KR20190076398A - Deterioration type diagnosis system and method of solar cell module for stable power energy production - Google Patents

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KR20190076398A
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이창무
박세현
최명인
강병관
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed are a deterioration type diagnosis system of a solar cell module for stable power energy production, and a method thereof. The present invention can easily perform information gathering or deterioration phenomenon diagnosis of a solar cell module installed in a roof, a wall surface, or the like, easily monitor a power generation amount in a solar photovoltaic power generation site having a plurality of modules, and perform failure diagnosis.

Description

안정적 전력에너지 생산을 위한 태양전지 모듈의 열화 종류 진단 시스템 및 그 방법{Deterioration type diagnosis system and method of solar cell module for stable power energy production}[0001] The present invention relates to a deterioration diagnosis system and method for a solar cell module for stable power generation,

본 발명은 안정적 전력에너지 생산을 위한 태양전지 모듈의 열화 종류 진단 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a system and method for diagnosing degradation of a solar cell module for stable power energy production.

태양전지 모듈을 이용한 태양광 발전은 건물에 설치하기 쉽고 발전에 필요한 추가 비용이 들지 않기 때문에 매년 보급이 늘어나고 있다. 하지만 태양전지 모듈은 자연적으로 발전 효율이 매년 감소하며 따라서 일정 발전 효율을 벗어나게 되면 교체가 필요하다. 통상 판매측이 제시하는 예상 수명 또는 기대 교체시기에 비해 실제 사용 시 그 기간이 더 짧은데 이는 외부 환경에 놓여 있는 태양전지 모듈이 다양한 물리적, 논리적 고장에 노출되어 있기 때문이다.Photovoltaic power generation using solar cell modules is becoming more popular every year because it is easy to install in buildings and there is no additional cost for power generation. However, the solar cell module naturally declines in power generation efficiency year by year, and therefore, it needs to be replaced when it deviates from the constant power generation efficiency. The period of actual use is shorter than the expected life expectancy or expected replacement time suggested by the sales person because the solar cell module in the external environment is exposed to various physical and logical failures.

태양전지 모듈은 외부에 설치되며 그림자와 같은 방해물을 피하기 위해 설치 장소들이 대게 사람들의 접근이 쉽지 않고 육안으로 자세하게 파악하기 힘든 지붕, 옥상, 벽면에 설치가 된다. 외부에 노출된 태양전지 모듈은 기상 상태, 외부 충격, 기기 고장과 같은 직간접적인 논리적, 물리적 손상에 의해 열화 현상이 발생된다. 열화현상은 태양전지 모듈의 효율을 저하시키고 수명을 단축시키는데, 이런 열화현상은 다수의 셀로 구성된 모듈에서 하나의 셀만 파괴되어도 다른 셀에 영향을 주어 열화 현상을 연쇄적으로 발생시키기 때문에 조기에 발견하는 것이 중요하다.Solar cell modules are installed on the outside and are installed on the roof, roof, and wall where installation places are often difficult for people to access and hard to grasp in detail to avoid obstacles such as shadows. Exposed solar cell modules are subject to deterioration due to direct or indirect logical or physical damage such as weather conditions, external impacts, or equipment failure. The deterioration phenomenon degrades the efficiency of the solar cell module and shortens its service life. Even if only one cell is destroyed in the module composed of many cells, the deterioration phenomenon affects other cells, It is important.

하지만 먼지나, 물리적 파괴와 같이 육안으로 구분하기 쉬운 고장과 달리 내부에서 논리적, 물리적 손상이 일어난 경우 육안으로 구분하기가 불가능 할 뿐만 아니라, 열적외선 카메라와 같은 고비용의 계측 장비를 사용해야만 알 수 있다. 따라서 이를 해결하기 위해 태양전지 모듈의 고장이나 열화 진단 유무를 쉽게 파악하여 사용자에게 전달할 수 있는 특허들이 다양하게 나와 있다.However, unlike a malfunction, which is easy to distinguish from the naked eye, such as dust or physical destruction, logical and physical damage inside can not be distinguished by the naked eye, but can only be detected by using a high-cost instrument such as a thermal infrared camera . Therefore, in order to solve this problem, there are various kinds of patents that can easily identify whether there is a failure or deterioration diagnosis of a solar cell module and transmit it to a user.

기존 특허 및 기술을 분석하면 「태양전지 어레이의 열화 진단기능 부가형 태양광 발전용전력변환장치 및 그 운용방법」(공개번호 10-2009-0024929)은 태양광 발전 전체 출력을 기준으로 발전 출력의 형태와 일사량계, 온도센서를 통한 열화 진단기능을 설명하고 있다. 이 특허는 PCS로 변환한 최종 출력량을 통해 열화 진단을 하는데, 이는 각 개별 태양전지 모듈의 열화 진단이 불가하고 열화 종류를 판단하기 어려운 단점을 가진다. 또한 열화가 발생한 모듈을 파악하기 어려워 수백의 모듈을 열화 진단할 경우 실제 열화가 발생한 모듈을 찾아내는데 추가적인 방법이 필요하다. 「태양광발전 장치의 이상 유무 검출 시스템 및 방법」(등록번호 10-1061025)은 인버터를 통해 복수의 태양전지 모듈을 감시하는데 위 특허와 마찬가지로 개별적 열화 진단이 불가하다. 또한 태양전지 모듈이 아닌 인버터와 같이 태양광 발전을 이루는 구성요소들에서의 고장이 생길 경우 태양전지 모듈의 열화 문제로 착각되기 쉬운 단점이 있다. 「태양전지 신뢰성 시험 방법 및 장치」(등록번호 10-1146325) 및 「태양전지의 검사방법 및 검사장치」(공개번호 10-2013-0098144)는 개별 태양전지 모듈의 오작동, 고장 여부를 판단하지만 열화 종류를 판별하지 못하며, 진단을 위해 일시적으로 태양광 발전 장치를 멈춰야 하는 단점이 있다. 또한 다수의 태양전지 모듈의 검사 시 검사 시간이 오래 걸리는 단점을 가지고 있다.Analysis of existing patents and technologies reveals that the "power conversion device for photovoltaic generation with deterioration diagnosis function of solar cell array and its operating method" (Publication No. 10-2009-0024929) And a deterioration diagnosis function using a solar radiation meter and a temperature sensor. In this patent, degradation diagnosis is performed through the final output amount converted to PCS, which is disadvantageous in that it is difficult to diagnose deterioration of each individual solar cell module and it is difficult to determine the type of deterioration. In addition, it is difficult to identify the degraded module. Therefore, in the case of deteriorating the diagnosis of hundreds of modules, an additional method is needed to find the module in which the deteriorated module has occurred. &Quot; System and method for detecting presence / absence of photovoltaic device abnormality " (Registration No. 10-1061025) monitors a plurality of solar cell modules through an inverter. In addition, if a failure occurs in the components constituting the solar power generation such as an inverter other than a solar cell module, there is a disadvantage that it is easily mistaken as a problem of degradation of the solar cell module. &Quot; Solar Cell Reliability Test Method and Apparatus " (Registration No. 10-1146325) and " Solar Cell Inspection Method and Inspection Apparatus " (Publication No. 10-2013-0098144) judge malfunction or failure of individual solar cell modules, There is a disadvantage that it is necessary to temporarily stop the photovoltaic device for diagnosis. In addition, it has a disadvantage that inspection time of many solar cell modules is long.

상기 특허들을 종합해보면 기존에 나와 있는 기술들은 태양전지 모듈 단위가 아닌 시스템 단위로써 고장을 진단하는 방법과 태양전지 모듈을 개별적으로 고장 진단하는 방법으로 나뉠 수 있다. 하지만 이와 같은 종래 특허나 기술들은 다수의 태양전지 모듈의 열화진단이 쉽지 않고, 열화의 종류나 발생 원인을 판단하지 못하기 때문에 사용자는 유지보수에 필요한 적절한 대응이 쉽지 않다.The above-mentioned technologies can be divided into a method of diagnosing a fault in a system unit instead of a solar cell module, and a method of separately diagnosing a solar cell module. However, such conventional patents and techniques fail to diagnose deterioration of a plurality of solar cell modules and can not determine the type of deterioration or the cause of the deterioration.

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 열화 정보 정확성이 향상되고, 사용자에게 즉각 보고가 가능한 안정적 전력에너지 생산을 위한 태양전지 모듈의 열화 종류 진단 시스템 및 그 방법을 제안하고자 한다. In order to solve the problems of the prior art described above, the present invention proposes a system and method for diagnosing a deterioration type of a solar cell module for stable power energy production in which the accuracy of degradation information is improved and the user can report immediately.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 안정적 전력에너지 생산을 위한 태양전지 모듈의 열화 종류 진단 시스템이 제공된다. In order to achieve the above object, according to a preferred embodiment of the present invention, there is provided a system for diagnosing a degradation type of a solar cell module for stable power energy production.

본 발명에 따르면, 기존 특허에 비해 열화 정보의 정확성 , 열화 정보 모니터링의 편의성에 중점을 두었다. 따라서 지붕이나 벽면 등에 설치된 태양전지 모듈의 정보 수집이나 열화 현상 진단이 쉽게 이루어질 수 있으며 다량의 모듈을 보유하고 있는 태양광 발전 단지에서 쉽게 실시간으로 발전량을 모니터링 하고 고장진단을 할 수 있다.According to the present invention, the accuracy of deterioration information and the convenience of monitoring deterioration information are emphasized compared with the existing patent. Therefore, information gathering and deterioration diagnosis of the solar cell module installed on the roof or wall can be easily performed, and it is possible to easily monitor the generation amount and diagnose the fault in the solar cell complex having a large number of modules in real time.

도 1은 태양전지 모듈 (100)이다.
도 2는 각각 모듈에 설치하게 될 태양전지 모듈 모니터링 하드웨어 (200)이다.
도 3은 온습도 및 일사량을 수집하는 하드웨어 (300)이다.
도 4는 열화 정보 저장 및 분석, 진단하는 하드웨어 (400)이다.
도 5는 각각 모듈에 설치하게 될 태양전지 모듈 모니터링 하드웨어의 연결 형태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 구체적인 열화 진단 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 실시간 발전량 정보에 필요한 Maximum Power Point Tracking을 나타낸 도면이다.
도 8은 그림자와 같은 Partial Shading에 의한 열화 현상 진단을 나타낸 도면이다.
도 9는 일부 셀이 파괴나 논리적 회로 문제에 의한 열화 현상 진단을 나타낸 도면이다.
도 10은 다수의 셀이 완파되어 열화 현상이 발생된 경우를 나타낸 도면이다.
도 11은 태양광 모듈이 완파 된 경우의 열화 현상 진단을 나타낸 도면이다.
도 12는 예상 발전량 모델을 나타낸 도면이다.
1 is a solar cell module 100. Fig.
2 is a solar cell module monitoring hardware 200 to be installed in a module, respectively.
3 is a hardware 300 for collecting temperature, humidity and radiation.
4 is hardware 400 for storing, analyzing and diagnosing deterioration information.
FIG. 5 is a diagram showing a connection mode of the solar cell module monitoring hardware to be installed in the module, respectively.
6 is a diagram illustrating a specific deterioration diagnosis process according to the present embodiment.
7 is a diagram illustrating Maximum Power Point Tracking required for real-time generation amount information.
8 is a diagram showing a diagnosis of degradation due to partial shading such as shadows.
9 is a diagram showing a diagnosis of deterioration phenomenon caused by a failure of some cells or a logical circuit problem.
FIG. 10 is a view showing a case where a plurality of cells are completely covered and a deterioration phenomenon occurs.
11 is a view showing a diagnosis of deterioration phenomenon when the solar module is completely recovered.
12 is a diagram showing an estimated power generation amount model.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

우선 본 발명의 시스템 구성에 대해선 다음과 같다.First, the system configuration of the present invention is as follows.

도 1은 태양전지 모듈 (100)이다. 태양전지 모듈은 다수의 셀 (101)과 (+) 단자 (102)와 (-) 단자 (103) 로 이루어져있다. 통상 (+) 단자 (102)와 (-) 단자 (103)는 태양광 발전 컨트롤러와 연결이 된다.1 is a solar cell module 100. Fig. The solar cell module comprises a plurality of cells 101, a positive terminal 102 and a negative terminal 103. The positive (+) terminal 102 and the negative (-) terminal 103 are connected to the solar power generation controller.

도 2는 각각 모듈에 설치하게 될 태양전지 모듈 모니터링 하드웨어 (200)이다. 태양전지 모듈 (100)에서 발생되는 전기에너지는 (+) 단자 (102)와 (-) 단자 (103)를 통해 우선 좌측 하드웨어 연결 단자 (201)에 연결이 되며 컨트롤러와는 우측 하드웨어 연결 단자 (201)에 연결이 된다. 따라서 구체적으로는 도 5에서 (501)과 같은 연결 형태를 띤다. 도 2에 있는 태양전지 모듈 모니터링 하드웨어 (200)는 수초~수분 사이로 전류 , 전압을 측정하게 되는데 이를 위해 디지털 가변 저항 (203)이 0옴에서부터 수M옴 까지 변화하면서 그에 따른 전류, 전압 값을 각각 전류 센서 (205)와 전압 센서 (204)를 통해 얻는다. 얻은 정보는 CPU (206)를 거쳐 무선 통신 모듈 (207) 및 무선 통신 안테나 (208)를 통해 열화 정보 저장 및 분석, 진단하는 하드웨어 (400)에 전송된다.2 is a solar cell module monitoring hardware 200 to be installed in a module, respectively. The electrical energy generated in the solar cell module 100 is firstly connected to the left hardware connection terminal 201 through the (+) terminal 102 and the (-) terminal 103, and the right side hardware connection terminal 201 ). Specifically, the connection form is as shown in FIG. 5 (501). The solar cell module monitoring hardware 200 shown in FIG. 2 measures the current and the voltage between several seconds and several minutes. To this end, the digital variable resistor 203 changes from 0 ohm to several M ohms, Is obtained through the current sensor 205 and the voltage sensor 204. The obtained information is transmitted to the hardware 400 for storing and analyzing deterioration information through the wireless communication module 207 and the wireless communication antenna 208 via the CPU 206. [

도 3은 온습도 및 일사량을 수집하는 하드웨어 (300)이다. 디지털 온도 센서 (301) , 디지털 습도 센서 (302) , 디지털 일사량 센서 (303) 는 CPU (304)를 거쳐 무선 통신 모듈 (305) 및 무선 통신 안테나 (306)를 통해 열화 정보 저장 및 분석, 진단하는 하드웨어 (400)에 전송된다.3 is a hardware 300 for collecting temperature, humidity and radiation. The digital temperature sensor 301, the digital humidity sensor 302 and the digital radiation dose sensor 303 store, analyze, and diagnose deterioration information through the CPU 304 and the wireless communication module 305 and the wireless communication antenna 306 And transmitted to the hardware 400.

도 4는 열화 정보 저장 및 분석, 진단하는 하드웨어 (400)이다. 무선 통신 디바이스 (401)는 열화 정보를 보여주며 무선 통신망 (402)을 통해 소비자 에게 알려준다. 날씨 정보 및 사양 정보 Database (403)은 유무선 통신망 (403)을 통해 열화 정보 저장 및 분석, 진단하는 하드웨어 (400)에 정보를 전달한다. 태양전지 모듈 모니터링 하드웨어 (200)와 온습도 및 일사량을 수집하는 하드웨어 (300)에서 무선 통신으로 보내온 정보는 무선 통신 모듈 (405) 및 안테나 (406)에서 수신을 받아 CPU (411)을 통해 열화 분석 처리 장치 (410)에 정보를 보낸다. 열화 분석 처리 장치 (410)는 보내온 정보를 통해 아래와 같은 열화 판단 및 종류를 진단한다.
4 is hardware 400 for storing, analyzing and diagnosing deterioration information. The wireless communication device 401 shows the deterioration information and informs the consumer through the wireless communication network 402. The weather information and specification information database 403 transmits information to the hardware 400 for storing, analyzing and diagnosing deterioration information through the wired / wireless communication network 403. Information sent from the solar module monitoring hardware 200 and the hardware 300 collecting the temperature and humidity and radiation is received by the wireless communication module 405 and the antenna 406 and is subjected to deterioration analysis processing And sends information to the device 410. The deterioration analysis processing apparatus 410 diagnoses the type of deterioration and the type of deterioration as described below through the transmitted information.

다음 열화 종류를 진단하는 방법은 다음과 같다.How to diagnose the next kind of degradation is as follows.

도 6은 구체적인 열화 진단 과정을 나타내었다.FIG. 6 shows a specific deterioration diagnosis process.

우선 열화 종류를 진단하기에 앞서 열화 여부를 판단하여야 하는데 그러기 위해서는 도 12에서 제시한 예상 발전량 모델을 만들어야 한다. 예상 발전량 모델을 위해 태양전지 모듈의 기본 사양정보를 활용하여 FF값을 구하고 FF값을 기본으로 온도, 일사량, 연식 정보를 이용하여 발전량 모델을 만든다. 만들어진 예상 발전량 모델은 실시간 발전량과 비교하여 오차 범위가 벗어나지 않는 이상 정상상태로 판단하며 오차 이상 벗어나게 되면 열화 현상이 발생된 것으로 판단한다.(600) 예상 발전량 모델은 연식, 온도, 일사량을 기본 정보로 판단한다.First, it is necessary to determine whether or not the deterioration is deteriorated before diagnosing the type of degradation. To do so, the estimated power generation model shown in FIG. 12 should be created. For the expected power generation model, the FF value is obtained by using the basic specification information of the solar cell module, and the power generation model is made based on the FF value based on the temperature, irradiation amount, and yearly information. The estimated power generation model is determined to be in a normal state as long as the error range does not deviate from the real-time power generation amount, and it is judged that the deterioration phenomenon occurs when the power is deviated more than the error (600). .

도 7은 실시간 발전량 정보에 필요한 Maximum Power Point Tracking에 관한 것이다.FIG. 7 relates to Maximum Power Point Tracking required for real-time generation amount information.

태양 전지는 태양 복사, 온도, 전체 저항등과 복잡한 관계를 가지고 있어 I-V 곡선이라고 부르는 비선형 출력 효율 특성을 가지는데, 통상 태양광 발전 컨트롤러가 MPPT를 통해 최대 전력점을 찾아 출력으로 내보낸다. 따라서 MPPT에 의한 MPP가 실시간 전력량이 되는데, 본 발명에선 태양전지 모듈의 실시간 전력량을 MPP점으로 판단한다. Solar cells have a complex relationship with solar radiation, temperature, total resistance, etc., and have nonlinear output efficiency characteristics called I-V curves. The PV controller usually finds the maximum power point through MPPT and outputs it to the output. Therefore, the MPPT based on the MPPT is a real-time power amount. In the present invention, the real-time power amount of the solar cell module is determined as the MPP point.

도 8은 그림자와 같은 Partial Shading에 의한 열화 현상 진단이다.FIG. 8 is a diagram illustrating a degradation phenomenon caused by partial shading such as shadows.

태양전지 모듈의 발전량이 갑자기 줄어들었다가 다시 정상 상태로 회복이 되는 경우는 2가지로 첫 번째는 일시적인 구름과 같은 기상 상태에 의한 것. 두 번째는 그림자, 부유 물질, 새와 같이 일시적으로 태양전지 모듈이 가려지는 경우(601,602) 이다. 따라서 갑작스럽게 발전량이 줄어들면 우선 기상 상태에 의한 것인지(600) 확인한다. 다음 기상 상태에 의한 것이 아닌 것으로 판단되면 발전량 저하가 계속 지속 되는지 지속이 되지 않는지 파악한다.(601) 발전량 저하가 계속 지속되면 다른 원인으로 판단하며 다시 회복될 경우 Partial Shading으로 판단한다.(602)There are two cases in which the power generation of the solar cell module suddenly decreases and then the solar cell module returns to the normal state. The first one is due to temporary weather conditions such as clouds. The second is when solar cells are temporarily hidden (601,602), such as shadows, suspended matter, and birds. Therefore, if the generation of electricity suddenly decreases, first check whether it is due to the weather condition (600). If it is judged that it is not caused by the next weather condition, it is judged whether the decrease of power generation continues or not (601) If the generation decrease continues, it is judged to be another cause.

도 9는 일부 셀이 파괴나 논리적 회로 문제에 의한 열화 현상 진단이다.(604)9 is a diagnosis of deterioration due to a failure of some cells or a problem of a logical circuit (604)

발전량 저하가 회복이 되지 않아 도7에서의 Partial Shading이 아닌 것으로 판단될 경우 IV 그래프를 통해 Maximum Power Point(MPP)를 찾아 현재 발전량 지점을 찾는다. 이 지점이 예상 MPP에 비해 10~30% 가량 떨어지면 일부 셀의 열화 현상이 진행되었거나 회로가 문제가 발생했음을 알린다.If it is judged that the generation amount is not recovered and it is not partial shading in FIG. 7, the maximum power point (MPP) is found through the IV graph to find the current power generation point. If this point drops by 10-30% compared to the expected MPP, some cell degradation may have occurred or the circuit may have experienced a problem.

도 10은 다수의 셀이 완파되어 열화 현상이 발생된 경우이다.(605)10 shows a case where a plurality of cells are completely covered and a deterioration phenomenon occurs. (605)

도8의 일부 셀이 파괴와 차이점은 도8의 경우 다수의 셀이 효율 저하가 발생된 경우며 도9의 경우는 다수의 셀이 완파된 경우이다. 일부 셀이 완파된 경우 30% 이상의 효율저하가 발생됨으로 예상 MPP에 비해 30% 이상 저하됨을 확인하면 일부 셀의 완파로 판단한다. 특히 MPP지점이 예상 MPP 지점에 비해 전류값이 50% 이상 크게 작아지면 태양전지 모듈의 세로로 배열된 셀들이 파괴된 경우이며 예상 MPP 지점에 비해 전압값이 50% 이상 크게 작아지면 태양광 모듈의 가로로 배열된 셀들이 파괴된 경우로 판단한다.8 is a case where efficiency deterioration occurs in a plurality of cells in the case of FIG. 8, and a case where a plurality of cells are completely recovered in the case of FIG. If some of the cells are completely recovered, it is judged that the cell efficiency is over 30%, which is 30% or more lower than the expected MPP. Especially, when the MPP point is significantly smaller than the expected MPP point by 50% or more, the vertically arranged cells of the solar cell module are destroyed. If the voltage value is greatly reduced by 50% or more as compared with the expected MPP point, It is judged that the horizontally arranged cells are destroyed.

도 11은 태양광 모듈이 완파 된 경우의 열화 현상 진단이다.(603)11 is a deterioration phenomenon diagnosis when the solar module is completely washed. (603)

이 경우 MPP지점을 측정하지 못하는 경우로 태양광 모듈이 완파된 경우로 판단할 수 있다.In this case, it is judged that the photovoltaic module is completely recovered when the MPP point can not be measured.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Should be regarded as belonging to the following claims.

Claims (1)

안정적 전력에너지 생산을 위한 태양전지 모듈의 열화 종류 진단 시스템.Diagnosis system of degradation type of solar cell module for stable power energy production.
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