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문제 정의
- 실시간 모니터링 시스템 구현을 위하여 마이크로프로세서를 이용하여 센서 및 통신 네트워크의 하드웨어를 제작하였다. 본 논문에서 태양광 발전 시스템은 기존의 제품을 이용하여 구축하였으며 모니터링에 대한 장비는 직접 제작을 하여 제안한 기술에 대한 타당성을 검증하기 위하여 실시간 실험을 실시하였다.
- 본 논문은 RS-232/485 및 zigbee 통신 기술을 이용하여 태양광 발전 시스템의 스마트 모니터링 시스템을 제안하였다. 실시간 모니터링 시스템을 구현하기 마이크로프로세서를 이용하여 센서와 통신 모듈을 제작하였다.
- 본 논문은 유무선 통신 기술을 이용하여 태양광 발전 시스템의 모니터링 기술을 개발하였다. 유선 통신 기술은 RS-232/485 프로토콜을 이용하였으며 무선 통신은 zigbee 통신 기술을 이용하였다.
제안 방법
- ZigBee 통신 모듈은 6개의 모듈을 관리할 수 있는 플랫폼을 개발하여 ZigBee 구동 드라이브를 제공하도록 하였다. 또한 Text LCD 구동 드라이브를 개발하여 태양광 발전 전압의 측정 드라이브를 프로그래밍을 하였으며 옵션으로 RS-485 및 RS-232 통신을 구동할 수 있는 드라이브를 또한 개발하였다.
- 무선 데이터 수집 장치는 다중통신기반의 12채널의 하드웨어를 제작하였다. 각 태양광 모듈 간에 한 개의 입출력 통신 모듈을 두어 데이터를 수집하고 Zigbee의 1 대 다수의 네트워크를 통해 최종 데이터를 PC 전달하도록 하였다. Zigbee는 근거리용으로 10~30[m]정도의 전송거리를 확보하며 RS-485 통신을 사용하여 기존 장치와도 접속이 가능하도록 하였다.
- ZigBee 통신 모듈은 6개의 모듈을 관리할 수 있는 플랫폼을 개발하여 ZigBee 구동 드라이브를 제공하도록 하였다. 또한 Text LCD 구동 드라이브를 개발하여 태양광 발전 전압의 측정 드라이브를 프로그래밍을 하였으며 옵션으로 RS-485 및 RS-232 통신을 구동할 수 있는 드라이브를 또한 개발하였다. 한편, MCU의 편리한 개발 환경을 고려하여 AVR Studio6.
- 한편, 태양광 모듈 1개에 대하여 개별적으로 전압을 계측할 수 있도록 설계하였으며 온도 센서는 반도체 온도센서를 사용하여 계측하였으며 일사량 센서는 SP-110을 사용하였으며 보드 내부에 LCD를 추가하여 내부 상태를 모니터링 할 수 있도록 하였다. 또한 ZigBee 통신 기반으로 개별 출력 전압, 온도, 일사량 데이터를 전송할 수 있는 프로토콜을 설계하였으며 통신 프로토콜 포맷은 모두 아스키코드를 이용하여 전송하도록 하였다. 통신방식은 ZigBee 통신과 RS-485 통신방식을 선택하여 데이터를 전송할 수 있게 하였으며 PC와의 통신을 위하여 RS-232C 통신을 기본으로 제공하였다.
- 이러한 통신 기술을 적용하여 태양광 시스템의 환경 데이터와 발전기 출력 정보를 PC로 전송하여 시스템 상태를 모니터링하게 구성하였다. 또한 모바일 통신기기에서도 모니터링이 가능하도록 App를 개발하였으며 언제 어디서나 시스템 상태를 감시할 수 있도록 하였다. 실시간 모니터링 시스템 구현을 위하여 마이크로프로세서를 이용하여 센서 및 통신 네트워크의 하드웨어를 제작하였다.
- 실시간 모니터링 시스템을 구현하기 마이크로프로세서를 이용하여 센서와 통신 모듈을 제작하였다. 또한 무선 통신 기기를 통해서도 태양광 시스템을 모니터링하기 위하여 모바일 App를 개발하였다. 실시간 실험을 통해 개발한 모니터링 시스템을 신뢰성을 검증하였으며 실적용 가능성을 입증하였다.
- 3[V]의 레귤레이터에서 발생하는 열을 최대한 잘 방출할 수 있도록 넓은 범위로 방열판을 설계하였다. 또한 태양광 출력 특성을 고려하여 센서보드를 설계 완료하였으며 최대 전력은 250[W], 최대 전압은 40[V], 최대 전류는 8[A]로 하였다. 한편, 태양광 모듈 1개에 대하여 개별적으로 전압을 계측할 수 있도록 설계하였으며 온도 센서는 반도체 온도센서를 사용하여 계측하였으며 일사량 센서는 SP-110을 사용하였으며 보드 내부에 LCD를 추가하여 내부 상태를 모니터링 할 수 있도록 하였다.
- 모니터링 시스템의 주요 화면의 구성은 인버터와 접속반에서 수집한 데이터를 실시간으로 관측할 수 있으며 데이터를 저장하고 검색할 수 있는 기능을 갖추고 있다. 또한 현재의 태양광 발전량 및 기상관측 정보에 대하여 그래프를 통해 볼 수 있도록 하였으며 태양광 모듈에 고장이 발생하였을 알려주는 경보기능이 있으며 전체적인 GUI 환경의 구성 변경 및 설정을 위하여 시스템 환경 설정 기능을 추가적으로 포함시켰다.
- Zigbee는 근거리용으로 10~30[m]정도의 전송거리를 확보하며 RS-485 통신을 사용하여 기존 장치와도 접속이 가능하도록 하였다. 또한, A/D 컨버터 부분은 온도 및 일사량의 기상관측부분이나 각 모듈의 전압 및 전류가 되며 그림 11과 같이 LCD 디스플레이를 이용하여 표면온도, 일사량, 각 채널 전압, 전류 확인이 가능하도록 하였다.
- 무선 데이터 수집 장치는 다중통신기반의 12채널의 하드웨어를 제작하였다. 각 태양광 모듈 간에 한 개의 입출력 통신 모듈을 두어 데이터를 수집하고 Zigbee의 1 대 다수의 네트워크를 통해 최종 데이터를 PC 전달하도록 하였다.
- 본 논문에서 개발한 무선 통신 기반 태양광 발전 시스템의 모니터링 기술을 앞서 언급한 3kW 급의 태양광 시스템에 적용하여 기술의 타당성을 검증하였다. 그림 12는 모니터링 소프트웨어 설치 후 처음 시작 시 화면에 표시되며, 설치 소프트웨어를 기록용으로 사용할 것인지 다수의 모니터링용인지 선택을 할 수 있다.
- 본 논문에서 태양광 발전 시스템의 무선 모니터링 시스템을 위하여 zigbee 통신 장비를 이용하여 구축하였다. 각각의 태양광 모듈과 온도 및 일사량 센서의 출력은 그림 9의 송신용 zigbee 통신 모듈에 연결되어 무선으로 데이터가 전송 되며, 전송된 데이터는 그림 10의 수신용 zigbee 통신 모듈에 전달되며 최종적으로 모니터링 시스템에 도달하게 된다.
- 센서 보드의 전체 전원공급은 직류 12[V이며 PCB 보드에 방열구조를 설치하여 5[V]와 3.3[V]의 레귤레이터에서 발생하는 열을 최대한 잘 방출할 수 있도록 넓은 범위로 방열판을 설계하였다. 또한 태양광 출력 특성을 고려하여 센서보드를 설계 완료하였으며 최대 전력은 250[W], 최대 전압은 40[V], 최대 전류는 8[A]로 하였다.
- 또한 모바일 통신기기에서도 모니터링이 가능하도록 App를 개발하였으며 언제 어디서나 시스템 상태를 감시할 수 있도록 하였다. 실시간 모니터링 시스템 구현을 위하여 마이크로프로세서를 이용하여 센서 및 통신 네트워크의 하드웨어를 제작하였다. 본 논문에서 태양광 발전 시스템은 기존의 제품을 이용하여 구축하였으며 모니터링에 대한 장비는 직접 제작을 하여 제안한 기술에 대한 타당성을 검증하기 위하여 실시간 실험을 실시하였다.
- 본 논문은 RS-232/485 및 zigbee 통신 기술을 이용하여 태양광 발전 시스템의 스마트 모니터링 시스템을 제안하였다. 실시간 모니터링 시스템을 구현하기 마이크로프로세서를 이용하여 센서와 통신 모듈을 제작하였다. 또한 무선 통신 기기를 통해서도 태양광 시스템을 모니터링하기 위하여 모바일 App를 개발하였다.
- 유선 통신 기술은 RS-232/485 프로토콜을 이용하였으며 무선 통신은 zigbee 통신 기술을 이용하였다. 이러한 통신 기술을 적용하여 태양광 시스템의 환경 데이터와 발전기 출력 정보를 PC로 전송하여 시스템 상태를 모니터링하게 구성하였다. 또한 모바일 통신기기에서도 모니터링이 가능하도록 App를 개발하였으며 언제 어디서나 시스템 상태를 감시할 수 있도록 하였다.
- 최종적으로 태양광 발전 데이터를 스마트 폰을 통해서도 관측할 수 있도록 앱(App)을 개발하였으며, 데이터 접근방식은 안드로이드 DB를 통해 가능하도록 하였으며 그 특징은 다음과 같다.
- 또한 ZigBee 통신 기반으로 개별 출력 전압, 온도, 일사량 데이터를 전송할 수 있는 프로토콜을 설계하였으며 통신 프로토콜 포맷은 모두 아스키코드를 이용하여 전송하도록 하였다. 통신방식은 ZigBee 통신과 RS-485 통신방식을 선택하여 데이터를 전송할 수 있게 하였으며 PC와의 통신을 위하여 RS-232C 통신을 기본으로 제공하였다.
- 또한 태양광 출력 특성을 고려하여 센서보드를 설계 완료하였으며 최대 전력은 250[W], 최대 전압은 40[V], 최대 전류는 8[A]로 하였다. 한편, 태양광 모듈 1개에 대하여 개별적으로 전압을 계측할 수 있도록 설계하였으며 온도 센서는 반도체 온도센서를 사용하여 계측하였으며 일사량 센서는 SP-110을 사용하였으며 보드 내부에 LCD를 추가하여 내부 상태를 모니터링 할 수 있도록 하였다. 또한 ZigBee 통신 기반으로 개별 출력 전압, 온도, 일사량 데이터를 전송할 수 있는 프로토콜을 설계하였으며 통신 프로토콜 포맷은 모두 아스키코드를 이용하여 전송하도록 하였다.
- 현재발전량과 누적발전량은 인버터 수신 값을 처리하여 그대로 표시하였으며 각 발전량과 이산화탄소 절감량은 다음의 공식을 통해 산출하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 울산의 (주)휴엔스 업체의 건물 옥상에 총 3kW급 태양광 발전 시스템을 구축하였으며, 250W 태양광 모듈 12개를 직병렬로 구성하였다. 그림 1은 이 태양광 발전 시스템의 외형을 보여준다.
이론/모형
- 이 트랜드의 주 메뉴는 기상관측, 기상관측 실시간 그래프, 인버터, 인버터 실시간 그래프, 발전량으로 구성하였으며 데이터베이스의 용량 활용을 위하여 오전 5시에서 오후 9시까지의 데이터만 전송 및 저장된다. 데이터는 실시간 데이터를 제외한 원본 데이터가 10분 간격으로 저장되며 그래프는 Labview의 Measurement studio Component를 참조형식으로 추가하였다. 조회기능은 일일 기준으로 표시되며 DataGridView Control을 이용하여 그리드로 구성하였다.
- 본 논문은 유무선 통신 기술을 이용하여 태양광 발전 시스템의 모니터링 기술을 개발하였다. 유선 통신 기술은 RS-232/485 프로토콜을 이용하였으며 무선 통신은 zigbee 통신 기술을 이용하였다. 이러한 통신 기술을 적용하여 태양광 시스템의 환경 데이터와 발전기 출력 정보를 PC로 전송하여 시스템 상태를 모니터링하게 구성하였다.
성능/효과
- 또한 무선 통신 기기를 통해서도 태양광 시스템을 모니터링하기 위하여 모바일 App를 개발하였다. 실시간 실험을 통해 개발한 모니터링 시스템을 신뢰성을 검증하였으며 실적용 가능성을 입증하였다. 향후 연구로는 실제 산업체에 운영 중인 대규모의 태양광 발전 시스템에도 본 논문에서 개발한 기술을 적용하여 그 적용범위를 확대하고자 하고 기존의 기술과의 비교 연구를 통해 우수성을 입증하고자 한다.
- 일반적으로 태양광의 일사량은 발전 출력과 가장 밀접한 관계가 있다. 실험결과를 통해 3kW 태양광 어레이의 주변 4개의 경사 일사량 센서의 출력과 태양광 발전 출력의 파형이 거의 일치하는 것을 볼 수 있다.
후속연구
- 실시간 실험을 통해 개발한 모니터링 시스템을 신뢰성을 검증하였으며 실적용 가능성을 입증하였다. 향후 연구로는 실제 산업체에 운영 중인 대규모의 태양광 발전 시스템에도 본 논문에서 개발한 기술을 적용하여 그 적용범위를 확대하고자 하고 기존의 기술과의 비교 연구를 통해 우수성을 입증하고자 한다.
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