태양열시스템 실시간 고장감지 원격 모니터링시스템 (Remote Monitoring System for Realtime Fault Detection of Solar Thermal Systems)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 36권 / 12호 / 594 ~ 605페이지
· 저자명 : 김일권, 임희원, 이왕제, 이경호, 이송섭, 신우철

초록

본 연구에서는 시뮬레이션 기반 태양열집열기 성능해석 및 고장감지 알고리즘을 탑재한 원격 모니터링 시스템을 제안하고 실증시험을 통하여 그 타당성을 분석하였다. 고장감지 벤치마크는 정상작동 조건에서 시뮬레이션 예측 집열량에 대한 실측 집열량의 비를 관측치로 슈하르트 관리도를 사용하였으며, 포항지역 실증온실의 태양열난방시스템을 통해 분석된 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1)모니터링 시스템의 비 정상적인 측정값을 식별하고 시뮬레이션 예측모델의 정확성을 평가하기 위해 데이터 검증을 실시하였다. 태양열시스템 열교환기의 에너지평형에 따른 고온측과 저온측 열전달량 비는 모든 작동 영역에서 ± 4% 이내로 모니터링 계측 데이터의 신뢰성을 확인하였다. 한편 비 정상적인 열적거동을 보이는 시스템 가동 초기 비 연속 작동 시간대를 고장감지 영역에서 제외할 때, 연속 작동 시간대의 예측 집열량은 실측을 정확하게 추종하였으며 선형회기분석에 따른 결정계수와 평균제곱근오차는 각각 0.9257과 1.60 kW로 나타났다.
(2) 슈하르트 관리도는 다양한 기상조건에서 태양열 시스템의 정상운전 여부를 정확하게 감지하는 것으로 나타났다. 기상의 변화에 따라 관측치가 제어한계선을 벗어날 수 있으나 정상적인 운전 상태를 회복하는 반면, 비 정상운전 시 제어한계선 이탈이 지속되어 일시적인 이탈과 구분되었다. 따라서 관측치의 제어한계선 이탈이 일정시간이 지속될 때 고장에 대한 경고가 제공되어야 한다.
(3)본 연구의 태양열시스템 고장감지는 순수한 데이터 기반으로 오픈소스 플랫폼을 통해 알고리즘이 적용된다면 추가적인 비용없이 기존 모니터링시스템에도 쉽게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

영어초록

To prevent economic losses caused by faults in solar thermal systems, continuous monitoring is essential for promptly detecting malfunctions and facilitating recovery. This study proposed a remote monitoring system equipped with simulation-based analysis of solar collector performance and fault detection algorithms validated through on-site testing. The predictive model employed ISO 24194:2022 equations for estimating collector array performance, while fault detection benchmarked the ratio of simulated to actual heat gains under normal operating conditions using Shewhart control charts. Results showed that Shewhart control charts accurately detected operational status of the solar system under various weather conditions. Despite occasional observations exceeding control limits due to weather fluctuations, normal operation resumed, distinguishing between transient deviations and persistent faults. The fault detection approach used in this study based solely on data suggests that if algorithms are implemented through open-source platforms, they could be seamlessly integrated into existing monitoring systems without incurring additional expenses.

참고자료

· 없음