KR102458512B1 - 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수 개의 C 형강을 포함하는 태양광 발전 구조물에 진동발생장치와 진동감지기를 설치하고, 이로부터 태양광 발전 구조물의 위치별 진동 데이터를 획득하고, 이를 분석하여 태양광 발전 구조물의 각 위치의 안전성을 판단한다. 내부가 비어 있는 C 형강을 사용함으로써, 진동발생장치로 발생한 진동이 태양광 발전 구조물을 따라 잘 전달되고, 위치별로 다르게 전달되는 진동 특성에 따라 진동 데이터를 파악함으로써, 태양광 발전 구조물의 하자 영역을 파악할 수 있다. 따라서 태양광 발전 구조물에 하자가 발생하여 태양광 발전 시스템의 파손으로 이어지기 전에 태양광 발전 구조물의 이상여부를 확인하여 하자 영역에 대한 부분 조치만 취하면 되므로 신속한 대응이 가능하고, 전체 수리를 안 해도 되므로 비용이 절감된다. 이로 인해, 태양광 발전 구조물에 설치되는 태양전지모듈의 수명에 맞추어 태양광 발전 구조물도 안전하게 유지관리할 수 있다.

Description

태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법{Real-time safety diagnosis method of photovoltaic power generation structures}

본 발명은 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법 및 모니터링 방법에 관한 것이다.

태양광 발전은 신재생에너지의 대표적 전력원으로 무한공급이 가능한 청정에너지이다.

일반적으로 태양광 발전 시스템은 지반에 설치되는 태양광 발전 구조물과, 태양광 발전 구조물에 설치되는 다수 개의 태양전지모듈들과, 태양전지모듈들에 연결되어 태양전지모듈들에서 발생되는 전기를 모으는 배선시스템과, 배선시스템을 통해 공급되는 전기를 변환시켜 AC전력부하에 공급하거나 상용전력계통으로 공급하는 접속반 및 인버터로 구성된다.

태양광 발전 구조물은 태양광 발전 시스템에 조정되는 지반에 수직 방향으로 설치되는 다수 개의 수직프레임과, 수직프레임에 수평 방향으로 설치되는 다수 개의 수평프레임들을 포함하며, 수평프레임은 태양전지모듈들을 지지할 수 있도록 수직프레임에 결합되는 복수 개의 형강들로 구성된다.

태양전지모듈의 수명이 유지되는 한, 태양광 발전 구조물의 수명도 태양전지모듈의 수명에 맞게 유지되어야 한다. 그러나, 조립 불량이나 노화 또는 눈, 비, 태풍과 같은 강한 바람과 같은 환경적 요인으로 인해 태양광 발전 구조물에 구조적 위험이 발생하게 된다.

그러나, 태양광 발전 구조물에 발생된 이러한 하자를 발견하기가 쉽지 않다. 이러한 태양광 발전 구조물의 하자는 태양광 발전 구조물의 붕괴 또는 파손을 일으키고, 이는 태양전지모듈의 파손으로 이어질 수 있어 피해가 커진다. 그러나, 종래에는 건물의 전기적 구조적 안전진단에 관한 기술은 많이 알려져 있으나, 태양광 발전 구조물에 적합한 안전진단에 관한 기술은 부족한 실정이다.

한국등록특허(10-1766540)

본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법 및 모니터링 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법 및 모니터링 방법은,

복수 개의 C 형강을 포함하는 태양광 발전 구조물에 진동발생장치를 설치하고, 상기 진동발생장치를 통해 진동을 발생시켜 상기 태양광 발전 구조물로 진동을 전달하는 제1단계;

상기 진동발생장치에서 이격된 거리의 상기 태양광 발전 구조물에 진동감지기를 설치하고, 상기 진동감지기를 통해 상기 태양광 발전 구조물로 전달된 진동을 감지하는 제2단계;

위치별 진동 데이터를 파악하고, 상기 위치별 진동 데이터를 미리 수집 저장된 위치별 초기 진동 데이터와 비교, 분석하여 상기 태양광 발전 구조물의 안전여부를 판독하는 제3단계; 및

상기 위치별 진동 데이터를 실시간으로 모니터링하는 제4단계를 포함하며,

상기 진동발생장치는 C 형강으로 이루어지지 않은 태양광 발전 구조물에 설치되고, 상기 진동감지기는 C 형강으로 이루어진 태양광 발전 구조물에 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 복수 개의 C 형강을 포함하는 태양광 발전 구조물에 진동발생장치와 진동감지기를 설치하고, 이로부터 태양광 발전 구조물의 위치별 진동 데이터를 획득하고, 이를 분석하여 태양광 발전 구조물의 각 위치의 안전성을 판단한다. 내부가 비어 있는 C 형강을 사용함으로써, 진동발생장치로 발생한 진동이 태양광 발전 구조물을 따라 잘 전달되고, 위치별로 다르게 전달되는 진동 특성에 따라 진동 데이터를 파악함으로써, 태양광 발전 구조물의 하자 영역을 파악할 수 있다. 따라서 태양광 발전 구조물에 하자가 발생하여 태양광 발전 시스템의 파손으로 이어지기 전에 태양광 발전 구조물의 이상여부를 확인하여 하자 영역에 대한 부분 조치만 취하면 되므로 신속한 대응이 가능하고, 전체 수리를 안 해도 되므로 비용이 절감된다. 이로 인해, 태양광 발전 구조물에 설치되는 태양전지모듈의 수명에 맞추어 태양광 발전 구조물도 안전하게 유지 관리할 수 있다.

본 발명은 진동발생장치와 진동감지기를 통해 획득한 위치별 진동 데이터를 위치별 초기 진동 데이터와 비교하여 실시간으로 모니터링한다. 이와 같은 지속적인 모니터링을 통해서 태양광 발전 구조물의 각 위치의 상태를 추적관찰하며 아직 하자로 판단되지는 않았지만 발생가능성이 있는 위치를 사전에 파악하여 태양광 발전 시스템의 파손에 대비할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법 및 모니터링 방법을 나타낸 순서도다.
도 2는 태양광 발전 구조물을 나타낸 도면이다.
도 3은 진동발생장치, 진동감지기, 제어부를 나타낸 도면이다.
도 4는 위치별 초기 진동 데이터를 나타낸 그래프다.
도 5는 태양광 발전 구조물의 A영역, B영역에 하자가 발생한 경우 위치별 진동 데이터(점선)를 위치별 초기 진동 데이터(실선)와 비교하여 나타낸 그래프다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법 및 모니터링 방법을 자세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법 및 모니터링 방법은,

복수 개의 C 형강을 포함하는 태양광 발전 구조물에 진동발생장치를 설치하고, 상기 진동발생장치를 통해 진동을 발생시켜 상기 태양광 발전 구조물로 진동을 전달하는 제1단계(S10);

상기 진동발생장치에서 이격된 거리의 상기 태양광 발전 구조물에 진동감지기를 설치하고, 상기 진동감지기를 통해 상기 태양광 발전 구조물로 전달된 진동을 감지하는 제2단계(S20);

위치별 진동 데이터를 파악하고, 상기 위치별 진동 데이터를 미리 수집 저장된 위치별 초기 진동 데이터와 비교, 분석하여 상기 태양광 발전 구조물의 안전여부를 판독하는 제3단계(S30); 및

상기 위치별 진동 데이터를 실시간으로 모니터링하는 제4단계(S40)로 구성된다.

이하, 제1단계(S10)를 설명한다.

[태양광 발전 구조물(1)]

태양광 발전 구조물(1)은 태양전지모듈(2)과 결합되어, 태양전지모듈(2)을 지반으로부터 지지한다.

태양광 발전 구조물(1)은 목적에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 기본적으로 태양광 발전의 구조물(1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 지반에 수직 방향으로 설치되는 다수 개의 수직프레임과, 수직프레임에 수평 방향으로 설치되는 다수 개의 수평프레임들이 서로 연결되어 형성된다.

본 실시예에서 태양광 발전 구조물(1) 중 지반에 고정되는 하부 수직프레임은 원형 형강, 사각 형강과 같은 형강으로 형성되지만, 태양광 발전 구조물(1)의 상부를 구성하는 수직프레임과 수평프레임은 단면이 C 형상으로 형성된 형강인 C 형강(3)으로 형성된다.

태양광 발전 구조물(1)의 상부를 구성하는 수직프레임과 수평프레임을 C 형강(3)으로 만드는 이유는, C 형강(3)은 내부가 비어 있어 태양전지모듈를 설치할 때 C 형강(3)에 구멍을 뚫어 볼트를 체결하는데 편리하다. 또한, C 형강(3)은 내부가 비어 있어, 가볍고, C자 형상을 가지고 있어, 진동이 잘 전달된다는 특성을 가지고 있어, 이러한 C 형강(3)의 진동 전달 특성을 본 발명에 이용한 것이다.

[진동발생장치(10)]

태양광 발전 구조물(1)에 진동발생장치(10)를 설치한다.

진동발생장치(10)는 C 형강(3)으로 이루어지지 않은 태양광 발전 구조물(1)에 설치된다. 따라서 진동발생장치(10)는 태양광 발전 구조물(1)의 하부인 수평프레임이나 수직프레임에 설치되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 진동발생장치(10)는 C 형강(3)으로 이루어지지 않은 태양광 발전 구조물(1)의 하부에 설치하고, 후술하는 진동감지기(20)는 태양광 발전 구조물(1)에 설치된 태양전지모듈(2)에 인접한 C 형강(3) 부분에 설치함으로써, 진동이 태양광 발전 구조물(1) 전체로 잘 퍼져나갈 수 있다. 이로 인해, 태양전지모듈(2) 부근의 태양광 발전 구조물(1)의 하자를 발견하기 쉽다.

본 실시예에서는 한 개의 진동발생장치(10)를 설치한다. 그러나, 태양광 발전 구조물(1)의 규모에 따라 복수 개의 진동발생장치(10)를 설치할 수도 있다.

진동발생장치(10)는 모터의 회전축에 편심 고정된 회전핀의 원심력에 의해 진동을 발생시키는 모터 구동 방식으로 형성된다. 모터 구동 방식은 편심 회전 운동을 통해 진동력을 얻거나 직선왕복 운동력을 통해 진동력을 얻는 것이다.

또는, 진동발생장치(10)는 인가되는 전기신호(전원)에 의해 자기력을 발생시키는 코일 내측에서 직선 운동하는 진동자가 진동을 발생시키는 솔레노이드 방식으로 형성된다. 솔레노이드 방식은 코일을 중심으로 자기력에 의해 움직이는 금속재 진동자와, 바깥을 감싸고 있는 케이스 그리고 코일 안의 코어에 해당하는 자성재료로 자기회로가 형성된다. 코일에 전류가 인가되면 코일을 둘러싸고 있는 자기회로에 자속이 흐르게 되고, 자기회로의 자속은 진동자에 자기력을 발생시켜 진동을 발생시킨다.

물론, 진동발생장치(10)는 이에 한정되지 않으며, 그 밖에 공지된 기술을 이용하여 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

[진동 발생]

진동발생장치(10)에서의 진동은 제어부(30)에 의해 제어된다. 진동발생장치(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 유무선 통신망을 통해 제어부(30)에 연결된다.

제어부(30)는 기상정보를 획득하여, 획득된 기상정보에 따라 진동발생장치(10)로부터 진동을 발생시킨다. 기상정보는 기상청(40)으로부터 제공받거나 태양광 발전 구조물(1)에 기상정보를 측정할 수 있는 환경센서(40)를 설치하여 획득할 수 있다.

획득된 기상정보에 따라, 눈, 비, 바람 등과 같은 이상 기상상황이 포착되면 진동 데이터를 획득하기 위한 진동을 발생시키지 않고, 기상상태가 좋은 경우 진동발생장치(10)로부터 진동을 발생시킨다. 왜냐하면, 태양광 발전 구조물(1)에 눈이나 비가 쌓이거나 바람이 부는 경우 진동 주파수가 바뀔 수 있어 진동 데이터가 부정확하게 측정될 수 있기 때문이다.

진동발생장치(10)를 통해 발생된 진동은 C 형강(3)과 기타 형강들이 서로 연결되어 구성된 태양광 발전 구조물(1)을 따라 전달된다.

이하, 제2단계(S20)를 설명한다.

태양광 발전 구조물(1)에 태양광 발전 구조물(1)을 통해 전달된 진동을 감지하는 진동감지기(20)를 설치한다.

진동감지기(20)는 진동발생장치(10)에서 이격된 곳으로 태양광 발전 구조물(1)의 상부에 설치한다. 바람직하게는 태양광 발전 구조물(1)에 설치된 태양전지모듈(2)에 인접한 C 형강(3) 부분에 진동감지기(20)를 설치한다.

본 실시예에서는 한 개의 진동감지기(20)를 설치한다. 그러나, 태양광 발전 구조물(1)의 규모에 따라 복수 개를 설치할 수도 있다. 예를 들어, 태양광 발전 구조물(1)이 100kg 이상의 무게가 나가는 규모를 가질 때에는 하나 이상의 진동감지기(20)를 태양광 발전 구조물(1)의 상부에 위치되는 C 형강(3)에 설치한다. 복수 개의 진동감지기(20)를 설치하는 경우 서로 이격된 위치에 설치하는 것이 바람직하다.

진동감지기(20)는 진동측정센서, 전원, 통신부 등으로 구성된다. 진동측정센서는 저주파수 영역에서 고주파수 영역의 영역대를 감지할 수 있는 복합센서로서 태양광 발전 구조물(1)의 위치마다 다르게 나타나는 다양한 주파수 영역을 감지할 수 있다.

이하, 제3단계(S30)를 설명한다.

제3단계(S30)는,

위치별 초기 진동 데이터를 수집, 저장하는 제3-1단계;

위치별 진동 데이터를 주기적으로 수집, 저장하고, 상기 위치별 초기 진동 데이터와 비교하여 이상 위치를 판단하는 제3-2단계; 및

판단된 상기 이상 위치를 관리자에게 통보하는 제3-3단계로 구성된다.

제3-1단계

진동감지기(20)에서 감지된 진동 데이터는 유무선 통신망을 통해 제어부(30)에 전달된다.

태양광 발전 구조물(1)이 설치되면, 초기의 안전상태에서 태양광 발전 구조물(1)의 위치별 초기 진동 데이터가 제어부(30)에 수집되어 저장된다. 위치별 초기 진동 데이터는 기상조건이 좋은 날 즉, 눈, 비, 바람 등과 같은 이상 기상상황이 없는 날 수집되는 것이 바람직하다.

진동발생장치(10)에서 진동이 발생되면 발생된 진동은 서로 연결된 태양광 발전 구조물(1)을 타고 각 부분으로 전달되어 진동감지기(20)에서 진동을 감지하게 된다. 이때, 진동감지기(20)에서 감지되는 주파수와 진폭은 진동이 통과한 태양광 발전 구조물(1)의 위치에 따라 다르게 나타난다.

도 4에 도시된 바와 같이, 측정된 주파수 대역에 따라 A영역, B영역, C영역 등 태양광 발전 구조물(1)의 위치를 구분한다. 예컨대, A영역, B영역, C영역은 태양광 발전 구조물(1)의 상부 영역, 중부 영역, 하부 영역일 수 있다. 이때, 진동의 주파수 영역(스펙트럼)은 FFT(Fast Fourier Transform, 고속 푸리에 변화) 등을 이용하여 해석될 수 있다.

이와 같이, 태양광 발전 구조물(1)의 초기 안전 상태에서 측정되는 각 위치별 초기 진동 데이터를 수집하여 저장한다. 위치별 초기 진동 데이터는 이후 안전성을 판단하기 위한 기준이 된다.

제3-2단계

진동감지기(20)에서 전송된 진동 데이터를 제어부(30)에서 주기적으로 수집하여 저장한다. 전송된 진동 데이터의 주파수 대역에 따라 태양광 발전 구조물(1)의 위치를 파악할 수 있다.

주파수 대역에 따라 위치가 파악된 위치별 진동 데이터를 위치별 초기 진동 데이터와 비교한다.

시간이 지남에 따라 태양광 발전 구조물(1)이 노후되거나 파손되어 태양광 발전 구조물(1)에 크랙, 부식, 휨 등의 이상상태가 발생하게 되면 진동 데이터는 변하게 된다.

일예로, 도 5는 태양광 발전 구조물(1)의 A영역, B영역에 하자가 발생한 경우 위치별 진동 데이터(점선)를 위치별 초기 진동 데이터(실선)와 비교하여 나타낸 것이다. 도 5를 보면, 하자가 발생한 위치의 진동 데이터의 진폭이 초기 진동 데이터의 진폭보다 높아지거나 낮아지는 등 초기 진동 데이터의 범위를 벗어난 것을 확인할 수 있다.

진동 데이터의 변동 범위가 미리 설정된 범위를 벗어나면 제어부(30)는 이 위치를 이상 위치로 판단하게 된다.

태양광 발전 구조물(1)의 크랙, 부식, 휨 등과 같은 다양한 하자 유형에 따른 진동 데이터의 변화를 미리 수집해 놓은 경우, 위치뿐만 아니라 하자의 유형도 사전에 파악할 수 있다.

제3-3단계

이상 위치가 판단되면, 제어부(30)에서는 태양광 발전 구조물(1)의 해당 위치의 이상여부를 관리자에게 통보한다.

제어부(30)는 PC 또는 스마트폰과 같은 관리자의 단말기와 통신망을 통해 통신한다. 태양광 발전 구조물(1)의 해당 위치의 이상여부는 관리자의 단말기로 전송되고, 관리자는 단말기의 디스플레이를 통해서 진동 데이터를 확인할 수 있다.

관리자는 진동 데이터를 확인하고 태양광 발전 구조물(1)의 이상에 대해 조치를 취할 수 있다.

이하, 제4단계(S40)를 설명한다.

태양광 발전 구조물(1)의 이상여부에 대한 결과를 통보하는 것과 별개로, 수집, 저장된 위치별 진동 데이터는 위치별 초기 진동 데이터와 함께 실시간으로 관리자의 단말기로 전송된다. 이러한 데이터는 빅데이터로 구축된다.

단말기의 디스플레이는 위치별 초기 진동 데이터와 함께 실시간 위치별 진동 데이터를 비교 표시한다. 관리자는 이를 통해 태양광 발전 구조물(1)의 위치별 진동 데이터를 위치별 초기 진동 데이터와 비교하며 진동 데이터의 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있다.

이와 같은 지속적인 모니터링을 통해서 태양광 발전 구조물(1)의 각 위치의 상태를 추적관찰하며 아직 하자로 판단되지는 않았지만 발생가능성이 있는 위치를 사전에 파악하여 사고에 대비할 수 있다.

1: 태양광 발전 구조물 3: C 형강
10: 진동발생장치 20: 진동감지기
30: 제어부 40: 기상청 또는 환경센서

Claims (19)

1. 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법에 있어서,
   상기 태양광 발전 구조물 중 지반에 고정된 하부 수직프레임은 단면이 원형 또는 사각인 형강으로 형성되고,
   상기 태양광 발전 구조물 중 상부에 위치된 수직프레임과 수평프레임은, 태양전지모듈을 지지하고, 단면이 ㄷ자인 C 형강으로 형성되고,
   상기 하부 수직프레임에는 한 개의 진동발생장치가 설치되고,
   상기 수직프레임 또는 상기 수평프레임에는 진동감지기가 설치되며,
   기상정보를 획득하여, 획득된 기상정보에 따라 상기 진동발생장치를 통해 능동적으로 진동을 발생시켜, 상기 하부 수직프레임을 거쳐, 상기 수직프레임 및 상기 수평프레임으로 진동을 전달하고,
   상기 수직프레임 및 상기 수평프레임에 전달된 진동을 상기 진동감지기로 감지하는 제1단계; 및
   상기 진동감지기로부터 수집된 진동데이터를, 기 수집된 초기 진동데이터와 비교, 분석하여, 상기 수직프레임 및 상기 수직프레임의 이상여부를 판독하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법.
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12. 제1항에 있어서,
    상기 진동감지기는 진동측정센서, 전원, 통신부를 포함하며, 상기 진동측정센서는 저주파수 영역에서 고주파수 영역의 영역대를 감지할 수 있는 복합센서인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법.
13. 제1항에 있어서,
    상기 진동감지기는 한 개 또는 복수 개인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 구조물의 실시간 안전진단 방법.
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