KR20220036149A - 태양광 모듈의 수명연장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부하단의 전압보다 모듈 전압을 높게 설계한 태양광발전시스템에 최적화된 모듈의 수명연장 기술이다.
본 발명은 잉여설비가 포함된 모듈에 범용의 정류전원부를 개입시켜서 모듈의 수명을 연장하는 시스템을 구성하되 인버터 등 주변장치의 입력전압 허용범위 내에서 수명연장 시스템이 비충격으로 온-오프 가동되는 수단을 개시한다.
본 발명은 그 일실시례로서,
부하단 전압보다 높은 전압으로 설계되는 태양광 모듈과 상기 부하단보다 높은 전압을 부하단에 맞추어 조절하는 전력조절부를 포함하는 계통전원 태양광 발전시스템에 있어서,
교류 전원으로부터 직류를 정류하는 정류전원부;
상기 모듈 출력단 전압을 감지하여 설정된 전압을 기준으로 제어신호를 발생하는 레벨제어부;
상기 레벨제어부의 제어신호에 따라 상기 정류전원부의 입력 또는 출력을 연결 제어하되 피크전압이 없는 범위 내에서 비충격으로 연결 제어하는 비충격 스위칭부;
상기 비충격 스위칭부를 통해 상기 모듈에 연결된 상기 정류전원부의 작동을 연동함에 따라 태양광 발전시스템에서 피크전압 없이 모듈의 수명을 연장하도록 된 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치를 개시한다.
본 발명에 의하면, 범용의 정류전원부로 모듈의 수명을 연장하는 시스템을 간단하게 구성할 수 있다. 이에 따라 저 가격의 수명연장 시스템이 구성되면서도 인버터, 충전기, MPPT 제어장치 등 주변장치가 허용 입력전압 범위 내에서 안전하게 작동될 수 있는 기술적 효과를 얻을 수 있다.

Description

태양광 모듈의 수명연장 장치{Device for extending the life of solar modules}

본 발명은 부하단의 전압보다 모듈 전압을 높게 설계한 태양광발전시스템의 수명연장 기술이다.

태양광 발전시스템(이하 ‘태양광’이라 함)은 독립형과 계통형(Grid)으로 대별된다. 계통형인 경우 직류 계열의 모듈과 교류 계열의 인버터가 결합되어 발전시스템을 이룬다. 도 1은 계통형(grid type) 중 국소 내의 단위 발전시스템 구성을 나타낸 것이다.

도 1에서 모듈(solar module)은 태양광을 전기로 변환하는 광전 변환소자이다. 용도에 맞추어 주로 복수의 패널(모듈)을 직렬 또는 병렬 스트링으로 조직한다.

태양광 모듈의 특성과 관련한 자료로서, 도 2의 I-V곡선을 참조하면 부하단에 큰 전류가 흐를 때 모듈의 전압은 급격히 저하하고, 도 3의 전압온도계수 곡선을 참조하면 모듈은 -0.3~0.5%/℃의 전압온도계수를 가지며, 도 4를 참조하면 배터리는 충전에 필요한 단계별 단자전압 특성이 있음을 알 수 있다.

따라서 이러한 도 2, 3, 4의 특성 때문에 도 1의 모듈은 부하단 전압보다 충분히 큰 잉여설비(잉여전압)로 설계된다. 예를 들어 부하단이 384V이면 50% 정도 더 높은 576V 이상으로 설계되는 것이다. 576V의 개방전압은 겨울철의 경우 750V까지 달하게 된다.

도 5는 태양광의 모듈이 부하단 전압보다 충분히 큰 잉여전압으로 설계되어야 하는 이유를 정리한 것이다. 즉, 여름에 필요한 온도 보상용으로 10% 정도, 수명주기용으로 20% 정도, 배터리충전 낙차용으로 20% 정도의 잉여모듈로서 약 50% 더 높게 설계함을 설명하고 있다.

도 6은 도 1에서의 인버터(Inverter)에 대한 입력전압 특성을 나타낸 도표이다. 즉, 인버터는 350V ~ 850V까지 입력전압이 허용되는데, 350V 미만에서는 작동을 멈추고 850V 이상에서는 인버터에 장애가 발생될 위험이 있으므로 이 전압의 범위를 벗어나서 운전을 하면 아니 됨을 알 수 있다. 모듈의 최대전력점을 추적하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking)는 400V ~ 840V 범위에서 작동함을 알 수 있다. 주목할 것은 인버터의 동작을 멈추는 드레시홀드(threshold)는 350V라는 점이다. 태양광 모듈의 수명은 모듈 전압이 이 드레시홀드에 미달되는 때까지이다.

도 1의 태양광 시스템이 어느 정도의 전력을 생산해 내는가를 아는 것은 전기 사업자에게 매우 중요한 관심사항이다.

예를 들어 공칭규격 400W 모듈을 사용한 시스템에서 전력이 200W만 나온다면 그 시스템의 가동효율은 50%에 지나지 않는다. 즉, 전기 판매 수익이 50%에 지나지 않는다는 것이다.

가동효율은 특히 모듈설비 대비 전기의 생산량이 어느 정도인가에 초점을 둔다. 예를 들어 동일한 전류를 기준으로 할 때 부하단이 384V인데 모듈이 576V로 설계 되었다면 그 차이의 손실은 33.3%에 이르고 결국은 가동효율이 66.6%에 지나지 않게 되는 것이다.

본 발명자가 발명한 이하의 여러 선행특허들은 모듈을 처음부터 낮은 전압으로 설계함으로써 이러한 손실을 방지하고, 그에 따라 가동효율을 높이는 다양한 기법을 개시하고 있다. 이 선행특허들을 활용하면 모듈은 576V가 아니라 부하단과 동일한 384V로 설계될 수도 있으므로 만약 태양광의 강도가 100%라면 전기의 생산도 100%가 될 수 있는 것이다.

즉, 온도보상, 수명주기, 배터리 충전전압 낙차를 보상하기 위해 반드시 구비하였던 종래의 잉여모듈을 이하의 선행특허들을 통해 원천적으로 제거함으로써 상대적으로 가동효율을 증가시켰다. 만약 장치의 손실을 무시한다면 가동효율은 100%가 된다. 선행특허들의 착상 동기는 도 7로 요약된다.

한편, 모듈은 매년 0.3~0.9%point씩 성능 저하가 일어나서 그 성능이 80% 수준에 달하는 25년~30년을 성능 보증기간으로 한다. 도 8은 이에 관한 수명주기를 곡선으로 나타낸 그래프이다. 수명주기에 달한 태양광은 인버터의 드레시홀드에 모듈의 전압이 미달된다는 것을 의미한다. 드레시홀드를 초과할 때의 가동효율과 미달될 때의 가동효율은 크게 달라지기 때문에 이러한 가동효율 변동이 나타나면 그 태양광시스템의 모듈은 전면적 또는 부분적으로 교체를 해야 하는 것이다.

하지만, 전기 사업자에 따라서는 비록 효율은 다소 저하되었더라도 수명을 연장해서 사용할 수만 있다면 이를 채택하겠다는 요구가 있는 실정이므로 이러한 종래의 태양광 모듈을 위한 수명연장 기술도 필요하다. 참고로 국내의 연구 결과에 의하면 수명주기에 달한 모듈에서도 전압의 변동은 크지만 전류는 온전하게 유지됨을 검증한 바 있다.

이하의 선행특허들은 모듈의 전압을 낮게 설계한 데 적용되는 기술이므로, 모듈의 전압을 높게 설계한 종래의 태양광 모듈의 수명연장을 위해서는 원리적으로 다른 별도의 발상이 필요하다. 비록 수명주기에 달했다고 하더라도 부하단에서 전류를 소모하지 않는 경우의 개방전압(Voc)은 종전 그대로이므로, 도 7의 개념이 아닌 도 5의 개념으로 모듈을 구성한 종래의 태양광에 선행기술을 적용하면 모듈의 개방전압 때에 인버터의 허용 입력전압 범위를 초과할 수 있기 때문이다.

이를 감안하여 본 발명은 부하단보다 낮은 모듈 전압이 아닌, 부하단 보다 높게 설계된 종래의 모듈에 대한 수명연장 기술을 개시하며, 구체적으로는 PWM 또는 MPPT와 최적화 결합되는 새로운 수명연장 장치 기술을 개시하는 것이다.

종래 태양광 모듈의 수명연장으로 소형화된 장치 및 저렴한 가격 구조로는 AC-DC 변환 개념의 SMPS(Switched Mode Power Supply)가 고려 될 수 있다. 하지만 SMPS는 교류측 입력단과 직류측 출력단을 절연하는 복권 트랜스의 자속밀도 포화 특성 때문에 직류전압의 조절범위가 좁아 이를 그대로 적용하는 것은 부적합하다.

특히 고전압 전용의 종래 태양광 모듈에 SMPS를 적용하기 위해서는, 빈번한 온-오프에 따른 (릴레이) 접점 손상, 서지, 잡음 등의 문제를 해결해야 하는 한편 인버터 등 주변장치에 장해를 줄 가능성 있는 피크전압으로부터 안전성도 확보하는 새로운 기술이 필요하므로, 개량발명이 필요한 실정이다.

본 발명은 이를 위해 위상제어 내지 로-하이 래치 스위치 개념을 적용하여 문제를 해결한 새로운 착상이다.

대한민국 특허출원 1020200089557 (2020.07.20) 대한민국 특허출원 1020190094849 (2019.08.05) 대한민국 특허출원 1020190036118 (2019.03.28) 대한민국 특허출원 1020190094844 (2019.08.05) 대한민국 특허출원 1020200039764 (2020.04.01) 대한민국 특허출원 1020150008277 (2015.01.16) 대한민국 특허출원 1020180154303 (2018.12.04) 대한민국 특허출원 1020180001666 (2018.01.05) 대한민국 특허출원 1020170153635 (2017.11.17) 대한민국 특허출원 1020190170458 (2019.12.19)

본 발명의 제1목적은 잉여설비가 포함된 태양광에 모듈의 수명을 연장하는 장치를 보강하되 인버터 등 주변장치의 입력전압 허용범위 내에서 수명연장 장치가 가동되는 구성을 개시하고자 함에 있다.

본 발명의 제2목적은 모듈의 전압 변동을 추적하여 상기 수명연장 시스템을 가동 혹은 중지하되 가동의 빈도를 축소하는 구성을 개시하고자 함에 있다.

이와 같은 목적의 본 발명은 그 일실시례로서,

부하단 전압보다 높은 전압으로 설계되는 태양광 모듈과 상기 부하단보다 높은 전압을 부하단에 맞추어 조절하는 전력조절부를 포함하는 계통전원 태양광 발전시스템에 있어서,

교류 전원으로부터 직류를 정류하는 정류전원부;

상기 모듈 출력단 전압을 감지하여 설정된 전압을 기준으로 제어신호를 발생하는 레벨제어부;

상기 레벨제어부의 제어신호에 따라 상기 정류전원부의 입력 또는 출력을 연결 제어하되 피크전압이 없는 범위 내에서 비충격으로 연결 제어하는 비충격 스위칭부;

상기 비충격 스위칭부를 통해 상기 모듈에 연결된 상기 정류전원부의 작동을 연동함에 따라 태양광 발전시스템에서 피크전압 없이 모듈의 수명을 연장하도록 된 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치를 개시한다.

여기서, 상기 정류전원부는 교류를 입력 받아 직류를 출력하는 SMPS이고,

상기 비충격 스위칭부는 직류적으로 절연된 상태에서 상기 레벨제어부의 제어신호를 받아서 상기 정류전원부의 교류 입력단을 제어하는 위상제어 스위치일 수 있다. 상기 레벨제어부는 상한 전압을 제한하는 제1설정 전압 및 하한 전압을 제한하는 제2설정 전압을 기점으로 온 또는 오프 신호를 발생하는 로-하이 스위칭 제어신호를 발생하는 구성을 포함하고, 상기 비충격 스위칭부는 상기 로-하이 스위칭 제어신호를 받아서 상기 정류전원부의 교류 입력단을 로-하이 래치 스위칭으로 연결 제어하는 등의 구성을 포함할 수 있다.

상기 비충격 스위칭부는 교류의 위상을 제어하는 사이리스터이고, 상기 사이리스터의 게이트에는 아이솔레이션 옵토 타입의 트리거 제어기가 연결되어서 상기 레벨제어부의 제어 결과에 따라 사이리스터의 연결을 온-오프 제어하는 구성을 포함할 수 있다. 또한 상기 사이리스터는 트리거 제어기의 제어신호를 받아서 상기 정류전원부의 교류 입력전원을 위상제어로 승강 조절하는 구성을 더 포함할 수 있다.

나아가, 상기 정류전원부는 교류를 입력 받아 직류를 출력하는 SMPS이고,

상기 비충격 스위칭부는 교류 또는 직류의 경로를 연결 제어하는 릴레이이며, 상기 레벨제어부의 제어 결과에 따라 릴레이 접점 계통을 온-오프 제어하되, 상기 레벨제어부는 온 작동을 위한 제1설정 전압과 오프를 위한 제2설정 전압의 높이가 상이한 로-하이 래치 스위칭으로 상기 릴레이를 구동하도록 연동 구성될 수 있다.

이때 상기 릴레이는 영구자석이 부설된 가동편과 상기 가동편의 이동에 따른 물리적 상태가 전기적 접점으로 인출되는 스위칭부와,

전원(+, -)의 힘으로 상기 가동편을 이동시키도록 연동된 전자석; 및

상기 전자석의 전원(+, -)을 제거하여도 상기 가동편이 이동된 상태를 유지하도록 가동편의 영구자석과 자력으로 결합되는 하우징;을 포함하는 구성으로 실시될 수 있다.

상기 전력조절부(18)는 PWM 또는 MPPT로 부하단 전압과 모듈 전압의 차이를 조절 및 변환하는 구성일 수 있다.

본 발명의 수명연장 장치는 다단 스택으로 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 범용의 정류전원부로 모듈의 수명을 연장하는 시스템을 간단하게 구성할 수 있다. 이에 따라 저 가격의 수명연장 시스템이 구성되면서도 인버터, 충전기, MPPT 제어장치 등 주변장치가 허용 입력전압 범위 내에서 안전하게 작동될 수 있는 기술적 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 수명연장 시스템의 가동 빈도를 축소하여 온-오프 제어소자의 수명을 연장하는 효과가 있으며 다단 스택으로 적층 가능한 수명연장 장치를 구성할 수 있다. 특히 본 발명은 다단 스택과 함께 모듈이 최대전력점에 대응되는 발전 기능으로 동작하는 동안에 수명연장 장치가 개입되고, 발전 기능이 휴지에 대응되는 개방전압 상태에서는 수명연장 장치가 배제됨으로써 수명연장 장치의 아이들링 소모 전력을 해소하는 효과가 있다.

상기 정류전원부의 전압 조절을 교류측 위상제어를 통해 달성함으로써 정류전원부의 전압조절 범위를 확장할 수 있게 된다. 즉, 정류전원부에서 이루지 못하는 직류측 전압조절을 교류측에서 이룸으로써 단순한 정류전원부로 광범위 전압 조절로서 태양광 발전시스템의 수명을 연장할 수 있게 되는 효과가 있다.

본 발명에 의하면, 본 발명의 로-하이 래치 스위칭과 MPPT를 융합하여 모듈의 수명을 연장하되 인버터의 상한 전압과 하한 전압 사이에서 안전 및 안정을 보장하면서 MPPT와 융합되어 고효율을 달성하는 효과가 있다.

도 1은 계통연계형 태양광 시스템 중에서 단위 발전시스템을 도시한 블록다이어그램이다.
도 2는 태양광 모듈의 I-V곡선이다.
도 3은 태양광 모듈의 온도계수곡선이다.
도 4는 배터리 충전단계별 단자전압과 충전전류 특성 곡선이다.
도 5는 태양광 시스템에서 모듈을 잉여설비로 구축해야 하는 이유를 설명하는 도표이다.
도 6은 인버터의 입력전압 범위를 나타낸 특성도이다.
도 7은 선행기술을 태양광 시스템에 적용할 때 도 5에서의 모듈 잉여설비가 불필요한 이유를 설명하는 도표이다.
도 8은 태양광 모듈의 수명주기 곡선이다.
도 9는 다층 모듈로 스트링을 구성하여 인버터에 연결하는 직류-교류의 발전원리를 나타낸 블록다이어그램이다.
도 10은 도 9에서 인버터에 가해지는 입력전압의 최저 및 최대 범위를 나타낸 것으로 특히 동작정지 전압인 드레시홀드가 포함된 입력전압 범위를 나타낸 것이다.
도 11은 SMPS 등의 정류전원부로서 모듈 수명연장 장치를 고려할 때의 일례를 도시한 블록다이어그램이다.
도 12는 본 발명의 모듈 수명연장 장치를 개념적으로 도시한 블록다이어그램이다.
도 13은 도 12를 좀 더 구체적인 교류 위상제어 스위치 개념으로 도시한 블록다이어그램이다.
도 14는 도 13의 다른 일실시례를 도시한 블록다이어그램이다.
도 15는 도 13의 교류 위상 제어 스위치를 접점 스위치의 일례로 변경 개시한 블록다이어그램이다.
도 16은 본 발명의 로-하이 래치 스위칭 개념을 적용한 모듈 수명연장 장치를 다단으로 적층한 일례를 도시한 블록다이어그램이다.
도 17은 정류전원부의 출력을 이용하여 피드백 제어하는 알고리즘을 도시한 흐름도이다.

본 발명은 이하 설명하는 것 외에도 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바 특정한 실시일례들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 자세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니므로, 이하 개시하는 구성은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였으나, 예를 들어 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되고 있을 뿐, 이 구성요소들을 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등으로 용어를 붙여서 한정되는 것으로 이해를 하여서는 아니 된다. 상기 용어들은 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 마찬가지의 원리로 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 첫 번째와 두 번째의 경우도 마찬가지이다.

이와 같은 원칙하에 본 발명에 따른 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 목적과 특징들은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다.

도 9는 다층 모듈로 스트링을 구성하여 인버터에 연결하는 직류-교류의 발전원리를 나타낸 블록다이어그램이며, 도 10은 도 9에서 인버터에 가해지는 입력전압의 최저 및 최대 범위를 나타낸 것으로 특히 동작정지 전압인 드레시홀드가 포함된 입력전압 범위를 나타낸 것이다. 본 발명이 적용될 대상을 나타낸다.

도 9에서 모듈(11-1, 11-2, ... 11-n)은 다층으로 직렬 구성된 모듈 스트링을 나타낸다. 예를 들어 가장 상단의 모듈은 최대전력점전압(Vmpp)이 600V일 수 있다. 상기 모듈은 인버터(12)의 직류(12a) 입력단으로 공급된다. 인버터는 직류(12a)를 공급받아 적정한 전압 형태의 교류(12b)를 출력한다. 그 출력은 단상 220V일수도 있고, 3상 380V 또는 그 이상일수도 있다.

이와 같은 인버터(12)는 통상 도 6 및 도 10에서 보듯이, 입력전압 범위 특성을 가진다. 도 10에서 최대 입력전압은 일순간이라도 초과되면 안전을 보장하지 않는다는 의미인 허용 상한 전압이고, 최저 입력전압은 미달될 때 동작을 보장하지 못한다는 허용 하한 전압이다. 도 6의 예를 발췌한 도 10으로부터 상한 전압은 850V, 하한 전압은 350V임을 예시로 알 수 있을 것이다.

여기서, 통상 인버터에는 도 6의 작동범위로 보듯이 400V에서 850V 사이의 어느 레벨의 전압으로 입력되더라도 최대전력점으로 동작하는 MPPT(18)가 포함되어 있다.

본 발명은 이러한 인버터(12)의 MPPT(18)와 본 발명의 로-하이 스위칭 제어 장치와 정류전원부가 결합된, 종래 태양광 시스템에 최적화한 모듈 수명연장 장치를 개시한다. MPPT는 일반적인 PWM로 대체될 수도 있다. 미 설명부호 (12-1)은 계통에 연결되는 교류 부하계통이다.

도 11은 SMPS 등의 정류전원부(13)로서 모듈 수명연장 장치를 고려할 때의 가장 간단한 일례를 도시한 블록다이어그램이다. 다이오드(13-1)는 정류전원부가 정지되었을 때 모듈과 인버터 간에 전류 순환을 위한 바이패스 다이오드이다. 경우에 따라서는 정류전원부(13)의 작동과 연동하는 릴레이 등 스위치 접점으로 다이오드 손실이 없도록 구성할 수 있다. 다만 이 경우 연동되는 릴레이는 후술하는 로-하이 스위칭과 연동되는 것이 바람직하다. 도 11 만으로 모듈 수명연장 장치를 구성할 경우 자칫 인버터의 입력 상한 전압을 초과할 우려가 있다.

따라서 본 발명은 도 12 이하의 제어장치를 개시한다.

도 12는 본 발명의 모듈 수명연장 장치를 개념적으로 도시한 블록다이어그램이고, 도 13, 도 14 및 도 15는 도 12를 좀 더 구체적으로 도시한 블록다이어그램으로서,

부하단 전압보다 높은 전압으로 설계되는 태양광 모듈(11)과 상기 부하단보다 높은 전압을 부하단에 맞추어 조절하는 전력조절부(18)를 포함하는 계통전원 태양광 발전시스템에 있어서,

교류 전원으로부터 직류를 정류하는 정류전원부(13);

상기 모듈(11) 출력단 전압을 감지하여 설정된 전압을 기준으로 제어신호를 발생하는 레벨제어부(14);

상기 레벨제어부(14)의 제어신호에 따라 상기 정류전원부(13)의 입력 또는 출력을 연결 제어하되 피크전압이 없는 범위 내에서 비충격으로 연결 제어하는 비충격 스위칭부(15);

상기 비충격 스위칭부(15)를 통해 상기 모듈(11)에 연결된 상기 정류전원부(13)의 작동을 연동함에 따라 태양광 발전시스템에서 피크전압 없이 모듈(11)의 수명을 연장하도록 된 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치를 개시한 것이다.

여기서, 상기 정류전원부(13)는 교류를 입력 받아 직류를 출력하는 SMPS이고, 상기 비충격 스위칭부는 직류적으로 절연된 상태에서 리니어 제어 방식의 레벨제어부(14a)의 제어신호를 받아서 상기 정류전원부의 교류 입력단을 제어하는 위상제어 스위치일 수 있다.

또한 상기 비충격 스위칭부는 상한 전압을 제한하는 제1설정 전압 및 하한 전압을 제한하는 제2설정 전압을 기점으로 온 또는 오프 신호를 발생하는 디지털 제어 방식의 레벨제어부(14b)를 포함한다. 즉, 이와 같은 로-하이 스위칭 제어신호를 받아서 상기 정류전원부(13)의 교류 입력단을 로-하이 래치 스위칭으로 연결 제어하는 구성을 포함할 수 있다.

또한 비충격 스위칭부(15)는 교류의 위상을 제어하는 사이리스터(U1)이고, 상기 사이리스터의 게이트에는 아이솔레이션 옵토 타입의 트리거 제어기(U2)가 연결될 수 있고, 이에 따라 상기 레벨제어부(14)의 제어 결과로 사이리스터의 연결을 온-오프 제어하는 구성을 포함하면서 상기 정류전원부의 교류 입력전원을 위상제어로 승강 조절하는 구성을 겸하도록 구성할 수 있다.

또한 상기 정류전원부(13)는 교류를 입력 받아 직류를 출력하는 SMPS이고, 상기 비충격 스위칭부(15)는 교류 또는 직류의 경로를 연결 제어하는 릴레이이며, 상기 레벨제어부(14)의 제어 결과에 따라 릴레이 접점 계통을 온-오프 제어하되 상기 레벨제어부는 온 작동을 위한 제1설정 전압과 오프 작동을 위한 제2설정 전압으로서, 높이가 상이한 로-하이 래치 스위칭으로 상기 릴레이를 구동하도록 연동 구성될 수 있다. 이때 상기 릴레이는 영구자석(41a 및/또는 41b)이 부설된 가동편(22a)과 상기 가동편의 이동에 따른 물리적 상태가 전기적 접점으로 인출되는 스위칭부(23a)와, 전원(+, -)의 힘으로 상기 가동편(22a)을 이동시키도록 연동된 전자석(42a); 및

상기 전자석(42a)의 전원(+, -)을 제거하여도 상기 가동편(22a)이 이동된 상태를 유지하도록 가동편의 영구자석과 자력으로 결합되는 하우징(42b);을 포함하는 구성으로 실시될 수 있다.

상기 전력조절부(18)는 PWM으로 부하단 전압과 모듈 전압의 차이를 조절하거나 MPPT로 부하단 전압과 모듈 전압의 차이를 전류로 변환하는 구성에 결합되는 구성일 수 있다.

상기 각각의 구성을 포함하는 수명연장 장치는 다단으로 쌓아서 상기 제1설정 전압 내지 제1설정 전압에 연계되는 다단의 전압으로 승강 조절될 수 있다. 예컨대 모듈의 전압이 저하하는 데 따라서 점진적으로 수명연장 장치의 수량을 늘려서 적층 할 수 있는 것이다. 이렇게 적층을 하면 전압의 급격한 변화를 방지하면서 모듈 교체에 필요한 구조물의 시공 부담을 경감하게 된다.

도 12 내지 도 15의 작용을 설명하면 다음과 같다.

부하단 전압보다 높은 전압으로 설계되는 태양광 모듈(11)이라 함은 예를 들어 배터리 충전을 위해 필요한 통상 20% 정도 높게 설계되는 자연 낙차 전압 등을 말한다. 부하단보다 높은 전압을 부하단에 맞추어 조절하는 전력조절부(18)란 PWM 또는 MPPT를 이용하여 높은 전압의 모듈과 낮은 전압의 부하단을 매칭시키는 것을 말한다.

PWM은 듀티비(Duty rate)를 조절하는 시간함수 알고리즘으로 평균전력을 제어하며, MPPT는 거기에 더하여 초과되는 잉여전압을 전류로 변환하는 알고리즘을 추가적으로 포함한다.

통상적으로 모듈의 전압은 스트링으로 시공 시에 조직이 되고, MPPT 혹은 PWM(18)은 전력조절부로서 인버터에 내장된다. 이러한 인버터의 내장 기능에 의하여 입력 허용전압 범위 내에서는 안정된 동작을 유지할 수 있게 되는 것이다.

계통전원이란 전기사업자의 전력 판매 계통선로 등을 말한다.

교류 전원으로부터 직류를 정류하는 정류전원부(13)란 SMPS 혹은 일반정류기를 말한다. 입력되는 교류전원의 전압 내지 전류로서 직류 출력전압이 가변되는 구성을 포함하거나 단순히 설정 범위의 전압을 출력하는 구성일 수 있다.

상기 모듈(11) 출력단 전압을 감지하여 설정된 전압을 기준으로 제어신호를 발생하는 레벨제어부(14)란 이하의 비충격 스위칭부(15)를 제어하는 기준점으로서의 제어신호를 발생하기 위한 제어부이다. 레벨제어부(14)의 구성은 이하 (14a) 및 (14b)를 통해 좀 더 자세히 설명된다.

상기 레벨제어부(14)의 제어신호에 따라 상기 정류전원부(13)의 입력 또는 출력을 연결 제어하되 비충격으로 연결 제어하는 비충격 스위칭부(15)란 리니어 제어방식의 위상제어 스위치, 로-하이 래치 위상제어 스위치, 로-하이 계전기 또는 로-하이 래치 계전기를 통해 달성된다. 이때 비충격 스위칭부는 교류의 위상을 제어하는 사이리스터(U1)일 수 있다. 본 발명에서 사이리스터는 TRIAC, SCR, GTR 등 3단자 제어소자 중 어느 하나를 포함하는 것으로, 상기 레벨제어부(14a)의 제어 결과에 따라 사이리스터의 연결을 온-오프 제어, 예를 들어 게이트 신호가 레벨제어부(14)에서 출력되어 사이리스터를 도통시킬 수 있다.

상기 정류전원부(13)는 교류를 입력 받아 직류를 출력하는 SMPS일 수 있는데, 이때 상기 비충격 스위칭부는 직류적으로 절연된 상태에서 상기 레벨제어부(14a)의 제어신호를 받아서 상기 정류전원부의 교류 입력단을 제어하는 작용을 하게 된다.

상기 사이리스터(U1)는 교류의 위상으로 SMPS의 입력전압을 조절하는 구성을 포함할 수 있으며, 그 구성이 도 13에 도시되어 있다.

도 13에서 (U3)는 리니어 위상제어기로 작동한다. 예를 들어 저항 브리더로 된 (P1)점의 전압을 감지하여 설정된 전압을 기준으로 온-오프를 반복하면 그 신호가 TR(Q5)을 통해 인버팅 방식으로 옵토 트리거 회로를 제어한다. 즉, 평상시에는 (R1)과 (U2)가 상시 사이리스터를 턴 온 하여 정류전원부(13)를 작동시키되, 모듈(11-n) 전압이 설정된 전압까지 상승하면 (U3)가 온 되고, TR(Q5)이 온 되어 옵토 트리거(U2)로부터의 게이트 신호를 차단하는 것이다.

(U3)의 온-오프로서 전원 사이클에 따라 주기적으로 위상을 조절하면 그에 따라 정류전원부에 가해지는 전력이 조절되므로 정류전원부 내의 평활회로 필터링 계수와 어우러져 실질적인 전압 조절 기능을 수행하게 된다.

미설명 부호 (U4)는 리니어 레벨제어기(14a)용 전원부이며, (17a, 17b)는 모듈을 병렬로 접속하고자 할 때 역전류 방지용 다이오드 등 병렬 연동되는 모듈 그룹을 나타낸다. (Rf1)은 (U3)의 민감도를 조절하는 피드백 저항이다.

모듈의 최상단으로부터 전압을 감지하는 (P1)은 정류전원부(13)의 출력단 전압 내지 전류를 감지하도록 이동 연결될 수 있다. 전압을 감지할 때는 모듈과 정류전원부가 합산되는 모듈 최상단의 전압을 유추하여 적용하거나 전류를 감지하여 전압으로 유추하는 것이 바람직하다. 예를 들어 정류전원부(13)의 출력전류를 제1설정 전류와 제2설정 전류로 감지하여 로-하이 스위칭을 적용할 수 있다. 즉, 전류가 없으면 개방전압으로 모듈의 전압은 높아지고 전류가 많으면 최대전력점 전압으로 모듈의 전압이 낮아지는 원리를 이용하여 전류의 변동에 전압의 최대점을 유추할 수 있는 것이다. 이 유추에는 하드웨어적인 회로는 물론, 마이컴을 이용한 알고리즘을 적용할 수 있다. 전류의 감지는 도시생략된 정류전원부의 출력 경로에 직렬로 홀센서 등을 삽입하거나 션트저항으로 전압 강하 현상을 감지하도록 구성할 수 있다. 전류 센서는 인버터의 출력단 전력센서 내지 전류센서를 이용할 수도 있다. 이는 인버터 내에 본 발명이 통합 수용될 때 유용하다.

따라서 본 발명의 제1설정 전압, 제2설정 전압, 레벨제어부(14, 14a, 14b) 등은 도시된 하드웨어적 원리에 한정되는 것이 아니며, 도시생략된 마이컴(마이크로프로세서)의 대체 구성도 포함한다. 또한 저항브리더(P1), 제1설정 전압, 제2설정 전압, 레벨제어부(14, 14a, 14b)의 용어는 전류센서에 의한 (P1), 제1설정 전류, 제2설정 전류 및 이에 연동되는 레벨제어부(14, 14a, 14b)의 작용을 포함한다.

상기 예시된 사이리스터의 게이트(GTR인 경우는 베이스에 해당한다)는 옵토 트리거 제어기(U2)가 연결되어서 제어가 이루어진다.

이때 아이솔레이션 타입의 옵토 트리거 제어기는 DC 측과 절연된 상태로 교류 측 전원을 제어하는 것으로서, 예를 들어 상한 전압에 갈음되는 제1설정 레벨을 지정해 두고 직류 측에서 제1설정 전압(또는 전류)을 감지하되 그 감지 후 제어의 실행은 옵토 트리거를 통해 직류와 절연된 상태의 교류 회로에서 이루어지도록 하는 것이다.

옵토 트리거는 사이리스터가 트라이악인 경우 옵토 다이악(U2)을 통해 연동될 수 있다. 이때 사이리스터는 게이트에 가해지는 신호에 따라 정류전원부(13) 입력전원을 위상 주기로서 온-오프 하는 작용을 하게 된다. 이때 장시간 오프 상태를 유지하면 DC적으로 차단이 되는 것이고, 전원 사이클에 따라 단발성 주기로 온-오프를 하면 그에 따른 듀티비(Duty rate)에 따라 전원 전압은 조절된다. 즉, 직류 측 컨버터 기능이 아닌 교류 측의 위상 제어로 정류전원부의 출력전압이 조절되는 것이다.

상기 사이리스터의 게이트에는 아이솔레이션 옵토 타입의 트리거 제어기(U2)가 연결되어서 상기 리니어 레벨제어부(14a)의 제어 결과에 따라 사이리스터의 연결을 온-오프 제어하는 구성을 포함함과 아울러 트리거 제어기의 제어신호를 받아서 상기 정류전원부의 교류 입력전원을 위상제어로 승강 조절하는 구성을 더 포함할 수 있는 것이다.

전류 센서에 의할 경우 정류전원부의 출력단을 통과하는 전류의 양에 추종하여 상기 로-하이 래치 스위칭 내지 리니어 전압 조절 방식의 위상제어 전압 조절을 수행토록 할 수 있다. 이에 관한 알고리즘은 도 17에서 별도로 설명하기로 한다.

상기 비충격 스위칭부(15)를 통해 상기 모듈(11)에 연결된 상기 정류전원부(13)의 작동을 연동함에 따라 태양광 발전시스템에서 피크전압 없이 모듈(11)의 수명을 연장하도록 된 구성이라 함은 인버터, 충전제어장치 등 주변장치의 입력 허용범위를 초과하는 피크전압이 없이, 예를 들어 피크전압으로 올라가기 전에 비충격 스위칭부에서 정류전원부의 작동을 차단 조절하는 것이다. 이때 작동개시는 드레시홀드에 도달하지 않는 범위의 하한 레벨에서 이루어지고 작동정지는 입력허용범위를 초과하지 않는 상한 레벨에서 이루어질 수 있다. 그 사이의 전압 조절 및 가동효율은 PWM 내지 MPPT와 융합적으로 협동하여 이루어진다.

또한 전류 센서를 이용한 리니어 제어 방식으로 전압 조절이 이루어질 수도 있다.

한편, 도 12 내지 도 14에 관련하여 상기 레벨제어부(14b)는 상한 전압을 제한하는 제1설정 전압 및 하한 전압을 제한하는 제2설정 전압을 기점으로 온 또는 오프 신호를 발생하는 로-하이 스위칭 신호를 발생하는 구성을 포함하고, 상기 비충격 스위칭부(15)는 상기 로-하이 스위칭 제어신호를 받아서 상기 정류전원부(13)의 교류 입력단을 로-하이 래치 스위칭으로 연결 제어하는 구성을 포함할 수 있다.

도 14는 이에 관한 로-하이 래치 스위치의 개념을 도시한 블록다이어그램으로서, 도 14의 레벨제어부(14b)는 상기 작동개시를 위한 제1설정 전압과 상기 작동중지를 위한 제2설정 전압의 높이가 상이한 로-하이 래치 스위칭으로 작용한다. 즉, (14a)가 리니어 제어 방식의 스위칭 개념이고, (14b)는 디지털 제어 방식의 스위칭 개념인 것이다.

이때 상기 비충격 스위칭부(15)는 교류 또는 직류의 경로를 연결 제어하는 사이리스터는 물론, 릴레이를 적용할 수도 있다. 릴레이를 적용하는 경우에도 상기 레벨제어부(14)의 제어 결과에 따라 릴레이 접점 계통을 온-오프 제어하는 구성이 그대로 적용될 수 있다. 릴레이는 반도체 스위칭인 SSR(Solid State Relay)을 포함한다.

도 14의 로-하이 래치 스위칭 레벨제어부(14b)는 저항브리더로 된 (P1)을 중심으로 제1설정 레벨인 하이 전압과 제2설정 레벨인 로우 전압을 하나의 비교기로 달성하는 구성을 개시하고 있다(물론 도 15에 도시한 일례처럼 두 개 이상으로 별도 분리하여 적용할 수도 있다). 구체적으로 제1설정과 제2설정은 정궤환으로 피드백되는 저항(Rf2)을 조절함으로써 (P1)점을 중심으로 상한 전압과 하한 전압으로 벌어지거나 좁혀진다. 여기서 벌어진다 함은 도 10에서 입력전압 범위가 넓어진다는 의미와 같고, 좁혀진다 함은 도 10에서 입력전압 범위가 좁혀진다는 의미와 같다.

예를 들어 넓혀서 상한 전압을 700V로 하고 하한 전압을 450V로 설정한 경우에 (U3)는 상한 전압 700V에서 TR(Q5)를 도통시켜 사이리스터(U1)의 동작을 차단함으로써 정류전원부의 입력전원을 차단하도록 작용하고, 400V에서 그와 반대로 정류전원부의 입력전원을 공급하는 스위칭 작용을 하게 된다.

이 스위칭 작용은 부하단이 연결되어 있는 한 400V ~ 700V 사이에 머무르고(이때는 정류전원부가 작동된다), 부하단이 개방되면 700V(이때는 정류전원부가 정지된다) 이상으로 올라가는 것인데, 그 부하단의 개방과 연결이 하루 중 수 회 정도에 지나지 않는 정도이므로, 실질적으로 상기 레벨제어부(14b)는 한 번 전환이 되면 작동을 지속하는 디지털 방식의 래치 스위치로서 로-하이 범위에서 스위칭 되는 개념으로 작동하게 되는 것이다.

로-하이의 범위 내에서는 도 6에서 보듯이 MPPT가 작동하므로 그 입력전원의 변동은 안전성만 확보되면 가동효율에는 영향을 주지 않게 된다.

따라서, 본 발명의 로-하이 래치 스위칭은 인버터의 MPPT와 수명을 다한 모듈 스트링의 사이에 개입되어 수명연장을 위한 최적화 기능을 발휘하는 것이다. 여기서 최적화란 래치 스위칭을 이용하여 온-오프 상태가 빈번하게 이루어지지 않거나 부가적으로 위상제어를 통해 전력을 제어하는 기능을 의미한다.

도 14의 구성을 도 13과 직렬로 구성하면 로-하이 스위칭의 범위 내에서 위상제어로 정류전원부의 전압을 조절하는 기능까지 갖추게 된다.

본 발명에서 TR(Q5)와 (U3)로 도시된 비교기 및 트리거 회로들은 도시된 회로에 당연히 한정되지 않는다. 예를 들어 접지와 연결된 TR(Q5)는 (+)전원에 연결되어 TR(Q5)가 도통시에 (U1)이 온 되도록 구성될 수도 있으며, 단일 소자로 도시된 (U3)는 다단으로 구성하여 동일한 기능을 수행토록 구성할 수 있다.

정류전원부(13)는 도 16에 도시하듯이 다단 적층도 가능하다. 이 경우 제1설정 전압과 제n설정 전압은 각 단마다 적용되어서 제1설정 전압에 도달하면 제1정류전원부(13-1)가 작동되고 제n설정 전압에 도달하면 제n정류전원부(13-n)가 작동되는 개념으로 직렬 다층을 채택한 그룹 제어를 채택할 수 있다. 이러한 구성을 통해서 정밀한 직류전압 조절 없이 각 단마다의 그룹 전압 단위로 정류전원부를 연동하고 로-하이 래치 된 스위칭에서 로(low)와 하이(high)의 사이 갭에서는 PWM 내지 MPPT가 전력조절을 담당하는 융합적 협동으로 작동을 하게끔 구성할 수가 있는 것이다. 예를 들어 제1정류전원부(13-1)가 작동되는 제1설정 전압은 550V이고, 제2정류전원부(13-2)가 작동하는 제2설정 전압은 450V이며, ... 제n정류전원부(13-n)가 작동하는 제n설정 전압은 150V일 수 있다. 이러한 개념으로 다층 적층도 가능한 것이다. 또한 전압의 감지 범위에 따라 그룹 내의 다층 정류전원부의 온 수량을 조절하는 구성을 채택할 수도 있는 등 다양한 수단으로 실시될 수 있는 것이므로, 본 상세한 설명의 실시예는 그 예시된 수단에 한정되지 않는다.

나아가 본 발명의 용어 중 제1설정, 제2설정 등이란 전압 또는 전류 센싱을 포함하는 용어이다.

도 14로 돌아가서, (U1)은 릴레이로 구성하더라도 실질적인 동작의 안전성을 확보할 수 있게 되는 데, 그것은 디지털 방식 로-하이 래치 스위칭 구성의 레벨제어부(14b)가 릴레이 접점 전환 횟수를 대폭 경감하기 때문이다.

이에 더 나아가 본 발명은 릴레이를 이용할 경우에 대비하여 영구자석을 이용한 무전원 래치 스위치를 적용하는 방안을 추가적으로 개시하기로 한다.

도 15는 이를 위하여 도 13 및 도 14의 교류 위상 제어 스위치를 접점 스위치의 일례로 변경 개시한 블록다이어그램이다.

여기서 릴레이는 적어도 하나의 영구자석(41a 및/또는 41b)이 부설된 가동편(22a)과 상기 가동편의 이동에 따른 물리적 상태가 전기적 접점으로 인출되는 릴레이접점부(a, c)와,

전원(+, -)의 힘으로 상기 가동편(22a)을 이동시키도록 연동된 전자석(42a); 및

상기 전자석(42a)의 전원(+, -)을 제거하여도 상기 가동편(22a)이 이동된 상태를 유지하도록 가동편의 영구자석과 자력으로 결합되는 하우징(42b);을 포함하는 구성을 개시한다.

도 15는 본 발명에서 전자석을 이용하는 래치 타입의 토글스위치를 원리적으로 예시한 구조도를 포함한다. 릴레이의 구조에 관하여 도 15의 (A)와 (B)로서 핵심적인 가동편의 작용을 추가적으로 설명한다.

도 15의 (A)에서의 가동편(22a)은 전자석의 극성에 따라 척력이 작용함으로써 가동편은 전자석(42a)과 반대방향으로 밀려진다. 이때 특히 가동편에 부설된 영구자석(41b)은 하우징의 자화에 따라 가동편의 S극이 하우징에 붙게 되므로 그 후부터 전자석의 전원을 제거하더라도 자력에 의해 접착된다.

만약 전자석에 공급되는 전압의 극성이 반대로 되면 전자석의 자극은 반대로 되므로 전자석의 N극이 가동편의 영구자석 S극과 접착하는 인력이 작용한다. 이에 따라 가동편(22a)은 도 15의 (B)처럼 오른쪽으로 이동하게 되는데, 일단 이동이 된 후에는 자화된 하우징(또는 전자석의 일측 금속)과 가동편의 N극이 접착되므로 그 다음부터는 전자석의 전원을 끊더라도 영구자석과 하우징의 접착에 의하여 그 이동된 상태가 그대로 유지되는 것이다. 이런 과정으로 (A)는 릴레이 접점 온(on), (B)는 릴레이 접점 오프(off)로 된 상태 그대로를 유지하게 되는 것이다.

상기 가동편(22a)의 주요 역할은 전자석의 인력과 척력으로 제어되어 위치를 이동하되 일단 이동을 한 후에는 전원이 지속 공급되지 않는 토글 형태의 스위치로 물리적인 출력을 하는 작용에 있다.

요컨대, 상기 하우징(42b) 내의 가동편에서 하우징과 인력이 일어나는 작용은 영구자석에 의해, 그리고 전자석과 인력 또는 척력으로 변동을 일으키는 작용은 전자석+영구자석이 합해진 자력에 의하되, 전자석+영구자석이 합해진 모멘트는 트리거 타입의 전자적 제어로서 순간적으로만 가해지는 작동을 하게 됨을 알 수 있을 것이다.

이를 위해 상기 하우징(42b)은 상기 가동편(22a)을 수용하는 하우징으로서 양 측단 측벽이 금속 등 자화 가능한 부재로 구성된다. 즉 가동편에 부설된 영구자석이 왼쪽으로 치우치면 하우징의 왼쪽 측벽과 영구자석 간에 인력이 작용하여 서로 접착된 상태로 유지되고(도 15의 (A) 참조), 가동편에 부설된 영구자석이 오른쪽으로 치우치면 하우징의 오른쪽 측벽과 영구자석 간에 인력이 작용하여 서로는 접착된 상태로 유지된다(도 15의 (B) 참조). 이때의 접착 유지는 자력을 통한 자연력에 의존하므로 지속적인 전원 공급은 불필요함을 알 수 있을 것이다.

도면에 도시된 하우징은 ㄷ자 형태의 단일 몸체를 도시한 것이지만 좌우측의 경계면에 자력의 절연이 가능한 부재를 삽입하면 더 좋다.

상기 전자석(42a)은 전류의 흐름에 따라 자력을 발생하는 전자석이되 (+, -)전극의 방향에 따라 자극의 방향이 바뀌는 특성으로서 상기 하우징의 왼쪽 또는 오른쪽에 부설하여 하우징 내의 가동편(영구자석)에 자력을 가하는 것이 바람직하다. 즉 코일에 직류전원을 가하면 일정한 방향으로 자극이 생성되는 특성을 이용하면 유리한 것이다.

도 15의 (14c)는 트리거(Trigger; 단발성 신호 펄스) 신호로서 상기 전자석(42a)의 자극을 반전시키는 원리를 예를 들어 설명하는 전자회로이다.

즉, on 신호(52a)가 공급되는 펄스(52a) 때는 Q2와 Q3가 작동하므로 전자석의 (42a)단자에는 일방향으로 (+)(-)전압이 가해진다. off 신호(51a)가 공급되는 펄스(51a) 때는 Q1와 Q4가 작동하므로 전자석의 (42a)단자에는 반대방향으로 (-)(+)전압이 가해진다. 즉 서로 반대의 전압 극성이 가해지고 이에 따라 전자석의 자극인 N극과 S극은 서로 반대의 극성으로 바뀌게 되므로 앞에서 설명한 작동이 이루어짐을 알 수 있을 것이다.

여기서, 종래의 전자석 제어에서는 on 또는 off 전류가 지속적으로 흘러야만 개 또는 폐 상태가 유지되는 것이었지만, 본 발명에 의하면 상기 단발성 펄스 전류(51a, 52a)로 개 또는 폐로 상태가 바뀌는 것이므로, 본 발명에서와 같은 로우 혹은 하이로 래치되어 그 상태가 유지되는 동안 지속적으로 전원을 공급하는 문제를 해소할 수 있게 된다. 래치 기간 동안 전원이 공급되지 않으면 그 기간 동안의 전력소모는 절약된다.

도 15의 (14c)는 NPN 트랜지스터(Q1 내지 Q4)를 조합하고 베이스에 공급되는 트리거 펄스를 on 및 off용으로 별도 입력단을 구성한 경우의 전자회로이지만, 이를 PNP 트랜지스터와 조합하면 단일 입력단 만으로 정역 극성의 펄스를 가하여 동일한 작용을 할 수 있는 것이고, 나아가 플립플롭을 이용하는 클록펄스 타입의 on-off 신호를 공급하는 것으로도 동일한 작용을 하도록 구성할 수 있다.

한편, 본 발명의 하우징(42b)에서 좌측과 우측을 자화 측면에서 절연 상태로 구성하면 전자석의 자력이 반대측 벽면에까지 미치는 영향은 줄이고 영구자석에 영향을 주도록 할 수 있게 되는 것이다. 영구자석과 하우징이 닿는 부분에는 도시생략된 충격완화용 쿠션을 보조적으로 부착할 수 있다. 또한 반대편의 하우징의 측벽에는 록킹 구조를 채택하여 밀리거나 당겨서 고정될 때는 록킹 홀에 끼워졌다가, 반대방향으로 이동할 때만 자력에 의존하는 구성으로 적용할 수도 있다.

본 발명에서의 도 15는 단지 하나의 예시에 불과한 것일 뿐 이 외에도 도시생략된 다양한 실시예를 가질 수 있다.

도 15에서 본 발명은 좌측으로 가동편이 이동 시에 접점 (c)와 (a)가 접촉되어 온 되고, 우측으로 이동 시에 접점 (c)와 (a)가 비접촉 되어 오프 됨을 알 수 있을 것이다. 즉, 무빙코일에 지속적인 전원이 가해지지 않더라도 단발성 펄스만으로 지속적인 래치 상태가 얻어지는 무(無)전력 래치 릴레이(계전기) 구성이 얻어지는 것이다.

도 15에서 미설명부호 (i)는 전기적인 절연부재를 나타낸다.

가동편(23a)은 영구자석의 힘으로 도면상에서 좌 또는 우로 이동 접착되되, 일정한 궤도 내에서만 어느 한 쪽으로 접착될 수 있도록 하우징에 연결된 고정용 중봉(24a)을 기준으로 왕복 이동할 수 있는 구조를 포함한다.

본 발명의 상세한 설명에서 상술된 실시예의 구성 요소는 마이컴을 이용한 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있는 것이다.

그 한 예로, 도 17은 정류전원부의 출력을 피드백으로 이용하여 정류전원부의 입력단을 제어하는 레벨제어부의 알고리즘을 도시한 흐름도이다. 이를 위해 (P1)은 정류전원부의 출력전압을 감지하도록 이동 연결되고, 또한 정류전원부의 출력전류 경로에 연결되는 전류센서(홀센서, 저항센서, 유도자계센서 등)를 포함할 수 있다(도시생략).

도 17의 흐름도의 작용은 다음과 같다.

레벨제어부는 제2설정 전압 미달 여부를 감지한다(101). 이 과정은 정류전원부(13)의 작동정지 상태 여부를 스스로 감지하는 피드백 루프 과정이다. 작동정지가 되면 (y)로 되고 작동 중이면 (n)가 되도록 제2설정 전압을 세팅하는 수준으로 레벨을 설정할 수 있다.

제2설정 전압이 미달되는, 즉 작동정지 상태에서 일단 정류전원부(13)를 온 한다. 또는 전압을 높인다(102). 이 과정은 정류전원부의 개입 필요 여부를 살피는 과정이다.

정류전원부의 개입 필요성을 살피는 과정에서는 제2설정 전류 미달 여부를 감지한다(103). 감지결과 전류가 증가하지 않으면 필요성이 낮은 것이고, 전류가 증가하면 필요성이 있는 것이다. 즉, 정류전원부(13)를 개입시켜서 모듈전압을 상승시켰는데도 전류가 증가하지 않는다면 그것은 부하단에서 전류(전력)를 소모하지 않는 것과 같으므로 개입의 필요성이 없는 것이다. 그와 반대로 이 전류가 일정한 레벨 이하로 줄어들지 않는다면 필요성은 인정되는 것이므로 (103)의 과정은 전류가 제2설정 전류 레벨을 미달할 때까지 루프를 돌게 된다(103의 n).

제2설정 전류 레벨은 아이들링 수준으로 낮게 설정되거나 그보다 높은 위치이되 부하단이 전류를 소모하지 않는 수준의 레벨로 설정할 수 있다.

만약 (103)과정에서 전류가 미달된 것으로 감지되었는데 그것이 제1설정 전압을 초과한다면 이때는 모듈 최상단의 전압이 과다하다고 유추되는 상태와 맥을 같이 하므로 정류전원부의 동작을 차단한다(104, 105). 이때 제1설정 전압은 정류전원부 전압과 모듈 전압의 합산 값이 앞에서 설명한 제1설정 레벨(주변장치에 위험을 초래할 가능성이 있는 수준의 피크전압 레벨)에 도달하는 정도의 정류전원부 출력전압일 수 있다. (104)과정에서 제1설정 전압을 초과하지 않는다면 제1설정 전류에 미달되는지 불구하고 정류전원부는 계속 온 상태를 유지할 수 있게 된다.

이러한 알고리즘을 통해 본 발명의 레벨제어부는 독립된 정류전원부(13) 하나의 구성만으로도 자체적인 전압과 전류의 피드백 감지를 통해 개입의 필요성을 판단하면서 주변장치에 위험을 초래할 피크전압이 없는 범위 내에서 비충격 스위칭부와 연동되어 제어를 하게 되는 것이다. 물론 이 기능은 본 발명의 상세한 설명에 개시된 그 외의 하드웨어적인 구성으로도 달성이 된다.

한편, 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

모듈(11-1, 11-2, ... 11-n).
인버터(12).
직류(12a).
교류(12b).
전력조절부, PWM 또는 MPPT(18).
교류 부하계통(12-1).
바이패스 다이오드(13-1).
정류전원부(13).
레벨제어부(14).
비충격 스위칭부(15).
리니어 제어 방식의 레벨제어부(14a).
디지털 제어 방식의 레벨제어부(14b).
사이리스터(U1).
아이솔레이션 옵토 타입의 트리거 제어기, 옵토 DIAC 등(U2).
영구자석(41a 및/또는 41b).
릴레이 가동편(22a).
전기적 접점으로 인출되는 스위칭부(23a).
전자석(42a).
하우징(42b).
리니어 위상제어기(U3).
보조전원부(U4).
모듈 병렬접속용 다이오드(17a, 17b).
네거티브 피드백 저항(Rf1).
저항브리더(P1, R10, R11).
포지티브 피드백 저항(Rf2).
전자석 제어를 위한 트리거 펄스 발생회로(14c).
on 신호 펄스(52a).
off 신호 펄스(51a).
릴레이 접점(a, b, c).
절연부재(i).

Claims (9)

1. 부하단 전압보다 높은 전압으로 설계되는 태양광 모듈과 상기 부하단보다 높은 전압을 부하단에 맞추어 조절하는 전력조절부를 포함하는 계통전원 태양광 발전시스템에 있어서,
   교류 전원으로부터 직류를 정류하는 정류전원부;
   상기 모듈 출력단 전압을 감지하여 설정된 전압을 기준으로 제어신호를 발생하는 레벨제어부;
   상기 레벨제어부의 제어신호에 따라 상기 정류전원부의 입력 또는 출력을 연결 제어하되 비충격으로 연결 제어하는 비충격 스위칭부;
   상기 비충격 스위칭부를 통해 상기 모듈에 연결된 상기 정류전원부의 작동을 연동함에 따라 태양광 발전시스템에서 피크전압 없이 모듈의 수명을 연장하도록 된 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 정류전원부는 교류를 입력 받아 직류를 출력하는 SMPS이고,
   상기 비충격 스위칭부는 직류적으로 절연된 상태에서 상기 레벨제어부의 제어신호를 받아서 상기 정류전원부의 교류 입력단을 제어하는 위상제어 스위치인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 레벨제어부는 상한을 제한하는 제1설정 및 하한을 제한하는 제2설정을 기점으로 온 또는 오프 신호를 발생하는 로-하이 스위칭 제어신호를 발생하는 구성을 포함하고,
   상기 비충격 스위칭부는 상기 로-하이 스위칭 제어신호를 받아서 상기 정류전원부의 교류 입력단을 로-하이 래치 스위칭으로 연결 제어하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치.
4. 제2항에 있어서,
   비충격 스위칭부는 교류의 위상을 제어하는 사이리스터이고, 상기 사이리스터의 게이트에는 아이솔레이션 옵토 타입의 트리거 제어기가 연결되어서 상기 레벨제어부의 제어 결과에 따라 사이리스터의 연결을 온-오프 제어하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 사이리스터는 트리거 제어기의 제어신호를 받아서 상기 정류전원부의 교류 입력전원을 위상제어로 승강 조절하는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 정류전원부는 교류를 입력 받아 직류를 출력하는 SMPS이고,
   상기 비충격 스위칭부는 교류 또는 직류의 경로를 연결 제어하는 릴레이이며, 상기 레벨제어부의 제어 결과에 따라 릴레이 접점 계통을 온-오프 제어하되, 상기 레벨제어부는 온 작동을 위한 제1설정 전압과 오프를 위한 제2설정 전압의 높이가 상이한 로-하이 래치 스위칭으로 상기 릴레이를 구동하도록 연동 구성된 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 릴레이는 영구자석이 부설된 가동편과 상기 가동편의 이동에 따른 물리적 상태가 전기적 접점으로 인출되는 스위칭부와,
   전원(+, -)의 힘으로 상기 가동편을 이동시키도록 연동된 전자석; 및
   상기 전자석의 전원(+, -)을 제거하여도 상기 가동편이 이동된 상태를 유지하도록 가동편의 영구자석과 자력으로 결합되는 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 전력조절부는 PWM으로 부하단 전압과 모듈 전압의 차이를 조절하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 전력조절부는 MPPT로 부하단 전압과 모듈 전압의 차이를 전류로 변환하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈의 수명연장 장치.