KR102164392B1 - 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치 및 방법 - Google Patents

축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치 및 방법이 제공된다. 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치는, 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염 모듈과, 정수시에 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 축전식 탈염 모듈에 공급하는 양방향 전력 변환 모듈을 포함하며, 양방향 전력 변환 모듈은 퇴수시에 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원으로 회생할 수 있다.

Description

축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF REGENERATING ENERGY USING CAPACITIVE DEIONIZATION MODULE}
본 출원은, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치 및 방법에 관한 것이다.
축전식 탈염 기술(Capacitive DeIonization, CDI)은 전기 흡착 기술의 일종으로, 전극에 전위를 인가하였을 때 전극 표면에 형성되는 전기 이중층에서의 흡착 반응에 의해 이온성 물질들이 전극 표면으로 이동하며 흡착되며(이온 흡착 반응), 전극의 흡착 용량이 한계에 다다르면 하전된 전극을 단락시켜 이온성 물질들을 탈착(이온 탈착 반응)시킴으로써 전극을 재생시키게 된다.
이처럼 전기 흡착 기술은 전극의 전위만을 변화시켜 이온들을 흡, 탈착 시킬 수 있기 때문에 운전이 매우 간편하고 또한 인가되는 전위가 전기분해가 일어나지 않는 낮은 전압에서 운전되기 때문에 에너지 소모량이 기존의 탈염공정에 비해 현저히 줄일 수 있는 특징이 있다.
이러한 축전식 탈염 모듈에서 전극에 이온성 물질이 흡착된 후 전극을 재생할 때는 하전된 전극을 단락시켜 저항을 통해 열에너지로 소모시키게 되므로 에너지 회수가 되지 못하여 전력 손실이 발생되는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2011-0071701호('전기 흡착 탈이온 장치', 공개일:2011년06월29일)
본 발명은, 전력 효율을 높일 수 있이며, 장치의 무게, 부피, 및 가격을 감소시킬 수 있는 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염 모듈; 및 정수시에 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하는 양방향 전력 변환 모듈;을 포함하며, 상기 양방향 전력 변환 모듈은, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 교류 전원으로 회생시키는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 방법에 있어서, 양방향 전력 변환 모듈에서, 정수시에 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하는 제1 단계; 및 양방향 전력 변환 모듈에서, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 교류 전원으로 회생시키는 제2 단계;를 포함하는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 방법을 제공한다.
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본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 퇴수시 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원으로 회생시켜 에너지를 회수함으로써, 전력 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 축전식 탈염 모듈과 교류 전원 사이에 구비되는 전력 변환 모듈을 단일단의 양방향 전력 변환 모듈로 함으로써, 장치의 무게, 부피, 및 가격을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치를 포함하는 전체 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치에 포함된 양방향 전력 변환 모듈의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치에 포함된 제어 모듈의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제어 모듈의 제어 모드를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치의 정수시의 파형도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치의 퇴수시의 파형도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치의 역률 시뮬레이션 파형이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치를 포함하는 전체 시스템의 개념도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치를 포함하는 전체 시스템(100)은, 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염 모듈(120)과, 정수시에 교류 전원(10)으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하는 양방향 전력 변환 모듈(110)과, 양방향 전력 변환 모듈(110)의 동작을 제어하는 제어 모듈(130)을 포함할 수 있다.
특히 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상술한 양방향 전력 변환 모듈(110)은 퇴수시에 축전식 탈염 모듈 양단(120)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원(10)으로 회생시킬 수 있다.
한편, 도 2는 상술한 도 1에서 도시된 축전식 탈염 모듈의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
축전식 탈염 모듈(Capacitive DeIonization, CDI)은 전극에 전위를 인가하였을 때 전극 표면에 형성되는 전기 이중층에서의 흡착 반응에 의해 이온성 물질들이 전극 표면으로 이동하며 흡착되며, 전극의 흡착 용량이 한계에 다다르면 하전된 전극을 방전시켜 이온성 물질들을 탈착시킴으로써 전극을 재생시키게 된다.
구체적으로, 우선 정수시에는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 양전극(121a)에 양전위를, 음전극(121b)에 음전위를 인가하면, 원수(W1) 내의 음이온들(122)는 양전극(121a)에, 원수(W1) 내의 양이온들(123)은 음전극(121b)에 흡착하게 된다('이온 흡착 반응'이라 함).
이후 퇴수시에는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 양전극(121a)에는 음전위를, 음전극(121b)에는 양전위를 인가하거나 또는 전극(121a, 121b)을 단락시키게 되며, 이때 전극(121a, 121b)에 흡착된 이온성 물질들은 전극(121a, 121b)으로부터 탈착하게 된다('이온 탈착 반응'이라 함).
이후, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 이온성 물질들을 포함하는 액체(W2)가 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에서는 상술한 이온 탈착 반응시에 전극(121a, 121b)을 단락시키는 대신에 축전식 탈염 모듈(120) 하전된 전극(121a, 121b)에 의한 직류 전압을 교류 전원(10)으로 회생시키는 것을 특징으로 한다.
이와 별도로, 극성 변환 모듈(도 3의 330 참조, 후술함)을 두어 퇴수시 DC 링크 커패시터(도 3의 320 참조, 후술함)의 직류 전압의 극성을 변환하여 축전식 탈염 모듈(120)에 제공함으로써 축전식 탈염 모듈(120)에 부착된 잔류 이온을 완전히 제거할 수도 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치에 포함된 양방향 전력 변환 모듈의 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 양방향 전력 변환 모듈(110)은 절연용 변압기(312)와, 절연용 변압기(312)의 1차측 전압(Vpri)을 형성하는 제1 모듈(311)과, 절연용 변압기(312)의 2차측 전압(Vsec)을 형성하는 제2 모듈(313)과, 제2 모듈(313)과 축전식 탈염 모듈(도 1의 120 참조) 사이에 배치되어 직류 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터(320)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 모듈(311), 절연용 변압기(312), 제2 모듈(313)을 포함하는 회로(310)는 메인 모듈이다.
상술한 제1 모듈(312)은, 제1 상부 스위치(T1) 및 제2 상부 스위치(T2)로 구성된 한 쌍의 상부 스위치(T1, T2)와, 한 쌍의 상부 스위치(T1, T2)와 직렬 연결된 제1 하부 스위치(B1) 및 제2 하부 스위치(B2)로 구성된 한 쌍의 하부 스위치(B1, B2)와, 2개의 전압 분배용 커패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.
한편, 제2 모듈(313)은, 병렬 연결된 제1 레그(T3, B3) 및 제2 레그(T4, B4)를 포함하는 풀 브리지 구조로, 제1 레그(T3, B3)는 직렬 연결된 제3 상부 스위치(T3)와 제3 하부 스위치(B3)로 구성되고, 제2 레그(T4, B4)는 직렬 연결된 제4 상부 스위치(T4)와 제4 하부 스위치(B4)로 구성될 수 있다.
한편, 극성 변환 모듈(330)은 병렬 연결된 제5 레그(T5, B5) 및 제6 레그(T6, B6)를 포함하는 풀 브리지 구조로, 제5 레그(T5, B5)는 직렬 연결된 제5 상부 스위치(T5)와 제5 하부 스위치(B5)로 구성되고, 제6 레그(T6, B6)는 직렬 연결된 제6 상부 스위치(T6)와 제6 하부 스위치(B6)로 구성되며, 퇴수시 축전식 탈염 모듈(120)에 부착된 잔류 이온을 제거하기 위해 DC 링크 커패시터(320)의 직류 전압의 극성을 변환하여 축전식 탈염 모듈(120)에 제공할 수 있다.
한편, 미설명된 도면부호 340은 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 L-C 필터이며, CT2는 축전식 탈염 모듈(120)로 흐르는 전류(Io)를 측정하는 전류 센서이며, CT1는 교류 전원(10)에서 흐르는 전류(Is)를 측정하는 전류 센서이며, SPD(Serge Protection Device)는 서지 보호 디바이스이며, GRID FUSE는 과전류를 방지하는 퓨즈이며, RY_GRID는 일종의 릴레이이며, CO는 입력단의 커패시터이며, ACL은 입력단의 인덕터를 의미한다.
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치에 포함된 제어 모듈(130)의 블록도이다.
제어 모듈(130)은 정수시 절연용 변압기(312)의 1차측 전압(Vpri)의 위상이 2차측 전압(Vsec)의 위상보다 기 설정된 위상차(Phase Shift, PS)만큼 앞서도록 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어하며, 퇴수시에는 절연용 변압기(312)의 2차측 전압(Vsec)의 위상이 1차측 전압(Vpri)의 위상보다 기 설정된 위상차(PS)만큼 앞서도록 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어할 수 있다. 상술한 위상차(PS)는 '외부 레그 위상차(outer leg phase shift)'로도 지칭될 수 있다.
여기서, 기 설정된 위상차는 하기 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019046423913-pat00001
여기서, PS는 기 설정된 위상차, Vs*는 교류 전압(Vs)의 지령치, Ts는 스위칭 주기, n은 절연용 변압기(312)의 턴비, Vdc는 DC 링크 커패시터(320)의 전압 크기일 수 있다.
제어 모듈(130)은, 도 4에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
구체적으로, 모드 선택 스위치(403)는 전류 모드를 위해 축전식 탈염 모듈(120)에 흐르는 전류(Io)와 전류 지령치(Io*)간의 오차를 입력받거나 또는 전압 모드를 위해 축전식 탈염 모듈(120)의 직류 전압(Vo)과 직류 전압 지령치(Vo*) 간의 오차를 선택적으로 입력받을 수 있다.
PI 제어기(404)는 모드 선택 스위치(403)로부터 출력되는 신호를 입력받아 유효 전력의 전류 크기(Id*)를 출력할 수 있다.
승산기(406)는 PLL(Plase Locked Loop)(405)을 통해 얻은 교류 전압(Vs)의 위상에 사인 함수(sin wt)를 곱한 값과 위에서 구한 전류 크기(Id*)를 곱하여 교류 전류의 지령치(Is*)를 얻을 수 있다.
오차 연산기(407)는 승산기(406)로부터 출력되는 교류 전류의 지령치(Is*)와 실제 교류 전류(Is)간의 오차를 연산할 수 있다.
교류 전류의 지령치(Is*)와 실제 교류 전류(Is)간의 오차는 비례 공진 제어기(PR)를 통해 교류 전원의 지령치(Vs*)로 변환될 수 있다.
이후, 교류 전원의 지령치(Vs*)는 위상차 연산부(409)로 입력되며, 위상차 연산부(409)는 상술한 수학식 1에 의해 위상차(PS)를 연산할 수 있다.
한편, 스위칭 로직(410)에서는 위에서 구한 위상차(PS)와 교류 전원(Vs)의 부호에 기초하여 양방향 전력 변환 모듈(110)의 제1 모듈(311)의 스위치들(T1, B1, T2, B2)을 스위칭하기 위한 스위칭 신호(ST1, SB1, ST2, SB2)와 제2 모듈(313)의 스위치들(T3, B3, T4, B4)을 스위칭하기 위한 스위칭 신호(ST31, SB31, ST4, SB4)을 생성할 수 있다. 스위칭 신호들(ST1, SB1, ST2, SB2, ST31, SB31, ST4, SB4)을 생성하는 로직은 상술한 수학식 1 및 다음과 같이 동작하도록 제어될 수 있는 한 다양한 방법으로 구현 가능하며(가장 단순하게는 ST1 신호를 기준으로 타이머를 이용하여 구현될 수 있음), 본 발명에서는 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
구체적으로, 제어 모듈(130)은 제1 모듈(311)의 제1 상부 스위치(T1)와 제1 하부 스위치(B1), 그리고 제2 상부 스위치(T2)와 제2 하부 스위치(B2)를 상보적으로 스위칭하며, 제2 모듈(313)의 제1 레그(T3, B3)를 구성하는 제3 상부 스위치(T3) 및 제3 하부 스위치(B3), 그리고 제2 레그(T4, B4)를 구성하는 제4 상부 스위치(T4) 및 제4 하부 스위치(B4)를 상보적으로 스위칭할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제1 레그(T3, B3)를 구성하는 제3 상부 스위치(T3) 및 제3 하부 스위치(B3)의 스위칭 신호의 위상과 제2 레그(T4, B4)를 구성하는 제4 상부 스위치(T4) 및 제4 하부 스위치(B4)의 스위칭 신호의 위상 간의 위상차('내부 레그 위상차(inner leg phase shift'라 함)는, 위에서 구한 위상차(PS)의 1/2의 값을 가지도록 스위칭될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제어 모듈의 제어 모드를 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제어 모드는 전류 모드(CC(+), CC(-))와 전압 모드(CV)로 구분되어 제어될 수 있다. 전류 모드 중 CC(+)는 부하 전류(Io)가 (+)로 교류 전원(Vs)에서 축전식 탈염 모듈(120)로 에너지가 공급되는 모드이며, 전류 제어 모듀 중 CC(-)는 부하 전류(Io)가 (-)로 축전식 탈염 모듈(120)에서 교류 전원(Vs)으로 에너지가 회생되는 모드일 수 있다.
즉, 제어 모듈(130)은 정수시 축전식 탈염 모듈(120)에 일정한 직류 전류(Io)가 제공되도록 양방향 전력 변환 모듈(110)을 전류 모드(CC(+))로 제어하되, 축전식 탈염 모듈(120)의 양단의 전압(Vo)이 목표 전압에 도달하면 축전식 탈염 모듈(120)에 일정한 직류 전압이 인가되도록 전압 모드(CV)로 제어하며, 퇴수시에는 축전식 탈염 모듈(120)로부터 일정한 직류 전류(Io)가 출력되도록 양방향 전력 변환 모듈(110)을 전류 모드(CC(-))로 제어할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치의 퇴수시의 파형도로, (a)는 절연용 변압기의 1차측 전압(Vpri) 파형, 절연용 변압기의 2차측 전압(Vsec) 파형, IL는 절연용 변압기의 1차측으로 흐르는 전류 파형이며, (b)는 교류 전압(Vs)의 부호가 (+)인 경우의 스위치(T1, T2, B1, B2)의 스위칭 신호(ST1, ST2, SB1, SB2)의 파형이며, (c)는 교류 전압(Vs)의 부호가 (-)인 경우의 스위치(T1, T2, B1, B2)의 스위칭 신호(ST1, ST2, SB1, SB2)의 파형이며, (d)는 스위치(T3, B3, T4, B4)에 대한 스위칭 신호(ST3, SB3, ST4, SB4)이다. 도 6에서는 데드 타임을 고려하여 스위칭 신호를 생성하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제어 모듈(130)은 교류 전압(Vs)의 부호에 따라 스위치(T1, T2, B1, B2)의 스위칭 신호(ST1, ST2, SB1, SB2)를 제어하며, 교류 전원(10)으로부터 축전식 탈염 모듈(120)로 전력을 공급할 때, 즉 정수시에는 절연용 변압기의 1차측 전압(Vpri)의 위상이 2차측 전압(Vsec)의 위상보다 기 설정된 위상차(PS)만큼 앞서도록 스위칭됨을 알 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치의 역률 시뮬레이션 파형으로, (a)는 절연용 변압기의 1차측 전압(Vpri) 파형, 절연용 변압기의 2차측 전압(Vsec) 파형, IL는 절연용 변압기의 1차측으로 흐르는 전류 파형이며, (b)는 교류 전압(Vs)의 부호가 (+)인 경우의 스위치(T1, T2, B1, B2)의 스위칭 신호(ST1, ST2, SB1, SB2)의 파형이며, (c)는 교류 전압(Vs)의 부호가 (-)인 경우의 스위치(T1, T2, B1, B2)의 스위칭 신호(ST1, ST2, SB1, SB2)의 파형이며, (d)는 스위치(T3, B3, T4, B4)에 대한 스위칭 신호(ST3, SB3, ST4, SB4)이다. 도 7에서는 데드 타임을 고려하여 스위칭 신호를 생성하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제어 모듈(130)은 교류 전압(Vs)의 부호에 따라 스위치(T1, T2, B1, B2)의 스위칭 신호(ST1, ST2, SB1, SB2)를 제어하며, 교류 전원(10)으로부터 축전식 탈염 모듈(120)로 전력을 공급할 때, 즉 퇴수시에는 절연용 변압기의 2차측 전압(Vsec)의 위상이 1차측 전압(Vpri)의 위상보다 기 설정된 위상차(PS)만큼 앞서도록 스위칭됨을 알 수 있다.
마지막으로, 도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치의 역률 시뮬레이션 파형으로, Is는 교류 전류, Is*는 교류 전류의 지령치이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 교류 전류(Is)가 교류 전류 지령치(Is*)를 잘 추종하고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 퇴수시 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원으로 회생시켜 에너지를 회수함으로써, 전력 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 축전식 탈염 모듈과 교류 전원 사이에 구비되는 전력 변환 모듈을 단일단의 양방향 전력 변환 모듈로 함으로써, 장치의 무게, 부피, 및 가격을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하에서는 도 1 내지 도 9를 참조하여본 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 방법을 설명한다. 다만, 발명의 간명화를 위해 도 1 내지 도 8과 관련하여 중복된 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 방법은, 양방향 전력 변환 모듈(110)에서, 정수시에 교류 전원(10)으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하는 단계에 의해 개시될 수 있다(S901).
다음, 양방향 전력 변환 모듈(110)은 퇴수시에 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원(10)으로 회생시킬 수 있다(S902).
상술한 양방향 전력 변환 모듈(110)은 절연용 변압기(312)와, 절연용 변압기(312)의 1차측 전압(Vpri)을 형성하는 제1 모듈(311)과, 절연용 변압기(312)의 2차측 전압(Vsec)을 형성하는 제2 모듈(313)과, 제2 모듈(313)과 축전식 탈염 모듈(도 1의 120 참조) 사이에 배치되어 직류 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터(320)를 포함하여 구성될 수 있음은 상술한 바와 같다.
특히, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상술한 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어하기 위해 제어 모듈(130)을 더 포함할 수 있으며, 제어 모듈(130)은 정수시 절연용 변압기(312)의 1차측 전압(Vpri)의 위상이 2차측 전압(Vsec)의 위상보다 기 설정된 위상차(Phase Shift, PS)만큼 앞서도록 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어하며, 퇴수시에는 절연용 변압기(312)의 2차측 전압(Vsec)의 위상이 1차측 전압(Vpri)의 위상보다 기 설정된 위상차(PS)만큼 앞서도록 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어할 수 있음은 상술한 바와 같다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 퇴수시 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원으로 회생시켜 에너지를 회수함으로써, 전력 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 축전식 탈염 모듈과 교류 전원 사이에 구비되는 전력 변환 모듈을 단일단의 양방향 전력 변환 모듈로 함으로써, 장치의 무게, 부피, 및 가격을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
상술한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, '~ 모듈'은 다양한 방식, 예를 들면 프로세서, 프로세서에 의해 수행되는 프로그램 명령들, 소프트웨어 모듈, 마이크로 코드, 컴퓨터 프로그램 생성물, 로직 회로, 애플리케이션 전용 집적 회로, 펌웨어 등에 의해 구현될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
10: 교류 전원 110: 양방향 전력변환모듈
120: CDI 모듈 121a: 양전극
121b: 음전극 122: 음이온
123: 양이온 130: 제어모듈
310: 메인 모듈 311: 제1 모듈
312: 절연용 변압기 313: 제2 모듈
320: DC 링크 커패시터 330: 극성 변환 모듈
340: L-C 필터 401, 402: 오차 연산기
403: 모드 선택 스위치 404: PI 제어기
405: PLL 406: 승산기
407: 오차 연산기 408: 비례 공진 제어기
409: 위상차 연산부 410: 스위칭 로직

Claims (10)

  1. 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염 모듈; 및
    정수시에 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하는 양방향 전력 변환 모듈;
    을 포함하며, 상기 양방향 전력 변환 모듈은,
    퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 교류 전원으로 회생시키는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 전력 변환 모듈은,
    절연용 변압기;
    상기 절연용 변압기의 1차측 전압을 형성하는 제1 모듈;
    상기 절연용 변압기의 2차측 전압을 형성하는 제2 모듈; 및
    상기 제2 모듈과 상기 축전식 탈염 모듈 사이에 배치되어 직류 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터;
    를 포함하는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 모듈은, 제1 상부 스위치 및 제2 상부 스위치로 구성된 한 쌍의 상부 스위치와, 상기 한 쌍의 상부 스위치와 직렬 연결된 제1 하부 스위치 및 제2 하부 스위치로 구성된 한 쌍의 하부 스위치와, 2개의 전압 분배용 커패시터로 구성되며,
    상기 제2 모듈은, 병렬 연결된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하는 풀 브리지 구조로, 상기 제1 레그는 직렬 연결된 제3 상부 스위치와 제3 하부 스위치로 구성되고, 상기 제2 레그는 직렬 연결된 제4 상부 스위치와 제4 하부 스위치로 구성되는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 회생 장치는,
    정수시 상기 절연용 변압기의 1차측 전압의 위상이 2차측 전압의 위상보다 기 설정된 위상차(PS)만큼 앞서도록 상기 양방향 전력 변환 모듈을 제어하며,
    퇴수시 상기 절연용 변압기의 2차측 전압의 위상이 1차측 전압의 위상보다 기 설정된 위상차(PS)만큼 앞서도록 상기 양방향 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈;
    을 더 포함하는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    기 설정된 상기 위상차(PS)는,
    하기의 수학식:
    Figure 112019046423913-pat00002

    에 따라 구하며, 여기서 Vs*는 상기 교류 전압의 지령치, Ts는 스위칭 주기, n은 상기 절연용 변압기의 턴비, Vdc는 상기 DC 링크 커패시터의 전압 크기인, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 제1 모듈의 제1 상부 스위치와 제1 하부 스위치, 그리고 제2 상부 스위치와 제2 하부 스위치를 상보적으로 스위칭하며,
    상기 제2 모듈의 제1 레그를 구성하는 제3 상부 스위치 및 제3 하부 스위치, 그리고 제2 레그를 구성하는 제4 상부 스위치 및 제4 하부 스위치를 상보적으로 스위칭하며,
    상기 제1 레그를 구성하는 제3 상부 스위치 및 제3 하부 스위치의 스위칭 신호의 위상과 제2 레그를 구성하는 제4 상부 스위치 및 제4 하부 스위치의 스위칭 신호의 위상 간의 위상차는,
    상기 기 설정된 상기 위상차(PS)의 1/2의 값을 가지는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 회생 장치는,
    퇴수시 상기 축전식 탈염 모듈에 부착된 잔류 이온을 제거하기 위해 상기 DC 링크 커패시터의 직류 전압의 극성을 변환하여 상기 축전식 탈염 모듈에 제공하는 극성 변환 모듈;
    을 더 포함하는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    정수시 상기 축전식 탈염 모듈에 일정한 직류 전류가 제공되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈을 전류 모드로 제어하되, 상기 축전식 탈염 모듈의 양단의 전압이 목표 전압에 도달하면 상기 축전식 탈염 모듈에 일정한 직류 전압이 인가되도록 전압 모드로 제어하며,
    퇴수시 상기 축전식 탈염 모듈로부터 일정한 직류 전류가 출력되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈을 전류 모드로 제어하는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치.
  9. 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 방법에 있어서,
    양방향 전력 변환 모듈에서, 정수시에 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하는 제1 단계; 및
    양방향 전력 변환 모듈에서, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 교류 전원으로 회생시키는 제2 단계;
    를 포함하는, 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 방법.
  10. 삭제
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