KR101550880B1 - 모바일 연계형 컨트롤러 - Google Patents

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KR101550880B1 KR1020140041682A KR20140041682A KR101550880B1 KR 101550880 B1 KR101550880 B1 KR 101550880B1 KR 1020140041682 A KR1020140041682 A KR 1020140041682A KR 20140041682 A KR20140041682 A KR 20140041682A KR 101550880 B1 KR101550880 B1 KR 101550880B1
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김종식
김현욱
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주식회사 아프로스
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Abstract

모바일을 이용한 무선통신으로 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치를 효율적이고 쉽게 원격 제어할 수 있는 모바일 연계형 컨트롤러가 개시된다. 상기 컨트롤러는, 충전효율을 높이기 위해 최대전력점을 기준으로 제어하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘과 입력된 전력의 전압을 시스템 상황에 맞게 승압/강압하여 안정성을 높여주는 Buck-Boost 알고리즘을 구비한 컨버터부; 배터리와 부하의 상태에 맞게 충전/방전을 제어하는 충전제어부와 PWM 드라이버; 태양광 발전 또는 풍력발전 모니터링 데이터, 배터리 충전 상태, 부하 사용 전력량 모니터링 데이터 및 컨트롤러의 동작상태를 저장하는 메모리; 원격지의 모바일과 근거리 무선통신을 통하여 제어명령과 데이터를 송수신하는 무선통신부; 및 각 구성부분의 동작을 제어하고 요청을 처리하기 위한 프로그램이 내장되는 주 제어부를 포함한다.

Description

모바일 연계형 컨트롤러{Controller being connected mobile}
본 발명은 모바일 연계형 컨트롤러에 관한 것으로, 특히 태양광 발전장치나 태양광-풍력 하이브리드 발전장치에 적용될 수 있는 모바일 연계형 컨트롤러에 관련한다.
태양광 발전은 반도체 소자인 태양전지판에 햇빛을 쏘이면 광전자효과를 일으켜 전기가 발생하는 원리를 이용하는 것으로, 무공해, 무소음, 및 무한 에너지로서 대표적인 대체에너지 자원 중의 하나이다.
일반적인 태양광 발전장치는 태양전지 모듈, 제어장치, 축전지 및 인버터로 구성되는데, 태양광의 위치에 따라서 전력발생량이 좌우되고, 태양이 없는 날씨에는 발전이 불가능하여 상시부하에 대한 안정적인 전력공급원으로써 전력공급이 불가능한 문제점이 있다.
한편, 풍력 발전장치는 자연 상태의 무공해 에너지원으로 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 전력을 전력계통이나 수요자에 직접 공급하는 기술로서, 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어낸다.
그러나, 풍력발전기의 경우 초기기동에 있어 높은 풍속을 요구하는데 비해 평균 풍속이 4m/s 이하인 우리나라의 실정에 맞지 않으므로 보급되기 어려운 문제점이 있다.
상기와 같은 태양광 발전과 풍력 발전 각각의 문제점을 해결하고자, 태양광 발전기와 소용량의 풍력 발전기를 보완하여 함께 사용하여 전력을 생성하는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치가 제안되고 있다.
상기한 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치에 있어서, 태양광 발전기와 풍력 발전기의 전력품질 모니터링, 시스템 진단, 및 차단을 적절하게 수행하기 위한 컨트롤러가 사용되고 있다. 가령, 국내공개특허공보 제2011-9233호에는 중앙 어레이 제어기와 제어 모듈을 구비한 최대 전력 포인트 트래킹 제공 시스템이 개시되어 있고, 국내 특허공보 제0891513호에는 태양광 및 배터리 시스템을 이용한 계통 연계형 하이브리드 발전 시스템이 개시되어 있다.
그러나, 종래에 의하면, 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치를 구성하는 태양광 발전기와 풍력 발전기가 공원, 도로 및 도외지에 설치되는 경우가 많아 정기점검 및 동작상태 모니터링을 위해서는 현장의 열악한 환경에서 작업을 하여야 한다는 문제점이 있다.
또한, 기기에 부착된 터치식 디스플레이 장치나 버튼 스위치를 이용하여 제어를 할 경우, 많은 단계를 순차적으로 거쳐 작업을 해야 하기 때문에 작업시간이 길어지는 문제점이 있다.
또한, 컨트롤러는 동작 전원을 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치의 배터리에서 공급받는데, 배터리가 완전 방전(예, 3V 이하)되면서 컨트롤러가 동작할 수 없는 상태가 되면, 태양광 발전이나 풍력 발전에서 생성된 전력을 충전조차 하지 못함으로써 발전장치 자체가 동작하지 못한다는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해서는 완전 방전된 배터리를 교체하거나 수동으로 배터리를 충전하여 컨트롤러가 동작할 수 있는 전압 이상이 되어야 발전장치가 정상화될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 모바일을 이용한 무선통신으로 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치를 효율적이고 쉽게 원격 제어할 수 있는 모바일 연계형 컨트롤러를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 동작 전원을 이원화 하여 배터리 방전시에도 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치가 신뢰성 있게 동작할 수 있도록 하는 모바일 연계형 컨트롤러를 제공하는 것이다.
상기의 목적은, 충전효율을 높이기 위해 최대전력점을 기준으로 제어하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘과 입력된 전력의 전압을 시스템 상황에 맞게 승압/강압하여 안정성을 높여주는 Buck-Boost 알고리즘을 구비한 컨버터부; 배터리와 부하의 상태에 맞게 충전/방전을 제어하는 충전제어부와 PWM 드라이버; 태양광 및 풍력발전 모니터링 데이터, 배터리 충전 상태, 부하 사용 전력량 모니터링 데이터 및 컨트롤러의 동작상태를 저장하는 메모리; 원격지의 모바일과 근거리 무선통신을 통하여 제어명령과 데이터를 송수신하는 무선통신부; 및 각 구성부분의 동작을 제어하고 요청을 처리하기 위한 프로그램이 내장되는 주 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모바일 연계형 컨트롤러에 의해 달성된다.
바람직하게, 상기 컨트롤러의 작동에 소요되는 전원을 이원화하여 스위칭 및 공급하는 스마트 전원공급부를 더 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 스마트 전원공급부는, 배터리 전압과 설정된 기준전압(임계전압)과 비교하는 비교기; 상기 비교기로부터의 출력신호가 스위칭 신호로 입력되어 상기 배터리의 전원 입력을 스위칭하는 제1트랜지스터; 및 상기 비교기로부터의 출력신호가 반전되어 스위칭 신호로 입력되어 상기 태양광 발전장치로부터의 전원 입력을 스위칭하는 제2트랜지스터를 포함하며, 상기 제1 및 제2트랜지스터의 출력은 상기 주 제어부에 인가되어 상기 컨트롤러의 동작 전원으로 사용된다.
바람직하게, 상기 풍력 발전장치로부터 입력된 교류 전력을 직류로 변환하고 리플 제거 및 평활화하는 정류부를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 풍력 발전장치의 블레이드의 회전속도(RPM)를 제어하는 속도제어부를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 속도제어부는 무접점식 소자인 SSR(Solid State Relay)로 구성될 수 있다.
상기의 구성에 의하면, 모바일을 이용한 무선통신으로 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치를 효율적이고 쉽게 원격 제어할 수 있다.
또한, 동작 전원을 이원화 하여 배터리 방전시에도 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치가 신뢰성 있게 동작할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전장치의 구성을 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 모바일 연계형 컨트롤러의 구성을 보여주는 기능 블록도이다.
도 3은 모바일 연계형 컨트롤러에 포함되는 스마트 전원공급부의 일 예를 나타내는 회로 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 모바일 연계형 컨트롤러는 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치에 모두 적용될 수 있으며, 이하의 설명에서는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치를 예로 들어 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광-풍력 하이브리드 발전장치의 구성을 보여준다.
가로등의 지주(10)의 상단에는 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 풍력 발전기(100)가 설치되고, 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환 출력하는 태양광 발전기(120)가 설치된다.
풍력 발전기(100)와 태양광 발전기(120)의 출력은 하이브리드 컨트롤러(200)에 입력되고, 변환을 거쳐 배터리에 축적된다.
하이브리드 컨트롤러(200)는 전류를 증폭시키고 필요에 따라 스위칭하기 위해 다수의 트랜지스터 등을 사용하고 있으며, 이들 전기부품으로부터 발생하는 많은 열을 방출하기 위해 알루미늄 소재의 케이스를 적용하고 있다.
문제는, 하이브리드 컨트롤러(200)가 근거리 무선통신을 위한 안테나 패턴을 구비하는데, 알루미늄 소재의 케이스에 의해 모바일(400)과의 무선통신이 원활하게 수행되지 않을 수 있다는 것이다.
따라서, 본 발명의 하이브리드 컨트롤러(200)는 글래스(glass) 윈도를 구비한 케이스를 적용하며, 윈도 상에 안테나 패턴을 형성하여 무선통신의 성능을 개선할 수 있다.
상기한 바와 같이, 하이브리드 컨트롤러(200)는 무선통신 모듈을 구비하여 모바일(400)과 무선통신으로 연결된다. 무선통신은, 근거리 무선통신이 적용될 수 있으며, 가령 블루투스 통신이나 RFID 통신 또는 적외선 통신이 이용될 수 있다.
모바일(400)에는 하이브리드 컨트롤러(200)의 원격 제어 및 모니터링을 위한 제어 애플리케이션(410)이 설치되어 제어 애플리케이션(410)이 제공하는 그래픽 사용자 인터페이스를 이용함으로써 1 내지 2단계로 하이브리드 컨트롤러(200)의 동작을 쉽고 빠르게 제어할 수 있고, 모니터링 데이터를 실시간으로 수신하여 그래프로 출력하고 과거 이력과 함께 비교해볼 수 있는 등 사용이 매우 용이하다.
또한, 정기점검이나 동작상태 모니터링 시에도 현장의 열악한 환경과 관계 없이 수 미터 내지 수십 미터 떨어진 위치에서 하이브리드 컨트롤러(200)에 접속하여 장치의 설정 상태나 발전현황을 확인할 수 있어 작업이 매우 용이하다.
도 2는 본 발명에 따른 모바일 연계형 컨트롤러의 구성을 보여주는 기능 블록도이다.
하이브리드 컨트롤러(200)는 주 제어부(210), 정류부(211), 속도제어부(212), 컨버터부(213), 충전제어부(214), PWM 구동부(215), 무선통신부(216), 표시부(217), 메모리(218), 및 스마트 전원공급부(220)로 구성된다.
정류부(211)는 풍력 발전기(100)로부터 입력된 교류 전력을 직류로 변환하고 리플 제거 및 평활화한다.
속도제어부(212)는 풍력 발전기(100)의 블레이드의 회전속도(RPM)를 제어하여 태풍과 같은 극한 풍황에서 시스템을 보호한다.
종래에는 풍력 발전기(100)의 블레이드의 회전속도를 제어하기 위해 유접점식 릴레이 스위치를 사용하여 3상을 단락시킴으로써 풍력 발전기(100)의 제너레이터의 회전을 억제하는 방식인 마그네틱 브레이크를 사용하는데, 유접점식 릴레이 스위치의 물리적 한계, 가령 스위칭 횟수 제한과 느린 응답속도로 인해 실제 시스템의 경우 비교적 긴 주기로 제한적으로 브레이크 기능을 사용하게 되어 강풍의 방대한 풍력 에너지를 활용하지 못하였다.
본 발명에서는 속도제어부(212)를 무접점식 소자인 SSR(Solid State Relay)로 구성함으로써 스위칭 횟수 제한 및 느린 응답속도 문제를 해결할 수 있다.
컨버터부(213)는 충전효율을 높이기 위해 최대전력점을 기준으로 제어하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘과 입력된 전력의 전압을 시스템 상황에 맞게 승압/강압하여 안정성을 높여주는 Buck-Boost 알고리즘을 포함한다.
잘 알려진 것처럼, 풍력 발전기(100)는 풍속에 대응하는 발전 에너지를 생산하기 때문에 발전 전압이 균일하지 못하며, 따라서, 풍력 발전기(100)에 대한 MPPT 알고리즘을 적용하여 발전용량을 최적 상태로 유지토록 한다.
충전제어부(214)와 PWM 드라이버(215)는 배터리(300)와 부하(12)(가령, 가로등 램프)의 상태에 맞게 충전/방전을 제어한다. 다시 말해, 주 제어부(210)는 PWM 드라이버(215)에 대한 펄스폭 변조(PWM) 제어를 기반으로 컨버터부(213)의 MPPT 알고리즘을 운용할 수 있다.
무선통신부(216)는 주 제어부(210)의 요청에 의해 원격지의 모바일(400)과 근거리 무선통신을 통하여 제어명령과 데이터를 송수신하며, 안테나 패턴(206)과 연결된다.
표시부(217)는 하이브리드 컨트롤러(200)의 동작상태를 알려주며, 가령 LCD나 LED 인디케이터를 통하여 구현될 수 있다.
메모리(218)에는 태양광 및 풍력발전 모니터링 데이터, 배터리 충전 상태, 부하 사용 전력량 모니터링 데이터 및 컨트롤러의 동작상태를 저장하며, 주 제어부(210)의 제어 하에 표시부(217)에 전달하거나 무선통신부(216)를 통해 모바일(400)로 전송한다.
주 제어부(210)에는 각 구성부분의 동작을 제어하고 요청을 처리하기 위한 프로그램이 내장되며, 가령 칩 형태로 실장될 수 있다.
스마트 전원공급부(220)는 하이브리드 컨트롤러(200)의 작동에 소요되는 전원을 이원화하여 스위칭 및 공급하는 역할을 한다.
도 3은 모바일 연계형 컨트롤러에 포함되는 스마트 전원공급부의 일 예를 나타내는 회로 구성도이다.
비교기(221)는 배터리 전압과 설정된 기준전압(임계전압)과 비교하고, 비교기(221)로부터의 출력신호는 배터리(300)의 전원이 입력되는 트랜지스터 T1과 태양광 발전기(120)로부터 전원이 입력되는 트랜지스터 T2의 스위칭 신호로 각각 입력된다.
이때, 비교기(221)와 트랜지스터 T2 사이에는 NOT 게이트(222)가 개재되어 트랜지스터 T1과 T2 중의 어느 하나를 선택할 수 있도록 한다.
트랜지스터 T1과 T2의 출력은 컨덴서(223)를 거쳐 DC-DC 컨버터(224)를 통하여 주 제어부(210)에 인가되어 하이브리드 컨트롤러(200)의 동작 전원으로 사용된다.
배터리(300)의 전압이 정상 상태일 때는 비교기(221)로부터 하이(High) 신호가 출력되고, 기준전압 이하가 되면 로우(Low) 신호가 출력된다.
따라서, 배터리(300)의 전압이 정상 상태일 때, 비교기(221)로부터 출력되는 하이신호에 의해 트랜지스터 T1은 온(ON)되어 배터리(300)의 전원이 하이브리드 컨트롤러(200)의 동작 전원으로 인가된다.
반면, 배터리(300)의 전압이 정상 상태가 아닌 경우, 즉 설정된 기준전압보다 낮은 경우, 비교기(221)로부터 출력되는 로우신호가 NOT 게이트(222)에 의해 하이신호로 반전되어 트랜지스터 T2가 온(ON)되고, 그 결과 풍력 발전기(100)나 태양광 발전기(120)의 전원이 하이브리드 컨트롤러(200)의 동작 전원으로 인가된다.
다시 말해, 배터리(300)의 전압이 임계값보다 낮아지는 상태가 되면 발전 전력을 사용하여 배터리(300)의 상태와 무관하게 하이브리드 컨트롤러(200)가 동작할 수 있도록 하여 태양광-풍력 하이브리드 발전장치가 복구되도록 한다.
이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.
100: 풍력 발전기
120: 태양광 발전기
210: 주 제어부
211: 정류부
212: 속도제어부
213: 컨버터부
214: 충전제어부
215: PWM 드라이버부
216: 무선통신부
217: 표시부
218: 메모리
220: 스마트 전원공급부
300: 배터리

Claims (6)

  1. 태양광 발전장치 또는 태양광-풍력 하이브리드 발전장치에 적용되는 컨트롤러로서,
    충전효율을 높이기 위해 최대전력점을 기준으로 제어하는 최대 전력 포인트 트래킹(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 알고리즘과 입력된 전력의 전압을 시스템 상황에 맞게 승압/강압하여 안정성을 높여주는 버크-부스트(Buck-Boost) 알고리즘을 구비한 컨버터부;
    배터리와 부하의 상태에 맞게 충전/방전을 제어하는 충전제어부와 PWM 드라이버;
    태양광 발전 또는 풍력발전 모니터링 데이터, 배터리 충전 상태, 부하 사용 전력량 모니터링 데이터 및 컨트롤러의 동작상태를 저장하는 메모리;
    안테나 패턴에 연결되고, 원격지의 모바일에 의해 원격 제어되도록 상기 모바일과 근거리 무선통신을 통하여 제어명령과 데이터를 송수신하는 무선통신부;
    상기 컨트롤러의 작동에 소요되는 전원을 이원화하여 스위칭 및 공급하는 스마트 전원공급부; 및
    각 구성부분의 동작을 제어하고 요청을 처리하기 위한 프로그램이 내장되는 주 제어부를 포함하며,
    상기 스마트 전원공급부는,
    배터리 전압과 설정된 기준전압(임계전압)과 비교하는 비교기;
    상기 비교기로부터의 출력신호가 스위칭 신호로 입력되어 상기 배터리의 전원 입력을 스위칭하는 제1트랜지스터; 및
    상기 비교기로부터의 출력신호가 반전되어 스위칭 신호로 입력되어 상기 태양광 발전장치 또는 상기 풍력 발전장치로부터의 전원 입력을 스위칭하는 제2트랜지스터를 포함하며,
    상기 제1 및 제2트랜지스터의 출력은 상기 주 제어부에 인가되어 상기 컨트롤러의 동작 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 모바일 연계형 컨트롤러.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는 글래스(glass) 윈도를 구비한 케이스를 적용하며, 상기 윈도 상에 상기 안테나 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 모바일 연계형 컨트롤러.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 풍력 발전장치로부터 입력된 교류 전력을 직류로 변환하고 리플 제거 및 평활화하는 정류부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 모바일 연계형 컨트롤러.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 풍력 발전장치의 블레이드의 회전속도(RPM)를 제어하는 속도제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 모바일 연계형 컨트롤러.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 속도제어부는 무접점식 소자인 SSR(Solid State Relay)로 구성되는 것을 특징으로 하는 모바일 연계형 컨트롤러.
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