WO2015199308A1 - 태양광 발전효율 향상 및 최적화 장치를 갖는 지붕 일체형 태양광 발전모듈 - Google Patents

태양광 발전효율 향상 및 최적화 장치를 갖는 지붕 일체형 태양광 발전모듈 Download PDF

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박종언
박동식
김영진
조성문
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에디슨솔라이텍(주)
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a photovoltaic module, and more particularly, a photovoltaic power generation efficiency improvement and optimization device capable of improving and optimizing the efficiency of photovoltaic power generation by correcting power loss between power modules and shading. It relates to a roof-integrated photovoltaic module comprising a.
  • photovoltaic power generation system is a member of the development of alternative energy to promote the widespread distribution of renewable energy.
  • the research and development is actively progressing, and the situation is now accelerating the improvement of the efficiency of the photovoltaic power generation system and the practical use of the optimized power generation device.
  • a photovoltaic power generation system capable of producing energy using such solar light generally connects a plurality of photovoltaic modules in parallel to a power converter. That is, since a single solar power generation module alone has a very low output voltage, in order to step up to an input voltage required for a power converter, a plurality of solar power generation modules are connected in series, and a plurality of such serial connection arrays are connected in parallel. You get the final power.
  • the photovoltaic module generates heat in the process of generating power by receiving solar energy, and heat generated at this time reduces the electricity production capacity of the photovoltaic module, thereby enhancing the efficiency of the photovoltaic system. In order to do this, it is necessary to perform heat radiation effectively.
  • the sun when used in a confined area of a building or a dwelling area, the sun may be caused by contaminants such as shadows by adjacent buildings, houses, trees, shades by sun angles, and fallen leaves. Deviation may occur in the output power between the photovoltaic modules, and when the solar power modules are connected in series, a problem occurs that the final generated power is lowered.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and the present invention independently improves the heat dissipation characteristics and workability of the solar power generation module, and independently the solar power generation module so that the power generation efficiency produced by the solar power generation module can be optimized.
  • a roof integrated solar power generation module having a power generation efficiency improvement and optimization device capable of maximizing the power generation efficiency of the solar power generation system by stabilizing the gap between power generation and stabilizing power by controlling the power generation.
  • Photovoltaic power generation module a solar cell module for producing power using sunlight, an outer frame having a receiving portion for receiving the solar cell module, disposed in the receiving portion to the solar cell module And a support frame having a through portion formed at a center thereof, and mounted in the through portion, and electrically connected to an output terminal of the solar cell module to optimize a photovoltaic generation efficiency.
  • the photovoltaic module may further include a mounting rail formed to cross the through part to mount the power generation efficiency optimization device.
  • the apparatus for optimizing power generation efficiency may include a case coupled to the mounting rail and fixed, an input terminal portion formed on a side of the case so that an output line of the solar cell module is connected, and installed inside the case, and to an input through the input terminal portion. And an output terminal unit formed at a side surface of the case to output an output of the circuit unit to the outside.
  • the power generation efficiency optimization apparatus may further include a display lamp for displaying a normal or abnormal operation state of the power generation efficiency optimization apparatus.
  • the apparatus for optimizing power generation efficiency may include: a DC / DC converter unit for converting a level of DC power output from the solar cell module; and controlling the DC / DC converter unit to track a maximum power point of the solar cell module.
  • An optimization device controller for controlling an operation mode of the optimization device, and an operation mode converter connected in parallel to the DC / DC converter to convert the operation mode of the power generation efficiency optimization device according to the control of the optimization device controller. Can be.
  • the optimizer controller controls the power generation efficiency optimization device so that the power output from the solar cell module is directly output without passing through the DC / DC converter. Can operate in solar cell mode.
  • the optimizer controller may keep the operation mode converter on and shut down the DC / DC converter for the solar cell mode.
  • the optimizer controller may control the operation of the DC / DC converter unit to keep the operation mode converter off and track the maximum power point.
  • the optimizer control unit may operate the DC / DC converter in a buck mode when the maximum power point voltage of the solar cell module is lower than the output voltage.
  • the optimizer controller may operate the DC / DC converter in a boost mode.
  • the apparatus for optimizing power generation efficiency may further include a bypass diode for bypassing string current when a defect occurs in the solar cell module.
  • the outer frame may include an upper plate and a lower plate.
  • the lower plate includes a first lower plate protrusion formed to protrude in the width direction of the outer frame with respect to the upper plate, and a second lower plate protrusion formed to protrude in a longitudinal direction perpendicular to the width direction of the outer frame with respect to the upper plate.
  • the upper plate protrudes in the width direction of the outer frame with respect to the lower plate and is formed on the side opposite to the first lower plate protrusion, and protrudes in the longitudinal direction of the outer frame with respect to the lower plate and the second lower plate protrusion. It may include a second top plate protrusion formed on the opposite side.
  • Wiring grooves for drawing the wiring may be formed on an upper surface of the first lower plate protrusion and a lower surface of the first upper plate protrusion.
  • a coupling hole may be formed on an upper surface of the first lower plate protrusion and the second lower plate protrusion, and a coupling protrusion corresponding to the coupling hole may be formed on the lower surface of the first upper plate protrusion and the second upper plate protrusion.
  • the lower plate may include a first vent formed to penetrate the longitudinal direction of the outer frame, and the support frame may include a second vent formed to communicate with the first vent through the longitudinal direction of the outer frame.
  • the solar cell module may further include a heat sink disposed between the solar cell module and the support frame.
  • the heat sink may be in the form of a mesh.
  • the solar cell module according to another embodiment of the present invention is formed in the shape of a tile, a frame having a through portion in the center, a solar cell module disposed on the upper surface of the frame to cover the through portion, mounted in the through portion And a power generation efficiency optimization device electrically connected to an output end of the solar cell module to optimize the photovoltaic power generation efficiency, and a mounting rail formed to cross the through part for mounting the power generation efficiency optimization device.
  • the solar cell module may further include a heat sink disposed on a rear surface of the solar cell module.
  • the apparatus for optimizing power generation efficiency may include: a DC / DC converter unit for converting a level of DC power output from the solar cell module; and controlling the DC / DC converter unit to track a maximum power point of the solar cell module.
  • An optimization device controller for controlling an operation mode of the optimization device, and an operation mode converter connected in parallel to the DC / DC converter to convert the operation mode of the power generation efficiency optimization device according to the control of the optimization device controller. Can be.
  • the operation mode of the solar cell module can be maintained in an optimal state, thereby maximizing the overall power generation efficiency of the solar power generation system.
  • the photovoltaic module according to the present invention can be installed integrally on the roof without a separate structure is easy to install, and by efficiently radiating heat generated from the solar cell module to the surroundings, the efficiency of the solar cell module Can be improved.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a photovoltaic power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a photovoltaic module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of the combination of the photovoltaic module shown in FIG.
  • FIG. 4 is a plan view of the photovoltaic module shown in FIG.
  • FIG. 5 is a rear view of the photovoltaic module shown in FIG. 3.
  • FIG. 6 is a front view of the photovoltaic module shown in FIG. 3.
  • FIG. 7 is a rear view of the photovoltaic module shown in FIG. 3.
  • FIG 8 and 9 are a perspective view and a cross-sectional view showing another embodiment of the heat sink.
  • FIG. 10 is a plan view showing the mounting state of the power generation efficiency optimization device.
  • FIG. 11 is a perspective view specifically showing a power generation efficiency optimization apparatus.
  • FIG. 12 is a perspective view of the combination of the photovoltaic modules according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a stereoscopic view viewed from the rear side to more specifically show the coupling of the portion indicated by A in FIG. 12.
  • FIG. 14 is a stereoscopic view for illustrating in more detail the bonding of portions indicated by B in FIG. 12.
  • FIG. 15 is a configuration diagram of a circuit unit of the power generation efficiency optimization device shown in FIG. 10.
  • FIG. 16 is a circuit diagram illustrating a DC / DC converter and an operation mode converter shown in FIG. 15.
  • FIG. 17 is a plan view showing a solar power module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the solar cell module shown in FIG. 17.
  • FIG. 19 is a rear view of the photovoltaic module shown in FIG. 17.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a photovoltaic power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • the photovoltaic power generation system converts DC power output from the plurality of photovoltaic modules 1000 and the plurality of photovoltaic modules 1000 to AC power.
  • Inverter 2000 for the purpose of.
  • the photovoltaic modules 1000 may be connected in parallel to each other in order to boost the output voltage to the input voltage required by the inverter 2000.
  • the photovoltaic modules 1000 may be formed in the form of a tile on the roof of a house to be installed as a roof-integrated structure that performs a self-generation function together with the roof function of the house.
  • Each solar power generation module 1000 is individually connected to the solar cell module 100 to optimize the power generation efficiency of the solar cell module 100 and the solar power generation module 1000 to produce power by using sunlight.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 200 is included.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 200 is connected to each of the solar cell modules 100 one by one.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 200 may be connected at intervals of three to five solar cell modules 100.
  • the present invention finally connects the power generation efficiency optimization apparatus 200 for controlling the operation of the photovoltaic modules 1000 independently to each solar cell module 100, thereby finally in the photovoltaic power generation system.
  • the efficiency of output power can be improved and optimized.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a solar power module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a combined perspective view of the solar power module shown in Figure 2
  • Figure 4 is a solar power module shown in Figure 3
  • 5 is a rear view of the photovoltaic module shown in FIG. 3
  • FIG. 6 is a front view of the photovoltaic module shown in FIG. 3
  • FIG. 7 is a view of the photovoltaic module shown in FIG. 3.
  • Back view
  • the photovoltaic power generation module 1000 includes a solar cell module 100, an outer frame 300 having an accommodating part 301 accommodating the solar cell module 100, and an accommodating part 301. It is disposed in the) and supports the solar cell module 100 includes a support frame 400 having a through portion 410 in the center, and a power generation efficiency optimization device 200 mounted in the through portion 410.
  • the solar cell module 100 produces electric power using sunlight.
  • the solar cell module 100 is a battery capable of absorbing sunlight energy and converting it into electrical energy, and has a configuration in which solar cell cells, which are the minimum units of the solar cell, are connected in series, in parallel or in parallel.
  • the outer frame 300 includes an upper plate 310 and a lower plate 320.
  • the outer frame 300 has a structure in which the upper plate 310 and the lower plate 320 are stacked, and the lower plate 320 is formed to protrude in the width direction and the length direction with respect to the upper plate 310, thereby providing a plurality of outer frames 300. ) Is formed into a structure that can be combined by itself without a separate coupling device.
  • the lower plate 320 is a first lower plate protrusion formed by protruding a portion in the width direction (left and right direction in FIG. 4) of the outer frame 300 with respect to the upper plate 310, for example, in the right direction in FIG. 4. 321, a portion protrudes in the longitudinal direction (up and down direction in FIG. 4) perpendicular to the width direction of the outer frame 300 with respect to the upper plate 310, for example, in the lower direction in FIG. 4.
  • a second lower plate protrusion 322 is formed.
  • the upper plate 310 is formed in the width direction of the outer frame 300 with respect to the lower plate 320, for example, in the left direction in FIG. 4, a portion of which is formed on the opposite side of the first lower plate protrusion 321.
  • a first upper plate protrusion 311, and a portion protrudes in the longitudinal direction of the outer frame 300 with respect to the lower plate 320, for example, in an upper direction in FIG. It includes a second top plate protrusion 312 formed in.
  • the upper plate 310 and the lower plate 320 are formed in a rectangular plate shape having the same width and length, and by slightly moving the upper plate 310 and the lower plate 320 of such a shape in the width direction and the length direction.
  • the first lower plate protrusion 321, the second lower plate protrusion 322, the first upper plate protrusion 311, and the second upper plate protrusion 312 may be formed.
  • a configuration in which the outer frames 300 are coupled to each other will be described. Specifically, by the configuration of the upper plate 310 and the lower plate 320 protruding relative to each other, a plurality of outer frames 300 can be continuously coupled in the vertical direction and the left and right directions without a separate component.
  • first coupling holes 323 and second coupling holes 324 are formed on upper surfaces of the first lower plate protrusion 321 and the second lower plate protrusion 322, respectively, and the first upper plate protrusion 311 and The first coupling protrusion 313 and the second coupling protrusion 314 corresponding to the first coupling hole 323 and the second coupling hole 324 are formed on the bottom surface of the second upper plate protrusion 312, respectively.
  • the first coupling holes 323 are formed in two rows on the upper surface of the first lower plate protrusion 321, and three of the first coupling holes 323 are formed at equal intervals.
  • three second coupling holes 324 are formed at equal intervals on the upper surface of the second lower plate protrusion 322, for example.
  • first coupling protrusions 313 are formed in two rows corresponding to the first coupling holes 323, and three are formed at equal intervals in each row.
  • three second coupling protrusions 314 are formed at equal intervals in one row, for example, corresponding to the second coupling holes 324.
  • first wiring grooves 325 and second wiring grooves 315 for drawing out the wiring 330 may be formed on the upper surface of the first lower plate protrusion 321 and the lower surface of the first upper plate protrusion 311, respectively. have.
  • the first wiring groove 325 and the second wiring groove 315 are formed to extend to both ends in the longitudinal direction of the outer frame 300.
  • Side surfaces of the lower plate 320 may be formed with a plurality of first vent holes 326 formed through the outer frame 300 in the longitudinal direction.
  • the support frame 400 may include a second vent 420 formed in the length direction of the outer frame 300 to communicate with the first vent 326.
  • the second vent 420 and the first vent 326 formed to communicate with each other form an air passage, which not only emits heat generated by the solar cell module 100 to the outside, but also discharges the air passage outside. By connecting to the heat generated in the solar cell module 100 may be reused again.
  • the photovoltaic module 1000 may further include a heat sink 500 disposed between the solar cell module 100 and the support frame 400.
  • the heat sink 500 quickly releases heat generated during photovoltaic power generation of the solar cell module 100 to the outside, thereby improving power generation efficiency of the solar cell module 100.
  • the heat sink 500 may be formed in the form of a mesh made of aluminum alloy having high conductivity.
  • FIG 8 and 9 are a perspective view and a cross-sectional view showing another embodiment of the heat sink.
  • the heat sink 510 may include a low melting point metal inner plate part 512 and an aluminum outer plate part 514 formed to surround the low melting point metal inner plate part 512.
  • a lower surface of the heat sink 510 may have a configuration in which a plurality of heat radiation fins 516 are formed.
  • the structure of the heat sink 510 is doubled, and the low melting point metal inner plate part 512 composed of Hg, Na, Pb, Bi, or Sn having a lower melting point than aluminum is formed inside the aluminum outer plate part 514.
  • the outer aluminum outer shell portion 514 is good for dissipating heat to the outside, the inner low-melting point metal inner shell portion 512 receives the heat is transformed into a liquid while the phase transformation to absorb the heat to increase the temperature Can be prevented. That is, when the temperature of the solar cell module 100 rises above the melting point of the low melting point metal, the internal low melting point metal inner plate part 512 absorbs heat while phase transformation, and the outer aluminum outer plate part 514 having high thermal conductivity. While releasing heat continues to release the absorbed heat to increase the heat dissipation efficiency can prevent the heat of the solar cell module 100 rises above a certain temperature.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 200 is mounted in the penetrating portion 410 of the support frame 400, and is electrically connected to the output terminal of the solar cell module 100 to provide photovoltaic power generation efficiency. To improve and optimize.
  • the photovoltaic module 1000 may further include a mounting rail 500 formed to cross the through part 410 for mounting the power generation efficiency optimization apparatus 200.
  • Mounting rail 500 is formed between the solar cell module 100 and the support frame 400, in particular, between the heat sink 500 and the support frame 400, for mounting the power generation efficiency optimization apparatus 200 It is formed to be exposed to the outside by the through portion 410.
  • the mounting rail 600 may be coupled to the outer frame 300 to be located inside the receiving portion 301 of the outer frame 300.
  • the mounting rail 600 may be combined with the support frame 400 or may be integrally formed with the support frame 400.
  • Mounting rail 600 is preferably formed to occupy the smallest possible area in order to maximize the heat radiation efficiency through the heat sink 500. To this end, the mounting rail 600 is preferably formed in the form of a rail in parallel with two thin bands.
  • FIG. 10 is a plan view showing a mounting state of the power generation efficiency optimization apparatus
  • FIG. 11 is a perspective view showing the power generation efficiency optimization apparatus in detail.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 200 is coupled to the mounting rail 600, the case 210 is fixed to the side of the case 210 so that the output line of the solar cell module 100 is connected.
  • the output terminal 220 formed in the inside, the case 210 is installed inside the circuit unit 230 for performing power generation efficiency optimization for the input through the input terminal unit 220, and outputs the output of the circuit unit 230 to the outside
  • the case 210 includes an output terminal 240 formed on the side.
  • the input terminal unit 220 and the output terminal unit 240 are formed in a jack connection structure, and are formed in a structure in which the connection with the wiring 330 is easy.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 200 may include a normal notification lamp 252 and an abnormality notification lamp 254 for displaying a normal operation state and an abnormal operation state of the power generation efficiency optimization device 200. Through the display of the normal notification lamp 252 and the abnormal notification lamp 254 it is possible to easily determine the operating state of the photovoltaic module 1000, it is possible to smooth maintenance.
  • the power generation efficiency optimization device 200 for optimizing the power generation efficiency of the photovoltaic module 1000 in the penetrating portion 410 of the support frame 400, the compact photovoltaic module without increasing the thickness thereof. 1000 can be configured, and the efficiency of installation and construction can be improved.
  • FIG. 12 is a perspective view of the combination of the photovoltaic modules according to an embodiment of the present invention.
  • the photovoltaic modules 1000a, 1000b, and 1000c formed in the same shape may be coupled in a width direction and a length direction, the photovoltaic modules having the same shape may be combined with each other to have various areas. It can form a photovoltaic module array that can cover the.
  • each of the photovoltaic modules 1000a, 1000b, and 1000c is coupled to adjacent photovoltaic modules 1000a, 1000b, and 1000c in the width direction and the length direction, the coupling may be maintained firmly.
  • the flow path formed by the vent 326 and the second vent 420 extends without interruption even when a plurality of photovoltaic modules 1000a, 1000b, and 1000c are combined, so that efficient heat dissipation or heat recovery is possible.
  • FIG. 13 is a stereoscopic view viewed from the rear side to more specifically show the coupling of the portion indicated by A in FIG. 12. Specifically, FIG. 13 illustrates a coupling relationship between the first lower plate protrusion 321 of the second photovoltaic module 1000b and the first top plate protrusion 311 of the first photovoltaic module 1000a.
  • a plurality of first coupling holes 323 are formed in two rows on an upper surface of the first lower plate protrusion 321 of the second solar power module 1000b, and correspondingly, the first solar power module 1000a is provided.
  • a plurality of first coupling protrusions 313 are formed at a position corresponding to the position of the first coupling hole 323 on the lower surface of the first upper plate protrusion 311 of FIG.
  • the second photovoltaic module 1000b is positioned below, the first photovoltaic module 1000a is positioned above, and each of the first coupling holes 323 and the first coupling protrusions ( After aligning the position of the 313, the first photovoltaic module 1000a is moved downward and inserted into the second photovoltaic module 1000b, whereby the first photovoltaic module 1000a and the second photovoltaic light are aligned.
  • the power generation module 1000b may be combined.
  • FIG. 14 is a stereoscopic view for illustrating in more detail the bonding of portions indicated by B in FIG. 12. Specifically, FIG. 14 illustrates a coupling relationship between the second lower plate protrusion 322 of the first photovoltaic module 1000a and the second top plate protrusion 312 of the third photovoltaic module 1000c.
  • the second coupling hole 324 is formed on the upper surface of the second lower plate protrusion 322 of the first photovoltaic module 1000a, and correspondingly, the second of the third photovoltaic module 1000c.
  • a plurality of second coupling protrusions 314 is formed at a position corresponding to the position of the second coupling hole 324 on the lower surface of the upper protrusion 312.
  • the first photovoltaic module 1000a is positioned below the third photovoltaic module 1000c and the second coupling holes 324 and the second coupling protrusions are located at the same time. After aligning the position of the 314, the first photovoltaic module 1000a and the third photovoltaic light by moving the third photovoltaic module 1000c downward and inserting the first photovoltaic module 1000a into the first photovoltaic module 1000a.
  • the power generation module 1000c may be combined.
  • the shingle-type solar power generation module 1000 according to the present invention can be installed integrally on the roof without a separate structure, and its installation is easy, and the installation of the plurality of solar power generation modules 1000 is combined. Not only can the angle be easily changed, but the shade can be minimized by each of the photovoltaic modules 1000.
  • the shingled solar cell module 1000 efficiently radiates heat generated from the solar cell module 100 to the surroundings, thereby improving efficiency of the solar cell module 100 as well.
  • the heat generated from the photovoltaic module 1000 may be recovered to provide heat required for the building.
  • the conventional photovoltaic module and the solar collector is applied to the complex independently of each other It can be used to produce more energy per unit area at the same time, further improving solar energy utilization efficiency.
  • the solar power generation module 1000 of the shingles form according to the present invention can easily combine a plurality of solar power generation module 1000, the combination can be easily changed to a form desired by the user, Even if the photovoltaic module 1000 is coupled, it is possible to achieve an effect that can easily arrange the electrical wiring.
  • FIG. 15 is a configuration diagram of a circuit part of the power generation efficiency optimization device shown in FIG. 10, and FIG. 16 is a circuit diagram illustrating a DC / DC converter part and an operation mode converter shown in FIG. 15.
  • the circuit unit 230 of the power generation efficiency optimization apparatus 200 includes a DC / DC converter 232, an optimization apparatus controller 234, and an operation mode converter 236.
  • the DC / DC converter unit 232 is configured to provide a power conversion function for the solar cell module 100. That is, the DC / DC converter 232 controls the power output from the solar cell module 100 under a control of the optimizer control unit 234, or a voltage suitable for driving a load (for example, the inverter 2000) or Convert to current level. For example, the DC / DC converter 232 may perform a buck or boost function to boost or reduce the voltage output from the solar cell module 100.
  • the optimizer controller 234 controls the DC / DC converter 232 to track the maximum power point (MPP) of the solar cell module 100.
  • the optimization device controller 234 has a characteristic of detecting the voltage and current output from the solar cell module 100.
  • the optimizer control unit 234 may include at least one interface for connecting to a CPU, a memory unit, an input / output unit, the DC / DC converter unit 232, and an input terminal and an output terminal of the DC / DC converter unit 232. It may include at least one sensor for measuring the voltage and current in the.
  • the optimizer controller 234 calculates the maximum power point (MPP) of the solar cell module 100 by comparing and analyzing the input voltage and the input current and the output voltage and the output current of the DC / DC converter 232.
  • the duty cycle of the / DC converter unit 232 is changed. Accordingly, the optimization device controller 234 controls the operation in a manner of changing the duty cycle of the DC / DC converter 232 to extract the maximum power from the solar cell module 100 as much as possible.
  • the optimizer controller 234 may determine that the DC / DC converter 232 sets the maximum power point MPP of the solar cell module 100 based on a real time evaluation of the operating state of the solar cell module 100. In order to be tracked, the operation mode of the power generation efficiency optimization apparatus 200 is controlled.
  • the circuit unit 230 of the power generation efficiency optimization apparatus 200 additionally includes an operation mode conversion unit 234 for converting the operation mode of the power generation efficiency optimization apparatus 200 under the control of the optimization apparatus control unit 234. do.
  • the operation mode converter 234 is connected in parallel to the DC / DC converter 232.
  • the operation mode converter 234 may include an electronic switch including two MOSFETs Q5A and Q5B having a common gate and a common source structure.
  • the optimization apparatus controller 234 evaluates the operation state of the solar cell module 100, and when it is determined that the solar cell module 100 maintains the predetermined optimal operating state, the power generation efficiency optimization apparatus 200 is determined. Operate in solar cell mode. That is, when the maximum power point voltage Vmpp of the solar cell module 100 is approximately equal to the output voltage Vout of the DC / DC converter 232, the power generation efficiency optimization apparatus 200 is operated in the solar cell mode. .
  • the optimizer control unit 234 has a maximum power point voltage Vmpp of the solar cell module 100 in a range of ⁇ 2% of the output voltage Vout. If it is determined to enter, the power generation efficiency optimization apparatus 200 is operated in the solar cell mode.
  • the voltage range for determining the optimal operating state may be changed according to the user's setting.
  • the optimizer controller 234 keeps the operation mode converter 234 on and shuts down the DC / DC converter 232 to operate in the solar cell mode. Accordingly, in the solar cell mode, the power output from the solar cell module 100 is directly output to the outside via the operation mode converter 234 without passing through the DC / DC converter 232. Therefore, in the solar cell mode, since a separate power processing process that causes power loss is eliminated, such as operation control of the DC / DC converter 232, it is possible to achieve optimal power acquisition with little power loss.
  • the optimization device control unit 234 is a power generation efficiency optimization device in a situation in which an overcurrent flows in the DC / DC converter unit 232, a temperature is too high, or a damage occurs in the DC / DC converter unit 232.
  • the protection function of the power generation efficiency optimization apparatus 200 may be performed.
  • the operation mode converter 234 Turn off and control the operation of the DC / DC converter unit 232 to track the maximum power point (MPP). That is, when the maximum power point voltage Vmpp of the solar cell module 100 is relatively higher or lower than the output voltage Vout of the DC / DC converter 232, the optimizer control unit 234 may have an optimal generation power.
  • the DC / DC converter 232 is controlled to be output.
  • the DC / DC converter unit 232 is configured as a buck-boost converter that can operate in a buck mode and a boost mode.
  • the DC / DC converter unit 232 includes four FETs Q1, Q2, Q3, and Q4 having an H-bridge structure.
  • the optimizer controller 234 is configured by the DC / DC converter 232 to track the maximum power point (MPP) of the solar cell module 100 based on a real-time evaluation of the operating state of the solar cell module 100. Determine the best mode to operate.
  • MPP maximum power point
  • the optimizer controller 234 may determine that the maximum power point voltage Vmpp of the solar cell module 100 is the output voltage of the DC / DC converter 232. If lower than Vout, the DC / DC converter 232 operates in the buck mode. For example, when the maximum power point voltage Vmpp of the solar cell module 100 is lower than about 98% of the output voltage Vout of the DC / DC converter 232, the optimizer control unit 232 may perform DC / The DC converter unit 232 is operated in buck mode. In the buck mode, the first FET Q1 and the second FET Q2 are switched, the third FET Q3 remains off, and the fourth FET Q4 remains on.
  • the optimizer controller 234 may determine that the maximum power point voltage Vmpp of the solar cell module 100 is the output voltage of the DC / DC converter 232. If higher than Vout, the DC / DC converter 232 operates in boost mode. For example, when the maximum power point voltage Vmpp of the solar cell module 100 is higher than about 102% of the output voltage Vout of the DC / DC converter 232, the optimizer controller 234 may determine the DC / DC.
  • the DC converter unit 232 is operated in boost mode. In boost mode, the third FET Q3 and the fourth FET Q4 are switched, the second FET Q2 remains off, and the first FET Q1 remains on.
  • the solar cell module 100 controls the DC / DC converter unit 232 to track the maximum power point (MPP) of the solar cell module 100.
  • MPP maximum power point
  • the optimal operating state of the battery module 100 may be maintained and power generation efficiency may be optimized.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 200 may further include a bypass diode D1 for bypassing the string current.
  • a bypass diode D1 for bypassing the string current.
  • the bypass diode D1 loses power due to shading of the solar cell module 100 or breakage occurs in the solar cell module 100 or the DC / DC converter 232, the string current is lost.
  • the bypass diode D1 maintains a reverse bias state in a normal operation state, while maintaining a forward bias state so that the string current can be bypassed in the abnormal operation state.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 200 that can independently control each solar cell module 100 in each solar cell module 100, the operation mode of the solar cell module 100 is optimal. In this state, it is possible to improve and optimize the overall power generation efficiency of the photovoltaic system.
  • FIG. 17 is a plan view illustrating a photovoltaic module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the photovoltaic module shown in FIG. 17,
  • FIG. 19 is a rear view of the photovoltaic module illustrated in FIG. 17. It is also.
  • the photovoltaic module 700 is formed in a tile shape and has a frame 710 formed therethrough, with a through portion 701 formed therein.
  • the solar cell module 720 disposed on the upper surface of the frame 710 to cover the part 701, and is mounted in the through part 701, is electrically connected to the output terminal of the solar cell module 720, the solar power generation efficiency It includes a power generation efficiency optimization device 730 for optimizing.
  • Frame 710 is formed to have the same appearance as the roof tiles to be used in place of roof tiles used in the building roof.
  • the frame 710 may include a flat part 712 having a flat structure so that the solar cell module 720 may be mounted, and a first bent part extending in a first direction from one side of the flat part 712. 714, and a second bent part 716 extending bent from the other side of the flat part 712 in a second direction opposite to the first direction.
  • the first bent part 714 and the second bent part 716 are bent in opposite directions to each other, and are formed to have a structure capable of connecting the adjacent PV modules 700 to each other.
  • the photovoltaic module 700 may further include a heat sink 750 disposed on the rear surface of the solar cell module 720.
  • the heat sink 750 rapidly releases heat generated during photovoltaic power generation of the solar cell module 720 to the outside, thereby improving power generation efficiency of the solar cell module 720.
  • the heat sink 750 may be formed in the form of a mesh made of aluminum alloy having high conductivity.
  • the heat sink 750 may be formed to include a low melting metal inner plate and an aluminum outer plate formed to surround the low melting metal inner plate.
  • the photovoltaic module 700 may further include a mounting rail 740 formed to cross the through part 701 for mounting of the power generation efficiency optimization apparatus 730.
  • the mounting rail 740 is formed under the solar cell module 720 and the heat sink 750, and is formed to be exposed to the outside by the penetrating portion 701 for mounting of the power generation efficiency optimization apparatus 730.
  • the mounting rail 740 may be coupled to the frame 710 to be located, for example, inside the through 701 of the frame 710.
  • Mounting rail 740 is preferably formed to occupy the smallest possible area in order to maximize the heat dissipation efficiency through the heat sink 750, for this purpose, the mounting rail 740 has two thin strips in parallel to each other in the form of a rail It is preferably formed.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 730 is coupled to the mounting rail 740 and installed in the penetrating portion 701 of the frame 710.
  • the power generation efficiency optimization apparatus 730 may be installed in each of the photovoltaic modules 700 one by one, or may be installed in a group by forming a plurality of photovoltaic modules in a group.
  • the compact photovoltaic module without increasing the module thickness 700 may be configured.
  • the photovoltaic module 700 of the tile form can be installed integrally on the roof without a separate structure is easy to install.
  • the photovoltaic module 700 of the tile form can efficiently heat the heat generated from the solar cell module 100 to the surroundings, thereby improving the efficiency of the solar cell module 100.

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Abstract

본 발명은 태양광 발전효율 향상 및 최적화 장치를 갖는 지붕 일체형 태양광 발전모듈에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 태양광 발전모듈은, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈, 태양전지 모듈을 수용하는 수용부를 갖는 외부 프레임, 수용부 내에 배치되어 태양전지 모듈을 지지하며, 중앙에 관통부가 형성된 지지 프레임, 및 관통부 내에 장착되며, 태양전지 모듈의 출력단에 전기적으로 연결되어 태양광 발전효율을 최적화시키는 발전효율 최적화 장치를 포함한다. 이와 같이, 태양전지 모듈을 독립적으로 제어할 수 있는 발전효율 최적화 장치를 각각의 태양전지 모듈에 설치함으로써, 태양광 발전시스템의 전체적인 발전효율을 극대화시킬 수 있며, 발전효율 최적화 장치를 프레임의 내부에 설치함으로써, 모듈 두께의 증가 없이 컴팩트한 태양광 발전모듈을 구성할 수 있으며, 별도의 구조물 없이 지붕에 일체형으로 설치될 수 있어 그 설치가 용이하고, 태양전지 모듈에서 발생하는 열을 효율적으로 주변으로 방열시킴으로써, 태양전지 모듈의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

태양광 발전효율 향상 및 최적화 장치를 갖는 지붕 일체형 태양광 발전모듈
본 발명은 태양광 발전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지 모듈 간의 전력 최적화 및 음영에 따른 발전 손실 보정을 통해 태양광 발전의 효율을 향상시키고 최적화시킬 수 있는 태양광 발전효율 향상 및 최적화 장치를 포함하는 지붕 일체형 태양광 발전모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 태양광 발전시스템은 신재생 에너지의 확대 보급을 촉진하기 위한 대체에너지 개발의 일원으로, 태양 에너지의 무공해성 및 무한정성에 힘입어 지구 환경 문제와 미래 에너지원의 다각화 대책으로서 선진 각국에서 활발히 연구 개발이 진행되고 있으며, 최근 태양광 발전시스템의 효율향상과 최적화 발전장치의 실용화에도 박차를 가하고 있는 실정이다.
이러한 태양광을 이용하여 에너지를 생산할 수 있는 태양광 발전시스템은 일반적으로 복수의 태양광 발전모듈들을 직병렬 접속하여 전력변환장치에 연결하게 된다. 즉, 하나의 태양광 발전모듈 단독으로는 출력전압이 매우 낮기 때문에, 전력변환장치에 필요한 입력전압으로 승압하기 위해서는 다수의 태양광 발전모듈들을 직렬접속하고, 이러한 직렬접속 어레이를 다수 병렬로 연결하여 최종 전력을 얻게 된다.
그러나, 태양광 발전모듈은 태양에너지를 받아 전력을 생산하는 과정에서 열을 발생시키며, 이때 발생되는 열은 태양광 발전모듈의 전기생산 능력을 저하시키는 요인이 되기 때문에 태양광 발전시스템의 효율을 증진시키기 위해서는 방열을 효과적으로 수행하는 것이 필요하다.
또한, 주택 등의 지붕 위에 태양광 발전모듈을 설치하기 위해서는 별도의 지지대 구조물을 설치하여야 하며, 신축 주택의 건축 시에도 지붕 자재와 별도로 지지대 구조물을 설치하여야 하므로, 주택 구조 및 도시 미관을 해치는 문제가 발생된다.
또한, 태양광 발전모듈을 건물 밀집지역이나 주택 등의 설치면적에 제약이 있는 곳에 이용할 경우, 인접하는 건물, 주택, 나무 등에 의한 음영, 태양각도에 의한 음영, 낙엽 등의 각종 오염물질 등에 의해 태양광 발전모듈간의 출력전력에 편차가 발생될 수 있으며, 이러한 태양광 발전모듈들을 직렬 접속할 경우 최종 발전전력이 저하되는 문제가 발생된다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명은 태양광 발전모듈의 방열 특성 및 시공성을 향상시키고, 태양광 발전모듈에서 생산되는 발전효율이 최적화 될 수 있도록 태양광 발전모듈을 독립적으로 제어함으로써, 태양광 발전모듈간의 전력 생산의 격차 해소 및 전력의 안정화를 통하여 태양광 발전시스템의 발전효율을 극대화시킬 수 있는 발전효율 향상 및 최적화 장치를 갖는 지붕 일체형 태양광 발전모듈을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 태양광 발전모듈은, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈, 상기 태양전지 모듈을 수용하는 수용부를 갖는 외부 프레임, 상기 수용부 내에 배치되어 상기 태양전지 모듈을 지지하며, 중앙에 관통부가 형성된 지지 프레임, 및 상기 관통부 내에 장착되며, 상기 태양전지 모듈의 출력단에 전기적으로 연결되어 태양광 발전효율을 최적화시키는 발전효율 최적화 장치를 포함한다.
상기 태양광 발전모듈은 상기 발전효율 최적화 장치의 장착을 위해 상기 관통부를 가로지르도록 형성된 장착 레일을 더 포함할 수 있다.
상기 발전효율 최적화 장치는, 상기 장착 레일에 결합되어 고정되는 케이스, 상기 태양전지 모듈의 출력선이 연결되도록 상기 케이스의 측면에 형성된 입력 단자부, 상기 케이스 내부에 설치되며, 상기 입력 단자부를 통한 입력에 대해 발전효율 최적화 작업을 수행하는 회로부, 및 상기 회로부의 출력을 외부로 출력시키기 위해 상기 케이스의 측면에 형성된 출력 단자부를 포함할 수 있다.
상기 발전효율 최적화 장치는 상기 발전효율 최적화 장치의 정상 또는 비정상 동작 상태를 표시하기 위한 표시 램프를 더 포함할 수 있다.
상기 발전효율 최적화 장치는, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 직류전력의 레벨을 변환시키는 DC/DC 컨버터부, 상기 태양전지 모듈의 최대전력점을 추적하도록 상기 DC/DC 컨버터부를 제어하고, 상기 발전효율 최적화 장치의 동작 모드를 제어하는 최적화 장치 제어부, 및 상기 최적화 장치 제어부의 제어에 따라 상기 발전효율 최적화 장치의 동작 모드를 변환시키기 위하여 상기 DC/DC 컨버터부에 병렬로 연결되는 동작 모드 변환부를 포함할 수 있다.
상기 최적화 장치 제어부는 상기 태양전지 모듈이 기설정된 최적의 동작상태를 유지하는 것으로 판단되는 경우, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 전력이 상기 DC/DC 컨버터부를 거치지 않고 바로 출력되도록 상기 발전효율 최적화 장치를 태양전지 모드로 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 최적화 장치 제어부는 상기 태양전지 모드를 위해 상기 동작 모드 변환부를 온 상태로 유지하고, 상기 DC/DC 컨버터부를 셧다운시킬 수 있다.
상기 최적화 장치 제어부는 상기 태양전지 모듈이 기설정된 최적의 동작상태를 벗어난 것으로 판단되는 경우, 상기 동작 모드 변환부를 오프 상태로 유지시키고, 최대전력점을 추적하도록 상기 DC/DC 컨버터부의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 최적화 장치 제어부는 상기 태양전지 모듈의 최대전력점 전압이 출력전압보다 낮을 경우, 상기 DC/DC 컨버터부를 벅(buck) 모드로 동작시킬 수 있다. 다른 예로, 상기 최적화 장치 제어부는 상기 태양전지 모듈의 최대전력점 전압이 출력전압보다 높을 경우, 상기 DC/DC 컨버터부를 부스트(boost) 모드로 동작시킬 수 있다.
상기 발전효율 최적화 장치는 상기 태양전지 모듈에 결함이 발생된 경우, 스트링 전류를 바이패스시키기 위한 바이패스 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 외부 프레임은 상판 및 하판을 포함할 수 있다. 상기 하판은 상기 상판에 대하여 상기 외부 프레임의 폭 방향으로 돌출되어 형성된 제1 하판 돌출부, 및 상기 상판에 대하여 상기 외부 프레임의 폭 방향에 수직인 길이 방향으로 돌출되어 형성된 제2 하판 돌출부를 포함하며, 상기 상판은 상기 하판에 대하여 상기 외부 프레임의 폭 방향으로 돌출되어 상기 제1 하판 돌출부와 반대측에 형성된 제1 상판 돌출부, 및 상기 하판에 대하여 상기 외부 프레임의 길이 방향으로 돌출되어 상기 제2 하판 돌출부와 반대측에 형성된 제2 상판 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 제1 하판 돌출부의 상면 및 상기 제1 상판 돌출부의 하면에는 배선의 인출을 위한 배선홈이 형성될 수 있다.
상기 제1 하판 돌출부 및 상기 제2 하판 돌출부의 상면에는 결합홀이 형성되고, 상기 제1 상판 돌출부 및 상기 제2 상판 돌출부의 하면에는 상기 결합홀에 상응하는 결합 돌기가 형성될 수 있다.
상기 하판은 상기 외부 프레임의 길이 방향으로 관통되어 형성된 제1 통기구를 포함하고, 상기 지지 프레임은 상기 외부 프레임의 길이 방향으로 관통되어 상기 제1 통기구와 연통되도록 형성된 제2 통기구를 포함할 수 있다.
상기 태양광 발전모듈은 상기 태양전지 모듈과 상기 지지 프레임 사이에 배치되는 방열판을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 방열판은 메쉬 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전모듈은, 기와 형태의 외형으로 형성되고, 중앙에 관통부가 형성된 프레임, 상기 관통부를 커버하도록 상기 프레임의 상면에 배치되는 태양전지 모듈, 상기 관통부 내에 장착되며, 상기 태양전지 모듈의 출력단에 전기적으로 연결되어 태양광 발전효율을 최적화시키는 발전효율 최적화 장치, 및 상기 발전효율 최적화 장치의 장착을 위해 상기 관통부를 가로지르도록 형성된 장착 레일을 포함한다.
상기 태양광 발전모듈은 상기 태양전지 모듈의 배면 상에 배치되는 방열판을 더 포함할 수 있다.
상기 발전효율 최적화 장치는, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 직류전력의 레벨을 변환시키는 DC/DC 컨버터부, 상기 태양전지 모듈의 최대전력점을 추적하도록 상기 DC/DC 컨버터부를 제어하고, 상기 발전효율 최적화 장치의 동작 모드를 제어하는 최적화 장치 제어부, 및 상기 최적화 장치 제어부의 제어에 따라 상기 발전효율 최적화 장치의 동작 모드를 변환시키기 위하여 상기 DC/DC 컨버터부에 병렬로 연결되는 동작 모드 변환부를 포함할 수 있다.
이와 같은 태양광 발전모듈에 따르면, 인접하는 건물, 주택, 나무, 낙엽 등에 의한 음영 및 태양 위치에 의한 음영, 태양전지 모듈간의 부정합 등에 의해 발생되는 전력 손실을 방지하기 위하여, 각각의 태양전지 모듈을 독립적으로 제어할 수 있는 발전효율 최적화 장치를 각각의 태양전지 모듈에 설치함으로써, 태양전지 모듈의 동작 모드를 최적의 상태로 유지하고, 이를 통해 태양광 발전시스템의 전체적인 발전효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 발전효율 최적화 장치를 프레임의 내부에 설치함으로써, 모듈 두께의 증가 없이 컴팩트한 태양광 발전모듈을 구성할 수 있으며, 설치 및 시공의 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 태양광 발전모듈은 별도의 구조물 없이 지붕에 일체형으로 설치될 수 있어 그 설치가 용이하고, 태양전지 모듈에서 발생하는 열을 효율적으로 주변으로 방열시킴으로써, 태양전지 모듈의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3는 도 2에 도시된 태양광 발전모듈의 결합 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 태양광 발전모듈의 평면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 태양광 발전모듈의 배면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 태양광 발전모듈의 정면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 태양광 발전모듈의 후면도이다.
도 8 및 도 9는 방열판의 다른 실시예를 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 10은 발전효율 최적화 장치의 장착 상태를 나타낸 평면면이다.
도 11은 발전효율 최적화 장치를 구체적으로 나타낸 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전모듈들의 결합 사시도이다.
도 13은 도 12에서 A 로 표시한 부분의 결합을 더욱 상세하게 나타내기 위하여 후면측에서 바라본 입체도이다.
도 14는 도 12에서 B 로 표시한 부분의 결합을 더욱 상세하게 나타내기 위한 입체도이다.
도 15는 도 10에 도시된 발전효율 최적화 장치의 회로부의 구성도이다.
도 16은 도 15에 도시된 DC/DC 컨버터부 및 동작 모드 변환부를 나타낸 회로도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전모듈을 나타낸 평면도이다.
도 18은 도 17에 도시된 태양광 발전모듈의 단면도이다.
도 19는 도 17에 도시된 태양광 발전모듈의 배면도이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전시스템은 복수의 태양광 발전모듈들(1000) 및 복수의 태양광 발전모듈들(1000)로부터 출력되는 직류전력을 교류전력으로 변환시키기 위한 인버터(2000)를 포함한다.
태양광 발전모듈들(1000)은 인버터(2000)에서 필요로 하는 입력 전압까지 출력 전압을 승압시키기 위하여 서로 직병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 태양광 발전모듈들(1000)은 주택의 지붕에 타일 형태로 형성되어 주택의 지붕 기능과 함께 자가발전 기능을 수행하는 지붕 일체형 구조로 설치될 수 있다.
각각의 태양광 발전모듈(1000)은 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈(100)과 태양광 발전모듈(1000)의 발전효율을 최적화시키기 위하여 태양전지 모듈(100)에 개별적으로 연결되는 발전효율 최적화 장치(200)를 포함하다. 예를 들어, 발전효율 최적화 장치(200)는 모든 태양전지 모듈(100)에 각각 하나씩 연결된다. 이와 달리, 발전효율 최적화 장치(200)는 3 ~ 5개의 태양전지 모듈(100) 간격으로 연결될 수 있다.
태양광 발전모듈들(1000)이 건물이나 주택의 밀집지역 또는 설치면적에 제약이 있는 곳에 설치될 경우, 인접하는 건물 또는 나무 등에 의한 음영, 태양각도에 의한 음영, 낙엽 등의 각종 오염물질 등에 의해 태양광 발전모듈들(1000) 간의 출력전력에 편차가 발생될 수 있으며, 이러한 태양광 발전모듈들(1000)을 직렬 접속할 경우 최종 발전전력이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 본 발명은 태양광 발전모듈들(1000)의 동작을 독립적으로 제어하기 위한 발전효율 최적화 장치(200)를 각각의 태양전지 모듈(100)에 개별적으로 연결함으로써, 태양광 발전시스템에서 최종적으로 출력되는 출력전력의 효율을 향상시키고 최적화시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전모듈을 나타낸 분해 사시도이며, 도 3는 도 2에 도시된 태양광 발전모듈의 결합 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 태양광 발전모듈의 평면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 태양광 발전모듈의 배면도이며, 도 6은 도 3에 도시된 태양광 발전모듈의 정면도이며, 도 7은 도 3에 도시된 태양광 발전모듈의 후면도이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 태양광 발전모듈(1000)은 태양전지 모듈(100), 태양전지 모듈(100)을 수용하는 수용부(301)를 갖는 외부 프레임(300), 수용부(301) 내에 배치되어 태양전지 모듈(100)을 지지하고 중앙에 관통부(410)가 형성된 지지 프레임(400), 및 관통부(410) 내에 장착되는 발전효율 최적화 장치(200)를 포함한다.
태양전지 모듈(100)은 태양광을 이용하여 전력을 생산한다. 태양전지 모듈(100)은 태양광 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 전지로서, 태양전지의 최소단위인 태양전지 셀들이 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 구성을 갖는다.
외부 프레임(300)은 상판(310) 및 하판(320)을 포함한다. 외부 프레임(300)은 상판(310)과 하판(320)이 적층된 구조를 가지며, 상판(310)에 대하여 하판(320)이 폭 방향 및 길이 방향으로 돌출되게 형성됨으로써, 다수의 외부 프레임(300)이 별도의 결합장치 없이 그 자체로 결합이 가능한 구조로 형성된다.
구체적으로, 하판(320)은 상판(310)에 대하여 외부 프레임(300)의 폭 방향(도 4에서 좌우 방향)으로, 예를 들어 도 4에서는 오른쪽 방향으로, 일부분이 돌출되어 형성된 제1 하판 돌출부(321)를 포함하고, 상판(310)에 대하여 외부 프레임(300)의 폭 방향에 수직인 길이 방향(도 4에서 상하 방향)으로, 예를 들어, 도 4에서는 하부 방향으로, 일부분이 돌출되어 형성돤 제2 하판 돌출부(322)를 포함한다.
또한, 상판(310)은 하판(320)에 대하여 외부 프레임(300)의 폭 방향으로, 예를 들어, 도 4에서는 왼쪽 방향으로, 일부분이 돌출되어 제1 하판 돌출부(321)의 반대측에 형성된 제1 상판 돌출부(311)를 포함하고, 하판(320)에 대하여 외부 프레임(300)의 길이 방향으로, 예를 들어, 도 4에서는 상부 방향으로, 일부분이 돌출되어 제2 하판 돌출부(322)의 반대측에 형성된 제2 상판 돌출부(312)를 포함한다.
예를 들어, 상판(310)과 하판(320)은 동일한 폭과 길이를 갖는 사각형의 판재 형상으로 형성되며, 이러한 형상의 상판(310)과 하판(320)을 폭 방향 및 길이 방향으로 약간 이동시켜 결합함으로써, 제1 하판 돌출부(321), 제2 하판 돌출부(322), 제1 상판 돌출부(311) 및 제2 상판 돌출부(312)를 형성할 수 있다.
이하에서는, 외부 프레임(300)들이 서로 결합되는 구성에 대해서 설명한다. 구체적으로, 서로 상대적으로 돌출되어 있는 상판(310)과 하판(320)의 구성에 의하여, 별개의 구성요소 없이, 다수의 외부 프레임(300)들이 상하 방향 및 좌우 방향으로 연속적으로 결합될 수 있다.
본 발명에서 외부 프레임(300)들의 결합은 결합홀과 결합 돌기에 의한 끼워맞춤 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1 하판 돌출부(321) 및 제2 하판 돌출부(322)의 상면에는 각각 제1 결합홀(323) 및 제2 결합홀(324)이 형성되고, 제1 상판 돌출부(311) 및 제2 상판 돌출부(312)의 하면에는 각각 제1 결합홀(323) 및 제2 결합홀(324)에 상응하는 제1 결합 돌기(313) 및 제2 결합 돌기(314)가 형성된다.
제1 결합홀(323)은 예를 들어, 제1 하판 돌출부(321)의 상면에 2 열로 형성되고, 각 열별로 3 개가 등간격으로 형성된다. 또한, 제2 결합홀(324)은 예를 들어, 제2 하판 돌출부(322)의 상면에 1 열로 3 개가 등간격으로 형성된다.
제1 결합 돌기(313)는 예를 들어, 제1 결합홀(323)과 상응하게 2 열로 형성되고, 각 열별로 3 개가 등간격으로 형성된다. 또한, 제2 결합 돌기(314)는 예를 들어, 제2 결합홀(324)에 상응하게 1 열로 3 개가 등간격으로 형성된다.
한편, 제1 하판 돌출부(321)의 상면 및 제1 상판 돌출부(311)의 하면에는 각각 배선(330)의 인출을 위한 제1 배선홈(325) 및 제2 배선홈(315)이 형성될 수 있다. 제1 배선홈(325) 및 제2 배선홈(315)은 외부 프레임(300)의 길이 방향을 따라 양단부까지 연장되도록 형성된다.
하판(320)의 측면에는 외부 프레임(300)의 길이 방향으로 관통되어 형성된 복수의 제1 통기구(326)가 형성될 수 있다. 또한, 지지 프레임(400)은 외부 프레임(300)의 길이 방향으로 관통하여 제1 통기구(326)와 연통되도록 형성된 제2 통기구(420)를 포함할 수 있다. 서로 연통되게 형성된 제2 통기구(420)와 제1 통기구(326)는 공기의 유로를 형성함으로써, 태양전지 모듈(100)에서 발생한 열을 외부로 방출할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 공기의 유로를 외부에 연결하여 태양전지 모듈(100)에서 발생한 열을 다시 재사용할 수도 있다.
한편, 태양광 발전모듈(1000)은 태양전지 모듈(100)과 지지 프레임(400) 사이에 배치되는 방열판(500)을 더 포함할 수 있다. 방열판(500)은 태양전지 모듈(100)의 태양광 발전 시 발생되는 열을 외부로 신속히 방출시킴으로써, 태양전지 모듈(100)의 발전 효율을 향상시킨다.
방열판(500)은 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 전도성이 높은 알루미늄 합금 재질의 매쉬(mesh) 형태로 형성될 수 있다.
도 8 및 도 9는 방열판의 다른 실시예를 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 방열판(510)은 저융점금속 내판부(512) 및 저융점금속 내판부(512)를 둘러싸도록 형성된 알루미늄 외판부(514)를 포함할 수 있다. 또한, 방열판(510)의 하면에는 다수의 방열핀(516)들이 형성된 구성을 가질 수 있다.
이와 같이, 방열판(510)의 구조를 이중으로 형성하되, 알루미늄 외판부(514)의 내부에 알루미늄보다 융점이 낮은 Hg, Na, Pb, Bi, 또는 Sn 으로 구성된 저융점금속 내판부(512)를 형성하게 되면, 외부의 알루미늄 외판부(514)는 열을 외부로 잘 방출하게 하며, 내부의 저융점금속 내판부(512)는 열을 받아 상변태를 하면서 액체로 바뀌어 열을 흡수하도록 하여 온도의 상승을 막을 수 있다. 즉, 저융점금속의 융점 이상으로 태양전지 모듈(100)의 온도가 올라가면, 내부의 저융점금속 내판부(512)가 상변태를 하면서 열을 흡수하고, 열전도가 높은 외부의 알루미늄 외판부(514)는 계속 열을 방출하면서 흡수된 열을 방출하여 방열효율을 높이되 일정 온도 이상으로 태양전지 모듈(100)의 열이 올라가는 것을 막아줄 수 있다.
다시 도 2 및 도 5를 참조하면, 발전효율 최적화 장치(200)는 지지 프레임(400)의 관통부(410) 내에 장착되며, 태양전지 모듈(100)의 출력단에 전기적으로 연결되어 태양광 발전효율을 향상 및 최적화시킨다.
태양광 발전모듈(1000)은 발전효율 최적화 장치(200)의 장착을 위해 관통부(410)를 가로지르도록 형성된 장착 레일(500)을 더 포함할 수 있다. 장착 레일(500)은 태양전지 모듈(100)과 지지 프레임(400)의 사이, 특히, 방열판(500)과 지지 프레임(400)의 사이에 형성되며, 발전효율 최적화 장치(200)의 장착을 위해 관통부(410)에 의해 외부로 노출되도록 형성된다. 장착 레일(600)은 예를 들어, 외부 프레임(300)의 수용부(301) 내부에 위치하도록 외부 프레임(300)에 결합될 수 있다. 이와 달리, 장착 레일(600)은 지지 프레임(400)과 결합되거나, 또는 지지 프레임(400)과 일체로 형성될 수 있다.
장착 레일(600)은 방열판(500)을 통한 방열 효율을 최대한 높이기 위하여 최대한 작은 면적을 차지하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 장착 레일(600)은 2개의 가는 띠가 서로 평행하게 레일 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
도 10은 발전효율 최적화 장치의 장착 상태를 나타낸 평면면이며, 도 11은 발전효율 최적화 장치를 구체적으로 나타낸 사시도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 발전효율 최적화 장치(200)는 장착 레일(600)에 결합되어 고정되는 케이스(210), 태양전지 모듈(100)의 출력선이 연결되도록 케이스(210)의 측면에 형성된 입력 단자부(220), 케이스(210)의 내부에 설치되며 입력 단자부(220)를 통한 입력에 대해 발전효율 최적화 작업을 수행하는 회로부(230), 및 회로부(230)의 출력을 외부로 출력시키기 위해 케이스(210)이 측면에 형성된 출력 단자부(240)를 포함한다.
입력 단자부(220) 및 출력 단자부(240)는 잭 연결 구조로 형성되어, 배선(330)과의 연결이 간편한 구조로 형성된다.
발전효율 최적화 장치(200)는 발전효율 최적화 장치(200)의 정상 동작 상태 및 비정상 동작 상태를 표시하기 위한 정상 알림 램프(252) 및 비정상 알림 램프(254)를 포함할 수 있다. 정상 알림 램프(252) 및 비정상 알림 램프(254)의 표시를 통해 해당 태양광 발전모듈(1000)의 동작 상태를 용이하게 파악할 수 있으며, 원활한 유지 보수가 가능해 진다.
이와 같이, 태양광 발전모듈(1000)의 발전효율을 최적화시키기 위한 발전효율 최적화 장치(200)를 지지 프레임(400)의 관통부(410) 내에 설치함으로써, 두께의 증가 없이 컴팩트한 태양광 발전모듈(1000)을 구성할 수 있으며, 설치 및 시공의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전모듈들의 결합 사시도이다.
도 12를 참조하면, 동일한 형태로 형성된 복수의 태양광 발전모듈들(1000a, 1000b, 1000c)이 폭 방향 및 길이 방향으로 결합될 수 있기 때문에, 동일한 형태의 태양광 발전모듈들을 서로 결합시켜 다양한 면적을 커버할 수 있는 태양광 발전모듈 어레이를 형성할 수 있다.
각각의 태양광 발전모듈(1000a, 1000b, 1000c)은 폭 방향 및 길이 방향으로 인접한 태양광 발전모듈(1000a, 1000b, 1000c)과 결합되어 있기 때문에, 그 결합이 견고하게 유지될 수 있으며, 제1 통기구(326) 및 제2 통기구(420)에 의하여 형성된 유로는 다수의 태양광 발전모듈(1000a, 1000b, 1000c)이 결합하더라도 중간에 끊어짐이 없이 연장되어, 효율적인 열배출 또는 열회수가 가능하다.
도 13은 도 12에서 A 로 표시한 부분의 결합을 더욱 상세하게 나타내기 위하여 후면측에서 바라본 입체도이다. 구체적으로, 도 13은 제2 태양광 발전듈(1000b)의 제1 하판 돌출부(321)와 제1 태양광 발전모듈(1000a)의 제1 상판 돌출부(311)의 결합 관계를 도시한다.
구체적으로, 제2 태양광 발전모듈(1000b)의 제1 하판 돌출부(321)의 상면에는 2 열로 다수의 제1 결합홀(323)이 형성되어 있고, 이에 상응하게 제1 태양광 발전모듈(1000a)의 제1 상판 돌출부(311)의 하면에는 제1 결합홀(323)의 위치에 상응하는 위치에 다수의 제1 결합 돌기(313)가 형성되어 있다.
이러한 배치에서, 제2 태양광 발전모듈(1000b)을 하측에 위치시키고, 제1 태양광 발전모듈(1000a)을 상측에 위치시킴과 동시에 각각의 제1 결합홀(323)과 제1 결합 돌기(313)의 위치를 정렬시킨 후, 제1 태양광 발전모듈(1000a)을 하측으로 이동시켜 제2 태양광 발전모듈(1000b)에 끼움으로써, 제1 태양광 발전모듈(1000a)과 제2 태양광 발전모듈(1000b)을 결합시킬 수 있다.
도 14는 도 12에서 B 로 표시한 부분의 결합을 더욱 상세하게 나타내기 위한 입체도이다. 구체적으로, 도 14는 제1 태양광 발전모듈(1000a)의 제2 하판 돌출부(322)와 제3 태양광 발전모듈(1000c)의 제2 상판 돌출부(312)의 결합 관계를 도시한다.
구체적으로, 제1 태양광 발전모듈(1000a)의 제2 하판 돌출부(322)의 상면에는 제2 결합홀(324)이 형성되어 있고, 이에 상응하게 제3 태양광 발전모듈(1000c)의 제2 상판 돌출부(312)의 하면에는 제2 결합홀(324)의 위치에 상응하는 위치에 다수의 제2 결합 돌기(314)가 형성되어 있다.
이러한 배치에서, 제1 태양광 발전모듈(1000a)을 하측에 위치시키고, 제3 태양광 발전모듈(1000c)을 상측에 위치시킴과 동시에 각각의 제2 결합홀(324)과 제2 결합 돌기(314)의 위치를 정렬시킨 후, 제3 태양광 발전모듈(1000c)을 하측으로 이동시켜 제1 태양광 발전모듈(1000a)에 끼움으로써, 제1 태양광 발전모듈(1000a)과 제3 태양광 발전모듈(1000c)을 결합시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 슁글 형태의 태양광 발전모듈(1000)은 별도의 구조물 없이 지붕에 일체형으로 설치될 수 있어 그 설치가 용이하고, 다수의 태양광 발전모듈(1000)들이 결합되더라고 설치 각도를 용이하게 변경할 수 있을 뿐만 아니라, 태양광 발전모듈(1000) 각각에 의하여 음영이 생기는 것을 최소화할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 슁글 형태의 태양광 발전모듈(1000)은 태양전지 모듈(100)에서 발생하는 열을 효율적으로 주변으로 방열함으로써, 태양전지 모듈(100)의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 태양광 발전모듈(1000)로부터 발생하는 열을 회수하여, 건물에 필요한 열을 제공할 수도 있다. 즉, 태양광 발전모듈(1000)의 효율저하를 방지하면서 동시에 방열되는 열을 집열하도록 하여 난방 등의 열원으로 사용하도록 함으로써, 기존 태양광 발전모듈과 태양열 집열기가 각각 단독으로 적용되는 것과는 달리 복합적으로 이용되어 단위면적당 더 많은 에너지를 동시에 생산할 수 있으므로 태양에너지 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 슁글 형태의 태양광 발전모듈(1000)은 다수의 태양광 발전모듈(1000)을 용이하게 결합할 수 있으며, 그 결합을 사용자가 원하는 형태로 손쉽게 변경이 가능하며, 다수의 태양광 발전모듈(1000)이 결합하더라도, 전기 배선을 용이하게 배치할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
이하, 각각의 태양광 발전모듈(1000)에 실장되는 발전효율 최적화 장치(200)의 기능에 대해 보다 상세하게 설명한다.
도 15는 도 10에 도시된 발전효율 최적화 장치의 회로부의 구성도이며, 도 16은 도 15에 도시된 DC/DC 컨버터부 및 동작 모드 변환부를 나타낸 회로도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 발전효율 최적화 장치(200)의 회로부(230)는 DC/DC 컨버터부(232), 최적화 장치 제어부(234) 및 동작 모드 변환부(236)를 포함한다.
DC/DC 컨버터부(232)는 태양전지 모듈(100)을 위한 전력변환 기능을 제공하도록 구성된다. 즉, DC/DC 컨버터부(232)는 최적화 장치 제어부(234)의 제어에 따라, 태양전지 모듈(100)로부터 출력되는 전력을 부하(예를 들어, 인버터(2000))의 구동에 적합한 전압 또는 전류 레벨로 변환시킨다. 예를 들어, DC/DC 컨버터부(232)는 태양전지 모듈(100)로부터 출력되는 전압을 승압시키거나 감압시키는 벅(buck) 또는 부스트(boost) 기능을 수행할 수 있다.
최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)의 최대전력점(Maximum Power Point : MPP)을 추적하도록 DC/DC 컨버터부(232)를 제어한다. 이를 위해, 최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)로부터 출력되는 전압 및 전류를 검출하는 특성을 갖는다. 최적화 장치 제어부(234)는 중앙처리유닛(CPU), 메모리 유닛, 입출력 유닛, DC/DC 컨버터부(232)와의 연결을 위한 적어도 하나의 인터페이스, 및 DC/DC 컨버터부(232)의 입력단 및 출력단에서의 전압 및 전류를 측정하는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다.
최적화 장치 제어부(234)는 DC/DC 컨버터부(232)의 입력전압 및 입력전류와 출력전압 및 출력전류를 서로 비교분석하여 태양전지 모듈(100)의 최대전력점(MPP)을 산출하고, DC/DC 컨버터부(232)의 듀티 사이클(duty cycle)을 변화시킨다. 따라서, 최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)로부터 가능한 한 최대전력을 추출할 수 있도록 DC/DC 컨버터부(232)의 듀티 사이클을 변화시키는 방식으로 동작을 제어한다.
또한, 최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)의 동작 상태에 대한 실시간 평가를 근거로 하여, DC/DC 컨버터부(232)가 태양전지 모듈(100)의 최대전력점(MPP)을 추적할 수 있도록, 발전효율 최적화 장치(200)의 동작 모드를 제어한다.
이를 위해, 발전효율 최적화 장치(200)의 회로부(230)는 최적화 장치 제어부(234)의 제어에 따라 발전효율 최적화 장치(200)의 동작 모드를 변환시키기 위한 동작 모드 변환부(234)를 추가적으로 포함한다. 동작 모드 변환부(234)는 DC/DC 컨버터부(232)에 병렬로 연결된다. 예를 들어, 동작 모드 변환부(234)는 도 13에 도시된 바와 같이, 공통 게이트 및 공통 소스 구조의 2개의 MOSFET(Q5A 및 Q5B)로 구성된 전자 스위치를 포함할 수 있다.
최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)의 동작 상태를 평가한 결과, 태양전지 모듈(100)이 기설정된 최적의 동작 상태를 유지하는 것으로 판단되는 경우, 발전효율 최적화 장치(200)를 태양전지 모드로 동작시킨다. 즉, 태양전지 모듈(100)의 최대전력점 전압(Vmpp)이 DC/DC 컨버터부(232)의 출력 전압(Vout)과 거의 같을 경우, 발전효율 최적화 장치(200)를 태양전지 모드로 동작시킨다. 예를 들어, 최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)의 동작 상태의 평가 결과, 태양전지 모듈(100)의 최대전력점 전압(Vmpp)이 출력 전압(Vout)의 ±2%의 범위 내에 들어온다고 판단되는 경우, 발전효율 최적화 장치(200)를 태양전지 모드로 동작시킨다. 한편, 최적의 동작 상태를 판단하기 위한 전압 범위는 사용자의 설정에 따라 변화될 수 있다.
최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모드의 동작을 위해, 동작 모드 변환부(234)를 온 상태로 유지시키고, DC/DC 컨버터부(232)를 셧 다운(shutdown)시킨다. 이에 따라, 태양전지 모드에서는 태양전지 모듈(100)에서 출력되는 전력이 DC/DC 컨버터부(232)를 거치지 않고 동작 모드 변환부(234)를 거쳐 외부로 바로 출력된다. 따라서, 태양전지 모드에서는 DC/DC 컨버터부(232)의 동작 제어와 같이 전력 손실을 초래하는 별도의 전력처리과정이 제거됨으로 인해, 거의 전력손실이 없는 최적의 전력 획득을 달성할 수 있다.
또한, 최적화 장치 제어부(234)는 DC/DC 컨버터부(232)에 과전류가 흐르거나, 온도가 너무 높거나, DC/DC 컨버터부(232)에 손상이 발생하는 등의 상황에서 발전효율 최적화 장치(200)를 태양전지 모드로 전환함으로써, 발전효율 최적화 장치(200)의 보호 기능을 수행할 수 있다.
한편, 최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)의 동작 상태를 평가한 결과, 태양전지 모듈(100)이 기설정된 최적의 동작 상태를 벗어난 것으로 판단되는 경우, 동작 모드 변환부(234)를 턴-오프(turn-off)시키고, 최대전력점(MPP)을 추적하도록 DC/DC 컨버터부(232)의 동작을 제어한다. 즉, 태양전지 모듈(100)의 최대전력점 전압(Vmpp)이 DC/DC 컨버터부(232)의 출력 전압(Vout)보다 비교적 높거나 낮을 경우, 최적화 장치 제어부(234)는 최적의 발전전력이 출력되도록 DC/DC 컨버터부(232)를 제어한다.
본 실시예에서, DC/DC 컨버터부(232)는 벅(buck) 모드와 부스트(boost) 모드로 동작할 수 있는 벅-부스트 컨버터의 구성으로 이루어진다. 예를 들어, DC/DC 컨버터부(232)는 H-브릿지(bridge) 구조를 갖는 4개의 FET(Q1, Q2, Q3, Q4)를 포함한다.
최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)의 동작 상태에 대한 실시간 평가를 근거로, 태양전지 모듈(100)의 최대전력점(MPP)을 추적하기 위하여 DC/DC 컨버터부(232)가 동작할 수 있는 최적의 모드를 결정한다.
일 예로, 최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)의 동작 상태를 평가한 결과, 태양전지 모듈(100)의 최대전력점 전압(Vmpp)이 DC/DC 컨버터부(232)의 출력 전압(Vout)보다 낮을 경우, DC/DC 컨버터부(232)를 벅(buck) 모드로 동작시킨다. 예를 들어, 최적화 장치 제어부(232)는 태양전지 모듈(100)의 최대전력점 전압(Vmpp)이 DC/DC 컨버터부(232)의 출력 전압(Vout)의 약 98%보다 낮을 경우, DC/DC 컨버터부(232)를 벅(buck) 모드로 동작시킨다. 벅(buck) 모드에서, 제1 FET(Q1) 및 제2 FET(Q2)는 스위칭되며, 제3 FET(Q3)는 오프 상태를 유지하고, 제4 FET(Q4)는 온 상태를 유지한다.
다른 예로, 최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)의 동작 상태를 평가한 결과, 태양전지 모듈(100)의 최대전력점 전압(Vmpp)이 DC/DC 컨버터부(232)의 출력 전압(Vout)보다 높을 경우, DC/DC 컨버터부(232)를 부스트(boost) 모드로 동작시킨다. 예를 들어, 최적화 장치 제어부(234)는 태양전지 모듈(100)의 최대전력점 전압(Vmpp)이 DC/DC 컨버터부(232)의 출력 전압(Vout)의 약 102%보다 높을 경우, DC/DC 컨버터부(232)를 부스트(boost) 모드로 동작시킨다. 부스트(boost) 모드에서, 제3 FET(Q3) 및 제4 FET(Q4)는 스위칭되며, 제2 FET(Q2)는 오프 상태를 유지하고, 제1 FET(Q1)는 온 상태를 유지한다.
이와 같이, 태양전지 모듈(100)이 최적의 동작 상태를 벗어난 것으로 판단되는 경우, 태양전지 모듈(100)의 최대전력점(MPP)을 추적하도록 DC/DC 컨버터부(232)를 제어함으로써, 태양전지 모듈(100)의 최적의 동작 상태를 유지시키고, 발전효율을 최적화시킬 수 있다.
한편, 발전효율 최적화 장치(200)는 스트링 전류를 바이패스(bypass)시키기 위한 바이패스 다이오드(D1)를 더 포함할 수 있다. 바이패스 다이오드(D1)는 태양전지 모듈(100)의 음영에 의한 전력 손실이 발생되거나, 또는 태양전지 모듈(100) 또는 DC/DC 컨버터부(232)에 파손이 발생된 경우, 스트링 전류의 손실을 방지하기 위하여 스트링 전류가 DC/DC 컨버터부(232) 및 태양전지 모듈(100)을 거치지 않도록 바이패스시킨다. 이를 위해, 바이패스 다이오드(D1)는, 정상 동작 상태에서는 역 바이어스(reverse bias) 상태를 유지하는 반면, 이상 동작 상태에서는 스트링 전류가 바이패스될 수 있도록 순 바이어스(forward bias) 상태를 유지한다.
이와 같이, 각각의 태양전지 모듈(100)을 독립적으로 제어할 수 있는 발전효율 최적화 장치(200)를 각각의 태양전지 모듈(100)에 설치함으로써, 태양전지 모듈(100)의 동작 모드를 최적의 상태로 유지하고, 이를 통해 태양광 발전시스템의 전체적인 발전효율을 향상 및 최적화시킬 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전모듈을 나타낸 평면도이며, 도 18은 도 17에 도시된 태양광 발전모듈의 단면도이며, 도 19는 도 17에 도시된 태양광 발전모듈의 배면도이다.
도 17, 도 18 및 도 19를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전모듈(700)은 기와 형태의 외형으로 형성되고 중앙에 관통부(701)가 형성된 프레임(710), 관통부(701)를 커버하도록 프레임(710)의 상면에 배치되는 태양전지 모듈(720), 및 관통부(701) 내에 장착되며, 태양전지 모듈(720)의 출력단에 전기적으로 연결되어 태양광 발전효율을 최적화시키는 발전효율 최적화 장치(730)를 포함한다.
프레임(710)은 건물 지붕에 사용되는 기와를 대체하여 사용될 수 있도록 기와 형태와 동일한 외형을 갖도록 형성된다. 예를 들어, 프레임(710)은 태양전지 모듈(720)이 실장될 수 있도록 평탄한 구조를 갖는 평탄부(712), 평탄부(712)의 일측으로부터 제1 방향으로 굴곡지게 연장된 제1 굴곡부(714), 및 평탄부(712)의 타측으로부터 상기 제1 방향에 반대인 제2 방향으로 굴곡지게 연장된 제2 굴곡부(716)를 포함한다. 제1 굴곡부(714)와 제2 굴곡부(716)는 서로 반대 방향으로 굴곡지게 형성되어, 서로 인접한 태양광 발전모듈(700)간의 연결이 가능한 구조로 형성된다.
태양광 발전모듈(700)은 태양전지 모듈(720)의 배면 상에 배치되는 방열판(750)을 더 포함할 수 있다. 방열판(750)은 태양전지 모듈(720)의 태양광 발전 시 발생되는 열을 외부로 신속히 방출시킴으로써, 태양전지 모듈(720)의 발전 효율을 향상시킨다. 방열판(750)은 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 전도성이 높은 알루미늄 합금 재질의 매쉬(mesh) 형태로 형성될 수 있다. 이와 달리, 방열판(750)은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 저융점금속 내판부 및 저융점금속 내판부를 둘러싸도록 형성된 알루미늄 외판부를 포함하는 구성으로 형성될 수 있다.
또한, 태양광 발전모듈(700)은 발전효율 최적화 장치(730)의 장착을 위해 관통부(701)를 가로지르도록 형성된 장착 레일(740)을 더 포함할 수 있다. 장착 레일(740)은 태양전지 모듈(720) 및 방열판(750)의 하부에 형성되며, 발전효율 최적화 장치(730)의 장착을 위해 관통부(701)에 의해 외부로 노출되도록 형성된다. 장착 레일(740)은 예를 들어, 프레임(710)의 관통부(701) 내부에 위치하도록 프레임(710)에 결합될 수 있다. 장착 레일(740)은 방열판(750)을 통한 방열 효율을 최대한 높이기 위하여 최대한 작은 면적을 차지하도록 형성되는 것이 바람직하며, 이를 위해, 장착 레일(740)은 2개의 가는 띠가 서로 평행하게 레일 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
발전효율 최적화 장치(730)는 장착 레일(740)에 결합되어 프레임(710)의 관통부(701) 내에 설치된다. 발전효율 최적화 장치(730)는 모든 태양광 발전모듈(700)에 각각 하나씩 설치되거나, 복수의 태양광 발전모듈들을 그룹으로 형성하여 그룹 당 하나씩 설치될 수 있다.
이와 같이, 태양광 발전모듈(700)의 발전효율을 최적화시키기 위한 발전효율 최적화 장치(730)를 프레임(710)의 관통부(701) 내에 설치함으로써, 모듈 두께의 증가 없이 컴팩트한 태양광 발전모듈(700)을 구성할 수 있다. 또한, 기와 형태의 태양광 발전모듈(700)은 별도의 구조물 없이 지붕에 일체형으로 설치될 수 있어 그 설치가 용이하다. 또한, 기와 형태의 태양광 발전모듈(700)은 태양전지 모듈(100)에서 발생하는 열을 효율적으로 주변으로 방열함으로써, 태양전지 모듈(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈;
    상기 태양전지 모듈을 수용하는 수용부를 갖는 외부 프레임;
    상기 수용부 내에 배치되어 상기 태양전지 모듈을 지지하며, 중앙에 관통부가 형성된 지지 프레임; 및
    상기 관통부 내에 장착되며, 상기 태양전지 모듈의 출력단에 전기적으로 연결되어 태양광 발전효율을 최적화시키는 발전효율 최적화 장치를 포함하는 태양광 발전모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전효율 최적화 장치의 장착을 위해 상기 관통부를 가로지르도록 형성된 장착 레일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 발전효율 최적화 장치는,
    상기 장착 레일에 결합되어 고정되는 케이스;
    상기 태양전지 모듈의 출력선이 연결되도록 상기 케이스의 측면에 형성된 입력 단자부;
    상기 케이스 내부에 설치되며, 상기 입력 단자부를 통한 입력에 대해 발전효율 최적화 작업을 수행하는 회로부; 및
    상기 회로부의 출력을 외부로 출력시키기 위해 상기 케이스의 측면에 형성된 출력 단자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 발전효율 최적화 장치는,
    상기 발전효율 최적화 장치의 정상 또는 비정상 동작 상태를 표시하기 위한 표시 램프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 발전효율 최적화 장치는,
    상기 태양전지 모듈에서 출력되는 직류전력의 레벨을 변환시키는 DC/DC 컨버터부;
    상기 태양전지 모듈의 최대전력점을 추적하도록 상기 DC/DC 컨버터부를 제어하고, 상기 발전효율 최적화 장치의 동작 모드를 제어하는 최적화 장치 제어부; 및
    상기 최적화 장치 제어부의 제어에 따라 상기 발전효율 최적화 장치의 동작 모드를 변환시키기 위하여 상기 DC/DC 컨버터부에 병렬로 연결되는 동작 모드 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 최적화 장치 제어부는
    상기 태양전지 모듈이 기설정된 최적의 동작상태를 유지하는 것으로 판단되는 경우, 상기 태양전지 모듈에서 출력되는 전력이 상기 DC/DC 컨버터부를 거치지 않고 바로 출력되도록 상기 발전효율 최적화 장치를 태양전지 모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 최적화 장치 제어부는
    상기 태양전지 모드를 위해 상기 동작 모드 변환부를 온 상태로 유지하고, 상기 DC/DC 컨버터부를 셧다운시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  8. 제5항에 있어서, 상기 최적화 장치 제어부는
    상기 태양전지 모듈이 기설정된 최적의 동작상태를 벗어난 것으로 판단되는 경우, 상기 동작 모드 변환부를 오프 상태로 유지시키고, 최대전력점을 추적하도록 상기 DC/DC 컨버터부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 최적화 장치 제어부는
    상기 태양전지 모듈의 최대전력점 전압이 출력전압보다 낮을 경우, 상기 DC/DC 컨버터부를 벅(buck) 모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  10. 제8항에 있어서, 상기 최적화 장치 제어부는
    상기 태양전지 모듈의 최대전력점 전압이 출력전압보다 높을 경우, 상기 DC/DC 컨버터부를 부스트(boost) 모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  11. 제5항에 있어서, 상기 발전효율 최적화 장치는
    상기 태양전지 모듈에 결함이 발생된 경우, 스트링 전류를 바이패스시키기 위한 바이패스 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 외부 프레임은 상판 및 하판을 포함하며,
    상기 하판은 상기 상판에 대하여 상기 외부 프레임의 폭 방향으로 돌출되어 형성된 제1 하판 돌출부, 및 상기 상판에 대하여 상기 외부 프레임의 폭 방향에 수직인 길이 방향으로 돌출되어 형성된 제2 하판 돌출부를 포함하며,
    상기 상판은 상기 하판에 대하여 상기 외부 프레임의 폭 방향으로 돌출되어 상기 제1 하판 돌출부와 반대측에 형성된 제1 상판 돌출부, 및 상기 하판에 대하여 상기 외부 프레임의 길이 방향으로 돌출되어 상기 제2 하판 돌출부와 반대측에 형성된 제2 상판 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 하판 돌출부의 상면 및 상기 제1 상판 돌출부의 하면에는 배선의 인출을 위한 배선홈이 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 하판 돌출부 및 상기 제2 하판 돌출부의 상면에는 결합홀이 형성되고, 상기 제1 상판 돌출부 및 상기 제2 상판 돌출부의 하면에는 상기 결합홀에 상응하는 결합 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 하판은 상기 외부 프레임의 길이 방향으로 관통되어 형성된 제1 통기구를 포함하고,
    상기 지지 프레임은 상기 외부 프레임의 길이 방향으로 관통되어 상기 제1 통기구와 연통되도록 형성된 제2 통기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈과 상기 지지 프레임 사이에 배치되는 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 방열판은 메쉬 형태인 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  18. 기와 형태의 외형으로 형성되고, 중앙에 관통부가 형성된 프레임;
    상기 관통부를 커버하도록 상기 프레임의 상면에 배치되는 태양전지 모듈;
    상기 관통부 내에 장착되며, 상기 태양전지 모듈의 출력단에 전기적으로 연결되어 태양광 발전효율을 최적화시키는 발전효율 최적화 장치; 및
    상기 발전효율 최적화 장치의 장착을 위해 상기 관통부를 가로지르도록 형성된 장착 레일을 포함하는 태양광 발전모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈의 배면 상에 배치되는 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
  20. 제18항에 있어서, 상기 발전효율 최적화 장치는,
    상기 태양전지 모듈에서 출력되는 직류전력의 레벨을 변환시키는 DC/DC 컨버터부;
    상기 태양전지 모듈의 최대전력점을 추적하도록 상기 DC/DC 컨버터부를 제어하고, 상기 발전효율 최적화 장치의 동작 모드를 제어하는 최적화 장치 제어부; 및
    상기 최적화 장치 제어부의 제어에 따라 상기 발전효율 최적화 장치의 동작 모드를 변환시키기 위하여 상기 DC/DC 컨버터부에 병렬로 연결되는 동작 모드 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전모듈.
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