KR100754909B1 - 태양광 발전시스템과 에스피이를 이용한 수소제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체고분자수전해기술(SPE)시스템의 셀에 입력되는 전류를 최대화 하기 위하여 태양광최대출력의 최대점을 찾도록 스위치를 제어함으로써 보다 간단하고 안정성이 있도록 최대출력을 찾음으로써 수소의 제조를 보다 효율적으로 할 수 있도록 하는 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치에 있어서, DC/DC 컨버터와, PV-array, SPE시스템, 그리고 제어부 이상과 같이 크게 네 개의 부분으로 구성되고, 스위치 ON/OFF시간(Duty ratio)를 조절하여 전류를 제어함으로써 최대 전력 출력값을 얻을 수 있도록 하여 SPE로 최대의 전류가 공급되도록 하여 수소의 발생을 최대화 시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치에 관한 것이다.

태양광 발전, 수소, 수소 제조장치, 스위칭, duty ratio

Description

태양광 발전시스템과 에스피이를 이용한 수소제조 장치{Hydrogen manufacturing device of a PV power grneration and solid polymer electrolyte}

도 1 은 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치를 나타낸 구성도,

도 2 는 SPE의 전류에 의한 수소발생 곡선,

도 3 은 SPE 셀을 이용한 수소제조시스템의 개념도,

도 4 는 PV 시스템과 SPE의 커플링 이론 개념도,

도 5 는 본 발명인 태양광 발전시스템의 컨버팅 장치의 등가회로도,

도 6 은 Solar cell의 V-I 특성곡선

도 7 은 종래의 MPPT 최대출력점 추정과정을 나타낸 특성곡선 및 표,

도 8 은 본 발명의 MPPT 최대출력점 추정과정을 나타낸 특성곡선 및 표.

본 발명은 태양광 발전시스템과 고체고분자수전해기술(이하'SPE'라 칭함)를 이용한 수소제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SPE시스템의 셀에 입력되는 전류를 최대화하기 위하여 태양광최대출력의 최대점을 찾도록 스위치를 제어함으로 써 보다 간단하고 안정성이 있도록 최대출력을 찾음으로써 수소의 제조를 보다 효율적으로 할 수 있도록 하는 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치에 관한 것이다.

태양광 발전기술은 대체에너지 기술 가운데 현재까지 우리나라에서 가장 개발상과가 큰 것으로 평가되는 기술이다. 태양광 발전기술은 기본적으로 두 종류가 있는데 전력변환 장치부에 축전지가 접속되는 독립형과, 전력계통과 연계되는 연계형이 있다.

그리고 여기서 사용된 SPE셀의 특징중 하나가 고순도의 수소로 높은 에너지효율이 얻어진다는 것이 가장 큰 특징이다.

즉 전해를 위해 입력된 전기에너지에 대한 발생수소가 가진 화학에너지(연소열량)의 비율이 종래의 알카리 수전해의 75~80%전후에 비해 고체고분자수전해의 경우는 90%정도로 고효율이며, 에너지변환이 가능하여 수소 순도도 99.9999%이상으로 상당히 높다. 또한 전해질에 고체고분자형 연료전지와 같은 고분자 막을 이용하기 때문에 운용온도가 80℃정도로 낮고 기동성과 관리성도 상당히 우수한 특성을 가지고 있다.

SPE셀을 이용한 물 전기분해로 생산한 산소와 수소는 고순도이므로 산소는 의료용으로, 수소는 여러가지 용도로 사용할 수 있다. 최근에는 잉여 전력 저장 시스템으로 주목받고 있으며, SPE를 이용한 물 전기분해는 SPE의 양면에 전극촉매를 접합시켜 전해셀에 걸어서 물을 전기분해시키는 공정이며, 높은 전류밀도에서도 고효율의 전기분해가 가능하다.

기본적인 배경이 되는 에너지의 흐름도 및 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 시스템(이하'PV-SPE'라 칭함)의 원리는 도 1 과 같으며, 도 2 는 단일 SPE셀의 전압전류특성곡선을 나타낸 것으로, PV-SPE 시스템에서 전기적인 요구사항은 얼마만큼 다량의 전류를 SPE에 흘러 보내느야 하는 것이며,

또한 도 2 와 같이 SPE셀은 전류 의존성 부하로서 소비전력은 셀 내의 순시전류밀도와 비례하므로, DC/DC컨버터부가 제안된 기상조건하에서 얼마만큼 많은 양의 전력을 SPE셀에 공급해주느냐가 관건이다.

도 2 에서 나타난 바와 같이 수소의 생산량은 셀내에 흐르는 전류량과 정비례함으로 DC/DC컨버터에 의한 최대 출력점 추종제어(Maximum Power Point Tracking : 이하'MPPT'라 칭함)변환효율의 수소생산량과 비례적인 상관관계를 유지함을 알 수 있으며, 도 3 에서는 SPE셀을 이용한 수소발생장치의 개념도를 나타내었다.

태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조시스템에서 전기적인 관점에서의 운용 및 제어상에서의 주요 핵심기술은, 첫째, 기상조건에 의해서 급변하는 태양전지의 출력특성을 극도의 안전성으로 운전하는 방법, 둘째, DC/DC컨버터의 고효율 운용기술, 셋째, 저전압 대전류 특성의 SPE에 안정된 전압을 유지시켜주는 기술, 마지막으로 태양전지를 항상 안정성을 확보한 상태에서 최대 출력점으로 유지시켜주는 최대출력 추종제어법 등으로 나눌 수 있다.

도 4 는 태양광 발전시스템과 SPE의 커플링 이론의 개념을 나타낸 것이며, 도 4 에서와 같이 직접연결방식과 DC/DC컨버터를 이용한 간접연결방식으로 나눌 수 있는데, 직접연결방식은 제어회로의 구성이 필요없으며, DC/DC 컨버터의 설치비를 절약할 수 있고 또한 고안정성을 지닌 시스템이라는 장점이 있으나, 태양전지의 최대출력점 최적전압과 SPE의 입력전압간에 생기는 불일치로 인해 효율이 낮아지는 단점이 있고, DC/DC컨버터를 이용한 간접연결방식은 MPPT제어방식을 이용한 방법과 컨버터의 입력부의 일정전압제어를 이용한 방식으로 나눌 수 있다.

상기 도 7 에서 MPPT가 시작되는 점을 0(P0, V0)라고 한다면, 최대전력을 추종하기 위해 V는 증가(+), P역시 증가(+)하게 된다. 다음 과정을 보게 되면 V는 (+)인데 P가 (-)가 되어 최대값을 추종하기 위해서는 △V(전압변화량)이 (-)가 되어야 한다.

두 번째 과정에서 3(2~3)이 되면 V는 감소(-)하고, P는 증가(+)하지만 다시 최대값을 추적하기 위해 △V는 감소(-)하게 된다. 과정 3을 지나게 되면 V는 감소(-), P역시 감소(-)가 되므로 △V는 증가(+)가 된다.

상기와 같은 과정을 반복함으로써 최대전력을 발생하는 전압의 위치를 알 수 있게 된다.

하지만, 기존의 MPPT 제어방식을 이용한 시스템은 피드백 받아야 할 부분이 태양전지의 전압과 전류모두임으로 인해 제어회로가 복잡해질 뿐만 아니라, 기상조건의 급격한 변화로 인한 추종제어의 실패 가능성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 저전압 대전류를 요구하는 SPE셀의 특성을 고려하여 태양광출력이 최대가 될 때 SPE 입력전류가 최대가 되는 특성을 이용하여 SPE셀의 입력전류만 피드백하고 스위칭비(Duty ratio)를 이용하여 최대의 출력값을 추종함으로써 SPE에 최대의 전류를 공급하여 수소의 생산 효율을 높일 수 있도록 하는 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치에 있어서, 태양광의 빛에너지를 모을 수 있는 PV-array와, 상기 태양광 에너지를 변환시켜주는 DC/DC 컨버터와, 물을 전기분해 하여 수소 및 산소를 제조할 수 있는 SPE시스템과, 상기 구성요소를 제어하는 제어부로 구성되고, 스위치 ON/OFF시간(Duty ratio)를 조절하여 전류를 제어함으로써 최대 전력 출력값을 얻을 수 있도록 하여 SPE로 최대의 전류가 공급되도록 하여 수소의 발생을 최대화 시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치에 관한 것이다.

이하 본 발명의 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5 는 컨버터장치의 등가회로도를 나타낸 것으로, 상기 컨버터장치의 스위치가 이상적인 스위치라면 T(Ton+Toff)는 제어주기, Ton/T는 듀티비(Duty ratio)이고, ON과 OFF두가지 운전상태를 가지며 0≤Ton/T≤1이다.

상기 컨버터장치는 최대전력점을 찾기 위한 스위칭 기능을 수행하며, ON과 OFF 두가지 운전상태를 가지며, 출력전압은 항상 입력전압보다 작거나 같게 된다. 수학식 1 은 이를 나타낸 것이다.

Vin/Vout = T/Ton

도 5 에서 스위치가 ON상태이면 태양전지 어레이로부터 에너지는 Lm에 저장되고, 스위치가 OFF상태이면 에너지는 DC연결 캐패시터(C)에 전달된다.

또한 도 6 에서 보는 바와 같이 태양광발전에서 전류와 전압의 관계는 반비례하므로 스위칭을 많이 할수록(ON이 늘어날수록, Duty ratio가 증가할수록) 전류가 많이 흐르고 전압은 하강하게 된다. 여기서 Duty ratio를 기존제어방식의 전압성분 V와 동일하게 두게되면 도 8 에 의해 다음과 같은 원리가 성립하게 된다.

도 8 의 V-I특성곡선에서 보이는 바와 같이 태양광 발전에서 전류와 전압의 관계는 서로 반비례 한다.

즉 스위칭을 많이 할수록 전류가 많이 흐르고 전압은 감소하므로, 스위칭을 많이하면(duty ratio가 증가하면) 전압은 감소하고, 스위칭을 적게하면(Duty ratio가 감소하면) 전압은 증가하게 된다.

여기서 Duty ratio 는 PWM 컨트롤에 의해서 스위칭 속도가 조정되므로 전압성분의 증감을 따로 피드백 할 필요가 없게 된다.

따라서 SPE의 입력 전류 또는 DC/DC converter의 출력 전류(Iout)와 전력 (Pin)이 비례하므로 (P=V×I, 전압은 P-V특성곡선을 보면 비례하지 않는다는 것을 알 수 있다.) 새로운 표에서 전류(Iin)를 기존 MPPT의 P성분과 동일하게 생각할 수 있다.

다시 기존의 그림을 빌려서 설명하면 P=I, V=duty rario, △V=△duty ratio, 여기서 duty ratio는 PWM 신호에 의해 조절되므로 제어해야 할 요소는 전류 하나가 될 수 있다.

따라서 스위치의 ON/OFF시간비(Duty ratio)에 의해 전류의 양을 조절할 수 있으며, 이에 따라 태양광 최대출력점을 찾음으로써 SPE의 입력전력도 최대가 되기 때문에 보다 간단한 시스템 구성으로 효율적인 수소 생산이 가능하다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 다음과 같다.

기존의 방식에 비해 제어가 훨신 간단해지며, Duty ratio만으로 태양광최대출력을 제어할 수 있게 되었고 태양전지로부터의 에너지 변환효율을 평균 98%이상 올릴 수 있으며, 최대 전력점 추종제어실패가 없어져 전체적인 시스템의 안정화가 가능할 뿐더러 SPE셀에 안정적인 전압을 인가해 줌으로써 셀의 열화를 방지, 전체적인 수명 향상이 가능하게 되었다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 태양광 발전시스템과 SPE를 이용한 수소제조 장치에 있어서,

   태양광의 빛에너지를 모을 수 있는 PV-array와, 상기 태양광 에너지를 변환시켜주는 DC/DC 컨버터와, 물을 전기분해 하여 수소 및 산소를 제조할 수 있는 SPE시스템과, 상기 구성요소를 제어하는 제어부로 구성되고, PWM 신호에 의해 스위치 ON/OFF시간(Duty ratio)를 조절하여 전류를 제어함으로써 최대 전력 출력값을 얻을 수 있도록 함으로써 SPE로 최대의 전류가 공급되도록 하여 수소의 발생을 최대화 시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전시스템과 에스피이를 이용한 수소제조 장치.

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