KR101234616B1 - 저전력 센서네트워크 기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 어레이의 성능을 모니터링하고, 태양광 어레이의 고장을 검출할 수 있는 모니터링 시스템을 제공하고, 특히 원격에서도 모니터링이 가능하도록 저전력 센서네트워크 기반의 모니터링 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템은, 태양광으로부터 전기적 에너지를 생산하는 복수의 태양광 모듈을 포함하는 태양광 어레이; 상기 복수의 태양광 모듈로부터 출력 전압 또는 전류를 감지하여 센싱 정보를 생성하는 태양광 모듈 측정 장치; 상기 태양광 모듈 측정 장치로부터 센싱 정보를 수집하는 중계 노드; 및 상기 센싱 정보에 기반하여 상기 태양광 어레이를 모니터링하는 모니터링 서버를 포함한다.

Description

저전력 센서네트워크 기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템 및 방법{PHOTO VOLTAIC ARRAY MONITORING SYSTEM AND METHOD BASED ON SENSOR NETWORK}

본 발명은 저전력 센서네트워크 기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템 및 방법으로서, 상세하게는 태양광 어레이를 구성하는 태양광 모듈의 출력값과 태양광 어레이 주변 환경에 대한 일사량과 온도값을 측정하는 센서를 구비하고, 센서에서 측정된 정보를 가공하여 저전력 센서네트워크를 통해 상위 시스템에서 태양광 어레이의 동작을 모니터링 할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

태양광은 화석연료 사용에 따라 발생하는 문제점을 해결하기 위한 신재생에너지의 일환으로 세계 각국에서는 태양광을 이용한 태양광 발전 시스템을 구축하여, 무한정한 에너지와 무공해인 태양광을 이용하여 지구 환경 문제와 미래 에너지원의 다각화 대책으로 활용하기 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

특히, 우리나라는 자원이 부족하여 신재생에너지의 보급이 절대적으로 필요하며, 더불어 환경오염을 방지하기 위한 목적으로 태양광 발전 시스템을 적극적으로 도입할 필요가 있다.

그런데 태양광 발전 시설의 경우 주요 구성품인 태양광 모듈은 각각 생산업체에서 사내 시험을 거쳐 성능인정 기관에서 성능인증을 통하여 보급되므로 제품의 신뢰성이 보장되나, 개별적인 태양광 모듈로 구성된 태양광 어레이에 대해서는 적절한 모니터링 방법이 없어 태양광 어레이의 현장시공 상태, 태양광 모듈의 결함 등으로 인하여 발전효율이 크게 저하될 수 있다는 갖게 된다.

즉, 태양광 발전 설비의 보급현황에 비해 태양광 발전 설비의 성능을 측정하고 이상유무를 판단하는 진단 시스템은 낙후되어 있는 실정으로, 태양광 어레이의 성능을 점검할 수 있는 기술의 개발이 시급한 실정이다.

또한, 태양광 어레이는 태양광이 직접 입사될 수 있는 곳에 설치되어야 한다는 제약이 따르게 되어, 원거리에 태양광 발전 시스템이 입지한 경우 태양광 어레이를 점검하기 위해서는 작업자의 수고와 노력이 동반된다는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 태양광 어레이의 성능을 모니터링하고, 태양광 어레이의 고장을 검출할 수 있는 모니터링 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한 원격에서도 모니터링 가능한 시스템을 제공하고, 특히 저전력 센서네트워크를 기반의 저전력의 원격 모니터링 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명에 따른 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템은, 태양광으로부터 전기적 에너지를 생산하는 복수의 태양광 모듈을 포함하는 태양광 어레이; 상기 복수의 태양광 모듈로부터 출력 전압 또는 전류를 감지하여 센싱 정보를 생성하는 태양광 모듈 측정 장치; 상기 태양광 모듈 측정 장치로부터 센싱 정보를 수집하는 중계 노드; 및 상기 센싱 정보에 기반하여 상기 태양광 어레이를 모니터링하는 모니터링 서버를 포함한다.

본 발명에 따른 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 방법은, 태양광 어레이를 구성하는 태양광 모듈로부터 출력 전압 또는 전류를 감지하여 센싱 정보를 생성하는 센싱 정보 생성 단계(S1); 중계 노드에서 상기 센싱 정보를 수집하는 단계(S2); 및 모니터링 서버가 상기 중계 노드로부터 센싱 정보를 수신하고, 상기 태양광 어레이의 작동 상태를 모니터링하는 모니터링 단계(S3)를 포함한다.

본 발명은 태양광 어레이의 성능을 모니터링하고, 태양광 어레이의 고장을 검출할 수 있는 모니터링 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한 원격에서도 모니터링 가능한 시스템을 제공함으로써, 인력 및 시간 소모의 문제점 없이도 태양광 어레이를 모니터링 할 수 있는 시스템을 구축할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템,
도 2는 본 발명의 실시양상에 따른 태양광 어레이의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시양상에 따른 태양광 모듈 센싱 장치의 블록도,
도 4는 태양광 어레이를 그룹화하여 태양광 모듈 측정 장치를 연결하는 예시도,
도 5는 태양광 어레이 모니터링 시스템의 네트워크 구성의 예시도, 및
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 방법의 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템이다.

도 1을 참조하면 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템은, 태양광 어레이(10), 태양광 모듈 센싱 장치(200), 중계 노드(300) 및 모니터링 서버를 포함한다.

태양광 어레이(10)는 본 발명에서의 주요 측정대상으로서, 태양광 어레이(10)는 복수의 태양광 모듈(100)을 직/병렬로 연결함으로서 구성된다. 각각의 태양광 모듈(100)은 단위 태양광 셀들의 집합으로, 광전 변환에 의해 전기적 에너지를 생산한다.

태양광 어레이(10)에서 생성된 전력은 배터리(14)를 충전하는데 사용하거나, 인버터(16)를 통해 전력계통으로 공급될 수 있다. 도 2는 태양광 발전 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도로서, 배터리(14)는 주간이나 일조량이 양호할 때 태양광 어레이(10)의 전기적인 에너지를 충전하고 있다가 야간이나 흐린 날 충전된 에너지를 제공하고, 인버터(16)는 태양발전시스템의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 교류 전원을 필요로 하는 부하들에 전력을 공급한다. 파워 컨트롤러(12)는 태양광 발전시스템의 전체적인 전력공급방식을 제어하고 태양광어레이의 전기로 배터리(14)를 충전하는 충전제어기능 등을 처리한다.

태양광 모듈 센싱 장치(200)는, 태양광 모듈(100) 개개의 전압전류 출력 상태와 태양광 어레이(10)의 주변 환경에 대한 센싱 정보를 생성하고, 생성된 센싱 정보를 상위 시스템으로 전송하는 센서 네트워크 상의 소형 무선 송수신 장치이다.

도 3은 본 발명의 실시양상에 따른 태양광 모듈 센싱 장치의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 태양광 모듈 센싱 장치(200)는 센서부(210), A/D 컨버터(220), 중앙처리부(230) 및 통신모듈(240)을 포함한다.

센서부(210)는 태양광 어레이(10)의 충전 상태를 감지하고, 현장에 설치된 태양광 어레이(10) 근처에 설치되어 태양광 어레이(10)의 주변 환경을 감지하여 센싱 정보를 생성하는 기능부이다. 센서부(210)는 다수의 센서로 구성되어, 태양광 어레이(10)의 상태와 태양광 어레이(10) 주변 환경에 대한 감지 정보를 생성한다.

센서부(210)는 태양광 어레이(10)의 출력 전압을 감지하는 전압검출센서(212) 또는 출력 전류를 감지하는 전류검출센서(214)를 포함한다. 감지된 전압검출값과 전류검출값은 태양광 어레이(10)의 각 모듈이 정상적으로 동작하고 있는지 비교할 수 있는 지표로 사용된다.

또한 센서부(210)는 측정 현장에 설치된 태양광 어레이(10) 근처에 설치되어 태양광의 일사량을 감지하는 일사량센서(216)와, 태양광 어레이 모듈 온도와 현장의 대기 온도를 감지하는 2개의 온도센서(218)를 더 포함할 수 있다. 이때, 센서부(210)의 각 센서들은 태양광 모듈(100)의 출력전압과 출력전류를 감지하고, 태양광 어레이(10) 주변의 환경을 감지할 수 있도록 적재적소에 설치되어야 하며, 설치위치에 구애받지 않도록 태양광 모듈 센싱 장치(200)의 함체 외부에 설치된 후, 연결 케이블을 통해 함체 내부의 A/D 컨버터(220)와 연결되는 형태일 수 있다.

센서부(210)를 통해 생성된 센싱정보는 멀티플렉서를 통해, 차례로 A/D 컨버터(220)로 입력되고, A/D 컨버터(220)는 센서부(210)와 연결되어 센서부(210)가 감지한 아날로그 데이터를 통신 환경에 적합한 디지털 데이터로 변환한다.

중앙처리부(230)는 A/D 컨버터(220)로부터 입력된 디지털 신호를 통신에 적합한 신호로 가공한다.

통신모듈(240)은 중계 노드(300)의 요청에 따라 디지털변환된 센싱 정보를 중계 노드(300)로 전송하는 역할을 수행한다. 통신모듈(240)과 중계 노드(300)간의 데이터 통신 방법은 센서 네트워크에서 지원하는 일반적인 통신 방식인 저전력의 지그비(Zigbee) 프로토콜을 적용한 무선 네트워크를 이용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.

태양광 모듈 센싱 장치(200)에 있어서, 전압검출센서(212) 또는 전류검출센서(214)는 태양광 어레이(10)를 구성하는 각각의 태양광 모듈(100)에 부착될 수 있다. 태양광 모듈(100)에 개별적으로 부착됨으로서, 태양광 모듈(100) 각각이 정상적인 출력을 제공하는지 판단할 수 있다.

또는 태양광 어레이(10)를 구성하는 태양광 모듈(100)을 임의의 개수로 그룹화하고, 그룹별로 출력상태를 판단할 수 있는 전압검출센서(212) 또는 전류검출센서(214)를 부착하여 사용할 수도 있다.

예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 복수의 태양광 모듈(100)에 있어서, 직렬연결된 태양광모듈의 끝단에 전압검출센서(212)를 부착하여 개방 전압을 도출하거나, 직렬연결된 태양광모듈의 단락 전류를 측정함으로써, 그룹화된 태양광 모듈(100)의 출력값이 정상인지 확인할 수 있다.

이때, 태양광 모듈(100)을 그룹화하는 경우 각 그룹은 동일한 개수의 태양광 모듈(100)을 가지고 동일한 전기적 연결상태를 갖는 것이 바람직하다. 이는 태양광 모듈(100) 중 어느 하나가 비정상 동작하여, 타그룹에 비해 작은 출력값이 발생되는 그룹을 선별하여 태양광 어레이(10)의 이상유무를 손쉽게 검출하기 위함이다.

태양광 모듈(100)을 그룹화하는 경우, 고장이 발생한 태양광 모듈(100)을 정확히 확인할 수 없지만, 센서류를 적게 사용하여 모니터링 시스템을 구축할 수 있다는 경제적 이점이 있다.

중계 노드(300)는 다수의 태양광 모듈 센싱 장치(200)와 연결되어, 센싱 정보를 수집하고, 수집된 센싱정보를 모니터링 서버로 전송한다. 중계 노드(300)는 태양광 모듈 센싱 장치(200)와 모니터링 서버간 통신 중계장치로서 역할을 수행한다.

모니터링 서버(400)는 중계 노드(300)로부터 센싱 정보를 수집하여, 태양광 어레이(10)의 작동 상태를 모니터링 한다. 모니터링 서버(400)는 태양광 어레이(10)를 통해 전력계통으로 출력되는 전력량 또는 배터리(14)로 충전되는 전력량, 태양광 어레이(10)의 표면 온도에 관한 사항을 원격에서 모니터링 할 수 있다.

모니터링 서버(400)와 중계 노드(300)는 유선 또는 무선 네트워크를 통하여 연결될 수 있으며, TCP/IP 프로토콜을 지원하는 이더넷 기반의 LAN 또는 WLAN 을 사용하는 것이 바람직하다.

나아가, 모니터링 서버(400)는 전압 검출값, 전류 검출값, 일사량 및 온도 측정값 등의 센싱 정보를 기반으로 태양광 모듈(100)의 고장 여부를 진단할 수 있다.

예컨대, 타 태양광 모듈(100)보다 작은 전압 출력값이나 전류 출력값을 갖는 태양광 모듈(100)이 있는지를 검토함으로써, 태양광 모듈(100)의 고장 여부를 판단하거나, 일사량 및 온도를 기준으로 예상되는 전압 또는 전류 출력값보다 낮은 출력을 갖는 태양광 모듈(100)을 확인하여 고장여부를 판단하는 것이다.

이때, 모니터링 서버(400)는 일사량과 주변 온도에 따른 태양광 모듈(100)의 예상되는 출력값을 룩업테이블(LUT : Look Up Table)로 작성하여 메모리에 저장한 뒤, 측정된 일사량과 온도값에 대응하는 전압 또는 전류 출력값이 태양광모듈로부터 출력되는지를 확인하여 태양광 모듈(100)의 이상여부를 판단할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 태양광 모듈 센싱 장치(200)의 중앙처리부(230)는 태양광 모듈(100)을 통해 입력되는 전압 또는 전류값을 비교하여 자체적으로 태양광 모듈(100)의 이상여부를 판단하고, 판단 결과를 중계 노드(300)로 전송할 수 있다.

태양광 어레이(10)에 있어서, 각각의 태양광 모듈(100)은 부분적으로 발생하는 그림자의 영향을 제외하고는 일사량과 온도에서 동일한 조건하에 놓이는 것이 일반적이므로, 개별적인 태양광 모듈(100)이 출력하는 전압 또는 전류값은 유사한 수준에서 이루어 지게 된다. 따라서, 측정된 전압 또는 전류값을 비교기(도면 미도시)와 연결하고, 미리 지정된 범위보다 큰 오차가 발생하는 경우에 오류 신호가 발생하도록 설정하여, 태양광 모듈(100)에 이상이 발생하는 것을 감지할 수 있는 것이다.

감지된 오류 신호는 중계 노드(300)를 통해 모니터링 서버(400)로 전송되어, 모니터링 서버(400)에서는 오류가 발생했음을 손쉽게 파악할 수 있다.

도 5는 태양광 어레이 모니터링 시스템의 네트워크 구성의 예시도로, 전체 네트워크를 구성하기 위해, 별(Star)형 토폴로지와 나무(Tree)형 토폴로지를 병합하여 네트워크를 구성하게 된다.

모니터링 서버(400)와 중계 노드(300)는 별형 네트워크를 구축하여 다수의 중계 노드(300)에서 수집된 센싱 정보가 모니터링 서버로 전송되며, 태양광 모듈 센싱 장치(200)를 연결하여 트리형 네트워크 형태가 병합된 전체 네트워크를 구성한다.

이러한 네트워크에서 노드간 연결에 있어서 동기화 기법을 적용하여 저전력 네트워크를 구성할 수 있다. 상시 전원을 공급받는 중계 노드(300)는 미리 정해진 시간 간격에 따라 동기화 패킷을 전송한다. 평소 유휴상태인 태양광 모듈 센싱 장치(200)의 각 센서는 동기화 패킷을 수신하여 작동하게 된다. 이때, 태양광 모듈 센싱 장치(200)의 유휴시간은 모니터링 서버에 의해 조절될 수 있게 하고, 모니터링 서버를 통해 제어신호를 모든 중계 노드(300)에 전달할 수 있도록 한다. 태양광 모듈 센싱 장치(200)는 동기화 패킷을 수신하여 각 센서를 동작시켜 측정된 값을 전달하게 된다.

이때, 태양광 모듈 센싱 장치(200)에 사용되는 센서의 종류에 따라 측정값을 산출하는데 소요되는 시간이 다르므로, 모든 센서에 동기화 기법을 적용하기 위해서는 동기를 정확히 맞추는 것이 중요하다.

예컨대, 일사량과 온도를 측정하는 센서는 전압 또는 전류를 검출하는 센서보다 더 장시간 소요되므로, 센서의 특성에 따라 측정값을 산출하는데 소요되는 시간만큼 먼저 동작하여 측정을 한 뒤 동기화 패킷을 수신하도록 제어해야 할 것이다.

도 5에서는 네트워크 구성을 트리형과 별형의 토폴로지를 갖는것으로 설명하고 있지만, 이는 발명을 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 메쉬형, 풀 커넥티드형, 링형 등 다양한 형태의 네트워크 토폴로지에 적용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 방법의 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 태양광 어레이 모니터링 방법은 다음과 같은 흐름에 따라 이루어진다.

센싱 정보 생성 단계는(S601) 태양광 모듈 센싱 장치(200)가 태양광 어레이(10)를 구성하는 태양광 모듈(100)로부터 각 모듈의 표면 온도,출력 전압값 및 전류값 등을 감지하고, 태양광 모듈(100)이 동작하는 일사량, 대기 온도 등의 주변 환경 상황을 감지하여 센싱 정보를 생성하는 단계이다.

센싱 정보 수집 단계는(S602) 중계 노드(300)에서 다수의 태양광 모듈 센싱 장치(200)로부터 생성된 센싱 정보를 수집하는 단계이다. 센싱 정보는 미리 정해진 시간 간격에 따라 주기적으로 수집될 수 있으며, 모니터링 서버를 통해 수집 주기가 설정될 수 있다.

모니터링 단계는(S603) 모니터링 서버가 중계 노드(300)로부터 센싱 정보를 수신하여 태양광 어레이(10)의 작동 상태를 모니터링 하는 단계이다.

고장 판단 단계(S604)는 모니터링 서버가 전압 검출값, 전류 검출값, 일사량 및 온도 측정값 등의 센싱 정보를 기반으로 태양광 모듈(100)의 고장 여부를 진단하는 단계이다. 태양광 모듈(100) 사이의 전압 검출값 또는 전류 검출값을 비교하여 이상있는 태양광 모듈(100)을 선별하거나, 태양광 모듈(100)이 출력하는 전압 또는 전류값이 측정된 일사량 및 온도에 대응하는 태양광 모듈(100)의 정상 출력값보다 작은 경우에 태양광 모듈(100)이 고장이라고 판단할 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

10 : 태양광 어레이 12 : 파워 컨트롤러
14 : 배터리 16 : 인버터
100 : 태양광 모듈 200 : 태양광 모듈 측정 장치
210 : 센서부 220 : A/D 컨버터
230 : 중앙 처리부 240 : 통신모듈
300 : 중계 노드 400 : 모니터링 서버

Claims (9)

1. 태양광으로부터 전기적 에너지를 생산하는 복수의 태양광 모듈을 포함하는 태양광 어레이;
   상기 복수의 태양광 모듈로부터 출력 전압 또는 전류를 감지하여 센싱 정보를 생성하는 태양광 모듈 측정 장치;
   상기 태양광 모듈 측정 장치로부터 센싱 정보를 수집하는 중계 노드; 및
   상기 센싱 정보에 기반하여 상기 태양광 어레이를 모니터링하는 모니터링 서버를 포함하고,
   상기 태양광 모듈 측정 장치는,
   상기 태양광 모듈의 출력 전압을 측정하는 전압 검출 센서 또는 상기 태양광 모듈의 출력 전류를 측정하는 전류검출센서; 및
   태양광의 일사량을 측정하는 일사량 센서와 상기 태양광 어레이의 주변 온도를 측정하는 온도센서를 포함하고,
   상기 모니터링 서버는,
   상기 일사량 센서에서 측정된 일사량과 상기 온도센서에서 측정된 주변 온도에 대한 태양광 모듈의 정상적인 출력 전압값 또는 출력 전류값을 룩업테이블로 저장하고, 상기 룩업테이블에 기초하여 상기 태양광 모듈의 고장여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 모니터링 서버는,
   상기 태양광 모듈 사이의 출력 전압 또는 전류를 비교하여 상기 태양광 모듈의 고장여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템.
   
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 태양광 모듈 측정 장치는,
   상기 태양광 모듈 사이의 출력 전압 또는 전류를 비교할 수 있는 비교기를 더 포함하고, 상기 출력 전압 또는 전류의 비교값이 미리 설정된 값보다 큰 오차가 발생하는 경우 오류 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템.
   
7. 제 1 항에 있어서, 상기 중계 노드는,
   상기 태양광 모듈 측정장치로 동기화 패킷을 전송하고, 상기 태양광 모듈 측정장치는 상기 동기화 패킷을 수신하여 상기 센싱 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 저전력 센서네트워크기반의 태양광 어레이 모니터링 시스템.
   
8. 삭제
9. 삭제

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