KR20020082887A - 축전장치를 구비한 열전병급시스템 - Google Patents

축전장치를 구비한 열전병급시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 시스템 전체의 효율을 꾀함과 동시에 설비 용량을 저감할 수 있는 축전장치를 구비한 열전병급시스템을 제공하는 것이다.
이 목표를 달성하기 위해서 축전장치를 구비한 열전병급시스템에 있어서 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대에 발전장치에 의한 전력 및 상용전력 및 축전장치에 저장된 전력을 병용해서 전력을 공급함과 동시에 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대에 상용전력에 의한 축전장치에 상용전력을 저장하는 것을 특징으로 하는 열전병급시스템에 의해 야간시간대에 상용전력을 축전장치에 저장 함으로써 피크時에 저장된 상용전력을 이용할 수 있으므로 피크시時에 백업(back up)전력량이 감소하게 된다.

Description

축전장치를 구비한 열전병급시스템 {HEAT/ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM HAVING POWER STORAGE UNIT}
열전병급시스템은 발전을 할 때 발생하는 배열을 유효하게 이용하는 시스템으로서 최근 주목되고 있다. 열전병급시스템에서는 발전장치에 의한 전력과 함께 배열회수에 의한 열도 유효하게 이용되므로 에너지의 이용 효율이 높다. 최근에는 독립형태의 전력공급시스템의 도입이 검토되고 있다. 이것은 전기사업법의 규제 완화에 수반해서 일반 전기사업자 이외의 사람이 전기 사업 참가가 인정 되었기 때문이다. 이와 같은 전기사업의 참가 형태로서는 예를 들면 전기를 공급하는 지역을 한정한 특정 지점 공급이 거론된다. 이와 같은 경우에는 전기를 공급하는 공급업자는 사고 또는 정기 점검 등의 백업(back up) 때 이외에는 일반 전기사업자(단지 전기사업자라고도 한다.)로부터 전기 공급을 얻을 수 없다.
또 종래 사용되고 있는 열전병급시스템은 전력부하에 대응해서 발전장치를 가동(稼動)하고있기 때문에 최대의 소비전력에 대응해서 대용량 발전장치를 설치하고 있다. 그리고 소비전력이 작은 경우에는 발전장치는 작은 부하에서 운전된다.발전장치를 구동(驅動)하는 열기관 예를 들면 연료가스를 이용하는 가스터빈은 특정출력으로 운전할 때가 제일 효율이 좋고 저부하 운전에서는 효율이 저하한다. 더욱 극단적인 저부하에서는 운전이 되지 않는다. 그 때문에 전력부하가 일정량을 넘었을 경우는 전기사업자의 저항은 있지만 매전(買電)을 병용해서, 또는 전력부하가 극단적으로 낮은 심야등은 발전장치를 정지해서 매전(買電)으로 바꾸는 상용전력 백업(back up)형 열전병급시스템이 있다. 이와 같은 경우는 특정 지점 공급에는 적용되지 않고 또는 전력부하가 일정량을 넘었을 경우에는 매전(買電)을 병용하는 것은 전기사업자의 저항이 크다.
그래서 고장 등의 특별한 경우를 제외하고 상용전원에서 전력을 받지 않고도 운전되는 형태의 자기완결형 열전병급시스템, 즉 소비전력이 작은 때에도 발전장치를 운전해서 그 전력을 축전장치에 비축하고 소비전력이 많은 경우에는 발전장치에 의한 전력과 축전장치로부터의 전력에 의해 전력을 공급 하는 자기완결형 열전병급시스템도 제안되고 있다.(특개평11-155244)
소비전력은 예를 들면 춘하추동 계절에 의해 변동(계절변동)하고 또 하루중에는 낮과밤에 의해 변동(주야변동)한다.
백업(back up)형 열전병급시스템의 경우 소비전력의 피크시간대에 상용전력과 발전장치에 의해 전력으로 공급할 필요가 있다. 따라서 발전장치의 발전능력(설계능력)을 (최대소비전력-상용전력)에 맞추어야 한다.
또 자기완결형 열전병급시스템의 경우에도 소비전력의 피크시간대에 축전장치에 비축된 전력과 발전장치에 의한 전력으로 공급할 필요가 있다. 따라서 발전장치의 발전능력(설계능력)을 (최대소비전력-축전장치에 비축된 전력)에 맞추지 않으면 안 된다.
백업(back up)형 열전병급시스템이든 자기완결형 열전병급시스템이든 일반적인 열전병급시스템에 비교해서 상당히 소형화되어 있으나, 열전병급시스템을 널리 보급하기 위해서는 열전병급시스템을 더욱더 소형화해서 열전병급시스템의 가격을 낮출 필요가 있다.
그리고 더욱더 열전병급시스템의 광범위한 보급을 위해서는 소비전력이 최고인 시간대에 상용전력을 백업(back up) 해서 얻을 경우라도 백업(back up) 상용전력을 적게 하면서, 소비가 낮은 시간대(예를 들면 야간요금시간대)의 상용전력을 이용해서 전기사업자에게도 상용전력 부하의 평준화가 시도될 수 있는 매력 있는 열전병급시스템을 개발할 필요가 있다.
본 발명은 열과 전력을 공급하는 열전병급시스템(코제네레이션시스템이라고도 한다.)(Co-generation system)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1의 실시형태의 블럭도.
도 2는 본 발명의 제 2의 실시형태의 블럭도.
도 3은 본 발명의 제 3의 실시형태의 블럭도.
도 4는 본 발명의 제 4의 실시형태의 블럭도.
(부호의 설명)
100 …… 열전병급시스템
1 …… 연료
2 …… 상용전력
3 …… 발전장치
4 …… 배열회수장치
5 …… 열부하
6 …… 컨버터
7 …… 축전장치
8 …… 인버터
9 …… 전력부하
11, 12, 13 …… 스위치
(발명이 해결하고자 하는 과제)
본 발명의 과제는 백업(back up)형 열전병급시스템이나 자기완결형 열전병급시스템보다 더 소형화를 할 수 있는 것이 가능한 열전병급시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제는 더 나아가 열전병급시스템의 광범위한 보급을 위해서는 소비전력의 피크시간대에 상용전력의 백업(back up)을 받을 경우라도 백업(back up) 상용전력의 최소화를 꾀함과 동시에 소비전력이 줄어드는 시간대(예를 들면 야간요금시간대)의 상용전력을 이용함으로서 전기사업자에게도 상용전력 부하의 평준화가가능한 매력이 있는 열전병급시스템을 제공하는 것이다.
(발명의 개시(開示))
본 발명자는 종래의 기술의 결점을 해소하고 본 발명 과제를 달성하려는 많은 연구를 한 결과 본 발명을 완성하였다.
종래 소위(所謂) 백업(back up)형 열전병급시스템은 광범위한 보급을 위해서는 열전병급시스템의 소비전력 피크시간대에 상용전력을 공급 받는 것이 필요했지만 그점에 대해서 전기사업자의 저항이 있었다. 즉, 백업(back up)형 열전병급시스템은 전기사업자에 있어서는 야간요금시간대에 약간의 상용전력을 이용해서 할 수 있다는 매력이 있지만 열전병급 시스템의 광범위한 보급을 위해서는 불충분 하였다. 게다가 열전병급시스템의 발전장치의 피크시간대의 전력을 낮게 억제해서 더욱 소형화를 도모해야 하는 과제가 남아 있었다. 또 백업(back up) 열전병급시스템은 소비전력 피크시간대에 상용전력의 백업(back up)을 받는 시스템으로서 전기사업자에 있어서도 상용전력 부하의 평준화가 가능한 매력이 있는 열전병급시스템이라 하기에는 아직 거리가 멀었다.
그래서 위와 같은 백업(back up)형 열전병급시스템의 결점 및 과제를 해결해야 하므로 상용전력의 백업(back up)을 필요로 하지 않는 자기완결형 열전병급시스템을 제안하게 되었다. 그러나 이 자기완결형 열전병급시스템의 특징은 소비전력이 적은 시간대(예를 들면, 야간 시간대)에 적극적으로 발전장치를 운전하고 축전장치에 전력을 저장해서 피크 시간대에 발전장치에 의한 전력 및 축전장치에 저장된 전력을 병용해서 이용하여, 열전병급시스템의 소형화를 꾀하지만 열전병급시스템의 광범위한 보급을 위해서는 더욱더 소형화의 요청에 답할 필요가 있었으나 이것을 충분히 만족시킬 수는 없었다. 또 야간 시간대에도 발전장치를 운전해서 축전장치에 전력을 저장함으로서 열전병급시스템에 대해서는 발전장치의 출력이 평준화되기 때문에 운전 효율이 좋으나, 야간요금시간대의 상용전력의 소비가 기대 되지 않고 상용전력의 부하가 평준화되지 않으므로 전기사업자에게는 그다지 매력이 없는 시스템이었다.
이와 같은 상황을 포함해서 열전병급시스템의 광범위한 보급이 원만히 될지 안될지는 열전병급시스템의 소형화 요청에 응해야 한다는 것을 발명자는 통감하였다.
그래서 자기완결형 열전병급시스템에 대해서 역발상(逆發想)을 도입해서 상용전력을 될 수 있는 대로 적극적으로 이용한다면 자기완결형 열전병급시스템(상용전력을 전혀 이용하지 않는 것을 특징으로 하는 시스템)을 더욱 소형화가 가능한가 해결하는 것이 중요하다는 것을 알게 되었다. 또 피크시간대에는 상용전력의 백업(back up)을 받는 대신에 야간요금시간대에는 상용전력을 가능한 적극적으로 이용해서 상용전력 부하의 평준화를 시도하여 전력사업자에게도 매력이 있는 시스템으로 만드는 것을 최대의 목표로 발명자는 전력을 다했다. 즉 본 발명은 피크시간대에 상용전력의 백업(back up) 전력은 소비가 적어지는 시간대(예를 들면 야간요금시간대)에 저장된 상용전력으로 공급한다는 기본적인 개념에 기초하는 것이고 야간요금이용의 빙축열(氷蓄熱)시스템에 유사한 생각, 혹은 야간의 상용전력을 저장하는 양수발전(揚水發電)방식을 적용한 것이다.
거기에서 자기완결형 열전병급시스템의 구성을 전부 그대로 이용하는 한편 상용전력을 가능한 적극적으로 이용하는 구성을 부가해서 축전장치를 갖춘 열전병급시스템인 본 발명을 완성할 수 있었다. 즉 상용전력 이용형태는 야간요금시간대에 상용전력을 적극적으로 열전병급시스템에 구비된 축적장치에 비축해 두고, 피크 시간대에 축전지에 비축된 상용전력을 공급함으로서 피크시간대에 필요한 상용전력의 백업(back up)량이 줄고 단순한 종래의 백업(back up)형 열전병급시스템 보다도 상용전력 부하의 평준화를 도모할 수 있도록 했다. 이렇게 함으로서 전기사업자에 있어서도 종래의 백업(back up)형 열전병급시스템 보다 대단히 매력이 있는 시스템을 제안할 수 있게 되었다.
한편 소형화를 궁극적으로 추구함으로서 설비의 가격저하, 성면적화(설비 설치성) 할 수 있게 되므로 열전병급시스템을 광범위하게 보급 할 수 있는 가능성이 높아지게 되어, 국가 전체로서도 야간요금시간대의 상용전력을 보급한 각 열전 병급시스템의 축전장치에 비축 할 수 있으므로 축전장치는 양수발전의 저수지와 같은 기능을 가지게 되고, 야간시간대에 축전 한 상용전력을 피크시간대에 이용함으로서 상용전력 전체의 피크시간대 단전현상을 없애주는 효과가 기대된다.
열전병급시스템이 국가의 에너지 절약 정책에 공헌할 것인지 아닌지는 본 시스템이 광범위하게 보급되느냐 보급되지 않느냐에 걸려 있다. 그 때문에 전력소비의 피크시간대에 상용전력의 백업(back up)을 하는 대신에 상용전력을 열전병급시스템의 축전장치에 저장하는 등 상용전력의 소비가 떨어지는 시간대(야간요금시간대)에 상용전력의 수요가 발생함으로서 전기 사업자에 있어서도 매력이 있는 시스템으로 만드는 것이 광범위하게 보급하기 위해서도 특히 중요하다.
이와 같은 경위를 거쳐서 발명자는 본 발명을 완성한 것으로 이하 각 청구항에 기재된 본 발명을 기술한다.
또한 본 발명은 시스템의 발명이지만 실질적으로는 방법의 발명도 개시하고 있다. 방법의 발명에 대해서는 청구항1∼13에서 시스템인 것을 방법으로 바꾸어서 말하는 것으로 한다.
(청구항 1) 축전장치를 구비한 열전병급시스템에 대해서
전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대에 발전장치에 의한 전력 및 상용전력 및 축전장치에 저장된 전력을 병용해서 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 열전병급시스템
(청구항 2) 축전장치를 구비한 열전병급시스템 대해서
전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대에 축전장치에 상용전력을 저장하는 것을 특징으로 하는 청구항1 기재의 열전병급시스템.
(청구항 3) 축전장치를 구비한 열전병급시스템 대해서
전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하인 시간대에 상용전력에 의해 전력을 공급함과 동시에 축전장치에 상용전력을 저장하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼2 기재의 열전병급시스템.
(청구항 4) 축전장치를 구비한 열전병급시스템에 대해서
전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대에 상용전력에 의해 전력을 공급또는 축전장치에 상용전력을 저장 할 수 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼3 기재의 열전병급시스템.
(청구항 5) 가스터빈, 엔진 또는 연료전지를 구성요소로 하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼4 기재의 열전병급시스템.
(청구항 6) 발전장치가 교류발전장치 또는 직류발전장치인 것을 특징으로 하는 청구항 1∼5 기재의 열전병급시스템.
(청구항 7) 축전장치가 전력부하의 소비전력이 특정치 C1 이하의 시간대에 물을 전기분해 해서 수소와 산소를 제조해서 저장하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼6 기재의 열전병급시스템.
(청구항 8) 축전장치가 리튬이차전지, 니켈수소전지, 케페시터 중 선택되는 적어도 1종 또는 2종 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼7 기재의 열전병급시스템.
(청구항 9) 열회수장치에서 회수된 열을 흡수식 냉동기, 온수 보일러에서 선택된 1종 또는 2종 이상에 공급하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼8 기재의 열전병급시스템.
(청구항 10) 전력부하의 소비전력이 특정치 C2 이하의 시간대가 야간시간대 뿐인 경우와 또는 야간시간대를 포함하는 시간대인 것을 특징으로 하는 청구항 1∼9 기재의 열전병급시스템.
(청구항 11) 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대인 것을 전력부하의 소비전력의 피크시간대로 바꾸어 읽는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼10 기재 의열전병급시스템.
(청구항 12) 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대인 것을 전력부하의 소비전력이 줄어드는 시간대로 바꾸어 읽는 것을 특징으로 하는 청구항 2∼11 기재의 열전병급시스템.
(청구항 13) 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대인 것을 야간시간대로 바꾸어 읽는 것을 특징으로 하는 청구항 2∼12 기재의 열전병급시스템.
(용어의 설명)
본 명세서에 사용된 용어를 이하 설명한다.
(1) 전력부하, 소비전력, 전력부하의 소비전력
전력부하, 전력부하의 소비전력이란 특별히 정하지 않는 한, 본 발명의 열전병급시스템의 전력부하, 열전병급시스템의 소비전력, 열전병급시스템의 전력부하의 소비전력을 말한다. 상용전력의 경우를 지칭하는 경우에는 그 취지를 특별히 명시하는 것으로 한다.
(2) 특정출력
여기에서 사용하는 특정출력 C1, C2란 C0이하의 설정된 전력치 이고, 시간에는 관계 하지 않고 변화 하지 않는 일정치의 경우도, 시간(월, 일, 계절 등을 포함함.)과 함께 변화 할 수 있게 설정하는 경우(즉 C1, C2가 시간 t의 함수인 경우)도 있다. 여기에 C0는 하루의 열전병급시스템의 피크전력이다.
여기에 C0C1, C2 .
·전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대란 피크(peak)시간대(예를 들면, 아침 저녁 혹은 낮 동안의 소비전력 피크시간대)를 포함한다. 열전병급시스템의 전력부하의 소비전력 피크시간대와 상용전력의 소비전력 피크시간대와는 일반적으로 일치하는 경향이 있다. 피크시간대는 오전10시∼오후4시 혹은 오후0시∼오후4시 혹은 오후1시∼오후3시 등을 말한다.
·전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대란 전력부하(여기에서 말하는 전력부하에는 열전병급시스템의 전력부하인 경우와 상용전력의 전력부하인 경우가 있다.)의 소비전력이 줄어드는 시간대(예를 들면, 야간요금시간대)를 포함한다. 열전병급시스템은 전력부하의 소비전력이 줄어드는 시간대와 상용전력의 소비전력이 줄어드는 시간대와는 일반적으로 일치하는 경향이 있다.
또 단지 “야간요금시간대”, “야간시간대”라고 표현 하는 경우, “전력부하가 작은(줄어드는)시간대” 라는 의미를 포함한다. 여기에 야간시간대는 예를들면 오전0시∼오전6시 등 또는 야간요금시간대이다.
(3) 열전병급시스템
열전병급시스템이란 발전장치에 의해 전력을 공급하면서 발전설비 운전에 의해 생기는 배열을 회수해서 열을 공급하는 시스템이며, 전력 소비지에 설치하는 것을 필요로 하는 분산형 시스템이고, 특히 소형화 저가격화 해서 광범위하게 보급시키는 것이 요구되는 시스템이다. 본 발명의 열전병급시스템은 예를 들면 출력이 수백∼500kW급의 것이고, 혹은 출력 2kW 이하의 고분자전해질형 연료전지(가정용)에서부터 10kW 이하의 축전장치를 구비한 것들이 있다.
(4) 발전장치
여기서 정의되는 발전장치란, 열전병급시스템에 사용되는 발전장치이며, 전기를 발생함과 동시에 배열을 회수할 수 있게 한 발전장치를 말한다.
가스터빈, 내연기관 등의 열기관을 운전함으로서 발생하는 구동력을 발전기에 의해 전기로 변환해서 전력을 공급하는 장치 이외에, 연료전지와 같이 직접 탄화수소 및 수소 등의 연료로부터 전기화학적 방법에 의해 전기로 변환해서 전력을 공급하는 장치를 포함한다.
열전병급시스템(가스터빈, 내연기관 등에 의한 것으로 발전용량은 수백∼500kW급)은 호텔, 스포츠시설, 오피스, 공공시설 등에 설치하는 예가 많다. 본 발명은 소형의 열전병급시스템(가정용)을 대상으로 하는 것이다.
발전장치는 교류발전장치 또는 직류발전장치 모두를 포함한다.
·발전장치가 교류인 경우
교류의 전력부하의 경우 가스터빈, 내연기관 등의 열기관을 운전하는 경우에는 일반적으로 교류발전장치이거나, 교류부하의 경우에는 직접전력이 공급되거나, 직류부하의 경우에는 컨버터에 의해 직류 변환되어 전력이 공급된다.
·발전장치가 직류인 경우
연료전지와 같이 직류발전장치인 경우에는 교류부하에 전력을 공급하는 경우 인버터에 의해 교류전력으로 변환해서 전력을 공급한다.
또 발전장치에 의해 발전한 전력을 축전장치(축전지)에 전력을 저장하는 경우, 직류 발전장치의 경우 컨버터가 필요 없이 직접 직류전력으로써 축전장치에 저장한다. 한편 교류 발전장치인 경우 축전장치에 축전 할 경우 컨버터로 직류 변환한 후 축전장치에 저장하게 된다.
그리고 축전장치에 저장된 전력은 인버터와 접속함으로서 교류로 변환되어 전력부하에 공급된다.
(5) 축전장치
축전장치란 전력부하의 소비전력이 특정치 C1 이상의 시간대에 물을 전기분해해서 수소와 산소를 제조해서 저장하는 장치 이외에 리튬이차전지, 니켈수소전지, 케파시터 중에서 선택된 적어도 1종 또는 2종 이상을 구비한 장치를 포함한다. 케파시터는 전기부하의 급격한 증가에 대응하는 경우 편리하다. 리튬이차전지 등을 병용하는 것이 바람직하다.
축전장치의 용량으로서는 예를 들면 20kWh 이하, 15kWh 이하, 10kWh 이하, 5kWh 이하 혹은 2kwh 이하이다.
또 축전장치는 일반적으로 상용전력(교류전력)을 직류전력으로 변환하는 컨버터를 필요로 하고, 축전지에 비축된 직류전류를 교류로 변환하는 인버터를 필요로 한다. 그리고 교류발전장치로 발전한 교류전력을 축전 할 경우는 컨버터에 의해 교류로 변환시킨 후 축전장치에 저장되게 한다.
저장된 전력이 직류전력인 경우(직류발전장치로 발전한 직류전력인 경우)에는 컨버터는 필요 없다. 또 직류의 전력부하의 경우에는 축전장치의 후류측(後流側)(직류를 사용하는 경우)에는 인버터도 필요 없어 시스템이 간소화된다.
(6) 피크(최고)시간대
피크시간대란 일반적으로 열전병급시스템의 소비전력의 피크시간대를 말하고, 소비전력이 특정출력 C1 이상인 시간대 t1∼t2를 말한다. 소비전력이 특정출력 C1 이상을 엄격하게 그 순간 매t마다 판단하는 시스템으로 하는 경우 이외에, 일정기간의 데이터로부터 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대를 미리 t1∼t2에 설정해 놓는 경우도 있다.
소비전력은 예를 들면 춘하추동의 계절에 의해 변동(계절변동)하고, 또 하루 중에서도 낮과 밤에 의해서도 변동(주야 변동)하지만 본 발명에서는 하루 중의 변동 피크시간대를 말한다. 시간대란 어떤 범위의 시간범위를 말하는 것이나 시간범위가 대단히 짧은 경우에는 순간을 가르키고 피크시간대는 피크時와 같은 의미이다. 또 열전병급시스템의 소비전력의 피크시간대와 상용전력의 피크시간대는 일반적으로 일치하는 경향이 있다.
(7) 전력부하(전력소비)가 작은 시간대, 전력부하(전력소비)가 떨어지는 시간대란 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대 t3∼t4(예를 들면 야간요금시간대)를 말한다. 엄격하게 그 순간 매t마다 판단하는 시스템으로 하는 경우 이외에 일정기간의 데이터로부터 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이상의 시간대를 미리 t3∼t4로 설정해두고, 그 시간대 t3∼t4 사이는 반드시 상용전력에 의해 축전장치에 상용전력을 저장할 수 있게 하는 것도 가능하다.
(8) 컨버터, 인버터
컨버터는 교류전력을 직류전력으로 변환시키는 것이다. 또 인버터는 직류전류를 교류전력으로 변환시키는 것이다.
(9) 시간대 t1∼t2, 시간대 t3∼t4
시간대 t1∼t2는 예를 들면 오전9시∼오후6시 혹은 오전12시∼오후4시 혹은 오후1시∼오후3시이다.
시간대 t3∼t4는 예를 들면 오전0시∼오전7시 혹은 오전2시∼오전6시 혹은 오전3시∼오전6시이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
우선 발명의 실시형태로서 교류의 전력부하, 교류의 발전장치인 경우(도1 참조)에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1의 실시형태(발명장치3이 교류이고 전력부하9가 교류인 경우)의 블럭도이다. 도 1의 본 열전병급시스템 100은 교류의 발전장치3과 축전장치7과 배열회수장치4등을 포함한다. 발전장치3으로 발전된 전력(교류전력인 경우 상용전력2와 실질상 동일의 전압, 주파수라도 좋고, 예를 들면 100V, 60Hz이다.)은 전력부하9에 공급된다. 연료1은 발전장치3에 공급된다. 발전장치3의 배열은 배열회수장치4로서 배열이 회수되고 회수된 열은 열부하5 (냉방 및 온방 및 급탕(給湯) 등의 열원으로서)에 공급된다.
연료1은 발전장치3에 공급해서 교류전력을 발생시켜서 발생한 전력을 스위치11을 열어 교류의 전력부하9에 공급한다. 한편 발전장치3에서 발생하는 배열은 열회수장치4에 의해 회수되어 열부하5에 열 공급된다.
상용전력2는 교류의 전력부하9에 직접 공급되는 한편, 전력부하(전력소비)가 작은 시간대에는 스위치13을 열어서 컨버터6에 보내져 직류로 변환되어 축전장치7에 저장된다. 축전장치7에 저장된 전력은 피크시간대에는 인버터8에 의해 교류로변환되어 스위치12를 열어서 상용전력2와 발전장치3으로 발전한 전력과 함께 전력부하9에 공급된다. 제어수단(도시하지 않음)에 의해 스위치11, 스위치12를 개폐해서 상용전력2, 발전장치3에 의한 전력, 축전장치 7에 저장된 전력의 3계통의 분배량을 조절한다.
이 경우 제어수단, 같은 때의 투입장치(도시하지 않음), 스위치11, 스위치12에 의해 전력부하에 공급되는 전력은 위상이 일치하게 제어된다.
또 제어수단(도시하지 않음)에 의해 스위치13을 개폐해서 축전장치7에 공급, 정지를 행한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태(발전장치가 교류이고 전력부하가 교류인 경우)의 블럭도 이다. 도 2의 본 시스템 100은 도 1의 열전병급시스템과 거의 같은 것이나 발전장치3 뒤에 인버터 8이 설치되는 점이 도 1과 다르다. 본 실시형태에서는 제 1의 실시형태 교류의 발전장치3 대신에 연료전지 등의 직류의 발전장치3이 설치되어 있는 점이다. 직류발전장치3에서는 직류전력이 얻어지므로 축전장치7에 저축 될 때 컨버터6은 불필요하다. 또 직류발전장치3에서 전력은 인버터8에 의해 직류로 변환된다. 축전장치7에서의 전력은 인버터8에 의해 교류전류로 변환된다. 직류발전장치3에서 인버터8을 경유한 교류전력과 축전장치7로부터 인버터8을 경유한 교류전력은 단독 혹은 합쳐져 전력부하9에 공급된다. 그 이외의 구성은 앞의 실시형태와 유사하며 동일 기기에는 동일부호를 붙인다. 또 지금부터 연료전지에 대해서 설명한다. 연료는 개질장치(도시하지 않음)로 촉매에 의해 수소로 개질 되어 연료전지에서는 이 수소와 공기중의 산소가 반응해서 물이 되고, 이때 직류전력이발생한다. 이 직류전력은 앞의 실시형태와 같이 직접축전장치7에 비축되고, 축전장치7로부터의 직류전력은 인버터8에 의해 교류로 변화되어 전력부하에 공급된다. 그 이외의 구성은 제 1의 실시형태와 비슷하며 동일 기기에는 동일 부호를 붙인다.
도 3은 본 발명 제 3의 실시형태(발전장치3이 교류이고 전력부하2가 직류인 경우)의 블럭도이다. 도 3의 본 시스템 100은 거의 도 2의 열전병급시스템와 같으나 도 3의 발전장치3뒤에 컨버터6이 설치되는 점 및 도 2에서 축전장치7의 교류측에 설치되어 있던 인버터8이 없는 점이 다르다.
도 4는 본 발명 제 4의 실시형태(발전장치 3이 교류이고 전력부하 2가 교류인 경우)의 블럭도이다. 도 4의 본 시스템 100은 거의 도 3의 열전병급시스템 100과 같으나 도 3에서 발전장치3뒤에 설치되어 있던 컨버터6이 없는 점이 다르다. 발전장치3에는 직류인 발전장치(예를 들면 개질장치를 포함하는 연료전지)가 사용되고 있다. 그 외의 구성은 제 3 실시형태와 유사하고 동일 기기에는 동일부호를 붙인다.
·청구항 1기재 발명(본 발명의 기본적 발명)은
축전장치를 구비한 열전병급시스템에 대해서
전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대에 발전장치에 의한 전력 및 상용전력과 축전장치에 저장된 전력을 병용해서 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 열전병급시스템이다. 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대인 것을 제어수단(도시하지 않음)이 판단하지만 제어수단을 이하 예시로 설명한다. 전력부하는 소비전력을 전력계(전력부하 앞에 설치된다.)로서 측정해서 측정한 전력이특정출력보다 특정출력 C1 이상인 경우에는 상용전력과 발전장치의 전력(통상은 효율이 좋은 최고 출력의 70%정도 출력), 축전장치에 저장된 전력에 의해 전력부하에 전력을 공급한다.
예를 들면 특정출력 C1을 2/3*C0(여기에서 C0는 일일(一日)의 열전병급시스템의 피크전력치로 한다.)으로 한다. 열전병급시스템에서 이와 같이 설정함으로써 전력부하가 2/3*C0∼C0인 시간대에는 축전장치에 저장된 상용전력과 발전장치에 의한 전력으로부터 예를 들면 1/3*C0을 공급하고 남는 것은 상용전력으로 공급할 수 있다. 본 열전병급시스템에 의하면 피크시간대에도 1/3*C0 이하의 상용전력만 백업(back up)전력을 필요로 하지 않는다.
혹은 위와 같이 엄격하게 그 순간 매t마다 판단하는 것이 아니고, 일정기간의 데이터로부터 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1(예를 들면 2/3*C0(여기에서 C0는 일일(一日)의 열전병급시스템의 피크전력으로 한다.)으로한다.)
이상의 시간대를 미리 t1∼t2로 설정해 두고, 그 시간대 t1∼t2(예를들면,일일(一日) 사이, 아침부터 밤 시간대가 해당된다. 예를 들면 오전9시부터 오후6시까지 혹은 오후0시부터 오후4시까지의 시간대이다) 사이는 상용전력과 발전장치의 전력, 축전장치에 저장된 전력에서 전력부하에 전력을 공급하는 것도 가능하다.
·청구항 2기재 발명은 축전장치를 구비한 열전병급시스템에 대해서
전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대에 축전장치에 상용전력을 저장하는 것을 특징으로 하는 청구항1 기재의 열전병급시스템이다. 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대인 것을 제어수단(본 명세서에서는 도시 않함)이 판단하지만 그것을 예시(例示)한다. 전력부하는 소비전력을 전력계(전력부하9 앞에 설치된다)로 측정해서 측정한 전력이 특정출력 C2 이하의 경우에는 축전장치에 상용전력을 저장하는 것을 특징으로 하는 청구항1 기재의 열전병급시스템이다.
혹은 엄격하게 그 순간 매t마다 판단하는 것이 아니고, 일정기간의 테이터로부터 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대를 미리 t3∼t4(예를 들면 야간시간대 구체적으로는 오후0시에서 오후6시까지이다.)를 설정해 놓고 그 시간대 t3∼t4의 사이에는 상용전력에 의한 축전장치에 상용전력을 저장하게 하는 것도 가능하다.
또 본 발명에서는 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하일지라도 전력부하의 소비전력이 존재하며 그것은 본 발명의 열전병급시스템에 의해 발전한 전력 혹은 상용전력을 공급하면 좋다.
·청구항 3기재 발명은 축전장치를 구비한 열전병급시스템에 대해서
전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대에 상용전력으로부터 전력을 공급함과 동시에 축전장치에 상용전력을 비축할 수 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼2 기재의 열전병급시스템이다. 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대인 것을 제어수단(본 명세서에는 도시하지 않음.)이 판단지만 그것을 예시(例示)한다. 전력부하는 소비전력을 전력계(전력부하9 앞에 설치된다.)로 측정해서 측정된 전력이 특정출력 C2 이하인 경우에는 상용전력에 의해 전력을 공급함과 동시에 축전장치에 상용전력을 비축하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼2 기재의 열전병급시스템이다.
예를 들면 특정출력 C2를 1/3*C0(여기에서 C0는 일일(一日) 피크출력으로 한다.)라 한다. 열전병급시스템에 이와 같이 설정함으로서 전력부하가 예를 들면 1/3*C0이하의 시간대는 상용전력을 1/3*C0 소비한다고 하면 전력부하의 전량을 상용전력으로 공급하고 남은(1/3*C0-전력부하) 상용전력을 축전장치에 저장할 수 있게 한다.
본 열전병급시스템에 의하면 소비전력이 적은 시간대라도 1/3*C0의 상용전력 소비가 보정된다.
혹은 엄격히 그 순간 매t마다 판단하는 것이 아니고 일정기간의 데이터로부터 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대를 미리 t3∼t4를 설정해 놓고 그 시간대 t3∼t4 사이는 상용전력으로부터 축전장치에 상용전력을 저장하는 것도 가능하다.
또 일반으로 C0C1C2이고 이하 전력부하의 소비전력이 특정치
C3(C0C1C3C2)인 경우, 본 열전병급시스템에 대해서 설명한다. 예를 들면 전력부하의 소비전력을 상용전력만으로 전력부하에 공급할 수 있게 되면 전력부하에 공급하는 것이 하나의 예로서 가능하다. 또 상용전력과 축전장치에 비축된 전력 양쪽으로 아니면 상용전력과 발전장치에서 발생한 전력 양쪽으로 전력부하에 공급하는 것도 하나의 예로서 가능하다.
·청구항 4기재 발명은 축전장치를 구비한 열전병급시스템에 대해서
전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대에 상용전력에 의해 전력을 공급하는 또는 축전장치에 상용전력을 비축하는 것을 특징으로 하는 청구항1∼3기재의 열전병급시스템이다. 이것은 이미 필요한 전력을 축전장치에 비축을 완료한 경우에는 될 수 있는 대로 빨리 축전장치에 상용전력을 비축할 필요가 없으므로 상용전력을 공급하는 것만으로 된다. 또 전력부하가 전혀 없는 경우에는 상용전력을 공급할 수 없으므로 상용전력은 축전장치에 비축하게만 된다.
·청구항 5기재 발명은 가스터빈, 엔진 또는 연료전지를 구성요소로 하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼4 기재의 열전병급시스템이다. 연료전지는 예를 들어 소형의 고분자 전해질형 연료전지(출력 2kW이하)이다.
·청구항 6기재 발명은 발전장치가 교류발전장치 또는 직류발전장치인 것을 특징으로 하는 청구항 1∼5 기재의 열전병급시스템이다.
·청구항 7기재 발명은 축전장치가 전력부하의 소비전력이 특정치 C1이상의 시간대에 물을 분해해서 수소와 산소를 제조해서 저장하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼6 기재의 열전병급시스템이다. 잉여의 상용전력을 이용해서 물을 전기분해하여 수소와 산소를 제조해서 저장함으로서 전력을 저장하는 것이 가능하다. 특히 발전장치가 연료전지의 경우에는 저장한 수소를 연료를 개질해서 만들어진 수소농도가 높은 가스에 혼입하고, 산소는 공기에 혼입함으로서 발전에 이용할 수 있다. 또는 다른 계통의 수소, 산소인 연료전지를 설치할 수 있다.
·청구항 8기재 발명은 축전장치가 리튬이차전지, 니켈수소전지, 케퍼시터 중에서 선택되는 적어도 1종 또는 2종 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼7 기재의 열전병급시스템이다. 케퍼시터는 전기부하가 급격히 증가할 때를 대비하는데 가장 좋다. 리튬이차전지 등과 병용하는 것이 바람직하다.
·청구항 9기재 발명은 배열회수장치에서 회수된 열을 열부하(흡수식 냉동기, 온수 보일러 등에서 선택된 1종 또는 2종 이상)에 공급하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼8 기제의 열전병급시스템이다.
앞에 기술한 배열회수장치에 의해 회수된 열을 상기의 열부하에 공급하고 흡수식 냉동기에서 얻어진 냉수와 온수 보일러로부터 얻어진 온수를 이용해서 공조(空調)를 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 냉방을 필요로 하는 기간은 흡수식 냉동기에 회수한 배열을 공급하고 흡수식 냉동기로부터 얻어진 냉수는 냉방에 이용된다. 또 난방을 필요로 하는 기간에는 회수한 배열을 온수 보일러에 공급하고 온수보일러로 얻어진 온수는 난방에 사용한다. 이렇게 함으로서 공조기기(空調機器) 등에 사용되는 전력부하는 냉온수송수용 펌프, 환기팬 등 아주 작아진다. 또 흡수식 냉동기 및 온수보일러의 배가스는 다시 급탕기 등으로 열회수 할 수 있다.
·청구항 10에 기재한 발명은 전력부하의 소비전력이 특정치 C2 이하의 시간대 예를 들면 야간요금시간대뿐이다. 또 야간요금시간대를 포함하는 시간대인 것을 특징으로 하는 청구항 1∼9 기재의 열전병급시스템이다. 전기부하인 소비전력이 특정치 C2이하의 시간대를 보다 구체적으로 정의한 취지이다.
·청구항11 기재 발명은 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대인 것을 전력부하의 소비전력 피크시간대로 바꾸어서 읽는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼10 기재의 열전병급시스템이다.
전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대인 것을 제어수단(도시하지 않음)이 판단하지만 제어수단을 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상인지 아닌지를 판단하게 구성하는 것은 제어수단의 복잡화를 초대한다. 따라서 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대는 예상 가능하므로 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대를 판단하는 대신에 전력부하의 소비전력 피크시간대(t1∼t2의 시간대)에는 발전장치에 의한 전력 및 상용전력 및 축전장치에 저장된 전력을 병용해서 전력을 공급하는 것이다. 본 발명에서는 전력부하의 소비전력 피크시간대(t1∼t2의 시간대)의 사이 항상 발전장치에 의한 전력 및 상용전력 및 축전장치에 저장된 전력을 병용해서 전력을 공급할 필요는 없고 전력부하의 소비전력 피크시간대(t1∼t2의 시간대)에 발전장치에 의한 전력 및 상용전력 및 축전장치에 저장된 전력을 병용해서 전력을 공급하는 경우가 있으면 좋다고 넓게 생각한다. 이와 같이 넓게 생각을 했다고 하더라도 피크시간대에 발전장치에 의한 전력 및 상용전력 및 축전장치에 저장된 3계통의 전력을 병용해서 전력을 공급함으로써 전체의 열전병급시스템을 콤팩트화 할 수 있어 시스템의 가격저하가 가능한 본 발명특유의 효과를 발휘할 수 있기 때문이다.
·청구항 12기재 발명은 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대인 것을 전력부하의 소비전력이 줄어드는 시간대로 바꾸어 읽는 것을 특징으로 하는 청구항 2∼11 기재의 열전병급시스템이다.
전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하인 것을 제어수단(도시 않음)이 판단하는 것이지만 제어수단을 전력부하의 소비전력이 C2 이하인지 아닌지를 판단할 수 있게 구성하는 것은 제어수단의 복잡화를 초래한다. 따라서 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대는 예상 가능하므로 소비전력이 낮아지는 시간대(t3∼t4의 시간대)에는 축전장치에 상용전력을 저장하는 것이다. 본 발명에서는 소비전력이 낮아지는 시간대(t3∼t4의 시간대) 사이 항상 축전장치에 상용전력을 저장할 필요는 없고 소비전력이 낮아지는 시간대(t3∼t4의 시간대)에 축전장치에 상용전력을 저장하는 경우가 있으면 좋다고 넓게 생각하는 것으로 한다. 이와 같이 넓게 생각하여도 소비전력이 줄어드는 시간대에 상용전력을 축전장치에 저장 하므로서 피크시에 축전장치에 저장한 상용전력을 이용할 수 있으므로 피크시 백업(back up) 전력량이 감소하는 데에 연결 되여 상용전력의 하루 전체의 부하가 더욱 대폭(大幅)으로 평준화가 되므로 전기사업자로서도 매력이 있는 보다 더 소형의 열전병급시스템의 실현을 가능하게 하는 본 발명 특유의 효과를 발휘할 수 있기 때문이다.
·청구항 13기재 발명은 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대인 것을 야간시간대로 바꾸어 읽는 것을 특징으로 하는 청구항 2∼12 기재의 열전병급시스템이다. 청구항 12기재 발명에서 소비전력이 줄어드는 시간대를 야간시간대로 한정한 것이다.
(발명의 효과)
본 발명을 구성함으로서 이미 기술한 본 발명의 과제를 충분히 달성할 수 있었다. 즉 전력부하인 소비전력이 특정출력 C1 이상 즉 피크시간대에 발전장치에 의한 전력 및 상용전력과 축전장치에 저장된 3계통의 전력을 병용해서 전력을 공급함과 동시에 전체의 열전병급시스템을 콤팩트화 할 수 있어 시스템의 가격을 낮출 수 있었다. 이렇게 함으로서 가정용 소형시스템으로써 널리 보급할 수 있게 되었다.
또 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하인 시간대(예를 들면, 상용전력의 야간요금시간대)에 상용전력에 의해 전력을 공급하고 또는 상용전력에 의해 전력을 공급함과 동시에 축전장치에 상용전력을 비축함으로서 즉 야간요금시간대의 상용전력을 적극적으로 이용함으로서 상용전력의 일일(一日) 전체 부하를 평준화 하게 되므로 전기사업자에게도 매력이 있는 보다 소형의 열전병급시스템을 실현 가능하게 하였다.
특히 야간시간대에 상용전력을 축전장치에 저장함으로서 피크時에 축전장치에 저장한 상용전력을 사용할 수 있으므로 피크時의 백업(back up)전력량이 감소하는 것과 연결되어 상용전력의 일일(一日) 전체의 부하를 더욱 크게 평준화 할 수 있게 되므로 전기사업자에게도 매력 있는 보다 작은 열전병급시스템이 가능하게 하였다.
이상과 같이 소형이고 설치하기 쉽고 설비가격이 싼 열전병급시스템으로 함에따라 특히 소형용(예를 들면, 가정용)의 열전병급시스템를 보급하는 가능성이 높아졌다. 또 야간요금시간대인 상용전력을 적극적으로 이용함으로서 자기완결형 열전병급시스템 혹은 상용전력 백업(back up) 열전병급시스템 보다도 상용전력부하가 보다 평준화되므로 전기사업자가 쉽게 받아들이기 쉬운 시스템으로 만드는 것이 가능하게 되었다.
더욱 본 발명의 축전장치를 구비한 열전병급시스템으로 함으로서 소형용이크게 보급될 것으로 기대됨에따라 야간의 상용 잉여 전력을 분산 설치된 열전병급시스템이 구비된 축전장치에 축전 된 상용전력을 상용전력 피크時에 공급함으로써 국가 전체의 상용전력 부하를 평준화함으로서 대형 발전소의 설치시기를 늦출 수 있게 하는 매력을 발휘할 수 있게 되었다. 말하자면 보급해서 분산 설치된 열전병급시스템의 축전장치에 상용전력을 비축할 수 있으므로 양수발전을 위해서 저수지를 건설하는 것과 같은 효과를 발휘한다.
또한 축전장치에 열전병급시스템의 발전장치의 전력을 저장함으로서 국가 전체의 상용전력의 피크시간대에 소비전력을 조절하는데 공헌할 수 있는 효과를 발휘하는 가능성이 높아졌다. 또 에너지 효율이 높은 본 열전병급시스템을 광범위하게 보급함으로서 국가의 에너지 절약 정책을 수행 할 수 있는 가능성이 높아졌다.

Claims (13)

  1. 축전장치를 구비한 열전병급시스템에 대해서,
    전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대에 발전장치에 의한 전력 및 상용전력 및 축전장치에 저장된 전력을 병용해서 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 열전병급시스템
  2. 축전장치를 구비한 열전병급시스템 대해서,
    전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대에 축전장치에 상용전력을 저장하는 것을 특징으로 하는 청구항1 기재의 열전병급시스템.
  3. 축전장치를 구비한 열전병급시스템 대해서,
    전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하인 시간대에 상용전력에 의해 전력을 공급함과 동시에 축전장치에 상용전력을 저장하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼2 기재의 열전병급시스템.
  4. 축전장치를 구비한 열전병급시스템에 대해서,
    전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대에 상용전력에 의해 전력을 공급 또는 축전장치에 상용전력을 저장 할 수 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼3 기재의 열전병급시스템.
  5. 가스터빈, 엔진 또는 연료전지를 구성요소로 하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼4 기재의 열전병급시스템.
  6. 발전장치가 교류발전장치 또는 직류발전장치인 것을 특징으로 하는 청구항 1∼5 기재의 열전병급시스템.
  7. 축전장치가 전력부하의 소비전력이 특정치 C1 이하의 시간대에 물을 전기분해 해서 수소와 산소를 제조해서 저장하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼6 기재의 열전병급시스템.
  8. 축전장치가 리튬이차전지, 니켈수소전지, 케페시터 중 선택되는 적어도 1종 또는 2종 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼7기재의 열전병급시스템.
  9. 열회수장치에서 회수된 열을 흡수식 냉동기, 온수 보일러에서 선택된 1종 또는 2종 이상에 공급하는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼8 기재의 열전병급시스템.
  10. 전력부하의 소비전력이 특정치 C2 이하의 시간대가 야간시간대 뿐인 경우와 또는 야간시간대를 포함하는 시간대인 것을 특징으로 하는 청구항 1∼9 기재의 열전병급시스템.
  11. 전력부하의 소비전력이 특정출력 C1 이상의 시간대인 것을 전력부하의 소비전력의 피크시간대로 바꾸어 읽는 것을 특징으로 하는 청구항 1∼10 기재 의 열전병급시스템.
  12. 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대인 것을 전력부하의 소비전력이 줄어드는 시간대로 바꾸어 읽는 것을 특징으로 하는 청구항 2∼11 기재의 열전병급시스템.
  13. 전력부하의 소비전력이 특정출력 C2 이하의 시간대인 것을 야간시간대로 바꾸어 읽는 것을 특징으로 하는 청구항 2∼12 기재의 열전병급시스템.
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