KR101533439B1 - 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 발전 시스템의 태양광 접속반에서 발생될 수 있는 전기 화재를 감지하고 진단하기 위하여, 화재 검출요소인 가스 농도 및 온도를 감지하여 화재를 방지하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 관한 것으로서, 상기 하우징 내부의 온도를 감지하여 열영역 영상 및 주변 온도를 획득하는 단일 또는 다중영역의 적외선 온도 센서 및, 적외선 영역에서 기체 분자가 갖는 흡수 스펙트럼의 성질을 이용하여 특정 기체의 농도를 검출하여 가스 농도를 감지하는 비분산 적외선 가스 센서 또는 화학방식의 반도체 가스 센서로 구성되는 센서부; 및, 상기 센서부에서 검출된 온도 및 가스 농도를 분석하여 상기 접속반의 하우징 내부의 화재 발생 또는 이상 유무를 판단하는 감시장치를 포함하고, 상기 적외선 온도 센서는, 단일 또는 다중 영역의 픽셀 구조로 구성되어 적외선에 의해 온도를 측정하는 적외선 센서; 및, 상기 적외선 온도 센서의 주위 온도를 계측하는 절대온도비례 센서를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 태양광 접속반에 의하여, 접속반 화재 초기의 온도 및 가스농도를 별도로 검출함으로써 전기화재가 확대되기 전에 전기화재 원인으로 분류되는 현상을 사전에 검출하여 인명사고 및 재산피해를 예방할 수 있다.
상기와 같은 태양광 접속반에 의하여, 접속반 화재 초기의 온도 및 가스농도를 별도로 검출함으로써 전기화재가 확대되기 전에 전기화재 원인으로 분류되는 현상을 사전에 검출하여 인명사고 및 재산피해를 예방할 수 있다.
Description
본 발명은 태양광 발전 시스템의 태양광 접속반에서 발생될 수 있는 전기 화재를 감지하고 진단하기 위하여, 화재 검출요소인 가스 및 온도를 감지하여 화재를 방지하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전은 태양 전지판에서 생산된 직류 전류를 인버터가 교류 전류로 변환하여 각 수용가에 공급하게 된다. 이러한 태양광 발전 시스템은 수광된 태양광에 상응하는 직류 전원을 공급하는 태양 전지 모듈군과 이를 직렬로 연결한 태양 전지 어레이, 태양 전지 어레이와 인버터 사이에서 많은 배선의 결선을 용이하게 해주고 각종 보호 기능을 수행하는 접속반, 태양 전지 어레이에서 발전된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터, 발전된 전력을 소비하는 부하로 구성된다.
접속반은 태양전지 어레이에서 고장이 발생할 경우 고장 범위를 최소로 축소시켜 사고를 방지하고, 고장점을 찾기 쉽도록 구성된다. 또한, 어레이 구성과 용량에 따라 적정한 어레이의 병렬군을 접속하여 어레이별 케이블을 인버터까지 연결해주고, 다수의 태양전지 모듈의 접속을 알기 쉽게 정리하여 보수점검 시에 회로를 분리하여 점검작업을 용이하게 한다. 이러한 접속반에는 직류출력 개폐기, 피뢰소자, 역류방지소자, 단자대, 퓨즈 또는 개폐기 등으로 구성되고, 절연저항측정이나 정기적인 단락전류 확인을 위한 출력단자용 개폐기가 설치되기도 한다.
특히, 태양광 발전 장치에는 예상하지 못한 급격한 전압이나 전류가 발생하는 전자 쇼크에 의해 회로가 손상되는 문제점과, 또한 주위 환경 변화와 같은 기타 요인에 따른 집광판의 발전 특성 불균형 등을 방지하기 위한 여러 가지 보호 장치들을 구비된다. 이러한 보호 장치에는 역방향으로 흐르는 전류를 차단하여 입/출력단의 회로를 보호하는 역전압 방지용 다이오드로 이루어진 역전압 방지 수단과, 태양 전지판을 통해 생성된 전력 전압과 전류를 검출하여 발전 상태의 정상 여부를 감시하는 전압 및 전류 측정 센서와, 과전류를 차단하여 회로를 보호하는 과전류 보호용 퓨즈 등이 구성되어 있고, 주로 태양광 발전 장치와 부하 또는 중앙의 제어부 사이에 설치된 접속반에 구성된다.
또한, 태양광 발전 시스템 전체 대하여 정상 여부를 파악할 수 있는 모니터링 기술들이 개발되고 있다[특허문헌 1]. 이러한 모니터링 시스템은 다수의 태양전지셀로 구성된 태양 전지판에서 그룹을 지정하고, 각 그룹별 혹은 각 셀마다 통신기를 구비하여, 통신기를 통해 관리서버에서 이상유무를 모니터링 할 수 있다[특허문헌 3,4,5].
그러나 무엇보다 가장 중요한 것은 전기 화재의 현상과 조기 검출을 위한 장치와 감시 시스템의 개발이 매우 절실하다. 전기 화재가 발생되면 재산 피해 및 인명 피해가 매우 크기 때문이다. 전기화재 사고에 대응하기 위해 현재 설치된 접속반 내의 각종 보호 장치는 부하회로에서 과전류 발생 시 회로를 차단하는 기능을 가지고 있지만, 접촉불량에 의한 과열, 단선, 단락에 의한 아크발생 및 절연피복재 열화에 의한 절연파괴 현상 등은 과전류 보호용 장치로는 사고의 해결이 불가능하다.
아크 화재의 경우, 지락이나 용량초과, 타물건과의 접촉 등에 의해 비정상적인 전류가 흐르게 되어 접속반 내부의 전선이 과열되고, 이로 인하여 다른 물체에 접촉함으로써 고장부위에서 선이 절단되어 차단되거나 부분적인 접촉으로 반복적인 아크를 발생시키게 된다. 또한, 접속반 내부의 개폐기 단자대의 접속 불량으로 인한 과열로 접속반 내부의 절연물이 열화되고 오래 지속될 경우 절연파괴로 인한 화재가 발생하고 있다.
또한, 접속반 주변의 먼지, 매연, 습기 등의 환경오염으로 단자대에 접촉된 전선 피복재를 통해서 도체 사이의 절연 층이 미소방전에 의하여 탄화되는 현상이 발생된다. 이 탄화도전로를 따라서 누설전류가 점차 증가하여 결국 도체 사이에 절연 파괴와 함께 전선피복재가 발화함으로써 접속반의 전기화재가 발생하게 된다.
또한 접속반 내부에서 화재 초기의 가스농도 및 온도를 별도로 검출함으로써 전기화재가 확대되기 전에 전기화재 원인으로 분류되는 현상을 사전에 검출하여 인명사고 및 재산피해를 예방할 수 있는 전기화재 감시진단 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양광 발전 시스템의 태양광 접속반에서 발생될 수 있는 전기 화재를 감지하고 진단하기 위하여, 화재 검출요소인 가스 및 온도를 감지하여 화재를 방지하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 적외선 온도센서 및 비분산 적외선(NDIR) 가스 센서 또는 화학방식의 반도체 가스 센서를 구비하여, 태양광 발전 시스템에서의 태양광 접속반에 발생될 수 있는 전기 화재를 감지하고 진단하되, 온도센서에 의한 온도에 따라 비분산 적외선 가스 센서 또는 화학방식의 반도체 가스 센서의 측정값을 보상하여 보다 정확한 화재를 진단하는, 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 태양광 발전 시스템 접속반의 하우징 내부에서 온도 및 가스를 측정하여 전기화재를 감지하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 관한 것으로서, 상기 하우징 내부의 온도를 감지하여 열영역 영상 및 주변 온도를 획득하는 적외선 온도 센서 및, 적외선 영역에서 기체 분자가 갖는 흡수 스펙트럼의 성질을 이용하여 특정 기체의 농도를 검출하여 가스를 감지하는 비분산 적외선 가스 센서로 구성되는 센서부; 및, 상기 센서부에서 검출된 온도 및 가스 농도를 분석하여 상기 접속반의 하우징 내부에 화재 발생 또는 이상 유무를 판단하는 감시장치를 포함하고, 상기 적외선 온도 센서는, 단일 또는 다중 영역의 픽셀 구조로 구성되어 적외선에 의해 온도를 측정하는 적외선 센서; 및, 상기 적외선 온도 센서의 주위 온도를 계측하는 절대온도비례 센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 있어서, 상기 비분산 적외선 센서는 상기 접속반 하우징 내부에 발생하는 가스를 측정하되, 가스의 농도를 다음 [수식 1]에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
단, x는 가스농도이고, V 는 측정가스의 양에 따른 출력전압[V]이고, Voffset 은 협대역 통과 필터의 특성에 따른 출력전압[V]이고, α는 검출가스의 흡수율, L은 광경로의 길이이고, η는 비례계수임.
또한, 본 발명은 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 있어서, 상기 비례계수 η는 다음 [수식 2]에 의해 산출하되, 비례상수 a, b, 및 c는 실험을 통해 사전에 정해지는 상수인 것을 특징으로 한다.
[수식 2]
단, Tamb .는 주변 온도이고, a, b, c는 비례상수임.
또한, 본 발명은 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 있어서, 상기 주변 온도 Tamb .는 상기 적외선 온도 센서에서 측정한 열영역 영상의 각 픽셀 값을 평균하여 구하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 있어서, 상기 감시 장치는 상기 적외선 온도 센서에서 측정된 열영역 영상의 각 픽셀 값들을 평균하여 상기 평균값이 사전에 정해진 기준 온도 이상이거나, 상기 비분산 적외선 가스 센서에서 측정한 가스 농도가 사전에 정해진 기준 농도 이상이면, 상기 하우징 내부에 화재를 감지한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 있어서, 상기 적외선 온도 센서는 단일 또는 다중영역으로 구성하고, 상기 다중영역의 각 셀 내의 센서들을 집적회로간(I2C) 버스를 통해 연결하여 센싱된 측정값들을 전송하고, 상기 각 셀의 센서들에 대한 재생률은 0.5 Hz에서 64 Hz까지의 범위 내에서 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 있어서, 상기 집적회로간(I2C) 버스 내에 안정적인 신호 전송을 위하여 스위치 풀업 회로를 구성하되, 상기 스위치 풀업 회로의 풀업저항 RP의 최소값은 공급전원(VDD)과 로(LOW) 레벨 일때의 최대출력에 의해 결정하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 의하면, 접속반 화재 초기의 온도 및 가스농도를 별도로 검출함으로써 전기화재가 확대되기 전에 전기화재 원인으로 분류되는 현상을 사전에 검출하여 인명사고 및 재산피해를 예방할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명을 실시하기 위한 태양광 발전 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반의 구성에 대한 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 영역 적외선 온도 센서의 구성에 대한 블록도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 온도 센서의 통신 라인의 접속 구조의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 집적회로간(I2C) 버스에서 사용되는 용어를 정의한 표.
도 6은 본 발명에 따른 2개의 마이크로 컨트롤러를 이용한 집적회로간(I2C) 버스 구성에 대한 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 스위치 풀업 회로의 구성도.
도 8은 본 발명에 따른 다중영역 적외선 온도 센서의 표시장치의 전면 제어패널 구성 예시도.
도 9는 본 발명에 따른 다중영역 적외선 온도 센서의 온도에 따른 LED 색상을 나타낸 표.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 온도 센서에 대한 구성도.
도 11은 본 발명에 따른 비례상수 η와 주변 온도 Tamb . 와의 관계에 대한 실험 데이터 그래프.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반의 구성에 대한 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 영역 적외선 온도 센서의 구성에 대한 블록도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 온도 센서의 통신 라인의 접속 구조의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 집적회로간(I2C) 버스에서 사용되는 용어를 정의한 표.
도 6은 본 발명에 따른 2개의 마이크로 컨트롤러를 이용한 집적회로간(I2C) 버스 구성에 대한 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 스위치 풀업 회로의 구성도.
도 8은 본 발명에 따른 다중영역 적외선 온도 센서의 표시장치의 전면 제어패널 구성 예시도.
도 9는 본 발명에 따른 다중영역 적외선 온도 센서의 온도에 따른 LED 색상을 나타낸 표.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 온도 센서에 대한 구성도.
도 11은 본 발명에 따른 비례상수 η와 주변 온도 Tamb . 와의 관계에 대한 실험 데이터 그래프.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명을 실시하기위한 태양광 발전 시스템의 전체 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명을 실시하기위한 태양광 발전 시스템의 전체 구성은 태양전지 어레이(1), 접속반(2), 인버터(3), 수전반(4), 부하(5)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 태양전지 어레이(1)는 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 상기 태양전지 어레이(1)는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다. 대부분의 태양전지 어레이(1)는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다. 태양전지 어레이(1)의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다. 실제 사용되는데 필요한 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V 이상인데 비하여 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문인데, 이 때문에 다수의 단위 태양전지들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다. 또한, 태양전지 어레이(1)가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용한다.
접속반(2)은 태양전지 어레이(1)로부터 생산된 직류 전류를 취합하여, 인버터(3)에 출력하는 장치로서, 태양전지 어레이(1)로부터 발전되어진 직류전력을 입력받으며, 직류출력 개폐기 및 출력단자용 개폐기, 또는 배선용 차단기(MCCB: Molded Case Circuit Breaker), 부스바 또는 단자대, 그리고 마그네틱 스위치, 다이오드 및 전력용 퓨즈, 피뢰소자(SPD, ZNR) 등으로 구성되는 주회로 장치(도시되지 않음)를 포함하여 이루어진다. 절연저항측정이나 정기적인 단락전류 확인을 위한 출력단자용 개폐기가 설치되기도 한다. 한편, 접속반(2)은, 평상시에는 주회로장치의 마그네틱 스위치가 투입되어지고, 예비회로장치의 마그네틱 스위치는 개방되어져 있어, 주회로장치의 다이오드와 전력용 퓨즈를 통하여 직류전력이 공급되어진다. 접속반 내부 전력기기에 이상이 발생하게 되면, 현장에서 이상이 발생한 주회로장치의 마그네틱 스위치를 개방시킨 후, 예비회로장치의 마그네틱 스위치를 즉시 투입시켜 예비회로장치의 다이오드와 전력용 퓨즈를 통하여 지속적인 발전을 할 수 있도록 한다.
인버터(3)는 태양전지 어레이(1)에서 병렬군으로 입력받은 직류전력을 하나의 직류전력으로 통합한 후 이를 상용전력으로 사용할 수 있도록 교류전력으로 변환하여 출력한다. 인버터(3)에서 출력된 교류 전력은 수전반(4)을 통해 수용가의 부하로 공급된다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반의 구성에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반(2)은 하우징(10)에 설치된 센서부(20), 감시 장치(30), 및, 원격 서버(40)로 구성된다.
하우징(10) 내부에는 직류출력 개폐기 및 출력단자용 개폐기, 또는 배선용 차단기(MCCB), 부스바 또는 단자대, 그리고 마그네틱 스위치, 다이오드 및 전력용 퓨즈, 피뢰소자(SPD, ZNR) 등 구성 설비(11)들이 구비된다.
센서부(20)는 적외선 온도센서(21) 및, 비분산 적외선 가스 센서(22)로 구성된다. 비분산 적외선 가스 센서(22)는 비분산 적외선(NDIR) 가스 센서 또는 화학방식의 반도체 가스 센서를 모두 적용할 수 있다.
센서부(20)는 앞서 설명한 바와 같이 직류출력 개폐기 및 출력단자용 개폐기, 또는 배선용 차단기(MCCB), 부스바 또는 단자대, 그리고 마그네틱 스위치, 다이오드 및 전력용 퓨즈, 피뢰소자(SPD, ZNR) 등 접속반 내에 있는 구성 설비(11)의 온도 또는 가스 농도를 감지하는 센서로 구성된다.
적외선 온도센서(21)는 하우징(10) 내부에 구비된 구성 설비(11)의 열을 단일 또는 다중 영역으로 측정한다. 바람직하게는, 적외선 온도센서(21)는 단일 또는 다중영역(multi-area) 적외선 온도센서로 구성한다. 다중영역 적외선 센서는 2×2, 3×3, 4×4 등의 어레이 구조로 구성한다. 즉, 적외선 온도센서를 다중 영역으로 구성하고 영역 내 각 셀들의 온도 측정값을 엘이디(LED) 소자로 표시한다. 적외선 온도센서(21)에 의해 촬영된 다중영역 영상은 2차원의 열영역 영상으로서, 접속반의 내부 영역 영상이고, 각 셀 값은 해당 부분의 온도를 나타내는 수치 값이다. 또한, 열영역 영상은 각 셀 값에 따라 또는 각 부분의 온도에 따라 색상을 표시한다.
또한, 비분산 적외선 가스 센서(22)로서 비분산 적외선 가스 센서는 하우징(10) 내의 가스 농도를 감지하는 센서로서, 적외선 영역에서 기체 분자가 갖는 흡수 스펙트럼의 성질을 이용하여 특정 기체의 농도를 검출하는 가스 센서이다. 이 타입의 가스 센서는 전기화학 방식 또는 반도체 방식에 비해 선택성이 우수하고 신뢰도가 높으며, 내구성과 안정성이 뛰어나다.
비분산 적외선 가스 센서(22)는 소스로부터 방출된 적외선이 측정 대상 가스를 통과할 때 측정 대상 가스가 적외선을 흡수함에 따라 검출기에서 측정되는 적외선의 강도가 초기 강도에 비해 감소하는 원리를 이용한 가스 센서이다.
이러한 비분산 적외선 가스 센서(22)의 적외선 검출기에는 주로 서모파일 센서(Thermopile sensor)가 이용된다. 서모파일 센서의 기본적 동작 원리는, 방사체로부터 방사되는 방사에너지를 수열판에 집속시키고, 수열판이 방사 에너지를 흡수함에 따라 온도가 상승하게 되면서 열전대를 이용하여 온도 변화에 비례하는 기전력을 발생시켜 외부로 출력하는 것이다. 그런데, 서모파일 센서가 위치한 장소의 주변 온도가 증가하면 수열판이 흡수하는 에너지도 감소하게 되므로, 측정대상물 표면의 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 주변온도의 변화에 따른 서모파일의 출력전압의 변동분을 보상하는 온도보정을 수행해야 한다.
비분산 적외선 가스 센서(22)에서 측정된 측정값은 앞서 적외선 온도 센서(21)에서 측정된 온도를 이용하여 보정된다.
또한, 비분산 적외선 가스 센서(22)로서 화학방식의 반도체 가스 센서는 전기화학식으로 이산화탄소를 측정하는 장치로서 반도체로 구현한 센서 장치이다. 화학방식의 반도체 가스 센서는 정확성과 응답성이 빠르나, 특정 용도와 목적에 맞도록 개발되어야 한다. 태양광 접속반에서 사용하는 반도체 가스 센서는 가스 농도를 정밀하게 측정할 필요가 없고, 화재를 감지할 수 있는 정도의 정확성만 갖추면 된다. 따라서 물리적인 방식의 NDIR(Non-dispersive Infrared) 가스 센서 보다는 적은 비용으로 화재 감지 목적에 부합하는 센서를 개발할 수 있다. 또한, 화재발생시의 가스 농도의 감지 범위를 정해 놓으면, 높은 정확성과 빠른 응답성을 갖는 센서로 개발될 수 있다.
한편, 센서부(20)와 감시 장치(30), 감시 장치(30) 및 원격 서버(40)는 각각 네트워크에 의해 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 바람직하게는, 센서부(20) 및 감시 장치(30)는 UDP 프로토콜에 의한 인터넷으로 연결되고, 감시 장치(30) 및 원격 서버(40)는 TCP 프로토콜에 의한 인터넷으로 연결된다.
다음으로, 감시 장치(30)는 센서부(20)로부터 열영역 영상 및 가스 측정값을 수신하고, 수신한 온도 및 가스 데이터를 분석하여 화재 발생 여부를 판단한다. 감시 장치(30)는 하우징(10) 내부 영역 또는 분리된 영역 별로 해당 영역의 평균 온도를 계산하고, 기준 온도와 비교하거나 온도 상승값을 구하여 구성별로 화재 발생의 이상 유무를 판단한다. 또한, 비분산 적외선 가스 센서 또는 화학방식의 비분산 적외선 가스 센서(22)를 통해 가스 발생 유무 및 그 양을 통해 화재 감지를 판단한다. 즉, 감시 장치(30)는 온도 및 가스의 양과, 그 변화를 이용하여 화재 감지를 판단한다.
또한, 감시 장치(30)는 열영역 온도 영상 또는 가스의 양을 디스플레이에 표시하거나, 전기 화재를 감지하면 감지 사항을 알람으로 관리자 등에 알린다.
바람직하게는, 감시 장치(30)는 하우징(10)에 부착하여 설치될 수 있다. 예를 들어, 센서부(20)는 하우징(10) 내부에 설치하고, 하우징(10) 외부에 감시 장치(30)를 설치할 수 있다. 이때, 내부에 설치된 적외선 온도 센서(21) 또는 비분산 적외선 가스 센서 또는 화학방식의 비분산 적외선 가스 센서(22)로부터 온도 및 가스를 측정하고, 감시 장치(30)가 이 데이터를 분석하여 하우징(10) 내부의 화재 유무 및 그 정도를 판단할 수 있다.
특히, 감시 장치(30)는 적외선 온도센서(21)에 의해 측정된 열영역 영상에서 전체 픽셀값들을 평균하거나, 사전에 정해진 영역별로 평균하여 온도를 산출한다. 그리고 산출된 평균 온도가 사전에 정해진 기준 온도 이상이 되면 화재로 감지한다. 또는 감시 장치(30)는 측정된 열영역 영상을 디스플레이(예를 들어, 4×4 다중 영역 디스플레이)에 표시하여, 관리자 등이 직관적으로 접속반 내부의 상태를 알 수 있도록 제공한다.
또한, 감시 장치(30)는 비분산 적외선 가스 센서 또는 화학방식의 비분산 적외선 가스 센서(22)를 통해 가스의 농도를 측정하고 측정된 가스 농도가 사전에 정해진 기준 농도 보다 높으면 화재로 감지한다.
원격 서버(40)는 개인용 컴퓨터(PC) 또는 서버 장치 등 컴퓨팅 처리 기능을 가진 장치로서, 네트워크를 통해 감시 장치(30)와 연결되어, 감시 장치(30)로부터 센싱 데이터 또는 판단된 데이터 등을 수신한다.
원격 서버(40)는 감시 장치(30)와 역할을 분담하여 처리할 수 있다. 예를 들어, 감시 장치(30)는 실시간으로 센싱 데이터를 구하여 간단한 비교만 수행하여 이상 여부를 감시하고, 원격 서버(40)는 센싱 데이터에서의 구성 설비의 영역을 구하거나, 임계값 등을 설정하거나 관리하는 등의 기능을 수행한다. 특히, 원격 서버(40)는 데이터 저장 용량이나 컴퓨팅 능력 등 뛰어난 성능을 가지고 있고, 감시 장치(30)는 현장에 설비된 장비로서 원격 서버(40)에 비하여 성능이 떨어질 수 있다. 이러한 성능 차를 감안하여, 원격서버(40)와 감시 장치(30) 간의 기능을 분담할 수 있다. 이하에서는, 감시 장치(30)에서 상기 모든 기능을 수행하는 것으로 설명한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 온도 센서(21)의 구성에 대하여 도 3 내지 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 적외선 온도 센서(21)는 단일 영역 또는 다중영역 적외선 온도센서로 구성한다. 다중영역 적외선 온도센서는 한 패키지 내에 시그널 컨디셔닝 회로와 메모리의 2개의 칩으로 구성한다. 또한, 적외선 온도 센서(21)는 대상 물체의 온도를 열영역으로 측정하는 적외선(IR) 센서와, 칩 주위 온도를 계측하는 절대온도비례(PTAT)를 포함한다.
구체적으로, 어레이 구조의 다중영역 적외선 센서를 적용하여 태양광 접속반의 열화 온도를 감시진단 할 수 있는 기능을 구비한다. 어레이 구조는 2×2, 3×3, 또는 4×4의 다중영역으로 구성할 수 있으며 펌웨어로 제어될 수 있도록 하는 구조로 설계가 가능하다. 한 예로서, 4×4 다중영역 적외선 센서의 경우, 16 픽셀구조의 저 잡음 증폭기와 고속의 AD 변환기(analog to digital converter)로 구성된다. 또한 절대온도비례(PTAT, Proportional To Absolute Temperature) 센서는 칩의 주위온도를 계측하기 위한 기능을 구비한다.
적외선(IR)과 절대온도비례(PTAT) 센서의 온도 출력은 내부 램(RAM)에 저장되며 집적회로간(I2C, Inter Integrated Circuit) 인터페이스를 통해서 액세스 할 수 있다. 적외선(IR) 센서 계측의 결과는 램(RAM) 안에 저장되고, 적외선(IR)과 절대온도비례(PTAT) 각각 16 비트의 해상도(resolution)을 갖는다. 본 발명에서는 외부의 마이크로 컨트롤러는 교정된 데이터를 기반으로 EEPROM 메모리 내에 저장된 외부의 다른 램(RAM) 데이터를 불러들이고, 화상 이미지를 구성하기 위해 센서 간의 차이를 보상하거나 화상 이미지의 각 픽셀의 온도를 계산한다.
이 후, 적외선 온도 센서(21)는 주위 온도를 계산하고, 픽셀 오프셋을 취소하고, 픽셀 간의 감도차를 보상하고, 물체 방사율을 보상하고, 최종적으로 물체 온도를 산출한다.
다중영역의 어레이의 재생률(refresh rate)은 집적회로간(I2C) 인터페이스를 통해서 프로그램이 가능하다. 재생률(refresh rate)의 변화는 적분시간과 잡음 대역폭에 대한 직접적인 영향을 준다. 따라서 재생률(refresh rate)은 0.5 Hz에서 64 Hz까지의 범위 안에서 프로그램이 가능하며, 속도와 정확도간의 트레이드-오프(trade-off)를 통해서 결정할 수 있다.
바람직하게는, 적외선 온도 센서(21)는 정상 모드와 스텝 모드로 구분한다.
정상 모드에서는 재생률(refresh rate)에 따라 센서 칩이 적외선(IR)과 절대온도비례(PTAT)를 계측하고 램(RAM) 내에 있는 데이터를 지정된 재생률(refresh rate)로 지속적으로 재생(refresh)한다.
스텝(Step) 모드에서는, 외부 마이크로 컨트롤러와 동기를 위한 모드이다.
계측 시작 명령어가 집적회로간(I2C) 버스를 경유하여 수신되면, 모든 적외선(IR)과 절대온도비례(PTAT) 센서의 계측이 이루어지고 칩은 대기상태로 들어간다.
적외선 온도 센서(21)는 각 온도를 측정하는 센싱 요소(적외선 센서 또는 PTAT 센서)를 슬레이브로 구동하고, 상기 슬레이브를 전체적으로 제어하거나 데이터를 수신하는 컨트롤러 등 마스터 디바이스로 구성한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 마스터 디바이스는 통신을 위해 클럭 신호(SCL, Serial Clock Line)을 제공한다. 직렬 데이터 라인(SDL, Serial Data Line)은 양방향으로 신호를 주고 받으며, 마스터에 의해서 또는 명령에 따라 슬레이브로서 구동된다.
직렬 데이터 라인(SDL) 선택은 집적회로간(I2C) 버스 사양에 따라 이루어진다. 직렬 데이터 라인(SDL)이 오픈 드레인 입출력(I0) 일 때, “0”은 라인을 강제로 낮은 전압(LOW)으로 설정함으로써 전송되며, “1"은 그것을 해제함으로써 전송된다. 데이터 전송 중에 데이터 라인은 클럭신호(SCL)가 낮은 전압(LOW) 일때만 변경될 수 있으며, 그렇지 않으면 그것은 시작(Start) / 정지(Stop) 상태로서 해석된다.
도 4와 같이, 클럭신호(SCL)와 직렬 데이터 라인(SDL)의 2개의 통신 핀이 있다. 클럭신호(SCL)는 직렬 데이터 라인(SDL)이 양방향 핀일 때 센서에 대해서 입력핀이다. 직렬 데이터 라인(SDL)은 오픈 드레인 구조로 결선되어야 한다.
집적회로간(I2C) 프로토콜은 별도의 번지 지정이나 칩 인에이블 신호에 대한 필요성 없이 다양한 주변 장치 등을 연결할 수 있도록 해준다.
두 개의 배선 SDL(Serial Data Line)와 SCL(Serial Clock Line)은 버스에 연결된 디바이스간의 정보를 전송한다. 각각의 디바이스는 그것이 컨트롤러 인지, 각 온도 센서 요소 인지 간에 유일한 어드레스에 의해서 인식되며 디바이스 기능에 따라서 트랜스미터 또는 리시버로서 동작한다. 컨트롤러 등 마스터 디바이스는 리시버로서 동작하고, 반면에 메모리는 전송된 데이터를 수신한다.
도 5의 표에서 보는 바와 같이, 트랜스미터와 리시버 기능 외에 데이터 전송을 수행할 때 디바이스들은 마스터와 슬레이브로 간주될 수 있다. 집적회로간(I2C) 버스는 멀티마스크 버스이며, 버스를 제어할 수 있는 여러 개의 디바이스가 집적회로간(I2C) 버스에 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
마스터가 일반적으로 마이크로 컨트롤러로 사용될 때, 집적회로간(I2C) 버스에 연결되는 두 개의 마이크로 컨트롤러 간에 데이터 전송의 경우를 고려하면 다음과 같다. 도 6은 2개의 마이크로 컨트롤러를 이용한 집적회로간(I2C) 버스 구성의 예를 보여주고 있다.
먼저, 마이크로 컨트롤러 A가 마이크로 컨트롤러 B의 정보를 전송하고자 할 때의 경우를 설명한다. 이때, 마이크로 컨트롤러 A(마스터)가 마이크로 컨트롤러 B(슬레이브)에 주소를 할당한다. 그리고 마이크로 컨트롤러 A(마스터-트랜스미터)는 마이크로 컨트롤러 B(슬레이브-리시버)에 데이터를 전송한다. 마지막으로, 마이크로 컨트롤러 A는 전송을 종료한다.
또한, 마이크로 컨트롤러 A가 마이크로 컨트롤러 B로부터 정보를 수신하고자 할 때를 설명한다. 이때, 마이크로 컨트롤러 A가(마스터)는 마이크로 컨트롤러 B(슬레이브)DP 주소를 할당한다. 그리고 마이크로 컨트롤러 A(마스터-리시버)가 마이크로 컨트롤러 B(슬레이브-트랜스미터)로 부터 데이터를 수신한다. 마지막으로, 마이크로 컨트롤러 A는 전송을 종료한다.
상기와 같이 동작하는 경우라도 마스터(마이크로 컨트롤러 A)는 타이밍을 발생시키고, 전송을 종료한다. 한 개 이상의 마이크로 컨트롤러가 I2C 버스에 연결된다는 것은 여 러개의 마스터가 동시에 데이터 전송을 시도할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 혼돈을 피하기 위해서는 I2C 버스에 I2C 인터페이스를 AND 연결함으로써 가능하다.
한편, 도 7에서 보는 바와 같이, 집적회로간(I2C) 버스 내에 안정적인 신호 전송을 위하여 스위치 풀업 회로를 구성한다. 즉, 공급전원(VDD)과 최대출력 로(LOW) 레벨(스위치가 로 레벨일 때의 최대출력)은 풀업저항 RP의 최소값을 결정한다. 예를 들어서 VDD = 5V ± 10% 이고, 3mA에서 VOL ( max ) = 0.4 V의 공급전압에서 RP(min) = (5.5 - 0.4)/0.003 = 1.7 KΩ이 된다.
RP 의 값은 최대 상승시간 tr 의 요구를 300ns로 충족시키기 위해서 최대 버스 커패시탄스를 약 200PF로 제한한다. 버스가 이 값보다 더 높은 커패시탄스를 갖는다면 스위치 풀업 회로를 도 7과 같이 설계한다.
한편, 한 예로서, 도 8에서 보는 바와 같이, 적외선 온도 센서(21)는 4×4 다중영역으로 구성하고, 영역 내의 각 셀에 대하여 LED 램프와 대응시켜, 램프의 색상으로 설정온도를 시각적으로 표시할 수 있다. 바람직한 일례로서, 도 9의 표와 같이, LED1 ~ LED16 각각에 대한 LED의 색은 사용자의 설정온도에 따라 주의, 경보, 차단의 3단계로 분류하여 색깔을 구분한다. 예를 들어 제1 개폐기의 온도가 40°C (LED1 ~ LED4), 제2 개폐기는 45°C (LED5 ~ LED12), 제3 개폐기는 60°C (LED13 ~ LED16) 라고 하면, 제1 개폐기의 LED 색상은 청색, 제2 개폐기는 녹색, 제3 개폐기는 적색으로 표시되어 관리자에게 직감으로 각 개폐기의 열화 온도 상태를 감지할 수 있도록 한다.
또한, 태양광 접속반(2)의 과열 열화 감지를 위해서 경제적인 가격으로 별도의 디스플레이 장치를 구성할 수 있다. 본 발명에서는 단일 포인트 또는 최대 16 포인트의 각각의 온도를 LED 색깔로 3등분하여 표시하고, 각 포인트의 온도를 평균한 평균온도를 표시함과 동시에 함 내부의 주위온도도 표시한다.
설비 기기의 영역을 R1, R2, R3로 설정하여 각 영역별 LED 램프의 색깔편차가 클 경우, 개폐기 등 설비 기기의 온도 불평형이 규정 값보다 크다고 진단되므로 이에 대한 주의, 경보, 차단들의 릴레이 접점을 출력할 수 있도록 한다.
또한, 각 포인트 전체 영역 또는 3개의 R1, R2, R3 영역 중에 LED의 동일한 색깔 분포가 늘어날 경우, 이는 해당 설비 기기의 열화가 진전됨을 의미하는 것으로 판단하여 릴레이 접점을 구동시켜 조치를 취하도록 한다.
또한, 여러 개의 LED중에 한 개 이상의 LED가 순간적으로 청색에서 적색으로 바뀔 경우, 이는 설비기기의 온도가 국부 과열되는 현상으로서, 하단의 알람 LED 램프를 깜박거리게 하여 주위 경보를 발하도록 한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(22)에 대하여 도 10 내지 도 20을 참조하여 설명한다.
비분산 적외선 가스 센서(22)는 가스분자가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성을 이용하여 가스의 적외선 흡수도를 측정하여 농도로 환산하는 방식이다.
도 10에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(22)는 가스를 측정하기 위해 적외선을 발광하는 적외선 광원(221); 기하학적으로 배치된 반사면을 구비하여 적외선 광원(221)으로부터 입사된 빛을 연속적으로 반사시키는 광공동(222); 및, 적외선 광량을 측정하는 광검출부(223)로 구성된다.
광공동(222)은 내부에 배치된 반사면을 통해 적외선 광을 다중 반사시키고, 다중 반사에 의하여 연장된 광경로(L)를 형성한다. 또한, 광공동(光空洞, optical cavity)(222)은 외부의 가스가 출입할 수 있는 공기 구멍(미도시)을 포함한다.
광검출부(223)는 광공동(222)에서 형성되는 광경로(L)의 종단에 위치하여, 광경로(L) 상의 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장대의 적외선 광량을 측정한다. 광검출부(223)는 NDIR 타입의 가스센서에 사용되는 통상적인 광센서로서, 서모파일(thermopile)로 구현 가능하다. 도 10에서 광 경로(L)를 통해 적외선 광원(221)의 적외선이 광검출부(223)에 도달하는 과정에서 가스 분자에 일부 흡수된다.
가스의 농도와 광검출의 양은 서로 반비례 관계를 갖는다. 즉, 가스의 농도가 높으면 흡수되는 적외선의 양이 많으므로, 광검출부(223)에서 검출되는 적외선 광량은 농도에 반비례하는 특성을 나타낸다. 광공동에 입사된 적외선이 가스상 물질에 의해서 흡수된 후 투과된 적외선 량은 베르-람베르트 법칙(Beer-Lambert law)에 의해 지배를 받는다. 이것을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
[수학식 3]
여기서, Id 는 투과광량이고, I0 는 입사광량이다. 또한, α는 측정가스의 흡수율로서 고유상수이고, x는 성분농도이고, L은 광경로 길이(또는 투과 길이)이다.
한편, 수학식 3을 초기 평행광의 반경(ri)으로 광 공동 내에서 두 번의 반사를 통하여 집속된 광의 반경(rs)에 관하여 정리하면 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
주위의 온도보다 높은 온도를 지닌 물체는 열방산(thermal radiation)을 하게 되고, 단위면적당 방사되는 열에너지는 스테판-볼쯔만(Stefan-Boltzmann) 법칙을 따르게 되며, 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
또한, 광검출부(223)의 전단부에 조사되는 적외선 광량(RT)은 수학식 3에서 제시된 스테판-볼쯔만(Stefan-Boltzmann) 식의 광 강도와 동일한 개념을 갖고 있음으로, 수학식 4와 5를 정리하면 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
한편, 상온(Tamb .)에서 온도 T2의 적외선을 흡수하는 실리콘 열전쌍의 열기전력은 수학식 7과 같이 표현된다.
[수학식 7]
따라서 수학식 6과 7을 연관시켜 적외선 광 강도와 온도에 따른 실리콘 써모파일의 출력 전압간의 관계를 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 8]
여기서, η는 비례계수이다.
상기 수학식 8은 적외선 가스센서의 제작 시 특정파장의 투과를 위해 사용된 협 대역통과 필터(narrow bandpass filter)의 고유특성(3.3 ㎛의 메탄가스 흡수파장을 중심으로 74 nm의 반치폭을 갖고 적외선을 투과시킴)으로 인해 측정가스의 존재 유무와 관련 없이 조사된 적외선에 대응한 일정 전압을 출력하기 때문에 이에 따른 영향을 고려하여야 하며, 이를 고려한 수식을 제시하면 수학식 9와 같다.
[수학식 9]
단, Vout 은 측정가스의 양에 따른 출력전압[V]이고, Voffset 은 협대역 통과 필터의 특성에 따른 출력전압[V]이다. α는 검출가스의 흡수율, x는 가스농도이고, L은 광경로의 길이이다.
따라서 수학식 9에서 측정대상 가스의 농도 x를 수학식 10과 같이 구할 수 있다.
[수학식 10]
수학식 10에서, V, Voffset 는 모두 측정되는 값이고, α, L은 주어지는 상수이다. 따라서 비례계수 η만 주위 온도에 의해 변화될 수 있는 계수이다.
따라서 비례계수 η를 온도변화에 맞도록 보정하면 된다. 이를 위해, 비례계수와 주위 온도(주변 온도)에 대한 식을 다음과 같이 설정한다.
[수학식 11]
이때, a, b, c는 비례상수이다.
비례상수 a, b, c는 실험을 통해 값을 구한다. 도 11은 온도 15 ℃에서 35 ℃로 증가시키면서 측정한 데이터의 온도인자를 수식으로 유도하기 위해 각 온도별 측정값으로부터 비례상수 η에 대한 그래프를 나타낸 것이다. 이들 각 온도에 따른 파라미터를 분위기 온도 의존성 식으로 표현하면, 수학식 12와 같다.
[수학식 12]
한편, 주변 온도 Tamb .는 상기 적외선 온도 센서(21)에서 측정한 열영역 영상의 각 픽셀 값을 평균하여 구한다. 또는 적외선 온도 센서(21)에 구성된 절대온도비례 센서(PTAP 센서)에 의해 측정된 주변 온도들을 평균한 값으로 구한다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하α였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 하우징 11 : 구성 설비
20 : 센서부 21 : 적외선 온도 센서
22 : 비분산 적외선 가스 센서
30 : 감시 장치 40 : 원격 서버
221 : 적외선 광원부 222 : 광공동
223 : 광검출부
20 : 센서부 21 : 적외선 온도 센서
22 : 비분산 적외선 가스 센서
30 : 감시 장치 40 : 원격 서버
221 : 적외선 광원부 222 : 광공동
223 : 광검출부
Claims (7)
- 태양광 발전 시스템 접속반의 하우징 내부에서 온도 및 가스를 측정하여 전기화재를 감지하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반에 있어서,
상기 하우징 내부의 온도를 감지하여 열영역 영상 및 주변 온도를 획득하는 적외선 온도 센서 및, 적외선 영역에서 기체 분자가 갖는 흡수 스펙트럼의 성질을 이용하여 특정 기체의 농도를 검출하여 가스 농도를 감지하는 비분산 적외선 가스 센서 또는 화학방식의 반도체 가스 센서로 구성되는 센서부; 및,
상기 센서부에서 검출된 온도 및 가스 농도를 분석하여 상기 접속반의 하우징 내부에 화재 발생 또는 이상 유무를 판단하는 감시장치를 포함하고,
상기 적외선 온도 센서는,
단일 또는 다중 영역의 픽셀 구조로 구성되어 적외선에 의해 온도를 측정하는 적외선 센서; 및,
상기 적외선 온도 센서의 주위 온도를 계측하는 절대온도비례 센서로 구성되고,
상기 적외선 온도 센서는 단일 또는 다중영역으로 구성하고, 상기 다중영역의 각 셀 내의 센서들을 집적회로간(I2C) 버스를 통해 연결하여 센싱된 측정값들을 전송하고, 상기 각 셀의 센서들에 대한 재생률은 0.5 Hz에서 64 Hz까지의 범위 내에서 결정하는 것을 특징으로 하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반.
- 제1항에 있어서,
상기 비분산 적외선 센서는 상기 접속반 하우징 내부에 발생하는 가스를 측정하되, 가스의 농도를 다음 [수식 1]에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반.
[수식 1]
단, x는 가스농도이고, V 는 측정가스의 양에 따른 출력전압[V]이고, Voffset 은 협대역 통과 필터의 특성에 따른 출력전압[V]이고, α는 검출가스의 흡수율, L은 광경로의 길이이고, η는 비례계수임.
- 제2항에 있어서,
상기 비례계수 η는 다음 [수식 2]에 의해 산출하되, 비례상수 a, b, 및 c는 실험을 통해 사전에 정해지는 상수인 것을 특징으로 하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반.
[수식 2]
단, Tamb .는 주변 온도이고, a, b, c는 비례상수임.
- 제3항에 있어서,
상기 주변 온도 Tamb .는 상기 적외선 온도 센서에서 측정한 열영역 영상의 각 픽셀 값을 평균하여 구하는 것을 특징으로 하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반.
- 제1항에 있어서,
상기 감시 장치는 상기 적외선 온도 센서에서 측정된 열영역 영상의 각 픽셀 값들을 평균하고, 상기 평균한 값이 사전에 정해진 기준 온도 이상이거나, 상기 비분산 적외선 가스 센서에서 측정한 가스 농도가 사전에 정해진 기준 농도 이상이면, 상기 하우징 내부에 화재를 감지한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 집적회로간(I2C) 버스 내에 안정적인 신호 전송을 위하여 스위치 풀업 회로를 구성하되, 상기 스위치 풀업 회로의 풀업저항 RP의 최소값은 공급전원(VDD)과 로(LOW) 레벨 일때의 최대출력에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 전기화재 감시진단 기능을 구비한 태양광 접속반.
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| KR101533439B1 true KR101533439B1 (ko) | 2015-07-16 |
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