KR101457094B1 - 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents

풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템 Download PDF

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KR101457094B1
KR101457094B1 KR1020140014018A KR20140014018A KR101457094B1 KR 101457094 B1 KR101457094 B1 KR 101457094B1 KR 1020140014018 A KR1020140014018 A KR 1020140014018A KR 20140014018 A KR20140014018 A KR 20140014018A KR 101457094 B1 KR101457094 B1 KR 101457094B1
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강태석
주승현
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주식회사 아두봇
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Abstract

본 발명은 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로; 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 풍력 발전기에서 공급되는 전력을 직류전원으로 변환하는 AC/DC정류부와, 상기 AC/DC정류부를 거친 직류 전력의 출력전압을 설정된 전압으로 변환하는 풍력용 MPPT Boost Converter와, 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 태양전지에서 생성되는 직류 전력의 출력전압을 설정된 전압으로 변환하는 태양광용 MPPT Boost Converter와, 상기 풍력용 및 태양광용 MPPT Boost Converter를 거친 직류 전력이 충전되는 배터리와, 상기 AC/DC정류부의 출력 전력 및 상기 태양전지에서 생성되는 직류 전력을 감시하며 상기 풍력용 및 태양광용 MPPT Boost Converter를 제어하는 제어부와, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 AC/DC정류부를 거친 직류 전력을 상기 태양광용 MPPT Boost Converter에 병렬 투입하도록 스위칭되는 스위치부로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 풍력 발전기와 태양전지에서 발생하는 전력을 변환하는 MPPT Boost Converter를 조건에 따라 병렬로 연결해 분산하여 전력을 변환하여 배터리에 공급함으로서 배터리 충전을 효율적으로 수행할 수 있다.

Description

풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템 { Hybrid Power Generation System Using Wind and solar }
본 발명은 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템의 구동시 효율적인 에너지 충전이 가능하고, 그와 같은 하이브리드 발전 시스템의 전력을 이용한 스마트 LED 조명의 효율적인 구동이 가능한 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수력발전, 화력발전 및 원자력발전과 같은 발전방법을 통하여 가정이나 공장 등에서 필요로 하는 전기를 생산한다.
이러한 발전 방법들은 비교적 규모가 큰 발전설비를 필요로 하고 자원의 한계나 유지보수의 문제로 인하여 최근에는 공해가 없으면서도 무한하게 이용할 수 있는 대체에너지를 이용한 발전에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 대체에너지로는 태양에너지, 풍력, 수력 또는 조력과 같은 것을 들 수 있으며, 이들 대체에너지 중에서 그 효용성과 범용성 및 발전 가능성을 모두 고려하여 볼 때, 가능성이 있는 대체에너지로 태양광 발전과 풍력발전이 주목받고 있다.
물론, 이러한 대체에너지는 각종 기후환경과 운전 특성에 따라 그 효율이 크게 좌우되기는 하지만, 발전 효율을 증가시키게 되면 실질적으로 석유를 대체할 에너지로 인식하고 있다.
또한, 태양광 발전과 풍력발전은 그 방식의 특성상 일간, 연간으로 상호 보완적인 특성을 갖는데 이는 태양광과 풍력이 각기 상반된 기상특성에서 동작하기 때문이다. 따라서, 태양광 발전과 풍력발전이 상호 복합된 발전방식을 채택하면 그 에너지 효율이 더욱 높아질 수 있게 될 것이다.
이와 같은 태양광 발전과 풍력발전이 상호 복합된 하이브리드 발전 방식의 일 예로 등록특허 제10-0993224호가 제안된 바 있다. 이는 하이브리드 발전 시스템의 에너지 충전 장치에 관한 것으로, 상기 등록특허에 제안된 하이브리드 발전 시스템은 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 풍력 발전기, 태양광 에너지(또는 태양열 에너지)를 전기 에너지로 변환 출력하는 태양광 발전기, 상기 풍력 발전기에서 공급되는 전력을 직류전원으로 변환하는 정류기 및 두 발전기로부터 공급되는 전력을 충전하는 배터리를 포함한다.
이와 같은 종래 하이브리드 발전 시스템은 통상 도 1에 도시된 바와 같은 시스템 구성으로 이루어진다. 이에 의하며 풍력 발전기(1)의 작동으로 인해 발생하는 풍력 발전 전력은 AC/DC정류부(2)를 통하여 직류로 정류되고 블록킹된 태양전지(3)의 태양광 전력과 블로킹 다이오드(4,5)를 거쳐 병렬로 연결하여 가장 높은 전압의 에너지원(풍력 발전 전력 or 태양광 발전 전력)이 PWM 충전부 또는 MPPT부(6)를 거쳐 배터리(7)에 저장되며, 이들 충전 전력을 이용해 가로등과 같은 LED조명(8)의 구동을 위한 에너지로 사용된다.
이와 같은 종래의 하이브리드 발전 방식은 풍력과 태양광의 두 가지 에너지원 중 높은 전압의 에너지원 전력만이 하나의 단일 회로인 PWM 충전부 또는 MPPT부(6)로부터 전력 변환되어 배터리(7)에 충전되며, 두 가지 에너지원 중에 보다 낮은 에너지원은 무시되어 충전이 이루어지지 않는 단점이 있다.
아울러, 이와 같은 기존 하이브리드 발전 시스템의 LED 조명의 운영 방법은 태양광 입력 전압을 기준으로 태양광 출력 전압의 2% 미만이면 일몰로 인식하여 LED 조명을 온(ON)하고 다시 태양광 출력전압이 2% 이상이 되면 일출 인식하여 LED 조명을 오프(OFF)시키는 방식으로 LED 조명을 제어하거나, 배터리 사용량을 절감하기 위하여 일몰로 인식되면 설정해두었던 시간동안 LED 조명을 온(ON)하고 설정해두었던 시간동안 오프(OFF)시키는 방법을 사용한다. 하지만 이 같은 종래 LED 조명의 운영 방법들은 일률적으로 특정 시간대에 LED 조명을 온오프 시키는 구조로 이루어져 시간대별 디밍량 제어가 이루어지지 않아 배터리의 효율적 운영이 어렵다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전시 배터리에 에너지원을 효율적으로 충전할 수 있는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히 본 발명은 주로 주간보다 바람이 많이 부는 야간에 풍력 발전으로부터 입력되는 전력을 두 개의 MPPT Boost Converter로 분산하여 더욱더 많은 전력을 변환하여 배터리에 충전하고 LED 조명에 사용함으로서 야간에 풍력발전기로부터 발생하는 더 많은 에너지 변환이 가능한 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 시간대별로 LED 조명을 제어함으로서 배터리의 효율적 운영이 가능한 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
풍력 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 풍력 발전기에서 공급되는 전력을 직류전원으로 변환하는 AC/DC정류부와, 상기 AC/DC정류부를 거친 직류 전력의 출력전압을 설정된 전압으로 변환하는 풍력용 MPPT Boost Converter와, 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 태양전지에서 생성되는 직류 전력의 출력전압을 설정된 전압으로 변환하는 태양광용 MPPT Boost Converter와, 상기 풍력용 및 태양광용 MPPT Boost Converter를 거친 직류 전력이 충전되는 배터리와, 상기 AC/DC정류부의 출력 전력 및 상기 태양전지에서 생성되는 직류 전력을 감시하며 상기 풍력용 및 태양광용 MPPT Boost Converter를 제어하는 제어부와, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 AC/DC정류부를 거친 직류 전력을 상기 태양광용 MPPT Boost Converter에 병렬 투입하도록 스위칭되는 스위치부로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 제공한다.
이때, 상기 AC/DC정류부의 출력단에는 상기 AC/DC정류부에서 정류되어 출력되는 직류 전력의 전압 및 전류를 검출하는 제1 전압 및 전류 검출부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양전지의 출력단에는 상기 태양전지로부터 출력되는 직류 전력의 전압 및 전류를 검출하는 제2 전압 및 전류 검출부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 스위치부는 제어부에 의해 개폐가 제어되는 릴레이 또는 전자스위치인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 AC/DC정류부의 (+)출력단과 태양전지의 (+)출력단을 연결하며 스위치부가 구비되는 배선에는 블로킹 다이오드가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어부는 상기 태양전지의 출력단에 구비되는 제2 전압 및 전류 검출부를 통해 태양전지의 출력 전력을 감시하여 설정 기준치 이하인 경우 야간(夜間)으로 판단하여 상기 스위치부를 턴온시켜 상기 MPPT Boost Converter부와 태양광 MPPT Boost Converter부를 병렬 연결시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리에 충전된 전력을 이용하여 LED 조명의 구동을 위하여 LED 정전류 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어부는 컨트롤러의 기능을 하는 것으로 시계(RTC; Real-Time Clock)와, 하이브리드 충전 시스템 전원이 오프(OFF)되어도 시간정보가 지워지지 않도록 하기 위하여 상기 시계(RTC)의 구동을 위한 백업 배터리가 내장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 태양전지 입력 전압을 기준으로 태양광 출력 전압의 2% 미만에서 일몰로 인식하며 태양광 출력 전압이 2% 이상이 되면 일출 인식하여 설정된 일수 전까지는 일출시간과 일몰시간을 메모리에 기록하고 설정된 일수가 되면 매일 기록되었던 일출 및 일몰시간 정보를 가지고 평균 일출 및 일몰시간을 산출하고; 상기 제어부는 입력부를 통해 하루의 일몰부터 일출시간까지를 3개의 구간으로 나누어 첫 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간 및 LED 조명 디밍량을 설정하고, 두 번째 구간의 LED 조명 디밍량을 설정하고, 세 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간 및 LED 조명 디밍량을 입력부(146)를 통해 설정되면, 첫 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간과 세 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간을 더해 총 시간에서 빼 두 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간을 산출하여, LED 정전류 구동부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어부는 설정된 일수 동안의 평균 일출 및 일몰시간을 산출한 이후 매일 하루 전에 설정된 일수 만큼의 평균 일출 및 일몰을 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전기와 태양전지에서 발생하는 전력을 변환하는 MPPT Boost Converter를 조건에 따라 병렬로 연결해 분산하여 전력을 변환하여 배터리에 공급함으로서 배터리 충전을 효율적으로 수행할 수 있다.
특히 야간에는 태양전지 및 태양광용 MPPT Boost Converter의 구동이 정지되므로, 주로 주간보다 바람이 많이 부는 야간에 풍력 발전으로부터 입력되는 전력을 스위치부의 구동을 통해 풍력 발전의 변환에 태양광용 MPPT Boost Converter를 효율적으로 사용할 수 있고, 이 같은 배터리 충전전력을 이용해 LED조명시 시간대별로 효율적 제어가 가능하다.
도 1은 종래 일반적인 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템의 구성도이다.
이하 본 발명에 따른 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예들에 의해 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시 예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.
또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '~포함하다' 또는 '~이루어진다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 및 도 2에 의하면, 본 발명에 따른 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템은 풍력 발전기(10)의 발전 전력과 태양전지(20)의 발전 전력을 효율적으로 배터리(30)에 충전하고, 그 발전 전력을 LED 조명(40)의 구동에 효율적으로 사용할 수 있는 시스템이다.
이와 같은 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템(100)은 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 풍력 발전기(10)에서 공급되는 전력을 직류전원으로 변환하는 AC/DC정류부(110), 상기 AC/DC정류부(110)를 거친 직류 전력의 출력전압을 설정된 전압으로 변환하는 풍력용 MPPT Boost Converter(120)와, 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 태양전지(20)에서 생성되는 직류 전력의 출력전압을 설정된 전압으로 변환하는 태양광용 MPPT Boost Converter(130)와, 상기 풍력용 및 태양광용 MPPT Boost Converter(120,130)를 거친 직류 전력이 충전되는 배터리(30)와, 상기 AC/DC정류부(110)의 출력 전력 및 상기 태양전지(20)에서 생성되는 직류 전력을 감시하며 상기 풍력용 및 태양광용 MPPT Boost Converter(120,130)를 제어하는 제어부(140)와, 상기 제어부(140)의 제어에 따라 상기 AC/DC정류부(110)를 거친 직류 전력을 상기 태양광용 MPPT Boost Converter(130)에 병렬 투입하도록 스위칭되는 스위치부(150)로 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 풍력 발전기(10)로부터 출력되는 전기 에너지는 교류 전력으로 이와 같은 교류 전력은 AC/DC정류부(110)를 거치면서 직류 전력으로 정류된다.
이때, 상기 풍력 발전기(10)로부터 출력되는 전기 에너지인 풍력 전력을 인지하기 위해 상기 AC/DC정류부(110)의 출력단에는 상기 AC/DC정류부(110)에서 정류되어 출력되는 직류 전력의 전압 및 전류를 검출하는 제1 전압 및 전류 검출부(160)가 구비된다.
이후 상기 AC/DC정류부(110)에서 정류되어 출력되는 직류 전력은 정류된 직류 전압을 블록킹하는 제1 다이오드(112)를 거쳐 풍력용 MPPT Boost Converter부(120)에 공급되어 정류된 낮은 전압을 설정된 전압으로 승압하고 출력되는 전력을 단속되어 배터리(30)로 충전된다.
한편, 상기 태양전지(20)로부터 출력되는 직류 전력은 블록킹 기능을 수행하는 제2 다이오드(114)를 거쳐 태양광용 MPPT Boost Converter부(130)에 공급되어 정류된 낮은 전압을 설정된 전압으로 승압하고 출력되는 전력을 단속되어 배터리(30)로 충전된다.
이때, 상기 태양전지(20)로부터 출력되는 전기 에너지인 직류 전력을 인지하기 위해 상기 태양전지(20)의 출력단에는 상기 태양전지(20)로부터 출력되는 직류 전력의 전압 및 전류를 검출하는 제2 전압 및 전류 검출부(170)가 구비된다.
한편, 풍력 발전기(10)로부터 생산된 교류 전력을 정류하고 제1 다이오드(112)로 블록킹된 풍력 발전 전력의 (+)출력단은 태양광 발전이 없는 야간에 태양광용 MPPT Boost Converter부(130)로 전력을 분배하기 위해, 풍력용 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광용 MPPT Boost Converter부(130)을 병렬연결하기 위한 스위치부(150)가 더 포함된다.
이때, 상기 스위치부(150)는 제어부(140)에 의해 개폐가 제어되는 릴레이 또는 TR, MOSFET 등의 다양한 전자스위치를 사용한다.
이 경우 상기 태양전지(20)에서의 출력 전력이 풍력용 MPPT Boost Converter부(120)로의 역류를 방지하기 위해 풍력 발전 전력의 (+)출력단과 태양전지(20)의 (+)출력단을 연결하며 스위치부(150)가 구비되는 배선에는 블로킹 다이오드(116)가 더 구비된다.
또한, 상기 배터리(30)에 충전된 전력을 이용하여 스마트 LED 조명(40)의 구동을 위하여 LED 정전류 구동부(180)를 포함한다.
그리고 상기 제어부(140)는 상기 제1 전압 및 전류 검출부(160)와 제2 전압 및 전류 검출부(170)를 통해 전력을 감시함은 물론, 풍력용 MPPT Boost Converter부(120), 태양광 MPPT Boost Converter부(130), 부하(Load)인 LED 조명(40)의 디밍을 제어하는 마이크로컨트롤러 기반으로 이루어진다.
또한, 상기 풍력용 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광 MPPT Boost Converter부(130)는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 적용하여 발전용량을 최적 상태로 유지토록 하는 것으로, 제어부(140)는 출력 전압에 대한 효율성을 높이기 위해 풍력용 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광 MPPT Boost Converter부(130)의 출력 전력에 대한 승압모드 또는 MPPT 운용을 선별하기 위한 스위치부(150)를 제어한다.
이 같은 구성에 의하면 풍력 발전기(10)의 발전 용량은 개별 MPPT Boost Converter(120,130)의 전력 변환 용량보다 2배 이상이고, 각각의 전력 변환의 용량이 정해져 있는 MPPT Boost Converter(120,130)를 병렬 입력으로 사용 가능하게 함으로써 주로 주간보다 바람이 많이 부는 야간에 풍력 발전으로부터 입력되는 전력은 두 개의 MPPT Boost Converter(120,130)로 분산되어 더욱더 많은 전력을 변환하여 배터리(30)에 충전하고, LED조명(40)에 사용될 수 있다.
특히 실제 바람이 많이 부는 야간과 배터리(30) 전력이 주로 사용되는 야간에 풍력발전기(10)로부터 발생되는 발전 전력을 효과적으로 에너지 변환할 수 있다.
예를 들어 풍력발전 용량이 최대 500 Watt이고 태양광 발전용량이 최대 200 Watt이고, 풍력용 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광 MPPT Boost Converter부(130)의 변환 용량이 최대 200 Watt인 경우, 바람이 많이 부는 야간에 스위칭부(116)를 작동시켜 풍력용 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광 MPPT Boost Converter부(130)를 병렬로 연결시켜 풍력 발전으로 인한 전력을 고르게 분배하여 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광 MPPT Boost Converter부(130)에 각각 투입함으로서 배터리(30)의 충전 효율을 높일 수 있다.
이 경우 서로 독립된 풍력용 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광용 MPPT Boost Converter부(130)를 통해 주간(晝間)에는 각각의 입력 전력을 독립된 각각의 MPPT Boost Converter부(120,130)로 입력하여 두 에너지원을 배터리(30)로 직접 충전한다. 이때, 풍력용 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광용 MPPT Boost Converter부(130)의 출력 전압은 동일하다. CV/CC 모드의 배터리 충전 방법으로 배터리(30)로 들어가는 전류량이 다를 뿐 충전은 동일하게 이루어진다.
한편, 별도의 감지센서를 구비하지 않고도 상기 제어부(140)는 상기 제1 전압 및 전류 검출부(160)를 통해 풍력발전 용량을 실시간으로 감시함은 물론, 상기 제2 전압 및 전류 검출부(170)를 통해 태양전지의 발전용량을 감시하여 설정 기준치 이하인 경우 야간(夜間)으로 판단하여 상기 스위치부(150)를 턴온시킴으로서 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광 MPPT Boost Converter부(130)를 병렬 연결시켜 풍력 발전으로 인한 전력을 고르게 분배하여 변환하게 된다.
물론, 상기 제어부(140)는 제2 전압 및 전류 검출부(170)를 통해 태양전지의 발전용량을 감시하여 설정 기준치 이하인 경우 야간(夜間)으로 판단되면 LED 정전류 구동부(180)를 제어하여 배터리(30)에 충전된 전력을 이용하여 스마트 LED 조명(40)을 구동시키게 된다.
이하에서는 도 1 및 도 2를 참고로 본 발명에 따른 본 발명에 따른 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 이용해 스마트 LED 조명의 효율적인 구동 과정을 설명한다.
이 경우 배터리(30)의 충전 전력의 절감과 LED 조명을 더욱 효율적으로 운영하기 위하여 다음과 같은 프로그램 알고리즘을 이용한다.
이때, 상기 제어부(140)는 컨트롤러의 기능을 하는 것으로 시계(RTC; Real-Time Clock)(142)을 내장하고 시간을 설정하며, 하이브리드 충전 시스템 전원이 오프(OFF)되어도 시간정보가 지워지지 않도록 하기 위하여 상기 시계(RTC)의 구동을 위한 백업 배터리(144)를 함께 내장한다.
이 같은 구성에 따라 상기 제어부(140)는 태양전지의 입력 전압을 기준으로 태양광 출력 전압의 2% 미만에서 일몰로 인식하며 태양광 출력 전압이 2% 이상이 되면 일출 인식한다. 이후부터 설정된 일수(예를 들어 20일) 전에는 일몰에는 LED 조명을 온(ON)하고 일출에는 오프(OFF)하며, 매일 설정된 일수(예를 들어 20일) 전까지는 일출시간과 일몰시간을 제어부(140) 내의 메모리에 기록하고 설정된 일수(예를 들어 20일)가 된 경우, 매일 기록되었던 일출 및 일몰시간 정보를 가지고 평균 일출 및 일몰시간을 산출한다. 이후부터는 매일 하루 전에 설정된 일수(예를 들어 20일) 만큼의 평균 일출 및 일몰을 계속 구한다. 이와 같은 산출 과정을 거치게 되면 항상 일출 및 밀몰 시간은 당일 일출 및 일몰시간과 크게 다르지 않게 된다.
이와 같이 산출된 평균 일출 및 일몰시간을 이용하여 본 발명에 따른 하이브리드 시스템은 다음과 같은 운영이 가능해진다.
하루의 일몰부터 일출시간까지를 3개의 구간으로 나눈다. 첫 번째 구간(일몰 직후 구간)의 LED 조명 온(ON) 시간 및 LED 조명 디밍량을 입력부(146)를 통해 설정한다. 두 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간은 자동 계산(입력불가)되며, LED 조명 디밍량을 입력부(146)를 통해 설정한다. 세 번째 구간(일출 직전 구간)의 LED 조명 온(ON) 시간 및 LED 조명 디밍량을 입력부(146)를 통해 설정한다.
상기 입력부(146)를 통한 입력 작업을 마치면 제어부(140)에서는 평균 일몰시간부터 평균 일출시간까지의 총 시간을 구하고, 첫 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간과 세 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간을 더해 총 시간에서 빼 두 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간을 구할 수 있다.
예를 들어, 첫 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간은 3시간으로 설정하고 LED 조명 디밍량은 100%로 설정할 수 있고, 두 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간은 자동 계산되므로 LED 조명 디밍량을 20 ~ 30 %로 설정할 수 있고, 세 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간은 3시간으로 설정하고 LED 조명 디밍량은 100%로 설정할 수 있다. 이 경우 평균 일몰시간부터 평균 일출시간까지의 총 시간이 예를 들어 10시간인 경우 첫 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간인 3시간과 세 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간이 3시간을 뺀 나머지 4시간이 두 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간이 된다.
이와 같이 제어부(140)에서는 실수요자 입장에서의 LED 조명 시간 및 디밍량을 3개의 구간으로 나누어 LED 정전류 구동부(180)를 제어하여 LED 조명을 제어함으로서 배터리 전력을 좀 더 효율적으로 관리할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
10: 풍력 발전기 20: 태양전지
30: 배터리 40: LED 조명
100: 하이브리드 발전 시스템 110: AC/DC정류부
120: 풍력용 MPPT Boost Converter 130: 태양광용 MPPT Boost Converter
140: 제어부 150: 스위치부
160: 제1 전압 및 전류 검출 170: 제2 전압 및 전류 검출부
180: LED 정전류 구동부

Claims (10)

  1. 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 풍력 발전기(10)에서 공급되는 전력을 직류전원으로 변환하는 AC/DC정류부(110)와, 상기 AC/DC정류부(110)를 거친 직류 전력의 출력전압을 설정된 전압으로 변환하는 풍력용 MPPT Boost Converter(120)와, 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 태양전지(20)에서 생성되는 직류 전력의 출력전압을 설정된 전압으로 변환하는 태양광용 MPPT Boost Converter(130)와, 상기 풍력용 및 태양광용 MPPT Boost Converter(120,130)를 거친 직류 전력이 충전되는 배터리(30)와, 상기 AC/DC정류부(110)의 출력 전력 및 상기 태양전지(20)에서 생성되는 직류 전력을 감시하며 상기 풍력용 및 태양광용 MPPT Boost Converter(120,130)를 제어하는 제어부(140)와, 상기 제어부(140)의 제어에 따라 상기 AC/DC정류부(110)를 거친 직류 전력을 상기 태양광용 MPPT Boost Converter(130)에 병렬 투입하도록 스위칭되는 스위치부(150)로 구성되며;
    상기 제어부(140)는 상기 태양전지(20)의 출력단에 구비되는 제2 전압 및 전류 검출부(170)를 통해 태양전지의 출력 전력을 감시하여 설정 기준치 이하인 경우 야간(夜間)으로 판단하여 상기 스위치부(150)를 턴온시켜 상기 MPPT Boost Converter부(120)와 태양광 MPPT Boost Converter부(130)를 병렬 연결시키는 것을 특징으로 하는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 AC/DC정류부(110)의 출력단에는 상기 AC/DC정류부(110)에서 정류되어 출력되는 직류 전력의 전압 및 전류를 검출하는 제1 전압 및 전류 검출부(160)가 구비되는 것을 특징으로 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스위치부(150)는 제어부(140)에 의해 개폐가 제어되는 릴레이 또는 전자스위치인 것을 특징으로 하는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 AC/DC정류부(110)의 (+)출력단과 태양전지(20)의 (+)출력단을 연결하며 스위치부(150)가 구비되는 배선에는 블로킹 다이오드(116)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리(30)에 충전된 전력을 이용하여 LED 조명(40)의 구동을 위하여 LED 정전류 구동부(180)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부(140)는 컨트롤러의 기능을 하는 것으로 시계(RTC; Real-Time Clock)(142)와, 하이브리드 충전 시스템 전원이 오프(OFF)되어도 시간정보가 지워지지 않도록 하기 위하여 상기 시계(RTC)의 구동을 위한 백업 배터리(144)가 내장되는 것을 특징으로 하는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부(140)는 태양전지(20)의 입력 전압을 기준으로 태양광 출력 전압의 2% 미만에서 일몰로 인식하며 태양광 출력 전압이 2% 이상이 되면 일출 인식하여 설정된 일수 전까지는 일출시간과 일몰시간을 메모리에 기록하고 설정된 일수가 되면 매일 기록되었던 일출 및 일몰시간 정보를 가지고 평균 일출 및 일몰시간을 산출하고;
    상기 제어부(140)는 입력부(146)를 통해 하루의 일몰부터 일출시간까지를 3개의 구간으로 나누어 첫 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간 및 LED 조명 디밍량을 설정하고, 두 번째 구간의 LED 조명 디밍량을 설정하고, 세 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간 및 LED 조명 디밍량을 입력부(146)를 통해 설정되면, 첫 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간과 세 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간을 더해 총 시간에서 빼 두 번째 구간의 LED 조명 온(ON) 시간을 산출하여, LED 정전류 구동부(180)를 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제어부(140)는 설정된 일수 동안의 평균 일출 및 일몰시간을 산출한 이후 매일 하루 전에 설정된 일수 만큼의 평균 일출 및 일몰을 구하는 것을 특징으로 하는 풍력 및 태양광을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
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