KR101270259B1 - 신재생에너지를 복합적으로 이용한 독립형 상시 고정 전력공급시스템 기술 - Google Patents

신재생에너지를 복합적으로 이용한 독립형 상시 고정 전력공급시스템 기술 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력으로 발전하는 풍력발전기와 전력을 저장하는 전력저장장치와 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환장치와 변압기와 다면각 태양전지모듈발전 등주와 태양광발전 선박과 부표형 파력발전기와 잉여전력으로 가동되는 온수 및 빙축열 공급시스템과 양방향 검침 인프라와 모든 구성요소들을 제어하는 중앙제어실과 비상용 디젤발전기로 구성되며 특히, 도서지역 등 발전부지가 부족한 장소에 설비할 수 있으며 풍력과 태양광의 연계발전으로 상호보완하여 발전할 수 있는 장점이 있다.

Description

신재생에너지를 복합적으로 이용한 독립형 상시 고정 전력공급시스템 기술{Electric power supply system use renewable energy}
본 발명은 교류(AC) 상시 상용전력 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력을 이용하여 발전하는 풍력발전기와 태양광을 이용하여 발전하는 다면각 태양전지모듈발전 등주와 해수면에서 태양광을 이용하여 발전하는 태양광발전 선박과 파력을 이용하여 발전하는 부표형 파력발전기와 발전된 전력을 저장하는 전력저장장치(ESS)와 저장된 전력을 직류전력에서 교류전력으로 변환하여 상용전력으로 사용 가능하도록 하는 전력변환장치(PCS)와 잉여전력을 이용한 온수가열장치를 연계하여 신재생에너지원을 기반으로 하여 전력을 발전하여 공급하는 신재생에너지를 복합적으로 이용한 독립형 상시 고정 전력공급시스템 기술에 관한 것이다.
오늘날 태양광 및 풍력발전의 신재생에너지 사업이 많이 발전하였으나 아직까지 여러분야에 응용이 되지 못하는 곳이 많이 있다. 그 중에서도 해수면에서는 등대, 선박 및 지상에서는 가로등 등이 전력을 사용하기 위하여 간혹 태양광 및 풍력발전기를 설치하여 자가발전으로 전력을 생산하도록 구성된 것도 있다. 그러나 상기 물건들은 정작 사용하지 않을때에는 태양광발전이 되어도 전력 저장량에 한계가 있어 나중에는 발전 전력을 모두 날려버리게 된다.
현대 사회에서는 신재생에너지원인 태양광, 풍력, 파력, 지열 등이 각광받고 있으며 여러분야에 걸쳐 사용되고 있다. 나아가 미래에는 사용 비중이 훨씬 높아질 것이다.
이로 인해 전 세계에서 신재생에너지와 관련된 제품생산과 기술연구개발이 진행 중이며 녹색성장이라는 이름하에 곳곳에 태양광발전단지, 풍력발전단지 등을 설비하여 천연자원을 이용한 소규모 또는 대규모의 전력발전을 시행하고 있으며 곳곳에 일명 탄소없는 도시를 만들어 운영 중에 있으며 끊임없이 발전하는 신재생에너지 분야로 인해 앞으로 탄소없는 도시는 더욱 확대될 것이다. 특히, 현재 전력시설기반이 갖추어지지 않은 도서지역에서 전력발전을 위해 상당히 많은 비용이 소모되므로 상기와 같은 신재생에너지를 이용한 전력발전시설이 절실히 필요하며 다른 도시들보다 최우선적으로 시행되어야 한다.
그러나 대규모의 발전시설을 설비하는데에는 넓은 부지가 필요하는데 사람들이 거주하는 대부분의 도서지역은 별도의 발전시설이 설비 가능한 부지가 매우 부족한 실정으로 현재 도서지역에서의 신재생에너지만을 이용한 전력발전은 사실상 매우 힘들다.
전력은 공급과 수요가 동시에 이루어지는 것으로 전력의 생산량을 신재생에너지원들로 구성한다면 입출력 제어가 자유롭지 못한 신재생에너지 특성상 부하곡선과 공급곡선 값에 따라 전력저장장치를 병렬계통 운영하여야 한다.
가파도의 카본프리아일랜드 구현을 위하여 다음과 같은 설계시스템이 가동되어야 세계적으로 성공된 적이 없는 고난도 전력공급시스템을 성공적으로 실현할 수 있다.
세계최초의 Carbon Free Island 의 100% 목표율을 달성하기 위해서는 가파도의 풍력 및 태양광 발전 능력은 년중 최대사용량인 192kWh의 2배 이상의 상시전력 공급이 가능한 시스템을 갖추어야 하며, 그에 따라 최대소비전력에 따른 출력변동억제와 주파수 변동억제를 전력저장 시스템으로 각종 전기기기의 소손을 방지할 수 있다. 신재생에너지 발전원(풍력, 태양광)에서 생산되는 전력은 기복이 심한 간헐적이며 상시출력제어가 어려워서 발전효율이 저하되고 필요한 시기에 전력을 사용할 수 없는 단점을 전력저장 축전지와 원형과 다면각 태양광전지모듈 및 해상 태양광발전 선박 시스템으로 봄, 여름, 가을철에 무풍속 및 저풍속으로 풍력발전이 불가능한 시기에 일출부터 일몰까지의 전 일조시간에 균등발전이 되도록 하는 것이 상시고정출력을 제어할 수 있는 기술이며 야간에는 낮시간에 잉여전력으로 충전된 저장기저전력과 미약한 풍력발전전력을 병렬연계하여 년중무휴로 균등적 부하분담 상시고정출력을 얻을 수 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 지상에는 풍력을 이용하여 발전하는 풍력발전기와 등주에 결합되어 태양광을 이용하여 발전하는 다면각 태양전지모듈발전 등주와 해수면에서 태양광을 이용하여 발전하는 태양광발전 선박 및 파력을 이용하여 발전하는 부표형 파력발전기의 연계발전으로 별도의 발전부지가 필요 없도록 하며 발전된 전력을 저장하는 전력저장장치 및 저장된 직류전력을 교류전력으로 바꾸어 상용전력으로 사용 가능하도록 하며 잉여전력으로 온수가열장치 및 빙축열 장치를 가동할 수 있도록 하며 디젤발전기를 가동하지 않으므로 유류비 및 유지비를 발생시키지 않는데 그 목적이 있다.
풍력으로 발전하는 풍력발전기와 전력을 저장하는 전력저장장치와 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환장치와 변압기와 다면각 태양전지모듈발전 등주와 태양광발전 선박과 부표형 파력발전기와 잉여전력으로 가동되는 온수 및 빙축열 공급시스템과 양방향 검침 인프라와 모든 구성요소들을 제어하는 중앙제어실과 비상용 디젤발전기로 구성된다.
본 발명에 의한 신재생에너지를 이용한 독립형 상시 고정전력공급시스템 기술은 주로 도서지역에서 가로등 및 전주를 대신하여 다면각 태양전지모듈 등주가 그 자리에 설치되고 해수면에 태양광발전 선박 및 부표형 파력발전기가 구비되어 지상에 별도의 발전부지가 필요하지 않아 충분한 발전공간을 확보할 수 있으며 잉여전력을 온수 및 빙축열 공급에 활용하여 여름철이나 겨울철 쾌적한 환경에서 살 수 있으며 풍력, 태양광, 파력의 연계발전으로 상호 발전량을 보완할 수 있으며 반영구적으로 사용 가능한 이점이 있다.
도 1은 발전시스템 계통도.
도 2는 다면각 태양전지모듈발전 등주의 지중전선로.
도 3은 다면각 태양전지모듈발전 등주의 회로도.
도 4는 태양광과 풍력 일발전량 및 소비전력량 그래프.
이하, 본 발명에 의한 신재생에너지를 이용한 독립형 상시 고정 전력공급시스템 기술은 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 발전시스템에 대한 계통도이며, 도 2는 다면각 태양전지모듈발전 등주의 지중전선로이며, 도 3은 다면각 태양전지모듈발전 등주의 회로도이며, 도 4은 1일간 태양광발전량과 풍력발전량, 그리고 소비전력량을 나타낸 그래프 이다.
본 발명의 구성은 도 1에 도시된 바를 참조하면, 다수의 대형급 풍력발전기(300)가 풍력에 의해 회전하면 발전기(302)에서 전기에너지를 발전하며, 발전된 전기에너지는 A/D충전기(303)에서 교류전력을 직류전력으로 변환하여 전력저장장치(400)에 저장하며, 전력저장장치(400)에 저장된 직류전력을 고전압용 전력변환장치(12)에서 교류전력으로 변환하며 동시에 6600V의 고전압으로 승압한다. 승압된 전력은 다수의 가스개폐기(15)와 지중개폐기(16)를 거쳐 지중변압기(17)에서 380V 저전압으로 강압되어 담수설비(22) 및 일반부하(23)로 사용된다.
상기 대형급 풍력발전기(300) 외에 소형급 풍력발전기(301)가 더 포함되며 소형급 풍력발전기(301)가 회전하면 발전기(302)에서 전기에너지를 발전하며, 발전된 전기에너지는 A/D충전기(303)에서 교류전력을 직류전력으로 변환하여 전력저장장치(400)에 저장되며, 상기 전력저장장치(400)에 저장된 직류전력은 저전압용 전력변환장치(13)에서 교류 220V 저전압으로 강압된다. 220V로 변환된 전력은 일반부하(23)로 소모되며, 선로에 문제가 발생될 시 부하측과 전력변환장치측을 차단할 수 있는 저전압차단기(14)가 구비된다.
또한, 7직렬 3병렬 회로로 구성된 다수의 다면각 태양전지모듈발전 등주(100)가 구비되며, 상기 다면각 태양전지모듈발전 등주(100)에서 발전된 직류전력은 다수의 저전압용 전력변환장치(13)에서 교류전력으로 변환되어 동시에 220V 저전압으로 강압되며, 변환된 전력은 담수설비(22) 및 일반부하(23)로 소모되며, 선로에 문제가 발생될 시 부하측과 전력변환장치측을 차단할 수 있는 저전압차단기(14)가 구비된다.
또한, 해수면에는 적어도 하나 이상의 태양광발전 선박(200)이 구비되며 여기서 발전된 직류전력은 저전압용 전력변환장치(13)에서 교류전력으로 변환되어 220V 저전압으로 강압되며, 변환된 전력은 일반부하(23)로 소모되며, 선로에 문제가 발생될 시 부하측과 전력변환장치측을 차단할 수 있는 저전압차단기(14)가 구비된다.
또한, 해수면에 다수의 부표형 파력발전기(500)가 구비되며 여기서 발전된 직류전력은 저전압용 전력변환장치(13)에서 교류전력으로 변환되어 220V 저전압으로 강압되며, 변환된 전력은 일반부하(23)로 소모되며, 선로에 문제가 발생될 시 부하측과 전력변환장치측을 차단할 수 있는 저전압차단기(14)가 구비된다.
상기 다면각 태양전지모듈발전 등주(100), 태양광발전 선박(200) 및 파력발전기(500)에서 발전되는 전력 중 사용되고 남는 잉여전력은 온수 및 빙축열 공급시스템(20)을 가동하거나 A/D충전기(303)를 통해 전력저장장치(400)로 저장된다.
또한, 만일의 전력공급 중단 사태에 대비하여 항상 비상용 디젤발전기(21)가 구비된다.
상기 구성요소들은 양방향 검침 인프라(11)에 의해 검침되어지며, 중앙제어실(10)에서 모든 사항에 대해서 모니터링하고 통제를 하게 된다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바를 참조하면, 다수의 태양전지가 다면원형으로 구성된 하부다면태양광모듈과 그 위에 다수의 태양전지가 다면각으로 구성된 중부다면태양광모듈이 결합되며, 그 위에 다수의 태양전지가 다면각으로 구성된 상부다면태양광모듈이 결합된 다면각 태양전지모듈발전 등주(100)가 지표상에 수직으로 다수 세워지며 지중으로 각 다면각 태양전지모듈발전 등주(100)에 전선(30)을 통하여 사용상 필요에 따라 직렬 및 병렬로 연결하도록 구성된다.
10 : 중앙제어실(CONTROL CENTER) 11 : 양방향 검침 인프라(AMI)
12 : 고전압용 전력변환장치(PCS)
13 : 저전압용 전력변환장치(PCS) 14 : 저전압차단기 15 : 가스개폐기(G/S)
16 : 지중개폐기(G/S) 17 : 지중변압기(TR)
20 : 온수 및 빙축열 공급시스템 21 : 비상용 디젤발전기
22 : 담수설비 23 : 일반부하
30 : 전선
100 : 다면각 태양전지모듈발전 등주
200 : 태양광발전 선박
300 : 대형급 풍력발전기 301 : 소형급 풍력발전기
302 : 발전기(G) 303 : A/D충전기
400 : 전력저장장치(ESS)
500 : 부표형 파력발전기

Claims (1)

  1. 풍력에 의해 회전하는 대형급 풍력발전기(300)와,
    상기 대형급 풍력발전기(300)의 운동에너지를 전기에너지로 발전하는 발전기(302)와,
    상기 발전기(302)에서 발전되는 교류전력을 직류전력으로 변환하여 충전시키는 A/D충전기(303)와,
    직류전력을 저장하는 전력저장장치(400)와,
    상기 전력저장장치(400)에 저장된 직류전력을 교류전력으로 변환하고 고전압으로 승압시키는 고전압용 전력변환장치(12)와,
    전력변환장치(12)에 연결된 가스개폐기(15) 및 지중개폐기(16)와,
    고전압 전력을 저전압 전력으로 강압시키는 지중변압기(17)와,
    상기 지중변압기(17)에서 강압된 저전압을 사용하는 담수설비(22) 및 일반부하(23)와,
    풍력에 의해 회전하는 소형급 풍력발전기(301)와,
    상기 소형급 풍력발전기(301)의 운동에너지를 전기에너지로 발전하는 발전기(302)와,
    상기 발전기(302)에서 발전되는 교류전력을 직류전력으로 변환하여 충전시키는 A/D충전기(303)와,
    직류전력을 저장하는 전력저장장치(400)와,
    상기 전력저장장치(400)에 저장된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 저전압용 전력변환장치(13)와,
    다수의 태양전지가 원형 및 다면각으로 구성되어 등주에 결합되며 지중으로 전선이 연결되어 7직렬 3병렬로 회로 구성되는 다면각 태양전지모듈발전 등주(100)와,
    상기 다면각 태양전지모듈발전 등주(100)에서 발전되는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 저전압용 전력변환장치(13)와,
    해수면에 띄워지며 선박의 지붕에 다수의 태양전지가 결합된 태양광발전 선박(200)과,
    상기 태양광발전 선박(200)에서 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 저전압용 전력변환장치(13)와,
    해수면에 띄워지는 부표형 파력발전기(500)와,
    상기 부표형 파력발전기(500)에서 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 저전압용 전력변환장치(13)와,
    상기 대형급 풍력발전기(300), 소형급 풍력발전기(301), 다면각 태양전지모듈발전 등주(100), 태양광발전 선박(200) 및 부표형 파력발전기(500)에서 발전되어 사용되어지며 저장되어지고 남는 잉여전력으로 가동되는 온수 및 빙축열 공급시스템(20)과,
    상기 다면각 태양전지모듈발전 등주(100) 및 태양광발전 선박(200)에서 발전된 잉여전력을 A/D충전기(303)를 통해 전력저장장치(400)에 저장하며,
    상기 온수 및 빙축열 공급시스템(20), 담수설비(22), 일반부하(23), 저전압용 전력변환장치(13), 다면각 태양전지모듈발전 등주(100), 태양광발전 선박(200), 부표형 파력발전기(500)의 부하측과 전력공급측 간에 구비되는 저전압차단기(14)와,
    상기 온수 및 빙축열 공급시스템(20), 담수설비(22), 일반부하(23), 저전압차단기(14)를 검침하는 양방향 검침 인프라(11)와,
    상기 고전압용 전력변환장치(12), 저전압용 전력변환장치(13), 저전압차단기(14), 가스개폐기(15), 지중개폐기(16), 지중변압기(17), 온수 및 빙축열 공급시스템(20), 담수설비(22), 일반부하(23), 다면각 태양전지모듈발전 등주(100), 태양광발전 선박(200), 발전기(302), A/D충전기(303), 전력저장장치(400)를 감시하고 제어하는 중앙제어실(10) 및;
    비상용 디젤발전기(21)를 포함하는 신재생에너지를 이용한 독립형 상시 전력공급 시스템
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