KR20200063434A - 태양광 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
태양광 발전 장치는, 복수의 태양전지들로 구성된 태양전지 어레이; 상기 태양전지들 사이의 형성된 공간에 배치되어 상기 태양전지 어레이의 온도를 측정하여 온도 신호를 생성하는 온도센서; 상기 태양전지 어레이의 일측에 배치되고, 상기 온도센서로부터 상기 온도 신호를 수신하며, 상기 온도 신호와 상기 태양전지 어레이의 고유 식별번호를 무선 테이터로 변환하여 송신하는 LoRa 통신 모듈; 및 상기 무선 데이터를 수신하는 접속반을 포함한다. 상기 LoRa 통신 모듈은, 상기 온도 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터; 상기 아날로그디지털 컨버터에서 변환된 상기 디지털 신호를 설정된 순서에 따라 하나의 데이터로 취합하고, 취합된 데이터의 식별이 가능하도록 취합된 데이터를 시분할 처리하는 제어부; 상기 취합된 데이터 신호를 임시 저장하는 메모리; 및 상기 취합된 데이터 신호를 무선 송출하는 통신부;를 포함한다.
Description
본 발명은 태양광 발전 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 태양전지에 대한 상태정보를 무선으로 수집하고 이를 기반으로 태양전지 및 태양전지 어레이의 장애 유무를 분석하여 발전 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 태양광 발전 장치에 관한 것이다.
태양광 발전 장치는 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 장치로서, 태양광 발전 모듈과 태양 전지 모듈 등으로 구성된다. 태양광 발전 모듈에서는 전기를 직류로 생산하고, 인버터(inverter)를 이용하여 교류로 변환한다.
태양광 발전 장치는 여러 구성들로 구성되며, 각 구성들에서 고장이나 동작 오류가 발생하는 경우 이를 즉각적으로 감지하여 조치를 취하여야 한다.
그러나, 태양광 발전 모듈에 이상이 있는지 아니면 태양 전지 모듈에 이상이 있는지 또는 인버터에 이상이 있는지 쉽게 감지하기 어렵다. 또한, 태양광은 날씨에 따라 조사량이 달라지고, 계절에 따라 바뀌는 태양의 고도나 방향에 따라서도 달라지기 때문에 정상적인 태양광 발전량의 기준치를 정하기는 매우 어렵다.
한국등록특허 제1,728,692호(2017.04.20.공고)는 태양광 모듈의 고장 예측 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 태양광 발전량에 대한 날짜 및 시간대별 실시간 변화 추이가 미리 저장되는 데이터베이스와, 일사량, 모듈 온도를 고려하여 태양광 발전 예상량을 산출함으로써, 태양광 발전 모듈의 고장 여부를 판단하는 구성을 개시하고 있다.
본 발명의 일 목적은 고장 발생 여부, 고장 개소 및 고장 원인을 판단할 수 있는 태양광 발전 장치를 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 태양광 발전 장치는, 복수의 태양전지들로 구성된 태양전지 어레이; 상기 태양전지들 사이의 형성된 공간에 배치되어 상기 태양전지 어레이의 온도를 측정하여 온도 신호를 생성하는 온도센서; 상기 태양전지 어레이의 일측에 배치되고, 상기 온도 센서로부터 상기 온도 신호를 수신하며, 상기 온도 신호와 상기 태양전지 어레이의 고유 식별번호를 무선 테이터로 변환하여 송신하는 LoRa 통신 모듈; 및 상기 무선 데이터를 수신하는 접속반을 포함한다. 여기서, 상기 LoRa 통신 모듈은, 상기 온도 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터; 상기 아날로그디지털 컨버터에서 변환된 상기 디지털 신호를 설정된 순서에 따라 하나의 데이터로 취합하고, 취합된 데이터의 식별이 가능하도록 취합된 데이터를 시분할 처리하는 제어부; 상기 취합된 데이터 신호를 임시 저장하는 메모리; 및 상기 취합된 데이터 신호를 무선 송출하는 통신부;를 포함한다.
일 실시예에 의하면, 상기 접속반은, 각각의 단위 태양광스트링에 대한 장애 유무를 판단하고, 장애가 발생한 단위 태양광스트링의 전력손실을 분석하여 해당 단위 태양광스트링의 출력전압을 타 단위 태양광스트링의 출력전압과 동일하게 승압하여 출력되도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 LoRa 통신 모듈은, 초기 구동시 랜덤 대기시간을 설정하는 대기시간 설정부를 더 포함하고, 상기 통신부는 상기 랜덤 대기시간 동안 상기 데이터 신호의 무선 송출을 지연시키며, 상기 통신부는 상기 랜덤 대기시간 이후 제1 시점에서 상기 데이터 신호를 최초 송신하고, 상기 제1 시점을 기준으로 기 설정된 전송 주기에 기초하여 상기 데이터 신호를 주기적으로 무선 송출하고, 상기 대기시간 설정부는 상기 제어부의 부팅 과정에서 출력되는 리셋 신호에 응답하여 동작할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 대기시간 설정부는 상기 접속반으로부터 LoRa 통신 모듈을 통해 데이터 수신 확인 신호를 수신하기 전까지, 기 설정된 갱신 주기에 따라 상기 랜덤 대기시간을 갱신하고, 상기 제어부는 상기 데이터 수신 확인 신호에 기초하여 리셋 오프 신호를 생성하며, 상기 대기시간 설정부는 상기 리셋 오프 신호에 기초하여 동작을 중지할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 태양광 발전 장치는, 태양광스트링의 전류 및 전압 측정을 통해 장애 유무를 판단할 수 있다. 또한, 태양광 발전 장치는 로라 통신망을 이용하는 로라 통신모듈을 통해 소비전력을 절감시킬 수 있다. 나아가, 로라 통신모듈의 초기 구동시 적어도 1회의 랜덤 대기시간을 부여함으로써, 로라 통신모듈들의 데이터 신호의 동시 전송에 기인한 태양광 발전 장치(또는, 로라 통신망)의 장애 발생을 방지하고 보다 신뢰도 높은 데이터 신호를 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 태양광 발전 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 태양광 발전 장치에 포함된 정보수집부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 단일 태양전지 어레이의 장애 발생에 따른 출력전력의 변화를 설명하는 도면이다.
도 4는 복수 태양전지 어레이의 장애 발생에 따른 출력전력의 변화를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 태양광 발전 장치에 포함된 접속반의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 1의 태양광 발전 장치에 포함된 정보수집부의 다른 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 정보수집부에서 데이터 신호를 전송하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1의 태양광 발전 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 태양광 발전 장치에 포함된 정보수집부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 단일 태양전지 어레이의 장애 발생에 따른 출력전력의 변화를 설명하는 도면이다.
도 4는 복수 태양전지 어레이의 장애 발생에 따른 출력전력의 변화를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 태양광 발전 장치에 포함된 접속반의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 1의 태양광 발전 장치에 포함된 정보수집부의 다른 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 정보수집부에서 데이터 신호를 전송하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1의 태양광 발전 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 태양광 발전 장치를 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 태양광 발전 장치에 포함된 정보수집부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 태양광 발전장치는 태양전지 어레이(10)와 접속반(20) 및 디스플레이(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
태양전지 어레이(10)(또는, 태양전지 모듈)는 상호 전기적으로 연결된 복수의 태양전지들(PA)로 구성될 수 있다. 여기서, 태양전지(PA)는 태양광의 빛에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생성하고, 생성된 발전 전력을 출력할 수 있으며, 요구되는 발전량과 설치 환경을 고려하여 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.
태양전지 어레이(10)는 온도센서(12)를 포함할 수 있다. 온도센서(12)는 태양전지들(PA) 사이의 형성된 공간(11)에 배치되어 태양전지 어레이(10)의 온도를 측정하여 온도 신호를 생성할 수 있다.
태양전지 어레이(10)가 2개의 유리들(예를 들어, 전면 유리 및 후면 유리) 사이에 배치되어 인캡(encapsulation)되는 경우, 온도센서(12)는 유리들과 태양전지들(PA) 사이에 형성되는 소정의 공간(11)에 설치 또는 장착 될 수 있다. 온도센서(12)는 응답속도가 우수한 PTC 등의 반도체형 온도센서일 수 있다. 온도센서(12)는 인캡 유리들을 통하여 전도되는 태양전지(PA)의 온도를 검출하고, 별도의 신호선을 통해 검출된 온도(즉, 온도 신호)를 LoRa 통신 모듈(100)에 제공할 수 있다.
태양전지 어레이(10)에는 출력되는 발전 전력정보와 온도정보(즉, 온도 신호)를 수집하여 송신하기 위한 LoRa 통신 모듈(100)이 장착될 수 있다. LoRa 통신 모듈(100)은 태양전지 어레이(10)의 일측(예를 들어, 상측, 또는 상측 후면)에 배치되고, 온도센서(12)로부터 온도 신호를 수신하며, 온도 신호와 태양전지 어레이(10)의 고유 식별번호를 무선 데이터로 변환하여 외부로 송신할 수 있다. 예를 들어, LoRa 통신 모듈(100)은 태양전지 어레이(10)의 일측에 설치되는 정션박스(junction box)의 일단이나 그 내부에 설치될 수 있으며, 다른 LoRa 통신 모듈과 구분될 수 있도록 고유의 식별부호를 가질 수 있다. LoRa 통신 모듈(100)의 전원은 태양전지 어레이(10)에 의해 생산되는 전력의 일부가 이용되거나, 별도의 전원이나 전용전원이 이용될 수 있으며, LoRa 통신 모듈(100)은 추후 유지보수 측면에서 편의를 제공할 수 있도록 탈, 부착 구조로 구성됨이 바람직하다.
LoRa 통신 모듈(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 센싱모듈(110)과 제어모듈(120) 및 통신모듈(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
센싱모듈(110)은 장착된 태양전지 어레이(10)의 동작 온도, 출력 전압, 출력 전류 및 바이패스소자의 상태를 각각 감지하기 위하여 복수로 구성되어 있으며, 감지 정보를 전기적인 감지신호로 생성하여 출력할 수 있다.
센싱모듈(110)은 도면에 도시된 바 없으나 감지신호에 대한 오차율을 최소화할 수 있는 보정 회로를 포함할 수 있다.
제어모듈(120)은 각각의 센싱모듈(110)에서 감지되어 출력되는 감지정보를 수집할 수 있다. 제어모듈(120)에서 수집되어 제공되는 감지정보들은 태양전지 어레이(10)의 실시간 상태변화와 장애 판단은 물론 향후 노후화 진단 등에서 기초 데이터로서 활용될 수 있다.
통신모듈(130)은 제어모듈(120)에서 수집된 감지정보를 무선 통신망을 통해 이하에서 설명하는 접속반(20)으로 송신할 수 있다. 일 예로 통신모듈(130)은 무선 통신을 통해 데이터를 송신함에 있어 전력소모를 최소화할 수 있는 장거리 무선 통신망인 로라(LoRa) 통신을 이용하여 수집된 감지정보들을 접속반(20)(또는, 접속반(20)에 구비된 로라 게이트웨이를 통해 모니터링 서버(미도시))으로 송신할 수 있다.
통신모듈(130)은 제어모듈(120)로부터 수집된 감지신호를 설정된 시간 주기 또는 실시간으로 상기 접속반(20)으로 송신할 수 있다.
또한, 통신모듈(130)은 장착된 태양전지 어레이(10)에 대한 고유의 식별 신호를 부여하고 감지정보와 함께 접속반(20)으로 송신함으로써 이를 수신하는 접속반(20) 등이 각 태양전지 어레이(10)를 식별할 수 있도록 한다.
LoRa 통신 모듈(100)는 앞서 설명한 바와 같이 각 태양전지 어레이(10)의 선택된 일 부위에 탈, 부착되는 구조로 구성될 수 있다.
예를 들면 상기 LoRa 통신 모듈(100)는 센싱모듈(110), 제어모듈(120), 통신모듈(130)을 수용하면서 태양전지 어레이(10)의 외부에 탈, 부착되도록 구성되는 장착 구조를 가지는 하우징을 포함하여 구성될 수 있다.
접속반(20)은 상기 하나 이상의 태양전지 어레이(10)로부터 출력되는 전력을 입력받아 이를 가공하며, 각 태양전지 어레이(10)의 LoRa 통신 모듈(100)에서 송신하는 정보를 수신 및 저장하고, 각 태양전지 어레이(10)의 상태를 모니터링할 수 있다.
접속반(20)은 연결된 단위 태양전지 어레이(10)로부터 출력 전력을 입력받고 이를 인버터 등과 같은 전력 변환 장치로 전달할 수 있다.
접속반(20)은 연결된 단위 태양전지 어레이(10)의 개수에 따라 복수의 접속 단자와 전기 역류방지, 합선이나 과전류 등을 차단시켜주는 기능을 수행하기 위한 차단기, 릴레이 등의 안전 장치들이 구비될 수 있다.
또한, 접속반(20)은 단위 태양전지 어레이(10)의 장애 유무에 따라 선택적으로 해당 단위 태양전지 어레이(10)의 출력 전력을 제어함으로써 고장이나 화재 사고 등을 사전 예방할 수 있도록 한다.
예를 들면 접속반(20)은 각각의 단위 태양전지 어레이(10)에서 발생할 수 있는 역전류에 대비하여 회로보호 및 화재 예방을 위하여 상기 단위 태양전지 어레이(10)의 출력 전력이 입력됨에 있어 그 경로를 선택적으로 제어할 수 있다.
즉 접속반(20)은 각 단위 태양전지 어레이(10)로부터 출력되는 출력 전력을 입력받기 위한 입력 라인으로서 주회로와 상기 주회로에 병렬 연결되는 보조회로를 포함할 수 있다.
그리고 접속반(20)은 상기 주회로와 보조회로의 전단에 구비되어 단위 태양전지 어레이(10)의 출력 전력의 입력 경로를 선택하는 스위칭부를 포함하며, 각 태양전지 어레이(10)의 LoRa 통신 모듈(100)로부터 수신한 감지신호를 통해 각 태양전지(PA)와 단위 태양전지 어레이(10)에 대한 상태를 분석할 수 있으며, 이때, 특정 단위 태양전지 어레이(10)의 역전류 발생 여부를 판단하고, 역전류 발생 시 상기 스위칭부를 선택적으로 제어하여 입력 경로를 주회로에서 보조회로로 전환하도록 함으로써 주회로의 역전류에 의한 열화 등의 문제를 해결할 수 있다.
이에 더하여 접속반(20)은 역전류 발생 시점으로부터 설정된 제1 시간 이후 상기 단위 태양전지 어레이(10)의 출력 전력에 대한 입력 경로를 보조회로에서 주회로로 복귀되도록 스위칭부를 제어할 수 있으며, 이때 제1 시간은 역전류로 인한 주회로의 발열이 충분히 저감될 수 있는 시간으로 설정됨이 바람직하다.
접속반(20)은 단위 태양전지 어레이(10)에서 온도 상승 또는 장애로 인하여 출력 저하가 발생할 경우, 이를 보상하여 정상적으로 출력 전력이 보존될 수 있도록 할 수 있다.
도 3은 단일 태양전지 어레이의 장애 발생에 따른 출력전력의 변화를 설명하는 도면으로, 단위 태양전지 어레이(10)을 구성하는 태양전지(PA)가 250Wp, 개방전압 25V, 단락전류 10A의 조건을 갖는 태양전지(PA)라 가정할 경우, (b)태양전지 어레이에서는 음영이 발생하지 않은 태양전지(PA)의 출력 전력이 음영이 발생(A)한 태양전지(PA)의 출력 전력을 기준으로 하향 평준화 현상이 발생하게 되므로, 도 3의 실시 예의 경우에는 태양전지 어레이의 일부 음영으로 인하여 40%의 전력손실이 발생하게 된다.
또한 (a)태양전지 어레이와 (b)태양전지 어레이이 병렬 구성된 어레이의 경우, (b)태양전지 어레이의 출력 전압이 (a)태양전지 어레이에 비해 낮으므로 전력을 출력할 수 없게 되어, 결국 (b)태양전지 어레이의 출력만큼 전력손실이 발생하게 된다.
한편 도 4는 복수 태양전지 어레이의 장애 발생에 따른 출력전력의 변화를 설명하는 도면으로, (a) ~ (h)태양전지 어레이에 있어 (e)와 (h)태양전지 어레이의 일부에 장애 예를 들면 음영(B)과 같은 요인으로 발생하는 장애에 따라 전압 강하 현상이 발생하였을 경우, (e)와 (h)태양전지 어레이는 각각 400W, 600W의 전력을 생산함에도 불구하고 다른 태양전지 어레이에 비해 출력전압이 낮아 파워컨디셔너, PV인버터 등의 PCS장치로 전력을 보낼 수 없으므로 (e)와 (h)태양전지 어레이의 생산전력만큼 전력손실이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 접속반(20)에서는 각각의 단위 태양전지 어레이(10)에 대한 장애 유무를 판단하고, 장애가 발생한 단위 태양전지 어레이(10)의 전력손실을 분석하여 해당 단위 태양전지 어레이(10)의 출력전압을 타 단위 태양전지 어레이(10)의 출력전압과 동일하게 승압하여 출력되도록 제어함으로써 장애가 있는 태양전지 어레이(10)에서 생산되는 전력을 정상적으로 PCS장치에 보낼 수 있도록 한다.
일 예로 접속반(20)은 도 5에 도시된 바와 같이 정보수신부(200)와 비교분석부(210)와 장애판단부(220)와 전압승압부(230) 및 데이터베이스부(240)를 포함하여 구성될 수 있다.
정보수신부(200)는 단위 태양전지 어레이(10)로부터 무선 통신망을 통해 전송되는 감지신호들을 수신할 수 있다. 정보수신부(200)는 로라 통신을 포함한 무선 통신을 지원하는 통신모듈이 탑재될 수 있다.
비교분석부(210)는 정보수신부(200)에서 수신한 태양전지 어레이(10)의 감지신호를 분석하여 태양전지(PA)의 상태는 물론 이들로 구성되는 단위 태양전지 어레이(10)의 상태를 분석하게 된다. 이때 상기 상태는 앞서 언급한 바와 같이 출력 전력 즉 전압값과 전류값 그리고 각 태양전지 어레이(10)의 온도, 바이패스다이오드 소자의 상태변화 등을 포함할 수 있다.
그리고 비교분석부(210)는 분석된 단위 태양전지 어레이(10)에 대한 각각의 상태 정보를 사전에 미리 설정된 기준값과 비교 분석을 실시하고 그 처리 결과를 출력할 수 있다.
장애판단부(220)는 상기 비교분석부(210)의 처리 결과를 입력받고 단위 태양전지 어레이(10)의 장애 여부를 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 비교분석부(210)는 상호 인접한 태양전지 어레이들의 전력들을 비교하고, 장애판단부(220)는 태양전지 어레이들의 전력들간의 비교 결과에 기초하여 태양 위치를 추적할 수 있다. 도 4를 참조하여 예를 들면, (a) 내지 (h) 태양전지 어레이들이 도 4에 도시된 대로 (e) 태양전지 어레이를 기준으로 상하좌우측에 각각 배치된 경우를 전제할 수 있다. 이 경우, 비교분석부(210)는 (e) 태양전지 어레이의 전력(즉, 출력 전압 * 출력 전류)을 (a) 내지 (h) 태양전지 어레이들 각각의 전력과 비교할 수 있다. 상호 비교한 전력의 차이가 기준치 이상인 경우, 특정 태양전지 어레이에 장애가 발생한 것으로 판단할 수 있으며, 전력의 차이가 기준치 이하에서 차이가 발생한 경우에는, 이 전력 차이에 기초하여 태양의 위치를 판단할 수 있다. 즉, 태양의 위치에 의해 전력 차이가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 태양전지 어레이의 면에 수직하여 태양광이 입사되는 경우, 해당 태양전지 어레이의 전력이 상대적으로 높게 나타날 수 있기 때문이다. 예를 들어, 태양이 상대적으로 좌측(예를 들어, 일몰시)에 위치한 경우, (e) 태양전지 어레이를 기준으로 좌측(예를 들어, 서쪽)에 위치한 (d) 태양전지 어레이의 전력량이 (e) 태양전지 어레이의 전력량보다 클 수 있다. 다른 예를 들어, 태양이 상대적으로 우측(예를 들어, 일출시)에 위치한 경우, (e) 태양전지 어레이를 기준으로 우측(예를 들어, 동쪽)에 위치한 (f) 태양전지 어레이의 전력량이 (e) 태양전지 어레이의 전력량보다 클 수 있다. 태양광 발전 장치(1)가 태양광 추적 장치(예를 들어, 태양전지 어레이를 지지하고, 태양의 위치에 대응하여 태양전지 어레이의 상부면이 향하는 방향을 조절하는 장치)를 포함하는 경우, 상기 비교 결과에 기초하여 태양광 추적 장치를 제어함으로써, 별도의 광센서(예를 들어, 태양위치 추적을 위해 태양전지 어레이 외측에 배치된 광센서) 없이 발전 효율을 극대화할 수 있다.
일 실시예에서, 비교분석부(210)는 상호 인접한 태양전지 어레이들의 온도들을 비교하고, 전력 비교 결과와 온도 비교 결과에 기초하여 특정 태양전지 어레이의 장애 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 특정 태양전지 어레이의 전력이 다른 태양전지 어레이의 전력과 동일하거나 낮으면서, 특정 태양전지 어레이의 온도가 다른 태양전지 어레이에 비해 높은 경우, 특정 태양전지 어레이에 리본와이어 부식(ribbon wire corrosion), 셀 크랙(cell crack) 등의 장애가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 특정 태양전지 어레이의 전력 및 온도가 다른 태양전지 어레이의 전력 및 온도보다 낮은 경우, 특정 태양전지 어레이에 봉지재 변색(encapsulant discoloration)(또는, 투과율 저하)가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
전압승압부(230)는 상기 장애판단부(220)의 판단 결과를 입력받고 장애가 발생하여 출력 손실이 있는 단위 태양전지 어레이(10)는 물론 인접한 다른 단위 태양전지 어레이(10)의 출력전압을 파악한 후, 장애가 발생한 단위 태양전지 어레이(10)의 출력 전압을 다른 단위 태양전지 어레이(10)과 동일하게 승압하여 출력할 수 있다.
데이터베이스부(240)는 상기 정보수신부(200)에서 수신한 감지정보들과 상기 비교분석부(210), 장애판단부(220) 및 전압승압부(230) 등에서 처리되는 결과 정보들을 저장하고 이를 누적하며, 외부의 요청신호에 응답하여 관련 정보들을 추출하여 제공할 수 있다.
한편 디스플레이(30)는 상기 접속반(20)과 연결되어 상기 태양전지(10) 및 단위 태양전지 어레이(10)의 상태 정보와 분석 및 처리결과를 표시할 수 있다.
디스플레이(30)는 원격지의 관제 센터 또는 현장의 접속반(20)의 외함 등에 설치될 수 있으며, 통신망을 통해 상기 접속반(20)과 연결되어 상호 데이터 통신할 수 있다.
여기서 앞서 언급되는 통신망은 인터넷 프로토콜(IP, Internet Protocol)을 통하여 대용량 데이터의 송수신 서비스 및 끊기는 현상이 없는 데이터 서비스를 제공하는 아이피망으로, 아이피를 기반으로 서로 다른 망을 통합한 아이피망 구조인 올 아이피(All IP)망 일 수 있다. 또한, 상기 통신망은 유선통신망, 이동통신망(2G, 3G, 4G, LTE), Wibro(Wireless Broadband)망, HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)망, 위성통신망 및 와이파이(WI-FI, Wireless Fidelity)망 중 적합한 어느 하나를 선택적으로 사용이 가능하다.
그리고 디스플레이(30)는 표시하는 정보들에 있어 기설정된 기준값을 초과하는 경우 이를 이상 상황으로 판단하고 알람신호를 생성하여 스피커 또는 경광등 등의 알람수단을 통해 출력되게 함으로써 관리자로 하여금 용이하게 이상 상황을 식별할 수 있도록 구성됨이 바람직하다.
도 6은 도 1의 태양광 발전 장치에 포함된 정보수집부의 다른 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, LoRa 통신 모듈(100)은 태양광 발전 장치의 상태를 검출하기 위한 각종 센서의 검출 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터(A/D)와, A/D 컨버터(A/D)에서 변환된 데이터를 설정된 통신 프로토콜에 따라 취합하고, 취합된 정보를 내부 메모리에 저장하는 제어부(120)와, 제어부(120)에서 생성된 데이터를 PHY층 및 MAC층을 기반으로 한 상위 프로토콜과 애플리케이션을 통해 무선 송출하는 통신부(130)로 이루어진다.
여기서, 태양전지 어레이(10)의 상태 검출을 위한 각종 센서는 온도센서, 습도센서, 전압센서, 전류센서를 포함하며, 풍향센서, 풍속센서, 진동센서로 구성된다. 여기서, 습도센서는, 예를 들어, 도 1을 참조하여 설명한 온도센서(12)와 함께 태양전지들(PA) 사이의 공간(11)에 배치되어, 내부의 습도를 감지할 수 있다. 풍향센서, 풍속센서, 진동센서는 태양전지 어레이(10)의 일측 또는 외측에 배치될 수 있다.
한편, LoRa 통신 모듈(100)의 제어부(120)는 각 센서로부터 검출된 디지털 신호를 설정된 순서에 따라 취합하는 멀티플렉서(121)와, 멀티플렉서(121)에서 제공되는 데이터의 식별을 위해 입력데이터의 시분할 처리하는 타이머(123)와, 데이터를 ISP(In System Program) 방식을 이용하여 메모리(127)에 저장하는 ISP 회로(125)로 구성된다.
또한, 통신부(130)는 PHY 층과 MAC 층을 기반으로 상위 프로토콜을 형성하는 MAC(133)과, 상위 프로토콜을 토대로 메모리(127)에 저장된 데이터를 CCS(chirp spread spectrum) 변조를 수행하여 장거리 무선 송출하는 송신회로(135)로 이루어진다.
통신부(130)의 MAC(133)은 저전력과 응답특성에 따라 선택 할 수 있는 클래스 A, 클래스 B, 및 클래스 C의 3종으로 구성될 수 있다. 클래스 A는 통신부(130)의 저전력 특성 극대화를 위해 통신부(130) 주도의 상향 통신에 최적화되어 있다. 통신부(130)는 송신할 데이터가 있을 때만 상향 데이터를 발생하고, 하향 데이터는 상향 데이터를 수신한 경우에만 가능하며, 상향데이터 수신 후 일정시간 후 미리 정의된 채널로 하향 데이터를 송신할 수 있다.
클래스 B는 하향 데이터 송신을 위한 별도의 창을 추가하여, 예정된 시각에서 기지국(또는, 로라 게이트웨이)이 주도하는 하향데이터 통신이 가능할 수 있다. 또한, 저전력과 주기적인 하향데이터 유무 확인을 위한 저전력을 위해 통신부(130)와 게이트웨이 간 동기를 위한 비컨을 사용할 수 있다.
클래스 C는 상하향 데이터 송수신 창을 항상 열어둔 상태로서, 송신하지 않는 순간에는 늘 수신이 가능할 수 있다. 다만, 클래스 C는 가장 많은 전력을 소모하는 방법으로서 LoRa 통신 모듈(100)에 별도의 전원이 공급되는 경우 적용될 수 있다.
도시되지 않았으나, LoRa 통신 모듈(100)는 전원공급부를 더 포함할 수 있다. 전원공급부는 LoRa 통신 모듈(100)을 구동 및 운용하기 위한 전력 공급수단이다. LoRa 통신 모듈(100)이 소전력 모듈임을 감안할 때, 전원공급부는 셀 배터리가 상용되거나, 솔라셀을 이용한 친환경 전력공급 장치로 상정될 수 있을 것이다.
LoRa 통신 모듈(100)은 A/D 컨버터(A/D)를 통해 각종 센서의 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 이후, 각 디지털 신호는 멀티플렉서(121)를 이용하여 센서의 순서 또는 기 설정된 순서에 따라 데이터를 접수한다.
즉, 다수 개의 센서로부터 접수되는 데이터는 하나의 데이터로 가공되는데, 하나의 데이터는 각 센서의 출력데이터가 순차적으로 입력되어 형성됨에 따라, 센서의 출력데이터는 반드시 설정된 순서에 입각하여야 한다. 따라서, LoRa 통신 모듈(100)에 접속되는 센서의 순서를 고정하거나, A/D 컨버터(A/D)의 포트를 기준으로 순서를 정의해야 할 것이다.
따라서, 멀티플렉서(121)는 다수의 A/D 컨버터(A/D)로부터 제공되는 데이터를 설정된 순서에 따라 접수하며, 이때 타이머(123)를 통해 데이터의 식별이 가능하도록 시분할 신호처리한다. 이와 같이 가공된 데이터는 ISP 회로(125)에 의해 상기 메모리(127)로 저장되며, In System Program 방식에 따라 데이터 저장이 이루어진다.
이후, 통신부(130)는 메모리(127)에 저장된 데이터를 로라 통신 프로토콜에 따라 송출하는 것이다.
실시예들에서, LoRa 통신 모듈(100)는 초기 구동시 랜덤 대기시간을 설정하는 대기시간 설정부(129)를 더 포함할 수 있다. 대기시간 설정부(129)는 제어부(120)의 부팅 과정에서 제어부(120)에서 출력(또는, 생성)되는 리셋 신호에 응답하여 동작할 수 있다. 이 경우, 통신부(130)는 랜덤 대기시간 동안 데이터 신호의 무선 송출을 지연시키며, 통신부(130)는 랜덤 대기시간 이후 제1 시점에서 데이터 신호를 최초 송신하고, 제1 시점을 기준으로 기 설정된 전송 주기에 기초하여 데이터 신호를 주기적으로 무선 송출할 수 있다. 예를 들어, 랜덤 대기시간은 0 내지 60초 사이의 시간이고, 전송 주기는 5분, 10분, 30분, 60분 등일 수 있다. 랜덤 대기시간은 전송 주기의 10분의 1 이하일 수 있다.
예를 들어, LoRa 통신 모듈(100)가 설치된 특정 지역에서 정전이 발생하고, 전원이 복구되면서, LoRa 통신 모듈(100)를 포함하는 복수의 정보수집부들이 동시에 동작하면서 데이터 신호를 동시에 전송할 수 있다. 즉, 특정 지역에 설치된 정보수집부들에 동시에 전원이 인가되어 켜질 수 있다. 다른 예를 들어, 정해진 특정 시각에 정보수집부들이 동시에 데이터 신호를 전송할 수 있다.
이 경우, 로라 게이트웨이 및 서버(즉, 센싱 신호를 최종 수신하여 장애 여부를 판단하는 모니터링 서버)에 과부하가 걸리게 되고, 데이터 신호의 적어도 일부는 손실될 수 있다. LoRa 통신 모듈(100)에서는 로라 게이트웨이 또는 서버에서 응답이 없으므로, 데이터 신호에 대한 전송이 실패한 것으로 간주하고, 데이터 신호의 재전송을 반복적으로 시도할 수 있다. 이 경우, 게이트웨이 및 서버에는 보다 과부하가 걸리게 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 LoRa 통신 모듈(100)는 LoRa 통신 모듈(100)의 초기 실행시 랜덤 대기시간을 적용할 수 있다.
예를 들어, LoRa 통신 모듈(100)는 리셋 신호를 출력할 수 있으며, 초기 설정값에 따라 초기 부팅시에는 제1 전압 레벨(예를 들어, 인에이블 상태)을 가지는 리셋 신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 대기시간 설정부(129)는 제1 전압 레벨의 리셋 신호에 응답하여 랜덤 대기시간을 설정할 수 있다. 즉, 대기시간 설정부(129)는 0 내지 60초 사이에서 랜덤으로 대기시간을 선택할 수 있다.
예를 들어, 00시 00분 00초에 LoRa 통신 모듈(100)가 부팅되고, 대기시간이 대기시간 설정부(129)에 의해 15초로 설정된 경우, 통신부(130)는 00시 00분 15초에 데이터 신호를 전송할 수 있다.
이후, 최초 데이터 신호의 전송이 성공적으로 이루어진 경우, 통신부(130)는 최초 데이터 신호를 성공적으로 송출한 시점을 기준으로 하여, 기 설정된 전송주기마다 데이터 신호를 송출할 수 있다. 예를 들어, 전송주기가 20분으로 설정된 경우, 통신부(130)는 최초 데이터 송신 시점인 00시 00분 15초를 기준으로 하여, 00시 20분 15초, 00시 40분 15초, 01시 00분 15초 등에 데이터 신호를 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 대기시간 설정부(129)는 접속반(20)(또는, 로라 게이트웨이, 모니터링 서버)으로부터 데이터 신호의 송출에 대응하는 데이터 수신 확인 신호를 수신하기 전까지, 기 설정된 갱신 주기에 따라 랜덤 대기시간을 갱신할 수 있다. 여기서, 제어부(120)는 데이터 수신 확인 신호를 수신하기 전까지 제1 전압 레벨을 가지는 리셋 신호를 출력하며, 데이터 수신 확인 신호를 수신하는 경우 제2 전압 레벨을 가지는 리셋 신호, 또는, 리셋 오프 신호를 생성 및 출력할 수 있다. 이 경우, 대기시간 설정부(129)는 리셋 오프 신호에 기초하여 동작(또는, 랜덤 대기신호의 생성 및 출력)을 중지할 수 있다.
일 실시예에서, 통신부(130)는, 데이터 신호를 최초 정상적으로 송신한 이후에, 전송 주기에서 기준 시간 범위 내의 임의의 시점에서 데이터를 전송할 수 있다. 예를 들어, 통신부(130)는 기 설정된 시간에서 -10 내지 +10초의 임의의 구간에서 데이터 신호를 전송할 수 있다.
통신부(130)는 직전 데이터 전송 완료 이후에, 무작위 시간동안 다음 데이터의 전송을 대기할 수 있다. 즉, 통신부(130)는 직전 데이터가 전송 완료될 때까지 대기한 후 연속된 데이터가 전송될 경우 직전 데이터 전송 후 10초 내지 15초 사이에서 대기 후 다음 데이터를 전송하도록 할 수 있다. 예를 들어, 통신부(130)는 12시 12분 10초와 12시 12분 12초에 서버 메시지 전송이 발생하면, 처음 이벤트는 12시 12분 20초 ~ 25초 사이 랜덤하게 전송하고, 다음 데이터는 직전 데이터 전송이 끝난 후, 10초 ~ 15초 추가적으로 대기 후 전송할 수 있다.
도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, LoRa 통신 모듈(100)은 초기 동작시 또는 주기적인 데이터 전송시 적어도 1회 랜덤 대기시간을 부여하여 다른 LoRa 통신 모듈들과의 동시 전송을 회피할 수 있다. 또한, LoRa 통신 모듈(100)은 전송 주기에 따른 주기적인 전송시에도, 허용 시간 범위(예를 들어 -10초 내지 +10초) 사이에서 전송 주기를 임의로 변경하면서, 데이터 신호를 전송할 수 있다. 따라서, LoRa 통신 모듈들의 데이터 신호의 동시 전송에 기인한 로라 게이트웨이 및 서버의 부하를 감소시킬 수 있다.
도 7은 정보수집부에서 데이터 신호를 전송하는 일 예를 나타내는 도면이다. 도 7에는 시간 경과에 따라 복수의 정보수집부들(100_1, 100_2, 100_3)에서 데이터 신호들이 전송되는 과정이 도시되어 있다. 정보수집부들(100_1, 100_2, 100_3)는 동일한 지역에 설치되고, 동일한 로라 게이트웨이와 연결될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 정보수집부(100_1)가 0초에서 데이터 신호를 송신하고, 이에 대응하여 데이터 수신 확인 신호(ACK)를 수신하며, 이에 따라, 0초를 기준으로 전송 주기(TC)에 기초하여 제1 시점(T1), 제2 시점(T2) 등에 데이터 신호를 주기적으로 전송할 수 있다.
제2 정보수집부(100_2)는 설정된 제1 랜덤 대기시간(T_RAN1)에 따라 0초를 피해 제3 시점(T3)에 데이터 신호를 전송하며, 이에 대응하는 데이터 수신 확인 신호(ACK)를 수신하여, 제3 시점(T3)을 기준으로 전송 주기(TC)에 기초하여 제4 시점(T4), 제5 시점(T5) 등에 데이터 신호를 주기적으로 전송할 수 있다.
제3 정보수집부(100_3)는 설정된 제1 랜덤 대기시간(T_RAN1)에 따라 제3 시점(T3)에 데이터 신호를 전송하였으나, 제2 정보수집부(100_2)와 데이터 신호의 전송 시점이 중복되어, 데이터 수신 확인 신호(ACK)를 수신하지 못할 수 있다. 이 경우, 리셋 신호는 제1 전압 레벨(또는, 인에이블 상태)를 유지하므로, 대기시간 설정부(129)는 랜덤 대기시간을 제2 랜덤 대기시간(T_RAN2)으로 갱신하고, 제3 정보수집부(100_3)는 제6 시점(T6)에 데이터 신호를 전송할 수 있다. 이후, 데이터 수신 확인 신호(ACK)를 수신함에 따라, 제3 정보수집부(100_3)는 제6 시점(T6)을 기준으로 전송 주기(TC)에 기초하여 제7 시점(T7) 등에 데이터 신호를 주기적으로 전송할 수 있다.
도 8은 도 1의 태양광 발전 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 도 1의 태양광 발전 장치(1)와 비교하여, 도 8의 태양광 발전 장치(1_1)는 모듈형 수신부(20_1)(또는, 모듈형 수신 장치)를 더 포함할 수 있다.
모듈형 수신부(20_1)는 로라 무선통신을 통해 LoRa 통신 모듈(100)에서 송신한 데이터 신호를 수신할 수 있다. 모듈형 수신부(20_1)는 스마트폰, PDA 또는 태블릿 피씨와 같은 휴대용 단말(50)에 탈착 가능한 상태로 결합되어 외부로부터 수신한 감지결과 데이터를 휴대용 단말(50)에 전달할 수 있다.
모듈형 수신부(20_1)는 데이터 송신용 단자를 포함하도록 형성되어, 데이터 송신용 단자가 휴대용 단말(50)에 형성된 데이터송신 케이블 결합홈에 결합될 수 있고, 휴대용 단말(50)은 모듈형 수신부(20_1)로부터 감지결과를 전달받아 화면에 출력할 수 있다. 여기서, 휴대용 단말(50)은 태양광 발전 장치를 현장에서 관리하는 작업자가 소지한 단말일 수 있다.
휴대용 단말(50)은 모듈형 수신부(20_1)로부터 전달받은 감지결과를 휴대용 단말(50)의 저장공간에 저장할 수도 있다.
본 발명은 태양광 발전 관리 시스템, 태양광 발전 시스템의 고장 진단 장치 등에 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
1: 태양광 발전 장치
10: 태양전지 어레이
20: 접속반
30: 디스플레이
10: 태양전지 어레이
20: 접속반
30: 디스플레이
Claims (4)
- 복수의 태양전지들로 구성된 태양전지 어레이;
상기 태양전지들 사이의 형성된 공간에 배치되어 상기 태양전지 어레이의 온도를 측정하여 온도 신호를 생성하는 온도센서;
상기 태양전지 어레이의 일측에 배치되고, 상기 온도센서로부터 상기 온도 신호를 수신하며, 상기 온도 신호와 상기 태양전지 어레이의 고유 식별번호를 무선 테이터로 변환하여 송신하는 LoRa 통신 모듈; 및
상기 무선 데이터를 수신하는 접속반을 포함하고,
상기 LoRa 통신 모듈은,
상기 온도 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터;
상기 아날로그디지털 컨버터에서 변환된 상기 디지털 신호를 설정된 순서에 따라 하나의 데이터로 취합하고, 취합된 데이터의 식별이 가능하도록 취합된 데이터를 시분할 처리하는 제어부;
상기 취합된 데이터 신호를 임시 저장하는 메모리; 및
상기 취합된 데이터 신호를 무선 송출하는 통신부;를 포함하는 태양광 발전 장치. - 제1 항에 있어서, 상기 LoRa 통신 모듈은,
초기 구동시 랜덤 대기시간을 설정하는 대기시간 설정부를 더 포함하고,
상기 통신부는 상기 랜덤 대기시간 동안 상기 데이터 신호의 무선 송출을 지연시키며, 상기 통신부는 상기 랜덤 대기시간 이후 제1 시점에서 상기 데이터 신호를 최초 송신하고, 상기 제1 시점을 기준으로 기 설정된 전송 주기에 기초하여 상기 데이터 신호를 주기적으로 무선 송출하고,
상기 대기시간 설정부는 상기 제어부의 부팅 과정에서 출력되는 리셋 신호에 응답하여 동작하는 태양광 발전 장치. - 제2 항에 있어서, 상기 대기시간 설정부는 상기 접속반으로부터 LoRa 통신 모듈을 통해 데이터 수신 확인 신호를 수신하기 전까지, 기 설정된 갱신 주기에 따라 상기 랜덤 대기시간을 갱신하고,
상기 제어부는 상기 데이터 수신 확인 신호에 기초하여 리셋 오프 신호를 생성하며,
상기 대기시간 설정부는 상기 리셋 오프 신호에 기초하여 동작을 중지하는 태양광 발전 장치. - 제1 항에 있어서, 상기 접속반은,
각각의 단위 태양광스트링에 대한 장애 유무를 판단하고, 장애가 발생한 단위 태양광스트링의 전력손실을 분석하여 해당 단위 태양광스트링의 출력전압을 타 단위 태양광스트링의 출력전압과 동일하게 승압하여 출력되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 장치.
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| KR (1) | KR102138440B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102454755B1 (ko) * | 2022-06-22 | 2022-10-17 | (주)목원 | 개별 전력제어 기능이 구현된 태양광모듈 진단시스템 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040003148A (ko) * | 2002-06-29 | 2004-01-13 | 주식회사 보람씨앤씨 | 실시간 데이터 전송시스템 및 방법 |
| KR101023445B1 (ko) * | 2010-10-15 | 2011-03-25 | 주식회사 신성씨에스 | 태양전지모듈 원격 감시 및 제어시스템 |
| KR101593962B1 (ko) | 2015-05-22 | 2016-02-15 | (주)한신산업 | 건물일체형 태양광 발전시스템의 태양전지모듈 보호방법 및 그 보호장치 |
| KR101728692B1 (ko) | 2016-12-29 | 2017-04-20 | 한양전공주식회사 | 태양광 모듈의 고장 예측 모니터링 시스템 및 방법 |
| KR101821576B1 (ko) * | 2017-08-07 | 2018-01-25 | 이순복 | IoT 기반 태양광 발전장치 |
-
2018
- 2018-11-28 KR KR1020180149100A patent/KR102138440B1/ko active IP Right Grant
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| KR102138440B1 (ko) | 2020-07-27 |
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