KR20230052533A - Self-powered thermoelectric sensor for diagonizing fault mode of PV system - Google Patents

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KR20230052533A
KR20230052533A KR1020210135691A KR20210135691A KR20230052533A KR 20230052533 A KR20230052533 A KR 20230052533A KR 1020210135691 A KR1020210135691 A KR 1020210135691A KR 20210135691 A KR20210135691 A KR 20210135691A KR 20230052533 A KR20230052533 A KR 20230052533A
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Abstract

The present invention provides a solar module failure mode diagnosis system based on a self-generating thermoelectric element which comprises: a thermoelectric element disposed in contact with one side of the bypass diode; a power storage unit that stores power generated from the thermoelectric element; a communication unit that transmits a signal by using the power of the power storage unit; and a determination unit that determines whether a solar module is abnormal by using information transmitted from the communication unit in a solar module with a bypass diode. The determination unit determines whether the solar module is abnormal based on time for which the communication unit receives a signal.

Description

자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템{Self-powered thermoelectric sensor for diagonizing fault mode of PV system}Self-powered thermoelectric sensor for diagonizing fault mode of PV system}

실시예는 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 실시간으로 외부에 전원 공급 없이 각 모듈의 바이패스 다이오드의 발열의 원인을 찾아낼 수 있는 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템에 관한 것이다.The embodiment relates to a self-powered thermoelectric device-based photovoltaic module failure mode diagnosis system. More specifically, it relates to a solar module failure mode diagnosis system based on a self-generating thermoelectric element capable of finding the cause of heating of a bypass diode of each module in real time without external power supply.

태양광 발전 시스템은 태양광을 이용하여 전기로 변환하는 장치이다. 대부분의 상업화된 태양전지는 전압을 높이고 전류를 낮추어 저항에 대한 손실을 줄이기 위해서 여러 태양전지가 직렬로 연결되어 있는 모듈 형태로 구성되어 있다. 그리고 대형 발전소의 경우 이 모듈들을 다시 직렬로 연결하여 구성되어 있다. A photovoltaic power generation system is a device that converts sunlight into electricity. Most commercialized solar cells are configured in the form of modules in which several solar cells are connected in series to reduce resistance loss by increasing voltage and lowering current. In the case of a large power plant, these modules are connected in series again.

일반적으로 태양전지에서 발생하는 전류의 양은 인가되는 빛의 세기에 비례한다. 빛의 세기가 줄어드는 경우 태양전지에서 만들어 낼 수 있는 전류의 값이 줄어든다. 수백장 이상 태양전지로 구성되어 있는 태양전지 어레이에서, 한 태양전지라도 음영이 발생할 경우 직류로 연결되어 있는 전체 시스템의 전류가 제한되어, 손실이 발생한다. 이러한 부분 음영에 의한 손실을 줄이기 위해서 도 1과 같이 바이패스 다이오드가 제안되었다. In general, the amount of current generated by a solar cell is proportional to the intensity of applied light. When the intensity of light is reduced, the value of the current that can be produced by the solar cell is reduced. In a solar cell array composed of hundreds or more solar cells, if even one solar cell is shaded, the current of the entire system connected by direct current is limited, resulting in loss. In order to reduce loss due to partial shading, a bypass diode has been proposed as shown in FIG. 1 .

도 1은 바이패스 다이오드를 이용하는 태양광 시스템의 구조를 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing the structure of a photovoltaic system using a bypass diode.

도 1을 참조하면, 바이패스 다이오드를 이용하여 부분 음영시 태양광 시스템의 손실을 최소화하기 위한 전류의 흐름을 나타낸다. 태양전지어레이에 부분 음영으로 특정 태양전지의 전류가 줄어드는 경우 역전압이 걸려 바이패스 다이오드를 통해 전류를 흐르게 하여 손실을 줄여준다.Referring to FIG. 1 , a flow of current for minimizing loss of a photovoltaic system during partial shading using a bypass diode is shown. When the current of a specific solar cell is reduced due to partial shade in the solar cell array, a reverse voltage is applied and current flows through the bypass diode to reduce loss.

도 2는 바이패스 다이오드가 설치되어 있는 태양전지가 부분 음영이 있는 경우 전류 전압의 그래프이다. 도 2의 (a)는 일반적인 바이패스 다이오드가 배치된 태양전지의 전류 흐름을 나타내는 도면이고, 도 2의 (b)는 태양전지에 부분 음영이 있는 경우 전류의 흐름을 나타내는 도면이고, 도 2의 (c)는 태양전지에 음영이 발생하는 경우 전류 및 전력의 크기를 나타내는 도면이다.2 is a graph of current voltage when a solar cell in which a bypass diode is installed has partial shade. Figure 2 (a) is a diagram showing the current flow of a solar cell in which a general bypass diode is disposed, and FIG. 2 (b) is a diagram showing the current flow when partial shade is present in the solar cell. (c) is a diagram showing the size of current and power when a shadow occurs in the solar cell.

도 2를 참조하면, 태양전지에 바이패스 다이오드가 없는 경우 전체 전류가 제한되어 출력이 급격하게 감소함을 확인할 수 있다. 하지만 바이패스 다이오드가 설치되면 음영이 심한 경우 회피할 수 있는 길이 형성되어 출력 증가에 도움이 된다. 또한, 전류 불균일(current-mismatch)에 의한 음영된 태양전지의 국부 가열을 방지할 수 있어서, 태양전지의 신뢰성 개선에도 큰 도움이 된다.Referring to FIG. 2 , when the solar cell does not have a bypass diode, it can be seen that the total current is limited and the output is rapidly reduced. However, if the bypass diode is installed, it helps to increase the output by forming a path that can be avoided in case of severe shadows. In addition, it is possible to prevent local heating of shaded solar cells due to current-mismatch, which is of great help in improving reliability of solar cells.

하지만, 태양광 모듈의 바이패스 다이오드는 고온의 환경에서 전류가 많이 흐르는 경우 쉽게 손상될 수 있다. 바이패스 다이오드가 고정이 나면, 다이오드 특성이 아닌 저항의 특성을 나타내게 되어 여러가지 문제점이 발생할 수 있다.However, the bypass diode of the photovoltaic module can be easily damaged when a large current flows in a high-temperature environment. When the bypass diode is fixed, various problems may occur because it exhibits resistance characteristics rather than diode characteristics.

특히 인버터가 동작하지 않은 경우 매우 높은 역전류가 고장 난 바이패스 다이오드로 흘러 들어오게 되며, 이로 인해 온도가 급증하는 문제가 발생한다. 이러한 현상은 바이패스 다이오드 주변에 있는 케이블과 구조물을 녹여서 출력 저하 및 안전사고로 연결될 수 있다. In particular, when the inverter is not operating, a very high reverse current flows into the failed bypass diode, resulting in a rapid increase in temperature. This phenomenon melts cables and structures around the bypass diode, which can lead to output degradation and safety accidents.

이러한 문제점을 알고 고장 난 바이패스 다이오드를 검출하기 위해 열화상 기반으로 검출하는 기술이 제안되었다. Knowing this problem, a thermal image-based detection technique has been proposed to detect a failed bypass diode.

하지만 현재 제시된 기술의 대부분은 현장 방문을 통한 열화상 측정이 주를 이루고 있고, 고장 난 다이오드로 전류가 지속적으로 흘러서 온도가 올라가는 현상이 발생하기 때문에, 대규모 발전소를 실시간으로 감시하는데 한계가 있다. 정기검사 기간 이후에 고장 난 설비의 경우 다음 정기검사까지 방치되는 문제점이 발생한다. However, most of the currently presented technologies are mainly based on thermal imaging measurements through on-site visits, and since current continuously flows to a failed diode and the temperature rises, there is a limit to real-time monitoring of large-scale power plants. In the case of equipment that is out of order after the regular inspection period, there is a problem that it is left unattended until the next periodic inspection.

다른 방법으로 인버터나 접속반에서의 출력을 통해 감지하는 방안이 있지만, 이러한 방식의 경우는 어떤 모듈이 고장이 났는지 정보가 부족한 문제점이 있다. As another method, there is a method of detecting through the output of an inverter or connection board, but in this method, there is a problem in that information about which module has failed is insufficient.

마지막으로 많이 제시된 방안은 온도센서를 이용하여 감시하는 방안이다. 하지만 이 경우 바이패스 다이오드 고장모드에 따라서 열이 다르게 발생하는데, 이를 선택적으로 찾아내는 기술이 부족한 상황이다. 이러한 문제점들을 고려하여, 새로운 방식에 실시간으로 태양광 모듈의 고장을 찾아낼 수 있는 방안이 필요하다. Lastly, the most proposed method is to monitor using a temperature sensor. However, in this case, heat is generated differently depending on the bypass diode failure mode, and there is a lack of technology to selectively find this. Considering these problems, a new method is needed to find a failure of a solar module in real time.

실시예는 태양광 발전소에서 발생하는 바이패스 다이오드 고장 및 부분 음영에 의한 출력 저하문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.An object of the embodiment is to solve the problem of power degradation due to bypass diode failure and partial shading occurring in a solar power plant.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned herein will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 실시예는, 바이패스 다이오드를 구비하는 태양광 모듈에 있어서, 상기 바이패스 다이오드의 일측에 접촉 배치되는 열전소자; 상기 열전소자에서 발생되는 전력을 저장하는 전력 저장부; 상기 전력 저장부에 저장된 전력 또는 상기 열전소자에서 발생되는 전력을 이용하여 신호를 송출하는 통신부; 및 상기 통신부에서 송신되는 정보를 이용하여 상기 태양광 모듈의 이상 여부를 판단하는 판단부;를 포함할 수 있다.An embodiment of the present invention is a solar module having a bypass diode, comprising: a thermoelectric element disposed in contact with one side of the bypass diode; a power storage unit for storing power generated by the thermoelectric element; a communication unit transmitting a signal using the power stored in the power storage unit or the power generated by the thermoelectric element; and a determination unit that determines whether or not the photovoltaic module is abnormal using information transmitted from the communication unit.

바람직하게는, 상기 열전소자에서 상기 바이패스 다이오드와 반대측에 배치되는 방열판;을 더 포함할 수 있다.Preferably, the thermoelectric element may further include a heat dissipation plate disposed on a side opposite to the bypass diode.

바람직하게는, 상기 판단부는 신호에 기초하여 상기 태양광 모듈의 부분 음영과 상기 바이패스 다이오드의 고장 여부를 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the determination unit may be characterized in that it determines whether partial shading of the solar module and failure of the bypass diode are based on a signal.

바람직하게는, 상기 판단부는 상기 통신부를 구동하는데 필요한 에너지 확보 시간에 기초하여 상기 태양광 모듈의 고장 모드를 구분하여 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the determination unit may be characterized in that the failure mode of the photovoltaic module is classified and determined based on an energy securing time required to drive the communication unit.

바람직하게는, 상기 판단부는 상기 통신부에서 송출되는 신호가 기설정된 시간 이상으로 지연되는 경우 상기 태양광 모듈의 부분 음영이 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the determination unit may be characterized in that it determines that partial shading of the solar module occurs when the signal transmitted from the communication unit is delayed beyond a predetermined time.

실시예에 따르면, 대규모 태양광 발전소에서 가장 많이 발생하는 바이패스 다이오드 고장 및 부분 음영에 의한 출력 저하 문제를 해결하는 효과가 있다.According to the embodiment, there is an effect of solving the problems of output degradation due to bypass diode failure and partial shade, which occur most frequently in large-scale solar power plants.

또한, 지능형 감시를 통해 정확한 고정원인을 분석할 수 있다.In addition, the exact cause of fixation can be analyzed through intelligent monitoring.

또한, 자가 발전을 통해 배터리 교체 없이 장기간동안 실시간 감시가 가능하다.In addition, through self-generation, real-time monitoring is possible for a long time without battery replacement.

또한, 정확한 이상 위치 감지를 통해 빠른 대처 및 이를 통한 화재 및 안전사고를 감소하는 효과가 있다.In addition, there is an effect of reducing fire and safety accidents through quick response through accurate abnormal location detection.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various advantageous advantages and effects of the present invention are not limited to the above description, and will be more easily understood in the process of describing specific embodiments of the present invention.

도 1은 바이패스 다이오드를 이용하는 태양광 시스템의 구조를 나타내는 도면이고,
도 2는 바이패스 다이오드가 설치되어 있는 태양전지가 부분 음영이 있는 경우 전류 전압의 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템을 나타내는 도면이고,
도 4는 도 3에서 고장 모드에 따른 바이패스 다이오드의 온도 특성을 나타내는 도면이고,
도 5는 도 3에서 태양광 모듈에 음영이 발생하는 경우 온도 변화에 따른 열전 소자의 발전량을 나타내는 도면이고,
도 6은 도 3에서 태양광 모듈의 다이오드에 고장이 발생하는 경우 온도 변화에 따른 열전 소자의 발전량을 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing the structure of a photovoltaic system using a bypass diode;
2 is a graph of current voltage when a solar cell in which a bypass diode is installed has partial shading;
3 is a diagram showing a self-powered thermoelectric device-based photovoltaic module failure mode diagnosis system according to an embodiment of the present invention;
4 is a diagram showing the temperature characteristics of the bypass diode according to the failure mode in FIG. 3;
5 is a diagram showing the amount of power generation of a thermoelectric element according to temperature change when a shadow occurs in the solar module in FIG. 3;
FIG. 6 is a diagram showing the amount of power generated by a thermoelectric element according to a change in temperature when a failure occurs in a diode of the solar module in FIG. 3 .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.However, the technical idea of the present invention is not limited to some of the described embodiments, but may be implemented in a variety of different forms, and if it is within the scope of the technical idea of the present invention, one or more of the components among the embodiments can be selectively implemented. can be used by combining and substituting.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.In addition, terms (including technical and scientific terms) used in the embodiments of the present invention, unless explicitly specifically defined and described, can be generally understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. It can be interpreted as meaning, and commonly used terms, such as terms defined in a dictionary, can be interpreted in consideration of contextual meanings of related technologies.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.Also, terms used in the embodiments of the present invention are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In this specification, the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when described as “at least one (or more than one) of A and (and) B and C”, A, B, and C are combined. may include one or more of all possible combinations.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.Also, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used to describe components of an embodiment of the present invention.

이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.These terms are only used to distinguish the component from other components, and the term is not limited to the nature, order, or order of the corresponding component.

그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.In addition, when a component is described as being 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected to, combined with, or connected to the other component, but also with the component. It may also include the case of being 'connected', 'combined', or 'connected' due to another component between the other components.

또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In addition, when it is described as being formed or disposed on “above (above) or below (below)” of each component, “upper (above)” or “lower (below)” is not only a case where two components are in direct contact with each other, but also one A case in which another component above is formed or disposed between two components is also included. In addition, when expressed as “up (up) or down (down)”, it may include the meaning of not only the upward direction but also the downward direction based on one component.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, the embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or corresponding components regardless of reference numerals are given the same reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted.

도 3 내지 도 6은, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.3 to 6 clearly show only the main features in order to clearly understand the present invention conceptually, and as a result, various modifications of the diagram are expected, and the scope of the present invention is limited by the specific shapes shown in the drawings. It doesn't have to be.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에서 고장 모드에 따른 바이패스 다이오드의 온도 특성을 나타내는 도면이고, 도 5는 도 3에서 태양광 모듈에 음영이 발생하는 경우 온도 변화에 따른 열전 소자의 발전량을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 3에서 태양광 모듈의 다이오드에 고장이 발생하는 경우 온도 변화에 따른 열전 소자의 발전량을 나타내는 도면이다.3 is a diagram showing a self-powered thermoelectric device-based photovoltaic module failure mode diagnosis system according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a diagram showing temperature characteristics of bypass diodes according to failure modes in FIG. 3, and FIG. 3 is a diagram showing the power generation amount of the thermoelectric element according to the temperature change when the solar module is shaded in FIG. 3, and FIG. It is a diagram showing the amount of power generated.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템(1)은 바이패스 다이오드(100) 다이오드를 구비하는 태양광 모듈(10)에 있어서, 열전소자(200), 전력 저장부(300), 통신부(400), 판단부 및 방열판(600)을 포함할 수 있다.3 to 6, the solar module failure mode diagnosis system 1 based on a self-powered thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is a solar module 10 having a bypass diode 100 diode. , a thermoelectric element 200, a power storage unit 300, a communication unit 400, a determination unit, and a heat sink 600 may be included.

태양광 모듈(10)은 태양광 발전을 위해 사용되는 공지의 구성이 사용될 수 있다.The photovoltaic module 10 may be a well-known configuration used for photovoltaic power generation.

본 발명에서는 이러한 태양광 모듈(10)에 전류 불균일에 의한 음영이 발생하는 경우 회피 통로를 위해 바이패스 다이오드(100)가 연결되는 구조를 구비한다.In the present invention, a structure in which the bypass diode 100 is connected for an avoidance passage when shadowing due to current non-uniformity occurs in the photovoltaic module 10 is provided.

이러한 바이패스 다이오드(100)는 다양한 원인을 통해 문제점이 발생하게 된다. The bypass diode 100 has problems due to various causes.

바이패스 다이오드(100)에 고장은 바이패스 다이오드(100)의 온도를 매우 높여서 태양광 설비의 절연을 약화시킬 수 있고 구조물들을 녹여서 화재와 같은 문제를 발생하게 된다.A failure of the bypass diode 100 can greatly increase the temperature of the bypass diode 100, thereby weakening the insulation of the photovoltaic facility, and melting the structures to cause problems such as fire.

이러한 바이패스 다이오드(100)가 열이나는 상황은 다양한 경우가 있다. There are various cases in which the bypass diode 100 heats up.

첫째로, 태양전지에서 생산된 전기가 인버터를 통해 외부로 나가지 못하고, 전류가 바이패스 다이오드(100)를 통해 흐르는 경우이다. 이 경우 전체 태양전지에 형성된 전류가 고장난 바이패스 다이오드(100)에 인가되어 매우 빠른 속도로 온도가 올라간다. 하지만 정상적으로 인버터가 동작하여 생산된 전기가 외부로 나가는 경우 열은 나지 않는다.First, it is a case where electricity generated from a solar cell cannot go out through an inverter and current flows through the bypass diode 100 . In this case, the current formed in the entire solar cell is applied to the failed bypass diode 100, and the temperature rises very quickly. However, when the inverter operates normally and the generated electricity goes outside, no heat is generated.

둘째로, 태양전지에 부분 음영이 발생하거나 셀 파손 등에 의해 태양전지의 전류가 낮은 상황이다. 태양전지의 전류가 낮아지는 전류 불균형이 발생하면, 바이패스 다이오드(100)를 통해 전류가 흐른다. 이때, 장시간 전류가 흐르는 경우 바이패스 다이오드(100)는 줄열에 의해 가열되며, 이를 통해 열이 발생하게 된다. Second, a situation in which partial shade occurs in the solar cell or current of the solar cell is low due to cell damage or the like. When a current imbalance in which the current of the solar cell is lowered occurs, current flows through the bypass diode 100 . At this time, when a current flows for a long time, the bypass diode 100 is heated by Joule heat, and through this, heat is generated.

바이패스
다이오드bypass
diode 인버터 동작inverter operation 인버터 꺼짐Inverter off 음영 없음no shading 부분 음영partial shade 음영 없음no shading 부분 음영partial shade 정상normal 정상 온도normal temperature 온도 높음temperature high 정상 온도normal temperature 온도 높음temperature high 고장breakdown 정상 온도normal temperature 온도 높음temperature high 온도 매우 높음temperature very high 온도 높음temperature high

표 1은 태양광 모듈(10) 상태에 따른 바이패스 다이오드(100)의 온도 분포를 나타낸다.표 1에 나타나는 문제를 확인하기 위해 열화상과 같은 방식을 사용하는 경우, 열이 나는 상황을 감지할 수 있으나, 바이패스 다이오드(100)의 고장원인을 찾아내는 것이 어려운 문제점이 있었다.본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로 실시간 자가발전을 통해 발열량에 따른 열전소자(200) 발전량에 따라 고장 유무와 원인을 분석하는 것을 목적으로 한다.Table 1 shows the temperature distribution of the bypass diode 100 according to the state of the photovoltaic module 10. If a method such as thermal imaging is used to identify the problems shown in Table 1, a situation in which heat is generated can be detected. However, it is difficult to find the cause of the failure of the bypass diode 100. The present invention is to solve this problem, and the existence and cause of the failure according to the amount of power generated by the thermoelectric element 200 according to the amount of heat generated through real-time self-generation is intended to analyze

본 발명에서 열전소자(200)는 바이패스 다이오드(100)의 일측에 접촉되도록 배치될 수 있다. 열전소자(200)는 온도차에 기반하여 전력을 생산할 수 있다. 열전소자(200)의 종류는 제한이 없으며, 다양한 공지의 기술이 사용될 수 있다.In the present invention, the thermoelectric element 200 may be disposed to contact one side of the bypass diode 100 . The thermoelectric element 200 may generate power based on the temperature difference. The type of the thermoelectric element 200 is not limited, and various known technologies may be used.

열전소자(200)의 반대측에는 방열판(600)이 배치될 수 있다. 방열판(600)은 즉 열전소자(200)를 사이에 두고 바이패스 다이오드(100)와 마주보도록 배치되며, 열전소자(200)의 양측면의 온도차를 증대시켜 전력 생산양을 증대할 수 있다.A heat dissipation plate 600 may be disposed on the opposite side of the thermoelectric element 200 . The heat sink 600 is disposed to face the bypass diode 100 with the thermoelectric element 200 interposed therebetween, and increases the temperature difference between both sides of the thermoelectric element 200, thereby increasing the amount of power production.

전력 저장부(300)는 열전소자(200)에서 발생되는 전력을 저장할 수 있다. 전력 저장부(300)의 종류는 제한이 없으며, 캐패시터와 같은 구성을 포함할 수 있다.The power storage unit 300 may store power generated by the thermoelectric element 200 . The type of power storage unit 300 is not limited, and may include a component such as a capacitor.

통신부(400)는 전력 저장부(300)에 저장된 전력 또는 열전소자(200)에서 발생되는 전력을 이용하여 신호를 송출할 수 있다. 통신부(400)의 경우 다양한 통신 시설이 사용될 수 있으나, 소비 전력이 낮고 단거리 통신이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.The communication unit 400 may transmit a signal using power stored in the power storage unit 300 or power generated by the thermoelectric element 200 . In the case of the communication unit 400, various communication facilities may be used, but it is preferable to be configured to enable short-distance communication with low power consumption.

판단부는 통신부(400)에서 송신되는 정보를 이용하여 태양광 모듈(10)의 이상여부를 판단할 수 있다. 이때, 판단부는 통신부(400)에서 송신되는 신호 정보에 기초하여 태양광 모듈(10)의 부분 음영과 바이패스 다이오드(100)의 고장 여부를 판단할 수 있다.The determination unit may determine whether the photovoltaic module 10 is abnormal using information transmitted from the communication unit 400 . In this case, the determination unit may determine whether the partial shade of the solar module 10 and the bypass diode 100 are out of order based on the signal information transmitted from the communication unit 400 .

도 4를 참조하면, 도 4는 하기 표 2와 같은 실험 조건에서 바이패스 다이오드(100)의 온도 특성을 분석한 것이다.Referring to FIG. 4 , FIG. 4 is an analysis of temperature characteristics of the bypass diode 100 under the experimental conditions shown in Table 2 below.

시험조건Exam conditions case 1case 1 case 2case 2 case 3case 3 다이오드diode 정상normal 정상normal 고장breakdown 음영shadow 없음doesn't exist 있음has exist 없음doesn't exist 인버터inverter 켜짐on 켜짐on 꺼짐off

도 4에서는 외기 20℃, 일사량 700W/m2, 표 2의 조건에서 바이패스 다이오드(100)의 온도를 측정한 결과를 나타낸다. case 1의 경우 30℃ 내외, case 2의 경우 70~80℃, case 3의 경우 150℃이상으로 온도가 상승함을 확인할 수 있다.이는 바이패스 다이오드(100)가 고장이 나면 다른 태양광 모듈(10)에서 발전된 전류가 모두 바이패스 다이오드(100)로 흐르게 되고, 그로 인해 급격한 온도 상승이 뚜렸하게 나타남을 확인할 수 있다.본 발명에서 열전소자(200)는 태양광 모듈(10) 정션박스 내부에 있는 바이패스 다이오드(100)의 일측에 부착되며, 반대편에 방열판(600)을 설치하게 된다. 이때, 열전소자(200)와 방열판(600)의 설치위치는 다이오드뿐만 아니라 바이패스 다이오드(100)가 설치되어 있는 태양광 모듈(10) 정션박스(junction box)에 열전소자(200) 일면을 부착하고, 타면에 방열판(600)을 적용하는 방식으로도 배치가 가능하다.4 shows the result of measuring the temperature of the bypass diode 100 under the conditions of 20° C. outdoor air, 700 W/m 2 solar radiation, and Table 2. It can be seen that the temperature rises to around 30 ° C in case 1, 70 to 80 ° C in case 2, and 150 ° C or more in case 3. This indicates that if the bypass diode 100 fails, other solar modules ( It can be seen that all the current generated in 10) flows through the bypass diode 100, and as a result, a rapid temperature rise is evident. In the present invention, the thermoelectric element 200 is inside the junction box of the solar module 10 It is attached to one side of the bypass diode 100, and the heat sink 600 is installed on the other side. At this time, the installation position of the thermoelectric element 200 and the heat sink 600 is to attach one side of the thermoelectric element 200 to the junction box of the solar module 10 where the bypass diode 100 as well as the diode is installed. And, it is also possible to arrange in a way to apply the heat sink 600 to the other surface.

바이패스 다이오드(100)가 발열시 열전소자(200)의 일측면이 가열되게 되며, 다른 쪽 면은 방열판(600)에 의해 외기와 온도가 비슷하게 유지되어 열전소자(200) 내부에 온도차이가 발생하게 된다. 이때, 바이패스 다이오드(100)의 온도를 T1, 방열판(600)측의 온도를 T2라고 할때, 발생가능한 전력은 다음과 같이 정의될 수 있다.When the bypass diode 100 generates heat, one side of the thermoelectric element 200 is heated, and the other side is maintained at a similar temperature to the outside air by the heat sink 600, causing a temperature difference inside the thermoelectric element 200. will do At this time, when the temperature of the bypass diode 100 is T1 and the temperature of the heat sink 600 is T2, the power that can be generated can be defined as follows.

W=(T1-T2)A(T)W=(T1-T2)A(T)

(여기서 A(T)는 온도에 따라 변화하는 계수이다.)(Where A(T) is a coefficient that changes with temperature.)

따라서, 열전소자(200)의 발전량을 고려하면, 바이패스 다이오드(100)의 온도를 분석할 수 있다. Therefore, the temperature of the bypass diode 100 can be analyzed by considering the amount of power generated by the thermoelectric element 200 .

만약 온도차가 많이 발생하면 (바이패스 다이오드(100)가 고장나고, 인버터가 꺼진 상황) 열전소자(200)에서 생성되는 전력의 양이 크고, 온도차에 의해 발생하는 에너지를 이용하여 통신 모듈을 구동하여 이상 신호를 서버에 보낼 수 있다. 이때는 발생하는 에너지의 양이 충분히 커서 이상이 발생하는 즉시 통신 모듈을 구동할 수 있음. If a large temperature difference occurs (the bypass diode 100 is broken and the inverter is turned off), the amount of power generated by the thermoelectric element 200 is large and the communication module is driven using the energy generated by the temperature difference. An error signal can be sent to the server. At this time, the amount of energy generated is large enough to drive the communication module as soon as an error occurs.

하지만 바이패스 다이오드(100)는 정상이나 음영에 의해 열이 발생하는 경우 온도차가 크지 않아서 열전소자(200)가 발전은 가능하나, 통신부(400)를 바로 돌릴 수 없고 충전을 통해 구동이 가능한다. However, when the bypass diode 100 generates heat due to normal or shaded conditions, the temperature difference is not large, so the thermoelectric element 200 can generate power, but the communication unit 400 cannot be turned immediately and can be driven through charging.

따라서 태양광 모듈(10)의 고장모드에 따라 바이패스 다이오드(100)의 온도가 다르게 나타나고, 이로 인해 부착된 열전소자(200)의 발전량이 다르게 나타나다. 이는 통신부(400)를 구동하는데 필요한 에너지를 확보하는 시간이 다르게 나타나서 이상 발생 후 판단부에 신호가 오는 시간을 역으로 환산하면 태양광 모듈(10)의 고장 모드를 구분하여 감지할 수 있다.Therefore, the temperature of the bypass diode 100 is different depending on the failure mode of the solar module 10, and thus the amount of power generated by the attached thermoelectric element 200 is different. This is because the time required to secure the energy required to drive the communication unit 400 is different, and the failure mode of the solar module 10 can be distinguished and detected by inversely converting the time when a signal is sent to the determination unit after an abnormality occurs.

도 5를 참조하면, 음영으로 인한 바이패스 다이오드(100) 발열의 경우 온도 상승이 75℃ 정도 되어 4~5mW/cm2 의 전력을 열전소자(200)를 통해 얻을 수 있다. 이때, 방열판(600)도 바이패스 다이오드(100)에 의해 일부 가열이 되어 외기보다는 온도가 높아지지만, 온도차에 의해 발전이 가능하다. 일반적인 통신 모듈로 많이 사용되는 zigbee 나 LoRa의 구동전압이 수십 mW 임을 감안하면 열전소자(200)로 발전한 전기를 4-5초 정도 전력을 모은 후 이상 상태를 서버에 전송이 가능하다. 따라서 통신모듈과 열전이 결합되어 다이오드에 연결된 경우, 정상적으로 작동하는 다이오드에 부분 음영으로 인한 발열이 발생하는 경우 이를 감지하고 서버에 이상 여부 전달이 가능하다.Referring to FIG. 5 , in the case of heating of the bypass diode 100 due to shade, the temperature rise is about 75° C., and power of 4 to 5 mW/cm 2 can be obtained through the thermoelectric element 200 . At this time, the heat dissipation plate 600 is also partially heated by the bypass diode 100, so that the temperature is higher than that of the outside air, but power generation is possible due to the temperature difference. Considering that the driving voltage of zigbee or LoRa, which is widely used as a general communication module, is several tens of mW, it is possible to transmit the abnormal state to the server after collecting the electricity generated by the thermoelectric element 200 for about 4-5 seconds. Therefore, when the communication module and the thermoelectric are coupled and connected to the diode, heat generation due to partial shade in the normally operating diode can be detected and notified to the server whether or not there is an abnormality.

따라서, 판단부는 통신부(400)에서 송출되는 신호가 기설정된 시간이상으로 지연되는 경우 태양광 모듈(10)에 부분 음영이 발생된 것으로 판단할 수 있다. Accordingly, the determination unit may determine that partial shade is generated in the solar module 10 when the signal transmitted from the communication unit 400 is delayed for more than a preset time.

도 6을 참조하면, 바이패스 다이오드(100)가 고장나는 경우 열이 매우 높아 열전소자(200)의 발전량이 20mW/cm2이상으로 나타나게 된다. 이 경우 열전소자(200)에서 전기로 변환되는 온도차가 충분히 커서 통신부(400)에서 신호 송출이 바로 가능하며, 빠른 시간 내에 이상 여부를 판단부(500)에 전달할 수 있다. 즉 판단부는 통신부(400)에서 신호가 기설정된 시간 내에 송출되는 경우 태양광 모듈(10)의 바이패스 다이오드(100)가 이상이 발생된 것으로 판단할 수 있다.Referring to FIG. 6 , when the bypass diode 100 fails, the heat is very high, and the power generation of the thermoelectric element 200 is 20 mW/cm 2 or more. In this case, the temperature difference converted into electricity in the thermoelectric element 200 is sufficiently large, so that the communication unit 400 can immediately transmit a signal, and quickly inform the determination unit 500 whether or not there is an abnormality. That is, the determination unit may determine that the bypass diode 100 of the photovoltaic module 10 has an abnormality when a signal is transmitted from the communication unit 400 within a preset time.

즉 아래 표 3과 같이 고장 모드에 따라서 통신 모듈이 구현되는 시간이 달라지게 된다. That is, as shown in Table 3 below, the implementation time of the communication module varies according to the failure mode.

발열모드heat mode 열전 소자 발전량Thermoelectric element generation amount 통신 모듈 구동 시간Communication module operation time 정상상태steady state 0 mW/cm2 0 mW/cm 2 구동 불가능 impossible to drive 부분 음영partial shade ~ 5 mW/cm2 ~ 5 mW/cm 2 통신 모듈 구동을 위해 capacitor 충전 시간 필요 (4-5초 정도)Capacitor charging time required for communication module operation (about 4-5 seconds) 고장 난 바이패스 다이오드(100)가 있는 상황에서 인버터 정지Inverter stop in the presence of a failed bypass diode (100) > 20 mW/cm2 > 20 mW/cm 2 문제 발생시 바로 구동 가능Can be operated immediately when a problem occurs

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 대규모 태양광 발전소에서 많이 발생되는 바이패스 다이오드(100) 고장 및 부분 음영에 대한 지능형 감시를 통해 정확한 고장원인을 분석할 수 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, the exact cause of failure can be analyzed through intelligent monitoring of the bypass diode 100 failure and partial shade, which frequently occur in large-scale solar power plants.

이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.In the above, the embodiments of the present invention were examined in detail with reference to the accompanying drawings.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an example of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art can make various modifications, changes, and substitutions without departing from the essential characteristics of the present invention. will be. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings. . The protection scope of the present invention should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

1 : 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템
10 : 태양광 모듈
100 : 바이패스 다이오드
200 : 열전소자
300 : 전력 저장부
400 : 통신부
500 : 판단부
600 : 방열판
1: Solar module failure mode diagnosis system based on self-generated thermoelectric element
10: solar module
100: bypass diode
200: thermoelectric element
300: power storage unit
400: Ministry of Communication
500: judgment unit
600: heat sink

Claims (5)

바이패스 다이오드를 구비하는 태양광 모듈에 있어서,
상기 바이패스 다이오드의 일측에 접촉 배치되는 열전소자;
상기 열전소자에서 발생되는 전력을 저장하는 전력 저장부;
상기 전력 저장부에 저장된 전력 또는 상기 열전소자에서 발생되는 전력을 이용하여 신호를 송출하는 통신부; 및
상기 통신부에서 송신되는 정보를 이용하여 상기 태양광 모듈의 이상 여부를 판단하는 판단부;를 포함하는 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템.In a solar module having a bypass diode,
a thermoelectric element disposed in contact with one side of the bypass diode;
a power storage unit for storing power generated by the thermoelectric element;
a communication unit transmitting a signal using the power stored in the power storage unit or the power generated by the thermoelectric element; and
A self-powered thermoelectric device based photovoltaic module failure mode diagnosis system comprising: a determination unit for determining whether the solar module is abnormal using information transmitted from the communication unit. 제1 항에 있어서,
상기 열전소자에서 상기 바이패스 다이오드와 반대측에 배치되는 방열판;을 더 포함하는 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템.According to claim 1,
The self-powered thermoelectric device-based photovoltaic module failure mode diagnosis system further comprising a heat sink disposed on the opposite side of the bypass diode in the thermoelectric device. 제2 항에 있어서,
상기 판단부는 신호에 기초하여 상기 태양광 모듈의 부분 음영과 상기 바이패스 다이오드의 고장 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템.According to claim 2,
The self-powered thermoelectric element-based solar module failure mode diagnosis system, characterized in that the determination unit determines whether the partial shade of the solar module and the bypass diode are out of order based on the signal. 제3 항에 있어서,
상기 판단부는 상기 통신부를 구동하는데 필요한 에너지 확보 시간에 기초하여 상기 태양광 모듈의 고장 모드를 구분하여 판단하는 것을 특징으로 하는 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템.According to claim 3,
The self-powered thermoelectric element-based solar module failure mode diagnosis system, characterized in that the determination unit classifies and determines the failure mode of the solar module based on the energy securing time required to drive the communication unit. 제3 항에 있어서,
상기 판단부는 상기 통신부에서 송출되는 신호가 기설정된 시간 이상으로 지연되는 경우 상기 태양광 모듈의 부분 음영이 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 자가발전 열전소자 기반 태양광 모듈 고장 모드 진단 시스템.









According to claim 3,
The self-powered thermoelectric element-based solar module failure mode diagnosis system, characterized in that the determination unit determines that partial shading of the solar module occurs when the signal transmitted from the communication unit is delayed beyond a predetermined time.
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