KR20170074832A - 태양 전지 모듈의 열화 진단 장치 - Google Patents

태양 전지 모듈의 열화 진단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양 전지 모듈의 열화 진단 장치에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 태양 발전 시스템 내 복수의 태양 전지 모듈을 포함하는 각 PV 스트링 그룹과 연결된 각 접속반 모듈에 구비된 열화 진단 장치는, 상기 태양 발전 시스템의 설치 환경에서 일사량을 측정하는 일사량 감지부; 및 기설정된 주기마다 상기 일사량이 기설정된 임계치를 초과하는 시점에, 열화 진단 모드로 전환되어, 상기 각 PV 스트링 그룹 내 각 태양 전지 모듈의 현 개방 전압과 현 단락 전류를 측정하되, 상기 각 태양 전지 모듈의 초기 개방 전압과 상기 현 개방 전압의 차(difference)와 초기 단락 전류와 현 단락 전류 차를 이용해 상기 각 PV 스트링 그룹의 모듈 전압 및 전류 변이도를 각기 산출하며, 복수 번 산출된 상기 모듈 전압 및 전류 변이도의 표준편차가 기설정된 제1 및 제2 기준치를 각기 초과하는지를 확인하고, 상기 각 표준편차가 기설정된 제1 및 제2 기준치 이하이면, 상기 각 PV 스트링 그룹의 모듈 전압 및 전류 변이도에 대응하는 모듈 열화도를 송신하는 마이크로프로세서를 포함하는 적어도 하나의 접속반 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양 전지 모듈의 열화 진단 장치{Apparatus for Degradation Diagnosis of Photovoltaic Module}
본 발명은 태양 전지 모듈에 대한 모니터링 기술에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 태양 전지 모듈의 노후화를 진단할 수 있는 태양 전지 모듈의 열화 진단 장치에 관한 것이다.
최근, 지구 온난화로 인해 환경 보존에 대한 관심이 증대됨에 따라 CO2 배출을 억제하는 기술에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기 에너지 생산 분야에서는 태양광 발전, 조력, 풍력 등의 신 재생에너지 필요성이 크게 대두되고 있다.
그 일환인 태양광 발전소는 태양 전지 모듈에 의해 태양광을 이용해 생성된 전기(DC)를 인버터에서 직류(AC)로 변환하고, 교류배전반에서 승압하여 배전계통을 통해 전력계통으로 전송한다.
이러한 태양광 발전소는 국내는 물론 해외에서도 대규모 또는 소규모로 활발하게 설치되어 이용되고 있다.
그런데 태양광 발전소는 태양광을 더 많이 접할 수 있는 위치인 지붕 등의 사용자의 접근이 어려운 곳에 설치되므로 사용자가 그 이상 여부를 수작업으로 확인하는 것은 어렵다.
이에, 태양광 발전소는 카메라와 같이 그 이상 여부를 확인 가능한 모니터링 수단을 구비하고, 그에 의해 태양광 발전소의 이상을 모니터링하였다.
한국등록특허 제10-1223502호(등록일 2013년 1월 11일)
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, PV 스트링 그룹별로 태양 전지 모듈의 열화를 진단할 수 있는 태양 전지 모듈의 열화 진단 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 태양 전지 모듈의 열화 진단 장치는 태양 전지 시스템의 설치 환경에서 일사량을 측정하는 일사량 감지부 및 상기 태양 전지 시스템의 일 태양전지 어레이의 각 PV 스트링 그룹에 연결되며, 각기 프로세서, 계측 수단 및 릴레이를 포함하는 복수의 접속반 모듈을 포함하고, 상기 각 PV 스트링 그룹은, 복수의 PV 모듈을 포함하고, Vocm은 PV 스트링 그룹 내 태양 전지 모듈의 현 개방 전압이고, Iscm은 현 단락 전류이고, Voc는 접속반 모듈의 초기 개방 전압이고, Isc는 접속반 모듈의 초기 단락 전류이고, Tref는 접속반 모듈의 기준 온도이고, Tm은 현재 측정된 접속반 모듈 온도이고, S는 접속반 모듈의 표면적이고, N은 접속반 모듈 내 태양전지 셀의 개수이고, a는 접속반 모듈 온도에 따른 단락 전류의 특성 변화를 적용하기 위한 전류 온도 계수이고, b는 접속반 모듈 온도에 따른 개방 전압의 특성 변화를 적용하기 위한 전압 온도 계수라고 할 때, 각 프로세서는 모듈 변이도 dV(i), dI(i)를,
Figure pat00001
,
Figure pat00002
(수학식 1)을 통해 산출할 수 있으며,
Figure pat00003
및
Figure pat00004
는 10회 산출된 각 PV 스트링 그룹의 모듈 변이도의 평균치라고 할 때, 각 프로세서는 10회 만큼 PV 스트링 그룹의 모듈 변이도를 각기 산출한 후, 각 모듈 변이도의 표준편차 sV, sI를,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
(수학식 2)를 통해 산출할 수 있으며, 각 프로세서는, 기설정된 주기마다 상기 일사량이 기설정된 임계치를 초과하는 시점에, 열화 진단 모드로 전환되어, 각 릴레이를 제어하여 상기 각 PV 스트링 그룹의 출력을 개방 또는 단락한 상태에서 각 계측 수단에 의해 상기 각 PV 스트링 그룹에 포함된 각 PV 모듈의 현 개방 전압 및 현 단락 전류를 측정하고, 상기 각 PV 모듈 내 태양 전지 셀의 개수, 상기 각 PV 모듈의 표면적, 상기 각 PV 모듈의 전압 온도 계수 및 상기 각 PV 모듈의 전류 온도 계수는, 상기 각 PV 스트링 그룹에 포함된 각 PV 모듈의 제조사에서 제공된 것이며, 상기 기준 온도와 상기 기준 일사량은, 상기 표준 시험 환경의 온도와 일사량이다.
상기 각 릴레이는, 상기 각 PV 스트링 그룹의 출력의 일극(One polar)에 직렬로 연결된 제1 릴레이와 상기 각 PV 스트링 그룹의 출력의 양극(Dual Polar)에 병렬로 연결되는 제2 릴레이를 포함하고, 상기 각 계측 수단은, 상기 각 PV 스트링 그룹의 출력에서 전류와 전압을 측정하는 전압계 및 전류계를 포함하며, 상기 각 프로세서는, 상기 제1 및 제2 릴레이를 개방시킨 상태에서, 상기 전압계에 의해 상기 각 PV 스트링 그룹의 개방 전압을 측정하고, 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시킨 상태에서, 상기 전류계에 의해 상기 각 PV 스트링 그룹의 단락 전류를 측정한 후 상기 각 PV 스트링 그룹의 개방 전압과 단락 전류에 상기 각 PV 스트링 그룹에 포함된 복수의 PV 모듈의 개수를 제산하여 상기 현 개방 전압 및 현 단락 전류를 산출할 수 있다.
상기 복수의 접속반 모듈 각각은, 상기 각 PV 스트링 그룹에 포함된 상기 각 PV 모듈의 현재 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.
상기 각 프로세서 중 적어도 하나는, 현재의 상기 주기에서 다음 상기 주기까지 상기 일사량이 상기 임계치를 초과하지 않으면, 이상 발생을 경고할 수 있다.
본 발명에 따르면, PV 스트링 그룹별로 태양 전지 모듈의 열화를 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열화 진단 장치가 구비된 태양광 발전 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마스터 접속반 모듈과 슬레이브 접속반 모듈을 세부적으로 도시한 구성도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 열화 진단 모드에서의 릴레이 제어를 도시한 도면.
도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 모니터링 모드에서의 릴레이 제어를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈의 열화 진단 방법을 도시한 흐름도.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이제 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열화 진단 장치가 구비된 태양광 발전 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마스터 접속반 모듈과 슬레이브 접속반 모듈을 세부적으로 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열화 진단 장치가 구비된 태양광 발전 시스템(10)은 일사량 감지부(110), 적어도 하나의 온도 감지부(120) 및 복수의 접속반 모듈(130_1, 2)을 포함한다. 여기서, 태양광 발전 시스템(10)은 복수의 PV 스트링을 포함하는 하나의 PV 어레이를 포함한다.
일사량 감지부(110)는 태양 전지 모듈이 설치된 환경의 일사량을 측정한다. 이때, 일사량 감지부(110)는 각 PV 스트링 그룹에 각기 구비될 수도 있고, 태양광 발전 시스템(10)에 하나만 구비될 수 있다.
온도 감지부(120)는 하나의 PV 스트링 또는 복수의 PV 스트링을 병렬로 연결한 PV 스트링 그룹에 각기 구비되어, 각 PV 스트링 그룹의 모듈 온도를 측정한다. 이때, 온도 감지부(120)는 복수의 PV 스트링 그룹에 공통으로 적용되는 하나만 구비될 수도 있다.
복수의 접속반 모듈(130_1, 2)은 복수의 PV 스트링 그룹의 출력에 각기 연결되어, 각 PV 스트링 그룹의 출력에 대한 모니터링 정보를 모니터링 서버(20)로 송신하거나, PV 스트링 그룹의 출력을 인버터로 전달한다. 여기서, PV 스트링 그룹은 기설정된 복수 개의 PV 스트링을 포함할 수 있다.
복수의 접속반 모듈(130: 130_1, 2) 중에서 하나는 마스터 접속반 모듈(130_1)이며, 하나의 마스터 접속반 모듈을 제외한 나머지는 슬레이브 접속반 모듈(131_2)일 수 있다.
여기서, 마스터 접속반 모듈(130_1)과 슬레이브 접속반 모듈(130_2)은 그 마이크로프로세서에 의해 기본적으로 제공되는 통신 기능 예컨대, I2C, RS485 등의 마스터 및 슬레이브 통신할 수 있다. 또한, 마스터 접속반 모듈(130_1)과 슬레이브 접속반 모듈(130_2)은 커넥터 및 버스바(137)로 연결될 수 있다.
이때, 도 1 및 도 2에서는 복수의 접속반 모듈(130)이 마스터 접속반 모듈(130_1) 하나와 및 슬레이브 접속반 모듈(130_2) 하나로 구성되는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 복수의 접속반 모듈(130)은 마스터 접속반 모듈(130_1) 하나만으로 구성될 수도 있으며, 마스터 접속반 모듈(130_1)와 함께 연결되는 슬레이브 접속반 모듈(130_2)의 개수도 다양할 수 있다.
마스터 접속반 모듈(130_1)은 기설정된 주기 및 감지된 일사량이 기준치를 초과하는 시점에 슬레이브 접속반 모듈(130_2)에 PV 스트링 그룹의 모듈 열화도를 질의할 수 있다. 이어서, 마스터 접속반 모듈(130_1)은 각 슬레이브 접속반 모듈(130_2)으로부터 그 응답으로 PV 스트링 그룹의 모듈 열화도 수신하여 모니터링 서버(20)로 송신할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 각 접속반 모듈(130)의 구성에 대하여 설명한다.
각 접속반 모듈(130)은 릴레이(131), 전압계(132), 전류계(133), ADC(134) 및 마이크로프로세서(135)를 포함한다. 더불어, 각 접속반 모듈(130)은 각 PV 스트링 그룹의 출력과 퓨즈(137) 사이에 연결되어, 역전류를 방지하는 다이오드(136), 과전류를 차단하는 퓨즈(137) 및 각 PV 스트링 그룹의 출력을 병렬 또는 직렬로 연결하는 버스바(137)를 더 포함할 수 있다. 한편, 마스터 접속반 모듈(130_1)과 슬레이브 접속반 모듈(130_2)의 구성은 거의 동일하나, 마스터 접속반 모듈(130_1)에는 모니터링 서버(20)와 통신하는 통신 모듈(138) 및 그의 구성요소(마스터 접속반 모듈의 각 구성요소) 및 슬레이브 접속반 모듈(130_2)에 전원을 공급하는 전원부(139)가 더 포함될 수 있다.
릴레이(131)는 각 PV 스트링 그룹의 출력의 일극에 직렬로 연결되는 제1 릴레이와, 각 PV 스트링 그룹의 출력의 일극과 타극에 일 저항과 함께 병렬로 연결되되 일 저항과는 직렬로 연결된 제2 릴레이를 포함한다. 마이크로프로세서(135)에 의한 릴레이(131) 제어에 대해서는 도 3a 내지 3c를 참조하여 설명한다.
전압계(132)는 그가 연결된 PV 스트링 그룹의 출력의 양극(+극과 -극)에 병렬로 연결되어, PV 스트링 그룹의 양극 전압을 측정한다.
전류계(133)는 그가 연결된 PV 스트링 그룹의 출력의 일극(통상 +극)에 직렬로 연결되어, PV 스트링 그룹의 출력 전류를 측정한다.
ADC(134)는 전압계(132) 및 전류계(133)로부터의 측정 전압 및 전류를 디지털 값으로 변환하여 마이크로프로세서(135)로 전달한다. 마이크로프로세서(135)에 ADC 기능이 내장된 경우, ADC(134)는 생략될 수 있다.
마이크로프로세서(135)는 기설정된 주기 및 일사량이 기설정된 임계치를 초과하는 조건에 부합하면 열화 진단 모드로 전환되어, 릴레이(131)를 제어하여 전압계(132) 및 전류계(133)에 의해 각 PV 스트링 그룹의 현 개방 전압과 현 개방 전류를 측정 및 획득한다.
여기서, 기설정된 주기는 5일(Five Day)일 수 있다. 그리고 임계치는 각 태양 전지 모듈이 어느 정도 전기를 생산 가능한 정도의 일사량으로서, 예컨대 500(W/m2)일 수 있다.
이때, 마스터 접속반 모듈(130_1)의 마이크로프로세서는 기설정된 주기인지 감지된 일사량에 의해 열화 진단 모드로 전환할지를 판단하여 슬레이브 접속반 모듈(130_2)에 열화 진단 모드로 전환할 것을 지시할 수 있다. 하지만, 슬레이브 접속반 모듈(130_2)의 마이크로프로세서는 모드 전환을 위한 판단을 수행하지 않고 마스터 접속반 모듈(130_1)의 지시(질의)에 따라 열화 진단 모드로 전환될 수 있다.
마이크로프로세서(135)는 각 PV 스트링 그룹 내 모듈 개방 전압(Vocm)과 모듈 단락 전류(Iscm)를 모듈의 초기 개방 전압(Voc)과 초기 단락 전류(Ioc)를 환경 특성을 더 고려하여 비교하여 하기의 수학식 1과 같이 모듈 변이도 dV(i), dI(i)를 산출할 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
여기서, Vocm 및 Iscm은 PV 스트링 그룹 내 태양 전지 모듈의 현 개방 전압과 현 단락 전류로서, 전압계 및 전류계(133)에 의해 측정된 각 PV 스트링 그룹의 개방 전압과 단락 전류에 각 PV 스트링 그룹에 포함된 태양 전지 모듈의 개수를 제산한 값일 수 있다.
그리고 Voc 및 Isc는 태양 전지 모듈의 제조사(이하, '모듈 제조사'라고 함)에 의해 제공된 모듈의 초기 개방 전압(Voc)과 초기 단락 전류(Isc)일 수 있다.
또한, Tref는 모듈 제조사에서 제공한 기준 온도(모듈의 온도)로서, 초기 개방 전압과 초기 단락 전류를 측정한 온도일 수 있다. 그리고 Tm은 현재 측정된 모듈 온도이고, S는 모듈 제조사에 의해 제공되는 모듈 표면적이고, N은 모듈 내 태양전지 셀의 개수이다. 또한, a는 모듈 온도에 따른 단락 전류의 특성 변화를 적용하기 위한 전류 온도 계수로서 상수이고, b는 모듈 온도에 따른 개방 전압의 특성 변화를 적용하기 위한 전압 온도 계수로서 상수이다. 여기서, a, b는 모듈 제조사에 의해 제공되는 전압/전류의 온도 특성 그래프로부터 도출된 상수일 수 있다.
전술한, 모듈의 초기 개방 전압과 초기 단락 전류는 표준 시험 환경인 기준 온도(통상, 25도) 및 일사량 1000[W/m2]에서 하나의 모듈에 대해 측정된 것인데, 본 발명에 따라 전류계(133)와 전압계(132)에 의해 측정된 PV 스트링 그룹의 모듈 개방 전압과 단락 전류는 기준 온도와는 다른 모듈 온도에서 다른 일사량 및 하나 이상의 모듈에 대해 측정된 것일 수 있다. 그러나 본 발명에서는 각 PV 스트링 그룹의 현 모듈 온도, 일사량, 모듈 개수 및 표면적을 고려하여 각 PV 스트링 그룹의 모듈 개방 전압과 단락 전류를 표준 시험 환경에 맞추어 조절(정규화)한 다음, 초기 개방 전압과 초기 단락 전류와의 차(difference)를 산출하므로, 산출된 차의 백분율인 각 PV 스트링 그룹의 모듈 변이도를 더욱 정확히 산출할 수 있다.
마이크로프로세서(135)는 PV 스트링 그룹의 모듈 변이도를 10회 각기 산출한 후, 하기의 수학식 2와 같이 각 모듈 변이도의 표준편차(sV, sI)를 산출한다.
Figure pat00009
Figure pat00010
여기서,
Figure pat00011
및
Figure pat00012
는 복수 회 산출된 각 PV 스트링 그룹의 모듈 변이도의 평균치일 수 있다.
마이크로프로세서(135)는 모듈 변이도의 표준편차가 기설정된 기준치를 이하이면, 각 PV 스트링 그룹의 모듈 열화도(
Figure pat00013
,
Figure pat00014
)를 모니터링 서버(20)로 전송할 수 있다.
여기서, 마스터 접속단의 마이크로프로세서(135)는 각 슬레이브 접속반 모듈(130_2)의 마이크로프로세서(135)로부터의 PV 스트링 그룹별 모듈 열화도를 수신하면, PV 스트링 그룹별 모듈 열화도를 종합하여 모니터링 서버(20)로 송신할 수 있다. 이때, 마스터 접속반 모듈의 마이크로프로세서(135)는 각 슬레이브 접속반 모듈(130_2)에 의해 산출된 PV 스트링 그룹별 모듈 열화도를 각기 구분할 수 있는 형태로, PV 스트링 그룹별 모듈 열화도를 모니터링 서버(20)로 송신할 수 있다.
이러한, 모듈 변이도는 그 편차가 크지 않는 특징이 있는데, 그 편차(표준편차)가 크다면 오류 또는 고장 가능성이 있다. 그런데 본 발명에서는 오류가 발생하지 않은 경우의 모듈 열화도 정보만을 모니터링 서버(20)로 송신함에 따라 일시적인 오류로 인하여 잘못된 열화도 정보를 받는 문제를 방지할 수 있다.
또는, 마이크로프로세서(135)는 모듈 변이도의 표준편차가 기준치를 초과하는 경우가 복수 번 발생하면, 오류 발생 또는 이상 발생을 각기 모니터링 서버(20)로 알릴 수도 있다.
한편, 마이크로프로세서(135)는 현재주기에서 다음주기까지 일사량이 임계치를 초과하지 않으면, 모니터링 서버(20)로 이상 발생을 알릴 수 있다. 이에, 본 발명에서는 낙엽이나 먼지 등의 외부적 요인에 의해 PV 모듈이 정상적으로 동작하지 않을 경우에 그 원인과 위치를 정확히 알 수 있는 정보를 모니터링 서버(20)에 알려 조속한 후속 조치를 유도할 수 있다.
다른 한편, 마이크로프로세서(135)는 기설정된 주기가 아닌 다른 경우에 모니터링 모드로 동작하는데, 모니터링 모드에서는 기설정된 제2주기(예컨대, 1일) 마다 각 PV 스트링 그룹의 출력 전압과 전류를 모니터링하여 모니터링 서버(20)로 전송할 수 있다.
상세하게는, 마이크로프로세서(135)는 모니터링 모드에서는 각 PV 스트링 그룹의 출력이 버스바(137)를 통해 상호 직렬 또는 병렬로 연결되어, 인버터(미도시)로 전달되도록 즉, PV 스트링 그룹으로부터의 전력이 인버터(미도)로 전달되도록 릴레이(131)를 유지하며 각 PV 스트링 그룹으로부터의 출력 전압 및 출력 전류를 모니터링할 수 있다.
또한, 전술한 실시예에서 마이크로프로세서(135)는 각 PV 스트링 그룹 중에서 지나치게 모듈 열화도가 심한 PV 스트링 그룹이 존재하면, 다시 말해, PV 스트링 그룹의 동작 효율이 매우 나빠 오히려 다른 PV 스트링 그룹의 전력 생산을 방해하는 경우에, 릴레이(131)를 제어하여 모듈 열화도가 심한 PV 스트링 그룹을 이용한 전력 생산을 자체적으로 중단시킬 수도 있다. 예를 들면, 마이크로프로세서(135)는 각 PV 스트링 그룹 중에서 그 모듈 변이도가 기설정된 동작기준 이하인 PV 스트링 그룹이 존재하면, 릴레이(131)를 제어 - 예를 들어, 제1 및 제2 릴레이를 개방 - 하여 해당 PV 스트링 그룹에 의한 전력 생산을 중단시킬 수 있다.
전술한 경우, 마이크로프로세서(135)는 모니터링 서버(20)에 해당 PV 스트링 그룹의 중단을 알릴 수 있고, 모니터링 서버(20) 또는 마스터 접속반 모듈(130_1)으로부터의 지시에 따라 전력 생산을 중단할 수도 있다.
다만, 마스터 접속반 모듈(130_1)은 슬레이브 접속반 모듈(130_2)에 대한 전원 공급과 슬레이브 접속반 모듈(130_2)과 모니터링 서버(20)와의 통신 중재를 수행하므로, 마스터 접속반 모듈(130_1)의 PV 스트링 그룹에 의해 전력 생산을 중단하더라도, 그 마이크로프로세서, 통신 모듈 등의 기능블록은 지속적으로 동작할 수 있다.
반면, 슬레이브 접속반 모듈(130_2)은 그 모든 기능 블록의 동작을 중단하더라도 다른 슬레이브 접속반 모듈(130_2) 또는 마스터 접속반 모듈(130_1)의 구동에 영향을 주지 않으므로, PV 스트링 그룹의 전력 생산을 중단한 슬레이브 접속반 모듈(130_2)은 그 모든 기능블록의 동작을 중단할 수도 있다. 이는 마스터 접속반 모듈(130_1)이 해당 슬레이브 접속반 모듈(130_2)에 공급되는 전원을 차단하거나, 슬레이브 접속반 모듈(130_2)의 마이크로프로세서를 슬립 모드로 구동시킴에 따라 가능할 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서 마스터 접속반 모듈에는 연산 정확도가 높은 고급 마이크로프로세서를 적용할 수 있고, 슬레이브 접속반 모듈에는 연산 정확도가 다소 낮은 저급 마이크로프로세서가 적용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 PV 스트링 그룹별 열화도를 각기 진단하고, 열화도가 높을 때 그 진단 결과를 송신하므로 태양광 발전 시스템에 구비된 PV 스트링 그룹 중에서 열화도가 높은 PV 스트링 그룹을 구분하여 확인할 수 있어, 각 PV 스트링 그룹의 교체시기를 예측하는 등을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 각 태양 전지 모듈이 제대로 동작할 때에 각 PV 스트링 그룹이 적용된 환경특성을 고려하여 PV 스트링 그룹별 태양 전지 모듈의 열화도를 진단할 수 있어, 태양 전지 모듈의 열화도를 보다 정확하게 진단할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시예는 그림자, 낙엽, 부자재 등에 의한 직접적 일사량 감소 요인이 발생하는 경우 및 모듈 온도 상승 등에 의해 모듈 열화도를 잘못 측정하는 문제를 개선할 수 있다.
이하, 도 3a 내지 3c을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 열화 진단 모드와 모니터링 모드에서의 릴레이 제어에 대하여 설명한다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 열화 진단 모드에서의 릴레이 제어를 도시한 도면이고, 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 모니터링 모드에서의 릴레이 제어를 도시한 도면이다.
도 3a와 같이, 전류계(133)는 각 PV 스트링 그룹의 양(+)극에 직렬로 연결되어, 각 PV 스트링 그룹의 일단의 출력 전류를 계측한다.
전압계(132)는 각 PV 스트링 그룹의 양(+)극과 음(-)극에 직렬로 연결되어, 각 PV 스트링 그룹의 출력 전압을 계측한다.
릴레이(131)는 제1 및 제2 릴레이(Relay 1, 2)를 포함하고, 제1 및 제2 릴레이(Relay 1, 2)는 각 PV 스트링 그룹의 개방 전압, 단락 전류 또는 출력 전압을 측정 가능하도록 마이크로프로세서(135)의 제어에 따라 개방 또는 단락된다.
제1 릴레이(Relay1)는 각 PV 스트링 그룹의 출력의 양(+)극에 직렬로 연결되며, 제2 릴레이(Relay2)는 각 PV 스트링 그룹의 출력의 양극(+)과 음(-)극에 일 저항(Rsc)과 함께 병렬로 연결된다.
열화 진단 모드에서 마이크로프로세서(135)는 도 3a와 같이 제1 및 제2 릴레이(Relay 1, 2)를 개방하고, PV 스트링 그룹의 개방 전압을 측정할 수 있다. 또한, 마이크로프로세서(135)는 도 3b와 같이 제1 릴레이(Relay1)를 개방하고 제2 릴레이(Relay2)를 단락하여 PV 스트링 그룹의 단락 전류를 측정할 수 있다.
이후, 마이크로프로세서(135)는 전술한 바와 같이 PV 스트링 그룹의 개방 전압과 단락 전류에 의해 PV 스트링 그룹의 모듈 변이도를 산출하고, 적어도 기설정된 순간에 모니터링 서버(20)로 산출된 모듈 변이도를 송신할 수 있다.
한편, 도 3c와 같이 마이크로프로세서(135)는 모니터링 모드에서 제1 릴레이(Relay1)를 단락하고 제2 릴레이(Relay2)를 개방하여 PV 스트링 그룹의 출력 전압과 출력 전류를 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 각 PV 스트링 그룹의 출력에 출력 전압과 출력 전류는 물론 그 모듈 열화도를 측정 가능한 수단을 더 부가하여 정기적으로 각 PV 스트링 그룹의 열화도를 진단 및 모니터링할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈의 열화 진단 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈의 열화 진단 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 마스터 접속반 모듈은 기설정된 주기이면(S410의 예), 측정된 일사량이 기설정된 임계치를 초과하는지를 확인한다(S420).
측정된 일사량이 임계치를 초과하면, 슬레이브 접속반 모듈에 그에 연결된 PV 스트링 그룹의 모듈 열화도를 질의한다(S430).
마스터 접속반 모듈 및 슬레이브 접속반 모듈은 각기 그에 연결된 PV 스트링 그룹의 모듈 평균 개방 전압 및 모듈 평균 단락 전류(PV 스트링 그룹 내 모듈의 개방 전압 및 단락 전류)를 복수 번 측정하고, 모듈 초기값(초기 개방 전압 및 초기 단락 전류)과 환경 특성을 고려해 모듈 개방 전압과 단락 전류의 측정치를 정규화한 값의 차의 백분율인 모듈 변이도를 복수 번 산출한다(S440-450).
이때, 각 접속반 모듈은 기설정된 주기에 측정된 일사량이 임계치를 초과하는 순간에 복수 번 모듈의 개방 전압과 단락 전류를 산출할 수 있다. 여기서, 각 접속반 모듈은 현 주기에서 다음 주기까지 일사량이 임계치를 초과하는 순간이 없으면, 모니터링 서버(20)로 태양광 발전 시스템(10) 또는 일사량 감지부의 이상 발생을 경고할 수 있다.
마스터 접속반 모듈 및 슬레이브 접속반 모듈은 복수 번 산출된 모듈 변이도의 표준편차를 산출한다(S460).
마스터 접속반 모듈 및 슬레이브 접속반 모듈은 모듈 변이도의 표준편차가 기설정된 기준치 미만인지를 확인한다(S470).
모듈 변이도의 표준편차가 기준치 미만이면, 마스터 접속반 모듈 및 슬레이브 접속반 모듈은 평균 모듈 변이도인 모듈 열화도를 송신한다(S480). 상세하게는, 슬레이브 접속반 모듈은 마스터 접속반 모듈으로부터의 모듈 열화도 질의에 대한 응답으로 마스터 접속반 모듈으로 모듈 열화도를 송신할 수 있다. 그리고 마스터 접속반 모듈은 그가 측정한 모듈 열화도와 그에 연결된 모든 슬레이브 접속반 모듈으로부터의 모듈 열화도를 종합하여 모니터링 서버(20)로 송신할 수 있다.
한편, 마스터 접속반 모듈은 기설정된 주기를 제외한 나머지에 모니터링 모드로 동작하여 그에 연결된 PV 스트링 그룹의 출력 전압을 측정할 수 있다. 또한, 마스터 접속반 모듈은 슬레이브 접속반 모듈에 그에 연결된 PV 스트링 그룹의 출력 전압을 질의하고 그 응답으로 PV 스트링 그룹의 출력 전압을 수신하여 PV 스트링 그룹별 출력 전압을 종합한 결과를 모니터링 서버(20)로 송신할 수 있다(S490).
또한, (S470)단계에서 모듈 변이도의 표준편차가 기설정된 기준치 이상이면, 마스터 접속반 모듈 및 슬레이브 접속반 모듈은 측정된 복수의 모듈 변이도를 무시할 수 있다. 이후, 마스터 접속반 모듈 및 슬레이브 접속반 모듈은 다시 모듈 변이도를 측정하는 과정을 수행할 수 있다.
이 같이 모듈 변이도의 표준편차가 기준치 이상일 때, 마스터 접속반 모듈 및 슬레이브 접속반 모듈은 오류 발생을 모니터링 서버(20)로 알릴 수 있다. 이때, 마스터 접속반 모듈 및 슬레이브 접속반 모듈은 한번 이상 전술한 모듈 변이도를 측정하는 과정을 더 수행한 후에 오류 발생을 모니터링 서버(20)로 알릴 수도 있다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 태양광 발전 시스템 20: 모니터링 서버
110: 일사량 감지부 120: 온도 감지부 130: 접속반 모듈
131: 릴레이 132: 전압계 133: 전압계
134: ADC 135: 마이크로프로세서 136: 다이오드 및 퓨즈
137: Bus Bar 138: 통신 모듈 139: 전원부

Claims (4)

  1. 태양 전지 시스템의 설치 환경에서 일사량을 측정하는 일사량 감지부; 및
    상기 태양 전지 시스템의 일 태양전지 어레이의 각 PV 스트링 그룹에 연결되며, 각기 프로세서, 계측 수단 및 릴레이를 포함하는 복수의 접속반 모듈을 포함하고,
    상기 각 PV 스트링 그룹은, 복수의 PV 모듈을 포함하고,
    Vocm은 PV 스트링 그룹 내 태양 전지 모듈의 현 개방 전압이고, Iscm은 현 단락 전류이고, Voc는 접속반 모듈의 초기 개방 전압이고, Isc는 접속반 모듈의 초기 단락 전류이고, Tref는 접속반 모듈의 기준 온도이고, Tm은 현재 측정된 접속반 모듈 온도이고, S는 접속반 모듈의 표면적이고, N은 접속반 모듈 내 태양전지 셀의 개수이고, a는 접속반 모듈 온도에 따른 단락 전류의 특성 변화를 적용하기 위한 전류 온도 계수이고, b는 접속반 모듈 온도에 따른 개방 전압의 특성 변화를 적용하기 위한 전압 온도 계수라고 할 때,
    각 프로세서는 모듈 변이도 dV(i), dI(i)를,
    Figure pat00015

    Figure pat00016
    (수학식 1)
    을 통해 산출할 수 있으며,
    Figure pat00017
    및
    Figure pat00018
    는 10회 산출된 각 PV 스트링 그룹의 모듈 변이도의 평균치라고 할 때,
    각 프로세서는 10회 만큼 PV 스트링 그룹의 모듈 변이도를 각기 산출한 후, 각 모듈 변이도의 표준편차 sV, sI를,
    Figure pat00019

    Figure pat00020
    (수학식 2)
    를 통해 산출할 수 있으며,
    각 프로세서는, 기설정된 주기마다 상기 일사량이 기설정된 임계치를 초과하는 시점에, 열화 진단 모드로 전환되어, 각 릴레이를 제어하여 상기 각 PV 스트링 그룹의 출력을 개방 또는 단락한 상태에서 각 계측 수단에 의해 상기 각 PV 스트링 그룹에 포함된 각 PV 모듈의 현 개방 전압 및 현 단락 전류를 측정하고,
    상기 각 PV 모듈 내 태양 전지 셀의 개수, 상기 각 PV 모듈의 표면적, 상기 각 PV 모듈의 전압 온도 계수 및 상기 각 PV 모듈의 전류 온도 계수는, 상기 각 PV 스트링 그룹에 포함된 각 PV 모듈의 제조사에서 제공된 것이며, 상기 기준 온도와 상기 기준 일사량은, 상기 표준 시험 환경의 온도와 일사량인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈의 열화 진단 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 각 릴레이는, 상기 각 PV 스트링 그룹의 출력의 일극(One polar)에 직렬로 연결된 제1 릴레이와 상기 각 PV 스트링 그룹의 출력의 양극(Dual Polar)에 병렬로 연결되는 제2 릴레이를 포함하고,
    상기 각 계측 수단은, 상기 각 PV 스트링 그룹의 출력에서 전류와 전압을 측정하는 전압계 및 전류계를 포함하며,
    상기 각 프로세서는, 상기 제1 및 제2 릴레이를 개방시킨 상태에서, 상기 전압계에 의해 상기 각 PV 스트링 그룹의 개방 전압을 측정하고, 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시킨 상태에서, 상기 전류계에 의해 상기 각 PV 스트링 그룹의 단락 전류를 측정한 후 상기 각 PV 스트링 그룹의 개방 전압과 단락 전류에 상기 각 PV 스트링 그룹에 포함된 복수의 PV 모듈의 개수를 제산하여 상기 현 개방 전압 및 현 단락 전류를 산출하는 것인 태양 전지 모듈의 열화 진단 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 복수의 접속반 모듈 각각은, 상기 각 PV 스트링 그룹에 포함된 상기 각 PV 모듈의 현재 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함하는 태양 전지 모듈의 열화 진단 장치.
  4. 제1항에서, 상기 각 프로세서 중 적어도 하나는,
    현재의 상기 주기에서 다음 상기 주기까지 상기 일사량이 상기 임계치를 초과하지 않으면, 이상 발생을 경고하는 것인 태양 전지 모듈의 열화 진단 장치.
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