KR20170124945A - 고장 안전 차단 정션 박스 및 태양광 발전 시스템 - Google Patents

고장 안전 차단 정션 박스 및 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스(fail-safe disconnect junction box) 및 태양광 발전 시스템을 개시하는데, 상기 정션 박스는 박스 본체를 포함하고, 상기 박스 본체는 인쇄 회로 기판을 가지고, 상기 인쇄 회로 기판은 N개의 버스바 연결단과 2개의 케이블 연결단으로 인쇄되고, 각각의 버스바 연결단은 버스바를 통해 태양 전지팩 스트랜드(solar battery pack strand)와 연결되고, 2개의 인접한 버스바 연결단은 다이오드를 통해 추가로 연결되고; 전자 스위치가 제1 버스바 연결단과 제1 케이블 연결단 사이에 직렬로 연결되고, 상기 전자 스위치는 수신된 제어 신호에 의해 턴온 또는 오프 되도록 제어되고; N번째 버스바 연결단은 제2 케이블 연결단과 연결되며; 2개의 케이블 연결단이 각각 케이블을 통해 외부에 연결된다. 상기 태양광 발전 시스템은 제어 신호를 통해 정션 박스를 제어한다. 본 발명에 따르면, 태양광 발전 시스템의 전압은 사고가 발생할 때 수동 또는 자동으로 안전 범위 내로 감소될 것이고, 따라서 적시에 현장 처리(site disposal)의 수행을 용이하게 한다.

Description

고장 안전 차단 정션 박스 및 태양광 발전 시스템{FAIL-SAFE DISCONNECT JUNCTION BOX AND SOLAR POWER SYSTEM}
본 발명은 태양광 발전(solar photovoltaic power generation)의 기술분야에 관한 것으로서, 특히 태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스(fail-safe disconnect junction box), 및 그 정션 박스를 사용한 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
최근에, 태양광 발전은 급속히 성장되고 있다. 그 기본 구조는 브라켓(bracket) 상에 장착된 태양 전지팩 스트랜드(solar battery pack strands) 및 전지팩 스트랜드를 연결하는 정션 박스를 포함한다. 이들 중, 정션 박스는 태양광 발전 모듈의 전기적 연결을 위해 매우 중요한 부속품이다. 태양 전지팩 스트랜드에 의해 생성된 전압은 정션 박스를 통해 축적되고, 다음에 직류가 인버터를 통해 교류로 변환되며, 전력망(power grid)에 통합된다. 종래 기술에서, 정션 박스의 구조는 일반적으로 박스 본체(box body)를 포함하고, 박스 본체는 버스바(bus bars)를 통해 태양 전지팩 스트랜드와 각각 연결되는 복수의 도전성 피스(conducting pieces)를 가지고; 다이오드가 2개의 인접한 도전성 피스 사이에 연결되며; 양단에 있는 도전성 피스가 각각 케이블을 통해 외부에 연결된다. 복수의 정션 박스는 직렬로 연결되어 태양 전지팩 스트랜드에 의해 생성된 전압을 축적한다. 기존의 정션 박스는 온-오프 기능을 가지지 않고, 다시 말해서 물리적 연결이 결선되어 있고 전압이 매우 높은 한, 전기적 연결이 또한 항상 존재하고; 공통 설계 방식에서, 단일 전지팩 스트랜드에 의해 생성된 전압은 30V이며, 14 그룹의 직렬 연결후에 전압은 420V까지 도달할 수 있다. 이런 점에서, 화재 및 지진과 같은 사고가 발전 시스템에서 발생하면, 시스템이 여전히 높은 전압을 가지고 있기 때문에, 구조 작업자가 적시에 구조작업에 들어갈 수 없을 것이다.
본 발명의 목적은 적시에 전원을 차단할 수 있는 태양광 발전 모듈용 정션 박스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 적시에 직류 측에서의 전압을 강하시킬 수 있도록 상기 정션 박스를 사용한 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
제1 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서 채용된 기술적 해결책은 다음과 같다:
태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스(fail-safe disconnect junction box)는 박스 본체를 포함하고, 상기 박스 본체는 인쇄 회로 기판을 가지고, 상기 인쇄 회로 기판은 N개의 버스바 연결단(bus bar connecting ends)과 2개의 케이블 연결단으로 인쇄되고, 각각의 버스바 연결단은 버스바를 통해 태양 전지팩 스트랜드(solar battery pack strand)와 연결되고, 2개의 인접한 버스바 연결단은 다이오드를 통해 추가로 연결되고; 전자 스위치가 제1 버스바 연결단과 제1 케이블 연결단 사이에 직렬로 연결되고, 상기 전자 스위치는 수신된 제어 신호에 의해 턴온(turn on) 또는 오프(off) 되도록 제어되고; N번째 버스바 연결단은 제2 케이블 연결단과 연결되며; 2개의 케이블 연결단이 각각 케이블을 통해 외부에 연결된다.
상기 전자 스위치의 로직은 하기와 같이:
신호가 제공되지 않으면 스위치는 차단되는(cut off) 반면, 신호가 제공되면 스위치는 턴온된다.
또한, 바이패스 다이오드가 2개의 케이블 연결단 사이에 브릿지 연결된다.
버스바 연결단, 다이오드, 케이블 연결단, 바이패스 다이오드 및 전자 스위치는 함께 정션 박스의 메인 회로를 구성하고, 샘플링 증폭 회로가 버스바 연결단과 대응하는 케이블 연결단 사이에 추가로 연결되며, 상기 샘플링 증폭 회로의 출력단은 상기 전자 스위치와 연결된다.
버스바 연결단, 다이오드, 케이블 연결단, 바이패스 다이오드 및 전자 스위치는 함께 정션 박스의 메인 회로를 구성하고, 샘플링 증폭 회로가 2개의 케이블 연결단 사이에 추가로 브릿지 연결되며, 상기 샘플링 증폭 회로의 출력단은 상기 전자 스위치와 연결된다.
음극 버스바 연결단은 제1 버스바 연결단이며, 음극 케이블 연결단은 제1 케이블 연결단이다.
제2 발명의 목적을 달성하기 위하여, 채용된 기술적 해결책은 다음과 같다:
태양광 발전 시스템은 직렬의 정션 박스를 통해 그룹으로서 연결되는 복수의 태양 전지팩 스트랜드(solar battery pack strand)를 포함하고, 생성된 전압의 축적 후에 직류가 인버터를 통해 교류로 변환되고, 정션 박스의 적어도 일부는 위에서 언급된 고장 안전 차단 정션 박스이고; 상기 태양광 발전 시스템은 제어 신호 생성기를 가지며, 상기 고장 안전 차단 정션 박스 내의 전자 스위치는 제어 신호에 의해 턴온(turn on) 또는 오프(off) 되도록 제어된다.
또한, 제어 신호 생성기는 직렬 또는 병렬로 폐회로(loop)에 연결될 수 있으며, 생성된 제어 신호가 케이블을 통해 많은 정션 박스로 전송되거나; 제어 신호 생성기가 많은 정션 박스로 전송할 무선 신호를 생성한다.
고장 안전 차단 정션 박스에 대한 설명으로부터, 제1 버스바 연결단과 제1 케이블 연결단은 대응 관계를 가지고 그룹을 형성하며; N번째 버스바 연결단과 제2 케이블 연결단은 대응 관계를 가지고 그룹을 형성한다는 것이 관찰될 수 있다. 일반적으로, 그 그룹들은 각각 인쇄 회로 기판의 양 측면에 양극 또는 음극으로서 위치된다. 샘플링 증폭 회로가 메인 회로에 직렬로 연결될 때, 2가지 모드가 있을 수 있는데, 그 중 하나는 하나의 전자 스위치가 제1 버스바 연결단과 제1 케이블 연결단 사이에 직렬로 연결되며, 샘플링 증폭 회로가 N번째 버스바 연결단과 제2 케이블 연결단 사이에 연결되는 것이고; 그 중 다른 하나는 하나의 전자 스위치와 샘플링 증폭 회로가 제1 버스바 연결단과 제1 케이블 연결단 사이에 직렬로 연결되며, N번째 버스바 연결단과 제2 케이블 연결단이 직접 연결되는 것이다.
샘플링 증폭 회로의 기능은 제어 신호를 샘플링하는 것이다. 제어 신호는 폐회로내의 반송파 신호 또는 무선 신호 중 하나일 수 있으며, 다음에 증폭되어 전자 스위치로 전송된다.
전자 스위치는 선택을 위한 2개의 로직, 즉 연결(connect) 또는 분리(disconnect)로서의 기본값(defaulting)을 가진다. 연결을 기본값으로 설정하면, 신호가 제공되지 않을 때 스위치는 턴온되고 신호가 제공될 때 스위치는 차단되며, 분리를 기본값으로 설정하면, 신호가 제공되지 않을 때 스위치는 차단되고 신호가 제공될 때 스위치는 턴온된다. 본 발명에 있어서, 분리를 기본값으로 설정하는 해결책이 바람직하다. 이것은 사고가 발생할 때 제어 신호가 사고로 인해 자동으로 소실(loss)될 수 있으며, 정션 박스가 자동으로 차단될 것이기 때문이다. 이런 방식으로, 본 발명의 목적인 "비상 상태에서의 적시의 차단"을 달성하는데 더 유익하다.
본 발명에서의 전자 스위치는 추가적인 전원 회로를 필요로 한다. 전자 스위치는 음극 버스바 연결단과 케이블 연결단 사이에 배치되어, 정션 박스와 접지 연결을 공유할 수 있으며, 상대적으로 양극에 배치되어 설계를 최적화하고 비용을 절감한다. 케이블 연결단 사이의 바이패스 다이오드는 중요한 기능을 갖고 있다. 초기 상태에서, 전자 스위치의 기본 상태(default state)가 차단됨에 따라 많은 정션 박스 사이에 폐회로가 형성되지 않으므로, 제어 신호는 전체 시스템을 시작하기 위해 많은 정션 박스에 도달할 수 없다. 따라서, 바이패스 다이오드의 설정은 시스템이 초기 상태에서 성공적으로 시작할 수 있도록 한다. 어떤 정션 박스 또는 거기에 연결된 전지팩 스트랜드가 고장날 경우, 다른 정션 박스가 직렬로 연결되고 전지팩 스트랜드가 정상적으로 작동할 수 있도록, 또한 바이패스 다이오드는 통신을 위해 폐회로를 형성하는데 필요하다.
본 발명의 태양광 발전 시스템은 제어 신호를 통해 정션 박스를 제어한다. 하나의 제어 신호가 복수의 정션 박스를 동시에 제어하기 때문에, 신호가 반전될 때 복수의 정션 박스가 차단되어 태양 전지팩 스트랜드를 차단한다. 각각의 정션 박스가 전자 스위치를 가진다면, 태양광 발전 시스템의 전압은 스위치가 차단된 후 단일 전지팩 스트랜드에 의해 생성된 전압이 되고, 그 전압은 이전의 일례에 따라 약 30V이며; 매 2개의 정션 박스 중 하나가 전자 스위치를 가진다면, 태양광 발전 시스템의 전압은 스위치가 차단된 후 2개의 전지팩 스트랜드에 의해 생성된 전압이 되며, 그 전압은 이전의 일례 등에 따라 약 60V이다.
전자 스위치는 유선 또는 무선 모드에서의 제어 신호에 의해 제어될 수 있다. 무선 모드는 WIFI, 무선 주파수(radio frequency), 블루투스(Bluetooth), 기타 다양한 선택 모드를 포함한다. 유선 모드는 기존의 케이블을 사용하여 반송파 신호의 형태로 전송할 수 있다. 제어 신호 생성기는 직렬 또는 병렬로 정션 박스와 연결될 수 있다.
전술한 설명으로부터, 태양광 발전 시스템의 전압은 본 발명의 기술적 해결책에 따라 사고가 발생할 때 수동 또는 자동으로 안전 범위 내로 감소될 것이고, 따라서 적시에 현장 처리(site disposal)의 수행을 용이하게 한다.
이하 본 발명이 도면 및 본 발명의 예시적인 실시예를 참조하여 더욱 상세히 기술된다.
도 1은 발전 시스템의 시스템 블록 다이어그램이고;
도 2는 정션 박스의 회로 다이어그램이고;
도 3은 정션 박스의 주요 회로 다이어그램(A1)이고;
도 4는 정션 박스의 샘플링 증폭 회로 다이어그램(A2)이고;
도 5는 정션 박스의 구동 출력 회로(A3)이고;
도 6은 정션 박스의 전원 회로(A4)이고;
도 7은 발전 시스템의 회로 다이어그램이고;
도 8은 제어 신호 생성기의 시뮬레이션 회로 다이어그램이며;
도 9는 정션 박스의 PCB 다이어그램이다.
여기에서, 도 2에서의 D1, D2, D3, D4, D5 및 D6는 연결단들이고, 동일 부호의 2개의 단이 연결되고;
도 3 내지 도 7에서의 S1, S2, S3, S4 및 S5는 연결단들이고, 동일 부호의 2개의 단이 연결되고;
도 8에서의 P1, P2, P3, P4, P5 및 P6는 연결단들이고, 동일 부호의 2개의 단이 연결된다.
도면을 참조하면, 본 실시예에서 기술된 고장 안전 차단 정션 박스(fail-safe disconnect junction box)는 박스 본체(box body)를 포함하고, 상기 박스 본체는 인쇄 회로 기판을 가지고, 상기 인쇄 회로 기판은 N개의 버스바 연결단(bus bar connecting ends)(1)와 케이블 연결단으로 인쇄되고, 케이블 연결단은 음극 케이블 연결단(31)과 양극 케이블 연결단(32)으로 분할되고; 각각의 버스바 연결단(1)은 버스바를 통해 태양 전지팩 스트랜드(solar battery pack strand)와 연결되고, 2개의 인접한 버스바 연결단(1)은 다이오드(2)를 통해 추가로 연결되고; 전자 스위치(4)가 제1 버스바 연결단과 음극 케이블 연결단(31) 사이에 직렬로 연결되고, 상기 전자 스위치(4)는 수신된 제어 신호에 의해 턴온(turn on) 또는 오프(off) 되도록 제어되고; N번째 버스바 연결단은 양극 케이블 연결단(32)과 연결되며; 2개의 케이블 연결단이 각각 케이블을 통해 외부에 연결된다. 바이패스 다이오드(5)가 2개의 케이블 연결단 사이에 브릿지 연결된다(bridged). 버스바 연결단(1), 다이오드(2), 케이블 연결단(3), 바이패스 다이오드(5) 및 전자 스위치(4)는 함께 정션 박스의 메인 회로를 구성하고, 또한 샘플링 증폭 회로가 버스바 연결단과 대응하는 케이블 연결단 사이의 파트 S1 및 파트 S2에서 추가로 직렬 또는 브릿지 연결되며, 샘플링 증폭 회로의 출력단은 전자 스위치(4)와 연결된다.
본 실시예에서 개시된 태양광 발전 시스템은, 정션 박스를 통해 그룹으로서 직렬로 연결되는 복수의 태양 전지팩 스트랜드(solar battery pack strand)를 포함하고, 생성된 전압의 축적 후에 직류가 인버터를 통해 교류로 변환되고, 정션 박스의 적어도 일부는 고장 안전 차단 정션 박스이고; 상기 태양광 발전 시스템은 제어 신호 생성기를 가지며, 상기 고장 안전 차단 정션 박스 내의 전자 스위치는 제어 신호에 의해 턴온(turn on) 또는 오프(off) 되도록 제어된다. 제어 신호 생성기는 직렬 또는 병렬로 폐회로(loop)에 연결되며, 생성된 제어 신호는 유선 방식, 즉 케이블로 많은 정션 박스로 전송될 수 있거나, 무선 신호는 무선 방식, 즉 WIFI, 무선 주파수, 블루투스(Bluetooth) 등으로 생성되어 다수의 고장 안전 차단 정션 박스로 전송될 수 있다.
본 실시예가 적용될 때, 고장 안전 차단 정션 박스는 제어 신호 생성기로부터 전송된 제어 신호에 의해 제어된다. 초기 단계에서, 여러 그룹의 전지 피스(battery pieces)가 정션 박스에 정상적으로 전원을 공급하고; 특별한 상황이 발생할 때, 제어 신호 생성기는 반전 신호를 전송하고, 정션 박스 내부의 전자 스위치가 차단되고; 하나의 제어 신호가 동시에 복수의 고장 안전 차단 정션 박스를 제어하기 때문에, 복수의 정션 박스 내부의 전자 스위치가 차단되어, 태양 전지 피스를 차단시킨다. 이런 방식으로, 태양광 발전 시스템의 전압은 단일 그룹의 배터리 피스에 의해 생성된 전압이 된다. 태양광 발전 시스템의 전압은 안전 범위내로 될 것이고, 따라서 적시에 현장 처리(site disposal)의 수행을 용이하게 한다.
1 : 버스바 연결단 2 : 다이오드
31 : 음극 케이블 연결단 32 : 양극 케이블 연결단
4 : 전자 스위치 5 : 바이패스 다이오드
U : 연산 증폭기 C : 캐패시터
R : 저항기 D : 다이오드
Q2 : 3극관 VR : 전위차계
Trans : 철심(iron-core) 변압기

Claims (9)

  1. 박스 본체를 포함하는 태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스(fail-safe disconnect junction box)에 있어서,
    상기 박스 본체는 인쇄 회로 기판을 가지고, 상기 인쇄 회로 기판은 N개의 버스바 연결단(bus bar connecting ends)과 2개의 케이블 연결단으로 인쇄되고, 각각의 버스바 연결단은 버스바를 통해 태양 전지팩 스트랜드(solar battery pack strand)와 연결되고, 2개의 인접한 버스바 연결단은 다이오드를 통해 추가로 연결되고;
    전자 스위치가 제1 버스바 연결단과 제1 케이블 연결단 사이에 직렬로 연결되고, 상기 전자 스위치는 수신된 제어 신호에 의해 턴온(turn on) 또는 오프(off) 되도록 제어되고; N번째 버스바 연결단은 제2 케이블 연결단과 연결되며; 2개의 케이블 연결단이 각각 케이블을 통해 외부에 연결되는, 태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자 스위치의 로직은 하기와 같이:
    신호가 제공되지 않으면 스위치는 차단되는(cut off) 반면, 신호가 제공되면 스위치는 턴온되는, 태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스.
  3. 제2항에 있어서,
    바이패스 다이오드가 2개의 케이블 연결단 사이에 브릿지 연결되는(bridged), 태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스.
  4. 제3항에 있어서,
    버스바 연결단, 다이오드, 케이블 연결단, 바이패스 다이오드 및 전자 스위치는 함께 정션 박스의 메인 회로를 구성하고, 샘플링 증폭 회로가 버스바 연결단과 대응하는 케이블 연결단 사이에 추가로 연결되며, 상기 샘플링 증폭 회로의 출력단은 상기 전자 스위치와 연결되는, 태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스.
  5. 제3항에 있어서,
    버스바 연결단, 다이오드, 케이블 연결단, 바이패스 다이오드 및 전자 스위치는 함께 정션 박스의 메인 회로를 구성하고, 샘플링 증폭 회로가 2개의 케이블 연결단 사이에 추가로 브릿지 연결되며, 상기 샘플링 증폭 회로의 출력단은 상기 전자 스위치와 연결되는, 태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    음극 버스바 연결단은 제1 버스바 연결단이며, 음극 케이블 연결단은 제1 케이블 연결단인, 태양광 발전 모듈용 고장 안전 차단 정션 박스.
  7. 직렬의 정션 박스를 통해 그룹으로서 연결되는 복수의 태양 전지팩 스트랜드(solar battery pack strand)를 포함하고, 생성된 전압의 축적 후에 직류가 인버터를 통해 교류로 변환되는 태양광 발전 시스템에 있어서,
    상기 정션 박스의 적어도 일부는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 고장 안전 차단 정션 박스이고;
    상기 태양광 발전 시스템은 제어 신호 생성기를 가지며, 상기 고장 안전 차단 정션 박스 내의 전자 스위치는 제어 신호에 의해 턴온(turn on) 또는 오프(off) 되도록 제어되는, 태양광 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 신호 생성기는 직렬 또는 병렬로 폐회로(loop)에 연결되며, 생성된 제어 신호는 케이블을 통해 많은 정션 박스로 전송되는, 태양광 발전 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어 신호 생성기는 많은 정션 박스에 전송할 무선 신호를 생성하는, 태양광 발전 시스템.
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