KR102331618B1 - Ess의 외함을 이용한 스마트 공조 시스템 및 이를 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 공조 장치는 다양한 방식으로 에너지 저장 설비 내부의 온도 및 습도 등을 평가하고, 이를 기초로 에너지 저장 설비 내부에 대한 공기 조화를 수행한다.

Description

ESS의 외함을 이용한 스마트 공조 시스템 및 이를 위한 방법{Smart air conditioning system using enclosure of ESS and method therefor}
본 발명은 ESS의 공조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, ESS의 외함을 이용한 스마트 공조 시스템 및 이를 위한 방법에 관한 것이다.
에너지 저장은 장치 혹은 물리적 매체를 이용하여 에너지를 저장하는 것을 말한다. 이에 쓰이는 장치를 축압기라고 하고, 더 넓은 범위의 시스템 전체를 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)이라고 한다. 일반 가정에서 사용하는 건전지나 전자제품에 사용하는 소형 배터리도 전기에너지를 다른 에너지 형태로 변환하여 저장할 수 있지만 이런 소규모 전력저장장치를 ESS라고 말하지는 않고, 일반적으로 수 kWh 이상의 전력을 저장하는 단독 시스템을 ESS라고 한다.
ESS는 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 운영이 가능하며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하평준화(Load Leveling), 비상전원 등의 기능으로 사용된다. ESS는 전기에너지를 적게 사용할 때 저장하고 필요할 때 공급함으로써 에너지 이용효율 향상, 신재생에너지 활용도 제고 및 전력공급시스템 안정화에 기여할 수 있다.
에너지 저장은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지저장과 화학적 에너지저장으로 구분할 수 있다. 대표적인 물리적 에너지저장으로는 양수발전과 압축공기저장, 플라이휠 등을 들 수 있으며, 화학적 에너지저장으로는 리튬이온배터리, 리튬인산철(LiFePO4)배터리, 납축전지, NaS 전지 등이 있다. 배터리 형식의 ESS를 BESS(Battery Energy Storage System)라고 하며, 일반적으로 ESS라고 하면 BESS를 의미한다.
한국공개특허 제10-2016-0133341호 2016년 11월 22일 공개 (명칭: ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템)
본 발명의 목적은 ESS(Energy Storage System)의 외함을 이용하여 단열 및 공조 양자 모두의 기능을 수행할 수 있는 스마트 공조 시스템 및 이를 위한 방법을 제공함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 외함을 이용한 스마트 공조 시스템은 전체적으로 중공의 직육면체 형상이며, 상기 직육면체의 상판과, 4방의 측면이 제1 단열층과, 상기 제1 단열층과의 사이에 공기층이 형성되도록 상기 제1 단열층과 소정 간격 이격되어 설치되는 제2 단열층으로 이루어지는 외함과, 상기 외함의 내부에 상기 외함의 내측면을 따라 설치되는 복수의 배터리 랙과, 상기 외함의 외부에 설치되는 공조기와, 각각이 관형이며 상기 공기층을 경유하여 상기 공조기와 상기 배터리 랙 간을 연결하는 복수의 채널을 포함한다.
상기 스마트 공조 시스템은 배터리 랙의 복수의 영역 각각에 설치되어 상기 복수의 영역 각각의 온도를 지속적으로 측정하여 상기 복수의 영역 각각의 온도 변화를 도출하는 복수의 온도 센서를 포함하는 센서부와, 상기 측정된 복수의 영역 각각의 온도 변화의 상관도에 따라 상기 복수의 영역을 복수의 공조 영역으로 구성하고, 공조기를 제어하여 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 제어부를 더 포함한다.
상기 제어부는 상기 배터리 랙 내부의 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각의 시점에 유입 채널을 할당하고, 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각의 온도 및 부피의 곱에 비례하여 상기 공조기의 공조가능용량을 분배하고, 상기 복수의 공조 영역 각각에 할당된 유입 채널을 통해 상기 복수의 공조 영역 각각에 분배된 공조가능용량에 따른 송풍량의 공기가 유입되도록 상기 공조기를 제어한다.
상기 제어부는 상기 복수의 공조 영역 각각에 상기 배터리 랙에 일 측에 설치된 복수의 채널 중 상기 복수의 공조 영역 각각의 온도 및 부피에 비례하는 수의 채널을 유입 채널로 할당하고, 상기 복수의 공조 영역 각각에 할당된 유입 채널 각각을 통해 균등한 송풍량의 공기가 유입되도록 상기 공조기를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 외함을 이용한 스마트 공조 방법은 배터리 랙의 복수의 영역 각각에 설치된 복수의 온도 센서를 통해 상기 복수의 영역 각각의 온도 변화를 지속적으로 측정하는 단계와, 상기 측정된 복수의 영역 각각의 온도 변화의 상관도에 따라 상기 복수의 영역을 복수의 공조 영역으로 구성하는 단계와, 공조기를 제어하여 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 단계는 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각의 온도 및 부피에 비례하여 상기 공조기의 공조가능용량을 분배하여 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 분배된 공조가능용량을 할당하는 단계와, 상기 할당된 공조가능용량에 따라 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 단계는 상기 복수의 공조 영역 각각의 온도 및 부피에 비례하여 상기 배터리 랙에 일 측에 설치된 복수의 채널을 분배하는 단계와, 상기 복수의 공조 영역 각각에 상기 분배된 복수의 채널을 할당하는 단계와, 상기 배터리 랙의 내부로 상기 할당된 공기 유입 채널을 통해 상기 공조기로부터 공기가 유입되도록 상기 공조기를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 외함에 2중의 단열층 사이의 공기층을 형성하여 단열을 수행함과 동시에 해당 공기층을 공조기의 공기 조화를 위한 공기 유동의 통로로 이용함으로써 공간을 효과적으로 이용할 수 있다. 특히, 본 발명은 온도 변화의 상관관계가 있는 영역을 공조 영역으로 구분하여 구분된 공조 영역 별로 공조를 수행함으로써 효율적으로 공기 조화를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 기능적인 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 개략적인 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A 부분의 단면을 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 B 영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 C 영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 공조 영역에 대한 공조 방법을 설명하기 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 공조 영역에 대한 공조 방법을 설명하기 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 복수의 클러스터 영역에 대한 공조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비(ESS: Energy Storage System)의 기능적인 구성에 대해서 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 기능적인 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 기능적인 측면에서 에너지 저장 설비(ESS)는 에너지를 저장하기 위한 복수의 단위 저장 장치로 이루어진다. 본 발명의 실시예에서 최소의 단위 저장 장치는 배터리 셀이다. 배터리 셀은 이차전지이며, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈수소축전지(NiMH), 리튬이온전지(Li-ion), 리튬이온폴리머전지(Li-ion polymer) 등을 예시할 수 있다. 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 셀이 하나의 배터리모듈을 형성한다. 또한, 복수의 배터리모듈은 하나의 배터리 랙(20)을 형성한다. 그리고 복수의 배터리 랙(20)은 하나의 배터리 컨테이너(BC)를 이룬다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비(ESS: Energy Storage System)의 개략적인 구조에 대해서 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 개략적인 구조를 설명하기 위한 사시도이다. 도 3은 도 2의 A-A 부분의 단면을 도시한 단면도이다. 도 4는 도 3의 B 영역을 확대하여 도시한 도면이다. 그리고 도 5는 도 3의 C 영역을 확대하여 도시한 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비(ESS)는 기본적으로, 전체적으로 중공의 직육면체 형상인 외함(10), 외함(10) 내부에 설치되는 복수의 배터리 랙(20) 및 공조기(30)를 포함한다.
외함(10)은 도 1에서 설명된 배터리 컨테이너(BC)의 외형을 형성한다. 도 3의 B 영역과, C 영역, 도 4 및 도 5를 참조하면, 외함(10)의 상판 및 4방의 측벽은 상판 및 측벽에 시공되는 면상의 제1 단열층(11)과, 제1 단열층(11)과 평행을 유지하면서 소정 간격 이격되어 설치되는 면상의 제2 단열층(13)으로 이루어진다. 이에 따라, 제1 단열층(11)과 제2 단열층(13) 사이에 공기층(12)이 형성된다.
배터리 랙(20)은 외함(10)의 내측면을 따라 설치된다. 배터리 랙(20)은 도 1에서 설명된 바와 같이, 복수의 배터리 모듈을 포함한다. 배터리 랙(20)은 일반적으로, 복수의 배터리 모듈이 적층된 타워형이고, 본 발명의 실시예서 배터리 랙(20)을 타원형을 기준으로 설명할 것이다. 하지만, 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니며, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 형식이면 그 형태의 무관하다.
공조기(30)는 외함(10)의 외부에 설치되며, 관형의 복수의 채널(CH)을 통해 배터리 컨테이너(BC)의 공기 조화를 수행한다. 즉, 공조기(30)는 복수의 채널(CH)을 통해 배터리 컨테이너(BC)에 공조를 위한 공기, 즉, 냉기, 온기 및 습기 및 건기 중 적어도 하나의 속성을 가지는 공기를 공급할 수 있다. 이때, 복수의 채널(CH)은 배터리 컨테이너(BC) 외함의 공기층(12)을 통해 형성될 수 있다. 특히, 공조기(30)는 외함(10)의 공기층(12)을 통해 형성된 채널(CH)을 통해 외함(10)의 내측면을 따라 설치된 배터리 랙(20)에 공조를 위한 공기를 공급할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 채널(CH)은 공조기(30)로부터 시작해서 외함(10)의 공기층(12)을 경유하여 배터리 랙(20)에 직접 연결되도록 형성될 수 있다. 도 5에서 도면부호 FL은 공조기(30)의 공조를 위한 공기의 유동 경로를 나타내며, 공조를 위한 공기의 유동 경로(FL)는 공조기(30)로부터 채널(CH)이 형성된 외함(10)의 공기층(12)을 경유하여 배터리 랙(20)에 직접 연결될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 추가적인 구성에 대해서 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비는 전술한 외함(10), 배터리 랙(20) 및 공조기(30) 외에 센서부(100), 송풍부(200), 제어부(300)를 더 포함한다.
센서부(100)는 배터리 랙(20) 내부에 설치되며, 온도를 측정하는 온도 센서 및 습도를 측정하는 습도 센서를 포함할 수 있다.
송풍부(200)는 복수의 팬을 포함한다. 송풍부(200)의 복수의 팬은 배터리 랙(20) 각각의 상부 및 하부에 설치될 수 있다. 이러한 송풍부(200)는 제어부(300)의 제어에 따라 복수의 팬 각각을 선택적으로 가동할 수 있다.
제어부(300)는 에너지 저장 설비의 전반적인 동작 및 에너지 저장 설비의 기능 모듈, 즉, 공조기(30), 센서부(100) 및 송풍부(200)를 제어하기 위한 것이다. 이러한 제어부(300)는 중앙처리장치(CPU: Central Processing Unit), 마이크로제어기(MCU: Micro Controller Unit), 디지털신호처리기(DSP: Digital Signal Processor) 등이 될 수 있다. 이러한 제어부(300)의 동작에 대해서는 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법에 대해서 설명하기로 한다. 먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 랙(20)은 복수의 배터리모듈(BM)이 수직 방향으로 적층되어 형성된다. 이때, 상하의 배터리모듈(BM) 상호간은 소정 간격 이격되는 것이 바람직하다. 또한, 배터리 랙(20)의 측면에는 복수의 채널(20)이 형성된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 랙(20) 내부는 동일한 부피를 가지는 복수의 영역으로 구분될 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 배터리 랙(20) 내부는 n개의 영역(R1, R2, ... Rn)으로 구분될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 센서부(100)의 복수의 온도 센서는 복수의 영역(R1 내지 Rn) 각각에 설치된다.
이제, 도 7을 참하면, 제어부(300)는 S110 단계에서 소정 기간 동안 센서부(100)의 복수의 온도 센서를 통해 복수의 영역(R1 내지 Rn) 각각의 온도를 지속적으로 측정하여 복수의 영역(R1 내지 Rn) 각각의 온도 변화를 도출한다.
이어서, 제어부(300)는 S120 단계에서 복수의 영역(R1 내지 Rn) 중 이웃하는 영역 간의 온도 변화의 상관도를 산출한다. 예컨대, 어느 하나의 영역을 제1 영역이라고 하고, 제1 영역에 이웃하는 영역을 제2 영역이라 할 때, 두 영역 간의 온도 변화의 상관도는 다음의 수학식 1에 따라 산출될 수 있다.
Figure 112019122480900-pat00001
여기서,
Figure 112019122480900-pat00002
은 두 영역 간의 온도 변화의 상관도를 나타낸다. a는 제1 영역의 측정된 온도이고,
Figure 112019122480900-pat00003
는 제1 영역의 측정된 온도의 평균이고,
Figure 112019122480900-pat00004
는 제1 영역의 측정된 온도의 표준 편차이다. 또한, b는 제2 영역의 측정된 온도이고,
Figure 112019122480900-pat00005
는 제2 영역의 측정된 온도의 평균이고,
Figure 112019122480900-pat00006
는 제2 영역의 측정된 온도의 표준 편차이다. 그리고 n은 측정된 온도의 개수이고, i는 측정된 온도의 인덱스이다.
이어서, 제어부(300)는 S130 단계에서 앞서 산출된 온도 변화의 상관도에 따라 복수의 공조 영역을 구성한다. 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(300)는 복수의 영역(R1 내지 Rn)을 복수의 공조 영역(AA1 내지 AAm)으로 구성할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)의 상관도가 기 설정된 기준 수치(예컨대, 0.5) 이상이고, 제2 영역(R2)과 제3 영역(R3)의 상관도가 소정의 기준 수치 미만이라고 가정한다. 그러면, 제어부(300)는 도 8에 도시된 바와 같이, 제3 영역(R1)을 제외한 제1 영역(R1)과 제2 영역(R2)을 하나의 영역으로 묶어 제1 공조 영역(AA1)을 구성한다. 이러한 방식으로 나머지 영역을 복수의 공조 영역(AA1 내지 AAm)으로 구성할 수 있다.
다음으로, 제어부(300)는 S140 단계에서 복수의 공조 영역(AA1 내지 AAm) 각각의 온도와 부피를 산출한다. 전술한 바와 같이, 복수의 영역(R1 내지 Rn)은 동일한 부피를 가지며, 복수의 영역(R1 내지 Rn) 각각에 온도 센서가 온도를 측정하기 때문에 공조 영역(AA)의 온도는 공조 영역(AA)에 포함된 영역(R)의 온도의 평균이고, 공조 영역(AA)의 부피는 공조 영역(AA)에 포함된 영역(R)의 부피의 합이다.
이어서, 제어부(300)는 S150 단계에서 앞서 산출된 복수의 공조 영역(AA1 내지 AAm) 각각의 온도와 부피에 따라 복수의 공조 영역(AA1 내지 AAm) 별로 공조를 수행한다. 이와 같이, 본 발명은 배터리 랙(20) 내부 공간을 온도 변화의 상관도에 따라 복수의 공조 영역(AA1 내지 AAm)으로 구분함으로써, 배터리 랙(20) 내부 공간을 유사한 온도 변화의 속성으로 구분할 수 있다. 이에 따라, 동일한 속성을 가지는 영역 별로 공조를 수행함으로써 보다 효율적인 공조를 제공할 수 있다.
그러면, 전술한 S150 단계의 공조 방법에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 공조 영역에 대한 공조 방법을 설명하기 흐름도이다. 강조하면, 도 9는 S150 단계의 일 실시예이다.
도 9를 참조하면, 제어부(300)는 S210 단계에서 배터리 랙(20) 내부의 공기의 유동 방향을 기준으로 복수의 공조 영역 각각의 시점에 유입 채널을 할당하고, 배터리 랙(20) 내부의 공기의 유동 방향의 종점에 유출 채널을 할당한다. 이때, 제어부(300)는 배터리 랙(20) 내부의 공기의 유동이 불안정한 경우, 즉, 한쪽 방향이 아닌 경우, 송풍부(200)를 제어하여 배터리 랙(20)의 상부, 하부 혹은 어느 일 측에 설치된 팬(FAN)을 가동하여 인위적으로 배터리 랙(20) 내부의 공기가 한쪽 방향으로 유동하도록 할 수 있다.
일례로, 도 8을 참조하면, 공기의 유동 방향은 아래에서 윗방향이라고 가정한다. 그러면, 공기의 유동 방향인 아래에서 윗방향을 기준으로 제1 공조 영역(AA1)의 시점의 채널은 제1 채널(CH1)이다. 따라서 제1 채널(CH1)을 제1 공조 영역(AA1)의 유입 채널로 할당할 수 있다. 또한, 제m 공조 영역(AAm)의 시점의 채널은 제k-4 채널(CHk-4)이며, 제k-4 채널(CHk-4)을 제m 공조 영역(AAm)의 유입 채널로 할당할 수 있다. 그리고, 제k 채널(CHk)을 제m 공조 영역(AAm)의 유입 채널로 할당할 수 있다. 이와 같이, 배터리 랙(20) 내부의 공기의 유동 방향이 아래에서 윗방향일 때, 그 유동 방향의 종점은 제k 채널(CHk)이기 때문에 제k 채널(CHk)을 유출 채널로 할당할 수 있다.
다른 예로, 도 8을 참조하면, 공기의 유동 방향이 위에서 아랫방향이라고 가정한다. 그러면, 공기의 유동 방향인 위에서 아랫방향을 기준으로 제1 공조 영역(AA1)의 시점의 채널은 제5 채널(CH1)이며, 제5 채널(CH1)을 제1 공조 영역(AA1)의 유입 채널로 할당할 수 있다. 또한, 제m 공조 영역(AAm)의 시점의 채널은 제k 채널(CHk)이며, 제k 채널(CHk)을 제m 공조 영역(AAm)의 유입 채널로 할당할 수 있다. 이와 같이, 배터리 랙(20) 내부의 공기의 유동 방향이 위에서 아랫방향일 때, 그 유동 방향의 종점은 제1 채널(CH1)이기 때문에 제1 채널(CH1)을 유출 채널로 할당할 수 있다.
다음으로, 제어부(300)는 S220 단계에서 복수의 공조 영역 각각의 온도 및 부피의 곱에 비례하여 공조기(30)의 공조가능용량을 분배한다. 본 발명의 실시예에서 공조기(30)의 공조가능용량은 단위 시간 동안 공조에 할당할 수 있는 에너지의 양을 의미한다. 예컨대, 공조가능용량의 단위는 kw/h 될 수 있다.
예를 들면, 공조기(30)의 공조가능용량이 100kw/h이고, 제1 내지 제3 공조 영역(AA1, AA2, AA3)만 존재한다고 가정한다. 또한, 제1 공조 영역(AA1)의 온도 및 부피는 60도 및 10cm3이고, 제2 공조 영역(AA2)의 온도 및 부피는 45도 및 20cm3이며, 제3 공조 영역(AA3)의 온도 및 부피는 30도 및 10cm3라고 가정한다. 이에 따라, 온도와 부피의 곱의 비는 600 : 900 : 300 = 2 : 3 : 1이다. 이에 따라, 제어부(300)는 제1 내지 제3 공조 영역(AA1, AA2, AA3) 각각에 33.33kw/h, 50kw/h 및 16.66kw/h의 공조가능용량을 분배할 수 있다.
다음으로, 제어부(300)는 S230 단계에서 복수의 공조 영역(AA1 내지 AAm) 각각에 할당된 유입 채널을 통해 복수의 공조 영역(AA1 내지 AAm) 각각에 분배된 공조가능용량에 상응하는 송풍량의 공기가 유입되도록 공조기(30)를 제어한다. 예를 들면, 전술한 바와 같이, 제1 내지 제3 공조 영역(AA1, AA2, AA3)만 존재하며, 제1 내지 제3 공조 영역(AA1, AA2, AA3) 각각에 분배된 공조가능용량은 33.33kw/h, 50kw/h 및 16.66kw/h이라고 가정한다. 그러면, 제어부(300)는 공조기(30)를 제어하여 제1 공조 영역(AA1)의 유입 채널을 통해 공조가능용량 33.33kw/h에 따른 송풍량으로 공기가 유입되도록 하고, 제2 공조 영역(AA2)의 유입 채널을 통해 공조가능용량 50kw/h에 따른 송풍량으로 공기가 유입되도록 하며, 제3 공조 영역(AA3)의 유입 채널을 통해 공조가능용량 16.66kw/h에 따른 송풍량으로 공기가 유입되도록 한다.
다음으로, 전술한 도 9에서 설명된 S150 단계의 공조 방법의 일 실시예의 대안적인 실시예에 대해서 설명하기로 한다. 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 공조 영역에 대한 공조 방법을 설명하기 흐름도이다. 강조하면, 도 10은 S150 단계의 다른 실시예이다.
도 10을 참조하면, 제어부(300)는 S310 단계에서 상기 복수의 공조 영역 각각에 상기 배터리 랙에 일 측에 설치된 복수의 채널 중 복수의 공조 영역 각각의 온도와 부피의 곱에 비례하는 수의 채널을 유입 채널로 할당한다.
예컨대, 배터리 랙(20) 내에 제1 내지 제3 공조 영역(AA1, AA2, AA3)만 존재한다고 가정한다. 또한, 제1 공조 영역(AA1)의 온도 및 부피는 60도 및 10cm3이고, 제2 공조 영역(AA2)의 온도 및 부피는 45도 및 20cm3이며, 제3 공조 영역(AA3)의 온도 및 부피는 30도 및 10cm3라고 가정한다. 이에 따라, 온도와 부피의 곱의 비는 600 : 900 : 300 = 2 : 3 : 1이다. 이에 따라, 제어부(300)는 제1 내지 제3 공조 영역(AA1, AA2, AA3) 각각에 2개, 3개 및 1개의 채널을 유입 채널로 할당할 수 있다.
다음으로, 제어부(300)는 S320 단계에서 공조가능용량을 할당된 유입 채널의 수에 따라 균등하게 분배하여 복수의 공조 영역 각각에 할당된 유입 채널 각각을 통해 균등한 송풍량의 공기가 유입되도록 공조기를 제어한다.
예를 들면, 공조기(30)의 공조가능용량이 60kw/h이라고 가정한다. 또한, 앞서 보인 예와 같이, 2개, 3개 및 1개의 채널을 유입 채널로 할당하였다고 가정한다. 총 6개의 유입 채널이 할당되었기 때문에 제어부(300)는 공조가능용량 60kw/h를 균등하게 분배하여 하나의 유입 채널 당 공조가능용량 10kw/h에 따른 송풍량으로 공기가 유입되도록 공조기(30)를 제어한다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 12 및 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 8에 도시된 제1 실시예와 동일하게 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 랙(20)은 복수의 배터리모듈(BM)이 수직 방향으로 적층되어 형성된다. 이때, 상하의 배터리모듈(BM) 상호간은 소정 간격 이격되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서부(100)의 복수의 온도 센서는 배터리 랙(20)의 일 측에 수직으로 정렬되어 소정의 제1 간격으로 설치된다. 또한, 배터리 랙(20)의 측면에는 복수의 채널(20)이 형성되며, 복수의 채널(20)은 각각이 공조기(30)와 연결되며 배터리 랙(20)의 일 측에 수직하게 정렬되어 온도 센서가 설치된 제1 간격 보다 좁은 제2 간격으로 설치된다.
도 11을 참조하면, 제어부(300)는 S410 단계에서 배터리 랙(20)의 일 측에 수직으로 정렬되어 소정의 제1 간격으로 설치된 복수의 온도 센서를 통해 배터리 랙의 공기 온도를 측정한다.
그런 다음, 제어부(300)는 S420 단계에서 온도 센서가 측정한 온도를 선형적으로 연결하여 배터리 랙(20) 내부에서 수직 방향의 온도 분포를 추정한다. 예컨대, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 온도 센서가 배터리 랙(20)의 일 측에 수직으로 정렬되어 소정의 제1 간격으로 설치되었기 때문에 온도 센서가 측정한 온도를 선형적으로 연결하는 경우 수직 방향의 온도 분포(TD1, TD2)를 추정할 수 있다.
그리고 제어부(300)는 S430 단계에서 추정된 수직 방향의 온도 분포(TD1, TD2)에 따라 공조기(30)를 제어하여 배터리 랙(20)에 대한 공조를 수행한다. 이러한 S430 단계에 대해 도 12 및 도 13을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 먼저, 일 실시예에 따르면, 도 12에 도시된 바와 같이, 제어부(300)는 배터리 랙(20)의 내부의 공기의 유동 방향(예컨대, 아래에서 위)에 따라 순차로 유입 채널, 적어도 하나의 폐쇄 채널 및 유출 채널을 반복하여 할당하되, 수직 방향의 온도 분포(TD1)를 기초로 유입 채널로 공기가 유입된 후, 유동 방향에 따라 유입된 공기가 유동하면서 각 채널에 도달할 때의 온도를 추정하고, 추정된 온도가 최소의 방열 기능을 수행할 수 있는 온도인 최소냉각가능온도 미만인 채널을 폐쇄 채널로 할당하며, 추정된 온도가 상기 최소냉각가능온도 이상이 되는 채널을 유출 채널로 할당한다.
보다 더 구체적으로 설명하면, 우선, 제어부(300)는 배터리 랙의 내부의 공기의 유동 방향(아래에서 위)에 따라 유동 방향의 시점의 채널을 유입 채널로 할당한다. 그런 다음, 제어부(300)는 할당된 유입 채널로부터 공기가 유입되었을 때 상기 배터리 랙의 내부의 공기의 유동 방향(아래에서 위) 및 추정된 온도 분포(TD1)에 따라 각 채널에 도달하는 유입된 공기의 온도를 산출한다. 유입 채널로부터 유입된 공기의 온도는 추정된 온도 분포(TD1)에 상응하여 올라갈 것이다. 이에 따라, 어느 채널에 도달한 공기의 온도는 기 설정된 최소냉각가능온도 이상이거나, 미만이 될 것이다. 여기서, 최소냉각가능온도는 배터리모듈의 방열판에 미치는 영향이 거의 없는 상태의 온도로 냉각 기능을 수행하지 못하는 상태의 온도를 의미한다. 그러면, 제어부(300)는 산출된 공기의 온도가 기 설정된 최소냉각가능온도 이상인 채널을 폐쇄 채널로 할당하고, 산출된 공기의 온도가 최소냉각가능온도 미만인 채널을 공기 유출 채널로 할당한다. 그런 다음, 할당된 공기 유출 채널의 다음 채널을 다시 유입 채널로 할당하고, 전술한 절차를 반복한다. 전술한 바와 같이, 유입 채널, 폐쇄 채널 및 유출 채널을 할당한 후, 제어부(300)는 폐쇄 채널을 폐쇄한 후, 유입 채널을 통해 공조기(30)로부터 배터리 랙(20)의 내부로 공기가 유입되고, 유출 채널을 통해 배터리 랙(20)의 내부로부터 공조기(30)로 공기가 유출되도록 공조기(30)를 제어한다. 이로써, 일 실시예에 따르면, 유입 채널에서 유입된 공기가 실제로 냉각 기능을 수행할 수 있을 때까지 사용하고, 유출 채널을 통해 빠져나가도록 하여 효율적인 공조를 수행할 수 있다.
다음으로, S430 단계의 다른 실시예에 따르면, 도 13에 도시된 바와 같이, 제어부(300)는 먼저, 수직 방향의 온도 분포(TD2)를 기초로 배터리 랙(20)의 내부를 균등한 열부하를 가지는 복수의 영역으로 구분한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 배터리 랙(20)의 내부가 수직 방향의 온도 분포(TD2)와 동일한 열 분포를 가지는 것으로 가정하면, 열부하는 온도에 비례하기 때문에 도 13과 같이, 배터리 랙(20)의 내부를 동일한 폭을 가지지만, 온도에 비례하는 높이를 가지는 3개의 영역(Y1, Y2, Y3)으로 구분할 수 있다. 그런 다음, 제어부(300)는 공기의 유동 방향(아래에서 위)을 따라 복수의 영역(Y1, Y2, Y3) 각각의 시점 및 종점의 채널을 유입 채널 및 유출 채널로 할당하고, 나머지 채널을 폐쇄 채널로 할당한다. 이어서, 제어부(300)는 폐쇄 채널을 폐쇄한 후, 유입 채널을 통해 공조기(30)로부터 배터리 랙(20)의 내부로 공기가 유입되고, 유출 채널을 통해 배터리 랙(20)의 내부로부터 공조기(30)로 공기가 유출되도록 공조기(30)를 제어한다. 이때, 제어부(300)는 모든 유입 채널에 균등한 송풍량의 공기가 유입되도록 공조기(30)를 제어한다. 이로써, 다른 실시예에 따르면, 온도 분포에 따라 복수의 영역을 할당하고, 동일한 공조 용량을 할당하여 공조를 수행함으로써 효율적인 공조를 수행할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 복수의 클러스터 영역에 대한 공조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 16 및 도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 설비의 공기 조화를 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 8에 도시된 제1 실시예와 동일하게 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 랙(20)은 복수의 배터리모듈(BM)이 수직 방향으로 적층되어 형성된다. 이때, 상하의 배터리모듈(BM) 상호간은 소정 간격 이격되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 배터리 랙(20)을 복수의 영역으로 균등분할 했을 때, 센서부(100)의 복수의 온도 센서 및 습도 센서는 각각이 쌍으로 복수의 영역 각각에 설치된다.
도 14를 참조하면, 제어부(300)는 S510 단계에서 배터리 랙(20) 내부의 복수의 영역에 설치된 온도 센서 및 습도 센서를 통해 온도 및 습도를 측정한다.
그런 다음, 제어부(300)는 S520 단계에서 복수의 온도 센서 및 습도 센서 쌍이 배터리 랙(20)의 소정의 기준점으로부터의 이격된 거리 및 온도 센서 및 습도 센서 쌍이 측정한 측정된 온도 및 습도에 따라 복수의 영역을 벡터 공간에 임베딩하여 복수의 영역 벡터를 생성한다. 예컨대, 도 16에 도시된 바와 같이, 배터리 랙(20) 내부를 19개의 영역으로 균등 분할하고, 19개의 영역에 온도 센서 및 습도 센서를 설치한 후, 각 영역에 설치된 온도 및 습도 센서가 측정한 온도 및 습도와, 각 영역의 배터리 랙(20)의 소정의 기준점으로부터의 이격된 거리에 따라 19개의 영역을 3차원의 벡터 공간에 임베딩하여 19개의 영역 벡터 r1 내지 r19를 생성할 수 있다.
이어서, 제어부(300)는 S530 단계에서 복수의 영역 벡터를 클러스터링 알고리즘을 통해 복수의 클러스터 영역으로 구분한다. 예컨대, 도 16에 도시된 바와 같이, 클러스터링 알고리즘에 따라 제1 내지 제3 클러스터 영역(CL1, CL2, CL3)로 구분할 수 있다.
다음으로, 제어부(300)는 S540 단계에서 복수의 클러스터 영역 각각의 대표 온도 및 대표 습도가 소정의 목적 범위 내에 있도록 복수의 클러스터 영역 각각에 대해 공조를 수행한다.
그러면, 도 15를 참조하여 전술한 S540 단계에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 15를 참조하면, 제어부(300)는 S610 단계에서 복수의 클러스터 영역(CL1, CL2, CL3) 각각의 대표 온도 및 대표 습도를 산출한다. S610 단계에서 제어부(300)는 클러스터 영역(CL1, CL2, CL3)의 클러스터 중심(th1, th2, th3)을 구하고, 클러스터 영역에 포함된 복수의 영역의 측정된 온도 및 습도에 비례하여 클러스터 영역의 클러스터 중심(th1, th2, th3)의 온도 및 습도를 추정한 후, 추정된 온도 및 습도를 해당 클러스터 영역의 대표 온도 및 대표 습도로 결정한다.
다음으로, 도 17을 참조하면, 제어부(300)는 S620 단계에서 기 설정된 상기 목적 범위의 임계온도(tr), 최고임계습도(hr) 및 최저임계습도(hs)와, 복수의 클러스터 영역 각각의 대표 온도 및 대표 습도를 비교하여 목적 범위의 임계온도, 최고임계습도 및 최저임계습도의 범위 내에 있지 않은 클러스터 영역을 도출한다.
다음으로, 제어부(300)는 S630 단계에서 도출된 클러스터 영역의 대표 온도 및 대표 습도가 상기 목적 범위 내에 있도록 상기 도출된 클러스터 영역에 대해 공조를 수행한다.
예컨대, 도 17을 참조하면, 도출된 클러스터 영역의 대표 온도가 임계온도 이상인 경우(th1, th2, th3), 제어부(300)는 공조기(30)를 제어하여 임계온도(tr) 보다 낮은 온도를 가지는 유입 공기를 배터리 랙(20) 내부로 유입하는 냉각을 수행한다. 또한, 도출된 클러스터 영역의 대표 습도가 최고임계습도(hr) 이상인 경우(th1, th5), 제어부(300)는 공조기(30)를 제어하여 최고임계습도(hr) 보다 낮은 습도를 가지는 유입 공기를 배터리 랙(20) 내부로 유입하는 감습을 수행한다. 그리고 도출된 클러스터 영역의 대표 습도가 최저임계습(hs)도 미만인 경우(th3, th4), 제어부(300)는 공조기(30)를 제어하여 최저임계습도(hs) 보다 높은 습도를 가지는 유입 공기를 배터리 랙(20) 내부로 유입하는 가습을 수행한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 2 이상의 경우가 겹쳐지는 경우(th1, th3), 제어부(300)는 냉각과 감습 혹은 냉각과 가습을 동시에 수행할 수 있다.
한편, 제어부(300)는 S630 단계에서 냉각, 감습, 가습 등을 수행할 때, 각각이 공조기(20)와 연결되며 배터리 랙(20)에 일 측에 수직하게 정렬되어 소정의 간격으로 설치되는 복수의 채널 중 도출된 클러스터 영역으로부터 소정 거리 이내의 채널을 유입 채널로 할당하고, 나머지 채널을 유출 채널로 할당하며, 배터리 랙(20)의 내부로 할당된 유입 채널을 통해 공조기(20)로부터 송출되는 공기가 유입되고, 할당된 유출 채널을 통해 배터리 랙(20) 내부의 공기가 유출되도록 공조기(30)를 제어할 수 있다.
한편, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터수단을 통하여 판독 가능한 프로그램 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 여기서, 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 예컨대 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함한다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 와이어뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 와이어를 포함할 수 있다. 이러한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
10: 외함
20: 배터리 랙
30: 공조기
100: 센서부
200; 송풍부
300: 제어부

Claims (7)

  1. 에너지 저장 설비의 외함을 이용한 스마트 공조 시스템에 있어서,
    전체적으로 중공의 직육면체 형상이며, 상기 직육면체의 상판과, 4방의 측면이 제1 단열층과, 상기 제1 단열층과의 사이에 공기층이 형성되도록 상기 제1 단열층과 소정 간격 이격되어 설치되는 제2 단열층으로 이루어지는 외함;
    상기 외함의 내부에 상기 외함의 내측면을 따라 설치되는 복수의 배터리 랙;
    상기 외함의 외부에 설치되는 공조기;
    각각이 관형이며 상기 공기층을 경유하여 상기 공조기와 상기 배터리 랙 간을 연결하는 복수의 채널;
    배터리 랙의 복수의 영역 각각에 설치되어 상기 복수의 영역 각각의 온도를 지속적으로 측정하여 상기 복수의 영역 각각의 온도 변화를 도출하는 복수의 온도 센서를 포함하는 센서부; 및
    상기 측정된 복수의 영역 각각의 온도 변화의 상관도에 따라 상기 복수의 영역을 복수의 공조 영역으로 구성하고, 공조기를 제어하여 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는
    상기 배터리 랙 내부의 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각의 시점에 유입 채널을 할당하고,
    상기 구성된 복수의 공조 영역 각각의 온도 및 부피의 곱에 비례하여 상기 공조기의 공조가능용량을 분배하고,
    상기 복수의 공조 영역 각각에 할당된 유입 채널을 통해 상기 복수의 공조 영역 각각에 분배된 공조가능용량에 따른 송풍량의 공기가 유입되도록 상기 공조기를 제어하는 것을 특징으로 하는
    스마트 공조 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수의 공조 영역 각각에 상기 배터리 랙에 일 측에 설치된 복수의 채널 중 상기 복수의 공조 영역 각각의 온도 및 부피에 비례하는 수의 채널을 유입 채널로 할당하고,
    상기 복수의 공조 영역 각각에 할당된 유입 채널 각각을 통해 균등한 송풍량의 공기가 유입되도록 상기 공조기를 제어하는 것을 특징으로 하는
    스마트 공조 시스템.
  5. 에너지 저장 설비의 외함을 이용한 스마트 공조 방법에 있어서,
    배터리 랙의 복수의 영역 각각에 설치된 복수의 온도 센서를 통해 상기 복수의 영역 각각의 온도 변화를 지속적으로 측정하는 단계;
    상기 측정된 복수의 영역 각각의 온도 변화의 상관도에 따라 상기 복수의 영역을 복수의 공조 영역으로 구성하는 단계; 및
    공조기를 제어하여 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 단계;를 포함하며,
    상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 단계는
    상기 구성된 복수의 공조 영역 각각의 온도 및 부피에 비례하여 상기 공조기의 공조가능용량을 분배하여 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 분배된 공조가능용량을 할당하는 단계; 및
    상기 할당된 공조가능용량에 따라 상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    스마트 공조 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 구성된 복수의 공조 영역 각각에 대해 공조를 수행하는 단계는
    상기 복수의 공조 영역 각각의 온도 및 부피에 비례하여 상기 배터리 랙에 일 측에 설치된 복수의 채널을 분배하는 단계;
    상기 복수의 공조 영역 각각에 상기 분배된 복수의 채널을 할당하는 단계; 및
    상기 배터리 랙의 내부로 상기 할당된 공기 유입 채널을 통해 상기 공조기로부터 공기가 유입되도록 상기 공조기를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    스마트 공조 방법.
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