UAV 기반 열적외선 카메라를 이용한 태양광 모듈 고장진단 실험

이근상 ( Geun-sang Lee ),이종조 ( Jong-jo Lee ) 한국지리정보학회 2016 한국지리정보학회지 Vol.19 No.4

최근 환경보호와 신재생에너지 확보 일환으로 태양광발전소가 널리 보급되고 있으며, 태양광 모듈의 효율적인 관리를 위해서는 정기적인 점검이 필요하다. 본 연구에서는 UAV 기반 열적외선 카메라와 GIS 공간분석을 통해 태양광 모듈에 대한 고장여부를 진단할 수 있는 실험을 실시하였다. 먼저 고정익 UAV와 RGB 카메라를 이용하여 영상을 촬영한 후 Pix4D SW를 통해 정사영상을 생성하였으며, 정사영상 자료를 이용하여 태양광 모듈 레이어를 구축한 후 코드를 입력하였다. 또한 태양광 모듈 고장여부를 진단하기 위해 고무덮개를 태양광 모듈에 설치하였으며, 열적외선 카메라로부터 얻어진 온도 정보와 태양광 모듈 레이어를 기반으로 Zonalmean 함수를 통해 태양광 모듈별 평균온도를 계산할 수 있었다. 마지막으로 GIS 공간분석을 통해 이상 발열이 확인된 37℃ 이상의 모듈을 자동으로 추출하고 각 모듈별 고유식별 코드를 식별함으로써 고무 덮개를 설치한 모듈의 위치를 정확하게 분석할 수 있었다. Recently, solar power plants have spread widely as part of the transition to greater environmental protection and renewable energy. Therefore, regular solar plant inspection is necessary to efficiently manage solar-light modules. This study implemented a test that can detect solar-light module faults using an UAV based thermal infrared camera and GIS spatial analysis. First, images were taken using fixed UAV and an RGB camera, then orthomosaic images were created using Pix4D SW. We constructed solar-light module layers from the orthomosaic images and inputted the module layer code. Rubber covers were installed in the solar-light module to detect solar-light module faults. The mean temperature of each solar-light module can be calculated using the Zonalmean function based on temperature information from the UAV thermal camera and solar-light module layer. Finally, locations of solar-light modules of more than 37℃ and those with rubber covers can be extracted automatically using GIS spatial analysis and analyzed specifically using the solar-light module`s identifying code.

태양광 모듈의 가장자리를 통한 카메라 행렬 추출과 왜곡 보정 방법

정헌 한국차세대컴퓨팅학회 2022 한국차세대컴퓨팅학회 논문지 Vol.18 No.2

Recently, for the maintenance of a photovoltaic power plant, researches on photographing the state of a photovoltaic module and analyzing the image are being conducted. These studies have a prerequisite to derive an accurate photovoltaic module area with the contents of diagnosing the deterioration state by obtaining the temperature distribution of the module area. If the search for the deterioration module of a photovoltaic power plant is photographed with a camera with severe distortion, the image processing process is complicated and the analysis is difficult. To solve this problem, it is necessary to derive a camera matrix. In this paper, we propose a correction method for distorted images taken without camera calibration. The proposed method proceeds by deriving the physical coordinates of the photovoltaic module, deriving the image coordinates of the module edge, and extracting the camera matrix and correcting the distortion through calibration using the derived values. The physical coordinates of the photovoltaic module are derived using characteristics such as the rectangular shape of the photovoltaic module, repeated arrangement of specific modules, and equally spaced installation, and the image coordinate values ​​of the module edges are obtained through simple image processing and manual operation, Calibration is performed using the derived values. Finally, the effect of the proposed camera matrix extraction and image correction method is evaluated through the experiment of changing the distorted image to the corrected image. 최근 태양광 발전소 유지보수를 위해 태양광 모듈의 상태를 촬영하여 이미지 처리 분석하는 연구들이 진행되고 있다. 이러한 연구들은 모듈영역의 온도 분포를 얻어서 열화상태를 진단하는 내용으로 정확한 태양광모듈 영역을 도출하여야 하는 전제조건을 갖는다. 태양광 발전소의 열화 모듈 검색을 왜곡이 심한 카메라로 촬영할 경우 이미지 처리 과정이 복잡하고 분석의 난해성이 발생한다. 이를 해결하기 위한 카메라 행렬 도출이 필요하다. 본 논문에서는 카메라 캘리브레이션이 이루어지지 않은 상태에서 얻어진 왜곡된 이미지를 보정하는 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 태양광 모듈의 물리적 좌표를 도출, 모듈 가장자리의 이미지 좌표 도출, 도출된 값을 이용하여 캘리브레이션 수행을 통한 카메라 행렬 추출과 왜곡 보정 등으로 진행된다. 태양광 모듈의 물리적 좌표는 태양광 모듈의 직사각형 형태, 특정 모듈의 반복 배치, 등간격 설치 등의 특성을 이용하여 도출하고, 모듈 가장자리의 이미지 좌표값은 간단한 이미지 처리와 수동 조작을 통해 획득하고, 도출된 값을 이용하여 캘리브레이션을 수행한다. 최종적으로, 왜곡된 이미지를 보정이미지로 바꾸는 실험을 통해 제안한 카메라 행렬 추출과 이미지 보정 방법의 효과를 평가한다.

바이패스 다이오드 구성에 따른 슁글드 태양광 모듈의 특성 시뮬레이션

배재성(Jaesung Bae),지홍섭(Hongsub Jee),박용섭(Yong Seob Park),이재형(Jaehyeong Lee) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7

최근 건물 일체형 태양광 발전과 같은 도심형 신재생에너지 발전이 증가하게 되면서 제한된 면적에서 높은 출력을 생산할 수 있는 고밀도, 고효율 태양광 모듈에 대한 관심도 커지고 있다. 고밀도 태양광 모듈을 제작하기 위한 방법은 Multi-wire, Gapless, Shingled과 같이 여러가지 기술이 있다. 그 중 Shingled 기술의 경우 일반적인 태양전지를 분할/접합하여 제작하는 구조로 하나의 분할 셀 전면부에 다른 분할 셀이 오버랩 되어 접합되기 때문에 전면부의 버스바 영역이 수광영역으로 바뀌어 더 높은 출력을 생산할 수 있다. 또한, 일반적인 태양광 모듈에 비해 태양전지간의 절연을 위한 공간이 감소하게 되므로 고효율, 고밀도 태양광 모듈로 제작할 수 있다. 하지만 슁글드 태양광 모듈의 경우 분할된 셀들이 직렬로 접합되어 하나의 스트링으로 제작되기 때문에 일반적인 태양광 모듈에 비해 음영에 의한 출력 손실이 발생하기 쉬워진다. 그러므로 음영에 따른 슁글드 태양광 모듈의 출력 손실을 최소화하기 위해서는 슁글드 스트링의 회로구성 및 바이패스 다이오드의 최적화가 필요하다. 본 연구에서는 슁글드 태양광 모듈의 직렬 연결 배선 및 스트링 구조를 설계하였고 그에 따라 바이패스 다이오드 수를 가변하여 나타나는 특성을 시뮬레이션 하였다. 결과적으로 시뮬레이션을 통해 바이패스 다이오드의 수를 최적화하였고 그에 따른 슁글드 태양광 모듈의 음영 특성을 분석하였다.

라인 렌즈를 이용한 음영 발생 방지 가능 태양광 모듈

배진욱,정진도 한국신·재생에너지학회 2019 신재생에너지 Vol.15 No.3

This study examined the construction of a solar module that increases the power generation efficiency. The module is equipped with a line shaped optical lens module on the upper edge of the solar panel and adjusts the incident light around the upper edge. The light is emitted in the light-receiving plane of the solar panel located at the backside, and shading of the module is prevented, thereby increasing the solar power generation efficiency. 1) The maximized efficiency design was based on the solitary solar altitude. The inclination of the solar module was 62°. The solar module installation interval was 6.64 m and the total area required was 1,430 m2. 2) The maximum efficiency design for spring and fall based on solitary solar altitude was determined. The inclination of the solar module was 30°. The solar module installation interval was 3.761m and the total area required was 1,372 m2. 3) The design after applying the line lens of the solar altitude standard was determined. The inclination of the solar module was 30°. The solar module installation interval was 1.252 m and total area required was 1,084 m2. A comparison of the area efficiency of with 3) and 1) revealed a 24% improvement, and the area efficiency of 3) compared to 2) revealed 21% improvement.

태양 전지 모듈의 설치각과 계절에 따른 수치적 연구

김문기 ( Moonki Kim ),임민섭 ( Minseob Lim ),윤홍선 ( Hongsun Yun ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

지구는 태양을 타원으로 공전하고 있기에 태양으로부터 도달되는 일사량은 계절에 따라 다르다. 1월이 태양과 지구가 가장 가까운 거리에 있다. 또한 지구가 자전하기에 고정된 태양 전지 모듈에서는 하루에도 태양의 입사각이 수시로 변화하고 태양광 발전량도 계속적으로 변화한다. 그리고 현재 태양 전지모듈의 기술로 25°C 기준에서 태양 전지 모듈의 집광 온도가 벗어날수록 발전 효율도 감소하게 된다. 본 연구에서는 계절에 따른 외기 일사량, 지구의 경사각, 위도, 태양 전지 모듈의 설치각도를 고려하여 계절·각도별 일사량과 태양 전지 모듈의 발전량을 예측하는 모델을 제안하고자 한다. 또한 계절에 따른 태양 전지 모듈의 온도 증가와 감소에 따른 출력 변화를 모듈 온도 계수의 개념으로 사용하였다. 마지막으로 성능비(Performance ratio: PR)를 빛의 일률에 대한 태양광 발전 시스템의 전력 발전 일률로 계절에 따른 성능평가를 해 보고자 한다. 본 연구에서는 지구 대기권 도달 일사량, 모듈 효율 15.5%, 모듈 온도 상수 -0.5%, 일일 발전 시간(8시~17시)을 기준으로 잡았다. 연구 결과는 다음과 같았다. 일일 누적 일사량은 설치각 15°에서 6월, 설치각 30°에서 4월, 설치각 45°에서 3월에서 최대이고 일일 누적 발전량은 설치각 15°에서 5월, 설치각 30°에서 2월, 설치각 45°에서 2월이 최대가 된다. 성능비(전력 발전 일률/빛의 일류)는 1~2월에 가장 높음을 보였다. 또한, 계절별 일일 누적 일사량과 일일 누적 발전량은 1월에서 70°, 4월에서 40°, 7월에서 30°가 최대였다. 성능비는 1월에 1.02, 4월에 0.9325, 7월에 0.845로 나타났다. 이상의 결과로 볼 때 지구의 타원형 공전으로 인한 계절별 일사량의 차이와 태양 전지 모듈의 온도에 따른 발전 효율 변화는 태양광 발전 성능비를 다른 계절에 비해 1월~2월에 가장 유리함을 보였다. 1~2월에는 설치각 70°, 봄·가을에는 설치각 40°, 7월에는 30°가 태양광 발전에 유리함을 보였다. 그리고 성능비는 태양 전지 모듈 설치각 변화함에 따라 일사량, 발전량도 변화하게 되어 같은 설치각도에서는 동일 성능비를 나타냄을 알 수 있었다. 전력부하와 용처에 따라 적정한 태양전 모듈의 설치각도를 결정하는 것이 중요한 것으로 판단되었고, 본 연구에서 개발된 예측모델이 이러한 작업에 유효하게 사용될 수 있을 것으로 판단되었다.

수상태양광 발전시스템 모듈 방위각 변경 효과: 시뮬레이션을 통한 설치용량 및 발전량 비교 분석

이민수,김경남 한국태양광발전학회 2020 한국태양광발전학회지 Vol.6 No.2

육상태양광 발전원의 단점을 보완하기 위한 수단으로 유휴수면 활용 및 발전량 증대 등의 장점을 앞세우며 수상태양광 발전시스템이 대두되었으나, 설치면적 축소 등의 민원이 지속적으로 제기되며 한국환경정책평가연구원(KEI)에서도 설치면적에 대한 가이드라인이 필요함을 제시하기에 이르렀다. 이에 본 논문에서는 수상태양광 설치 시 제한된 설치면적 내에서 설치용량 및 발전량을 증가시킬 수 있는 새로운 수상태양광 발전시스템 방법론을 제안하여, 국토의 효율적 및 친환경적 이용으로 「재생에너지 3020 이행계획」을 달성하면서 주민수용성을 증대시킬 수 있는 방안을 모색하고자 한다. 상주 수상태양광 오태2발전소를 대상지로 선정하여 현재 정남향(0°)으로 배치되어 있는 모듈을 기준으로 동일한 모듈 경사각이지만 동서방향(±90°)으로 모듈 방위각을 변경하여 배치한 경우의 비교 분석 연구 결과, 모듈 남향 배치 대비 동서방향 배치 시 설치용량은 13.25%, 발전량은 4.03%가 각각 증가하는 결과를 보였다. 본 연구에는 Sketchup Software를 통한 3D 모델링 및 PVSyst 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 비교 분석을 진행하였다.

태양광 모듈 구조적 이상 진단을 위한 IOT 시스템 개발

이정규 ( Jungkyu Lee ),김지후 ( Jihoo Kim ),이승일 ( Seungil Lee ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

태양열은 에너지 신산업에 지속적인 선두주자로 정부의 그린뉴딜 관련 투자 확대 및 태양광 발전 시장의 점유 증대로 수요가 확대되고 있다. 다방면에서 태양광 에너지 사업이 진행되고 있으나 패널의 사용 환경 특성 상 불특정한 이유로 고장 및 오염이 일어난다. 대부분의 태양광 발전장치에는 사람이 상주하지 않기 때문에 관리주체가 이상상황 발생 시 즉시 파악하여 해결 하는 것이 중요하다. 이에 표면의 고장, 오염 등 에너지 전환 과정의 감지 및 태양전지, junction-box 등에서 발생하는 진동 특성을 통해 이상탐지가 가능한 태양광 모듈 안정성 평가를 위한 시스템을 설계하였다. 태양광 모듈의 규격 및 사용자 목적에 따라 센서의 수량 및 통신 범위 결정은 편의성 확보를 고려하였고, 센서 모듈화 작업으로 개발보드에 적층형 회로 구성이 가능하도록 핀헤더 솔더링 작업을 수행하였다. I2C-BUS로 결선하여 센서별 어드레스값을 통해 각 센서의 태그 정보를 식별하도록 하였다. 완성된 적층형 회로는 무결성 테스트를 거쳐 각 센서 모듈별 식별 태그를 확인하였다. 3D 프린터를 이용하여 외장 케이스를 제작하여 기상 조건에 따른 센서의 고장을 대비해 방수 실링으로 마감하였다. 각 태그별 센서에서 수집된 방사값은 위치정보와 결함 및 컬러맵 적용으로 재배치하였으며, 인접부에서 확인되는 계단현상(Aliasing)을 방지하기 위해 Median Filter를 적용하여 시각화처리 하였다. 진동 센서 작동 여부 확인 및 상태 도시를 위해 display를 추가로 결선하였으며 UART 통신으로 상태 정보를 전송하도록 구현하였다. Display에 도시된 계측 데이터가 서버에서 통합되고 각 센서 노드는 파일명으로 분류되어 통합, 저장하는 구조를 설계하였다. 태양광 모듈의 구조물 이상 진동 감지와 패널 진단을 통해 안정성 평가가 가능한 IOT 시스템을 개발하였다. Median 필터링을 통해 가속도계 측정의 정밀도 오차를 2% 이내로 감소시켜 정밀도를 향상시켰다. 태양광 패널 이상 여부 판단을 위한 시각화 기술 및 진동특성을 통한 모듈의 진단과 정보수집과 통합, 모니터링이 가능하도록 설계하여 이상 감지 시 신속한 유지보수를 통해 태양열 에너지 생산의 안정성을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.

CFD를 이용한 PVT 모듈 열교환기 성능 해석

김양준(Kim, Yangjoon),김동권(Kim, Dongkwon),남승백(Nam, Seungbaek),조인수(Cho, Insoo) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

PVT(Photovoltaic Thermal) 모듈은 태양광과 태양열 에너지를 동시 이용이 가능한 모듈로서 태양광전지(PV, Photovoltaic)모듈에 열교환기를 접합한 형태로 전기에너지뿐만 아니라 열에너지를 동시에 생산할 수 있는 시스템이다. 기존 PV 모듈은 일사량이 많으면 전력 생산량이 증가하는 동시에 PV모듈의 온도가 상승함에 따라 발전 효율이 감소하는 문제점이 있으며 일반적으로 25?C이상 조건에서 모듈 온도가 10?C 증가할수록 발전효율의 약 4~5% 정도 감소하는 것으로 보고되고 있다. PVT 모듈은 기존 태양광모듈에 열교환기를 접합하여 냉각함으로써 PV모듈의 온도를 낮추어 발전효율을 증가시키는 동시에 부가적으로 발생하는 온수를 직접이용하거나 다양한 계통의 보조 열원으로 이용할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 수치해석기법(CFD)을 활용하여 PV모듈 냉각 및 온수 발생을 위한 열교환기를 설계하였으며 다양한 형상의 열교환기에 대해 유동해석을 수행하여 최적의 열흡수효율을 갖는 열교환기의 형상을 설계하였다. 또한 최적 설계된 PVT 모듈을 제작하여 실제 태양과 유사한 광원을 갖는 인공태양조건에서의 실내 실험을 통해 PVT 모듈의 성능을 검증하였으며 또한 실제 노상에 설치하여 ASHRAE 93-77의 실험기준과 ECN의 PVT 집열기 성능측정 가이드라인에 따라 옥외 시험평가를 하여 PVT 모듈의 성능 검증을 하였다. 최적 설계된 PVT모듈에 대한 성능평가 결과 기존 PV 모듈보다 발전효율이 약 15%(기존 발전효율 대비) 향상된 결과를 확인하였다.

PVT 모듈 성능 평가를 위한 기초 연구

김필규(Pilkyu Kim) 한국태양에너지학회 2018 한국태양에너지학회 논문집 Vol.38 No.4

본 연구는 신규로 구축 된 장비의 정확성과 PVT 제품의 KS 기준의 방향성을 살펴보았다. 먼저 신규로 구축된 Indoor solar thermal simulator의 경우, 인공광의 빔 균일도와 분광 특성을 기존의 규격 조건을 충족되도록 설계했으며, 실제 시험을 통해 B 등급임을 확인하였다. Indoor solar thermal simulator 장비의 정확도는 상용 태양광 모듈 및 기존 상용 장비로 측정 후, 최대 전력 값을 비교했으며 오차 값은 약 0.4%로 정확도가 높음을 확인하였다. PVT 제품의 효율은 기존의 태양광 모듈 KS 기준과 태양열 집열기 KS 기준을 준용하여 측정하면 될 것으로 보이며, PVT 제품의 구조적 특징인 열매체 냉각에 의한 추가 전기 효율 방법 개발은 필요해 보이며, 본 연구에서는 태양광 모듈 케이블의 단락 유무에 따른 효율 상승 차이를 살펴보았고 추가 전기 효율 측정 방법으로 가능성을 제시하였다. 다양한 PVT 모듈의 유형에 따라 특히, PVT 모듈 전면에 유리 커버 유무에 따라 출력 감소가 발생되고 추가공정에 의해 전기 출력 특성이 달라지는 값을 고려하여 PVT 제품의 전기 효율 측정 시험은 인증을 받은 제품을 이용하여 제작을 했어도 반드시 재시험이 필요하다고 판단되며, 시험방법이 수립되어야한다. 마지막으로 PVT 제품의 내구성 평가를 경우, 기존의 태양광 모듈 및 집열기의 내구성 시험의 모든 항목을 KS인증 시험 항목에 포함 시켜야 된다고 판단되며, 제품의 특성에 따라 시험의 재배열을 추가 연구가 필요해 보이며, 집열기 부분의 내구성을 고려하여 합부 기준을 추가적으로 고려해야 한다고 판단된다. PVT modules commonly can be defined as a combination of PV modules and thermal collectors. After absorbing sun light, electricity and hot water can be actually provided to users simultaneously, which dual outputs (electricity and hot water) have drawn academic interest and industrial activities. Additionally, heat exchange between solar cell and flowing water can enhance solar cell efficiency. Because of PVT modules effectiveness, new international markets and commercial products have made. Especially European, facilities and measurement methods are established to evaluate PVT module performance. However, there are no currently appropriate internationally and domestic standards and facilities to test PVT module performance Herein, to test PVT module performance, indoor thermal simulators and fundamental standard study are considered.

실리콘 태양전지모듈 수명연장을 위한 신뢰성설계 연구

한창운(Changwoon Han),박승일(SeungIl Park),이수연(Suyeon Lee) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

태양 전지 모듈의 수명 또는 전력 보증 기간은 모듈의 신뢰성 측면 뿐만 아니라 태양 에너지 소요 비용 절감에 중요한 요소이다. 태양 전지 제조업체는 현재 실리콘 태양광 모듈에 대해 25 년 전력 보증을 제공하고 있지만, 이는 곧 연장되어야 한다. 본 연구는 열 사이클링 하에서 실리콘 태양전지 모듈의 수명을 늘리기 위해 기존 모듈에 대한 수치 해석과 신뢰성 최적화를 수행한다. 첫째, 기존 태양전지 모듈에 대해서 재료의 점성과 온도 의존성을 고려하여 수치모델을 개발한다. 둘째, 열 피로에 대한 솔더의 수명 예측 모델을 조사하고 수명의 결정 변수를 선택한다. 셋째, 모듈 내 설계 변수 변화에 따른 일련의 민감도 연구를 수행한다. 다음으로, 연구 결과로부터 신뢰성이 강화되도록 태양전지 모듈의 신뢰성 최적설계를 수행한다. 마지막으로, 새로운 최적설계안의 수명을 분석하고 기존 모듈과 비교한다. 신뢰성이 강화된 신뢰성최적설계 모듈의 수명은 기존 모듈에 비해 크게 늘어날 것으로 예상된다. The lifetime of solar cell modules, or power warranty time, is not only a reliability measure but also an important factor for the reduction of solar energy costs. Solar cell manufacturers currently provide 25 years power warranty to Si solar modules, but it should be extended. In this study, to enhance the lifetime of silicon solar modules under thermal cycling, numerical analysis and optimization are conducted on a conventionally designed module. First, the conventional module is numerically modeled with the temperature-dependent material properties including the viscosity of EVA and solder layers. Second, solder lifetime prediction models under thermal fatigue are investigated and a critical measure of the lifetime in the thermal fatigue is selected. Third, a series of sensitivity studies with the measure is conducted by the variation of module design parameters. Next, a reliability-enhanced design of solar cell modules is suggested from the study results. Finally, the lifetime of the new design is analyzed and compared with the conventional module under thermal cycling. The lifetime of the reliability-optimized module design is expected to increase significantly compared to that of the conventional module.