KR101716959B1 - 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치 - Google Patents
에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101716959B1 KR101716959B1 KR1020150099515A KR20150099515A KR101716959B1 KR 101716959 B1 KR101716959 B1 KR 101716959B1 KR 1020150099515 A KR1020150099515 A KR 1020150099515A KR 20150099515 A KR20150099515 A KR 20150099515A KR 101716959 B1 KR101716959 B1 KR 101716959B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- power
- energy
- building
- hydrogen
- supplied
- Prior art date
Links
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 230000010354 integration Effects 0.000 title 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 82
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims abstract description 25
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 79
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 50
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 39
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 39
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 31
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 10
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 9
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 71
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 71
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 40
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 40
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 39
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 16
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 7
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000008213 purified water Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 1
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
- H02S10/10—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/46—Accumulators structurally combined with charging apparatus
- H01M10/465—Accumulators structurally combined with charging apparatus with solar battery as charging system
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
- H02S10/20—Systems characterised by their energy storage means
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
- Y02B10/10—Photovoltaic [PV]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
- Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
본 발명은 태양광 발전을 통해 수집된 전기 에너지를 수소 원료로 변환시켜 저장한 후 재사용하기 위한 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템에서, 상기 수집된 전기 에너지 및 상기 전기 에너지에 의해 수소 원료로 변환된 에너지를 통합적으로 분배하기 위한 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치에 관한 것으로서, 태양전지 모듈을 통해 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생산하는 태양광 발전 장치로부터 상기 생산된 전력을 수전하는 전력 수전부와, 상기 태양광 발전 장치에서 생산된 전력을 건물 내부의 전원으로 공급하는 전력 공급부와, 상기 건물 내부에서 요구되는 전력량을 산출하여 상기 건물 내부의 전원으로 공급하는 전력의 양을 제어하는 중앙 제어부를 포함하고, 상기 중앙 제어부는, 상기 태양광 발전 장치로부터 수전된 전력 중에서 상기 건물 내부의 전원으로 공급하고 남은 잉여 전력을 수전해 장치로 제공하며, 상기 수전해 장치에서는 상기 제공된 잉여 전력을 전기분해하여 고순도의 수소가스 및 산소가스를 생성하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광 발전을 통해 수집된 전기 에너지를 수소 원료로 변환시켜 저장한 후 재사용하기 위한 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템에서, 상기 수집된 전기 에너지 및 상기 전기 에너지에 의해 수소 원료로 변환된 에너지를 통합적으로 분배하기 위한 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치에 관한 것이다.
지구 온난화와 화석 연료의 고갈에 따른 대체 에너지의 연구 개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용 가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 유일한 대안으로 수소 에너지가 주목받고 있다. 1870년 "Jules Vernes"가 물이 미래에 연료로써 사용될 것이라 주창한 이래 물은 수소와 산소로 반복하여 이용 가능한 재생 가능성을 갖는 이상적인 수소 원료로 생각되어 왔다.
수소를 연료로 사용할 경우에 연소 시 극소량의 NOx를 제외하고는 공해물질이 생성되지 않기 때문에 현재 화석 에너지가 갖고 있는 환경 오염 문제를 해결할 수 있다. 뿐만 아니라, 무한정의 물을 원료로 하여 제조할 수 있으므로, 향후 화석에너지 고갈에 대한 궁극적인 대안으로 각광받고 있다. 이와 같이, 수소 에너지 기술은 이미 그 중요성이 국제사회에 너무나 잘 알려져 왔다.
따라서 미국, 일본, 독일을 비롯한 기술 선진국들은 21세기 에너지문제와 환경문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 거의 유일한 대안으로 수소에너지 기술의 연구에 심혈을 기울여 왔으며, 이미 상당한 성과를 거두고 있다.
한편, 현재 가장 많이 이용되는 수소의 제조기술은 화석연료를 개질(reforming)하는 것이다. 하지만 여전히 화석연료를 사용한다는 점에서 자원고갈의 문제를 해결할 수 없다. 비 화석 연료로부터 수소를 제조하는 기술로서 지금까지 가장 잘 알려져 있고, 실용화된 기술은 물 전기분해가 유일하다. 열 화학법, 광 촉매법 및 생물학적 제조방법 등의 기타 방법들은 아직까지 기초연구단계로 실용화 기술이 개발되기 위해서는 많은 문제점들을 해결해야 한다.
현재 상용화되어있는 태양력과 풍력 같은 신재생 에너지들은 태양이 비추거나 바람이 불 경우에만 생산이 가능한 비연속적인 에너지원이므로, 이를 연속적인 형태로 이용하기 위해서는 다른 수단으로 에너지를 생산/저장할 수 있어야 한다. 이에 따라 물 전기분해에 의한 수소제조가 가장 바람직한 전력저장 수단으로 평가되고 있다.
물 전기분해에 의한 수전해 방법 중 하나로 전해질로 고체고분자전해질막을 사용하는 방법(고분자전해법, Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis, PEM Electrolysis)있다. 이 방법에 사용되는 막은 알카라인 물 전기분해의 격막과 같이 생성된 가스를 분리하며, 수소 이온을 양극에서 음극으로 이동하는 이온교환역할도 한다. 한편, 각 전극에서의 반응은 아래와 같다.
음극(Cathode) : 4H+ + 4e- → 2H2
양극(Anode) : 2H2O → 4H+ + 4e- + O2
상기 방법은 전해질이 안정되고, 셀 구조가 단순하며, 순수한 물을 사용하기 때문에 부식성의 전해질이 없다. 알카라인 물 전기분해와 비교하여 높은 전류밀도에서 운전이 가능하고, 장치의 효율이 높다.
고분자전해법은 작동온도를 수백 bar까지 설계할 수 있고, 이동식과 고정식의 시스템 둘 다 가능하다. 하지만 설치비용이 많이 들고 낮은 용량을 가지는 단점이 있다. 뿐만 아니라 효율성이 낮고, 수명이 짧은 단점이 있다. 따라서 고체고분자전해질 물 전기분해법은 알카라인 물 전기분해법만큼 개발이 되어 있지 않다.
마지막으로 고온수증기를 이용한 물 전기분해(High Temperature Electrolysis; HTE)는 물 분해에 필요한 에너지 중 전기에너지에 해당하는 이론 분해전압이 고온에서 저하되는 현상을 활용한 방법이다. 고온(700 ℃ 이상)에서 전기분해가 일어나므로 필요한 전기에너지를 적게 사용하여 고효율의 물 분해가 가능하다. 또한 전해질이 고체이므로 알카라인 물전기분해와는 달리 전해액의 보충이 불필요하며, 부식의 문제가 없으므로 유지보수가 용이하다. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 역반응이어서 SOFC의 기초기술로 활용이 가능하다. 하지만 고온에서 사용할 수 있는 고체전해질의 개발이 필요하며, 아직까지도 기초연구 단계에 머물러 있다.
따라서, 태양력과 풍력 같은 신재생 에너지들을 다른 수단으로 저장함으로써 연속적인 형태로 이용하기 위한 효과적인 방법의 필요성이 요구되고 있으며, 다양한 형태로 생성된 신재생 에너지와 상기 신재생 에너지로부터 저장된 에너지를 통합하여 분배하기 위한 장치나 방법 또한 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 신재생 에너지의 단위 기술들을 통합함으로써 신재생 에너지들을 연속적인 형태로 이용할 수 있는 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 태양광 발전에서 얻은 전기를 수전해 장치를 통해 수소 및 산소로 변환시키고, 압축 및 저장된 수소와 산소를 다시 연료 전지를 통해 전기로 변환함으로써 자연 에너지만으로도 필요한 에너지의 공급이 가능한 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 태양광 발전에서 얻은 전기와 상기 태양광 발전에서 얻은 전기를 수처리 장치를 통해 연료 전지에 변환하여 저장된 전기를 통합하여 효율적으로 분배하기 위한 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치는, 태양전지 모듈을 통해 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생산하는 태양광 발전 장치로부터 상기 생산된 전력을 수전하는 전력 수전부와, 상기 태양광 발전 장치에서 생산된 전력을 건물 내부의 전원으로 공급하는 전력 공급부와, 상기 건물 내부에서 요구되는 전력량을 산출하여 상기 건물 내부의 전원으로 공급하는 전력의 양을 제어하는 중앙 제어부를 포함하고, 상기 중앙 제어부는, 상기 태양광 발전 장치로부터 수전된 전력 중에서 상기 건물 내부의 전원으로 공급하고 남은 잉여 전력을 수전해 장치로 제공하며, 상기 수전해 장치에서는 상기 제공된 잉여 전력을 전기분해하여 고순도의 수소가스 및 산소가스를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 수전해 장치에서 발생된 수소가스 및 산소가스를 압축 및 저장 장치에 고압으로 압축 및 저장하도록 제어하고, 상기 압축 및 저장 장치로부터 연료전지로 상기 수소가스 및 산소가스를 공급하여 전력을 생산하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 태양광 발전 장치로부터 생산되는 전력이 상기 건물 내부에서 요구되는 설정된 전력 수준 이하일 경우 상기 연료 전지에서 생산된 전력을 상기 건물 내부로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 통합 전원 분배 장치는, 상기 수전해 장치, 상기 압축 및 저장 장치, 상기 연료 전지 및 상기 건물로부터 각각의 데이터를 수집하는 데이터 수신부와, 상기 데이터 수신부를 통해 수신된 각각의 데이터를 중앙 모니터링 장치로 전송 가능하도록 변환시키는 신호 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 통합 전원 분배 장치는, 상기 연료 전지에서 발전되는 전압을 상기 건물에 공급하는 전압의 수준까지 상승시키기 위한 전압 승압부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 통합 전원 분배 장치는, 상기 건물 내부의 전원으로 공급하고 남은 잉여 전력이 상기 수전해 장치와 상기 압축 및 저장 장치를 가동하는데 필요한 전력보다 작을 경우, 상기 잉여 전력을 상용 전력 기관 그리드로 전송하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 통합 전원 분배 장치는, 상기 건물 내부의 전원으로 공급하고 남은 잉여 전력이 상기 수전해 장치를 가동시킬 수 있는 전력이고, 상기 압축 및 저장 장치의 가동은 불가능할 경우, 상기 잉여 전력에 의해 상기 수전해 장치를 가동시켜 수소 가스를 생성하고, 상기 생성된 수소 가스를 버퍼 탱크에 임시 저장하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 물을 전기분해하여 수소를 생산함에 있어서, 전해조를 태양광이나 풍력발전과 같은 신새생에너지로 구동함으로써 탄산가스의 배출을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 태양광 에너지로부터 생산한 수소와 산소 시스템과 연료전지는 폐쇄된 시스템이기 때문에 반응물이나 생성물 중 어떠한 것도 대기환경을 오염시키지 않는 장점이 있다.
또한, 전해조에 의해 소비된 물은 기체로 전환되고, 기체는 다시 물로 전환되며, 태양전지에 의해 생산된 전기에너지는 기체의 화학에너지로 전환된다. 이들 기체는 저장되고 운송되면서 다시 전기로 전환된다. 따라서, 본 발명에 따른 시스템은 지속적이며 햇빛이 있는 한 언제 어디서든 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 수전해에서 발생되는 산소를 대기중의 산소 대신 연료전지에 공급하여 효율을 높이고, 수소와 산소의 반응으로 생긴 물 또한 수전해 시스템으로 공급함으로써 물자원의 절약이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 태양광 에너지로부터 생산한 전력과 상기 태양광 에너지로부터 저장된 연료전지의 에너지를 통합 전원 분배 장치를 통해 통합하여 효율적으로 분배함으로써 에너지 사용의 효율을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통합 전원 분배 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통합 전원 분배 장치에서의 전원 분배 절차를 나타내는 흐름도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 원리를 나타내는 도면이며,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치의 구현예를 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압축 및 저장 장치의 구현예를 나타내는 도면이며,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치 및 연료 전지의 연계를 나타내는 도면이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 중앙 모니터링 장치의 지능형 홈 네트워크 구성을 나타내는 도면이며,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 중앙 모니터링 장치의 디스플레이 화면을 나타내는 도면이고,
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 실증 운전에 의해 산출된 결과 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통합 전원 분배 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통합 전원 분배 장치에서의 전원 분배 절차를 나타내는 흐름도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 원리를 나타내는 도면이며,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치의 구현예를 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압축 및 저장 장치의 구현예를 나타내는 도면이며,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치 및 연료 전지의 연계를 나타내는 도면이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 중앙 모니터링 장치의 지능형 홈 네트워크 구성을 나타내는 도면이며,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 중앙 모니터링 장치의 디스플레이 화면을 나타내는 도면이고,
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 실증 운전에 의해 산출된 결과 데이터를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
화석연료의 고갈이라는 극한 상황에서 무한에너지를 이용할 수 있는 에너지변환기술은 에너지 문제 및 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 대안이 될 수 있다. 연료전지 기술은 외부에서 수소/산소를 공급하는 동안 안정적으로 에너지를 변환할 수 있는 효율은 높은 에너지변환장치이다.
따라서, 본 발명에서는 신재생 에너지의 단위 기술들을 통합함으로써 신재생 에너지들을 연속적인 형태로 이용할 수 있는 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 제안하며, 특히 태양광 발전에서 얻은 전기를 수전해 장치를 통해 수소 및 산소로 변환시키고, 압축 및 저장된 수소와 산소를 다시 연료 전지를 통해 전기로 변환함으로써 자연 에너지만으로도 필요한 에너지의 공급이 가능한 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 제안한다.
이때, 본 발명에서는 통합 전원 분배 장치를 통해 상기 태양광 발전에서 얻은 전기와 연료 전지에 저장된 전기를 통합하여 관리하고, 각 생산된 에너지를 효율적으로 분배할 수 있는 통합 전원 분배 장치 및 분배 방법을 제안한다.
즉, 본 발명에 따른 시스템은 이러한 단위 기술들을 통합하는 시스템으로서, 태양광 발전에서 얻은 전기를 수전해 장치를 통해 수소와 산소로 변환하고 압축 및 저장된 수소와 산소를 다시 연료전지를 통해 전기로 변환하여 가정에 공급하는 에너지 순환형 시스템이다. 본 발명의 실시예에 따라 일사량이 발생될 때 예컨대, 최대 20킬로와트(kW)까지 생산되는 태양광 발전 시스템의 전력을 현재 가정에서 사용되는 전력만큼만 가정에 우선 공급하고 나머지 잉여 전력은 수전해 시스템에 공급하여 예컨대 최대 시간당 2N㎥의 수소와 1N㎥의 산소를 생산할 수 있게 된다.
이와 같이 생산된 수소와 산소는 압축을 위한 버퍼 탱크(buffer tank)에 일단 저장된 후 압축장치와 부스터를 통해 예컨대 약 100bar의 고압으로 압축되어 고압 저장용기에 예컨대, 수소 최대 35N㎥, 산소 최대 13N㎥까지 저장하게 된다.
이때, 상기 저장된 수소와 산소는 태양광이 없는 야간에는 연료 전지 시스템에 공급하게 되며, 시간당 최대 1킬로와트(kW)의 전기를 생산하여 주택 또는 건물 등(예컨대, 그린홈)에 공급 활용한다.
따라서, 본 발명에 따른 하이브리드 전력 공급 시스템은 태양광과 같은 자연에너지만으로 가정에 필요한 에너지를 조달하도록 하며 이를 대단위로 집단화하여 운영할 경우 그린빌리지 나아가 그린시티로 확장 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시스템은, 태양광 발전 장치(100), 태양광 발전 전기로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해 장치(120)(예컨대, PEM형 수소제조장치), 생산된 저압의 수소와 산소를 고압으로 저장하기 위한 수소/산소 압축 및 저장 장치(130), 상기 저장된 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하기 위한 수소 연료 전지(140), 주택 또는 건물 내의 전기사용량 변동에 맞게 전력 공급을 통제하는 통합 전원 분배 장치(150) 및 지능형 홈 시스템과 더불어 전체 시스템의 상태를 모니터링 하는 중앙 모니터링 장치(160) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 상기 본 발명의 실시예에 따른 전력 공급 시스템을 구성하는 각 장치의 세부 기능들을 상세히 설명한다.
상기 통합 전원 분배 장치(150)는 태양광 발전 장치(100)의 발전 전력을 공급받아 수전해 장치(120), 수소/산소 압축 및 저장 장치(130), 연료 전지(140) 및 주택/건물(180) 등에 소요되는 전력 공급을 제어하며, 각 장치들에서 소비하고 남은 잉여 전력은 상용 전력 기관 그리드(170)(예컨대, 한국 전력 그리드 등)로 송전하는 기능을 수행한다.
또한, 상기 각 장치들에서 소요되는 전력을 분배하며, 각 장치들에서 받은 아날로그 및 디지털 신호를 중앙 모니터링 장치(160)와 통신 가능하게 신호를 변환시키는 기능을 수행한다. 아울러, 상기 연료 전지(140)에서 발전되는 전압을 주택/건물(180) 등에서 소비할 수 있는 전압까지 상승시키는 수단을 구비하며, 각종 구성 시스템의 운전 정지 명령 및 상태 감시, 각종 데이터의 수집, 통신, 모니터링, 기록 등 제어시스템을 총괄하는 기능을 수행할 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 전력 공급 시스템이 가동되면, 태양광 발전 장치(100)에서 발생된 직류 전력은 인버터 장치(110)를 통해 교류 전력으로 변환되며, 통합 전원 분배 장치(150)를 통해 주택/건물(180)에 우선적으로 공급된다. 이때, 상기 주택/건물(180)에서 우선적으로 소비되고 남은 잉여전력은 수전해 장치(120)와 압축 및 저장 장치(130)로 제공된다. 이때, 잉여 전력량이 상기 수전해 장치(120)와 압축 및 저장 장치(130)를 가동하는데 필요한 전력보다 작을 경우에는 상용 전력 기관 그리드(170)로 전송할 수 있다.
반면, 잉여 전력량이 수전해 장치(120)는 가동시킬 수 있으나, 압축 및 저장 장치(130)의 가동은 불가능할 경우, 상기 수전해 장치(120)에서 생산되는 수소 가스(예컨대, 약 8바(bar)의 수소 가스)는 버퍼 탱크(미도시)에 저장하게 되고 버퍼 탱크에 저장된 수소는 필요에 따라 연료 전지(140)로 제공된다.
한편, 상기 수전해 장치(120)에서 생산되는 수소량도 통합 전원 분배 장치(150)에서 전류량 조절을 통해 수소 생산량을 조절하여 압축 및 저장 장치(130)로 보내며, 상기 압축 및 저장 장치(130)에 저장된 저압 수소와 고압 수소는 주택/건물(180)의 에너지 부하 변동을 상기 통합 전원 분배 장치(150)에서 모니터링하여 연료 전지(140)로 제공된다.
또한, 상기 통합 전원 분배 장치(150)는 에너지의 흐름을 제어하는 기능을 수행함과 동시에 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 시스템을 구성하는 각 장치들의 에너지 소비량도 측정하게 된다. 이와 같이, 상기 통합 전원 분배 장치(150)는 에너지의 생산과 분배, 소비 과정들을 복합적이고 효율적으로 관리하는 기능을 수행한다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 상기 통합 전원 분배 장치(150)를 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통합 전원 분배 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 통합 전원 분배 장치(150)는 통신 I/F(Interface)부(210), 전력 수전부(220), 신호 변환부(230), 중앙 제어부(240), 전력 공급부(250), 데이터 수신부(260) 및 전압 승압부(270)를 포함하여 구성될 수 있다.
태양광 발전 장치(100)를 통해 생성된 직류 전력은 인버터 장치(110)를 통해 교류 전력으로 변환되며, 상기 교류로 변환된 전력은 통합 전원 분배 장치(150)의 전력 수전부(220)에서 수전된다. 한편, 상술한 바와 같이 상기 태양광 발전 장치(100)로부터 공급받은 전력은 중앙 제어부(240)의 제어에 따라 주택/건물(180)로 제공되거나, 각 처리 장치들(예컨대, 수전해 장치(120), 압축 및 저장 장치(130), 연료 전지(140) 등) 또는 상용 전력 기관 그리드(170) 등으로 제공될 수 있다.
즉, 상기 중앙 제어부(240)는 상기 태양광 발전 장치(100)로부터 공급받은 전력을 전력 공급부(250)를 통해 수전해 장치(120), 압축 및 저장 장치(130), 연료 전지(140) 또는 주택/건물(180) 등으로 공급되도록 제어하며, 상기 각 장치에서 소비하고 남은 잉여 전력은 상용 전력 기관 그리드(170)로 송전한다.
또한, 데이터 수신부(260)에서는 상기 수전해 장치(120), 압축 및 저장 장치(130), 연료 전지(140) 또는 주택/건물(180) 등으로부터 아날로그 또는 디지털 신호를 수신하고 중앙 모니터링 장치(160)에서 수신 가능하도록 신호 변환부(230)를 통해 변환한 후 상기 통신 I/F부(210)를 통해 상기 중앙 모니터링 장치(160)로 전송한다.
또한, 상기 전압 승압부(270)에서는 연료 전지(140)로부터 제공된 전압을 주택/건물(180) 등에서 사용할 수 있는 전압까지 상승시키는 기능을 수행한다.
이하, 도 3을 참조하여 상기 통합 전원 분배 장치(150)의 중앙 제어부(240)에서 수전된 전류를 전송 및 분배하고, 각 장치를 제어하는 절차를 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통합 전원 분배 장치에서의 전원 분배 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 먼저 태양광 발전 장치(100)에서 생산(S301)된 전력은 그린홈(즉, 주택/건물(180))에 전송(S302)한다.
이때, 상기 통합 전원 분배 장치(150)에서는 상기 주택/건물(180) 등에 전송하고 남은 잉여 전력이 상기 수전해 장치(120)를 가동할 수 있을 만큼의 전력인지를 판단한다. 상기 판단 결과, 잉여 전력으로 상기 수전해 장치(120)를 가동할 수 없을 경우 상기 잉여 전력을 상용 전력 기관 그리드(170)로 전송한다.
반면, 상기 판단 결과 잉여 전력으로 상기 수전해 장치(120)를 가동할 수 있을 경우, 압축 및 저장 장치(130)까지도 가동이 가능한 지 여부를 판단한다. 상기 판단 결과, 상기 잉여 전력으로 압축 및 저장 장치(130)까지 가동이 가능할 경우, 상기 잉여 전력으로 상기 수전해 장치(120)와 압축 및 저장 장치(130)를 가동시키고, 전력을 생산하여 연료 전지(140)에 저장(S307)시킨다. 상기 연료 전지(140)에 저장된 전력은 상기 태양광 발전 장치(100)로부터의 전력 공급이 부족할 경우(예컨대, 밤 시간 또는 흐린 날씨 등) 상기 저장된 전력을 주택/건물(180)로 공급하게 된다.
한편, 상기 판단 결과, 상기 잉여 전력으로 압축 및 저장 장치(130)까지는 가동이 불가능할 경우, 상기 잉여 전력으로 수전해 장치(120)만을 가동(S308)시킨다. 상기 수전해 장치(120)의 가동에 의해 수소 가스가 생성되면, 상기 생성된 수소 가스를 버퍼 탱크(280)로 임시 저장(S309)한다. 그런 다음, 향후 잉여 전력이 발생하여 압축 및 저장 장치(130)까지 가동이 가능할 경우, 상기 버퍼 탱크(180)에 저장된 수소 가스를 압축 및 저장한 후, 연료 전지(140)에 공급하게 된다.
또한, 상기 연료 전지(140)에 저장된 전력은 통합 전원 분배 장치(150)의 제어에 따라 인버터 장치(110)를 통해 교류 전력으로 변환되고, 상기 변환된 전력은 주택/건물(180) 등에 공급될 수 있다.
상기 태양광 발전 장치(100)는 태양광 에너지를 태양전지 모듈을 통하여 예컨대, 최대 출력 20킬로와트(kW)의 전력을 생산하며, 주택/건물(그린홈)(180)과 수전해 장치(120)에 전력을 공급한다.
상기 태양광 발전 장치(100)의 기본 원리는 도 4에 도시된 바와 같이 P형과 N형 반도체의 PN 접합 구조를 가진 태양전지판에서 태양광에 의하여 발생된 전자와 정공이 각각 P극과 N극으로 이동함으로써 양극 사이에서 발생하는 전위차, 즉 전압을 태양전지판에 전기를 소비하는 매개체를 연결하여 전류가 흐르도록 한다.
예컨대, 상기 태양광 발전 장치(100)는 열 개의 가로 배열과 열 개의 세로 배열에 의한 117매의 태양전지판으로 구성된 태양전지모듈, 최대 출력 20킬로와트급 태양전지 접속반, 태양전지 접속반에서 인버터로 전력을 분배하는 전력 분배함, 최대 출력 20킬로와트(kW) 시스템 전력 공급용 인버터, 태양전지모듈을 지지하는 지지판 및 구조물, 모니터링을 위한 전압/전류 센서 등으로 구현될 수 있다.
상기 태양광 발전 장치(100)에서는 태양으로부터 받는 빛이 태양전지모듈 각각의 태양전지판으로부터 직류 전력으로 발생되어 태양전지 접속반으로 공급된다. 이때, 상기 태양전지 접속반을 거친 태양광발전 직류 전력은 전력 분배함을 통과하여 예컨대, 최대 출력 20킬로와트(kW)급 인버터 입력단자로 분배된다.
상기 전력 분배함을 통해 분배된 직류 전력은 계통 연계형 인버터 장치(110)를 거쳐 교류 전력으로 변환되며, 20킬로와트(kW)급 상용 전력은 우선적으로 주택/건물(180) 등에 공급되고, 남는 잉여 전력은 수전해 장치(120)로 공급된다. 이때, 상기 수전해 장치(120)를 통해 생산된 수소와 산소는 각각의 배관을 따라 압축 및 저장 장치(130)로 공급된다.
한편, 상기 수전해 장치(120) 및 주택/건물(그린홈)(180)에 공급되는 전력이 소비되고도 남은 잉여 전력은 상용 전력 기관 그리드(예컨대, 한국 전력 그리드)(170)와 연계된 송전 선로를 통해 송전 되며 부족분의 전력은 상기 상용 전력 기관 그리드(170)로부터 전력을 공급받게 된다.
또한, 태양광 발전 장치(100)의 효율적인 운영을 위하여 관련 데이터인 발전 전력, 전압, 전류, 현재 출력량, 금일 발전량, 누적 발전량, 일사량, 모듈온도, 외기온도 등을 모니터링하여 장치를 용이하게 감시 관리할 수 있다.
수전해 장치(120)는 상기 태양광 발전 장치(100)를 통해 생성된 전기로 물을 전기분해하여 99.9% 이상 고순도 수소와 산소를 발생시킨다. 상기 수전해 장치(120)의 기본 원리는 전기화학 반응에 의해 물이 분해되어 양극에는 산소분자와 수소이온 그리고 전자가 생성되며, 음극으로 이동한 수소 이온은 전기화학적으로 전자와 결합하여 수소분자가 생성되는 것이다.
상기 수전해 장치(120)는 물의 전기분해가 일어나는 전해조와 전해조에 직류 전원을 공급하는 전원 공급부, 전해조에 물을 공급함과 동시에 발생된 산소와 물을 분리하는 순수 탱크, 발생된 기체와 수소를 저장하기 위한 수소 탱크, 물을 순환시키기 위한 순환 펌프, 정수된 물을 공급시키기 위한 순수 공급 펌프, 수소가스 정제시스템, 수분제거시스템, 안전을 위한 계측시스템 등을 포함하여 구현될 수 있다.
상기 수전해 장치(120)의 구동은 도 5를 참조하면, 먼저 전해조 내부에 정수된 물이 공급되고, 직류 전원 공급장치로부터 전력을 공급받아 전해조 내부의 핵심 부품인 막전극 접합체의 전극 촉매층에서 전기화학반응에 의하여 양극에서는 산소가스가 발생하며, 음극에서 수소가스가 발생하게 된다.
이와 같이 생성된 수소가스는 수소배관라인을 통해 수소 탱크 내에서 1차 수분이 제거되며, 냉각 장치와 기액 분리기를 통해 2차 수분제거가 이루어지고 마지막 드라이어에서 3차 수분제거를 통하여 예컨대, 순도 99.9퍼센트(%), 압력 약 8 bar의 2N㎥ 수소가 생산된다. 그리고, 상기 생성된 산소는 순수탱크에서 1차 수분 제거후 기액 분리기를 통해 2차 수분제거가 이루어지고 마지막 드라이어에서 3차 수분제거를 통하여 예컨대, 순도 99.9퍼센트(%), 압력 약 2bar의 대기압의 1N㎥ 산소가 생산된다.
또한, 수소 산소의 혼입에 의한 폭발을 방지하기 위하여 수소 감지센서가 설치되며, 장치 내부에 기준량 이상의 수소가 혼입된 것이 감지되면 경보를 울리고 시스템이 자동 정지되게 된다. 그 외에도 각종 계측시스템 및 각종 압력조절 밸브가 설치되어 장치의 안전하고 원활한 운전을 제어하며 지원할 수 있다.
압축 및 저장 장치(130)는 상기 수전해 장치(120)에서 발생된 수소가스와 산소가스를 100bar의 고압으로 압축 및 저장하며 필요시 연료 전지(140)로 공급하는 기능을 수행한다. 따라서, 상기 압축 및 저장 장치(130)는 도 6에 도시된 바와 같이 수소압축저장패키지, 산소압축저장패키지, 제어시스템, 가스분석시스템, 가스 및 화염감지시스템, 각종 안전장치 등을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 내부 폭발 시 외부가 안전하도록 설계된 방호벽 시설 내에 설치된 수소 압축 저장 패키지가 가동되면 예컨대, 최대 2루베의 저압수소를 저장할 수 있는 버퍼탱크에 저장된 약 6bar의 저압수소가 수소 압축기 내의 다이어프램 상부로 흡입되고, 이때 수소압축기 내 모터 구동력에 의한 피스톤 왕복 운동으로 구동 오일을 압축기 내 다이어프램 하부로 밀어낸다. 그러면 상기 다이어프램의 상부로 흡입된 저압 수소는 약 100bar의 고압 수소로 압축되는 원리로 고압 수소는 예컨대, 41.6리터 9개의 고압저장탱크에 저장됩니다.
또한, 외부가 안전하도록 설계된 방호벽 내에 설치된 산소압축저장패키지가 가동되면 수전해 장치(120)로부터 발생하는 산소가스가 압력 2bar의 압력으로 1차 가스부스터에 흡입되며 흡입된 저압산소는 주입되는 에어 구동력에 의한 피스톤 왕복 운동을 통해 5bar까지 압축 후 2차 가스부스터에서 1차 가스부터의 동일한 원리로 100bar까지 압축하는 원리로 동작한다. 이때, 압축된 고압 산소는 예컨대, 3개의 41.6리터 고압저장탱크에 저장된다. 또한, 상기 압축 및 저장 장치(130)의 제어부에서는 압축하는 동안 수소 및 산소압축기에 부착된 각각의 계기를 통하여 가스와 오일의 압력과 온도, 가스 누설 등을 모니터링하여 이상시 경보와 자동정지 기능을 수행함으로써, 비정상적인 운전을 방지하도록 구현된다. 아울러, 그 밖에도 수소 가스 누설을 감지하여 통합 전원 분배 장치(150)등으로 신호를 보내는 가스 및 화염감지시스템, 고압의 수소/산소 가스를 적당량의 유량으로 조절하여 연료 전지(140)에 공급하는 수소/산소 가스제어 판넬을 포함할 수 있다.
한편, 주택/건물(그린홈)(180)에 필요한 소비전력을 공급하기 위해 연료 전지(140)가 가동되면 필요 압력과 필요량만큼 저장된 수소가스와 산소가스가 토출 되어 연료 전지(140)의 수소와 산소 공급 배관라인으로 흘러가게 된다.
상기 연료 전지(140)는 수소/산소 가스 압축 및 저장 장치(130)에서 공급되는 수소와 산소를 이용하여 예컨대, 시간당 1킬로와트(kW)의 전력과 온수를 생산할 수 있다.
상기 연료 전지(140)의 기본 원리는 수전해 장치(120)에서 일어나는 전기화학반응의 역반응으로 스택 내에서의 수소가스와 산소가스의 전기화학반응에 의하여 전기와 온수를 생산하게 된다. 상기 연료 전지(140)는 도 7에 도시된 바와 같이 연료인 수소와 산소가스를 공급할 수 있는 수소공급계, 산소공급계, 공급된 수소와 산소가 전기화학 반응에 의해 전기, 온수를 생성시키는 핵심 부품인 스택 및 주변장치의 적정 온도를 유지시키는 열관리계, 스택에서 발생된 열을 외부의 난방보조로 사용할 수 있게 하기 위한 외부 열교환계, 연료전지 스택에서 발생된 물을 수거하기 위한 기/액 분리기 및 수거된 물을 수전해 장치(120)로 다시 공급하기 위한 물 공급계로 구성될 수 있다.
먼저, 연료 전지(140)를 동작시키기 위해서는 연료 전지(140) 상단의 기동 버튼(Start signal)을 인가하고, 연료전지 시스템 내에 장착된 내부 축전지에 의해 반응가스 공급 밸브를 열게 되면, 스택 내부로 수소, 산소가 들어가게 되고 양극에 공급된 수소는 수소 이온과 전자로 분리된다. 이때, 상기 분리된 수소 이온은 전해질층을 통해 음극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 음극으로 이동한다. 한편, 음극에서는 산소 이온과 수소 이온이 만나 반응 생성물인 전기와 물 그리고 열이 생성된다.
상기 스택이 기동 되면 모든 전기는 스택에서 발생된 전기를 이용하여 장치 자체의 소요 전원 및 외부로 1킬로와트(kW)의 전기를 공급할 수 있는 상태가 된다. 이때, 시스템이 정상 상태에서는 1킬로와트(kW)의 전기와 발생되는 열을 난방보조로 사용할 수 있도록 설계될 수 있다. 또한. 외부로 전기를 공급하는 경우 1킬로와트(kW) 범위 내에서 소비전력 변화에 따른 전기 공급이 가능하고 그에 따른 반응가스의 공급은 발생 되는 전기에 연동되어 자동 공급되며 연료 전지(140)에서 발생된 온수는 외부의 열교환기를 통해 난방보조로 사용할 수도 있다. 본 발명의 실시예에 따라 연료 전지(140)의 효율은 공급되는 수소에너지 대비하여 외부로 1킬로와트(kW) 전기를 공급할 때 매우 높은 효율을 보임을 알 수 있다.
주택/건물(그린홈)(180)은 상술한 연료 전지(140)로부터 시간당 1킬로와트(kW)의 전원을 공급 받아 도 8에 도시된 바와 같이 근거리 무선 통신방식 또는 원거리 통신방식을 통해 홈서버 및 게이트웨이, 각종 조명 및 센서, 가전기기 등 전원 소비를 필요로 하는 각종 기기들에 전원을 공급하고 지능적으로 제어하며 사용이 가능하게 한다.
예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이 대표적인 버스 구조 방식의 근거리통신망인 이더넷을 통하여 지능형 홈 네트워크를 구성하는 것이 가능하며, 생활 가전 기기는 원거리 통신방식을 통해 원격 제어하며 생활 가전 기기 외의 요소들은 근거리 무선 통신방식을 통해 제어하게 된다.
주택/건물(180) 내 홈서버와 터치스크린 월패드간 통신을 구축하고, 일반 입주자는 터치스크린 월패드를 통해 에너지 및 환경 정보 감시 및 모니터링, 실내외 환경에 적합한 자동 조명 관리, 실내 냉난방 및 환경관리, TV, 에어컨, 세탁기, 냉장고 등의 생활 가전기기 원격 제어, 방문자 및 침입자 관리 등의 원격 보안시스템 운용 등 다양한 정보를 모니터링을 통하여 감시하고 볼 수 있으며 제어할 수 있다.
한편, 상기 수전해 장치(120)를 통해 생성된 산소는 주택 또는 건물(180)의 공조 시스템(190)으로 공급되어, 주택 또는 건물 내부의 산소 공급에 재활용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 중앙 모니터링 장치(160)의 디스플레이 화면을 나타내는 도면이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 중앙 모니터링 장치(160)는 각종 장치들(압축 및 저장 장치(130), 태양광 발전 장치(100), 수전해 장치(120), 주택/건물(그린홈)(180), 연료 전지(140), 전압 부스터(VOLTAGE BOOSTER)(미도시), IPD(미도시) 등)로부터 수집된 데이터를 디스플레이한다.
이때, 주 화면 및 보조 화면에 대한 화면 분할, 구성 등을 다양하게 설정할 수 있다. 예컨대, 주 화면에 나타나는 각 부분의 아이콘을 터치하면 각 부분의 상세 흐름도와 각종 필요한 데이터가 디스플레이될 수 있으며 필요한 데이터를 출력하는 것도 가능하다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 실증 운전에 의해 산출된 결과 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 10은 중앙 모니터링 장치(160)에 의한 실증 운전(24시간)에 따른 데이터로서, 예컨대 20kW급 태양광 발전 시스템에 의한 실증 운전 데이터를 나타낸 것이다. 도 10을 참조하면, 해가 뜬 후 오전 7시경부터 태양광 발전이 시작되어 오전 11시에서 오후 2시까지 가장 높은 발전량을 보였다. 한편, 날씨가 흐린 날이나 비가 오는 날에도 태양광 발전량은 0.5~2kW를 발생하고 있으며 수전해 장치는 가동하지 못하나 테스트 홈의 소비전력에는 충분한 전력량을 공급하고 있음을 알 수 있다.
도 11은 실증 운전에 따른 태양광 모니터링 데이터로서, 그린 홈(즉, 건물 또는 주택)의 하루 총 전력 소모를 나타낸 데이터이다. 도 11을 참조하면, 아침, 점심, 저녁식사 시간에 각종 가전기기의 작동으로 전력 소모가 타 시간대에 비해서 높으며 사람이 없는 시간대에는 0.3~0.5kW의 전력을 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 통상 가정집의 사람들이 자는 시간인 23시 이후로는 전력소모가 줄어들어 아침까지 0.3kW의 소모전력을 나타내며 저녁 6시 이후로는 1kW 연료전지를 통해서 전력을 공급받게 된다. 한편, 데이터에서 순간적으로 3kW이상의 부하를 보인 것은 전력소모가 높은 가전기기의 순간적인 작동으로 인한 부하이며 지속적으로 3kW이상의 전력소모가 이루어진 것은 아니다.
도 12는 실증 운전에 따른 그린 홈 전력 소모(24시간 기준)를 나타내며, 중앙 모니터링 장치(160)에서의 실증 운전(500시간)에 따른 종합 데이터이다.
상기 도 12에 따르면, 연료 전지 전력 생산량 테스트 결과 홈 소비 전력의 37%가 공급되며, 500시간 총 전기 생산량은 태양광 발전량(1,338kW), 연료전지(126kW) 등으로 나타남을 알 수 있다. 이때, 500시간 총 테스트 홈 전기 소모량은 334kW 이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 태양광 발전 장치 110 : 인버터 장치
120 : 수전해 장치 130 : 압축 및 저장 장치
140 : 연료 전지 150 : 통합 전원 분배 장치
160 : 중앙 모니터링 장치 170 : 상용 전력 기관 그리드
180 : 주택 또는 건물(그린홈) 190 : 공조 시스템
210 : 통신 I/F부 220 : 전력 수전부
230 : 신호 변환부 240 : 중앙 제어부
250 : 전력 공급부 260 : 데이터 수신부
270 : 전압 승압부 280 : 버퍼 탱크
120 : 수전해 장치 130 : 압축 및 저장 장치
140 : 연료 전지 150 : 통합 전원 분배 장치
160 : 중앙 모니터링 장치 170 : 상용 전력 기관 그리드
180 : 주택 또는 건물(그린홈) 190 : 공조 시스템
210 : 통신 I/F부 220 : 전력 수전부
230 : 신호 변환부 240 : 중앙 제어부
250 : 전력 공급부 260 : 데이터 수신부
270 : 전압 승압부 280 : 버퍼 탱크
Claims (7)
- 태양전지 모듈을 통해 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생산하는 태양광 발전 장치로부터 상기 생산된 전력을 수전하는 전력 수전부와, 상기 태양광 발전 장치에서 생산된 전력을 건물 내부의 전원으로 공급하는 전력 공급부와, 상기 건물 내부에서 요구되는 전력량을 산출하여 상기 건물 내부의 전원으로 공급하는 전력의 양을 제어하고, 상기 태양광 발전 장치로부터 수전된 전력 중에서 상기 건물 내부의 전원으로 공급하고 남은 잉여 전력을 수전해 장치로 제공하며, 상기 수전해 장치에서는 상기 제공된 잉여 전력으로 물을 전기분해하여 수소가스 및 산소가스를 생성하는 중앙 제어부를 포함하여 이루어진 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치에 있어서,
상기 중앙 제어부는,
상기 수전해 장치에서 발생된 수소가스 및 산소가스를 압축 및 저장 장치에 고압으로 압축 및 저장하도록 제어하고, 상기 압축 및 저장 장치로부터 연료전지로 상기 수소가스 및 산소가스를 공급하여 전력을 생산하도록 제어하고,
상기 통합 전원 분배 장치는,
상기 수전해 장치, 상기 압축 및 저장 장치, 상기 연료 전지 및 상기 건물로부터 각각의 데이터를 수집하는 데이터 수신부와,
상기 데이터 수신부를 통해 수신된 각각의 데이터를 중앙 모니터링 장치로 전송 가능하도록 변환시키는 신호 변환부를 더 포함하고,
상기 통합 전원 분배 장치는,
상기 건물 내부의 전원으로 공급하고 남은 잉여 전력이 상기 수전해 장치와 상기 압축 및 저장 장치를 가동하는데 필요한 전력보다 작을 경우, 상기 잉여 전력을 상용 전력 기관 그리드로 전송하도록 제어하고,
상기 통합 전원 분배 장치는,
상기 건물 내부의 전원으로 공급하고 남은 잉여 전력이 상기 수전해 장치를 가동시킬 수 있는 전력이고, 상기 압축 및 저장 장치의 가동은 불가능할 경우, 상기 잉여 전력에 의해 상기 수전해 장치를 가동시켜 수소 가스를 생성하고, 상기 생성된 수소 가스를 버퍼 탱크에 임시 저장하는 것을 특징으로 하는 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150099515A KR101716959B1 (ko) | 2015-07-14 | 2015-07-14 | 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150099515A KR101716959B1 (ko) | 2015-07-14 | 2015-07-14 | 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170008401A KR20170008401A (ko) | 2017-01-24 |
| KR101716959B1 true KR101716959B1 (ko) | 2017-03-15 |
Family
ID=57993104
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020150099515A KR101716959B1 (ko) | 2015-07-14 | 2015-07-14 | 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101716959B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210152621A (ko) * | 2020-06-08 | 2021-12-16 | 전남대학교산학협력단 | 공기정화장치 및 이를 장착한 이동체 |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102046045B1 (ko) * | 2017-11-01 | 2019-11-18 | (주)지필로스 | 재생에너지 저장 시스템 및 그 동작 방법 |
| KR102143769B1 (ko) * | 2018-11-29 | 2020-08-13 | (주)케이워터크레프트 | Lid 기반 에너지 자립형 발전 방법 및 시스템 |
| WO2020179971A1 (ko) * | 2019-03-07 | 2020-09-10 | (주)케이워터크레프트 | 에너지 자립형 수전해 연료전지 워터체어 전동휠체어 |
| US20220118146A1 (en) * | 2019-03-07 | 2022-04-21 | KWaterCraft Co., Ltd. | Energy-independent water-based pure air cleaning system using water electrolytic-fuel cell |
| WO2020179972A1 (ko) * | 2019-03-07 | 2020-09-10 | (주)케이워터크레프트 | 에너지 자립형 수전해 연료전지 워터 카트 |
| KR102307338B1 (ko) * | 2019-07-24 | 2021-09-30 | 울산과학기술원 | 수전해 시스템 및 이를 포함하는 수소 생산 장치 |
| CN113296016B (zh) * | 2021-05-27 | 2022-11-18 | 中国能源建设集团华东电力试验研究院有限公司 | 超高压变电站的一体化电源调试系统及调试方法 |
| KR102564108B1 (ko) * | 2021-07-06 | 2023-08-09 | (주)테크윈 | 전력 관리시스템 |
| IT202100028289A1 (it) * | 2021-11-08 | 2023-05-08 | Comandu Angelo | "sistema di accumulo a cella combustibile" |
| CN116960396B (zh) * | 2023-09-20 | 2023-12-05 | 武汉海亿新能源科技有限公司 | 一种化工生产用氢燃料电池发电供热系统及其控制方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101098521B1 (ko) * | 2010-08-27 | 2011-12-26 | 현대산업개발 주식회사 | 하이브리드 전력공급 시스템 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100968224B1 (ko) * | 2008-05-29 | 2010-07-06 | 인하대학교 산학협력단 | 주거용 신재생에너지-재생연료전지 복합시스템 |
| KR101220773B1 (ko) * | 2011-06-14 | 2013-01-09 | 한국전기안전공사 | 스마트 그리드 환경에서 에너지 관리기능을 갖는 지능형 분전반 |
-
2015
- 2015-07-14 KR KR1020150099515A patent/KR101716959B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101098521B1 (ko) * | 2010-08-27 | 2011-12-26 | 현대산업개발 주식회사 | 하이브리드 전력공급 시스템 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210152621A (ko) * | 2020-06-08 | 2021-12-16 | 전남대학교산학협력단 | 공기정화장치 및 이를 장착한 이동체 |
| KR102375185B1 (ko) * | 2020-06-08 | 2022-03-17 | 전남대학교산학협력단 | 공기정화장치 및 이를 장착한 이동체 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20170008401A (ko) | 2017-01-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101716959B1 (ko) | 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 장치 | |
| KR101592926B1 (ko) | 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템 | |
| CN109004665B (zh) | 风电、光电储能及离/并网制氢系统 | |
| Marino et al. | Energetic and economic analysis of a stand alone photovoltaic system with hydrogen storage | |
| US7605326B2 (en) | Solar electrolysis power co-generation system | |
| Ghosh et al. | Ten years of operational experience with a hydrogen-based renewable energy supply system | |
| Ursua et al. | Hydrogen production from water electrolysis: current status and future trends | |
| Budak et al. | Comparative study of PV/PEM fuel cell hybrid energy system based on methanol and water electrolysis | |
| US20090189445A1 (en) | Renewable energy management and storage system | |
| CN112448413B (zh) | 一种近零碳排放的分布式能源供给系统及方法 | |
| AU2012228478A1 (en) | Self-contained hybrid power supply system for an electrical apparatus, and unit and method for managing the system | |
| CN102934274A (zh) | 用于存储和恢复电能的设备 | |
| CN109617215A (zh) | 一种分布式光伏发电氢储能系统及方法 | |
| CN209766559U (zh) | 一种利用太阳能的氢燃料电池的分布式发电实验系统 | |
| KR101679003B1 (ko) | 에너지 순환형 하이브리드 전력 공급 시스템을 위한 통합 전원 분배 방법 | |
| WO2023065694A1 (zh) | 直流微电网的控制系统、方法、计算机设备及存储介质 | |
| CN112271752A (zh) | 一种分布式能源系统 | |
| Pirom et al. | Experimental study of hybrid photovoltaic-PEM electrolyzer-PEM fuel cell system | |
| CN106704815B (zh) | 一种利用可再生能源的自支持加氢站 | |
| CN102376999A (zh) | 一种耦合光(电)化学池和燃料电池的太阳能贮存系统 | |
| Harrison et al. | Electrolysis of water | |
| KR20190066857A (ko) | 태양광-수소 기반의 소형 전력 발생 장치 및 그 방법 | |
| CN113629731A (zh) | 一种风光结合的稳定电解水制氢系统 | |
| JP2001338672A (ja) | 家庭用電力供給システム | |
| KR100968224B1 (ko) | 주거용 신재생에너지-재생연료전지 복합시스템 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |