KR102539509B1 - 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템, 이를 이용한 에너지 회생 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체 - Google Patents
축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템, 이를 이용한 에너지 회생 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템, 이를 이용한 에너지 회생 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록매체에 관한 것으로, 특히 계통 없이 독립적으로 운전할 수 있는 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템은, 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염(CDI) 모듈; 상기 축전식 탈염 모듈에 태양광에 의한 전력을 공급하는 태양광(PV) 모듈; 상기 축전식 탈염 모듈에서 회수된 전력을 저장하는 배터리; 정수시에 태양광 모듈로부터 공급된 직류 전압을 변환한 직류 전압을 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하며, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 변환한 직류 전압을 배터리로 저장하여 회생시키는 양방향 전력 변환 모듈; 및 상기 배터리, 상기 태양광 모듈 및 상기 양방향 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈;을 포함할 수 있다. 이를 통해 계통 없이 독립적으로 운전할 수 있어 전력비용없이 담수 생산이 가능하다.
Description
본 발명은, 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템, 이를 이용한 에너지 회생 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록매체에 관한 것으로, 특히 계통 없이 독립적으로 운전할 수 있는 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템에 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.
하지만, 기존 축전식 탈염 모듈에서는 전극에 이온성 물질이 흡착된 후 전극을 재생할 때는 하전된 전극을 단락시켜 저항을 통해 열에너지로 소모시키게 되므로 에너지 회수가 되지 못하여 전력 손실이 발생되거나 저항의 발열로 인한 화재의 위험이 있다.
따라서, 전체적인 에너지 소모를 줄이기 위해 태양광과 같은 신재생 에너지와 연계한 전력 변환 시스템을 이용할 수 있다. 그러나 기존 태양광 전력 변환 시스템에 축전식 탈염 모듈을 그대로 연결할 경우, 태양광 모듈로부터 인가 받은 전원을 그리드(grid)와 전압 크기를 맞추도록 DC/DC 전력 변환한 후, 다시 DC/AC 전력 변환을 하여야 하며, 여기에 그리드(grid)로부터 AC 전원을 인가 받아 다시 DC 전원으로 변환하고, 전기적 절연과 전압 크기를 맞추기 위해 다시 DC/DC 전력 변환이 이루어지므로, 복잡한 계통을 거쳐서 연계되기 때문에 전체적인 전력 변환 과정이 복잡하고, 그 과정에서 비용 및 전력 손실이 많이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 종래는 전체 시스템이 계통 및 태양광 모듈과 연결되어 있어, 계통이 정전되고, 기후가 나쁘거나 해가 뜨지 않아 태양광 모듈의 사용이 어려워지면, 더 이상 시스템을 사용할 수가 없게 되어 전원 환경이 나쁜 국가나 지역에서는 종래 시스템을 사용하기 어려웠다.
본 발명은, 계통 연결 없이 태양광 모듈 및 배터리 충방전부를 이용하여 독립적으로 축전식 탈염 모듈 시스템을 운전하도록 하는 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템, 이를 이용한 에너지 회생 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템은, 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염(CDI) 모듈; 상기 축전식 탈염 모듈에 태양광에 의한 전력을 공급하는 태양광(PV) 모듈; 상기 축전식 탈염 모듈에서 회수된 전력을 저장하는 배터리; 정수시에 태양광 모듈로부터 공급된 직류 전압을 변환한 직류 전압을 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하며, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 변환한 직류 전압을 배터리로 저장하여 회생시키는 양방향 전력 변환 모듈; 및 상기 배터리, 상기 태양광 모듈 및 상기 양방향 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 양방향 전력 변환 모듈은, 상기 축전식 탈염 모듈로 공급하기 위한 직류 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터; 상기 DC 링크 커패시터의 직류 전압과, 상기 축전식 탈염 모듈에 대응하는 직류 전압을 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터;를 포함하며, 상기 DC 링크 커패시터의 직류 전압이 일정하게 유지되도록 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 충방전부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 상기 제어 모듈은, 정수 모드와 퇴수 모드가 연속되어 교대로 수행하도록 설정된 주기 운전을 수행하며, 상기 정수 모드는 양의 정수 모드와 음의 정수 모드를 포함하며, 상기 퇴수 모드는 상기 정수 모드 이후에 상기 정수 모드와 동일한 극성의 전원을 공급할 수 있다.
더하여, 상기 제어 모듈은, 상기 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 상기 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하며, 상기 퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 상기 퇴수 전원을 상기 정수설정시간(T1+T2) 도과 후부터 상기 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 인가할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어 모듈은, 정수 모드에서, 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, 이때, 상기 T1은 정수 모드 시작 시점부터 상기 축전식 탈염 모듈의 양단의 전압이 목표 전압에 도달한 시점까지의 기간이며, 퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈로부터 일정한 직류 전류가 출력되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈을 전류 모드로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 상기 배터리에 저장된 직류 전압이 상기 태양광 모듈의 직류 전압보다 낮은 저압형일 때, 상기 태양광 모듈은 벅(Buck) MPPT 컨버터를 포함하며, 상기 양방향 전력 변환 모듈은 절연형 고주파 변압기를 포함할 수 있다.
반면, 본 발명의 다른 일 실시 형태에 따른 상기 배터리에 저장된 직류 전압이 상기 태양광 모듈의 직류 전압보다 높은 고압형일 때, 상기 태양광 모듈은 부스트(Boost) MPPT 컨버터를 포함하며, 상기 배터리 충방전부는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태인 축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템을 이용한 에너지 회생 방법은, 상술한 구성을 포함하는 축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템에서, 양방향 전력 변환 모듈에서, 정수 모드에서 상기 태양광 모듈로부터 공급된 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하는 제1 단계; 및 양방향 전력 변환 모듈에서, 퇴수 모드에서 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 배터리로 회생시키는 제2 단계;를 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 상기 제어 모듈에 의해, 양의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 단계; 상기 제어 모듈에 의해, 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류를 감소시키며, 상기 축전식 탈염 모듈을 방전시키는 단계; 상기 제어 모듈에 의해, 음의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 단계; 및 상기 제어 모듈에 의해, 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류를 증가시키며, 상기 축전식 탈염 모듈을 방전시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태로서, 상술한 방법을 컴퓨터상에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한, 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 축전식 탈염 모듈에 통합된 태양광 모듈과 배터리 충방전부를 이용하여 계통 없이 독립적으로 운전할 수 있어 전력비용없이 담수 생산이 가능하며, 양방향 전력 변환 모듈을 이용하여 전력 변환 과정이 단순화되고 전력 손실 및 그에 따른 비용 손실을 방지할 수 있으며, 에너지 재활용에 따른 환경 비용을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 퇴수 모드에서 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전원으로 회생시켜 에너지를 회수하고, 이를 배터리 충방전부에 저장하여 활용함으로써, 전력 효율을 높이고, 전력 비용없이 담수 생산할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 및 3b는 종래 단방향 전력 변환 모듈을 포함하는 축전식 탈염 모듈의 시스템 운전 시퀀스와, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 시스템 운전 시퀀스이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템에 포함된 제어 모듈의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 제어 모드로서, 정수 모드 및 퇴수 모드의 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템에 포함된 양방향 전력 변환 모듈 및 이에 연결된 태양광 모듈의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템을 이용한 에너지 회생 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템에서 제어 모듈이 수행하는 에너지 회생 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 및 3b는 종래 단방향 전력 변환 모듈을 포함하는 축전식 탈염 모듈의 시스템 운전 시퀀스와, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 시스템 운전 시퀀스이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템에 포함된 제어 모듈의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 제어 모드로서, 정수 모드 및 퇴수 모드의 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템에 포함된 양방향 전력 변환 모듈 및 이에 연결된 태양광 모듈의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템을 이용한 에너지 회생 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템에서 제어 모듈이 수행하는 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 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템(100)의 블록도로서, 무계통 전력 변환 시스템이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템(100)은, 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염 모듈(CDI, 120)과, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 태양광에 의한 전력을 공급하는 태양광(PV) 모듈(130)과, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에서 회수된 전력을 저장하는 배터리(160)와, 정수시에 태양광 모듈(130)로부터 공급된 직류 전압을 변환한 직류 전압을 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하며, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 변환한 직류 전압을 배터리(160)로 저장하여 회생시키는 양방향 전력 변환 모듈(110)과, 상기 배터리(160), 상기 태양광 모듈(130) 및 상기 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어하는 제어 모듈(140)을 포함할 수 있다.
즉, 축전식 탈염 모듈(120), 원수 내의 이온성 물질을 제거하기 위해 축전식 탈염 모듈(120)에 정수 전원 및 퇴수 전원을 인가하는 양방향 전력 변환 모듈(110)과 정수시 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 태양광에 의한 전력을 공급하는 태양광 모듈(130)과, 퇴수시 상기 축전식 탈염 모듈(120)에서 회생되는 에너지를 저장하는 배터리(160)와, 태양광 모듈(130), 배터리(160) 및 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어하는 제어 모듈(140)을 포함할 수 있다.
이는 양방향 전력 변환 모듈(110)과 상기 태양광 모듈(130) 및 배터리(160) 사이에 병렬 연결된 DC 링크 커패시터(1102)의 양단 전압이 300V 미만으로 저압형이며, 배터리(160)의 전압과 비슷한 범위로 유지될 때의 구성도이다.
이때, 태양광 모듈(130)의 MPPT는 벅(Buck) 타입의 컨버터를 사용할 수 있고, 양방향 전력 변환 모듈(110)은 고주파 변압기를 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템(100)은, 양방향 전력 변환 모듈(110)과 상기 태양광 모듈(130) 및 배터리(160) 사이에 병렬 연결된 DC 링크 커패시터(1102)의 양단 전압이 300V 이상으로 고압형일 경우, 배터리(160)의 충방전을 제어하는 배터리 충방전부(150)를 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 양방향 전력 변환 모듈(110)은, 상기 축전식 탈염 모듈로 공급하기 위한 직류 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터(1102) 상기 DC 링크 커패시터(1102)의 직류 전압과, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 대응하는 직류 전압을 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터(1101)를 포함하며, 상기 DC 링크 커패시터(1102)의 직류 전압이 일정하게 유지되도록 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 충방전부(150)을 더 포함할 수 있다.
저압형의 경우, 태양광 모듈(130)과 축전식 탈염 모듈(120)의 직류 전압을 강압하여 곧바로 배터리(160)에 저장할 수 있지만, 고압형의 경우, 곧바로 배터리에 저장할 수 없어, 태양광 모듈(130)과 축전식 탈염 모듈(120)의 직류 전압을 승압시켜 DC 링크 커패시터(1102)에 저장한 후 배터리 충방전부(150)를 통해 배터리(160)에 전달할 수 있다.
이때, 태양광 모듈(130)의 MPPT는 부스트(Boost) 타입의 컨버터를 이용하여 태양광 모듈(130)에 제공되는 전압을 승압시킬 수 있으며, 배터리 충방전부(150)는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터를 이용하여 배터리(160)의 충방전을 제어할 수 있다.
특히 본 발명의 실시 형태들에 의하면, 계통이 없기 때문에 상술한 양방향 전력 변환 모듈(110)은 퇴수 모드에서 축전식 탈염 모듈 양단(120)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환할 필요 없이, 대응되는 직류 전압으로 변환하여 배터리(160)에 저장할 수 있다.
또한, 양방향 전력 변환 모듈(110)은 태양광 모듈(130) 및 배터리(160)로부터 직류 전압을 공급받아 축전식 탈염 모듈(120)에 대응되는 직류 전압으로 변환하여 제공하는 바, 정수시에 태양광 모듈(130)로부터 공급된 직류 전압을 변환한 직류 전압을 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하며, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 배터리(160)로 회생시키는 양방향 DC/DC 컨버터(1101)를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(1101)는 절연형 또는 비절연형으로 설계할 수 있다.
따라서, 상술한 구성을 통해 축전식 탈염 모듈(120)은 정수 모드를 수행하며 전처리된 원수를 공급받아 원수 내의 이온을 흡착하고 이온을 제거한 담수를 제공할 수 있다. 또한, 퇴수 모드를 수행하며 흡착된 이온을 탈착하여 재생을 수행할 수 있다.
구체적으로, 도 2는 상술한 도 1에 도시된 축전식 탈염 모듈(120)의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
축전식 탈염 모듈(Capacitive DeIonization, CDI)(120)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 정수 모드에는 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 퇴수 모드에서는, 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 농축수(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 배터리(160)로 회생시키는 것을 특징으로 한다. 회생 에너지를 저장하여 다시 사용할 수 있어 에너지 이용률을 극대화할 수 있다.
도 3a 및 3b는 종래 단방향 전력 변환 모듈을 포함하는 축전식 탈염 모듈의 시스템 운전 시퀀스와, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈(120)의 시스템 운전 시퀀스이다..
도 3a에 도시된 바와 같이, 종래에는 단방향 전력 변환 모듈을 사용하였는 바, 기존 축전식 탈염 모듈에서는 전극에 이온성 물질이 흡착된 후 전극을 재생할 때는 하전된 전극을 단락시켜 저항을 통해 열에너지로 소모시키게 되므로 에너지 회수가 되지 못하며, 정수 모드(흡착 과정)과 퇴수 모드(탈착 과정)을 수행할 때 각각 반대 극성을 교대로 사용해야 했다. 예를 들어, 정수 모드에서는 양전위, 퇴수 과정에서는 음전위를 사용한다.
이때, 반대 극성을 인가하게 되면, 피크성 전류가 발생되어 전극의 소모가 가속화 되었기 때문에, 축전식 탈염 모듈을 포함하는 시스템이 파손될 수 있어 반드시 쇼트 구간을 두어 전극을 저항을 통해 단락시키고, 전극에 남아 있는 전하는 방전시켜야 했다.
따라서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 기존 축전식 탈염 모듈은 정수 모드에서 300V의 전위로 흡착을 수행했으면, 전극을 단락시킨 쇼트 과정 후, 퇴수 모드에서 -300V의 전위로 탈착을 수행해야 하는 바, 전 구간에서 에너지가 소모되었다.
반면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈(120)에서 불필요한 쇼트 구간을 제거하고, 정수 모드와 같은 극성에서 곧바로 퇴수 모드를 수행할 수 있다. 상기 퇴수 모드에서 양방향 전력 변환 모듈(110)을 통해 전극에 충전된 전하를 방전시켜 배터리(160)로 보내 저장하는 바, 퇴수시 발생하는 에너지를 양방향 전력 변환 모듈(110)을 통해 다시 배터리(160)로 역전송하여 에너지를 회수할 수 있다.
즉, 양방향 전력 변환 모듈(110)과, 회생 에너지를 소모하는 저항의 제거를 통하여, 퇴수 과정에서 에너지를 회생하여 에너지가 절약되며, 쇼트 과정없이 정수 모드에서 곧바로 퇴수 모드로 진입할 수 있어 동일 사이클 대비 종래보다 더 많은 정수 과정 및 퇴수 과정을 반복할 수 있고, 그에 따라 물 회수율을 높일 수 있는 바 운전 효율이 더 뛰어나다.
또한, 쇼트 구간을 제거하여 정수 과정과 동일한 극성의 전위를 사용하여 퇴수 과정을 수행할 수 있는 바, 이온의 재흡착을 방지할 수 있고, 이온 교환막 없이도 전극 계면에 잔류한 이온이 전극 표면에 흡착하는 것을 방지하여 염제거율 감소를 막을 수 있다. 이온 교환막을 사용하지 않을 수 있어 비용 절약 및 CDI 모듈내 공간 집약을 이룰 수 있다. 다만, 청구범위는 이에 제한되지 않고 이온 교환막 결합형 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈(120)을 사용할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 제어 모듈(140)은, 상기 정수 모드와 상기 퇴수 모드가 연속되어 교대로 수행하도록 설정된 주기 운전을 수행하며, 상기 정수 모드는 양의 정수 모드와 음의 정수 모드를 포함하며, 상기 퇴수 모드는 상기 정수 모드 이후에 상기 정수 모드와 동일한 극성의 전원을 공급할 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈(120)의 태양광 모듈(130) 연계 전력 변환 시스템에 포함된 제어 모듈(140)의 블록도이다. 도 4a는 DC 링크 커패시터(1102)의 양단 전압이 300V 이상인 고압형일 때의 제어 모듈(140) 블록도이며, 도 4b는 DC 링크 커패시터(1102)의 양단 전압이 300V 미만인 저압형일 때의 제어 모듈(140) 블록도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예인 고압형에 따르면, 제어 모듈(140)은, 양방향 전력 변환 모듈(110), 태양광 모듈(130) 및 배터리 충방전부(150)를 제어하며, 구체적으로 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어한다는 것은 양방향 DC/DC 컨버터(1101)를 제어하는 것을 의미할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양방향 전력 변환 모듈(110)은, 태양광모듈(130)과 배터리(160) 또는 배터리 충방전부(150)로부터 상기 DC 링크 커패시터(1102)에 공급된 직류 전압(Vdc)과, 상기 DC 링크 커패시터(1102)의 직류 전압(Vdc)을 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 대응하는 직류 전압(Vo)으로 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터(1101)를 포함하며, 정수 모드에는 상기 태양광 모듈(130) 또는 배터리(160)로부터 공급받은 상기 정수 전원을 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하며, 퇴수 모드에 상기 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 직류 전압으로 변환한 상기 퇴수 전원을 회생시켜 상기 배터리(160)에 저장할 수 있다.
또는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예인 저압형에 따르면, 제어 모듈(140)은, 양방향 전력 변환 모듈(110) 및 태양광 모듈(130)를 제어할 수 있다. 구체적으로 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어한다는 것은 양방향 DC/DC 컨버터(1101)를 제어하는 것을 의미할 수 있으며, 이는 상술한 고압형과 동일하다.
저압형의 경우, 배터리(160)에 대해 별도의 제어를 수행할 필요 없이, 퇴수 모드에서 상기 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 저장할 수 있다.
즉, 양방향 DC/DC 컨버터(1101)는 DC 링크 커패시터(1102) 양단의 전압 Vdc를 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 모듈(120)에 대응되는 부하 전압 또는 출력 전압(Vo)과 부하 전류 또는 출력 전류(Io)으로 변환시켜 공급하는 역할을 수행한다.
본 발명의 일 실시예인 고압형에 따르면, 제어 모듈(140)은 도 4a에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어 모듈(140)은 최대 전력을 가지는 전류 지령치(Ipv*)를 산출하기 위해, MPPT 모듈(401)을 통해 입력 받은 상기 태양광 모듈(130)의 실제 전압 및 실제 전류 측정치(Vpv, Ipv)로부터 전류 지령치(Ipv*)를 산출할 수 있다. 상기 MPPT 모듈(401)은 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 수행하는 모듈로서, P&O(Perturb and Observe) 방식 등 최대 전력을 추종하기 위한 방식을 사용할 수 있으며, 상기 방식으로 제한되지 않는다.
태양광 모듈(130)은 도 4a에 도시된 바와 같이, 태양광 패널과 MPPT 충전기(MPPT CHARGER)를 포함할 수 있다.
이후, 오차 연산기(402)는 MPPT 모듈(401)로부터 출력되는 전류 지령치(Ipv*) 와 실제 전류 측정치(Ipv)간의 오차를 연산할 수 있다.
PI 제어기(403)는, 상기 오차 연산기(402)로부터 출력되는 상기 오차만큼 유효 전력의 전류 크기를 제어할 수 있으며, 전류 제어를 통해 듀티(Dmin, Dmax)를 제어하는 스위칭 신호를 생성하여 DC PWM 발생부(404)가 그에 따른 파형을 발생시키도록 하여 스위치 온오프 시간을 조절할 수 있다.
또한, 도 4a에 도시된 바와 같이, 양방향 DC/DC 컨버터(1101)와 관련하여, 모드 선택부(410)는 오차 연산기(411)로부터 출력되는 출력전압의 지령치(Vo*) 및 실제 출력 전압(Vo) 간의 오차 신호와, 오차 연산기(412)로부터 출력되는 출력 전류의 지령치(Io*) 및 실제 출력 전류(Io)를 입력받아 출력전압의 지령치(Vo*) 및 실제 출력 전압(Vo) 간 대소관계에 따라 모드를 선택할 수 있다. 즉, 출력전압의 지령치(Vo*) 및 실제 출력 전압(Vo)에 따라 제어 모듈(140)이 CC모드와 CV 모드를 선택하고 지령값을 변경할 수 있다.
더하여, PI 제어기(413)는 모드 선택부(410)로부터 결정되는 모드에 따라 전압 또는 전류를 제어하여 듀티비를 제어하는 스위칭 신호를 생성하고, 이를 제공받은 DC PWM 발생부(414)를 통해 후술할 도 5와 같은 전압, 전류 파형을 출력할 수 있다.
한편, 도 4a에 도시된 바와 같이, 고압형인 경우 DC 링크 커패시터(1101)의 양단에 걸리는 전압(Vdc)를 일정하게 유지할 수 있도록 배터리 충방전부(150)가 별도로 필요하다. 제어 모듈(140)은 배터리 충방전부(150)에 대하여, PI 제어기(406)는 오차 연산기(405)로부터 출력되는 DC 링크 커패시터(1102)에 저장된 직류 전압의 지령치(Vdc*) 및 실제 직류 전압(Vdc) 간의 오차 신호를 입력받아 유효 배터리 전류 크기(Ibat*)를 출력할 수 있다.
또한, 오차 연산기(407)가 PI 제어기(406)로부터 출력되는 유효 배터리 전류 크기(Ibat*)와 실제 배터리 전류(Ibat)간의 오차를 연산하고, PI 제어기(408)가 상기 오차만큼 유효 전류 크기를 제어하여 듀티(Dmin, Dmax) 구할 수 있다.
이때, 상기 듀티 범위(Dmin, Dmax)는 배터리(160)가 최대 저압에 도달하여 CV 모드로 전환되거나, 배터리(160)의 정격전원을 벗어나지 않도록 PI 제어기(408)의 출력을 Dmax 이하로 제한하는 리미터(409a)를 통과시켜 얻을 수 있다. 이를 통과시키면, DC PWM 발생부(424)가 배터리(160)의 정격 범위 내에서 그에 따른 파형을 발생시켜 스위치 온오프에 따른 스위칭 파형을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예인 저압형에 따르면, 제어 모듈(140)은 도 4b에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어 모듈(140)은 최대 전력을 가지는 전류 지령치(Ibat*)를 산출하기 위해, MPPT 모듈(401)을 통해 입력 받은 상기 태양광 모듈의 실제 전압 및 실제 전류 측정치(Vpv, Ipv)로부터 전류 지령치(Ibat*)를 산출할 수 있다. 상기 MPPT 모듈(401)은 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 수행하는 모듈로서, P&O(Perturb and Observe) 방식 등 최대 전력을 추종하기 위한 방식을 사용할 수 있으며, 상기 방식으로 제한되지 않는다.
태양광 모듈(130)은 도 4b에 도시된 바와 같이, 태양광 패널과 MPPT 충전기(MPPT CHARGER)를 포함할 수 있다.
상기 전류 지령치(Ibat*)는 배터리(160)로 제공되는 바, 오차 연산기(402)가 MPPT 모듈(401)로부터 출력되는 배터리 전류 지령치(Ibat*) 와 실제 전류 측정치(Ibat)간의 오차를 연산할 수 있다.
이후, PI 제어기(403)는, 상기 오차 연산기(402)로부터 출력되는 상기 오차만큼 유효 전력의 전류 크기를 제어할 수 있으며, 전류 제어를 통해 듀티(Dmin, Dmax)를 발생시키는 스위칭 신호를 생성될 수 있도록 DC PWM 발생부(404)가 그에 따른 파형을 발생시키며, 이에 따라 스위치 온오프 시간을 조절할 수 있다.
이때, 상기 듀티 범위(Dmin, Dmax)는 배터리(160)가 최대 저압에 도달하여 CV 모드로 전환되거나, 배터리(160)의 정격전원을 벗어나지 않도록 PI 제어기(403)로부터 출력되는 전류를 리미터(409b)를 통과시킨 후 DC PWM 발생부(404)에 전달하여, 배터리(160)의 정격 범위 내에서 그에 따른 파형을 발생시킬 수 있다.
양방향 DC/DC 컨버터(1101)와 관련한 제어 모듈(140)은, 도 4(a)에 도시된 것과 동일하며, 저압형으로 별도의 배터리 충방전부(150)가 사용되지 않는 바 배터리 충방전부(150)에 대한 제어도 수행되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 제어 모드로서, 축전식 탈염 모듈(120)의 운전에 따른 정수 모드 및 퇴수 모드의 파형도이며, 상술한 양방향 DC/DC 컨버터(1101) 관련된 제어 모듈(140)의 제어 모드를 구체적으로 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제어 모드는 전류 모드(CC)와 전압 모드(CV)로 구분되어 제어될 수 있다.
실제 출력 전압(Vo)이 출력전압의 지령치(Vo*)보다 작으면 정전류 모드(CC 모드)로 운전하고, 실제 출력 전압(Vo)이 출력전압의 지령치(Vo*)보다 크면 정전압 모드(CV 모드)로 운전할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, T1 구간은 CC 모드로 운전되며, 전류가 공급됨에 따라 충전이 수행되며 출력 전압(Vo)이 서서히 증가하여 최대치 Vo_max에 도달하면, CC모드에서 CV모드로 전환된다.
또한, T2 구간은 CV 모드로 운전되며, 이온의 흡착이 일어나며 전극에 흡착되는 이온농도가 시간이 지남에 따라 점차 감소하게 되어 출력 전류(Io)가 서서히 감소하게 된다. 이때, T1+T2 토탈 시간을 정수시간으로 설정할 수 있으며, T1은 설정값이 아니라 CV모드에 접근하는 시간으로 자동 결정된다.
정수설정시간인 T1+T2 시간이 지나면 정수 운전에서 퇴수 운전으로 바뀌도록 설정되며, CV 모드에서 다시 CC모드로 전환되고, 출력 전류 지령치(Io*)를 서서히 감소시켜, -Io_max까지 감소시킨다. 이때, 출력 전류(Io)가 반대로 방전되면서 출력 전압(Vo)이 서서히 감소하게 되고, T3 시간이 지난 후 출력 전압(Vo)이 0v 이하로 떨어지게 되면, 다시 정수 운전으로 바뀌게 된다. 즉, T3 시간은 퇴수기간으로 출력 전압이 0v가 되는 순간 자동으로 결정되는 값이다.
따라서, T1 시간은 CC(+) 모드, T2 시간은 CV 모드, T3시간은 CC(-) 모드이며, T1+T2 시간은 정수 운전 모드이고, T3 모드는 퇴수 운전 모드이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 퇴수구간의 전압과 전류의 곱이 음(-)으로 되는 것을 볼 수 있고 이는 전력이 반대로 흘러(즉 배터리(160)로 에너지가 회수) 에너지가 공급되는 것을 알 수 있다. 그리고 모든 전환 간의 과도상태에서의 전류 피크가 없이 부드럽게 천이가 이루어짐을 알 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, CC(-) 모드에서 출력 전압(Vo)가 0v 이하로 음의 전압에 돌입하면, 전류와 전압이 같은 극성이 되며 다시 정수 운전이 수행될 수 있다. 음의 정수과정도 상술한 양의 정수과정과 유사하고 대칭적인 구조인 바 중복을 피하기 위해 더 이상의 설명은 생략한다.
따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 상기 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 상기 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하며, 상기 퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 상기 퇴수 전원을 상기 정수설정시간(T1+T2) 도과 후부터 상기 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 인가(T3)할 수 있다.
이때, 상기 제어 모듈(140)은, 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 일정한 직류 전류가 제공되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈(110)을 전류 모드(CC(+))로 제어하되, 상기 축전식 탈염 모듈(120)의 양단의 전압(Vo)이 목표 전압(Vo*)에 도달하면 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 일정한 직류 전압이 인가되도록 전압 모드(CV)로 제어하며, 이때, 상기 T1은 정수 모드 시작 시점부터 상기 축전식 탈염 모듈(120)의 양단의 전압이 목표 전압에 도달한 시점까지의 기간이다.
또한, 퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈(120)로부터 일정한 직류 전류가 출력되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈(110)을 전류 모드(CC(-))로 제어할 수 있다.
도 6은 상술한 도 5에 따라 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈(120)을 이용한 에너지 회생 장치의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 정수설정시간 T1+T2는 사용자가 설정한 설정값으로, 충전 시간이 T1+T2를 도과하기 전이면(S601에서, 아니오), 출력 전류 지령치(Io*)를 Io_max까지 서서히 증가시키며(S602), T1+T2를 도과하면(S601에서, 예), 출력 전류 지령치(Io*) 감소시킨다(S603). 이때, T1+T2를 도과하면 양의 정수 모드(충전 모드)가 종료되며, 출력 전류 지령치(Io*)는 -Io_max까지 감소시킬 수 있다.
출력 전류 지령치(Io*) 감소하며 전류가 반대로 방전되면서 출력 전압(Vo)가 같이 감소되는데, 이때 출력 전압(Vo)이 0v 이하로 떨어지게 되면(S604에서 예), 다시 퇴수 모드(방전 모드)가 종료되고, 음의 정수 모드(음의 충전 모드)가 시작된다. 만약, 출력 전압(Vo)이 0v 이하로 떨어지지 않으면(S604에서, 아니오), 다시 S603로 되돌아가서, 출력 전류 지령치(Io*)를 서서히 감소시키며(S603), 출력 전압(Vo)을 확인한다.
음의 정수 모드(음의 충전 모드)가 시작되면, 정수설정시간 T1+T2 동안 음의 정수 모드로 운전될 수 있다. 따라서, 충전 시간이 T1+T2를 도과하기 전이면(S605에서, 아니오), 출력 전류 지령치(Io*)를 -Io_max까지 서서히 감소시키며(S606), 충전 시간이 T1+T2를 도과하면(S605에서, 예), 출력 전류 지령치(Io*)를 증가시킨다(S607). 이때, T1+T2를 도과하면 음의 정수 모드(충전 모드)가 종료되며, 출력 전류 지령치(Io*)는 Io_max까지 증가시킬 수 있다.
출력 전류 지령치(Io*) 증가하며 출력 전압(Vo)이 같이 증가되는데, 이때 출력 전압(Vo)이 0v 이상으로 증가하게 되면(S608에서 예), 다시 퇴수 모드(방전 모드)가 종료되고, 양의 정수 모드(음의 충전 모드)가 시작된다(S601). 만약, 출력 전압(Vo)이 0v 이상으로 증가하지 않으면(S608에서, 아니오), 다시 S607로 되돌아가서, 출력 전류 지령치(Io*)를 서서히 증가시키며(S607), 출력 전압(Vo)을 확인한다.
즉, 양의 충전 모드와 음의 충전 모드 T1+T2 시간 동안 정수 모드로 운전하며, T1+T2가 도과하고, 출력 전압의 극성이 변화하기 전까지 방전 모드로서, T3 시간 동안 퇴수 모드로 운전할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템을 이용한 에너지 회생 방법에 있어서, 양의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 제1 단계, 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간(T1+T2)이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류(Io*)를 감소시키며, 상기 축전식 탈염 모듈(120)을 방전시키는 제2 단계, 음의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 제3 단계 및 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간(T1+T2)이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류(Io*)를 증가시키며, 상기 축전식 탈염 모듈(120)을 방전시키는 제4 단계를 포함할 수 있으며, 상기 제1 단계 내지 제4 단계를 주기로 하여 반복 수행할 수 있다.
이때, 상기 제1 단계에서, 기 설정된 정수설정시간(T1+T2)이 도과하기 전에, 목표 전류를 증가시키며, 상기 제3 단계에서, 기 설정된 정수설정시간(T1+T2)이 도과하기 전에, 목표 전류를 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템(100)에 포함된 양방향 전력 변환 모듈(110) 및 이에 연결된 태양광 모듈(130)과 배터리(160)의 회로도이다.
특히, 도 7a는 양방향 전력 변환 모듈(110)과 상기 태양광 모듈(130) 및 배터리(160) 사이에 병렬 연결된 DC 링크 커패시터(1102)의 양단 전압이 300V 이상으로 고압형일 경우의 회로도이며, 도 7b는 양방향 전력 변환 모듈(110)과 상기 태양광 모듈(130) 및 배터리(160) 사이에 병렬 연결된 DC 링크 커패시터(1102)의 양단 전압이 300V 미만으로 저압형일 경우의 회로도이다.
상술한 양방향 전력 변환 모듈(110)은, 정수 모드에는 태양광 모듈(130)로부터 공급된 직류 전압을 직류 전압으로 변환한 정수 전원을 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하며, 퇴수 모드에서는 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 직류 전압으로 변환한 퇴수 전원을 배터리(160)에 저장하여 회생시킬 수 있다.
먼저, 고압형일 경우의 회로도를 설명하도록 한다.
구체적으로, 도 7a에 도시된 바와 같이, 양방향 전력 변환 모듈(110)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 구성되며, 퇴수 모드에서 축전식 탈염 모듈(120)에 부착된 잔류 이온을 제거하기 위해 DC 링크 커패시터(1102)의 직류 전압의 극성을 변환하여 축전식 탈염 모듈(120)에 제공할 수 있다.
한편, 양방향 전력 변환 모듈(110)과 축전식 탈염 모듈(120) 사이에 배치된 미설명된 인덕터(L)는 축전식 탈염 모듈(120)의 전압을 승압시켜 DC 링크 커패시터(1102)에 제공할 수 있다.
또한, 양방향 전력 변환 모듈(110)과 축전식 탈염 모듈(120) 사이에 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 L-C 필터가 더 배치될 수 있으며, CT2는 축전식 탈염 모듈(120)로 흐르는 전류(Io)를 측정하는 전류 센서가 연결될 수 있다.
또한, 상술한 태양광 모듈(130)은 고압형에서는 승압형 컨버터(Boost Converter)를 포함하며, 태양광 모듈(130)의 전압(Vpv)을 승압시켜 DC 링크 커패시터(1102)에 공급하며, 양방향 전력 변환 모듈(110)이 정수 모드에서 정수 전원을 축전식 탈염 모듈(120)에 공급할 때, 상기 승압된 태양광 모듈의 전압을 축전식 탈염 모듈(120)에 제공할 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 태양광 모듈(130)은 다이오드(D1), 다이오드(D1)와 직렬 연결된 제1 하부 스위치(B1)와, 제1 하부 스위치(B1)의 온동안 전력을 충전하여 태양광 모듈(130)의 전압을 승압시키는 인덕터를 포함하는 승압형 컨버터이며, 이를 통해 양방향 전력 변환 모듈(110)과 계통 연계가 가능하도록 승압된 전압을 축전식 탈염 모듈(120)에 제공할 수 있다.
더하여, 고압형에서 포함되는 배터리(160)을 제어하기 위한 배터리 충방전부(150)는 양방향 전력 변환 모듈(110)이 퇴수 모드에서 퇴수 전원을 회생시킬 때, 배터리 충방전부(150)는 배터리(160)에 상기 퇴수 전원을 저장할 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 배터리 충방전부(150)는 제2 상부 스위치(T2), 제2 상부 스위치(T2)와 직렬 연결된 제2 하부 스위치(B2)와, 인덕터를 포함하는 벅-부스트(Buck Boost) 컨버터일 수 있다.
이하, 저압형일 경우의 회로도를 설명하도록 한다.
저압형의 경우 곧바로 배터리(160)에 태양광 모듈(130)의 감압된 전압 또는 양방향 전력 변환 모듈(110)로 회수된 퇴수 전원을 저장할 수 있어 별도의 배터리 충방전부(150)는 생략할 수 있다.
구체적으로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 양방향 전력 변환 모듈(110)의 양방향 DC/DC 컨버터(1101)는 절연용 고주파 변압기(712)와, 절연용 고주파 변압기(712)의 1차측 전압(Vpri)을 형성하는 제1 모듈(711)과, 절연용 고주파 변압기(712)의 2차측 전압(Vsec)을 형성하는 제2 모듈(713)을 포함하여 구성될 수 있다. 이를 통해 축전식 탈염 모듈(120)의 높은 전압을 배터리(160) 전압(Vbat)에 맞게 변환할 수 있다.
제1 모듈(711)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.
제2 모듈(713)은 병렬 연결된 제3 레그(T5, B5) 및 제4 레그(T6, B6)를 포함하는 풀 브리지 구조로, 제3 레그(T5, B5)는 직렬 연결된 제5 상부 스위치(T5)와 제5 하부 스위치(B5)로 구성되고, 제4 레그(T6, B6)는 직렬 연결된 제6 상부 스위치(T6)와 제6 하부 스위치(B6)로 구성될 수 있다.
따라서, 절연용 고주파 변압기(712)는 축전식 탈염 모듈(120)에서 제2 모듈(713)로 받은 전압을 배터리(160) 양단에 걸리는 직류 전압(Vbat)에 부합하게 변환하여 제1 모듈(711)로 전달할 수 있다.
또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 상술한 태양광 모듈(130)은 저압형에서는 벅 컨버터(Buck Converter)를 포함하며, 태양광 모듈(130)의 전압(Vpv)을 감압시켜 DC 링크 커패시터(1102)이자 배터리로 직류 전압(Vdc)를 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 축전식 탈염 모듈에 통합된 태양광 시스템을 이용해 시스템의 신뢰성을 높이고 전체적인 시스템 가격을 절약할 수 있으며, 단일의 제어 모듈을 통해 축전식 탈염 모듈과 연계된 태양광 모듈 및 양방향 전력 변환 모듈을 제어함으로써, 전력 변환 과정이 단순화되어 전력 손실 및 그에 따른 비용 손실을 방지할 수 있으며, 에너지 재활용에 따른 환경 비용을 줄일 수 있다.
특히, 계통 없이도 태양광 모듈(130) 및 배터리(160)을 통해 독립적으로 구동될 수 있어 ESS 운전을 통해 전력 비용 없이 담수 생산이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 퇴수 모드에서 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원으로 회생시켜 에너지를 회수함으로써, 전력 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템을 이용한 에너지 회생 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하에서는 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템을 이용한 에너지 회생 방법을 설명한다. 다만, 발명의 간명화를 위해 도 1 내지 도 7과 관련하여 중복된 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 7를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템을 이용한 에너지 회생 방법은,
양방향 전력 변환 모듈(110)에서, 정수 모드에서 태양광 모듈(130)로부터 공급된 직류 전압을 변환하여 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하는 단계에 의해 개시될 수 있다(S801).
이때, 태양광 모듈(130)로부터 DC/DC 변환되어 인가된 전압이 DC 링크 커패시터(320)에 제공되어 축전식 탈염 모듈(120)로 공급될 수 있다.
다음, 양방향 전력 변환 모듈(110)은 퇴수 모드에서 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 변환하여 배터리(160)로 저장하고 회생시킬 수 있다(S802).
이때, 제어 모듈(140)은, 양의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시킬 수 있다(S901). 또한, 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류를 감소시키며, 상기 축전식 탈염 모듈을 방전시킬 수 있다(S902).
더하여, 제어 모듈(140)은, 음의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시킬 수 있다(S903). 또한, 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류를 증가시키며, 상기 축전식 탈염 모듈을 방전시킬 수 있다(S904).
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 단일의 제어 모듈(140) 통해 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 및 양방향 전력 변환 모듈을 제어함으로써, 통신 이상 등을 방지하여 시스템의 신뢰성을 높이고, 신호 간의 지연 등을 방지하여 제어 응답성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 축전식 탈염 모듈에 통합된 태양광 모듈을 이용해 시스템의 신뢰성을 높이고 전체적인 시스템 가격을 절약할 수 있으며, 전력 변환 과정이 단순화되어 전력 손실 및 그에 따른 비용 손실을 방지할 수 있으며, 에너지 재활용에 따른 환경 비용을 줄일 수 있다.
특히, 계통 없이도 태양광 모듈(130) 및 배터리(160)을 통해 독립적으로 구동될 수 있어 ESS 운전을 통해 전력 비용 없이 담수 생산이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 퇴수 모드에서 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원으로 회생시켜 에너지를 회수함으로써, 전력 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
상술한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템을 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, '제어 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: 태양광 모듈
140: 제어 모듈, 150: 배터리 충방전부
160: 배터리
401: MPPT 모듈, 402: 오차 연산기
403: PI 제어기, 404: DC PWM 발생부
405: 오차 연산기, 406: PI 제어기
407: 오차 연산기, 408: PI 제어기
409, 409b: 리미터, 410: 모드 선택부
411, 412: 오차 연산기, 413: PI 제어기
414: DC PWM 발생부, 424: DC PWM 발생부
711: 제1 모듈, 712: 절연용 고주파 변압기
713: 제2 모듈
1101: 양방향 DC/DC 컨버터 1102: DC 링크 커패시터,
120: CDI 모듈, 121a: 양전극
121b: 음전극, 122: 음이온
123: 양이온, 130: 태양광 모듈
140: 제어 모듈, 150: 배터리 충방전부
160: 배터리
401: MPPT 모듈, 402: 오차 연산기
403: PI 제어기, 404: DC PWM 발생부
405: 오차 연산기, 406: PI 제어기
407: 오차 연산기, 408: PI 제어기
409, 409b: 리미터, 410: 모드 선택부
411, 412: 오차 연산기, 413: PI 제어기
414: DC PWM 발생부, 424: DC PWM 발생부
711: 제1 모듈, 712: 절연용 고주파 변압기
713: 제2 모듈
1101: 양방향 DC/DC 컨버터 1102: DC 링크 커패시터,
Claims (10)
- 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염(CDI) 모듈;
상기 축전식 탈염 모듈에 태양광에 의한 전력을 공급하는 태양광(PV) 모듈;
상기 축전식 탈염 모듈에서 회수된 전력을 저장하는 배터리;
정수시에 태양광 모듈로부터 공급된 직류 전압을 변환한 직류 전압을 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하며, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 변환한 직류 전압을 배터리로 저장하여 회생시키는 양방향 전력 변환 모듈; 및
상기 배터리, 상기 태양광 모듈 및 상기 양방향 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈;을 포함하며,
상기 제어 모듈은, 정수 모드와 퇴수 모드가 연속되어 교대로 수행하도록 설정된 주기 운전을 수행하며,
상기 정수 모드는 양의 정수 모드와 음의 정수 모드를 포함하고,
상기 퇴수 모드는 상기 정수 모드 이후에 상기 정수 모드와 동일한 극성의 전원을 공급하는,
축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 양방향 전력 변환 모듈은,
상기 축전식 탈염 모듈로 공급하기 위한 직류 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터; 상기 DC 링크 커패시터의 직류 전압과, 상기 축전식 탈염 모듈에 대응하는 직류 전압을 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터;를 포함하며,
상기 DC 링크 커패시터의 직류 전압이 일정하게 유지되도록 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 충방전부;를 더 포함하는,
축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제어 모듈은,
상기 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하며,
상기 퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 퇴수 전원을 상기 정수설정시간(T1+T2) 도과 후부터 상기 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 인가하며,
상기 정수 전원은 태양광 모듈 또는 배터리로부터 전달받은 전압이며, 상기 퇴수 전원은 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 변환해 배터리에 저장된 전압인,
축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제어 모듈은,
정수 모드에서, 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, 이때, 상기 T1은 정수 모드 시작 시점부터 상기 축전식 탈염 모듈의 양단의 전압이 목표 전압에 도달한 시점까지의 기간이며,
퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈로부터 일정한 직류 전류가 출력되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈을 전류 모드로 제어하는,
축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 배터리에 저장된 직류 전압이 상기 태양광 모듈의 직류 전압보다 낮은 저압형일 때,
상기 태양광 모듈은 벅(Buck) MPPT 컨버터를 포함하며,
상기 양방향 전력 변환 모듈은 절연형 고주파 변압기를 포함하는,
축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 배터리에 저장된 직류 전압이 상기 태양광 모듈의 직류 전압보다 높은 고압형일 때,
상기 태양광 모듈은 부스트(Boost) MPPT 컨버터를 포함하며,
상기 배터리 충방전부는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터를 포함하는,
축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템. - 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염(CDI) 모듈; 상기 축전식 탈염 모듈에 태양광에 의한 전력을 공급하는 태양광(PV) 모듈; 상기 축전식 탈염 모듈에서 회수된 전력을 저장하는 배터리; 정수시에 태양광 모듈로부터 공급된 직류 전압을 변환한 직류 전압을 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하며, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 변환한 직류 전압을 배터리로 저장하여 회생시키는 양방향 전력 변환 모듈; 및 상기 배터리, 상기 태양광 모듈 및 상기 양방향 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈;을 포함하는, 축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템을 이용한 에너지 회생 방법에 있어서,
양방향 전력 변환 모듈에서, 정수 모드에서 상기 태양광 모듈로부터 공급된 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하는 제1 단계; 및
양방향 전력 변환 모듈에서, 퇴수 모드에서 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 배터리로 회생시키는 제2 단계;
를 포함하며,
상기 제어 모듈에 의해, 양의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 단계;
상기 제어 모듈에 의해, 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류를 감소시키며, 상기 축전식 탈염 모듈을 방전시키는 단계;
상기 제어 모듈에 의해, 음의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 단계; 및
상기 제어 모듈에 의해, 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류를 증가시키며, 상기 축전식 탈염 모듈을 방전시키는 단계;
를 더 포함하는, 축전식 탈염 모듈의 태양광 연계 전력 변환 시스템을 이용한 에너지 회생 방법. - 삭제
- 제8항의 방법을 컴퓨터상에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한, 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020200175693A KR102539509B1 (ko) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템, 이를 이용한 에너지 회생 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200175693A KR102539509B1 (ko) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | 축전식 탈염 모듈의 태양광 모듈 연계 전력 변환 시스템, 이를 이용한 에너지 회생 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체 |
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| KR (1) | KR102539509B1 (ko) |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR102164392B1 (ko) * | 2019-05-07 | 2020-10-13 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치 및 방법 |
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| KR101688530B1 (ko) | 2009-12-21 | 2016-12-21 | 삼성전자주식회사 | 전기 흡착 탈이온 장치 |
| KR101174891B1 (ko) * | 2010-06-01 | 2012-08-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 전력 저장 시스템 및 그 제어방법 |
| KR101273445B1 (ko) * | 2011-06-16 | 2013-06-11 | 주식회사 한화건설 | 축전식 탈염기술을 이용한 에너지저감형 물 재생 기술 |
| KR102007878B1 (ko) * | 2018-01-01 | 2019-08-07 | 주식회사 오투엔비 | 자체 전원 생성부를 구비한 탈이온화 방식을 이용한 연속 정수 처리 시스템 |
-
2020
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR102164392B1 (ko) * | 2019-05-07 | 2020-10-13 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치 및 방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Integration of photovoltaic energy supply with membrane capacitive deionization (MCDI) for salt removal from brackish waters(2018.10.3.) 1부.* |
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| KR20220085910A (ko) | 2022-06-23 |
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