KR101295529B1 - 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템 - Google Patents

태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 태양광 발전소의 고장상태를 원격으로 감시할 수 있는 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템에 관한 것으로, 직렬로 연결된 다수의 태양전지판을 적어도 2개 이상으로 소집단화한 태양전지판 소집단과, 상기 태양전지판 소집단의 전압과 전류를 측정하여 얻은 전력 게측값과, 각 태양전지판 소집단의 근접 장소에 설치된 일사량계의 계측값과, 각 태양전지판 소집단 끼리의 전력 계측값을 비교하여 불평형 상태를 판단하고, 또한, 해당 장소에서 계측된 일사량값과 태양전지판 소집단의 전력을 비교하여 태양전지판 소집단의 태양전지판 동작상태 및 열화를 판단하고 연산처리하는 마이크로 프로세서와, 마이크로프로세서의 판단 및 데이터를 원격지 사용자의 이동 단말기로 송신하는 통신수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 태양전지판을 소집단으로 구분하여 각 소집단 끼리의 순시전력과, 일사량을 측정함으로써 태양전지판마다 측정센서와 배선을 하지 않고서도 경제적으로 고장진단을 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 태양전지 소집단의 이상이 발생시 무선 이동통신수단으로 사용자나 관리자의 이동 단말기에 경보 메시지와 측정 데이터를 통보함으로써 원격지에서 특정 태양전지 소집단의 고장상태를 파악하고 조치를 하여 태양광 발전소를 최적의 상태로 유지할 수 있는 장점이 있다.

Description

태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템{REMOTE MONITORING SYSTEM FOR SOLAR CELL PROBLEM}
본 발명은 태양광 발전소에 다수 설치된 태양전지판의 고장진단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 발전소의 다수 태양전지판을 소집단(小集團)으로 구획하여 소집단의 동작상태를 감지할 수 있는 수단을 추가하여 해당 소집단의 고장상태를 원격으로 검출 감시할 수 있는 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈문제와 화석연료의 사용으로 인한 지구온난화 문제 등으로 대체에너지 개발 및 보급이 시급한 실정이어서 정부는 국내에서 소비하는 에너지 중 대체에너지의 비중을 점차 확대하는 정책을 추진하고 있다.
오늘날 대체 에너지 가운데 가장 친환경적이고 무한한 에너지원으로서 태양광으로부터 직접 전기에너지로 변환하는 태양광 발전시스템이 각광을 받고 있으며, 정부의 지원으로 보급이 급속히 확대되고 있다. 이러한, 태양광 발전시스템은 태양광을 받아 전기에너지를 변환하는 다수의 태양전지판 모듈을 단위로 구성되어 있으며, 다수의 태양전지판 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하여 필요로 하는 전력을 얻고 있다.
태양광 발전시스템은 일반적으로 전류용량을 크게 하기 위해서는 태양전지판 모듈을 병렬로 연결하고, 전압을 크게 하기 위해서는 직렬로 연결하여 사용한다.
그러나, 이와 같이 다수의 태양전지판 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용하기 때문에 구성하는 단위 태양전지판 모듈 중 하나가 이상이 발생하게 될 경우 해당 단위 태양전지판 모듈을 포함하는 태양전지판 집단 전체가 이상동작을 한다.
이에 따라, 태양광 발전에 사용되는 태양전지판 모듈은 동일한 전압, 전류 규격을 가지며 근접한 장소에 다수를 직·병렬로 연결하여 태양전지판 집단을 구성하여 발전된 전력을 인버터나 전력부하에 연결하여 사용하게 된다.
현재 태양광 발전시스템은 대부분이 산기슭이나 건물 옥상, 유휴지 등 설치된 장소가 사람이 접근하기 어려운 곳에 설치되어 무인으로 운용되고 있다. 따라서, 설치 이후에는 태양전지판 모듈을 효율적으로 관리하는 것이 매우 어려운 실정이기 때문에 각 태양전지판 모듈의 고장진단이나 동작이상 유무를 상태를 원격지에서 진단할 수 있는 수단이 요구되고 있다.
한국 등록특허 제10-1023445호와 제10-0918964호에는 태양광으로부터 전력을 발생시키는 다수의 태양전지 모듈의 동작상태를 감지하는 전압·전류의 센서감지부와, 각 태양전지모듈의 인식부호를 중앙제어시스템의 데이터 송출명령에 따라, 상기 태양전지 모듈의 동작상태를 측정한 내용에 의한 데이터신호를 중앙제어시스템에 송출하며, 상기 중앙제어시스템의 제어명령을 수신하여 각부의 동작상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈 원격 감시 및 제어시스템이 개시되어 있으나, 태양광 발전소 현장에 설치된 수 많은 태양전지 모듈마다 전압, 전류신호를 감지하는 센서를 설치해야 하고 매 센서마다 배선을 하는데 많은 비용이 소요된다는 문제점이 있다.
한국 등록특허 제10-0983236호에는 태양전지 모듈들을 2개 이상의 모듈군들로 구분하여 모듈군의 중간 전압 특성을 검출하는 전압 검출부와, 전압 검출부에서 검출된 전체 전압 특성 및 중간 전압 특성을 비교 분석하여 태양전지 스트링의 이상 여부와 이상 부위를 검출하여 주요 부품에 대한 이상 여부를 실시간으로 검출하여 태양광 발전 시스템의 지능관리형 태양광 발전시스템을 개시하고 있으나, 태양전지 모듈의 전압특성은 부하전류와 전압이 수시로 변하는 조도와 온도에 크게 영향을 받으므로 모듈군의 전압특성만을 검출하여 이상유무를 파악하기에는 곤란하다는 문제점이 있다.
한국 등록특허 제10-0944793호에는 태양전지 어레이의 출력 전압, 전류계측 및 출력 연산기능을 하는 표시장치가 장착된 제어부와 상기 태양전지 어레이 상에 설치되어 출력이 상기 제어부에 입력되도록 하는 일사량계와 온도센서와 역시 상기 제어부와 연결되는 원격감시장치로 구성되어 태양광 발전시스템에 사용되는 태양전지 어레이의 열화상태나 고장상태를 감시하기 위해서 필요시에 일사량계와 온도센서를 접속하는 것에 의해 가능하도록 함으로서 간단하고 저가의 태양전지 어레이 감시기능을 제공하는 태양전지 어레이의 열화 진단기능 부가형 태양광 발전용전력변환장치 및 그 운용방법을 개시하고 있으나, 설치된 수 많은 태양전지 어레이마다 전압, 전류신호를 감지 및 출력센서를 설치해야 하고 센서마다 독립적인 배선을 하는데 많은 비용이 소요된다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 태양전지 어레이가 넓은 산기슭 같은 경사지에 설치되어 있는 경우, 오전 또는 오후 태양 고도에 따라서 생기는 산 그림자나 지나가는 구름 그림자에 의해 태양전지 어레이의 조사량과 일사량계의 편차가 크기 때문에 일사량계의 측정값과 비교하여 태양전지 어레이의 고장상태나 열화상태를 관리자나 사용자가 정확하게 판단할 수 없기 때문에 태양광 발전소를 최적의 상태로 운전/유지할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무인운전되고 있는 태양광 발전소의 태양전지판 모듈의 동작상태를 사용자나 관리자가 원격지에서 경제적으로 진단 및 파악할 수 있는 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템을 제공하여 태양광 발전소를 최적의 상태로 유지 운전하도록 하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 태양전지판 모듈 설치장소의 태양 고도나 조도변화에 영향을 받지 않고서 태양전지판의 고장이나 열화상태를 파악할 수 있는 원격감시 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지판 모듈의 고장진단 원격감시 시스템은, 직렬연결된 태양전지판 모듈을 적어도 2개 이상으로 집단화한 태양전지판 소집단으로 구분하고, 태양전지판 소집단 전력선에서 전압과 전류를 측정하여 순시전력을 계측하고, 또한, 소집단의 근접 장소에 일사량측정기를 설치하여 순시일사량을 측정하여 일사량 기준값으로 하고, 정해진 시간 간격으로 상기 각 태양전지판 소집단 끼리의 계측된 순시전력값을 비교하여 불평형 상태를 판단하고, 또한, 계측된 순시 일사량 기준값과 개별 태양전지판 소집단의 계측된 순시전력값을 비교하여 해당 태양전지판 소집단의 태양전지판 모듈의 동작상태 및 열화를 판단하는 마이크로 프로세서와, 태양전지판 소집단의 동작상태 및 열화상태의 판단 및 데이터를 원격지 사용자의 이동통신 단말기로 송신하는 통신수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템은 태양광 발전소에 설치된 태양전지판 모듈을 소집단으로 구분하여 각 소집단의 순시전력을 비교하고, 또한, 일사량 측정값과 각 소집단의 순시전력을 비교함으로써, 모든 태양 전지판에 측정센서 설치와 배선을 하지 않고서도 고장이 발생한 태양전지판 소집단을 판단할 수 있어 경제적으로 고장진단을 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이상이 발생시 무선 이동통신수단으로 사용자나 관리자의 이동 단말기에 통보함으로써 원격지에서 태양전지 소집단의 고장상태를 파악하고 조치를 할 수 있어 태양광 발전소를 최적의 상태로 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전체구성과 구성요소의 배치를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전체구성을 나타낸 구성 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전체구성과 구성요소의 배치를 나타낸 참고도.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 상세한 설명에서는 태양전지판에서 생산된 전력을 변환하는 인버터나 이동 통신망, 이동 통신 단말기 등 통상적인 기술에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 것으로 전체구성과 각 구성요소의 배치를 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 블록도이다.
도시된 바와 같이, 태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환하기 위한 통상의 태양광 발전소에 있어서, 직렬연결된 태양전지판 모듈(11)들을 적어도 2개 이상으로 소집단화한 태양전지판 소집단들(SG1)~(SGn)과, 상기 태양전지판 소집단들 (SG1)~(SGn)의 전압과 전류를 측정하여 전력을 계측하는 전력측정수단(13) 및 전력계측값(P1)~(Pn)과, 상기 각 태양전지판 소집단들(SG1)~(SGn)의 근접 장소에 설치된 일사량 측정센서(14) 및 계측된 일사량(L1)~(Ln)과, 정해진 시간 간격으로 상기 각 태양전지판 소집단(SG1)~(SGn) 끼리의 전력 계측값(P1~Pn)을 비교하여 불평형 상태인 경우 비정상으로 판단하고, 또한, 태양전지판 소집단(SG1)의 전력 계측값(P1)과 해당 장소에서 계측된 일사량값(L1)에 태양전지판 소집단(SG1)의 면적을 보정한 전력량(Pc)과 비교하여 태양전지판 소집단(SG1)~(SGn)들의 동작상태 및 열화를 판단하고 처리하는 마이크로 프로세서(20)와, 상기 마이크로 프로세서(20)에서 각 태양전지판 소집단(SG1)~(SGn)들의 동작상태 및 열화상태의 경보메시지 및 데이터를 무선통신 모듈(3)을 통하여 원격지 사용자의 이동 단말기(40)로 송신하는 통신수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
태양전지판 소집단(SG1)은, 소정의 전압을 얻기 위해 직렬로 연결한 복수개의 태양전지판 모듈(11) 및 전력선(12)과, 상기 전력선(12)으로부터 전압을 측정하고, 전류를 측정하기 위해 상기 전력선(12)의 어느 한 선에 연결된 표준저항(미도시)과, 상기 표준저항으로부터 전류에 비례하는 전압 측정선을 구비하는 태양전지판 소집단(SG1)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
태양전지판 모듈(11)은 다수의 태양전지 셀로 구성되는데, 태양전지 셀이 실리콘인 경우, 각각의 태양전지 셀에서 발생하는 전압은 약 0.6V 정도이고, 생산되는 전력량은 일사량과 크기(면적)에 따라 다르나 셀당 1.5W 정도이다. 따라서, 필요한 전압과 전력을 생산하기 위해서는 태양전지 셀을 전기적으로 직렬 및 병렬연결해서 사용하고 있다.
태양광 발전시스템은 태양전지판 모듈(11)이 위치한 특정장소의 일사량(15)과 온도에 많은 영향을 받는데, 이러한 일사량과 온도는 시간대별, 계절별, 날씨 등에 따라서 수시로 변화하고 있다. 따라서, 태양전지판 모듈(11)들이 정상적으로 발전을 하고 있는지를 진단하기 위해서는 측정/진단 시점에서의 해당 태양전지판 소집단들(SG1)~(SGn) 부근의 일사량(15)과 온도를 측정하여 이를 기준 일사량으로 하여 해당 태양전지판 소집단들(SG1)~(SGn)에서 발전하고 있는 순시전력량과 연동시켜 비교하여야 한다.
일사량은 단위면적이 단위시간에 받는 일사에너지의 량을 의미하는데, 순간 복사량과 정해진 시간 동안 단위면적이 받는 총열량인 복사량으로 표현되는데, 본 발명의 일사량 측정기의 일사량 데이터는 매 10초마다 샘플링해 누적하고, 매 1분마다 1분전 누적값과 차를 구해 태양전지판 소집단(SG1)의 순시 전력량과 비교하는 기준 일사량 값으로 사용한다.
태양전지판 소집단(SG1)의 전력측정수단(13)은, 상기 태양전지판 소집단(SG1)의 전력선(12)에서 인출되는 전압 및 전류 측정선으로부터 전압을 주기적으로 계측하여 A/D변환하고, 고유 식별번호를 부여하고, 디지탈로 변환된 전류 및 전압값과 고유 식별번호를 정해진 주기에 따라 마이크로프로세서(20)에 송출하여 연산장치에서 입력된 프로그램의 계산식에 의해 전력값으로 환산하여 저장하는 전력측정수단(13)으로 이루어진다.
태양전지판 소집단(SG1)의 전력선(12)의 전압은 DC 전압(V) 형태이기 때문에, 이 전력선(12)에 흐르는 전류(A)를 측정하면 바로 전력(W = V·A)으로 환산할 수 있다. 전력선(12)에 흐르는 DC 전류를 측정하기 위해서는 전력선(12)의 어느 한 선에 표준저항(R)을 직렬로 연결하여 이 표준저항(R)의 양단에 생기는 전압차(E)에 의해서 간접적으로 전류(I)를 계측할 수 있다. 즉, 도선에 흐르는 전류 I = E/R로 표현할 수 있기 때문에 전압차(E)와 저항값(R)으로부터 전류(I)를 알 수 있다. 실제적으로 전류(I)를 측정하기 위해서는 표준저항(R) 양단에서 측정된 전압을 A/D변환하여 마이크로프로세서(20)에 송출하여 프로그램의 계산식에 의해 전류(I)값으로 환산하게 된다.
마이크로프로세서(20)는, 상기의 전력측정수단(13)으로부터 A/D변환된 전류 및 전압에 해당하는 디지탈값과 고유식별번호, 일사량측정기로부터 일사량을 수신하는 인터페이스(미도시)와, 상기 인터페이스로부터 수신된 고유식별번호의 디지탈 전압/전류 측정값 및 일사량 측정값을 기억장치에 저장하고, 각 태양전지판 소집단들(SG1)~(SGn)의 특성 및 크기에 따른 상수를 적용하여 전력량을 보정 계산하여 연산처리하고, 각 태양전지판 소집단들(SG1)~(SGn)에서 측정된 전력량이 해당 태양전지판 부근의 기준 일사량보다 낮거나, 일정시간 동안 비교된 태양전지판 소집단들(SG1)~(SGn)의 누적 전력량이 미리 설정된 편차값을 벗어날 경우 비정상으로 판단하는 연산장치와, 태양전지판 소집단들(SG1)~(SGn)의 태양전지판 모듈(11)의 면적, 설치개수 및 연산 프로그램 등을 입력하는 키 입력부와, 키 입력값 및 연산처리결과 등을 표시하는 LCD 모니터와, 프로그램 및 데이터를 저장하는 기억장치를 구비하는 마이크로프로세서(20)로 구성된다.
통신수단은, 상기 마이크로프로세서(20)의 연산처리결과가 비정상으로 판단되는 경우에는 WAP을 이용하여 관리자나 사용자의 이동 통신단말기(40)에 전송하는 무선 모듈(30)과, 상기 무선모듈(30)과 기존 이동통신 통신망을 통하여 원격지의 관리자나 사용자의 이동통신 단말기(40)로 태양전지판 소집단(10)의 고유번호와 비정상 상태에 대응하여 정해진 경보문자 및 기억장치에 저장된 측정데이터를 원격지의 관리자나 사용자에게 전송하는 것으로 어느 태양전지판 소집단(10)이 이상상태인가를 원격지에서 알 수 있게 해준다.
이러한, 원격감시 시스템의 능동적인 작동을 간략하게 설명하면, 원격감시를 원하는 관리자나 사용자가 이동통신 단말기에 설치되어 있는 응용프로그램을 구동하여 마이크로 프로세서(20)에 접속하고, 마이크로 프로세서(20)로 상태확인 요청을 전송하면, 마이크로 프로세서(20)는 관리자나 사용자로부터의 상태확인 요청에 의하여 추출된 현재 또는 과거의 결과를 관리자나 사용자의 이동통신 단말기로 전송해준다.
본 실시예에서는 마이크로 프로세서(20) 및 관리자나 사용자의 이동통신 단말기에 설치되어, 양 장비 사이의 무선 데이터통신을 가능하게 하는 WAP(무선 응용 프로토콜)을 이용함으로써, 별도의 장비없이, 원격감시를 수행할 수 있다. WAP은 하나의 통신에뮬레이터의 역할을 하는 것으로, 미리 정해진 프로토콜에 따라, 상대방으로부터 수신·복조된 신호를 의미있는 정보로 변환하는 역할을 하여, 이동통신 단말기로 원격지에 있는 태양전지 소집단의 이상상태를 감시할 수 있게 해준다.
SG1 : 1번째 태양전지판 소집단 SGn : n번째 태양전지판 소집단
11 : 태양전지판 모듈 12 : 전력선
13 : 전력측정수단 14 : 일사량 측정센서
15 : 일사량 신호선 16 : 일사량 측정계
2O : 마이크로 프로세서 30 : 무선통신 모듈
40 : 이동통신 단말기

Claims (5)

  1. 태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환하기 위하여 다수의 태양전지판을 직렬로 연결하는 통상의 태양광 발전소에 있어서,
    직렬연결된 태양전지판을 적어도 2개 이상으로 소집단화한 태양전지판 소집단과,
    상기 태양전지판 소집단의 전압과 전류를 측정하여 순시전력을 계측하는 전력계측수단 및 전력계측값과,
    상기 각 태양전지판 소집단의 근접 장소에 설치된 일사량계 및 계측된 순시일사량과,
    정해진 시간 간격으로 상기 각 태양전지판 소집단 끼리의 순시전력 계측값을 비교하여 불평형 상태를 판단하고, 또한, 태양전지판 소집단의 순시전력 계측값과 해당 장소에서 계측된 순시 일사량값에 태양전지판 소집단의 면적을 보정한 순시전력량과 비교하여 태양전지판 소집단의 태양전지판 동작상태 및 열화를 판단하고 연산처리하는 마이크로 프로세서와,
    상기 마이크로 프로세서에서 각 태양전지판 소집단의 동작상태 및 열화상태의 판단 및 데이터를 원격지 사용자의 이동 단말기로 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템.
  2. 제1항에 있어서 태양전지판 소집단은, 직렬로 연결한 복수개의 태양전지판 및 전력선과, 상기 전력선으로부터 인출되는 전압 측정선과 전류를 측정하기 위해 상기 전력선의 어느 한 선에 연결된 표준저항과, 상기 표준저항으로부터 인출되는 전류 측정선을 구비하는 태양전지판 소집단을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템.
  3. 제1항에 있어서 해당 태양전지판 소집단의 전력계측수단은, 상기 태양전지판 소집단의 전력선에서 인출되는 전압 및 전류 측정선으로부터 아날로그 신호를 각각 계측하여 A/D변환 및 태양전지판 소집단에 고유 식별번호를 부여하고, 디지탈로 변환된 전류 및 전압값과 고유 식별번호를 정해진 주기에 따라 마이크로프로세서에 송신하여 연산회로에서 고유식별번호의 인식 및 디지탈 전압/전류값을 연산하여 전력값으로 변환하는 전력계측수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템.
  4. 제1항에 있어서 마이크로프로세서는, 각 태양전지판 소집단의 고유식별번호 및 전력신호와 일사량을 수신하는 인터페이스와, 상기 인터페이스로부터 수신된 고유식별번호의 디지탈 전력 및 일사량 데이터를 기억장치에 저장하고, 각 태양전지판 소집단의 보정 일사량과 전력을 비교 연산처리하여 보정 일사량보다 낮은 전력값일 경우 비정상으로 판단하는 연산장치와, 태양전지판 소집단의 태양전지판의 면적, 설치개수 및 프로그램을 입력하는 키 입력부와, 키 입력값 및 연산처리결과를 표시하는 LCD 모니터와, 프로그램 및 데이터를 저장하는 기억장치를 구비하는 마이크로프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템.
  5. 제1항에 있어서 무선통신모듈은, 상기 마이크로프로세서의 연산처리결과가 비정상으로 판단하는 경우에 WAP을 이용하여 사용자의 이동 단말기에 전송하고, 상기 무선통신모듈과 기존 이동통신 통신망을 통하여 원격지의 관리자의 이동통신 단말기로 비정상 상태에 대응하여 정해진 경보문자 및 데이터를 전송하는 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지판의 고장진단 원격감시 시스템.
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