KR102507752B1 - Building Integrated Photovoltaic and Thermal system with control mode of electrical energy - Google Patents
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Abstract
본 발명은 BIPVT 시스템에 관한 것으로서, 건물의 외장재로 사용되도록 건물의 외벽 또는 지붕에 설치되며, 태양광을 이용하여 전기 에너지 및 열 에너지를 생산하는 BIPVT(Building Integrated Photovoltaic and Thermal) 모듈, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 전기 에너지를 변환하기 위한 컨버터, 상기 컨버터를 통해 전기를 충전하거나 방전하기 위한 배터리, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 저장하고, 교환하고, 전달하기 위한 축열조, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 전달하는 유체인 작동 유체를 상기 축열조에 공급하기 위한 펌프 및 상기 배터리에 저장된 전기 에너지와 상기 축열조에 저장된 열 에너지를 건물 내부의 각 부하에 전달하고, 전기 에너지의 저장과 사용 현황 및 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고 제어하는 제어장치를 포함한다. 본 발명에서 상기 제어장치는 최적의 열량이 공급되는 작동 유체의 유속을 결정하고, 결정된 유속이 공급되도록 상기 펌프의 구동을 제어한다. The present invention relates to a BIPVT system, and relates to a BIPVT (Building Integrated Photovoltaic and Thermal) module that is installed on the outer wall or roof of a building to be used as an exterior material for a building and produces electric energy and thermal energy using sunlight, and the BIPVT module A converter for converting electrical energy produced from the converter, a battery for charging or discharging electricity through the converter, a heat storage tank for storing, exchanging, and transmitting thermal energy produced from the BIPVT module, A pump for supplying a working fluid, which is a fluid that transmits thermal energy, to the heat storage tank, and a pump for supplying the electrical energy stored in the battery and the thermal energy stored in the heat storage tank to each load inside the building, and the current state of storage and use of electrical energy and thermal energy It includes a control device that monitors and controls the storage and usage status of In the present invention, the control device determines the flow rate of the working fluid supplying the optimum amount of heat, and controls the driving of the pump to supply the determined flow rate.
Description
본 발명은 건물일체형 태양광·태양열(Building Integrated Photovoltaic and Thermal, 이하 'BIPVT'라 함) 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열 에너지 제어 모드를 구비하는 BIPVT 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a Building Integrated Photovoltaic and Thermal (hereinafter referred to as 'BIPVT') system, and more particularly, to a BIPVT system having a thermal energy control mode.
지구 온난화로 인해 환경 보존에 대한 관심이 증대됨에 따라 이산화탄소 배출을 억제하는 기술에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전기 에너지 생산 분야에서는 태양광 발전, 조력, 풍력 등의 신 재생에너지 필요성이 크게 대두되고 있다.As interest in environmental preservation increases due to global warming, research on a technology for suppressing carbon dioxide emission is being actively conducted. In particular, in the field of electric energy production, the need for renewable energy such as photovoltaic power generation, tidal power, and wind power is on the rise.
최근 들어서 태양에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전설비의 사용이 점차 보편화되고 있다. 이러한 태양에너지를 이용하는 태양전지는 석탄이나 석유와 같은 화석연료를 사용하지 않고, 무공해이며 무한대의 에너지원인 태양광을 이용하므로 미래의 새로운 대체 에너지원으로서 각광을 받고 있다.In recent years, the use of photovoltaic power generation facilities capable of generating electric power using solar energy has become increasingly common. Solar cells using such solar energy do not use fossil fuels such as coal or oil, and are in the limelight as a new alternative energy source in the future because they use sunlight, which is a pollution-free and infinite energy source.
현재에는 태양광발전소 이외에 태양광 발전 기술을 건축물에 접목한 건물 일체형 태양광 발전 시스템(Building Integrated Photovoltaic system, BIPV)이 각광받고 있다.Currently, building integrated photovoltaic systems (BIPV), in which photovoltaic technology is grafted onto buildings, are in the spotlight in addition to photovoltaic power plants.
건물 일체형 태양광 발전 시스템(BIPV)은 기존의 태양광 발전(PV)기술을 건축물에 접목하여 태양전지 모듈 자체가 곧 건물 외장재로서 기존 건축물의 마감재를 대체하면서 전기를 발전하는 다기능 복합 시스템을 의미하는 것으로, 건축물의 창호, 지붕, 외벽, 발코니 등 건물의 외관에 태양광 발전 모듈을 장착해 자체적으로 전기를 생산하여 건축물에서 활용할 수 있다.Building-integrated photovoltaic power generation system (BIPV) is a multifunctional complex system that generates electricity while replacing existing building finishing materials as a building exterior material by grafting existing photovoltaic power generation (PV) technology into buildings. As a result, solar power generation modules are installed on the exterior of buildings such as windows, roofs, outer walls, and balconies to produce electricity on their own and use them in buildings.
태양광 에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 외에 건물 일체형 태양광 모듈을 건축물 외장재로 사용하여 건설 비용을 줄이고 건물의 가치를 높이는 디자인 요소로도 사용된다.In addition to producing electricity with solar energy and supplying it to consumers, building-integrated solar modules are used as building exterior materials to reduce construction costs and increase the value of buildings.
태양에서 지구로 오는 빛에너지를 원하는 에너지로 바꾸어 수확하는 방법은 크게 두 가지가 있는데, 하나는 태양광모듈을 이용하여 태양에너지를 전기로 변환시키는 방법이고, 다른 하나는 집열판을 이용하여 태양에너지를 온수 등의 열에너지로 변환시키는 방법이다. There are two main ways to harvest the light energy coming from the sun to the earth by converting it into desired energy. One is to convert solar energy into electricity using a photovoltaic module, and the other is to harvest solar energy using a collector plate. It is a method of converting heat energy such as hot water.
종래에는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 기술과 열에너지로 변환하는 기술이 별도로 개발되어 활용되었으며, 태양광을 전기에너지와 열에너지로 동시에 변환하여 활용하는 기술은 존재하지 않았다. Conventionally, a technology for converting solar energy into electrical energy and a technology for converting thermal energy have been separately developed and utilized, and there is no technology for simultaneously converting and utilizing sunlight into electrical energy and thermal energy.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 태양의 빛 에너지를 전기에너지와 열에너지로 동시에 변환하여 활용할 수 있는 건물일체형 태양광·태양열(Building Integrated Photovoltaic and Thermal) 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to provide a Building Integrated Photovoltaic and Thermal (Building Integrated Photovoltaic and Thermal) system that can simultaneously convert and utilize solar light energy into electrical energy and thermal energy. there is
또한, 본 발명은 축열조 입구 온도와 BIPVT 모듈의 출구 온도를 이용하여 열 에너지를 효율적으로 제어하는 동작 모드를 제공하는데 그 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide an operation mode that efficiently controls thermal energy using the inlet temperature of the heat storage tank and the outlet temperature of the BIPVT module.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 건물의 외장재로 사용되도록 건물의 외벽 또는 지붕에 설치되며, 태양광을 이용하여 전기 에너지 및 열 에너지를 생산하는 BIPVT(Building Integrated Photovoltaic and Thermal) 모듈, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 전기 에너지를 변환하기 위한 컨버터, 상기 컨버터를 통해 전기를 충전하거나 방전하기 위한 배터리, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 저장하고, 교환하고, 전달하기 위한 축열조, 상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 전달하는 유체인 작동 유체를 상기 축열조에 공급하기 위한 펌프 및 상기 배터리에 저장된 전기 에너지와 상기 축열조에 저장된 열 에너지를 건물 내부의 각 부하에 전달하고, 전기 에너지의 저장과 사용 현황 및 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고 제어하는 제어장치를 포함한다. 본 발명에서 상기 제어장치는 최적의 열량이 공급되는 작동 유체의 유속을 결정하고, 결정된 유속이 공급되도록 상기 펌프의 구동을 제어한다. The present invention for achieving the above object is a BIPVT (Building Integrated Photovoltaic and Thermal) module installed on the outer wall or roof of a building to be used as an exterior material of a building and producing electrical energy and thermal energy using sunlight, the BIPVT A converter for converting electrical energy produced from the module, a battery for charging or discharging electricity through the converter, a heat storage tank for storing, exchanging, and transmitting thermal energy produced from the BIPVT module, produced from the BIPVT module A pump for supplying a working fluid, which is a fluid that transfers the generated thermal energy, to the heat storage tank, delivering electrical energy stored in the battery and thermal energy stored in the heat storage tank to each load inside the building, storing and using electrical energy, and It includes a control device that monitors and controls the storage and use of thermal energy in real time. In the present invention, the control device determines the flow rate of the working fluid supplying the optimum amount of heat, and controls the driving of the pump to supply the determined flow rate.
상기 제어장치는 상기 축열조 입구의 온도와 상기 BIPVT 모듈 출구의 온도 차이가 미리 정해진 기준치를 초과하면, 최적의 열량이 공급되도록 상기 펌프를 제어하여 작동 유체의 유속을 제어하는 동작 모드인 축열 모드로 제어할 수 있다. When the difference between the temperature at the inlet of the heat storage tank and the outlet of the BIPVT module exceeds a predetermined reference value, the controller controls the heat storage mode, which is an operation mode in which the flow rate of the working fluid is controlled by controlling the pump to supply an optimal amount of heat. can do.
상기 제어장치는 상기 축열조 입구의 온도와 상기 BIPVT 모듈 출구의 온도 차이가 미리 정해진 기준치 이내이면, 상기 펌프의 동작을 정지시키는 동작 모드인 스탠바이 모드로 제어할 수 있다. The control device may control the pump in a standby mode, which is an operation mode in which operation of the pump is stopped, when the temperature difference between the temperature at the inlet of the heat storage tank and the temperature at the outlet of the BIPVT module is within a predetermined reference value.
상기 제어장치는 상기 축열조의 온도가 작동 유체의 어는점 이하로 내려가면, 어느점 이상의 소정 온도에 도달할 때까지 상기 펌프의 속도를 증가시키면서 운전하는 동작 모드인 빙결방지 모드로 제어할 수 있다. When the temperature of the heat storage tank falls below the freezing point of the working fluid, the control device may control the anti-icing mode, which is an operating mode in which the pump is operated while increasing the speed until it reaches a predetermined temperature above a certain point.
본 발명에 의하면, 건물에 부착된 태양광 및 태양열 패널을 통해 태양광으로부터 전력과 열에너지를 동시에 생산할 수 있어서, 건물에서 태양광을 이용하여 전력뿐만 아니라 온수 등의 열 에너지도 얻을 수 있으므로, 효율적으로 태양에너지를 활용할 수 있다는 효과가 있다. According to the present invention, power and thermal energy can be simultaneously produced from sunlight through solar and solar panels attached to buildings, so that not only electric power but also thermal energy such as hot water can be obtained using sunlight in the building, efficiently It has the effect of being able to utilize solar energy.
또한, 본 발명에 의하면, 펌프의 속도를 제어하는 방식으로 열 에너지 순환 구조를 제어하는 모드를 제안함으로써, 최적의 열량이 시스템에 공급되도록 하는 효과가 있다. In addition, according to the present invention, by proposing a mode for controlling the heat energy circulation structure by controlling the speed of the pump, there is an effect of supplying an optimal amount of heat to the system.
도 1은 BIPVT 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템에서 열 에너지 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템에서 열 에너지 제어 방법의 상세 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5 및 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템에서 전기 에너지 및 열 에너지 제어의 상세한 과정을 도시한 흐름도이다. 1 is a conceptual diagram of a BIPVT system.
2 is a block diagram showing the internal configuration of a BIPVT system according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a heat energy control process in a BIPVT system according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a detailed process of a heat energy control method in a BIPVT system according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are flowcharts illustrating detailed processes of controlling electrical energy and thermal energy in the BIPVT system according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 개시된 실시 예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시에서 제안하고자 하는 실시 예는 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 실시 예들의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.Advantages and characteristics of the embodiments disclosed in this specification, and methods for achieving them will become clear with reference to the embodiments described later in conjunction with the accompanying drawings. However, the embodiments to be proposed in the present disclosure are not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the present embodiments provide knowledge of the embodiments to those skilled in the art. It is provided only to give a complete indication of the categories.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시 예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. Terms used in this specification will be briefly described, and the disclosed embodiments will be described in detail.
본 명세서에서 사용되는 용어는 개시된 실시 예들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 상세한 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terms used in this specification have been selected from general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions of the disclosed embodiments, but they may vary depending on the intention or precedent of a person working in the related field, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in a specific case, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the detailed description of the corresponding specification. Therefore, the terms used in the present disclosure should be defined based on the meaning of the terms and the contents throughout the present specification, not simply the names of the terms.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Expressions in the singular number in this specification include plural expressions unless the context clearly dictates that they are singular.
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 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.When it is said that a certain part "includes" a certain component throughout the specification, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. Also, the term "unit" used in the specification means a hardware component such as software, FPGA or ASIC, and "unit" performs certain roles. However, "unit" is not meant to be limited to software or hardware. A “unit” may be configured to reside in an addressable storage medium and may be configured to reproduce on one or more processors. Thus, as an example, “unit” refers to components such as software components, object-oriented software components, class components and task components, processes, functions, properties, procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. Functionality provided within components and "parts" may be combined into fewer components and "parts" or further separated into additional components and "parts".
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components regardless of reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 발명은 건물일체형 태양광·태양열(Building Integrated Photovoltaic and Thermal, 이하 'BIPVT'라 함) 시스템에 대한 것이다. The present invention relates to a Building Integrated Photovoltaic and Thermal (hereinafter referred to as 'BIPVT') system.
도 1은 BIPVT 시스템의 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a BIPVT system.
도 1을 참조하면, BIPVT 시스템은 태양의 빛 에너지를 전기에너지와 열에너지로 동시에 변환하여 활용하는 시스템으로서, BIPVT 모듈(100)을 건물의 외벽 또는 지붕에 장착하여, 태양의 빛 에너지를 전기에너지와 열에너지로 변환하고, 이를 건물 내부의 전력 저장 장치와 집열장치로 보내어 사용할 수 있도록 하는 시스템이다. Referring to FIG. 1, the BIPVT system is a system that converts solar light energy into electrical energy and thermal energy at the same time and utilizes it. It is a system that converts heat energy and sends it to the power storage device and heat collector inside the building for use.
또한, 본 발명의 BIPVT 시스템은 관리장치에서 전력 저장 장치에 저장된 전기에너지와 집열 장치에 저장된 열에너지를 가정용 부하에 보내어 사용하게 하고, 전력의 저장과 사용 현황, 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고, 제어한다. 그리고, 관리장치는 전력 저장 장치에서 전력을 저장하고 남은 전력을 전력계통으로 보낼 수도 있다. In addition, the BIPVT system of the present invention transmits electrical energy stored in a power storage device and thermal energy stored in a heat collector in a management device to household loads for use, and monitors the current state of storage and use of electric power and the current state of storage and use of thermal energy in real time. do and control Also, the management device may store power in the power storage device and send the remaining power to the power system.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템의 내부 구성을 보여주는 블록도이다. 2 is a block diagram showing the internal configuration of a BIPVT system according to an embodiment of the present invention.
BIPVT(Building Integrated Photovoltaic and Thermal) 모듈(100)은 건물의 외장재로 사용되도록 건물의 외벽 또는 지붕에 설치되며, 태양광을 이용하여 전기 에너지 및 열 에너지를 생산한다.BIPVT (Building Integrated Photovoltaic and Thermal)
배터리(210)는 컨버터(220)를 통해 전기를 충전하거나 방전하는 역할을 한다. The
컨버터(220)는 BIPVT 모듈(100)로부터 생산된 전기 에너지를 배터리(210)나 전력계통(320)에 전달하도록 적절하게 변환하는 역할을 한다. The
전기 온수기(230)는 축열조(240)에 저장된 열 에너지를 이용하여 가정용 온수를 공급하는 장치이다. The
축열조(240)는 BIPVT 모듈(100)로부터 생산된 열 에너지를 저장하고, 교환하고, 전달하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 축열조(240)에 열 교환기가 포함될 수 있다. The
펌프(250)는 BIPVT 모듈(100)로부터 생산된 열 에너지를 전달하는 유체인 작동 유체를 축열조(240)에 공급하는 역할을 한다. The
제어장치(260)는 배터리(210)에 저장된 전기 에너지와 축열조(240)에 저장된 열 에너지를 건물 내부의 각 부하에 전달하고, 전기 에너지의 저장과 사용 현황 및 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고 제어한다. 본 발명에서 제어장치(260)는 VPP(Virtual Power Plant) 플랫폼(310)으로부터의 요청에 따라 전기 에너지 관련 동작 모드를 제어할 수 있다. The
본 발명에서 제어장치(260)는 최적의 열량이 공급되는 작동 유체의 유속을 결정하고, 결정된 유속이 공급되도록 펌프(250)의 구동을 제어할 수 있다. In the present invention, the
여기서, 본 발명의 일 실시예에서 각 동작 모드 별로 상세히 설명하면 다음과 같다. Here, in an embodiment of the present invention, each operation mode will be described in detail as follows.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템에서 열 에너지 제어 과정을 도시한 흐름도이다. 3 is a flowchart illustrating a heat energy control process in a BIPVT system according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 제어장치(260)는 축열조(240)의 온도가 작동 유체의 어는점 이하로 내려가면(S301), 어느점 이상의 소정 온도에 도달할 때까지 펌프(250)의 속도를 증가시키면서 운전하는 동작 모드인 빙결방지 모드로 제어한다(S303). 예를 들어, 제어장치(260)는 빙결방지 모드에서 펌프(250)의 속도를 증가시키면서 작동 유체의 온도와 축열조(240)의 온도를 체크하고, 축열조(240)의 온도가 작동 유체의 어느점 온도보다 3~4℃ 이상이 되면 펌프(250)를 정지시킨다. 그리고, 축열조(240)의 온도가 작동 유체의 어느점 온도보다 1-2℃ 이내로 내려가면 다시 펌프(250)을 재가동시킨다. Referring to FIG. 3 , when the temperature of the
제어장치(260)는 축열조(240) 입구의 온도와 BIPVT 모듈(100) 출구의 온도 차이가 미리 정해진 기준치를 초과하면(S305), 최적의 열량이 공급되도록 펌프(250)를 제어하여 작동 유체의 유속을 제어하는 동작 모드인 축열 모드로 제어한다(S307). 축열조(240) 입구의 온도와 BIPVT 모듈(100) 출구의 온도 차이가 미리 정해진 기준치를 초과한다는 것은 축열조(240) 입구의 온도와 BIPVT 모듈(100) 출구의 온도차가 충분하여 열교환이 활발히 이루어진다는 것을 나타내므로, 펌프(250)의 속도를 조절하여 최적의 열량이 공급되도록 작동 유체의 유속을 결정하는 것이다. When the difference between the temperature at the inlet of the
제어장치(260)는 축열조(240) 입구의 온도와 BIPVT 모듈(100) 출구의 온도 차이가 미리 정해진 기준치 이내이면(S305), 펌프(250)의 동작을 정지시키는 동작 모드인 스탠바이(Standby) 모드로 제어한다(S309).The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템에서 열 에너지 제어 방법의 상세 과정을 도시한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a detailed process of a heat energy control method in a BIPVT system according to an embodiment of the present invention.
도 4에서, Q는 열량, m은 작동 유체 질량, mref는 유량 지령값, Cp는 작동유체 비열, Th는 BIPVT 모듈 출구 온도, Tc는 축열조 입구 온도라고 할 때, 열량 Q는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. In FIG. 4, Q is the heat quantity, m is the mass of the working fluid, m ref is the flow rate command value, Cp is the specific heat of the working fluid, Th is the BIPVT module outlet temperature, and Tc is the heat storage tank inlet temperature. can
[수학식 1][Equation 1]
Q =m×Cp×(Th-Tc)Q=m×Cp×(Th-Tc)
도 4를 참조하면, 제어장치(260)는 BIPVT 시스템으로부터 데이터를 획득한다(S401). 예를 들어, 제어장치(260)는 BIPVT 시스템으로부터 축열조 온도, BIPVT 모듈(100) 입구 온도, BIPVT 모듈(100) 출구 온도, 작동 유체 유량 등의 데이터를 획득할 수 있다. Referring to FIG. 4, the
제어장치(260)는 현재 열량이 음수이면 유량 지령값(mref)으로 0을 리턴(return)하여 펌프(250)을 정지시킨다(S403, S405). If the current heat quantity is negative, the
그리고, 제어장치(260)는 현재 열량에서 이전 열량을 뺀 값이 0이면 유량 지령값을 현재대로 유지시킨다(S407, S409). Then, the
그리고, 제어장치(260)는 현재 열량이 이전 열량보다 증가했으면, 현재 유량 지령값에 소정 증분값(Δm)을 더한 새로운 유량 지령값을 펌프(250)에 리턴하여 작동 유체의 유속을 증가시킨다(S411, S413). Then, if the current heat amount is increased from the previous heat amount, the
그리고, 제어장치(260)는 현재 열량이 이전 열량보다 감소했으면, 현재 유량 지령값에 소정 증분값(Δm)을 뺀 새로운 유량 지령값을 펌프(250)에 리턴하여 작동 유체의 유속을 감소시킨다(S411, S415). Then, if the current heat amount is lower than the previous heat amount, the
도 5 및 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 BIPVT 시스템에서 전기 에너지 및 열 에너지 제어의 상세한 과정을 도시한 흐름도이다. 5 and 6 are flowcharts illustrating detailed processes of controlling electrical energy and thermal energy in the BIPVT system according to an embodiment of the present invention.
먼저 도 6를 참조하면, 전력흐름1은 전력 계통(320) 및 BIPVT 모듈(100)에서 배터리(210)로 전력 흐름이 발생하는 경우이다. First, referring to FIG. 6 ,
전력흐름2는 BIPVT 모듈(100)에서 배터리(210)로 전력 흐름이 발생하는 경우이다.
전력흐름3은 BIPVT 모듈(100), 배터리(210), 가정용 부하(330)의 순으로 전력 흐름이 발생하는 경우이다.
전력흐름4는 BIPVT 모듈(100)에서 배터리(210)로 전력이 전달되고, 배터리(210)에서 가정용 부하(330)와 전기 온수기(230)로 전력 흐름이 발생하는 경우이다. Power flow 4 is a case where power is transferred from the
전력흐름5는 BIPVT 모듈(100)에서 배터리(210)로 전력이 전달되고, 배터리(210)에서 가정용 부하(330)와 전력 계통(320)으로 전력 흐름이 발생하는 경우이다. Power flow 5 is a case where power is transferred from the
전력흐름6은 BIPVT 모듈(100)에서 전력계통(320)으로 전력이 전달되고, 배터리(210)에서 가정용 부하(330)와 전력계통(320)으로 전력이 전달되는 경우이다. Power flow 6 is a case where power is transferred from the
전력흐름7은 배터리(210)에서 가정용 부하(330), 전기 온수기(230) 및 전력 계통(320)으로 전력이 전달되고, BIPVT 모듈(100)에서 전력 계통(320)으로 전력이 전달되는 경우이다. Power flow 7 is a case where power is transferred from the
도 5 및 도 6를 참조하면, 제어장치(260)는 BIPVT 시스템 및 VPP 플랫폼(310)으로부터 데이터를 획득한다(S501). 예를 들어, 제어장치(260)는 BIPVT 시스템으로부터 외기온도, 일사량, 축열조 온도, 발전 전력, 배터리 SOC, 부하측 소비전력, 열교환기 입구온도, 열교환기 출구온도 등의 데이터를 획득할 수 있다. 그리고, VPP 플랫폼(310)으로부터 방전 요청, 전력량 등의 데이터를 획득할 수 있다. 5 and 6, the
제어장치(260)는 배터리 SoC가 3% 이하이면 전력흐름1로 제어한다(S503). The
그리고, 배터리 SoC가 20% 이하이면 전력흐름2로 제어한다(S505). And, if the battery SoC is less than 20%, the
배터리 SoC가 50% 이하이고(S507), 온수밸브가 온(on)이고(S509), 축열조 온도가 40℃ 이상이면(S511), 전력흐름3으로 제어한다.If the battery SoC is 50% or less (S507), the hot water valve is on (S509), and the heat storage tank temperature is 40° C. or more (S511),
배터리 SoC가 50% 이하이고(S507), 온수밸브가 온(on)이고(S509), 축열조 온도가 40℃ 미만이면(S511), 전력흐름4로 제어한다.If the battery SoC is 50% or less (S507), the hot water valve is on (S509), and the heat storage tank temperature is less than 40 ° C (S511), the power flow 4 is controlled.
배터리 SoC가 50% 이하이고(S507), 온수밸브가 오프(off)이고(S509), VPP 플랫폼(310)으로부터 방전요청이 있으면(S513), 전력흐름5로 제어한다.If the battery SoC is 50% or less (S507), the hot water valve is off (S509), and there is a discharge request from the VPP platform 310 (S513), power flow 5 is controlled.
배터리 SoC가 50% 이하이고(S507), 온수밸브가 오프(off)이고(S509), VPP 플랫폼(310)으로부터 방전요청이 없으면(S513), 전력흐름3으로 제어한다.If the battery SoC is 50% or less (S507), the hot water valve is off (S509), and there is no discharge request from the VPP platform 310 (S513),
배터리 SoC가 99% 이하이고(S515), 온수밸브가 온(on)이고(S517), 축열조 온도가 40℃ 이상이면(S519), 전력흐름3으로 제어한다.If the battery SoC is 99% or less (S515), the hot water valve is on (S517), and the heat storage tank temperature is 40° C. or more (S519),
배터리 SoC가 99% 이하이고(S515), 온수밸브가 온(on)이고(S517), 축열조 온도가 40℃ 미만이면(S519), 전력흐름4로 제어한다.If the battery SoC is 99% or less (S515), the hot water valve is on (S517), and the heat storage tank temperature is less than 40 ° C (S519), the power flow 4 is controlled.
배터리 SoC가 99% 이하이고(S515), 온수밸브가 오프(off)이고(S517), VPP 플랫폼(310)으로부터 방전요청이 있으면(S521), 전력흐름5로 제어한다.If the battery SoC is 99% or less (S515), the hot water valve is off (S517), and there is a discharge request from the VPP platform 310 (S521), power flow 5 is controlled.
배터리 SoC가 99% 이하이고(S515), 온수밸브가 오프(off)이고(S517), VPP 플랫폼(310)으로부터 방전요청이 없으면(S521), 전력흐름3으로 제어한다.If the battery SoC is 99% or less (S515), the hot water valve is off (S517), and there is no discharge request from the VPP platform 310 (S521),
배터리 SoC가 99% 이상이고(S515), 온수밸브가 온(on)이고(S523), 축열조 온도가 40℃ 이상이면(S525), 전력흐름3으로 제어한다.If the battery SoC is 99% or more (S515), the hot water valve is on (S523), and the heat storage tank temperature is 40 ° C or more (S525),
배터리 SoC가 99% 이상이고(S515), 온수밸브가 온(on)이고(S523), 축열조 온도가 40℃ 미만이면(S525), 전력흐름7로 제어한다.If the battery SoC is 99% or more (S515), the hot water valve is on (S523), and the temperature of the heat storage tank is less than 40 ° C (S525), the power flow 7 is controlled.
배터리 SoC가 99% 이상이고(S515), 온수밸브가 오프(off)이고(S523), VPP 플랫폼(310)으로부터 방전요청이 있으면(S527), 전력흐름6으로 제어한다.If the battery SoC is 99% or more (S515), the hot water valve is off (S523), and there is a discharge request from the VPP platform 310 (S527), power flow 6 is controlled.
배터리 SoC가 99% 이상이고(S515), 온수밸브가 오프(off)이고(S523), VPP 플랫폼(310)으로부터 방전요청이 없으면(S527), 전력흐름3으로 제어한다.If the battery SoC is 99% or more (S515), the hot water valve is off (S523), and there is no discharge request from the VPP platform 310 (S527),
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.The present invention has been described above using several preferred embodiments, but these embodiments are illustrative and not limiting. Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention and the scope of rights set forth in the appended claims.
100 BIPVT 모듈 210 배터리
220 컨버터 230 전기 온수기
240 축열조 250 펌프
260 제어장치 310 VPP 플랫폼
320 전력계통 330 가정용 부하100
220
240
320
Claims (4)
상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 전기 에너지를 변환하기 위한 컨버터;
상기 컨버터를 통해 전기를 충전하거나 방전하기 위한 배터리;
상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 저장하고, 교환하고, 전달하기 위한 축열조;
상기 BIPVT 모듈로부터 생산된 열 에너지를 전달하는 유체인 작동 유체를 상기 축열조에 공급하기 위한 펌프; 및
상기 배터리에 저장된 전기 에너지와 상기 축열조에 저장된 열 에너지를 건물 내부의 각 부하에 전달하고, 전기 에너지의 저장과 사용 현황 및 열에너지의 저장과 사용 현황을 실시간으로 모니터링하고 제어하는 제어장치를 포함하며,
상기 제어장치는 최적의 열량이 공급되는 작동 유체의 유속을 결정하고, 결정된 유속이 공급되도록 상기 펌프의 구동을 제어하며,
상기 제어장치는 상기 축열조 입구의 온도와 상기 BIPVT 모듈 출구의 온도 차이가 미리 정해진 기준치를 초과하면, 최적의 열량이 공급되도록 상기 펌프를 제어하여 작동 유체의 유속을 제어하는 동작 모드인 축열 모드로 제어하고,
상기 제어장치는 상기 축열조 입구의 온도와 상기 BIPVT 모듈 출구의 온도 차이가 미리 정해진 기준치 이내이면, 상기 펌프의 동작을 정지시키는 동작 모드인 스탠바이 모드로 제어하고,
상기 제어장치는 상기 축열조의 온도가 작동 유체의 어는점 이하로 내려가면, 어느점 이상의 소정 온도에 도달할 때까지 상기 펌프의 속도를 증가시키면서 운전하는 동작 모드인 빙결방지 모드로 제어하며,
Q는 열량, m은 작동 유체 질량, mref는 유량 지령값, Cp는 작동유체 비열, Th는 BIPVT 모듈 출구 온도, Tc는 축열조 입구 온도라고 할 때, 열량 Q를,
Q =m×Cp×(Th-Tc)
의 수학식으로 나타낼 수 있고,
상기 제어장치는,
상기 수학식을 통해 산출된 현재 열량이 음수이면 유량 지령값(mref)으로 0을 리턴(return)하여 상기 펌프를 정지시키고,
현재 열량에서 이전 열량을 뺀 값이 0이면 유량 지령값을 현재대로 유지시키고,
현재 열량이 이전 열량보다 증가했으면, 현재 유량 지령값에 소정 증분값(Δm)을 더한 새로운 유량 지령값을 상기 펌프에 리턴하여 작동 유체의 유속을 증가시키고,
현재 열량이 이전 열량보다 감소했으면, 현재 유량 지령값에 소정 증분값(Δm)을 뺀 새로운 유량 지령값을 상기 펌프에 리턴하여 작동 유체의 유속을 감소시키며,
상기 제어 장치는 VPP(Virtual Power Plant) 플랫폼으로부터의 요청에 따라 전기 에너지 관련 동작 모드를 제어하되,
전력흐름1은 전력 계통 및 BIPVT 모듈에서 배터리로 전력 흐름이 발생하는 경우이고, 전력흐름2는 BIPVT 모듈에서 배터리로 전력 흐름이 발생하는 경우이고, 전력흐름3은 BIPVT 모듈, 배터리, 가정용 부하의 순으로 전력 흐름이 발생하는 경우이고, 전력흐름4는 BIPVT 모듈에서 배터리로 전력이 전달되고, 배터리에서 가정용 부하와 전기 온수기로 전력 흐름이 발생하는 경우이고, 전력흐름5는 BIPVT 모듈에서 배터리로 전력이 전달되고, 배터리에서 가정용 부하와 전력 계통으로 전력 흐름이 발생하는 경우이고, 전력흐름6은 BIPVT 모듈에서 전력계통으로 전력이 전달되고, 배터리에서 가정용 부하와 전력계통으로 전력이 전달되는 경우이고, 전력흐름7은 배터리에서 가정용 부하, 전기 온수기 및 전력 계통으로 전력이 전달되고, BIPVT 모듈에서 전력 계통으로 전력이 전달되는 경우라고 할 때,
상기 제어장치는,
배터리 SoC가 3% 이하이면 전력흐름1로 제어하고,
배터리 SoC가 20% 이하이면 전력흐름2로 제어하고,
배터리 SoC가 50% 이하이이고, 온수밸브가 온(on)이고, 축열조 온도가 40℃ 이상이면, 전력흐름3으로 제어하고,
배터리 SoC가 50% 이하이고, 온수밸브가 온(on)이고, 축열조 온도가 40℃ 미만이면, 전력흐름4로 제어하고,
배터리 SoC가 50% 이하이고, 온수밸브가 오프(off)이고, 상기 VPP 플랫폼으로부터 방전요청이 있으면, 전력흐름5로 제어하고,
배터리 SoC가 50% 이하이고, 온수밸브가 오프(off)이고, 상기 VPP 플랫폼으로부터 방전요청이 없으면, 전력흐름3으로 제어하고,
배터리 SoC가 99% 이하이고, 온수밸브가 온(on)이고, 축열조 온도가 40℃ 이상이면, 전력흐름3으로 제어하고,
배터리 SoC가 99% 이하이고, 온수밸브가 온(on)이고, 축열조 온도가 40℃ 미만이면, 전력흐름4로 제어하고,
배터리 SoC가 99% 이하이고, 온수밸브가 오프(off)이고, 상기 VPP 플랫폼으로부터 방전요청이 있으면, 전력흐름5로 제어하고,
배터리 SoC가 99% 이하이고, 온수밸브가 오프(off)이고, 상기 VPP 플랫폼으로부터 방전요청이 없으면, 전력흐름3으로 제어하고,
배터리 SoC가 99% 이상이고, 온수밸브가 온(on)이고, 축열조 온도가 40℃ 이상이면, 전력흐름3으로 제어하고,
배터리 SoC가 99% 이상이고, 온수밸브가 온(on)이고, 축열조 온도가 40℃ 미만이면, 전력흐름7로 제어하고,
배터리 SoC가 99% 이상이고, 온수밸브가 오프(off)이고, 상기 VPP 플랫폼으로부터 방전요청이 있으면, 전력흐름6으로 제어하고,
배터리 SoC가 99% 이상이고, 온수밸브가 오프(off)이고, 상기 VPP 플랫폼으로부터 방전요청이 없으면, 전력흐름3으로 제어하는 것을 특징으로 하는 BIPVT 시스템. BIPVT (Building Integrated Photovoltaic and Thermal) module installed on the outer wall or roof of a building to be used as an exterior material of a building and producing electrical energy and thermal energy using sunlight;
a converter for converting electrical energy produced from the BIPVT module;
a battery for charging or discharging electricity through the converter;
a heat storage tank for storing, exchanging, and transmitting thermal energy produced from the BIPVT module;
a pump for supplying a working fluid, which is a fluid that transfers thermal energy generated from the BIPVT module, to the heat storage tank; and
A control device for transmitting the electric energy stored in the battery and the thermal energy stored in the heat storage tank to each load inside the building, and monitoring and controlling the storage and use of electrical energy and the storage and use of thermal energy in real time,
The control device determines the flow rate of the working fluid at which the optimal amount of heat is supplied, and controls the driving of the pump so that the determined flow rate is supplied,
When the difference between the temperature at the inlet of the heat storage tank and the outlet of the BIPVT module exceeds a predetermined reference value, the controller controls the heat storage mode, which is an operation mode in which the flow rate of the working fluid is controlled by controlling the pump to supply an optimal amount of heat. do,
When the temperature difference between the temperature at the inlet of the heat storage tank and the temperature at the outlet of the BIPVT module is within a predetermined reference value, the controller controls a standby mode, which is an operation mode for stopping the operation of the pump,
When the temperature of the heat storage tank falls below the freezing point of the working fluid, the control device controls the anti-icing mode, which is an operation mode in which the pump is operated while increasing the speed until a predetermined temperature is reached above a certain point,
Q is the heat quantity, m is the working fluid mass, m ref is the flow rate command value, Cp is the specific heat of the working fluid, Th is the BIPVT module outlet temperature, and Tc is the heat storage tank inlet temperature.
Q=m×Cp×(Th-Tc)
It can be expressed by the equation of
The control device,
If the current heat amount calculated through the above equation is negative, return 0 to the flow rate command value (m ref ) to stop the pump,
If the value obtained by subtracting the previous heat quantity from the current heat quantity is 0, the flow rate command value is maintained as it is,
If the current heat amount is higher than the previous heat amount, a new flow rate command value obtained by adding a predetermined increment value (Δm) to the current flow rate command value is returned to the pump to increase the flow rate of the working fluid;
If the current heat amount is lower than the previous heat amount, a new flow rate command value obtained by subtracting a predetermined incremental value (Δm) from the current flow rate command value is returned to the pump to reduce the flow rate of the working fluid;
The control device controls the operation mode related to electric energy according to a request from a virtual power plant (VPP) platform,
Power flow 1 is when power flows from the power system and BIPVT module to the battery, power flow 2 is when power flows from the BIPVT module to the battery, and power flow 3 is the order of BIPVT module, battery, and household load. Power flow 4 is when power is transferred from the BIPVT module to the battery, and power flows from the battery to the household load and electric water heater, and power flow 5 is when power is transferred from the BIPVT module to the battery. Power flow 6 is the case where power is transferred from the BIPVT module to the power system, and power is transferred from the battery to the household load and the power system. Flow 7 is when power is delivered from the battery to the household load, the electric water heater, and the power grid, and power is delivered from the BIPVT module to the power grid.
The control device,
If the battery SoC is less than 3%, control with power flow 1,
If the battery SoC is less than 20%, control with power flow 2,
If the battery SoC is 50% or less, the hot water valve is on, and the heat storage tank temperature is 40 ° C or higher, control with power flow 3,
If the battery SoC is 50% or less, the hot water valve is on, and the temperature of the heat storage tank is less than 40 ° C, control with power flow 4,
If the battery SoC is 50% or less, the hot water valve is off, and there is a discharge request from the VPP platform, control to power flow 5,
If the battery SoC is 50% or less, the hot water valve is off, and there is no discharge request from the VPP platform, control to power flow 3,
If the battery SoC is 99% or less, the hot water valve is on, and the heat storage tank temperature is 40 ° C or higher, control with power flow 3,
If the battery SoC is 99% or less, the hot water valve is on, and the temperature of the heat storage tank is less than 40 ° C, control with power flow 4,
If the battery SoC is 99% or less, the hot water valve is off, and there is a discharge request from the VPP platform, control to power flow 5,
If the battery SoC is 99% or less, the hot water valve is off, and there is no discharge request from the VPP platform, control to power flow 3,
If the battery SoC is 99% or more, the hot water valve is on, and the heat storage tank temperature is 40 ° C or more, control with power flow 3,
If the battery SoC is 99% or more, the hot water valve is on, and the heat storage tank temperature is less than 40 ° C, control with power flow 7,
If the battery SoC is 99% or more, the hot water valve is off, and there is a discharge request from the VPP platform, control to power flow 6,
The BIPVT system, characterized in that, if the battery SoC is 99% or more, the hot water valve is off, and there is no discharge request from the VPP platform, control is performed with power flow 3.
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| KR101979659B1 (en) * | 2018-11-14 | 2019-08-30 | 부강이엔에스 주식회사 | Building Integrated Photovoltaic and Thermal system |
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| KR102096616B1 (en) * | 2018-07-24 | 2020-04-02 | 광운대학교 산학협력단 | Small-scale solar light/solar heat convergence system capable of operating utility-connection type and stand alone type |
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2020
- 2020-12-15 KR KR1020200175049A patent/KR102507752B1/en active IP Right Grant
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