KR20200006826A - 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법 - Google Patents

태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치에 관한 것으로, 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값을 산출하고, 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값을 산출하는 손실 추정부; 그리고, 손실 추정부에서 산출한 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값과 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값으로부터 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값을 산출하고, 산출된 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값을 설정된 기준값과 비교하여, 기준값을 만족하는 발생횟수가 설정값을 초과하는 경우 태양광발전 어레이에 Hot Spot이 발생한 것으로 판단하는 Hot Spot 발생여부 판단부;를 포함한다. 이로 인해, 태양광발전 어레이의 Hot Spot 발생여부를 진단을 위해 특수장비를 구비하여 직접 태양광시스템을 정비하지 않고서도 태양광발전 어레이의 Hot Spot을 진단할 수 있으므로, 태양광발전 시스템의 유지보수 비용을 절감할 수 있고, 성능 및 품질을 보증할 수 있는 효과가 있다.

Description

태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING HOT SPOT OF PHOTOVOLTAIC ARRAY}
본 발명은 태양광발전 어레이의 Hopt Spot 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 태양광발전 시스템의 운전 중에 데이터베이스로부터 소정 주기로 획득된 태양광발전 시스템의 계측데이터로부터 태양광발전 시스템의 출력전력이 저하되는 것을 모니터링하고, 이로부터 태양광발전 어레이에 Hot Spot이 발생한 것으로 진단하여, 태양광발전 어레이의 신속한 고장복구 및 유지보수 결정을 하도록 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단장치에 관한 것이다.
태양광발전 시스템은 입력에너지인 일조강도를 직류전력으로 변환하여 출력하는 태양광발전 어레이와 태양광발전 어레이의 직류전력을 교류전력으로 변환하는 출력하는 태양광발전 인버터로 구성된다. 이러한 태양광발전 시스템의 태양광발전 모듈은 온도, 습도, 전력손실 및 주변 환경의 영향에 민감한 부품들로 구성되어 있어, 고장 발생시 태양광발전 어레이는 기대했던 발전성능이 나오지 않는 경우가 발생한다.
태양광발전 어레이는 주로 옥외에 설치되고 있어, 태양광발전 어레이에 음영이 발생하거나, 태양광발전 어레이의 결선부위에 회로 결함이 발생하거나, 또는 태양광발전 모듈의 출력전력 편차에 따른 단락전류 감소로 인해, 태양광발전 어레이의 국부 과열 현상인 Hot Spot이 발생된다. 또한, Hot Spot이 발생하는 경우, 태양전지 셀 혹은 유리 파손, 납땜부위 용융에 의한 태양광발전 어레이의 출력전력 저하, 태양광발전 모듈의 열화로 이어진다.
그리고, 태양광발전 모듈의 Hot Spot 발생으로 인한 태양광발전 어레이의 출력전력 감소에 따라, 태양광발전 어레이의 안정성 감소 및 경제적 손실이 유발된다.
그러나, 태양광발전 모듈의 Hot Spot 발생여부를 육안으로 판단하거나 원격에서 판단하기 어렵고, 현장에서 열화상 카메라 등의 특수장비를 이용하여 Hot Spot 발생여부를 진단해야 하므로, 태양광발전 모듈의 Hot Spot 발생여부 진단에 시간적, 경제적 비용이 발생하는 한계점이 있다.
이에 따라, 별도의 특수 장비 없이, 태양광발전 시스템에서 수집된 계측데이터로부터 태양광발전 어레이의 Hot Spot 발생여부를 진단하여, 태양광발전 어레이 운전의 신속한 고장복구와 태양광발전 어레이의 유지보수 결정에 이용할 수 있는 진단정보를 제공하는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1065862(태양전지 어레이의 부분 음영 판단에 따른 태양광 발전 시스템의 최대전력 추정방법)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 데이터베이스로부터 소정 주기로 획득한 정보들로부터 태양광발전 어레이의 Hot Spot으로 인해 태양광발전 시스템의 출력전력이 떨어지는 것을 진단하고, 이를 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단정보로서 제공하여, 태양광발전 시스템의 효율적인 사후 유지관리 체계 구축 및 이로 인한 태양광발전 시스템의 성능 및 품질을 보증, 향상하기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치는 태양 등가 가동시간, 태양광발전 어레이의 등가 가동시간, 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 및 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간으로부터 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값을 산출하고, 운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값, 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값, 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값 및 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 추정값으로부터 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값을 산출하는 손실 추정부; 그리고, 상기 손실 추정부에서 산출한 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값과 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값으로부터 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값을 산출하고, 산출된 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값을 설정된 기준값과 비교하여, 기준값을 만족하는 횟수가 설정값을 초과하는 경우 태양광발전 어레이에 Hot Spot이 발생한 것으로 판단하는 Hot Spot 발생여부 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양 등가 가동시간, 상기 태양광발전 어레이의 등가 가동시간, 상기 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 및 상기 태양광발전 어레이의 온도 보정 후 등가 가동시간을 산출하여 상기 손실 추정부에 제공하는 등가 가동시간 산출부; 그리고, 상기 태양 등가 가동시간과 태양광발전 어레이의 표면온도로부터, 상기 운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값, 상기 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값, 상기 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값 및 상기 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 추정값을 산출하여 상기 손실 추정부에 제공하는 등가 가동시간 추정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 등가 가동시간 산출부는 하기의 식 1 및 식 2로부터 상기 태양 등가 가동시간, 상기 태양광발전 어레이의 등가 가동시간, 상기 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 및 상기 태양광발전 어레이의 온도 보정 후 등가 가동시간을 산출하는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
Figure pat00001
[식 2]
Figure pat00002
(이때, Yr,meas는 태양 등가 가동시간, Ga,meas는 경사면 일사강도 (W/m2), Ga,ref는 일사강도 1,000(W/m2), Ya,meas는 태양광발전 어레이 등가 가동시간 실측값, Pa,meas는 태양광발전 어레이 직류전력(W), Pas는　표준시험조건(STC)에서의 태양광발전 어레이 설치용량(W), Yao,meas는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 실측값, Yat,meas는 태양광발전 어레이 온도보정후 등가 가동시간 실측값, Tm,meas는 태양광발전 어레이 표면온도 실측값, Ia,meas는 태양광발전 어레이 직류전류 실측값, αm는 태양광발전 어레이 최대성능계수, αt는 태양광발전 어레이 온도보정계수, Ra는 태양광발전 어레이 직류선로 저항임.)
상기 등가 가동시간 추정부는 하기의 식 3으로부터 상기 운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값, 상기 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값, 상기 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값 및 상기 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 추정값 을 산출하는 것을 특징으로 한다.
[식 3]
Figure pat00003
(이때, Yao,esti는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 추정값, Yat,esti는 태양광발전 어레이 온도보정후 등가 가동시간 추정값, Ya,esti는 태양광발전 어레이 등가 가동시간 추정값, Va,esti는 태양광발전 어레이 직류전압 추정값, Dv,aging는 태양광발전 어레이 전압 노화계수, Oyear는 운전년수, Ia,meas는 태양광발전 어레이 직류전류 실측값, Ra는 태양광발전 어레이 직류선로 저항, αm는 태양광발전 어레이 최대성능계수, αt는 태양광발전 어레이 온도보정계수, at, bt는 태양광발전 어레이 온도계수, av, bv는 태양광발전 어레이 전압보정계수, Nseries는 태양광발전 모듈 직렬개수, Nparallel는 태양광발전 스트링 병렬개수임.)
상기 손실 추정부는 하기의 식 4를 이용하여 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
[식 4]
Figure pat00004
(이때, Yao,meas는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 실측값, Yat,meas는 태양광발전 어레이 온도보정 후 등가 가동시간 실측값, Ylm,meas는 태양광발전 어레이 부정합 손실 실측값임.)
상기 손실 추정부는 하기의 식 5를 이용하여 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
[식 5]
Figure pat00005
(이때, Yao,esti는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 추정값, Yat,esti는 태양광발전 어레이 온도보정 후 등가 가동시간 추정값, Ylm,esti는 태양광발전 어레이 부정합 손실 추정값임.)
상기 Hot Spot 발생여부 판단부는 하기의 식 6으로부터 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값과 상기 태양광 어레이의 부정합 손실의 추정값 사이의 차이를 상기 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값으로 산출하고, 상기 태양광발전 어레이 직류전압 실측값과 상기 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값 사이의 차이를 상기 태양광발전 어레이 직류전압 차이값으로 산출하는 것을 특징으로 한다.
[식 6]
Figure pat00006
(이때, Ylm,resi는 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값, Ylm,meas는 태양광발전 어레이 부정합 손실 실측값, Ylm,esti는 태양광발전 어레이 부정합 손실 추정값, Va,resi는 태양광발전 어레이 직류전압 차이값, Va,meas는 태양광발전 어레이 직류전압 실측값, Va,esti는 태양광발전 어레이 직류전압 추정값임)
상기 Hot Spot 발생여부 판단부는 상기 태양 등가 가동시간을 기준값 0.2와 비교하고, 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값을 기준값 A와 비교하고, 태양광발전 어레이 직류전압 차이값을 기준값 B와 비교하고, 태양 등가 가동시간 및 차이값들의 비교결과가 동시에 모두 만족하는 발생횟수(Freq.)를 기준값 C와 최종 비교한 결과로부터 Hot Spot 발생여부를 판단하며, 하기의 식 7에 따라 태양광발전 어레이의 Hot Spot 발생여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
[식 7]
If (Yr,meas <0.2) ;
Else if (Yr,meas >= 0.2 and Ylm,resi < A and Va,resi > B and Freq. >C)
Hot Spot 발생;
Else
Hot Spot 미발생;
End
(이때, Yr,meas는 태양 등가 가동시간, Ylm,resi는 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값, Va,resi는 태양광발전 어레이 직류전압 차이값임.)
상기 기준값 A는 -0.06이고, 상기 기준값 B는 -0.1 상기 기준값 C는 8인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 방법은 태양광발전 어레이의 등가 가동시간을 산출하는 단계; 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 및 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간을 산출하는 단계; 운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압, 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값, 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값을 산출하는 단계; 태양광발전 어레이 부정합 손실 실측값 및 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값을 산출하는 단계; 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값, 태양광발전 어레이 직류전압 차이값을 산출하는 단계; 태양 등가 가동시간 및 상기 차이값들이 설정된 기준을 만족하는지를 판단하는 단계; 그리고, 태양 등가 가동시간 및 상기 차이값들이 설정된 기준을 만족하는 경우 Hot Spot 발생으로 판단하거나, 태양 등가 가동시간 및 상기 차이값들이 설정된 기준을 만족하지 않는 경우 Hot Spot 미발생으로 판단하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 특징에 따르면, 본원 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법은 별도의 장비 없이 원격에서도 태양광발전 시스템의 Hot Spot 발생을 진단할 수 있어, 태양광발전 시스템의 고장진단을 위해 소요되는 비용을 절감할 수 있고, 태양광발전 시스템의 성능 및 품질을 보증할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법이 적용되는 태양광발전 시스템의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치의 Hot Spot 진단부를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 방법의 흐름을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법에 의해 산출된 태양광발전 어레이의 부정합 손실 및 태양광발전 어레이의 등가 가동시간의 실측값을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법에 의해 산출된 태양광발전 어레이의 부정합 손실 및 태양광발전 어레이의 등가 가동시간의 추정값을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법에 의해 산출된 태양광발전 어레이의 직류전압의 실측값과 추정값을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법에 의해 산출된 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 차이값, 태양광발전 어레이의 직류전압의 실측값과 추정값의 차이값을 도시한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법이 적용되는 태양광발전 시스템의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치의 Hot Spot 진단부를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 방법의 흐름을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법에 의해 산출된 태양광발전 어레이의 부정합 손실 및 태양광발전 어레이의 등가 가동시간의 실측값을 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법에 의해 산출된 태양광발전 어레이의 부정합 손실 및 태양광발전 어레이의 등가 가동시간의 추정값을 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법에 의해 산출된 태양광발전 어레이의 직류전압의 실측값과 추정값을 도시한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법에 의해 산출된 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 차이값, 태양광발전 어레이의 직류전압의 실측값과 추정값의 차이값을 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 2 및 도 4 내지 도 7을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치를 설명하면, 먼저, 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치(200)(본 명세서 상에서, 'Hot Spot 진단 장치'로 혼용 기재함)는 태양광발전 시스템(100)에 연결되고, 데이터베이스(210), Hot Spot 진단부(220), 진단결과 표시부(230) 및 메모리(240)를 포함하여 구성된다.
데이터베이스(210)는 태양(10)의 경사면 일조강도 및 표면온도와, 태양광발전 인버터(30)에서 태양광발전 어레이(20)의 직류전압, 직류전류 및 직류전력 값을 전달받아 계측데이터로 저장하고 있고, 태양광발전 시스템(100)의 태양 등가 가동시간(Yr,meas), 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값(Ylm,resi), 태양광발전 어레이 직류전압 차이값(Va,resi), 그리고 발생횟수(Freq.)를 각각 저장하고 있다.
이때, 태양광발전 시스템(100)은 태양의 일조강도를 조사받는 태양광발전 어레이(20), 태양광발전 어레이(20)에 연결된 태양광발전 인버터(30), 태양광발전 인버터(30)에 연결된 전력계통(40) 및 부하(50)를 포함한다.
태양광발전 어레이(20), 태양광발전 인버터(30), 전력계통(40) 및 부하(50)로 구성되는 태양광발전 시스템(100)의 구조는 주지사항이므로, 본 명세서에서는 이를 자세히 설명하지 않더라도 자명하게 이해되어야 할 것이다.
데이터베이스(210)는 메모리(240)와 연결되어, 태양광발전 시스템(100)으로부터 계측데이터, 실측값, 추정값 및 차이값의 데이터를 전달받아 메모리(240)에 전달하여 저장하고, 메모리(240)에 저장된 기준값 등을 Hot Spot 진단부(220)로 전달할 수 있다.
데이터베이스(210)는 2초 단위의 샘플링 주기로 계측데이터를 측정하고, 10분 내지 15분 단위로 측정한 계측데이터를 메모리(240)에 저장한다.
메모리(240)는 진단결과 표시부(230)가 Hot Spot 진단부(220)로부터 진단결과 데이터를 전달받아 저장할 수 있다.
Hot Spot 진단부(220)는 데이터베이스(210) 및 진단결과 표시부(230)와 연결되고, 데이터베이스(210)로부터 기준값 외 데이터들을 전달받는다. Hot Spot 진단부(220)는 태양 등가 가동시간과 차이값 및 발생횟수를 미리 설정된 기준값과 비교하여 태양광발전 시스템(100)에 구성된 태양광발전 어레이(20)의 Hot Spot 발생여부를 진단하고, 그 진단결과를 진단결과 표시부(230)에 전달할 수 있다.
진단결과 표시부(230)는 Hot Spot 진단부(220)로부터 전달받은 태양광발전 어레이의 Hot Spot 발생여부 판단결과, 이에 따른 태양광발전 시스템의 발전성능 추정결과 또는 태양광발전 시스템의 출력 데이터들을 표시하는 디스플레이 장치일 수 있다.
Hot Spot 진단부(220)는 도 2에 도시한 것처럼, 등가 가동시간 산출부(221), 등가 가동시간 추정부(222), 손실 추정부(223), 그리고 Hot Spot 발생여부 판단부(224)를 포함하여 구성된다.
등가 가동시간 산출부(221)는 데이터베이스(210)로부터 전달받은 경사면 일조강도 및 직류전력 값으로부터 태양 등가 가동시간(Yr,meas) 및 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 실측값(Ya,meas)을 식 1을 이용하여 산출한다.
[식 1]
Figure pat00007
위의 식 1에서, Yr,meas는 태양 등가 가동시간, Ga,meas는 경사면 일사강도 (W/m2), Ga,ref는 일조강도 1,000(W/m2), Ya,meas는 태양광발전 어레이 등가 가동시간 실측값, Pa,meas는 태양광발전 어레이 직류전력 실측값(W), Pas는　표준시험조건(STC)에서의 태양광발전 어레이 설치용량(W)이다.
그리고, 등가 가동시간 산출부(221)는 식 1로부터 산출된 태양 등가 가동시간(Yr,meas)과, 데이터베이스(210)로부터 전달받은 태양광발전 어레이의 표면온도(Tm,meas) 및 태양광발전 어레이의 직류전류(Ia,meas)로부터 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간(Yao,meas) 및 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간(Yat,meas)을 식 2를 이용하여 산출한다.
[식 2]
Figure pat00008
위의 식 2에서, Yao,meas는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 실측값, Yat,meas는 태양광발전 어레이 온도보정후 등가 가동시간 실측값, Ia,meas는 태양광발전 어레이 직류전류 실측값, Tm,meas는 태양광발전 어레이 표면온도 실측값, Ra는 태양광발전 어레이 직류선로 저항, αm는 태양광발전 어레이 최대성능계수, αt는 태양광발전 어레이 온도보정계수이다.
등가 가동시간 추정부(222)는 태양 등가 가동시간(Yr,meas)과 태양광발전 어레이의 표면온도(Tm,meas)를 이용하여, 운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값(Va,esti), 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값(Yao,esti), 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값(Yat,esti) 및 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 추정값(Ya,esti)을 식 3을 이용하여 산출한다.
[식 3]
Figure pat00009
위의 식 3에서, Yao,esti는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 추정값, Yat,esti는 태양광발전 어레이 온도보정후 등가 가동시간 추정값, Ya,esti는 태양광발전 어레이 등가 가동시간 추정값, Va,esti는 태양광발전 어레이 직류전압 추정값, Dv,aging는 태양광발전 어레이 전압 노화계수, Oyear는 운전년수, Ra는 태양광발전 어레이 직류선로 저항, αm는 태양광발전 어레이 최대성능계수, αt는 태양광발전 어레이 온도보정계수, at, bt는 태양광발전 어레이 온도계수, av, bv는 태양광발전 어레이 전압보정계수, Nseries는 태양광발전 모듈 직렬개수이다.
손실 추정부(223)는 식 1 내지 식 2에서 산출된 등가 가동시간의 실측값(Yao,meas, Yat,meas)들로부터 식 4를 이용하여 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값(Ylm,meas)을 산출한다.
이때, 손실 추정부(223)는 태양광발전 어레이의 직,병렬 불균형 및 최대 출력점 변동 등으로 발생된 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값(Ylm,meas)을 10분 또는 15분의 주기마다 식 4를 이용하여 산출할 수 있으며, 주기를 한정하지는 않는다.
[식 4]
Figure pat00010
위의 식 4에서, Yao,meas는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 실측값, Yat,meas는 태양광발전 어레이 온도보정 후 등가 가동시간 실측값, Ylm,meas는 태양광발전 어레이 부정합 손실 실측값이다.
손실 추정부(223)는 식 3에서 산출한 등가 가동시간의 추정값(Yao,esti, Yat,esti)들로부터 식 5를 이용하여 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값(Ylm,esti)을 산출한다.
손실 추정부(223)는 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값(Ylm,esti)을 10분 또는 15분의 주기마다 식 5를 이용하여 산출할 수 있으며, 주기를 한정하지는 않는다.
[식 5]
Figure pat00011
위의 식 5에서, Yao,esti는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 추정값, Yat,esti는 태양광발전 어레이 온도보정 후 등가 가동시간 추정값, Ylm,esti는 태양광발전 어레이 부정합 손실 추정값이다.
Hot Spot 발생여부 판단부(224)는 식 1 내지 식 5로부터 산출된 태양광발전 어레이의 부정합 손실 실측값(Ylm,meas)과 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값(Ylm,esti) 사이의 차이를 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값(Ylm,resi)로, 태양광발전 어레이 직류전압 실측값(Va,meas)과 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값(Va,esti)의 차이를 태양광발전 어레이 직류전압 차이값(Va,resi)으로 식 6을 이용하여 산출한다.
이때, 태양광발전 어레이 직류전압 실측값(Va,meas)은 데이터베이스(210)가 태양광발전 인버터(30)로부터 전달받은 직류전압 값이다.
[식 6]
Figure pat00012
위의 식 6에서, Ylm,resi는 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값, Va,resi는 태양광발전 어레이 직류전압 차이값, Ylm,meas는 태양광발전 어레이 부정합 손실 실측값, Ylm,esti는 태양광발전 어레이 부정합 손실 추정값, Va,meas는 태양광발전 어레이 직류전압 실측값, Va,esti는 태양광발전 어레이 직류전압 추정값이다.
Hot Spot 발생여부 판단부(224)는 산출된 태양 등가 가동시간(Yr,meas)과, 산출된 차이값들(Ylm,rsei, Va,resi)을 미리 설정된 기준값과 비교하여, 설정된 기준값을 만족하는 경우, 태양광발전 어레이에 Hot Spot이 발생한 것으로 판단하는 진단결과를 생성하고, 산출된 태양 등가 가동시간과, 산출된 차이값들이 미리 설정된 기준값을 만족하지 않는 경우, 태양광발전 어레이에 Hot Spot이 발생하지 않은 것으로 판단하는 진단결과를 생성하여 각 결과를 진단결과 표시부(230)로 전달한다.
한 예에서, Hot Spot 발생여부 판단부(224)는 태양 등가 가동시간(Yr,meas)을 기준값 0.2와 비교하고, 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값(Ylm,resi)을 기준값 A(-0.06)와 비교하고, 태양광발전 어레이 직류전압 차이값(Va,resi)을 기준값 B(-0.1)와 비교하여, 태양 등가 가동시간 및 차이값들의 비교결과를 동시에 모두 만족하는 발생횟수(Freq.)를 기준값 C(8)와 최종 비교한 결과로부터 Hot Spot 발생여부를 판단한다.
Hot Spot 발생여부 판단부(224)는 자정을 기점으로 하루에 대해 발생횟수(Freq.)를 계수하고, 식 7의 조건문에 따라 Hot Spot 발생여부를 판단한다.
[식 7]
If (Yr,meas <0.2) ;
Else if (Yr,meas >= 0.2 and Ylm,resi < A and Va,resi > B and Freq. >C)
Hot Spot 발생;
Else
Hot Spot 미발생;
End
위의 식 7에서, 기준값인 A, B 및 C는 위에서 기재한 범위로 설정될 수 있으나, 이는 변경될 수 있으며, 이를 한정하지는 않는다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치 및 방법에 의해 추정된 태양광발전 어레이의 부정합 손실 추정값(Ylm,esti)과 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 추정값(Ya,resi)을 시간(분)에 따른 태양광발전 등가 가동시간 손실 수율(p.u)의 정규화 그래프로서, 도 4에 도시된 태양광발전 어레이의 부정합 손실 실측값(Ylm,meas)과 태양광발전 어레이의 등가 가동시간의 실측값(Ya,meas)의 그래프와 형태 및 값이 11:00시 이전 및 15:30시 이후에 유사함을 확인할 수 있고, 11:00시에서 15:30시에는 태양광발전 어레이의 부정합 손실 추정값(Ylm,esti)과 실측값(Ylm,meas)이 상이하며 그 차이가 기준값 A인 -0.06보다 작음을 알 수 있다. 그리고 이는, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치가 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값과 추정값의 차이를 기준값 A보다 작게 산출함에 따라 식 7을 만족하고 있음을 나타낸다.
그리고, 도 6에 도시한 시간(분)에 따른 태양광발전 시스템 출력전압(V) 그래프에서, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치에서 산출된 태양광발전 어레이의 직류전압의 실측값은 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값보다 11:00시 이전 그리고 15:30시 이후에는 큰 것을 확인할 수 있고, 11:00시에서 15:30시 사이에서는 태양광발전 어레이의 직류전압 실측값이 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값보다 작으며 그 차이가 기준값 B인 0.1보다 크다는 것을 확인할 수 있다.이는, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치가 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값과 추정값의 차이를 기준값 B보다 크게 산출함에 따라 식 7을 만족하고 있음을 나타낸다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치에서 산출된 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 차이값 및 태양광발전 어레이의 직류전압의 실측값과 추정값의 차이값은 도 7에 도시한 시간(분)에 따른 태양광발전 시스템 차이값 수율(p.u)을 정규화한 그래프처럼, 산출과정을 통해 얻은 최종 실측값과 추정값의 차이값이 11:00시~15:30시까지는 기준값 A인 -0.06보다 작고, 기준값 B인 0.1보다 큰 경우를 동시에 만족하는 발생횟수(Freq.)가 기준값 C인 8을 초과하는 형태를 가짐을 알 수 있다.
이와 같이, 도 4 내지 도 7의 그래프들로부터, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치에서 태양광발전 시스템의 실측값들과 추정값들로부터 산출한 차이값이 기준값(A, B, C)를 만족하는 것이 확인되고, 이에 따라, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치가 실측값과 추정값의 차이값을 이용하여 태양광발전 어레이의 Hot Spot 발생여부를 정확하게 진단할 수 있게 된다.
이처럼, Hot Spot 진단 장치(200)의 Hot Spot 진단부(220)를 형성하는 Hot Spot 발생여부 판단부(224)가 등가 가동시간 산출부(221), 등가 가동시간 추정부(222) 및 손실 추정부(223)에서 산출한 값들로부터, 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값(Ylm,resi) 및 태양광발전 어레이 직류전압 차이값(Va,resi)을 산출하고, 태양 등가 가동시간과 차이값들을 기준값과 비교하여 Hot Spot 발생여부를 판단하므로, 장비를 이용한 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 없이, 원격지에서도 태양광발전 어레이의 Hot Spot 발생여부를 진단할 수 있어, 시스템을 효과적으로 운용할 수 있고, 태양광발전 시스템의 유지보수 시간 및 비용이 개선되는 효과가 있다.
이러한 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치(200)에서 태양광발전 어레이의 Hot Spot을 진단하는 방법을 도 3을 참고로 하여 설명하면, 먼저, 등가 가동시간 산출부(221)가 식 1을 이용하여 태양 등가시간(Yr,meas)과 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 실측값(Ya,meas)을 산출하고(S10), 식 2를 이용하여 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 실측값(Yao,meas) 및 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 실측값(Yat,meas)을 산출한다(S20).
그런 다음, 등가 가동시간 추정부(222)가 식 3을 이용하여 운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값(Va,esti), 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값(Yao,esti), 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값(Yat,esti) 및 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 추정값(Ya,esti)을 산출한다(S30).
다음으로, 손실 추정부(223)가 식 4 및 식 5를 이용하여 태양광발전 어레이 부정합 손실 실측값(Ylm,meas) 및 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값(Ylm,esti)을 산출한다(S40).
그리고, Hot Spot 발생여부 판단부(224)는 식 6을 이용하여 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값(Ylm,resi)과 태양광발전 어레이 직류전압 차이값(Va,resi)을 산출하고(S50), 태양 등가 가동시간(Yr,meas) 및 차이값들(Ylm,rsesi, Va,resi)이 설정된 기준을 식 7과 같이 만족하는지를 판단(S60)하여, 만족하는 경우 Hot Spot이 발생한 것으로 판단(S70)하고, 위 단계(S60)에서 기준을 만족하지 않는 경우 Hot Spot 미발생으로 판단(S80)한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 태양광발전 시스템 200 : Hot Spot 진단 장치
210 : 데이터베이스 220 : Hot Spot 진단부
221 : 등가 가동시간 산출부 222 : 등가 가동시간 추정부
223 : 손실 추정부 224 : Hot Spot 발생여부 판단부
230 : 진단결과 표시부 240 : 메모리

Claims (10)

  1. 태양 등가 가동시간, 태양광발전 어레이의 등가 가동시간, 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 및 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간으로부터 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값을 산출하고, 운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값, 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값, 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값 및 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 추정값으로부터 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값을 산출하는 손실 추정부; 그리고,
    상기 손실 추정부에서 산출한 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값과 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값으로부터 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값을 산출하고, 산출된 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값을 설정된 기준값과 비교하여, 기준값을 만족하는 횟수가 설정값을 초과하는 경우 태양광발전 어레이에 Hot Spot이 발생한 것으로 판단하는 Hot Spot 발생여부 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양 등가 가동시간, 상기 태양광발전 어레이의 등가 가동시간, 상기 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 및 상기 태양광발전 어레이의 온도 보정 후 등가 가동시간을 산출하여 상기 손실 추정부에 제공하는 등가 가동시간 산출부; 그리고,
    상기 태양 등가 가동시간과 태양광발전 어레이의 표면온도로부터, 상기 운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값, 상기 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값, 상기 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값 및 상기 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 추정값을 산출하여 상기 손실 추정부에 제공하는 등가 가동시간 추정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 등가 가동시간 산출부는 하기의 식 1 및 식 2로부터 상기 태양 등가 가동시간, 상기 태양광발전 어레이의 등가 가동시간, 상기 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 및 상기 태양광발전 어레이의 온도 보정 후 등가 가동시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치.
    [식 1]
    Figure pat00013

    [식 2]
    Figure pat00014

    (이때, Yr,meas는 태양 등가 가동시간, Ga,meas는 경사면 일사강도 (W/m2), Ga,ref는 일사강도 1,000(W/m2), Ya,meas는 태양광발전 어레이 등가 가동시간 실측값, Pa,meas는 태양광발전 어레이 직류전력(W), Pas는　표준시험조건(STC)에서의 태양광발전 어레이 설치용량(W), Yao,meas는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 실측값, Yat,meas는 태양광발전 어레이 온도보정후 등가 가동시간 실측값, Tm,meas는 태양광발전 어레이 표면온도 실측값, Ia,meas는 태양광발전 어레이 직류전류 실측값, αm는 태양광발전 어레이 최대성능계수, αt는 태양광발전 어레이 온도보정계수, Ra는 태양광발전 어레이 직류선로 저항임.)
  4. 제2항에 있어서,
    상기 등가 가동시간 추정부는 하기의 식 3으로부터 상기 운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값, 상기 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값, 상기 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값 및 상기 태양광발전 어레이의 등가 가동시간 추정값 을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치.
    [식 3]
    Figure pat00015

    (이때, Yao,esti는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 추정값, Yat,esti는 태양광발전 어레이 온도보정후 등가 가동시간 추정값, Ya,esti는 태양광발전 어레이 등가 가동시간 추정값, Va,esti는 태양광발전 어레이 직류전압 추정값, Dv,aging는 태양광발전 어레이 전압 노화계수, Oyear는 운전년수, Ia,meas는 태양광발전 어레이 직류전류 실측값, Ra는 태양광발전 어레이 직류선로 저항, αm는 태양광발전 어레이 최대성능계수, αt는 태양광발전 어레이 온도보정계수, at, bt는 태양광발전 어레이 온도계수, av, bv는 태양광발전 어레이 전압보정계수, Nseries는 태양광발전 모듈 직렬개수, Nparallel는 태양광발전 스트링 병렬개수임.)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 손실 추정부는 하기의 식 4를 이용하여 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치.
    [식 4]
    Figure pat00016

    (이때, Yao,meas는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 실측값, Yat,meas는 태양광발전 어레이 온도보정 후 등가 가동시간 실측값, Ylm,meas는 태양광발전 어레이 부정합 손실 실측값임.)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 손실 추정부는 하기의 식 5를 이용하여 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치.
    [식 5]
    Figure pat00017

    (이때, Yao,esti는 태양광발전 어레이 최적 등가 가동시간 추정값, Yat,esti는 태양광발전 어레이 온도보정 후 등가 가동시간 추정값, Ylm,esti는 태양광발전 어레이 부정합 손실 추정값임.)
  7. 제3항에 있어서,
    상기 Hot Spot 발생여부 판단부는 하기의 식 6으로부터 상기 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 실측값과 상기 태양광 어레이의 부정합 손실의 추정값 사이의 차이를 상기 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값으로 산출하고, 상기 태양광발전 어레이 직류전압 실측값과 상기 태양광발전 어레이의 직류전압 추정값 사이의 차이를 상기 태양광발전 어레이 직류전압 차이값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치.
    [식 6]
    Figure pat00018

    (이때, Ylm,resi는 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값, Ylm,meas는 태양광발전 어레이 부정합 손실 실측값, Ylm,esti는 태양광발전 어레이 부정합 손실 추정값, Va,resi는 태양광발전 어레이 직류전압 차이값, Va,meas는 태양광발전 어레이 직류전압 실측값, Va,esti는 태양광발전 어레이 직류전압 추정값임)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 Hot Spot 발생여부 판단부는 상기 태양 등가 가동시간을 기준값 0.2와 비교하고, 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값을 기준값 A와 비교하고, 태양광발전 어레이 직류전압 차이값을 기준값 B와 비교하고, 태양 등가 가동시간 및 차이값들의 비교결과가 동시에 모두 만족하는 발생횟수(Freq.)를 기준값 C와 최종 비교한 결과로부터 Hot Spot 발생여부를 판단하며,
    하기의 식 7에 따라 태양광발전 어레이의 Hot Spot 발생여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치.
    [식 7]
    If (Yr,meas <0.2) ;
    Else if (Yr,meas >= 0.2 and Ylm,resi < A and Va,resi > B and Freq. >C)
    Hot Spot 발생;
    Else
    Hot Spot 미발생;
    End
    (이때, Yr,meas는 태양 등가 가동시간, Ylm,resi는 태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값, Va,resi는 태양광발전 어레이 직류전압 차이값임.)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기준값 A는 -0.06이고, 상기 기준값 B는 -0.1 상기 기준값 C는 8인 것을 특징으로 하는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 장치.
  10. 태양광발전 어레이의 등가 가동시간을 산출하는 단계;
    태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 및 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간을 산출하는 단계;
    운전년수에 따른 노화를 고려한 태양광발전 어레이의 직류전압, 태양광발전 어레이의 최적 등가 가동시간 추정값, 태양광발전 어레이의 온도보정 후 등가 가동시간 추정값을 산출하는 단계;
    태양광발전 어레이 부정합 손실 실측값 및 태양광발전 어레이의 부정합 손실의 추정값을 산출하는 단계;
    태양광발전 어레이 부정합 손실 차이값, 태양광발전 어레이 직류전압 차이값을 산출하는 단계;
    태양 등가 가동시간 및 상기 차이값들이 설정된 기준을 만족하는지를 판단하는 단계; 그리고,
    태양 등가 가동시간 및 상기 차이값들이 설정된 기준을 만족하는 경우 Hot Spot 발생으로 판단하거나, 태양 등가 가동시간 및 상기 차이값들이 설정된 기준을 만족하지 않는 경우 Hot Spot 미발생으로 판단하는 단계;를 포함하여 이루어지는 태양광발전 어레이의 Hot Spot 진단 방법.

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