KR20230052401A - 바이패스 다이오드를 갖는 슁글드 타입 태양광 모듈 - Google Patents

바이패스 다이오드를 갖는 슁글드 타입 태양광 모듈 Download PDF

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(주)솔빅테크
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Abstract

본 발명의 태양광 모듈은, 태양광 모듈에 있어서, 평행한 열들로 배치되며, 서로 인접하고 부분적으로 중첩되는 복수의 스트립들을 포함하는 적어도 하나 이상의 스트링; 스트링들이 서로 인접하는 갭(gap) 내에서 태양광 모듈의 중심선을 따라 진행되는 전기적 컨덕터; 전기적 컨덕터에 연결되는 바이패스 다이오드(bypass diode); 및 전기적 컨덕터 및 바이패스 다이오드를 커버하는 정션박스를 포함한다.

Description

바이패스 다이오드를 갖는 슁글드 타입 태양광 모듈 { Solar cell module having bypass diode }
본 발명은 스트링 중 어느 하나가 동작하지 않아도 정상 동작이 가능하게 하는 바이패스 다이오드를 갖는 슁글드 타입 태양광 모듈에 관한 것이다.
최근 대체 에너지로 태양 전지가 각광받고 있다. 태양 전지는 태양광 소자를 다수 포함하여 소정의 전력을 얻을 수 있다. 태양 전지는 소정의 전력을 얻기 위하여 태양 전지 패널을 직렬로 연결하여 제작되는 경우가 많다.
그런데 태양 전지 패널에 그늘과 같이 음영이 지거나, 태양 전지 패널 중 일부가 파손된 경우, 전체가 정상적으로 작동하지 않을 수 있다. 또는 음영이 진 위치에 열점(hot spot) 현상이 발생하여 효율을 저하시킬 수도 있다.
이에 최근 태양 전지 패널 일부에 음영이 지는 경우에도 태양 전지 모듈이 정상 작동하게 하는 연구가 진행 중이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로써, 본 발명의 목적은 스트링 중 어느 하나가 동작하지 않아도 정상 동작이 가능하게 하는 바이패스 다이오드를 갖는 슁글드 타입 태양광 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈은 평행한 열들로 배치되며, 서로 인접하고 부분적으로 중첩되는 복수의 스트립들을 포함하는 적어도 하나 이상의 스트링; 스트링들이 서로 인접하는 갭(gap) 내에서 상기 태양광 모듈의 중심선을 따라 진행되는 전기적 컨덕터; 전기적 컨덕터에 연결되는 바이패스 다이오드(bypass diode); 및 전기적 컨덕터 및 바이패스 다이오드를 커버하는 정션박스를 포함한다.
일실시예에 있어서, 스트링은 복수개의 스트링이 서로 병렬 연결하여 하나의 스트링 세트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
일실시예에 있어서, 적어도 하나 이상의 스트링은 4개이며, 태양광 모듈을 4분할하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
일실시예에 있어서, 4개의 스트링은 2X2열로 배치되는 것을 특징으로 한다.
일실시예에 있어서, 적어도 하나 이상의 스트링은 6개이며, 태양광 모듈을 6분할하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
일실시예에 있어서, 6개의 스트링은 2X3열 또는 3X2열로 배치되는 것을 특징으로 한다.
일실시예에 있어서, 적어도 하나 이상의 스트링은 7개이며, 태양광 모듈을 7분할하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
일실시예에 있어서, 7 개의 스트링은 1X7 또는 7X1열로 배치되는 것을 특징으로 한다.
일실시예에 있어서 복수개의 스트링의 개수를 N개라고 할 때에, 바이패스 다이오드의 개수는 N개인 것을 특징으로 한다.
일실시예에 있어서, 복수개의 스트링의 개수를 N개라고 할 때에, 바이패스 다이오드의 개수는 N/2 개인 것을 특징으로 한다.
일실시예에 있어서, 전기적 컨덕터는 복수개의 스트링이 서로 만나는 접합지역을 통과하도록 설계되는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명에 따르면,
스트링들이 서로 인접하는 갭(gap) 내에서 태양광 모듈의 중심선을 따라 진행되는 전기적 컨덕터에 연결되는 바이패스 다이오드를 포함함으로써 스트링의 어느 한 부분이 음영 또는 스트링 패널 손상으로 동작하지 않아도 전체적으로는 동작하게 하거나 효율을 유지하며 동작하는 장점이 있다.
또한 본 발명은 이러한 바이패스 다이오드를 적용함에 있어서, 최적의 조합으로 슁글드 타입 태양전지를 제작할 수 있다.
도 1은 본발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 어느 스트링에 음영이 발생한 경우 바이패스 다이오드에 의해 일실시예에 따른 태양광 모듈이 전체적으로 동작하는 모습을 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 2X2열 구성을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 3X2열 구성을 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 7X1열 구성을 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 N/2 다이오드 구성을 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 N/2 다이오드 구성을 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 구성을 도시한 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 하기 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 단지 예시로 제시하는 것이며, 본 기술 사상을 통해 구현되는 다양한 실시예가 있을 수 있다.
태양광 모듈의 구성
도 1은 본발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈의 구성을 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈은, 평행한 열들로 배치되며, 서로 인접하고 부분적으로 중첩되는 복수의 스트립(110)들을 포함하는 적어도 하나 이상의 스트링(100); 스트링(100)들이 서로 인접하는 갭(gap) 내에서 태양광 모듈의 중심선을 따라 진행되는 전기적 컨덕터(200); 전기적 컨덕터(200)에 연결되는 바이패스 다이오드(300)(bypass diode); 및 전기적 컨덕터(200) 및 바이패스 다이오드(300)를 커버하는 정션박스(400)를 포함한다.
스트링(100)은 전기적 직렬로 연결되는 복수의 스트립(110)을 포함한다.
스트립(110)은 태양광 셀(cell)을 분할한 태양 전지의 구성 요소이다. 스트립(110)은 전기적 연결을 위하여 일면 또는 양면에 버스바(busbar)가 형성될 수 있다. 경우에 따라서 스트립(110)의 한 면에 버스바를 형성시킨 후, 복수개의 스트립(110)을 중첩하여 전체적인 하나의 스트링(100)을 형성시킬 수 있다. 버스바를 접점으로 스트립(110) 서로가 슁글드 구조로 적층될 수 있다.
슁글드 구조로 적층되는 방식은, 스트립(110)이 마치 기왓장을 쌓는 모양과 같다. 인접한 스트립(110)의 일부가 포개어지도록 위치시킨다. 이때에, 중첩된 부분에 도전성 접착 물질이 제공된다. 인접한 스트립(110)간에 전기적인 연결은 도전성 접착 물질을 통해 연결된다. 여기서 도전성 접착 물질은 ECA(Electrically Conductive Adhesive) 또는 Sn, Pb와 같은 솔더(solder)일 수 있다. 따라서, 복수개의 스트립(110)은 하나의 스트링(100) 내에서 전기적 직렬로 연결된다.
스트링(100)은 복수 개의 스트립(110)들이 슁글드 구조로 연결된 어레이(array)로서, 블록 단위로 나눠져 이웃한 스트링(100)과 병렬 연결될 수 있다. 스트링(100)은 밀봉재에 의해 전면 및 후면이 실링될 수 있다. 밀봉재는 스트링(100)이 외부의 충격, 습기, 자외선으로부터 노출되는 것을 방지한다. 밀봉재는 투광성 및 접착성을 갖는 절연 물질로 구성될 수 있다. 일 예로, 밀봉재로 에틸렌초산 비닐 공중합체 수지(EVA), 폴리비닐부티랄, 규소 수지, 에스테르계 수지, 올레핀계 수지 등이 사용될 수 있다. 밀봉재는 라미네이션 공정에 의하여 스트링(100)과 일체화되도록 구성될 수 있다. 스트링(100)은 일 예로 장축과 단축을 갖는 직사각형 형상의 모양으로 제작될 수 있다.
태양 전지는 일반적으로 셀 부근에 일정한 공간이 형성되는데, 이 공간은 태양 전지가 위치하지 않으므로, 전력이 생산되지 않는다. 이렇게 스트립(110)을 적층하여 스트링(100)을 제작하면 셀과 셀 사이의 공간인 데드 스페이스가 사라지게 된다. 결과적으로 이러한 데드 스페이스를 줄임으로써, 단위 면적 당 전력 생산을 높일 수 있는 방법이 될 수 있다.
또한 일반적으로 출력 손실은 태양 전지에서 전류의 제곱에 저항을 곱한 값을 갖는다. 그런데 태양 전지의 전류 중에는 태양 전지의 면적 자체에 의하여 발생되는 전류가 있어, 태양 전지의 면적이 커지면 해당 전류도 커지고, 결국 태양 전지의 면적이 커질수록 출력 손실이 커지게 된다. 이렇게 스트립(110)을 적층하여 스트링(100)을 제작하면 면적 자체를 작게 하여 전력의 출력 손실을 최소화하는 장점이 있다.
슁글드 구조의 스트링(100)은 다양한 형상을 갖도록 배치될 수 있다. 일 예로, 스트링(100)들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 면적과 모양이 다양한 스트링 세트(120)를 만들 수 있다. 스트링 세트(120)를 직렬로 연결할 수 있다.
각 스트링(100)은 스트링(100)의 양 끝단에 리본 모양의 커넥터를 포함할 수 있다. 이러한 커넥터는 스트링(100)의 전면과 후면 중 어느 한 면에 부착되고, 반대 면에 부착될 수 있다.
그런데 스트링(100)을 직렬로 연결한 경우에는 하나의 스트링(100)에 문제가 생길 경우 전체적으로 정상 동작하지 않게 되는데, 태양전지 작동을 정상화 하기 위한 방법을 다음에 이어 설명한다.
음영 발생 시 동작 과정
도 2는 어느 스트링에 음영이 발생한 경우 바이패스 다이오드에 의해 일실시예에 따른 태양광 모듈이 전체적으로 동작하는 모습을 도시한 개념도이다.
도 2는 스트링 세트(120)의 일부에 음영이 발생한 경우, 음영에도 불구하고 바이패스 다이오드(300)에 의해 일실시예에 따른 태양광 모듈이 전체적으로 동작하는 모습을 도시한 바이패스 동작을 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 복수의 스트링(100)이 병렬로 연결되어 스트링 세트(120)를 구성할 수 있다. 스트링 세트(120)는 스트링(100) 2 내지 7 개가 병렬로 결합될 수 있다. 여기서 스트링 세트(120)는 복수의 스트링(100)을 병렬로 연결한 세트를 의미한다. 도 2의 경우 6개의 스트링이 병렬로 연결된 스트링 세트(120)가 도시된다.
가장 왼쪽의 스트링 세트(120a) 전체에 음영(A)이 발생한 상황을 가정한다. 스트링 세트 음영(A)이 발생하면 해당 세트가 구동하지 않아, 음영(A)이 발생한 부분에 열점(hot spot)이 발생되게 된다. 이 경우 해당 세트(120a) 전체에서 전력이 생산되지 않고, 해당 스트링 세트(120a)와 연결된 다이오드(300a)를 통하여 전류가 흐르게 된다.
이러한 바이패스 다이오드(300)는 정션박스(400) 내에 배치될 수 있지만, 스트링(100) 또는 스트링 세트(120)에 빌트인(built-in)되어 배치될 수도 있다. 바이패스 다이오드(300)가 빌트인 되어 배치되는 경우 스트링(100) 또는 스트링 세트(120)에서 빛을 수광하는 면의 반대 면에 배치될 수 있다. 스트링(100) 또는 스트링 세트(120)의 전면에 배치된다면, 그 면적을 최소하여 배치할 수 있다.
바이패스 다이오드(300)는 레이저 공정을 사용하여 폴리실리콘 이미터(emitter)의 일부분을 도핑함으로써 수직 PN 접합 폴리실리콘 다이오드로서 제조될 수 있다. 다른 실시 예로서, 폴리실리콘 이미터의 상부 상에 도핑된 비정질 규소 또는 나노 결정질 규소 층을 침착 시킴으로써 수직 PN 접합 폴리실리콘 다이오드가 제조될 수 있다. 어느 경우에든, 제조된 바이패스 다이오드(300)는 태양 전지에서 바이패스로서 기능할 수 있고, 스트링(100)에 발생한 열점의 온도를 감소시킬 수 있다.
본발명의 태양광 모듈의 일실시예에 의하면, 스트링(100)들이 서로 인접하는 갭(gap) 내에서 태양광 모듈의 중심선을 따라 진행되는 전기적 컨덕터(200)에 연결되는 바이패스 다이오드(300)를 포함함으로써 스트링(100)의 어느 한 부분이 음영 또는 스트링(100) 패널 손상으로 동작하지 않아도 전체적으로는 동작하도록 하거나 효율을 유지하며 동작하게 하는 장점이 있다.
스트링 세트의 배치 실시예 1
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 2X2열 구성을 도시한 개념도이다. 도 3는 4개의 스트링 세트(120)가 2X2열로 배치된 모습을 도시한 2X2열 스트링 배치도이며, 도면에서 스트링 세트는 전기적 컨덕터(200)의 도시를 위해 배면으로 도시되었다.
도 3을 참조하면, 적어도 하나 이상의 스트링 세트(120)는 4개이며, 태양광 모듈을 4분할하여 배치될 수 있다. 4개의 스트링 세트(120)는 2X2열로 배치될 수 있다.
스트링 세트(120)들은 서로 전기적 직렬로 연결된다. 전기적 컨덕터(200)는 복수개의 스트링이 서로 만나는 접합지역을 통과하거나, 필요한 경우 도면에서 도시된 바와 같이 스트링 세트(120)의 배면을 통과하도록 설계될 수 있다. 전기적 컨덕터(200)는 스트링 세트(120)의 각 직렬 연결부의 지점을 정션 박스(400)로 연장하여, 정션 박스(400) 내의 바이패스 다이오드(300)들과 연결되도록 한다.
전기적 컨덕터(200)는 스트링 세트(120)들이 서로 인접하는 갭(gap) 내에서 태양광 모듈의 중심선을 따라 진행될 수 있거나, 스트링 세트(120)의 배면을 통과 할 수 있다. 필요한 경우 전기적 컨덕터(200)는 스트링 세트(120)와의 전기적 절연을 형성하면서 배치될 수 있다.
스트링 세트의 배치 실시예 2
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 3X2열 구성을 도시한 개념도이다.
도 4를 6개의 스트링(100)이 3X2열로 배치된 모습을 도시한 3X2열 스트링 배치도이며, 도면에서 스트링 세트(120)는 전기적 컨덕터(200)의 도시를 위해 배면으로 도시되었다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에서 도시된 스트링 세트(120)는 6개이며, 태양광 모듈을 6분할하여 배치된다. 6개의 스트링 세트(120)는 도면에서는 2X3열로 도시되었고, 경우에따라 3X2의 배열을 택할 수 있다.
앞서의 도 3의 실시예와 마찬가지로, 전기적 컨덕터(200)는 각 스트링 세트(120)의 직렬 연결 지점을 정션박스(400)내로 인입하여, 다이오드(300)와 회로 내에서 병렬연결을 구성할 수 있게 한다.
스트링 세트의 배치 실시예 3
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 7X1열 구성을 도시한 개념도이다.
도 5는 7 개의 스트링 세트(120)가 7X1열로 배치된 모습을 도시한 7X1열 스트링 배치도이며, 도면에서 스트링 세트(120)는 전기적 컨덕터(200)의 도시를 위해 배면으로 도시되었다.
본 실시예에서 사용된 스트링 세트(120)는 총 7개이며, 태양광 모듈을 7분할하여 배치되었다. 다른 방법으로는 7 개의 스트링 세트(120)가 1X7열로 배치될 수도 있다. 전기적 컨덕터(200)는 직렬 연결 사이에서 인출되어 바이패스 다이오드(300) 사이로 정션 박스(400) 내에서 연결된다. 도면 상 스트링(100)을 지나는 전기적 컨덕터(200)는 스트링 세트(120)와 절연될 수 있다.
복수개의 스트링 세트(120)의 개수를 N개라고 할 때에, 바이패스 다이오드(300)의 개수는 N개가 된다. 이렇게 스트링 세트(120)의 개수와 바이패스 다이오드(300)의 개수가 같은 경우, 음영이 스트링(100)의 어느 지점에 발생하면 해당 스트링(100)을 바이패스하여 작동한다.
스트링 세트의 배치 실시예 4
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 N/2 다이오드 구성을 도시한 개념도이다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 N/2 다이오드 구성을 도시한 개념도이다. 도면에서 스트링 세트(120)는 전기적 컨덕터(200)의 도시를 위해 배면으로 도시되었다.
도 6은 스트링(100)의 개수가 4개일 때, 바이패스 다이오드(300)의 개수가 2개인 모습을 도시한 4X1 스트링 배치도이다. 도 7은 스트링 세트(120)의 개수가 6개일 때, 바이패스 다이오드(300)의 개수가 3개인 모습을 도시한 3X2 스트링 배치도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 복수개의 스트링 세트(120)의 개수를 N개라고 할 때에, 바이패스 다이오드(300)의 개수는 N/2 개일 수 있다.
바이패스 다이오드(300)의 개수가 N/2인 경우에 음역 지역이 발생하는 경우 인접하는 스트링 세트(120)까지 바이패스를 통하여 경유되므로, 발전하는 스트링 세트(120)가 적을 수 있다. 하지만, 음역지역 발생이 일시적인 경우, 최소한의 다이오드 구성으로 다이오드 필요 개수를 절감하여 생산 비용을 낮출 수 있다.
스트링 배치의 또 다른 실시예
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 모듈을 도시한 개념도이다. 도 8은 4개의 스트링 세트(120)가 2X2열로 배치된 모습을 도시한 2X2열 스트링 배치도이다.
도 8을 참조하면, 4개의 슁글드 구조의 스트링(100)이 배치된다. 4개의 스트링(100)은 전기적 직렬로 연결된다. 스트링(100)은 정션박스(400) 내에 포함된 바이패스 다이오드(300)를 사이에 두고 연결된다.
전기적 컨덕터(200)는 복수개의 스트링이 서로 만나는 접합지역을 통과한다. 전기적 컨덕터(200)는 필요한 경우 스트링 세트(120)의 배면을 통과하도록 설계될 수 있다. 전기적 컨덕터(200)는 스트링 세트(120)의 각 직렬 연결부의 지점을 정션 박스(400)로 연장하여, 정션 박스(400) 내의 바이패스 다이오드(300)들과 연결된다.
이상에서 설명된 본 발명의 일 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 스트링
110 : 스트립
120 : 스트링 세트
200 : 전기적 컨덕터
300 : 바이패스 다이오드
400 : 정션박스

Claims (11)

  1. 태양광 모듈에 있어서,
    평행한 열들로 배치되며, 서로 인접하고 부분적으로 중첩되는 복수의 스트립들을 포함하는 적어도 하나 이상의 스트링;
    상기 스트링들이 서로 인접하는 갭(gap) 내에서 상기 태양광 모듈의 중심선을 따라 진행되는 전기적 컨덕터;
    상기 전기적 컨덕터에 연결되는 바이패스 다이오드(bypass diode); 및
    상기 전기적 컨덕터 및 바이패스 다이오드를 커버하는 정션박스를 포함하는 태양광 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트링은 복수개의 스트링이 서로 병렬 연결하여 하나의 스트링 세트로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.

  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 스트링은 4개이며, 상기 태양광 모듈을 4분할하여 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 4개의 스트링은 2X2열로 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 스트링은 6개이며, 상기 태양광 모듈을 6분할하여 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 6개의 스트링은 2X3열 또는 3X2열로 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 스트링은 7개이며, 상기 태양광 모듈을 7분할하여 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 7 개의 스트링은 1X7 또는 7X1열로 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 스트링의 개수를 N개라고 할 때에, 상기 바이패스 다이오드의 개수는 N개인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 스트링의 개수를 N개라고 할 때에, 상기 바이패스 다이오드의 개수는 N/2 개인 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 컨덕터는 상기 복수개의 스트링이 서로 만나는 접합지역을 통과하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
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