KR101979232B1 - 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 슈퍼커패시터와 배터리로 이루어진 하이브리드 에너지 저장부에 태양광 전력을 이용하여 입력전압의 최대 발전전력으로 X축 방향 및 Y축 방향으로 충전이 가능하고, 태양광에서 발생하는 전력이 저전력인 경우에도 충전이 가능하게 하고, 슈퍼커패시터 셀 발란싱(Cell Balancinh)이 필요없도록 한 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 태양광을 입사받아 DC전력을 생산하는 태양광 발전부와, 상기 태양광 발전부로부터 생산된 DC전력을 공급받아 승압하거나 감압하여 필요한 전력으로 변환하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부로부터 변환된 전력을 공급받아 충전하기 위해 N×M개로 이루어진 다수의 슈퍼커패시터와, 상기 각 슈퍼커패시터의 N열과 연결되어 상기 전력 변환부로부터 변환된 전력을 공급받아 충전하는 다수의 배터리와, 상기 각 슈퍼커패시터의 N열에 연결되어 상기 각 슈퍼커패시터 및 배터리의 충전을 제어하는 다수의 충전 제어부를 포함하여 이루어진 하이브리드 에너지저장부와, 상기 태양광 발전부에서 생산된 전원 특성에 따라 상기 전력 변환부의 구동을 제어하는 전력 충방전 제어부와, 상기 하이브리드 에너지저장부에 충전된 전력을 공급받아 동작하는 부하부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양광 충방전 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 수명을 향상시킴과 더불어 출력 패턴이 불안정한 태양광 전력을 최적의 충전 모드로 충전할 수 있도록 한 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전 세계적으로 기후변화의 결과는 환경 파괴의 위기와 고유가로 나타나게 되면서 동시에 자원고갈의 위기에 직면하였고 석유에너지의 고갈과 환경오염이 가속화됨에 따라 지구온난화를 방지하기 위한 교토의정서가 발효됨에 따라 이산화탄소 배출을 억제하기 위한 신재생 에너지의 이용기술 개발이 시급한 과제로 급부상하고 있다.
이러한 실정 하에서 기술개발의 방향은 풍력, 조력, 태양광, 수력 등의 자연에너지를 이용한 신재생 에너지 개발에 집중하고 있으며, 신재생 에너지를 비롯하여 자동차나 전동차의 제동시 발생되는 회생에너지 등을 저장하는 저장시스템에서 손실로 처리되는 에너지 시스템이나 장치를 개선하여 손실율을 최소화시키는 방향으로도 활발하게 개발이 이루어지고 있다.
한편, 에너지 저장방식은 크게, 슈퍼커패시터 특히, 최근에 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있는 슈퍼커패시터 모듈로 구성된 에너지 저장방식과, 배터리 특히, 리튬 배터리를 이용한 에너지 저장방식 정도로 기술 개발이 압축되고 있으며, 양자는 각각 장점과 단점을 가지고 있다.
즉, 슈퍼커패시터 모듈로 구성된 에너지 저장방식은 피크 전력을 저감시키기 어렵고, 방전시 배터리 방식에 비해 짧은 시간만 방전 가능하므로 에너지 저장효율이 많이 떨어지지만, 응답속도가 빨라서 역률 보상이 용이하다는 장점이 있고, 또한 급속한 슈퍼커패시터의 에너지 저장용량 확대 기술개발로 인해 초 고용량 슈퍼커패시터가 시장에 출시되고 있어 이를 신재생 에너지 저장용으로 개발하여 실험하고 국내외 실증(몽골, 인도네시아, 러시아, 한국)을 해본 결과 태양광 에너지 저장장치로서 충분히 활용할 만한 가치가 있음을 증명하였으며, 실험 결과는 ① 예측하기 어려운 출력패턴을 가진 태양광의 문제점인 흐린 날 저전력 충전이 가능했고, 평상시 급속충전이 가능했으며, ② 태양광으로 당일 충전, 당일사용이 가능하다는 사실을 알았으며 ③ 슈퍼커패시터와 배터리를 이용하여 지속 가능한 장수명 에너지 저장장치를 개발할 수 있다.
반면에, 2차 전지인 배터리를 이용한 에너지 저장방식은 응답속도가 느려서 역률 보상이 용이하지 못한 문제가 있지만, 피크 전력 저감이 용이하며 장시간 방전이 가능하여 에너지 저장 효율이 높다는 장점을 갖고 있으나, 1백만회 충방전이 가능한 슈퍼커패시터에 비해 배터리는 수명이 짧아 유지보수 비용이 높고, 환경에 유해하다는 단점이 있고, 높은 에너지 밀도로 인해 흐리고 비 오는 날 충전이 되지 않아 기술적으로 부조일수 개념을 적용하여, 추가적인 배터리 용량을 설계하여 적용함으로써 이러한 문제를 해결하려고 하나 이는 배터리가 에너지 밀도가 높고, 수명이 짧아 근본적인 대책이 되지 못한다.
이와 같이 배터리와 슈퍼커패시터는 다수 개를 조합하여 모듈로 만들어야 에너지 저장장치로 사용할 수 있고, 다수 개를 조합하여 모듈로 만들 때 n개의 슈퍼커패시터 또는 배터리간 전압편차가 발생하고 이를 기술적으로 안정화시키는 가장 기본적인 방법이 셀 밸런스 회로(Cell Balance Circuit)를 적용하는 것이고, 배터리와 슈퍼커패시터는 각 셀간의 전압균형이 무너지면 화재가 발생할 수 있고, 수명이 급속히 줄어드는 문제점이 있다.
(특허문헌 1) 공개특허공보 제2013-0026788호(공개일: 2013. 03. 14.)
(특허문헌 2) 공개특허공보 제2014-0130232호(공개일: 2014. 11. 07.)
(특허문헌 3) 등록특허공보 제10-1568278호(등록일: 2015. 11. 05.)
본 발명은 상기와 같은 문제를 개선하기 위하여 안출된 것으로, 슈퍼커패시터와 배터리로 이루어진 하이브리드 에너지 저장부에 태양광 전력을 이용하여 입력전원의 최대 발전전력으로 X축 방향 및 Y축 방향으로 충전이 가능하고, 태양광에서 발생하는 전력이 저전력인 경우에도 충전이 가능하게 하고, 슈퍼커패시터 셀 발란싱(Cell Balancinh)이 필요없도록 한 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치는 태양광을 입사받아 DC전력을 생산하는 태양광 발전부와, 상기 태양광 발전부로부터 생산된 DC전력을 공급받아 승압하거나 감압하여 필요한 전력으로 변환하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부로부터 변환된 전력을 공급받아 충전하기 위해 N×M개로 이루어진 다수의 슈퍼커패시터와, 상기 각 슈퍼커패시터의 N열과 연결되어 상기 전력 변환부로부터 변환된 전력을 공급받아 충전하는 다수의 배터리와, 상기 각 슈퍼커패시터의 N열에 연결되어 상기 각 슈퍼커패시터 및 배터리의 충전을 제어하는 다수의 충전 제어부를 포함하여 이루어진 하이브리드 에너지저장부와, 상기 태양광 발전부에서 생산된 전원 특성에 따라 상기 전력 변환부의 구동을 제어하는 전력 충방전 제어부와, 상기 하이브리드 에너지저장부에 충전된 전력을 공급받아 동작하는 부하부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 태양광 충방전 태양광 에너지 저장장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 슈퍼커패시터와 배터리로 이루어진 하이브리드 에너지 저장부에 전력변환기 및 n개의 슈퍼커패시터나 n개의 배터리 셀을 X축으로 충전하는 방식, n개의 슈퍼커패시터 모듈이나 n개의 배터리 모듈을 Y축으로 충전하는 방식을 이용하여 입력전압이 낮거나 높은 경우에도 그 당시의 최대 발전 전력으로 급속으로 충전할 수 있고, 입력전력이 낮은 경우에도 n개의 슈퍼커패시터나 배터리를 충전할 수 있다.
둘째, 슈퍼커패시터와 배터리를 동시에 또는 각각 충전할 수 있어 슈퍼커패시터와 배터리의 n개의 장점을 최대한 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 충방전 싸이클 수명이 긴 슈퍼커패시터 모듈에 먼저 충전한 후 충방전 싸이클 수명이 짧은 배터리 모듈에 충전하므로서 n개의 원래의 사용수명을 유지하도록 할 수 있어 지속 가능한 장수명의 에너지 저장장치를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 도 1의 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치에서 배터리와 슈퍼커패시터 모듈의 구성을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치의 상세한 실시도
도 4는 도 1의 슈퍼커패시터, 배터리, 슈퍼커패시터 모듈, 배터리 모듈의 번호를 나타낸 번호도
도 5는 도 1의 하이브리드 에너지 저장부의 X축 Y축의 충전모드를 설명하기 위한 설명도
도 6은 도 1의 하이브리드 에너지 저장부의 방전방식을 설명하기 위한 설명도
도 2는 도 1의 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치에서 배터리와 슈퍼커패시터 모듈의 구성을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치의 상세한 실시도
도 4는 도 1의 슈퍼커패시터, 배터리, 슈퍼커패시터 모듈, 배터리 모듈의 번호를 나타낸 번호도
도 5는 도 1의 하이브리드 에너지 저장부의 X축 Y축의 충전모드를 설명하기 위한 설명도
도 6은 도 1의 하이브리드 에너지 저장부의 방전방식을 설명하기 위한 설명도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...부재” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1의 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치에서 배터리와 슈퍼커패시터 모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치의 상세한 실시도이고, 도 4는 도 1의 슈퍼커패시터, 배터리, 슈퍼커패시터 모듈, 배터리 모듈의 번호를 나타낸 번호도이며, 도 5는 도 1의 하이브리드 에너지 저장부의 X축 Y축의 충전모드를 설명하기 위한 설명도이고, 도 6은 도 1의 하이브리드 에너지 저장부의 방전방식을 설명하기 위한 설명도이다.
본 발명에 의한 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 태양광을 입사받아 DC 전력을 생산하는 태양광 발전부(110)와, 상기 태양광 발전부(110)로부터 생산된 DC 전력을 공급받아 승압하거나 감압하여 필요한 전력으로 변환하는 전력 변환부(120)와, 상기 전력 변환부(120)로부터 변환된 전력을 공급받아 충전하기 위해 N×M개로 이루어진 다수의 슈퍼커패시터(131a~131f)와, 상기 각 슈퍼커패시터(131a~131f)의 N열과 연결되어 상기 전력 변환부(120)로부터 변환된 전력을 공급받아 충전하는 다수의 배터리(132a~132c)와, 상기 각 슈퍼커패시터(131a~131f)의 N열에 연결되어 상기 각 슈퍼커패시터(131a~131f) 및 배터리(132a~132c)의 충전을 제어하는 다수의 충전 제어부(133a~133c)와, 상기 각 슈퍼커패시터(131a~131f)의 M열에 연결되어 상기 각 슈퍼커패시터(131a~131f)를 통해 전달되는 전력을 충전하는 다수의 슈퍼커패시터 모듈(134a,134b)과, 상기 각 배터리(132a~132c)의 M열에 연결되어 상기 배터리(132a~132c)를 통해 전달되는 전력을 충전하는 배터리 모듈(135)을 포함하여 이루어진 하이브리드 에너지 저장부(130)와, 상기 태양광 발전부(110)에서 생산된 전원 특성에 따라 상기 전력 변환부(120)의 구동을 제어하는 전력 충방전 제어부(140)와, 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)에 충전된 전력을 공급받아 동작하는 부하부(150)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 태양광 발전부(110)로부터 상기 전력 변환부(120)로 공급되는 입력전압의 특성을 검출하기 위해 입력전압 검출부(160)가 추가로 구성되어 있고, 상기 전력 변환부(120)에 공급되는 상기 태양광 발전부(110)의 입력전압 변동을 억제하기 위한 평활부(170) 및 상기 전력 변환부(120)에서 스위칭 동작에 의해 발생되는 노이즈를 제거하기 위한 필터부(180)가 추가적으로 구성되어 있다.
상기 입력전압 검출부(160)는 상기 태양광 발전부(110)로부터 공급되는 입력전압의 특성인 입력전압과 입력전류를 검출하여 상기 전력 변환부(120) 및 전력 충방전 제어부(140)에 제공한다.
이때 상기 입력전압 검출부(160)는 필요에 따라 무부하 상태에서 입력전압을 특정하여 상기 태양광 발전부(110)에서 발생하는 개방전압을 측정하며, 상기 개방전압은 태양광 발전의 경우 최대 전력점을 파악하기 위해 측정되며 최대 전력점은 개방전압의 78%로 설정되며 태양광 발전은 최대 전력점에서 최대 전력이 출력된다.
또한, 상기 개방전압은 상기 부하부(150)를 통해 별도의 장치없이 일몰시 방전여부를 결정할 경우 사용되며, 독립형 태양광 가로등의 경우 방전은 태양광 발전부(110)의 개방전압과 하이브리드 에너지 저장부(130)의 전압을 비교하여 1분 동안 태양광 발전부(110)의 개방전압이 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)의 전압보다 0.7V 낮은 경우 방전을 경정하여 부하부(150)인 가로등을 점등한다.
여기서, 상기 태양광 발전부(110)는 본 발명의 하나의 실시예이고, 상용전원뿐만 아니라 풍력발전, 지열발전, 조력발전 및 수력발전 등의 자연에너지를 이용한 신재생에너지를 비롯하여 자동차나 전동차의 제동시 발생되는 회생 에너지를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 태양광 발전이 적용되는 독립형 태양광 가로등을 기반으로 설명한다.
또한, 상기 전력 변환부(120)에서 출력되는 출력전압의 특성을 검출하는 출력전압 검출부(190)를 포함하고, 상기 전력 충방전 제어부(140)는 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)의 전압 및 전류를 검출하여 상기 다수의 충전 제어부(133a~133c)를 제어한다.
상기 전력 충방전 제어부(140)는 상기 태양광 발전부(110)의 태양광 발전 조건에 따라 입력전압 검출부(160)와 출력전압 검출부(190)로부터 입력되는 전원의 특성에 따라 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)의 충방전을 제어하고, 상기 부하부(150)에 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)로부터 공급되는 전력을 받아 동작하는 부하의 특성에 따라서 부하를 제어하는 부하 제어부(200)를 포함한다.
상기 전력 변환부(120)는 상기 전력 충방전 제어부(140)를 통해 상기 태양광 발전부(110)로부터 공급되는 전압을 승압하거나 감압하여 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)에 출력하여 태양광 전력을 충전한다. 예를 들면, 120W 태양전지의 경우, 태양전지의 사양에 따라 상이하나 최대전압을 19.5V로 설정하고 120W 태양전지 2장을 직렬로 연결하면 39V의 최대전압을 발전한다.
상기 전력 변환부(120)는 벅-부스트 회로의 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect transistor) 스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어함으로서 출력전압을 승압하거나 감압한다.
따라서, 상기 전력 변환부(120)를 통해 태양광 발전시 최대 전력점을 유지할 수 있도록 출력전압을 조정함으로써 태양전지의 최대 출력을 얻을 수 있어 태양전지의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 충전효율도 높일 수 있다. 태양전지의 최대 전력점은 P(Max) = (Im × Vm) × 0.78로 정의할 수 있다.
그리고 태양전지는 접속한 부하의 전압에 따라 인출되는 전류가 결정되는 성질이 있다. 태양광 발전의 최대 전력점은 태양전지의 온도, 일사량 등 외부 기온의 변화에 따라서 항상 변화하며 상기 태양광 발전부(110)로부터 발생하는 태양광 전력은 기상조건 때문에 출력패턴을 예측하기 매우 어렵다는 문제가 있다.
상기 출력전압 검출부(190)는 상기 전력 변환부(110)에서 출력되는 출력전원의 특성인 출력전압을 검출하여 상기 전력 충방전 제어부(140) 및 하이브리드 에너지 저장부(130)에 제공한다.
상기 슈퍼커패시터 모듈(134a, 134b)들은 다수개의 슈퍼커패시터(131a~131f)들과 직병렬 연결로 구성되며, 상기 배터리 모듈(135)들도 다수개의 배터리(132a~132c)들과 직병렬 연결로 구성된다.
상기 전력 충방전 제어부(140)를 외부에서 제어할 수 있음과 더불어 각 구성 요소들간에 정보를 전달하고 정보를 출력하는 통신부(210)와, 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)의 출력을 단속하는 복수의 스위치부(221~223)와, 상기 태양광 발전부(110)로부터 발생하는 전력을 하이브리드 에너지 저장부(130)에 순차적으로 복수의 슈퍼커패시터(131a~131f), 슈퍼커패시터 모듈(134a, 134b), 배터리(132a~132c) 그리고 배터리 모듈(135)들을 충전한다.
한편, 상기 태양광 발전부(110)를 통해 생산된 전력은 상기 슈퍼커패시터(131a~131f)에 우선적으로 충전이 되고, 상기 각 슈퍼커패시터(131a~131f)에 충전된 전력은 상기 배터리(132a~132c)에 전달되어 충전이 이루어진다.
상기 하이브리드 에너지 저장부(130)를 구성하는 n개의 슈퍼커패시터(131a~131f), n개의 배터리(132a~132c), n개의 슈퍼커패시터 모듈(134a, 134b), n개의 배터리 모듈(135)에 충전된 데이터, 상기 태양광 발전부(110)로부터 생성되는 데이터, 상기 부하부(150)에서 생성되는 데이터, 상기 출력전압 검출부(190)에서 생성되는 데이터를 각각 저장하는 데이터 저장부(230)를 포함한다.
또한, 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)에서 발생하는 정보를 출력하여 보여주고, 상기 전력 충방전 제어부(140)에 충방전 조건을 설정하고 전력 충방전 제어부(140)의 기능을 선택하는 출력표시 및 데이터 입력부(240)와, 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)에서 발생하는 온도 정보 및 상기 태양광 발전부(110)에서 발생하는 온도 정보를 감지하여 제어하는 온도감지부(250)와, 상기 전력 충방전 제어부(140)를 외부에서 무선으로 제어하기 위한 블루투스 제어부(260)와, 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)의 동작 시간을 제어하여 년, 월, 일, 일몰, 일출시간, 위도, 경도의 위치에 따라서 상기 부하부(150)를 제어하는 시간 제어부(270)와, 상기 하이브리드 에너지 저장부(130) 내부의 열을 방출하고, 공기를 순환하기 위한 환풍기(280)를 포함한다.
상기 전력 충방전 제어부(140)는 n개의 슈퍼커패시터(131a~131f), n개의 슈퍼커패시터 모듈(134a, 134b)을 직접 제어하기 때문에 n개의 슈퍼커패시터(131a~131f), n개의 슈퍼커패시터 모듈(134a, 134b)간에 셀 발란싱(Cell Balancing) 회로가 필요 없다.
상기 온도 감지부(250)를 통해 상기 태양광 발전부(110)의 온도를 감지하여 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)를 제어하고, 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)로부터 전류가 역류되지 않도록 차단하는 역전류 방지부(290)를 더 포함하여 이루어진다.
상기 하이브리드 에너지 저장부(130)를 구성하는 n개의 슈퍼커패시터(131a~131f), n개의 슈퍼커패시터 모듈(134a, 134b) 및 n개의 배터리(132a~132c), n개의 배터리 모듈(135)의 저장전압을 검출하는 저장전압 검출부(300)와, 상기 태양광 발전부(110)의 전력 발전량에 따라서 상기 부하부(150)를 제어하는 부하 제어부(200)를 포함하여 이루어진다.
상기 저장전압 검출부(300)는 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)에 저장된 전압을 검출하여 상기 충전 제어부(133a~133c) 및 전력 충전 제어부(140)에 제공하여 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)의 충전을 효율적으로 진행할 수 있도록 한다.
상기 하이브리드 에너지 저장부(130)는 다수개의 슈퍼커패시터(131a~131f)와 배터리(132a~132c) 및 슈퍼커패시터 모듈(134a, 134b)과 배터리 모듈(135)을 직병렬로 연결한 하이브리드 형태로 조합하여 구성한다.
상기 하이브리드 에너지 저장부(130)의 최대 충전전압을 36.5V로 한 경우, 2.5V가 초과된다. 이때 2.5V 만큼 전력 변환부(120)에서 36.5V로 감압 전력변환을 한다. 태양전지의 최대전압이 19.5V인 경우, 직렬로 연결하면 39V가 되어 하이브리드 에너지 저장부(130)의 최대 충전전압 36.5V를 2.5V 초과하므로 2.5V 만큼 감압 전력으로 변환하여 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)에 태양광 DC 전원을 공급하여 충전을 실시한다.
한편, 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)는 상기 슈퍼커패시터의 전압을 상기 배터리의 전압보다 높게 설정하여 슈퍼커패시터에 충전된 전력으로 상기 배터리를 충전할 수 있다.
즉, 도 2에서와 같이, 12V용 하이브리드 태양광 에너지 저장장치의 경우, 하이브리드 에너지 저장부(130)는 12V용 배터리와 2.85V 슈퍼커패시터를 5개로 직렬로 연결하여 구성한 14.25V용 슈퍼커패시터 모듈을 직병렬로 연결하여 구성할 수 있다.
또한, 24V용 하이브리드 태양광 에너지 저장장치의 경우, 하이브리드 에너지저장부(130)는 24V용 배터리와 2.85V 슈퍼커패시터를 9개로 직병렬 연결하여 구성한 25.65V용 슈퍼커패시터를 직병렬로 연결하여 구성할 수 있다. 따라서 48V용 충전장치 이상의 경우에도 이와 같은 조합으로 하이브리드 에너지 저장부(130)를 구성할 수 있으며 이는 슈퍼커패시터 모듈을 구성하는 원리로 원하는 어떤 전력이던지 간에 이와 같은 원리 즉, 슈퍼커패시터의 전압을 배터리 전압보다 높게 설정하여 슈퍼커패시터에 충전된 전력으로 배터리를 충전할 수 있도록 한다.
이와 같이 상기 저장전압 검출부(300)으로부터 검출된 저장전압은 충전시 충전 종지전압과 비교하여 과충전 제어를 수행할 수 있도록 전력 충방전 제어부(140)에 제공되고, 방전시 최소 방전전압과 비교하여 과방전 제어를 수행할 수 있도록 전력 충방전 제어부(140) 및 충전 제어부(133a~133c)에 제공된다.
상기 전력 충방전 제어부(140)는 충전조건에 따라 입력전압 검출부(160)와 출력전압 검출부(190)로부터 입력되는 전원의 특성에 따라 전력 충방전 제어부(140)의 구동을 제어하여 하이브리드 에너지 저장부(130)에 전력을 충전한다.
여기서 충전조건은 충전 종지전압, 최대 충전전압, 입력전압의 최대 전력점 및 하이브리드 에너지 저장부(130)의 최소 방전전압 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 충전 종지전압은 충전시 과충전을 방지하기 위해 하이브리드 에너지 저장부(130)에 충전되는 종지전압을 의미하고, 최대 충전전압은 하이브리드 에너지 저장부(130)에 입력될 수 있는 최대 전압을 의미하고, 최소 방전전압은 하이브리드 에너지 저장부(130)의 과방전을 방지하기 위한 최소전압을 의미한다.
독립형 태양광 가로등의 실시 예로 설명하면,
슈퍼커패시터(3,400F, 2.85V, 3.84Wh)를 이용하여 에너지 저장부를 구성하는 경우, 4병렬, 13직렬로 구성하면, 약 200W의 에너지 저장부를 구성할 수 있다. (1/2 X 3,400F X 2.85V X 2.85V)/3,600 초 = 3.84Wh
즉, LED 가로등 20Wh, 10시간 정도 사용할 수 있는 독립형 태양광 가로등의 에너지 저장부가 완성되며, 이 경우 충전전압은 37.05V까지 충전을 시킬 수 있고 과충전을 방지하기 위해 36.5V까지만 충전되도록 충전 종지전압을 설정한다.
또한, 최대 전력점은 태양광 발전부(110)에서 최대 효율로 전력을 출력할 수 있는 지점을 의미하는 것으로 태양광 발전의 경우 부하가 연결되지 않은 개방시 최대전압의 78% 지점으로 설정한다.
따라서, 상기 전력 충방전 제어부(140)는 입력전압의 최대 전력점이 유지되도록 입력전압 검출부(160)로부터 입력된 입력전압과 출력전압 검출부(190)로부터 입력된 출력전압을 비교하여 전력 충방전 제어부(140) 및 전력 변환부(120)의 구동을 제어함으로써 충전효율을 증가시킬 수 있다.
그리고, 상기 전력 충방전 제어부(140)는 상기 저장전압 검출부(300)로부터 저장전압을 입력받아, 충전시 충전 종지전압과 비교하여 과충전 제어를 수행하고, 방전시 최소 방전전압과 비교하여 과방전 제어를 수행한다.
LED 가로등 20Wh, 10시간 정도 사용할 수 있는 위 독립형 태양광 가로등의 슈퍼커패시터 에너지 저장부의 실시 예를 설명하면, 상기 전력 충방전 제어부(140)는 최소 방전전압은 5V까지 방전시키도록 제어하여 과방전을 방지하도록 최소 방전전압을 설정한다.
또한, 상기 전력 충방전 제어부(140)는 상기 입력전압 검출부(160)로부터 입력되는 입력전압이 설정전압 이하인 경우 예를 들어, 태양광 발전에서 흐른 날이나 비오는 날 등 입력전압이 설정전압 이하로 낮아질 경우 전력 변환부(120)를 거치지 않고 직접 하이브리드 에너지 저장부(130)의 충전 제어부(133a~133c)를 통해 입력전압을 다수의 슈퍼커패시터(131a~131f) 중 가장 전압이 낮은 슈퍼커패시터부터 하나씩 X축으로 순차적으로 태양광 DC전력의 충전을 실시할 수도 있다.
한편, 상기 전력 충방전 제어부(140)는 충전 초기에 저장전압 검출부(300)로부터 입력된 전압 값에 기초하여 하이브리드 에너지 저장부(130)의 충전 가능상태를 판단하여 하이브리드 에너지 저장부(130)의 슈퍼커패시터 또는 배터리의 교환정보를 제공할 수도 있다.
상기 출력표시 및 데이터 입력부(240)는 상기 전력 충방전 제어부(140)의 동작상태 및 설정상태를 표시하여 사용자가 충방전 상태를 인지할 수 있도록 한다.
이때 상기 출력표시 및 데이터 입력부(240)는 상기 전력 충방전 제어부(140)의 동작상태 및 설정상태를 LCD 패널에 표시하는 LCD 표시장치를 구비할 수도 있고, 전력 충방전 제어부(140)의 동작상태를 LED로 표시하는 LED 표시부를 구비할 수도 있다.
또한, LCD 표시장치가 구비되는 경우, LCD 표시장치를 온 오프(On, Off)시키기 위한 표시스위치(도시되지 않음)를 출력표시 및 데이터 입력부(240)에 구비할 수 있다. 따라서, 표시스위치가 작동될 경우에는 LCD 표시장치를 설정시간 동안만 작동시킴으로써 하이브리드 에너지 저장부(130)의 방전량을 최소화할 수도 있다. 이때 LCD 표시장치의 작동시간은 전력 충방전 제어부(140)를 통해 사용자가 임의로 설정할 수도 있다.
상기 출력표시 및 데이터 입력부(240)는 상기 전력 충방전 제어부(140)에 충방전조건을 설정하고 전력 충방전 제어부(140)의 기능을 선택한다.
이와 같이 상기 출력표시 및 데이터 입력부(240)를 통해 충방전조건과 더불어 전력 충방전 제어부(140)의 동작을 위한 각종 파라미터를 설정할 수도 있다. 상기 전력 충방전 제어부(140)는 이렇게 설정된 충전조건 및 파라미터를 데이터 저장부(230)에 저장한다.
또한, 상기 출력표시 및 데이터 입력부(240)를 통해 전력 충방전 제어부(140)의 자체 진단기능을 작동시킬 경우, 전력 충방전 제어부(140)는 출력표시부의 LCD 표시장치를 통해 태양광 발전부(110)의 입력전압, 개방전압, 전력 변환부(120)의 동작상태, 하이브리드 에너지 저장부(130)의 저장전압 및 방전상태를 출력함으로써 이상유무를 판단할 수 있도록 한다.
또한, 상기 출력표시 및 데이터 입력부(240)를 통해 전력 충방전 제어부(140)의 수동 조작기능을 작동시킬 경우, 사용자가 직접 상기 전력 변환부(120)의 PWM(펄스 폭 변조)제어 값을 설정하거나 하이브리드 에너지 저장부(130)의 방전을 온 오프(On, Off) 시킬 수도 있다.
상기 평활부(180)는 상기 전력 변환부(120)에 공급되는 태양광 발전부(110)의 입력전압 변동을 억제하기 위해 구비되고, 상기 필터부(180)는 상기 전력 변환부(120)에서 스위칭 동작에 의해 발생되는 노이즈를 제거하여 출력하기 위해 설치되며, 상기 역전류 방지부(290)는 상기 태양광 발전부(110)로부터 입력되는 전력이 부족할 경우 하이브리드 에너지 저장부(130)로부터 전류가 역류되지 않도록 차단하기 위해 구비된다.
상기 부하 제어부(200)는 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)로부터 전원을 공급받아 전력 충방전 제어부(140)에 구동전원을 공급하며, 상기 부하 제어부(200)는 하이브리드 에너지 저장부(130)와 부하부(150) 사이에 매개되어 하이브리드 에너지 저장부(130)의 출력을 단속한다.
따라서, 상기 전력 충방전 제어부(140)가 상기 입력전압 검출부(160)로부터 입력된 입력전압이 설정전압 이하로 낮아질 경우, 예를 들어 태양광 발전에서 일몰시 부하부(150)인 태양광 가로등이나 태양광 보안등의 작동을 위해 부하 제어부(200)를 작동시킴으로써 방전상태로 전환되어 하이브리드 에너지 저장부(130)에 충전된 전력으로 가로등이나 보안등이 작동된다.
상기 전력 충방전 제어부(140)는 상기 태양광 발전부(110)의 전압발생을 감지하여 부하 제어부(200)를 통해 독립형 가로등에 설치된 태양전지를 독립형 가로등의 온 오프 (ON OFF) 스위치로 사용할 수도 있다.
또한, 상기 전력 충방전 제어부(140)가 상기 저장전압 검출부(160)로부터 입력되는 저장전압이 최소 방전전압인 5V 이하로 낮아질 경우, 과방전을 방지하기 위해 부하 제어부(200)를 작동시킴으로써 방전을 차단할 수 있다.
상기 다수의 충전 제어부(133a~133c)는 상기 전력 변환부(120)를 통한 전력 충방전 제어부(140)의 제어로 태양광 발전부(110)의 발전상황을 감지하여, 충전방식인 X축 Y축 충전모드를 선택한다. 이때 저전력이 감지되고 X축 충전모드 조건을 충족하면 X축 충전모드를 선택하고, 정상적인 발전이 이루어지고 Y축 충전모드 조건을 충족하면 Y축 충전모드를 선택하여 하이브리드 에너지 저장부(130)에 충전을 실시한다.
상기 저장전압 검출부(300)를 통해 하이브리드 에너지 저장부(130)에 정상적으로 최대 충전전압까지 충전이 완료되었다고 판단한 경우, 상기 부하 제어부(200)를 제어하여 100% 방전 모드를 선택하고, 5시간 동안 100% 방전하여 방전 종지 전압까지 방전하나, 일출 상황이 되어 입력전압 검출부(160)에서 태양광 발전부(110)가 태양광 발전을 시작하는 것으로 판단되면, 상기 부하 제어부(200)는 독립형 가로등의 방전을 중지하고 충전모드로 변환한다.
상기 하이브리드 에너지 저장부(130)에 최대 충전전압의 50% 이하로 충전된 경우, 부하제어부(200)를 통해 최대 출력 전력의 40%만 방전하도록 방전을 제어하여 방전 종지전압까지 방전하며, 일출 상황이 되어 입력전압 검출부(160)에서 태양광 발전부(110)가 태양광 발전을 시작하는 것으로 판단되면, 부하제어부(200)는 하이브리드 에너지 저장부(130)의 방전을 중지하고 충전모드로 변환하여 다시 태양광 충전을 실시하며, 독립형 가로등이 일출 후 충전을 시작하기 전에 반드시 시스템 리셋(System Reset) 기능을 수행하도록 한다.
상기 온도 감지부(250)는 온도습도센서(SHT71)를 하이브리드 에너지저장부(130)에 설치하여 RS485통신으로 온도, 습도 데이터를 전력 충방전 제어부(140)에 통보해 주고, 온도를 체크하여 충전시 슈퍼커패시터, 배터리가 수명 손상 온도에 도달하거나 또는 기온이 떨어져 배터리에 온도보상을 해주어야 할 경우, 배터리 충전전압을 높여서 충전을 조절하거나, 우기시 습도가 높을 때, 환풍기(280)를 돌려 하이브리드 에너지 저장부(130)에 공기의 흐름을 원활하게 하여 습도를 제거한다.
상기 블루투스 제어부(260)는 슈퍼커패시터 모듈(134a, 134b), 배터리 모듈(135)의 전압, 전류, 충방전 상황의 정보를 출력할 수 있고, 테스트 모드에서는 독립형 태양광 가로등의 온 오프(On Off), 디밍 상태를 체크 할 수 있고 독립형 태양광 가로등의 설치일자, 슈퍼커패시터, 배터리의 교체일, 등기구 교체, 수리이력의 이력을 읽어내거나 년도, 월, 일 시간의 데이터나 수기기록을 저장하며, 날짜, 시간 등을 수정하거나, 해당국가나 지역의 일몰 출몰 시간표, 기술적인 필요사항을 등록하며, 호출한 ID를 기록한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 의한 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치에 따르면, 슈퍼커패시터와 배터리로 이루어진 하이브리드 에너지 저장부에 전력 변환부(120), 전력 충방전 제어부(140), 충전 제어부(133a~133c)를 이용하여 태양광 입력전압의 최대 발전 전력으로 충전할 수 있으며, 흐린 날 저전력 태양광 충전이 가능하며, 슈퍼커패시터와 배터리 하이브리드 충전제어장치를 통해 슈퍼커패시터와 배터리를 순차적으로 충전할 수 있어 슈퍼커패시터와 배터리의 장점을 최대한 활용할 수 있을 뿐만 아니라 n개의 원래의 사용 수명을 유지하도록 할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치의 충전원리 및 순서는 다음과 같다.
즉, 도 3은 도 1의 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치의 충방전을 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하이브리드 에너지 저장부(130)는 6개의 슈퍼커패시터(CAP1, CAP2, CAP3, CAP4, CAP5, CAP6)와 3개의 배터리(BAT1, BAT2, BAT3)를 직병렬로 연결함과 더불어 2개의 슈퍼커패시터 모듈(C MODULE1, C MODULE2) 및 하나의 배터리 모듈(B MODULE) 그리고 3개의 충전 제어부(X1, X2, X3)를 구비하고 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 슈퍼커패시터, 배터리, 슈퍼커패시터 모듈, 배터리 모듈의 개수는 하이브리드 에너지 저장부(130)의 용량에 따라 그 개수를 임의로 가져갈 수 있다.
충방전
순서
1) X축 방향의 슈퍼커패시터 충전
저장전압 검출부(300)를 통해 6개의 슈퍼커패시터(CAP1, CAP2, CAP3, CAP4, CAP5, CAP6)에 저장된 전압을 각각 검출한 결과 CAP1의 전압이 가장 낮고, 그 다음 순차적으로 CAP2의 전압이 낮고, CAP6d의 전압이 가장 높은 조건을 가정하여 설명하면, 충전순서는 ① CAP1, ② CAP2, ③ CAP3, ④ CAP4, ⑤ CAP5, ⑥ CAP6의 순으로 충전을 진행한다. 즉 전압이 낮은 슈퍼커패시터부터 순차적으로 충전이 이루어진다.
2) X축 방향의 배터리 충전
저장전압 검출부(300)를 통해 3개의 배터리(BAT1, BAT2, BAT3)에 저장된 전압을 각각 검출한 결과, BAT1의 전압이 가장 낮고, 그 다음 순차적으로 BAT2의 전압이 낮고, BAT3의 전압이 가장 높은 조건을 가정하여 설명하면, 충전순서는 ① BAT1), ② BAT2, ③ BAT3의 순으로 충전을 진행한다. 즉, 전압이 낮은 배터리부터 순차적으로 충전이 이루어진다.
3) Y축 방향의 슈퍼커패시터 모듈 충전
저장전압 검출부(300)를 통해 2개의 슈퍼커패시터 모듈(C MODULE1, C MODULE2)에 저장된 전압을 각각 검출한 결과, C MODULE1의 전압이 가장 낮고, 그 다음 순차적으로 C MODULE2가 전압이 낮은 조건을 가정하여 설명하면, 충전순서는 ① C MODULE1, ② C MODULE 2의 순으로 충전을 진행한다. 즉, 전압이 낮은 슈퍼커패시터 모듈부터 순차적으로 충전이 이루어진다.
4) Y축 방향의 배터리 모듈 충전
다수의 배터리 모듈으로 구성한 상태에서 각 배터리 모듈의 저장전압을 검출하여 전압이 가장 낮은 배터리 모듈(B MODULE)부터 순차적으로 충전을 진행한다.
충방전
실시 예
1) X축 방향의 슈퍼커패시터 충전
① 일출 후, 시스템 초기화를 실시하고, 충방전 데이터 및 온도, 습도 등 설정데이터의 하루 전 결과치를 데이터 저장부(230)에 저장한다.
② 태양광 발전부(110)로부터 입력전압 검출부(160)를 통해 발전전압과 전류를 확인하고, 상기 저장전압 검출부(300)를 통해 n개의 슈퍼커패시터(CAP1, CAP2, CAP3, CAP4, CAP5, CAP6), n개의 배터리(BAT1, BAT2, BAT3), n개의 슈퍼커패시터 모듈(C MODULE1, C MODULE2), n개의 배터리 모듈(B MODULE)의 전압 값을 읽은 후, X축 충전조건을 만족하였을 때 상기 전력 충방전 제어부(140)는 다음의 충전순서를 수행한다.
③ X축 방향으로 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6, BAT 1, BAT 2, BAT 3, 그리고 Y축 방향의 C MODULE 1, C MODUEL 2, B MODULE의 전압 값을 각각 읽어 온다.
④ CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6 중 가장 전압이 낮은 슈퍼커패시터를 선택하여 충전을 실시한다. 이때 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6 중 가장 높은 전압을 충전의 목표치인 최대 충전전압으로 설정한다.
⑤ 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6 중 CAP 1이 가장 전압이 낮다면, X1 충전 제어부를 통해 CAP 1을 최대 충전전압의 98%까지 충전하며, 그 다음 이를 순차적으로 반복하여 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6의 X축 방향의 충전을 순차적으로 실시한다.
⑥ 3,400F, 2.85V 슈퍼커패시터를 사용하는 경우의 실시 예를 들면, 저장전압 검출부(160)로부터 읽은 현재의 전압 잔존량으로부터 최대 충전전압 값은 정격전압의 98%인 2.79V까지 충전하며, 배터리의 경우도 최대 충전전압 값은 정격전압의 98%로 한다.
⑦ X축 슈퍼커패시터 충전을 완료하고, Y축 슈퍼커패시터 모듈 충전을 대기한다.
⑧ Y축 슈퍼커패시터 모듈 충전 대기 중, 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6의 CAP n개의 슈퍼커패시터의 전압편차를 읽어, 전압편차가 0.3V(설정전압) 이상이 되면, X축 슈퍼커패시터 충전을 다시 실시하고 방전대기를 한다.
2) X축 배터리 충전
① 일출 후, 시스템 초기화를 실시하고, 충방전 데이터 및 온도, 습도 등 설정데이터의 하루 전 결과치를 데이터 저장부(230)에 저장한다.
② 태양광 발전부(110)로부터 입력전압 검출부(160)를 통해 발전전압과 전류를 확인하고, 저장전압 검출부(380)를 통해 n개의 슈퍼커패시터(CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6), n개의 배터리(BAT 1, BAT 2, BAT 3), n개의 슈퍼커패시터 모듈(C MODULE 1, C MODULE 2), n개의 배터리 모듈(B MODULE)의 전압 값을 읽은 후, X축 충전조건을 만족시, 전력 충방전 제어부(140)는 다음의 충전순서를 수행한다.
③ X축 방향으로 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6, BAT 1, BAT 2, BAT 3, 그리고 Y축 방향의 C MODULE 1, C MODULE 2, B MODULE의 전압 값을 각각 읽어 온다.
④ BAT 1, BAT 2, BAT 3 중 가장 전압이 낮은 배터리 BAT n을 선택하여 충전을 실시한다. 이때 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 BAT 1, BAT 2, BAT 3 중 가장 높은 전압을 충전의 목표치인 최대 충전전압으로 설정한다.
⑤ 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 BAT 1, BAT 2, BAT 3 중 BAT 1이 가장 전압이 낮다면, X1 충전 제어부를 통해 BAT 1을 최대 충전전압의 98%까지 충전하며, 그 다음 이를 순차적으로 반복하여 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 BAT 2, BAT 3의 X축 충전을 실시한다.
⑥ X축 방향의 배터리 충전을 완료하고, Y축 배터리 모듈 충전을 대기한다.
⑦ Y축 배터리 모듈 충전 대기 중, 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 BAT 1, BAT 2, BAT 3의 n개의 배터리의 전압편차를 읽어, 전압편차가 0.3V(설정전압) 이상이 되면, X축 배터리 충전을 다시 실시하고 방전대기를 한다.
3) Y축 방향 슈퍼커패시터 모듈충전
① X축 방향의 슈퍼커패시터 충전이 완료되고, Y축 충전모드 조건을 충족하는 경우,
② 태양광 발전부(110)에서 읽은 정격전압이 10분동안 정격전압의 30% 이상으로 발전되고, 저장전압 검출부(300)를 통해 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6의 CAP n개의 슈퍼커패시터의 전압편차를 읽어, 전압편차가 0.3V(설정전압) 이내이면, 상기 전력 변환부(120)를 통해 스위치 Y1, Y2 중 전압이 낮은 슈퍼커패시터 모듈(134a, 134b)의 스위치를 열어 태양광 발전부(110) 전력과 같이 슈퍼커패시터 모듈의 Y축 충전을 실시하며, 그리고 슈퍼커패시터 모듈 n까지 순차적으로 전압이 낮은 슈퍼커패시터 모듈을 위와 같은 방법으로 충전을 실시한다.
③ 다시 설명하면, C MODULE 1을 충전 중에 C MODULE 2의 전압이 C MODULE 1의 전압보다 같거나 높아지면, C MODULE 1, C MODULE 2를 동시에 충전하고, C MODULE n의 전압이 C MODULE 1, C MODULE 2의 전압보다 같거나 높아지면 동시에 C MODULE n, C MODULE 1, C MODULE 2를 순차적으로 같은 방법으로 슈퍼커패시터 모듈들의 최대 충전전압의 98%까지 Y축 충전을 실시한다. 이때 태양광 발전부(110)에서 발생하는 전력을 동시에 이용하여 B MODULE을 충전하여 충전효율을 높일 수도 있다.
④ Y축 슈퍼커패시터 충전을 완료하고, Y축 배터리 모듈 충전을 대기한다.
⑤ Y축 배터리 모듈 충전을 대기 중, 하이브리드 에너지 저장부내에 위치한 CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6의 CAP n개의 슈퍼커패시터의 전압편차를 읽어, 전압편차가 0.3V(설정전압) 이상이 되면, X축 슈퍼커패시터 충전을 다시 실시하고 배터리 모듈 n으로 방전대기를 한다.
4) Y축 배터리 모듈충전
① X축 슈퍼커패시터 충전이 완료되고, Y축 충전모드 조건을 충족하는 경우,
② 태양광 발전부(110)에서 읽은 정격전압이 10분동안 정격전압의 30% 이상으로 발전되고, 저장전압 검출부(300)를 통해 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6의 CAP n개의 슈퍼커패시터의 전압편차를 읽어, 전압편차가 0.3V(설정전압) 이내이면, 전력 변환부(120)를 통해 스위치 Y3, Yn 중 전압이 낮은 배터리 모듈의 스위치를 열어 태양광 발전부(110) 전력과 같이 배터리 모듈의 Y축 충전을 실시하며, 그리고 배터리 모듈 n까지 순차적으로 전압이 낮은 배터리 모듈을 위와 같은 방법으로 충전을 실시한다.
③ 다시 설명하면, 배터리 모듈 1을 충전 중에 배터리 모듈 2가 있다면, 배터리 모듈 2의 전압이 배터리 모듈 1의 전압보다 같거나 높아지면, 배터리 모듈 1, 배터리 모듈 2를 동시에 충전하고, 배터리 모듈 n의 전압이 배터리 모듈 1, 배터리 모듈 2의 전압보다 같거나 높아지면 동시에 배터리 모듈 n, 배터리 모듈 1, 배터리 모듈 2를 순차적으로 같은 방법으로 배터리 모듈들의 최대 충전전압의 98%까지 Y축 충전을 실시한다. 이때 태양광 발전부(110)의 전력과 같이 배터리 모듈의 충전을 실시하면, 상대적으로 에너지 밀도가 높은 배터리 모듈의 충전효율을 높일 수 있다.
④ Y축 배터리 모듈들의 충전을 완료하고, 부하 제어부(200)를 통한 방전대기를 한다.
⑤ 방전대기 중, 하이브리드 에너지 저장부(130)내에 위치한 CAP 1, CAP 2, CAP 3, CAP 4, CAP 5, CAP 6, BAT 1, BAT 2, BAT 3, 그리고 S MODULE 1, C MODULE 2, B MODULE의 전압편차를 읽어, 전압편차가 0.3V(설정전압) 이상이 되면, X축 슈퍼커패시터 또는 X축 배터리 충전을 다시 실시하고 방전대기를 한다.
한편, 방전순서는 위 충전방식으로, 하이브리드 에너지 저장부(130)의 정격용량까지 충전이 완료되면, 상기 하이브리드 에너지 저장부(130)로부터 출력전압 검출부(190)를 거쳐 부하 제어부(200)를 통해, 일몰 후, 또는 전력이 필요한 조건에 방전을 실시한다.
이어서, 방전시에 부하의 요구에 따라서, 순차적으로 슈퍼커패시터 모듈, 배터리 모듈 중 전압이 높은 순으로 방전을 하고, 방전시 슈퍼커패시터 모듈, 배터리 모듈 중 전압이 같아지는 시점에서는 동시에 방전을 실시한다. 즉, 부하를 나누어 방전함으로서 방전 효율을 높일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 태양광 발전부 120 : 전력 변환부
130 : 하이브리드 에너지 저장부 140 : 전력 충방전 제어부
150 : 부하부 160 : 입력전압 검출부
170 : 평활부 180 : 필터부
190 : 출력전압 검출부 200 : 부하 제어부
130 : 하이브리드 에너지 저장부 140 : 전력 충방전 제어부
150 : 부하부 160 : 입력전압 검출부
170 : 평활부 180 : 필터부
190 : 출력전압 검출부 200 : 부하 제어부
Claims (10)
- 태양광을 입사받아 DC전력을 생산하는 태양광 발전부,
상기 태양광 발전부로부터 생산된 DC전력을 공급받아 승압하거나 감압하여 필요한 전력으로 변환하는 전력 변환부,
상기 전력 변환부로부터 변환된 전력을 공급받아 충전하기 위해 N×M개로 이루어진 다수의 슈퍼커패시터와, 상기 각 슈퍼커패시터의 N열과 연결되어 상기 전력 변환부로부터 변환된 전력을 공급받아 충전하는 다수의 배터리와, 상기 각 슈퍼커패시터의 N열에 연결되어 상기 각 슈퍼커패시터 및 배터리의 충전을 제어하는 다수의 충전 제어부와, 상기 각 슈퍼커패시터의 M열에 직병렬로 연결되어 상기 각 슈퍼커패시터를 통해 전달되는 전력을 충전하는 다수의 슈퍼커패시터 모듈과, 상기 각 배터리의 M열에 직병렬로 연결되어 상기 배터리를 통해 전달되는 전력을 충전하는 배터리 모듈을 포함하여 이루어진 하이브리드 에너지저장부,
상기 태양광 발전부에서 생산된 전원 특성에 따라 상기 전력 변환부의 구동을 제어하는 전력 충방전 제어부,
상기 하이브리드 에너지저장부에 충전된 전력을 공급받아 동작하는 부하부,
상기 전력 변환부의 입력단에 구성되어 입력전압을 검출하는 입력전압 검출부,
상기 전력 변환부의 출력단에 구성되어 출력전압을 검출하는 출력전압 검출부,
상기 전력 충방전 제어부 및 전력 변환부를 통해 상기 하이브리드 에너지 저장부에 전력을 충전할 때 각 슈퍼커패시터와 배터리의 전압을 검출하는 저장전압 검출부를 포함하되,
상기 전력 충방전 제어부는 상기 저장전압 검출부를 통해 검출된 전압 정보를 근거로 상기 하이브리드 에너지 저장부를 구성하는 X축 각 슈퍼커패시터 및 배터리 중에서 전압이 가장 낮은 슈퍼커패시터부터 순차적으로 선택하여 충전하도록 제어하고,
상기 전력 충방전 제어부는 상기 입력전압의 최대전력점이 유지되도록 상기 입력전압 검출부로부터 입력된 입력전압과 상기 출력전압 검출부로부터 입력된 출력전압을 비교하여 상기 전력 변환부의 구동을 제어하고, 상기 전력 충방전 제어부를 통해 X축의 충전 제어부를 제어하며,
상기 전력 충방전 제어부는 상기 태양광 발전부의 태양광 발전 조건에 따라 입력전압 검출부와 출력전압 검출부로부터 입력되는 전원의 특성에 따라 상기 하이브리드 에너지 저장부의 충방전을 제어하고, 상기 부하부에 상기 하이브리드 에너지 저장부로부터 공급되는 전력을 받아 동작하는 부하의 특성에 따라서 부하를 제어하는 부하 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전력 충방전 제어부의 동작상태 및 설정상태를 표시하는 출력 표시 및 데이터 입력부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 에너지 저장부는 상기 N×M개로 이루어진 슈퍼커패시터의 합산전압이 상기 다수의 배터리의 합산전압보다 크도록 직렬로 연결된 슈퍼커패시터가 병렬로 연결된 하이브리드 형태인 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 에너지 저장부로부터 전류가 역류되지 않도록 차단하는 역전류 방지부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 에너지 저장부와 부하부 사이에 매개되어 상기 하이브리드 에너지 저장부의 출력을 선택적으로 스위치하는 다수의 스위칭부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전력 변환부에 공급되는 상기 태양광 발전부의 입력전압 변동을 억제하기 위한 평활부와, 상기 전력 변환부에서 발생되는 노이즈를 제거하여 출력하기 위한 필터부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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