KR101721372B1 - 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수면에 부유되는 메인부유구조체와, 상기 메인부유구조체에 설치되며, 태양전지모듈들을 포함하는 태양광발전장치와, 수면에 부유되는 보조부유구조체와, 상기 보조부유구조체에 설치되며, 상기 태양광발전장치에서 발전된 직류전력을 교류로 변환시키고 고압으로 승압시키는 전력변환장치 및 육상에 설치되며, 상기 전력변환장치에서 공급되는 고압 교류전력을 배전계통으로 송전하는 송전장치를 포함하는 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템를 제공한다. 본 발명에 따르면, 설치 비용을 대폭 감소시키고 송전 전력 손실을 줄이게 된다.

Description

수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템{A FLOATING SOLAR POWER GENERATING SYSTEM USING A FLOATING POWER CONVERTING APPARATUS}

본 발명은 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수상태양광발전시스템에서 수상에 위치하는 전력변환장치에 관한 것이다.

현재 탄화수소계 화석에너지자원의 유한성에 의한 자원고갈 문제와 함께 그것의 사용으로 인해 배출되는 온실가스의 증가로 지구환경에 미치는 나쁜 영향이 점점 커지고 있고 나아가 인류의 생존을 위협할 지경에 이르렀다. 또한 원자력발전 역시 자원의 고갈 문제와 함께 체르노빌원전과 후쿠시마원전의 경우에서 보듯이 만약의 사고 시 지구환경에 미치는 영향과 인류의 생존에 미치는 위협이 크다.

위와 같은 이유로 전 세계적으로 환경오염이 없고 지속기간이 무한한 태양광, 풍력, 조력발전 등 재생에너지의 이용이 점점 증대되고 있다. 재생에너지 중에서도 태양에너지는 전 지구상의 사람이 거주하는 곳에 고르게 분포하고 있고 태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸므로 태양광발전이 가장 효과적인 반면, 태양의 빛에너지는 에너지밀도가 낮아 넓은 면적이 필요하다.

지금까지의 태양광발전설비는 염전, 농지, 임야 등에 설치되고 있으나, 이것들은 재생에너지의 이용이라는 순기능 이외에 농지전용, 산림파괴라는 또 다른 환경문제를 야기하고 있으며, 한정된 토지자원을 가지고 인간생활과 경합하므로 지역주민들에게 환영 받지 못하고 각종 민원 제기 등으로 난관에 봉착해있다. 그래서 한정된 토지자원을 가지고 인간과 경합하지 않으며 농지전용이나 산림파괴 같은 환경에의 악영향이 없는 사막지역이나 수상에서의 태양광발전에 대한 연구가 활발하고 일부 적용되고 있다.

호수나 강 또는 바다의 수면에 설치한 태양광 발전설비를 수상 태양광 발전 시스템이라고 하는데 이것은 사람과 토지를 경합하지 않아 친인간적이며, 호수나 강에 설치 시 태양에너지의 수중에의 입사를 제한함으로서 물의 온도상승을 억제하여 증발량을 줄여 담수량을 보전하는데 도움이 되며 주변지역의 안개피해를 줄이게 된다. 또한, 수상태양광발전시스템의 음영에 의한 온도차로 물의 대류를 촉진하여 녹조를 방지하는 등 수질개선에 효과가 있고 수상태양광발전시스템에 의한 그늘이 어류에게 산란장소를 제공함으로서 어족자원을 보호, 육성하게 된다.

도 1은 종래의 수상태양광발전시스템의 일예를 도시한 측면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 수상태양광발전시스템은 호수, 강, 또는 바다 등의 수면에 띄워지는 부유구조체(10)와, 부유구조체(10)가 바람이나 물의 흐름에 따라 수평으로 움직이지 않도록 수면에 고정시키는 계류장치(20)와, 부유구조체(10)의 상부에 설치되는 장착프레임(30)과, 장착프레임(30)에 설치되어 태양에너지로 전력을 생산하는 다수 개의 태양전지모듈(M)들을 포함하는 태양광발전장치(40)와, 육상에 설치되어 태양전지모듈(M)들에서 발전되는 저압직류전력을 교류로 변환시키고 승압시켜 전력회사의 배전계통으로 송전하는 전력변환송전장치(50)를 포함한다.

태양광발전장치(40)의 태양전지모듈(M)들은 다수 개의 그룹으로 구획하여 각 그룹의 태양전지모듈(M)들이 인버터의 입력전압에 맞추어 직렬로 연결되고, 이 단위태양전지스트링들은 다수 개의 그룹으로 나누어지며 그 각 그룹을 태양전지스트링어레이라 하며, 태양전지스트링어레이의 단위태양전지스트링들에서 출력되는 직류전력은 접속반에서 병합된다.

전력변환송전장치(50)는 접속반에서 전송된 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 복수 개의 인버터유닛(51)들과, 인버터유닛(51)의 부하단을 보호하는 차단기유닛(52)과, 인버터유닛(51)에서 변환된 전력을 계통전압으로 승압시키는 변압기유닛(53)과, 회로를 개폐하는 개폐기유닛(54)과, 전력을 거래하기 위한 계량기유닛(55), 전력계통과 보호협조를 위한 보호계전유닛(56), 태양광발전시스템의 운전상태를 감시하는 모니터링유닛(57) 등을 포함한다.

태양광발전장치(40)의 접속반들은 다수 개의 그룹으로 나누어지며 각 접속반그룹은 전력변환송전장치(50)의 인버터유닛(51)에 연결된다. 접속반 그룹의 각 접속반과 인버터유닛(51)은 케이블(60)에 의해 연결되며, 그 케이블(60)은 접속반의 병합된 저압직류전력을 인버터유닛(51)으로 전송하기 위하여 방수성 및 유연성을 가지는 굵은 특수케이블이 사용된다. 즉, 한 개의 접속반 그룹은, 복수 개의 케이블(60)들(접속반 그룹을 구성하는 접속반의 수)에 의해 한 개의 인버터유닛(51)에 연결된다.

이와 같은 수상태양광발전시스템은, 태양 빛에 의해 태양광발전장치(40)의 태양전지모듈(M)들에서 각각 전력을 발생시키게 되면 각 태양전지모듈(M)에서 발생되는 직류전력은 단위 태양전지 스트링들을 통해 흐르게 된다. 단위 태양전지 스트링들을 통해 흐르는 직류전력은 태양전지 스트링 어레이 별로 각 접속반에서 병합된다. 각 접속반에서 병합된 직류전력은 접속반 그룹 별로 케이블(60)들을 통해 전력변환송전장치(50)의 각 인버터유닛(51)으로 출력된다. 인버터유닛(51)에서 직류전력을 교류전력으로 변환시키고 변압기유닛(53)에서 계통전압으로 승압시켜 전력회사의 배전계통으로 송전하게 된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 수상태양광발전시스템은, 수상에 위치하는 태양광발전장치(40)의 태양전지모듈(M)들에서 발전되는 저압직류전력이 각 접속반에서 병합되어 케이블(60)들을 통해 육상에 설치된 전력변환송전장치(50)의 인버터유닛(51)들로 흐르게 되므로 많은 수의 특수케이블들이 사용되고, 또한 일반적으로 태양광발전장치가 수심이 깊은 호수의 가운데 부분에 위치하게 되어 케이블(60)의 길이가 길게 되며, 접속반에 병합된 저압직류전력을 인버터유닛(51)으로 송전하기 위하여 굵은 케이블이 사용된다.

이로 인하여, 수상태양광발전시스템을 설치 시 케이블(60)의 비용이 크게 상승되는 문제점이 있다. 특히, 발전용량이 큰 수상태양광발전시스템을 설치할 경우 그에 따른 케이블의 비용이 크게 증가하여 수상태양광발전시스템이 친환경적이고 친인간적임에도 불구하고 그것의 설치비용이 육상의 경우보다 커서 설치가 확대되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 설치비용을 대폭 감소시키고 송전 전력 손실을 줄이는 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템은, 수면에 부유되는 메인부유구조체와, 상기 메인부유구조체에 설치되며, 태양전지모듈들을 포함하는 태양광발전장치와, 수면에 부유되는 보조부유구조체와, 상기 보조부유구조체에 설치되며, 상기 태양광발전장치에서 발전된 직류전력을 교류로 변환시키고 고압으로 승압시키는 전력변환장치 및 육상에 설치되며, 상기 전력변환장치에서 공급되는 고압 교류전력을 배전계통으로 송전하는 송전장치를 포함한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템은, 수면에 부유되는 메인부유구조체와, 상기 메인부유구조체에 설치되며, 태양전지모듈들을 포함하는 태양광발전장치와, 수중 지반에 고정되며 상부가 수면 위에 위치하는 고정프레임과, 상기 고정프레임의 상부에 설치되며, 상기 태양광발전장치에서 발전된 직류전력를 교류로 변환시키고 고압으로 승압시키는 전력변환장치 및 육상에 설치되며, 상기 전력변환장치에서 공급되는 고압 교류전력을 배전계통으로 송전하는 송전장치를 포함한다.

구체적으로, 상기 전력변화장치는 인버터유닛, 변압기유닛을 포함한다.

구체적으로, 상기 전력변환장치와 송전장치는 고압 케이블에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 전력변환장치를 설치하는 베이스플레이트의 가장자리에 수직 방향으로 결합되는 보호방벽을 포함한다.

구체적으로, 상기 전력변환장치는 밀폐형하우스에 수납되는 것을 특징으로 한다.

상기 밀폐형하우스의 내부에 호소수를 순환하는 코일을 두어 호소수를 냉각매체로 냉방하는 것을 특징으로 한다.

상기 밀폐형하우스의 내부의 호소수를 순환하는 코일에 방열핀을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 밀폐형하우스의 내부의 호소수를 순환하는 코일에 송풍용 휀을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템은, 전력변환장치가 태양광발전장치에 인접하게 수상에 위치하고 송전장치가 육상에 설치되므로 태양광발전장치에서 발전된 직류전력을 전력변환장치의 인버터유닛으로 송전하는 저압 케이블들의 길이가 짧게 할 수 있고, 또한 전력변환장치에서 고압으로 승압하여 고압케이블을 통해 육상에 설치된 송전장치로 고압으로 송전하기 때문에 전력 손실을 감소시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전력변환장치가 태양광발전장치에 인접하게 수상에 위치하고 송전장치가 육상에 설치되어 태양광발전장치에서 발전된 직류전력을 전력변환장치의 인버터유닛으로 송전하는 저압 케이블들의 길이가 짧게 되고 아울러 전력변환장치에서 승압된 고압전력을 한조(3상전력의 경우 3가닥)의 고압 케이블에 의해 송전장치에 연결되기 때문에, 저압 케이블들의 사용량을 대폭 줄이게 되어 수상태양광발전시스템의 설치비용을 절감시키는 효과가 있다.

또한, 저압 케이블들을 물속이 아닌 수상에 배선이 가능하기 때문에 케이블의 선정이 자유롭고 배선작업과 유지보수가 수월하게 되는 효과가 있다.

또한, 보호하우스를 밀폐형으로 하여 전력변환장치를 습기와 염분으로부터 보호가 가능하고, 자동으로 펌프와 휀을 제어하여 온도와 습도를 최적상태로 전력변환장치의 안전한 운전관리가 가능하며, 호소수를 보호하우스내로 연계하여 순환시킴으로써 별도의 추가적인 냉난방 관련시설이 필요하지 않아 경제적인 효율성 운영과 계절에 관계없이 전력변환장치가 안전한 운전관리가 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 수상태양광발전시스템의 일예를 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템을 도시한 측면도이다.
도 3은 도2에 도시된 수상전력변환장치의 제1 실시예를 도시한 측면도이다.
도 4는 도2에 도시된 수상전력변환장치의 제2 실시예를 도시한 측면도이다.
도 5는 도2에 도시된 수상전력변환장치를 냉각하는 방법의 일실시예를 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수상태양광발전시스템을 구성하는 수상전력변환장치의 냉각장치를 도시한 측면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 수상전력변환장치를 수상에 위치시키는 제1 실시예를 도시한 측면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 수상전력변환장치를 수상에 위치시키는 제2 실시예를 도시한 측면도이다.
도 9는 도 1에 도시된 수상전력변환장치를 수상에 위치시키는 제3 실시예를 도시한 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템을 도시한 측면도로서, 본 발명에 따른 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템의 일실시예는, 메인부유구조체(100), 태양광발전장치(200), 보조부유구조체(300), 전력변환장치(400), 송전장치(500)를 포함한다.

메인부유구조체(100)는 강, 호수, 댐, 또는 바다 등 호소의 수면에 부유된다. 메인부유구조체(100)의 일예로, 메인부유구조체(100)는 복수 개의 부력재(110)와, 부력재(110)들의 상부에 결합되는 베이스프레임(120)을 포함한다. 부력재(110)는 내부 공간이 빈 용기나 스치로폴등 물에 뜨는 재질이 될 수 있다. 메인부유구조체(100)에 계류장치(130)가 연결됨이 바람직하다. 계류장치(130)는 메인부유구조체(100)가 바람이나 물의 흐름에 의해 수평 방향으로 움직이는 것을 제한하게 할 뿐만 아니라 수면의 높이 변화에 따라 메인부유구조체(100)가 상하로 자유롭게 움직일 수 있게 한다. 계류장치(130)의 일예로, 계류장치(130)는 강이나 호수의 바닥에 고정되는 앵커(131)와, 앵커(131)에 연결됨과 아울러 메인부유구조체(100)에 걸쳐지는 로프(132)와, 로프(132)의 단부에 연결되는 로프길이조절장치(133)를 포함한다. 계류장치(130)는 다양하게 구현될 수 있다.

태양광발전장치(200)는 태양전지모듈(M)들을 포함한다. 태양광발전장치(200)는 메인부유구조체(100)에 설치된다. 메인부유구조체(100)의 베이스프레임(120)에 장착프레임(210)이 설치되고, 장착프레임(210)의 상부에 태양전지모듈(M)들이 설치된다. 저압케이블(220)은 태양광발전장치(200)에 발생되는 전력을 전력변환장치 (400)에 공급한다. 태양전지모듈들을 직렬로 연결한 단위태양전지스트링들은 접속반에서 병합된다. 단위태양전지스트링은 설정된 개수의 태양전지모듈(M)들이 연결된다. 접속반들 또한 설정된 개수로 구성된다. 단위태양전지스트링들, 접속반들은 인버터 입력전압과 태양광발전장치의 발전용량에 따라 정해진다.

보조부유구조체(300)는 수면에 부유된다. 보조부유구조체(300)는 메인부유구조체(100)에 인접하게 위치하는 것이 바람직하다. 보조부유구조체(300)의 일예로, 도 3, 4에 도시한 바와 같이, 보조부유구조체(300)는 복수 개의 부력체(310)들과, 부력체(310)들의 상부에 결합되며 전력변환장치(400)가 설치되는 베이스플레이트(320)와, 베이스플레이트(320)의 가장자리에 수직 방향으로 결합되는 보호방벽(330)을 포함한다. 부력체(310)는 내부 공간이 빈 용기나 스치로폴 등 물에 부유되는 부재가 될 수 있다. 보조부유구조체(300)의 다른 실시예로, 전력변환장치(400)를 감싸는 보호하우스(340)을 포함한다. 보조부유구조체(300)의 다른 실시예로, 보조부유구조체(300)는 바지선이 될 수도 있다.

전력변환장치(400)는 태양광발전장치(200)에서 발전된 직류전류를 교류로 변환시키고 승압시킨다. 전력변환장치(400)는 인버터유닛(410), 변압기유닛(430)을 구성되며, 개폐기유닛(440)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

인버터유닛(410)은 태양광발전장치(200)에서 저압 케이블(230)들에 의해 공급되는 저압직류전류를 교류전력으로 변환시킨다. 인버터유닛(410)은 태양광발전장치(200)의 용량에 따라 복수 개 구비된다.

변압기유닛(430)은 인버터유닛(410)에서 변환된 교류전력을 고압으로 승압시킨다. 여기서 고압이란 각 나라의 전압분류 기준에 의한 고압의 범위를 말하는 것이 아니고 인버터유닛의 출력전압보다 높은 전압을 의미한다.

차단기유닛(420)은 인버터유닛(410)이나 변압기유닛(430)의 출력측에 연결되어 인버터유닛(410)이나 변압기유닛(430)에 과도전류가 유입될 때 그 전류를 차단시켜 기기를 보호하며 보수점검시 회로를 분리할 수 있게 한다.

개폐기유닛(440) 또한 회로에 이상 전력이 흐를 때 회로를 개폐하면서 회로를 보호하며, 육상의 송전장치로 전력을 공급하거나 차단하도록 회로를 개폐한다. 전력변환장치(400)에는 모니터링유닛을 더 구비하는 것이 바람직하다.

송전장치(500)는 육상에 설치된다. 송전장치(500)는 전력변환장치(400)에서 공급되는 고압교류전력을 그대로 또는 재차 승압하여 배전계통으로 송전한다. 송전장치(500)는 전력을 거래하기 위한 계량기유닛(510), 배전계통과 보호협조를 위한 보호계전유닛(520) 등을 포함한다.

전력변환장치(400)와 송전장치(500)는 고압 케이블(450)에 의해 연결되는 것이 바람직하다. 즉, 전력변환장치(400)의 변압기유닛(430)에서 승압된 고압전력을 한 조의 고압 케이블(450)을 통해 송전장치(500)로 송전하며, 그 송전장치(500)로 송전된 고압전력은 계량기유닛(510)을 거쳐 배전계통으로 송전한다.

도 3은 도 1에 도시된 수상전력변환장치의 제1 실시예를 도시한 측면도로서, 본 발명에 따른 수상태양광발전시스템을 구성하는 수상전력변환장치의 제1 실시예는, 수상에 설치되는 보조부유구조체(300)에는 전력변환장치(400)와 전력변환장치(400)가 설치되는 베이스플레이트(320)와 전력변환장치(400)를 수납하는 보호하우스(340)를 포함한다.

수상의 수면에는 항상 물결이 일고 태풍등에 의한 폭풍우가 몰아칠 때는 큰 파도가 일어 물보라가 전력변환장치(400)를 직접 덮치거나 비산 물방울이 전력변환장치(400)의 내부로 침입할 우려가 있다. 전력변환장치(400)를 구성하는 인버터유닛(410)과 변압기유닛(430)에 물이 접촉하면 지락이 일어나 개폐기가 차단되거나 또는 절연파괴를 일으켜 기기가 소손 될 우려가 있다. 보호하우스(340)는 경사지붕 외에 평면지붕, 돔형지붕 등 다양한 재료로 다양하게 제작할 수 있다. 또한 보호하우스(340)의 대용으로 컨테이너나 철재박스가 사용될 수도 있다.

도 4는 도 1에 도시된 수상전력변환장치의 제2 실시예를 도시한 측면도이다.

폭풍우에 의한 큰 파도가 직접 보호하우스(340)를 타격하지 않도록 베이스플레이트(320)의 외각에 보호방벽(330)을 더 구비한 경우이다. 보호방벽(330) 하부에는 넘어 들어온 물이 빠져나가도록 다수개의 작은 구멍을 뚫어 두는 것이 바람직하다. 보호방벽(330)은 보수점검시 사람이 추락하는 것을 방지하는 역할도 하도록 1200MM 이상의 높이로 설치하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 따른 수상태양광발전시스템을 구성하는 수상전력변환장치의 냉각방법의 일 실시예를 도시한 개념도이다.

도 5에 도시한 바와 같이 전력변환장치(400)를 수납한 보호 하우스(340) 안에 호소수를 이용한 냉각시스템을 설치하였다. 호소의 수면에 전력변환장치(400)를 설치할 때 전력변환장치(400)를 습기와 염분으로부터 보호할 필요가 있다. 호소는 항상 물결이 일고 낮에 수면에서 증발된 수증기에 의해 육상의 경우보다 습윤상태에 있게 되고 밤에는 안개에 둘러싸여 있게 된다. 이것은 전력변환장치(400)를 구성하는 인버터유닛(410)과 변압기유닛(430)의 절연을 손상시켜 기기의 수명을 단축시키고 심할 경우 지락이 일어나 개폐기가 차단되거나 또는 절연파괴를 일으켜 기기가 소손 될 우려가 있다. 특히 염분이 함유된 방조제나 해상에 태양광발전설비의 전력변환장치(400)를 설치하게 되면 태풍 등에 의한 폭풍우가 몰아칠 때는 큰 파도와 물보라에 의한 비산 물방울과 이것에 포함된 염분이 전력변환장치의 내부로 침입하게 되면 사고의 우려는 더욱 증대된다. 이러한 습윤환경과 염분으로부터 전력변환장치(400)를 보호하기 위해서는 보호하우스(340)를 밀폐형으로 할 필요가 있다.

전력변환장치(400)를 구성하는 인버터유닛(410)과 변압기유닛(430)은 운전 중에 손실이 발생하고 손실은 열로 방출하게 된다. 일반적으로 인버터유닛(410)의 효율은 약 98％이고 변압기유닛(430)의 효율은 약 99％이므로 변환전력의 3%정도가 손실로서 열로 방출되게 된다. 육상의 경우 전력변환장치(400)가 운전을 시작하면 보호하우스(340) 안의 온도가 상승하게 되고 설정치 이상의 온도가 되면 보호하우스(340)내의 더워진 공기를 팬(644a, 644b)으로 배출하고 차가운 외기가 벽면에 설치된 공기 흡입구(641a, 641b)를 통해 공급된다. 즉 환기에 의해 실내의 온도상승을 억제하여 전력변환장치(400)의 운전을 계속할 수 있게 된다.

한편, 수상에 설치하는 전력변환장치(400)를 습기와 수분, 염분으로부터 보호하기 위해 밀폐형 보호하우스(340) 안에 수납하게 되면 전력변환장치(400)가 운전하는 동안 발생하는 열을 냉각시킬 수단이 필요하다. 이때 호소수를 실내로 순환시켜 냉각매체로 이용하면 대단히 유용하다. 호소수는 전력변환장치(400)의 발생열에 비해 무한정한 열용량을 가지고 있고 실내공기를 전력변환장치(400)가 안정적으로 운전되도록 냉각할 만큼 충분이 차갑다. 일반적으로 인버터유닛(410)의 운전 상한 주위온도는 섭씨 45도~50도이고 여름철 호소수의 온도는 25도를 넘지 않으므로 온도차는 20도 이상이 나고 호소수를 전력변환장치(400)를 위한 실내의 냉방수단으로 충분하다. 이것은 전기식 히트펌프(에어컨)를 사용하는 것보다 설치비와 전력비면에서 휠씬 경제적이다. 전기식 히트펌프는 설치비를 제외하더라도 냉매가스를 압축하기 위한 압축기가 큰 동력을 필요로 하는데 비해 호소수를 이용한 냉방시스템은 호소수의 흡입 측과 토출 측에 수위차가 없으므로 단순히 물을 순환시켜 주기 위한 작은 동력의 펌프만 설비하면 된다.

펌프(630)는 물올림장치가 필요 없도록 수중펌프를 사용하는 등, 수면 아래에 위치하는 것이 바람직하다.

냉각코일(620)에는 냉각효과를 높이기 위해 냉각핀(610)이나 방열판을 구비하는 것이 바람직하고 팬(644a, 644b)을 설치하여 바람을 불어주면 더욱 큰 냉각효과를 얻을 수 있을 것이다.

또한, 호소 수는 밤 시간이나 겨울철에는 외기보다 따뜻하다. 이것은 호소수를 이용한 냉각장치(600)가 또 다른 기능을 가지고 있음을 말한다.

수상에 위치하는 전력변한장치(400)는 육상의 경우보다 가혹한 환경에 놓여 있으므로 운전 중일 때뿐만 아니라 휴지 시에도 습기에 대한 보호가 필요하다. 해가 지고 기온이 내려가면 호소에서 증발한 수증기가 응결하여 수면에 안개가 발생한다. 전력변환장치(400)는 습도 100%에 가까운 습윤 상태에 놓이게 되고 전력변환장치(400)의 구성기기에 결로가 생기게 된다. 결로는 전력변환장치(400)의 재가동시 지락차단과 절연파괴의 우려가 있게 하고 당장 사고로 이어지지 않더라도 절연저하가 누적되어 전기기기의 수명을 단축시키게 된다.

밤 시간이나 겨울철에 호소수를 이용한 냉각장치(600)를 가동하면 외기에 비해 상대적으로 온도가 높은 호소수는 난방장치가 되어 전력변환장치(400)가 수납된 실내를 데우게 되고 전기기기에의 결로를 방지하게 된다.

전기기기의 수명을 결정하는 요소 중에 온도변화도 중요하다. 전기기기는 운전할 때 손실에 의해 발열하게 되고 휴지 시에는 식어 상온으로 돌아온다. 전기기기의 고체절연물질이 온도에 따라 열팽창과 수축을 반복하면 균열이 생기게 되고 균열이 확대되어 기계적 강도를 상실하여 절연거리를 유지하지 못하게 되면 지락, 단락 등과 같은 절연파괴에 이르게 되어 소손된다. 절연파괴에 이르기까지는 가열과 냉각의 반복회수와 온도변화 속도 변화하는 온도 차이에 의해 영향을 받는다. 태양광발전시스템의 전력변환장치(400)는 운전시의 고온상태와 정지시의 저온상태에 반복적으로 노출되고 겨울철에는 변화하는 온도차이가 더 크므로 일반적인 전기기기에 비해 수명이 짧다.

밤 시간이나 겨울철에 호소수를 이용한 냉각장치(600)를 가동하면 외기에 비해 상대적으로 온도가 높은 호소수는 난방장치가 되어 전력변환장치(400)가 수납된 실내를 데우게 되고 전력변환장치(400)의 운전 시와 정지 시의 온도차를 적게 하여 기기의 보수점검의 횟수를 줄이고 전력변환장치(400)의 수명연장을 기대할 수 있게 된다.

전력변환장치(400)가 설비된 보호하우스(340) 내부 공기와 외기의 온도와 습도를 측정하고 비교하여 사전에 설정된 프로그램에 의해 자동으로 펌프(630)와 팬(644a, 644b)을 제어하여 온도와 습도를 최적상태로 유지하도록 하며 동시에 냉각장치(600)의 구동에 소요되는 동력이 절감되도록 하는 것이 바람직하다. 측정된 기상정보와 냉각장치(600)의 운전정보는 전력변환장치(400)의 운전정보와 접속반의 모니터링설비에서 얻어진 정보와 함께 육상으로 전송하고 육상에서의 제어 지령을 받을 수 있도록 구성함이 더 바람직하다.

도 6은 본 발명에 따른 수상태양광발전시스템을 구성하는 수상전력변환장치의 냉각장치의 한 측면도이다. 도 6에서와 같이 냉각장치(600)를 냉각코일(620a, 620b)과 팬(644a, 644b)을 결합하여 팩케이지(팬코일유닛)로 하여 설치하는 것이 바람직하다. 냉각장치(600)는 다양한 형태로 구현될 수 있다.

전력변환장치(400)를 탑재한 보조부유구조체(300)에 계류장치(130)가 연결된다. 계류장치(130)는 보조부유구조체(300)가 바람이나 물의 흐름에 의해 수평 방향으로 움직이는 것을 제한하게 할 뿐만 아니라 수면의 높이 변화에 따라 보조부유구조체(300)가 상하로 자유롭게 움직일 수 있게 한다.

도 7은 도 1에 도시된 부유형 전력변환장치를 수상에 위치시키는 제1 실시예를 도시한 측면도로서, 계류장치(130)의 제1 실시예는 강이나 호수의 바닥에 고정되는 앵커(131)와, 앵커(131)에 연결됨과 아울러 보조부유구조체(300)에 연결되는 로프(132)와, 로프(132)의 신축을 조절하는 로프길이조절장치(133)를 포함한다. 로프(132)의 신축을 조절하는 방법으로는 로프(132)의 한쪽 단부에 무게추를 달거나 권상기를 설치하는 등 다양하게 구성할 수 있다. 계류장치(130)의 제1 실시예는 수심이 깊은 댐이나 바다 등에 설치하는 것이 바람직하다.

도 8은 도 1에 도시된 부유형 전력변환장치를 수상에 위치시키는 제2 실시예를 도시한 측면도로서, 계류장치(130)의 제2 실시예는 계류장치(130)가 수중 지반에 고정되도록 하는 복수 개의 기둥(350)들과, 수면의 높이에 따라 보조부유구조체가 상하로 움직이도록 보조부유구조체와 복수 개의 기둥들을 연결하는 승강장치를 포함한다. 승강장치(355)는 가이드부재를 따라 오르내리는 롤러기구가 될 수 있다. 승강장치는 다양하게 구성할 수 있다. 승강장치(355)는 보조부유구조체(300)나 전력변환장치(400)를 물가로 이동하여 정비할 수 있도록 보조부유구조체(300)의 탈착이 가능하도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한 승강장치(355)는 보조부유구조체(300)를 일정높이에 고정할 수 있는 고정수단을 구비하는 것이 바람직하다. 계류장치(130)의 제2 실시예는 수심이 낮은 저수지나 방조제 등에 설치하는 것이 바람직하다.

메인부유구조체(100)와 보조부유구조체(300)는 연결수단(미도시)에 의해 서로 연결될 수도 있다. 연결수단은 로프나 막대부재가 될 수 있다.

또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 전력변환장치(400)를 수상에 위치시키는 다른 실시예로 전력변환장치(400)는 고정프레임(360)의 상부에 설치된다. 고정프레임(360)은 수중 바닥에 고정되며 상부가 수면위에 위치한다. 고정프레임(360)은 메인부유구조체(100)와 인접하게 위치하는 것이 바람직하다. 고정프레임(360)의 일예로, 고정프레임(360)은 수중 지반에 박혀 고정되는 복수 개의 파일들과, 수면위에 위치하도록 파일들의 상단부에 결합되는 지지판을 포함한다. 고정프레임(360)과 메인부유구조체(100)는 연결수단(미도시)에 의해 연결될 수도 있다.

이하, 본 발명에 따른 수상태양광발전시스템의 작용과 효과를 설명한다.

먼저, 태양 빛에 의해 메인부유구조체(100)에 설치된 태양광발전장치(200)의 태양전지모듈(M)들에서 각각 전력을 발생시키게 되면 각 태양전지모듈(M)에서 발생되는 직류전력은 단위태양전지스트링(201)들을 통해 흐르게 된다. 단위태양전지스트링(201)들을 통해 흐르는 직류전력은 태양전지스트링어레이(A) 별로 각 접속반(220)에서 병합된다. 각 접속반(220)에서 병합된 직류전력은 접속반그룹 별로 저압 케이블(230)들을 통해 태양광발전장치(200)와 인접하도록 수상에 위치한 전력변환장치(400)의 각 인버터유닛(410)으로 송전된다. 인버터유닛(410)에서 직류전력을 교류전력으로 변환시키고 변압기유닛(430)에서 고압으로 승압시킨다. 전력변환장치(400)에서 변환된 고압 교류전력은 고압 케이블(450)을 통해 송전장치(500)로 송전되고 송전장치(500)를 거친 고압전류는 전력회사의 배전계통으로 송전된다.

본 발명은 전력변환장치(400)가 태양광발전장치(200)에 인접하게 수상에 위치하므로 태양광발전장치(200)에서 발전된 직류전력을 전력변환장치(400)의 인버터유닛(410)으로 송전하는 저압 케이블(230)들의 길이가 짧게 되어 케이블 비용을 감소시키게 되고 저압 케이블(230)들을 물속이 아닌 수상에 배선이 가능하게 되어 배선 작업이 수월하게 된다. 또한 태양광발전장치에서 발전한 전력을 전력변환장치(400)에서 고압 교류로 변환하여 고압 케이블(450)을 통해 육상에 설치된 송전장치(500)로 송전하므로 전력 손실을 감소시키게 된다.

또한, 본 발명은 전력변환장치(400)를 비산 물방울로부터 보호되도록 밀폐형보호하우스 내에 수납하고 전력변환장치 운전중에 발생하는 열을 외부공기에 의한 환기장치로 냉각하지 않고 호소수를 이용하여 냉각함으로써 습기 및 염분이 침투할 우려가 없다. 밤시간이나 겨울철에는 호소수를 이용한 냉각장치가 가열장치로 변환 사용되므로 안개나 습기에 의한 결로 피해를 막게 되며 전력변환장치의 운전시와 정지시의 온도차를 적게 하여 전력변환장치 구성기기의 수명연장이 연장되게 된다.

아래의 표 1은 종래 수상태양광발전시스템과 본 발명에 따른 수상태양광발전시스템의 전력 케이블 소요량 비교를 예시한 것이다.

조건	1. 선로긍장 800M 2. 허용전압강하 3% 3. 접속반용량 110 Kw 분할
전압강하 계산식: E = A*L*1/ 1000*S A; 단상 2선식 = 35.6 3상 3선식 = 30.8 3상 4선식 = 17.8(단상3선식) E: 전압강하(V) L: 변압기 2차측부터의 거리 또는 인입선 접속점(M) I : 전류(A) S: 전선의 단면적(MM2)
발전용량	5Mwp		20Mwp
송전전압	직류 716V	삼상교류 22900V	직류 716V	삼상교류 22900V
소요케이블	UW-3PN Cable 240sq/1C 90가닥	F-CNCV-W Cable 60sq/1C 3가닥	UW-3PN Cable 240sq/1C 360가닥	F-CNCV-W Cable 240sq/1C 3가닥
소요배관재	ELP PIPE 80C 40LINE	ELP PIPE 125C 1LINE	ELP PIPE 80C 160LINE	ELP PIPE 80C 1LINE

위 표 1은 중규모설비라고 할 수 있는 5MW와 대규모설비인 20MW의 경우에 대하여 종래 수상태양광발전시스템과 본 발명을 비교하여 계산한 값으로, 종래 수상태양광발전시스템의 직류저압전력의 전압은, 저압의 범위가 직류 750V이므로 750V로 본 발명의 전력변환설비의 고압교류전력의 전압은 한국의 전력회사 배전계통전압인 22900V로 하고, 전력케이블 길이는 800M 허용전압강하 3%이하로 동일한 조건으로 비교하였다.

표 1에서와 같이 종래 수상태양광발전시스템에서는 5MW 발전시설에서 전력케이블은 240㎟ 90가닥이 필요하고 보호전선관도 직경 80mm 40개가 필요한 반면, 본 발명에 따른 수상태양광발전시스템에서는 60sq 3가닥에 보호전선관도 직경 125mm 1개가 필요할 뿐이다. 또한, 20MW 발전시설에서 전력케이블은 240㎟ 360가닥이 필요하고 보호전선관도 직경 80mm 160개가 필요한 반면, 본 발명에 따른 수상태양광발전시스템에서는 400㎟ 3가닥에 보호전선관도 직경 200mm 1개가 필요할 뿐이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템은, 전력변환장치가 태양광발전장치에 인접하게 수상에 위치하고 송전장치가 육상에 설치되므로 태양광발전장치에서 발전된 직류전력을 전력변환장치의 인버터유닛으로 송전하는 저압 케이블들의 길이가 짧게 할 수 있고, 또한 전력변환장치에서 고압으로 승압하여 고압케이블을 통해 육상에 설치된 송전장치로 고압으로 송전하기 때문에 전력 손실을 감소시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전력변환장치가 태양광발전장치에 인접하게 수상에 위치하고 송전장치가 육상에 설치되어 태양광발전장치에서 발전된 직류전력을 전력변환장치의 인버터유닛으로 송전하는 저압 케이블들의 길이가 짧게 되고 아울러 전력변환장치에서 승압된 고압전력을 한조(3상전력의 경우 3가닥)의 고압 케이블에 의해 송전장치에 연결되기 때문에, 저압 케이블들의 사용량을 대폭 줄이게 되어 수상태양광발전시스템의 설치비용을 절감시키는 효과가 있다.

또한, 저압 케이블들을 물속이 아닌 수상에 배선이 가능하기 때문에 케이블의 선정이 자유롭고 배선작업과 유지보수가 수월하게 되는 효과가 있다.

또한, 보호하우스를 밀폐형으로 하여 전력변환장치를 습기와 염분으로부터 보호가 가능하고, 자동으로 펌프와 휀을 제어하여 온도와 습도를 최적상태로 전력변환장치의 안전한 운전관리가 가능하며, 호소수를 보호하우스내로 연계하여 순환시킴으로써 별도의 추가적인 냉난방 관련시설이 필요하지 않아 경제적인 효율성 운영과 계절에 관계없이 전력변환장치가 안전한 운전관리가 가능한 효과가 있다.

상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

10: 부유구조체 20: 계류장치
30: 장착프레임 40: 태양광발전장치
50: 전력변환송전장치 51: 인버터유닛
52: 차단기유닛 53: 변압기유닛
54: 개폐기유닛 55: 계량기유닛
56: 보호계전유닛 57: 모니터링유닛
60: 케이블
100: 메인부유구조체 110: 부력재
120: 베이스프레임 130: 계류장치
131: 앵커 132: 로프
133: 로프길이조절장치 200: 태양광발전장치
210: 장착프레임 220: 저압케이블
300: 보조부유구조체 310: 부력체
320: 베이스플레이트 330: 보호방벽
340: 보호하우스 350: 기둥
355: 승강장치 360: 고정프레임
400: 전력변환장치 410: 인버터유닛
420: 차단기유닛 430: 변압기유닛
440: 개폐기유닛 450: 고압 케이블
500: 송전장치 510:계량기유닛
530: 보호계전유닛 600: 냉각장치
610: 냉각핀 620, 620a, 620b: 냉각코일
621: 흡입구 622: 거름망
623: 토출구 630: 펌프
640a, 640b: 하우징 641a, 641b: 공기 흡입구
642a, 642b: 공기 배출구 643a, 643b: 물받이
644a, 644b: 팬 M: 태양전지모듈

Claims (9)

1. 수면에 부유되는 메인부유구조체;와, 상기 메인부유구조체에 설치되며 태양전지모듈들을 포함하는 태양광발전장치;와, 수면에 부유되는 보조부유구조체;와, 상기 보조부유구조체에 설치되며 상기 태양광발전장치에서 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환시키고 고압으로 승압시키는 전력변환장치; 및 육상에 설치되며 상기 전력변환장치에서 공급되는 고압 교류전력을 배전계통으로 송전하는 송전장치;를 포함하되,
   상기 전력변환장치는 인버터유닛, 변압기유닛, 차단기유닛, 개폐기유닛을 포함하며 밀폐형 보호하우스에 수납되고,
   상기 보호하우스는 상기 전력변환장치를 습기와 염분으로부터 보호할 수 있도록 하며, 상기 보호하우스에는 호소수를 실내로 순환시켜 상기 전력변환장치에서 발생되는 열을 냉각시키되, 상기 보호하우스의 내부 공기와 외부 공기에 대한 온도와 습도를 측정하고 비교하여 사전에 설정된 프로그램에 의해 자동을 펌프와 팬을 제어하여 기설정된 온도와 습도를 유지하고,
   상기 전력변환장치를 설치하는 베이스플레이트 가장자리에 수직 방향으로 결합되는 보호방벽을 포함하며,
   상기 보호방벽의 하부에는 넘쳐 들어온 물이 빠져나가도록 다수개의 작은 구멍을 형성하고, 상기 보호방벽의 높이를 보수점검시 사람의 추락을 방지하기 위해 1200mm이상 높이로 하는 것을 포함하고,
   상기 밀폐형 보호하우스의 내부에 호소수를 순환하는 코일을 두어 호소수를 냉각매체로 냉방하는 것을 포함하며,
   냉각코일에는 냉각효과를 높이기 위해 냉각핀이나 방열판, 팬을 더 포함하며,
   상기 보조부유구조체는 계류장치를 연결하여 보조부유구조체의 수평방향 움직임 제한과 보조부유구조체가 수면 높이에 따라 상하로 움직이도록 하고,
   상기 계류장치는 수심이 깊은 댐이나 바다 등에서는 앵커, 로프, 무게추 또는 권상기를 사용하고 수심이 낮은 저수지나 방조제 등에서는 복수개의 기둥과 승강장치를 사용하며, 상기 승강장치는 보조부유구조체나 전력변환장치를 물가로 이동하여 정비할 수 있도록 보조부유구조체의 탈착이 가능하도록 구성하며,
   상기 전력변환장치와 송전장치는 고압 케이블에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 수상전력변환장치가 적용된 수상태양광발전시스템.
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