KR20050121240A - 태양광 발전기에 대한 성능 모니터 - Google Patents

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KR20050121240A
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Abstract

본 발명은 건물에 설치되어 태양전지 배열을 포함하는 태양광 발전기의 성능을 모니터링하기 위한 방법과 장치에 대한 것이다. 일 실시형태에서, 장치는 태양광 조사도의 표시 신호를 제공하는 장치, 적어도 조사도 신호와 배열로부터 부하에 제공되는 전력량의 측정값을 이용하여 작동 성능 신호를 계산하기 위한 회로소자, 성능 신호를 방송하기 위한 라디오 그리고 라디오로부터 성능 신호를 수신하고 성능신호, 전력 생산량, 전력 사용량을 시각적으로 표시하기 위한 휴대용 유닛을 포함한다.

Description

태양광 발전기에 대한 성능 모니터{PERFORMANCE MONITOR FOR A PHOTOVOLTAIC SUPPLY}
본 발명은 태양광을 전기로 전환시키기 위한 방법과 장치에 관한 것으로 특히 태양광 발전기(photovoltaic power supply)의 성능을 표시하기 위하여 사용되는 방법과 장치에 관한 것이다. 본 특허는 "PV 성능 모니터"라는 발명의 명칭으로 2003년 4월 4일 출원된 미국특허 제 60/460,502 를 기초로 우선권을 주장한다.
태양광 모듈(photovoltaic module, PV module)은 태양광 전기 시스템의 기초가 되는 단위이다. 태양광 모듈은 유리로 된 덮개와 비바람을 막기 위한 지지대 사이에 감싸여지는 서로 연결된 셀(cell)들로 이루어진다. 모듈은 일반적으로 얹기에 적합한 알루미늄 프레임에 짜맞추어 진다. 태양판(solar panel)이라는 단어는 태양광 모듈을 일컫는데 자주 사용된다. 또한 같은 표현이 태양을 이용한 물 가열 시스템에 관련하여 사용되므로 혼동을 피하기 위하여 "태양광 모듈"이 선호된다.
태양광 발전 시스템의 출력에 영향을 미치는 인자는 사용자가 전체 시스템 출력에 대한 기대치와 시간에 따라 변화하는 날씨 조건아래에서 경제적 이익을 가질 수 있도록 이해되어야 한다. 태양광 모듈에 의해 발생되는 유용한 전기의 양은 변환영역에 비추어지는 광에너지의 강도에 따라 직접적으로 발생된다. 따라서 사용가능한 태양광이 클수록 발전될 수 있는 전기의 양은 커진다. 예를 들면 열대지방에서는 고위도 지방에서 보다 전기의 발전에 필요한 더 많은 태양광을 더 많이 얻을 수 있다. 또한 태양광 발전 시스템은 밤에는 전기를 발전시킬 수 없고 모듈이 그늘지지 않게 하는 것이 중요하다. 만일 전기가 주간 이외에 필요한 경우이거나 날씨가 나쁜 기간이 연장될 것으로 예상되는 경우에는 저장장치가 필수적이다.
재료
무엇 보다도 태양광 모듈의 성능은 셀의 재료에 달려있다. 비정질 실리콘으로 된 모듈의 변환효율은 6~8%이지만, 다결정 실리콘의 모듈은 약 15%의 변환효율을 갖게된다. 단결정 실리콘 모듈의 효율은 가장 높아서 약 16%이다. 모듈의 일반적인 크기는 0.5×1.0 ㎡과 0.33×1.33 ㎡으로 약 36개의 태양전지(PV cell)로 이루어진다.
표준시험조건(standard test condition, STC)
태양광 모듈은 DC전류를 발생시킨다. 발생된 DC전류는 표준시험조건(STC)하에서 제조자에 의해 평가된다. 표준시험조건은 제조되는 공장에서 쉽게 만들어지고, 제품에 대한 지속적인 비교가 허용된다. 그러나, 일반적인 외부에서의 작동상태하에서의 발생전류로 평가되기 위해서는 보정이 필요하다. 표준시험조건은 태양전지의 온도 25℃, 태양광 조사량 1000 W/㎡ (보통 맑은 날 여름 정오의 태양광 강도에 유사한 최대 태양광 강도), 대기의 1.5 배를 통과하여 여과된 태양광 스펙트럼(ASTM 표준 스펙트럼)이다. 제조자는 표준조건하에서 100 와트의 전류가 발생되는 태양광 모듈에 대해서 "100와트 모듈"이라고 말한다. 이러한 모듈은 자주 ±5%의 신뢰도로 평가되는데 이는 모듈이 95 와트의 전류를 발전시키더라도 여전히 "100 와트 모듈"로 불리게 된다. 보수적으로는, 생산되는 전력 범위의 하한치를 시작점으로 사용하는 것이 가장 좋을 것이다(100 와트 모듈에 있어 95 와트). 도 1 은 전압이 단락된 경우(부하가 없는 경우)부터 개방회로(최대 전압)까지 증가하는 경우 태양전지로부터 얻어지는 전류 대 전압의 그래프이다. 그래프의 모양은 전지의 성능을 나타낸다. 이는 "제조성능" 또는 이상상태에서의 태양전지 성능이라고 할 수 있다.
스펙트럼
태양광 장치로부터 발생되는 전류는 태양광의 스펙트럼 분포에 의해 영향을 받는다. 이는 태양광의 스펙트럼 분포는 일출과 일몰시에는 붉은 빛이 강하지만, 정오에는 파란 빛이 강하여 주간 동안에 변화하는 것으로 일반적으로 이해된다. 스펙트럼의 변화가 성능에 미치는 정도는 고려되는 태양광 기술에 따라 현저한 차이를 나타낸다. 어떤 경우에도 스펙트럼의 변화는 하루의 시간에 의존적인 성능에 구조적인 영향을 미치게 된다. 유사하게, 태양광 모듈이나 수평면일사계(pyranometer)의 광학적 성질은 태양광의 입사각과 관련하여 그 성능에 구조적인 영향을 미칠 수 있다.
온도
모듈로부터 발생되는 전류는 모듈의 온도가 증가할수록 감소한다. 지붕에서 작동하는 경우 태양광 모듈은 내부온도가 50 내지 75℃에 이를 정도로 충분히 가열될 것이다. 결정화된 모듈에 대해서 CEC에 의해 추천되는 일반적인 온도에 따른 감소 인자는 89% (0.89)이다. 따라서, "100 와트 모듈"은 일반적으로 약 85 와트(95 와트×0.89 = 85 와트)에서 작동될 것이다. 태양광 모듈이 과열되지 않도록 하기 위해서, 공기가 모듈 주위를 자유롭게 흐를 수 있도록 장착하는 것이 필수적이다. 이는 낮 시간에 온도가 많이 올라가는 경향이 있는 지방에서는 매우 중요한 고려사항이다. 이상적인 태양광 전기 발생 조건은 차갑고, 밝고, 맑은 날이다.
오염과 먼지
오염과 먼지는 태양광 모듈의 표면에 쌓일 수 있고, 태양광을 가려 발전되는 전류를 감소시킬 수 있다. 캘리포니아의 대부분은 우기와 건기가 있다. 비록 일반적인 오염이나 먼지는 우기 중에는 씻겨지지만, 건기중에 형성되는 먼지 등으로 인한 효율의 감소를 고려하여 평가하는 것이 보다 현실적이다. 사용에 따른 일반적인 연간 먼지로 인한 효율의 감소인자는 93%(0.93)이다. 따라서, 어느 정도 먼지 등이 쌓인 상태에서 작동되는 "100 와트 모듈"은 평균적으로 약 79 와트(85 와트×0.93=79 와트)를 발전시키게 된다.
모듈간의 부조화와 배선에서의 손실
PV 모듈의 연결에 따른 최대 발생 전력은 항상 개개의 모듈의 최대 발전양의 총합보다 작다. 이러한 차이는 하나의 모듈과 이웃의 모듈간에 성능에 있어 미세한 차이로 인한 것으로 이를 "모듈 부조화(module mismatch)"라 하고 발생전력에서 적어도 2%의 손실을 일으킬 수 있다. 전력의 손실은 또한 시스템 내의 배선에 의한 저항으로 인해서도 발생한다. 이러한 손실은 최소한으로 이루어져야 하는데, 이를 3% 이하로 유지하기가 어려울 경우가 많다. 이러한 손실로 인한 감소인자는 합리적으로 95%(0.95)이다.
DC 에서 AC 로 변환에 따른 손실
태양광 모듈에 의해 발생되는 DC전류는 전환기를 이용하여 일반적인 가정에서 쓰이는 AC전류로 전환되어야 한다. 이러한 전환 과정에서 얼마간의 전력의 손실이 있게 되고 지붕 위에 설치된 시스템으로부터 아래에 있는 전환기 그리고 가정에서의 계기판(house panel)에 이르는 배선에서의 추가적인 손실이 발생하게 된다. 주택에 적합한 태양광 발전 시스템에 사용되는 최근의 전환기는 제조자에 의한 표시에 따르면 최대 92 내지 94%의 효율을 갖는데, 이는 잘 제어되는 제조 상태하에서 측정되는 것이다. 실제 상황에서는 일반적으로 전환 효율은 약 88 내지 92% 또는 그 중간인 90%(0.9) 정도이다. 따라서 "100 와트 모듈"의 발전량은 생산품의 신뢰도, 온도, 먼지, 배선, AC전류로의 전환 그리고 기타 손실 등에 의해 감소되어 맑은 날의 한낮에 집안까지 들어오는 AC전류는 약 68 와트(100 와트×0.95×0.89×0.93×0.95×0.90=67 와트)이다.
생산되는 전력의 추정
태양에너지를 가능한 많이 축적하기 위해서는 광전지는 태양을 향하여야 한다. 만일 태양전지가 고정된 상태라면, 북반구에서 남쪽을 향하고 수평면에 대하여 기울어진 상태의 방향으로 최적화되어야 한다. 최적화된 기울기는 그 지역의 위도에서 약 15도 기울어진 정도이다. 예를 들면 서유럽에서 격자로 연결된 태양광발전 시스템에 있어서 최적 기울기 조건은 약 35도이다. 적도에 가까운 지방에서는 이러한 기울기는 작아질 것이고 극지방에 가까운 지방일수록 그 기울기는 커진다. 최적화된 기울기로부터 30도의 기울기 차이는 최대발전량에서 적어도 약 10%의 손실을 가져온다. 하루 동안에 태양광 모듈에 비추는 태양광의 각도는 바뀌게 될 것이고, 이는 발전량에 영향을 미치게 된다. "100 와트 모듈"로부터의 발전량은 새벽에 0으로부터 한낮에 최대발전량까지 점진적으로 증가하게 되고, 정오 이후 저녁까지 점진적으로 감소하여 0으로 된다. 이러한 변화는 태양광의 강도 변화에 기인 한 것이지만, 모듈에 대한 태양의 기울기 변화도 영향을 미친다.
지붕의 구배와 배향은 모듈에 대한 태양의 각도에 영향을 미친다. 이러한 영향은 표1에 정리되어 있는데, 예를 들면 남부 캘리포니아에서 남쪽을 향하고 7:12 구배의 지붕에서의 배열체는 최대 전력량(보정인자 1.0)을 나타내는 반면, 동쪽을 향하면서 같은 구배의 지붕에 설치된 배열체는 남쪽을 바라보는 지붕에서의 연간 에너지와 비교시 약 84%(보정인자 0.84)에 불과하다.
[표 1] 지붕의 구배와 배향에 따른 방향 인자.
평면 4:12 7:12 12:12 21:12 수직면
남 0.89 0.97 1.00 0.97 0.89 0.58
남남동, 남남서 0.89 0.97 0.99 0.96 0.88 0.59
남동, 남서 0.89 0.95 0.96 0.93 0.85 0.60
동남동, 서남서 0.89 0.92 0.91 0.87 0.79 0.57
동, 서 0.89 0.88 0.84 0.78 0.70 0.52
[표 2]각 도시에서 표준시험조건(standard test condition, STC)하에서 킬로와트 당 발전되는 연간 전력량.
도시 kWh / kWstc (범위)
아카타 (Arcata) 1092-1365
샤스타 (Shasta) 1345-1681
샌프란시스코 (San Francisco) 1379-1724
새크라멘토 (Sacramento) 1455-1819
프레즈노 (Fresno) 1505-1881
산타마리아 (Santa Maria) 1422-1778
바스토 (Barstow) 1646-2058
로스엔젤레스 (Los Angeles) 1406-1758
샌디에고 (San Diego) 1406-1758
표 2는 일반적인 태양광 발전 시스템으로부터 기대되는 연간 에너지의 보수적인 추정치로, 상기 기술된 여러 가지 인자를 고려한 것이다. 이러한 수치는 간결하고 쉬운 기준으로서 표준시험조건의 DC배열 1 킬로와트로부터 발생 되는 연간 전력량에 대한 것이다.
예 :
4 kW WSTC 태양광 모듈의 배열체(상술한 표준시험조건하에서)가 로스엔젤레스 지역에서 4:12 구배에 남동을 바라보면서 위치한 경우 적어도 연간 5343 kWh(1406 kWh/kW × 0.95 × 4kW = 5343 kWh)를 생산하게 된다. 이 지역에서 일반적인 주거고객은 연간 약 7300 kWh를 사용하는데, 이러한 태양광 발전 시스템은 일반적인 가정에서 필요로하는 총 에너지의 75% 이상을 생산하게 되는 것이다. 더 나아가 만일 에너지 효율 측정값이 가정에서의 전체 전력소비량을 줄이고자 하는 소유자에 의해 측정된다면 100%에 근접하게 될 것이다. 효율범위의 하한치가 실제 절감량을 계산하기 위해 사용되는 것을 유의해야 한다. 성능에 대한 보상을 요구하는 경우 보수적으로 계산하는 것이 현명하다.
적절히 설치된 광발전 시스템의 최대 생산 전력량은 봄과 가을의 맑은 날 한 낮쯤에 나타난다. 만일 소유주가 이러한 특성을 충분히 이해한다면, 태양광 발전 시스템은 한 겨울에 피할 수 없는 낮은 전력 생산량으로 실망하지는 않을 것이다. 계량기에 의한 측정은 소유주에게 시스템이 적절하게 설치되어 있는지 증명해 주는 방법이 된다. 소유주가 시스템이 적절하게 작동하고 있는지 여부를 느끼게 되는 첫 번째 표시는 매월 전기료 청구서이다. 만일 소유주가 갑자기 더 많은 전기를 사용한다면, 그들은 청구서에서 절감량이 많지 않아 태양광발전 시스템이 좋지 않은 성능이라고 생각하게 될 것이다. 계량기에 의한 측정은 설치자와 소유주 사이에 시스템이 선전한 것과 같은 성능을 보이는 지에 대한 분쟁을 피할 수 있게 한다. 태양광 발전 시스템의 매력적인 특징 중의 하나는 낮은 관리도이다. 비록 때때로 유지를 위해 전기장치가 필요하기는 하다. 적절한 계량에 대해서 정보가 주어지는 소유주는 쉽게 그들의 시스템이 적절하게 작동되는지 여부를 판단할 수 있다.
상술한 모듈과 시스템 성능에 대한 검사방법(도 1 참조)은 표준시험조건(STC)에 따른 측정값으로부터 일반적으로 상수 dIsc/dT, dVoc/dT, dPmax/dT를 사용하고 빛의 강도에 따라 직선적으로 비례한다고 가정함으로써 보정된 것에 따른다. 태양광 모듈의 배열체가 설치되고 사용될 때 빛의 강도가 낮은 시기(예컨대 겨울) 동안이나 극단적인 온도조건 하에서, 높은 태양광 입사각도 하에서는 모듈의 표준시험조건에 대한 보정이 어렵다. 온도와 조사도(irradiance)에 있어서 가장 큰 보정이 이루어질 때 오차가 가장 크기 때문이다. 또한, 기대되는 대로 배열체가 설치되어 실행되고 있다면 측정이 어려울 것이다.
이러한 문제는 때때로 존재하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 많은 노력과 비용이 소비된다. 그럼에도 불구하고 문제는 여전히 존재하게 된다. 사실 이러한 문제는 시간에 지남에 따라 악화되고 있는데, 이는 태양광 발전 시스템이 보다 보편적으로 되고 그에 대한 미세한 공학적 설계인자를 알지 못하는 소비자들에 의해 사용되기 때문이다.
도 1 은 부하가 증가함에 따른 태양전지로부터 얻어지는 전류 대 전압의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.
도 2 는 일반적인 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 일부인 데이타 표시 유닛의 개략도이다.
도 4 와 5 는 본 발명의 두 실시예에 대한 구성도이다.
도 6 은 도 3 의 태양광 조사도 표시에 대한 대안적인 표시이다.
도 7 은 홈과 액정판이 결합된 데이타 표시 유닛의 일부 조립도이다.
본 발명에서는, 전기적 부하에 대한 태양광 발전기의 성능을 관찰할 수 있는 방법과 장치가 개시되어 있고, 여기서 발전기는 건물에 설치되고 미리 결정된 성능을 가지는 태양전지의 배열체로 이루어진다. 일 실시형태에서 본 장치는 태양광의 조사도를 표시하는 신호를 만들어 내는 조사도(irradiance) 센서; 조사도 신호와 배열체로부터 부하에 공급되는 전력의 측정치를 이용하여 작동성능 신호를 추출하는 회로; 성능 신호를 송신하는 라디오; 및 라디오로부터의 성능신호를 수신하고 태양광 전기 시스템의 성능을 눈으로 확인할 수 있도록 하는 휴대용 유닛으로 구성된다.
일 실시형태에서, 휴대용 유닛은 많은 지표들을 포함하는데, 그 지표로는 태양광 조사도, 온도, 시간, 태양광 발전량, 장치가 제공하는 전력을 공급하는 장치 대비 태양광 발전량, 시간 단위의 태양광 발전량, 총 태양광 발전량, 일간 발전량, 장치가 소비하는 전력 대비 전력 생산량 및 최대 가능 발전량 대비 일간 태양광 발전량을 포함한다.
본 발명은 실시간으로 올바르게 작동하고 있는지 볼 수 있도록 전기적 그리드(grid)로 연결된 태양광 발전 시스템의 성능을 분석한다. 성능이 제한되는 결함의 경우에 사용자가 알 수 있도록 신호를 보낼 수 있다.
다른 실시형태에서는, 배열체가 실외온도에 의해 특징지워 지고 회로소자가 조사도 신호, 미리 결정된 배열체의 성능 등급 그리고 배열체로부터 부하에 공급된 전력량의 측정치를 이용하여 작동성능의 신호를 유도한다.
본 발명은 태양광 발전 시스템의 소유주가 그들의 시스템에서 무엇이 일어나고 있고 어떻게 작동되는지를 알 수 있도록 개선되고 효율적인 방법과 기구를 제공한다. 본 발명의 많은 다른 장점과 특징은 후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명, 실시형태, 청구범위 및 첨부 도면을 통해 구체적으로 설명될 것이다.
비록 본 발명이 많은 다른 형태로 구성될 여지가 있으나, 도면을 통하여 도시되고 여기서 발명의 몇 가지 특별한 구성체에 대하여 설명하게 될 것이다. 본 명세서에서 개시된 바는 본 발명의 원리에 대한 예로서 간주 되어야 하고, 묘사된 어느 특정 구성체에 대한 발명으로 제한되어서는 안 될 것이다.
본 발명을 상세히 설명하기 전에, 발명의 주변 상황이 설명될 것이다.
일반적인 시스템 구성
일반적인 태양광 발전 시스템(도 2 참조)은 PV 배열체(PV Array), 시스템 평형장치(Balance of System Equipment, BOS), DC-AC 변환기 그리고 기타 부품들로 구성된다.
PV 배열체 : 일반적인 PV 모듈은 크기가 5 내지 25 ft2이고 무게는 약 3 내지 4 lbs./ft2이다. 많은 경우 네 개 혹은 그보다 적은 수의 모듈이 패널이라고 불리는 받침대에 의해 같이 부착되거나 짜맞추어 진다. 이러한 패널은 일반적으로 지붕에서 쉽게 다루어질 수 있도록 약 25 내지 35ft2의 면적을 갖는다. 이로써 요청시 설치 지시서에 따라 일부 조립과 배선 작업이 지상에서 완료될 수 있다.
DC - AC 변환기 : 이것은 PV 배열체로부터 DC 전류 얻어 이를 가정에서 사용되는 AC 전류로 변환 시키는 장치이다.
시스템 평형장치 : 이것은 태양광 모듈을 가정의 구조 전기적 시스템에 통합하기 위하여 사용되는 장착 시스템과 배선시스템을 말하는 것이다. 배선 시스템은 변환기의 DC와 AC 측에 대한 단절장치, 지락(ground-fault) 보호장치, 태양광 모듈을 위한 과전류 보호장치를 포함한다. 대부분의 시스템은 몇 가지 종류의 결합기를 포함하는데, 대부분의 모듈은 각각의 모듈 원천 회로에 대한 혼합을 요구하기 때문이다. 어떤 변환기는 변환기의 봉입물 안에 이러한 혼합기능과 결합기능을 포함한다.
기타 구성요소 : 부분적인 장치에 따라 결정되고 장치의 스위치를 포함한다.
개요
본 발명("PV-Verifier" 또는 "PV2")은 PV 배열체의 성능을 측정하기 위한 새로운 방법을 제시하는 것으로서
● 시스템에서 최고의 전력량(kWh)을 얻을 수 있도록 돕고
● 유용성을 최대화하며
● kWh당 비용을 줄이기 위한 것이다.
본 발명은 PV 시스템의 성능을 보여주고 모니터링할 수 있도록 하는 것이다. 본 발명은 두 개의 개별 장치로 이루어지는데, 이들 장치는 무선주파수 링크(RF link)에 의해 연결된다.
● 데이타 수집 유닛 (16) 은 데이타의 측정, 가공, 저장 및 무선주파수 링크를 통한 데이타 표시장치로의 송신을 수행한다. 도 4 는 본 발명의 데이타 흐름을 나타낸다. 빌딩이나 다른 구조물의 전기적 부하 (10) 는 외부 공급원(12) (예컨대 전기장치, 발전기, 배터리등) 과 태양광 발전기 (14) 로부터 전력을 공급받게 된다. 데이타 수집 유닛 (16) 은 신호와 정보(예컨대 전원 공급 장치 (14), 다른 전력원 (12) 으로부터의 배열체의 제조 성능 특성등)를 취득하고 비교적 짧은 범위의 라디오 (18) 에 의한 송신에 적합하도록 정보를 가공/변환시킨다. 전압, 전류, 전력을 얻고 이후의 처리와 전송에 적합한 형태로 된 정보를 보내는 회로 소자는 당업자들에게 알려져 있다. 고정 데이타 수집 유닛 (16) 은 또한 신호 처리 회로 (20), 메모리 (22), 클록 (24) 과 내부 전원공급장치 (배터리, 단순화를 위해 생략함)를 포함한다.
● 데이타 표시 유닛 (30) 은 데이타 수집 유닛으로부터 전송된 정보를 시각적으로 표시한다. 데이타 표시 유닛 (30) 은 라디오 (18) 로부터 송신된 정보를 받아 그 정보를 표시장치 (32) 에 적합한 형태로 변환시킨다.(도 3,6,7 참조). 휴대용 데이타 표시 유닛 (30) 은 또한 내부 전원공급장치(배터리, 단순화를 위해 생략함)를 포함한다.
● RF 인터페이스는 주거지의 외부 및/또는 내부의 벽을 통해 그리고 미국 연방 통신위원회 (FCC, Federal Communications Commission)의 규정과 개개의 건물이나 구조물의 물리적 구성에 의해 불가피하게 제한되는 거리에서 신뢰성 있게 작동되도록 설계된다.
이하에서 데이타 수집 유닛 (16) 과 데이타 표시 유닛 (30) 을 더 자세히 설명한다.
데이터 수집 유닛
본 장치 (16) 는 다음과 같은 기능을 갖는다.
● PV 시스템으로부터의 실제 AC 전력을 측정한다. 일반적으로 120V 전류가 제공되는 경우 전기설비의 인입구(service entrance) 벽에 위치하는 하나의 전류 변환기가 사용된다.
● 인입구에서 가정의 안과 밖으로 흐르는 실제 AC 전력을 측정한다. 주거용으로 표준 200 A, 에디슨 3선식 240 Vac을 공급하는 경우에는 일반적으로 두 개의 전류 변환기를 필요로 한다.
● PV 배열체에 위치하는 아날로그 센서를 이용하여 태양광 조사도를 측정한다.
● PV 배열체 주변의 벽에 장착되는 온도 센서를 사용하여 주변의 온도를 측정한다.
바람직하게는 샘플링 속도는 표시 장치에 다시 표시되는 속도와 일치시키도록 한다. 전압 변환기는 전력측정(즉, 대칭되는 240 Vac 또는 하나의 120 Vac 중 어느 하나를 감시)을 위해 사용된다. 가정에서의 전력 측정을 위한 전류 변환기는 설치의 용이함을 위해 분할 형태가 될 수 있다.
데이타 수집 유닛 (16) 은 설치/보정을 수월하게 하기 위해서 RS-232 단자 를 가질 수 있다. 이용 가능한 메모리에 따라 평균화된 데이타는 매시간 수 번에 걸쳐 저장될 수 있다. 바람직하게는 내장된 메모리는 데이타를 30일까지 유지하고, 데이타는 시간과 날짜가 날인되고 보정, 데이타, 클록 설정은 비휘발성 메모리에 저장된다.
바람직하게 데이타 수집 유닛 (16) 은 내장 모뎀 없이 작동되도록 설계되어 진다. 모뎀이 추가로 설치된다면 공간과 기능성이 데이타 수집 유닛에 제공된다.(즉, 제품의 재설계 없이 기본 설계에서 소켓(socket)을 제공하여 모뎀 기능을 장착함) 사용되는 경우에는 다음과 같은 점이 고려되어야 한다.
● 데이타는 위치 코드에 의해 인식된다.
● 매일 호스트 데이타베이스로 데이타의 전송을 위하여 미리 설정된 수개의 ISP로 접속한다.
● 원하는 접속 일정은 호스트에 의해 설정된다.
● 모뎀과 데이타 전송 속도는 짧은 전송 시간과 일치되도록 한다.
● 소유주가 통화를 위해 전화기를 드는 경우 전송을 위한 접속은 중지되어야 한다.
● 중지된 전송은 전화 발신음이 감지된 후 재시도되어야 한다.
● 전화상의 문제 또는 다른 장애가 발생한 경우에 데이타를 저장한다.
● 전송을 위한 접속시 장치의 클록이 호스트에 의해 재설정된다.
바람직하게는 데이타 수집 유닛 (16) 에 대한 상세는 다음 사항을 포함한다.
● 옥외용이고 비금속재질일 것.
● 외관은 다른 주거용 인입구 봉입물과 일치되도록 한다.
● 옥외환경에서 긴 수명이 가능한 내부식성 마무리
● 기계적 구성은 모든 전력 측정값 입력치와 장치에 대한 전력이 하나의 관로를 통하여 가정용의 인입구로부터 나오도록 한다.
● 부정한 간섭이 어려울 것
● 내부 부품은 응축 및/또는 내부 열발생으로부터 보호되어 질 것
● 독립적인 변환기
● 다중케이블(multi-conductor cable)과 케이블 글랜드(cable gland)를 경유하여 지붕으로부터 나온 온도와 조사도 입력치
● 임의의 모뎀을 위한 임의의 전화선은 케이블 글랜드를 경유하여 나오도록 한다.
● 장치가 작동되도록 하는 전력은 설비 인입구에 있는 AC 전류 공급부로부터 공급되어진다. 이러한 기능은 전력 측정을 위해 요구되는 전압 변환기와 결합될 수 있다.
● 그 지역의 예상되는 온도의 범위에서 작동되어야 한다.
● 그 지역의 예상되는 상대습도의 범위에서 작동되어야 한다.
● 입력부는 전기적/번개에 의해 야기되는 서지(surge)에 대하여 보호되어야 한다.
● 안테나는 기계적 충격으로부터 보호되어야 한다.
● 높은 수명의 정확도를 갖고 봉입물을 열지 않고도 설정 가능한 배터리 지원형 실시간 클록/캘린더를 포함한다.
표시 유닛
데이타 표시 유닛 (30) 은 데이타 수집 유닛 (16) 으로부터 무선으로 데이타를 받는다. 무선화는 일반적인 무선주파수, 휴대전화 주파수, 무선 네트워크, 블루투쓰 무선기술, 문자 메세지, 적외선을 사용하여 이루어질 수 있다. 바람직하게는 표시장치는 다음과 같은 특징을 포함한다.
● 외부로 나타난 안테나가 없을 것.
● 휴대용.
● 건물의 내부에 설치될 것(예를 들면 벽에 거는 것).
● 배터리 용량은 최소한 수개월의 수명이 기대될 것(외부 유선 접속 없이).
● 사용자가 스위치나 제어기에 접근할 수 없을 것.
● 도 3 및/또는 도 6 에 나타난 것과 같은 데이타 표시 배치.
● 사출성형으로 만들어진 봉입물(도 7).
● 빈번한 재표시 간격.
● 약 2 인치×7인치 크기의 볼 수 있는 표시부.
바람직하게는 데이타 표시 유닛 (30) 은 "태양광 강도 표시부" (50) 를 포함 한다. 이는 태양광의 조사도를 표시하는 것이며, 배열체에서 대략적인 태양광의 강도이다. 도면에서 나타나는 바와 같이 네 개의 서로 다른 크기의 태양 그림이 왼쪽에서 오른쪽으로, 작은 그림에서 큰 그림의 순서로 배열되어 오른쪽 끝단에 대한 비율로서 강도를 표시한다.
◆ 0% 내지 15% 표시 안 됨
◆ 15% 내지 25% 첫 번째 태양표시 (가장 작은 것)
◆ 25% 내지 50% 두 번째 태양표시
◆ 50% 내지 75% 세 번째 태양표시
◆ 75% 내지 100% 네 번째 태양표시 (가장 크거나 높은 조사도)
밤이나 흐린 날에는 어떤 태양표시도 나타나지 않지만, 태양광이 강한 날에는 모든 태양표시에 불이 들어오게 된다. 도 6 은 태양광 조사도에 대한 다른 표시부를 보여준다. 여기서 태양광 조사도는 태양 그림의 형태로 최대 비율 (51) 로서 표시된다.
데이타 처리, 저장 그리고 전송
데이타 표시 유닛 (30) 으로의 데이타 전송은 무선으로 수행된다. 도 3 에 따르면, 표시되는 데이타는 다음을 포함한다.
태양 발전량 ( Solar Production ): 이것은 태양광 발전 시스템이 현재 생산하고 있는 발전량(kW)을 나타내는 표시부 (52) 이다.
가정 사용량 ( Household Usage ): 이것은 가정에서 현재 사용하고 있는 전력량(kW)을 나타내는 표시부 (54) 이다(즉, 태양광 시스템에 의한 전력과 전력회사로부터 들어온 전력량의 합).
태양광에 의한 발전 비율 ( Demand Met by Solar ) : 태양광 발전 시스템에 의해 발전되는 가정의 전력량의 비율을 나타내는 표시부 (56) 이다.
실외 온도 ( Outdoor temperature ) : 화씨 또는 섭씨로(바람직하게는 소프트웨어를 통해 조정가능할 것) 온도를 나타내는 표시부 (58) 이다.
일일 태양 발전량 ( Daily Solar Production ) : 현재 날짜에서 태양광 발전 시스템이 생산한 발전량(kWh)을 나타내는 표시부 (59) 이다.
일일 태양광 발전 비율 ( Daily Demand Met by Solar ) : 현재 날짜에서 오전 12시 1분 이후에 소비된 전력량과 태양광 발전 시스템에 의해 발전된 전력량의 비율을 나타내는 표시부 (60) 이다. 자정 직후 0%에서 시작하여 하루가 진행됨에 따라 증가하게 된다. 태양이 지고 나면, 이 수치는 가정에서 전력이 소비됨에 따라 감소하게 될 것이다.
용량 막대 그래프 ( Capacity Bar Graph ) : 시간에 따른 당일의 발전량의 그래프를 나타내는 표시부 (62) 이다. 이 실시예에서는 그날의 발전량이 오전 6시부터 오후 6시까지 그래프로 표시된다. 이는 사용자가 전력이 주간 동안에 발전되고 있음을 알 수 있도록 도와준다.
시간 ( Time ) : 오전/오후 또는 24시간 단위로(바람직하게는 소프트웨어로 조정 가능할 것) 지역 시간을 나타내는 표시부 (64) 이다.
총 발전량 ( Total Solar Production ) : 설치된 이후 태양광 발전 시스템에 의해 생산된 누적 발전량(kWh)을 나타내는 표시부 (66) 이다.
시스템 상태 ( System Status ) : 데이타 표시 유닛 (32) 이 데이타 수집 유닛 (16) 의 전송 범위 밖에 있거나, 태양광 발전량이 예상보다 낮은 경우에는 "시스템 점검 (check system)" 불 (68) 이 들어온다. 통상적으로는 "양호 (OK)"가 표시 될 것이다. 태양광 발전기로부터 나오는 전류가 태양 조사도 강도를 고려할 때 예상되는 결과와 일치하는 경우 불이 들어오게 된다.
일반적인 선택사항들
바람직하게 미국에서는 본 장치는 다음과 같은 특성을 갖는다.
● UL (Underwriters Laboratory) 명부에 오르거나 승인될 것.
● 미국 연방 통신위원회 (FCC)의 요건을 만족할 것.
● 다른 가정용 전기 장치에 의한 간섭 없이 가정의 환경에서 적절한 작동에 대한 시험 및/또는 평가된 설계.
● 지역 전력 코드에 맞춘 설치.
● 긴 수명을 갖도록 설계되고 제조될 것.
● 구매일로부터 재료, 기능, 공작에 있어 흠결이 없을 것.
작동과 성능
시작시 PV2은 메모리로부터 PV 파라미터(도 1 에서 Pmax.stc, Vmax.stc, Imax.stc)와 다음과 같은 시스템 상수를 읽는다.
● 시스템 상태 시험을 통과하기 위해 시스템이 반드시 달성해야할 계산된 전력량의 비율 (즉, 50%).
● 신뢰성있는 작동을 위하여 표시장치에 의해 수신되어야 하는 최소 신호(즉, 무선송신) 강도.
● 통과/실패 기준이 검토될 수 없는 최소 태양 강도.
다음으로, 순간적인 조사도의 기능으로서 유사한 배열체의 발전량을 결정하기 위한 일반적인 경험 상수를 취한다. 배열체에서 맑은 날 태양광 조사도에서 기대되는 최대치는 Tambient, 클록의 시간, 위도, 경도, 방향(방위각, 기울기)으로부터 추측될 수 있다. 만일 Vdc와 Idc가 알려져 있다면, 이는 시스템이 적절하게 추적하는 것을 명확히 하기 위한 경험식과 입력한계로 검토될 수 있다. 만일 조사도가 미리 결정된 한계치 이상이라면, 시스템은 경험식으로부터 기대되는 발전량을 계산한다. 선택적으로 그리고 더욱 간단히 즉각적인 조사도 신호는 배열체의 측정 발전량과 비교되어 사용되고, 만일 측정된 전력과 기대되는 전력간의 차이가 미리 결정된 양(예를 들면 50%)을 초과하게 되면 시스템 상태 표시등 (68) 에 불이 들어오게 된다. 이것은 배열체가 적절히 작동되지 않음을 나태내거나 데이타 수집 유닛 (16) 으로부터 데이타 표시 유닛 (32) 으로의 신호가 신뢰성 있는 데이타 전송을 위해서는 너무 약한 것을 나타낸다.
다음은 이러한 평가를 수행하기 위한 프로그램 코딩의 한 예이다.
이것은 수 kB의 용량만을 차지할 뿐이다. C*Tam은 열적 감소 인자(예를 들면 -5%/℃)로 해석될 수 있다. "A"는 계산 전체에 적용되는 비례상수이고(예를 들면 약 0.8에서 1.0), "B"는 비선형 상수이다. "E"는 일정한 손실을 표시하는 항이다. 바람의 속도에 대한 항을 추가하는 것은 성능에 대한 예측을 더 정교하게 할 수 있다.
상술한 함수의 설명으로부터 많은 변형예, 대안예, 수정이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서 위에서 설명한 사항들은 예시적인 것으로 해석되어야 하고, 본 발명을 실시하는 방법을 당업자에게 가르치기 위한 목적인 것이다. 크기, 재료, 모양 그리고 부품의 배치에 있어 다양한 변경이 가능하다. 예를 들면, 일반적으로 직사각형의 긴 표시부가 도 3 에 나타나 있고, 일반적으로 수평적인 표시부가 사용될 수도 있다. 더 나아가, 균등물이 상기 설명되고 묘사된 것들을 대체할 수도 있다. 부품들은 역으로 작동될 수 있고 본 발명의 몇몇 기능은 다른 기능과 관계없이 독립적으로 사용될 수 있다. 다른 예로서 도 5 와 같이 더 복잡한 기능의 배치가 이용될 수 있다. 이 설명에 있어서 태양광 발전기의 예상되는 출력을 나타내는 신호를 유도함에 있어 배열체의 지정학적 위치와 조사도뿐만 아니라 배열체의 형상(즉, 기울기와 방위각)이 고려된다. 또한 다른 예로서, 고정된 장치에 있어서 클록은 실제 시간과 차이가 있을 수 있고 태양시에 정확하게 맞지 않을 수 있다. 매일 조사도 곡선의 모양은 새벽, 정오, 해질녁인지를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 이 값들은 메모리에 저장될 수 있고, 메모리에 저장된 추산 위치표에 기초하여 해질녁, 정오, 새벽이 예측된 때와 비교될 수 있다. 적당한 시기에 시계는 태양시에 따라 보정될 수 있다. 대안적으로 중앙 천문대에 맞추어 원자시계를 사용할 수도 있다. 매일 조사량, 주변의 온도, 발전된 AC 전력량의 합을 저장할 수 있다. 이는 단지 수 kB의 용량 또는 그 정도의 메모리만을 차지하고 낮은 태양광 수준에 대한 걱정 없이 상술한 것과 같이 매일 성능을 개선할 수 있다. 일단 충분한 데이타를 갖게 되면 선형회귀/곡선 맞춤(linear regression/curve fitting)을 실시할 수 있다. 선형회귀(linear regression)는 많은 메모리를 필요로 하지는 않는다. 마지막 예로서, 15분 단위의 데이타 하루 분량을 저장할 수 있고 매일의 합계 데이타의 한 달 분량을 저장할 수 있다. 모든 것에 100을 곱할 수 있고, 코드와 메모리 요구량을 줄이기 위해 정수로 저장할 수 있다. 시스템은 매일 평균치를 계산하고 이것들을 중앙장치로 보내도록 또는 모뎀선을 통해 데이타 불러오기가 가능하기 위하여 월간 평균치를 저장하도록 설정될 수 있다. 응달 또는 아침에 변환기 시동과 같은 문제의 효과는 시스템 분석에 의해 결정될 수 있다. : 조사량의 모양(월, 일에 따른)과 산출량(월, 일에 따른) 배열체. 시스템이 작동하고 있는 경우에는 미리 결정된 연속적인 실패신호가 엔지니어가 알 수 있도록 에러 신호를 보낼 것이다. 유사하게 만일 배열체가 복구되면 연속적인 통과에 대한 측정값이 통과 신호를 나타내도록 보내질 것이다. 본 발명은 실제 측정된 데이타로부터 모델을 제공한다. 유사한 하드웨어를 유효하게 사용하는 시스템으로부터의 데이타를 사용하여 시작할 수 있다. 그러나 성능을 검토하기 위해 시스템 자체내의 과거 데이타를 사용하도록 바로 전환할 수 있다. 여러 가지 변형예, 대안예, 변화예 그리고 변환예가 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 범위와 사상으로부터 벗어남 없이 만들어질 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들면 비록 본 발명이 태양광을 이용한 장치에 대하여 설명되었지만, 기본 원리는 전기적 장치를 증가시키는 대체 전기 공급 시스템(예를 들면, 풍력과 소형수력)의 다른 형태에도 적용 가능하다. 물론 이와 같은 모든 변형예가 청구 범위에 속하기 위해 첨부된 청구범위에 의해 보호될 수 있도록 의도되어 있다.

Claims (24)

  1. 전기적 부하를 갖고, 미리 결정된 제조 성능 등급의 태양전지 배열체를 포함하는 태양광 발전기를 갖는 건물에서 사용되면서,
    (a) 태양광 조사도를 표시하는 신호를 발생시키기 위한 배열체와 태양광 연결된 조사도 수단,
    (b) 상기 건물에 의해 지지되고 클록을 가지며, 적어도 미리 결정된 성능 등급과 상기의 조사도 신호 그리고 배열체로부터 전기적 부하에 공급되는 전력량의 측정치를 사용하여 작동 성능 신호를 계산하기 위한 회로,
    (c) 상기 성능 신호를 방송하기 위한 라디오 및
    (d) 상기 라디오로부터 상기 성능 신호를 수신하고, 상기 성능 신호를 시각적으로 표시하기 위한 일반적으로 휴대용인 유닛을 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 태양광 발전기는 실외 온도에 의해 특징지워지고, 상기 회로는 상기 조사도 신호, 미리 결정된 제조 성능 등급 및 실외 온도를 이용하여 상기 작동 성능 신호를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 성능 신호는 미리 결정된 수치와 태양광 조사도를 나타내는 신호로부터 유도되는 수치 사이의 차의 함수임을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 차는 50% 보다 큰 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 차가 태양광이 예상되는 시간 동안에 미리 결정된 양보다 큰 경우 상기 휴대용 유닛은 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 빛은 액정 표시장치에 의해 방출되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 조사도 수단은 자체 온도의 함수로서 미리 결정된 발전량을 갖는 태양전지를 포함하고, 상기 조사도 신호는 상기 라디오에 의해 전송되고, 상기 휴대용 유닛은 상기 조사도 신호의 함수인 발광 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 성능 신호는
    (a) 배열체로부터 전기적 부하에 공급되는 전력량을 나타내는 신호와
    (b) 시간, 상기 미리 결정된 제조 성능 등급 및 조사도의 함수로서 배열체가 생산해야 하는 계산된 전력량을 나타내는 신호 사이의 차의 함수임을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 조사도 수단은 실리콘 포토다이오드, 수평면일사계(pyranometer) 및 광전지(photoelectric cell) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 성능 신호는
    (a) 배열체로부터 부하에 공급되는 전력량과, 상기 배열체가 현재 시간, 상기 미리 결정된 제조 성능 등급 및 상기 조사도의 함수로서 생산해야 하는 전력량사이의 차 및
    (b) 미리 결정된 최대 신호 차의 함수임을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 차가 미리 결정된 양 이하임을 나타내는 액정 표시부에 의해 상기 휴대용 유닛에서 볼 수 있도록 상기 성능 신호가 표시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 성능 신호는 주간에는 적어도 매 15분마다 계산되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 성능 신호는, 배열체로부터 전기적 부하에 공급되는 전력량을 표시하는 신호로부터 유도되는 수치와, 태양광 조사도를 나타내는 신호와 주변 온도를 나타내는 신호로부터 유도되는 수치 사이의 차의 함수임을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 성능 신호는 태양광 조사도를 나타내는 신호와 주변 온도를 나타내는 신호로부터 유도되는 수치의 함수임을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 라디오는 배열체로부터 전기적 부하에 공급되는 전력량의 측정을 표시하는 전력 신호를 방송하고, 상기 휴대용 유닛에 위치하며 상기 전력 신호에 응답하여 작동하고 배열체로부터 제공된 전력량을 나타내는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 라디오는 상기 조사도 신호를 방송하고, 상기 휴대용 유닛은 태양광 조사도를 표시하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 전기적 부하는 전기 공급 장치에 연결되어 있고, 이 전기 공급 장치에 의해 상기 전기적 부하에 공급되는 전력량의 측정을 제공하는 수단을 더 포함하며, 상기 라디오는 상기 전력 공급 장치에 의해 상기 전기적 부하에 공급되는 전력량의 상기 측정을 방송하고, 상기 전기 공급 장치로부터 제공되어 전기적 부하에 의해 소비된 전력을 나타내기 위해 상기 휴대용 유닛에 제공된 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 회로는 상기 전력 공급 장치로부터 공급되어 전기적 부하에 의해 소비된 전력 대비 배열체로부터 공급되어 전기적 부하에 의해 소비된 전력의 백분율을 유도하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 16 항에 있어서, 태양광 조사도의 상기 표시부는 최대 태양광 조사도 대비 측정된 태양광 조사도의 백분율을 표시하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 16 항에 있어서, 태양광 조사도의 상기 표시는 N 개의 기호로 표시되고, 여기서 "N"은 전체 수이고 각각의 기호는 최대 태양광 조사도의 약 (100%)/ N 을 나타내는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 18 항에 있어서, 배열체로부터 공급되는 상기 전력량은 시간의 함수로서 표시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 18 항에 있어서, 배열체로부터 공급되는 상기 전력량이 소비된 총 와트-시간으로 표시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 18 항에 있어서, 배열체로부터 공급되는 상기 전력량이 오늘 하루 동안 생산된 총 와트-시간으로 표시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 22 항에 있어서, 배열체로부터 공급되는 상기 전력량이 배열의 최대 용량에 대한 백분율로 표시되는 것을 특징으로 하는 장치.
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