KR102274897B1 - 태양광 발전 수명 예측 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 수명 예측 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는, 정규화된 전압값을 사용해 태양광 발전의 잔여 수명을 예측할 수 있는 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 발전 수명 예측 시스템은 센싱 시간에 매칭된 태양광 발전 상의 온도 및 출력 전압값을 수집하는 데이터 수집 장치; 상기 데이터 수집 장치가 수집한 출력 전압값을 기준 온도에 대해 정규화하고, 상기 기준 온도에 정규화된 출력 전압값에 대한 시계열 데이터를 사용해 수명 예측 회귀식을 산출하고, 상기 산출된 수명 예측 회귀식에 따라 기준 온도에 정규화된 출력 전압값이 임계 전압값에 도달하기 까지의 시간을 연산하는 것에 의해 상기 태양광 발전의 수명을 예측하는 진단 장치를 포함한다.

Description

태양광 발전 수명 예측 시스템{SYSTEM FOR FORCASTING RESIDUAL LIFE OF A SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION}
본 발명은 태양광 발전 수명 예측 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는, 정규화된 전압값을 사용해 태양광 발전의 잔여 수명을 예측할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
태양광 발전은 태양으로부터의 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸어주는 발전 방식이다. 태양광 발전 시스템은 에너지원이 청정하고 무제한인 점, 필요한 장소에서 필요한 양만 발전이 가능하다는 점, 유지 보수가 용이하고 무인화가 가능하다는 점, 20년 이상의 장수명이 가능하다는 점, 건설기간이 짧아 수요 증가에 신속한 대응이 가능하다 점에서, 태양광 발전 시스템은 전체 발전량에서 그 비중이 점점 증가하고 있는 추세이다.
이러한 태양광 발전의 핵심은 일반적으로 pn 접합 구조를 가진 태양 전지(solar cell)로서 외부로부터 광자(photon)가 태양전지의 내부로 흡수되면 광자가 지닌 에너지에 의해 태양전지 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍은 pm 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n 형 반도체로 이동하고, 정공은 p 형 반도체로 이동해서 각각의 표면에 있는 전극에서 수집된다. 각각의 전극에서 수집된 전하는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키는 에너지의 원천이 된다.
환경 문제에 대한 대책으로 태양광 발전 설비 용량은 지속적으로 증가하고 있다. 2014년 이후 세계 태양광 시장은 제 2차 성장기에 진입할 것으로 예상된다. 2014년 세계 태양광시장은 40GW 시대를 열 것으로 전망되며, 2020년까지 지속적인 성장을 할 것으로 예상된다. 다만, 태양광 발전 설비 용량은 증가하는 반면, 설치된 태양광 발전에 대한 유지/보수에 대한 대책은 미약한 실정이다.
현재, 태양광 발전 유지/보수 관련해 대부분의 종래 기술들은 출력 모니터링 기능 만을 제시하고 있다.
이와 관련해, 한국등록특허 제1337727호(출원인: 도꾸리츠교우세이호우진 산교기쥬츠소우고겐큐쇼, 오므론 가부시키가이샤, 발명의 명칭: 태양광 발전 시스템의 진단 방법, 진단 장치 및 진단 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체)는 태양광 발전 시스템에서의 전체 또는 일부의 출력을 진단하는 태양광 발전 시스템의 진단 방법으로서, 상기 출력에 관한 전류치, 전압치 및 전력치의 어느 2개의 계측치를 취득하는 취득 스텝과, 그 취득 스텝에서 취득된 2개의 계측치에 의해 표시되는 출력점의 추이에 의거하여, 상기 출력을 진단하는 진단스텝을 포함하는 태양광 발전 시스템의 진단 방법을 개시한다.
태양광 발전 운영자 입장에서, 현재 출력 상태를 진단하는 것은 중요하다. 다만, 과거 출력 특성을 기초로 태양광 수명을 예측하는 것 또한, 태양광 발전 유지/보수 계획 수립에 있어서 매우 중요하다.
앞서 본 바와 같이 종래 기술은 유지/보수의 관점에서 출력 모니터링 기능 만을 제시하고 있을 뿐, 잔여 수명에 대한 정보를 제시하고 있지 않아, 태양광 발전 운영자가 체계적인 태양광 발전 유지/보수 계획을 수립할 수 없다는 문제점이 있었다.
한국등록특허 제1337727호
이에, 본 발명은 정규화된 전압값을 사용해 태양광 발전의 잔여 수명을 예측할 수 있는 태양광 발전 수명 예측 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 발전 수명 예측 시스템은 센싱 시간에 매칭된 태양광 발전 상의 온도 및 출력 전압값을 수집하는 데이터 수집 장치; 상기 데이터 수집 장치가 수집한 출력 전압값을 기준 온도에 대해 정규화하고, 상기 기준 온도에 정규화된 출력 전압값에 대한 시계열 데이터를 사용해 수명 예측 회귀식을 산출하고, 상기 산출된 수명 예측 회귀식에 따라 기준 온도에 정규화된 출력 전압값이 임계 전압값에 도달하기 까지의 시간을 연산하는 것에 의해 상기 태양광 발전의 수명을 예측하는 진단 장치를 포함한다.
여기서, 상기 진단 장치는, 다음의 수학식,
Figure 112013119307414-pat00001
을 사용해 상기 태양광 발전의 열화도를 산출할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 정규화된 전압값에 대한 회귀식을 사용해 태양광 발전의 잔여 수명을 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 발전 수명 예측 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 진단 서버의 기능 블록도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 수명 예측 방법을 설명하기 위한 그래프를 나타낸다.
도 4는 태양광 발전의 출력 특성을 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 발전 수명 예측 시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양광 발전 수명 예측 시스템의 구성도를 나타낸다. 도 2는 도 1의 진단 서버의 기능 블록도를 나타낸다. 도 3은 본 발명의 수명 예측 방법을 설명하기 위한 그래프를 나타낸다. 도 4는 태양광 발전의 출력 특성을 나타낸다.
도 1을 참고하면, 태양광 발전 수명 예측 시스템은 복수의 태양광 발전(10) 각각에 설치된 모니터링 모듈(100), 데이터 수집 장치(200) 및 진단 서버(300)를 포함할 수 있다.
모니터링 모듈(100)은 태양광 발전(10)의 온도 및 출력 전압값을 기 설정된 주기로 센싱할 수 있다.
데이터 수집 장치(200)는 복수의 모니터링 모듈(100) 각각으로부터 센싱 시간에 매칭된 태양광 발전(10)의 온도 및 출력 전압값을 수신하고 이를 시간 순으로 저장할 수 있다. 데이터 수집 장치(200)와 모니터링 모듈(100)은 통신망을 통해 연결되며, 단일 또는 이종의 프로토콜이 적용된 통신망일 수 있다.
진단 서버(300)는 데이터 수집 장치(200)가 수집한 센싱 데이터를 사용해 태양광 발전(10)에 대한 진단을 수행할 수 있다. 진단은 열화도와 수명 예측 관점에서 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 진단 서버(300)는 정규화부(310), 열화도 산출부(320) 및 수명 예측부(330)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 태양광 발전의 최대동작전류는 일사강도 증가에 따라 선형적으로 증가하며, 태양광 발전의 최대동작전압은 온도 증가에 따라 선형적으로 감소하는 특성을 가진다(출처: 한국등록특허 제1337727호)
이와 같은 출력 특성을 사용해 특정 온도에서의 태양광 발전의 출력 전압값은 정규화될 수 있다.
정규화부(310)는 태양광 발전(10)의 정규화 함수를 사용해, 특정 온도의 전압치를 기준 온도(예를 들어, 25℃)치로 정규화할 수 있다. 예를 들어, 정규화 함수는 다음의 수학식 1과 같은 수 있다.
Figure 112013119307414-pat00002
여기서, -0.8754는 온도 증가에 따른 전압값이 감소율이고, 25는 기준온도이다. 그리고, 특정 온도에서의 전압값은 정규화 대상인 전압값일 수 있다.
기준온도 및 온도 증가에 따른 전압값 감소율은 태양광 발전 제조사의 제품 특성 정보로서 기 설정될 수 있다.
열화도 산출부(320)는 정규화된 전압값을 사용해, 기 설정된 주기로, 태양광 발전의 열화도를 산출할 수 있다.
열화도는 다음의 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112013119307414-pat00003
여기서, 기준 온도에서의 기준 전압값은 열화가 진행되지 않는 태양광 발전의 기준 온도에서의 출력 전압값으로 제조사의 제품 특성 정보로서 기 설정될 수 있다.
도 4를 참조하면, 수명 예측부(330)는 정규화부(310)에 의해 기준온도에 정규화된 전압값의 시계열적 변화로부터 잔여 수명을 예측할 수 있다. 이를 위해 수명 예측부(330)는 수명 예측 시점(t1) 이전의 기준온도에 정규화된 전압값에 대한 시계열 데이터에 대해 회귀 분석을 행하여 수명 예측 회귀식을 산출할 수 있다. 수명 예측 회귀식의 차수는 제한이 없을 수 있다. 회귀식에서, 시간이 독립변수이고, 기준온도에 정규화된 전압값이 종속변수일 수 있다. 도 3에서 일점쇄선은 수명 예측 시점(t1) 이전의 기준온도에 정규화된 전압값에 대한 시계열 데이터를 기반으로 작성된 수명 예측 회귀식에 따른 기준온도에 정규화된 전압값의 변동 곡선을 나타낸다.
수명 예측부(333)는 수명 예측 회귀식에 따라 기준온도에 정규화된 전압값이 임계전압값에 도달하는 시간을 산출할 수 있다. 그리고, 수명 예측 회귀식에 따라 기준온도에 정규화된 전압값이 임계전압값에 도달하는 시간(t임계)에서 수명 예측 시간(t1)을 차감하는 것에 의해 잔여 수명을 산출할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 태양광 발전
100: 모니터링 모듈
200: 데이터 수집 장치
300: 진단 서버
310: 정규화부
320: 열화도 산출부
330: 수명 예측부

Claims (2)

  1. 센싱 시간에 매칭된 복수의 태양광 발전 상의 온도 및 출력 전압값을 수집하는 데이터 수집 장치; 및
    상기 데이터 수집 장치가 수집한 출력 전압값을 기준 온도에 대해 정규화하는 정규화부; 상기 기준 온도에 정규화된 출력 전압값에 대한 시계열 데이터를 사용해 수명 예측 회귀식을 산출하고, 상기 산출된 수명 예측 회귀식에 따라 기준 온도에 정규화된 출력 전압값이 임계 전압값에 도달하기 까지의 시간을 연산하는 수명 예측부; 상기 태양광 발전의 열화도를 산출하는 열화도 산출부;를 포함하는 진단 서버를 포함하고,
    상기 수명 예측 회귀식에서 시간이 독립변수이고, 상기 기준 온도에 정규화된 출력 전압값이 종속변수이며,
    상기 정규화부는 하기 수학식 1을 사용해, 특정 온도의 전압치를 기준 온도치로 정규화하고,
    [수학식 1]
    Figure 112021021561619-pat00009
    ,
    상기 -0.8754는 온도 증가에 따른 전압값 감소율이고, 상기 25는 기준온도이며,
    상기 온도 증가에 따른 전압값 감소율은 태양광 발전 제조사의 제품 특성 정보로서 기 설정되고,
    상기 수명 예측부는 상기 수명 예측 회귀식에 따라 기준온도에 정규화된 전압값이 임계전압값에 도달하는 시간(t임계)에서 수명 예측 시간(t1)을 차감하는 것에 의해 잔여 수명을 산출하며,
    상기 열화도 산출부는 하기 수학식 2를 사용해 상기 태양광 발전의 열화도를 산출하되,
    [수학식 2]
    Figure 112021021561619-pat00010
    .
    상기 기준 온도에서의 기준 전압값은 열화가 진행되지 않은 태양광 발전의 기준 온도에서의 출력 전압값으로, 제조사의 제품 특성 정보로서 기 설정되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 수명 예측 시스템.
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