KR20150036356A

KR20150036356A - 바이패스 다이오드가 없는 태양광 발전 시스템

Info

Publication number: KR20150036356A
Application number: KR1020157002917A
Authority: KR
Inventors: 안토니 엘 렌티네; 그레고리 엔 닐슨; 무라트 오칸단
Original assignee: 샌디아 코포레이션
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-04-07
Also published as: JP6010694B2; WO2014008313A3; JP2016149582A; WO2014008313A2; KR101638753B1; EP2870636A2; EP2870636A4; CN104508834A; JP2015522215A; CN104508834B

Abstract

바이패스 다이오드가 없는 태양 전지판을 포함하는 태양광 발전 시스템이 여기에 개시되어 있다. 태양 전지판은 복수의 태양광 서브모듈을 포함하고, 이러한 복수의 태양광 서브모듈 중 적어도 2개의 태양광 서브모듈은 병렬로 전기 접속된다. 태양광 서브모듈은 전기 접속된 태양광 전지의 복수의 그룹을 포함하고, 이러한 그룹 중 적어도 2개는 직렬로 전기 접속된다. 태양광 그룹은 태양광 전지의 복수의 열을 포함하고, 이러한 태양광 전지의 열은 직렬로 전기 접속된 복수의 태양광 전지를 포함한다. 태양광 전지의 열은 병렬로 전기 접속되고, 태양광 전지는 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지이다.

Description

바이패스 다이오드가 없는 태양광 발전 시스템{PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM FREE OF BYPASS DIODES}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 "바이패스 다이오드가 없는 태양광 발전 시스템(PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM FREE OF BYPASS DIODES)"이라는 명칭으로 2012년 7월 6일자로 출원된 미국 특허 출원 제 13/543,297 호에 대한 우선권을 주장한다. 이 특허출원의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 원용된다.

정부 투자의 진술

본 발명은 샌디아 코포레이션(Sandia Corporation)과 미국 에너지부 사이의 계약 제 DE-AC04-94AL85000 호 하에서 개발되었다. 미국 정부는 본 발명에 있어서의 일정 권리를 갖는다.

기술분야

본 발명은 바이패스 다이오드(bypass diode)가 없는 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.

화석 연료의 비재생 성질과 함께 이러한 화석 연료의 전력 생성에의 이용과 관련된 환경적 관심은 대체 에너지원에 대한 요구를 증가시키고 있다. 재생 에너지를 이용하는 예시적인 전력 시스템은, 특히, 태양열 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 수력 발전 시스템, 지열 발전 시스템을 포함한다.

종래의 태양열 발전 시스템, 특히 주택에 전력을 제공하는데 이용되는 태양열 발전 시스템은 복수의 비교적 대형의 실리콘 태양광 전지(photovoltaic cell)(예를 들면, 대략 6인치×6인치)를 포함하는 태양 전지판(solar panel)을 포함한다. 예를 들면, 하나의 태양 전지판은 대략 72개의 전지를 포함할 수 있다. 태양 전지(solar cell)는, 이 태양 전지에 입사된 특정 파장의 태양 복사의 양과 무관하게 대략 일정한 특정 전압(예를 들면, 실리콘 전지에 대해 0.6볼트)을 출력하도록 제조되고, 태양 전지판이 대략 40볼트를 생성하도록 태양 전지판 내에서 직렬로 전기 접속되어 있다. 전형적인 주택용 태양열 시스템은 몇 개의 태양 전지판(예를 들면, 5개 내지 10개)을 포함하고, 전지판은 직렬로 전기 접속되고, 이에 의해 수백개의 전지가 직렬로 전기 접속되어 개별 전지의 전압의 합과 대략 동일한 전압을 총괄적으로 출력한다. 그러나, 태양 전지 및 전지판이 전기적으로 직렬로 배열되는 경우, 전류가 태양 전지판 각각에서의 태양 전지 각각에 걸쳐서 동일해야 한다는 것에 주의해야 한다.

태양광 전지의 전류가 전지에 입사하는 광에 비례하기 때문에, 직렬 접속의 하나의 전지가 낮은 광 레벨을 수취하면, 직렬 접속 전체가 낮은 전류를 갖는다. 따라서, 몇 개의 태양 전지판을 포함하는 전형적인 태양열 발전 시스템 구성은, 하나의 전지 또는 전지의 일부분이 [예를 들면, 차광(shading)으로 인해] 낮은 광 레벨을 갖는 경우, 심한 전류 감소(및 전력 출력 감소)를 가질 수 있다. 종종, 태양열 발전 시스템이 주택 또는 다른 건물에 설치된 경우에, 나무 또는 다른 방해물이 인근에 위치될 수도 있으며, 따라서 모듈의 적어도 일부분의 차광이 자주 일어날 수 있다.

차광이 태양열 발전 시스템에 걸쳐서 특정 패턴으로 일어나는 경우에, 보호 전기 장치가 준비되어 있지 않다면, 태양 전지는 심각하게 손상될 수 있다. 예를 들면, 하나의 태양 전지가 방해물에 의해 차광되고, 태양열 발전 시스템 내의 다른 모든 전지가 조광(照光)되면, 하나의 태양 전지는 다른 전지에 의해 생성된 전류 흐름을 지지하도록 역항복(reverse breakdown)으로 구동될 수 있다. 태양열 발전 설비에 있어서, 전지 전류는 대략 5암페어이고, 실리콘 전지는 전지를 제조하는데 사용된 전지 디자인 및 제조 기술에 따라서 대략 60볼트 이상의 항복 전압(breakdown voltage)을 갖는다. 항복현상(breakdown)은 대형 전지에 걸쳐서 균일한 프로세스가 아니므로, 비교적 큰 전류(5암페어) 및 비교적 큰 전력(100와트 이상)은 장치에 단락된 상태 또는 열린 상태로의 기능 불량을 야기하여, 전지, 전지판 및/또는 설비에 오작동 및 영구적 손상을 초래할 수 있다.

태양열 발전 설비의 태양광 전지가 역항복으로 구동되는 것을 방지하기 위해서, 바이패스 다이오드가 전지에 걸쳐서 선택적으로 위치되어, 광전류가 없는 전지로부터 전류를 우회시켜 그러한 전류가 항복 영역에 진입하는 것을 방지한다. 그러나, 바이패스 다이오드의 이용은 태양열 발전 설비의 공간을 낭비하고, 비교적 고가이며, 태양 전지판의 조립 시간을 증대시킨다. 또한, 각 바이패스 다이오드가 전지판 내의 1/3의 전지(예를 들면, 보통 전지판에 3개의 바이패스 다이오드가 있음)를 통상 보호하므로, 바이패스 다이오드를 사용하는 것은 과도한 전력 생산 손실을 야기할 수 있다. 그러므로, 하나의 전지가 차광되면, 바이패스 다이오드에 의해 커버되는 모든 전지로부터의 전력 생산이 손실된다.

본 발명은 바이패스 다이오드가 없는 태양광 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

하기는 본 명세서에서 보다 상세하게 설명되는 대상의 간단한 개요이다. 이러한 개요는 본 청구범위의 범위에 대해 한정하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에는 태양광 발전 시스템과 관련된 다양한 기술이 개시된다. 특히, 본 명세서에는 어떠한 바이패스 다이오드도 없는 태양광 발전 시스템이 개시되어 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 태양광 발전 시스템은 복수의 태양광 서브모듈(photovoltaic sub-module)로 이루어지는 적어도 하나의 태양 전지판(또한 모듈로도 지칭됨)을 포함할 수 있다. 각각의 태양광 서브모듈은 50볼트 내지 2000볼트의 작동 전압을 가질 수 있으며, 따라서 다중 전지판이 전기적으로 병렬로 배열될 수 있다. 태양 전지판의 명목 작동 전압은, 미국에서의 600볼트의 현대 제한 한계 때문에 통상의 상업용 인버터에 실질적으로 최적인 200볼트 내지 500볼트의 범위가 일반적이지만, 첨부된 청구범위는 그러한 제한 한계에 의해 한정되지 않는다. 또한, 예시적인 실시예에 있어서, 태양광 서브모듈은 폭이 30㎝ 미만이고 길이가 30㎝ 미만이지만, 다른 사이즈의 서브모듈이 고려될 수도 있다. 태양 전지판에서의 태양광 서브모듈의 병렬 배열은, 특정 서브모듈 또는 서브모듈의 세트가 차광되는 경우에, 비교적 다량의 전력이 그러한 하나의 서브모듈 중 하나를 가로질러 소산되는 것의 방지를 용이하게 한다.

다른 실시예에 있어서, 각각의 태양광 서브모듈은 접속된 전지판의 복수의 그룹을 포함할 수 있으며, 각 그룹은 2볼트 내지 3볼트를 출력하도록 구성되고, 그룹의 적어도 하나의 서브세트는 직렬로 전기 접속된다. 태양광 모듈 내의 접속된 전지의 각 그룹은 태양광 전지의 복수의 열(string)을 포함할 수 있으며, 이러한 태양광 전지의 열들은 병렬로 전기 접속된다. 태양광 전지의 각 열은 직렬로 전기 접속된 복수의 태양광 전지를 포함할 수 있다. 태양광 모듈에서의 이러한 태양광 전지의 직렬/병렬/직렬/병렬 배열은 어떤 하나의 태양광 전지에 차광이 일어난 경우(반면에, 태양 전지판 내의 다른 전지는 조광됨) 그 전지를 통해 비교적 다량의 전류가 구동되는 것의 방지를 용이하게 한다.

일례에 의하면, 태양 전지판을 구성하는데 이용된 태양광 전지는 0.3볼트 내지 2.0볼트의 작동 전압을 갖도록 구성된 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지(microsystem-enabled photovoltaic cell)일 수 있다. 주어진 태양 전지판에 포함될 수 있는 비교적 많은 개수의 전지(예를 들면, 30,000개 이상의 전지)로 인해, 태양 전지판의 거의 모든 잠재적인 차광 패턴에 대해 하나의 전지를 가로질러 소산될 수 있는 전력의 양은 전지가 역항복으로 작동중이더라도 모든 주어진 전지에 손상을 입히지 않는다. 따라서, 본 명세서에 개시된 태양 전지판은, 태양 전지판 내의 전지 중 하나 이상이 역항복으로 작동중인 경우 이러한 전지가 손상되지 않도록 보장하기 위해 종래에 이용된 바이패스 다이오드를 포함할 필요가 없다. 이것은, 본 명세서에 개시된 태양 전지판에서는, 하나의 전지가 항복 상태에 있더라도 그러한 전지를 가로지르는 전력 소산이 전지를 손상시키는 한계값을 초과하지 않기 때문이다. 즉, 태양 전지판 내의 임의의 전지로 지향될 수 있는 전류의 양이 비교적 작기 때문에, 전지는 손상을 입지 않고서 역항복으로 무기한 계속 작동할 수 있다.

전술한 바와 같이, 태양 전지판 내의 태양광 전지는 마이크로시스템에 이용가능한 전지일 수 있다. 일례에 의하면, 이러한 전지는 비화 갈륨(gallium arsenide) 전지, 인화 인듐 갈륨(indium gallium phosphide) 전지 또는 비화 인듐 갈륨(indium gallium arsenide) 전지와 같은 Ⅲ-Ⅴ 전지일 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, 태양광 전지는 실리콘 전지를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 태양광 전지는 게르마늄 태양광 전지를 포함할 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 태양 전지판은 다중-접합(multi-junction) 태양광 전지를 포함할 수 있으며, 각각의 다중-접합 태양광 전지는 상이한 밴드 갭(band gap)의 복수의 태양광 전지를 포함할 수 있다. 일례에 의하면, 다중-접합 태양광 전지 내의 각 태양광 전지는 전기적으로 직렬로 일체 접속될 수 있으며, 그에 따라 다중-접합 태양광 전지의 작동 전압은 그 내의 각각의 마이크로시스템에 이용가능한 태양광 전지의 작동 전압의 합과 등가이다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, 개별 타입의 태양광 전지는 직렬 및 병렬로 선택적으로 배열될 수 있으며, 전기적으로 직렬로 배열된 다수의 태양광 전지가 소망의 출력 또는 중간 전압에 따라 달라질 수 있다.

다른 태양은 첨부된 도면 및 설명을 읽고 이해할 때 자명해질 것이다.

도 1은 복수의 태양광 서브모듈을 포함하는 예시적인 태양 전지판을 도시하는 도면,
도 2는 전기 접속된 태양광 전지의 복수의 태양광 그룹을 포함하는 예시적인 태양광 서브모듈을 도시하는 도면,
도 3은 태양광 전지의 복수의 열을 포함하는 전지의 예시적인 태양광 그룹을 도시하는 도면,
도 4는 전기 접속된 태양광 전지의 복수의 그룹 각각으로 자체가 이루어지는 복수의 태양광 서브모듈로 이루어지는 다른 예시적인 태양 전지판을 도시하는 도면,
도 5는 예시적인 다중-접합 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지를 도시하는 도면,
도 6은 바이패스 다이오드를 포함하지 않는 태양 전지판을 구성하기 위한 예시적인 방법을 나타내는 도면,
도 7은 바이패스 다이오드를 포함하지 않는 태양 전지판을 구성하기 위한 예시적인 방법을 나타내는 도면.

이하, 태양광 발전 시스템과 관련된 다양한 기술에 대하여, 유사한 도면번호가 전체에 걸쳐서 유사한 요소를 나타내는 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "예시적인(exemplary)"은 어떤 것의 예시 또는 실시예로서 역할을 하는 것을 의미하도록 의도되며, 선호하는 것을 나타내도록 의도되지 않는다.

이제 도 1을 참조하면, 어떠한 바이패스 다이오드도 갖지 않는 예시적인 태양 전지판(100)이 도시되어 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 태양 전지판(100)은 길이가 1m 내지 2m이고, 폭이 1/2m 내지 3/2m일 수 있다. 또한, 태양 전지판(100)은 200볼트 내지 300볼트를 출력하도록 구성될 수 있지만, 다른 실시예에서는 태양 전지판(100)이 2000볼트까지 출력하도록 구성될 수도 있다. 특정 예시에 의하면, 태양 전지판(100)은 240볼트를 출력하도록 구성될 수 있다. 그러나, 본 기술분야에 숙련된 자에게 이해되는 바와 같이, 태양 전지판(100)에 의해 출력될 수 있는 전압의 양은 태양 전지판(100)이 이용되는 응용에 따라 달라질 수 있고, 200볼트 내지 300볼트 범위보다 크거나 작을 수도 있다.

태양 전지판(100)은 복수의 태양광 서브모듈(102 내지 148)을 포함한다. 태양 전지판(100)이 24개의 태양광 서브모듈을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 태양 전지판(100)이 이용되는 응용, 태양 전지판(100)을 설치하는데 이용가능한 공간의 양뿐만 아니라, 태양 전지판(100) 내에서의 태양광 서브모듈(102 내지 148)의 배열에 따라서, 태양 전지판(100)이 보다 많거나 적은 태양광 서브모듈을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

예시적인 실시예에 있어서, 태양광 서브모듈(102 내지 148)은 서로 병렬로 전기 접속될 수 있다. 그러므로, 태양광 서브모듈 각각은 대략 동일한 전압(예를 들면, 200볼트 내지 600볼트)을 출력할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, 태양광 서브모듈(102 내지 148) 각각이 병렬로 전기 접속되기보다는, 태양광 서브모듈(102 내지 148)의 적어도 하나의 서브세트는 전력 관리 집적 회로에 접속될 수 있으며, 이러한 집적 회로는 그것에 전기 접속된 태양광 서브모듈(102 내지 148)의 서브세트로부터 생산된 전력으로부터 나오는 소망의 전압 및/또는 전류 레벨을 출력하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 태양 전지판(100)은 각각의 태양광 서브모듈(102 내지 148)에 직접 접속된 하나의 집적 회로를 포함할 수 있다. 그리고, 전력 관리 집적 회로는 태양 전지판(100)에 의해 출력될 최종 전력량이 사전지정된 소정 레벨(전압 및 전류)이 되도록 할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, 태양광 서브모듈의 서브세트는 병렬로 연결될 수 있고, 이러한 서브세트는 전력 관리 집적 회로에 접속될 수 있다. 예를 들면, 태양광 서브모듈의 제 1 서브세트는 병렬로 전기 접속될 수 있는 태양광 서브모듈(102, 104, 106, 108)을 포함할 수 있다. 유사하게, 태양광 서브모듈의 제 2 서브세트는 병렬로 전기 접속될 수 있는 태양광 서브모듈(110, 112, 114, 116)을 포함할 수 있다. 그리고, 태양광 서브모듈의 제 1 서브세트 및 제 2 서브세트는 집적 회로에 접속될 수도 있으며, 이러한 집적 회로는 전력 관리를 수행하여 소망의 전력량이 태양 전지판(100)에 의해 출력되게 한다. 다른 구성이 또한 고려될 수 있고, 이러한 구성은 첨부된 청구범위의 범위 내에 있도록 의도된다.

태양 전지판(100)에 있어서의 태양광 서브모듈(102 내지 148)의 적어도 일부의 병렬 배열은, 태양광 서브모듈 내의 하나 이상의 태양광 전지가 역항복으로 작동중일 경우에 임의의 태양광 서브모듈(또는 그 내의 전지)이 손상될 가능성을 효과적으로 감소시킨다. 태양광 서브모듈(102 내지 148)의 적어도 일부는 전기적으로 병렬로 배열되므로, 태양광 서브모듈(102 내지 148)의 적어도 하나가 차광된 경우에 모듈간의 전류 매칭이 이루어질 필요가 없다. 이것은 태양광 서브모듈 중 어느 하나의 서브모듈을 가로질러 소산될 수 있는 전력량을 효과적으로 감소시키고, 이에 의해 태양 전지판(100) 내의 태양광 서브모듈의 적어도 일부가 차광되는 경우에 이러한 서브모듈에 대한 손상 위험성을 저감한다.

이제 도 2를 참조하면, 태양 전지판(100)에 포함될 수 있는 예시적인 태양광 서브모듈(200)이 도시되어 있다. 일례에 의하면, 태양광 서브모듈(200)의 사이즈는 길이가 10㎝ 내지 30㎝이고 폭이 10㎝ 내지 30㎝일 수 있다. 태양광 서브모듈(200)은 전기 접속된 태양광 전지의 복수의 그룹(202 내지 240)을 포함하며, 그룹(202 내지 240)은 직렬로 전기 접속된다. 태양광 서브모듈(200)이 20개의 그룹을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 태양광 서브모듈(200) 내에서의 그룹의 개수 및 배열은 태양광 서브모듈(200)에 의해 출력되는 소망의 전력에 따라 달라질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 태양광 서브모듈(200)이 태양 전지판의 규정가능한 물리적 서브요소(sub-element)인 것으로 도시되어 있지만, 태양광 서브모듈은 태양 전지판 내의 전지를 접속하는데 이용되는 회로에 의해 규정될 수 있다는 것이 이해되어야 하고, 이들 구성 모두가 첨부된 청구범위의 범위 내에 있도록 의도된다.

일례에 의하면, 태양광 서브모듈(200)은 대략 100개의 그룹을 포함할 수 있으며, 각각의 그룹은 일정한 전압, 예를 들어 대략 2.4볼트를 출력하도록 구성된다. 이러한 예에 있어서, 태양광 서브모듈(200)의 소망 출력은 대략 240볼트이다. 또한, 본 명세서에 예시로 나타낸 바와 같이, 그룹의 일부는 병렬로 접속될 수도 있다. 예를 들면, 태양광 서브모듈(200)은 직렬로 접속된 제 1 복수의 그룹 및 직렬로 접속된 제 2 복수의 그룹을 포함할 수 있으며, 제 1 복수의 그룹 및 제 2 복수의 그룹은 병렬로 접속된다.

전술한 예에 있어서, 각각의 그룹(202 내지 240)은 대략 2.4볼트를 출력하도록 구성된다. 태양광 서브모듈(200)에서 그룹(202 내지 240)의 서브세트가 차광된 경우에도, 전압 출력이 비교적 낮고 그룹(202 내지 240)을 통과하는 전류가 비교적 적기(밀리암페어 정도) 때문에, 그룹 내의 각 전지가 역항복으로 작동중이더라도, 이러한 그룹(202 내지 240)(또는 그 내의 전지)에 손상을 입히기에는 충분하지 않은 전력이 그룹(202 내지 240)을 가로질러 소산된다. 따라서, 태양광 서브모듈(200)은 임의의 그룹(202 내지 240)에 접속되는 어떠한 바이패스 다이오드도 포함할 필요가 없다.

이제 도 3을 참조하면, 태양광 서브모듈(200) 내에 그룹(202 내지 240) 중 하나로서 포함될 수 있는 예시적인 그룹(300)이 도시되어 있다. 그룹(300)은 복수의 태양광 전지(302 내지 332)를 포함한다. 일례에 의하면, 태양광 전지(302 내지 332)는 미세가공(microfabrication) 개념을 이용하여 형성된 비교적 얇은(두께 1.0㎛ 내지 50㎛) 소형(폭 50㎛ 내지 10㎜)의 태양광 전지인 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지일 수 있다. 다른 예에 있어서, 태양광 전지는 길이 2㎝×폭 2㎝ 이하일 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 참조로 원용되는 하기의 참고문헌은 미세가공 기술을 이용하여 다수의 태양광 전지를 포함하는 태양광 모듈의 형성을 개시하며: 닐슨(Nielson) 등의 "저비용 전력을 위한 마이크로스케일 C-SI(C)PV 전지(Microscale C-SI(C)PV Cells for Low-Cost Power)"(34th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, June 7-10 2009, Philadelphia, PA, 978-1-4244-2950/90) 및 넬슨 등의 "집광식 PV 응용을 위한 마이크로스케일 PV 전지(Microscale PV Cells for Concentrated PV Applications)"(24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, September 21-25, 2009, Hamburg, Germany 3-936338-25-6). 요약하면, 이러한 참고문헌은 집적식 마이크로-광학 렌즈를 갖는 하나의 태양 및 집광 시스템을 개시하고, 또한 실리콘(Si) 및 비화 갈륨(GaAs)에 에피택셜 리프트오프(epitaxial lift-off)를 이용하여 가공되어 효율이 10%를 초과하는 비교적 얇은 전지를 개시한다.

따라서, 태양광 전지(302 내지 332)는 Si 전지, GaAs 전지 및/또는 인(인화) 인듐 갈륨(InGaP) 전지이거나 포함할 수 있다. 그러므로, 태양광 전지(302 내지 332) 중 적어도 하나는 Ⅲ-Ⅴ 태양광 전지일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 태양광 전지(302 내지 332)는 적어도 하나의 게르마늄(Ge) 태양광 전지를 포함할 수 있다. 더욱이, 태양광 전지(302 내지 332)는 상이한 밴드 갭을 갖는 상이한 유형의 태양광 전지의 층을 포함하는 다중-접합 전지일 수 있거나, 다중-접합 전지에 포함될 수도 있다. 그 사이의 유전층을 위한 상이한 전지 타입의 이종 집적(heterogeneously integrating)(예를 들면, 수직 적층)은 고성능 다중-접합 전지를 생산할 수 있으며, 여기서 태양광 전지판의 디자이너는 모놀리식 전지(monolithic cell)의 격자 매칭(lattice matching) 및 직렬 접속 제약으로부터 자유롭다.

예시적인 실시예에 있어서, 각각의 태양광 전지(302 내지 332)는 다중-접합 전지일 수 있으며, 각각의 다중-접합 전지에 대해, 층들이 일체로 접속된다. 이것은 비교적 작은 공간에서 직렬로 전기 접속되는 태양광 전지의 열을 효과적으로 형성한다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, 본 명세서에 나타낸 바와 같이, 다중-접합 전지에 있어서의 전지는 일체로 접속되지 않을 수도 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 있어서, 태양광 전지(302 내지 332)가 동일한 타입(실리콘)일 수 있다. 태양광 전지의 다른 구성이 또한 고려될 수도 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 서브모듈(300)은 태양광 전지의 제 1 열(334), 태양광 전지의 제 2 열(336), 태양광 전지의 제 3 열(338) 및 태양광 전지의 제 4 열(340)을 포함할 수 있다. 태양광 전지의 제 1 열(334)은 직렬로 전기 접속된 태양광 전지(302 내지 308)를 포함한다. 유사하게, 태양광 전지의 제 2 열(336)은 직렬로 전기 접속된 태양광 전지(310 내지 316)를 포함한다. 태양광 전지의 제 3 열(338)은 직렬로 전기 접속된 태양광 전지(318 내지 324)를 포함하고, 태양광 전지의 제 4 열(340)은 직렬로 전기 접속된 태양광 전지(326 내지 332)를 포함한다. 태양광 전지의 제 1 열(334), 태양광 전지의 제 2 열(336), 태양광 전지의 제 3 열(338) 및 태양광 전지의 제 4 열(340)은 병렬로 전기 접속된다.

본 기술분야에 숙련된 자에게 이해되는 바와 같이, 상이한 타입의 태양광 전지는 상이한 작동 전압을 갖는다. 예를 들면, 태양광 전지(302 내지 332)가 Ge 전지이면, 작동 전압은 대략 0.3볼트일 수 있다. 태양광 전지(302 내지 332)가 Si 전지이면, 작동 전압은 대략 0.6볼트일 수 있다. 태양광 전지(302 내지 332)가 GaAs 전지이면, 작동 전압은 대략 0.9볼트일 수 있으며, 태양광 전지(302 내지 332)가 InGaP 전지이면, 작동 전압은 대략 1.3볼트일 수 있다. 일례에 의하면, 태양광 전지(302 내지 332)는 Si 전지일 수 있다. 이러한 예에서는, 태양광 전지의 각 열(334 내지 340)은 대략 2.4볼트(공통 전압)를 출력하고, 따라서 그룹(300)의 출력은 대략 2.4볼트이다. 이러한 경우에, 열(334, 336, 338, 340)은 상이한 전지 타입에 대해 상이한 개수의 전지를 가져서 공통 전압에 근사하게 한다. 예를 들면, 예시적인 실시예에 있어서, 태양광 전지의 제 1 열(334)은 8개의 게르마늄 전지(8×0.3=2.4)를 포함할 수 있고, 태양광 전지의 제 2 열(336)은 4개의 실리콘 전지(4×0.6=2.4)를 포함할 수 있고, 태양광 전지의 제 3 열(338)은 3개의 GaAs 전지(3×0.9=2.7)를 포함할 수 있으며, 태양광 전지의 제 4 열(340)은 2개의 InGaP 전지(2×1.3=2.6)를 포함할 수 있다. 약간의 전압 미스매칭(mismatching)은 허용가능하며, 원한다면, 보다 많은 개수의 전지 및 보다 높은 전압이 보다 정밀한 전압 매칭을 제공하는데 사용될 수도 있다. 앞서 개시된 다른 실시예에 있어서, 전력 관리 회로는 상이한 전지 타입의 직렬 접속에 의해 생성된 전압을 공통 전압으로 독립적으로 승압시키는데 사용될 수 있다. 태양 전지판(100)의 소망 출력이 대략 240볼트이면, 태양광 서브모듈(200)은 직렬로 전기 접속된 100개의 그룹(300)을 포함할 수 있다. 그러므로, 태양 전지판(100)에 있어서의 각 서브모듈(102 내지 148)은 대략 240볼트를 출력하고, 그에 따라 태양 전지판(100)의 출력은 대략 240볼트이다.

이러한 예를 사용하면, 태양 전지판(100)은 38,400개의 전지를 포함한다. 태양 전지판(100) 전체가 조광되는 경우에, 각 그룹에 있어서의 태양광 전지(302 내지 332)는 4밀리와트의 전력을 생성한다. 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지에 대해, 하나의 전지를 가로지르는 100밀리와트 정도의 전력은, 그러한 전지가 역항복으로 작동중이더라도, 손상을 입히지 않는다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 태양 전지판에 있어서의 태양광 전지, 서브모듈 및 모듈의 직렬/병렬/직렬/병렬의 선택적인 배열로 인해, 100밀리와트를 초과하는 전력은 하나의 전지를 가로질러 생길 가능성이 거의 없다. 그러한 예시적인 배열이 주어지고, 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지를 이용하는 경우, 태양 전지판의 일부분이 차광되는 경우에도 개별 전지가 손상되지 않을 것이기 때문에, 전술한 태양광 전지로 이루어진 태양 전지판이 어떠한 바이패스 다이오드도 없을 수 있다는 것이 매우 자명하다.

이하 도 4를 참조하면, 태양 전지판(100)에 있어서의 태양광 서브모듈(102 내지 148) 중 하나로서 포함될 수 있는 예시적인 태양광 서브모듈(400)이 도시되어 있다. 일례에 의하면, 태양광 서브모듈(400)은 복수의 다중-접합 태양광 전지를 포함할 수 있으며, 그에 따라 각 다중-접합 태양광 전지는 복수의 태양광 전지를 포함한다. 전술한 바와 같이, 각 다중-접합 태양광 전지는 Si 태양광 전지 및 Ⅲ-Ⅴ 태양광 전지를 포함할 수 있다. 보다 특정한 예에서는, 각 다중-접합 태양광 전지는 Ge 태양광 전지, Si 태양광 전지, GaAs 태양광 전지 및 InGaP 태양광 전지를 포함할 수 있다.

예시적인 태양광 서브모듈(400)은 72개의 다중-접합 태양광 전지를 포함하고, 각각의 다중-접합 태양광 전지는 Ge 전지, Si 전지, GaAs 전지 및 InGaP 전지를 포함한다. 이들 상이한 전지는 서로 인접하여 배치된 것으로 도시되어 있지만, 그러한 배치는 설명을 위한 것이다. 상기에 나타낸 바와 같이, 다중-접합 전지에 있어서의 전지는 상하로 서로 적층되어 있다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, (예를 들면, 스펙트럼 확산 광학기기가 이용되는 경우에) 전지는 나란한 구성으로 배치될 수도 있다.

태양광 모듈(400)은 유사한 중간(높은) 전압에 도달하도록 직렬로 접속되는(열을 형성함) 상이한 개수의 각 전지 타입을 포함한다. 이들 열은 병렬로 접속되어 효과적으로 전류를 더할 수 있다. 일례에 있어서, 태양광 모듈(400)에 의해 출력되는 소망의 중간 전압은 대략 10볼트일 수 있다. 전술한 바와 같이, Ge 전지는 대략 0.3볼트의 작동 전압을 가질 수 있고, Si 전지는 대략 0.6볼트의 작동 전압을 가질 수 있고, GaAs 전지는 대략 0.9볼트의 작동 전압을 가질 수 있으며, InGaP 전지는 대략 1.3볼트의 작동 전압을 가질 수 있다. 그러므로, 태양광 서브모듈(400)은 직렬로 전기 접속된 36개의 전지를 각각 포함하는 Ge 전지의 제 1 열(402) 및 Ge 전지의 제 2 열(404)을 포함할 수 있다. 따라서, Ge 전지의 제 1 열(402) 및 Ge 전지의 제 2 열(404) 각각은 대략 10.8볼트를 출력한다.

또한, 예시적인 태양광 서브모듈(400)은 Si 전지의 제 1 열(406), Si 전지의 제 2 열(408), Si 전지의 제 3 열(410) 및 Si 전지의 제 4 열(412)을 더 포함한다. Si 전지의 열(406 내지 412) 각각은 직렬로 전기 접속된 18개의 전지를 포함할 수 있으며, 그 결과 각 열은 대략 10.8볼트를 출력한다.

더욱이, 서브모듈(400)은 GaAs 전지의 제 1 열(414), GaAs 전지의 제 2 열(416), GaAs 전지의 제 3 열(418), GaAs 전지의 제 4 열(420), GaAs 전지의 제 5 열(422) 및 GaAs 전지의 제 6 열(424)을 더 포함할 수 있다. GaAs 전지의 열(414 내지 424) 각각은 직렬로 전기 접속된 12개의 전지를 포함할 수 있으며, 그 결과 GaAs 전지의 각 열은 대략 10.8볼트를 출력한다.

게다가, 서브모듈(400)은 InGaP 전지의 제 1 열(426), InGaP 전지의 제 2 열(428), InGaP 전지의 제 3 열(430), InGaP 전지의 제 4 열(432), InGaP 전지의 제 5 열(434), InGaP 전지의 제 6 열(436), InGaP 전지의 제 7 열(438), InGaP 전지의 제 8 열(440) 및 InGaP 전지의 제 9 열(442)을 더 포함할 수 있다. InGaP 전지의 열(426 내지 442) 각각은 직렬로 전기 접속된 8개의 전지를 포함할 수 있으며, 그 결과 InGaP 전지의 각 열은 대략 10.4볼트를 출력한다.

상기로부터, 전지의 각 열에 대한 중간 작동 전압은 대략 10볼트일 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상이한 전지 타입에 의해 출력된 전압이 동일하지 않으며, 그에 따라 서브모듈(400)에 의해 출력된 전압이 전지의 열에 의해 출력된 가장 낮은 전압이라는 것을 확인할 수도 있다.

하나의 타입의 전지만이 초기에 직렬로 접속되기 때문에, 서브모듈(400)에서의 다른 전지로부터의 전력 출력은 다른 타입의 전지에 대한 하나의 타입의 전지의 출력 저하를 야기하는 스펙트럼 시프트(spectral shift)에 의해 비교적 영향을 받지 않는다. 예를 들면, 하나의 전지 타입으로부터의 전류의 10% 감소는, 전지에의 태양열 입력의 감소에 따라, 1% 내지 4.3%의 어레이 전류의 감소를 초래한다. 따라서, 서브모듈(400)은, 종래의 태양광 모듈과 비교할 때, 불균등한 방식으로 전지 타입의 반응에 영향을 미치는 스펙트럼 시프트로부터의 출력 전력 감소에 덜 민감할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 태양 전지판(100)은, 도시되지 않았지만, 이러한 태양 전지판(100)에 의해 생산된 전력의 소비자에게 소망되는 상으로 태양 전지판(100)에 의해 출력된 전압을 DC로부터 AC로 변환하는 인버터와 결합될 수도 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 태양 전지판(100)은 태양으로부터의 광을 태양 전지판 내의 태양광 전지 상에 집광하도록 구성되는 마이크로-집광 광학기기(micro-concentrating optics)를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, 전지 타입 사이의 정밀한 전압 매칭을 시도하기보다는, 중간 전압이 소망 레벨[각각의 모듈(102 내지 148)에 의해 출력된 전압]로 되게 하기 위해 마이크로일렉트로닉스(microelectronics)가 이용될 수 있다. 그러므로, 태양광 서브모듈 또는 그룹은 중간 출력 전압이 대략 동등하게 되고 동적으로 조정가능하게 하는 하나 이상의 DC-DC 컨버터[마이크로전력 트래킹 전자장치(micropower tracking electronics)를 구비함]를 포함할 수 있다. 또한, 태양광 그룹은 전지 또는 전지의 배열체에 의해 출력된 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 마이크로-인버터를 포함할 수 있다. 태양 전지판(100) 내의 개별 전지가 사이즈가 비교적 작기 때문에, 승압 변환 및 전력 트래킹을 위한 다양한 마이크로일렉트로닉 장치를 추가하기에 충분한 공간이 전지 사이, 서브모듈 사이 또는 그룹 사이에 있다.

이제 도 5를 참조하면, 예시적인 이종(비모놀리식) 집적식 다중-접합 태양광 전지(500)의 절개도가 도시되어 있다. 다중-접합 태양광 전지(500)는 복수의 태양광 전지를 포함하며: InGaP 전지(508)는 최초로 태양으로부터 광을 수광하고; GaAs 전지(506)는 InGaP 전지(508)에 바로 인접하여 있고; Si 전지(504)는 GaAs 전지(506)에 바로 인접하여 있으며, Ge 전지(502)는 Si 전지(504)에 바로 인접하여 있다. 본 발명자에 의해 다른 구성이 고려될 수 있고, 이러한 구성은 첨부된 청구범위의 범위 내에 있도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.

태양 전지판(100)이 유리하게 이용되는 예시적인 실시예는 적어도 부분적인 차광 가능성이 있는 임의의 설비를 포함한다. 예를 들면, 나무가 가까이 있는 건물의 옥상, 간헐적으로 구름이 덮이는 지역, 항공 교통에 근접한 지역 등이다. 또한, 본 명세서에 기재된 특징은, 태양 전지판(100)의 적어도 일부분이 항상 차광되는 방식으로 태양 전지판(100), 그 일부분, 또는 전체 설비가 가요성, 만곡형, 순응형 또는 다른 비평면형인 설비에 유리하다. 이러한 설비에 있어서, 태양 전지판은 바이패스 다이오드를 포함하지 않고서 소망의 전압을 출력할 수 있다.

이제 도 6 및 도 7을 참조하면, 다양한 예시적인 방법이 나타나 있고 설명되어 있다. 순차적으로 수행되는 일련의 동작인 것으로 방법이 설명되지만, 방법이 그러한 연속 순서에 의해 한정되지 않다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 일부 동작이 본 명세서에 개시된 것과 상이한 순서에 일어날 수도 있다. 또한, 하나의 동작이 다른 동작과 동시에 일어날 수도 있다. 더욱이, 일부 예시에 있어서, 반드시 모든 동작이 본 명세서에 개시된 방법을 실행하는데 필요하지 않을 수도 있다.

이제 도 6을 참조하면, 바이패스 다이오드가 없는 태양 전지판을 형성하는 것을 용이하게 하는 예시적인 방법(600)이 도시되어 있다. 이러한 방법(600)은 단계(602)에서 시작하고, 단계(604)에서, 복수의 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지가 수용된다. 예시적인 실시예에 있어서, 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지는 그 배면에 양극 및 음극 접점을 구비할 수 있다.

단계(606)에서, 복수의 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지가 전기 접속되어 태양광 서브모듈을 생성할 수 있으며, 태양광 서브모듈은 바이패스 다이오드가 없다. 전술한 바와 같이, 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지를 통해 이동하는 비교적 적은 전류량은, 임의의 개별 태양광 전지가 차광되어 역항복으로 작동중일 때에 이러한 전지가 손상을 입지 않는 것을 보장한다.

단계(608)에서, 복수의 태양광 서브모듈이 전기 접속되어 태양 전지판을 생성한다. 태양광 서브모듈이 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지로 이루어지기 때문에, 태양 전지판은 바이패스 다이오드가 없을 수 있다. 그러나, 예시적인 실시예에서는, 태양 전지판이 전력 관리 집적 회로를 포함할 수 있으며, 이러한 집적 회로는 태양 전지판 내의 태양광 서브모듈에 전기 접속되어, 각각의 태양광 서브모듈에 의해 출력되는 전압에 적어도 부분적으로 근거하여 전력을 출력할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 전력 관리 집적 회로는, 태양광 전지의 열이 전력 관리 집적 회로에 전기 접속되도록 그룹과 접속 관계로 배치될 수 있으며, 서브모듈의 출력은 집적 회로에 접속된 각각의 그룹에 의해 출력된 전압에 근거하고 있다. 상기 방법(600)은 단계(610)에서 종료한다.

이제 도 7을 참조하면, 바이패스 다이오드를 갖지 않는 태양 전지판을 생성하기 위한 다른 예시적인 방법(700)이 나타나 있다. 이러한 방법(700)은 단계(702)에서 시작하고, 단계(704)에서, 복수의 태양광 서브모듈이 수용된다.

단계(706)에서, 태양광 모듈이 전기 접속되어 태양 전지판을 생성하고, 태양광 서브모듈의 적어도 하나의 서브세트가 병렬로 전기 접속되고, 태양 전지판은 바이패스 다이오드가 없다. 상기 방법(700)은 단계(708)에서 종료한다.

몇 개의 예시가 설명을 목적으로 제공되었다는 것에 유의하자. 이들 예시는 첨부된 청구범위를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에 제공된 예시는 청구범위의 범위 내에 있으면서도 교체될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

Claims

태양광 서브모듈에 있어서,
서로 전기 접속된 복수의 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지를 포함하며, 상기 복수의 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지 내의 각 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지는 높이가 2㎝ 이하이고 폭이 2㎝ 이하인 사이즈를 가지며, 상기 태양광 서브모듈은 어떠한 바이패스 다이오드도 없는
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열 및 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열을 구비하는 제 1 그룹을 더 포함하며, 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열 내의 전지는 직렬로 전기 접속되고, 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열 내의 전지는 직렬로 전기 접속되고, 상기 제 1 열 및 제 2 열은 병렬로 전기 접속되는
태양광 서브모듈.
제 2 항에 있어서,
마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 3 열 및 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 4 열을 구비하는 제 2 그룹을 더 포함하며, 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 3 열 내의 전지는 직렬로 전기 접속되고, 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 4 열 내의 전지는 직렬로 전기 접속되고, 상기 제 3 열 및 제 4 열은 병렬로 전기 접속되고, 상기 제 1 그룹은 상기 제 2 그룹과 직렬로 전기 연결되는
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
500볼트 내지 2000볼트를 출력하는
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
제 1 그룹을 더 포함하며,
상기 제 1 그룹은,
마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열과,
마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열로서, 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열 내의 전지는 직렬로 전기 접속되고, 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열 내의 전지는 직렬로 전기 접속되는, 상기 제 2 열과,
상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열 및 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열에 전기 접속되는 전력 관리 집적 회로를 포함하며,
상기 전력 관리 집적 회로는, 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열 및 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열에 의해 출력된 전압에 적어도 부분적으로 근거하여 사전지정된 전력량을 출력하고, 또한 외부 작동 조건 또는 시스템 작동 명령에 근거하여 동적으로 조정가능한
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
길이가 30㎝ 미만이고 폭이 30㎝ 미만인
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
복수의 태양광 전지 중 적어도 하나의 태양광 전지는 상기 적어도 하나의 태양광 전지의 배면 상에 양극 및 음극 접점 모두를 갖는
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지는 InGaP 전지 또는 InGaAs 전지 중 적어도 하나를 포함하는
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지는 GaAs 전지를 포함하는
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지는 Ge 전지 및 Si 전지 중 적어도 하나를 포함하는
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
복수의 다중-접합 전지는 각각 복수의 태양광 전지를 포함하는
태양광 서브모듈.
제 1 항에 있어서,
태양 전지판에 포함되는
태양광 서브모듈.
제 12 항에 있어서,
상기 태양 전지판은 어떠한 바이패스 다이오드도 없는
태양광 서브모듈.
제 13 항에 있어서,
상기 태양 전지판은 비평면형인
태양광 서브모듈.
태양 전지판에 있어서,
제 1 복수의 태양광 전지를 구비하는 제 1 태양광 서브모듈과,
제 2 복수의 태양광 전지를 구비하는 제 2 태양광 서브모듈을 포함하며,
상기 제 1 태양광 서브모듈 및 제 2 태양광 서브모듈은 병렬로 전기 접속되고, 상기 태양 전지판은 어떠한 바이패스 다이오드도 없는
태양 전지판.
제 15 항에 있어서,
200볼트 내지 600볼트를 출력하도록 구성되는
태양 전지판.
제 15 항에 있어서,
상기 제 1 태양광 서브모듈은 길이가 30㎝ 미만이고 높이가 30㎝ 미만인
태양 전지판.
제 15 항에 있어서,
상기 제 1 태양광 서브모듈은 태양광 전지의 제 1 그룹을 포함하며,
상기 태양광 전지의 제 1 그룹은,
마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열, 및
마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열을 포함하며,
상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열 내의 전지는 직렬로 전기 접속되고, 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열 내의 전지는 직렬로 전기 접속되고, 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열 및 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열은 병렬로 전기 접속되는
태양 전지판.
제 18 항에 있어서,
복수의 다중-접합 태양광 전지는 상기 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 1 열 및 마이크로시스템-이용가능 태양광 전지의 제 2 열을 포함하는
태양 전지판.
태양 전지판에 있어서,
복수의 태양광 서브모듈을 포함하며, 상기 복수의 태양광 서브 모듈은 서로 병렬로 전기 접속되고, 각 태양광 서브모듈은 서로 직렬로 전기 접속된 복수의 Ⅲ-Ⅴ 태양광 전지 또는 서로 직렬로 전기 접속된 복수의 실리콘 전지 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 태양 전지판은 어떠한 바이패스 다이오드도 없는
태양 전지판.