KR20220164178A - 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
설치 시간, 비용 단축, 작업 안전등을 고려한 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템이 개시된다. 상기 무선 전력 전송 시스템은, 태양광으로부터 제 1 DC(Direct Current) 전력을 생산하는 태양광 모듈, 상기 제 1 DC 전력을 제 1 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 무선 전력 송신부, 및 상기 무선 전력 송신부와 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하고 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통에 공급하는 무선 전력 수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템 및 방법에 대한 것이다.
일반적으로 태양광 발전(solar photovoltaic)이란 태양 에너지에 의한 발전 기술의 하나이다. 즉, 태양의 빛 에너지를 태양광 단위모듈(셀)이라는 광-전 변환기를 사용하여 직접 전기 에너지로 변환시켜 이용하는 것이다.
일반적으로 지중으로부터 소정 높이까지 기립하며, 일정 방향에 대하여 소정 거리만큼 거리를 두고 서로 대향하는 한쌍의 가대를 마련하고, 상기 한쌍의 가대의 상면에 있어서 상기 일정 방향을 향하는 한쪽의 변에 제 1 와이어 가이드를, 다른쪽의 변에 제 2 와이어 가이드를 각각 마련하고, 상기 제 1 와이어 가이드와 상기 제 2 와이어 가이드에 각각 평행하게 안내되는 한쌍의 와이어를 상기 한쌍의 가대에 걸치고, 상기 한쌍의 와이어의 장력을 조정하는 장력 조정기를 상기 한쌍의 가대의 적어도 한쪽에 마련하고, 상기 한쌍의 와이어의 각각을 한쌍의 파이프에 관통시키고, 상기 한쌍의 파이프의 소정 개소에 한쌍의 직물판의 후크를 고정하고, 상기 한쌍의 직물판에 태양 전지 모듈을 고정하는 것을 특징으로 하는 공중 와이어에 의한 태양광 발전 설비들이 제시되고 있다.
즉, 농업 공존형 태양광 시스템은 하부의 작물 경작을 위해 3m 이상 높이에 설치가 필요하다. 특히, 종래의 농업 공존형 태양광 시스템은 모듈 후면의 DC(Direct Current)선을 직렬연결하여 구성한다.
또한, 높은 구조물위에 태양광 모듈을 설치 및 배선을 하기 위해서는 일반 태양광 대비 설치 시간 증가와 그에 따른 인건비(설치비)상승 및 작업자의 안전문제가 상존한다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 농업 공존형 태양광 시스템의 설치 시간, 비용 단축, 작업 안전등을 고려한 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 반태양광과 달리 도심 또는 농어촌에 하부 공간을 활용할 수 있는 어플리케이션에 적용이 가능한 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 설치 시간, 비용 단축, 작업 안전등을 고려한 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
상기 무선 전력 전송 시스템은,
태양광으로부터 제 1 DC(Direct Current) 전력을 생산하는 태양광 모듈;
상기 제 1 DC 전력을 제 1 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 무선 전력 송신부; 및
상기 무선 전력 송신부와 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하고 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통에 공급하는 무선 전력 수신부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 무선 전력 송신부는 상기 태양광 모듈과 일체화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선 전력 전송 시스템은, 상기 무선 전력 송신부의 동작 제어를 수행하는 송신부 제어 블럭; 및 상기 무선 전력 수신부의 동작 제어를 수행하는 수신부 제어 블록;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선 전력 송신부는, 상기 제 1 DC 전력을 상기 제 1 AC 전력으로 변환하는 제 1 풀 브릿지 회로; 상기 풀 브릿지 회로와 연결되는 공진 커패시터; 및 상기 공진 커패시터와 직렬로 연결되어 상기 제 1 AC 전력을 상기 공진을 통해 상기 무선 전력 수신부에 송신하는 송신 코일;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선 전력 수신부는, 상기 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하는 수신 코일; 상기 수신 코일과 직렬로 연결되는 공진 커패시터; 상기 공진 커패시터와 연결되며 상기 제 1 AC 전력을 상기 제 2 DC 전력으로 변환하도록 4개의 다이오드로 이루어지는 정류 회로; 및 상기 정류 회로와 연결되어 상기 제 2 DC 전력을 상기 제 2 AC 전력으로 변환하는 제 2 풀 브릿지 회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 풀 브릿지 회로에 구성되는 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자는 고주파 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통해 상기 제 2 DC 전력을 상기 제 2 AC 전력으로 변환하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 무선 전력 수신부는, 상기 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하는 수신 코일; 상기 수신 코일과 직렬로 연결되는 공진 커패시터; 상기 공진 커패시터와 연결되며 상기 제 1 AC 전력을 상기 제 2 DC 전력으로 변환하도록 2개의 다이오드 및 2개의 전력 스위치 소자로 이루어지는 정류 회로; 및 상기 정류 회로와 연결되어 상기 제 2 DC 전력을 상기 제 2 AC 전력으로 변환하는 제 2 풀 브릿지 회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 2개의 상기 전력 스위치 소자는 고주파 PWM 제어를 통해 스위칭이 수행되고, 상기 제 2 풀 브릿지 회로에 구성되는 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자는 미리 설정되는 계통 주파수에 맞추어 온오프 동작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계통 주파수는 60Hz인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 송신부 제어 블럭은, 상기 태양광 모듈의 초기 출력 및 송신 코일의 상기 제 1 AC 전력을 이용하여 소프트 스타트 제어를 시작하는 소프트 스타트 제어부; 상기 소프트 스타트 제어의 시작에 따라 송신 코일의 상기 제 1 AC 전력을 이용하여 동작 주파수를 결정하는 주파수 제어부; 및 상기 동작 주파수를 고주파 PWM으로 변환하여 출력하는 고주파 PWM 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수신부 제어 블록은, PLL(Phase Locked Loop) 제어를 통해 입력받은 계통 전압의 위상을 산출하는 PLL 제어부; 계통 전압의 상기 위상을 기반으로 저주파 PWM 신호를 생성하는 저주파 PWM 생성부; 상기 수신 코일의 전압, 전류, 계통 전압을 센싱하여 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 통해 태양광 모듈의 최대 전력을 산출하는 MPPT 제어부; DC-Link 전압을 산출하는 DC-Link 전압 제어부; 상기 DC-Lin 전압 및 상기 저주파 PWM 신호를 이용하여 출력 전류를 산출하는 출력 전류 제어부; 및 상기 출력 전류에 따른 고주파 PWM 신호를 생성하는 고주파 PWM 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 태양광으로부터 제 1 DC 전력을 생산하는 태양광 모듈; 상기 제 1 DC 전력을 제 1 AC 전력으로 변환하는 무선 전력 송신부; 상기 무선 전력 송신부와 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하는 무선 전력 수신부; 및 상기 무선 전력 수신부의 출력단과 연결되어 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통에 공급하는 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
이때, 상기 무선 전력 수신부는, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하는 수신 코일; 상기 수신 코일과 직렬로 연결되는 공진 커패시터; 및 상기 공진 커패시터와 연결되며 상기 제 1 AC 전력을 상기 제 2 DC 전력으로 변환하도록 4개의 다이오드로 이루어지는 정류 회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 무선 전력 수신부는, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하는 수신 코일; 상기 수신 코일과 직렬로 연결되는 공진 커패시터; 및 상기 공진 커패시터와 연결되며 상기 제 1 AC 전력을 상기 제 2 DC 전력으로 변환하도록 2개의 다이오드 및 2개의 전력 스위치 소자로 이루어지는 정류 회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 무선 전력 수신부와 상기 인버터는 DC-버스로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 태양광 모듈이 태양광으로부터 제 1 DC 전력을 생산하는 단계; (b) 무선 전력 송신부가 상기 제 1 DC 전력을 제 1 AC 전력으로 변환하는 단계; 및 (c) 상기 무선 전력 송신부와 일정 간격으로 이격되어 배치되는 무선 전력 수신부가 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하는 단계; 및 (d) 상기 무선 전력 수신부가 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통(140)에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 방법을 제공한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 태양광 모듈이 태양광으로부터 제 1 DC 전력을 생산하는 단계; (b) 무선 전력 송신부가 상기 제 1 DC 전력을 제 1 AC 전력으로 변환하는 단계; (c) 무선 전력 수신부가 상기 무선 전력 송신부와 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하는 단계; 및 (d) 인버터가 상기 무선 전력 수신부의 출력단과 연결되어 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통(140)에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 일반 태양광과 달리 도심 또는 농어촌에 하부 공간을 활용할 수 있는 어플리케이션에 적용이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 기존의 방식에서의 설치 시간 및 작업자의 안전문제 등 단점을 극복하며 특히 경제성을 확보할 수 있으며, 유지보수 시간과 비용을 절약할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 태양광 모듈 설치의 편의성 및 경제성을 확보하여 설치가 어려운 개소에 대한 신시장을 개척할 수 있으며, BIPV(Building-Integrated Photovoltaic)등에도 적용하여 태양광 사업모델로도 활용이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 무선 전력 송신부의 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 무선 전력 수신부의 회로도의 일예시이다.
도 4는 도 1에 도시된 무선 전력 수신부의 회로도의 다른 일예시이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 무선 전력 전송 제어 흐름도이다.
도 6은 도 1에 도시된 송신부 제어 블럭의 구성 블럭도이다.
도 7은 도 1에 도시된 수신부 제어 블럭의 구성 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 무선 전력 송신부의 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 무선 전력 수신부의 회로도의 일예시이다.
도 4는 도 1에 도시된 무선 전력 수신부의 회로도의 다른 일예시이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 무선 전력 전송 제어 흐름도이다.
도 6은 도 1에 도시된 송신부 제어 블럭의 구성 블럭도이다.
도 7은 도 1에 도시된 수신부 제어 블럭의 구성 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템의 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템(100)의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(100)은, 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 모듈(110), 전력을 무선 전력으로 변환하여 전송하는 무선 전력 송신부(120), 무선 전력을 수신하여 교류 전력으로 변환하는 무선 전력 수신부(130), 교류 전력을 공급받는 계통(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
태양광 모듈(110)은 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 태양광 패널(미도시), 전력 변환 회로(미도시) 등으로 구성된다. 전력 변환 회로는 DC-DC(Direct Current-Direct Current) 컨버터, 레귤레이터 등으로 구성될 수 있다.
무선 전력 송신부(120)는 태양광 모듈(110)로부터 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 전송하는 기능을 수행한다. 무선 전력 송신부(120)는 태양광 모듈(110)과 일체화된다. 무선 전력 송신부(120)는 주로 태양광 모듈(110)의 후면에 구성될 수 있다. 바람직하게는 후면 상부쪽에 구성될 수 있다.
태양광 모듈(110)과 무선 전력 송신부(120)는 태양전지 가대(미도시)에 부착되어 일정한 경사각으로 태양측을 향하게 된다. 즉, 태양전지 가대에 일정한 경사각이 형성된다. 이를 위해, 태양전지 가대는 일반적으로 강철과 알루미늄 합금재일 경우가 많다.
무선 전력 송신부(120)의 동작 제어를 위해 송신부 제어 블럭(151)이 구성된다.
무선 전력 수신부(130)는 무선 전력 송신부(120)와 일정 간격으로 이격되는 위치에 설치된다. 일반적으로, 무선 전력 수신부(130)는 구조물에 고정된다. 고정은 볼팅 방식, 접착제 등이 사용될 수 있다. 접착제로는 실리콘, 에폭시, 에틸렌-초산비닐계, 폴리올레핀계, 스티렌블록공중합체계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계, 우레탄계 등이 사용될 수 있다.
무선 전력 수신부(130)는 무선 전력 송신부(120)로부터 받은 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, 이 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 계통(140)에 공급하는 기능을 수행한다.
무선 전력 수신부(130)의 동작 제어를 위해 수신부 제어 블럭(152)이 구성된다. 도 1에서는 송신부 제어 블럭(151) 및 수신부 제어 블럭(152)을 각각 무선 전력 송신부(120) 및 무선 전력 수신부(130)와 별도로 구성하였으나, 이에 한정되는 지는 않으며, 무선 전력 송신부(120) 및 무선 전력 수신부(130)에 각각 통합되어 구성될 수 있다.
계통(140)은 AC 전력을 공급하는 망이 될 수 있다. 따라서, 송전 선로, 배전 선로, 전력 설비 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 무선 전력 송신부(120)의 회로도이다. 도 2를 참조하면, 무선 전력 송신부(120)는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 풀 브릿지 회로(200), 이 풀 브릿지 회로(200)와 연결되는 공진 커패시터(220), 공진 커패시터(220)와 직렬로 연결되어 변환된 AC 전력을 송신하는 송신 코일(230) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
풀 브릿지 회로(200)는 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자(Q1~Q4)로 구성된다. 전력 스위치 소자(Q1~Q4)는 기본적으로 최대 효율 지점에서 동작하도록 고정된 주파수를 가지고 동작하며 Q1과 Q2가 상보된 동작을 하고, Q3와 Q4가 상보 되어 동작한다.
전력 스위치 소자(Q1~Q4)는 FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET), IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor), 파워 정류 다이오드 등과 같은 반도체 스위칭 소자, 사이리스터, GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터, TRIAC(Triode for alternating current), SCR(Silicon Controlled Rectifier), I.C(Integrated Circuit) 회로 등이 사용될 수 있다. 특히, 반도체 소자의 경우 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 등이 사용될 수 있다. 전력 MOSFET 소자는 고전압 고전류 동작으로 일반 MOSFET와 달리 DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) 구조를 갖는다.
공진 커패시터(220)와 송신코일(230)의 직렬 구성은 공진 회로를 구성하여, 공진을 통해 고효율 전력전송을 가능하게 한다.
도 3은 도 1에 도시된 무선 전력 수신부(130)의 회로도의 일예시이다. 도 3을 참조하면, 무선 전력 수신부(130)는 고효율 전력 수신이 가능하도록 수신 코일(330), 수신 코일(330)과 직렬로 연결된 공진 커패시터(320), 커패시터(320)와 연결되며 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 정류 회로(301), 및 정류 회로(301)와 연결되어 DC 전력을 다시 일정한 수준의 AC 전력으로 변환하는 풀 브릿지 회로(302) 등을 포함하여 구성된다.
정류 회로(301)는 4개의 다이오드(301-1)로 구성된 브릿지 회로이다. 즉, 2개의 다이오드가 직렬로 연결되고, 직렬로 연결된 2개의 다이이드의 양단을 병렬로 연결한 회로이다.
풀 브릿지 회로(302)는 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자(S1~S4)로 구성된다. 전력 스위치 소자(S1~S4)는 기본적으로 최대 효율 지점에서 동작하도록 고정된 주파수를 가지고 동작하며 S1과 S2가 상보된 동작을 하고, S3와 S4가 상보 되어 동작한다. 이들 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자(S1~S4)의 온오프 제어는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 이용하여 이루어질 수 있다.
특히, 도 3은 일반적인 고주파 인버터 제어 방식이다.
도 3을 계속 참조하면, 무선 전력 송신부(120)의 전력을 다이오드 정류를 통해 정류한 뒤 전력 스위치 소자(S1~S4)의 고주파 PWM 제어를 통해 AC 전력으로 변환한다. 고주파 인버터를 제어하기 위한 방법으로는 단극(Uni-polar), 쌍극(Bi-polar) 방식등이 있다.
정류 회로(301)와 풀 브릿지 회로(302)사이에는 평활 커패시터(340)가 구성된다.
도 4는 도 1에 도시된 무선 전력 수신부(130)의 회로도의 다른 일예시이다. 도 4를 참조하면, 무선 전력 수신부(130)는 고효율 전력 수신이 가능하도록 수신 코일(430), 수신 코일(430)과 직렬로 연결된 공진 커패시터(420), 커패시터(420)와 연결되며 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 정류 회로(401), 및 정류 회로(401)와 연결되어 DC 전력을 다시 일정한 수준의 AC 전력으로 변환하는 풀 브릿지 회로(402) 등을 포함하여 구성된다.
정류 회로(401)는 2개의 다이오드(401-1) 및 2개의 전력 스위치 소자(S11,S22)로 구성된 브릿지 회로이다. 즉, 2개의 다이오드가 직렬로 연결되고, 2개의 전력 스위치 소자(S11,S22)도 직렬로 연결되며, 직결로 연결된 2개의 다이오드와 직렬로 연결된 2개의 전력 스위치 소자(S11,S22)의 양단을 병렬로 연결한 회로이다.
풀 브릿지 회로(402)는 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자(S1~S4)로 구성된다. 전력 스위치 소자(S1~S4)는 기본적으로 최대 효율 지점에서 동작하도록 고정된 주파수를 가지고 동작하며 S1과 S2가 상보된 동작을 하고, S3와 S4가 상보 되어 동작한다. 이들 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자(S1~S4)의 온오프 제어는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 이용하여 이루어질 수 있다.
특히, 도 4는 효율 향상을 위해서 언폴딩(Unfolding) 인버터를 이용한 제어방식을 적용한 것이다.
도 4를 계속 참조하면, 무선 전력 송신부(120)의 전력을 전력 스위치 소자(S11,S22)를 고주파 PWM 제어를 통해 스위칭이 수행되고, 전력 스위치 소자(S1~S4)는 계통 주파수인 60Hz에 맞춰 On/Off 동작을 시켜 스위칭 손실을 줄이는 방식이다.
한편, 정류 회로(401)와 풀 브릿지 회로(402)사이에는 평활 커패시터(440)가 구성된다.
도 3에 도시된 제어 방식의 경우, 제어가 단순해지는 장점이 있으나, 효율이 낮다는 단점이 있다. 이와 달리, 도 4에 도시된 제어 방식의 경우, 제어의 복잡성이 높아지는 단점이 있으나, 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 무선 전력 전송 제어 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 무선 전력 수신부(130)에 계통 전압(즉 AC 전압)이 인가된 이후, DC-Link 커패시터(340,440)에 충전이 이루어지면서 태양광 모듈(110)에 따른 발전이 이루어진다(단계 S510,S520,S530). 일반적으로 계통으로부터 반도체 스위치 내부의 바디 다이오드(Body Diode)를 통해 DC Link 커패시터에 충전이 이루어진다.
이후, 태양광 발전에 의해 무선 전력 송신부(120)에서 스위칭 동작이 실행된다(단계 S540). 부연하면, 송신부 제어 블럭(151)에서 전력 스위칭 소자(Q1 내지 Q3)의 온오프를 수행한다.
무선 전력 송신부(120)가 동작하게 되면, 무선 전력 수신부(130)의 수신 코일(330,430)에서 전압/전류를 센싱하여 전력을 전달한다(단계 S550). 물론, 이러한 전압/전류를 센싱하기 위해 전압/전류 센서(미도시)가 구성될 수 있다. 전류 센서로는 홀 센서, 광섬유 전류 센서, CT(Current Transformer)형 전류 센서 등이 사용될 수 있다. 전압 센서로는 PT(Potential Transformer)가 될 수 있다.
무선 전력 송신부(120)에서는 DC-Link 전압 제어를 수행한다(단계 S560). DC-Link 전압 제어는 태양광 발전의 끊임없는 수행을 위해 DC-Link 커패시터의 전압을 계통(AC)의 Peak 전압 이하로 제어하는 것을 의미한다.
이후, 무선 전력 수신부(130)는 계통(140)으로 AC 전력을 출력한다(단계 S570).
도 6은 도 1에 도시된 송신부 제어 블럭(151)의 구성 블럭도이다. 도 6을 참조하면, 송신부 제어 블럭(151)은, 소프트 시작 제어부(610), 주파수 제어부(620), 고주파 PWM 출력부(630) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 소프트 시작 제어부(610)는 태양광 모듈(110)의 출력 전압(즉 DC 전력)과 송신 코일의 전류(즉 AC 전력)을 입력으로 받아 소프트 스타트(soft-start)를 수행한다. 즉, 초기 출력에 대해 Soft-Start 제어를 실행한다. 소프트 스타트 제어는 태양광의 DC 전력이 100일 경우, 0-100까지 단계적으로 출력을 내는 제어를 의미한다.
주파수 제어부(620)는 소타트 제어의 시작에 따라 송신 코일(230)의 AC 전력을 이용하여 동작 주파수를 결정한다. 부연하면, 동작 주파수는 소프트 스타트(시작 주파수)로부터 출력이 증가함에 따라 변하는 무선 전송 코일의 전류 파형을 피드백받아 최적점 제어를 위한 주파수이다.
고주파 PWM 출력부(630)는 동작 주파수를 고주파 PWM으로 변환하여 출력하여 전력 스위칭 소자의 온오프를 제어하는 기능을 수행한다.
도 7은 도 1에 도시된 수신부 제어 블럭(152)의 구성 블럭도이다. 도 7을 참조하면, 수신부 제어 블럭(152)은, PLL 제어부(701), 저주파 PWM 생성부(702), MPPT 제어부(710), DC-Link 전압 제어부(720), 출력 전류 제어부(730), 고주파 PWM 출력부(740) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
PLL 제어부(701)는 PLL(Phase Locked Loop) 제어를 통해 입력받은 계통 전압의 위상을 계산하는 기능을 수행한다. 부연하면, 센싱된 계통전압의 0에서 피크(Peak) 지점 이후 0, -Peak에서 0이 되는 지점까지를 하나의 주기로 계산하여 계통의 위상을 계산한다.
저주파 PWM 생성부(702)는 계산된 계통 전압의 위상을 기반으로 저주파 PWM 신호를 생성한다.
MPPT 제어부(710)는 수신 코일(330,430)의 전압, 전류, 계통 전압을 센싱하여 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 통해 태양광 모듈(110)의 최대 전력을 산출하는 기능을 수행한다.
DC-Link 전압 제어부(720)는 DC-Link 전압을 산출하는 기능을 수행한다. 부연하면, 센싱된 AC 계통전압과 태양광 출력에 의해 변동하는 DC-Link 전압값을 센싱하여 적정 전압을 산출한다.
출력 전류 제어부(730)는 DC-Link 전압 및 저주파 PWM 신호를 이용하여 출력 전류를 산출하는 기능을 수행한다. 부연하면, 저주파 PWM은 계통 전압 위상에 맞춰 On/OFF의 기능을 담당하며, 출력 전류는 고주파 스위치에 의해 결정, 즉 저주파 PWM은 문을 열어주는 역할을 한다.
고주파 PWM 출력부(740)는 출력 전류에 따른 고주파 PWM 신호를 생성하여 전력 스위치 소자(S1 내지 S4)의 온오프를 제어하는 기능을 수행한다. 저주파는 계통주파수 60Hz이고, 고주파는 스위칭 주파수 10kHz~300kHz로 정의할 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된, 소프트 시작 제어부(610), 주파수 제어부(620), 고주파 PWM 출력부(630), PLL 제어부(701), 저주파 PWM 생성부(702), MPPT 제어부(710), DC-Link 전압 제어부(720), 출력 전류 제어부(730), 고주파 PWM 출력부(740)는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다.
하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
소프트웨어 구현에 있어, 소프트웨어 구성 컴포넌트(요소), 객체 지향 소프트웨어 구성 컴포넌트, 클래스 구성 컴포넌트 및 작업 구성 컴포넌트, 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브 루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로 코드 , 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 배열 및 변수를 포함할 수 있다. 소프트웨어, 데이터 등은 메모리에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템(800)의 개념도이다. 도 8을 참조하면, 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템(800)은, 태양광으로부터 제 1 DC 전력을 생산하는 태양광 모듈(110), 기 제 1 DC 전력을 제 1 AC 전력으로 변환하는 무선 전력 송신부(120), 상기 무선 전력 송신부(120)와 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하는 무선 전력 수신부(810), 및 상기 무선 전력 수신부(810)의 출력단과 DC-버스로 연결되어 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통(140)에 공급하는 인버터(820) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 무선 전력 수신부(810)는 도 3 및 도 4에 도시된 방식과 달리, 풀 브릿지 회로(302,402)가 구성되지 않고, 정류 회로(301) 및 평활 커패시터(340,440)가 구성된다.
인버터(820)는 단일 인버터로서, 기존 전력 시스템에서 사용되는 인버터 시스템을 그대로 사용한다. 이는 각 태양광 모듈의 최대출력제어(MPPT)운전이 가능하고 개별 모니터링이 되는 장점을 가지면서 기존의 인버터 시스템을 그대로 이용할 수 있다. 또한 높은 위치 및 설치가 힘든 장소에 설치 시간 단축을 할 수 있는 장점이 그대로 있다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 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) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 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 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 무선 전력 전송 시스템
110: 태양광 모듈 120: 무선 전력 송신부
130: 무선 전력 수신부 140: 계통
151: 송신부 제어 블럭 152: 수신부 제어 블록
200: 제 1 풀 브릿지 회로 220,320: 공진 커패시터
230: 송신 코일 330,430: 수신 코일
301,401: 정류 회로 302,402: 제 2 풀 브릿지 회로
301-1: 다이오드
340,440: 평활 커패시터
Q1 내지 Q4: 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자
S1 내지 S1: 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자
810: 무선 전력 수신부
820: 인버터
110: 태양광 모듈 120: 무선 전력 송신부
130: 무선 전력 수신부 140: 계통
151: 송신부 제어 블럭 152: 수신부 제어 블록
200: 제 1 풀 브릿지 회로 220,320: 공진 커패시터
230: 송신 코일 330,430: 수신 코일
301,401: 정류 회로 302,402: 제 2 풀 브릿지 회로
301-1: 다이오드
340,440: 평활 커패시터
Q1 내지 Q4: 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자
S1 내지 S1: 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자
810: 무선 전력 수신부
820: 인버터
Claims (17)
- 태양광으로부터 제 1 DC(Direct Current) 전력을 생산하는 태양광 모듈(110);
상기 제 1 DC 전력을 제 1 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 무선 전력 송신부(120); 및
상기 무선 전력 송신부(120)와 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하고 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통(140)에 공급하는 무선 전력 수신부(130);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 무선 전력 송신부(120)는 상기 태양광 모듈(110)과 일체화되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 무선 전력 송신부(120)의 동작 제어를 수행하는 송신부 제어 블럭(151); 및
상기 무선 전력 수신부(130)의 동작 제어를 수행하는 수신부 제어 블록(152);을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 무선 전력 송신부(120)는,
상기 제 1 DC 전력을 상기 제 1 AC 전력으로 변환하는 제 1 풀 브릿지 회로(200);
상기 풀 브릿지 회로(200)와 연결되는 공진 커패시터(220); 및
상기 공진 커패시터(220)와 직렬로 연결되어 상기 제 1 AC 전력을 상기 공진을 통해 상기 무선 전력 수신부(130)에 송신하는 송신 코일(230);을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 무선 전력 수신부(130)는,
상기 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하는 수신 코일(330);
상기 수신 코일(330)과 직렬로 연결되는 공진 커패시터(320);
상기 공진 커패시터(320)와 연결되며 상기 제 1 AC 전력을 상기 제 2 DC 전력으로 변환하도록 4개의 다이오드(301-1)로 이루어지는 정류 회로(301); 및
상기 정류 회로(301)와 연결되어 상기 제 2 DC 전력을 상기 제 2 AC 전력으로 변환하는 제 2 풀 브릿지 회로(302);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 풀 브릿지 회로(302)에 구성되는 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자(S1~S4)는 고주파 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통해 상기 제 2 DC 전력을 상기 제 2 AC 전력으로 변환하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 무선 전력 수신부(130)는,
상기 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하는 수신 코일(430);
상기 수신 코일(430)과 직렬로 연결되는 공진 커패시터(420);
상기 공진 커패시터(420)와 연결되며 상기 제 1 AC 전력을 상기 제 2 DC 전력으로 변환하도록 2개의 다이오드(401-1) 및 2개의 전력 스위치 소자(S11,S22)로 이루어지는 정류 회로(401); 및
상기 정류 회로(401)와 연결되어 상기 제 2 DC 전력을 상기 제 2 AC 전력으로 변환하는 제 2 풀 브릿지 회로(402);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
2개의 상기 전력 스위치 소자(S11,S22)는 고주파 PWM 제어를 통해 스위칭이 수행되고, 상기 제 2 풀 브릿지 회로(402)에 구성되는 제 1 내지 제 4 전력 스위치 소자(S1~S4)는 미리 설정되는 계통 주파수에 맞추어 온오프 동작되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 8 항에 있어서,
상기 계통 주파수는 60Hz인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 4 항에 있어서,
상기 송신부 제어 블럭(151)은,
상기 태양광 모듈의 초기 출력 및 송신 코일(230)의 상기 제 1 AC 전력을 이용하여 소프트 스타트 제어를 시작하는 소프트 스타트 제어부(610);
상기 소프트 스타트 제어의 시작에 따라 송신 코일(230)의 상기 제 1 AC 전력을 이용하여 동작 주파수를 결정하는 주파수 제어부(620); 및
상기 동작 주파수를 고주파 PWM으로 변환하여 출력하는 고주파 PWM 출력부(630);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 수신부 제어 블록(152)은,
PLL(Phase Locked Loop) 제어를 통해 입력받은 계통 전압의 위상을 산출하는 PLL 제어부(701);
계통 전압의 상기 위상을 기반으로 저주파 PWM 신호를 생성하는 저주파 PWM 생성부(702);
상기 수신 코일(430)의 전압, 전류, 계통 전압을 센싱하여 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 통해 태양광 모듈(110)의 최대 전력을 산출하는 MPPT 제어부(710);
DC-Link 전압을 산출하는 DC-Link 전압 제어부(720);
상기 DC-Lin 전압 및 상기 저주파 PWM 신호를 이용하여 출력 전류를 산출하는 출력 전류 제어부(730); 및
상기 출력 전류에 따른 고주파 PWM 신호를 생성하는 고주파 PWM 출력부(740);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 태양광으로부터 제 1 DC 전력을 생산하는 태양광 모듈(110);
상기 제 1 DC 전력을 제 1 AC 전력으로 변환하는 무선 전력 송신부(120);
상기 무선 전력 송신부(120)와 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하는 무선 전력 수신부(810); 및
상기 무선 전력 수신부(810)의 출력단과 연결되어 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통(140)에 공급하는 인버터(820);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 무선 전력 수신부(810)는,
공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하는 수신 코일(330);
상기 수신 코일(330)과 직렬로 연결되는 공진 커패시터(320); 및
상기 공진 커패시터(320)와 연결되며 상기 제 1 AC 전력을 상기 제 2 DC 전력으로 변환하도록 4개의 다이오드(301-1)로 이루어지는 정류 회로(301);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 무선 전력 수신부(810)는,
공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하는 수신 코일(430);
상기 수신 코일(430)과 직렬로 연결되는 공진 커패시터(420); 및
상기 공진 커패시터(420)와 연결되며 상기 제 1 AC 전력을 상기 제 2 DC 전력으로 변환하도록 2개의 다이오드(401-1) 및 2개의 전력 스위치 소자(S11,S22)로 이루어지는 정류 회로(401);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 무선 전력 수신부(810)와 상기 인버터(820)는 DC-버스로 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템.
- (a) 태양광 모듈(110)이 태양광으로부터 제 1 DC 전력을 생산하는 단계;
(b) 무선 전력 송신부(120)가 상기 제 1 DC 전력을 제 1 AC 전력으로 변환하는 단계; 및
(c) 상기 무선 전력 송신부(120)와 일정 간격으로 이격되어 배치되는 무선 전력 수신부(130)가 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하는 단계; 및
(d) 상기 무선 전력 수신부(130)가 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통(140)에 공급하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 방법.
- (a) 태양광 모듈(110)이 태양광으로부터 제 1 DC 전력을 생산하는 단계;
(b) 무선 전력 송신부(120)가 상기 제 1 DC 전력을 제 1 AC 전력으로 변환하는 단계;
(c) 무선 전력 수신부(810)가 상기 무선 전력 송신부(120)와 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 공진을 통해 상기 제 1 AC 전력을 수신하여 제 2 DC 전력으로 변환하는 단계; 및
(d) 인버터(820)가 상기 무선 전력 수신부(810)의 출력단과 연결되어 상기 제 2 DC 전력을 제 2 AC 전력으로 변환하여 계통(140)에 공급하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020210072603A KR20220164178A (ko) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템 및 방법 |
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| KR1020210072603A KR20220164178A (ko) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 태양광 모듈 단위 무선 전력 전송 시스템 및 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20220164178A true KR20220164178A (ko) | 2022-12-13 |
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ID=84439289
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| KR (1) | KR20220164178A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170018812A (ko) | 2014-06-09 | 2017-02-20 | 가부시키가이샤 후쿠나가 히로시 겐치쿠 겐큐쇼 | 공중 와이어에 의한 태양광 발전 설비 |
-
2021
- 2021-06-04 KR KR1020210072603A patent/KR20220164178A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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