KR101026139B1 - 태양광 발전 시스템에 있어서 ｐｖ 모듈의 개별적인 진단이 가능한 ｐｖ 진단 장치 - Google Patents

태양광 발전 시스템에 있어서 ｐｖ 모듈의 개별적인 진단이 가능한 ｐｖ 진단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 PV 진단 장치는 PV 모듈의 상태를 각 PV 진단 모듈에서 각각 측정하여 하나의 LIN(Local Interconnect Network) 통신 라인을 통해 어레이 진단 모듈로 전송하고 어레이 진단 모듈에서 이를 취합하여 원격지의 모니터링 서버로 전송한다. 따라서, 관리자는 외부의 모니터링 서버에서 PV 어레이에 포함된 모든 PV 모듈의 상태를 개별적으로 파악할 수 있으며, 이상 상태 확인시 PV 어레이에 포함된 PV 모듈 전체를 검사할 필요없이 해당 PV 모듈만 보수하면 되므로, 즉각적인 보수를 통해 태양광 발전 시스템의 발전 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 각 PV 모듈의 개별적인 진단을 위한 각 PV 진단 모듈이 하나의 LIN 통신 라인을 통해 어레이 진단 모듈에 연결되므로 배선의 복잡화를 최소화할 수 있다.

Description

태양광 발전 시스템에 있어서 ＰＶ 모듈의 개별적인 진단이 가능한 ＰＶ 진단 장치{The PV diagnosing apparatus for individually diagnosing PV module in solar generator system}
본 발명은 태양광 발전 시스템에 있어서 PV 모듈의 개별적인 진단이 가능한 PV 진단 장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 PV 어레이에 포함된 각 PV 모듈의 상태를 개별적으로 진단할 수 있는 PV 진단 장치에 관한 것이다.
근래에 화석 에너지의 사용으로 인하여 심각한 환경 오염 발생이 문제가 되고 있을 뿐만 아니라 화석 연료의 남용에 따른 고갈로 화석 연료의 가격이 급등하는 등의 문제점들이 발생하고 있으며, 이러한 문제점을 극복하기 위하여 청정 에너지 및 대체 에너지의 개발이 활발히 진행되고 있다.
특히, 태양광 발전은 무한하고 청정 에너지라는 점에서 각광을 받고 있으며, 차량, 장난감, 주거용 발전기 및 가로등 뿐만 아니라, 계통선과 원거리에 떨어져 있는 무인 등대, 시계탑, 통신 장비 등 매우 다양하게 활용되고 있다.
태양광 발전은 반도체 pn 접합으로 구성된 태양전지에 태양광이 조사되면, 태양광 에너지에 의한 전자-정공 쌍이 발생하고 발생된 전자와 정공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의하여 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 되는 점을 이용한다.
여기에서, 태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 것으로, 이를 이루는 셀은 전기를 일으키는 최소 단위이며, 셀이 조립되어 전기를 출력해내는 최소 단위인 모듈이 되고, 모듈이 직렬 및 병렬로 연결되어 어레이(Array)가 된다.
도 1은 종래의 중앙 집중형 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 태양광 발전 시스템(10)은 다수의 PV(Photo-Voltaic) 모듈(100)이 직렬과 병렬로 연결되어 이루어진 PV 어레이(100A)와, 접속반(300) 및 인버터(500)로 구성된다.
상기 PV 모듈(100)은 태양광을 DC 전력으로 변환하여 접속반(300)을 통해 인버터(500)로 전송하며, 상기 인버터(500)는 각 PV 모듈(100)을 통해 생성된 DC 전력을 계통에 연계할 수 있도록 AC 전력으로 변환해주는 역할을 한다.
여기에서, 태양광 발전 시스템의 용량에 따라 PV 모듈(100)이 직렬과 병렬로 연결되는데, PV 모듈(100)이 직렬로 연결되어 하나의 스트링(110, string)이 구성되고, 이들 스트링이 병렬로 연결되어 PV 어레이(100A)가 구성된다.
한편, 최근에는 태양광 발전 시스템의 공급이 급증함에 따라 원격에서 태양광 발전 시스템의 동작 상태를 진단하고 모니터링해야 할 필요성이 매우 커지고 있다.
이를 위해, 종래에는 PV 어레이(100A)의 출력단에 별도의 측정 장치(미도시)를 연결하여 PV 어레이(100A)의 입력전력과 출력전력을 측정하고 이를 외부의 모니터링 서버(미도시)로 전송하여 PV 어레이(100A)의 동작 상태를 모니터링하는 방식을 이용하고 있다.
하지만, 이러한 방식은 PV 어레이(100A)의 출력 전력이 정상적인 범위를 벗어날 경우, 관리자가 직접 일일이 모든 PV 모듈(100)을 검사하여 어떠한 PV 모듈(100)에 문제가 있는지를 확인해야 하기 때문에 비효율적이라는 문제점이 있다.
또한, PV 어레이(100A)의 상태를 측정하기 위한 측정 장치를 구동시키기 위해서 별도의 전원 장치를 구비해야 하는 문제점도 있다.
무엇보다도, 각 PV 모듈(100)은 온도 및 일사량에 따라 전압-전류 특성이 조금씩 차이가 있을 수 있는데, 특성 차이가 큰 PV 모듈(100)을 직렬과 병렬로 연결하여 태양광 발전 시스템을 구성하는 경우 시스템의 발전 효율이 감소하게 되는 문제점이 있다.
즉, 태양광 발전 시스템의 효율 향상을 위해서는 각 PV 모듈(100)의 특성을 개별적으로 측정하여 진단해야 할 필요성이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 PV 어레이에 포함된 각 PV 모듈의 상태를 개별적으로 측정하여 진단할 수 있는 PV 진단 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 PV 모듈의 개별적인 진단이 가능한 PV 진단 장치는, 태양광을 전기 에너지로 변환하는 다수의 PV 모듈이 직렬과 병렬로 연결되어 이루어진 PV 어레이와, 접속반 및 인버터로 구성된 태양광 발전 시스템에 있어서, 상기 각 PV 모듈의 출력단에 연결되어 상기 각 PV 모듈의 상태를 각각 측정하여 LIN(Local Interconnect Network) 통신을 통해 출력하는 다수의 PV 진단 모듈; 및 상기 각 PV 진단 모듈로부터 LIN 통신을 통해 상기 각 PV 모듈의 상태 정보를 입력받아 이를 취합하여 외부의 모니터링 서버로 전송하는 어레이 진단 모듈을 포함하되, 상기 PV 진단 모듈은, 상기 각 PV 모듈의 발생 전력을 변환하여 구동 전원으로 공급하며, 상기 PV 모듈로부터 전력 공급이 중단되는 경우 내부의 충전부에 저장되어 있는 전력을 구동 전원으로 공급하는 전원부; 상기 각 PV 모듈의 전압, 전류, 온도, 습도, 일사량 중 적어도 어느 하나의 상태를 측정할 수 있는 센서들을 이용하여 상기 각 PV 모듈의 상태를 측정하는 측정부; 해당 PV 진단 모듈의 ID를 설정하는 ID 설정부; 상기 측정부로부터 상기 각 PV 모듈의 상태 정보를 입력받고 상기 ID 설정부로부터 해당 PV 진단 모듈의 ID를 입력받아 LIN 통신 프로토콜에 맞춰 제1 데이터 프레임을 생성하는 마이컴; 및 상기 제1 데이터 프레임을 LIN 통신 라인을 통해 마스터로 동작하는 상기 어레이 진단 모듈로 전송하는 LIN 통신부를 포함하고, 상기 어레이 진단 모듈은, 상기 PV 모듈이 직렬로 연결되어 이루어진 스트링별로 각각 연결되며, 상기 접속반으로부터 전력을 입력받아 구동 전원으로 공급하며, 상기 접속반로부터 전력 공급이 중단되는 경우 내부의 충전부에 저장되어 있는 전력을 구동 전원으로 공급하는 전원부; 내부의 센서들을 이용하여 상기 PV 어레이의 전압 및 전류를 측정하는 측정부; 해당 어레이 진단 모듈의 ID를 설정하는 ID 설정부; 상기 LIN 통신 라인을 통해 전송된 상기 제1 데이터 프레임을 입력받아 상기 제1 데이터 프레임에 포함되어 있는 각 PV 모듈의 상태 정보를 추출하여 출력하는 LIN 통신부; 상기 측정부를 통해 측정된 PV 어레이의 전압 및 전류값, 상기 ID 설정부를 통해 설정된 어레이 진단 모듈의 ID, 상기 LIN 통신부를 통해 추출된 각 PV 모듈의 상태 정보를 취합하여 제2 데이터 프레임을 생성하는 마이컴; 및 상기 제2 데이터 프레임을 외부의 모니터링 서버로 전송하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 따른 PV 진단 장치는, 각 PV 모듈의 출력단에 상태 측정을 위한 PV 진단 모듈을 각각 연결하고 상기 PV 진단 모듈을 통해 각 PV 모듈의 상태를 측정하여 어레이 진단 모듈로 전송하여 어레이 진단 모듈에서 이를 취합하여 원격지의 모니터링 서버로 전송한다.
따라서, 본 발명에 따르면 관리자는 외부의 모니터링 서버에서 PV 어레이에 포함된 모든 PV 모듈의 상태를 개별적으로 파악할 수 있으며, 이상 상태 확인시 PV 어레이에 포함된 PV 모듈 전체를 검사할 필요없이 해당 PV 모듈만 보수하면 되므로, 즉각적인 보수를 통해 태양광 발전 시스템의 발전 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 각 PV 모듈의 개별적인 진단을 위한 각 PV 진단 모듈이 하나의 LIN(Local Interconnect Network) 통신 라인을 통해 어레이 진단 모듈에 연결되므로 배선의 복잡화를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 중앙 집중형 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PV 모듈의 개별적인 진단이 가능한 PV 진단 장치가 적용된 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 PV 진단 모듈과 어레이 진단 모듈의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PV 진단 장치가 적용된 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하거나 간략하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PV 모듈의 개별적인 진단이 가능한 PV 진단 장치가 적용된 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 PV 진단 장치(20)는, 각 PV 모듈(100)의 출력단에 각각 연결되어 각 PV 모듈(100)의 상태를 각각 측정하여 출력하는 다수의 PV 진단 모듈(200)과, 상기 각 PV 진단 모듈(200)로부터 상기 각 PV 모듈(100)의 상태 정보를 각각 입력받아 이를 취합하여 외부의 모니터링 서버(미도시)로 전송하는 어레이 진단 모듈(400)을 포함하여 이루어진다.
상기 PV 진단 모듈(200)과 상기 어레이 진단 모듈(400)은 한 가닥의 LIN(Local Interconnect Network) 통신 라인(L)을 통해 통신하며, 본 발명의 이해를 돕기 위해 LIN 통신에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.
LIN 통신은 가격 대 성능비가 뛰어난 단선(single wire)의 차량 통신 방식으로서, 최대 전송속도는 20kbps이고 저속 통신이 문제가 되지 않는 바디(Body) 제어용으로 사용되며, 악조건에서도 정확하게 동작하기 때문에 신뢰성이 높다는 장점이 있다.
특히, LIN 통신에서는 하나의 마스터와 다수의 슬레이브간에 통신이 이루어지며, 본 발명에서는 상기 각 PV 진단 모듈(200)이 LIN 통신의 슬레이브(Slave)로 동작하고 상기 어레이 진단 모듈(400)이 마스터(Master)로 동작한다.
본 발명에서 상기 PV 진단 모듈(200)과 상기 어레이 진단 모듈(400)이 한 가닥의 LIN 통신 라인을 이용하여 통신하도록 구성한 이유는 각 PV 모듈(100)의 상태를 측정하기 위해 PV 진단 모듈(200)을 각각 연결할 경우 배선이 복잡해지기 때문에 배선의 복잡함을 최소화하기 위해서이며, 필요에 따라 지그비(Zigbee) 등의 무선 통신 방식이나, RS-485, RS-232 등의 직렬 통신 방식도 사용할 수 있다.
상기 PV 진단 모듈(200) 및 상기 어레이 진단 모듈(400)의 구성 및 동작에 대하여 도 3을 참조하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 PV 진단 모듈(200)과 어레이 진단 모듈(400)의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 PV 진단 모듈(200)은 전원부(210), 측정부(220), ID 설정부(230), 마이컴(240), LIN 통신부(250)를 포함하여 이루어진다.
여기에서, 상기 전원부(210)와 상기 측정부(220)는 PV 모듈(100)의 출력단에 연결되며, 상기 LIN 통신부(250)는 하나의 LIN 통신 라인(L)을 통해 어레이 진단 모듈(400)과 연결된다.
상기 전원부(210)는 PV 모듈(100)의 발생 전력을 변환하여 구동 전원으로 공급하며, PV 모듈(100)로부터 전력 공급이 중단되어도 내부의 충전부(미도시)에 저장되어 있는 전력을 구동 전원으로 공급한다.
상기 전원부(210)로부터 구동 전원이 공급되면, 상기 측정부(220)에서는 내부의 센서들(미도시)을 이용하여 PV 모듈(100)의 상태(전압, 전류, 온도, 습도, 일사량 등)를 측정하여 마이컴(240)으로 전송하며, 상기 ID 설정부(230)에서는 해당 PV 진단 모듈(200)의 ID를 설정하여 마이컴(240)으로 전송한다.
여기에서, 상기 측정부(220)에는 PV 모듈(100)의 전압, 전류, 온도, 습도, 일사량 등의 상태를 측정할 수 있는 센서들(미도시)이 구비되는 것이 바람직하다.
상기 마이컴(240)에서는 상기 측정부(220)로부터 PV 모듈(100)의 상태 정보를 입력받고 상기 ID 설정부(230)로부터 해당 PV 진단 모듈(200)의 ID를 입력받아 LIN 통신 프로토콜에 맞춰 제1 데이터 프레임을 생성한다.
상기 마이컴(240)으로부터 제1 데이터 프레임이 생성되면, 상기 LIN 통신부(250)에서는 상기 제1 데이터 프레임을 LIN 통신 라인(L)을 통해 마스터로 동작하는 어레이 진단 모듈(400)로 전송한다.
그리고, 본 발명의 어레이 진단 모듈(400)은 전원부(410), 측정부(420), ID 설정부(430), LIN 통신부(440), 마이컴(450), 통신부(460)를 포함하여 이루어진다.
상기 전원부(410)는 접속반(300)으로부터 전력을 입력받아 구동 전원으로 공급하며, 접속반(300)로부터 전력 공급이 중단되어도 내부의 충전부(미도시)에 저장되어 있는 전력을 구동 전원으로 공급한다.
상기 전원부(410)로부터 구동 전원이 공급되면, 상기 측정부(420)에서는 내부의 센서(미도시)를 통해 PV 어레이(100A)의 전압 및 전류를 측정하여 마이컴(450)으로 전송하고, 상기 ID 설정부(430)에서는 해당 어레이 진단 모듈(400)의 ID를 설정하여 마이컴(450)으로 전송한다. 그리고, 상기 LIN 통신부(440)에서는 상기 각 PV 진단 모듈(200)로부터 LIN 통신 라인(L)을 통해 전송된 제1 데이터 프레임을 입력받아 상기 제1 데이터 프레임에 포함되어 있는 각 PV 모듈(100)의 상태 정보를 추출하여 마이컴(450)으로 전송한다.
상기 마이컴(450)에서는 상기 측정부(420)를 통해 측정된 PV 어레이(100A)의 전압 및 전류값, 상기 ID 설정부(430)를 통해 설정된 어레이 진단 모듈(400)의 ID, 상기 LIN 통신부(440)를 통해 추출된 각 PV 모듈(100)의 상태 정보를 취합하여 제2 데이터 프레임을 생성한다.
상기 마이컴(450)으로부터 제2 데이터 프레임이 생성되면, 상기 통신부(460)에서는 상기 제2 데이터 프레임을 외부의 모니터링 서버(미도시)로 전송한다.
즉, 본 발명에 따른 PV 진단 장치(20)는 각 PV 진단 모듈(200)에서 PV 모듈(100)의 상태를 각각 측정하여 하나의 LIN 통신 라인(L)을 통해 어레이 진단 모듈(400)로 전송하고 어레이 진단 모듈(400)에서 이를 취합하여 원격지의 모니터링 서버로 전송한다.
따라서, 본 발명에 따르면 관리자가 외부의 모니터링 서버에서 PV 어레이(100A)에 포함된 모든 PV 모듈(100)의 상태를 손쉽게 파악할 수 있으며, 이에 따라 해당 PV 모듈의 이상 상태 확인시 즉각적인 보수를 통해 태양광 발전 시스템의 발전 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
한편, 본 실시예에서는 중앙 집중형 태양광 발전 시스템에서 각 PV 모듈(100)의 특성을 개별적으로 측정하여 진단하는 구조에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 PV 진단 장치(20)는 다른 여러 형태의 태양광 발전 시스템에 적용될 수 있음은 물론이다.
그리고, 본 실시예에서는 각 PV 진단 모듈(200)로부터 전송되는 정보를 하나의 어레이 진단 모듈(400)에서 처리하는 구조에 대하여 설명하였지만, 상기 어레이 진단 모듈(400)을 각 스트링별로 연결하는 것도 가능하며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PV 진단 장치가 적용된 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 PV 진단 장치(40)는 도 2에 도시된 PV 진단 장치(20)와 비교하여 각 스트링별로 어레이 진단 모듈(400)이 각각 연결된 것을 제외하고는 다른 구성요소는 동일하다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되어지는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 형태로 변형이 가능함은 물론이다.
100 : PV 모듈(태양전지 모듈) 110 : 스트링
100A : PV 어레이 200 : PV 진단 모듈
210 : 전원부 220 : 측정부
230 : ID 설정부 240 : 마이컴
250 : LIN 통신부 300 : 접속반
400 : 어레이 진단 모듈 410 : 전원부
420 : 측정부 430 : ID 설정부
440 : LIN 통신부 450 : 마이컴
460 : 통신부 500 : 인버터

Claims (9)

  1. 태양광을 전기 에너지로 변환하는 다수의 PV 모듈이 직렬과 병렬로 연결되어 이루어진 PV 어레이와, 접속반 및 인버터로 구성된 태양광 발전 시스템에 있어서,
    상기 각 PV 모듈의 출력단에 연결되어 상기 각 PV 모듈의 상태를 각각 측정하여 LIN(Local Interconnect Network) 통신을 통해 출력하는 다수의 PV 진단 모듈; 및
    상기 각 PV 진단 모듈로부터 LIN 통신을 통해 상기 각 PV 모듈의 상태 정보를 입력받아 이를 취합하여 외부의 모니터링 서버로 전송하는 어레이 진단 모듈을 포함하되,
    상기 PV 진단 모듈은,
    상기 각 PV 모듈의 발생 전력을 변환하여 구동 전원으로 공급하며, 상기 PV 모듈로부터 전력 공급이 중단되는 경우 내부의 충전부에 저장되어 있는 전력을 구동 전원으로 공급하는 전원부;
    상기 각 PV 모듈의 전압, 전류, 온도, 습도, 일사량 중 적어도 어느 하나의 상태를 측정할 수 있는 센서들을 이용하여 상기 각 PV 모듈의 상태를 측정하는 측정부;
    해당 PV 진단 모듈의 ID를 설정하는 ID 설정부;
    상기 측정부로부터 상기 각 PV 모듈의 상태 정보를 입력받고 상기 ID 설정부로부터 해당 PV 진단 모듈의 ID를 입력받아 LIN 통신 프로토콜에 맞춰 제1 데이터 프레임을 생성하는 마이컴; 및
    상기 제1 데이터 프레임을 LIN 통신 라인을 통해 마스터로 동작하는 상기 어레이 진단 모듈로 전송하는 LIN 통신부를 포함하고,
    상기 어레이 진단 모듈은,
    상기 PV 모듈이 직렬로 연결되어 이루어진 스트링별로 각각 연결되며,
    상기 접속반으로부터 전력을 입력받아 구동 전원으로 공급하며, 상기 접속반로부터 전력 공급이 중단되는 경우 내부의 충전부에 저장되어 있는 전력을 구동 전원으로 공급하는 전원부;
    내부의 센서들을 이용하여 상기 PV 어레이의 전압 및 전류를 측정하는 측정부;
    해당 어레이 진단 모듈의 ID를 설정하는 ID 설정부;
    상기 LIN 통신 라인을 통해 전송된 상기 제1 데이터 프레임을 입력받아 상기 제1 데이터 프레임에 포함되어 있는 각 PV 모듈의 상태 정보를 추출하여 출력하는 LIN 통신부;
    상기 측정부를 통해 측정된 PV 어레이의 전압 및 전류값, 상기 ID 설정부를 통해 설정된 어레이 진단 모듈의 ID, 상기 LIN 통신부를 통해 추출된 각 PV 모듈의 상태 정보를 취합하여 제2 데이터 프레임을 생성하는 마이컴; 및
    상기 제2 데이터 프레임을 외부의 모니터링 서버로 전송하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템에 있어서 PV 모듈의 개별적인 진단이 가능한 PV 진단 장치.
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