KR101422884B1 - 태양광 펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산간 벽지나 오지 등과 같이 전력망이 공급되지 않는 지역에서 지하 또는 하천 등으로부터 식수 또는 관개용수를 끌어올리기 위하여, 태양전지에서 출력되는 전력으로 펌프를 구동시키는 태양광 펌프 시스템에 관한 것으로서 펌프와, 태양열의 입사에 따라 직류전력을 생성하는 태양전지와, 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압이 미리 설정된 기동전압 이상일 경우에 기 펌프를 구동시킬 주파수 및 전압을 결정하고, 태양전지가 생성한 직류전력을 상기 결정한 주파수 및 전압의 교류전력으로 변환하여 펌프에 인가하는 전력 변환부를 포함한다.

Description

태양광 펌프 시스템{Photovoltaic Pump System}

본 발명은 태양광 펌프 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 산간 벽지나 오지 등과 같이 전력망이 공급되지 않는 지역에서 지하 또는 하천 등으로부터 식수 또는 관개용수를 끌어올리기 위하여, 태양전지에서 출력되는 전력으로 펌프를 구동시키는 태양광 펌프 시스템에 관한 것이다.

전력이 공급되지 않는 산간 벽지나 오지 등에서는 전력망이 공급되어 있지 않으므로 전력이 없어 양수 펌프를 이용할 수 없고, 이로 인하여 관개용수나 식수의 확보에 어려움을 겪고 있다.

그러므로 통상적으로 석유에너지를 이용하여 발전기를 구동시키고, 발전기의 출력전력으로 펌프를 구동시켜 관개용수나 식수를 확보하고 있다.

그러나 상기 석유 에너지를 사용하여 발전기를 구동시키는 것은 에너지의 효율이 매우 낮다. 또한 화석자원의 고갈이 예상되고 있으며, 대기오염 등과 같은 환경 오염을 유발하게 된다.

따라서, 펌프를 구동시키기 위한 대체 에너지의 개발에 활발히 연구가 진행되고 있는 실정으로서 대체 에너지로 태양 에너지가 가장 각광을 받고 있다.

상기 태양 에너지를 이용하는 태양광 펌프 시스템은 태양전지를 사용하여 태양 에너지로 직류전력을 생성한다. 상기 태양전지가 생성한 직류전력을 전력변환부가 교류전력으로 변환하고, 변환한 교류전력으로 펌프를 구동시켜 지하 또는 하천 등으로부터 식수 또는 관개용수를 끌어올릴 수 있도록 한다.

그리고 태양전지가 생성한 직류전력 중에서 상기 펌프를 구동시키고 남는 잉여 분의 직류전력은 배터리에 충전시켜 두고, 상기 태양전지가 생성하는 직류전력이 모자랄 경우에 상기 배터리의 충전전력으로 펌프를 구동시키고 있다.

그러나 상기한 태양광 펌프 시스템은 배터리를 사용하므로 배터리에 전력이 충전 또는 방전되는 지의 여부를 검출해야 됨은 물론 별도로 전력 안정화 장치를 구비해야 되는 등 시스템의 구성이 매우 복잡하고, 이로 인하여 시스템의 비용이 고가임은 물론 시스템의 고장 확률이 높았다.

그러므로 본 발명이 해결하려는 과제는 별도의 배터리를 사용하지 않고, 태양전지로부터 생성되는 전력량에 따라 자동으로 펌프가 기동을 시작하고, 적은 일사량의 조건에서도 태양전지로부터 얻은 전력량에 적당하게 주파수를 조절하여 연속적인 일조량의 변화에 추종하며, 부하의 운전속도를 제어하여 펌프를 운전할 수 있도록 하는 태양광 펌프 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 별도의 컨트롤러를 구비하지 않고, 인버터의 직류 링크만으로 주파수를 제어하는 태양광 펌프 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 간략화하여 시스템의 전체 비용을 감소시키고, 펌프의 활용도를 극대화하는 태양광 펌프 시스템을 제공한다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 상기에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않고, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 태양광 펌프 시스템에 따르면, 별도의 배터리를 사용하지 않고, 태양전지가 생성하는 직류전력으로 펌프를 구동시킨다.

태양전지가 생성하는 직류전력으로 펌프를 구동시키기 위하여 태양전지와 펌프의 사이에 전력 변환부를 구비한다.

상기 전력 변환부는 상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압이 미리 설정된 기동전압 이상인지의 여부를 판단한다.

상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압이 미리 설정된 기동전압 이상일 경우에 상기 전력 변환부는 펌프를 구동시킬 주파수 및 전압을 결정하고, 결정한 주파수 및 전압에 따라 PWM 신호를 발생한다.

그리고 상기 발생한 PWM 신호에 따라, 상기 태양전지가 생성하는 직류전력을 스위칭하여 교류전력을 생성하며, 생성한 교류전력을 상기 펌프에 인가하여 구동시킨다.

그러므로 본 발명의 태양광 펌프 시스템은 펌프와, 태양열의 입사에 따라 직류전력을 생성하는 태양전지와, 상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압이 미리 설정된 기동전압 이상일 경우에 상기 펌프를 구동시킬 주파수 및 전압을 결정하고, 상기 태양전지가 생성한 직류전력을 상기 결정한 주파수 및 전압의 교류전력으로 변환하여 상기 펌프에 인가하는 전력 변환부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 전력 변환부는 상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압에 따라 상기 교류전력의 주파수를 결정하는 주파수 결정부와, 상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압에 따라 상기 교류전력의 전압을 결정하는 전압 조정부와, 상기 주파수 결정부가 결정한 주파수 및 상기 전압 조정부가 결정한 전압에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하는 PWM 신호 발생부와, 상기 PWM 신호 발생부가 발생하는 PWM 신호에 따라 상기 태양전지가 생성하는 직류전력을 스위칭하여 상기 교류전력을 생성하고, 생성한 교류전력을 상기 펌프에 인가하여 구동시키는 스위칭부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 주파수 결정부는 상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압에서 미리 설정된 최대 출력전압을 감산하여 오차전압을 계산하는 감산기와, 상기 감산기의 출력전압에 따라 상기 펌프를 구동시킬 주파수를 결정하는 주파수 결정부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 전압 조정부는 하기의 수학식 1로 상기 교류전력의 전압을 결정하는 것을 특징으로 한다.

수학식 1

여기서, Outref_new는 새로 결정한 출력전압이고, Outref_old는 이전에 결정한 출력전압이며, Vdc_ref는 상기 전압 조정부에 미리 설정된 기준전압이며, Cell_Out는 상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압이다.

본 발명의 태양광 펌프 시스템에 따르면, 별도의 배터리를 사용하지 않고, 태양전지가 생성하는 직류전력을 이용하여 펌프를 구동시키는 것으로서 배터리에 전력이 충전 또는 방전되는 것을 검출할 필요가 없음은 물론 배터리에 충전 또는 방전되는 전류의 세기를 검출하지 않아도 되어 시스템의 구성이 매우 간편하게 되며, 이로 인하여 고장의 발생확률을 줄일 수 있다.

또한 태양광의 세기가 강한 낮 시간은 물론 태양광의 세기가 낮은 아침이나 저녁시간에도 펌프를 구동할 수 있게 되어 펌핑 시간을 최대한 확보하고, 이로 인하여 시스템의 효율을 높일 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 실시 예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하며, 일부 도면에서 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여한다.
도 1은 일반적인 태양광 펌프 시스템의 일 예를 보인 도면,
도 2는 본 발명의 태양광 펌프 시스템의 바람직한 실시 예의 구성을 보인 도면,
도 3은 도 3의 전력 변환부의 상세 구성을 보인 도면, 및
도 4는 본 발명의 태양광 펌프 시스템에서 전력 변환부의 바람직한 실시 예의 동작을 보인 신호흐름도이다.

이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.

따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.

도 1은 일반적인 태양광 펌프 시스템의 일 예를 보인 도면이다. 여기서, 부호 100은 태양전지이다. 상기 태양전지(100)는 입사되는 태양광으로 직류전력을 생성한다.

부호 110은 인버터이다. 상기 인버터(110)는 상기 태양전지(100)가 생성한 직류전력을 교류전력으로 변환한다.

부호 120은 펌프이다. 상기 펌프(120)는 상기 인버터(110)가 변환한 교류전력으로 구동되어 펌핑한다.

부호 130은 배터리이다. 상기 배터리(130)는 상기 태양전지(100)에서 생성되어 상기 인버터(110)가 사용하고 남은 잉여분의 전력을 충전하고, 상기 태양전지(100)에서 생성하는 전력이 부족할 경우에 상기 충전한 전력을 공급한다.

부호 140은 전류방향 검출부이다. 상기 전류방향 검출부(140)는 상기 배터리(130)에 충전 및 방전되는 전류의 방향을 검출하는 것으로서 전류 검출부(142) 및 전류계(144)를 포함한다.

상기 전류 검출부(142)는 예를 들면, 저항을 사용하여 상기 배터리(130)에 충전 또는 방전되는 전류의 방향 및 전류의 세기를 검출한다.

상기 전류계(144)는 상기 전류 검출부(142)가 검출한 전류로 전류의 방향을 판단한다.

부호 150은 안정화부이다. 상기 안정화부(150)는 상기 태양전지(100)가 생성한 전력 또는 상기 배터리(130)에서 공급되는 전력을 안정화하여 동작전력을 생성한다.

부호 160은 프로그래머블 컨트롤러이다. 상기 프로그래머블 컨트롤러(160)는 상기 안정화부(150)에서 안정화된 동작전력으로 동작하고, 상기 전류방향 검출부(140)의 출력신호로 전류의 방향을 판단하면서 미리 저장되어 있는 프로그램에 따라 상기 인버터(110)의 스위칭 동작을 제어한다.

이러한 구성을 가지는 태양광 펌프 시스템은 태양전지(100)가 태양광을 입사될 경우에 상기 태양전지(100)가 직류전력을 생성하고, 생성한 직류전력은 인버터(110)에 인가됨과 아울러 안정화부(150)에서 전압 레벨이 안정화된 후 프로그래머블 컨트롤러(160)에 동작전력으로 공급된다.

그리고 상기 태양전지(100)에서 생성되어 상기 인버터(110) 및 상기 안정화부(150)에 공급되고 남은 직류전력은 전류방향 검출부(140)의 전류 검출부(142)를 통해 배터리(130)에 충전된다.

이와 같은 상태에서 상기 전류방향 검출부(140)의 전류 검출부(142)는 상기 배터리(130)에 충전 또는 방전되는 전류를 검출하고, 검출한 전류는 전류계(144)로 입력된다.

그러면, 상기 전류계(144)는 상기 전류 검출부(142)의 출력신호로 전류의 방향 및 전류의 세기를 판단 즉, 현재 배터리(130)에 전류가 충전 또는 방전되는지의 여부와, 충전 또는 방전되는 전류의 세기를 판단한다. 그리고 상기 전류계(144)는 상기 판단한 전류의 방향 및 전류의 세기를 프로그래머블 컨트롤러(160)로 출력한다.

상기 프로그래머블 컨트롤러(160)는 상기 안정화부(150)의 출력전력으로 동작하면서 상기 전류계(144)의 출력신호로 충전 또는 방전되는 전류의 세기 및 방향을 판단하여 상기 태양전지(100)의 발전량에 따른 주파수를 제어하여 태양전지(100)의 출력전력에 추종하게 된다.

그리고 상기 프로그래머블 컨트롤러(160)의 제어에 따른 주파수로 인버터(110)가 스위칭 동작을 수행하면서 교류전력을 생성하고, 생성한 교류전력에 따라 펌프(120)가 구동된다.

그러나 상기한 태양광 펌프 시스템은 배터리(130)를 사용하므로 전류 검출부(142) 및 전류계(144)를 구비하여 배터리(130)에 전류가 충전 또는 방전되는지의 여부를 검출해야 됨은 물론 충전 또는 방전되는 전류의 세기를 검출해야 되었다.

또한 검출한 전류의 세기 및 충전 또는 방전에 따라 인버터(110)의 주파수를 조절하기 위한 프로그래머블 컨트롤러(160)를 필요로 할 뿐만 아니라 프로그래머블 컨트롤러(160)에 동작전력을 공급하기 위한 안정화부(150)를 구비해야 되는 등 시스템의 구성이 매우 복잡하고, 이로 인하여 고장의 발생 확률이 높아지게 되는 등의 문제점이 있다.

도 2는 본 발명의 태양광 펌프 시스템의 바람직한 실시 예의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 200은 태양전지이다. 상기 태양전지(200)는 입사되는 태양광으로 직류전력을 생성한다.

부호 210은 전력 변환부이다. 상기 전력 변환부(210)는 상기 태양전지(200)가 생성한 직류전력에 따라 주파수를 결정하고, 상기 태양전지(200)가 생성한 직류전력을 상기 결정한 주파수의 교류전력으로 변환한다.

부호 220은 펌프이다. 상기 펌프(220)는 상기 전력 변환부(210)가 변환한 교류전력으로 구동되어 지하 또는 하천 등으로부터 식수 또는 관개용수를 끌어올린다.

도 3의 전력 변환부의 상세 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 300은 주파수 결정부이다. 상기 주파수 결정부(300)는 상기 펌프(220)를 구동시킬 교류전력의 주파수를 설정하는 것으로서 감산기(302) 및 PID(Proportional Integral Derivative) 제어기(304)를 포함한다.

상기 감산기(302)는 상기 태양전지(200)가 생성하는 전압에서 미리 설정된 최대 출력전압을 감산하여 오차 전압을 발생한다.

상기 PID 제어기(304)는 상기 감산기(302)가 발생한 오차전압을 PID 제어하여 상기 펌프(220)를 구동시킬 교류전력의 주파수를 결정한다.

부호 310은 전압 조정부이다. 상기 전압 조정부(310)는 상기 태양전지(200)가 생성하는 전압에 따라 상기 펌프(220)를 구동시킬 교류전력의 전압을 결정한다.

부호 320은 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 발생부이다. 상기 PWM 신호 발생부(320)는 상기 주파수 결정부(300)가 결정한 주파수 및 상기 전압 조정부(310)가 결정한 교류전력의 전압에 따라 교류전력을 발생할 PWM 신호를 발생한다.

부호 330은 스위칭부이다. 상기 스위칭부(330)는 상기 PWM 신호 발생부(320)가 발생하는 PWM 신호에 따라 상기 태양전지(200)가 생성하는 직류전력을 스위칭하여 교류전력으로 변환하고, 변환한 교류전력을 상기 펌프(220)로 출력하여 구동시킨다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 태양광 펌프 시스템은 태양전지(200)에 태양광이 입사될 경우에 상기 태양전지(200)는 직류전력을 생성하고, 생성한 직류전력은 전력 변환부(210)로 입력된다.

상기 전력 변환부(210)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 태양전지(200)가 생성하는 전압이 미리 설정된 기동전압 이상인지의 여부를 판단한다(S400). 즉, 상기 전력 변환부(210)에는 펌프(220)를 구동시키기에 충분한 기동전압이 미리 설정되어 있는 것으로서 상기 전력 변환부(210)는 상기 태양전지(200)가 상기 펌프(220)를 구동시키기에 충분한 기동전압 이상을 생성하는지의 여부를 판단한다.

상기 판단 결과 상기 태양전지(200)가 생성하는 전압이 미리 설정된 기동전압 이상이 아닐 경우에 상기 펌프(220)를 정상으로 구동시킬 수 없는 것으로서 상기 전력 변환부(210)는 동작을 정지하고(S402), 상기 펌프(220)를 구동시키는 동작을 종료한다.

그리고 상기 판단 결과 상기 태양전지(200)가 생성하는 전압이 미리 설정된 기동전압 이상일 경우에 상기 펌프(220)를 구동시킬 수 있는 것으로서 상기 전력 변환부(210)는 미리 설정된 소정의 시간을 대기하고(S404), 구동을 시작한다(S406).

상기 전력 변환부(210)가 구동을 시작하면, 주파수 결정부(300)가 상기 펌프(220)를 구동시킬 주파수를 결정한다(S408). 즉, 상기 주파수 결정부(300)는 상기 태양전지(200)가 생성한 직류전력의 전압에서 미리 설정된 최대 출력전압을 감산기(302)가 감산하여 오차 전압을 계산하고, 계산한 오차 전압을 PID 제어기(304)가 PID 제어하여 상기 펌프(220)를 구동시킬 주파수를 결정한다.

상기 펌프(220)를 구동시킬 주파수가 결정되면, 상기 전력 변환부(210)는 상기 펌프(220)를 구동시킬 출력전압을 결정한다(S410). 즉, 상기 전력 변환부(210)의 전압 조정부(310)는 상기 태양전지(200)가 생성하는 직류전력의 전압에 따라 상기 펌프(220)를 구동시킬 출력전압을 결정한다.

즉, 상기 태양전지(200)가 생성하는 직류전력의 전압은 개방전압을 기준으로 하여 최대 출력전압까지 약 100V 정도 변화가 발생하고, 이를 전력 변환부(210)의 출력전압으로 반영할 경우에 태양전지(200)의 생성전압이 약 311V 이상에서는 상기 펌프(220)가 과여자될 수 있고, 태양전지(200)의 생성전압이 약 311V보다 낮은 경우에는 부족 여자가 되어 상기 펌프(220)가 재성능을 발휘하지 못하게 된다.

그러므로 상기 전압 조정부(310)는 상기 태양전지(200)가 생성하는 직류전력의 전압에 따라 상기 펌프(220)를 구동시킬 출력전압을 결정하도록 한다.

여기서, 상기 전압 조정부(310)가 결정하는 출력전압은 예를 들면, 다음의 수학식 1을 통해 결정한다.

여기서, Outref_new는 새로 결정한 출력전압이고, Outref_old는 이전에 결정한 출력전압이며, Vdc_ref는 상기 전압 조정부(310)에 미리 설정된 기준전압이며, Cell_Out는 상기 태양전지(200)가 생성하는 직류전력의 전압이다.

여기서, 상기 주파수 결정부(300)가 출력 주파수를 결정한 후 상기 전압 조정부(310)가 출력전압을 결정하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 상기 전압 조정부(310)가 출력전압을 결정한 후 상기 주파수 결정부(300)가 출력 주파수를 결정할 수 있고, 또한 상기 주파수 결정부(300) 및 상기 전압 조정부(310)가 동시에 출력 주파수 및 출력전압을 결정할 수 있다.

상기 출력 주파수 및 출력전압이 결정되면, PWM 신호 발생부(320)가 상기 결정한 출력 주파수 및 출력전압에 따라 PWM 신호를 발생하고(S412), 발생한 PWM 신호에 따라 스위칭부(330)가, 상기 태양전지(200)가 생성하는 직류전력을 스위칭하여 교류전력을 생성하고, 생성한 교류전력을 상기 펌프(220)에 인가하여 구동시킨다.

이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

200 : 태양전지 210 : 전력 변환부
220 : 펌프 300 : 주파수 결정부
302 : 감산기 304 : PID 제어기
310 : 전압 조정부 320 : PWM 신호 발생부
330 : 스위칭부

Claims (4)

1. 펌프;
   태양열의 입사에 따라 직류전력을 생성하는 태양전지; 및
   상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압이 미리 설정된 기동전압 이상일 경우에 상기 펌프를 구동시킬 주파수 및 전압을 결정하고, 상기 태양전지가 생성한 직류전력을 상기 결정한 주파수 및 전압의 교류전력으로 변환하여 상기 펌프에 인가하는 전력 변환부;를 포함하여 구성되고,
   상기 전력 변환부는;
   상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압에 따라 상기 교류전력의 주파수를 결정하는 주파수 결정부;
   상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압에 따라 상기 교류전력의 전압을 결정하는 전압 조정부;
   상기 주파수 결정부가 결정한 주파수 및 상기 전압 조정부가 결정한 전압에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하는 PWM 신호 발생부; 및
   상기 PWM 신호 발생부가 발생하는 PWM 신호에 따라 상기 태양전지가 생성하는 직류전력을 스위칭하여 상기 교류전력을 생성하고, 생성한 교류전력을 상기 펌프에 인가하여 구동시키는 스위칭부;를 포함하여 구성된 태양광 펌프 시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 결정부는;
   상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압에서 미리 설정된 최대 출력전압을 감산하여 오차전압을 계산하는 감산기; 및
   상기 감산기의 출력전압에 따라 상기 펌프를 구동시킬 주파수를 결정하는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어기;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 태양광 펌프 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 조정부는;
   하기의 수학식 1로 상기 교류전력의 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 태양광 펌프 시스템.
   수학식 1
   

   

   
   여기서, Outref_new는 새로 결정한 출력전압이고, Outref_old는 이전에 결정한 출력전압이며, Vdc_ref는 상기 전압 조정부에 미리 설정된 기준전압이며, Cell_Out는 상기 태양전지가 생성하는 직류전력의 전압이다.

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