KR102198997B1 - 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치에 있어서, 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지 어레이(130); 상기 태양전지 어레이(130)에 출력된 전압을 승압시키는 승압형 컨버터(140); 상기 승압형 컨버터(140)의 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키는 3상 인버터(150); 상기 3상 인버터(150)의 출력을 공급받는 히트펌프(100); 상기 히트펌프(100)에 에너지를 공급하는 지열원(10); 상기 히트펌프(100)로부터 에너지를 방출하여 원하는 곳에서 소모시키는 지열배출(11); 상기 히트펌프(100)는 변유량의 3단계 제어를 위하여 3단 전환형 스위치(24); 상기 3단 전환형 스위치(24)는 교류전원(22)와 병렬로 연결된 주 권선(21); 상기 주 권선(21)은 회전이 가능한 3단의 스위치와 연결되는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치를 제안한다.
Description
본 발명은 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치 및 방법에 관한 것이다. 최근 태양전지는 신재생 에너지로서 정부정책 및 세계적인 추세로서 가장 각광받고 있으며, 전기 생산을 위하여 원자력, 화석연료, 천연가스(CNG) 등을 대체하기 위한 새로운 에너지 원(Source)으로 평가되고 있다. 아울러 지열 발전은 오염이 전혀 없는 매우 친환경적인 에너지 원(Source)으로서 일본, 아이슬랜드 및 북유럽 등의 특정(特定) 지역에서 적극 이용되고 있다. 본 발명에서는 매우 상이한 특성을 가진 에너지 원(Source)인 태양광과 지열을 결합시키는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 지열 및 태양광 에너지는 신재생 에너지로서 매우 각광받고 있으며, 깨끗한 에너지 원(Source)으로서 미래의 에너지로 평가되고 있다. 지열 에너지는 특정 지역에서 매우 풍부한 특성이 있으며, 태양광 에너지는 일사량이 풍부한 지역에 상당히 설치되고 있다. 관련된 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1105561호, 공고일 2012년 1월 17일(이하 [특허문헌1]이라고 함)에서는 태양열 시스템을 공개하였다. 상기 [특허문헌1]에서는 태양열집열기, 축열조, 순환펌프, 보충수탱크, 보조보일러, 체크밸브 및 난방부하를 포함하는 태양열 보일러 시스템이다. 하지만, 상기 [특허문헌1]은 단지 태양광 에너지를 보일러와 결합한 시스템이며, 지열을 실질적으로 활용하지 못했다는 한계가 있다.
한편, 대한민국 등록특허공보 제10-1385776호, 공고일 2014년 4월 18일(이하 [특허문헌2]이라고 함)에서는 복합에너지 제어를 통한 냉난방 시스템을 공개하였다. 상기 [특허문헌2]에서는 태양광 발전 모듈, 태양열 집열 모듈, 축열조, 컨트롤러 및 연소용 보일러로 구성된 복합에너지 제어를 통한 냉난방 시스템을 공개하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1598464호, 공고일 2016년 3월 2일(이하 [특허문헌3]이라고 함)에서는 하이브리드 MPPT 제어에 의한 태양광 발전 시스템의 효율개선 방법을 공개하였다. 상기 [특허문헌3]에서는 태양광 발전용 패널, 계측수단, 다수의 최대 전력점 제어 방법(MPPT)을 알고리즘으로 하여 각각 저장하는 저장 수단, 제어수단 및 상기 제어 방법은 P&O(Perturbation and Observation) 제어 방법, IC(Incremental Conductance) 제어 방법 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법을 포함하는 태양광 발전 장치를 제안하였다.
하지만, 상기 [특허문헌1] 내지 [특허문헌3]은 태양광 에너지만 이용하거나, 태양광 및 태양열 에너지를 복합으로 이용하는 방법이며, 태양광 에너지와 지열을 동시에 이용하는 방법에 대하여 그 발명 및 연구를 제안하지 못한다는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 지열 및 태양광 에너지를 결합하는 새로운 시스템을 제안하고자 한다. 지열은 무한한 에너지원이고, 매우 청정한 에너지 원(Source)으로 각광받고 있으며, 태양광 에너지에서 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상이 발생하는 문제점이 있었다. 따라서 이러한 문제점을 해결하면서, 변유량 제어 및 실시간 모니터링이 가능한 새로운 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치 및 방법을 제안하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 첫째, 건물의 냉난방 부하량을 비교하여 지열수의 유량을 변유량 제어하는 기술을 제안한다. 특히 소용량 펌프의 전력 스위치를 조절하여 시스템의 유량을 제어할 수 있는 3단 제어기를 도입함을 통하여 온도에 따라서 스위치를 조절하여 변유량을 제어가 가능하며, 둘째, 3개의 병렬로 연결된 트랜지스터 스위치를 사용하여 이를 전자적으로 제어가 가능하고, 셋째, 패키지화 시스템을 도입하여 사후관리가 용이하고 공기를 단축할 수 있으며, 넷째, 태양광 인버터와 결합을 통하여 지열 및 태양광을 결합시키는 통합제어기를 사용하는 것을 본 발명의 해결수단으로 한다.
즉, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치는, 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지 어레이(130); 상기 태양전지 어레이(130)에 출력된 전압을 승압시키는 승압형 컨버터(140); 상기 승압형 컨버터(140)의 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키는 3상 인버터(150); 상기 3상 인버터(150)의 출력을 공급받는 히트펌프(100); 상기 히트펌프(100)에 에너지를 공급하는 지열원(10); 상기 히트펌프(100)로부터 에너지를 방출하여 원하는 곳에서 소모시키는 지열배출(11); 상기 히트펌프(100)는 변유량의 3단계 제어를 위하여 3단 전환형 스위치(24); 및 상기 3단 전환형 스위치(24)는 교류전원(22)과 병렬로 연결된 주 권선(21); 을 포함하며, 상기 주 권선(21)은 회전이 가능한 3단의 스위치와 연결되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치는, 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지 어레이(130); 상기 태양전지 어레이(130)에 출력된 전압을 승압시키는 승압형 컨버터(140); 상기 승압형 컨버터(140)의 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키는 3상 인버터(150); 상기 3상 인버터(150)의 출력을 공급받는 히트펌프(100); 상기 히트펌프(100)에 에너지를 공급하는 지열원(10); 상기 히트펌프(100)로부터 에너지를 방출하여 원하는 곳에서 소모시키는 지열배출(11); 및 상기 히트펌프(100)는 변유량의 3단계 제어를 위하여 3단 트랜지스터 스위치(25); 를 포함하며, 상기 3단 트랜지스터 스위치(25)는 주 권선(21)의 인덕턴스 크기를 3 단계로 가변시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 3단의 스위치는 주 권선(21)의 인덕턴스 크기를 가변시킴을 통하여 제1, 2 및 3단으로 변유량을 가변하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 3단 트랜지스터 스위치(25)는 MOSFET를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 주 권선(21)과 병렬로 연결된 보조 권선(22) 및 콘덴서(23)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 히트펌프(100)에서 소비전력은 상기 3단 전환형 스위치(24)의 가변에 의해서 소비전력이 3단계로 가변하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 3상 인버터(150)는 부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 3상 인버터(150)는 멀티(Multi) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법을 적용한 최대 전력점(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 추종 기법을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 3상 인버터(150)는 2레벨 인버터 및 3레벨 인버터 중에서 선택하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 3상 인버터(150)는 T형 3레벨 인버터(170)인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 승압형 컨버터(140)는 2개 이상의 복수의 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 승압형 컨버터(140)는 제1,2 및 3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 히트펌프(100)를 제어하는 인버터는 출력 주파수를 60[Hz] 이하로 가변하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 히트펌프(100)를 제어하는 인버터는 출력 주파수는 23.15[Hz] 내지 38.11[Hz]로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 히트펌프(100)를 제어하는 인버터는 출력 전압은 258.35[V] 내지 331.10[V]로 제어하는 것을 특징으로 한다.
다른 한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 측면에 따른 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법은, 정지상태, 일사량 증가 및 집열기 온도상승을 검출하는 제1 단계(A1); 상기 제1 단계 이후에 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)에서 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
) 차이가 10도 이상 발생하는지 판단하는 제1 판단단계(S1); 상기 제1 판단단계(S1)에서 온도차이가 10도 미만인 경우 상기 제1 단계(A1)로 되돌아가는 단계; 상기 제1 판단단계(S1)에서 상기 온도차이가 10도 이상 발생하는 경우 펌프를 가동시키는 제2 단계(A2); 및 상기 제2 단계(A2) 이후에 축열조에서 얻는 열량(
)을 계산하는 제3 단계(A3); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제3 단계(A3)에서 축열조에서 얻는 열량(
)은 다음의 식(1)과 같은 것을 특징으로 한다.
여기서,
또한 바람직하게는, 상기 제3 단계(A3) 이후에 최저 냉각온도(
)와 제어 기준온도(
)를 비교하는 제2 판단단계(S2); 및 상기 제2 판단단계(S4)에서 최저 냉각온도(
)가 제어 기준온도(
) 보다 높은 경우, 안전 장치를 작동하는 제4 단계(A4); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법.
더욱 바람직하게는, 상기 제2 판단단계(S4)에서 최저 냉각온도(
)가 제어 기준온도(
) 보다 낮은 경우, 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
)에서 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)의 차이가 3도 이내인지 판단하는 제3 판단단계(S3); 상기 제3 판단단계(S3)에서 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
)에서 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)의 차이가 3도 이상인 경우 축열조에서 얻는 열량(
)을 계산하는 제3 단계(A3)로 되돌아가는 단계; 및 상기 제3 판단단계(S3)에서 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
)에서 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)의 차이가 3도 이내인 경우, 펌프를 정지시키는 제5 단계(S5); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치 및 방법은 첫째, 지열 및 태양광을 결합하는 새로운 시스템의 효과가 있으며, 둘째, 순환펌프의 에너지 절감을 80% 이룰 수 있으며, 셋째, 인버터 적용으로 에너지 절감효과가 우수하고, 유지 및 보수가 용이하며, 넷째, 변유량 제어를 통하여 배관의 과다 압력 및 누수가 방지되며, 다섯째, 효과적인 3단 제어방식을 도입함을 통하여 온도에 따라서 효율적인 제어가 가능하다는 매우 향상된 장점을 가지고 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 지열 히트펌프 개념도
도 2는 지열 히트펌프의 경제적 효과
도 3a 및 도 3b는 종래의 냉방모드 및 난방모드 동작과 열원별 히트펌프의 성능
도 4는 본 발명에 따른 신재생에너지 태양광설비 통합 모니터링시스템
도 5는 태양광 발전 장치에 사용되는 스위치
도 6은 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치
도 7은 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 n대로 구성된 태양광 발전 장치
도 8은 제안된 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치
도 9는 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 10은 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 11은 승압형 컨버터 1대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 12는 승압형 컨버터 n대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 13은 승압형 컨버터 1대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 14는 승압형 컨버터 n대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 15는 승압형 컨버터 1대, 3상 인버터 1대 및 지열을 결합한 전체시스템
도 16은 승압형 컨버터 n대, 3상 인버터 1대 및 지열을 결합한 전체시스템
도 17은 주 권선 3단 제어에 의한 변유량 제어기
도 18은 트랜지스터 스위치 제어에 의한 변유량 제어기
도 19는 밸브제어와 속도제어시 차이점
도 20은 본 발명에서 온도차에 따른 3단 제어시 절약되는 전력 그래프
도 21은 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법
도 22는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 시스템 사진
도 23은 운전 전류, 출력 주파수 및 출력 전압에 대한 실험 결과표
도 24는 운전 전류, 출력 주파수 및 출력 전압에 대한 실험 그래프
도 25는 인버터 사용에 따른 에너지 절감율을 나타내는 도면이다.
도 2는 지열 히트펌프의 경제적 효과
도 3a 및 도 3b는 종래의 냉방모드 및 난방모드 동작과 열원별 히트펌프의 성능
도 4는 본 발명에 따른 신재생에너지 태양광설비 통합 모니터링시스템
도 5는 태양광 발전 장치에 사용되는 스위치
도 6은 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치
도 7은 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 n대로 구성된 태양광 발전 장치
도 8은 제안된 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치
도 9는 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 10은 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 11은 승압형 컨버터 1대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 12는 승압형 컨버터 n대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 13은 승압형 컨버터 1대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 14는 승압형 컨버터 n대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도
도 15는 승압형 컨버터 1대, 3상 인버터 1대 및 지열을 결합한 전체시스템
도 16은 승압형 컨버터 n대, 3상 인버터 1대 및 지열을 결합한 전체시스템
도 17은 주 권선 3단 제어에 의한 변유량 제어기
도 18은 트랜지스터 스위치 제어에 의한 변유량 제어기
도 19는 밸브제어와 속도제어시 차이점
도 20은 본 발명에서 온도차에 따른 3단 제어시 절약되는 전력 그래프
도 21은 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법
도 22는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 시스템 사진
도 23은 운전 전류, 출력 주파수 및 출력 전압에 대한 실험 결과표
도 24는 운전 전류, 출력 주파수 및 출력 전압에 대한 실험 그래프
도 25는 인버터 사용에 따른 에너지 절감율을 나타내는 도면이다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 지열 히트펌프 개념도를 나타낸다. 도 1a는 전체적인 개념도를 나타내고 도 1b는 구체적인 적용 예를 나타낸다. 상기 일반적인 지열 히트펌프는 지열원(10)에서 발생된 지열을 증발기(12)를 통해서 에너지를 흡수하고, 압축기(13) 및 응축기(14)를 통해서 에너지가 전달된다. 상기 응축기(14)는 지열배출을 통해서 필요한 곳으로 지열을 배출시키며, 가정 및 사무실에서 이를 사용할 수 있다. 지열은 약 75%의 주위환경에너지와 25%의 전기에너지를 통하여 100%의 열에너지로 사용할 수 있는 매우 친환경적인 에너지이다.
도 2는 지열 히트펌프의 경제적 효과를 나타낸다. 상기 지열 히트펌프의 경제성은 기름보일러 대비 최대 80%의 연료비를 절감시킬 수 있으며, 냉방 및 난방과 온수로서 이를 이용할 수 있으며, 매우 고효율로서 상용보일러와 비교해서도 70% 이상의 고효율을 가지고 있다. 따라서 이산화탄소(CO2) 배출량의 입장에서 보자면 상용보일러와 비교하여 98% 저감시키는 매우 상승된 효과가 있는 신재생에너지이다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 냉방모드 및 난방모드 동작과 열원별 히트펌프의 성능을 나타낸다.
냉방모드는 여름철 외기에 의해서 더워진 공기를 히트펌프를 사용하여 땅속의 열을 이용해서 냉방 사이클을 가동하는 모드이며, 난방모드는 겨울철 외기에 의해서 차가워진 공기를 히트펌프를 사용하여 땅속의 열을 이용해서 난방 사이클을 가동하는 모드이다. 종래의 지열 냉난방 히트펌프는, 장기간 연속 운전에 따른 용량 부족, 성능이나 효율이 저하되는 문제가 발생하기 쉽다. 이는 난방 운전 시, 지열을 흡수하여 상대적으로 높은 온도로 순환하는 지열수로부터, 상대적으로 낮은 온도로 회수되는 냉온수가 열을 흡수하여 열교환을 통해 생성된 난방수가 순환 공급되면서 난방이 이루어지고, 냉방 운전 시, 상대적으로 높은 온도로 회수되는 냉온수에서, 지중 열 방출에 의해 상대적으로 낮은 온도로 순환하는 지열수로 열을 방출하여 열교환을 통해 생성된 냉방수가 순환 공급되면서 냉방이 이루어지기 때문이다. 즉 종래의 지열 냉난방 히트펌프 시스템은, 연중 12~16℃로 거의 일정한 온도를 유지하는 지열을 이용해, 낮은 온도의 물과 높은 온도의 물 사이에 발생하는 열교환에 의한 열의 방출 또는 흡수를 통해 냉방수 또는 난방수의 순환 공급이 이루어지는 작용상의 특성으로 인해, 열원측(지열원)의 온도차가 클수록 시스템 효율이 저하되고, 압축기의 부하가 증가하여 히트펌프 시스템의 수명이 단축되는 단점이 있었다. 하지만, 큰 장점으로는 일반 전기히터와 비교시, 에어컨과 같은 공기열원 히트펌프는 3배 수준, 지열원 히트펌프는 4.5배 효율이 높은 장점을 가지고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 신재생에너지 태양광설비 통합 모니터링시스템을 나타낸다.
본 발명은 상기 지열 시스템의 단점을 극복하기 위해서 태양광 설비와 통합하는 모니터링 시스템을 제안하고자 한다. 무엇보다 새롭게 태양광과 지열의 통합적 관리운영을 통해서 지열 및 태양광이 가지는 신재생에너지의 장점을 극대화할 수 있으며, 통합, 감시운영 시스템을 확립을 통하여 사용자가 더욱 편리하게 사용할 수 있는 전반적인 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해서 태양광 시스템에서는 최대전력 추종방식을 통해서 태양광 에너지의 극대화와 함께 지열의 경우 3단의 변유량 제어를 통해서 지열과 태양광 에너지가 더욱 시너지를 발휘할 수 있는 새로운 시스템을 제안하고자 한다.
도 5는 태양광 발전 장치에 사용되는 스위치를 나타낸다.
도 5(a)는 IGBT이며, 도 5(b)는 MOSFET이며, 도 5(c)는 양방향으로 연결된 IGBT이며, 도 5(d)는 양방향으로 연결된 MOSFET를 나타낸다. 본 발명에서 태양광 발전을 위한 전력변환장치는 IGBT 또는 MOSFET를 사용할 수 있으며, 회로도에서 표시를 도 5(e)와 같이 표시하여 사용하였다.
도 6은 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치를 나타낸다. 상기 도 6에서 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치는 가장 일반적인 방식이며, 태양전지 어레이(Array)(130)는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)가 모두 병렬로 연결되며, 1 대의 승압형 컨버터(140) 및 1대의 3상 인버터(150)로 구성되어 있다. 이 경우 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상으로 발생하는 최대 전력점(MPPT)을 추종하는 것에 한계가 있다.
도 7은 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 n대로 구성된 태양광 발전 장치를 나타낸다. 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)와 제1 내지 제3 3상 인버터(150-1 내지 150-3)가 연결되어 있다. 이 경우 구름, 눈, 그림자 등의 외부적 환경요인으로 인하여 태양전지 어레이(Array)에서 출력 불평을 일으키는 미스매치 현상을 해소할 수 있지만, 비용이 많이 소요되는 단점이 존재한다.
도 8은 본 발명에서 제안하는 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치를 나타낸다. 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)가 연결되어 있으며, 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)는 단지 1대의 3상 인버터(150)에 연결되는 것을 기술적 특징으로 한다. 또한, 상지 제안된 태양광 발전장치는 (1) 부분일사량을 고려한 하이브리드(Hybrid) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법(Hybrid-MPPT 기법) 및 (2) 멀티(Multi) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법(Multi-MPPT 기법)을 적용하므로 복수의 태양전지 어레이(Array)가 모두 최대 전력점(MPPT)에서 동작시키는 태양광 발전 장치에 선택적으로 적용할 수 있다.
도 9는 승압형 컨버터 1대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 10은 승압형 컨버터 n대 및 3상 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 11은 승압형 컨버터 1대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 12는 승압형 컨버터 n대 및 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 13은 승압형 컨버터 1대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타내며, 도 14는 승압형 컨버터 n대 및 T타입 3레벨 인버터 1대로 구성된 태양광 발전 장치의 세부 회로도를 나타낸다.
도 9에서는 1대의 태양전지 어레이(Array)(130)와 1대의 승압형 컨버터(140) 및 1대의 3상 인버터(150)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 3상 인버터(150)는 가장 일반적인 2레벨 인버터로서 상기 3상 인버터(150)의 스위칭 소자가 6개(151 내지 156)이며, 제1 내지 제3 계통연결 인덕터(157 내지 159)를 통하여 3상의 계통전원(190)을 공급하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 10에서는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)와 연결되어 있으며, 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)는 단지 1대의 3상 인버터(150)에 연결되는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 11에서는 1대의 태양전지 어레이(Array)(130)와 1대의 승압형 컨버터(140) 및 1대의 3레벨 인버터(160)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다. 3레벨 인버터의 경우 1개의 레그(Lag)에 4개의 스위치가 직렬로 연결되어 있으며, 환류 다이오드가 위치하는 것을 기술적 특징으로 한다. 이를 통하여 각 스위치의 전압 스트레스가 2레벨 인버터(도 25 내지 도 26)와 비교하여 1/2로 저감되는 장점이 있다.
도 12에서는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)와 연결되어 있으며, 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)는 단지 1대의 3레벨 인버터(160)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다. 3레벨 인버터의 경우 1개의 레그(Lag)에 4개의 스위치가 직렬로 연결되어 있으며, 환류 다이오드가 위치하는 것을 기술적 특징으로 한다. 이를 통하여 각 스위치의 전압 스트레스가 2레벨 인버터(도 25 내지 도 26)와 비교하여 1/2로 저감되는 장점이 있다.
도 13에서는 1대의 태양전지 어레이(Array)(130)와 1대의 승압형 컨버터(140) 및 1대의 T형 3레벨 인버터(170)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다. T형 3레벨 인버터의 경우 2레벨 인버터처럼 6개의 T형 3레벨 인버터의 제1 내지 제6 스위치(171 내지 176)로 구성되어 있으며, 또한, 상부 스위치(171,173,175)와 하부 스위치(172,174,176) 사이의 접점과 상측 뱅크(Bank) 커패시터(148)와 하측의 뱅크(Bank) 커패시터(149)의 접점 사이에 T형 3레벨 인버터의 제1 내지 제3 양방향 스위치(177 내지 179)가 배치되어 있는 것을 기술적 특징으로 한다. 3레벨 인버터(160)는 12개의 스위치(MOSFET 또는 IGBT)와 6개의 다이오드로 구성되지만, 제안된 T형 3레벨 인버터(170)는 단지 12개의 스위치(MOSFET 또는 IGBT)를 사용하기에 3레벨 인버터(160)와 비교하여 6개의 다이오드 수가 저감되어 경제적이며, 동시에 각 스위치의 전압 스트레스가 2레벨 인버터(도 25 내지 도 26)와 비교하여 1/2로 저감되는 상승된 장점이 존재한다.
도 14에서는 제1 내지 제3 태양전지 어레이(Array)(130-1 내지 130-3)와 각각 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)와 연결되어 있으며, 상기 제1 내지 제3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)는 단지 1대의 T형 3레벨 인버터(170)가 연결된 것을 기술적 특징으로 한다.
T형 3레벨 인버터의 경우 2레벨 인버터처럼 6개의 T형 3레벨 인버터의 제1 내지 제6 스위치(171 내지 176)로 구성되어 있으며, 또한, 상부 스위치(171,173,175)와 하부 스위치(172,174,176) 사이의 접점과 상측 뱅크(Bank) 커패시터(148)와 하측의 뱅크(Bank) 커패시터(149)의 접점 사이에 T형 3레벨 인버터의 제1 내지 제3 양방향 스위치(177 내지 179)가 배치되어 있는 것을 기술적 특징으로 한다. 3레벨 인버터(160)는 12개의 스위치(MOSFET 또는 IGBT)와 6개의 다이오드로 구성되지만, 제안된 T형 3레벨 인버터(170)는 단지 12개의 스위치(MOSFET 또는 IGBT)를 사용하기에 3레벨 인버터(160)와 비교하여 6개의 다이오드 수가 저감되어 경제적이며, 동시에 각 스위치의 전압 스트레스가 2레벨 인버터(도 25 내지 도 26)와 비교하여 1/2로 저감되는 상승된 장점이 존재한다.
상기 도 6 내지 도 14에서는 태양광 발전장치의 세부적인 회로도를 나타내고 있으며, 본 발명에서는 상기 도 6 내지 도 14를 선택적으로 적용할 수 있다. 하지만, 그림자 및 부분음영을 고려하는 경우, 도 8, 도 10, 도 12 및 도 14의 방식이 더욱 타당하며, 최대 전력점(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 추종을 위한 태양광 발전 장치로서 더욱 향상된 특성을 보이고 있으며, (1) 부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법 및 (2) 멀티(Multi) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법을 적용하는 경우 매우 개선된 성능을 보이고 있다. 상기의 최대 전력점(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 추종을 위한 태양광 발전 장치는 일반적인 태양광 시스템과 비교하여 최대 2.5% 이상의 향상된 특성을 나타내고 있다.
따라서 본 발명은 최대 전력점(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 추종을 위한 태양광 발전 장치와 지열 히트펌프를 결합하는 새로운 지열 및 태양광 결합형 시스템을 제안하고자 한다.
도 15는 승압형 컨버터 1대, 3상 인버터 1대 및 지열을 결합한 전체시스템을 나타내며, 도 16은 승압형 컨버터 n대, 3상 인버터 1대 및 지열을 결합한 전체시스템을 나타낸다.
도 15에서는 1개의 태양전지 어레이(Array)(130)로부터 태양광 에너지를 공급받아. 1대의 승압형 컨버터 및 3상 인버터를 통해서 히트펌프(100)로 공급된다. 아울러 지열원(10)도 상기 히트펌프(100)로 공급되며, 공급받은 지열 및 태양광 에너지를 필요한 곳에 지열배출(11)하는 것을 특징으로 한다. 이러한 방법은 태양광 에너지와 지열 에너지를 결합시킴을 통해서 에너지 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 상승된 효과가 있다.
도 16에서는 1개의 태양전지 어레이(Array)(130)로부터 태양광 에너지를 공급받아. 3대의 제1,2,3 승압형 컨버터(140-1,140-2,140-3)로 전력을 전달하고, 3상 인버터(150)를 통해서 히트펌프로 공급된다. 아울러 지열원(10)도 상기 히트펌프(100)로 공급되며, 공급받은 지열 및 태양광 에너지를 필요한 곳에 지열배출(11)하는 것을 특징으로 한다. 상기 태양광 시스템은 (1) 부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법 및 (2) 멀티(Multi) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법을 적용한 최대 전력점(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 추종을 위한 태양광 발전 장치로서 태양광 발전의 효율 특성을 극대화할 수 있으며, 그림자 및 부분음영에도 태양광 시스템의 특성이 최대 2.5% 이상 상승시킬 수 있고, 더불어 태양광 에너지와 지열 에너지를 결합시킴을 통해서 에너지 특성을 더욱 극대화할 수 있는 상승된 효과가 있다.
도 17은 주 권선 3단 제어에 의한 변유량 제어기를 나타낸다.
본 발명에서 상기 히트펌프(100)에서 온도에 따라서 최적의 제어를 위하여 3단으로 제어하는 방법을 제안한다. 그 실시예로서 제1단은 55[W], 제2단은 70[W], 제3단은 100[W]로서 제어할 수 있지만, 제1,2 및 3단의 변유량 설정은 이 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 변경할 수 있다. 상기 변유량 제어기는 교류전원(20)으로부터 전원을 공급받고, 주 권선(21), 보조 권선(22) 및 콘덴서(23)로 구성되는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다. 상기 주 권선(21)은 회전이 가능한 3단의 스위치로 구성되어 있으며, 상기 3단의 스위치는 상기 주 권선(21)에서 인덕턴스의 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다. 상기 교류전원(20)과 주 권선(21)은 병렬로 연결되어 있으며, 상기 주 권선(21)과 병렬로 보조 권선(22) 및 콘덴서(23)가 연결되고, 상기 주 권선(21)은 3단의 스위치를 통해서 상기 주 권선(21)의 인덕턴스 크기를 가변시킴을 통하여 제1,2 및 3단으로 변유량을 가변시킬 수 있는 것을 기술적 특징으로 한다.
하지만, 이러한 변유량 제어기는 수동으로 제어가 가능하지만, 더욱 빠르고 정교하게 제어에는 다소 부족한 면이 있다.
도 18은 트랜지스터 스위치 제어에 의한 변유량 제어기를 나타낸다. 여기서는 3단 트랜지스터 스위치(25)를 사용하는 것을 기술적 특징으로 하며, 상기 3단 트랜지스터 스위치(25)는 제1,2 및 3 트랜지스터 스위치(25-1 내지 25-3)가 배치되어 있는 것을 기술적 특징으로 한다. 상기 트랜지스터 스위치 제어에 의한 변유량 제어기는 주 권선(21)이 배치되어 있으며, 상기 제1,2 및 3 트랜지스터 스위치(25-1 내지 25-3)는 주 권선(21)의 인덕턴스를 3단계로 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
무엇보다 상기 3단 트랜지스터 스위치(25)는 3단으로 더욱 빠르게 변유량 제어가 가능한 매우 상승된 효과를 가지고 있다.
도 19는 밸브제어와 속도제어시 차이점을 나타낸다. 상기 도 19에서는 
: 펌프 특성곡선, 
: 밸브제어시의 운전점,
: 속도 제어시의 운전점, 
: 소비전력, 
: 밸브 제어시 변경되는 시스템 특성곡선을 나타낸다. 상기 도 19에서 인버터를 사용하여 모터 속도로 유량제어가 가능하며, 100[W]로 운전이 필요 없는 구간에서 밸브를 조절하는 것보다는 속도로 유량을 조절하여 에너지를 아낄 수 있는 특징이 있다.
도 20은 본 발명에서 온도차에 따른 3단 제어시 절약되는 전력 그래프를 나타낸다. 3단으로 변유량 제어를 통해서 전력 절약이 가능한 것이 기술적 특징이며, 집열기와 축열조 사이의 온도차이를 고려하여 변유량을 제어함을 통하여 펌프의 소비 전력이 저감 저감되는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 21은 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법을 나타낸다.
정지상태, 일사량 증가 및 집열기 온도상승을 검출하는 제1 단계(A1) ; 상기 제1 단계 이후에 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)에서 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
) 차이가 10도 이상 발생하는지 판단하는 제1 판단단계(S1); 상기 제1 판단단계(S1)에서 온도차이가 10도 미만인 경우 상기 제1 단계(A1)로 되돌아가며; 상기 제1 판단단계(S1)에서 상기 온도차이가 10도 이상 발생하는 경우 펌프를 가동시키는 제2 단계(A2) ; 상기 제2 단계(A2) 이후에 축열조에서 얻는 열량(
)을 계산하는 제3 단계(A3); 상기 제3 단계(A3)에서 축열조에서 얻는 열량(
)은 다음의 수학식(1)과 같이 계산된다.
여기서,
상기 제3 단계(A3) 이후에 최저 냉각온도(
)와 제어 기준온도(
)를 비교하는 제2 판단단계(S2); 상기 제2 판단단계(S4)에서 최저 냉각온도(
)가 제어 기준온도(
) 보다 높은 경우, 안전 장치를 작동하는 제4 단계(A4); 상기 제2 판단단계(S4)에서 최저 냉각온도(
)가 제어 기준온도(
) 보다 낮은 경우, 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
)에서 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)의 차이가 3도 이내인지 판단하는 제3 판단단계(S3); 상기 제3 판단단계(S3)에서 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
)에서 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)의 차이가 3도 이상인 경우 축열조에서 얻는 열량(
)을 계산하는 제3 단계(A3)로 되돌아가며; 상기 제3 판단단계(S3)에서 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
)에서 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)의 차이가 3도 이내인 경우, 펌프를 정지시키는 제5 단계(S5); 로 구성된다.
도 22는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 시스템 사진을 나타낸다.
도 22(a)는 시스템 구성, 도 22(b)는 히트펌프 및 순환펌프, 도 22(c)는 시험전경 및 도 22(d)는 출력 주파수 및 전압 측정하는 사진을 나타낸다.
상기 도 22에서 인버터를 사용하는 경우 에너지의 절약 원리는 좀 더 자세하게 서술하면, 아래의 55[Hz] 운전시 및 50[Hz] 운전시에 따라서 절감율이 확연하게 달라짐을 확인할 수 있다.
여기서,
따라서 인버터를 통해서 상용주파수 60[Hz]에서 주파수를 55[Hz] 운전시 에너지 절감율은 23[%]가 되며, 50[Hz] 운전시 에너지 절감율은 42[%]가 됨을 확인할 수 있다. 따라서 인버터를 통해서 주파수의 제어가 에너지의 절감에 상당한 효과를 끼침을 확인할 수 있다.
도 23은 운전 전류, 출력 주파수 및 출력 전압에 대한 실험 결과표를 나타내며, 도 24는 운전 전류, 출력 주파수 및 출력 전압에 대한 실험 그래프를 나타낸다. 도 23 및 도 24에서 최적제어를 바탕으로 운전 전류가 3.3[A]에서는 출력 주파수가 23.15[Hz]이고, 출력 전압은 258.35[V]이고, 운전 전류가 11.8[A]에서는 출력 주파수가 29.07[Hz]이고, 출력 전압은 287.93[V]이고, 운전 전류가 21.5[A]에서는 출력 주파수가 38.11[Hz]이고, 출력 전압은 331.10[V]임을 확인할 수 있다.
운전 전류가 증가함 따라서 출력 주파수는 23.15[Hz]에서 38.11[Hz]로 증가하며, 출력 전압도 258.35[V]에서 331.10[V]로 증가함을 확인할 수 있었다.
도 25는 인버터 사용에 따른 에너지 절감율을 나타내는 도면이다.
도 22는 히트펌프에서 인버터 사용 유무에 따른 에너지 절감율을 나타내며, 주파수가 23.15[Hz]에서는 에너지 절감율이 95%이며, 주파수가 38.11[Hz]에서는 에너지 절감율이 80[%]로서 주파수가 낮은 경우 에너지 절감율이 더욱 높게 된다는 것을 실험적으로 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치에 있어서, 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지 어레이(130); 상기 태양전지 어레이(130)에 출력된 전압을 승압시키는 승압형 컨버터(140); 상기 승압형 컨버터(140)의 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키는 3상 인버터(150); 상기 3상 인버터(150)의 출력을 공급받는 히트펌프(100); 상기 히트펌프(100)에 에너지를 공급하는 지열원(10); 상기 히트펌프(100)로부터 에너지를 방출하여 원하는 곳에서 소모시키는 지열배출(11); 상기 히트펌프(100)는 변유량의 3단계 제어를 위하여 3단 전환형 스위치(24); 상기 3단 전환형 스위치(24)는 교류전원(22)과 병렬로 연결된 주 권선(21); 상기 주 권선(21)은 회전이 가능한 3단의 스위치와 연결되는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치에 있어서, 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지 어레이(130); 상기 태양전지 어레이(130)에 출력된 전압을 승압시키는 승압형 컨버터(140); 상기 승압형 컨버터(140)의 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키는 3상 인버터(150); 상기 3상 인버터(150)의 출력을 공급받는 히트펌프(100); 상기 히트펌프(100)에 에너지를 공급하는 지열원(10); 상기 히트펌프(100)로부터 에너지를 방출하여 원하는 곳에서 소모시키는 지열배출(11); 상기 히트펌프(100)는 변유량의 3단계 제어를 위하여 3단 트랜지스터 스위치(25); 상기 3단 트랜지스터 스위치(25)는 주 권선(21)의 인덕턴스 크기를 3 단계로 가변시키는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치를 제안하고자 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자가 다양한 변형에 의하여 정전압 컨버터 디밍 제어 장치 및 방법에 적용시킬 수 있으며, 기술적으로 용이하게 변형시키는 기술의 범주도 본 특허의 권리범위에 속하는 것으로 인정해야 할 것이다.
10 : 지열원
11 : 지열배출
12 : 증발기
13 : 압축기
14 : 응축기
15 : 팽창밸브
20 : 교류전원
21 : 주 권선
22 : 보조 권선
23 : 콘덴서
24 : 3단 전환형 스위치
25 : 3단 트랜지스터 스위치
25-1 : 3단 제1 트랜지스터 스위치
25-2 : 3단 제2 트랜지스터 스위치
25-3 : 3단 제3 트랜지스터 스위치
100 : 히트펌프
130 : 태양전지 어레이(Array)
130-1 : 제1 태양전지 어레이(Array)
130-2 : 제2 태양전지 어레이(Array)
130-3 : 제3 태양전지 어레이(Array)
140 : 승압형 컨버터
140-1 : 제1 승압형 컨버터
140-2 : 제2 승압형 컨버터
140-3 : 제3 승압형 컨버터
141 : 입력단 커패시터
141-1 : 제1 입력단 커패시터
141-2 : 제2 입력단 커패시터
141-3 : 제3 입력단 커패시터
142 : 승압 인덕터
142-1 : 제1 승압 인덕터
142-2 : 제2 승압 인덕터
142-3 : 제3 승압 인덕터
143 : 승압형 컨버터의 주 스위치
143-1 : 승압형 컨버터의 제1 주 스위치
143-2 : 승압형 컨버터의 제2 주 스위치
143-3 : 승압형 컨버터의 제3 주 스위치
144 : 승압형 컨버터의 주 다이오드
144-1 : 승압형 컨버터의 제1 주 다이오드
144-2 : 승압형 컨버터의 제2 주 다이오드
144-3 : 승압형 컨버터의 제3 주 다이오드
145 : 출력단 커패시터
145-1 : 제1 출력단 커패시터
145-2 : 제2 출력단 커패시터
145-3 : 제3 출력단 커패시터
147 : 뱅크(Bank) 커패시터
148 : 상측 뱅크(Bank) 커패시터
149 : 하측 뱅크(Bank) 커패시터
150 : 3상 인버터
150-1 : 제1 3상 인버터
150-2 : 제2 3상 인버터
150-3 : 제3 3상 인버터
151 : 3상 인버터의 제1 스위치
152 : 3상 인버터의 제2 스위치
153 : 3상 인버터의 제3 스위치
154 : 3상 인버터의 제4 스위치
155 : 3상 인버터의 제5 스위치
156 : 3상 인버터의 제6 스위치
157 : 제1 계통연결 인덕터
158 : 제2 계통연결 인덕터
159 : 제3 계통연결 인덕터
160 : 3레벨 인버터
161 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그
161-1 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제1 스위치
161-2 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제2 스위치
161-3 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제3 스위치
161-4 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제4 스위치
162 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그
162-1 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제1 스위치
162-2 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제2 스위치
162-3 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제3 스위치
162-4 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제4 스위치
163 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그
163-1 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제1 스위치
163-2 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제2 스위치
163-3 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제3 스위치
163-4 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제4 스위치
164 : 제1 스위치 레그의 환류 다이오드
164-1 : 제1 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
164-2 : 제1 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
165 : 제2 스위치 레그의 환류 다이오드
165-1 : 제2 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
165-2 : 제2 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
166 : 제3 스위치 레그의 환류 다이오드
166-1 : 제3 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
166-2 : 제3 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
170 : T형 3레벨 인버터
171 : T형 3레벨 인버터의 제1 스위치
172 : T형 3레벨 인버터의 제2 스위치
173 : T형 3레벨 인버터의 제3 스위치
174 : T형 3레벨 인버터의 제4 스위치
175 : T형 3레벨 인버터의 제5 스위치
176 : T형 3레벨 인버터의 제6 스위치
177 : T형 3레벨 인버터의 제1 양방향 스위치
178 : T형 3레벨 인버터의 제2 양방향 스위치
179 : T형 3레벨 인버터의 제3 양방향 스위치
190 : 계통전원
191 : 계통의 a상
192 : 계통의 b상
193 : 계통의 c상
11 : 지열배출
12 : 증발기
13 : 압축기
14 : 응축기
15 : 팽창밸브
20 : 교류전원
21 : 주 권선
22 : 보조 권선
23 : 콘덴서
24 : 3단 전환형 스위치
25 : 3단 트랜지스터 스위치
25-1 : 3단 제1 트랜지스터 스위치
25-2 : 3단 제2 트랜지스터 스위치
25-3 : 3단 제3 트랜지스터 스위치
100 : 히트펌프
130 : 태양전지 어레이(Array)
130-1 : 제1 태양전지 어레이(Array)
130-2 : 제2 태양전지 어레이(Array)
130-3 : 제3 태양전지 어레이(Array)
140 : 승압형 컨버터
140-1 : 제1 승압형 컨버터
140-2 : 제2 승압형 컨버터
140-3 : 제3 승압형 컨버터
141 : 입력단 커패시터
141-1 : 제1 입력단 커패시터
141-2 : 제2 입력단 커패시터
141-3 : 제3 입력단 커패시터
142 : 승압 인덕터
142-1 : 제1 승압 인덕터
142-2 : 제2 승압 인덕터
142-3 : 제3 승압 인덕터
143 : 승압형 컨버터의 주 스위치
143-1 : 승압형 컨버터의 제1 주 스위치
143-2 : 승압형 컨버터의 제2 주 스위치
143-3 : 승압형 컨버터의 제3 주 스위치
144 : 승압형 컨버터의 주 다이오드
144-1 : 승압형 컨버터의 제1 주 다이오드
144-2 : 승압형 컨버터의 제2 주 다이오드
144-3 : 승압형 컨버터의 제3 주 다이오드
145 : 출력단 커패시터
145-1 : 제1 출력단 커패시터
145-2 : 제2 출력단 커패시터
145-3 : 제3 출력단 커패시터
147 : 뱅크(Bank) 커패시터
148 : 상측 뱅크(Bank) 커패시터
149 : 하측 뱅크(Bank) 커패시터
150 : 3상 인버터
150-1 : 제1 3상 인버터
150-2 : 제2 3상 인버터
150-3 : 제3 3상 인버터
151 : 3상 인버터의 제1 스위치
152 : 3상 인버터의 제2 스위치
153 : 3상 인버터의 제3 스위치
154 : 3상 인버터의 제4 스위치
155 : 3상 인버터의 제5 스위치
156 : 3상 인버터의 제6 스위치
157 : 제1 계통연결 인덕터
158 : 제2 계통연결 인덕터
159 : 제3 계통연결 인덕터
160 : 3레벨 인버터
161 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그
161-1 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제1 스위치
161-2 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제2 스위치
161-3 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제3 스위치
161-4 : 3레벨 인버터의 제1 스위치 레그의 제4 스위치
162 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그
162-1 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제1 스위치
162-2 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제2 스위치
162-3 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제3 스위치
162-4 : 3레벨 인버터의 제2 스위치 레그의 제4 스위치
163 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그
163-1 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제1 스위치
163-2 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제2 스위치
163-3 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제3 스위치
163-4 : 3레벨 인버터의 제3 스위치 레그의 제4 스위치
164 : 제1 스위치 레그의 환류 다이오드
164-1 : 제1 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
164-2 : 제1 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
165 : 제2 스위치 레그의 환류 다이오드
165-1 : 제2 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
165-2 : 제2 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
166 : 제3 스위치 레그의 환류 다이오드
166-1 : 제3 스위치 레그의 제1 환류 다이오드
166-2 : 제3 스위치 레그의 제2 환류 다이오드
170 : T형 3레벨 인버터
171 : T형 3레벨 인버터의 제1 스위치
172 : T형 3레벨 인버터의 제2 스위치
173 : T형 3레벨 인버터의 제3 스위치
174 : T형 3레벨 인버터의 제4 스위치
175 : T형 3레벨 인버터의 제5 스위치
176 : T형 3레벨 인버터의 제6 스위치
177 : T형 3레벨 인버터의 제1 양방향 스위치
178 : T형 3레벨 인버터의 제2 양방향 스위치
179 : T형 3레벨 인버터의 제3 양방향 스위치
190 : 계통전원
191 : 계통의 a상
192 : 계통의 b상
193 : 계통의 c상
Claims (19)
- 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치에 있어서,
태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지 어레이(130);
상기 태양전지 어레이(130)에 출력된 전압을 승압시키는 승압형 컨버터(140);
상기 승압형 컨버터(140)의 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키는 3상 인버터(150);
상기 3상 인버터(150)의 출력을 공급받는 히트펌프(100);
상기 히트펌프(100)에 에너지를 공급하는 지열원(10);
상기 히트펌프(100)로부터 에너지를 방출하여 원하는 곳에서 소모시키는 지열배출(11);
상기 히트펌프(100)는 변유량의 3단계 제어를 위하여 3단 전환형 스위치(24); 및
상기 3단 전환형 스위치(24)는 교류전원(22)과 병렬로 연결된 주 권선(21);
을 포함하며,
상기 주 권선(21)은 회전이 가능한 3단의 스위치와 연결되는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치에 있어서,
태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양전지 어레이(130);
상기 태양전지 어레이(130)에 출력된 전압을 승압시키는 승압형 컨버터(140);
상기 승압형 컨버터(140)의 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키는 3상 인버터(150);
상기 3상 인버터(150)의 출력을 공급받는 히트펌프(100);
상기 히트펌프(100)에 에너지를 공급하는 지열원(10);
상기 히트펌프(100)로부터 에너지를 방출하여 원하는 곳에서 소모시키는 지열배출(11); 및
상기 히트펌프(100)는 변유량의 3단계 제어를 위하여 3단 트랜지스터 스위치(25);
를 포함하며,
상기 3단 트랜지스터 스위치(25)는 주 권선(21)의 인덕턴스 크기를 3 단계로 가변시키는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 3단의 스위치는 주 권선(21)의 인덕턴스 크기를 가변시킴을 통하여 제1, 2 및 3단으로 변유량을 가변하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 3단 트랜지스터 스위치(25)는 MOSFET를 사용하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 주 권선(21)과 병렬로 연결된 보조 권선(22) 및 콘덴서(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 히트펌프(100)에서 소비전력은 상기 3단 전환형 스위치(24)의 가변에 의해서 소비전력이 3단계로 가변하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 3상 인버터(150)는 부분일사량 고려한 하이브리드(Hybrid) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 3상 인버터(150)는 멀티(Multi) 최대 전력점(MPPT) 추종 기법을 적용한 최대 전력점(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 추종 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 3상 인버터(150)는 2레벨 인버터 및 3레벨 인버터 중에서 선택하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 3상 인버터(150)는 T형 3레벨 인버터(170)인 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 승압형 컨버터(140)는 2개 이상의 복수의 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 승압형 컨버터(140)는 제1,2 및 3 승압형 컨버터(140-1 내지 140-3)로 구성되는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 히트펌프(100)를 제어하는 인버터는 출력 주파수를 60[Hz] 이하로 가변하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 히트펌프(100)를 제어하는 인버터는 출력 주파수는 23.15[Hz] 내지 38.11[Hz]로 제어하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 히트펌프(100)를 제어하는 인버터는 출력 전압은 258.35[V] 내지 331.10[V]로 제어하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치.
- 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법에 있어서,
정지상태, 일사량 증가 및 집열기 온도상승을 검출하는 제1 단계(A1);
상기 제1 단계 이후에 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도()에서 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
) 차이가 10도 이상 발생하는지 판단하는 제1 판단단계(S1);
상기 제1 판단단계(S1)에서 온도차이가 10도 미만인 경우 상기 제1 단계(A1)로 되돌아가는 단계;
상기 제1 판단단계(S1)에서 상기 온도차이가 10도 이상 발생하는 경우 펌프를 가동시키는 제2 단계(A2); 및
상기 제2 단계(A2) 이후에 축열조에서 얻는 열량()을 계산하는 제3 단계(A3);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법.
- 제16항에 있어서,
상기 제3 단계(A3)에서 축열조에서 얻는 열량()은 다음의 식(1)과 같은 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법.
..................... 식(1)
여기서,
: 축열조에서 얻는 열량
: 임의의 계수
: 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도
: 히트펌프에서 나가는 유량의 온도
- 제16항에 있어서,
상기 제3 단계(A3) 이후에 최저 냉각온도()와 제어 기준온도(
)를 비교하는 제2 판단단계(S2); 및
상기 제2 판단단계(S2)에서 최저 냉각온도()가 제어 기준온도(
) 보다 높은 경우, 안전 장치를 작동하는 제4 단계(A4);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법.
- 제18항에 있어서,
상기 제2 판단단계(S2)에서 최저 냉각온도()가 제어 기준온도(
) 보다 낮은 경우, 히트펌프에서 나가는 유량의 온도(
)에서 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)의 차이가 3도 이내인지 판단하는 제3 판단단계(S3);
상기 제3 판단단계(S3)에서 히트펌프에서 나가는 유량의 온도()에서 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)의 차이가 3도 이상인 경우 축열조에서 얻는 열량(
)을 계산하는 제3 단계(A3)로 되돌아가는 단계; 및
상기 제3 판단단계(S3)에서 히트펌프에서 나가는 유량의 온도()에서 히트펌프에서 들어오는 유량의 온도(
)의 차이가 3도 이내인 경우, 펌프를 정지시키는 제5 단계(S5);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 제어방법.
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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ID=74127971
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200007516A KR102198997B1 (ko) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | 지열 및 태양광 결합형 히트펌프 장치 및 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102198997B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112880220A (zh) * | 2021-01-28 | 2021-06-01 | 北京工业大学 | 一种用于风光互补清洁供暖的复叠式热泵系统 |
| CN114216152A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-03-22 | 国网青海省电力公司果洛供电公司 | 一种偏远地区能源供给系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101105561B1 (ko) | 2010-05-13 | 2012-01-17 | 주식회사 경동나비엔 | 태양열 시스템 |
| KR101338264B1 (ko) * | 2013-08-23 | 2013-12-09 | 주식회사 에너솔라 | 지열을 이용한 3존 하이브리드 냉난방 시스템 |
| KR101385776B1 (ko) | 2012-07-03 | 2014-04-18 | 주식회사 안테크 | 복합 에너지 제어를 통한 냉, 난방 시스템 |
| KR101598464B1 (ko) | 2015-11-20 | 2016-03-02 | 지투파워(주) | 하이브리드 mppt제어에 의한 태양광발전시스템의 효율개선 방법 |
-
2020
- 2020-01-20 KR KR1020200007516A patent/KR102198997B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101105561B1 (ko) | 2010-05-13 | 2012-01-17 | 주식회사 경동나비엔 | 태양열 시스템 |
| KR101385776B1 (ko) | 2012-07-03 | 2014-04-18 | 주식회사 안테크 | 복합 에너지 제어를 통한 냉, 난방 시스템 |
| KR101338264B1 (ko) * | 2013-08-23 | 2013-12-09 | 주식회사 에너솔라 | 지열을 이용한 3존 하이브리드 냉난방 시스템 |
| KR101598464B1 (ko) | 2015-11-20 | 2016-03-02 | 지투파워(주) | 하이브리드 mppt제어에 의한 태양광발전시스템의 효율개선 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN114216152A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-03-22 | 国网青海省电力公司果洛供电公司 | 一种偏远地区能源供给系统 |
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