KR101706078B1 - Optimization method for hybrid renewable energy system using pinch analysis - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 에너지 저장수단으로 배터리 및 수소저장시스템을 포함하는 하이브리드 재생에너지 시스템에 있어 수소저장시스템의 최적 용량 설계를 위한 최적화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of optimizing a hybrid regenerative energy system, and more particularly, to an optimization method for optimal capacity design of a hydrogen storage system in a hybrid regenerative energy system including a battery and a hydrogen storage system as energy storage means will be.
화석연료의 고갈, 기후변화, 환경문제 등에 대한 영향으로 태양광, 풍력, 바이오메스 등 재생에너지가 주목받고 있다. 특히, 기존의 전력 그리드(grid) 망과 연결이 어려운 지역의 경우, 이러한 재생에너지 시스템은 오프-그리드(off-grid) 형태로 구축이 고려되고 있다. 오프-그리드 형태의 재생에너지 시스템에 있어 대두되는 주된 문제점은 재생에너지의 특성상 전력 공급의 지속성이 유지되기 어렵기 때문에 전력 공급의 간헐성(intermittence)을 로드의 동적인 수요에 매칭시키는 것이다. 이를 극복하기 위한 해결책으로 다종(多種)의 재생에너지원을 조합하여 복합적인 시스템을 구축하는 방안이나, 보다 신뢰성 있는 에너지 저장 시스템을 구축하는 방안이 고려되고 있다. 특히, 후자의 경우 오프-그리드 시스템에서 외부로부터 필요한 에너지를 최소화시킬 수 있는 형태로 에너지 저장 시스템을 최적화하는 방안이 요구되게 된다.Renewable energy such as solar power, wind power, and biomass is attracting attention due to fossil fuel depletion, climate change, and environmental problems. Particularly, in an area where it is difficult to connect with a conventional power grid network, such a renewable energy system is considered to be constructed in an off-grid form. The main problem that arises in off-grid type renewable energy systems is that matching the intermittency of the power supply to the dynamic demand of the load is difficult because of the nature of the renewable energy and the sustainability of the power supply is difficult to maintain. As a solution to overcome this problem, a method of constructing a complex system by combining various kinds of renewable energy sources or a method of constructing a more reliable energy storage system is considered. Particularly, in the latter case, it is required to optimize the energy storage system in a form that can minimize the energy required from the outside in the off-grid system.
상기와 같은 맥락에서 열 교환망(heat-exchange)이나 공정 용수(water) 최적화에 사용되었던 핀치분석(pinch analysis)를 전력 시스템에 적용하여 시스템 최적화하는 기법이 제안된 바 있다(이른바, 파워핀치분석). 이러한 파워핀치분석은 에너지 저장수단으로 배터리를 구비한 시스템에 있어서 외부 공급 전력을 최소화하는 시스템 최적화 방법을 제안한 바 있다.In the above-mentioned context, a technique for optimizing the system by applying pinch analysis, which was used for heat-exchange or water-water optimization, to a power system has been proposed (so-called power pinch analysis) . This power pinch analysis has proposed a system optimization method that minimizes external power supply in a system having a battery as an energy storage means.
다만, 보다 신뢰성 있는 에너지 저장 시스템의 구축을 위해 배터리 이외에 수소저장시스템을 추가한 하이브리드 재생에너지 시스템이 최근 고려되고 있다. 이러한 하이브리드 재생에너지 시스템은 빠른 충방전 및 높은 왕복효율(round-trip efficiency) 특성을 가지는 배터리를 단기간의 전력 저장에 활용하고, 긴 수명과 높은 에너지 밀도(mass energy density) 특성을 보이는 수소저장시스템을 장기간의 전력 저장에 활용함으로써, 보다 신뢰성 있는 에너지 저장 시스템 구축을 가능케 한다. 그러나 알려진 바와 같이 수소저장시스템은 현재까지는 고가의 설비인 관계로, 시스템 효율을 저해하지 않는 범위에서 최적화 설계될 필요가 있다.However, in order to construct a more reliable energy storage system, a hybrid renewable energy system having a hydrogen storage system in addition to a battery has recently been considered. These hybrid regenerative energy systems utilize batteries with fast charge-discharge and high round-trip efficiency for short-term power storage, and hydrogen storage systems with long lifetime and high energy density (mass energy density) characteristics. It can be used for long-term power storage, thereby enabling more reliable energy storage system construction. However, as is known, since the hydrogen storage system is expensive equipment so far, it needs to be optimally designed within a range that does not hinder the system efficiency.
본 발명의 실시예들은 에너지 저장수단으로 배터리 및 수소저장시스템을 포함하는 하이브리드 재생에너지 시스템에 있어 수소저장시스템의 최적 용량 설계를 위한 최적화 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention provide an optimization method for optimal capacity design of a hydrogen storage system in a hybrid regenerative energy system that includes a battery and a hydrogen storage system as energy storage means.
본 발명의 일 측면에 따르면, 에너지 저장수단으로 배터리 및 수소저장시스템을 포함하는 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법에 관한 것으로, 일 단위의 전력 생산량 및 소비량에 기반하여, 파워핀치분석을 통해, 상기 수소저장시스템을 제외한 시스템에서 최소 외부 전력 공급량 및 익일 사용 가능한 과잉 전력을 산출하는 단계; 상기 최소 외부 전력 공급량 및 익일 사용 가능한 과잉 전력을 월 단위로 환산하고, 월 단위의 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템에 저장되는 전력 및 상기 수소저장시스템으로부터 필요한 전력을 산출하는 단계; 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템의 순수 저장/필요 전력을 산출하는 단계; 작동 첫해에 대해, 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템에 누적되는 전력 용량 및 필요한 외부 전력 공급량을 산출하는 단계; 작동 첫해에 필요한 최소 외부 전력 및 상기 수소저장시스템에 저장되어 다음해 사용 가능한 과잉 전력을 산출하는 단계; 통상 작동년에 대해, 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템에 누적되는 전력 용량 및 필요한 외부 전력 공급량을 산출하는 단계; 및 통상 작동년에 대해 산출된 상기 수소저장시스템의 누적 전력 용량에 기반하여, 상기 수소저장시스템의 최적 용량을 결정하는 단계;를 포함하는, 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for optimizing a hybrid renewable energy system including a battery and a hydrogen storage system as an energy storage means, wherein, based on a daily power generation amount and consumption amount, Calculating a minimum external power supply amount and a surplus available surplus power in a system other than the storage system; Calculating the power stored in the hydrogen storage system and the required power from the hydrogen storage system at each time interval in units of a month, converting the minimum external power supply amount and the next available available excess power into monthly units; Calculating a net storage / required power of the hydrogen storage system in each time interval; Calculating, for the first year of operation, the power capacity accumulated in the hydrogen storage system and the required external power supply amount in each time interval; Calculating a minimum external power required in the first operation and an excess power stored in the hydrogen storage system for use next year; Calculating a power capacity to be accumulated in the hydrogen storage system and a required external power supply amount in each time period for a normal operation year; And determining an optimal capacity of the hydrogen storage system based on the cumulative power capacity of the hydrogen storage system calculated for the normal operating year.
본 발명의 실시예들에 따른 최적화 방법은 에너지 저장수단으로 수소저장시스템을 포함하는 하이브리드 재생에너지 시스템에 있어서, 수소저장시스템의 최적 용량을 산출할 수 있게 한다. 특히, 이와 같은 최적 용량은 종래의 핀치분석 또는 파워핀치분석을 확장한 것으로, 외부로부터 필요한 전력을 최소화할 수 있으며, 비교적 간단한 연산과정을 통해 신속하게 최적값을 찾을 수 있는 이점이 있게 된다.The optimization method according to embodiments of the present invention enables a hybrid regenerative energy system including a hydrogen storage system as an energy storage means to calculate the optimum capacity of the hydrogen storage system. In particular, such an optimum capacity is an extension of conventional pinch analysis or power pinch analysis, minimizing power required from the outside, and advantageously allowing an optimum value to be quickly found through a relatively simple calculation process.
도 1은 하이브리드 재생에너지 시스템(HRES-BH 시스템)의 일 예를 보여주는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 흐름의 경로를 요약한 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 시스템에 있어서 일(day) 전력 생산량을 예시한 도표이다.
도 4는 도 1에 도시된 시스템에 있어서 로드의 전력 소비량을 예시한 도표이다.
도 5는 도 3 및 4에 예시된 전력 생산량 및 소비량에 기반하여 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)을 산출한 결과이다.
도 6은 도 5에 예시된 케이스에 기반하여 적산 테이블(cascade table)을 작성한 예시이다.
도 7은 도 1에 도시된 시스템에 있어서 각 구성요소들의 효율을 예시한 도표이다.
도 8은 예시된 케이스에서 상기와 같은 방법을 통해 수소저장시스템(22)의 각 구성요소들에 대한 용량을 산출한 결과이다.1 is a block diagram showing an example of a hybrid regenerative energy system (HRES-BH system).
2 is a schematic diagram summarizing the path of the power flow shown in FIG.
FIG. 3 is a chart illustrating daily power production in the system shown in FIG. 1;
4 is a chart illustrating power consumption of a load in the system shown in FIG.
FIG. 5 is a result of calculating the minimum external power supply amount (MOES) and the next available available power (AEEND) based on the power generation amount and the consumption amount illustrated in FIGS.
FIG. 6 is an example of creating a cascade table based on the case illustrated in FIG.
FIG. 7 is a chart illustrating the efficiency of each component in the system shown in FIG. 1;
8 is a result of calculating the capacity of each component of the
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 다만, 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 또한, 이하의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 기술적 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대하여는 상세한 기술을 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the following examples are provided to facilitate understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples. The following embodiments are provided to explain the present invention more fully to those skilled in the art and those skilled in the art will appreciate that there is a need for a more detailed description of a known configuration that may obscure the technical gist of the present invention, Will be omitted.
본 발명의 실시예들은 에너지 저장수단으로 배터리 및 수소저장시스템을 포함하는 하이브리드 재생에너지 시스템(Hybrid Renewable Energy System including Battery and Hydrogen storage systems, HRES-BH 시스템)에 있어서 수소저장시스템의 최적용량설계를 위한 최적화 방법을 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 이러한 최적화에 있어서 기 공기된 핀치분석(pinch analysis) 또는 파워핀치분석(power pinch analysis)을 수소저장시스템이 포함된 HRES-BH 시스템에 확장하여 적용 가능케 한다. 이러한 견지에서 본 실시예들에 따른 최적화 방법은 확장된 파워핀치분석 또는 수정된 파워핀치분석으로 지칭될 수 있다. 이하, 도 1에 예시된 시스템을 중심으로 본 발명의 실시예들에 따른 최적화 방법을 설명하도록 한다.Embodiments of the present invention provide a system and method for optimal capacity design of a hydrogen storage system in a hybrid renewable energy system including a battery and a hydrogen storage system as an energy storage means in a battery and hydrogen storage systems (HRES-BH system) An optimization method can be provided. Embodiments of the present invention make it possible to extend airborne pinch analysis or power pinch analysis to HRES-BH systems including hydrogen storage systems for such optimization. From this point of view, the optimization method according to the present embodiments can be referred to as extended power pinch analysis or modified power pinch analysis. Hereinafter, an optimization method according to embodiments of the present invention will be described, focusing on the system illustrated in FIG.
도 1은 하이브리드 재생에너지 시스템(HRES-BH 시스템)의 일 예를 보여주는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 하이브리드 재생에너지 시스템(S)은 하나 이상의 재생에너지원을 포함할 수 있다. 도 1에서는 재생에너지원으로 풍력(11), 태양광(13) 및 바이오메스(12)가 조합된 경우를 예시하고 있다. 알려진 바와 같이, 이와 같은 다종(多種))의 재생에너지원 조합은 재생에너지의 특성인 공급전력의 간헐성(intermittence)을 동적인 로드(30) 수요에 매칭시키는데 이점이 있다. 다만, 도 1에 예시된 재생에너지원의 개수, 종류 등은 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있음은 물론이다.1 is a block diagram showing an example of a hybrid regenerative energy system (HRES-BH system). Referring to FIG. 1, the hybrid regenerative energy system S may include one or more renewable energy sources. 1 illustrates a case where the
또한, 하이브리드 재생에너지 시스템(S)은 에너지 저장수단으로 배터리(21) 및 수소저장시스템(22)을 포함할 수 있다. 에너지 저장수단은 로드(30)의 수요를 초과하여 생성된 전력을 저장하고, 반대의 경우에 이를 적절히 로드(30)로 제공할 수 있다. 특히, 예시된 바와 같은 하이브리드 재생에너지 시스템(S)은 에너지 저장수단으로 배터리(21)에 수소저장시스템(22)이 조합되어 있다는 점에서 배터리(21)만을 주된 에너지 저장수단으로 하는 시스템과 구분될 수 있다. 이러한 점에서 예시된 하이브리드 재생에너지 시스템(S)은 HRES-BH 시스템(Hybrid Renewable Energy System including Battery and Hydrogen storage systems)으로 지칭될 수 있다.The hybrid regenerative energy system S may also include a
하이브리드 재생에너지 시스템(S) 또는 HRES-BH 시스템(S)은 단기간의 에너지 저장에 배터리(21)를 이용하고, 장기간의 에너지 저장에는 수소저장시스템(22)을 이용할 수 있다. 알려진 바와 같이, 배터리(21)는 빠른 충방전, 높은 왕복효율(round-trip efficiency) 등으로 인해 단기간의 에너지 저장에 이점을 가질 수 있으며, 수소저장시스템(22)은 긴 수명, 높은 에너지 밀도 등으로 인해 장기간의 에너지 저장에 이점을 가질 수 있다. 따라서 이와 같은 배터리(21) 및 수소저장시스템(22)의 조합은 전체적인 에너지 저장수단의 신뢰성이나 효율 측면에서 우수한 성능을 가질 수 있다. 다만, 수소저장시스템(22)은 연료전지, 전해조 등 고가의 설비가 요구되어 상대적으로 설비비용이 비싸기 때문에 시스템 효율을 저해하지 않는 범위에서 최소화된 용량으로 설계될 필요가 있다.The hybrid regenerative energy system (S) or the HRES-BH system (S) can use the battery (21) for short term energy storage and the hydrogen storage system (22) for long term energy storage. As is known, the
상기와 같은 하이브리드 재생에너지 시스템(S)에 있어서, 로드(30)의 수요를 초과하는 전력은 일차적으로 배터리(21)를 충전시키고, 다음으로 잔여 전력이 수소저장시스템(22)을 통해 저장될 수 있다. 수소저장시스템(22)에서는 다음의 과정을 거쳐 잔여 전력의 저장이나 저장된 전력의 로드(30)로의 공급이 이뤄질 수 있다. 배터리(21)를 충전시키고 남은 잔여 전력이 전해조(22a)로 제공되면, 워터탱크(22e)로부터 공급된 물이 탈이온화기(22b)에 의해 탈이온화(de-ionization)되어 전해조(22a)로 함께 공급된다. 전해조(22a)에서는 공급된 전력 및 물을 소비하여 산소 및 수소를 생성하고, 이는 수소탱크(22c) 등에 저장될 수 있다. 또한, 저장된 산소 및 수소가 연료전지(22f)로 공급되면, 연료전지(22f)에서는 전력이 생성되며, 생성된 전력은 로드(30)로 공급될 수 있다. 이때, 부산물로 생성된 물은 재생용을 위해 워터탱크(22e) 등에 저장될 수 있다. 이러한 수소저장시스템(22)의 프로세스는 기 공지된 바 있으며, 본 발명의 기술적 요지와는 직접적 관련성이 적으므로 이에 대한 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.In the hybrid regenerative energy system S as described above, power in excess of the demand of the
본 발명의 실시예들에 따른 최적화 방법은 상기와 같은 하이브리드 재생에너지 시스템(S)에 있어서 해당 일(day)에 배터리(21)에 저장되지 못하고 남은 전력을 수소저장시스템(22)에 저장하고, 발전 전력 및 배터리(21)가 로드(30) 수요를 충족하지 못해 외부 에너지원이 필요한 날에는 수소저장시스템(22)에 저장된 전력을 로드(30)로 공급함을 기본 컨셉으로 할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 최적화 방법은 핀치분석 또는 파워핀치분석의 기법을 수소저장시스템(22)이 채용된 하이브리드 재생에너지 시스템(S)으로 확장하여 그래프 또는 수치적 분석기법을 통해 수소저장시스템(22)의 최적용량설정을 가능하게 한다.The optimization method according to the embodiments of the present invention stores the remaining power that is not stored in the
한편, 도 1은 상기와 같은 하이브리드 재생에너지 시스템(S)에 있어 전력 흐름을 보여주고 있다. 예시된 시스템(S)에서 풍력(11) 및 바이오메스(12)는 AC전력(교류)을 생성할 수 있으며, 태양광(13)은 DC전력(직류)을 생성할 수 있다. 생성된 전력은 각각 경로 a-q 또는 경로 d-n을 거쳐 로드(30)로 직접 전달될 수 있다. 또한, 로드(30)의 수요를 초과하는 전력은 배터리(21) 또는 수소저장시스템(22)에 저장될 수 있으며, 저장된 전력은 필요시 일정한 경로를 거쳐 로드(30)로 제공될 수 있다. 이와 같은 과정에서 일정부분 전력 손실이 발생될 수 있으며, 이는 수소저장시스템(22)의 최적용량설계를 위해 고려될 필요가 있다.Meanwhile, FIG. 1 shows a power flow in the hybrid regenerative energy system S as described above. In the illustrated system S,
보다 구체적으로, 풍력(11) 및 바이오메스(12)로부터 생성된 AC전력 중 로드(30)의 수요를 초과하는 AC전력은 정류기(41)에 의해 DC(직류)로 변환될 수 있으며, 이 과정에서 정류기(41)에 의한 전력 손실이 발생될 수 있다(loss ①). DC로 전환된 AC전력(경로 g)과 초과된 DC전력(경로 c)은 일차적으로 경로 h를 통해 배터리(21)로 제공되어 배터리(21)를 충전시킬 수 있다. 이와 같이 배터리(21)를 거치는 과정에서 충전 효율로 인한 손실(loss ⑦) 및, 자가방전(self-discharging)으로 인한 손실(loss ⑧)이 발생될 수 있다.More specifically, AC power exceeding the demand of the
한편, 배터리(21)가 완충되면, 잔여 전력은 이차적으로 수소저장시스템(22)으로 제공될 수 있다. 먼저, 잔여 전력은 안정화를 위해 경로 i를 거쳐 DC/DC1 컨버터(41)로 전달될 수 있으며, DC/DC1 컨버터(41)의 효율에 따라 손실이 발생될 수 있다(loss ②). 안정화된 전력은 경로 j를 거쳐 전해조(22a)로 제공될 수 있으며, 전해조(22a)에서는 탈이온화된 물을 사용해 산소 및 수소가 생성될 수 있다. 이 과정에서 전해조(22a)의 효율로 인한 손실이 발생될 수 있다(loss ③). 생성된 산소 및 수소는 각각 저장탱크(22c, 22e)에 저장될 수 있다.On the other hand, when the
경로 a-q를 통한 AC전력의 공급이 AC로드(31)의 수요에 부족한 경우, 배터리(21)로부터 경로 m-o를 거쳐 DC전력이 방출될 수 있으며, 이는 인버터(44)를 통해 AC(교류)로 변환되어 경로 p-q를 거쳐 AC로드(31)로 제공될 수 있다. 이때, 배터리(21) 방전시 손실이 발생될 수 있으며(loss ⑨), 인버터(44)에 의한 변환시 손실이 발생될 수 있다(loss ⑥). 또한, 배터리(21)가 완전히 방전되면, 수소저장시스템(22)에 저장된 수소 및 산소가 연료전지(22f)로 공급되어 연료전지(22f)에서 전력이 생성되게 되는데, 이 과정에서도 손실이 발생될 수 있다(loss ④). 또한, 연료전지(22f)의 출력을 DC 버스 전압 레벨로 변환하기 위해 연료전지(22f)에서 생성된 전력은 경로 k를 거쳐 DC/DC2 컨버터(43)로 전달되며, 변환 과정에서 DC/DC2 컨버터(43)의 효율로 인해 손실이 발생될 수 있다(loss ⑤). 변환된 DC전력은 경로 l-o-p-q를 거치면서 인버터(44)에 의해 AC로 변환되어 AC로드(31)로 제공된다. 이때, 인버터(44)의 효율로 인해서도 손실이 발생될 수 있다(loss ⑥).If the supply of AC power through the path aq is insufficient for the demand of the
한편, 경로 d-n을 통한 DC전력의 공급이 DC로드(32)의 수요에 부족한 경우, 부족한 전력은 일차적으로 경로 m-n을 거친 배터리(21) 방전에 의해 공급될 수 있다. 이 경우에는 배터리(21)의 방전 효율에 의해 손실이 발생될 수 있다(loss ⑨). 또한, 이차적으로 연료전지(22f)에서 생성된 전력이 경로 l-n을 거쳐 DC로드(32)로 공급될 수 있다. 이 경우에는 DC/DC2 컨버터(43)에 의해서 손실이 발생될 수 있다(loss ⑤).On the other hand, when the supply of the DC power through the path dn is insufficient for the demand of the
끝으로, DC/AC로드(30)의 수요가 경로 q, n을 통해 공급되지 못할 경우, 그리드 등으로부터 외부 전력이 추가 공급될 수 있는데, 이러한 외부 전력은 모두 AC전력으로 공급되어 로드(30)에 따라 DC전력으로 변환될 수 있다.Finally, when the demand of the DC /
이상에서 살펴본 바와 같은 전력 흐름의 경로를 요약하면 도 2와 같이 나타낼 수 있다. 도 2는 도 1에 도시된 전력 흐름의 경로를 요약한 개략도로서, 이를 참고하면, 도 1과 같은 시스템(S)에서 주된 전력 흐름의 경로는 A 내지 D의 4가지 경로로 요약될 수 있다. 또한, A 내지 D 경로의 전달 효율은 정류기(41), 인버터(44), 컨버터(41, 43) 등 각 경로에 있는 구성요소들의 효율을 곱해 산출될 수 있다. 결국, 각 구성요소들의 효율은 1을 넘지 못하므로, 각 경로의 전달 효율은 ηA>ηB>ηC>ηD의 순으로 나타나게 된다(ηA 내지 ηD는 각각 경로 A 내지 D의 전달 효율을 지칭함). 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 최적화 방법은 전체 시스템 효율을 향상시키기 위해 아래의 3가지 에너지 관리 전략에 기반할 수 있다.The power flow path as described above can be summarized as shown in FIG. FIG. 2 is a schematic diagram summarizing the path of the power flow shown in FIG. 1, and with reference thereto, the path of the main power flow in the system S as shown in FIG. 1 can be summarized into four paths A to D. The transmission efficiencies of the A to D paths can be calculated by multiplying the efficiencies of the components in the respective paths such as the
첫째, 생성된 전력이 로드(30)의 수요를 초과하는 경우, 생성된 전력은 경로 A 또는 B와 같이 직접 로드(30)로 전달될 수 있다. 또한, 배터리(21)가 완충상태가 아니면, 경로 C와 같이 초과된 전력이 배터리(21)로 전달될 수 있다. 이 경우 초과된 AC전력은 경로 C에 도시된 바와 같이 정류기(41)에 의해 DC로 변환될 수 있다. 한편, 배터리(21)가 완충 상태인 경우, 초과된 전력은 경로 D와 같이 전해조(22a)로 공급될 수 있으며, 수소저장시스템(22)을 통해 저장될 수 있다.First, if the generated power exceeds the demand of the
둘째, 생성된 전력이 로드(30)의 수요를 충족하지 못하고, 배터리(21)가 완충 상태이면, 먼저 생성된 전력이 경로 A 및 B와 같이 직접 로드(30)로 전달될 수 있으며, 그리고 나서 배터리(21)가 로드(30)의 남은 수요를 위해 경로 C와 같이 방전될 수 있다. 이때, 배터리(21)로부터 방전된 전력은 먼저 DC로드(32)에 직접 DC전력을 공급하고, 그리고 나서 인버터(44)로 전달되어 AC로드(31)로 공급될 수 있다.Second, if the generated power does not meet the demand of the
셋째, 수소저장시스템(22)은 생성된 전력이 로드(30)의 수요를 충족시키지 못하고, 배터리(21)가 완전히 방전되면, 로드(30)로 전력을 공급할 수 있다. 경로 D에 도시된 바와 같이, 연료전지(22f)에서 생성된 DC전력은 먼저 DC로드(32)로 바로 전달되고, 그리고 나서 인버터(44)를 거쳐 AC로드(31)로 전달될 수 있다. 이와 같은 에너지 관리 전략에 있어서, 수소저장시스템(22)은 배터리(21)의 충방전시 비활성화된 상태를 유지할 수 있으며, 배터리(21)가 완전치 충전 또는 방전된 경우에만 활성화될 수 있다.Third, the
본 발명의 실시예들에 따른 최적화 방법은 상기와 같은 에너지 관리 전략에 기반하여 시스템 최적화를 위한 수소저장시스템(22)의 용량 등을 결정할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 이하에서는 하나의 케이스를 가정하고, 이를 중심으로 본 실시예들에 따른 최적화 방법을 설명하도록 한다.The optimization method according to embodiments of the present invention can determine the capacity of the
도 3은 도 1에 도시된 시스템에 있어서 일(day) 전력 생산량을 예시한 도표이며, 도 4는 도 1에 도시된 시스템에 있어서 로드의 전력 소비량을 예시한 도표이다. 도 3은 태양광, 풍력 및 바이오메스의 일 전력 생산량을 3가지 케이스(Case 1 내지 3)로 예시하고 있으며, 도 4는 전력 소비량은 Case 1 내지 3에 공통으로 적용될 수 있다.FIG. 3 is a chart illustrating a day power generation amount in the system shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a chart illustrating a power consumption amount of a load in the system shown in FIG. FIG. 3 illustrates three cases (
본 실시예에 따른 최적화 방법은 상기와 같이 주어진 일 단위의 전력 생산량 및 소비량에 기반하여 핀치분석을 통해 최소 외부 전력 공급량(Minimum Outsourced Electricity Supply, MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(Available Excess Electricity for Next Day, AEEND)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 핀치분석은 열(heat), 용수(water) 등의 매개체가 사용되는 시스템에서 매개체의 시스템 내 이용률을 최대화하여 시스템 효율을 향상시키기 위한 기법 중 하나로 기 공지된 바 있다. 특히, 전력 시스템에 핀치분석을 적용하여 최소 외부 전력 공급량(MOES), 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND) 등을 산출하는 과정은 하기 참고문헌 등을 통해 제안된 바 있으므로(이른바, 파워핀치분석), 본 명세서에서 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)을 산출하는 상세한 과정은 하기 참고문헌을 원용하기로 한다(참고문헌: Nor Erniza Mohammad Rozali 외 4인, Process Integration techniques for optimal design of hybrid power systems, Applied Thermal Engineering 2013; 61: 26-35). 다만, 상기 참고문헌의 파워핀치분석은 에너지 저장수단으로 배터리만이 구비된 시스템에 기초하고 있으며, 따라서 상기의 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)은 수소저장시스템(22)이 제외된 시스템을 대상으로 하고 있음을 알려둔다.The optimization method according to the present embodiment uses the minimum output power supply (MOES) and the available available power (Next Excess Electricity) for next ≪ / RTI > Day, AEEND). In this case, the pinch analysis has been known as one of techniques for improving the system efficiency by maximizing the in-system utilization of the medium in the system where the medium such as heat, water is used. In particular, the process of calculating the minimum external power supply (MOES) and the next-available excess power (AEEND) by applying pinch analysis to the power system has been proposed through the following references (so-called power pinch analysis) The detailed procedure for calculating the minimum external power supply (MOES) and the next available maximum power (AEEND) in this specification will be referred to the following references (see Norreniza Mohammad Rozali et al., Process Integration techniques for optimal design of hybrid power systems, Applied Thermal Engineering 2013; 61: 26-35). However, the power pinch analysis of the above reference is based on a system having only a battery as an energy storage means, so that the minimum external power supply amount (MOES) and the next available available power (AEEND) ) Are targeted for the excluded systems.
도 5는 도 3 및 4에 예시된 전력 생산량 및 소비량에 기반하여 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)을 산출한 결과이다. 도 5는 예시된 일 단위의 전략 생산량 및 소비량에 기반하여 핀치분석(파워핀치분석)을 통해 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)을 산출하고, 이를 월(month) 단위로 환산한 것으로, 1월부터 4월까지는 도 3의 케이스 1의 경우를, 5월부터 8월까지는 도 3의 케이스 2의 경우를, 9월부터 12월까지는 도 3의 케이스 3의 경우를 각각 조합한 것이다. 또한, 예시된 결과에서 배터리 용량의 최대치는 61.56kWh로 가정되었다.FIG. 5 is a result of calculating the minimum external power supply amount (MOES) and the next available available power (AEEND) based on the power generation amount and the consumption amount illustrated in FIGS. FIG. 5 is a graph showing a relationship between a minimum external power supply amount (MOES) and a next-day available excess power (AEEND) through a pinch analysis (power pinch analysis) based on the illustrated daily unit of strategic production amount and consumption amount, 3,
한편, 본 실시예에 따른 최적화 방법은 상기와 같이 월 단위의 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)가 산출되면, 각 월 단위의 시간구간에서 수소저장시스템(22)에 저장되는 전력(Stored Electricity, SEHT) 및 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 전력(Needed Electricity, NEHT)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 수소저장시스템(22)의 저장 전력(SEHT) 및 필요 전력(NEHT)은 앞서 산출된 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)을 통해 산출될 수 있다.Meanwhile, when the minimum external power supply amount (MOES) and the excess power (AEEND) available for the next day are calculated as described above, the optimization method according to the present embodiment calculates It may include the step of calculating the power (needed electricity, NE HT) is required from the power saving (stored electricity, SE HT) and the
구체적으로, 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)은 다음날의 최소 외부 전력 공급량(MOES)을 줄이는데 사용될 수 있다. 이때, 전술한 도 1을 참조하면, 최소 외부 DC/AC 전력 공급량(MOESAC, MOESDC)은 경로 m-o-p 또는, 경로 m-n을 통해 전달되게 되므로, 이 과정에서 배터리(21)의 충방전 및 인버터(44) 효율에 의한 손실이 발생될 수 있다. 따라서 n번째 시간구간에서 초과 전력(Wasted Electricity, WE)은 하기 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.Specifically, the next available excess power (AEEND) can be used to reduce the minimum external power supply (MOES) of the next day. 1, the minimum external DC / AC power supply amount (MOES AC , MOES DC ) is transmitted through the path mop or the path mn. In this process, the
상기 수학식 1에서 WEn은 n번째 시간구간에서 초과 전력, n은 시간구간의 번호, ηdis는 배터리의 방전 효율, ηinv는 인버터의 효율을 나타낸다.In the above equation (1), WE n is an excess power in the nth time interval, n is the number of time intervals, η dis is the discharge efficiency of the battery, and η inv is the efficiency of the inverter.
또한, 전술한 도 1을 참조하면, 초과 전력(WE)는 경로 i-j를 거쳐 수소저장시스템(22)에 저장되게 되므로, 이 과정에서 초과 전력(WE)은 DC/DC1 컨버터(42) 및 전해조(22a)에 의해 손실되게 된다. 따라서 수소저장시스템(22)에 저장되는 전력(SEHT)은 하기 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.1, the excess power WE is stored in the
상기 수학식 2에서 SEHT ,n은 n번째 시간구간에서 수소저장시스템(22)에 저장되는 전력, n은 시간구간의 번호, ηDC/ DC1 및 ηEL은 각각 DC/DC1 컨버터(42) 및 전해조(22a)의 효율을 나타낸다.In
다음으로, 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 전력(NEHT)을 살펴보면, 먼저, 특정 시간구간(n)에서의 최소 외부 전력 공급량(MOES)이 이전 시간구간(n-1)의 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)보다 큰 경우(즉, MOESn > AEENDn -1), 필요한 전력이 수소저장시스템(22)으로부터 제공될 수 있다.Next, looking at the required power NE HT from the
반대의 경우에는 2가지 케이스가 고려되어야 한다. 먼저, 특정 시간구간(n)에서의 최소 외부 DC전력 공급량(MOESDC)이 이전 시간구간(n-1)의 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)보다 작은 경우(즉, MOESDC ,n < AEENDn -1), 최소 외부 DC전력 공급량(MOESDC)은 배터리(21)에 가용 가능한 과잉 전력(AEEND) 전부가 공급되고, 나머지가 수소저장시스템(22)에 의해 공급될 수 있다. 또한, 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)이 전부 외부 DC전력 공급량(MOESDC)에 제공되었기 때문에, 최소 외부 AC전력 공급량(MOESAC)은 모두 수소저장시스템(22)에 의해 공급되어야 한다. 따라서 이 경우에 필요한 DC/AC 전력(NEDC, NEAC)은 하기 수학식 3을 통해 산출될 수 있다.In the opposite case, two cases should be considered. First, when the minimum external DC power supply amount (MOES DC ) in a specific time period (n) is smaller than the next available excess power (AEEND) of the previous time period (n-1) (that is, MOES DC , n <AEEND n -1 ), the minimum external DC power supply (MOES DC ) may be supplied with all of the available excess power (AEEND) available to the
상기 수학식 3에서 NEDC ,n은 n번째 시간구간에서 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 DC전력, NEAC ,n은 n번째 시간구간에서 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 AC전력, n은 시간구간 번호, ηdis는 배터리(21)의 충방전 효율을 나타낸다.In the NE DC, n is the n th time interval in the
한편, 특정 시간구간(n)에서의 최소 외부 DC전력 공급량(MOESDC)이 이전 시간구간(n-1)의 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)보다 큰 경우(즉, MOESDC ,n > AEENDn-1), 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)은 최소 외부 DC전력 공급량(MOESDC)을 전부 공급하고, 나머지가 최소 외부 AC전력 공급량(MOESAC)을 일부 공급할 수 있다. 따라서 이 경우에 필요한 DC/AC 전력(NEDC, NEAC)은 하기 수학식 4를 통해 산출될 수 있다.On the other hand, when at least the external DC power supply in a given time interval (n) (MOES DC) is greater than the excessive power (AEEND) available for the next business day in the previous time interval (n-1) (i.e., MOES DC, n> AEEND n -1 ), the available excess power (AEEND) can supply all of the minimum external DC power supply (MOES DC ) and the remainder can supply some external AC power supply (MOES AC ). Therefore, the DC / AC power (NE DC , NE AC ) required in this case can be calculated by the following equation (4).
상기 수학식 4에서 NEDC ,n은 n번째 시간구간에서 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 DC전력, NEAC ,n은 n번째 시간구간에서 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 AC전력, n은 시간구간 번호, ηdis는 배터리(21)의 충방전 효율, ηinv는 인버터(44)의 효율을 나타낸다.In the
한편, 전술한 도 1을 참조하면, 상기에서 산출된 DC전력(NEDC)은 경로 k-l-n을 통해, AC전력(NEAC)은 경로 k-l-o-p를 통해, 수소저장시스템(22)에서 각 로드(30)로 공급될 수 있다. 따라서 결국 수소저장시스템(22)으로부터 공급되어야 하는 필요전력(NEHT)은 하기 수학식 5를 통해 산출될 수 있다.1, the calculated DC power (NE DC ) is transmitted via path kln, and the AC power (NE AC ) is transmitted via path klop to each
상기 수학식 5에서 NEHT ,n는 n번째 시간구간에서 수소저장시스템(22)을 통해 공급되어야 하는 필요전력, ηDC/ DC2, ηFC, ηinv는 각각 DC/DC2 컨버터(43), 연료전지(22f), 인버터(44)의 효율을 나타낸다.In Equation (5), NE HT , n is the required power to be supplied through the
한편, 이상에서와 같은 산출 과정 및 이후의 산출 과정은 적산 테이블(cascade table)을 작성하여 이뤄질 수 있다. 도 6은 도 5에 예시된 케이스에 기반하여 적산 테이블(cascade table)을 작성한 예시이다. 도 6의 적산 테이블 작성에 있어서 각 구성요소들의 효율은 도 7과 같이 가정하였다.Meanwhile, the calculation process as described above and the calculation process thereafter can be performed by creating a cascade table. FIG. 6 is an example of creating a cascade table based on the case illustrated in FIG. The efficiency of each component in the preparation of the integration table of FIG. 6 is assumed as shown in FIG.
도 6을 참조하면, 컬럼 1 내지 3은 각 시간구간에 대한 사항이 작성될 수 있으며, 컬럼 4 내지 6에는 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)이 작성될 수 있다(도 5 참조). 또한, 컬럼 7 및 8의 필요 전력(NE)은 전술한 수학식 3, 4에 의해 산출될 수 있으며, 컬럼 9의 초과 전력(WE)은 전술한 수학식 1에 의해 산출될 수 있다. 한편, 컬럼 10의 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 전력(NHT)은 전술한 수학식 5에 의해 산출될 수 있으며, 컬럼 11의 수소저장시스템(22)에 저장되는 전력(SHT)은 전술한 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.Referring to FIG. 6,
한편, 본 실시예에 따른 최적화 방법은 상기와 같이 각 시간구간에 대하여 수소저장시스템(22)의 필요 전력(NHT) 및 저장 전력(SHT)이 산출되면, 이를 통해 수소저장시스템(22)의 순수 저장/필요 전력(Net Stored/Needed Electricity, NeEHT)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기의 순수 저장/필요 전력(NeEHT)은 하기 수학식 6을 통해 산출될 수 있다. 도 6의 컬럼 12는 예시된 케이스에서 순수 저장/필요 전력(NeEHT)을 산출한 결과를 나타내고 있다.Meanwhile, the optimization method according to the present embodiment calculates the required power (N HT ) and the stored power (S HT ) of the hydrogen storage system (22) for each time interval as described above, (NE Stored / Needed Electricity, NeE HT ) of the battery. The net storage / required power (NeE HT ) can be calculated by the following equation (6).
상기 수학식 6에서 NeEHT ,n는 n번째 시간구간에서 수소저장시스템(22)의 순수 저장/필요 전력을 나타낸다. 이때, 양수값의 NeEHT는 순수 저장 전력(Net Stored Electricity, NeSEHT)을 의미할 수 있으며, 음수값의 NeEHT는 순수 필요 전력(Net Needed Electricity, NeNEHT)을 의미할 수 있다.In Equation (6), NeE HT , n represents the net storage / required power of the
한편, 본 실시예에 따른 최적화 방법은 작동 첫해에 대해 각 시간구간의 수소저장시스템(22)에 누적되는 전력 용량(Hydrogen Tank Electricity Capacity, HTEC) 및 필요한 외부 전력 공급량(Required External Electricity Source, REES)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기의 필요한 외부 전력 공급량(REES)은 수소저장시스템(22)을 포함한 시스템을 기준으로 하고 있다는 점에서, 전술한 최소 외부 전력 공급량(MOES)과 구분되는 것임을 알려둔다.In the meantime, the optimization method according to the present embodiment includes a Hydrogen Tank Electricity Capacity (HTEC) accumulated in the
도 6의 컬럼 13을 참조하면, 수소저장시스템(22)에 누적된 전력 용량(HTEC)은 컬럼 12의 순수 저장/필요 전력(NeEHT)을 누적적으로 합산하여 산출될 수 있다. 다만, 누적값이 음수일 경우에는 음수값의 전력 저장이 있을 수 없으므로, 이와 같은 경우 누적된 전력 용량(HTEC)은 0으로 고려될 수 있다. 따라서 누적된 전력 용량(HTEC)은 하기 수학식 7과 같이 산출될 수 있다.Referring to
이면, If so,
상기 수학식 7에서 HTECn은 n번째 시간구간에서 수소저장시스템(22)에 누적된 전력 용량, NeEHT ,n은 순수 저장/필요 전력(도 6의 컬럼 12 참조)를 나타낸다.In Equation (7), HTEC n represents the power capacity accumulated in the
또한, 필요한 외부 전력 공급량(REES)은 하기 수학식 8에 의해 산출될 수 있으며, 예시된 케이스에서 필요한 외부 전력 공급량(REES)을 산출한 결과는 도 6의 컬럼 14 및 15와 같다.The required external power supply amount REES can be calculated by the following equation (8), and the result of calculating the external power supply amount REES required in the illustrated case is the same as that of
이면, If so,
상기 수학식 8에서 REESAC ,n는 n번째 시간구간에서 필요한 외부 AC전력 공급량, REESDC ,n는 n번째 시간구간에서 필요한 외부 DC전력 공급량을 나타내며, ηFC, ηDC/DC2, ηinv는 각각 연료전지(22f), DC/DC2 컨버터(43), 인버터(44)의 효율을 나타낸다(도 1의 전력 흐름 참조).Wherein in
한편, 본 실시예에 따른 최적화 방법은 상기와 같이 수소저장시스템(22)에 누적된 전력 용량(HTEC) 및 필요한 외부 전력 공급량(REES)이 산출되면, 이를 통해 작동 첫해의 최소 외부 전력(Minimum External Electricity Sources during First Operation Year, MEESFOY) 및 수소저장시스템(22)에 저장되어 다음해 사용 가능한 과잉 전력(Accessible Surplus Electricity for Next Operation Year, ASENNOY)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.Meanwhile, in the optimization method according to the present embodiment, when the power capacity (HTEC) accumulated in the
작동 첫해의 최소 외부 전력(MEESFOY)은 각 시간구간의 필요한 외부 전력 공급량(REES)를 합산하여 산출될 수 있으며, 하기 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.The minimum external power MEESFOY in the first year of operation can be calculated by summing up the required external power supply amount REES in each time interval and can be expressed by
상기 수학식 9에서 MEESFOYAC는 작동 첫해의 최소 외부 AC전력, MEESFOYDC는 작동 첫해의 최소 외부 DC전력을 나타낸다. 예시된 케이스에서 작동 첫해의 최소 외부 AC/DC 전력(MEESFOYAC 및 MEESFOYDC)은 도 6의 컬럼 14 및 15의 하단과 같이 필요한 최소 외부 AC 전력(MEESFOYAC)은 0kWh, 최소 외부 DC 전력(MEESFOYAC)는 923kWh로 산출될 수 있다.In Equation (9), MEESFOY AC represents the minimum external AC power in the first operation and MEESFOY DC represents the minimum external DC power in the first operation. In the illustrated case, the minimum external AC / DC power (MEESFOY AC and MEESFOY DC ) in the first year of operation is the minimum external AC power required (MEESFOY AC ) as shown at the bottom of
한편, 마지막 시간구간에서 수소저장시스템(22)에 누적된 전력 용량(HTEC)은 다음해 사용 가능한 과잉 전력(ASENNOY)으로 정의될 수 있다. 따라서 도 6에 예시된 케이스에서 다음해 사용 가능한 과잉 전력(ASENNOY)은 컬럼 13의 마지막 행과 같이 56.97KWh로 산출될 수 있다.On the other hand, the power capacity (HTEC) accumulated in the
한편, 본 실시예에 따른 최적화 방법은 작동 첫해의 다음해부터인 통상 작동년에 대해 수소저장시스템(22)에 누적된 전력 용량(HTEC) 및 필요한 외부 전력 공급량(REES)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the optimization method according to the present embodiment includes calculating the power capacity (HTEC) accumulated in the
통상 작동년에 있어 수소저장시스템(22)에 누적된 전력 용량(HTEC)은 전술한 수학식 7을 통해 산출될 수 있다. 다만, 작동 첫해로부터 사용 가능한 과잉 전력(ASENNOY)은 다음해인 통상 작동년에 누적적으로 합산될 수 있다. 즉, 도 6의 컬럼 16을 참조하면, 앞서 산출된 작동 첫해의 과잉 전력(ASENNOY) 56.97KWh는 다음해인 통상 작동년으로 이월되어 누적적으로 합산될 수 있다(컬럼 16의 첫 행 참조). 또한, 통상 작동년에 있어서 필요한 외부 전력 공급량(REES)은 전술한 수학식 8에 의해 산출될 수 있으며, 이는 도 6의 컬럼 17 및 18에 나타낸 바와 같다.The power capacity HTEC accumulated in the
한편, 본 실시예에 따른 최적화 방법은 통상 작동년에 대해 산출된 수소저장시스템(22)의 누적된 전력 용량(HTEC)에 기반하여, 수소저장시스템(22)의 최적 용량(Appropriate Hydrogen Electricity Capacity, AHTEC)을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기의 최적 용량(AHTEC)은 통상 작동년의 누적된 전력 용량(HTEC) 중 최대치가 선택될 수 있다. 따라서 예시된 케이스에서 수소저장시스템(22)의 최적 용량(AHTEC)은 177.84kWh로 결정될 수 있다(도 6의 컬럼 16 참조).On the other hand, the optimization method according to the present embodiment is based on the optimal capacity of the
상기의 최적 용량(AHTEC)은 핀치분석이론에 의해 필요한 외부 전력 공급량(REES)을 최소로 하는 수소저장시스템(22)의 용량이 되게 된다. 이때, 통상 작동년에 있어서 필요한 외부 전력 공급량(Required External Electricity Sources during First Operation Year, REESNOY)은 각 시간구간의 외부 전력 공급량(REES)을 합산하여 산출될 수 있으며, 하기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.The optimum capacity AHTEC becomes the capacity of the
상기 수학식 10에서 REESNOYAC는 통상 작동년에 있어 필요한 외부 AC전력 공급량, REESNOYDC는 통상 작동년에 있어 필요한 외부 DC전력 공급량을 나타낸다. 도 6에 예시된 케이스 있어 필요한 외부 AC전력 공급량(REESNOYAC) 및 필요한 외부 DC전력 공급량(REESNOYDC)은 컬럼 17 및 18의 마지막 행과 같이 각각 0kWh, 866kWh로 산출될 수 있다. 즉, 예시된 케이스의 경우, 수소저장시스템(22)이 최적 용량(177.84kWh)을 가지며, 최소 외부 공급 전력으로 866kWh의 AC전력이 요구됨을 알 수 있다.In Equation (10), REESNOY AC represents an external AC power supply amount required for a normal operation year, and REESNOY DC represents an external DC power supply amount normally required for a working year. 6, the required external AC power supply (REESNOY AC ) and the required external DC power supply (REESNOY DC ) can be calculated as 0 kWh and 866 kWh, respectively, as in the last row of
한편, 필요에 따라, 본 실시예에 따른 최적화 방법은 상기에서 산출된 수소저장시스템(22)의 최적 용량(AHTEC)에 기반하여, 수소저장시스템(22)의 각 구성요소인 전해조(22a), 수소탱크(22c) 및 연료전지(22f) 중 적어도 하나 이상의 용량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, if necessary, the optimization method according to the present embodiment is based on the optimum capacity AHTEC of the
수소의 열 밀도는 0.0658 kWh/mol, 몰 부피(molar volume)는 0.0000446 mol/m3 at 25℃일 때, 상기에서 산출된 최적 용량(AHTEC)을 충족시키기 위한 수소탱크(22c)의 부피(Hydrogen Tank Volume, HTM)는 하기 수학식 11과 같이 산출될 수 있다.The volume of the
상기 수학식 11에서 HTM은 수소탱크(22c)의 부피, MHT는 초기 저장 용량 및 계절 변화를 고려한 마진 계수, HPT는 수소탱크(22c)의 압력을 나타내며, MHT는 2.5bar, HPT는 200bar로 고려될 수 있다.In the equation (11), HTM represents the volume of the
한편, 전해조(22a) 사이즈는 사용되는 전해조 셀(cell)의 개수로 정의될 수 있으며, 이는 하기 수학식 12와 같이 산출될 수 있다.On the other hand, the size of the
상기 수학식 12에서 ELEC는 전해조(22a)의 전력 용량, ηEL은 전해조(22a)의 효율(도 7 참조)을 나타낸다. 또한, NEL은 전해조 셀의 개수, IEL은 전해조(22a)의 통전 전류(A), VEL는 동작 전압(V), tAHTEC는 최적 용량(AHTEC)과 관련된 지속시간을 나타내며, IEL은 3.8A, VEL은 11.32V로 고려될 수 있다.In
연료전지(22f)의 사이즈 또한 사용되는 연료전지 셀(cell) 개수에 기반하여 정의될 수 있다. 앞서 본 전해조(22a)의 경우와 유사하게 연료전지 셀의 개수는 하기 수학식 13에 의해 산출될 수 있다.The size of the
상기 수학식 13에서 FCEC는 연료전지(22f)의 전력 용량, ηFC는 연료전지(22f)의 효율(도 7 참조)을 나타낸다. 또한, NFC는 연료전지 셀의 개수, tAHTEC는 최적 용량(AHTEC)과 관련된 지속시간을 나타낸다. IFC 및 VFC는 각각 연료전지(22f)의 출력 전류 및 출력 전압를 나타내며, 예컨대, IFC는 2.92A, VFC는 4.93V로 고려될 수 있다. 도 8은 예시된 케이스에서 상기와 같은 방법을 통해 수소저장시스템(22)의 각 구성요소들에 대한 용량을 산출한 결과이다.In the above equation (13), FCEC represents the power capacity of the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 최적화 방법은 에너지 저장수단으로 수소저장시스템(22)을 포함하는 하이브리드 재생에너지 시스템(S)에 있어서, 수소저장시스템(22)의 최적 용량을 산출할 수 있게 한다. 특히, 이와 같은 최적 용량은 종래의 핀치분석 또는 파워핀치분석을 확장한 것으로, 외부로부터 필요한 전력을 최소화할 수 있으며, 비교적 간단한 연산과정을 통해 신속하게 최적값을 찾을 수 있는 이점이 있게 된다.As described above, the optimization method according to the embodiments of the present invention is characterized in that in the hybrid renewable energy system (S) including the hydrogen storage system (22) as the energy storage means, the optimum capacity of the hydrogen storage system . In particular, such an optimum capacity is an extension of conventional pinch analysis or power pinch analysis, minimizing power required from the outside, and advantageously allowing an optimum value to be quickly found through a relatively simple calculation process.
한편, 이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령이나, 이러한 프로그램 명령이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 매체의 형태로 구현될 수 있다. 상기의 판독 가능한 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있으며, 예컨대, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD, USB 드라이브와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.In addition, embodiments of the present invention as described above can be implemented in the form of a program command for performing various computer-implemented operations or a computer-readable medium in which such a program command is recorded. The readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination, for example, a magnetic medium such as a hard disk, a floppy disk and a magnetic tape, a CD- Optical media such as floppy disks, and hardware devices specifically configured to store and perform program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, many modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.
S: 하이브리드 재생에너지 시스템 11: 풍력
12: 바이오메스 13: 태양광
21: 배터리 22: 수소저장시스템
22a: 전해조 22b: 탈이온화기
22c: 수소탱크 22d: 산소탱크
22e: 워터탱크 22f: 연료전지
31: AC로드 32: DC로드
41: 정류기 42: DC/DC1 컨버터
43: DC/DC2 컨버터 44: 인버터S: Hybrid renewable energy system 11: Wind power
12: Biomes 13: Solar light
21: Battery 22: Hydrogen storage system
22a:
22c:
22e:
31: AC load 32: DC load
41: rectifier 42: DC / DC 1 converter
43: DC / DC 2 converter 44: Inverter
Claims (7)
일 단위의 전력 생산량 및 소비량에 기반하여, 파워핀치분석(Power Pinch Analysis)을 통해, 상기 수소저장시스템(22)을 제외한 시스템에서 외부로부터 공급이 필요한 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)을 산출하는 단계;
상기 최소 외부 전력 공급량(MOES) 및 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEEND)을 월 단위로 환산하고, 월 단위의 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)에 저장되는 전력(SEHT) 및 상기 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 전력(NEHT)을 산출하는 단계;
각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)의 순수 저장/필요 전력(NeEHT)을 산출하는 단계;
작동 첫해에 대해, 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)에 누적되는 전력 용량(HTEC) 및 외부로부터 공급이 필요한 외부 전력 공급량(REES)을 산출하는 단계;
작동 첫해에 외부로부터 공급이 필요한 최소 외부 전력(MEESFOY) 및 상기 수소저장시스템(22)에 저장되어 다음해 사용 가능한 과잉 전력(ASENNOY)을 산출하는 단계;
통상 작동년에 대해, 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)에 누적되는 전력 용량(HTEC) 및 외부로부터 공급이 필요한 외부 전력 공급량(REES)을 산출하는 단계; 및
통상 작동년에 대해 산출된 상기 수소저장시스템(22)의 누적 전력 용량(HTEC)에 기반하여, 상기 수소저장시스템(22)의 최적 용량(AHTEC)을 결정하는 단계;를 포함하는, 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법.A method for optimizing a hybrid renewable energy system (S) comprising a battery (21) and a hydrogen storage system (22) as energy storage means,
(MOES) required to be supplied from the outside in the system excluding the hydrogen storage system 22, and a surplus available surplus amount Calculating an electric power (AEEND);
(SE HT ) stored in the hydrogen storage system (22) at each time interval in units of months, and the power (SE HT ) stored in the hydrogen storage system Calculating a required power (NE HT ) from the system (22);
Calculating a net storage / required power (NeE HT ) of the hydrogen storage system (22) in each time interval;
Calculating, for the first year of operation, a power capacity (HTEC) accumulated in the hydrogen storage system (22) in each time interval and an external power supply amount (REES) required to be supplied from the outside;
(MEESFOY) required to be supplied from the outside in the first operation and calculating an excess power (ASENNOY) stored in the hydrogen storage system (22) for use next year;
Calculating a power capacity (HTEC) accumulated in the hydrogen storage system (22) at each time interval and an external power supply amount (REES) required to be supplied from the outside, for a normal operation year; And
Determining an optimal capacity (AHTEC) of the hydrogen storage system (22), based on a cumulative power capacity (HTEC) of the hydrogen storage system (22) calculated for a typical operating year Optimization of the system.
상기 수소저장시스템(22)에 저장되는 전력(SEHT)은, 하기 수학식 2에 의해 산출되되,
(수학식 2)
상기 수학식 2에서 SEHT ,n은 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)에 저장되는 전력, WEn는 각 시간구간에서 초과 전력, ηDC/ DC1은 DC/DC1 컨버터(42)의 효율, ηEL은 전해조(22a)의 효율을 나타내며,
상기 각 시간구간에서 초과 전력(WEn)은, 하기 수학식 1에 의해 산출되되,
(수학식 1)
상기 수학식 1에서 WEn는 각 시간구간에서 초과 전력, AEENDn은 각 시간구간에서 익일 사용 가능한 과잉 전력, MOESDC은 각 시간구간에서 최소 외부 DC전력 공급량, MOESAC은 각 시간구간에서 최소 외부 AC전력 공급량, ηdis는 상기 배터리(21)의 방전 효율, ηinv는 인버터(44)의 효율을 나타내는 것인, 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법.The method according to claim 1,
The power SE HT stored in the hydrogen storage system 22 is calculated by the following equation (2)
(2)
In SE HT, n are each a time interval in the equation (2) of the power, WE n is greater than the power in each time interval, η DC / DC1 is a DC / DC 1 converter 42 is stored in the hydrogen storage system 22 Efficiency, eta EL represents the efficiency of the electrolytic bath 22a,
The excess power (WE n ) in each time period is calculated by the following equation (1)
(1)
In the above Equation 1, WE n is the excess power in each time interval, AEEND n is the surplus available power in each time interval, MOES DC is the minimum external DC power supply in each time interval, MOES AC is the minimum external Wherein the AC power supply amount,? Dis, is the discharge efficiency of the battery (21), and? Inv is the efficiency of the inverter (44).
특정 시간구간(n)에서 최소 외부 전력 공급량(MOESn)이 이전 시간구간(n-1)의 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEENDn -1) 보다 작고, 특정 시간구간(n)에서의 최소 외부 DC전력 공급량(MOESDC ,n)이 이전 시간구간(n-1)의 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEENDn-1)보다 작은 경우, 상기 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 전력(NEHT)을 산출하기 위한 필요 DC/AC 전력(NEDC , NEAC)은, 하기 수학식 3에 의해 산출되되,
(수학식 3)
상기 수학식 3에서 NEDC ,n은 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 DC전력, MOESDC ,n은 각 시간구간에서 최소 외부 DC전력 공급량, AEENDn - 1는 이전 시간구간의 익일 사용 가능한 과잉 전력, ηdis는 배터리(21)의 충방전 효율을 나타내며, NEAC ,n은 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 AC전력, MOESAC ,n은 각 시간구간에서 최소 외부 AC전력 공급량을 나타내는 것인, 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법.The method according to claim 1,
Minimum external DC's in a specific time interval (n) at least an external power supply (MOES n), the previous time interval (n-1) next-day available over-power (AEEND n -1) smaller, a specific time interval (n) of power supply (MOES DC, n) to calculate the power (NE HT) required from the previous time period (n-1) next-day available over-power (AEEND n-1) small, the hydrogen storage system 22 than the The required DC / AC power (NE DC , NE AC ) is calculated by the following equation (3)
(3)
In the above equation (3), NE DC , n represents the required DC power from the hydrogen storage system 22 at each time interval, MOES DC , n represents the minimum external DC power supply at each time interval, AEEND n - 1 represents the previous time interval excess power, η dis available next-day represents a charge-discharge efficiency of the battery (21), NE AC, n is AC electrical power required from the hydrogen storage system 22 at each time interval, MOES AC, n is at each time interval, And the minimum external AC power supply.
특정 시간구간(n)에서 최소 외부 전력 공급량(MOESn)이 이전 시간구간(n-1)의 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEENDn -1) 보다 작고, 특정 시간구간(n)에서의 최소 외부 DC전력 공급량(MOESDC ,n)이 이전 시간구간(n-1)의 익일 사용 가능한 과잉 전력(AEENDn-1)보다 큰 경우, 상기 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 전력(NEHT)을 산출하기 위한 필요 DC/AC 전력(NEDC , NEAC)은, 하기 수학식 4에 의해 산출되되,
(수학식 4)
상기 수학식 4에서 NEDC ,n은 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 DC전력, NEAC ,n은 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 AC전력, MOESAC ,n은 각 시간구간에서 최소 외부 AC전력 공급량, AEENDn - 1는 이전 시간구간의 익일 사용 가능한 과잉 전력, ηinv는 배터리(21)의 충방전 효율, MOESDC,n은 각 시간구간에서 최소 외부 DC전력 공급량, ηinv는 인버터(44)의 충방전 효율을 나타내는 것인, 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법.The method according to claim 1,
Minimum external DC's in a specific time interval (n) at least an external power supply (MOES n), the previous time interval (n-1) next-day available over-power (AEEND n -1) smaller, a specific time interval (n) of (NE HT ) from the hydrogen storage system 22 when the power supply amount (MOES DC , n ) is greater than the next available available power (AEEND n-1 ) of the previous time period The required DC / AC power (NE DC , NE AC ) is calculated by the following equation (4)
(4)
In Equation (4), NE DC , n represents the required DC power from the hydrogen storage system 22 in each time interval, NE AC , n represents the required AC power from the hydrogen storage system 22, MOES AC , n is the minimum external AC power supply in each time interval, AEEND n - 1 is the excess power available on the next day of the previous time interval, η inv is the charging and discharging efficiency of the battery 21, MOES DC, DC power supply, eta inv , represents the charging and discharging efficiency of the inverter (44).
상기 수소저장시스템(22)의 순수 저장/필요 전력(NeEHT)은, 하기 수학식 6에 의해 산출되되,
(수학식 6)
상기 수학식 6에서 NeEHT ,n는 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)의 순수 저장/필요 전력, SEHT ,n은 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)에 저장되는 전력, NEHT ,n은 각 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)으로부터 필요한 전력을 나타내는 것인, 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법.The method according to claim 1,
The net storage / required power (NeE HT ) of the hydrogen storage system 22 is calculated by the following equation (6)
(6)
In Equation (6), NeE HT , n is the net storage / required power of the hydrogen storage system 22 in each time interval, SE HT , n is the power stored in the hydrogen storage system 22 in each time interval, NE HT , n represents the required power from the hydrogen storage system (22) at each time interval.
상기 작동 첫해에 대한 필요한 최소 외부 전력(MEESFOY)은, 상기 각 시간구간에 필요한 외부 전력 공급량(REES)를 합산하여 산출되며,
상기 작동 첫해에 대한 다음해 사용 가능한 과잉 전력(ASENNOY)은, 마지막 시간구간에서 상기 수소저장시스템(22)에 누적된 전력 용량(HTEC)을 통해 산출되는 것인, 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법.The method according to claim 1,
The minimum external power MEESFOY required for the first operation is calculated by summing the external power supply REES required for each of the time intervals,
Wherein the available excess power ASENNOY for the first time of operation is calculated via a power capacity (HTEC) accumulated in the hydrogen storage system 22 during the last time interval.
상기 수소저장시스템(22)의 최적 용량(AHTEC)은, 상기 통상 작동년에 대해 산출된 상기 수소저장시스템(22)의 누적 전력 용량(HTEC) 중 최대치로 선택되는 것인, 하이브리드 재생에너지 시스템의 최적화 방법.The method according to claim 1,
Wherein the optimal capacity (AHTEC) of the hydrogen storage system (22) is selected as the maximum of the cumulative power capacity (HTEC) of the hydrogen storage system (22) calculated for the normal operating year Optimization method.
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