KR20170012822A - 태양광모듈과 이를 이용한 태양광발전시스템 및 이의 운영방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광모듈과 이를 이용한 태양광발전시스템 및 이의 운영방법에 관한 것으로서, 투명기판, EVA 시트(ethylene vinyl acetate sheet), 셀소자(cell unit), EVA 시트, 후면 시트를 설정값 이내의 온도차로 가열한 후 라미네이팅하고, 라미네이팅의 가압 상태에서 급랭 공정을 진행한 다수의 태양전지 셀과, 태양전지 셀의 외곽에 형성된 외곽프레임을 포함하는 태양광모듈과, 생산된 전력에 대한 송전전압 설정, 수용가별 전력 분배 및 입출력 전력 모니터링을 수행하는 전력관리부와, 태양광모듈, 전력관리부 및 수용가를 연결하는 전력송전 모선을 포함한다. 본 발명에 따르면, 태양광모듈의 전력생산효율 향상 및 DC/DC 컨버터의 전력변환효율 향상을 통해 고전압 저전류 송전이 가능하도록 함으로써 전력송전 모선인 케이블의 두께를 줄일 수 있으므로 케이블 설치 및 유지 비용을 저감시킬 수 있다. 또한 케이블 두께가 감소됨에 따라 케이블 송전손실을 최소화할 수 있으므로 송전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 태양광발전시스템을 독립 또는 다양한 신재생에너지와 연계하거나 기존 전력생산시스템과 계통 연계하여 수용가 중심의 마이크로그리드를 구성할 수 있으므로 특정 지역의 요구에 부합하는 자유롭고 유연한 시스템 설계가 가능하다. 그리고, 수용가를 전력 충전소로 이용함으로써 전력관리시스템의 안정적인 운영이 가능하다.
Description
본 발명은 태양광발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송전효율 및 안정성 향상을 위한 고전압 저전류 송전 기반의 태양광모듈과 이를 이용한 태양광발전시스템 및 이의 운영방법에 관한 것이다.
최근, 신재생에너지원을 통한 다양한 방식의 전력생산이 이루어지고 있으며, 또한 전력 충전장치, 예를 들어 충전지, 배터리 등의 기술개발을 통한 전력확보에 노력하고 있다.
기존 전력생산시스템에서는 대규모 발전시스템을 통해 전력을 생산하고, 이를 교류송전방식을 이용하여 수용가(부하)에 공급하고 있다.
그런데, 교류송전방식은 변압기를 통해 용이하게 전압을 승하강시켜 송전할 수 있는 장점은 있지만, 복잡한 안정화 과정을 거쳐야 할 뿐 아니라, 송전손실이 크고, 지하매설시 송전거리가 제한되는 단점이 있다.
이에 최근, 직류송전방식이 대두되고 있으며, 이 직류송전방식은 전력손실이 적고, 지하 또는 해저 매설에 따른 거리 제한이 없을 뿐 아니라, 정전 등의 사고가 발생할 경우에 손쉽게 전력망을 분리하여 운영할 수 있으므로 피해를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
한편, 전력관리방식에 있어, 기존에는 광범위한 지역을 대상으로 하는 중앙집중식 전력관리시스템으로 운영되고 있었으나, 최근에는 특정 지역을 대상으로 하는 분산식 전력관리시스템으로의 전환이 이루어지고 있다. 이에 분산식 전력관리시스템에 대한 송전효율 및 안정성을 향상시키기 위한 연구개발에 노력하고 있다.
분산식 전력관리시스템을 운영하기 위해서는 지역 특성 등을 고려하여 가장 효율적인 신재생에너지원을 선택해야 하는데, 현재 태양광발전 방식이 가장 많이 선택되고 있다.
그런데, 태양광발전을 기반으로 한 분산식 전력관리시스템을 구축함에 있어, 태양광모듈, 직류모선(DC BUS) 등으로 이루어진 기초 설비에 비용이 많이 투자된다. 이에, 기초 설비 투자 비용을 감소시킬 수 있는 방안과, 태양광모듈에서의 전력변환효율 및 직류모선에서의 송전효율을 향상시킬 수 있는 방안이 필요한 실정이다. 이와 더불어, 전력관리부(Energy Management System)에서 전력수급을 안정적으로 운영할 수 있는 방안도 필요한 실정이다.
결국, 분산식 전력관리시스템의 구축 비용을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 송전효율 및 안정성을 향상시킬 수 있는 새로운 방안이 필요하다 할 것이다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 태양광모듈의 셀 간격 조절을 통해 누설전류를 감소시킴과 아울러 접속개수 증가를 통해 고전압을 형성시킬 수 있는 태양광모듈을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 태양광모듈로부터 출력된 직류전압의 스위칭손실을 최소화하여 컨버팅 효율을 향상시킬 수 있는 DC/DC 컨버터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 태양광모듈 및 DC/DC 컨버터의 효율 향상을 통해 전력송전 모선의 두께를 감소시킴으로써 송전효율을 향상시킴과 아울러 설치운영 비용을 최소화시킬 수 있는 태양광발전시스템을 제공하는데 있다.
그리고, 본 발명의 목적은 수용가 소비전력 관리 및 각 수용가간 충전전력 이동 제어를 수행할 수 있도록 하는 태양광발전시스템의 운영방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광모듈은, 투명기판, EVA 시트(ethylene vinyl acetate sheet), 셀소자(cell unit), EVA 시트, 후면 시트를 설정값 이내의 온도차로 가열한 후, 라미네이팅한 다수의 태양전지 셀; 및 상기 태양전지 셀의 외곽에 형성된 외곽프레임을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양전지 셀들간의 간격은 0.1 ~ 10 [mm] 범위내에서 설정되는 것이 바람직하며, 상기 태양전지 셀의 최외곽 태양전지 셀과 상기 외곽프레임 간의 간격은 10 ~ 40 [mm] 범위내에서 설정되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 태양광모듈은 직류모선(DC BUS)에 접속될 수 있으며, 상기 직류모선의 송전전압은 1000 ~ 1,500 [V] 범위내에서 설정될 수 있다. 이에, 상기 태양광모듈의 생성전압은 1000 ~ 1,500 [V]일 수 있다.
한편, 상기 태양광모듈과 직류모선 사이에는 DC/DC 컨버터가 형성될 수 있으며, 상기 DC/DC 컨버터는, 공진 인덕터와 스위칭소자의 기생커패시터를 공진요소로 하여 펄스폭변조 위상변이 스위칭을 수행하는 브리지회로; 스위칭소자의 개폐동작에 따른 전압을 변압하는 변압기; 및 변압된 전압을 동기정류하여 직류전압으로 변환하는 변환부를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 브리지회로는, 상기 태양광모듈로부터 직류전압을 입력받아 순차적인 스위칭을 수행하는 스위칭회로; 및 상기 스위칭회로와 변압기 사이에 형성된 클램프 커패시터 및 공진 인덕터를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 태양광발전시스템은, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양광모듈; 생산된 전력에 대한 송전전압 설정, 수용가별 전력 분배 및 입출력 전력 모니터링을 수행하는 전력관리부; 및 상기 태양광모듈, 상기 전력관리부 및 수용가를 연결하는 전력송전 모선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 전력관리부는, 상기 태양광모듈로부터 생산된 전력에 대응한 설정전압을 수용가로 전력을 분배함과 아울러 수용가간에 충전전력을 이동시키는 전력분배 스위칭부; 및 상기 각 수용가의 전력소비 패턴에 대응하여 각 수용가별 전력 분배 제어를 수행하며, 수용가별 소비전력을 모니터링하고, 수용가간 충전전력의 이동 제어 및 비용 관리를 수행하는 컨트롤러를 포함한다.
또한, 상기 전력관리부는, 상기 전력송전 모선의 전압 센싱을 수행하는 전압센싱부; 및 상기 전압 센싱에 대응한 전압 보상이 이루어지는 전압보상부를 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 각 수용가별 전력소비 패턴을 분석하는 전력소비 패턴 분석부; 각 수용가별 충전전력을 모니터링하는 충전전력 모니터링부; 각 수용가의 전력소비 패턴과 전력 충전장치의 용량에 대응하여 전력을 분배 및 이동시키는 전력 분배 및 이동부; 각 수용가별 소비전력에 대한 모니터링 및 비용 관리, 수용가간 이동전력에 대한 모니터링 및 비용 관리를 수행하는 수용가 소비전력 및 이동전력 관리부; 각 수용가별 전력소비 패턴, 전력 충전장치의 용량, 모니터링 및 비용 관리 내역을 저장하고 있는 데이터베이스; 및 각 수용가별 전력소비 패턴 및 전력 충전장치의 용량에 대응하여 전력분배 스위칭부의 스위칭 제어신호를 생성하며, 소비전력 및 이동전력에 대한 모니터링 및 비용 관리 제어를 수행하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 태양광모듈로부터 생산된 전력에 대응하여 송전전압을 설정하는 송전전압 설정부; 상기 송전전압을 모니터링하는 송전전압 모니터링부; 및 생산된 전력 또는 실시간 모니터링된 송전전압으로부터 송전전압을 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 전력송전 모선은 직류모선일 수 있으며, 상기 직류모선에는 AC/DC 컨버터를 경유하여 풍력발전시스템, 디젤발전시스템, 교류송전시스템 중 적어도 어느 하나와 연계될 수 있다.
한편, 본 발명의 태양광발전시스템의 운영방법은, 태양광모듈로부터 생산된 전력에 대응하여 전력관리부에서는 송전전압을 설정하는 단계; 상기 전력관리부에서는 각 수용가별 전력소비 패턴 및 전력 충전장치의 용량에 기초하여 전력을 차등 분배하여 공급하는 단계; 및 전력 분배에 대응하여 스마트 미터에서 전송하는 계측값으로부터 전력관리부에서 소비전력 모니터링 및 비용 관리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에, 상기 전력관리부에서 각 수용가별로 마련된 전력 충전장치에 저장된 충전전력을 타 수용가로 이동 제어하는 단계; 및 상기 스마트 미터에서 전송된 입출력 계측값으로부터 전력관리부에서 전력 입출력에 따른 비용 관리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 태양광모듈과 이를 이용한 태양광발전시스템 및 이의 운영방법에 따르면, 태양광모듈의 전력생산효율 향상 및 DC/DC 컨버터의 전력변환효율 향상을 통해 고전압 저전류 송전이 가능하도록 함으로써 전력송전 모선인 케이블의 두께를 줄일 수 있으므로 케이블 설치 및 유지 비용을 저감시킬 수 있다. 또한 케이블 두께가 감소됨에 따라 케이블 송전손실을 최소화할 수 있으므로 송전효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 태양광발전시스템을 독립 또는 다양한 신재생에너지와 연계하거나 기존 전력생산시스템과 계통 연계하여 수용가 중심의 마이크로그리드를 구성할 수 있으므로 특정 지역의 요구에 부합하는 자유롭고 유연한 시스템 설계가 가능하다.
그리고, 수용가를 전력 충전소로 이용함으로써 전력관리시스템을 안정적으로 운영할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양광발전시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양광모듈의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 DC/DC 컨버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력관리부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 컨트롤러의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양광발전시스템의 운영흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양광모듈의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 DC/DC 컨버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력관리부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 컨트롤러의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양광발전시스템의 운영흐름도이다.
이하, 본 발명의 태양광모듈과 이를 이용한 태양광발전시스템 및 이의 운영방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
여기서, 도면 설명에 있어, 동일 기능을 수행하는 구성에 대해서는 동일 참조번호를 부여하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양광발전시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 태양광발전시스템은, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 다수의 태양광모듈(11)과, 생산된 전력에 대한 송전전압 설정, 수용가별 전력 분배 및 입출력 전력 모니터링을 수행하는 전력관리부(12)와, 태양광모듈(11), 전력관리부(12) 및 수용가(R)를 연결하는 직류모선(13)을 포함한다.
태양광모듈(11)은 DC/DC 컨버터(14)를 통해 직류모선(13)에 접속될 수 있다.
한편, 직류모선(13)에는 DC/DC 컨버터(14)를 선택적으로 경유하는 전력충전 장치(15)가 접속될 수 있으며, AC/DC 컨버터(16)를 경유한 풍력발전시스템(17), 디젤발전시스템(18) 및 기존 교류송전시스템(미도시) 등과 계통 연계될 수 있다. 전력 충전장치(12)는 태양광모듈(11)을 포함한 전력공급원으로부터 공급된 전력을 저장하는 기능을 수행하며, 필요시 전력을 공급하는 기능을 수행하며, 통상의 충전지, 배터리 등을 포함한다.
한편, 본 실시예에서는 직류모선(13)을 기반으로 한 태양광발전시스템을 예시하고 있으나, 계통 연계형 태양광발전시스템 즉, 교류모선을 기반으로 한 태양광발전시스템에도 적용될 수 있다. 이 경우, 태양광모듈(11) 및 전력충전 장치(15)와 교류모선 사이에는 DC/AC 인버터가 형성되어야 하며, 풍력발전시스템(17), 디젤발전시스템(18) 및 기존 교류송전시스템은 교류모선에 직접 접속시키면 된다. 이하, 설명의 편의를 위해 직류모선(13) 기반 태양광발전시스템에 대해서 설명하기로 한다.
그리고, 전력관리부(12)와 수용가(R) 사이에 DC/AC 인버터(19)를 형성시킴으로써 수용가측에 형성된 기존 교류모선에 본 발명에서 제시하는 직류모선에 기반한 태양광발전시스템을 연계시킬 수 있을 것이다. DC/AC 인버터(19)는 전력관리부(2)에 의해 관리될 수도 있다.
한편, 전력관리부(12)는 생산된 전력에 대응하여 송전전압을 설정한다. 또한, 전력관리부(12)는 수용가별 전력 분배를 수행하며, 수용가별 소비전력을 분석하여 최적의 전력 분배가 이루어질 수 있도록 제어한다. 그리고, 전력관리부(12)는 수용가별 소비전력 모니터링을 수행하며, 수용가별 소비전력 관리뿐 아니라, 수용가별 전력교환에 대해서도 제어 및 모니터링을 수행한다. 한편, 전력관리부(12)는 수용가 측에서의 전압 센싱을 통해 송전전압의 승압 또는 강압을 제어할 수도 있다.
그리고, 태양광모듈(11), 전력관리부(12) 및 수용가(R)를 연결하는 직류모선(13)은, 태양광모듈(11)에서의 전력변환효율 향상에 기초하여 고전압 저전류 직류송전이 가능하므로 그 두께(직경)을 감소시킬 수 있다. 직류모선(13)(케이블)의 두께가 감소됨에 따라 설치 및 유지 비용을 현저하게 감소시킬 수 있다. 그리고, 직류모선(13)은 전력선통신을 포함한 양방향통신을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양광모듈의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 태양광모듈(11)은, 전력을 생산하는 다수의 태양전지 셀(cell)(111)들이 어레이되어 있으며, 최외곽 태양전지 셀(111)들의 외곽에 외곽프레임(112)이 형성되어 있다.
태양전지 셀(111)은 셀소자(cell unit)의 밀폐를 위해 셀소자 양면에 EVA 시트(ethylene vinyl acetate sheet)가 형성되며, 또한 태양광이 입사되는 전면에 형성된 투명기판과, 후면에 형성된 후면 시트(back sheet)로 라미네이팅되어 있다. 즉, 투명기판, EVA 시트, 셀소자, EVA 시트, 후면 시트를 적층한 후 특정 온도 및 압력으로 가열 및 가교하여 접착시키고 있다. 한편, 후면 시트는 기체 및 수분 차단성 및 내후성이 우수한 성질을 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 투명기판, EVA 시트, 셀소자, EVA 시트, 후면 시트는 통상적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 형상, 두께, 재질 등은 한정하지 않는다. 다만, 태양광모듈(11)의 집합체로부터 생성된 전압, 예를 들어 1500 [V] 이상의 전압을 유지시키는 EVA 및 후면시트의 두께와 전기 내압력을 고려하여 설정되면 된다.
그리고, 태양전지 셀(111)의 성능 향상에 따른 고전압 생성 및 이에 따른 외곽프레임(112)으로의 커플링 누설전류를 최소화하기 위해, 각 태양전지 셀(111)들의 간격(a)을 최소화하며, 예를 들어, 0.1 ~ 10 [mm] 범위내에서 설정되는 것이 바람직하다. 기존 라미네이트 공법에서는 진공압착 및 가열 처리를 행하게 되는데, EVA 시트를 충진한 뒤, 진공하에서 가열하여 EVA 시트를 녹임으로써, 셀소자가 직렬 및 병렬로 패킹(packing)되도록 한다. 그런데, 각 태양전지 셀(111)들의 간격이 좁아짐에 따라 진공상태(기포)가 발생하는 문제가 발생하게 된다. 이는 진공 분위기에서 가열 공정 시 투명기판의 변형이 발생하거나, 온도차에 따라 태양전지 셀(111)의 정렬이 흐트러지기 공정조건에 따른 EVA 시트의 경화 정도 때문인 것으로 알려지고 있다. 이에 본 발명에서는 투명기판, EVA 시트, 셀소자, EVA 시트, 후면 시트를 설정값 이내의 온도차로 미리 가열한 후, 이들 각 부품을 라미네이트 장비로 반입시켜 진공압착 및 가열 처리함으로써 가열 및 가압시 기포가 발생되는 것을 방지하도록 한다.
또한, 자연 냉각 또는 팬 등의 물리적인 방법을 이용한 기존의 공랭 방식은 라미네이팅된 모듈이 서서히 식으면서 모듈의 휘어짐(bowing) 현상이나 테두리 부분을 중심으로 버블(bubble) 등의 현상이 발생한다. 이에 본 발명에서는 가압 상태에서의 급랭 공정을 통하여 도입함으로써, 기포 발생 및 휘어짐 현상이 방지됨에 따라 각 접합면 내에서의 압착력의 균일화를 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 셀소자의 박리, 크랙 등을 방지할 수 있으며, 냉각 공정의 시간을 단축시킴으로써 모듈 생산성을 향상시킬 수 있었다.
한편, 각 태양전지 셀(111)들의 간격이 좁아짐에 따라, 기존 동일 규격에 대비하여 최외곽 태양전지 셀(111)들과 외곽프레임(112) 간의 간격(b)은 10 ~ 40 [mm] 범위를 확보하게 된다. 이에 해당 범위내에서 최외곽 태양전지 셀(111)들과 외곽프레임(112) 간의 간격을 누설전류가 발생하지 않도록 충분한 거리를 확보하여 제조함으로써 해당 태양광모듈(11)의 효율 및 전기적 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 최외곽 태양전지 셀(111)들과 외곽프레임(112) 간의 간격이 최소값으로 설정될 경우에는 태양광모듈(11)의 소형화도 함께 이룰 수 있다.
그리고, 다수의 태양광모듈(11)의 연결을 통해 1,000 [V] 이상의 전압을 생성할 수 있으므로, 1,500 [V]급 태양광모듈, 1000 [V]급 이상의 직류모선 기반의 경제급전용 태양광발전시스템 및 100 [kW] 이상의 시스템을 구축할 수 있다.
그러면, 여기서 태양광모듈에서의 고전압 고효율을 달성하기 위해 사용된 DC/DC 컨버터의 구성에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 DC/DC 컨버터의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 DC/DC 컨버터(14)는, 공진 인덕터와 스위칭소자의 기생커패시터를 공진요소로 하여 펄스폭변조 위상변이 스위칭을 수행하는 브리지회로(141)와, 스위칭소자의 개폐동작에 따른 전압을 변압하는 변압기(142)와, 변압된 전압을 동기정류하여 직류전압으로 변환하는 변환부(143)를 포함한다.
브리지회로(141)는, 태양광모듈(11)로부터 직류전압(Vdc)을 입력받아 순차적인 스위칭을 수행하는 스위칭회로와, 스위칭회로와 변압기(142) 사이에 형성된 클램프 커패시터(Cc) 및 공진 인덕터(Lr)를 포함한다.
여기서, 스위칭회로를 풀브리지(FB : Full Bridge)회로로 구성되며, 풀브리지를 구성하는 스위치(Tr1, Tr2, Tr3, Tr4)는 MOSFET를 이용하며, 각 MOSFET에는 기생다이오드 및 기생캐패시터가 각각 병렬로 형성되어 있다. 각 MOSFET의 게이트에는 스위칭컨트롤러의 온/오프 스위칭신호가 입력된다.
변압기(142)는, 자화인덕턴스(Lm)을 가지며, 권선비(n)가 센터탭 형태의 이상적인 변압기를 이용하는 것이 바람직하다.
변환부(143)는, 스위칭을 통해 정류 작용을 수행하는 스위치(Tr5, Tr6)와, 출력단에 대해 직렬로 접속된 출력 필터 인덕터(Lo) 및 출력단에 대해 병렬로 접속된 출력 캐패시터(Co)를 포함한다.
여기서, 스위치는 MOSFET를 이용하며, 각 MOSFET에는 기생다이오드 및 기생캐패시터가 각각 병렬로 형성되어 있다.
그리고, 출력 캐패시터(Co)는 매우 큰 값을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 DC/DC 컨버터(14)의 동작에 대해 간략하게 설명한다.
태양광모듈(11)로부터 직류전압(Vdc)을 입력받아 브리지회로(141)의 스위칭이 이루어지면, 클램프 커패시터 전압 
는 1차측 전류 
에 의해 다음과 같이 충전된다.
이에 변압기(142) 1차측 전압은 
로 클램프되고 1차측 전류 
는 선형적으로 감소한다. 이어서, 스위칭회로를 구성하는 스위치의 순차적인 스위칭을 통해 1차측 전류 
는 선형적 증가한다. 이와 같은 과정은 브리지회로(141)의 스위칭에 대응하여 1차측 전류 
는 반복하여 감소 및 증가가 반복되게 된다.
이어서, 변압기(142)에서는 1차측 전류 
에 대응하여 변압이 이루어지게 되며, 이 변압에 대응하여 변환부(143)의 스위치에서 스위칭이 이루어지게 된다.
이에 직류전압(Vo)이 출력되게 된다.
여기서 
는 설정된 공칭 설계 유효듀티비로 계산하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 DC/DC 컨버터(14)는, 펄스폭변조 위상변이 제어방식에 따른 소프트스위칭과 동기정류 기법을 이용하여 브리지회로(141)와 변환부(143)의 손실을 각각 감소시킴으로써 고효율로 동작시킬 수 있을 뿐 아니라, 변환부(143)에서 동기정류기의 구동을 위하여 자기구동 방식을 적용함으로써 회로구성 및 그 동작이 간단해지는 이점이 있다. 결국, 기존의 DC/DC 컨버터에 대비하여 태양광모듈(11)에서의 전력변환효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다. 이와 함께, 고전압 저전류 직류송전을 위한 태양광모듈(11)의 개수 증가를 최소화할 수 있게 된다.
다음 [표 1]은 공칭전압별 직류모선 특성을 비교한 것이다.
| 800[V] | 1,000[V] | 1,500[V] | |
| 시스템 용량 | 100kW | 100kW | 100kW |
| 전류 용량 | 125A | 100A | 66.67A |
| IGBT | 1200V/200A | 1700V/150A | 3300V/100A |
| 인덕터 | 인덕턴스 하 | 인덕턴스 중 | 인덕턴스 상 |
| 케이블 | 50mm2 | 35mm2 | 25mm2 |
| 케이블 손실 | 7.7kW/km | 6.7kW/km | 4.1kW/km |
[표 1]에서와 같이, 고전압 저전류 직류송전시에 송전효율이 향상됨을 확인할 수 있다.
한편, 태양광모듈로부터 생산된 전력에 대한 운영이 이루어지는 전력관리부에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력관리부의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 전력관리부(12)는, 태양광모듈(11)로부터 생산된 전력에 대응한 설정전압으로 수용가로 전력을 분배함과 아울러 수용가간에 충전전력을 이동시키는 전력분배 스위칭부(121)와, 각 수용가의 전력소비 패턴에 대응하여 각 수용가별 전력 분배 제어를 수행하며, 수용가별 소비전력을 모니터링하고, 수용가간 충전전력의 이동 제어 및 비용 관리를 수행하는 컨트롤러(122)를 포함한다.
여기에, 전력관리부(12)에는, 직류모선(13)의 전압을 센싱하는 전압센싱부(123)와, 전압 센싱에 대응한 전압 보상이 이루어지는 전압보상부(124)가 더 포함되는 것이 바람직하다.
한편, 전력관리부는 각 수용가와 접속되어 있으며, 각 수용가에는 스마트 미터(21)와 전력 충전장치(22)가 설치되어 있다.
여기서, 전력 충전장치(22)는 도 1의 전력 충전장치(12)일 수 있다.
이와 같이 구성된 전력관리부(12)는, 태양광모듈(11)로부터 생산된 전력에 대응하여 송전전압을 설정한다. 예를 들어, 1,000 [V] 직류송전 또는 1,500 [V] 직류송전을 선택할 수 있다. 이는, 1,000 [V] 직류송전시의 송전효율보다 1,500 [V] 직류송전시의 송전효율이 더 좋을 뿐만 아니라 전체 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다. 이와 같이, 태양광모듈(11)로부터 생산된 전력이 많을수록 고전압 저전류 직류송전이 이루어지는 것이 바람직하다. 한편, 각 수용가에 공급된 전력은 스마트 미터(21)에서 계측이 이루어지게 되며, 계측값은 전력관리부(12)로 전력선통신 등을 통해 전송된다.
이 때, 각 수용가에 공급되는 전력은 수용가의 전력소비 패턴 및 전력 충전장치(22)의 용량에 기초하여 분배가 이루어지게 된다. 즉, 전력소비가 많은 시간에 전력분배 비율을 높게 설정하고, 또한 전력 충전장치(22)의 용량이 클수록 전력분배 비율을 높게 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 전력소비 패턴과 전력 충전장치(22)의 2개 변수를 조합하여 각 수용가별로 전력분배 비율을 결정하여 실시간 전력공급이 이루어지도록 한다.
그리고 전력관리부(12)는, 생산된 전력이 부족하거나 정전 등이 발생한 경우에, 각 수용가별로 저장된 충전전력을 타 수용가로 공급(이동)하는 제어를 수행할 수 있다. 즉, 이러한 수용가간 전력 이동 제어를 통해 전력수급의 안정성을 높일 수 있다.
한편 전력관리부(12)에서는, 직류모선(13) 상에서 전압센싱을 수행하여 전압 보상을 수행하거나, 송전효율을 실시간 모니터링하며, 단선 등의 문제를 모니터링한다.
이와 같이, 각 수용가에 전력 충전장치(22)를 마련하도록 함으로써 충전전력을 분산배치할 수 있을 뿐 아니라, 전력 충전장치(12)를 대용량화시킬 필요가 없어지는 장점이 있다. 이는 직류송전이 전력손실 없이 장거리 송전이 가능하다는 특징과, 이런 특징을 이용하여 전력관리부(12)에서 용이하게 원격 제어할 수 있다는 특징을 활용할 수 있음을 의미한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 컨트롤러의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 컨트롤러(122)는, 태양광모듈(11)로부터 생산된 전력에 대응하여 송전전압을 설정하는 송전전압 설정부(122a)와, 송전전압을 모니터링하는 송전전압 모니터링부(122b)와, 각 수용가별 전력소비 패턴을 분석하는 전력소비 패턴 분석부(122c)와, 각 수용가별 충전전력을 모니터링하는 충전전력 모니터링부(122d)와, 각 수용가의 전력소비 패턴 및 전력 충전장치(22)의 용량에 대응하여 전력을 분배 및 이동시키는 전력 분배 및 이동부(122e)와, 각 수용가별 소비전력에 대한 모니터링 및 비용 관리, 수용가간 이동전력에 대한 모니터링 및 비용 관리를 수행하는 수용가 소비전력 및 이동전력 관리부(122f)와, 각 수용가별 전력소비 패턴, 전력 충전장치(22)의 용량, 모니터링 및 비용 관리 내역을 저장하고 있는 데이터베이스(122g)와, 생산된 전력 또는 실시간 모니터링된 송전전압으로부터 송전전압을 결정하며, 각 수용가별 전력소비 패턴 및 전력 충전장치(22)의 용량에 대응하여 전력분배 스위칭부(121)의 스위칭 제어신호를 생성하며, 소비전력 및 이동전력에 대한 모니터링 및 비용 관리 제어를 수행하는 제어부(122h)를 포함한다.
여기서, 송전전압은 전압센싱부(123)로부터 전달된 데이터로부터 획득할 수 있다.
한편, 제어부(122h)를 중심으로 하여 송전전압 설정부(122a)와 송전전압 모니터링부(122b)가 별개의 시스템으로 구성될 수 있고, 제어부(122h)를 중심으로 하여 전력소비 패턴 분석부(122c)와 충전전력 모니터링부(122d)와 전력 분배 및 이동부(122e)와 수용가 소비전력 및 이동전력 관리부(122f)가 별개의 시스템으로 구성될 수도 있다.
이와 같이 구성된 컨트롤러(122)는, 생산된 전력에 대응하여 송전전압을 결정하여 현재의 송전전압을 승압 또는 강압시켜 송전한다. 이 때, 데이터베이스(122g)에 저장된 각 수용가별 전력소비 패턴 및 전력 충전장치(22)의 용량에 대한 정보를 대응하여 각 수용가별로 전력을 분배하여 공급한다. 이에 각 수용가는 전력수급의 안정성을 유지하면서 전력을 이용할 수 있게 된다. 한편, 전력수급이 불안정하거나 사고 발생시, 예를 들어 정전시 등에는 각 수용가에 충전전력을 타 수용가로 이동하는 제어를 수행한다. 각 수용가에서의 소비전력 및 이동전력에 대한 모니터링 및 비용 관리는 데이터베이스(122g)에 저장된다.
그러면, 여기서 상기와 같이 구성된 시스템을 이용한 본 발명의 태양광모듈을 이용한 태양광발전시스템의 운영방법에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양광발전시스템의 운영흐름도이다.
먼저, 전력 충전장치(12)가 태양광모듈(11)로부터 생산된 전력를 저장하는 장치라고 가정한다.
도 6을 참조하면, 태양광모듈(11)로부터 생산된 전력에 대응하여 전력관리부(12)에서는 송전전압을 설정한다(S1). 이 때, 송전전압은 1,000 ~ 1,500 [V]에서 설정되는 것이 바람직하다.
그리고, 전력관리부(12)에서는 각 수용가별 전력소비 패턴 및 전력 충전장치(22)의 용량에 기초하여 전력을 차등 분배하여 공급한다(S2). 이 때, 소비전력에 대응하여 비례제어하는 방식을 이용할 수 있으나, 전력 충전장치(22)의 용량에 대응하여 비례제어하는 방식을 이용할 수도 있다. 즉, 비상시(태양광발전량 저하, 정전 등)에 각 수용가간 전력이동을 통해 전력수급을 안정화시키기 위해서는 대용량의 전력 충전장치(22)에 우선하여 비례제어하는 것이 바람직하다. 물론, 시간별 전력소비 패턴, 전력 충전장치(22)의 용량 크기를 변수로 하여 인공지능망을 통한 통계분석을 통해 전력 분배 비율을 결정할 수도 있을 것이다.
이러한 전력 분배에 대응하여 스마트 미터(21)에서는 입출력되는 전력을 계측하고, 이를 전력관리부(12)로 계측값을 전송한다.
이에 전력관리부(12)에서는 소비전력 모니터링 및 비용 관리를 수행하고 데이터베이스화시킨다(S3).
한편, 정전 등의 비상시에는(S4), 전력관리부(12)에서는 수용가간 전력 이동 제어를 수행한다. 즉, 각 수용가별로 마련된 전력 충전장치(22)에 저장된 충전전력을 타 수용가에게 공급한다(S5). 이 때, 타 수용가로 전력 이동시, 각 수용가별 전력 충전장치(22)의 용량 및/또는 전력소비 패턴에 근거하여 전력을 이동시킬 수도 있으나, 공공시설, 산업시설 등의 주요시설로 전력을 이동시키는 것을 우선순위로 결정하는 것이 바람직하다. 수용가 전체에 저장된 총충전전력에서 주요시설로 이동할 총이동전력을 계산하여, 각 수용가별 이동시켜야 하는 전력을 비율 산정할 수 있을 것이다. 물론, 해당 수용가의 전력소비 패턴에 근거하여 이동할 전력이 없을 경우에는 전력이동 대상에서 제외될 수 있다.
한편, 스마트 미터(21)를 통해 각 수용가간 이동전력의 모니터링할 수 있으며, 이에 전력관리부(12)에서는 전력 입출력에 따른 비용 관리를 수행한다(S6).
한편, 본 실시예에서는 정전 등과 같은 비상시의 경우에 대해 수용가 측에서 전력을 운영(이동)하는 경우에 대해 설명하고 있으나, 생산된 전력이 고전압 저전류 직류송전이 어려울 경우에는 태양광모듈(11)의 전력 충전장치(12)의 전력충전이 설정값 이상이 될 때까지 송전을 중지하고, 이 때 수용가 측에서 전력 이동을 제어할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 고전압 저전력 직류송전이 가능할 때에만 송전이 이루어지도록 하여 송전효율을 높이는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 태양광발전시스템 및 이의 운영방법은, 직류모선 기반의 독립계통 태양광발전의 고효율화 및 안정화를 통해 직류모선망에 연결되는 발전, 송배전, 축전, 부하 등의 장치들이 유기적으로 통합되어 경제적이면서 안정적으로 운영될 수 있는 차세대 신재생에너지 생산시스템의 인프라를 구축할 수 있을 것이다. 또한, 이러한 전력 인프라와 정보ㆍ통신 인프라가 결합되어 더욱 신뢰성 높은 시스템을 구축할 수 있을 것이다.
그리고, 신재생에너지원에 대한 분산전원 요구 및 이에 대응한 독립계통 전원공급시스템은 유연한 전력수급 관리 및 공급측면의 신뢰성 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 수용가에 마련된 전력 충전장치를 전력공급원으로 활용하는 능동형 부하시스템을 통해 시스템 자체의 안정과 보호체계를 강화할 수 있다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
11 : 태양광모듈
12 : 전력관리부
13 : 직류모선
12 : 전력관리부
13 : 직류모선
Claims (19)
- 투명기판, EVA 시트(ethylene vinyl acetate sheet), 셀소자(cell unit), EVA 시트, 후면 시트를 설정값 이내의 온도차로 가열한 후, 라미네이팅한 다수의 태양전지 셀; 및
상기 태양전지 셀의 외곽에 형성된 외곽프레임을 포함하는 태양광모듈. - 제1항에 있어서,
상기 태양전지 셀은 상기 라미네이팅의 가압 상태에서 급랭 공정을 진행한 것인 태양광모듈. - 제1항에 있어서,
상기 태양전지 셀들간의 간격은 0.1 ~ 10 [mm] 범위내에서 설정되는 태양광모듈. - 제1항에 있어서,
상기 태양전지 셀의 최외곽 태양전지 셀과 상기 외곽프레임 간의 간격은 10 ~ 40[mm] 범위내에서 설정되는 태양광모듈. - 제1항에 있어서,
상기 태양광모듈은 직류모선(DC BUS)에 접속되는 태양광모듈. - 제5항에 있어서,
상기 직류모선의 송전전압은 1000 ~ 1,500 [V] 범위내에서 설정되는 태양광모듈. - 제6항에 있어서,
상기 태양광모듈의 생성전압은 1000 ~ 1,500 [V]인 태양광모듈. - 제5항에 있어서,
상기 태양광모듈과 직류모선 사이에는 DC/DC 컨버터가 형성되는 태양광모듈. - 제8항에 있어서,
상기 DC/DC 컨버터는,
공진 인덕터와 스위칭소자의 기생커패시터를 공진요소로 하여 펄스폭변조 위상변이 스위칭을 수행하는 브리지회로;
스위칭소자의 개폐동작에 따른 전압을 변압하는 변압기; 및
변압된 전압을 동기정류하여 직류전압으로 변환하는 변환부를 포함하는 태양광모듈. - 제9항에 있어서,
상기 브리지회로는,
상기 태양광모듈로부터 직류전압을 입력받아 순차적인 스위칭을 수행하는 스위칭회로; 및
상기 스위칭회로와 변압기 사이에 형성된 클램프 커패시터 및 공진 인덕터를 포함하는 태양광모듈. - 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양광모듈;
생산된 전력에 대한 송전전압 설정, 수용가별 전력 분배 및 입출력 전력 모니터링을 수행하는 전력관리부; 및
상기 태양광모듈, 상기 전력관리부 및 수용가를 연결하는 전력송전 모선을 포함하는 태양광발전시스템. - 제11항에 있어서,
상기 전력관리부는,
상기 태양광모듈로부터 생산된 전력에 대응한 설정전압을 수용가로 전력을 분배함과 아울러 수용가간에 충전전력을 이동시키는 전력분배 스위칭부; 및
상기 각 수용가의 전력소비 패턴에 대응하여 각 수용가별 전력 분배 제어를 수행하며, 수용가별 소비전력을 모니터링하고, 수용가간 충전전력의 이동 제어 및 비용 관리를 수행하는 컨트롤러를 포함하는 태양광발전시스템. - 제12항에 있어서,
상기 전력관리부는,
상기 전력송전 모선의 전압 센싱을 수행하는 전압센싱부; 및
상기 전압 센싱에 대응한 전압 보상이 이루어지는 전압보상부를 더 포함하는 태양광발전시스템. - 제12항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
각 수용가별 전력소비 패턴을 분석하는 전력소비 패턴 분석부;
각 수용가별 충전전력을 모니터링하는 충전전력 모니터링부;
각 수용가의 전력소비 패턴과 전력 충전장치의 용량에 대응하여 전력을 분배 및 이동시키는 전력 분배 및 이동부;
각 수용가별 소비전력에 대한 모니터링 및 비용 관리, 수용가간 이동전력에 대한 모니터링 및 비용 관리를 수행하는 수용가 소비전력 및 이동전력 관리부;
각 수용가별 전력소비 패턴, 전력 충전장치의 용량, 모니터링 및 비용 관리 내역을 저장하고 있는 데이터베이스; 및
각 수용가별 전력소비 패턴 및 전력 충전장치의 용량에 대응하여 전력분배 스위칭부의 스위칭 제어신호를 생성하며, 소비전력 및 이동전력에 대한 모니터링 및 비용 관리 제어를 수행하는 제어부를 포함하는 태양광발전시스템. - 제12항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 태양광모듈로부터 생산된 전력에 대응하여 송전전압을 설정하는 송전전압 설정부;
상기 송전전압을 모니터링하는 송전전압 모니터링부; 및
생산된 전력 또는 실시간 모니터링된 송전전압으로부터 송전전압을 결정하는 제어부를 포함하는 태양광발전시스템. - 제11항에 있어서,
상기 전력송전 모선은 직류모선인 태양광발전시스템. - 제16항에 있어서,
상기 직류모선에는 AC/DC 컨버터를 경유하여 풍력발전시스템, 디젤발전시스템, 교류송전시스템 중 적어도 어느 하나와 연계되는 태양광발전시스템. - 태양광모듈로부터 생산된 전력에 대응하여 전력관리부에서는 송전전압을 설정하는 단계;
상기 전력관리부에서는 각 수용가별 전력소비 패턴 및 전력 충전장치의 용량에 기초하여 전력을 차등 분배하여 공급하는 단계; 및
전력 분배에 대응하여 스마트 미터에서 전송하는 계측값으로부터 전력관리부에서 소비전력 모니터링 및 비용 관리를 수행하는 단계를 포함하는 태양광발전시스템의 운영방법. - 제18항에 있어서,
상기 전력관리부에서 각 수용가별로 마련된 전력 충전장치에 저장된 충전전력을 타 수용가로 이동 제어하는 단계; 및
상기 스마트 미터에서 전송된 입출력 계측값으로부터 전력관리부에서 전력 입출력에 따른 비용 관리를 수행하는 단계를 더 포함하는 태양광발전시스템의 운영방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150105182A KR20170012822A (ko) | 2015-07-24 | 2015-07-24 | 태양광모듈과 이를 이용한 태양광발전시스템 및 이의 운영방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020150105182A KR20170012822A (ko) | 2015-07-24 | 2015-07-24 | 태양광모듈과 이를 이용한 태양광발전시스템 및 이의 운영방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170012822A true KR20170012822A (ko) | 2017-02-03 |
Family
ID=58156414
Family Applications (1)
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| KR1020150105182A KR20170012822A (ko) | 2015-07-24 | 2015-07-24 | 태양광모듈과 이를 이용한 태양광발전시스템 및 이의 운영방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20170012822A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200112219A (ko) | 2019-03-21 | 2020-10-05 | 국민대학교산학협력단 | 파장 선택적 필터를 이용한 pvt 시스템의 효율 예측 장치 및 그 방법 |
| KR102523701B1 (ko) * | 2023-01-19 | 2023-04-21 | (주)임픽스 | 인공지능을 이용한 태양광 모듈의 품질 예측 장치 및 방법 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101412742B1 (ko) | 2012-11-09 | 2014-07-04 | 한국전기연구원 | 독립형 마이크로그리드 제어 시스템 및 그 제어방법 |
-
2015
- 2015-07-24 KR KR1020150105182A patent/KR20170012822A/ko not_active Application Discontinuation
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