KR101123206B1 - 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개별 전지판을 병렬연결 하는 기능을 가짐과 동시에 개별 전지판의 현재 동작 상태를 부착된 LED에 나타냄과 동시에 외부 장치로도 알려줄 수 있는 기능을 가지는 것으로서 태양전지판 발전 정상 유무, 접속용 다이오드 고장 유무 그리고 외부 결선 잘못을 감시하는 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치에 관한 것으로, 초기 설치나 시 운전시 태양전지판의 결선 상태를 LED를 통해서 바로 확인할 수 있어서 시공의 편리성과 함께 안전성을 확보할 수 있으며, 많은 발열과 큰 전류로 인하여 상시 망가질 수 있는 다이오드의 상태를 실시간으로 감지하여 고장유무를 알려주므로 빠른 응급대처가 가능하여 발전효율을 높일 수 있으며, 발전되는 전지판 출력전압의 상대적인 크기를 LED를 통해서 알 수 있어 별도의 계측장치 없이 전지판의 고장유무를 바로 확인할 수 있으며, 따라서 발전효율을 최적의 상태로 유지할 수가 있으며, 이러한 기능을 통신 정보로 만들어 원격으로 보내주는 기능을 가짐으로써, 복잡한 태양광 발전시스템을 비전문가 또는 단순 관리자라도 눈으로 확인하는 것만으로도 가장 효율적으로 관리 운전할 수 있다.

Description

태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치{MONITORING APPARATUS FOR SOLAR GENERATING SYSTEM}

본 발명은 태양광 발전시스템에서 출력전력을 크게 하기 위해서 전지판을 여러개 병렬 연결하는 태양전지판 접속장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개별 전지판을 병렬연결 하는 기능을 가짐과 동시에 개별 전지판의 현재 동작 상태를 부착된 LED에 나타냄과 동시에 외부 장치로도 알려줄 수 있는 기능을 가지는 것으로서 태양전지판 발전 정상 유무, 접속용 다이오드 고장 유무 그리고 외부 결선 잘못을 감시하는 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치에 관한 것이다.

일반적으로, 태양광 발전시스템에서 상용 교류 220V 전압을 얻기 위해서는 태양전지판을 여러개 직렬로 연결되어야 하며, 또 요구되는 전력을 얻기 위해서는 병렬연결을 한다.

이때 직렬연결은 상용으로 판매되는 태양전지판을 일반적인 직렬연결 방법에 따라서 직렬 접속하면 되나, 전류를 크게 하기 위한 병렬연결은 직접 연결할 수가 없으며 따라서 별도의 접속장치를 사용해야한다.

일반적인 접속장치의 역할은 개별 태양전지판에서 만들어진 전류를 합쳐주는 기능을 하면 되나, 개별 태양전지판에서 발전되는 전압이 다를 수 있으므로 출력단자를 바로 연결할 수가 없다.

즉, 발전되는 전압이 서로 다른 경우 출력단자를 그냥 합쳐주면, 높은 전압을 발전하는 태양전지판의 전기가 낮은 전압을 발전하는 태양전지판으로 넘어 들어가 소모되기 때문에 발전되는 전체 전기에너지가 줄어드는 상태가 된다.

따라서 전압이 다른 경우에는 서로 분리시켜줄 수 있는 기능을 가지는 접속장치가 필요하며, 가장 간단하게는 다이오드라는 소자를 직렬연결하여 해결하고 있다.

즉, 종래 태양광 발전시스템은, 태양전지모듈로 구성된 태양전지판을 직렬연결하여 원하는 전압을 얻고, 또 원하는 전류를 얻기 위해서 여러개를 병렬연결하여야 하며, 이를 위하여 접속장치가 사용된다.

그리고 이렇게 모아진 전기는 인버터를 통해서 상용전원으로 발전되어 송출된다.

태양전지판의 직렬연결은 통상적인 방법대로 출력단자를 결선하면 되나, 병렬연결은 출력단자의 전압이 서로 다른 경우에는 바로 직결할 수가 없다.

따라서 전압이 다른 경우에는 서로 전기가 흐를 수 없게 만드는 기능을 가지는 장치로서 다이오드 회로소자를 사용하고, 이때 다이오드는 약 1V의 전압을 소모하며, 10A 이상의 많은 전류가 계속 흐르므로 소모하는 에너지가 많아 많은 열이 발생하게 되므로 항상 고장을 일으킬 수 있는 가능성을 가지고 있다.

즉, 다이오드는 정방향의 전류는 흐르지만, 역방향의 전류는 못 흐르게 만드는 기능을 가지는 소자로서 높은 전압이 낮은 전압쪽으로 흘러들어가 소자를 파괴하거나, 에너지를 소모하게 되는 것을 막아 주는 역할을 한다.

따라서 태양전지판 접속장치에서의 다이오드의 역할은 매우 중요하며, 이것이 고장나거나 오동작을 하게되며, 태양전지판을 망가뜨리거나 발전효율을 현저히 떨어뜨릴 수 있다.

그러나, 종래의 장치는 단순한 터미널 블록과 다이오드만으로 구성되어 있어, 다이오드의 고장이나 접속단자의 접촉불량 등이 발생해도 외부에서 쉽게 알 수 있는 방법이 없어 발전효율을 떨어뜨리며, 또 오결선이 되어도 바로 확인할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 태양광 발전에서 전지판의 발전전압의 차이나, 다이오드의 오동작 그리고 오극성 등을 LED에 표시하여 바로 눈으로 알려주는 기능을 가지는 동시에 마이컴을 내장하여 원격에서도 감시 관리할 수 있는 기능을 부여하여, 고장의 조기 발견으로 태양광 발전시스템의 안정성과 발전 효율을 높이도록 한 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치는, 태양전지판의 전압(Vs)을 측정하는 태양전지판 전압측정부; 상기 태양전지판의 개별 전류를 감지하는 개별 전류 감지센서부; 상기 개별 전류 감지센서부에서 감지된 전류량에 비례하는 전압(Vc)를 측정하는 태양전지판 전류측정부; 상기 태양전지판의 현재의 전압상태를 표시하는 전지판 전압표시 LED; 상기 태양전지판에 직렬로 연결된 다이오드의 이상 유무를 감지하여 다이오드 양단전압(Vd)을 출력하는 다이오드 불량 감지회로부; 상기 불량 감지회로부에서 감지된 이상유무 결과를 표시하는 다이오드 불량 유무 표시 LED; 및 상기 감지된 측정전압(Vs, Vd, Vc)을 입력받아 다이오드, 태양전지판, 외부결선의 고장 유무를 판별하는 마이컴부를 포함한다.

상기 마이컴부는, 각각의 측정전압이 Vs >0, Vc >0, 2>Vd>0일 경우 태양전지판 스트링 x를 정상으로 판단하고, 각각의 측정전압이 Vs >0, Vc =0, Vd <0일 경우 태양전지판 스트링 x를 불량(저전압 출력)으로 판단하고, 각각의 측정전압이 Vs >0, Vc =0, 2< Vd일 경우 접속 제어부 다이오드 단선 불량으로 판단하고, 각각의 측정전압이 Vs =X, Vc <0, Vd =X일 경우 접속 제어부 다이오드 단락불량으로 판단하고, 각각의 측정전압이 Vs <0, Vc =X, Vd =X일 경우 외부결선 잘못으로 판단한다.

또한, 상기 마이컴부에서 출력되는 신호를 원격지의 통신단말기 또는 컴퓨터단말기로 송수신하여 원격 감시 기능을 수행하는 신호 통신부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치에 의하면, 첫째로 초기 설치나 시 운전시 태양전지판의 결선 상태를 LED를 통해서 바로 확인할 수 있어서 시공의 편리성과 함께 안전성을 확보할 수 있으며, 둘째로 많은 발열과 큰 전류로 인하여 상시 망가질 수 있는 다이오드의 상태를 실시간으로 감지하여 고장유무를 알려주므로 빠른 응급대처가 가능하여 발전효율을 높일 수 있으며, 또 셋째로 발전되는 전지판 출력전압의 상대적인 크기를 LED를 통해서 알 수 있어 별도의 계측장치 없이 전지판의 고장유무를 바로 확인할 수 있으며, 따라서 발전효율을 최적의 상태로 유지할 수가 있으며, 마지막 넷째로 이러한 기능을 통신 정보로 만들어 원격으로 보내주는 기능을 갖음으로써, 복잡한 태양광발전시스템을 비전문가 또는 단순 관리자라도 눈으로 확인하는 것만으로도 가장 효율적으로 관리 운전할 수 있는 기능을 부여하게 되는 다양한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치를 나타낸 블록도.
도 2는 도 1의 접속 제어부를 더욱 상세히 나타낸 블록도.
도 3은 도 2의 일실시예를 나타낸 회로 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치를 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1의 접속 제어부를 더욱 상세히 나타낸 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양광 발전시스템은 태양전지모듈로 구성된 태양전지판(100, 110, 120)을 직렬연결하여 스트링 x로 만들어 원하는 전압을 얻고, 또 원하는 전류를 얻기 위해서 여러개의 다른 태양전지판(200, 210, 220)을 병렬 연결하여야 하며, 이를 위하여 접속 제어부(300)가 사용된다.

그리고 이렇게 모아진 전기는 인버터(400)를 통해서 상용전원(500)으로 발전되어 송출된다.

여기서 태양전지판을 직렬연결하는 이유는 원하는 전압을 만들기 위한 것이며, 상용 교류 220V에서는 통상적으로 300~500V가 되도록 한다.

그러나 상용 시판되는 태양전지판은 크기가 한계가 있으므로 발전하는 에너지가 크지 못해서 여러장을 병렬연결해야 하는데, 전지판의 미미한 특성 차이나, 갱년변화, 표면의 이물질 그리고 그림자를 만드는 구름이나 기둥 등에 의해서 상시 발전 전압이 변동되게 된다.

즉, 전류를 크게 하기 위하여 전지판의 출력을 그냥 병렬연결하면 전압의 차이로 높은 전압이 낮은 전압을 발전하는 전지판으로 역류하여 흐르게 되며, 이럴 경우 발전에너지가 현저히 줄어들고 전지판의 수명을 단축시키고 화재의 위험 등이 커지게 된다.

이러한 현상을 방지하기 한 가장 손쉬우면서 간단한 방법이 다이오드를 직렬로 연결하는 방법이다.

다이오드는 전류가 역으로 흐르지 못하게 하는 기능을 가지는 소자이므로 전압의 차이에 의한 전류의 역류는 쉽게 막을 수 있어 많이 사용되고 있다.

그러나 다이오드는 많은 에너지를 소모하므로 열이 발생하고 따라서 항상 고장이 날 가능성을 가지고 있다.

하지만 종래의 태양전지판 접속장치는 다른 부가적인 기능을 가지고 있지 않아서 이를 확인하거나 감시할 수가 없다.

본 발명에서는 외부 접속장치에 개별 태양전지판의 발전전압과 그 차이를 감지하여 LED 등으로 알려주는 기능과 다이오드의 동작 상태를 실시간으로 판단하여 고장 유무 및 동작 상황을 역시 LED로 표시해 주는 기능을 가지는 지능형 접속 제어부에 대한 것으로, LED 표시뿐만이 아니라 마이컴을 통한 외부 전송 기능까지도 구현된 것이다.

본 발명의 접속 제어부(300)를 더욱 상세히 설명하면 도 2에 도시된 바와 같다.

본 발명의 접속 제어부(300)는, 태양전지판 전압측정부(310, 311), 개별 전류 감지센서부(330, 331), 태양전지판 전류측정부(340, 341), 전지판 전압표시 LED(320, 321), 다이오드 불량 감지회로부(350, 351), 다이오드 불량 유무 표시 LED(360, 361), 신호처리용 마이컴부(370) 및 신호 통신부(380)를 포함한다.

태양전지판 전압측정부(310, 311)는 상기 태양전지판(100, 110, 120, 200, 210, 220)의 전압(Vs)을 측정한다.

개별 전류 감지센서부(330, 331)는 상기 태양전지판(100, 110, 120, 200, 210, 220)의 개별 전류를 감지하고, 태양전지판 전류측정부(340, 341)는 개별 전류 감지센서부(330, 331)에서 감지된 전류량에 비례하는 전압(Vc)를 측정한다.

전지판 전압표시 LED(320, 321)는 상기 태양전지판(100, 110, 120, 200, 210, 220)의 현재의 전압상태를 표시해준다.

다이오드 불량 감지회로부(350, 351)는 상기 태양전지판(100, 110, 120, 200, 210, 220)에 직렬로 연결된 다이오드(DO1,DO2)의 이상 유무를 감지하여 다이오드 양단전압(Vd)을 출력하고, 그 이상유무 결과를 다이오드 불량 유무 표시 LED(360, 361)에 표시한다.

신호처리용 마이컴부(370)는 상기 감지된 측정전압(Vs, Vd, Vc)을 입력받아 다이오드, 태양전지판, 외부결선의 고장 유무를 판별한다.

상기 3가지 전압을 가지고 다이오드, 태양전지판, 외부결선의 고장 유무를 판별하는 방법은 다음과 같다.

Vs >0, Vc >0, 2>Vd>0 : 태양전지판 스트링 x 정상

Vs >0, Vc =0, Vd <0 : 태양전지판 스트링 x 불량(저전압 출력)

Vs >0, Vc =0, 2< Vd : 접속 제어부 다이오드 불량(단선)

Vs =X, Vc <0, Vd =X : 접속 제어부 다이오드 불량(단락)

Vs <0, Vc =X, Vd =X : 외부결선 잘못

여기서 Vs는 태양전지판의 출력전압이며, Vc는 전류량에 비례하는 전압이며, Vd는 다이오드 양단전압이다.

또 X는 크기에 영향을 받지 않는 조건이다.

또한, 신호 통신부(380)는 상기 마이컴부(370)에서 출력되는 신호를 도면에 도시되지 않은 원격지의 통신단말기 또는 컴퓨터단말기로 송수신하여 원격 감시 기능을 수행한다.

본 발명의 지능형 접속 제어부(300)는 일예로서, 총 4개의 태양전지판(100, 110, 120, 200, 210, 220) 출력단자를 접속할 수 있으며, 접속할 전지판의 수가 늘어날 경우 접속 제어부를 추가할 수 있다.

즉, 바람직하게는 한 장치 안에 4개의 전압 전류를 감지하여 정상/비정상인가를 판단하여야 하며, 또 전지판과 직렬 연결된 다이오드가 현재 어떤 모드에서 동작하고 있는가를 판단하기 위하여 다이오드 양단에 걸리는 전압을 감지하기 위한 회로가 들어있다.

각 회로들은 독립적으로 동작하며, 단자 결선과 내부 회로를 최소화하기 위해서 양극성을 공통으로 잡는 방법을 채용하였다.

개별 회로들의 동작 상태를 순차적으로 설명하면, 태양전지판(100, 110, 120, 200, 210, 220)의 출력단자가 연결되면, 전압이 걸리고 이 전압을 저항으로 분할하여 적정 전압 크기에서 전지판 전압표시 LED(320, 321)가 점등되도록 한다.

다음 전류가 흐르면, 개별 전류 감지센서부(330, 331)에 의해서 전류가 감지되고 이것이 태양전지판 전류측정부(340, 341)를 통해서 적절한 신호로 변환되어 마이컴부(370)의 A/D 변환 입력으로 인가된다.

한편 다이오드(DO1,DO2)의 고장 유무와 동작상태를 확인하기 위하여 다이오드 양단의 전압을 다이오드 불량 감지회로부(350, 351)에서 감지하며, 이때 다이오드(DO1,DO2) 양단 전압만을 감지하기는 어려워 태양전지판 전류측정부(340, 341)까지 포함된 전압을 사용하며, 이렇게 하기 위해서는 회로의 기준전압을 음전압이 아닌 양전압으로 사용해야한다(도 3 참조).

도 3은 도 2의 일실시예를 나타낸 회로 구성도로서, 도시된 바와 같이, 도 3은 접속 제어부의 회로도의 일부이며, S+ 단자는 직렬연결된 태양전지판의 양극 전압이 인가되는 단자이고, CH-1 단자는 음극 전압이 연결되는 단자이다.

전류는 양극에서 음극으로 흐르므로 다이오드는 그림과 같은 방향이 되도록 직렬로 삽입하며, 회로의 간편성을 위해서 태양전지판에 흐르는 전류와 다이오드를 음극선에 직렬로 연결한다.

다이오드는 흔히 볼 수 있는 고전류형 소자를 사용하기 위해서 브리지형태 BD를 사용하며, 따라서 한 개의 태양전지판에 두 개의 다이오드가 병렬로 연결되어 전류를 분산시켜주므로서 열 발생과 전압드롭을 줄이는 효과를 얻고 있다.

S+와 CH-1 사이에 들어있는 LED1는 태양전지판의 전압에 따라서 불의 밝기가 변하며, 따라서 역극성으로 결성되었는가와 단락 또는 단선 등의 이상이 발생했는가 눈으로 바로 확인할 수 있게 해주는 기능을 가진다.

두 번째 LED2는 다이오드 양단에 걸리는 전압을 감지하여 다이오드의 동작상태를 표시해주는 기능을 가지는 것으로 다이오드에 이상이 발생하거나, 병렬연결된 다른 태양전지판의 전압이 더 높아서 다이오드에 전류가 흐르지 않을 때에 불이 들어온다. 즉 정상적인 경우는 불이 꺼지며, 이상이나 고장이 발생하면 불이 들어오도록 하여 LED 불빛 만으로도 확인이 가능하도록 한다.

R5, R6, D1, 및 OP1는 CH-1에 흐르는 전류를 감지하는 회로이며, 전류 감지센서는 R4이다. 즉 전류가 흐르면 R4에 음전압이 생기며 이를 증폭하고 R7 및 C1으로 구성된 잡음 재거회로를 통과하여 마이컴의 A/D 변환기 입력으로 인가된다.

다이오드 양단에 걸리는 전압을 확인하여 구체적인 고장 형태와 유무를 알아내기 위해서 적은 신호를 적절한 크기로 증폭하며, 회로는 R8,9,10,11 및 OP2 이며, R11는 출력 전압에 오프셋 크기를 제어하기 위한 용도이다.

또 R12 및 C2는 잡음을 제거하기 위한 필터이다.

한편 만약에 회로에서 이상이나 고장으로 양전압이 감지될 경우에 D1 및 D2는 A/D 입력에 음전압이 생기는 것을 막아주는 기능을 가지며 이렇게 함으로서 회로를 보호하는 역할을 한다.

마이컴에서 A/D 변환하여 두 값 사이의 상대적인 크기와 극성을 비교하면 어떤 유형의 이상이나 고장이 발생했는가를 알 수가 있다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100, 110, 120, 200, 210, 220: 태양전지판
300 : 접속 제어부
310, 311: 태양전지판 전압측정부
330, 331: 개별 전류 감지센서부
340, 341: 태양전지판 전류측정부
320, 321: 전지판 전압표시 LED
350, 351: 다이오드 불량 감지회로부
360, 361: 다이오드 불량 유무 표시 LED
370: 신호처리용 마이컴부
380: 신호 통신부
400: 태양광 발전용 인버터부
500: 상용 전력 계통망

Claims (3)

1. 태양전지판의 전압(Vs)을 측정하는 태양전지판 전압측정부;
   상기 태양전지판의 개별 전류를 감지하는 개별 전류 감지센서부;
   상기 개별 전류 감지센서부에서 감지된 전류량에 비례하는 전압(Vc)를 측정하는 태양전지판 전류측정부;
   상기 태양전지판의 현재의 전압상태를 표시하는 전지판 전압표시 LED;
   상기 태양전지판에 직렬로 연결된 다이오드의 이상 유무를 감지하여 다이오드 양단전압(Vd)을 출력하는 다이오드 불량 감지회로부;
   상기 불량 감지회로부에서 감지된 이상유무 결과를 표시하는 다이오드 불량 유무 표시 LED; 및
   상기 감지된 측정전압(Vs, Vd, Vc)을 입력받아 다이오드, 태양전지판, 외부결선의 고장 유무를 판별하는 마이컴부를 포함하는 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 마이컴부는
   각각의 측정전압이 Vs >0, Vc >0, 2>Vd>0일 경우 태양전지판 스트링 x를 정상으로 판단하고,
   각각의 측정전압이 Vs >0, Vc =0, Vd <0일 경우 태양전지판 스트링 x를 불량(저전압 출력)으로 판단하고,
   각각의 측정전압이 Vs >0, Vc =0, 2< Vd일 경우 접속 제어부 다이오드 단선 불량으로 판단하고,
   각각의 측정전압이 Vs =X, Vc <0, Vd =X일 경우 접속 제어부 다이오드 단락불량으로 판단하고,
   각각의 측정전압이 Vs <0, Vc =X, Vd =X일 경우 외부결선 잘못으로 판단하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 마이컴부에서 출력되는 신호를 원격지의 통신단말기 또는 컴퓨터단말기로 송수신하여 원격 감시 기능을 수행하는 신호 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템의 이상동작 감시장치.

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