KR102612885B1 - 최대 에너지 이용 점 추적 기술들 - Google Patents

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Abstract

에너지 시스템을 그것의 최대 에너지 이용 점(MEUP)에서 일관되게 동작시킬 때, 시스템으로부터 에너지 이득의 대부분의 양을 수신할 수 있다. 실제적인 MEUP 추적 기술들은 발전기를 최대 전력 추출을 위한 전압에서 동작시키고 또한 최대에 가까운 전력을 발생하게 동작시키고; 발생된 모든 전력을 거의 완벽하게 추출하는 발명된 과잉 에너지 추출 디바이스들을 포함하고; 과잉 에너지를 설계된 에너지 저장소들 내에 임시로 저장하고; 추출기로부터의 그리고 저장소들로부터의 에너지를 조합하는 발명된 공급 디바이스들을 추가하고; 순간적 수요를 항상 정확히 만족시키기 위해 알맞은 양의 전력을 준비하여 전달한다. 그러므로 에너지 시스템의 MEUP를 찾고 추적하는 것을 달성한다.

Description

최대 에너지 이용 점 추적 기술들
많은 "그린 에너지" 발전기들은 태양열, 바람, 조류, 및 조력 파 움직임과 같은 시변 세기를 갖는 것을 특징으로 하는 자연 재생가능한 에너지 소스들을 이용한다. 이러한 발전기들의 대부분은 각각 순간적 최대 전력 발생 점(MPPP) 전압을 추적하는 "최대 전력 점 추적기(MPPT)"라고 하는 디바이스를 포함한다. MPPT 디바이스는 전형적으로 펌웨어이고; 시변 전압을 계속 추적하여 시변 세기를 갖는 주 에너지 소스로부터 최대 전력 발생(MPPP)을 달성한다.
전형적으로, 상업적 그린 에너지 시스템 통합기는 에너지 발생, 에너지 추출, 및 에너지 준비와 부하에의 전달을 포함하는 전체 시스템 동작을 조절하기 위해 MPPP 전압을 적용한다. 바꾸어 말하면, 상업적 그린 에너지 시스템은 전체 시스템을 MPPT 펌웨어로부터 유도된 발전기의 MPPP 전압에서 항상 동작하게 한다. 이 실행은 이후 "블라인드 MPPT 형태"라고 한다.
여기에 청구된 주제는 어떤 단점들을 해결하거나 또는 위에 설명된 것들과 같은 환경들에서만 동작하는 실시예들로 제한되지 않는다. 오히려, 본 배경 설명은 여기에 설명된 일부 실시예들이 실시될 수 있는 하나의 예시적인 기술 영역을 예시하기 위해 단지 제공된다.
본 발명자들은 블라인드 MPPT 실행은 많은 이유들로 인해 차선책이라는 것을 발견하였다. 첫째, 블라인드 MPPT 실행은 발생된 에너지를 효과적이고 효율적으로 추출하기 위한 에너지 추출 디바이스의 특성들과 맞지 않는다. 둘째, 블라인드 MPPT 실행은 효율적인 에너지 이용을 위해 추출된 에너지를 준비 및/또는 전달하기 위한 디바이스와 맞지 않는다. 셋째, 에너지 이용 효율은 전력 발생뿐만 아니라 전력 수요에 불가분하게 의존한다. 넷째, 부하의 전형적인 순간적 전력 소비는 에너지 및 전하 보존 법칙들에 따르더라도, 어떤 에너지 시스템 내의 발전기에 의해 발생된 순간적 전력과 동일하지 않다.
블라인드 MPPT 형태의 실행은 상업적 "그린 에너지 시스템" 설계자들이 발전기로부터의 에너지 추출의 효과 및 효율과 같은, 그리고 준비되고 다음에 부하에 전달된 에너지의 효과 및 효율과 같은, 디바이스들의 효과 및 효율들을 실험적으로 결정할 필요를 무시하게 할 수 있다. 여기에 설명된 원리에 따르면 시스템의 제어기 효율은 그것의 "에너지 이용 효율"과 동일하다. 본 설명에서 그리고 청구범위에서, 순간적 "에너지 이용 효율"은 부하에 의해 소비된 순간적 에너지 더하기 저장소 내에 저장된 에너지 나누기 발전기에 의해 발생된 순간적 에너지로서 정의된다. 양호한 실시예에서, 이 순간적 값은 발생된 전력, 전력 소비, 전력 저장, 및 그 비율의 값들이 모두 정상 상태에 도달하도록 충분히 오랜 시간 기간 동안 주 전력 입력 및 부하를 정상 상태로 유지하는 조건에서 측정된다.
실험적으로 측정된 관련 효율이 얼마인지 표시하지 않고서, 상업적 "그린 에너지 시스템들"은 전형적으로 그들의 시스템의 "제어기"에 대한 90% 효율보다 크다는 것을 분명히 보여준다. 그러나, 많은 상업적 시스템들의 본 발명자들의 실험적 측정들에 따르면 발전기로부터의 에너지 추출의 효율, 및 에너지를 준비한 다음에 부하에 에너지를 전달하는 효율은 MPPP 전압에 블라인드로 따르기 위해 시스템 동작을 조절할 때 매우 나쁠 수 있다는 것이 드러났다. 블라인드 MPPT 순응 실행을 실시하는 전형적인 제어기는 높은 것으로 광고될 때에도 전형적으로 30% 아래의 효율들을 가질 수 있다.
최대 전력 발생 점(MPPP)을 추적하는 것 대신에, 여기에 설명된 원리들은 최대 에너지 이용 점(MEUP)을 추적하는 것을 제안한다. 에너지 시스템을 그것의 MEUP에서 일관되게 동작시킬 때, 에너지 시스템으로부터 에너지 이득의 대부분의 양을 수신할 수 있다. 이것은 임의의 전력 발생 시스템으로부터 이용될 수 있는 에너지를 최대화하는 유일한 방식이다.
본 발명자들은 에너지 발생으로부터, 에너지 추출, 에너지 준비, 에너지 전달, 및 에너지 소비까지의 모든 스테이지의 효율들을 측정함으로써 에너지 시스템들에 관한 철저한 조사들을 수행하였고; 그럼으로써 해결되어야 할 문제들이 드러났다. 본 발명자들은 각각의 스테이지에서의 효율을 개선시키고; 에너지 발생/추출과 에너지 공급을 분리시키고; 이들 과정을 분리하여 최적화하는 방식들을 개발하였다. 이것은 최대 에너지 이용 점을 찾고 추적하는 실제적인 방식을 달성하였다. 일부 실시예에서, 전기 주파수는 시변일 수 있다.
MEUP 추적 기술들은 발전기를 최대에 가까운 전력 발생에서 동작시키고; 발생된 모든 최대 전력을 효과적으로 추출하는 발명된 과잉 에너지 추출 디바이스들을 포함하고; 과잉 에너지를 설계된 에너지 저장소들 내에 임시로 저장하고; 추출기로부터의 에너지와 저장소로부터의 에너지를 조합하는 발명된 디바이스들을 추가하고; 부하 수요를 정확히 만족시키기 위해 알맞은 양의 전력을 전달한다.
그렇게 하는데 있어서, 여기에 설명된 원리들은 에너지 시스템들에 대한, 특히, 태양열, 바람, 조류, 또는 파 움직임과 같은 시변 세기의 특성들을 갖는 재생가능한 에너지 소스들로부터 전기로 변환하는 그린 에너지 시스템에 대한 최대 에너지 이용 해결책의 실제적인 최적화를 달성함으로써; 최대 에너지 이용 점 추적(MEUPT)을 달성한다.
본 요약은 청구된 주제의 주요 특징들 또는 필수적 특징들을 확인하려는 것도 아니고, 청구된 주제의 범위를 결정하는 도움으로서 사용되고자 하는 것도 아니다.
위에 열거된 장점들 및 특징들과 다른 장점들 및 특징들이 이해될 수 있는 방식을 설명하기 위해서, 다양한 실시예들의 보다 구체적인 설명이 첨부 도면을 참조하여 이루어질 것이다. 이들 도면은 단지 실시예들을 예시하고 그러므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되지 않는다는 것을 이해하면서, 실시예들은 첨부 도면의 사용을 통해 추가적인 전문성 및 상세로 기술되고 설명될 것이다.
도 1a는 종래의 에너지 시스템의 블록도를 상징적으로 도시하고;
도 1b는 여기에 설명된 원리들에 따른 에너지 시스템의 블록도를 상징적으로 도시하고;
도 1c는 에너지 시스템의 일반적인 컴포넌트들의 블록도를 상징적으로 도시하고;
도 2a 내지 2c는 각각 시간의 함수로서, 상이한 부하 수요들 하에서 DC/AC 인버터에 의해 추출된 DC 발전기의 전류, 전압, 및 전력을 상징적으로 도시하고;
도 3a 내지 3c는 각각 시간의 함수로서, 상이한 부하 수요들 하에서 펄스 폭 변조기(PWM) 에너지 추출기에 의해 추출된 DC 발전기의 전류, 전압, 및 전력을 상징적으로 도시하고;
도 4는 여기에 설명된 원리들에 따라 DC/AC 인버터의 에너지 추출로부터 남은 과잉 전력을 추출하는 메커니즘을 상징적으로 도시하고;
도 5는 여기에 설명된 원리들에 따라 PWM 에너지 추출기의 추출로부터 남은 과잉 전력을 추출하는 제안된 메커니즘을 상징적으로 도시한다.
섹션 1: 에너지 시스템에 관한 검토
에너지 시스템(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이 이후에 설명되는, 발전기(들)(1100), 조절기(들)(1200), 부하들(1300); 및 그 모든 그들의 모듈(들)로 구성된다. 도 1a는 종래의 에너지 시스템 블록도를 도시하는 반면; 도 1b는 여기에 설명된 원리들에 따른 에너지 시스템의 블록도 구조를 도시한다. 어떤 서브시스템의 효율은 이 서브시스템의 출력 나누기 이전의 서브시스템의 출력으로서 여기에 정의된다. 전형적인 예로서, 조절기 효율은 도 1c에 도시된 바와 같이, 부하에 전달된 에너지, Ec 나누기 발전기에 의해 발생된 에너지, Eg로서 정의된다. 도 1에 도시된 모듈들의 명칭들은 다음과 같이 리스트된다: 1000: 에너지 시스템, 1100: 발전기, 1200: 제어기 또는 조절기, 1210: 종래의 에너지 추출 디바이스, 1223: 전력 준비 조절기, 1225: 전력 전달 조절기, 1230: 과잉 조절기, 1233: 과잉 추출/이용 디바이스, 1233A: 능동 과잉 추출기, 1233B: 수동 과잉 추출기, 1233C: 공급 조절기, 1233D: 에너지 조정 조절기, 1235: 에너지 저장소, 1240: MPPT, 1300: 부하, 1310: 램프들, 1320: 펌프들, 1330: 사무 기기, 1340: 기기, 및 1350: 에어-컨디셔너.
도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 에너지 시스템(1000)은 (1) 주 에너지를 전력으로 변환하는 적어도 하나의 전기 발전기(1100); (2) 1200의 모듈들(1210 내지 1240)을 통해 전체 에너지 시스템의 모든 요구된 관리 기능들을 조절하는 제어기 서브시스템(1200)(또한 "에너지 관리 서브시스템" 또는 "조절기"라고 함)을 포함한다. 이들 관리 기능은 전력 발생(1100)의 조절, 종래의 에너지 추출 디바이스(1210), 에너지를 준비하여(모듈 1223) 부하에 전달하는(모듈 1225) 모듈(1220), 및 나중에 설명되는 다른 중요한 기능들을 포함한다. 제어기 서브시스템(1200)은 또한 MPPT(1240)와 같은 다른 기능 모듈을 포함할 수 있다. 부하(1300)는 (a) 램프(들)(1310); (b) 물 펌프(들)(1320); (c) 금전 등록기(들), 타이프 라이터(들), 및 컴퓨터(들)와 같은 사무 기기(1330); (d) 냉장고(들), 선풍기(들), 토스터(들)와 같은 기기(들)(1340), 및 (e) 에어-컨디셔너(들)(1350)와 같은 발생된 전기를 사용하는 다양한(저항성 및/또는 유도성) 기기 중 하나 또는 조합으로 구성된다. 부연하면, 에너지 시스템(1000)은 발전기(들)(1100), 조절기(들)(1200), 부하들(1300); 및 그 모든 그들의 모듈(들)로 구성된다.
전기 발전기는 (석탄, 기름, 천연 가스, 원자력 등과 같은) 주 에너지 소스로부터의 에너지를 전기로 변환하는 디바이스이다. 그린 발전기는 태양열, 바람, 조류, 또는 파 움직임을 포함하는 주 에너지 소스들로서 재생가능한 자연 에너지를 이용하여 전기를 발생한다. 이들 주 에너지 소스는 전형적으로 큰 시변 에너지 크기와 연관되고; 시변 최대 전력 발생 점(MPPP) 전압을 달성한다. 상업적 그린 에너지 시스템들은 전형적으로 MPPP 전압을 추적하는 (서브시스템(1200) 내의 모듈과 같은) MPPT(1240)를 포함한다.
에너지 발전기의 표준 효율은 (표준 주 전력 입력 하에서의) 그것의 최대 전력 발생의 값 나누기 주 전력 입력으로서 정의된다. 그러나 시변 전력의 주 소스들을 사용하면, 발전기의 효율은 또한 시변이고; (순간적 주 전력 입력 하에서의) 순간적 최대 전력 발생 나누기 대응하는 순간적 주 전력 입력과 동일한 순간적 효율 값으로서 정의된다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 제어기(또는 에너지 관리의 서브시스템, 또는 조절기라고 함)(1200)는 발전기(1100)에서 발생된 에너지를 추출하는 디바이스(1210)를 포함한다. 제어기(1200)는 또한 전기를 준비하고(모듈(1223)) 전력을 부하들(1300)에 전달하는(모듈(1225)) 디바이스(1220)를 포함한다. 여기서 모듈(1223)은 그러므로 "전력 준비 조절기"라고 하고; 모듈(1225)은 "전력 전달 조절기"하고 한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 제어기 효율은 부하에 의해 소비된 에너지 더하기 저장된 에너지 나누기 발전기에 의해 발생된 에너지로서 정의된다. 그것은 또한 시스템이 나중의 사용을 위해 과잉 에너지를 유지하는 에너지 저장소 없이 설계될 때 ((디바이스(1210)의 전력 추출 효율)×(디바이스(1220)의 전력 전달 효율))과 동일하다. "에너지 이용 효율"은 또한 동일한 방식으로 정의되고, 제어기 효율과 동일하다.
디바이스(1210)의 전력(에너지) 추출 효율은 MPPT 실행에 따를 때, 디바이스(1210)로부터의 전력 출력의 순간 값 나누기 발전기(들)에서 발생된 최대 전력으로서 정의된다. 디바이스(1210)에 의해 픽업(추출)되지 않은 어떤 발생된 전력은 디바이스(1210)의 무효성에 기여한다. 디바이스(1220)의 전력(에너지) 전달 효율은 부하들에 전달되어 부하들에 의해 소비된 1220의 전력 출력의 순간 값 나누기 디바이스(1210)의 전력 출력으로서 정의된다.
에너지 전달 효율은 부하 수요가 없을 때 0이고; 에너지 추출 효율은 에너지 저장소가 없는 설계들에 대해 부하 수요가 없을 때 또한 0이라는 점에 주목한다. 그러므로, 부하 수요 및 에너지 저장소 용량은 에너지 전달 효율에 영향을 줄 수 있고; 에너지 추출 효율에 영향을 줄 수 있다. 이 사실은 전력 추출, 준비, 및 전달이 전력 수요와 밀접하게 관련된다는 것을 보여준다. 따라서, MPPT 실행 단독으로는 에너지 시스템으로부터 최대 에너지 이득을 유도해내지 못한다.
더 자세히 말하면, (물 펌프(들)와 같은) 일부 유형들의 부하들은 매우 좁은 동작 전력 범위를 갖고; 전력 발생과 소비의 전체적 불일치가 발생할 때 전력 시스템 파손을 발생시킬 수 있다. 전달 전력이 전력 수요의 하한선 아래일 때, 부하는 기능하는 것을 중지할 수 있고, 부하 수요로부터 갑자기 분리될 것이다. 예를 들어, 공급 전력이 물 펌프 동작의 하한선보다 낮을 때, 펌프는 곧 펌핑을 중지하고, 부하 수요로부터 갑자기 분리되고, 그럼으로써 발생된 에너지가 낭비된다. 반대로, 전달된 전력이 최대 전력 수요 범위보다 높을 때, 전력의 일부가 에너지 추출 디바이스(1210)에 의해 픽업되지 않을 것이고 에너지의 일부가 낭비되거나; 부하 분리가 일어난다. 상기 상황들은 발전기가 그것의 MPPP 전압에서 동작되는지 여부와 관계없이 일어날 수 있다. 상기 전력 불일치 상황들은 실제적이고; 태양열 가동 물 펌프 시스템들을 포함하는 그린 에너지 시스템들에서 통상적이고 자주 일어난다.
도 1a에 도시된 에너지 시스템에 관한 상기 분석들은 (1) 부하의 전력 수요는 에너지 전달 효율 및 또한 에너지 추출 효율에 상당히 영향을 줄 수 있고; (2) 그러므로, 부하의 전력 수요는 또한 제어기 효율, 이들 2개의 효율의 곱에 영향을 줄 수 있고; (3) 최대 제어기 효율의 동작 점은 MPPT 동작과 일치하지 않을 수 있고; (4) 블라인드 MPPT 형태는 에너지 이득의 최대 양이 에너지 시스템으로부터 유도되는 것을 보장하지 않고; 가장 중요하게는, (5) 에너지 시스템으로부터의 에너지 이득(이용)을 최적화하기 위해서, 에너지 추출을 에너지 전달과 분리시키고; 에너지 발생/추출과 에너지 준비/소비를 분리하여 최적화하는 것이 필요하지만; 에너지 및 전하 보존 법칙들에 따른다는 것으로 요약될 수 있다.
섹션 2: 본 발명 및 영향들
도 1b에 도시된 바와 같이, 여기에 설명된 원리들에 따른 에너지 시스템 실시예는 에너지 저장소(1235)와 함께 동작하는 디바이스(1233)을 포함하는 디바이스(1230)를 추가한다. 여기서 디바이스(1230)는 "과잉 조절기"라고 하고; 디바이스(1233)는 과잉 추출/이용 디바이스라고 한다. 디바이스(1233)는 4개의 모듈들(1233A, 1233B, 1233C, 및 1233D)을 포함하고; 그들의 기능들 및 효과들이 설명될 것이다. 적절히 설계될 때, 디바이스(1230)는 에너지 추출 동안 과잉 에너지를 선택적으로 저장하고, 에너지 전달 동안 부하에의 공급-전력을 향상 또는 감소시킬 수 있고; 그것은 또한 전력 불일치를 원할하고 효과적으로 처리할 수 있다.
자세히 설명하면, 디바이스(1233)는 오랜 시간 기간에 걸쳐 에너지 추출 과정 동안 가용한 과잉 에너지의 최대 양을 에너지 저장소(1235) 내에 선택적으로 저장할 수 있다. 과잉 에너지는 발전기(들)에 의해 발생되지만 종래의 에너지 추출 디바이스(1210)에 의해 픽업되지 않은 에너지로서 정의된다. 그러므로, 디바이스(1233)는 부하 분리가 일어날 때에도, 발전기로부터 에너지의 최대 양을 추출하는 데 에너지 관리 서브시스템(1200)에 도움을 준다. 도 1b의 이 실시예는 과잉 에너지를 유용하게 하고 에너지 추출 효율을 상당히 개선시킨다.
저장소(1235) 내에 저장된 에너지를 사용하여, 디바이스(1233)는 또한 준비 모듈(1223) 내로 요구된 불충분한 에너지를 선택적으로 제공할 수 있으므로; 1220의 전달 모듈(1225)은 추출된 전력 또는 심지어 발생된 전력보다 큰 부하 수요를 만족시키기 위해 전력을 전달할 수 있다. 이것은 높은 부하 수요의 기간들을 통해 원할하고 효과적으로 브리지하기 위해 에너지-공급 향상을 이룬다. 그러므로, 여기에 설명된 원리들은 부하 분리의 빈도를 감소시키고 에너지 전달 효율을 상당히 개선시킬 수 있다. 여기에 설명된 원리들은 발생이 없을 때 저장된 과잉 에너지를 통해 전력 공급 시간을 또한 연장시키고; 특히 24시간 기간 중에 흐리거나 밤-시간 조건들의 시간들을 견뎌야 하는 태양 에너지 시스템에 대해; 에너지 이용의 양을 증가시킬 수 있다.
요약하면, 종래의 설계는 과잉 에너지를 선택적으로 픽업하고, 알맞은 양의 전달 에너지를 조정하고/하거나, 알맞은 양의 에너지가 순간적 부하 수요를 정확히 만족시키기 위해 전달되도록 불충분한 에너지를 제공하는 디바이스(1230) 및 그것의 모듈들로 구성되지 않는다. 따라서, 종래의 설계는 여기에 설명된 최대 에너지 이용의 이득이 부족하다. 종래의 시스템과 여기에 설명된 원리들에 따른 시스템 간의 분명한 차이는 도 1a와 1b의 블록도들을 비교함으로써 알 수 있다.
여기에 설명된 원리들로, 전력 발전기로부터 추출된 전력은 종래의 디바이스(1210)에 의해 추출된 전력과 추가된 디바이스(1230)에 의해 추출된 과잉 전력의 조합이다. 아래에 더 설명되는 바와 같이, 여기에 설명된 원리들은 또한 2개의 추출된 전력의 합을 발생된 전력에 매우 가깝게 할 수 있는 메커니즘들을 제시한다. 그러므로, 디바이스들(1210 및 1230)에 의해 소비된 에너지를 무시한다면, 실시예들의 에너지 추출 효율은 대략 100%일 수 있다.
또한 여기에 설명된 원리들로, 디바이스(1230)는 발전기 및 저장소로부터의 가용한 에너지를 조합하고; 순간적 부하 수요를 거의 정확하게 만족시키기 위해 알맞은 양의 전력을 제공하는 데 있어서 디바이스들(1223 및 1225)(디바이스(1220)의 모듈들)을 지원하기 위해 디바이스들(1233)(디바이스들(1233A, 1233B, 1233C, 및 1233D))의 모듈들에 의해 제공된 관리 기능들을 통해 추출된 전력을 조절할 수 있다. 그러므로, 디바이스(1230)는 에너지 발생을 에너지 소비(이용)와 분리시키는 능력을 또한 제공할 수 있다.
아래에 더 설명되는 바와 같이, 여기에 설명된 원리들은 디바이스(1220)의 출력 전력이 순간적 전력 수요를 거의 정확하게 만족시킬 수 있도록; 전력을 디바이스(1220)의 알맞은 양의 입력 전력에 매우 가깝게 할 수 있는 메커니즘들을 제공한다. 그러므로, 디바이스들(1220 및 1230)에 의해 소비된 에너지를 무시하면, 실시예들의 에너지 전달 효율은 또한 100%에 접근할 수 있다. 그래서, 여기에 설명된 원리들은 에너지 저장소(1235) 및 디바이스(1233B)와 함께 동작하는 관리 기능 모듈들(1233A, 1233C 및 1233D)을 통해 전력 발생과 소비를 분리시켜서; 에너지 발생, 추출, 및 에너지 전달을 독립적으로 최적화하는 능력을 가져다 준다.
요약하면, 여기에 설명된 원리들에 따르면, 디바이스(1230)가 적절한 임시 저장소들 내에 과잉 전력을 선택적으로 저장하기 위해 추가되고; 그 디바이스(1230)는 에너지 추출을 이론적으로 100%로 개선시킬 수 있다. 추가된 디바이스(1230); 구체적으로, 그것의 모듈들(1233C 및 1233D)은 또한 발전기(1100)로부터 추출된 에너지와 저장소들((1235) 및 디바이스(1233B)) 내의 에너지를 알맞은 양의 에너지로 선택적으로 조합하고; 다음에 이 알맞은 양의 전력을 디바이스(1223)로의 입력으로서 전달하므로, 디바이스(1225)의 출력 전력은 부하 수요를 거의 정확하게 만족시킬 수 있다. 이것은 에너지 공급 효율을 이론적으로 100%로 개선시킬 수 있다. 그러므로, 여기에 설명된 원리들은 에너지 발생, 추출, 및 전달을 분리시켜서 그들의 효율들을 독립적으로 최적화할 수 있다.
요약하면, 에너지 보존의 법칙에 따르는 것을 가정하면, 부하에 의한 순간적 전력 소비는 전형적으로 임의의 에너지 시스템 내의 전력 발생과 동일하지 않다. 디바이스(1230)가 없으면; 전력 수요가 (발생, 추출, 준비, 및 전달된 전력의 용량으로서 정의된) 용량보다 클 때, 그것은 부하 분리를 야기할 수 있고 에너지 이용 효율을 상당히 감소시킬 수 있다. 반면에, 용량이 전력 수요보다 클 때, 추출되지 않거나 전달되지 않은 남은 전력이 발생할 수 있어서; 에너지 전달(이용) 효율을 감소시킨다.
디바이스(1233)를 포함하는 디바이스(1230)를 추가함으로써, 본 발명은 알맞은 양의 과잉 에너지를 선택적으로 임시로 저장하고/하거나; 순간적 전력 용량 또는 심지어 발생된 전력보다 높거나 낮은 양들로 전력 수요를 정확하게 만족시키기 위해 알맞은 양의 에너지를 제공할 수 있다. 이것은 위에 설명된 문제들을 효과적으로 경감하고 또한 임의의 에너지 시스템으로부터 최대 에너지 이득을 유도한다.
섹션 3: 종래의 에너지 추출기들에 관한 검토
종래의 에너지 추출 디바이스들은 DC/AC 인버터들 및 펄스 폭 변조(PWM) 에너지 추출 디바이스를 포함한다. 본 섹션은 이들 2개의 전형적인 종래의 에너지 추출기들을 조사하여 그들의 무효성 및 비효율의 근본 원인을 알아낸다.
일반성을 손실하지 않고서, 주 에너지 소스는 수 초 동안 (일정한 발전기의 전력 발생을 갖는) 일정한 세기로 유지할 수 있다. 첫번째 검토 경우로서, 발생된 전력은 일정한 값, 즉 DC 전류 I1, DC 전압 V1에 있고, 그러므로 DC 전력 P1 = V1 * I1*pf(여기서 pf는 DC의 경우에 1이다)인 반면; 추출된 에너지는 대부분의 대형 PV 태양열 발전소들에서와 같이, 통상적인 "50 - 60Hz의 순수한 정현 DC/AC 인버터"에 의해 나타내진다. 이 첫번째 검토 경우가 이제 다음과 같이 상세히 고찰될 것이다.
도 2a에 도시한 바와 같이; 발전기 출력의 전류는 곡선(2101); I1의 일정한 DC 전류로서 표시되는 반면, 3개의 상이한 부하-수요 경우들에 대한 3개의 전류 추출들을 특징으로 하는 1/4 사이클 단일 위상 코사인-파 AC 인버터의 3개의 전형적인 추출된 전류들(손실은 무시; 입력 = 출력)은 I2*cos(ωt)의 곡선(2102), I3*cos(ωt)의 곡선(2103), 또는 I4*cos(ωt)의 곡선(2104)으로서 표시된다. 전하 보존 법칙은 단지 I1 > I2, I1 > I3, 및 I1 > I4를 가능하게 한다. 4개의 평균된 전류들은 각각 I1, (2/π)*I2, (2/π)*I3, 및 (2/π)*I4이고, 여기서 π= 3.1416이다.
도 2b에 도시한 바와 같이; 발전기 출력의 전압은 곡선(2201); V1의 일정한 DC 전압으로서 표시되는 반면, 3개의 상이한 부하-수요 경우들에 대한 3개의 전압 추출들을 나타내는 1/4 사이클 단일 위상 코사인-파 AC 인버터의 3개의 전형적인 추출된 전압들(손실은 무시; 입력 = 출력)은 V2*cos(ωt)의 곡선(2202), V3*cos(ωt)의 곡선(2203), 또는 V4*cos(ωt)의 곡선(2204)으로서 표시된다. 에너지 및 전하 보존 법칙들은 단지 V1 > V2, V1 > V3, 및 V1 > V4를 가능하게 한다. 4개의 평균들은 각각 V1, (2/π)*V2, (2/π)*V3, 및 (2/π)*V4이다.
도 2c에 도시한 바와 같이; 발전기 출력의 전력은 곡선(2301); P1의 일정한 DC 전력으로서 표시되는 반면, 3개의 상이한 부하-수요 경우들에 대한 3개의 전력 추출들을 나타내는 1/4 사이클 단일 위상 코사인-파 AC 인버터의 3개의 전형적인 추출된 전력들(손실은 무시; 입력 = 출력)은 P2*cos(ωt)*cos(ωt)*pf의 곡선(2302), P3*cos(ωt)*cos(ωt)*pf의 곡선(2303), 또는 P4*cos(ωt)*cos(ωt)*pf의 곡선(2304)으로서 표시된다. pf는 부하의 전력 팩터이다. 에너지 보존 법칙은 단지 P1 > P2, P1 > P3, 및 P1 > P4를 가능하게 한다. pf=0.75 (조절 요구된 pf >0.7)으로 하면, 4개의 평균된 전력은 각각 P1, 0.375*P2, 0.375*P3, 및 0.375*P4이다.
이 순수 정현 인버터에 의해 발전기로부터 추출된 에너지의 비율은 에너지 추출기의 평균된 전력 출력 나누기 발생된 전력의 평균이다. 상이한 부하-수요 경우들을 특징으로 하는 이들 3개의 나타내진 전형적인 추출들의 에너지 비율들은 각각 곡선(2302)에 대해 0.375*P2/P1, 곡선(2303)에 대해 0.375*P3/P1 및 곡선(2304)에 대해 0.375*P4/P1이다. 그러므로, 이 전력 추출기에 대한 에너지 추출 효율은 P1=P2의 극도로 선호하는 경우를 취하여도, 0.375보다 클 수 없고; 그렇지 않으면, 에너지 추출 효율은 더 낮은 값일 것이다.
상기 분석들로부터 결론을 내리면: (1) 대부분의 "대형 PV 태양열 발전소들"에서 사용되는 종래의 전력 추출기에 대해, DC/AC 인버터는 단지 태양열 패널들, 태양열 전력 발전기(들)에 의해 발생된 태양열-전력의 37.5% 미만(편의상 이후에 < 40%라고 하자)만 추출할 수 있고; (2) 디바이스(1233) 및 에너지 저장소(1235)를 포함하는 적절히 설계된 과잉 에너지 추출 디바이스(1230)로, 여기에 설명된 원리들은 에너지 추출을 종래의 인버터보다 2배보다 훨씬 많은 만큼 개선시킬 수 있다.
다음의 서브섹션은 다른 전형적인 종래의 에너지 추출기, PWM 에너지 추출 디바이스를 고찰한다. 일반성을 손실하지 않고서, 주 에너지 소스는 수 초 동안 (일정한 발전기의 전력 발생을 갖는) 일정한 세기로 유지할 수 있다고 또한 가정한다. 발생된 전력은 일정한 값(즉 DC 전류 I1, DC 전압 V1에 있고 그러므로 DC 전력 P1 = V1 * I1)인 반면 에너지는 종래의 PWM 추출기에 의해 추출된다. 이 경우는 다음과 같이 고찰될 수 있다.
도 3a에 도시한 바와 같이; 발생된 전류는 곡선(3101); I1의 일정한 DC 전류로서 표시되는 반면, 손실을 무시하면(입력 = 출력) 3개의 상이한 부하-수요 경우들을 나타내는 전형적인 PWM 에너지 추출기의 3개의 예시적인 전류들은 진폭 I2 및 δ2의 듀티 팩터를 갖는 곡선(3102), 진폭 I3 및 δ3의 듀티 팩터를 갖는 곡선(3103), 및 진폭 I4 및 δ4의 듀티 팩터를 갖는 곡선(3104)으로서 표시된다. 전하 보존 법칙은 단지 I1 > I2, I1 > I3, 및 I1 > I4를 가능하게 한다. 4개의 평균된 전류들은 각각 I1, δ2*I2, δ3*I3, 및 δ4*I4 이다.
도 3b에 도시한 바와 같이; 발생된 전압은 곡선(3201); V1의 일정한 DC 전압으로서 표시되는 반면, 손실을 무시하면(입력 = 출력) 3개의 상이한 부하-수요 경우들을 나타내는 PWM 에너지 추출기의 3개의 예시적인 전압들은 진폭 V2 및 δ2의 듀티 팩터를 갖는 곡선(3202), 진폭 V3 및 δ3의 듀티 팩터를 갖는 곡선(3203), 및 진폭 V4 및 δ4의 듀티 팩터를 갖는 곡선(3204)으로서 표시된다. 에너지 및 전하 보존 법칙들은 단지 V1>V2, V1>V3, 및 V1>V4를 가능하게 한다. 4개의 각각의 평균-전압들은 각각 V1, δ2*V2, δ3*V3, 및 δ4*V4이다.
또한 도 3c에 도시한 바와 같이; 발생된 전력은 곡선(3301); P1= = V1*I1의 일정한 DC 전력으로서 표시되는 반면, 손실을 무시하면(입력 = 출력) 3개의 상이한 부하-수요 경우들을 나타내는 PWM 에너지 추출기의 3개의 예시적인 전력들은 진폭 P2 = V2*I2*pf 및 δ2의 듀티 팩터를 갖는 곡선(3302), pf는 부하의 전력 팩터이고, 진폭 P3 = V3*I3*pf 및 δ3의 듀티 팩터를 갖는 곡선(3303), 및 진폭 P4 = V4*I4*pf 및 δ4의 듀티 팩터를 갖는 곡선(3304)으로서 표시된다. 에너지 보존 법칙은 단지 P1 > P2, P1 > P3, 및 P1 > P4를 가능하게 한다. 4개의 평균-값들은 각각 P1, δ2*P2*pf, δ3*P3*pf, 및 δ4*P4*pf이다.
PWM 에너지 추출 디바이스에 의해 발전기로부터 추출된 에너지의 비율은 에너지 추출기의 평균된 전력 출력 나누기 발생된 전력의 평균이다. 이들 나타내진 3개의 전형적인 추출들의 에너지 비율들은 각각: 곡선(3302)에 대해 δ2*pf*P2/P1, 곡선(3303)에 대해 δ3*pf *P3/P1 및 곡선(3304)에 대해 δ4*pf*P4/P1 이다. 그러므로 PWM 에너지 추출기에 대한 에너지 추출 효율은 P1=P2 및 δ2 = 0.8 (0.3 내지 0.8의 전형적인 상부 듀티 팩터임)인 극도의 경우를 취하고 또한 pf = 0.75를 취하면, 0.6보다 클 수 없다. 그렇지 않으면, P1 > P2 경우는 에너지 추출 효율을 훨씬 더 낮게 할 것이고; 또한 (낮은 전력 발생 또는 낮은 부하-수요의 경우들에서) 듀티 팩터가 낮을수록 에너지 추출 효율은 떨어진다.
상기 분석된 바와 같이: (1) 대부분의 "태양열 전력 가로등들"에서 사용되는 종래의 전력 추출기, PWM 디바이스는 단지 태양열 패널들에 의해 발생된 태양열-전력의 60% 미만만 추출할 수 있고; (2) 추출기(1233) 및 저장소(1235)를 포함하는 적절히 설계된 과잉 에너지 추출 디바이스(1230)로, 여기에 설명된 원리들은 에너지 추출을 종래의 PWM 추출기보다 적어도 1.5배 만큼 개선시킬 수 있다. 본 섹션은 종래의 추출기들을 사용하는 데 있어서 그들의 무효성 및 비효율의 근본 원인을 분명히 보여준다.
섹션 4: 완벽한 에너지 추출을 위한 제안된 메커니즘들
발전기로부터 과잉 에너지의 대부분의 양들을 추출하기 위해, 디바이스(1233)를 설계하는 3가지 방식들이 있고, 여기서 과잉 에너지는 종래의 추출 디바이스(1210)로부터 남은 에너지이다. 3가지 방식들은 여기서 능동 방식, 수동 방식, 및 이 둘의 조합 방식으로서 참조된다. 여기서 디바이스(1230)는 "과잉 조절기"라고 하고 디바이스(1233)는 "과잉 코어-조절기"라고 한다. 예를 들어, 디바이스(1210)가 "순수한 정현 DC/AC 인버터"인 경우에, 여기에 설명된 원리들은 그것의 위상이 제1 인버터(1210) 상으로 로크된 또 하나의 90도 이상(out-of-phase) 인버터(1233A)를 추가하는 것을 제안한다. 1233A 모듈은 여기서 "능동 과잉 추출기"라고 한다.
자세히 설명하면, 도 4는 이 개념을 개략적으로 도시하고; 곡선(4101)은 발생된 DC 전력 P1을 나타낸다. 종래의 에너지 추출기, 인버터(1210)에 의해 추출된 전력은 전력 추출된 P2*cos(ωt)*cos(ωt)를 나타내는 곡선(4102)으로서 표시된다. 곡선(4120)은 90도 이상(out-of-phase) 로크된 다른 인버터(1233A)에 의해 추출된 전력, 즉 P2*sin(ωt)*sin(ωt)를 나타낸다. cos(ωt)*cos(ωt) + sin(ωt)*sin(ωt)는 1과 완전히 동일하다는 점에 주목한다. 그러므로, 2개의 디바이스들(1210 및 1233A)에 의해 추출된 총 전력은 도 4에 도시된 바와 같이 정확히 P2이다.
P2 = P1일 때, 이들 조합된 디바이스들의 총 에너지 추출 효율은 100%로 완벽하다. P2 < P1일 때, 조합된 추출로부터 남은 전력의 일부 일정한 양 (P1-P2)이 여전히 있다. 이 일정한 남은 전력은 다음에 이론적으로 완벽한 추출에 도달하기 위해 정합된 용량성/패러데이 디바이스(1233B)에 의해 효과적이고 쉽게 추출될 수 있다. 1233B는 여기서 "수동 과잉 추출기"라고 한다. 용량성/패러데이 디바이스(1233B)는 에너지 저장소(1235)의 일부일 수 있지만; 도 1b는 그것의 구별된 기능을 강조하기 위해 그것을 분리된 것으로 도시한다. 디바이스들(1233 및 1210)의 추출의 조합으로, 이론적으로 모든 발생된 에너지를 추출할 수 있다.
디바이스(1210)가 PWM 에너지 추출기인 경우에, 본 발명은 그것의 위상이 제1 인버터(1210) 상으로 로크된 또 하나의 이상(out-of-phase) PWM 에너지 추출기(1233A)를 추가하는 것을 제안한다. 도 5는 이 개념을 개략적으로 도시한다. 곡선(5101)은 발생된 DC 전력, P1을 나타낸다. PWM(1210)에 의해 추출된 전력은 진폭 P2 및 듀티 팩터 δ2를 갖는 추출된 전력을 나타내는 곡선(5102)으로서 표시된다. 곡선(5102)은 제1 추출기(1210)와 이상(out-of-phase)이 되도록 위상 로크된 다른 PWM(1233A)에 의해 추출된 전력을 나타내고, 추출된 전력은 진폭 P2 듀티 팩터 (1-δ2)를 갖고 곡선(5102)에 대해 이상(out-of-phase)이 된다. 총 조합된 추출된 전력은 다음에 도 5에 도시된 바와 같이 정확히 P2이다.
P2 = P1일 때, 이들 2개의 조합된 디바이스들의 총 에너지 추출 효율은 100%로 완벽하다. P2 < P1일 때, 조합된 2개의 전력 추출 디바이스들(1210 및 1233A)로부터 남은 일정한 전력 (P1-P2)이 있다. 이 일정한 남은 전력은 완벽한 추출에 도달하기 위해 정합된 용량성/패러데이 디바이스(1233B)에 의해 효과적이고 쉽게 추출될 수 있다. 용량성/패러데이 디바이스는 에너지 저장소(1235)의 일부일 수 있지만; 도 1b는 그것의 구별된 기능을 강조하기 위해 그것을 분리된 것으로 도시한다. 추출 디바이스들(1233 및 1210)의 조합으로, 또한 이론적으로 모든 발생된 에너지를 추출할 수 있다.
상이한 전력 발생과 부하 수요는 수동 과잉 추출기(1233B)에 의해 완벽하게 픽업될 상이한 잔여 전력(즉, (P1-P2))을 발생시킬 것이다. 다행히도, 실제로, 에너지 시스템은 잔여 과잉 전력의 대부분의 양들을 수동적으로 추출하기 위해 정확한 정합 용량성/패러데이 디바이스(1233B)를 필요로 하지 않는다. 기본적인 전기적 설계 기술들을 연습함으로써, 잔여 과잉 전력의 대부분의 양들을 수동적으로 추출하기 위해 필요한 용량성/패러데이 디바이스에 대한 양호한 설계들을 제조할 수 있다. 그러나, 발전기 동작 전압은 다음에 MPPP 전압으로부터 최대 전력 추출(추출기들(1210, 1233A, 및 1233B)에 의해 추출된 모든 전력을 합산)을 유도하는 새로운 전압으로 수동적으로 시프트될 것이다. 실제로, 이 새로운 전압은 전형적으로 MPPP 전압 근방에 있다. 바꾸어 말하면, 여기에 설명된 원리들을 구현한 시스템의 발생/추출의 서브시스템은 추출된 전력의 합을 최대화하기 위해 MPPP 근처의 전압에서 여전히 동작할 수 있고; 동시에 최대에 가까운 전력을 발생한다.
섹션 5: 종래의 에너지 전달 관리들에 관한 검토
본 섹션은 종래의 에너지 전달(공급) 관리들을 고찰한다. 에너지가 발전기로부터 추출된 후에, 에너지 시스템은 에너지를 조절/준비하고; 다음에 소비를 위해 부하(1300)에 에너지를 전달할 필요가 있다. 이 과정은 여기서 "에너지 공급"이라고 하거나; "에너지 전달"이라고 하는 것이 선호된다.
에너지 전달(공급) 관리에서 첫번째 중요한 문제는 과부하 전력 수요로부터 에너지 시스템을 보호하는 것이다. 두번째는 에너지 시스템을 부하 분리에 의한 손상으로부터 보호하는 것이다. 바꾸어 말하면, 순간적인 전력 수요는 그것의 설계된 최대 전달 전력 용량(다음 절에서 정의됨)을 초과하지 않아야 하고; 그렇지 않으면 부하는 분리될 수 있다. 또한, 에너지 전달 관리는 기기에의 손상, 특히 전자 장비들에의 손상을 방지하기 위해 어떤 갑작스런 부하 분리에 즉각 대처하여야 한다.
종래의 발전소의 순간적 최대 전력 공급 능력은 다음의 측정들을 통해 실험적으로 결정될 수 있다: (a) 순간적 최대 전력 발생 P1*를 측정하고; (b) 순간적 최대 전력 추출 P2*를 측정하고; 이 전력 P1*은 측정된 P2*<P1*를 발생하기 위해 디바이스(1210)를 통해 가고; (c) 순간적 최대 전달 전력 P3*를 측정하고; 이 전력 P2*는 측정된 P3*, P3* <P2* <P1*를 발생하기 위해 디바이스(1220)를 통해 간다. P3*는 이 발전소의 순간적 전력 전달 용량으로서 정의된다. 그것은 그 순간에 부하에 최대 가용한 전력이다. P1*가 그것의 설계된 최대 값에 도달할 때, 대응하는 P3*는 에너지 시스템의 "설계된 최대 전달 전력 용량"이라고 한다. (태양열 발전소와 같은) 그린 에너지 시스템 내의 P1*, P2*, 및 P3*의 값들은 시변이고; 또한 종래의 에너지 추출기(들)를 사용할 때 P2* << P1*라는 점에 주목한다.
측정된 1220 출력 전력 P3*를 알면, 발전소의 순간적 전력 공급 용량을 결정할 수 있다. 그러나, 부하 수요와의 긴밀한 결합으로 인해, 에너지 전달의 순간적 효율은 여전히 미지이다. 예를 들어, 부하(1300)가 전력 P3을 요구하고 P3이 P3*보다 적을 때; 디바이스(1220)는 부하에 전력 P3의 양을 전달할 수 있다. 이 경우에, 순간적 에너지 전달 효율은 부하 수요 P3 나누기 P2*이다. 그러나 부하 수요 P3이 순간적 전력 전달 용량 P3*보다 클 때, 디바이스(1220)는 그 전력 수요를 거절할 수 있고; 부하가 순간적 에너지 전달 효율을 0으로 설정하도록 분리된다.
불일치된 전력 (P3* - P3)의 양은 소비를 위해 부하에 전달될 수 없고; 이러한 불일치된 양들은 시스템에의 가열 전력으로 되어, 문제가 될 수 있다. 부하가 분리될 때, P3 = 0이다. 이 경우에, 가열 전력이 크면, P3*는 시스템의 회로 내로 바로 덤프된다. 이 큰 가열 전력은 시스템의 컴포넌트들; 발전기, 추출기, 또는 관리 장비들을 가열할 수 있다. 주 에너지 입력은 큰 진폭으로, 즉 0으로부터 소정의 큰 최대 값으로 시변일 수 있기 때문에; 그린 에너지 시스템의 순간적 전력 공급 용량, P3*는 또한 0으로부터 소정의 큰 최대 값으로 변화할 수 있다. 그러므로, 일정한 큰 부하 수요, P3은 자주 P3*보다 클 수 있고; 부하는 (에너지 이용 효율과 같은) 순간적 에너지 전달 효율을 0으로 설정하도록 에너지 공급과 분리된다. (태양열 물 펌프 발전기)와 같은 큰 일정한 부하 수요를 구동하도록 설계된 임의의 그린 에너지 시스템은 이 문제에 확실하고 일반적으로 직면할 것이다.
예를 들어, 태양광은 물의 펌핑 동안 큰 부하 수요를 구동하도록 설계된 태양열 가동 물 펌프 발전소들을 위한 주 에너지이다. 화창하고 맑은 날 중에, 태양열 패널들 상으로 전달된 태양광 플럭스의 양은 새벽에 0에서 시작한다. 플럭스는 단위 시간 당 태양열 패널들의 정해진 영역으로 전달된 광자들 통과의 총 양으로서 정의된다. 태양광은 새벽에 수평으로 비추고; 수평으로 장착된 태양열 패널들을 통과하지 않는다. 그러므로, 플럭스는 새벽에 0일 것이다. 태양광 플럭스는 (플럭스가 패널들의 표면 상으로 하향될 때) 정오까지 점차적으로 증가하여 그것의 큰 최대 전력 발생에 도달한다. 그 다음에, 태양광 플럭스는 정오에 점차적으로 감소하여 태양광이 다시 수평으로 비추는 태양이 지는 저녁에 0으로 복귀한다. 그러나, 이 예시적인 날에 일부 시간 기간 동안에 태양열 패널들 상으로 어두운 그림자가 드리워지는 짙은 구름들이 있을 수 있다. 그림자가 너무 어두워서 시스템이 가동 펌프를 유지하기에 적절한 전력을 제공하지 못할 때, 펌프는 부하를 분리한다. 이 발생된 전력은 큰 펌핑 부하를 구동하기에 충분하지 않을 수 있지만, 내부 전자 장비들을 상당히 손상시킬 수 있다. 여기에 설명된 원리들은 이 문제를 또한 다룬다.
다른 한편으로, 전력 공급 용량, P3*의 양이 부하 수요 P3보다 클 수 있고; 양 (P3* - P3) 전력은 부하에 전달하지 않는다. 이 과잉 에너지는 에너지 저장소가 없다면 낭비된다. 낭비된 에너지의 이 부분은 디바이스(1200)의 또 하나의 무효성으로서 간주될 것이다. 발전소의 자본 비용을 줄이기 위해, 전형적으로 큰 상업적 태양열 발전소는 에너지 저장소를 포함하도록 설계되지 않는다. 그러므로, 상기 분석의 상기 결론들은 실제적이고 통상적으로 사실적인 문제들을 나타낸다.
디바이스(1220)의 에너지 전달 효율을 평가하기 위해; 예로서, 일반적이고, 전형적이고, 실제적인 상황들을 나타내는 다음의 시나리오들을 연구해 보자. 120미터 수두를 갖는 물을 펌프하는 태양열 물 펌프 발전소가 있고, 각각 30미터 수두를 갖는, 4개의 중계 스테이지된 펌핑 세그먼트들로 구성된 것으로 가정한다. 4개의 펌프들은 동일한 가동 전력 정격 Pr, 및 동일하게 요구되는 기동 전력 Ps를 갖는다. 전형적으로 Ps > 3Pr이고, 일부 펌프들은 심지어 Ps > 7Pr을 요구한다.
먼저, 종래의 태양열 물 펌프 발전소 경우를 고찰해 보자. 이 태양열 물 펌프 발전소는 어느 한 특정한 맑고 화창한 날의 12개의 시간 기간들"을 만난다. 이들 12개의 기간은 다음과 같이 설명된다:
(1): 태양열 패널들(이후 태양열 발전소라고 함)은 새벽(즉 6 AM) 전에는 태양광 에너지 입력이 없기 때문에; P(t1)=0; 어떤 전기도 발생하지 않고; 전력이 발생되지 않고, 전력이 추출되지 않고, 전력이 전달되지 않고, 에너지가 이용되지 않는다. 에너지 이용은 0이다.
(2): 새벽(6 AM)부터 7 AM까지; 태양열 발전소는 태양열 전력 P1*를 발생하고, P2* 전력을 추출하고, 전력 공급 용량 P(t2) < Pr을 가지므로, 추출된 전력은 가동 펌프를 유지하기에도 충분히 강하지 않고 Pr; Pr=Vr*Ir, 여기서 Vr 및 Ir은 전압 정격 및 가동하는 펌프를 유지하는 데 요구되는 전류이다. DC/AC 인버터는 발생된 전력, P2* < 0.4P1*를 추출하는 데 사용되기 때문에, 전력 공급 용량 P(t2) = P2* (1220에서의 전력 손실은 무시)이고, P2* < Pr이다. 발전소는 P1*< 2.5Pr 전력을 발생하고, P2*< Pr 전력을 추출하고, 요구된 펌핑 전력보다 적은 전력 용량을 갖는다. 따라서, 추출된 전력은 발생된 태양열 전력을 소비하기 위해 부하로서 펌프를 결합하지 않고, 다시 0 에너지 이용으로 된다.
(3): 7AM부터 8AM까지, 태양열 발전소는 태양열 전력 발생을 증가시키고; ~ 2.5*1.3Pr 전력을 발생하고, ~1.3Pr 전력을 추출하고, P(t3) ~ 1.3 Pr까지 전력 공급 용량을 갖고, 이것은 하나의 가동 펌프를 유지하기에 충분하지만; 펌프를 기동시키기에는 충분히 강하지 않다(Ps, Ps=Vr*Is). 전형적으로 그것의 전압 정격에서 펌프를 기동시키는 데 > Ir의 3배 (Is > 3Ir) 걸린다는 점에 주목한다. 에너지 이용은 다시 0이다.
(4): 8 AM부터 10 AM까지, 태양열 발전소는 태양열 전력 발생을 증가시키고; ~ 2.5*2.9Pr 전력을 발생하고, ~2.9Pr 전력을 추출하고, P(t4) ~ 2.9 Pr까지 전력 공급 용량을 갖는다. 이것은 하나의 가동 펌프를 유지하기에는 충분히 강하지만; 펌프를 기동시키기에는 여전히 강하지 않다. 발전소는 발생된 태양열 전력을 소비하기 위해 부하로서 펌프를 결합할 수 없다. 에너지 이용은 다시 0이다.
(5): 10 AM부터 12 AM까지, 태양열 발전소는 태양열 전력 발생을 증가시키고; 발전소는 ~ 2.5*3.7Pr 전력을 발생하고, ~3.7Pr 전력을 추출하고, P(t5) ~ 3.7 Pr까지 전력 공급 용량을 갖는다. 이것은 하나의 펌프를 기동시키기에 충분히 강하다. 발전소는 단지 하나의 펌프를 기동시킬 수 있고; 발생된 전력을 소비하기 위해 펌프 부하를 결합한다. 에너지 이용은 이 시간 기간에서 단지 2*Pr이다.
(6): 갑자기 짙은 구름이 상공의 하늘의 부분을 가려서, 정오 ~30분 동안 태양열 패널들 상에 그림자가 드리워지는데, 이를 "그림자 캐스팅"이라고 한다. 전력 공급 용량 P(t6)은 Pr 아래로 급락하고; 시스템은 부하를 분리하고 이 기간에 전력 소비는 없다. 에너지 이용은 다시 0이다.
(7): 12:30 PM부터 2 PM까지, 그림자는 그것의 어두움을 점차적으로 감소시키어 2.5*2.9Pr로 태양열 전력을 발생시키고; 2.9Pr을 추출하고, P(t7) ~ 2.9 Pr까지 전력 공급 용량을 갖고; 이것은 하나의 가동 펌프를 유지하기에 충분히 강하지만; 펌프를 기동시키기에는 충분히 강하지 않다. 여전히 발전소는 발생된 태양열 전력을 소비하기 위해 부하로서 펌프를 결합할 수 없다. 에너지 이용은 다시 0이다.
(8): 2 PM부터 4 PM까지, 태양광은 태양열 전력 2.5*3.3Pr을 발생하기에 충분히 좋고; 3.3Pr를 추출하고, P(t8) ~ 3.3 Pr까지 전력 공급 용량을 갖고; 이것은 하나의 펌프를 기동시키기에 충분히 강하다(Ps>3Pr). 하나의 펌프가 기동되고; 발생된 태양열 전력을 소비하기 위해 결합된다. 에너지 이용은 단지 2*Pr이다.
(9): 4 PM 이후 5 PM까지, 태양열 발전소는 태양열 발전을 감소하고; 2.3Pr을 추출하고, P(t9) ~ 2.3 Pr까지 전력 공급 용량을 갖고; 이것은 가동 펌프를 유지하기에 여전히 충분하다. 발전소는 발생된 태양열 전력을 소비하기 위해 펌프 부하를 여전히 결합한다. 에너지 이용은 단지 1*Pr이다.
(10): 5 PM 이후 5:30 PM까지, 태양열 발전소는 발전을 감소하고; 1.1Pr을 추출하고, P(t10) ~ 1.1 Pr까지 전력 공급 용량을 갖고; 이것은 가동 펌프를 유지하기에 여전히 충분하다. 발전소는 발생된 태양열 전력을 소비하기 위해 펌프 부하를 여전히 결합한다. 에너지 이용은 0.5*Pr이다.
(11): 5:30 PM 이후 6 PM까지, 태양광은 부진하고, 발전소의 전력 발생은 위 아래로 변동하고, 전력 공급 용량 P(t11)은 또한 ~ 1.1 Pr에서 또는 Pr 아래에서 변동한다. 그것이 Pr 아래일 때, 발전기는 펌프를 턴 오프하고 이 시간 기간 동안 다시 펌프를 기동시키기에 충분한 전력을 갖지 않는다. 발전기는 발생된 태양열 전력을 소비하기 위해 펌프를 결합하지 않는다. 에너지 이용은 다시 0이다.
(12): 6PM으로부터 7 PM(일몰 어두움)까지; 태양열 발전소는 여전히 전력 공급 용량 P(t12) < Pr을 갖는 일부 전력을 발생하지만; 그것은 가동 펌프를 유지하기에는 충분하지 않다. 펌프는 중지된 채로 남고; 전력 소비는 없다. 일몰 이후에, 다음 새벽까지 태양광은 없고; 그래서 태양열 발전은 중지되고 펌프도 또한 완전히 중지된다. 에너지 이용은 다시 0이다.
이 종래의 태양열 물 펌프 발전소의 총 에너지 이용은 12개의 기간들에서의 에너지 이용의 합이고; 전체 하루 동안 단지 5.5*Pr (Whr)이다. 소비하기 위해 전달할 총 가용한 에너지는 전력 공급 용량 곱하기 12개의 기간들의 시간 기간; 약 28.3*Pr (Whr)이다. 그러므로, 이 종래의 태양열 물 펌프 발전소의 에너지 전달 효율은 5.5 나누기 28.3으로, 0.1943이고, 약 19.4%이다. 에너지 추출기는 DC/AC 인버터이기 때문에; 에너지 추출의 비율은 0.4보다 적고(디바이스(1210) 및 디바이스(1220)에 의해 소비된 에너지는 무시), 이는 섹션 4에서 유도된 것이다. 그러므로, 에너지 이용 효율 및 제어기 효율은 0.4*0.1943 = 0.0777보다 낮고, <10%이다.
섹션 6: 에너지 전달 관리
여기에 설명된 원리들을 구현한 태양열 물 펌프 발전소 내의 디바이스(1220)의 에너지 전달 효율의 평가를 수행하기 전에, 새로운 모듈들(1233C 및 1233D)용으로 설계된 관리 기능들에 대해 더 자세히 설명한다. 에너지 전달 효율을 개선시키기 위해, 여기에 설명된 원리들은 디바이스(1230) 내로 모듈들(1233C 및 1233D)을 포함시키는 것을 제안한다. 모듈(1233C)은 디바이스(1210)에 의해 추출된 전력의 양을 선택적으로 조절하고; 에너지 P2의 정확한 양을 조정하여 디바이스(1220)로의 입력으로서 발생하도록 설계되므로; 디바이스(1220)는 수요가 공급 용량보다 적을 때, 부하 수요를 정확하게 만족시키기 위해 알맞은 양의 전력을 전달할 수 있다. 부하 수요가 공급 용량보다 클 때, 모듈(1233C)은 또한 발전기의 순간적 최대 발생 전력 P1*로부터 전력 P2*의 최대 양을 추출하기 위해 디바이스(1210)를 선택적으로 조절하고; 또한 저장소(1235) 및 1233B로부터 필요한 추가의 전력 P2**를 준비 및 공급하기 위해 모듈(1233D)을 조절하도록 설계되므로, P2* + P2**의 조합 전력이 디바이스(1220)에 공급될 때, 디바이스(1220)는 부하 수요를 정확히 만족시키기 위해 알맞은 양의 전력을 전달할 수 있다. 이것은 발전기(1100)에 의해 발생된 순간적 최대 전력에 의해 제공된 시스템의 순간적 용량보다 더 큰 전력 수요를 처리하기 위해 디바이스(1220)에 도움을 주도록 공급 에너지 향상을 달성한다. 그들의 기능적 특성들로 인해, 여기서 디바이스(1220)는 "공급 전력 조절기"라고 하고; 모듈(1233C)은 "공급 조절기"라고 하고; 모듈(1233D)은 "에너지 조정 조절기"라고 한다.
본 설명의 다음 부분은 본 발명을 구현한 태양열 물 펌프 발전소 내의 디바이스(1220)의 에너지 전달(공급) 효율을 평가한다. 앞서 설명된 바와 같이, 각각 30미터 수두를 갖는 4개의 중계 스테이지된 펌프 세그먼트들로 구성된 120미터 수두 태양열 물 펌프 발전소가 있는 예를 또한 사용한다. 4개의 펌프들은 동일한 가동 전력 Pr, 및 동일하게 요구되는 기동 전력 Ps를 갖는다. 이 태양열 물 펌프 발전소는 위에 설명된 것과 동일한 태양광 조건들을 만난다.
일반성을 손실하지 않고 분석을 간단히 하기 위해, 이 분석은 디바이스들(1210, 1230, 및 1220) 내의 모든 전력 소비들을 무시하고; 에너지 추출 효율을 100%로 취하고 전력 공급 용량이 종래의 인버터 경우보다 2.5배 만큼 증가되는 것으로 한다. 12개의 시간 기간 시나리오가 반복되고 다음과 같이 설명된다:
(1): 태양열 발전소는 새벽(즉 6 AM) 전에는 태양광이 없기 때문에; P(t1)=0; 어떤 전기도 발생하지 않는다. 에너지 이용은 그러므로 0이다.
(2): 새벽(6 AM)부터 7 AM까지; 태양열 발전소는 전력 공급 용량 P(t2) < 2.5*Pr (W)로 태양열 전력을 발생하고, 이것은 가동 펌프를 유지하기에 충분히 강하지만 펌프를 기동시키기에는 충분히 강하지 않고 Pr; Pr=Vr*Ir, 여기서 Vr 및 Ir 은 전압 정격 및 가동 펌프를 유지하는 데 요구되는 전류이다. 펌프를 그것의 전압 정격에서 기동시키는 데 전형적으로 > Ir의 3배 (Is > 3Ir) 걸린다는 점에 주목한다. 그러므로, 발전소는 발생된 태양열 전력을 소비하기 위해 그것의 부하로서 펌프를 결합하지 않는다. 그러나, 모듈(1233C)은 가용한 에너지 ~ 2Pr (Whr)를 에너지 저장소 내에 저장 및 세이브하기 위해 디바이스들(1210, 1233A, 및 1233B)을 조절하고; 에너지 이용은 ~ 2Pr (Whr)이다.
(3): 7AM부터 8AM까지, 태양열 발전소는 전력 발생을 전력 공급 용량이 P(t3) ~ 2.5*1.3 Pr = 3.25Pr (W)까지 되도록 증가시키고, 이것은 하나의 펌프를 기동시키고; 다음에 3개의 펌프가 함께 가동하기 위해 저장된 에너지를 또 다른 2개의 펌프들을 기동시키는 데 사용하기에 충분하다. 펌프를 위한 기동 전력이 크지만, 펌프를 기동시키고 그것의 정상 전력 정격으로 가동시키는 데 수 초 밖에 안 걸린다는 점에 주목한다. 펌프를 기동시키기 위한 추가의 에너지 소비는 그러므로 장시간 가동 에너지에 비해 작다. 그러므로, 2개의 펌프들의 기동으로부터 저장소로부터 큰 에너지가 배출하지 않는다. 펌프 에너지 이용은 3Pr인 반면; 남은 저장 에너지는 0.25Pr이다. 총 에너지 이용은 3.25Pr이고; 누적된 에너지 저장은 ~ 2.25Pr이다.
(4): 8 AM부터 10 AM까지, 태양열 발전소는 전력 발생을 전력 공급 용량이 P(t4) ~ 2.5*2.9 Pr = 7.25Pr (W)까지 되도록 증가시킨다. 이것은 4개의 중계 스테이지된 펌핑 시스템을 갖는 120미터 수두에 모두 함께 도달하기 위해 3개의 가동 펌프들을 유지하고 또한 마지막 펌프를 기동시키기에 충분히 강하다. 발전기는 발생된 태양열 4Pr 전력을 소비하고 기간 내에 가용한 전력 3.25Pr을 저장하기 위해 그것의 부하로서 4개의 펌프들을 결합한다. 펌프 에너지 이용은 2*4Pr = 8Pr (Whr)이고 저장된 잔여 에너지는 2*3.25Pr = 6.5Pr (Whr)이다. 총 에너지 이용은 14.5Pr (Whr)이고; 저장소(1235) 및 1233B 내로 누적된 에너지 저장은 8.75Pr (Whr)이다.
(5): 10 AM부터 12 AM까지, 태양열 발전소는 전력 발생을 전력 공급 용량이 P(t5) ~ 2.5*3.7 Pr = 9.25Pr (W)까지 되도록 증가시키고, 이것은 4개의 펌프들을 가동하게 유지하고 전력의 잔여 5.25Pr을 2시간 동안 에너지 저장소에 저장하기에 충분히 강하다. 펌프 에너지 이용은 2*4Pr = 8Pr이고 에너지 저장 이용은 2*5.25Pr = 10.5Pr이다. 총 에너지 이용은 18.5Pr이고; 또한 저장소들(1235) 및 1233B 내에 누적된 에너지는 19.25Pr이다.
(6): 갑자기 짙은 구름이 상공의 하늘의 부분을 가리고 정오 ~30분 동안 태양열 패널들 상에 그림자가 드리워지는데, 이를 "그림자 캐스팅"이라고 한다. 전력 공급 용량 P(t6)은 2.5Pr 아래로 급락한다. 이 분석은 발생된 태양열 전력을 무시하고; 펌프의 부하를 지속하기 위해 누적된 에너지 저장으로부터 모든 불충분한 에너지(4Pr 전력으로 0.5 시간)를 제공하라고 시스템에 요구하고; 즉, 이 30분 내에 발생된 태양열 전력은 무시하고; 이 기간 내에 모든 4개의 펌프들의 전력 소비를 제공하라고 에너지 저장소에 지시한다. 펌프 에너지 이용은 0.5*4Pr = 2Pr이고 에너지 저장으로부터 배출된 에너지는 또한 에너지 균형을 유지하기 위해 2Pr이다. 총 에너지 이용은 2Pr이고; 저장되어 누적된 에너지는 또한 2Pr 만큼 감소되어, 17.25Pr이다.
(7): 12:30 PM부터 2 PM까지, 그림자는 그것의 어두움을 점차적으로 감소시키어 P(t7) ~ 2.5*2.9 Pr = 7.25Pr까지의 전력 공급 용량으로 태양열 전력을 발생시키고; 이것은 4개의 가동 펌프들을 유지하고; 1.5 시간 동안 3.25Pr 잔여 전력을 저장하기에 충분히 강하다. 발전소는 발생된 태양열 전력을 소비하기 위해 그것의 부하로서 4개의 펌프들을 결합하고; 펌프들의 에너지 이용은 1.5*4Pr = 6Pr이다. 저장 에너지 이용은 1.5*3.25Pr = 4.875Pr이다. 총 에너지 이용은 10.875Pr이고; 누적 저장된 에너지는 22.125Pr로 증가된다.
(8): 2 PM부터 4 PM까지, 태양광은 P(t8) ~ 2.5*3.3 Pr = 8.25Pr까지 전력 공급 용량을 갖는 태양열 전력을 발생하기에 충분히 좋고; 이것은 4개의 펌프들을 가동하게 유지하고 2시간 동안 4.25Pr 전력을 저장소 내로 저장하기에 강하다. 펌프의 에너지 이용은 2*4*Pr = 8Pr이고; 저장 에너지 이용은 8.5Pr이다. 총 에너지 이용은 16.5Pr이고 누적된 저장 에너지는 30.6255Pr에 달한다.
(9): 4 PM 이후 5 PM까지, 태양열 발전소는 전력 공급 용량 P(t9) ~ 2.5*2.3 Pr = 5.75Pr로 태양열 전력 발생을 감소시키고, 이것은 4개의 가동 펌프들을 유지하기에 충분하다. 발전소는 발생된 태양열 전력을 소비하고 저장하기 위해 펌프 부하 및 저장소를 여전히 결합한다. 펌프의 에너지 이용은 단지 4Pr이고; 저장소의 에너지 이용은 1.75Pr이다. 총 에너지 이용은 5.75Pr이고; 누적된 에너지 저장은 32.375Pr에 달한다.
(10): 5 PM 이후 5:30 PM까지, 태양열 발전소는 전력 공급 용량 P(t10) ~ 2.5*1.1Pr = 2.75Pr로 태양열 전력 발생을 감소시키고, 이것은 4개의 가동 펌프들을 유지하기에는 충분하지 않지만; 1233C 및 1233D은 기간 내에 4개의 펌프들을 가동하게 유지하기 위해 30분 동안 1.25Pr의 불충분한 전력을 제공하기 위해 저장소를 조절한다. 펌프의 에너지 이용은 0.5*4Pr = 2Pr이고 저장소는 에너지 보존 법칙에 따르도록 0.5*1.25Pr = 0.625Pr 에너지-배출을 제공한다. 총 에너지 이용은 2.75Pr이고; 누적된 에너지 저장은 31.75Pr로 감소된다.
(11): 5:30 PM 이후 6 PM까지, 태양광은 희미하고, 발전소 전력 발생은 위 아래로 변동하고, 전력 공급 용량 P(t11)은 또한 ~ 2.5*1.1 Pr에서 또는 Pr 아래에서 변동한다. 이 분석은 이 기간에서의 태양열 에너지 발생을 무시하고, 저장소는 30분 동안 4개의 펌프들을 가동하게 유지하기 위해 필요한 모든 에너지를 제공한다. 펌프의 에너지 이용은 0.5*4Pr = 2Pr이다. 총 펌프들의 에너지 이용은 2Pr이고; 누적된 에너지 저장은 또한 2Pr 만큼 감소되어, 29.75Pr이다.
(12): 6PM으로부터 7 PM(일몰)까지; 태양열 발전소는 여전히 전력 공급 용량이 P(t12) < 2.5Pr로 되도록 일부 전력을 발생한다. 이 분석은 이 전력 발생을 무시한다. 4개의 펌프들은 7시간보다 많이 저장소로부터의 에너지로 가동이 유지되고; 6 PM으로부터 태양광이 없는 저녁까지 기동하고, 다음에 펌프는 중지하고 주 에너지를 발전소에 제공하기 위해 다음 일출을 기다린다. 4개의 펌프들의 에너지 이용은 29.75Pr이고 저장소 내의 오늘의 에너지 저장을 완전히 감소시킨다.
여기에 설명된 원리들을 구현한 태양열 물 펌프 발전소의 총 에너지 이용은 12개의 시간 스테이지들에서의 에너지 이용의 합이고; 전체 하루 동안 약 72.75*Pr이다. 전달될 총 가용한 에너지는 12개의 스테이지들에서의 전력 공급 용량의 합; 약 75*Pr이다. 그러므로, 본 발명을 포함하는 태양열 물 펌프 발전소의 에너지 전달 효율은 72.75Pr 나누기 75Pr로, 0.97이고, 약 97%이다. 거의 완벽한 에너지 추출로, 에너지 이용 효율 및 또한 제어기 효율은 ~ 97%이고, 이는 이전에는 10% 미만으로 평가된, 여기에 설명된 원리들을 구현하지 않은 태양열 물 펌프 발전소의 것보다 훨씬 양호하다. 하루에 펌프되는 물의 총 양으로서, 여기에 설명된 원리들을 구현한 펌프는 종래의 태양열 물 펌프 발전소의 72.75/5.5 > 13배이다. 이 얼마나 큰 차이인가!
섹션 7: 요약
종래의 "블라인드 MPPT 형태 실행"을 사용하는 것 대신에, 여기에 설명된 원리들은 에너지 발생 및 추출을 에너지 전달 및 수요와 분리시킬 수 있다. 한편으로, 에너지 발생 및 추출은 발전기와 포함된 능동/수동 추출기들(1210, 1233A, 1233B), 및 저장소(1235)를 최대 전력 추출의 새로운 전압에서 동작시킴으로써 최적화될 수 있다. 실제로, 이 새로운 전압은 MPPP 전압에 매우 가깝다. 또한, 이들 새로운 디바이스는 섹션 4에서 설명된 것과 같이; 발전기의 최대에 가까운 전력 발생으로부터 거의 100% 에너지 추출에 도달하도록, 종래의 추출기(1210)에 의해 픽업되지 않은 과잉 에너지를 능동적으로/수동적으로 추출할 수 있다.
다른 한편으로, 수요로의 에너지 전달은 에너지 준비/전달 디바이스가 섹션 6에서 설명된 것과 같이; 순간에서의 수요 전력을 정확히 만족시키기 위해 올바른 규격들에서 알맞은 양의 에너지를 공급할 수 있도록 발전기로부터 추출된 순간적 에너지와 에너지 저장소로부터 제공된 에너지를 능동적으로/수동적으로 조합하는 새로운 디바이스들(1233C 및 1233D)을 추가함으로써 최적화된다.
이렇게 함으로써, 여기에 설명된 원리들은 에너지 시스템들로부터; 특히 그린 에너지 시스템들로부터 에너지 이득의 대부분을 이용하기 위해 에너지 시스템들이 그들의 최대 에너지 이용 점(MEUP)에서 항상 동작하게 하는 실행을 달성할 수 있다. 서브시스템들이 각각의 단계에서 효율을 최적화하기 위해 적절히 정합될 때, 시스템의 에너지 이용 효율은 전형적으로 95%보다 높게 개선되는 것으로 측정된다.
요약하면, 첫째, 여기에 설명된 에너지 시스템은 종래의 전력 추출기(1210)에 의해 추출되지 않은 발생된 과잉 전력을 능동적으로 및 수동적으로 픽업하기 위해 에너지 저장소(1235)와 함께 동작하는 과잉 조절기 디바이스(1230); 구체적으로 모듈들(1233A 및 1233B)을 포함한다. 이렇게 함으로써, 에너지 추출의 비율이 발전기(1100)로부터의 모든 발생된 전력을 거의 완벽하게 추출하기 위해 2배보다 많은 만큼 개선될 수 있다.
둘째, 여기에 설명된 원리들은 에너지 저장소들(1233B 및 1235)과 함께 동작하는 에너지 조정 조절기 모듈들(1233C 및 1233D)을 추가하여; 에너지 발생/추출 과정과 에너지 전달/소비 과정이 분리될 수 있다. 그러므로, 2개의 과정들이 다음에 분리되어 최적화될 수 있다.
셋째, 모듈(1233C)이 에너지 저장소(1235) 및 1233B로부터 능동적으로 및 수동적으로 알맞은 양의 "필요한" 추가의 에너지를 추출하고 조정하기 위해 모듈(1233D)을 조절하도록 추가된다. 이 추가의 에너지는 알맞은 양의 전기 에너지가 되도록 1100으로부터 직접 디바이스(1210)에 의해 추출된 순간적 전기와 조합된다.
넷째, 알맞은 양의 에너지가 디바이스(1220)(모듈들(1223 및 1225)) 내로 전달될 때, 전력은 순간적 부하 수요를 정확하게 만족시키도록 준비되고 전달된다. 여기서 모듈(1223)은 "전력 준비 조절기"라고 하고; 모듈(1225)은 "전력 전달 조절기"하고 한다.
최적화 절차는 (A) 기본적인 전기적 실행을 연습하기 위해; 발전기(1100)가 최대에 가까운 변환 전력을 발생하고 또한 섹션 4에서 설명된 것과 같은 총 전력 추출을 최대화하도록 MPPT 전압의 근방에서 동작될 수 있도록 능동 과잉 추출 디바이스(1233A) 및 수동 과잉 추출 디바이스(1233B), 용량성/패러데이 디바이스를 위한 제품을 설계할 수 있다는 것이다. (B) 발생된 전기 전력은 종래의 및 본 발명의 에너지 추출기들(1210, 1233A, 및 1233B)에 의해 능동적으로 및 수동적으로 거의 완벽하게 추출된다. (C) 발명된 디바이스(1233C)는 에너지 저장소(1235) 및 1233B로부터 능동적으로 및 수동적으로 알맞은 양의 "필요한" 추가의 에너지를 추출하고 조정하기 위해 1233D를 조절한다. 이 추가의 에너지는 알맞은 양의 전기 에너지가 되도록 1100으로부터 직접 디바이스(1210)에 의해 추출된 순간적 전기와 조합된다. (D) 조합된 "알맞은 양의 전기 에너지"는 디바이스(1220)에 입력으로서 보내진다. 이 입력 에너지는 1220의 모듈들, 준비를 위한 모듈(1223)을 통해 가서; 디바이스(1225)를 통과할 때 1220으로부터 출력된다. (E) 이 출력 전력은 다음에 1300의 순간적 부하 수요를 거의 정확하게 만족시키도록 전달된다. 그러므로, 여기에 설명된 원리들은 에너지 이용을 이론적으로 대략 100%로 최대화할 수 있다.
바꾸어 말하면, 여기에 설명된 원리들은 최대에 가까운 전력을 발생시키고; 발생된 전력을 모두 추출하는 합을 최대화하는 발명된 에너지 추출 디바이스들을 포함시키고; 과잉 에너지를 설계된 에너지 저장소들 내로 임시로 저장하고; 알맞은 양의 전력이 입력으로서 되도록 추출기로부터 그리고 저장소로부터 에너지를 조절하고 조합하고, 순간적 부하 수요를 거의 정확하게 만족시키도록 준비/전달되도록, 발전기를 MPPP 전압의 근방에서 동작시킨다.
그러므로, 본 발명은 에너지 시스템들로부터; 특히 태양광, 바람, 조류들, 및 파 움직임과 같은, 시변 세기와 연관된 주 에너지 자원들을 사용하는 그들 에너지 시스템으로부터 에너지 이득을 최대화시킬 수 있다.
본 발명은 그것의 취지 또는 본질적인 특성들에서 벗어나지 않고서 다른 특정한 형태들로 실시될 수 있다. 설명된 실시예들은 모든 면들에서 단지 예시적이고 제한적으로 고려되지 않는다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상기 설명에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위에 의해 표시된다. 청구범위의 의미 및 그 등가물의 범위 내에 드는 모든 변화들은 그들의 범위 내에 포함되는 것이다.

Claims (25)

  1. 에너지 시스템으로서,
    주 에너지를 DC 전기로 직접 변환하는 발전기 - 상기 DC 전기는 상기 발전기의 출력에 제공됨 -;
    에너지 저장소;
    상기 발전기 및 상기 에너지 저장소로부터 정현의 진동하는 DC 전력(sinusoidal pulsating DC power)을 추출하고 상기 정현의 진동하는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위해 전기 주파수에서 동작하는 전력 추출기; 및
    상기 전력 추출기와 동일한 전기 주파수에서 동작하지만 상기 전기 주파수에서 90도 위상차를 갖는 과잉 전력 추출기 - 상기 과잉 전력 추출기는 상기 발전기에서 생성되지만 상기 전력 추출기에 의해 추출되지 않은 상보적인 정현의 진동하는 DC 전력을 추출하고 상기 상보적인 정현의 진동하는 DC 전력의 적어도 일부를 상기 에너지 저장소 내에 일시적으로 저장하도록 구성됨 -
    를 포함하고,
    상기 과잉 전력 추출기의 입력 및 상기 전력 추출기의 입력은 상기 발전기의 상기 출력에 서로 병렬로 접속되는, 에너지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 주파수는 시변인, 에너지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 시스템의 부하의 부하 수요는 시변인, 에너지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 추출기는 또한 동작 전압에서 동작하는, 에너지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 동작 전압은 시변인, 에너지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 과잉 전력 추출기가 상기 발전기에서 생성된 상기 상보적인 정현의 진동하는 DC 전력을 추출함에 있어서, 적어도 상기 전력 추출기에 의해 추출된 상기 추출된 상보적인 정현의 진동하는 DC 전력이 상기 에너지 시스템 상의 부하의 부하 요건을 초과할 때, 상기 과잉 전력 추출기는 상기 추출된 상보적인 정현의 진동하는 DC 전력의 상기 적어도 일부를 상기 에너지 저장소로 인출하는, 에너지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장소로부터 전력을 준비하여 부하로 전달하는 전력 디바이스
    를 더 포함하는 에너지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 시스템 상의 부하의 부하 수요를 만족시키기 위해 상기 전력 추출기에 의해 추출된 전력이 불충분할 때 전력 디바이스는 상기 부하 수요를 만족시키기 위해 상기 에너지 저장소로부터 전력을 전달하는, 에너지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 디바이스는 상기 전력 디바이스가 상기 부하의 순간적으로 변화하는 부하 수요에 적어도 일치하는 에너지를 제공하도록 상기 에너지 저장소로부터 추출된 에너지의 양을 변화시키는, 에너지 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전력 추출기는 상기 전력 디바이스 및 상기 과잉 전력 추출기와 조합되어, 조합된 디바이스가 되도록 추가로 설계되고, 상기 조합된 디바이스는 에너지 추출 및 전달 기능들을 수행하는, 에너지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 주 에너지의 소스는 상기 발전기가 가변 양의 전기 전력을 발생하도록 하는 가변 에너지 소스인, 에너지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전력 추출기는 상기 전력 추출기에 의해 그리고 상기 과잉 전력 추출기에 의해 상기 에너지 시스템으로부터의 최대 조합된 전력 추출의 시변 전압을 추적하고, 이 최대 전력 추출 점 전압에서 상기 에너지 시스템을 동작시키는 추출 점 추적기를 추가로 포함하는, 에너지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 과잉 전력 추출기는 전력 그리드에 제공되는 에너지를 증가시키기 위해 일부 과잉 에너지를 추출하는, 에너지 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 과잉 전력 추출기는, 상기 주 에너지의 소스로부터 비롯되지만 상기 전력 추출기에 의해 추출되지 않거나, 부하 수요를 초과하는 전력 추출로부터 비롯된 과잉 전기 전력을 추출하기 위해 상기 전력 추출기와 동일한 전기 주파수에서 동작하는 조정가능한 추출 디바이스에 결합된 과잉 조절기를 추가로 포함하는, 에너지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 조정가능한 추출 디바이스는, 상기 전력 추출기와 동일한 전기 주파수에서 동작하고, 상기 조정가능한 추출 디바이스가 상기 과잉 전기 전력으로서 상보적인 양의 전력까지 추출하도록 상기 전력 추출기 상으로 상기 전기 주파수에서 90도 위상 시프트하여 로크하는 능동 디바이스인, 에너지 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 조정가능한 추출 디바이스는, 복수의 능동 디바이스로 구성되고 상기 전력 추출기와 동일한 전기 주파수에서 동작하는 조합된 능동 디바이스이고, 상기 복수의 능동 디바이스는 상기 과잉 전기 전력으로서 상보적인 양의 전력까지 집합적으로 추출하는, 에너지 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 조정가능한 추출 디바이스는, 상기 과잉 전기 전력으로서 상보적인 양의 전력까지 추출하기 위해 상기 전력 추출기로부터 상기 전기 주파수에서 90도 위상 시프트한 수동 디바이스인, 에너지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수동 조정가능한 추출 디바이스는, 상기 과잉 전기 전력으로서 상보적인 양의 전력까지 추출하기 위해 상기 수동 조정가능한 추출 디바이스가 상기 전력 추출기로부터 상기 전기 주파수에서 90도 위상 시프트하게 하기에 충분히 큰 커패시턴스를 갖는 용량성/패러데이 디바이스인, 에너지 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 조정가능한 추출 디바이스는 조합된 능동 및 수동 디바이스이고, 상기 조합된 능동 및 수동 디바이스는 상기 과잉 전기 전력으로서 상보적인 양의 전력까지 상기 과잉 전기 전력을 집합적으로 추출하는, 에너지 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 전력 추출기와 상기 과잉 전력 추출기는 상기 추출기들 둘 다의 에너지 추출 기능들을 수행하도록 조합된-추출기로 조합되고, 상기 에너지 저장소는 상기 전력 추출기와 조합되어 에너지 추출과 에너지 저장 기능들 둘 다를 수행하기 위한 조합된 전력 추출기-저장소 디바이스가 되도록 추가로 설계되는, 에너지 시스템.
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