KR101749215B1 - 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법 - Google Patents

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박진윤
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주식회사 경동원
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Abstract

본 발명은 사용자의 온수 사용 패턴을 보다 정확하게 예측하여 필요한 1일 총 사용열량을 산출하고, 전력추종 방식에서 발생한 열량과 상기 1일 필요 열량을 비교하여 추가로 열량이 필요한 경우에 가장 경제적인 방법으로 추가 열량을 공급하도록 함으로써 에너지 비용을 최소화할 수 있도록 해주는 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법은, 가정용 연료전지를 전력추종 방식에 의해 1일 발전량을 계산하고, 이 1일 발전량에 따라 부수적으로 발생하는 1일 발생열량(Q1)을 계산하는 단계; 사용자의 주간 온수 사용 패턴을 적산한 통계치를 기초로 1일 사용열량(Q2)을 계산하는 단계; 상기 1일 발생열량(Q1)과 상기 1일 사용열량(Q2)을 기초로 계산된 1일 총 사용열량(Qt)을 비교하는 단계; 상기 비교 결과, 상기 1일 총 사용열량(Qt)이 상기 1일 발생열량(Q1)보다 큰 경우에는, 상기 1일 발전량에 따라 연료전지를 발전시키는 한편 하기 식 (1)에 따라 1일 요구열량(Qd)을 계산하는 단계;
1일 요구열량(Qd) = 1일 총 사용열량(Qt) - 1일 발생열량(Q1) (1)
상기 1일 요구열량(Qd)을 연료전지를 발전시켜 얻는데 소요되는 발전비용(W1)과 상기 1일 요구열량(Qd)을 보조열원으로 가열하여 얻는데 소요되는 보조열원비용(W2)을 계산한 다음, 더 낮은 비용이 소요되는 방식으로 상기 1일 요구열량(Qd)을 얻는 단계;를 포함한다.

Description

가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING GENERATION QUANTITY IN HOME FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자의 온수 사용 패턴을 보다 정확하게 분석하여 연료전지의 발전량을 최적으로 제어할 수 있는 방법에 관한 것이다.
석유 중심의 화석 에너지 자원 고갈과 기후 변화에 대한 관심이 늘어나면서 연료전지 기술이 높은 에너지 효율과 온실가스 저배출 특성으로 인해 최근 들어 많은 주목을 받고 있다. 연료전지는 60%에 이르는 전력 에너지 전환 효율과 80%에 이르는 전력과 열을 포함하는 전체 효율 그리고 이산화탄소와 같이 온실효과를 가져오는 주요 오염물질을 90% 이상 저감하는 효과를 가져온다.
이와 같이, 연료전지는 발전 과정에서 발생하는 배기열을 열병합발전 시스템에서 회수함으로써 높은 발전효율을 가질 수 있기 때문에 최근에 국가 에너지 정책 차원에서 2020년까지 10만대의 가정용 연료전지 시스템의 공급을 목표로 추진하고 있다.
일반 가정에서 필요로 하는 부하는 전기부하와 열부하로 구분된다. 즉, 가정용 조명, 전기제품을 사용하는데 필요한 전기를 공급하는데 필요한 전기부하와, 난방, 온수 사용에 필요한 열량을 공급하는데 필요한 열부하가 있다. 가정에서 전기부하와 열부하는 시간대, 주간별, 월별, 계절별로 계속 변화한다. 예를 들어, 아침 출근 시간대에는 온수의 사용으로 인해 열부하가 증가하고, 저녁에는 조명, TV 시청 등으로 인해 전기부하가 증가한다. 날씨가 더운 여름철에는 에어컨과 냉장고 등의 사용으로 인해 전기부하가 크게 증가하고, 기온이 내려가는 겨울철에는 난방수 사용으로 인해 열부하가 크게 증가한다.
가정용 연료전지 시스템에서는 전기부하에 필요한 전력 공급을 중심으로 발전량을 제어하는 전력추종 방식(power load following)과 열부하에 필요한 열량 공급을 중심으로 발전량을 제어하는 열추종 방식(heat load following)과 이들을 혼합하여 최소비용이 발생하도록 운용하는 복합추종 방식(combined strategy)이 있다.
기존의 가정용 연료전지 시스템의 제어방법 중에서 사용자의 전력 사용 및 열 사용 패턴에 따라 필요로 하는 전력 및 열량을 예측하여 연료전지의 운전효율이 향상되도록 해주는 여러 기술이 개발되었다.
대한민국 공개특허 제2011-0029501호(발명의 명칭: 가정용 연료전지시스템의 운전 제어방법)(특허문헌 1)는 봄, 여름, 가을, 겨울의 전기와 열 에너지의 소비 패턴에 따라 이용하게 되는 부하별 운전조건에서 연료전지시스템의 운전비용을 분석하게 되는 것으로, 계절별 부하 패턴을 적용한 시스템 해석을 통해 계통 연계형 가정용 연료전지 시스템의 구성품 모델링과 운전비용 절감을 위한 최적 운전방식을 결정할 수 있도록 해주는 방법이 개시되어 있다.
대한민국 공개특허 제2015-0079311호(발명의 명칭: 가정용 열병합발전시스템의 전력생산방법)(특허문헌 2)는 가정에서 소비하는 월간 전력이 전력 누진 요금이 적게 사용되는 구간에서는 전기 공급자가 공급하는 전기를 사용하고, 누진 요금이 많이 적용되는 구간에서는 연료전지를 이용한 열병합발전을 사용하여 전력을 생산함으로써 에너지 소비를 최소화하도록 해주는 제어방법이 개시되어 있다.
이와 같이 종래에도 전기 및 열량 사용 패턴이나 누진세 구간 등 여러 가지 사항을 고려하여 에너지 비용을 최소화할 수 있도록 해주는 연료전지 제어기술이 개발되어 왔다. 그러나, 연료전지 시스템은 일반 보일러나 계통전기의 사용료보다 설치비용이나 가스비용이 매우 높기 때문에 가정용 연료전지 시스템의 대중화를 위해서는 연료전지 시스템의 운용 비용을 더욱 최적화할 수 있는 제어방법의 개발이 요구되고 있다.
KR 10-2011-0029501 A KR 10-2015-0079311 A
본 발명은 이러한 업계의 요구를 충족시키기 위해 개발된 것으로서, 사용자의 온수 사용 패턴을 보다 정확하게 예측하여 필요한 1일 사용열량을 산출하고, 전력추종 방식에서 발생한 열량과 상기 1일 필요 열량을 비교하여 추가로 열량이 필요한 경우에 가장 경제적인 방법으로 추가 열량을 공급하도록 함으로써 에너지 비용을 최소화할 수 있도록 해주는 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법은, 가정용 연료전지를 전력추종 방식에 의해 1일 발전량을 계산하고, 이 1일 발전량에 따라 부수적으로 발생하는 1일 발생열량(Q1)을 계산하는 단계; 사용자의 주간 온수 사용 패턴을 적산한 통계치를 기초로 1일 사용열량(Q2)을 계산하는 단계; 상기 1일 발생열량(Q1)과 상기 1일 사용열량(Q2)을 기초로 계산된 1일 총 사용열량(Qt)을 비교하는 단계; 상기 비교 결과, 상기 1일 총 사용열량(Qt)이 상기 1일 발생열량(Q1)보다 큰 경우에는, 상기 1일 발전량에 따라 연료전지를 발전시키는 한편 하기 식 (1)에 따라 1일 요구열량(Qd)을 계산하는 단계;
1일 요구열량( Qd ) = 1일 총 사용열량(Qt) - 1일 발생열량(Q1) ( 1)
상기 1일 요구열량(Qd)을 연료전지를 발전시켜 얻는데 소요되는 발전비용(W1)과 상기 1일 요구열량(Qd)을 보조열원으로 가열하여 얻는데 소요되는 보조열원비용(W2)을 계산한 다음, 더 낮은 비용이 소요되는 방식으로 상기 1일 요구열량(Qd)을 얻는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 비교 결과, 상기 1일 총 사용열량(Qt)이 상기 1일 발생열량(Q1)보다 작거나 같은 경우에는, 상기 전력추종 방식에 의해 계산된 상기 1일 발전량을 따라 연료전지를 발전시키도록 구성된다.
또한, 본 발명은 실내온도의 고저에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 기초로 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)을 계산하는 단계;를 더 포함하고, 상기 1일 총 사용열량(Qt)은 하기 식 (2)에 따라 계산되도록 구성될 수 있다.
1일 총 사용열량(Qt) = 1일 사용열량(Q1) + 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3) (2)
또한, 본 발명은 실내온도와 실외온도 차이(ΔT)에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 기초로 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)을 계산하는 단계;를 더 포함하고,
상기 1일 총 사용열량(Qt)은 하기 식 (3)에 따라 계산되도록 구성될 수 있다.
1일 총 사용열량(Qt) = 1일 사용열량(Q1) + 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4) ( 3)
또한, 본 발명은 실내온도의 고저에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 기초로 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)을 계산하는 단계; 및 실내온도와 실외온도 차이에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 기초로 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)을 계산하는 단계;를 더 포함하고, 상기 1일 총 사용열량(Qt)은 하기 식 (4)에 따라 계산되도록 구성될 수 있다.
1일 총 사용열량(Qt) = 1일 사용열량(Q1) + 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3) + 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4) ( 4)
또한, 상기 1일 요구열량(Qd)을 연료전지를 발전시켜 얻는데 소요되는 발전비용(W1)은 하기 식 (5)에 따라 계산되도록 구성될 수 있다.
1일 요구열량 발전비용(W1) = 1일 요구열량( Qd )을 얻는데 필요한 연료가스 비용 - 발생된 전기로 계통전력을 상계함에 따른 전기요금 절감비용 ( 5)
또한, 상기 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)을 계산할 때, 상기 실내온도는 1일 기준 24시간 평균치를 기준으로 계산할 수 있다.
또한, 상기 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)을 계산할 때, 상기 실내온도와 실외온도의 차이(ΔT)는 하루 중 특정한 시각을 기준으로 측정된 순시치를 기준으로 계산할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법에 따르면, 사용자의 주간 온수 사용 패턴을 적산한 통계치를 기초로 사용자의 1일 사용열량을 보다 정확하게 예측하고, 이 사용열량을 최소 에너지 비용으로 얻을 수 있는 발전량 제어방법을 제공해준다. 그 결과, 가정용 연료전지 시스템의 발전 효율을 극대화함으로써 시스템 대중화에 기여할 수 있다.
또한, 상기 사용자의 1일 사용열량을 예측할 때, 실내온도 변화에 따른 온수 사용량 변화량, 실내외온도 차이 변화에 따른 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 추가로 고려함으로써 사용자의 1일 사용열량을 더욱 정확하게 예측할 수 있도록 해준다.
또한, 상기 사용자의 1일 사용열량이 전력추종으로 얻어진 1일 발생열량보다 더 커서 열량이 추가로 필요한 경우에는, 연료전지의 추가 발전에 따른 소요비용 또는 보조열원의 사용에 따른 소요비용을 비교하여 더 낮은 비용으로 상기 1일 요구열량을 얻을 수 있도록 해줌으로써 경제성을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법을 나타낸 순서도.
도 3은 주간별 사용자 온수사용 패턴을 적산하는 방법을 예시한 도면.
도 4는 하루 동안 사용자의 온수사용 패턴을 예시한 그래프.
도 5는 도 4에 하루 동안 사용자의 온수사용 패턴에 실내외 온도 차이에 대한 온수 사용량 변화량을 추가한 그래프.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 난방 불균형 해소를 위한 각 방의 난방 제어방법을 보다 상세히 설명한다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 기본적인 가정용 연료전지 시스템의 구성을 열부하를 중심으로 도시한 것이다.
먼저 연료전지(10)는 수소와 산소가 반응하여 물이 생산되는 과정에서 직류 전류가 발생하는 원리를 이용하여 발전하도록 설치된다. 수소를 공급하기 위한 연료가스로서 LNG와 같은 천연가스가 사용되지만, 일반 화력발전과 달리 최종 부산물로서 물만 생성되기 때문에 이산화탄소와 같은 오염물질이 전혀 배출되지 아니한다. 또한, 상기 화학반응이 발열반응으로 배기열이 발생하게 되는데, 이 배기열을 회수하여 가정용 온수를 가열하는데 사용하면 더욱 높은 발전 효율을 얻을 수 있다.
이를 위해 상기 연료전지(10)에는 배기열을 순환 공급될 수 있는 라인이 연결되고, 이 배기열 순환라인은 온수 탱크와 같은 축열조(30)를 통과하면서 열교환이 일어나도록 해준다. 이 축열조(30)에서 일정 온도 이상으로 가열된 온수는 가정 내부의 배관을 따라 난방용으로 사용되기도 하고, 부엌이나 욕실의 수도꼭지와 같은 열부하(50)로 공급되어 사용자에 의해 직접 사용된다.
이 때 상기 온수 공급 배관 상에는 보일러와 같은 보조 열원(40)이 설치되어 연료전지(10)의 배기열 만으로는 필요한 열부하를 충족시킬 수 없을 때에 보조적으로 온수를 가열하여 필요 열량을 공급할 수 있도록 해준다.
또한, 상기 온수 공급 배관 상에는 열량 측정부(60)가 설치되어 온수 온도, 온수 사용량, 공급 열량 등을 실시간으로 측정하도록 구성된다. 또한, 상기 가정 내부에는 각 방의 실내온도를 측정할 수 있는 실내온도 측정부(70), 옥외의 실외온도를 측정할 수 있는 실외온도 측정부(80)가 설치된다.
마지막으로, 중앙 제어부(20)는 상기 열량 측정부(60), 실내온도 측정부(70), 실외온도 측정부(80)로부터 실시간으로 입력받은 측정데이터를 데이터베이스화하여 저장하고, 날짜별, 주간별, 월별, 계절별로 적산하여 통계치를 계산한다. 이 통계치를 기초로 사용자의 1일 사용열량을 정확히 예측하고, 이를 바탕으로 연료전지의 전력추종 제어 또는 열추종 제어를 운용한다. 본 발명에 따른 발전량 제어방법의 보다 상세한 내용은 도 2 내지 5를 참조로 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 중앙 제어부(20)는 전력추종 방식에 의해 1일 발전량(Pt)을 계산한다. 여기서, 전력추종 방식은 전기부하에 필요한 전력 공급을 중심으로 발전량을 제어하는 방식이다. 즉, 일정 기간 동안 적산된 전기량 사용 통계치를 기준으로 오늘 필요한 전기부하량을 계산한다. 상기 전기량 사용 통계치는 날짜별, 주간별, 월별, 계절별로 다양하게 계산되어 사용될 수 있다. 여기서, 상기 1일 발전량(Pt)은 오늘 하루 가정에 필요한 총 전기량을 충족시키기 위해 연료전지(10)를 발전시켜야 하는 양을 의미한다. 1일 발전량이 계산되면, 이 발전 과정에서 부수적으로 발생하는 1일 발생열량(Q1)을 계산할 수 있다(S20). 이 1일 발생열량(Q1)은 전력추종으로 인한 전력생산 적산량(1일 발전량)(단위: Wh)을 연료전지 전기발전 효율(단위: ratio)로 나눈 다음 연료전지 열 효율(단위: ratio)을 곱한 값으로 계산된다.
다음으로, 중앙 제어부(20)는 사용자의 주간 온수 사용 패턴을 적산한 통계치를 기초로 1일 사용열량(Q2)을 계산한다(S21). 주간 온수 사용 패턴은 열량 측정부(60)을 통하여 주간별로 온수 사용량을 일정 기간 동안 측정한 후 이 데이터값을 적산하여 통계치를 작성한다. 도 3은 주간 온수 사용 패턴을 이용하여 통계치를 적산하는 예를 나타낸다.
도 3의 (a)는 지난 주 월요일에 24시간 동안의 사용자의 온수 사용량을 정량적으로 나타낸 그래프이다. 상기 열량 측정부(60)를 통해 실시간으로 온수 사용량을 측정할 수 있으므로, 이를 시간 단위로 합산하여 나타낸 것이다. 도 3의 (b)는 이번 주 월요일에 24시간 동안의 사용자의 온수 사용량을 나타낸 것이다. 지난 주와 비교할 때 온수를 많이 사용하는 시간대는 비슷하고, 사용량은 조금 달라진 것을 알 수 있다. 도 3의 (c)는 도 3의 (a),(b)에 나타난 지난 2주간의 월요일 온수 사용량을 합산하여 평균치를 나타낸 것이다. 이와 같은 방법으로 일정 기간(1년, 52주) 동안의 월요일 온수 사용량을 적산하면 통계치를 얻을 수 있다. 동일한 방법으로, 월, 화, 수, 목, 금, 토, 일의 일주일 간 온수 사용량 통계치를 구할 수 있다.
사용자의 온수 사용량을 날짜별이나 월별로 통계치를 계산하지 않고 주간별로 통계치를 계산하는 것은 사용자가 각 요일별로 온수 사용량이 유사하다는 경험칙에서 기인한 것이다. 그러나, 이를 다른 주기로 반복하여 적산한 통계치를 사용한 것도 본 발명의 기술적 사상에 당연히 포함된다 할 것이다.
본 발명에서 사용하는 1일 사용열량(Q2)은 하루 24시간 동안 사용한 온수의 총량으로 적산된다. 왜냐하면, 현재 연료전지 발전량 제어방법이 통상 1일 단위로 운용되기 때문이다. 물론 본 발명에 따른 연료전지 발전량 제어방법은 시간 단위로 운용하는 것도 포함한다 할 것이다.
중앙 제어부(20)는 이 주간 온수 사용 패턴을 기초로 한 1일 사용열량(Q2)을 1일 총 사용열량(Qt)으로 취급할 수 있다. 그러나, 사용자의 1일 총 사용열량(Qt)을 보다 정확하게 예측하기 위하여 본 발명에서는 2가지 온수 사용량 변화량을 추가로 고려한다.
먼저, 실내온도의 고저에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 기초로 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)을 계산한다(S22). 즉, 같은 월요일이라 하더라도 실내온도가 낮은 날과 높은 날의 온수 사용량이 달라진다는 사실을 고려한 것이다. 따라서, 각 요일별 온수 사용량 패턴에 따른 통계치에 실내온도의 고저에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 더하면 더욱 정확한 예측치를 계산할 수 있다.
여기서, 실내온도는 하루를 기준으로 낮, 밤에 관계없이 크게 변화하지 않는다는 것을 감안하여, 상기 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)을 계산할 때, 실내온도는 1일 24시간 평균치를 기준으로 계산한다.
실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)을 고려한 일 실시예를 설명한다. 1년 동안 52번의 월요일에 적산된 통계치를 기준으로 온수 사용 패턴에 따른 1일 사용열량(Q2)이 250MJ 이였다. 이 중에서 실내온도가 하루 평균 25도이었던 월요일이 10번이 있었는데, 이 때 평균 1일 사용량(Q2)이 230MJ였다. 그렇다면, 실내온도가 25도인 경우의 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)은 -20MJ이 된다. 따라서, 오늘 발전량을 제어할 때 실내온도가 25도인 경우에는 단순히 주간 온수 사용 패턴에 따른 1일 사용열량(Q2)인 250MJ이 아니라, 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)인 -20MJ을 고려한 230MJ을 1일 총 사용열량(Qt)으로 사용한다. 이를 수식으로 나타내면 아래 식 (2)와 같다.
1일 총 사용열량(Qt) = 1일 사용열량(Q1) + 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3) (2)
다음으로, 실내온도와 실외온도 차이(ΔT)에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 기초로 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)을 계산한다(S23). 즉, 같은 월요일이라 하더라도 실내온도와 실외온도 차이(ΔT)가 큰 날과 작은 날의 온수 사용량이 달라진다는 사실을 고려한 것이다. 예를 들어, 실내온도와 실외온도 차이(ΔT)가 크다는 것은 겨울에 난방을 많이 한다는 것을 의미한다. 그렇다면 실내온도와 실외온도 차이(ΔT)가 작은 가정보다 난방수로서의 온수 사용이 많을 것이라고 예상할 수 있다.
따라서, 각 요일별 온수 사용량 패턴에 따른 통계치에 실내온도와 실외온도 차이(ΔT)에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 더하면 더욱 정확한 예측치를 계산할 수 있다.
여기서, 실내온도와 실외온도의 차이(ΔT)는 하루를 기준으로 낮, 밤에 따라 크게 변하기 때문에 이를 평균치로 구하면 예측의 정확성이 떨어질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)을 계산할 때, 상기 실내온도와 실외온도의 차이(ΔT)를 하루 중 특정한 시각을 기준으로 측정된 순시치를 기준으로 계산한다. 예를 들어, 온수를 가장 많이 사용하는 아침 출근시간대인 7시를 기준으로 일괄적으로 통계치를 작성하면 그 만큼 변동 범위를 감소시킬 수 있다.
도 4는 특정 요일(월요일)에 24시간 동안 사용자의 온수 사용 패턴에 따른 1일 사용열량(Q(h)p)을 나타낸 그래프이고, 도 5는 도 4의 그래프에 실내온도와 실외온도의 차이(ΔT)가 10도가 날 때 실제 1일 사용열량(Q(h)R)을 나타낸 그래프를 함께 도시한 것이다. 본 발명은 실내온도와 실외온도 차이(ΔT)에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 기초로 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)(도 5의 그래프에서 빗금친 부분을 합한 값)을 고려한 것이다.
실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)을 고려한 일 실시예를 설명한다. 1년 동안 52번의 월요일에 적산된 통계치를 기준으로 온수 사용 패턴에 따른 1일 사용열량(Q2)이 250MJ 이였다. 이 중에서 실내온도와 실외온도의 차이(ΔT)가 아침 7시 기준으로 10도이었던 월요일이 5번이 있었는데, 이 때 평균 1일 사용량(Q2)이 265MJ였다. 그렇다면, 실내온도와 실외온도의 차이(ΔT)가 10도인 경우의 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)은 15MJ이 된다. 따라서, 오늘 발전량을 제어할 때 실내온도와 실외온도의 차이(ΔT)가 10도인 경우에는 단순히 주간 온수 사용 패턴에 따른 1일 사용열량(Q2)인 250MJ이 아니라, 실내온도와 실외온도의 차이(ΔT)에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)인 15MJ을 고려한 265MJ을 1일 총 사용열량(Qt)으로 사용한다. 이를 수식으로 나타내면 아래 식 (3)와 같다.
1일 총 사용열량(Qt) = 1일 사용열량(Q1) + 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4) ( 3)
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 사용자의 주간 온수 사용 패턴의 통계치를 기초한 1일 사용열량(Q1), 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3), 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량((ΔQ4)을 종합적으로 고려하여 1일 총 사용열량(Qt)을 계산한다(S24). 이 때, 상기 1일 총 사용열량(Qt)은 상술한 식 (2) 또는 (3)에 의해서도 구할 수 있으나, 더욱 정확한 예측을 위하여 실내온도 고저, 실내온도 및 실외온도의 차이를 모두 고려하여 구할 수도 있다. 이를 수식으로 나타내면 아래 식 (4)와 같다.
1일 총 사용열량(Qt) = 1일 사용열량(Q1) + 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3) + 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4) ( 4)
다음으로, 중앙 제어부(20)는 상기 전력추종 방식에 따른 1일 발생열량(Q1)과 상기 1일 사용열량(Q2), 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3), 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량((ΔQ4) 등을 기초로 계산된 1일 총 사용열량(Qt)을 비교한다(S25).
상기 비교 결과, 상기 1일 총 사용열량(Qt)이 상기 1일 발생열량(Q1)보다 작거나 같은 경우에는, 상기 전력추종 방식에 의해 계산된 상기 1일 발전량을 따라 연료전지를 운용한다. 즉, 전력추종 방식에 의해 계산된 1일 발전량(Pt)에 의해 부수적으로 발생하는 1일 발생열량(Q1)만으로도 사용자가 필요로 하는 1일 총 사용열량(Qt)을 충족시킬 수 있기 때문에 추가 열량 공급을 고려할 필요 없이 주간 온수 사용 패턴으로 지정된 온수사용 시간에 맞추어 발전을 운용하면 된다(S26 내지 S28).
S26 단계에서 1일 총 사용열량(Qt) = 1일 발생열량(Q1)는 2가지 의미를 가진다. 하나는, 1일 발생열량(Q1)이 1일 총 사용열량(Qt)보다 더 큰 경우에는 축열조(30)을 저장 용량이 매우 커서 1일 발생열량(Q1)을 모두 저장할 수 있기 때문에 항상 1일 총 사용열량(Qt)을 충족시킬 수 있다는 것을 의미한다. 다른 하나는, 1일 발생열량(Q1)이 1일 총 사용열량(Qt)보다 더 작은 경우로서 후술하는 S32 단계에서 발전비용(W1)이 보조열원비용(W2)보다 더 저렴한 때에는, 연료전지를 추가로 발전하여 1일 발생열량(Q1)을 증가시킴으로써 1일 총 사용열량(Qt)과 같도록 만들어준다는 것을 의미한다.
상기 비교 결과, 상기 1일 총 사용열량(Qt)이 상기 1일 발생열량(Q1)보다 큰 경우에는, 상기 1일 발전량(Pt)에 따라 연료전지를 발전시키는 한편 하기 식 (1)에 따라 1일 요구열량(Qd)을 계산한다(S30).
1일 요구열량( Qd ) = 1일 총 사용열량(Qt) - 1일 발생열량(Q1) ( 1)
마지막으로, 상기 1일 요구열량(Qd)을 연료전지를 발전시켜 얻는데 소요되는 발전비용(W1)과 상기 1일 요구열량(Qd)을 보조열원으로 가열하여 얻는데 소요되는 보조열원비용(W2)을 계산한 다음, 어느 비용이 더 저렴한지 경제성을 비교 판단한다(S31,S32).
여기서, 상기 1일 요구열량(Qd)을 연료전지를 발전시켜 얻는데 소요되는 발전비용(W1)은 하기 식 (5)에 따라 계산된다.
1일 요구열량 발전비용(W1) = 1일 요구열량( Qd )을 얻는데 필요한 연료가스 비용 - 발생된 전기로 계통전력을 상계함에 따른 전기요금 절감비용 ( 5)
상술한 바와 같이, 연료전지는 수소 공급원으로서 LNG와 같은 연료가스를 사용하기 때문에 상기 1일 요구열량(Qd)을 얻는데 소모되는 연료가스 양을 측정하면 그 비용을 계산할 수 있다. 다만, 이 경우 전력추종 제어를 통해 당일 필요한 모든 전기량을 충족시키는 발전량이 이미 포함된 상태에서 추가로 연료전지 발전을 더 하기 때문에 여분의 전기가 발생된다. 이 여분의 전기는 계통전기로 공급되는 전기와 상계하여 전기요금을 절감할 수 있다. 이러한 상계로 인해 계통전력 사용구간이 변경되어 전기요금 누진율이 달라지면 더욱 큰 비용 절감효과를 얻을 수 있다.
이러한 점을 고려하여, 상기 연료전지 발전에 의해 소요되는 비용(W1)은 상기 식(5)에서 보는 바와 같이 연료가스 비용에 계통전력 상계에 따라 절감된 전기요금을 뺀 값으로 계산하는 것이 바람직하다.
반면, 보조열원비용(W)은 통상적으로 보조열원으로 많이 사용되는 보일러를 가동시키기 위한 연료가스 비용만으로 산정된다.
연료전지, 보일러에 사용되는 연료가스의 요금이나 계통전력의 전기 요금은 계속 변동된다. 상술한 바와 같이, 계통전력의 전기 요금은 사용량에 따라서 구간별 누진제가 적용되는데, 최저와 최고 구간간의 누진율은 11.7 배나 차이가 난다. 따라서, 연료가스, 전기 요금의 변동, 계통전력 사용 구간에 따른 누진율 변동 등으로 상기 발전비용(W1)과 보조열원비용(W2) 중 어느 것이 더 저렴한지 여부는 항상 달라질 수 있다. 본 발명은 이러한 비용 변동에 따른 경제성 판단까지 고려하여 가정용 연료전지 시스템 가동에 있어서 에너지 비용 절감 효과를 극대화할 수 있도록 해준 것이다.
상기 경제성 판단 결과, 발전비용(W1)이 더 저렴한 경우에는 S26 단계로 진행하여 연료전지를 추가로 발전함으로써 1일 발생열량(Q1)이 1일 총 사용열량(Qt)과 같게 되도록 해준다. 상기 경제성 판단 결과, 보조열원비용(W2)이 더 저렴한 경우에는 보조열원인 보일러를 가동하여 추가로 열량을 공급함으로써 1일 총 사용열량(Qt)을 유지할 수 있도록 해준다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 연료전지 20: 중앙 제어부
30: 축열조 40: 보조열원
50: 열부하 60: 열량 측정부
70: 실내온도 측정부 80: 실외온도 측정부

Claims (8)

  1. 가정용 연료전지를 전력추종 방식에 의해 1일 발전량을 계산하고, 이 1일 발전량에 따라 부수적으로 발생하는 1일 발생열량(Q1)을 계산하는 단계; 사용자의 주간 온수 사용 패턴을 적산한 통계치를 기초로 1일 사용열량(Q2)을 계산하는 단계; 상기 1일 발생열량(Q1)과 상기 1일 사용열량(Q2)을 기초로 계산된 1일 총 사용열량(Qt)을 비교하는 단계; 상기 비교 결과, 상기 1일 총 사용열량(Qt)이 상기 1일 발생열량(Q1)보다 큰 경우에는, 상기 1일 발전량에 따라 연료전지를 발전시키는 한편 하기 식 (1)에 따라 1일 요구열량(Qd)을 계산하는 단계;

    1일 요구열량(Qd) = 1일 총 사용열량(Qt) - 1일 발생열량(Q1) (1)

    상기 1일 요구열량(Qd)을 연료전지를 발전시켜 얻는데 소요되는 발전비용(W1)과 상기 1일 요구열량(Qd)을 보조열원으로 가열하여 얻는데 소요되는 보조열원비용(W2)을 계산한 다음, 더 낮은 비용이 소요되는 방식으로 상기 1일 요구열량(Qd)을 얻는 단계;를 포함하고,
    실내온도의 고저에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 기초로 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)을 계산하는 단계;를 더 포함하고, 상기 1일 총 사용열량(Qt)은 하기 식 (2)에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법.

    1일 총 사용열량(Qt) = 1일 사용열량(Q1) + 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3) (2)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비교 결과, 상기 1일 총 사용열량(Qt)이 상기 1일 발생열량(Q1)보다 작거나 같은 경우에는, 상기 전력추종 방식에 의해 계산된 상기 1일 발전량을 따라 연료전지를 발전시키는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    실내온도와 실외온도 차이에 따른 사용자의 온수 사용량 변화량을 적산한 통계치를 기초로 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)을 계산하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 1일 총 사용열량(Qt)은 하기 식 (4)에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법.

    1일 총 사용열량(Qt) = 1일 사용열량(Q1) + 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3) + 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4) (4)
  6. 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 5 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 1일 요구열량(Qd)을 연료전지를 발전시켜 얻는데 소요되는 발전비용(W1)은 하기 식 (5)에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법.

    1일 요구열량 발전비용(W1) = 1일 요구열량(Qd)을 얻는데 필요한 연료가스 비용 - 발생된 전기로 계통전력을 상계함에 따른 전기요금 절감비용 (5)
  7. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 실내온도에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ3)을 계산할 때, 상기 실내온도는 1일 기준 24시간 평균치를 기준으로 계산하는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 실내외온도 차이에 따른 1일 사용열량 변화량(ΔQ4)을 계산할 때, 상기 실내온도와 실외온도의 차이(ΔT)는 하루 중 특정한 시각을 기준으로 측정된 순시치를 기준으로 계산하는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 발전량 제어방법.
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