KR102658936B1 - 화재예방 및 안전 유지관리를 위한 복합채널 태양광 접속함 - Google Patents

화재예방 및 안전 유지관리를 위한 복합채널 태양광 접속함 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 접속함의 각 채널에 흐르는 과전류로 인한 화재 발생을 미연에 방지하고 유지보수 및 관리가 용이한 복합채널 태양광 접속함에 관한 것으로, 태양광 스티링에서 생산된 태양광 발전전력을 입력받는 입력단자; 상기 태양광 발전전력을 인버터로 전달하며, 과도 전류를 방지하는 퓨즈와 역전류 방지를 위한 다이오드가 직렬 연결되어 구성되는 복수의 입력채널; 상기 입력단자와 연결되며, 상기 입력단자를 상기 복수의 입력채널 중에서 하나 또는 둘 이상과 연결하는 스위치; 및 상기 입력단자에서 측정된 입력전류와 상기 다이오드가 부착되는 방열판에서 측정된 온도에 기초하여, 상기 복수의 입력채널 중에서 적어도 하나의 입력채널을 선택하고, 선택된 입력채널로 상기 태양광 발전전력이 전달되도록 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

화재예방 및 안전 유지관리를 위한 복합채널 태양광 접속함{Multi-channel photovoltaic junction box for fire prevention and safe maintenance}
본 발명은 태양광 접속함에 관한 것으로, 구체적으로 접속함 내의 화재를 예방하고 안전한 유지관리를 위해 복합채널을 갖는 태양광 접속함에 관한 것이다.
태양광 접속함은 태양광 발전 시스템에 포함된 복수의 태양 전지 모듈로부터 생성된 직류 전류를 취합하여 상기 태양광 발전시스템에 포함된 인버터에 출력하는 장치이다. 이러한 태양광 접속함은 입력 단자, 퓨즈, 다이오드 및 출력 단자를 포함하며, 이중 상기 다이오드는 역방향으로 흐르는 전류를 차단하는 기능을 수행한다.
이와 관련된 선행특허문헌으로서 한국등록특허 제10-1853358호는 태양광 패널에서 생산된 전력을 입력받는 입력단자; 상기 입력단자를 통해 입력된 전력을 인버터 측으로 출력하는 출력단자; 차단기; 역류 방지 다이오드; 상기 역류 방지 다이오드를 거치지 않는 우회 경로를 형성하는 우회 선로; 상기 우회 선로 상에 설치되는 우회 스위치; 상기 입력단자의 출력단에서의 전압, 전류 및 전력 중 적어도 하나의 제1 전기적 물리량을 측정하는 제1 측정부; 및 상기 역류 방지 선로 및 상기 우회 선로의 접점과 상기 출력단자의 입력 측 사이에 설치되어, 해당 설치 위치에서의 전압, 전류 및 전력 중 적어도 하나의 제2 전기적 물리량을 측정하는 제2 측정부; 및 적어도 상기 역류 방지 다이오드를 포함하여 상기 접속반 내부의 부품의 온도 과열 여부 또는 아크 발생 여부를 검출하는 제3 측정부; 상기 접속반 내부에 화재가 발생하는 경우 화재를 진압하는 소방 장치; 상기 제3 측정부의 검출 결과에 따라 상기 접속반 내부에 화재가 발생한 것으로 판단되는 경우 상기 소방 장치의 동작을 개시하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하는, 태양광 발전 장치의 접속반이 제공하고 있다.
즉, 상술한 선행특허문헌은 다이오드를 거치지 않는 우회선로를 형성하고, 다이오드로 들어오고 나가는 입출력 전류를 측정하여 정상상태에서는 다이오드가 아닌 우회선로를 거쳐 전력을 출력하는 방식을 채용하고 있으나, 이 경우 급작스런 역전류로 인한 태양광 모듈의 손상 우려가 있어 예기치 못한 더 큰 화재를 불러올 수 있으며, 손상되 다이오드의 채널과 연결된 태양광 패널에서의 발전전력은 채널 복구 시까지 사용될 수 없는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양광 접속함의 각 채널에 흐르는 과전류로 인한 화재 발생을 미연에 방지하고 유지보수 및 관리가 용이한 복합채널 태양광 접속함을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 복합채널 태양광 접속함은, 태양광 스티링에서 생산된 태양광 발전전력을 입력받는 입력단자; 상기 태양광 발전전력을 인버터로 전달하며, 과도 전류를 방지하는 퓨즈와 역전류 방지를 위한 다이오드가 직렬 연결되어 구성되는 복수의 입력채널; 상기 입력단자와 연결되며, 상기 입력단자를 상기 복수의 입력채널 중에서 하나 또는 둘 이상과 연결하는 스위치; 및 상기 입력단자에서 측정된 입력전류와 상기 다이오드가 부착되는 방열판에서 측정된 온도에 기초하여, 상기 복수의 입력채널 중에서 적어도 하나의 입력채널을 선택하고, 선택된 입력채널로 상기 태양광 발전전력이 전달되도록 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 복수의 입력채널은, 상기 태양광 스트링에 대응하여, 상기 스위치를 통해 상시 연결되는 메인 입력채널과 상기 입력단자에서의 과전류 검출 또는 다이오드의 과열과 같은 비상시 상기 스위치를 통해 연결되는 적어도 하나의 서브 입력채널을 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제어부는, 상기 측정된 입력전류가 기 설정된 전류범위를 초과할 경우, 상기 메인 입력채널에 적어도 하나의 서브 입력채널이 추가로 병렬 연결되도록 상기 스위치를 제어함으로써 입력전류를 분산시킬 수 있다.
본 발명에 따른 복합채널 태양광 접속함에 의하면, 복수의 입력채널을 메인채널과 서브채널로 구분하여 마련하고, 비상시 메인채널을 서브채널로 전환하거나 메인채널에 서브채널을 추가함으로써, 접속함 내의 과열로 인한 화재발생을 미연에 예방할 수 있고, 접속함의 유지보수 및 관리가 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 접속함의 채널 스위칭 제어를 위한 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다이오드 발열온도에 기초한 채널 스위칭 제어과정을 나타내는 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입력전류에 기초한 채널 스위칭 제어과정을 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 저장부에 기록되는 정보들의 테이블을 나타내는 도면이다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 발전시스템은 태양광발전 스트링(100), 태양광 접속함(200) 및 인버터(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
태양광 스트링(PV string)(100)은 복수의 태양전지로 구성된 태양광 패널들을 서로 직렬로 연결하여 구성한 것을 의미할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 밖에 하나의 태양광 패널(PV panel) 또는 여러 개의 태양광 스트링을 병렬로 연결하여 구성한 태양광 어레이(PV array) 등을 가리킬 수 있다.
태양광 스트링(100)은 설치 장소의 발전용량에 따라 복수 개로 구성될 수 있다. 도 1에서는 3개의 태양광 스트링, 즉 제1태양광 스트링(100-2), 제2태양광 스트링(100-2), 제3태양광 스트링(100-3)으로 구성된 태양광 발전시스템을 예시하고 있다.
태양광 접속함(200)은 입력단자(210), 스위치(220), 입력채널(230 및 240), 서지보호기(250) 및 출력단자(260)를 포함하여 구성될 수 있다.
입력단자(210)는 태양광 스트링(100)의 개수에 대응하여 복수 개가 마련되며, 각각의 입력단자(210)는 하나의 태양광 스트링(100)과 연결된다. 예컨대, 제1태양광 스트링(100-1)은 제1입력단자(210-1)과 연결되며, 제2태양광 스트링(100-2)은 제2입력단자(210-2)와 연결되며, 제3태양광 스트링(100-3)은 제3입력단자(210-1)와 연결될 수 있다.
각각의 입력단자(210)에는 연결된 태양광 스트링(100)으로부터 흐르는 입력전류를 실시간으로 측정할 수 있는 전류 측정수단(미도시)이 설치될 수 있으며, 측정값은 후술할 제어부로 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 태양광 접속함(200)은 복수의 입력채널(230 및 240)을 구비하고 있다. 입력채널(230 및 240)은 태양광 스트링(100)에서 생산된 전력을 인버터로 안전하게 전달하고 회로를 보호하기 위한 소자들이 직렬 연결되어 구성되는 하나의 선로를 의미할 수 있다.
입력채널(230 및 240)은 태양광 스트링(100)으로부터 인입되는 과전류로부터 회로를 보호하기 위한 퓨즈(231)와 태양광 스트링(100)으로 전류가 역류하여 흐르는 것, 즉 입력전류의 역전현상을 방지하기 위한 다이오드(232)를 포함하여 구성될 수 있다.
다이오드(232)는 흐르는 전류에 의해 쉽게 발열될 수 있으며, 발열을 최소화하기 위해 방열판(미도시)에 부착될 수 있다. 방열판에는 다이오드(232)의 발열정도를 확인하기 위해 온도 측정수단이 설치될 수 있으며, 측정된 온도값은 후술할 제어부로 제공될 수 있다.
입력채널은 복수 개로 구성되며, 하나의 접속점에서 모여서 서로 병렬 연결되고 서지보호기(250)를 거처 출력단자(260)와 연결된다. 그리고, 각 입력채널을 통해 모아진 태양광 발전전력은 출력단자(270)를 통해 인버터(300)로 제공될 수 있다.
또한, 입력채널은 메인 입력채널(230)과 서브 입력채널(240)로 구분될 수 있다.
메인 입력채널(230)은 스위치(220)를 통해 입력단자(210)와 상시 연결되어 태양광 어레이(100)의 발전전력을 인버터(300)로 제공하는 통로를 제공한다. 즉, 각각의 테양광 어레이는 입력단자(210)에 접속된 후, 후술할 특별한 상황이 아닌 보통 때에, 대응하는 하나의 메인채널과 연결되어 발전전력을 인버터(300)로 제공하게 된다.
서브 입력채널(240)은 비상시 사용되는 예비 채널로써, 메인 입력채널(230)과 병렬로 연결되며 적어도 하나 이상이 구비된다. 즉, 입력단자(210)에서 과전류가 검출되거나 다이오드가 과열되는 비상 상황이 발생하면, 기존 사용되던 메인 입력채널(230)에 추가하여 서브 입력채널(240)이 병렬로 운영되거나 메인 입력채널(230)을 대체하여 서브 입력채널(240)만을 운영하게 된다.
스위치(220)는 입력단자(210)의 개수에 따라 마련될 수 있으며, 각각의 스위치(220)는 하나의 입력단자(210)와 적어도 하나의 입력채널(230 및/또는 240)을 연결하는 역할을 한다.
즉, 하나의 입력단자(210-1)는 연결된 하나의 스위치(220-1)를 통해 하나의 메인 입력채널(230-1)과 연결되거나, 하나의 메인입력채널(230-1) 및 적어도 하나의 서브 입력채널(240-1)과 연결되거나, 또는 적어도 하나의 서브입력채널(240-1)과 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 접속함의 채널 스위칭 제어를 위한 구성을 나타내는 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다이오드 발열온도에 기초한 채널 스위칭 제어과정을 나타내는 플로우차트이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입력전류에 기초한 채널 스위칭 제어과정을 나타내는 플로우차트이다.
도 1 및 2를 참조하면, 태양광 접속함(200)은 온도검출부(201), 전류검출부(202), 제어부(203), 저장부(204) 및 알림부(205)를 포함할 수 있다.
온도검출부(201)는 입력채널(230 및 240)에 구비되는 각각의 다이오드 (231)의 발열온도를 검출할 수 있다. 예컨대, 온도검출부(201)는 각 다이오드(231) 주변의 방열판에 설치된 온도센서 등으로 구현될 수 있으며, 방열판 온도를 측정하고 이를 이용하여 다이오드의 발열온도를 검출할 수 있다.
전류검출부(202)는 각각의 태양광 스트링(100)에서 입력단자(210)로 인입되는 입력전류를 측정하기 위한 수단이다.
제어부(203)는 온도검출부(201) 및 전류검출부(202)로부터 제공된 측정값에 기초하여, 복수의 입력채널 중에서 적어도 하나의 입력채널을 선택하고, 선택된 입력채널로 상기 태양광 발전전력이 전달되도록 스위치(220)를 제어할 수 있다.
도 3을 참조하면, 실시 예에 따라, 제어부(203)는 온도검출부(201)에서 측정된 온도에 기초하여 각 다이오드의 발열온도를 모니터링 할 수 있다(S110).
이 과정에서 기 설정된 온도범위를 초과하는 다이오드가 존재하는 것으로 판단되면(S120), 현재 사용 가능한 서브 입력채널, 즉 다른 입력단자(210)와 연결되어 있지 않으며, 정상 온도범위에 있는 서브 입력채널을 선택할 수 있다(S130). 예컨대, 제어부(203)는 제1다이오드(232-1)의 발열온도가 기 설정된 온도범위(T1~T2) 내의 최대값(Tmax)을 넘어선 것으로 판단한 경우, 서브 입력채널(240) 중에서 사용 가능한 제1서브 입력채널(240-1)을 선택할 수 있다.
이후, 제어부(203)는 스위치를 제어하여, 해당 다이오드가 속한 메인 입력채널과 입력단자의 연결을 차단하고, 입력단자를 적어도 하나의 서브 입력채널과 연결하여 입력채널을 전환할 수 있다(S140). 예컨대, 제1스위치(220-1)를 제어하여 제1입력단자(210-1)와 제1메인 입력채널(230-1)의 연결을 차단함과 동시에 제1입력단자(210-1)를 제1서브 입력채널(240-1)과 연결할 수 있다. 이에 따라, 제1태양광 스트링(100-1)에서 생산된 발전전력은 제1메인 입력채널(230-1)이 아닌 제1서브 입력채널(240-1)을 통해 인버터(300)로 전달되게 된다.
한편, 제어부(203)는 단계 S140와 같이 입력채널을 전환한 이후, 과열된 다이오드의 발열온도가 정상범위로 돌아왔는지 여부를 판단하고(S150), 원래의 메인 입력채널로 복귀할 수 있다(S160). 예컨대, 제1다이오드(232-1)의 발열온도가 임계값(Tth) 이하로 떨어지면, 제어부(203)는 제1스위치(220-1)를 제어하여, 제1입력단자(210-1)와 제1서브 입력채널(240-1)의 연결을 차단함과 동시에 제1입력단자(210-1)를 제1메인 입력채널(230-1)과 연결할 수 있다.
도 4를 참조하면, 실시 예에 따라, 제어부(203)는 전류검출부(202)에서 측정된 전류에 기초하여 각 태양광 스트링으로부터 인입되는 입력전류를 모니터링 할 수 있다(S220).
이 과정에서 기 설정된 전류범위를 초과하는 입력전류가 존재하는 것으로 판단되면(S220), 현재 사용 가능한 서브 입력채널, 즉 다른 입력단자(210)와 연결되어 있지 않으며, 정상 온도범위에 있는 서브 입력채널을 선택할 수 있다(S230). 예컨대, 제어부(203)는 제1입력단자(210-1)의 입력전류가 기 설정된 전류범위(I1~I2) 내의 최대값(Imax)을 넘어선 것으로 판단한 경우, 서브 입력채널(240) 중에서 사용 가능한 제1서브 입력채널(240-1) 및/또는 제2서브 입력채널(240-2)을 선택할 수 있다.
이후, 제어부(203)는 스위치를 제어하여, 해당 입력단자에 연결된 메인 입력채널과 입력단자의 연결을 유지하면서, 해당 입력단자에 적어도 하나의 서브 입력채널을 병렬 연결하여 입력채널을 추가할 수 있다(S240). 예컨대, 제1입력단자(210-1)와 제1메인 입력채널(230-1)의 연결을 유지하면서, 제1스위치(220-1)를 제어하여, 제1입력단자(210-1)에 제1서브 입력채널(240-1)과 제2서브 입력채널(240-2)을 병렬로 연결할 수 있다. 이에 따라, 제1태양광 스트링(100-1)에서 생산된 발전전력, 즉 제1입력단자로 인입되는 입력전류은 제1메인 입력채널(230-1), 제1서브 입력채널(240-1) 및 제2서브 입력채널(240-2)로 분산되어 흐르게 됨으로써 과전류로 인한 다이오드 과열과 이로 인한 화재 등을 예방할 수 있게 된다.
한편, 제어부(203)는 단계 S240와 같이 입력채널을 추가한 이후, 해당 입력전류가 정상범위로 돌아왔는지 여부를 판단하고(S250), 추가 연결된 서브 입력채널의 연결을 차단할 수 있다(S260). 예컨대, 제1입력단자(210-1)의 입력전류가 임계값(Ith) 이하로 떨어지면, 제어부(203)는 제1스위치(220-1)를 제어하여, 제1입력단자(210-1)와 제1서브 입력채널(240-1) 및 제2서브 입력채널(240-2)의 연결을 차단할 수 있다.
이 경우, 입력전류가 제1임계값(Ith1) 이하로 떨어졌을 때, 제1서브 입력채널(240-1)의 연결을 차단하고, 이후 입력전류가 제1임계값(Ith1) 보다 더 작은 제2임계값(Ith2)에 도달하면 나머지 제2서브 입력채널(240-2)의 연결을 차단하는 순차적 연결 차단방식을 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 저장부에 기록되는 정보들의 테이블을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 저장부(204)에는 다이오드의 정상 온도범위(T1~T2), 최대값(Tmax) 및 임계값(Tth)과, 입력전류의 정상 전류범위(I1~I2), 최대값(Imax), 제1임계값(Ith1) 및 제2임계값(Ith2)과, 각 입력단자에서 입력전류 및 연결채널과, 각 입력채널의 종류, 발열온도, 과열 횟수 및 주기 등에 관한 정보가 기록될 수 있다.
제어부(203)는 저장부(204)에 기록된 정보에 기초하여 통해 태양광 접속함의 상태정보를 알림부(205)를 통해 사용자 단말(미도시)로 전송할 수 있다. 예컨대, 제어부(203)는 각 입력채널 내 다이오드의 과열 횟수 및 주기와 발열온도의 변화율을 분석하여 다이오드의 교체 및 점검에 대한 알림신호를 생성하고 이를 사용자 단말로 전송할 수 있다.
이상에서, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 태양광 스트링 200 : 태양광 접속함
201 : 온도검출부 202 : 전류검출부
203 : 제어부 204 : 저장부
205 : 알림부 210 : 입력단자
220 : 스위치 230 : 메인 입력채널
231 : 퓨즈 232 : 다이오드
240 : 서브 입력채널 250 : 서지보호기
260 : 출력단자 300 : 인버터

Claims (3)

  1. 태양광 스트링(100)에서 생산된 태양광 발전전력을 입력받는 입력단자(210);
    상기 태양광 발전전력을 인버터(300)로 전달하며, 과도 전류를 방지하는 퓨즈(231)와 역전류 방지를 위한 다이오드(232)가 직렬 연결되어 구성되는 복수의 입력채널(230 및 240);
    상기 입력단자와 연결되며, 상기 입력단자를 상기 복수의 입력채널 중에서 하나 또는 둘 이상과 연결하는 스위치(220); 및
    상기 입력단자에서 측정된 입력전류와 상기 다이오드가 부착되는 방열판에서 측정된 온도에 기초하여, 상기 복수의 입력채널 중에서 적어도 하나의 입력채널을 선택하고, 선택된 입력채널로 상기 태양광 발전전력이 전달되도록 상기 스위치를 제어하는 제어부(260);를 포함하고,
    상기 복수의 입력채널은,
    상기 태양광 스트링(100)에 대응하여, 상기 스위치를 통해 상시 연결되는 메인 입력채널(230)과 상기 입력단자에서의 과전류 검출 또는 다이오드의 과열과 같은 비상시 상기 스위치를 통해 연결되도록 상기 제어부에 의해 선택되는 2 이상의 서브 입력채널(240)로 구분되고,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 입력전류가 기 설정된 전류범위를 초과할 경우, 상기 메인 입력채널에 적어도 하나의 서브 입력채널이 추가로 병렬 연결되도록 상기 스위치를 제어함으로써 입력전류를 분산시키고,
    상기 측정된 발열온도가 기 설정된 온도범위를 초과할 경우, 상기 입력단자와 상기 메인 입력채널의 연결을 차단하고, 상기 입력단자를 적어도 하나의 서브 입력채널과 연결하여 입력채널을 전환하는 것을 특징으로 하는 복합채널 태양광 접속함.

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