KR20190077786A - 무선통신 기반 태양광 모듈 모니터링 시스템 - Google Patents

무선통신 기반 태양광 모듈 모니터링 시스템 Download PDF

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KR20190077786A
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monitoring
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김재언
이정훈
오진홍
최태성
김재완
서지은
오경란
고재훈
차재훈
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 태양광 모듈 모니터링 장치는 PV(Photovoltaic) 패널, 상기 PV 모듈의 출력 전류 및 출력 전압을 측정하고 구동을 제어하는 마이크로 인버터, 상기 마이크로 인버터의 입력단과 출력단의 전류를 측정하기 위한 전류센서, 상기 PV 모듈에 가해지는 일사량을 감지하기 위한 일사량센서, 상기 PV 모듈의 온도를 감지하기 위한 온도센서, 상기 전류센서, 일사량센서, 온도센서로부터 감지된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 연산하는 MCU 및 상기 MCU에서 연산된 신호를 무선통신 방식으로 송출하기 위한 제1 무선통신부를 포함하는 하나 이상의 태양광 모듈과, 상기 하나 이상의 태양광 모듈로부터 무선통신 방식으로 신호를 수신하기 위한 제2 무선통신부, 상기 제2 무선통신부를 통해 수신된 신호를 기반으로 각 태양광 모듈의 상태를 모니터링하고, 상기 마이크로 인버터의 효율을 측정하고, 상기 PV 모듈의 이상 여부를 감지하는 제어부 및 상기 제어부의 제어에 따라 태양광 모듈의 모니터링 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이부를 포함하는 모니터링 장치를 포함한다.

Description

무선통신 기반 태양광 모듈 모니터링 시스템 {System for monitoring photovoltaic module based on radio communication}
본 발명은 태양광 모듈을 모니터링하는 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지그비(ZigBee)와 같은 무선통신 기술을 기반으로 하는 태양광 모듈 모니터링 기술에 관한 것이다.
최근 지구온난화 및 자원고갈 등의 많은 문제가 발생함에 따라 이산화탄소 절감을 위해, 신재생에너지의 사용이 증가하는 추세이다. 그 중 태양광 발전시설은 무한정, 무공해의 태양에너지를 이용하므로, 연료비 및 대기오염, 폐기물발생이 없다. 또한 기계적인 소음과 진동이 없고, 태양전지의 수명이 최소 20년 이상인 데다 자동화도 용이하여 운전 및 유지관리에 따른 비용을 최소화 할 수 있다고 알려져 있다.
현재 태양광 모듈을 이용한 발전 시스템은 개별 태양광 모듈을 어레이 단위로 서로 연결해서 얻어진 직류 전기를 하나의 인버터를 통해 교류 전기로 변환시키는 중앙집중형 인버터 방식으로 운영되며 전체 공급시장의 90%정도 차지하고 있다.
그러나 최근엔 태양광 모듈 하나당 하나의 인버터가 설치되는 새로운 소형 인버터 방식이 주목받고 있다. 정형화되어 가는 태양광 발전 전용 인버터 시장에서 최근 몇 년 전부터 미국시장을 중심으로 새롭게 등장한 것이 이른바 마이크로 인버터(Micro inverter)이다. 어레이 전체에서 얻어진 전기를 직류에서 교류로 전환하는 중앙집중식이 아닌 개별 태양광 모듈에 각각의 인버터를 설치해 태양광 모듈 단위로 직류를 교류로 전환하는 분산 시스템이다.
마이크로 인버터의 경우 개별 태양광 모듈에 하나씩 간단하게 설치할 수 있기 때문에 설치비가 절감되고, 각각의 태양광 모듈을 개별적으로 통제하기 때문에 어레이 일부에 그늘이 지는 등의 현상으로 인한 급격한 전력 생산 저하를 원천적으로 방지할 수 있으며, 개별 태양광 모듈을 통제하므로 전력 생산량을 5~20%정도 향상시킬 수 있다.
또한, 마이크로 인버터의 경우 주변의 환경조건 변화에 대해 적절한 대응이 가능하다. 기존 중앙집중식의 경우 어레이 재구성 등의 문제점에 따라 위치를 재설정하기가 곤란했으나, 마이크로 인버터는 태양광 모듈에 개별로 설치되므로, 마이크로 인버터가 설치된 경우 중앙집중식보다 위치 변경이 편리하게 이루어진다. 따라서 인근에 새롭게 신축되는 건축물로 인한 태양광 모듈의 음영 현상이나 정원의 정원수가 성장함에 따라 발생된 음영부분 등의 경우에는 중앙집중형 인버터보다 적절한 대처가 가능하다. 이처럼 마이크로 인버터의 경우 모듈별로 각각 모니터링 및 제어를 할 수 있기 때문에 유지관리가 용이하다는 장점이 부각되고 있다.
이에 따라 태양광발전에 대한 세계 각국의 관심이 날로 증대되면서 이용량이 기하급수적으로 증대 되고 있고, 글로벌 태양광 인버터 시장 경쟁 또한 갈수록 치열해지고 있으며, 국내외 인버터 업계가 200억의 시장을 놓고 경쟁을 벌이고 있다. 이에 따라 기존의 중앙집중식 인버터의 단점을 보완한 마이크로 인버터의 매출이 늘어나고 있다.
대한민국 등록특허 10-1677925호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 인버터 성능을 따지는 지표 중 하나인 효율을 측정하여, 패널 별 발전 상황의 정보를 무선 통신을 이용한 모니터링을 통해 각 마이크로 인버터의 효율을 비교할 수 있을 뿐만 아니라, 태양광 모듈의 이상 여부를 감지하여 이상이 있는 태양광 모듈을 바로 확인할 수 있도록 하여 태양광 발전 시스템의 품질을 높일 수 있는 태양광 발전 모니터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 PV(Photovoltaic) 패널, 상기 PV 모듈의 출력 전류 및 출력 전압을 측정하고 구동을 제어하는 마이크로 인버터, 상기 마이크로 인버터의 입력단과 출력단의 전류를 측정하기 위한 전류센서, 상기 PV 모듈에 가해지는 일사량을 감지하기 위한 일사량센서, 상기 PV 모듈의 온도를 감지하기 위한 온도센서, 상기 전류센서, 일사량센서, 온도센서로부터 감지된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 연산하는 MCU 및 상기 MCU에서 연산된 신호를 무선통신 방식으로 송출하기 위한 제1 무선통신부를 포함하는 하나 이상의 태양광 모듈과, 상기 하나 이상의 태양광 모듈로부터 무선통신 방식으로 신호를 수신하기 위한 제2 무선통신부, 상기 제2 무선통신부를 통해 수신된 신호를 기반으로 각 태양광 모듈의 상태를 모니터링하고, 상기 마이크로 인버터의 효율을 측정하고, 상기 PV 모듈의 이상 여부를 감지하는 제어부 및 상기 제어부의 제어에 따라 태양광 모듈의 모니터링 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이부를 포함하는 모니터링 장치를 포함한다.
상기 제1 무선통신부와 제2 무선통신부는 지그비(ZigBee) 통신 방식으로 통신할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 둘 이상의 태양광 모듈이 상기 모니터링 장치와 무선통신하는 경우, 상기 모니터링 장치에서 상기 둘 이상의 태양광 모듈 중에서 어느 하나의 태양광 모듈로 정보를 요청하면, 요청받은 태양광 모듈의 MCU는 연산한 결과값을 상기 모니터링 장치에 송신할 수 있다.
상기 모니터링 장치에는 PV 모듈에 가해지는 일사량과 온도에 따른 예상 DC 전력에 대한 정보가 미리 저장되어 있으며, 상기 모니터링 장치는 어느 태양광 모듈로부터 수신한 일사량과 온도에 따른 예상 DC 전력과 해당 PV 모듈의 실제 DC 전력을 비교하여 그 차이가 미리 정해진 제1 기준치를 초과하면, 해당 PV 모듈에 이상이 있다고 판단하고, 상기 디스플레이부를 통해 경고 메시지를 송출할 수 있다.
상기 모니터링 장치는 예상 DC 전력과 실제 DC 전력의 차이가 20%를 초과하면 해당 PV 모듈에 이상이 있다고 판단할 수 있다.
상기 모니터링 장치는 어느 태양광 모듈로부터 수신한 전류값을 이용하여 해당 마이크로 인버터의 효율을 계산하고, 효율이 미리 정해진 제2 기준치 이하이면 해당 마이크로 인버터에 이상이 있다고 판단하고, 상기 디스플레이부를 통해 경고 메시지를 송출할 수 있다.
상기 모니터링 장치는 해당 마이크로 인버터의 효율이 80% 이하이면, 이상이 있다고 판단할 수 있다.
본 발명에 의하면, 하나의 컴퓨터를 통해 여러 장소에 설치되어 있는 다수의 태양광 모듈과 마이크로 인버터의 상태를 모니터링할 수 있으므로, 사용자의 편의에 기여하는 효과가 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 무선통신을 기반으로 마이크로 인버터의 효율을 용이하게 측정할 수 있고, PV 모듈의 상태를 점검하여 이상 여부를 신속하고 용이하게 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈 모니터링 시스템의 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모니터링 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모니터링 장치의 화면예이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈 모니터링 시스템의 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 태양광 모듈 모니터링 시스템은 하나 이상의 태양광 모듈(100)와 모니터링 장치(200)를 포함한다.
태양광 모듈(100)은 하나 이상이 구비되며, 복수로 구비되는 경우, 다양한 장소에 각기 설치될 수 있다.
모니터링 장치(200)는 각 태양광 모듈(100)에 대하여 마이크로 인버터의 효율을 측정하고, PV 모듈의 이상을 감지하는 등의 모니터링을 실시한다. 예를 들어, 모니터링 장치(200)는 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 서버, 태블릿 PC 등으로 구현될 수 있다.
본 발명은 무선통신 기반의 태양광 모듈 모니터링 시스템으로서, 태양광 모듈(100)와 모니터링 장치(200)는 무선통신 방식으로 통신한다. 본 발명의 일 실시예에서 태양광 모듈(100)와 모니터링 장치(200)는 지그비(ZigBee) 통신 방식으로 통신할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈(100)은 PV(Photovoltaic) 패널(110), 마이크로 인버터(120), MCU(Micro Controller Unit)(130), 제1 무선통신부(140), 일사량센서(150), 온도센서(160), 전류센서(170)를 포함한다.
마이크로 인버터(120)는 PV 모듈(110)의 출력 전류 및 출력 전압을 측정하고 구동을 제어하는 역할을 한다.
MCU(130)는 전류센서(170), 일사량센서(150), 온도센서(160)로부터 감지된 아날로그 신호를 ADC(Analog To Digital converter)를 통해 디지털 신호로 변환하고, RMS(Root Mean Square) 값으로 연산한다. 예를 들어, MCU(130)는 Atmega128로 구현될 수 있다.
제1 무선통신부(140)는 MCU(130)에서 연산된 신호를 무선통신 방식으로 송출하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 무선통신부(140)는 지그비 방식으로 통신할 수 있다.
일사량센서(150)는 PV 모듈(110)에 가해지는 일사량을 감지하는 역할을 한다.
온도센서(160)는 PV 모듈(110)의 온도를 감지하는 역할을 한다.
전류센서(170)는 마이크로 인버터(120)의 입력단과 출력단의 전류를 측정하는 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모니터링 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모니터링 장치(200)는 제2 무선통신부(210), 제어부(220), 디스플레이부(230)를 포함한다.
제2 무선통신부(210)는 하나 이상의 태양광 모듈로부터 무선통신 방식으로 신호를 수신하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 제2 무선통신부(210)는 지그비 방식으로 통신할 수 있다.
제어부(220)는 제2 무선통신부(210)를 통해 수신된 신호를 기반으로 각 태양광 모듈의 상태를 모니터링하고, 마이크로 인버터(120)의 효율을 측정하고, PV 모듈(110)의 이상 여부를 감지한다.
디스플레이부(230)는 제어부(220)의 제어에 따라 태양광 모듈의 모니터링 정보를 디스플레이하는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에서 둘 이상의 태양광 모듈이 모니터링 장치(200)와 무선통신하는 경우, 모니터링 장치(200)에서 둘 이상의 태양광 모듈 중에서 어느 하나의 태양광 모듈로 정보를 요청하면, 요청받은 태양광 모듈의 MCU는 연산한 결과값을 모니터링 장치에 송신한다.
본 발명에서 모니터링 장치(200)에는 PV 모듈(110)에 가해지는 일사량과 온도에 따른 예상 DC 전력에 대한 정보가 미리 저장되어 있으며, 모니터링 장치(200)는 어느 태양광 모듈로부터 수신한 일사량과 온도에 따른 예상 DC 전력과 해당 PV 모듈의 실제 DC 전력을 비교하여 그 차이가 미리 정해진 제1 기준치를 초과하면, 해당 PV 모듈에 이상이 있다고 판단하고, 디스플레이부(230)를 통해 경고 메시지를 송출할 수 있다.
예를 들어, 모니터링 장치(200)는 예상 DC 전력과 실제 DC 전력의 차이가 20%를 초과하면 해당 PV 모듈에 이상이 있다고 판단할 수 있다.
모니터링 장치(200)는 어느 태양광 모듈로부터 수신한 전류값을 이용하여 해당 마이크로 인버터의 효율을 계산하고, 효율이 미리 정해진 제2 기준치 이하이면 해당 마이크로 인버터에 이상이 있다고 판단하고, 디스플레이부(230)를 통해 경고 메시지를 송출할 수 있다.
예를 들어, 모니터링 장치(200)는 해당 마이크로 인버터의 효율이 80% 이하이면, 이상이 있다고 판단할 수 있다.
본 발명의 마이크로 인버터 모니터링 시스템에서 LabVIEW 소프트웨어를 이용하여 디스플레이를 구현할 수 있다. LabVIEW는 엔지니어링 시스템의 간단한 시각화, 생성, 코드화에 사용되는 프로그래밍 언어를 그래픽으로 표현하여 아이디어를 직관적으로 구현할 수 있으며, 테스트 시간 단축 및 수집에 데이터의 전략적 분석이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모니터링 장치의 화면예이다.
도 4를 참조하면, 마이크로 인버터의 출력을 시각화하여 출력한 디스플레이부(230)의 화면예이다.
도 4에서 좌측에는 지그비와 모니터링 장치(200)인 컴퓨터 사이의 통신환경 설정이 표시되어 있다.
그리고, 가운데 부분에는 PV 모듈의 상태가 표시되어 있는데, PV 모듈의 온도, 일사량과, 이러한 조건에서 예상되는 DC 전력과 실제 측정된 DC 전력이 표시되어 있으며, 이를 그래프로 나타내고 있다. 도 4에서 예상 DC 전력과 실제 DC 전력의 차이가 20% 이상이므로 패널에 이상이 있다고 판단하여 에러 버튼이 켜진다.
그리고, 우측에는 마이크로 인버터의 상태가 표시되는데, 현재 AC전력의 예상 값과 실제 값을 비교한 그래프와 계산된 인버터의 효율을 보여준다. 도 4에서 마이크로 인버터의 효율이 80% 이하로 떨어지면 에러가 있다고 판단하는데, 현재 인버터의 효율이 66% 이므로 에러 상태라고 판단하여 경고 버튼이 켜진 상태이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 태양광 모듈 모니터링 시스템은 지그비(ZigBee)를 이용해 다수의 마이크로 인버터에서 측정된 전력 정보들을 무선으로 하나의 메인 컴퓨터에서 처리할 수 있으므로, 저비용으로 소형화된 통신 시스템을 구현하여 경제성을 살릴 수 있다. 또한, 본 발명의 태양광 모듈 모니터링 시스템을 이용하면, 도심에서 자가발전 되고 있는 태양광 발전들을 한곳에서 관리할 수 있기 때문에, 효율적으로 태양광 발전 시스템을 유지하고 관리 할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100 태양광 모듈 200 모니터링 장치
110 PV 모듈 120 마이크로 인버터
130 MCU 140 제1 무선통신부
150 일사량센서 160 온도센서
170 전류센서 210 제2 무선통신부
220 제어부 230 디스플레이부

Claims (7)

  1. PV(Photovoltaic) 패널;
    상기 PV 모듈의 출력 전류 및 출력 전압을 측정하고 구동을 제어하는 마이크로 인버터;
    상기 마이크로 인버터의 입력단과 출력단의 전류를 측정하기 위한 전류센서;
    상기 PV 모듈에 가해지는 일사량을 감지하기 위한 일사량센서;
    상기 PV 모듈의 온도를 감지하기 위한 온도센서;
    상기 전류센서, 일사량센서, 온도센서로부터 감지된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 연산하는 MCU; 및
    상기 MCU에서 연산된 신호를 무선통신 방식으로 송출하기 위한 제1 무선통신부를 포함하는 하나 이상의 태양광 모듈과,
    상기 하나 이상의 태양광 모듈로부터 무선통신 방식으로 신호를 수신하기 위한 제2 무선통신부;
    상기 제2 무선통신부를 통해 수신된 신호를 기반으로 각 태양광 모듈의 상태를 모니터링하고, 상기 마이크로 인버터의 효율을 측정하고, 상기 PV 모듈의 이상 여부를 감지하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라 태양광 모듈의 모니터링 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이부를 포함하는 모니터링 장치
    를 포함하는 태양광 모듈 모니터링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 무선통신부와 제2 무선통신부는 지그비(ZigBee) 통신 방식으로 통신하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 모니터링 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    둘 이상의 태양광 모듈이 상기 모니터링 장치와 무선통신하는 경우,
    상기 모니터링 장치에서 상기 둘 이상의 태양광 모듈 중에서 어느 하나의 태양광 모듈로 정보를 요청하면, 요청받은 태양광 모듈의 MCU는 연산한 결과값을 상기 모니터링 장치에 송신하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 모니터링 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 모니터링 장치에는 PV 모듈에 가해지는 일사량과 온도에 따른 예상 DC 전력에 대한 정보가 미리 저장되어 있으며,
    상기 모니터링 장치는 어느 태양광 모듈로부터 수신한 일사량과 온도에 따른 예상 DC 전력과 해당 PV 모듈의 실제 DC 전력을 비교하여 그 차이가 미리 정해진 제1 기준치를 초과하면, 해당 PV 모듈에 이상이 있다고 판단하고, 상기 디스플레이부를 통해 경고 메시지를 송출하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 모니터링 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 모니터링 장치는 예상 DC 전력과 실제 DC 전력의 차이가 20%를 초과하면 해당 PV 모듈에 이상이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 모니터링 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 모니터링 장치는 어느 태양광 모듈로부터 수신한 전류값을 이용하여 해당 마이크로 인버터의 효율을 계산하고, 효율이 미리 정해진 제2 기준치 이하이면 해당 마이크로 인버터에 이상이 있다고 판단하고, 상기 디스플레이부를 통해 경고 메시지를 송출하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 모니터링 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 모니터링 장치는 해당 마이크로 인버터의 효율이 80% 이하이면, 이상이 있다고 판단하는 것을 특징으로 하는 태양광 모듈 모니터링 시스템.
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KR102280207B1 (ko) * 2020-07-22 2021-07-22 안지영 태양광 발전소를 제어하는 장치 및 이를 이용한 방법

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