KR100776353B1 - 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템에 관한 것으로, 그 구성은 발전설비, 인버터, 연료전지, 수전해 장치, 수소저장탱크를 포함하는 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템에 있어서, 상기 각 구성과 연결되되 발생된 전력을 인버터에 의해 공급하게 하는 DC 모선; 상기 DC 모선에서 전력을 공급받되 정전시 상기 각 구성에 대해 자체 전원을 공급하여 작동하게 하는 무정전전원공급장치; 및 상기 수전해 장치와 연료전지의 운전 및 정지를 제어하는 제어장치;를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템에 따르면, 자연환경이 양호하여 재생에너지 발전설비로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해장치를 사용해서 수소를 생산하여 저장해 두었다가 발전량이 적을 경우 저장된 수소를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산 및 공급할 수 있게 하는 효과가 있다.
발전설비, 수전해 장치, 무정전 전원공급장치, 연료전지, 인버터

Description

수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템{Stand Alone Energy System Using Hydrogen Energy}
도 1은 본 발명의 독립형 에너지 시스템을 나타내는 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 DC 모선의 기준 전압에 의한 수전해 장치 및 연료전지의 작동을 나타내는 모식도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 발전설비 11 : 수전해 장치
12 : 수소저장탱크 12a : 수소배관
13 : 연료전지 14 : 인버터
20 : DC 모선 21 : 제어장치
23 : 무정전 전원공급장치 24 : 릴레이 스위치
본 발명은 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자연환경이 양호하여 재생에너지 발전설비로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해장치를 사용해서 수소를 생산하여 저장해 두었다가 발 전량이 적을 경우 저장된 수소를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산 및 공급할 수 있게 하는 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템에 관한 것이다.
현대에는 에너지 자원 고갈 예상과 기후변화 협약에 따라 재생에너지를 이용한 발전 시스템의 개발이 요구되고 있으나, 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지 발전은 자연환경에 따라 전기출력이 변동되는 특성이 있기 때문에 수요자가 요구하는 전력을 안정적으로 공급받기에 어려움이 있다.
이러한 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 이용해 발생된 에너지를 백업하여 전기분해장치를 이용한 수소와 산소를 생산, 생산 수소와 산소를 이용해 연료전지에서 전력을 공급하도록 하는 것이 등록실용신안 제20-0245895호에 개재되어 있다.
그러나 상기 종래기술은 태양전지 및 풍력발전기와 연료전지에서 발생된 전기가 각각의 충전기에 저장되었다가 인버터를 통해 부하로 공급되도록 하고 있어 각각의 충전기에 대해 별도의 설비가 부과되어야하므로 설비의 불필요한 증가와 더불어 각각에서 공급되는 에너지의 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
또한 정전시 별도의 에너지 공급원이 없어 작업을 중단해야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자연환경이 양호하여 재생에너지 발전설비로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해장치를 사용해서 수소를 생산하여 저장해 두었다가 발전량이 적을 경우 저장된 수소를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산 및 공급할 수 있게 하는 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.
본 발명의 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템은, 발전설비, 인버터, 연료전지, 수전해 장치, 수소저장탱크를 포함하는 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템에 있어서, 상기 각 구성과 연결되되 발생된 전력을 인버터에 의해 공급하게 하는 DC 모선; 상기 DC 모선에서 전력을 공급받되 정전시 상기 각 구성에 대해 자체 전원을 공급하여 작동하게 하는 무정전전원공급장치; 및 상기 수전해 장치와 연료전지의 운전 및 정지를 제어하는 제어장치;를 포함하여 이루어진다.
또한 상기 제어장치는 상기 DC 모선의 기준전압을 설정하고, 상기 기준 전압에 의해 상기 수전해 장치와 연료전지의 운전 및 정지를 제어하도록 하며, 상기 기준 전압 측에는 상기 수전해 장치와 연료전지의 반복 운전/정지 및 동시 작동을 방지하기 위한 안전구역(Dead band);을 더 마련하도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 상기 독립형 에너지 시스템은 발전설비(10), 수전해장치(11), 수소저장탱크(12), 연료전지(13), 인버터(14), DC 모선(20), 제어장치(21) 및 무정전전원공급장치(23)를 포함한다.
상기 발전설비(10)는 자연환경에 따라 전기출력이 변동하는 태양전지 및 풍력발전 등 재생에너지원을 이용한 설비이다.
상기 수전해 장치(11)는 물을 전기분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생산하는 장치로서, 상기 발전설비(10)에서 나오는 전력 중에서 부하측에 공급되는 전기를 제외한 나머지 전력(여유전력)으로 고압의 수소를 생산하며, 수전해장치는 알카라인 방식 또는 고분자 전해질막(PEM) 방식 중 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.
상기 수소저장탱크(12)는 상기 수전해 장치(11)에서 생성된 수소를 저장하는 탱크로서 안전성을 위해 수소압력을 확인하고 제어할 수 있게 압력계와 압력방출밸브가 마련되어 있다
상기 연료전지(13)는 상기 수조저장탱크(12)에 저장된 수소를 이용해 전기를 생산하게 하는 것이다.
상기 인버터(14)는 상기 발전설비(10)에서 생산된 직류전기(DC)를 교류전기(AC)로 변환하여 부하와 시스템 운전에 소요되는 전력을 공급한다.
상기 DC 모선(20)은 상기 발전설비(10)와 연료전지(13)에서 생산되는 전력을 모아, 부하 및 시스템 운전에 필요한 전력을 공급하는 전력선이다.
상기 제어장치(21)는 상기 수전해 장치(11) 및 연료전지(13)와 연결되어 각각의 작동 및 정지를 제어한다. 즉, 상기 발전설비(10)에서 공급되는 전력과 부하에 따라 여유전력이 발생하면 수전해장치(11)를 운전하고, 부하에 공급할 전력이 부족하면 연료전지(13)를 운전시키는 역할을 한다.
예컨대 상기 제어장치(21)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 DC 모선(20)의 기준 전압을 설정하고, 상기 DC 모선(20)의 전압을 실시간으로 측정하여 측정된 전 압이 상기 기준 전압 이상일 경우에는 수전해 장치를 기동하고, 상기 측정 전압이 기준 전압 이하일 경우에는 상기 릴레이 스위치(24)를 차단하여 수전해 장치(11)를 정지시키고 상기 연료전지(13)를 운전하게 하는 것이다.
한편 상기 DC 모선의 기준 전압 측에 안전구역(DB)을 더 마련하여 상기 수전해 장치(11)와 연료전지(13)의 반복 작동 및 정지, 그리고 작동 및 정지가 동시에 일어나는 것을 방지하도록 한다. 즉, 도 2를 참조하면, 상기 안전구역은 기준 전압의 상하 특정지역을 설정하여 안전구역에서 예비 동작을 통해 반복 운전이나 동시 운전을 방지하는 것이다. 예컨대 상기 수전해 장치(11)의 운전중 안전구역(DB)으로 전압이 떨어지면 상기 수전해 장치(11)의 운전을 정지하고, 상기 연료전지(13)를 기동하여 운전준비를 하게 되며, 기준 전압 이하가 되면 연료전지를 운전시킨다. 반대로 상기 연료전지(13)의 운전중 안전구역(DB) 이상으로 전압이 상승하면 상기 연료전지(13)는 정지하고, 상기 수전해 장치(11)가 기동하여 운전 준비를 하게 되며, 상기 안전구역 이상이 되면 수전해 장치(11)를 운전하게 되어 상기 수전해 장치(11) 및 연료전지(13)의 반복 운전 및 동시 운전을 방지할 수 있게 되는 것이다.
상기 무정전 전원공급장치(23)는 상기 제어장치(21)와 수전해 장치(11)의 냉각계통에 사용되는 전력을 안정적으로 공급하고, 시스템 정전시 시스템을 안전하게 정지시킬 수 있는 전력을 공급한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 작동상태를 설명한다.
도 1을 참조하면, 태양전지 및 풍력발전 등 재생에너지원을 이용한 발전설비(10)에서 생산된 전력을 DC 모선(20)에 공급한다. 상기 DC 모선(20)에 공급된 전 력은 인버터(14)를 거치면서 교류전력으로 변환되어 부하(미도시)에 공급된다. 자연환경이 양호하여 재생에너지 발전설비(10)로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해 장치(11)로 전력을 공급하여 고압의 수소를 생산하고, 생산된 고압의 수소는 수소배관(12a)을 따라 수소저장탱크(12)에 저장한다. 상기 발전설비(10)에서 생산된 전력이 부하(미도시)에서 요구하는 전력량보다 적을 경우 저장된 수소를 연료로 연료전지(13)에서 전력을 생산하여 DC 모선(20)에 공급하여 전력수요에 맞게 전력을 공급한다. 즉, 상기 발전설비(10)에서 생산된 전력은 기본적으로 DC 모선(20)에 공급되는데, 이때 공급되는 전력이 부하 측의 전력수요량 보다 적을 경우 상기 수소저장탱크(12)에 저장된 수소를 상기 연료전지(13)에 공급하여 전력을 발생시킨 후 부하 측에서 부족한 전력수요량을 공급하도록 하는 것이다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
본 발명의 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템에 따르면, 자연환경이 양호하여 재생에너지 발전설비로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해장치를 사용해서 수소를 생산하여 저장해 두었다가 발전량이 적을 경우 저장된 수소를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산 및 공급할 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 발전설비, 인버터, 연료전지, 수전해 장치, 수소저장탱크를 포함하는 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템에 있어서,
    상기 각 구성과 연결되되 발생된 전력을 인버터에 의해 공급하게 하는 DC 모선;
    상기 DC 모선에서 전력을 공급받되 정전시 상기 각 구성에 대해 자체 전원을 공급하여 작동하게 하는 무정전전원공급장치; 및
    상기 수전해 장치와 연료전지의 운전 및 정지를 제어하는 제어장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 DC 모선의 기준전압을 설정하고, 상기 기준 전압에 의해 상기 수전해 장치와 연료전지의 운전 및 정지를 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 전압 측에는 상기 수전해 장치와 연료전지의 반복 운전/정지 및 동시 작동을 방지하기 위한 안전구역(Dead band);을 더 마련하도록 하는 것을 특징으로 하는 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템.
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