의 중첩에 의한 진폭의 감쇄, 파형의 왜곡 등을 방지할 수 있다. 또한, 마이크로인버터(250)에서 변환하여 공급하는 교류 전원의 진폭과, 전력망(190)에 공급되는 외부 전원의 진폭이 동일할 때, 마이크로인버터(250)에서 변환하여 공급하는 교류 전원이 효과적으로 전력망(190)에 전달될 수 있다.
한편, 전력망(190)에 공급되는 외부 전원이, 예를 들어 220V와 60Hz를 가지는 교류 전원이라고 할 때, 이 외부 전원이 가지는 전압과 주파수는 항상 동일하게 유지되지 않으며, 약간의 오차를 가지고 가변적으로 공급된다.
이러한 외부 전력은 접속부(180) 또는 도 11에서 후술하는 모니터링부(도 11의 410)에서 감지되고, 제어부(260)는 이를 기초로 전력망(190)에 공급되는 외부의 전력과 마이크로인버터(250)에서 변환하여 공급하는 교류 전원이 정합하도록, 마이크로인버터(250)의 동작을 제어한다.
즉, 출력 전류 감지부(도 7의 E)에서 감지되는 마이크로인버터(250)의 출력 전류와 출력 전압 감지부(도 7의 F)에서 감지되는 마이크로인버터(250)의 출력 전압이, 접속부(180) 또는 도 11에서 후술하는 모니터링부(도 11의 410)에서 감지한 외부 전원과 정합할 수 있도록 마이크로인버터(250)의 동작을 제어한다.
예를 들어, 전력망(190)으로 유입되는 외부 전원의 전압이 순간적으로 증가한 경우, 제어부(260)는 마이크로 인버터(250) 내의 스위칭 소자의 턴 온 듀티(duty)를 증가시켜, 순간적으로 마이크로 인버터(250)의 출력 전류와 출력 전압의 레벨이 상승하도록, 마이크로 인버터(250)의 동작을 제어할 수 있다.
한편, 정션박스(170), 인버터부(200) 및 접속부(180)는 케이블(210)에 의해 용이하게 접속이 될 수 있다. 이러한 케이블(210)에 대하여서는 도 10을 참조하여 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도, 도 3는 도 2의 태양광 모듈의 배면도, 도 4는 도 2의 태양전지 모듈의 분해 사시도, 그리고, 도 5는 도 3의 B-B' 단면을 도시한 도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(100)은, 태양전지 모듈(50), 태양전지 모듈(50)의 주변 가장자리부와 결합되어 태양전지 모듈(50)을 지지하는 프레임(300) 및 태양전지 모듈(50)의 일면에 위치하는 정션박스(170)와 인버터부(200)를 포함할 수 있다.
먼저, 태양전지 모듈(50)은, 복수의 태양 전지(130)를 포함할 수 있다. 그 외, 복수의 태양전지(130)의 상면과 하면에 위치하는 제1 밀봉재(120)와 제2 밀봉재(150), 제1 밀봉재(120)의 상면에 위치하는 전면 기판(110) 및 제2 밀봉재(150)의 상면에 위치하는 후면 기판(160)을 더 포함할 수 있다.
태양전지(130)는 태양 에너지를 전기 에너지로 변화하는 반도체 소자로써, 태양광이 입사하는 수광면과 수광면의 반대측인 이면으로 형성될 수 있다.
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 있는 실리콘 태양전지(silicon solar cell)일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 태양전지(130)는 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell) 등일 수 있다.
이러한 복수의 태양전지(130)는 리본(133)에 의해 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결되어 스트링(140)을 이룬다. 구체적으로, 리본(133)은 태양전지(130)의 수광면 상에 형성된 전면 전극과, 인접한 다른 태양전지(130)의 이면 상에 형성된 후면 전극을 태빙공정에 의해 연결할 수 있다. 태빙공정은 태양전지(130)의 일면에 플럭스(flux)를 도포하고, 플럭스(flux)가 도포된 태양전지(130)에 리본(133)을 위치시킨 다음, 소성 과정을 거쳐 행할 수 있다.
또는, 태양전지(130)의 일면과 리본(133) 사이에 전도성 필름(미도시)을 부착시킨 다음, 열 압착에 의해 복수의 태양전지(130)를 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 전도성 필름(미도시)은 도전성이 우수한 금, 은, 니켈, 구리 등으로 형성된 도전성 입자가 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 폴리카보네이트 수지 등으로 형성된 필름 내에 분산된 것으로, 열압착에 의해 도전성 입자가 필름의 외부로 드러나게 되고, 드러난 도전성 입자에 의해 태양전지(130)와 리본(133)은 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이 전도성 필름(미도시)에 의해 복수의 태양전지(130)를 연결하여 모듈화하는 경우는, 공정온도가 낮아져 스트링(140)의 휘어짐이 방지될 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. 그러나 도면과 달리, 다양한 변형이 가능하다.
또한, 각 태양전지 스트링은, 버스 리본에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 도 2는, 태양전지 모듈(50)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 2는, 태양전지 모듈(50)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.
제1 밀봉재(120)는 태양전지(130)의 수광면에 위치하고, 제2 밀봉재(140)는 태양전지(130)의 이면에 위치할 수 있으며, 제1 밀봉재(120)와 제2 밀봉재(140)는 라미네이션에 의해 접착하여, 태양전지(130)에 악영향을 미칠 수 있는 수분이나 산소 등을 차단한다. 이러한 제1 밀봉재(120)와 제2 밀봉재(140)는 에틸렌초산비닐 공중합체 수지(EVA), 폴리비닐부티랄, 에틸렌초산비닐 부분 산화물, 규소 수지, 에스테르계 수지, 올레핀계 수지 등이 사용될 수 있다.
전면 기판(110)은 제1 밀봉재(120) 상에 위치하며, 외부의 충격 등으로부터 태양전지(130)를 보호하고 태양광을 투과하도록 하기 위해 강화유리로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 태양광의 반사를 방지하고 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 들어간 저철분 강화유리인 것이 더욱 바람직하다.
후면 기판(160)은 태양전지(130)의 이면에서 태양전지를 보호하는 층으로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 하며, TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 후면 기판(160)은 전면 기판(110) 측으로부터 입사된 태양광을 반사하여 재이용될 수 있도록 반사율이 우수한 재질인 것이 바람직하나, 태양광이 입사될 수 있는 투명 재질로 형성되어 양면 태양전지 모듈을 구현할 수도 있다.
프레임(300)은, 이러한 태양전지 모듈(50)의 주변 가장자리부와 결합 되어 태양전지 모듈(50)을 지지한다.
도 4를 참조하면, 프레임(300)은 상부 결합부(312), 하부 결합부(314) 및 이들을 연결하는 연결 결합부(316)를 포함하는 암형 결합부(310)를 구비하고, 연결 결합부(316)로부터 연장된 단면이 L자 형상의 다리부(320)를 포함한다. 암형 결합부(310)는 장방형의 공간을 형성하고, 이에 태양전지 모듈(50)이 결합함으로서, 프레임(300)은 태양전지 모듈(50)을 지지한다.
한편, 도면에 도시하지는 않았으나, 암형 결합부(310)와 태양전지 모듈(50) 사이에는 실리콘 등이 도포 되어, 외부 충격을 흡수하고, 결합력을 향상시키며, 외부 이물질의 침투를 방지할 수 있다.
정션박스(170)는, 태양전지 모듈(50)의 후면 기판(160)상에 위치할 수 있으며, 태양전지 모듈(50)에서 발생한 직류 전원이 역류하지 않도록 바이패스 다이오드 등을 포함할 수 있다. 따라서, 상술한 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)은 정션 박스(170) 내의 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc,Dd)와 접속된다.
도면에서는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이 태양전지 모듈(50) 상에 형성된 개구부를 통해 태양전지 모듈(50)의 배면으로 연장되는 것을 예시한다. 이때, 정션 박스(170)는 태양전지 모듈(50)의 양단부 중 도전성 라인이 연장되는 단부에 더 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.
도 2 및 도 3에서는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양전지 모듈(50)의 상부에서 태양전지 모듈(50)의 배면으로 연장되므로, 정션 박스(170)가 태양전지 모듈(50)의 배면 중 상부에 위치하는 것을 예시한다. 이에 의해, 도전성 라인의 길이를 줄일 수 있어, 전력 손실이 줄어들 수 있게 된다.
도 2 및 도 3과 달리, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양전지 모듈(50)의 하부에서 태양전지 모듈(50)의 배면으로 연장되는 경우, 정션 박스(170)가 태양전지 모듈(50)의 배면 중 하부에 위치할 수도 있다.
이러한 정션 박스(170)는 인버터부(200)와 케이블(210)에 의해 연결되어, 인버터부(200)로 직류전원을 공급한다.
인버터부(200)는, 태양전지 모듈(50)의 후면 기판(160) 상에서, 정션 박스(170)에 근접하게 위치할 수 있고, 마이크로인버터(250) 등을 포함하여 정션 박스(170)를 통해 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다.
또한, 인버터부(200)는 체결홀을 포함하고, 이 체결홀에 나사 등의 체결장치(360)가 결합함으로써, 후면 기판(160) 상에 고정될 수 있다. 체결홀은 인버터부(200)의 상면에 형성될 수도 있으나, 도면과 달리, 측면에 형성되어 후면 기판(160)에 고정될 수도 있다. 그러나, 인버터부(200)가 후면 기판(160) 상에 고정되기 위한 구성은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 체결구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 후면 기판(160) 상에는 가이드 홈(미도시)이 형성되어, 인버터부(200)가 후면 기판(160)과 슬라이딩 체결될 수도 있다.
한편, 인버터부(200)의 동작시에는 마이크로인버터(250) 등으로부터 고열이 발생하는데, 발생된 열은 인버터부(200)가 부착된 위치에 배열된 특정의 태양전지(130)의 효율을 감소시킬 수 있다.
이를 방지하기 위해, 프레임(300)은 인버터부(200)를 커버하도록 다리부(320)의 일부가 연장된 커버부(350)를 포함할 수 있다. 커버부(350)는 열전도도가 우수한 재질 즉, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 등의 금속재질로 형성될 수 있고, 다리부(320)와 일체로 형성되거나, 따로 제조된 후, 다리부(320)와 체결될 수도 있다.
이와 같이, 열 전도도가 우수한 재질로 형성된 커버부(350)가 인버터부(200)의 상면에 접촉하면, 인버터부(200)에서 발생한 열이 커버부(350)를 통해 외부로 발산되어, 인버터부(200)가 위치한 특정의 태양전지(130)의 효율이 감소되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 커버부(350)는 인버터부(200)의 면적보다 큰 것이 바람직하고, 이때, 인버터부(200)는 효과적인 열 전달을 위해 커버부(350)의 중앙에 위치할 수 있다.
도 5는 도 3의 B-B' 단면을 도시한 도로, 도 5의 (a)를 참조하면, 인버터부(200)와 커버부(350) 사이에는 열전도층(230)이 위치할 수 있다. 열전도층(230)은 열전도도가 우수한 재질로 형성된 tape 또는 paste 등을 도포하여 형성할 수 있는데, 이와 같이 열전도층(230)이 형성되면, 인버터부(200)와 커버부(350) 사이의 공간이 제거되어, 더욱 효과적인 열 전달이 이루어질 수 있다.
또한, 인버터부(200)와 태양전지 모듈(50) 사이에는 단열층(220)이 형성될 수 있다. 따라서, 인버터부(200)에서 발생한 열에 의해 인버터부(200)가 위치한 특정의 태양전지(130)의 효율이 감소되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 단열층(220)은 하부 결합부(314)의 높이와 동일한 높이를 가질 수 있다. 따라서, 인버터부(200)는 일부가 하부 결합부(314) 상에서, 프레임(300)에 밀착되도록 위치하여, 외부 이물질 등의 침투를 방지할 수 있다.
도 5의 (b)는, 커버부(350)의 외측일면에는 방열핀(355)이 형성될 수 있음을 도시한다. 이와 같이 커버부(350)의 외측일면에 방열핀(355)이 형성되면, 외부 공기와 접하는 커버부(350)의 면적이 증가하여 냉각효율이 더욱 향상된다.
한편, 도 4는 커버부(350)와 인버터부(200)가 서로 대응하는 체결홀을 가지고, 이 체결홀에 나사 등의 체결장치(360)가 결합됨으로써, 서로 체결되는 것을 도시하나, 이에 한정하는 것은 아니다.
한편, 정션 박스(170) 역시, 동작시에는 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc,Dd) 등으로부터 고열이 발생한다. 따라서 도면에 도시하지는 않았으나, 커버부(350)는 정션 박스(170)를 커버하도록 형성될 수도 있으며, 상술한 열전도층(230)과 단열층(220)이 더 구비될 수 있다.
또한, 정션 박스(170)와 인버터부(200)는 내부의 회로소자를 보호하기 위해 내부는 수분 침투 방지용 코팅이 수행될 수도 있다.
도 6는 도 2의 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(170)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 6과 달리, 6개의 태양전지 스트링에 대응하여, 6개의 바이패스 다이오드를 접속시키는 것도 가능하며, 그 외 다양한 변형이 가능하다.
도 7은 도 1의 A의 내부 회로도의 일 예이다.
도 7은 정션박스(170)와 인버터부(200)의 내부 회로도를 도시한 도로, 도 7을 참조하면, 정션 박스(170)는 바이패스 다이오드부(270), 커패시터부(280)를 포함할 수 있다. 인버터부(200)는 마이크로인버터(250) 및 제어부(260)를 포함할 수 있다. 또한, 인버터부(200)는 커패시터부(280)와 마이크로인버터(250) 사이의 컨버터부(290)를 더 포함할 수 있다.
바이패스 다이오드부(270)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(280)는, 태양전지 모듈(50)에서 공급되는 직류 전원을 저장한다. 도면에서는, 3개의 커패시터(Ca,Cb,Cc)가 병렬 접속되는 것을 예시하나, 직렬 접속되거나, 직병렬 혼합 접속되는 것도 가능하다.
한편, 정션박스(170)는 제어부(미도시)를 포함하여, 최대 전력 결정 알고리즘(MPPT)을 통한 파워 옵티마이징 제어를 수행할 수 있다. 이에 대해서는 도 8 및 도 9를 참조하여 후술한다.
마이크로인버터(250)는, 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.
한편, 본 발명에 따른 태양광 모듈(100)은 전력망(도 1의 190)에 병렬로 연결되어 전력을 공급하므로, 전력망(도 1의 190)에 공급되는 외부의 전력과 마이크로인버터(250)에서 변환하여 공급하는 교류 전원은, 교류 전원 간의 중첩에 의해 파형이 손상되지 않도록 정합하여야 한다.
따라서, 제어부(260)는 마이크로 인버터(250)의 출력 전류 감지부(E)에서 감지되는 출력 전류(ic3)와 출력 전압 감지부(F)에서 감지되는 출력 전압(Vc3)이 외부 전원과 정합할 수 있도록 마이크로인버터(250)의 동작을 제어한다. 즉, 마이크로인버터(250) 내의 스위칭 소자들은, 제어부(260)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여, 턴 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 교류 전원이 출력되게 된다.
예를 들어, 전력망(도 1의 190)으로 유입되는 외부 전원의 전압이 순간적으로 증가한 경우, 제어부(260)는 마이크로 인버터(250) 내의 스위칭 소자의 턴 온 듀티(duty)를 증가시켜, 순간적으로 마이크로 인버터(250)의 출력 전류와 출력 전압의 레벨이 상승하도록, 마이크로 인버터(250)의 동작을 제어할 수 있다.
한편, 인버터부(200)는 커패시터부(280)와 마이크로인버터(250) 사이의 컨버터부(290)를 더 포함할 수 있는데, 컨버터부(290)는 커패시터부(280)에 저장된 직류 전원을 이용하여 레벨 변환을 수행한다.
도면에서는, 스위칭 소자(S1)의 턴 온 타이밍 및 변압기(T)의 권선비를 이용한, 플라이 백 컨버터(flyback converter)를 예시한다. 이에 의해, 직류전원의 레벨의 승압되어 마이크로인버터(250)로 공급될 수 있다.
한편, 입력 전류 감지부(A)는, 컨버터부(290)로 공급되는 전류(ic1)을 감지하며, 입력 전압 감지부(B)는, 컨버터부(290)로 입력되는 전압(vc1)을 감지한다. 감지된 전류(ic1)와 전압(vc1)은, 제어부(260)에 입력된다.
또한, 출력 전류 감지부(C)는, 컨버터부(290)에서 출력되는 전류(ic2)을 감지하며, 출력 전압 감지부(D)는, 컨버터부(290)에서 출력되는 전압(vc2)을 감지한다. 감지된 전류(ic2)와 전압(vc2)은, 제어부(260)에 입력된다.
이때, 제어부(260)는 감지된 직류전류(ic1, ic2)와 직류전압(vc1, vc2)이 마이크로인버터(250)에서 출력할 레벨로 변환될 수 있는지를 판단하여 컨버터부(290)의 동작을 제어한다.
도 8은 도 2의 태양전지 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시하며, 도 9는 도 2의 태양전지 모듈의 전압 대비 전력 곡선을 예시한다.
먼저, 도 8을 참조하면, 태양전지 모듈(50)에서 공급되는 개방 전압(Voc)이 커질수록, 태양전지 모듈(50)에서 공급되는 단락(short) 전류는 작아지게 된다. 이러한 전압 전류 곡선(L)에 따라, 정션 박스(170) 내에 구비되는 커패시터부(280)에, 해당 전압(Voc)이 저장되게 된다.
한편, 도 9를 참조하면, 태양전지 모듈(50)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. 따라서, 파워 옵티마이징 제어를 수행할 수 있다.
도 10은 도 1의 태양전지 모듈의 정션박스, 인버터부 및 접속부 간의 접속 방법을 도시한 도이다.
정션박스(170), 인버터부(200) 및 접속부(180)는 케이블(210)에 의해 연결될 수 있다. 케이블(210)은 도 10에, 도시된 바와 같이, 일단에는 체결홈(212)이 형성되고, 이와 연결되는 케이블(210)의 타단에는 접속단자(214)가 형성되어, 체결홈(212)과 접속단자(214)가 손쉽게 탈, 부착이 가능해지고, 이에 의해 정션박스(170), 인버터부(200) 및 접속부(180)는 용이하게 연결될 수 있다.
따라서, 정션박스(170), 인버터부(200) 또는 접속부(180)에 이상이 발생한 경우, 이상이 발생한 정션박스(170), 인버터부(200) 또는 접속부(180)만을 용이하게 교체할 수 있으며, 태양광 모듈(100)의 설치가 간편해질 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈의 구성도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈(400)은, 태양전지 모듈(50), 정션박스(170), 마이크로인버터(250)와 제어부(260)를 구비하는 인버터부(200) 그리고, 전력망(190)과 접속할 수 있는 접속부(180)를 포함할 수 있다. 또한, 접속부(180)와 이격된 지점에서 전력망(190)과 접속하는 모니터링부(410)를 더 포함할 수 있다.
접속부(180)는 전력망(190)과 연결되고, 이에 의해, 새로운 전력원으로 작용하는 태양광 모듈(100)은 전력망(190)에 전력을 공급하는 외부 전원과 병렬로 연결된다. 따라서, ac 전원 기기에서 소모하는 전력의 일부를 태양광 모듈(100)에서 공급하게 되므로, 가내로 유입되는 외부 전력의 소모를 줄일 수 있다.
또한, 접속부(180) 또는 인버터부(200)는 모니터링부(410)와 통신할 수 있도록 제1 통신모듈(미도시)을 포함할 수 있다. 제1 통신모듈(미도시)은 출력 전류 감지부(도 7의 E) 및 출력 전압 감지부(도 7의 F)에서 감지한 출력 전류(ic3)와 출력 전압(Vc3)에 기초하여 태양광 모듈(400)이 발생한 전력을 모니터링부(410)로 송신한다.
모니터링부(410)은 제2 통신모듈과 스크린을 포함한다. 따라서, 모니터링부(410)는 접속부(180) 또는 인버터부(200) 내에 위치한 제1 통신모듈이 송신한 태양광 모듈(100)에서 발생한 전력량을 수신하여 스크린에 표시한다. 또한, 모니터링부(410)는 전력망(190)으로 유입되는 외부전력을 감지하여 이를 스크린에 표시하며, 이는 접속부(180) 또는 인버터부(200) 내의 제1 통신모듈(미도시)로 송신된다.
모니터링부(410)의 제2 통신모듈과 접속부(180) 또는 정션 박스(170) 내에 위치한 제1 통신모듈간의 통신은 Wi-Fi 등의 근거리 통신, 전력선 통신 등에 의할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
한편, 접속부(180) 또는 정션 박스(170) 내의 제1 통신모듈에서 수신한 외부전력에 관한 정보를 기초로, 제어부(260)는 마이크로인버터(250)에서 변환하여 공급하는 교류 전원이 전력망(190)에 공급되는 외부의 전력과 정합하도록, 마이크로 인버터(250)의 동작을 제어한다.
이와 같이, 접속부(180)와 이격된 지점에서 전력망(190)과 접속하는 모니터링부(410)를 포함하는 경우는, 스크린에 전력량을 표시할 수 있어 실시간으로 이의 확인이 가능하다.
한편, 도면과는 달리, 모니터링부(410)가 전력망(190)과 접속된 접속부(180)와 일체로 형성될 수도 있음은 물론이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 시스템의 구성도이다.
도 12를 참조하면, 태양광 시스템은, 제1 태양광 모듈(100)과 제2 태양광 모듈(100')이 병렬로 연결된 것을 도시하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 세 개 이상의 태양광 모듈이 병렬로 연결될 수도 있다.
도면을 참조하면, 제1 태양광 모듈(100)은 제1 정션박스(170)와 제1 인버터부(200)를 포함하고, 제2 태양광 모듈(100')은 제2 정션박스(170')와 제2 인버터부(200')를 포함한다. 이때, 제1 인버터부(200)와 제2 인버터부(200')는 서로 병렬로 연결되며, 제2 인버터부(200')는 접속부(180)와 연결된다.
이에 의해, 제1 인버터부(200)는 제1 정션박스(170)에서 공급하는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 제2 인버터부(200')로 전달하고, 제2 인버터부(200')는 제2 정션박스(170')에서 공급되는 직류전원을 변환한 교류전원과 함께 제1 인버터부(200)에서 전달된 교류전원을 접속부(180)를 통해 외부 전력망으로 공급한다.
이와 같은 태양광 시스템은 더욱 큰 전력을 외부 전력망으로 공급할 수 있기 때문에, 외부 전력의 소모를 더욱 감소시킬 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 (17)

  1. 전면기판, 후면기판 및 상기 전면기판과 상기 후면기판 사이의 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈;
    상기 후면기판상에 위치하고, 상기 태양전지 모듈에서 생성한 직류전원의 역류를 방지하는 정션 박스;
    상기 후면기판상에 위치하고, 상기 정션박스를 통해 공급되는 상기 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터부; 및
    외부 전력이 유입되는 전력망에 접속하여 상기 교류전원을 상기 전력망에 공급하는 접속부;를 포함하는 태양광 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는 상기 직류전원을 상기 교류전원으로 변환하는 마이크로인버터와, 상기 마이크로인버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 교류전원이 상기 전력망에 유입되는 상기 외부 전력과 정합하도록 상기 마이크로인버터의 동작을 제어하는 태양광 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는,
    상기 마이크로인버터의 출력 전류를 감지하는 출력 전류 감지부; 및
    상기 마이크로인버터의 출력 전압을 감지하는 출력 전압 감지부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류와 상기 출력 전압에 기초하여, 상기 마이크로 인버터의 동작을 제어하는 태양광 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는 컨버터부를 더 포함하는 태양광 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정션 박스는 바이패스 다이오드부와 커패시터부를 구비하며, 상기 인버터부와 연결되어 상기 직류 전원을 공급하는 태양광 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈과 체결하는 프레임을 포함하고,
    상기 프레임은, 상부 결합부, 하부 결합부 및 이들을 연결하는 연결 결합부를 포함하는 암형 결합부와, 상기 연결 결합부로부터 연장된 단면이 L자 형상의 다리부를 구비하고, 상기 태양전지 모듈의 주변 가장자리부가 상기 암형 결합부에 결합되는 것에 의해 상기 태양전지 모듈을 지지하는 태양광 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은, 상기 인버터부를 커버하도록 상기 다리부의 일부가 연장된 커버부를 포함하는 태양광 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 커버부와 상기 인버터부 사이의 열전도층을 포함하는 태양광 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 인버터부와 상기 후면기판 사이의 단열층을 포함하는 태양광 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 커버부의 외측일면에는 방열핀이 형성된 태양광 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부 또는 상기 접속부는 제1 통신모듈을 포함하고,
    상기 태양광 모듈은, 상기 제1 통신모듈과 통신할 수 있는 제2 통신모듈을 구비한 모니터링부를 더 포함하는 태양광 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 외부 전력을 감지하며, 상기 제2 통신모듈은 상기 감지된 외부 전력을 상기 제1 통신 모듈로 송신하고,
    상기 제어부는 상기 제1 통신 모듈에서 수신한 상기 외부 전력에 근거하여 상기 마이크로인버터의 동작을 제어하는 태양광 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 모니터링부는 스크린을 포함하고, 상기 스크린은 상기 감지된 외부 전력을 표시하는 태양광 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 통신모듈은 상기 태양광 모듈에서 발생한 전력량을 상기 제2 통신모듈로 송신하며, 상기 스크린은 상기 제2 통신모듈이 수신한 상기 전력량을 표시하는 태양광 모듈.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 접속부와 이격된 위치에서 상기 전력망에 접속하는 태양광 모듈.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 통신모듈과 상기 제2 통신모듈간의 통신은 근거리 통신 또는 전력선통신에 의하는 태양광 모듈.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 접속부와 모니터링부는 일체로 형성된 태양광 모듈.
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