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KR20130137926A - 태양광 모듈 - Google Patents

태양광 모듈 Download PDF

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KR20130137926A
KR20130137926A KR1020120061626A KR20120061626A KR20130137926A KR 20130137926 A KR20130137926 A KR 20130137926A KR 1020120061626 A KR1020120061626 A KR 1020120061626A KR 20120061626 A KR20120061626 A KR 20120061626A KR 20130137926 A KR20130137926 A KR 20130137926A
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KR
South Korea
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power
module
solar cell
boosting
voltage
Prior art date
Application number
KR1020120061626A
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English (en)
Inventor
신준오
김병수
김화년
홍세은
Original Assignee
엘지전자 주식회사
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

본 발명은 태양광 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하며, 제1 직류 전원을 출력하는 태양 전지 모듈과, 부스팅 전압을 저장하며, 제1 직류 전원에 부스팅 전압을 추가하여, 제2 직류 전원을 출력하는 부스팅 모듈을 포함한다. 이에 의해, 태양광 모듈의 출력을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

태양광 모듈{Photovoltaic module}
본 발명은 태양광 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 태양광 모듈의 출력을 향상시킬 수 있는 태양광 모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 반도체 소자를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
본 발명의 목적은, 출력을 향상시킬 수 있는 태양광 모듈을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하며, 제1 직류 전원을 출력하는 태양 전지 모듈과, 부스팅 전압을 저장하며, 제1 직류 전원에 부스팅 전압을 추가하여, 제2 직류 전원을 출력하는 부스팅 모듈을 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈은, 복수의 태양 전지를 구비하며, 제1 직류 전원을 출력하는 태양 전지 모듈과, 부스팅 전압을 저장하며, 제1 직류 전원의 크기가 소정치 이하인 경우, 제1 직류 전원에 부스팅 전압을 추가하여, 제2 직류 전원을 출력하는 부스팅 모듈과, 제2 직류 전원을 레벨 변환하여 제3 직류 전원을 출력하는 dc/dc 컨버터를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 태양 전지 모듈의 출력단에, 부스팅 전압을 저장하여, 부스팅 전압을 추가하여 출력하는 부스팅 모듈을 배치함으로써, 태양광 모듈의 출력을 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 태양 전지 모듈의 출력단의 전원인 제1 직류 전원의 크기가 소정치 이하인 경우, 제1 직류 전원에 부스팅 전압을 추가함으로써, 태양 전지 모듈에 광 조사량이 적은 경우에도, 일정량 이상의 전압을 출력할 수 있게 된다.
한편, 제1 직류 전원의 크기가 부스팅 전압의 크기 보다 작은 경우, 부스팅 모듈과 태양전지 모듈과의 전기적 접속을 차단함으로써, 부스팅 모듈에서, 태양 전지 모듈로의 역동작을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 부스팅 모듈을 구비하는 태양광 모듈의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부스팅 모듈을 구비하는 태양광 모듈의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부스팅 모듈을 구비하는 태양광 모듈의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도이다.
도 5는 도 4의 태양 전지 모듈의 배면도이다.
도 6은 도 4의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 7은 도 4의 태양 전지 모듈의 바이패스 다이오드 구성의 일예이다.
도 8은 도 4의 태양 전지 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시한다.
도 9는 도 4의 태양 전지 모듈의 전압 대비 전력 곡선을 예시한다.
도 10은 도 1의 태양 전지 모듈과 부스팅 모듈을 구비하는 태양광 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도의 일예이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도의 다른 예이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 부스팅 모듈을 구비하는 태양광 모듈의 블록도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 모듈(100)은, 태양 전지 모듈(50), 부스팅 모듈(60)을 포함할 수 있다. 한편, 태양광 모듈(100)은, dc/dc 컨버터(530)를 더 포함할 수 있다. 한편, 태양광 모듈(100)은, dc/dc 컨버터(530), 및 인버터(540)를 더 포함할 수 있다.
태양 전지 모듈(50)은, 복수의 태양 전지를 구비하며, 제1 직류 전원(V1)을 출력할 수 있다. 태양전지(미도시)는, 태양 에너지를 전기 에너지로 변화하는 반도체 소자이다. 태양 전지 모듈(50)은, 이러한 복수의 태양 전지를 직렬, 병렬 또는 직병렬 혼합의 구조로 구비할 수 있다. 태양 전지 모듈(50)에 대해서는, 도 4 이하를 참조하여 후술한다.
한편, 발전 초기나 해질 무렵의 광조사량이 부족한 시점, 또는 야간이나 우천시에는, 태양 전지 모듈(50)에서, 출력되는 제1 직류 전원(V1)의 크기가 작아질 수 있다. 예를 들어, 태양 전지 모듈(50)에서 출력되는 제1 직류 전원(V1)의 크기가 소정치(Vth) 이하일 수 있으며, 결국, dc/dc 컨버터(530)와 인버터(540)의 동작에도 불구하고, 활용 가능한 직류 전원 또는 교류 전원을 외부로 출력하기 힘들게 된다.
본 발명에서는, 이와 같이, 태양 전지 모듈(50)에서 출력되는 제1 직류 전원의 크기가 작은 경우라도, 태양광 모듈(100)의 출력을 향상시키기 위해, 부스팅 모듈(60)을 사용하는 것으로 한다.
이를 위해, 도 1의 부스팅 모듈(60)은, 부스팅 전압(VBoost)을 저장하는 배터리(65)를 포함한다. 배터리(65)는, 충전가능한 2차 전지 또는 1차 전지 등이 가능하다. 예를 들어, 니켈-카드뮬 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-메탈하이드라이드 전지, 리튬-이온 전지, 알카 라인 전지, 망간 전지, 리튬 전지 등이 가능하다.
한편, 태양 전지 모듈(50)이 도 1과 같이, 6*10의 태양 전지(130)를 포함할 수 있다. 정상적으로 동작하는 태양 전지 모듈(50)이 출력하는 제1 직류 전원(V1)은, 대략 30V 내지 38V인 경우, 배터리(65)에 저장되는 부스팅 전압(VBoost)은 대략 9V 정도일 수 있다. 이에 따라, 정상적으로 동작하는 태양 전지 모듈(50)을 포함하는 태양광 모듈(100)의 경우, 제1 직류 전원(V1)과 부스팅 전압(VBoost)의 합인, 대략 39V 내지 47V의 제2 직류 전원(V2)을 출력할 수 있다.
한편, 발전 초기나 해질 무렵의 광조사량이 부족한 시점에서 동작하는 태양 전지 모듈(50)에서 출력되는 제1 직류 전원(V1)은, 대략 9V 내지 20V 이하일 수 있다. 이에 따라, 광조사량이 부족한 시점에 동작하는 태양 전지 모듈(50)을 포함하는 태양광 모듈(100)의 경우, 제1 직류 전원(V1)과 부스팅 전압(VBoost)의 합인, 대략 18V 내지 29V의 제2 직류 전원(V2)을 출력할 수 있다.
이에 따라, 태양 전지 모듈(50)이, 발전 초기나 해질 무렵의 광조사량이 부족한 시점에도 불구하고, 태양광 모듈의 출력을 향상시킬 수 있게 된다.
dc/dc 컨버터(530)는, 제2 직류 전원(V2)을 입력받아 레벨 변환하여 제3 직류 전원(V3)을 출력한다.
인버터(540)는, 제3 직류 전원(V3)을 변환하여 교류 전원을 출력한다.
한편, 도 1에서의 태양광 모듈(100)은, 태양 전지 모듈(50) 하나에, 하나의 dc/dc 컨버터(530)와 인버터(540)가 배치되는 것을 예시하나, 이와 달리, 복수의 태양 전지 모듈에 하나의 dc/dc 컨버터(530)와 인버터(540)가 배치되는 것도 가능하다.
예를 들어, 하나의 태양 전지 모듈(50)에 하나의 컨버터(530)와 인버터(540)가 배치되는 경우, 해당하는 인버터를 마이크로 인버터(micro inverter)라 명명할 수 있다. 이러한 마이크로 인버터(540)가 사용되는 경우, dc/dc 컨버터(530)는, 태양 전지 모듈(50)로부터, 제2 직류 전원(V2)으로서, 대략 30 내지 50V 전원을 입력받아, 350V 내지 500V의 제3 직류 전원(V3)으로, 레벨 변환하여 출력할 수 있으며, 마이크로 인버터(540)는, 350V 내지 400V의 직류 전원을 변환하여 220V의 교류 전원으로 변환할 수 있다.
다른 예로, 복수의 태양 전지 모듈에 하나의 dc/dc 컨버터(530)와 인버터(540)가 배치되는 경우, 해당하는 인버터를 PCS(Power Conditioning System)라 명명할 수 있다. 이러한 PCS(540)가 사용되는 경우, dc/dc 컨버터(530)는, 태양 전지 모듈(50)로부터, 제2 직류 전원(V2)으로서,대략 200 내지 500V 전원을 입력받아, 350V 내지 500V의 제3 직류 전원(V3)으로, 레벨 변환하여 출력할 수 있으며, PCS(540)는, 350V 내지 500V의 직류 전원을 변환하여 220V의 교류 전원으로 변환할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부스팅 모듈을 구비하는 태양광 모듈의 블록도이다.
도 2의 부스팅 모듈(70)은, 도 1의 부스팅 모듈(60)과 유사하나, 배터리(65)에 병렬 접속되어 스위칭 동작을 수행하는 제1 스위칭 소자(S1)를 더 포함하는 것에 그 차이가 있다. 또한, 부스팅 모듈(70)은, 제1 스위칭 소자(S1)의 동작을 제어하는 스위칭 제어부(75)를 더 포함할 수 있다.
발전 초기나 해질 무렵의 광조사량이 부족한 시점에는, 태양 전지 모듈(50)에서 출력되는 제1 직류 전원(V1)의 크기가 낮아질 수 있다.
도 2의 부스팅 모듈(70)의 동작을 설명하면, 부스팅 모듈(70)은, 제1 직류 전원(V1)의 크기가 소정치 이하인 경우, 제1 직류 전원(V1)에 부스팅 전압(VBoost)을 추가하여, 제2 직류 전원(V2)을 출력한다.
구체적으로, 제1 스위칭 소자(S1)는, 배터리(65)에 병렬 접속되며, 제1 직류 전원(V1)의 크기가 소정치 초과인 경우, 턴 온되며, 제1 직류 전원의 크기가 소정치 이하인 경우, 턴 오프될 수 있다.
제1 직류 전원(V1)의 크기가 소정치 초과인 경우, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 온되므로, 배터리(65)로부터의 부스팅 전압(VBoost)은, 제1 직류 전원(V1)에 부가되지 않게 된다. 결국, 제2 직류 전원(V2)은 제1 직류 전원(V1)과 동일한 값을 가지게 된다.
제1 직류 전원(V1)의 크기가 소정치 이하인 경우, 제1 스위칭 소자(S1)의 턴 오프되므로, 배터리(65)로부터의 부스팅 전압(VBoost)이, 제1 직류 전원(V1)에 부가된다. 결국, 제2 직류 전원(V2)은, 제1 직류 전원(V1)에 과 부스팅 전압(VBoost)의 합이 된다.
이와 같이, 부스팅 모듈(70)은, 태양 전지 모듈에 광 조사량이 적은 경우, 즉 제1 직류 전원(V1)의 크기가 소정치 이하인 경우에만, 제1 직류 전원(V1)에 부스팅 전압(VBoost)을 추가하여, 제2 직류 전원(V2)을 출력함으로써, 태양광 모듈의 출력을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 상술한 소정치는, 제3 직류 전원에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 소정치는, 인버터(540)에서 교류 변환에 의해, 220V의 교류 전원을 생성할 수 없는, 제1 직류 전원의 크기에 대응할 수 있다.
상술한 바와 같이, dc/dc 컨버터(530)가, 대략 30 내지 50V 전원을 입력받아, 350V 내지 500V로 변환하는 동작을 수행하는 경우, 제1 직류 전원(V1)의 소정치는, 대략 15 내지 20V일 수 있다. 즉, 제1 직류 전원(V1)으로서 대략 15 내지 20V의 전압이 출력되는 경우, dc/dc 컨버터(530)를 거쳐 레벨 변환을 수행하더라도, 인버터(540)에서는, 220V의 교류 전원을 생성할 수 없게 된다.
한편, 제1 전원 감지부(G)는, 태양 전지 모듈(50)에서 출력되는 제1 직류 전원(V1)을 감지한다. 구체적으로, 직류 전압을 감지한다. 감지된, 직류 전압(V1)은, 스위칭 제어부(75)에 입력된다.
한편, 입력전압 감지부(B)는, dc/dc 컨버터(530)로 입력되는 입력전압(vc1)을 감지한다. 감지된 입력전압(vc1)은, 스위칭 제어부(75)에 입력된다. 여기서, 입력전압(vc1)은, 상술한 제2 직류 전원(V2)에 해당할 수 있다.
한편, 출력전압 감지부(D)는, dc/dc 컨버터(530)에서 출력되는 출력전압(vc2)을 감지한다. 감지된 출력전압(vc2)은, 스위칭 제어부(75)에 입력된다. 여기서, 출력전압(vc2)은, 상술한 제3 직류 전원(V3)에 해당할 수 있다.
스위칭 제어부(75)는, 감지된 제1 직류 전원(V1), 입력전압(vc1), 출력전압(vc2) 중 적어도 하나에 기초하여, 제1 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작을 제어한다. 상술한 바와 같이, 제1 직류 전원(V1)의 크기가 소정치 이하인 경우에만, 제1 스위칭 소자(S1)가 턴 오프되도록 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부스팅 모듈을 구비하는 태양광 모듈의 블록도이다.
도 3의 부스팅 모듈(80)은, 도 2의 부스팅 모듈(70)과 유사하나, 배터리(65)에 직렬 접속되어 스위칭 동작을 수행하는 제2 스위칭 소자(S2)를 더 포함하는 것에 그 차이가 있다. 또한, 스위칭 제어부(75)는, 제1 스위칭 소자(S1)는 물론, 제2 스위칭 소자(S2)의 스위칭 동작도 제어할 수 있다.
일단, 제1 스위칭 소자(S1)의 동작은 도 2에 대한 설명을 참조하여 생략한다.
한편, 야간이나 우천시에는, 태양 전지 모듈(50)에서 태양 전지 모듈(50)에서 출력되는 제1 직류 전원(V1)의 크기가 상당히 낮아질 수 있다.
도 3의 부스팅 모듈(80)의 동작을 설명하면, 부스팅 모듈(80)은, 제1 직류 전원(V1)의 크기가 부스팅 전압(VBoost)의 크기 보다 작은 경우, 부스팅 모듈(80)과 태양전지 모듈(50)과의 전기적 접속을 차단한다. 이에 의해, 부스팅 모듈(80)로부터의 부스팅 전압(VBoost)이 태양 전지 모듈(50)로 이동하는, 역동작을 방지할 수 있게 된다.
구체적으로, 제2 스위칭 소자(S2)는, 부스팅 전압(VBoost)의 크기가 제1 직류 전원(V1)의 크기 보다 작은 경우, 턴 온되며, 부스팅 전압(VBoost)의 크기가 제1 직류 전원(V1)의 크기와 동일하거나 큰 경우, 턴 오프된다.
부스팅 전압(VBoost)의 크기가 제1 직류 전원(V1)의 크기와 동일하거나 큰 경우, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프되므로, 부스팅 모듈(80)과 태양전지 모듈(50)과의 전기적 접속이 차단되게 된다.
한편, 스위칭 제어부(75)는, 감지된 제1 직류 전원(V1), 입력전압(vc1), 출력전압(vc2) 중 적어도 하나에 기초하여, 제2 스위칭 소자(S2)의 스위칭 동작을 제어한다. 상술한 바와 같이, 제1 직류 전원(V1)의 크기가 부스팅 전압(VBoost)의 크기 보다 작은 경우에만, 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프되도록 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정면도이고, 도 5는 도 4의 태양 전지 모듈의 배면도이며, 도 6은 도 4의 태양전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(100)은, 태양 전지 모듈(50), 태양 전지 모듈(50)의 일면에 위치하는 정션 박스(200)를 포함한다. 또한, 태양광 모듈(100)은, 태양 전지 모듈(50)과 정션 박스(200) 사이에 배치되는 방열부재(미도시)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 태양 전지 모듈(50)은, 복수의 태양 전지(130)를 포함할 수 있다. 그 외, 복수의 태양전지(130)의 하면과 상면에 위치하는 제1 밀봉재(120)와 제2 밀봉재(150), 제1 밀봉재(120)의 하면에 위치하는 후면 기판(110) 및 제2 밀봉재(150)의 상면에 위치하는 전면 기판(160)을 더 포함할 수 있다.
먼저, 태양전지(130)는, 태양전지(130)는, 태양 에너지를 전기 에너지로 변화하는 반도체 소자로써, 실리콘 태양 전지(silicon solar cell)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 태양 전지(150)는 화합물 반도체 태양 전지(compound semiconductor solar cell), 탠덤형 태양 전지(tandem solar cell), 염료 감응형 태양 전지 등 다양한 구조를 가질 수 있다.
태양전지(130)는 태양광이 입사하는 수광면과 수광면의 반대측인 이면으로 형성된다. 예를 들어, 태양전지(130)는, 제1 도전형의 실리콘 기판과, 실리콘 기판상에 형성되며 제1 도전형과 반대 도전형을 가지는 제2 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층의 일부면을 노출시키는 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하며 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 반사방지막과, 적어도 하나 이상의 개구부를 통해 노출된 제 2 도전형 반도체층의 일부면에 접촉하는 전면전극과, 상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극을 포함할 수 있다.
각 태양전지(130)는, 전기적으로 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있다. 구체적으로, 복수의 태양 전지(130)는, 리본(133)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 리본(133)은, 태양전지(130)의 수광면 상에 형성된 전면 전극과, 인접한 다른 태양전지(130)의 이면 상에 형성된 후면 전극집전 전극에 접합될 수 있다.
도면에서는, 리본(133)이 2줄로 형성되고, 이 리본(133)에 의해, 태양전지(130)가 일렬로 연결되어, 태양전지 스트링(140)이 형성되는 것을 예시한다. 이에 의해 6개의 스트링(140a,140b,140c,140d,140e,140f)이 형성되고, 각 스트링은 10개의 태양전지를 구비하는 것을 예시한다. 도면과 달리, 다양한 변형이 가능하다.
한편, 각 태양전지 스트링은, 버스 리본에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 도 4는, 태양 전지 모듈(50)의 하부에 배치되는 버스 리본(145a,145c,145e)에 의해, 각각 제1 태양전지 스트링(140a)과 제2 태양전지 스트링(140b)이, 제3 태양전지 스트링(140c)과 제4 태양전지 스트링(140d)이, 제5 태양전지 스트링(140e)과 제6 태양전지 스트링(140f)이 전기적으로 접속되는 것을 예시한다. 또한, 도 4는, 태양 전지 모듈(50)의 상부에 배치되는 버스 리본(145b,145d)에 의해, 각각 제2 태양전지 스트링(140b)과 제3 태양전지 스트링(140c)이, 제4 태양전지 스트링(140d)과 제5 태양전지 스트링(140e)이 전기적으로 접속되는 것을 예시한다.
한편, 제1 스트링에 접속된 리본, 버스 리본(145b,145d), 및 제4 스트링에 접속된 리본은, 각각 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)에 전기적으로 접속되며, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)은, 태양 전지 모듈(50)의 배면에 배치되는 정션 박스(200) 내의 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)와의 접속된다. 도면에서는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양 전지 모듈(50) 상에 형성된 개구부를 통해, 태양 전지 모듈(50)의 배면으로 연장되는 것을 예시한다.
한편, 정션 박스(200)는, 태양 전지 모듈(50)의 양단부 중 도전성 라인이 연장되는 단부에 더 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.
도 4 및 도 5에서는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양 전지 모듈(50)의 상부에서 태양 전지 모듈(50)의 배면으로 연장되므로, 정션 박스(200)가 태양 전지 모듈(50)의 배면 중 상부에 위치하는 것을 예시한다. 이에 의해, 도전성 라인의 길이를 줄일 수 있어, 전력 손실이 줄어들 수 있게 된다.
도 4 및 도 5와 달리, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이, 태양 전지 모듈(50)의 하부에서 태양 전지 모듈(50)의 배면으로 연장되는 경우, 정션 박스(200)가 태양 전지 모듈(50)의 배면 중 하부에 위치할 수도 있다.
후면 기판(110)은, 백시트로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 하며, TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 도 6에서는 후면 기판(110)이 직사각형의 모양으로 도시되어 있으나, 태양 전지 모듈(50)이 설치되는 환경에 따라 원형, 반원형 등 다양한 모양으로 제조될 수 있다.
한편, 후면 기판(110) 상에는 제1 밀봉재(120)가 후면 기판(110)과 동일한 크기로 부착되어 형성될 수 있고, 제1 밀봉재(120) 상에는 복수의 태양전지(130)가 수 개의 열을 이루도록 서로 이웃하여 위치할 수 있다.
제2 밀봉재(150)는, 태양전지(130) 상에 위치하여 제1 밀봉재(120)와 라미네이션(Lamination)에 의해 접합할 수 있다.
여기에서, 제1 밀봉재(120)와, 제2 밀봉재(150)는, 태양전지의 각 요소들이 화학적으로 결합할 수 있도록 한다. 이러한 제1 밀봉재(120)와 제2 밀봉재(150)는, 에틸렌 초산 비닐 수지 (Ethylene Vinyl Acetate;EVA) 필름 등 다양한 예가 가능하다.
한편, 전면 기판(160)은, 태양광을 투과하도록 제2 밀봉재(150) 상에 위치하며, 외부의 충격 등으로부터 태양전지(130)를 보호하기 위해 강화유리인 것이 바람직하다. 또한, 태양광의 반사를 방지하고 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 들어간 저철분 강화유리인 것이 더욱 바람직하다.
정션 박스(200)는, 태양 전지 모듈(50)의 배면 상에 부착되며, 태양 전지 모듈(50)에서 공급되는 직류 전원을 이용하여 전력 변환할 수 있다. 정션 박스(200)에 대해서는, 도 11 및 도 12 이하를 참조하여 후술하기로 한다.
이러한 정션 박스(200)가 태양 전지 모듈(50)과 일체형으로 형성되는 경우, 각 태양 전지 모듈(50)에서 생성된 직류 전원의 손실을 최소화하여 효율적으로 관리할 수 있게 된다. 한편, 일체형으로 형성된 정션 박스(200)는 MIC(Module Integrated Converter) 회로라고 명명될 수 있다.
한편, 정션 박스(200) 내의, 회로 소자들의 수분 침투 방지를 위해, 정션 박스 내부는, 실리콘 등을 이용하여, 수분 침투 방지용 코팅이 수행될 수 있다.
한편, 정션 박스(200)에는 개구(미도시)가 형성되어, 상술한 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)이 정션 박스 내의 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)와 연결되도록 할 수 있다.
한편, 정션 박스(200)의 동작시에는 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc) 등으로부터 고열이 발생하는데, 발생된 열은 정션 박스(200)가 부착된 위치에 배열된 특정의 태양전지(130)의 효율을 감소시킬 수 있다.
이를 방지하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(100)은, 태양 전지 모듈(50)과 정션 박스(200) 사이에 배치되는 방열부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 정션 박스(200)에서 발생되는 열을 분산시키기 위해, 방열 부재(미도시)의 단면적은, 플레이트(미도시)의 단면적 보다 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 태양 전지 모듈(50)의 배면 전부에 형성되는 것이 가능하다. 한편, 방열부재(미도시)는 열 전도도가 좋은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 등의 금속재질로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 정션박스(160)의 일 측면에는, 전력 변환된 직류 전원 또는 교류 전원을 외부로 출력하기 위한, 외부접속단자(미도시)가 형성될 수 있다.
도 7은 도 4의 태양 전지 모듈의 바이패스 다이오드 구성의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 6개의 태양전지 스트링(140a,140b,140c,140d,140e,140f)에 대응하여, 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)가 접속될 수 있다. 구체적으로, 제1 바이패스 다이오드(Da)는, 제1 태양전지 스트링과, 제1 버스 리본(145a) 사이에 접속되어, 제1 태양전지 스트링(140a) 또는 제2 태양전지 스트링(140b)에서 역전압 발생시, 제1 태양전지 스트링(140a) 및 제2 태양전지 스트링(140b)을 바이패스(bypass)시킨다.
예를 들어, 정상적인 태양 전지에서 발생하는 대략 0.6V의 전압이 발생하는 경우, 제1 바이패스 다이오드(Da)의 애노드 전극의 전위에 비해 캐소드 전극의 전위가 대략 12V(=0.6V*20)가량 더 높게 된다. 즉, 제1 바이패스 다이오드(Da)는, 바이패스가 아닌 정상 동작을 하게 된다.
한편, 제1 태양전지 스트링(140a)의 어느 태양 전지에서, 음영이 발생하거나, 이물질이 부착되거나 하여, 핫 스팟(hot spot)이 발생하는 경우, 어느 한 태양 전지에서 발생하는 전압은 대략 0.6V의 전압이 아닌, 역전압(대략 -15V)이 발생하게 된다. 이에 따라, 제1 바이패스 다이오드(Da)의 애노드 전극의 전위가 캐소드 전극에 비해 대략 15V 정도 더 높게 된다. 이에 따라, 제1 바이패스 다이오드(Da)는, 바이패스 동작을 수행하게 된다. 따라서, 제1 태양전지 스트링(140a) 및 제2 태양전지 스트링(140b) 내의 태양 전지에서 발생하는 전압이 정션 박스(200)로 공급되지 않게 된다. 이와 같이, 일부 태양전지에서 발생하는 역전압이 발생하는 경우, 바이패스 시킴으로써, 해당 태양전지 등의 파괴를 방지할 수 있게 된다. 또한, 핫 스팟(hotspot) 영역을 제외하고, 생성된 직류 전원을 공급할 수 있게 된다.
다음, 제2 바이패스 다이오드(Db)는, 제1 버스 리본(145a)과 제2 버스 리본(145b) 사이에 접속되어, 제3 태양전지 스트링(140c) 또는 제4 태양전지 스트링(140d)에서 역전압 발생시, 제3 태양전지 스트링(140c) 및 제4 태양전지 스트링(140d)을 바이패스(bypass)시킨다.
다음, 제3 바이패스 다이오드(Dc)는, 제1 태양전지 스트링과, 제1 버스 리본(145a) 사이에 접속되어, 제1 태양전지 스트링(140a) 또는 제2 태양전지 스트링(140b)에서 역전압 발생시, 제1 태양전지 스트링 및 제2 태양전지 스트링을 바이패스(bypass)시킨다.
한편, 도 7과 달리, 6개의 태양전지 스트링에 대응하여, 6개의 바이패스 다이오드를 접속시키는 것도 가능하며, 그 외 다양한 변형이 가능하다.
도 8은 도 4의 태양 전지 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시하며, 도 9는 도 4의 태양 전지 모듈의 전압 대비 전력 곡선을 예시한다.
먼저, 도 8을 참조하면, 태양 전지 모듈(50)에서 공급되는 개방 전압(Voc)이 커질수록, 태양 전지 모듈(50)에서 공급되는 단락(short) 전류는 작아지게 된다. 이러한 전압 전류 곡선(L)에 따라, 정션 박스(200) 내에 구비되는 커패시터부(520)에, 해당 전압(Voc)이 저장되게 된다.
한편, 도 9를 참조하면, 태양 전지 모듈(50)에서 공급되는 최대 전력(Pmpp)은, 최대 전력 검출 알고리즘(Maximum Power Point Tracking; MPPT)에 의해 산출될 수 있다. 예를 들어, 개방 전압(Voc)을 최대전압(V1)에서부터 감소시키면서, 각 전압 별, 전력을 연산하고, 연산된 전력이 최대 전력인지 여부를 판단한다. V1 전압에서, Vmpp 전압까지는 전력이 증가하므로, 연산된 전력을 갱신하여 저장한다. 그리고, Vmpp 전압에서, V2 전압까지는 전력이 감소하므로, 결국, Vmpp 전압에 해당하는 Pmpp를 최대 전력으로 결정하게 된다.
이와 같이, 핫 스팟이 발생하지 않는 경우, 전압 전력 곡선(L)에서 변곡점은 1개만이 발생하게 되므로, V1 구간에서 V2 구간의 탐색(exploring)만으로 간단하게 최대 전력을 산출할 수 있게 된다.
도 10은 도 1의 태양 전지 모듈과 부스팅 모듈을 구비하는 태양광 모듈의 전압 대비 전류 곡선을 예시한다.
먼저, 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라, 부스팅 모듈(60,70,또는80)을 사용하는 경우, 이를 구비하는 태양광 모듈(100)에 대한, 전압, 전류 곡석은 도면과 같이 예시될 수 있다.
즉, 태양광 모듈(100)에서 공급되는 개방 전압(Voc)은, 태양 전지 모듈(50)에서 공급되는 개방 전압에, 부스팅 모듈(60,70,또는80)로부터의 부스팅 전압(VBoost)이 부가된 것에 대응할 수 있다. 이때, 부스팅 모듈(60,70,또는80)은 태양 전지 모듈(50)과 직렬 접속되므로, 태양광 모듈(100)의 단락(short) 전류(Isc)는, 태양 전지 모듈(50)의 단락 전류에 대응하게 된다.
이에 따라, 도면과 같이, 새로운 전압 전류 곡선(L2)가 형성되며, 최대 전력 지점은, mpp2이며, ㄱ그에 대응하는 전압은, Vmpp2로서, 도 8의 Vmpp에 비해, 부스팅 전압(VBoost)만큼 증가된 것일 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도의 일예이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 정션 박스(200)는, 바이패스 다이오드부(510), 부스팅 모듈(70), dc/dc 컨버터(530)를 포함할 수 있다.
정션박스(200)는, 직류 전원을 출력하게 되며, 이러한 정션 박스(200)는, 파워 옵티마이저(power optimizer)라 명명될 수 있다.
바이패스 다이오드부(510)는, 제1 내지 제4 도전성 라인(135a,135b,135c,135d)에 각각 대응하는 a 노드 , b 노드, c 노드, d 노드의 각 사이에, 배치되는 제1 내지 제3 바이패스 다이오드(Da,Db,Dc)를 포함한다.
부스팅 모듈(70)은, 태양 전지 모듈(50)에서 공급되는 제1 직류 전원(V1)에, 부스팅 전압(VBoost)을 부가하여, 제2 직류 전원(V2)을 출력한다. 부스팅 모듈(70)은, 도 2에서 도시한 바와 같이, 제1 스위칭 소자(S1)를 구비하고, 제1 직류 전원(V1)이 소정치 이하인 경우에만, 부스팅 전압(VBoost)을 부가하여, 제2 직류 전원(V2)을 출력할 수 있다.
한편, 이와 달리, 부스팅 모듈은, 도 1의 부스팅 모듈(60) 또는 도 3의 부스팅 모듈(80)일 수도 있다.
dc/dc 컨버터(530)는, 부스팅 모듈(70)을 통해 출력되는 제2 직류 전원(V2)을 이용하여, 레벨 변환을 수행한다. 도면에서는, 스위칭 소자(S1)의 턴 온 타이밍 및 변압기(T)의 권선비를 이용한, 플라이 백 컨버터(flyback converter)를 예시한다. 이에 의해, dc 레벨의 승압이 수행될 수 있다. 한편, 스위칭 소자(S3)의 턴 온 타이밍 제어를 위한, 컨버터 제어부(미도시)가 더 구비될 수 있다.
한편, dc/dc 컨버터(530)는, 도면의 플라이백 컨버터 외에, 부스트 컨버터(boost converter), 벅 컨버터(buck converter), 포워드 컨버터(forward converter) 등이 가능하며, 이들의 조합(예를 들어, Cascaded Buck-Boost Converter 등)도 가능하다.
한편, 입력 전류 감지부(A)는, dc/dc 컨버터(520)로 공급되는 전류(ic1)을 감지하며, 입력 전압 감지부(B)는, dc/dc 컨버터(520)로 입력되는, 입력 전압(vc1)을 감지한다. 감지된 전류(ic1)와 전압(vc1)은, 부스팅 모듈(70) 내의 스위칭 제어부(75)에 입력될 수 있다.
또한, 출력 전류 감지부(C)는, dc/dc 컨버터(520)에서 출력되는 전류(ic2)을 감지하며, 출력 전압 감지부(D)는, dc/dc 컨버터(520)에서 출력되는 전압(vc2)을 감지한다. 감지된 전류(ic2)와 전압(vc2)은, 부스팅 모듈(70) 내의 스위칭 제어부(75)에 입력될 수 있다.
이와 같이, 태양 전지 모듈(50)에 부착되는 정션 박스(200)가, 바이패스 다이오드부(510), 부스팅 모듈(70), dc/dc 컨버터(530)를 구비함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(100)은, 향상된 크기의 직류 전원을 출력할 수 있게 된다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 모듈의 정션박스의 내부 회로도의 다른 예이다.
도 12를 참조하면, 도 12의 정션 박스(200)는, 도 11과 유사하나, dc/dc 컨버터(530) 이후에, 인버터(540)를 더 구비하는 것에 그 차이가 있다.
인버터(540)는, 레벨 변환된 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다. 도면에서는, 풀 브릿지 인버터(full-bridge inverter)를 예시한다. 즉, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b)가 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(540) 내의 스위칭 소자들은, 인버터 제어부(미도시)로부터의 인버터 스위칭 제어신호에 기초하여, 턴 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 교류 전원이 출력되게 된다. 바람직하게는, 그리드(grid)의 교류 주파수와 동일한 주파수(대략 60Hz)를 갖는 것이 바람직하다.
이와 같이, 태양 전지 모듈(50)에 부착되는 정션 박스(200)가, 바이패스 다이오드부(510), 부스팅 모듈(70), dc/dc 컨버터(530), 및 인버터(540)를 구비함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈(100)은, 향상된 크기의 직류 전원을 이용하여, 안정적인 교류 전원을 출력할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 태양광 모듈은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (13)

  1. 복수의 태양 전지를 구비하며, 제1 직류 전원을 출력하는 태양 전지 모듈; 및
    부스팅 전압을 저장하며, 상기 제1 직류 전원에 상기 부스팅 전압을 추가하여, 제2 직류 전원을 출력하는 부스팅 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부스팅 모듈은,
    상기 부스팅 전압을 저장하는 배터리;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부스팅 모듈은,
    상기 제1 직류 전원의 크기가 소정치 이하인 경우, 상기 제1 직류 전원에 상기 부스팅 전압을 추가하여, 제2 직류 전원을 출력하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부스팅 모듈은,
    상기 부스팅 전압을 저장하는 배터리; 및
    상기 배터리에 병렬 접속되며, 상기 제1 직류 전원의 크기가 소정치 초과인 경우, 턴 온되며, 상기 제1 직류 전원의 크기가 상기 소정치 이하인 경우, 턴 오프되는 제1 스위칭 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 부스팅 모듈은,
    상기 배터리에 직렬 접속되며, 상기 부스팅 전압의 크기가 상기 제1 직류 전원의 크기 보다 작은 경우, 턴 온되며, 상기 부스팅 전압의 크기가 상기 제1 직류 전원의 크기와 동일하거나 큰 경우, 턴 오프되는 제2 스위칭 소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 직류 전원을 레벨 변환하여 제3 직류 전원을 출력하는 dc/dc 컨버터를 dc/dc 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제2 직류 전원을 레벨 변환하여 제3 직류 전원을 출력하는 dc/dc 컨버터를 dc/dc 컨버터;를 더 포함하며,
    상기 소정치는, 상기 제3 직류 전원에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 직류 전원을 감지하는 제1 전원 감지부; 및
    상기 제3 직류 전원을 감지하는 제2 전원 감지부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 태양전지 중 역방향 전압이 발생하는 태양전지를 바이패스 시키는 바이패스 다이오드와, 상기 부스팅 모듈을 구비하는 정션 박스;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 정션 박스는,
    상기 제2 직류 전원을 레벨 변환하여 제3 직류 전원을 출력하는 dc/dc 컨버터를 dc/dc 컨버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 정션 박스는,
    상기 제3 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
  13. 복수의 태양 전지를 구비하며, 제1 직류 전원을 출력하는 태양 전지 모듈; 및
    부스팅 전압을 저장하며, 상기 제1 직류 전원의 크기가 소정치 이하인 경우, 상기 제1 직류 전원에 상기 부스팅 전압을 추가하여, 제2 직류 전원을 출력하는 부스팅 모듈; 및
    상기 제2 직류 전원을 레벨 변환하여 제3 직류 전원을 출력하는 dc/dc 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈.
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KR20180067933A (ko) * 2016-12-13 2018-06-21 주식회사 럭스코 태양광 인버터 시스템

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