KR101759290B1 - 재생에너지 전원 관리 장치 - Google Patents

재생에너지 전원 관리 장치 Download PDF

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Abstract

재생에너지 전원 관리 장치가 개시된다. 이 장치는 복수의 재생에너지 발전기로부터 전기에너지를 입력받는 복수의 재생에너지 입력부, 복수의 재생에너지 입력부를 통해 입력된 교류전기를 직류전기로 변환하는 복수의 교류/직류 변환부, 복수의 교류/직류 변환부의 출력 전원들을 직렬 연결 또는 병렬 연결하거나 직렬과 병렬로 혼합 연결하는 직병렬 연결부, 직병렬 연결부의 출력 전원으로 하나 이상의 배터리를 충전하며, 충전된 전원을 방전하는 충방전부, 직병렬 연결부의 출력 전원 또는 충방전부에 의해 방전된 전원을 해당 동작 전원으로 변환하여 출력 포트를 통해 해당 부하로 공급하는 복수의 직류/직류 변환부, 및 직병렬 연결부의 직병렬 연결 및 충방전부의 충방전을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

재생에너지 전원 관리 장치{Power management apparatus for renewable energy}
재생에너지 전원 관리 기술이 개시된다.
국내공개특허공보 제10-2010-0121031호에는 다중 재생에너지 수집 장치에 대해 개시되어 있다. 이 공보에 따른 자가 발전 장치는 태양전지, 진동에너지, 및 열에너지 등 두 가지 이상의 재생에너지를 수집하여 전기를 발생시킬 수 있으며, 전지 혹은 수퍼 커패시터를 포함하여 일정기간 동안 전기에너지를 저장할 수도 있다.
한편, 국내등록특허공보 제10-1061315호에는 풍속에 따라 공기저항을 달리하는 풍력발전기에 대해 개시되어 있다. 이 공보에 따른 풍력발전기는 풍속의 차이에 따라 회전날개가 접혀지면서 태풍과 같은 거센 바람에서도 무리 없이 전력을 생산할 수 있다.
별개로 생산되는 복수의 재생에너지들을 관리하고 서로 다른 동작 전원을 갖는 부하들에 공급할 수 있는 재생에너지 전원 관리 장치가 개시된다.
일 양상에 따른 재생에너지 전원 관리 장치는 복수의 재생에너지 발전기로부터 전기에너지를 입력받는 복수의 재생에너지 입력부, 복수의 재생에너지 입력부를 통해 입력된 교류전기를 직류전기로 변환하는 복수의 교류/직류 변환부, 복수의 교류/직류 변환부의 출력 전원들을 직렬 연결 또는 병렬 연결하거나 직렬과 병렬로 혼합 연결하는 직병렬 연결부, 직병렬 연결부의 출력 전원으로 하나 이상의 배터리를 충전하며, 충전된 전원을 방전하는 충방전부, 직병렬 연결부의 출력 전원 또는 충방전부에 의해 방전된 전원을 해당 동작 전원으로 변환하여 출력 포트를 통해 해당 부하로 공급하는 복수의 직류/직류 변환부, 및 직병렬 연결부의 직병렬 연결 및 충방전부의 충방전을 제어하는 제어부를 포함한다.
일 양상에 따르면, 복수의 재생에너지 발전기는 모두 풍력 발전기일 수 있다.
일 양상에 따르면, 재생에너지 전원 관리 장치는 태양광 발전기로부터 전기에너지를 입력받아 직병렬 연결부로 출력하는 태양광에너지 입력부를 더 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 복수의 직류/직류 변환부 중 적어도 일부는 둘 이상의 출력 포트와 연결될 수 있다.
일 양상에 따르면, 제어부는 출력 포트별로 동작 전원 공급을 단속하는 출력 단속 제어부를 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 재생에너지 전원 관리 장치는 하나 이상의 통신 인터페이스를 포함하는 통신부, 및 통신부를 통해 데이터 로거의 데이터를 수집하는 데이터 수집부를 더 포함하며, 출력 단속 제어부는 수집된 데이터에 근거하여 출력 포트별 동작 전원 공급을 단속할 수 있다.
일 양상에 따르면, 출력 단속 제어부는 출력 포트별 전원 공급 스케줄링에 따라 동작 전원 공급을 단속할 수 있다.
일 양상에 따르면, 제어부는 복수의 교류/직류 변환부별 출력을 측정하는 발전 측정부, 및 측정 결과에 따라 직병렬 연결부의 직병렬 연결을 제어하는 직병렬 연결 제어부를 포함할 수 있다.
개시된 재생에너지 전원 관리 장치에 따르면, 복수의 재생에너지들을 효율적으로 관리하고 공급 제어할 수 있게 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 재생에너지 제어 관리 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어부의 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 다중 풍력발전기의 사시도이다.
도 4는 다중 풍력발전기의 평면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 회전체의 사시도이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 재생에너지 제어 관리 장치의 블록도이며, 도 2는 도 1에 도시된 제어부의 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 재생에너지 제어 관리 장치는 입력부(100)와 입력 변환부(200)와 직병렬 연결부(300)와 충방전부(400)와 배터리부(500)와 출력 변환부(600) 및 제어부(700)를 포함한다. 나아가, 재생에너지 제어 관리 장치는 출력 단속부(800)를 더 포함할 수 있으며, 사용자 입력부(910)와 표시부(920)와 통신부(930) 및 저장부(940) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
입력부(100)는 복수의 재생에너지 발전기들로부터 전기에너지를 입력받는 복수의 재생에너지 입력부들을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 재생에너지 입력부들은 풍력 발전기로부터 전기에너지를 입력받는 풍력발전기 입력부들(110, 120, 130, 140)이다. 교류/직류 변환부들(210, 220, 230, 240)은 풍력발전기 입력부들(110, 120, 130, 140)로부터 입력된 교류전기를 직류전기로 변환한다. 직병렬 연결부(300)는 복수의 교류/직류 변환부들(210, 220, 230, 240)의 출력 전원을 직병렬 연결한다. 여기서 직병렬 연결이라 함은 출력 전원들을 직렬 연결 또는 병렬 연결하거나 직렬과 병렬로 혼합 연결함을 의미한다. 직병렬 연결부(300)는 제어부(700)의 소프트웨어적 제어에 따라 복수의 교류/직류 변환부들(210, 220, 230, 240)을 직병렬 연결하게 되고, 직병렬 연결에 따라 직병렬 연결부(300)의 출력 전원은 달라지게 된다. 추가로, 입력부(100)는 태양광 발전기로부터 전기에너지를 입력받는 태양광에너지 입력부(150)를 더 포함할 수 있다. 태양광에너지 입력부(150)로 입력된 전기에너지는 직류이므로, 태양광에너지 입력부(150)는 입력된 전기 에너지를 그대로 직병렬 연결부(300)로 출력한다.
충방전부(400)는 직병렬 연결부(300)의 출력 전원으로 배터리부(500)의 배터리를 충전한다. 또한, 충방전부(400)는 배터리부(500)의 배터리에 충전된 전원을 방전시켜 부하로 전원을 공급할 수 있다. 그리고 배터리부(500)는 하나 이상의 배터리를 포함하는데, 도 1에 예시된 바와 같이 복수의 배터리들(510, 520, 530, 540)을 포함할 수 있다. 출력 변환부(600)는 복수의 직류/직류 변환부들(610, 620, 630, 640, 650)을 포함한다. 복수의 직류/직류 변환부들(610, 620, 630, 640, 650) 각각은 입력된 직류 전원을 부하에 공급하기 위한 동작 전원으로 변환한다. 직류/직류 변환부들(610, 620, 630, 640, 650)의 동작 전원, 즉 출력 전원은 상이할 수 있다. 예를 들어, 직류/직류 변환부 #1(610)과 직류/직류 변환부 #2(620)의 출력 전원은 5V이고, 직류/직류 변환부 #3(630)와 직류/직류 변환부 #4(640)의 출력 전원은 12V이며, 직류/직류 변환부 #5(650)의 출력 전원은 24V이다. 직류/직류 변환부들(610, 620, 630, 640, 650)의 출력 전원은 해당 출력 포트를 통해 부하로 공급된다. 일 실시예에 있어서, 직류/직류 변환부들(610, 620, 630, 640, 650) 중에서 적어도 하나는 복수의 출력 포트와 연결된다. 예를 들어, 5V를 동작 전원으로 하는 부하가 다수일 경우를 고려하여 직류/직류 변환부 #1(610)는 복수의 출력 포트와 연결될 수 있는 것이다. 또는 5V를 동작 전원으로 하는 부하의 수만큼 5V 전원을 출력하는 직류/직류 변환부의 수가 구성될 수 있다. 아니면 5V 전원을 출력하는 복수의 직류/직류 변환부가 구성되되, 일부는 복수의 출력 포트와 연결되게 구성될 수도 있다.
제어부(700)는 마이크로프로세싱 유닛(Micro Processing Unit, MPU)일 수 있으며, 장치의 전반을 제어할 수 있다. 제어부(700)는 직병렬 연결부(300)의 직병렬 연결을 소프트웨어적으로 제어할 수 있으며, 직류/직류 변환부들(610, 620, 630, 640, 650)의 입력 레인지에 따라 동작 전원을 생성해내기 위한 승압 레벨 또는 강압 레벨을 조절할 수 있다. 또한, 제어부(700)는 충방전부(400)의 충방전을 제어할 수 있다. 출력 단속부(800)는 제어부(700)의 제어에 따라 출력 포트별 출력 변환부(600)의 출력 전원을 단속한다. 출력 단속부(800)에 의해 출력 포트를 통해 동작 전원이 부하로 공급되거나 공급이 차단되게 된다. 일 실시예에 있어서, 출력 단속부(800)는 출력 포트별로 전단에 구비된 스위칭 소자로 이루어진다. 따라서, 출력 포트별 스위칭 소자의 스위칭에 따라 동작 전원이 부하로 공급되거나 공급되지 않게 된다.
사용자 입력부(910)는 키패드나 터치패드 등 사용자의 입력을 위한 구성이며, 표시부(920)는 터치패드를 겸비한 디스플레이일 수 있다. 그리고 통신부(930)는 하나 이상의 통신 인터페이스를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 통신부(930)는 USB 단자와 시리얼 단자 및 이더넷 단자를 포함한다. 또한, 무선 네트워크 접속이 가능한 통신 인터페이스도 포함할 수 있다. 저장부(940)는 하나 이상의 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 제어부(700)는 출력 단속 제어부(710)를 포함한다. 출력 단속 제어부(710)는 출력 포트별로 부하로의 동작 전원 공급을 단속하기 위한 제어신호를 출력 단속부(800)로 출력한다. 일 실시예에 있어서, 출력 단속 제어부(710)는 출력 포트별 전원 공급 스케줄링에 따라 동작 전원 공급을 단속한다. 출력 포트별 전원 공급 스케줄링 정보는 저장부(940)에 미리 저장되어 있을 수 있다. 저장부(940)에 저장된 출력 포트별 전원 공급 스케줄링 정보는 사용자 입력부(910)를 통해 입력된 것일 수 있으며, 통신부(930)를 통해 수신된 것일 수도 있다. 출력 포트별 전원 공급 스케줄링에 따라 출력 포트별로 동작 전원의 예약 공급이 가능하므로, 필요한 시간에만 전원을 공급할 수 있어 전원 효율이 상승된다.
추가로, 제어부(700)는 데이터 수집부(720)를 더 포함할 수 있다. 데이터 수집부(720)는 데이터 로거(data logger)의 데이터를 수집한다. 예를 들어, 데이터 수집부(720)는 외부의 데이터 로거로부터 통신부(930)를 통해 데이터를 수신한다. 데이터 수집부(720)는 통신부(930)를 통해 데이터 로거에 접속하여 데이터를 요청 및 수신할 수도 있고, 데이터 로거에서 주기적으로 혹은 이벤트 발생시마다 데이터 수집부(720)로 전달할 수도 있다. 데이터 로거는 온도나 습도와 같은 날씨 관련 데이터를 축적하는 것일 수 있다. 그리고 이벤트라 함은 온도나 습도의 급격한 변화나, 기설정된 값을 벗어난 경우 등을 예로 들 수 있다. 일 실시예에 있어서, 출력 단속 제어부(710)는 데이터 수집부(720)의 수집 데이터에 근거하여 출력 포트별 동작 전원 공급을 단속한다. 예를 들어, 수집 데이터가 비올 확률이 희박함을 의미하는 것이면, 출력 단속 제어부(710)는 이와 관련된 부하인 강우량 센서와 연결된 출력 포트의 동작 전원 공급을 단속한다.
추가로, 제어부(700)는 발전 측정부(730)와 직병렬 연결 제어부(740)를 더 포함할 수 있으며, 출력 변환 제어부(750)를 더 포함할 수 있다. 발전 측정부(730)는 발전기별 생산되는 전류 레벨 또는 전압 레벨을 측정할 수 있다. 발전 측정부(730)는 입력 변환부(200)의 교류/직류 변환부들(210, 220, 230, 240)의 출력 전원을 측정할 수 있으며, 태양광에너지의 경우에는 테양광에너지 입력부(150)의 출력 전원을 측정할 수 있다. 이를 위해, 교류/직류 변환부들(210, 220, 230, 240)의 출력단과 태양광에너지 입력부(150)의 출력단에는 전류계나 전압계가 구성될 수 있다. 직병렬 연결 제어부(740)는 발전 측정부(730)의 측정 결과에 따라 복수의 교류/직류 변환부들(210, 220, 230, 240)의 출력 전원을 직병렬 연결한다. 교류/직류 변환부들(210, 220, 230, 240)의 출력 전원은 동일하지 않고 상이할 수 있으므로, 직병렬 연결 제어부(740)는 발전 측정부(730)의 측정 결과에 맞춰 직병렬 연결을 제어함으로써 타겟 전원이 생성될 수 있도록 하는 것이다.
한편, 출력 변환 제어부(750) 역시 발전 측정부(730)의 측정 결과에 따라 복수의 직류/직류 변환부(610, 620, 630, 640, 650)들의 출력 변환을 각각 제어할 수 있다. 입력부(100)의 출력 전원이 가변적인바, 그에 따라 출력 변환부(600)로 입력되는 전원 역시 가변적일 수 있다. 따라서, 출력 변환 제어부(750)는 출력 변환부(600)의 입력 전원 레인지에 맞춰 직류/직류 변환부(610, 620, 630, 640, 650)들의 승압 레벨 또는 강압 레벨을 제어할 수 있다.
한편, 부하로 공급되는 전원은 배터리부(500)의 전원일 수도 있으며, 배터리부(500)에 충전되지 않고 발전기들에 의해 실시간으로 생산되는 전원일 수도 있다. 제어부(700)는 충방전부(400)를 제어하여 배터리부(500)의 전원을 출력 변환부(600)로 출력토록 할 수도 있으며, 직병렬 연결부(300)의 출력이 출력 변환부(600)의 입력이 되도록 제어할 수도 있는 것이다. 또한, 제어부(700)는 교류/직류 변환부()들의 출력 전원 외에 적어도 하나의 배터리 전원을 추가하여 직병렬 연결 제어할 수도 있다. 이 같이 하는 경우는 실시간으로 생산되는 전원이 부하들로 공급하기에는 부족할 경우, 그 부족되는 양만큼 배터리 전원을 사용토록 하는 것이다.
한편, 제어부(700)는 발전기별로 입력 전압값을 표시부(920)로 출력할 수 있고, 통신부(930)를 통해 수신된 원격 제어 명령에 따라 해당 제어를 수행할 수도 있으며, 장치의 상태를 체크하는 기능도 할 수 있다. 또한, 배터리 풀 충전시 충전을 자동 차단하여 잉여 전력을 배출하는 기능도 할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 다중 풍력발전기의 사시도이고, 도 4는 다중 풍력발전기의 평면도이며, 도 5는 일 실시예에 따른 회전체의 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 다중 풍력발전기는 소형 풍력발전기를 복수로 연결하여 일체화한 것이다. 필요한 발전량에 따라 2개 내지 6개까지 발전기를 설치하는 것이 가능하며, 그 이상 또한 가능하다. 도 3은 4개의 발전기가 일체화된 다중 풍력발전기의 형상을 예시하고 있다.
다중 풍력발전기는 수직으로 세워진 지지대(10)와 상측 프레임(20)과 하측 프레임(30) 및 복수의 회전체(40)들을 포함한다. 상측 프레임(20)은 지지대에 고정되는데, 도 3에 예시된 바와 같이 연결부재로 지지대(10)에 연결되어 고정 설치될 수 있다. 하측 프레임(30)은 상측 프레임(20)의 하방으로 간격을 두고 지지대(10)에 고정되는데, 도 3에 예시된 바와 같이 연결부재로 지지대(10)에 연결되어 고정 설치될 수 있다. 상측 프레임(20)과 하측 프레임(30)은 동일한 형상과 사이즈를 가질 수 있으며, 원형일 수 있다. 회전체(40)들은 각각이 독립적인 풍력 발전을 위한 것으로, 상측 프레임과 하측 프레임 사이에 지지대(10) 둘레를 따라 배열된다.
각각의 회전체(40)는 회전 축부(41)와 복수의 블레이드들(42, 43, 44, 45)을 포함한다. 회전 축부(41)는 상단이 상측 프레임에 회전 가능하게 결합되고, 하단이 하측 프레임에 가능하게 결합된다. 그리고 회전 축부(41)에 연결된 블레이드들(42, 43, 44, 45)은 회전 축부(41)의 둘레를 따라 배열된다. 일 실시예에 있어서, 회전 축부(41)와 일체로 이루어진 블레이드들(42, 43, 44, 45)은 회전 축부(41)의 둘레 방향을 따라 곡면지게 형성된다. 그리고 블레이드들(42, 43, 44, 45)은 회전 축부(41)의 둘레 방향을 따라 등간격 배열될 수 있다.
상술한 바와 같이, 동일 수평 상에 곡면 형상을 갖는 복수의 블레이드들(42, 43, 44, 45)을 배열한 다중 풍력발전기에 의하면, 어느 방향으로 바람이 불어와도 보다 효율적인 발전이 가능해지며, 바람골의 활용으로 발전 효율이 더욱 증가된다. 또한, 동일 용량 대비 소형의 블레이드 타입으로 저소음 구현이 가능해진다.
이상에 따른 재생에너지 전원 관리 장치와 다중 풍력발전기는 재생에너지 시스템의 구성을 이룬다. 이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 지지대 20 : 상측 프레임
30 : 하측 프레임 40 : 회전체
41 : 회전 축부 42, 43, 44, 45 : 블레이드
100 : 입력부 110, 120, 130, 140, 150 : 풍력에너지 입력부
200 : 입력 변환부 210, 220 ,230, 240, 250 : 교류/직류 변환부
300 : 직병렬 연결부 400 : 충방전부
500 : 배터리부 510, 520, 530, 540 : 배터리
600 : 출력 변환부 610, 620, 630, 640, 650 : 직류/직류 변환부
700 : 제어부 710 : 출력 단속 제어부
720 : 데이터 수집부 730 : 발전 측정부
740 : 직병렬 연결 제어부
750 : 출력 변환 제어부 800 :출력 단속부
910 : 사용자 입력부 920 : 표시부
930 : 통신부 940 : 저장부

Claims (8)

  1. 복수의 재생에너지 발전기로부터 전기에너지를 입력받는 복수의 재생에너지 입력부;
    복수의 재생에너지 입력부를 통해 입력된 교류전기를 직류전기로 변환하는 복수의 교류/직류 변환부;
    복수의 교류/직류 변환부의 출력 전원들을 직렬과 병렬로 혼합 연결하는 직병렬 연결부;
    직병렬 연결부의 출력 전원으로 하나 이상의 배터리를 충전하며, 충전된 전원을 방전하는 충방전부;
    직병렬 연결부의 출력 전원 또는 충방전부에 의해 방전된 전원을 해당 동작 전원으로 변환하여 출력 포트를 통해 해당 부하로 공급하는 복수의 직류/직류 변환부; 및
    직병렬 연결부의 직병렬 연결 및 충방전부의 충방전을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 복수의 재생에너지 입력부는
    복수의 풍력 발전기로부터 전기에너지를 입력받는 풍력발전기 입력부; 및
    태양광 발전기로부터 전기에너지를 입력받는 태양광에너지 입력부; 를 더 포함하고,
    상기 직류/직류 변환부는 적어도 둘 이상의 상이한 전압 값의 동작 전원을 공급하는 재생에너지 전원 관리 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    태양광 발전기로부터 전기에너지를 입력받아 직병렬 연결부로 출력하는 태양광에너지 입력부;
    를 더 포함하는 재생에너지 전원 관리 장치.
  4. 제 1 항 및 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 직류/직류 변환부 중 적어도 일부는 둘 이상의 출력 포트와 연결된 재생에너지 전원 관리 장치.
  5. 제 1 항 및 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 제어부는 :
    출력 포트별로 동작 전원 공급을 단속하는 출력 단속 제어부;
    를 포함하는 재생에너지 전원 관리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    하나 이상의 통신 인터페이스를 포함하는 통신부; 및
    통신부를 통해 데이터 로거의 데이터를 수집하는 데이터 수집부;를 더 포함하며,
    출력 단속 제어부는 수집된 데이터에 근거하여 출력 포트별 동작 전원 공급을 단속하는 재생에너지 전원 관리 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    출력 단속 제어부는 출력 포트별 전원 공급 스케줄링에 따라 동작 전원 공급을 단속하는 재생에너지 전원 관리 장치.
  8. 제 1 항 및 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 제어부는 :
    복수의 교류/직류 변환부별 출력을 측정하는 발전 측정부; 및
    측정 결과에 따라 직병렬 연결부의 직병렬 연결을 제어하는 직병렬 연결 제어부;
    를 포함하는 재생에너지 전원 관리 장치.
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