KR101791105B1 - 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템 - Google Patents

태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템 Download PDF

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김명복
곽봉우
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Abstract

본 발명은 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템에 관한 것으로, 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템에 있어서, 태양광을 수용하여 전기 에너지를 생성하는 솔라패널 및 상기 솔라패널과 연결되며, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 최대 전력점에서 전기 에너지의 전압을 승압시키는 MPPT승압형 컨버터부를 포함하는 태양광 발전부; 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력을 충전하거나 충전된 전력을 방전시키는 배터리부; 상기 배터리부와 연결되며, 입력되는 전압을 일정하게 유지시키는 DC 링크부; 및 상기 DC 링크부로부터 공급되는 전력을 통해 구동되는 유도가열부; 를 포함하여 이루어지고, 상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량에 따라 상기 태양광 발전부 또는 상기 배터리부에서 선택적으로 전력이 공급되어 상기 유도가열부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템을 제공한다. 상기 본 발명에 따르면 종래의 시스템에 비해 에너지 효율이 높고, 유지 비용이 낮고 환경 친화적인 장점을 갖는다.

Description

태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템 {Induction heating boiler system using photovoltaic power generation}
본 발명은 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 발전 및 배터리 시스템으로 구성된 일체형의 유도가열형 보일러용 정현파 발생 시스템으로, 일사량에 대응하여 배터리를 충전 또는 방전시켜 지속적으로 보일러를 작동시켜 높은 효율을 지니는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템에 관한 것이다.
지구 온난화 해소 및 화석 연료 고갈에 대한 대책으로서, 신재생 에너지에 대한 관심과 관련 기술의 개발이 적극적으로 이루어지고 있다. 특히, 풍력, 태양광, 연료 전지 시스템 등의 신재생 에너지 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이들을 이용하는 경우에 있어서, 각각의 독립적이고, 전용의 전력변환장치 및 이를 제어하는 장치를 제조 또는 사용한다. 일반적으로, 태양광 발전 시스템이라 함은 태양전지를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템으로서, 독립 전력원으로 이용되거나 또는 계통 연계형 태양광 발전 시스템으로 상용교류전원의 계통과 연계되어 보조 전력원으로 이용된다.
한편, 실내의 난방이나 온수를 공급하기 위하여 보일러를 사용하게 되는데, 이러한 일반적인 보일러는 석유, 석탄, 가스 등과 같은 화석연료를 연소시켜 그 연소열에 의해 물을 가열하게 된다. 그런데 이러한 화석연료를 연소시키는 과정에서 환경을 오염시킬 수 있는 배기가스가 발생하게 되는 문제점이 있어서, 최근에는 새롭게 대두되고 있는 보일러가 전기를 이용한 유도가열 보일러인 바, 이는 유도가열 방식을 이용하여 물을 가열함으로써 난방이나 온수를 사용할 수 있도록 한다. 유도가열 방식은 유도가열코일을 고속으로 스위칭할때 발생하는 유도 자계가 유도가열코일에 인접한 자계성 가열대상의 표면에 와전류(Eddy Current)를 흐르게 함으로써 와류손(Eddy Current Loss)및 교번 자계에 의한 히스테리시스 손실에 의한 열을 발생하도록 한 방식으로, 유도가열 보일러는 이를 이용하여 수조내의 물을 가열하도록 한다.
상기 유도가열 보일러의 전원으로 태양광 발전 시스템을 이용할 수 있다. 그런데 종래의 시스템은 계통연계형 태양광 발전 시스템과 계통 전력을 사용하여 유도가열형 정현파 전압원 발생 시스템을 지니는 2단 구조로 되어 있다. 계통연계형 태양광 발전 시스템을 통해 계통에 전력을 공급하여 에너지를 저장하고, 계통전력을 사용하여 유도가열형 정현파 전압원 발생 시스템을 구동하는 2단 구조를 가지므로 에너지 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
한국 공개특허 제2015-0136988호(발명의 명칭: 고주파 유도가열 보일러 장치, 이하 종래기술 1이라 한다.)에서는, 보일러 몸체 내부에 설치된 고주파 유도가열기를 통해 온수를 공급하는 고주파 유도가열 보일러 장치에 있어서, 상기 고주파 유도가열기에 공급되는 고주파를 생성하는 고주파 발생기; 상기 고주파 유도가열기를 통해 공급되는 온수의 온도를 감지하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서를 통해 감지되는 온수의 온도에 대응되도록 상기 고주파 발생기의 작동을 자동 제어하는 제어기를 포함하고, 고주파 발생기의 자동 제어 및 에너지 스토리지 시스템(Energy storage system; ESS)의 적용 등을 통해 효율적인 전력의 공급이 이루어질 수 있도록 하는 고주파 유도가열 보일러 장치가 개시되어 있다.
KR 2015-0136988 A
종래기술 1은 유도가열 보일러 장치의 전원으로 계통전력을 사용하고 있으며, 종래기술 1에 종래의 계통연계형 태양광 발전 시스템을 결합하여 사용하는 경우, 2단의 구조로 되어 있어 에너지 효율이 떨어진다는 제1 문제점 및 외부 전력계통을 이용하므로 전기 요금을 지불해야 해서 유지 비용이 높다는 제2 문제점을 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템에 있어서, 태양광을 수용하여 전기 에너지를 생성하는 솔라패널 및 상기 솔라패널과 연결되며, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 최대 전력점에서 전기 에너지의 전압을 승압시키는 MPPT승압형 컨버터부를 포함하는 태양광 발전부; 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력을 충전하거나 충전된 전력을 방전시키는 배터리부; 상기 배터리부와 연결되며, 입력되는 전압을 일정하게 유지시키는 DC 링크부; 및 상기 DC 링크부로부터 공급되는 전력을 통해 구동되는 유도가열부; 를 포함하여 이루어지고, 상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량에 따라 상기 태양광 발전부 또는 상기 배터리부에서 선택적으로 전력이 공급되어 상기 유도가열부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템을 제공한다.
또한, 상기 배터리부는 상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 이상인 경우 상기 태양광 발전부에서 출력되어 상기 유도가열부를 구동시키고 남은 잉여전력을 충전할 수 있다.
또한, 상기 배터리부는 상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 미만인 경우 상기 유도가열부를 구동시키기 위해 상기 배터리부에 충전된 전력을 방전시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리부의 충방전 여부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량, 상기 배터리부에 충전되거나 방전되는 전력 및 상기 유도가열부의 출력전력을 측정하는 전력측정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법에 있어서, (a) 태양광 발전부에서 전력을 생성하는 단계; (b) 상기 생성된 전력량을 측정하여 미리 설정된 기준 전력량 이상인지 판단하는 단계; 및 (c) 상기 판단 여부에 따라 배터리부에 상기 생성된 전력을 충전하거나 상기 배터리부에 충전된 전력을 방전시키고, 상기 태양광 발전부 또는 상기 배터리부에서 전력이 선택적으로 공급되어 유도가열부를 구동시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법을 제공한다.
또한, 상기 (b) 단계의 판단결과 상기 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 이상인 경우, (c-1) 상기 태양광 발전부로부터 생성된 전력을 이용하여 상기 배터리부에 충전함과 동시에 상기 유도가열부를 구동시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계의 판단결과 상기 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 미만인 경우, (c-2) 상기 배터리부에 충전된 전력을 방전시키고 상기 배터리부에서 방전된 전력을 이용하여 상기 유도가열부를 구동시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, 솔라패널에서 태양광을 수용하여 전기 에너지를 생성하는 단계 및 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 최대 전력점에서 상기 전기 에너지의 전압을 승압시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템은 종래기술에 비해 태양광 발전 및 배터리 시스템으로 구성된 일체형 유도가열형 보일러 시스템 구조를 구비하여 종래의 시스템에 비해 에너지 효율이 높다는 제1 효과, 태양광 발전을 통해 외부계통전력을 이용하지 않고도 구동시킬 수 있어 별도의 전기 요금 지불이 필요하지 않아 유지 비용이 낮다는 제2 효과 및 신재생 에너지원인 태양광을 사용하기 때문에 환경 친화적이라는 제3 효과를 갖는다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 계통연계형 태양광 발전 시스템에 대한 회로도이다.
도 2는 종래의 유도가열형 정현파 전압원 발생 시스템에 대한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템에 대한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법에 대한 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 계통연계형 태양광 발전 시스템에 대한 회로도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 계통연계형 태양광 발전 시스템은 솔라패널(10), 상기 솔라패널의 출력단에 접속되어 있으며, 리액터(Lpv), 반도체 스위치(Q1), 및 다이오드(D1)로 구성된 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 승압형 컨버터부(20), 상기 MPPT 승압형 컨버터부(20)의 출력단에 접속된 DC 링크부(CDC), 상기 DC 링크부에 접속되어 있으며, 복수의 반도체 스위치(Q5 내지 Q8)로 구성된 단상 인버터부(30), 상기 단상 인버터부(30)의 제1 및 제2 반도체 스위치(Q5, Q6) 사이의 접속점과, 제3 및 제4 반도체 스위치(Q7, Q8)의 접속점 사이에 연결된 LC필터와 상기 LC필터의 출력단에 접속된 계통(40)으로 구성되어 있다.
상기 MPPT 승압형 컨버터부(20)는 솔라패널(10)에서 생성된 전력의 최대전력점을 추출하여 최대전력점에서 전기 에너지의 낮은 전압을 승압시켜 단상 인버터부(30)의 효율을 증가시키는 역할을 수행한다. 상기 단상 인버터부(30)는 승압된 직류전력을 계통(40)과 동일한 주파수, 동일한 위상을 갖는 전류로 변환하는 역할을 수행한다. 그리고 상기 LC필터는 단상 인버터부(30)의 출력단에 나타나는 전압 리플(ripple)의 크기를 제거하여 깨끗한 정현파 파형의 전류가 계통으로 인가되도록 한다.
도 2는 종래의 유도가열형 정현파 전압원 발생 시스템에 대한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 종래의 유도가열형 정현파 전압원 발생 시스템은 계통(40), 상기 계통의 출력단에 접속되어 브리지다이오드로 구성된 AC-DC정류부(50), 상기 AC-DC정류부(50)에 접속되며, 한 쌍의 반도체 스위치로 구성된 인버터와, 상기 인버터에 연결되어 공진 커패시터와 공진 인덕터로 구성된 공진회로 및 열이 발생하는 가열 코일(Work coil)로 구성된 유도가열형 정현파 전압원 발생부(60)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 AC-DC정류부(50)는 상기 계통(40)에서 입력되는 교류전력을 직류전력으로 변환시킨다. 상기 변환된 직류전력은 상기 유도가열형 정현파 전압원 발생부(60) 내의 한 쌍의 반도체 스위치로 구성된 인버터에서 상기 반도체 스위치가 턴온/턴오프를 교호함으로써 교류전력으로 변환되고, 상기 공진회로는 상기 가열코일과 연동하여 공진함으로써, 가열코일의 역률을 개선하고, 상기 가열코일은 상기 인버터로부터 입력된 교류전력을 공진회로와 함께 공진시키고 여기서 발생된 자계를 이용하여 전류를 유도하여 열을 발생시킬 수 있다.
종래의 태양광을 이용한 유도가열형 보일러의 시스템은 상기 도 1과 같은 계통연계형 태양광 발전 시스템과 상기 도 2와 같은 계통 전력을 사용하는 유도가열형 정현파 전압원 발생 시스템을 지니는 2단 구조로 구성되어 있다. 계통연계형 태양광 발전 시스템을 통해 계통에 전력을 공급하여 에너지를 저장하고, 계통전력을 사용하여 유도가열형 정현파 전압원 발생 시스템을 구동하였기에, 에너지 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템에 대한 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템에 있어서, 태양광을 수용하여 전기 에너지를 생성하는 솔라패널(110) 및 상기 솔라패널(110)과 연결되며, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 최대 전력점에서 전기 에너지의 전압을 승압시키는 MPPT승압형 컨버터부(120)를 포함하는 태양광 발전부(100); 상기 태양광 발전부(100)로부터 출력되는 전력을 충전하거나 충전된 전력을 방전시키는 배터리부(200); 상기 배터리부(200)와 연결되며, 입력되는 전압을 일정하게 유지시키는 DC 링크부(300); 및 상기 DC 링크부(300)로부터 공급되는 전력을 통해 구동되는 유도가열부(400); 를 포함하여 이루어지고, 상기 태양광 발전부(100)에서 생성된 전력량에 따라 상기 태양광 발전부(100) 또는 상기 배터리부(200)에서 선택적으로 전력이 공급되어 상기 유도가열부(400)를 구동시키는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템을 제공한다.
상기 솔라패널(110)은 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 수용된 태양광의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 MPPT 승압형 컨버터부(120)는 상기 솔라패널(110)의 출력단에 접속되어 있으며, 리액터(Lpv), 컨버터 반도체 스위치(Q1), 및 제1 다이오드(D1)로 구성될 수 있고, 상기 솔라패널(110)에서 생성된 전력의 최대전력점을 추출하여 최대전력점에서 전기 에너지의 낮은 전압을 승압시키는 역할을 수행한다.
또한, 상기 배터리부(200)는 상호 직렬 연결된 제1 및 제2 반도체 스위치(Q2, Q3)와, 상기 태양광 발전부(100)에서 출력되는 전력이 충전되는 배터리 및 상기 제1 및 제2 반도체 스위치(Q2, Q3) 사이에 일단이 연결되고, 상기 배터리와 타단이 연결되는 배터리부인덕터(LBAT)로 구성될 수 있다.
상기 배터리부(200)는 일사량이 많아서 상기 태양광 발전부(100)에서 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 이상인 경우 상기 태양광 발전부(100)에서 출력되어 상기 유도가열부(400)를 구동시키고 남은 잉여전력을 배터리에 충전할 수 있다. 또한, 상기 배터리부(200)는 일사량이 적거나 야간과 같이 태양광 발전을 통해 전력의 공급이 어려워 상기 태양광 발전부(100)에서 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 미만인 경우 상기 유도가열부(400)를 구동시키기 위해 상기 배터리부(200)에 충전된 전력을 방전시켜 일정한 DC 전압원을 발생시킬 수 있다.
배터리 충전이 필요한 때에는 제2 반도체 스위치(Q3)가 턴오프되면, 제1 반도체 스위치(Q2)가 턴온, 턴오프를 반복하면서 상기 태양광 발전부(100)에서 생성된 전력은 배터리부인덕터(LBAT)를 통과하여 배터리에 충전된다. 배터리 방전이 필요한 때에는 제1 반도체 스위치(Q2)가 턴오프되면, 제2 반도체 스위치(Q3)가 턴온, 턴오프를 반복하면서 상기 배터리에 충전된 전력을 방전시켜 유도가열부(400)를 구동시킨다.
기준 전력량은 본 발명의 시스템이 설치된 유도가열형 보일러에서, 태양광 발전으로부터 생성되는 시간당 전력량, 배터리의 충전용량, 유도가열형 보일러의 수요 전력량 등을 고려하여 미리 설정될 수 있다.
또한, 상기 배터리부(200)의 충방전 여부를 제어하는 제어부(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(500)는 상기 태양광 발전부(100)에서 생성된 전력량, 배터리에 충전되거나 방전되는 전력, DC 링크부(300)의 전압 및 유도가열부(400)의 출력을 측정할 수 있는 전력측정부(510)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부(500)는 상기 전력측정부(510)에서 측정되는 상기 태양광 발전부(100)에서 생성된 전력량, 배터리에 충전되거나 방전되는 전력, DC 링크부(300)의 전압 및 유도가열부(400)의 출력값에 따라 PWM(pulse width modulation)제어 신호를 태양광 발전부(100), 배터리부(200), 유도가열부(400)에 각각 전송하여 스위칭 동작을 수행시켜 각 구성부를 제어한다.
구체적으로, 상기 제어부(500)는 상기 전력측정부(510)에서 측정된 상기 태양광 발전부(100)에서 생성된 전력량을 미리 설정된 기준 전력량과 비교하고, 상기 생성된 전력량이 기준 전력량 이상인 경우 배터리부(200)에 전력을 충전하면서 유도가열부(400)를 함께 구동시키고, 상기 생성된 전력량이 기준 전력량 미만인 경우 배터리부(200)의 충전을 중단하고 그동안 상기 배터리부(200)에 충전된 전력을 방전시켜 유도가열부(400)가 지속적으로 구동될 수 있도록 배터리부(200)의 충방전 여부를 제어한다.
DC 링크부(300)는 상기 태양광 발전부(100) 또는 배터리부(200)에서 출력되는 전력을 일시적으로 저장하면서 직류 전압을 일정하게 유지시키고 안정적으로 유도가열부(400)에 전력을 공급하는 역할을 수행한다. 상기 DC 링크부(300)는 예를 들면, 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC) 등의 커패시터가 사용될 수 있다.
유도가열부(400)는 상호 직렬 연결된 제3 및 제4 반도체 스위치로 구성된 인버터와, 상기 인버터에 연결되어 공진 커패시터와 공진 인덕터로 구성된 공진회로 및 열이 발생하는 가열코일(Work coil)로 구성될 수 있다. 상기 제3 및 제4 반도체 스위치로 구성된 인버터에서 상기 제3 및 제4 반도체 스위치가 턴온/턴오프를 교호함으로써 상기 DC 링크부(300)로부터 공급된 직류전력이 교류전력으로 변환되고, 상기 공진회로는 상기 가열코일과 연동하여 공진함으로써, 가열코일의 역률을 개선하고, 상기 가열코일은 상기 인버터로부터 입력된 교류전력을 공진회로와 함께 공진시키고 여기서 발생된 자계를 이용하여 전류를 유도하여 열을 발생시킬 수 있다. 상기 유도가열부(400)의 구성은 도 4에 도시된 회로 구성에 한정되지 않으며 당 업계에 공지된 유도가열형 정현파 전압원을 발생시킬수 있는 회로를 이용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법에 대한 순서도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명은 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법에 있어서, (a) 태양광 발전부(100)에서 전력을 생성하는 단계(s100); (b) 상기 생성된 전력량을 측정하여 미리 설정된 기준 전력량 이상인지 판단하는 단계(s200); 및 (c) 상기 판단 여부에 따라 배터리부(200)에 상기 생성된 전력을 충전하거나 상기 배터리부(200)에 충전된 전력을 방전시키고, 상기 태양광 발전부(100) 또는 상기 배터리부(200)에서 전력이 선택적으로 공급되어 유도가열부(400)를 구동시키는 단계 (s300); 를 포함하여 이루어지는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법을 제공한다.
구체적으로 상기 (b) 단계의 판단결과 상기 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 이상인 경우, (c-1) 상기 태양광 발전부(100)로부터 생성된 전력을 이용하여 상기 배터리부(200)에 충전함과 동시에 상기 유도가열부(400)를 구동시키는 단계 (s300a); 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계의 판단결과 상기 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 미만인 경우, (c-2) 상기 배터리부(200)에 충전된 전력을 방전시키고 상기 배터리부(200)에서 방전된 전력을 이용하여 상기 유도가열부(400)를 구동시키는 단계(s300b); 를 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법에 대해 설명하기로 한다.
첫째, 태양광 발전부(100)에서 전력을 생성한다. 상기 단계는 솔라패널(110)에서 태양광을 수용하여 전기 에너지를 생성하는 단계 및 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 최대 전력점에서 상기 전기 에너지의 전압을 승압시키는 단계를 포함할 수 있다.
둘째, 상기 생성된 전력량을 측정하여 미리 설정된 기준 전력량 이상인지를 판단한다. 상기 판단은 전력측정부(510)를 포함하는 제어부(500)에서 수행될 수 있다. 상기 전력측정부(510)가 첫째 단계에서 생성된 전력량을 측정하고, 제어부(500)는 측정된 전력량과 기준 전력량을 비교하여 다음 진행단계를 결정한다.
셋째, 둘째 단계의 판단 여부에 따라 배터리부(200)에 상기 생성된 전력을 충전하거나 상기 배터리부(200)에 충전된 전력을 방전시키고, 상기 태양광 발전부(100) 또는 상기 배터리부(200)에서 전력이 선택적으로 공급되어 유도가열부(400)를 구동시킨다. 구체적으로 상기 생성된 전력량이 기준 전력량 이상인 경우, 상기 배터리부(200)에 상기 태양광 발전부(100)로부터 생성된 전력을 충전하는 것과 동시에, 상기 태양광 발전부(100)로부터 생성된 전력을 이용하여 상기 유도가열부(400)를 구동시킨다. 그리고 상기 생성된 전력량이 기준 전력량 미만인 경우, 상기 배터리부(200)에 충전된 전력을 방전시켜 일정한 DC 전압원을 발생시키고, 이를 이용하여 상기 유도가열부(400)를 구동시킨다.
본 발명과 같이 일체형의 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템을 사용할 경우, 종래의 2단 구조를 가지는 시스템 대비 높은 효율을 지니는 시스템 구성이 가능하며, 신재생 에너지원을 사용하기 때문에 별도의 전기요금 지불이 필요하지 않으며, 환경 친화적인 장점을 가지고 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 솔라패널
20: MPPT 승압형 컨버터부
30: 단상 인버터부
40: 계통
50: AC-DC정류부
60: 유도가열형 정현파 전압원 발생부
100: 태양광 발전부
110: 솔라패널
120: MPPT 승압형 컨버터부
200: 배터리부
300: DC 링크부
400: 유도가열부
500: 제어부
510: 전력측정부

Claims (9)

  1. 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템에 있어서,
    태양광을 수용하여 전기 에너지를 생성하는 솔라패널 및 상기 솔라패널의 출력단과 연결되고, 리액터, 컨버터 반도체 스위치 및 제1 다이오드로 구성되어 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 최대 전력점에서 전기 에너지의 전압을 승압시키는 MPPT승압형 컨버터부를 포함하는 태양광 발전부;
    상기 태양광 발전부와 연결되며, 상호 직렬 연결된 제1 반도체 스위치와 제2 반도체 스위치, 상기 태양광 발전부에서 출력되는 전력이 충전되는 배터리 및 상기 제1 반도체 스위치 및 제2 반도체 스위치 사이에 일단이 연결되고 상기 배터리와 타단이 연결되는 배터리부인덕터를 포함하여, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력을 충전하거나 충전된 전력을 방전시키는 배터리부;
    상기 배터리부와 연결되며, 상기 태양광 발전부 또는 상기 배터리부에서 출력되어 입력되는 전력을 일시적으로 저장하면서 직류 전압을 일정하게 유지시키고 안정적으로 전력을 공급하는 DC 링크부;
    상기 DC 링크부로부터 공급되는 전력을 통해 구동되는 유도가열부; 및
    상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량, 상기 배터리부에 충전되거나 방전되는 전력 및 상기 유도가열부의 출력전력을 측정하는 전력측정부를 포함하여, 상기 배터리부의 충방전 여부를 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어지고,
    상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량에 따라 상기 태양광 발전부 또는 상기 배터리부에서 선택적으로 전력이 공급되어 상기 유도가열부를 구동시키되,
    상기 배터리부는, 일사량에 따라, 상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 이상인 경우, 상기 태양광 발전부에서 출력되어 상기 유도가열부를 구동시키고 남은 잉여전력을 배터리에 충전하거나, 또는 태양광 발전을 통해 전력의 공급이 어려워 상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 미만인 경우, 상기 유도가열부를 구동시키기 위해 상기 배터리부에 충전된 전력을 방전시켜 일정한 DC 전압원을 발생시키는 것을 특징으로 하고,
    상기 미리 설정된 기준 전력량은 상기 태양광 발전부로부터 생성되는 시간당 전력량, 상기 배터리의 충전 용량 및 상기 유도가열부의 수요 전력량을 고려하여 설정되며,
    상기 배터리의 충전이 필요한 경우, 상기 제2 반도체 스위치가 턴오프되는 동시에 상기 제1 반도체 스위치가 턴온, 턴오프를 반복하면서 상기 태양광 발전부에서 생성된 전력이 상기 배터리부인덕터를 통과하여 상기 배터리에 충전되고,
    상기 배터리의 방전이 필요한 경우, 상기 제1 반도체 스위치가 턴오프되는 동시에 상기 제2 반도체 스위치가 턴온, 턴오프를 반복하면서 상기 배터리에 충전된 전력을 방전시켜 상기 유도가열부를 구동시키며,
    상기 유도가열부는, 상호 직렬 연결된 제3 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치로 구성된 인버터, 상기 인버터에 연결되어 열이 발생하는 가열코일(Work coil) 및 상기 제3 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치 사이에 일단이 연결되고 상기 가열코일과 타단이 연결되는 공진 커패시터와 공진 인덕터로 구성된 공진회로를 포함하여, 상기 제3 및 제4 반도체 스위치가 턴온 및 턴오프를 교호함으로써 상기 DC 링크부로부터 공급된 직류전력이 교류전력으로 변환되고, 상기 공진회로는 상기 가열코일과 연동하여 공진함으로써 상기 가열코일의 역률을 개선하고, 상기 가열코일은 상기 인버터로부터 입력된 교류전력을 상기 공진회로와 함께 공진시키고 발생되는 자계를 이용하여 전류를 유도하여 열을 발생시키며,
    상기 제어부는, 상기 전력측정부에서 측정되는 상기 태양광 발전부에서 생성된 전력량, 상기 배터리에 충전되거나 방전되는 전력, 상기 DC 링크부의 전압 및 상기 유도가열부의 출력값에 따라 PWM(pulse width modulation)제어 신호를 상기 태양광 발전부, 상기 배터리부, 상기 유도가열부에 각각 전송하여 스위칭 동작을 수행시켜 각 구성부를 제어하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1 에 따른 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법에 있어서,
    (a) 태양광 발전부에서 전력을 생성하는 단계;
    (b) 상기 생성된 전력량을 측정하여 미리 설정된 기준 전력량 이상인지 판단하는 단계; 및
    (c) 상기 판단 결과에 따라 배터리부에 상기 생성된 전력을 충전하거나 상기 배터리부에 충전된 전력을 방전시키고, 상기 태양광 발전부 또는 상기 배터리부에서 전력이 선택적으로 공급되어 유도가열부를 구동시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (b) 단계의 판단결과 상기 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 이상인 경우,
    (c-1) 상기 태양광 발전부로부터 생성된 전력을 이용하여 상기 배터리부에 충전함과 동시에 상기 유도가열부를 구동시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 (b) 단계의 판단결과 상기 생성된 전력량이 미리 설정된 기준 전력량 미만인 경우,
    (c-2) 상기 배터리부에 충전된 전력을 방전시키고 상기 배터리부에서 방전된 전력을 이용하여 상기 유도가열부를 구동시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    솔라패널에서 태양광을 수용하여 전기 에너지를 생성하는 단계 및 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 최대 전력점에서 상기 전기 에너지의 전압을 승압시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 유도가열형 보일러 시스템의 운용방법.
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