윤용호
(Yong-Ho Yoon)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
PV System, PV Inverter, PV Module, PV Junction Box, Monitoring Device, Technical Standard
1. 서 론
태양광발전시스템은 크게 태양 빛을 전기(DC)에너지로 변환시키는 태양전지모듈과 직류전원을 교류로 변환시키는 기능을 가진 태양광인버터를 포함한 주변장치(BOS
: Balance of System)으로 구분할 수 있다. 주요 주변장치로는 전원저장 기능은 갖는 축전지(Battery)와 모듈 내의 전원을 취합하여
태양광인버터에 연결하는 태양광 접속함 등이 있다. 또한, 태양광발전 정보를 수신 처리하여 서버로 전송하여 현재 발전량, 누적 발전량, 인버터 상태
및 DC, AC 전력값, 발전 생산량 추이, 알람 리스트, 발전량정보 이력데이터, 기상 데이터 등을 확인할 수 있는 모니터링시스템으로 구성되어 있다.
표 1은 국내 신재생에너지설비 KS 인증품목 및 규격으로 태양광발전시스템의 구성요소인 태양광발전용인버터, 태양광발전모듈, 태양광발전용접속함 등 개별(단독)
제품 수준의 인증평가 기술기준을 보여주고 있다(1). 현재 국내 신재생에너지설비 KS 인증제도는 표 1에서 열거한 개별 제품 단위로 공장심사 및 성능심사를 거쳐 최종적으로 KS 인증 마크를 발급하는 수준으로 운영되고 있다.
표 1. 국내 신재생에너지설비 KS 인증품목 및 규격
Table 1. Domestic renewable energy equipment KS certification items and standards
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인증품목
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규격번호
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1
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태양광발전용마이크로 인버터
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KS C 8560
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2
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결정질실리콘 태양광발전모듈(성능)
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KS C 8561
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3
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박막태양광발전모듈(성능)
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KS C 8562
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4
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소형태양광발전용인버터
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KS C 8564
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5
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중대형태양광발전용인버터
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KS C 8565
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6
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소형 풍력발전용 인버터
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KS C 8571
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7
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태양광발전용접속함
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KS C 8567
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따라서 태양광발전시스템의 구성요소인 태양광발전용인버터, 태양광발전모듈, 태양광발전용접속함, 모니터링시스템 등 각 하부조직(subsystem)을 유기적으로
통합하여 시스템으로 구성시 하부조직(subsystem)간의 상호연동, 운영 시 정확한 시스템 발전정보, 이상(異常) 발생 시의 상태진단 등 시스템
수준에서 기술적 성능들이 검토되어야 한다. 그러나 현재 국내 태양광발전시템은 하부조직(subsystem)에 해당되는 개별(단독) 제품에 대한 인증만
취할 뿐 시스템 단위의 기술기준 및 성능평가와 관련하여 현재 국내 신재생에너지설비 KS 인증제도에는 반영되고 있지 않은 실정이다.
또한, 국내 태양광발전시스템 시공은 조달청 우수제품 제도를 통해 공공기관, 관급공사에 납품이 되고 있으나 태양광발전시스템 우수제품 제도는 신제품(NEP),
신기술(NET), 특허·실용 신안 적용 제품, 저작권 등록된 GS인증 제품, 연구개발사업 기술개발 성공제품(2)을 적용할 뿐 시스템 단위의 기술기준 성능평가가 이루어지지 못하고 있다. 이로 인해 국내 태양광발전시스템 시공업체들은 대부분 우수제품 제도의 연구개발사업
기술개발 성공제품 등록을 목적으로 국내 공인시험기관의 자체적인 시험평가를 통한 성적서 발급을 통해 태양광발전시스템의 성능을 평가받고 있다.
태양광발전시스템 구성요소인 하부조직들(subsystem)을 시스템으로 구성 시 하부조직(subsystem)간의 상호연동 작용 및 이상(異常) 발생
시 상태정보를 통한 시스템 진단평가, 운영 시 정확한 시스템 발전정보 등 시스템 단위의 기술기준 성능평가가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 이와 관련된
규격을 제안하며 그 내용을 기준으로 성능평가를 수행하였다.
2. 제안한 국내 태양광발전시스템 기술기준 성능평가
본 논문에서는 국내 태양광발전시스템 기술기준 성능평가와 관련하여 태양광발전용인버터, 태양광발전모듈, 태양광발전용접속함, 모니터링시스템 등 독립적인
성능인증을 기반으로 하부조직(subsystem)간의 상호연동작용 및 이상(異常) 발생 시 상태 정보를 통한 시스템을 진단 평가할 수 있는 규격을 그림 1과 같이 제안하였다.
그림. 1. 제안한 국내 태양광발전시스템 적합성 평가 기술기준
Fig. 1. Proposed technical standard for evaluation of PV power generation system in
Korea
표 1의 신재생에너지설비 KS인증 품목 중 소형태양광발전용인버터, 중대형태양광발전용인버터는 각각 개별(단독) 제품 단위 수준에서 KS C 8564, KS
C 8565 규격을 통해 인증을 취하고 있다. 따라서 본 논문에서는 시스템 단위에서 추가적으로 상호연동 및 상태정보를 통한 시스템 성능평가를 위해
표 2와 같이 태양광발전용인버터 성능시험 규격을 제안하였다.
표 2. 국내 태양광발전시스템(태양광발전용인버터) 성능시험
Table 2. Performance test of domestic PV generation system
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시험 항목
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1.
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단독운전방지기능 시험
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2.
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효율시험
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3.
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최대전력 추종시험
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4.
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대기손실시험
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5.
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교류출력전류변형률시험
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6.
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절연저항시험
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7.
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계통전압 순간정전⦁순간 강하시험
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8.
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교류전압, 주파수 추종 범위시험
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9.
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출력전류 직류분 검출시험
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10.
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계통전압 불평형시험
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2.2 태양광발전모듈(6,7)
태양광발전시스템 하부조직(subsystem)의 한 부분인 태양광발전모듈 역시 태양광발전용인버터와 동일하게 신재생에너지설비 KS인증 KS C 8561,
KS C 8562 규격을 통해 개별(단독) 제품으로 인증을 취하고 있다. 따라서 표 3과 같이 시스템 단위의 태양광발전모듈 성능시험 규격을 제안하였다.
표 3. 국내 태양광발전시스템(태양광발전모듈) 관련 규격
Table 3. Performance test of domestic PV generation system
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시험 항목
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1.
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절연 시험
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2.
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최대출력결정시험
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3.
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접지연속성 시험
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2.3 태양광발전용접속함(8)
태양광발전용접속함은 PV 스트링(회로)를 하나로 모아 태양광발전용인버터에 연결하는 중계거점 역할로 태양광발전시스템 운영 시 가장 많은 현장사고와 화재가
발생하는 하부조직에 해당된다.
표 4. 국내 태양광발전시스템(태양광발전용접속함) 성능시험
Table 4. Table4 Performance test of domestic PV generation system
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시험 항목
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1.
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온도상승시험(역전류방지다이오드)
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2.
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CH별 전류/ 전압계측 진단 시험
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3.
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감전보호시험
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4.
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IP(방수방진)시험
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이러한 문제점을 통한 현장사고 사전방지 및 유지보수의 비용 절감을 위해 본 논문에서는 표 4와 같이 시스템 수준의 태양광발전용접속함 내부온도상승시험(역전류방지다이오드), CH별 전류/전압계측 진단시험, 감전보호시험, IP(방수·방진) 시험을
제안하였다.
2.4 모니터링시스템
태양광발전시스템의 발전정보를 수신 처리하여 현재 발전량, 누적 발전량, 태양광발전용인버터 상태 및 DC, AC 전력값, 발전량정보 이력데이터, 기상
데이터 등을 확인할 수 있는 모니터링시스템은 현재 신재생에너지설비 KS인증 품목으로 지정되어 있지 않은 제품에 해당한다.
표 5. 국내 태양광발전시스템(모니터링시스템) 성능시험
Table 5. Performance test of domestic PV generation system (Monitoring system)
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시험 항목
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1.
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모듈별 전류/전압 계측진단기능 시험
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2.
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데이터 수집 및
모니터링
기능시험
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1. 로컬 디스플레이 시험
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2. 태양광인버터 상태정보시험
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3. 온도센서 값 수집시험
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4. 일사량센서 값 수집시험
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5. 실시간 데이터 값 상태정보 시험
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6. 데이터 저장 및 조회 여부 시험
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3.
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고장진단
기능시험
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1. 모듈군 단위별 고장진단 시험
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2. 온도센서 고장진단 시험
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3. 일사량센서 고장진단 시험
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따라서 본 논문에서는 하부조직(subsystem)간의 상호연동, 운영 시 정확한 시스템 발전정보, 이상(異常) 발생 시의 상태진단 등 시스템 단위의
기술적 성능평가를 위해 표 5와 같이 모듈별 전류/전압 계측진단기능시험, 데이터 수집 및 모니터링 기능시험, 고장진단 기능시험을 제안하였고 “3장 모니터링시스템 성능시험 평가”에서
항목별 시험절차, 시험기준, 시험결과를 분석하였다.
3. 모니터링시스템 성능시험 평가
3.1 모듈별 전류/전압 계측진단기능 시험
(1) 시험절차
태양광발전모듈 사양에 규정한 공칭전류/전압 범위를 이용하여 모니터링시스템에서 전시되는 값과 계측기를 이용하여 오차범위를 확인한다.
(2) 시험기준
비교결과 오차율 전압 ±3%, 전류 ±3A 이내.
(3) 시험결과 및 시험평가 해석
그림 2는 모니터링시스템에서 운전 중인 태양광발전모듈별 전압/전류의 계측된 값으로 전압계/전류계 계측기를 사용하여 측정한 값과 비교하여 시험기준 비교결과
오차율 범위를 확인할 수 있다. 본 시험은 모니터링시스템의 계측진단의 오차율을 확인함으로써 태양광발전시스템의 정확한 운전상태를 확인하는데 목적을 두고
있다.
그림. 2. 태양광발전모듈별 전류/전압 계측진단기능시험 결과
Fig. 2. Current/voltage measurement diagnostic function test result by photovoltaic
module
3.2 데이터 수집 및 모니터링 기능시험
3.2.1 로컬 디스플레이 시험
(1) 시험조건
데이터 수집장치와 연결된 모니터링 장치에 데이터 표시 여부를 확인한다.
그림. 3. 모니터링시스템 로컬 디스플레이시험 결과
Fig. 3. Monitoring system local display test result
(2) 시험기준
로컬 디스플레이 기능 가능.
(3) 시험결과 및 시험평가 해석
모니터링시스템의 로컬디스플레이 시험결과를 그림 3에서 보여주고 있으며 데이터 수집장치를 통해 수집된 발전량, 측정온도, 상태정보, 기상정보, 통신상태 등 태양광발전시스템의 전반적인 정보를 확인할
수 있는 시험으로 시스템의 모든 정보가 정확하게 진단되고 있는지를 평가할 수 있다. 로컬 디스플레이 기능은 현재 운전 중인 태양광발전시스템의 정보를
사용자 또는 관리자가 운영관리 및 유지보수의 기본적인 데이터 정보로 활용될 수 있다.
3.2.2 태양광발전용인버터 상태정보시험
(1) 시험조건
태양광발전용인버터와 연결된 모니터링 장치에 운전상태 정보 수신여부를 확인한다.
(2) 시험기준
인버터의 상태정보 수신 가능
그림. 4. 태양광발전용인버터 운전 시 상태정보
Fig. 4. Status information when operating PV inverter
그림. 5. 태양광발전용인버터 고장 시 상태정보 1
Fig. 5. Status information 2 when operating PV inverter
(3) 시험결과 및 시험평가 해석
그림 4~7은 태양광발전용인버터의 상태정보시험 결과로 운전 시 상태정보를 통해 입출력의 정보(전압, 전류, 전력)를 확인할 수 있다. 또한, 운전 고장 시 고장진단을
통한 고장 항목 및 상태를 모니터링 결과를 통해 확인할 수 있다. 태양광발전용인버터의 고장 항목을 정확하게 진단(그림 5, 7)하며, 특히 multi-string으로 설치된 태양광발전시스템의 경우 다수의 태양광발전용인버터 운전(그림 6)으로 인하여 향후 사고 발생 시 고장 인버터에 대한 상태정보를 통해 손쉽게 판별할 수 있어야 한다.
그림. 6. 태양광발전용인버터 고장 시 상태정보 2
Fig. 6. Status information 2 when operating PV inverter
태양광발전용인버터는 직류전원을 교류로 변환시키는 전력변환장치로 운영 시 빈번한 사고 및 고장 발생률이 높은 장치로 운전 고장 시 고장진단을 통한 정확한
상태정보를 상위조직에 전달할 수 있어야 한다.
그림. 7. 태양광발전용인버터 통신 이상 시 상태정보
Fig. 7. Status information in case of PV inverter communication error
3.2.3 온도센서값 수집시험
(1) 시험조건
태양광발전시스템에 설치된 온도센서에 의해 수집한 온도 값을 모니터링 장치로 신호전송 여부를 확인한다.
(2) 시험기준
온도센서 값 신호전송 가능 및 오차율 ±1.5℃ 이내
그림. 8. 온도센서값 및 일사량센서값 수집시험
Fig. 8. Temperature sensor value and solar radiation sensor value collection test
3.2.4 일사량센서값 수집시험
(1) 시험조건
태양광발전시스템에 설치된 일사량센서에 의해 수집한 일사량 값을 모니터링 장치로 신호전송 여부를 확인한다.
(2) 시험기준
일사량센서 값 신호전송 가능 및 오차율 ±5% 이내
3.2.5 실시간 데이터값 상태정보시험
(1) 시험조건
태양광발전용인버터의 상태정보 및 일일 생산량, 생산전력, 모듈 및 외기 온도, 모니터링 수신상태, 일사량 등의 값이 실시간으로 모니터링 장치에 표출되는지를
확인한다.
(2) 시험기준
실시간 데이터 값 표시
(3) 시험결과 및 시험평가 해석
온도센서값 수집시험, 일사량센서값 수집시험의 결과를 그림 8과 같이 현재의 날씨, 대기온도, 모듈온도, 수평일사량, 수직일사량 등의 정보 및 실시간 데이터값 상태정보를 확인 및 할 수 있다. 모듈별 전류/전압
계측진단기능 시험방법과 동일하게 계측기(일사량계, 적외선 온도계)를 사용하여 측정한 값과 비교하여 시험기준 비교결과 오차율 범위를 확인할 수 있다.
태양광발전시스템의 발전량은 자연환경인 온도 및 일사량에 의해 결정되기에 정확한 데이터 정보를 수집하는 것이 중요하다.
3.2.6 데이터 저장 및 조회여부 시험
(1) 시험조건
모니터링 장치에 데이터 저장 상태를 확인하고 조회 및 결과표시 기능을 확인한다.
데이터베이스에 저장된 데이터를 활용하여 차트 및 보고서 작성 기능을 확인한다.
관리자 및 사용자의 기능과 등록 및 삭제를 할 수 있는지를 확인하고 표시상태를 확인한다.
그림. 9. 태양광발전시스템 결과보고서
Fig. 9. PV system result report
(2) 시험기준
데이터저장 결과조회 및 결과표시
차트, 보고서 결과표시
모니터링 장치상에 관리자 및 사용자 등록, 삭제 결과표시
(3) 시험결과 및 시험평가 해석
그림. 10. 태양광발전시스템 발전량 그래프
Fig. 10. PV system power generation graph
태양광발전시스템 운전과 관련하여 실시간으로 저장된 정보들에 대한 결과보고서 및 그래프 기능 결과를 그림 10에서 보여주고 있으며 작성된 결과보고서 및 도표의 정보를 통해 전체적인 운영상태를 파악할 수 있다.
3.3 고장진단기능 시험
태양광발전시스템의 고장진단기능 시험은 모듈군 단위별 고장진단 시험, 온도센서 고장진단 시험, 일사량센서 고장진단 시험으로 구성되며 시스템 운영 시
고장상태에 따른 정확한 고장진단 및 현장사고 사전방지를 위한 경보기능이 중요하다.
3.3.1 모듈군 단위별 고장진단시험
(1) 시험조건
태양광발전모듈 n개를 차광막으로 가리고 이상전압이 발생하여 이상 모듈군 전압강하를 표시 및 상태정보를 확인한다.
태양광발전모듈 n개를 오픈하여 전압강하 표시 및 상태정보를 확인한다.
정상 모듈군과 고장 모듈군의 발생전력량을 비교 판단하여 고장경보를 모니터에서 확인한다.
(2) 시험기준
고장 모듈군 이상전압 발생상태 경보 표시
고장 모듈군 발생전력량 저하 상태 경보 표시
그림. 11. 태양광발전모듈 이상 발생 시 상태
Fig. 11. Status when an error occurs in PV module
(3) 시험결과 및 시험평가 해석
특정 태양광발전모듈 n개를 차광막으로 일사량을 차단한 상황에서 이상전압 및 발전상태를 확인하는 시험으로 시험의 결과를 그림 11에서 보여주고 있다. 또한, 일사량이 차단된 모듈과 연결된 태양광발전용인버터의 상태를 그림 12의 결과에서 보여주고 있다.
본 시험은 태양광발전모듈의 열화 및 오염물질로 인한 발전량 저하에 따른 상태정보 확인 및 대용량 규모의 태양광발전시스템의 경우 수백 개 또는 수천
개 해당하는 태양광발전모듈 중 특정 모듈이 고장 및 이상 발생 시 상태정보를 통한 신속한 대처와 유지관리에 중요한 기능으로 볼 수 있다.
3.3.2 온도센서 고장진단시험
(1) 시험조건
온도센서에 인위적인 열을 가하여 80℃ 이상에서 상태정보를 시험한다.
(2) 시험기준
온도센서 상태정보 표시
그림. 12. 태양광발전모듈 이상 발생 시 인버터 상태
Fig. 12. Inverter status in case of solar module error
3.3.3 일사량센서 고장진단 시험
(1) 시험조건
일사량센서의 이상 상태를 시험한다.
(2) 시험기준
일사량센서 상태정보 표시
그림. 13. 온도센서 이상 발생 시
Fig. 13. In case of abnormal temperature sensor
(3) 시험결과 및 시험평가 해석
그림. 14. 일사량센서 이상 발생 시
Fig. 14. In case of solar radiation sensor error
고장진단기능 시험 중 온도센서, 일사량센서 고장진단 시험의 결과를 그림 13, 14에서 보여주고 있다. 태양광발전시스템에 설치된 대부분의 온도센서와 일사량센서는 저가로 측정데이터의 오차범위가 크며 상황에 따른 상태정보가 정확하지
못한 단점이 있다. 따라서 본시험을 통해 온도, 일사량 등 자연환경정보 수집과 센서 고장식별을 통한 정확한 데이터 수집을 확인하는 데 목적이 있다.
4. 결 론
태양광발전시스템 구성요소인 하부조직들(subsystem)을 시스템으로 구성 시 하부조직(subsystem)간의 상호연동 작용 및 이상(異常) 발생
시 상태정보를 통한 시스템 진단평가, 운영 시 정확한 시스템 발전정보 등 시스템 단위의 기술기준 성능평가가 국내 인증제도에는 반영되어 있지 않은 실정이다.
따라서 본 논문에서는 이와 관련된 기술기준을 제안하였으며 그 내용을 기준으로 성능평가를 수행하여 항목별 시험절차, 시험기준, 시험결과에 대해 분석하였다.
본 논문에서 제안한 태양광발전시스템 성능평가를 기준으로 현재 장치별 성능평가 단계에서 개선된 시스템 단위의 법적인 기술기준 제정에 발전 및 이바지할
것으로 고려된다.
Acknowledgements
이 연구는 2020년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.
References
2015, Renewable Energy Equipment KS Certification Guide, Korea Energy Agency
Public Procurement Service's Excellent Product System
KS C 8564, 2016, Small Scale Photovoltaic Inverter (grid-tied type, stand-alone type)
KS C 8565, 2016, Medium and Large Size Photovoltaic Inverter (grid-tied type, stand-alone
type)
KS C 8571, 2015, Inverter for Small Wind Turbines
KS C 8561, 2019, Crystalline Silicone Photovoltaic(PV) Module (Performance)
KS C 8562, 2015, Thin Film Photovoltaic(PV) Modules (Performance)
KS C 8567, 2019, Photovoltaic Combiner Box
저자소개
2007년 성균관대 메카트로닉스공학과 졸업(박사).
2007년~2011년 삼성탈레스 종합연구소 메카트로닉스그룹 전력전자팀 전문연구원.
현재 광주대학교 전기전자공학부 교수.