다양한 태양열시스템에 적용할 수 있으며 모니터링시스템에 쉽게 통합할 수 있는 저비용 고장감지 알고리즘개발의 필요성이 대두됨에 따라 김일권 다이슨스피어 연구원 등 6인은 대한설비공학회 설비공학논문집 제36권 제12호 ‘태양열시스템 실시간 고장감지 원격모니터링시스템’을 통해 시뮬레이션 예측모델을 기반으로 고장감지 알고리즘을 탑재한 원격 모니터링시스템을 제안했다.

 

백업보일러 시스템은 태양에너지 간헐성·변동성으로 태양열시스템이 요구되는 부하를 충족시키지 못할 때 온수를 자동공급하며 시스템이 안정적 운전상태를 유지하는 시스템이다. 

 

태양열시스템 기능장애와 오작동 등으로 인한 성능저하나 고장을 자동보상해 사용자가 시스템 오류를 장기간 인지하지 못하는 문제와 시스템 결함으로 인한 경제적손실을 방지하기 위해서는 지속적인 모니터링을 통해 오작동을 신속하게 인지하고 복구할 수 있어야 한다.

 

포항지역 실증…모니터링 예측성능 '우수'

연구팀은 모니터링시스템의 비정상적 측정값을 식별하며 시뮬레이션 예측모델의 정확성을 평가하기 위해 데이터검증을 실시했다.  실증지는 포항지역으로 만감류 재배 온실에 적용된 태양열난방시스템을 대상으로 시뮬레이션 기반 실시간태양열집열기 어레이(Array) 열성능해석에 따른 고장감지 알고리즘을 검증했다. 

 

 

예측모델은 ISO 24194 집열기모듈 성능추정식이 적용됐으며 모니터링 관리도는 슈하르트 관리도를 사용해 초기데이터검증을 실시했다. 

 

모니터링시스템은 엣지컴퓨팅방식으로 오픈소스인 openHAB을 이용해 구축했다. 시스템설치 초기에는 모니터링시스템의 비정상적인 측정값을 식별·배제하며 태양열시스템 정상작동과 예측모델의 정확성을 검증하기 위해 초기 1분 간격으로 측정된 10일간의 데이터를 분석했다.

 

그 결과 모든 영역에서 고온측과 저온측 열전달량비가 ±4% 이내로 나타나 모니터링 계측데이터 신뢰성과 유효성이 확인됐다.

 

연구진들은 일사강도가 낮아 순환펌프의 작동 및 정지가 빈번히 발생하는 오전 11시 이전과 오후 3시 이후를 비연속 작동시간대로 설정하며 이 시간대 데이터는 고장감지 영역에서 제외했다.

 

비연속 작동시간대를 제외한 연속 작동 시간대 예측 집열량은 실측을 정확하게 맞췄으며 선형회기분석에 따른 결정계수와 평균제곱근편차(RMSE)는 각각 0.9257과 1.60kW로 나타났다.

 

이후 태양열 시스템의 정상운전 여부 감지를 위해 슈하르트 관리도를 통한 분석을 실시한 결과 태양고도가 높은 여름철 실측 시 시뮬레이션 예측집열량에 따른 RMSE와 일일 총 집열량 상대오차는 각각 1.78kW와 4.1%로 거의 일치했다. 

 

작동시간이 짧으며 태양고도가 낮아 입사각이 커지는 겨울철에도 실측과 시뮬레이션 예측집열량에 따른 RMSE와 일일 총 집열량 상대오차는 각각 1.49kW와 1.3%로 실측을 정확히 따랐으며 관측치 또한 운전상태를 정상적으로 표시했다. 

 

겨울철 흐린 날의 경우 불균일한 일사조건에서 관측지가 확산된 형태의 일시적 이탈은 발생하고 있으나 지속되지 았으며 정상적인 운전 상태를 나타냈다.

 

연구진들은 집열기 고장발생상황을 구현하기 위해 50%의 집열기 상부를 덮개로 씌워 일사를 차단해 실험도 진행했다. 실험결과 일사차단 후 집열량 저하에 따른 비정상 운전을 정확하게 표시해 슈하르트 관리도는 다양한 기상조건에서 태양열 시스템의 정상운전 여부를 정확하게 감지하는 것을 알 수 있었다. 

 

연구진들은 “이번 연구에 사용된 시스템은 순수한 데이터기반 시스템”이라며 “오픈소스 플랫폼을 통해 알고리즘이 적용된다면 추가비용없이 기존 모니터링시스템에도 쉽게 적용할 수 있을 것으로 판단한다”고 강조했다.