KR20090112846A - The Small size Generation System using Solar Cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A small size generation system using a solar cell is provided to reduce the energy consumption and the greenhouse effect of an earth using an environment friendly energy source. CONSTITUTION: A solar battery generates the electricity using the solar energy. A storage battery(30) boosts a voltage generated from the electric power generating element to DC24V using the DC-DC converter(20). A direct drive type combined generator(40) generates the second electricity of the large-scale capacity using the electricity stored in the storage battery. A storage battery set(60) in which the capacity is big stores the second electricity which generated from the direct drive type combined generator. The DC to AC inverter(70) converts the electricity stored in the storage battery into the alternating current to be utilized in the electronic appliances.

Description

태양전지를 이용한 소형 발전 시스템 { The Small size Generation System using Solar Cell }Small Power Generation System Using Solar Cells {The Small size Generation System using Solar Cell}

태양 빛을 받아서 전기를 생성시키는 태양전지 판을 사용하여 발전한 1 차 전기를 DC 24V 용 축전지에 축전한다. 축전할 때 DC-DC converter 와 축전제어 회로를 사용하여 축전지의 과축전을 방지한다.The primary electricity generated by the solar cell plate which receives the sun light and generates electricity is stored in the battery for DC 24V. In the case of power storage, DC-DC converter and power storage control circuit are used to prevent over storage of battery.

축전된 1 차 전기로 직결식 복합 발전기의 DC 모터를 구동시키면 모터의 회전축이 발전기의 회전자와 연결되어 있어서 발전기의 회전자가 모터의 회전속도와 동일하게 회전을 하면서 전기를 생성시킨다.When driving the DC motor of the direct-type combined generator with the stored primary electricity, the rotating shaft of the motor is connected to the rotor of the generator, so that the rotor of the generator rotates at the same speed as the motor to generate electricity.

이때 발생하는 전기가 2 차 전기이며 용량이 큰 축전지 세트에 저장을 한 후 가정 혹은 공장 등 여러 곳에서 전기가 필요할 경우 축전된 전기를 사용한다.At this time, the electricity generated is secondary electricity and stored in a large capacity battery set, and when electricity is needed in various places such as home or factory, the stored electricity is used.

세계적으로 태양, 풍력, 조력 등 자연 환경을 이용하여 발전을 하는 연구가 많이 이루지고 있으며 상당한 많은 부분이 상용화되어 있다. 그러나 자연 환경을 이용한 발전은 지리적 영향을 많이 받고 있다. 즉 태양 에너지를 이용해서 발전을 하기 위해서는 일조량이 많아야 하며 풍력 에너지를 이용하여 발전을 하기 위해서는 바람이 많이 불어야 한다.A lot of research is being done around the world using the natural environment such as the sun, wind power, tidal power, and much of it is commercially available. However, development using the natural environment is heavily influenced by geography. In other words, in order to generate power using solar energy, the amount of sunshine must be high, and in order to generate power using wind energy, a lot of wind must be blown.

현재 태양에너지를 이용한 발전 모듈에 있어서 태양전지가 많이 상용화되어 있다. 일반적으로 가로 1m x 세로 1m 정도 크기의 태양전지 판이 발전하는 전기량은 약 150W 정도이다. 가정에서 사용하고 있는 하루 전기량을 발전하기 위해서는 상기 크기의 태양전지 판을 약 20 개정도 설치를 하여야 한다. 우리나라의 경우 발전 시스템의 설치를 위한 공간적 제약을 많이 받는다. 그리고 발전 설비의 투자 대비 경제적인 발전을 위한 필요한 일조량이 있는 장소가 매우 드물다.Currently, solar cells are commercially available in power generation modules using solar energy. In general, the amount of electricity generated by a solar panel having a width of 1m x 1m is about 150W. In order to generate electricity per day used in the home, about 20 revisions of solar cell plates of the above sizes should be installed. In Korea, there are many space constraints for the installation of power generation systems. In addition, very few places have the necessary amount of sunshine for economic development compared to the investment of power generation facilities.

상기 서술한 바와 같이 태양에너지를 이용하여 경제적인 발전을 위한 일조량이 풍부한 장소를 찾기 어려운 상황에서 고 효율적인 발전을 위한 시스템을 제안한다. 전체 발전 용량에 따라 구분하여 태양전지 판을 1-2 개 설치하여 1 차 전기를 발전한다. 태양전지에서 발전되는 1 차 전기의 전력량이 2 차 전기의 발전량을 결정하기 때문에 발전 시스템의 발전 용량에 따라 설치하는 태양전지 판의 수를 결정한다.As described above, we propose a system for high-efficiency power generation in a situation where it is difficult to find a place rich in sunshine for economic power generation using solar energy. The primary electricity is generated by installing 1-2 solar panels according to the total generation capacity. Since the amount of primary electricity generated from solar cells determines the amount of electricity generated by secondary electricity, the number of solar panels installed is determined according to the generation capacity of the power generation system.

발전한 1 차 전기를 축전지에 축전을 한 후 DC 모터와 발전기를 구동시켜 전기량이 큰 2 차 전기를 발전하여 용량이 큰 축전지 세트에 축전한다. 제어기에서 축전기 세트의 축전 상태를 제어한다.After the generated primary electricity is stored in the battery, the DC motor and the generator are driven to generate secondary electricity with a large amount of electricity, and then to the battery set with a large capacity. The controller controls the storage state of the capacitor set.

그리고 DC 모터와 발전기는 내부에 회전자가 회전을 하기 때문에 열이 발생을 하는데 발생하는 열에 의하여 DC 모터와 발전기의 내부가 고장이 발생할 경우가 생기므로 열의 발생을 제어하여야 한다.In addition, since the rotor rotates inside the DC motor and the generator, heat is generated. The heat generated from the DC motor and the generator may cause a failure of the inside of the DC motor and the generator.

하나. 1 차 전기를 발전하기 위하여 태양전지 판을 설치한다.one. Solar panels are installed to generate primary electricity.

일반적으로 태양전지 판의 크기는 가로 1m x 세로 1m 이며 발전량은 약 150W 정도이다. 발전된 1 차 전기를 DC24V 축전지에 축전을 한다. 발전 시스템의 발전 용량에 따라 축전지를 여러 개 장착할 수 있다.In general, the size of a solar cell plate is 1m wide x 1m long and the amount of generation is about 150W. The primary electricity generated is stored in a DC24V battery. Depending on the power generation capacity of the power generation system, several batteries can be installed.

둘, 24V 용 축전지에 축전된 전기를 이용하여 직결식 복합 발전기를 구동시켜 큰 용량의 전기를 발전한다.Second, a large capacity of electricity is generated by driving a direct-type combined generator using electricity stored in a 24V battery.

직결식 복합 발전기는 DC 모터와 발전기가 직접 연결되어 있으며 사용되는 발전기는 회전자가 영구자석으로 되어 있다. 직결식 복합 발전기에서 발전하는 전기를 축전 용량이 큰 축전지 세트에 축전을 한다.In the direct type combined generator, the DC motor and the generator are directly connected, and the generator used has the rotor as a permanent magnet. Electricity generated by the direct-type combined generator is stored in a battery set having a large storage capacity.

셋, 축전지에 저장된 전기는 직류이므로 가전제품에 사용하기 위해서는 전기를 교류로 변환을 하여야 하는데 DC/AC 인버터를 사용한다.Third, the electricity stored in the battery is a direct current, so in order to use it in home appliances, the electricity must be converted to alternating current.

넷, 직결식 복합 발전기의 구성 요소인 DC 모터와 발전기는 발전을 위한 회전자의 회전에 의하여 열이 발생하는데 열을 제어하지 않으면 발전기가 고장이 발생한다. 이 열을 제어하기 위하여 DC 모터와 발전기에 온도 센서를 설치하여 온도를 감지한 다음 온도 정보를 이용하여 제어기에서 직결식 복합 발전기의 동작을 제어한다.Four, DC motors and generators, which are components of a direct-type combined generator, generate heat due to the rotation of the rotor for power generation. If the heat is not controlled, the generator may fail. In order to control this heat, a temperature sensor is installed on the DC motor and the generator to sense the temperature, and then the operation of the direct-type combined generator is controlled by the controller using the temperature information.

다섯, 축전지에 축전을 할 때 과축전이 되면 축전지의 수명이 짧아지고 고장의 원인이 되므로 축전되는 전기량을 체크할 수 있는 과축전 방지 회로를 사용하여 과축전을 방지한다.Fifth, when over-capacity is stored in the battery, the life of the battery is shortened and it may cause the failure. Therefore, the over-capacity prevention circuit that can check the amount of electricity stored in the battery is prevented.

본 발명에 의하면 설치 면적이 매우 작게 되면서 고효율의 태양 에너지를 이용한 발전 시스템을 제공하기 때문에 우리나라와 같이 일조량이 풍부하지 않은 장소에도 효율적인 발전을 할 수 있다.According to the present invention, since the installation area is very small and provides a power generation system using high-efficiency solar energy, it is possible to efficiently generate power even in places where sunlight is not abundant as in Korea.

상기 발전 시스템은 기존의 발전 시설에 비해 시스템의 규모가 매우 작아 좁은 공간에 설치 및 사용 매우 쉽기 때문에 활용도가 매우 높을 것으로 예상된다.The power generation system is expected to have a very high utilization rate because the system is very small compared to the existing power generation facility and is very easy to install and use in a narrow space.

태양으로부터 무한정 공급되는 무공해 에너지인 태양에너지를 효율적으로 이용하여 전기를 만들어 사용하므로 작게는 하나의 가정이지만 한 나라로 계산하면 엄청난 양의 에너지를 절약하게 된다. 뿐만 아니라 환경적인 측면에서 대기 오염을 방지하고 지구의 온실 효과를 줄이는데도 도움이 된다.Since it uses electricity, which is energy-free, which is infinitely supplied from the sun, electricity is produced and used, it is a small household, but it can save a huge amount of energy. It also helps to prevent air pollution and reduce the global greenhouse effect from an environmental point of view.

상기 목적을 달성하기 위해,In order to achieve the above object,

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1 은 본 발명의 발전기의 시스템에 관한 블록도이다.1 is a block diagram of a system of a generator of the present invention.

약 가로 1m x 세로 1m 크기의 태양전지 판에서 발전할 수 있는 전기량은 약 150W 정도이다. 하루에 다섯 시간을 가동시켜 발전을 한다면 150W 의 전기를 다섯 시간을 사용할 수 있는 전기량이 발전되는 것이다.The amount of electricity that can be generated from a solar panel of about 1m x 1m is about 150W. If you run five hours a day to generate electricity, you can generate 150W of electricity for five hours.

발전한 전기를 DC-DC converter(20)를 이용하여 전압을 DC24V 로 승압을 하여 축전지(30)에 축전을 한다. 보통 축전지(30) 한 개의 용량은 DC24V/10Ah 정도이며 2 개를 이용하여 한 팩으로 만든다.The generated electricity is stored in the storage battery 30 by boosting the voltage to 24 VDC using the DC-DC converter 20. Usually, the capacity of one battery 30 is about 24 VDC / 10 Ah, and two packs are used.

축전지(30)에 축전된 1 차 전기를 이용하여 직결식 복합 발전기(40)를 구동시켜 발전을 한다. 이때 발전된 전기가 2 차 전지이며 발전 용량이 크다. 직결식 복합 발전기(40)는 DC 모터(41)와 발전기(42)가 직접적으로 연결되어 있다. 즉 DC 모터(41)의 회전축과 발전기(42)의 회전자가 직접 연결되어 있어 에너지 손실이 없이 DC 모터(41)의 회전력이 발전기(42)에 전달된다. 단 DC 모터(41)에는 일체형으로 5:1 의 감속기가 붙어 있어 발전기(42)가 발전하기 적합한 회전력을 제공한다. 또한 DC 모터(41)가 회전시킬 수 있는 토크(torque)를 약 5 배 정도 증가시키는 역할을 한다. 즉 DC 모터(41)가 감소기가 없는 경우의 회전력이 약 2800rpm, 토크가 2kgf.cm 이지만 5:1 감속기를 부착을 하면 발전기(42)가 최적의 조건으로 발전할 수 있는 약 560rpm 의 회전력을 제공하며 견딜 수 있는 토크가 약 10kgf.cm 로 증가를 한다. 발전기(42)의 구조는 회전자가 영구자석으로 되어 있어 기존의 전자석을 이용한 회전자 보다 무게가 훨씬 가벼워 DC 모터(41)를 이용하여 충분히 회전자를 구동시킬 수 있다.Power is generated by driving the direct type combined generator 40 by using primary electricity stored in the storage battery 30. At this time, the generated electricity is a secondary battery and a large generating capacity. In the direct type combined generator 40, the DC motor 41 and the generator 42 are directly connected. That is, the rotating shaft of the DC motor 41 and the rotor of the generator 42 are directly connected so that the rotational force of the DC motor 41 is transmitted to the generator 42 without energy loss. However, the DC motor 41 is integrally equipped with a 5: 1 speed reducer to provide a rotational force suitable for generating the generator 42. It also serves to increase the torque that can be rotated by the DC motor 41 by about five times. That is, when the DC motor 41 has no reducer, the rotational force is about 2800rpm and the torque is 2kgf.cm, but when the 5: 1 reducer is attached, the generator 42 provides about 560rpm rotational power that can generate the optimum conditions. The torque to withstand increases to about 10kgf.cm. The structure of the generator 42 is a permanent magnet so that the weight is much lighter than the rotor using a conventional electromagnet can sufficiently drive the rotor using the DC motor (41).

직결식 복합 발전기(40)에서 발생하는 전기는 발전기(42)의 구조에 따라 교류(AC) 혹은 직류(DC)의 특성을 가진다.The electricity generated by the direct type combined generator 40 has the characteristics of alternating current (AC) or direct current (DC) according to the structure of the generator 42.

발전기(42)의 구조상 발생하는 전기가 교류(AC) 이면 축전지 세트(60)에 축전을 위하여 AC-DC converter(50)가 필요하며 전기가 직류(DC)로 발생하면 AC-DC converter(50)가 필요 없이 직접적으로 축전지 세트(60)에 축전을 한다. 직류(DC)로 발전하는 경우 전압은 DC 24V 이다.If electricity generated in the structure of the generator 42 is alternating current (AC), the AC-DC converter 50 is required for power storage in the battery set 60. If electricity is generated as direct current (DC), the AC-DC converter 50 There is no need to directly accumulate the battery set 60. When generating direct current (DC), the voltage is DC 24V.

안전한 축전을 위하여 전력제어장치(90)를 사용한다.The power control device 90 is used for safe power storage.

축전지 세트(60)에 축전된 전기는 DC-AC Inverter(70)를 통하여 교류(AC 220V 혹은 110V)로 변환되어 가전제품에 사용된다.The electricity stored in the battery set 60 is converted into alternating current (AC 220V or 110V) through the DC-AC Inverter 70 and used for home appliances.

제어기(100)는 시스템의 모든 동작(가동, 온도, 축전 상태, 시간, 전력량 등)을 제어하는데 사용된다.The controller 100 is used to control all operations (operation, temperature, power storage state, time, amount of power, etc.) of the system.

도 2 는 직결식 복합 발전기의 구조를 도시한 도면이다.2 is a view showing the structure of a direct type combined generator.

DC 모터와 발전기로 구성되어 있으며 각각의 회전축이 직접적으로 체결되어 하나의 회전축으로 결합되어 있어 모터의 회전 에너지가 손실없이 발전기에 전달된다. 본 발명의 핵심적인 요소이다.It consists of a DC motor and a generator, and each rotating shaft is directly fastened and combined into one rotating shaft so that the rotating energy of the motor is transmitted to the generator without loss. It is a key element of the present invention.

그리고 발전기는 회전자가 영구자석으로 되어 있어 회전자는 사람의 손으로도 쉽게 회전시킬 수 있을 만큼 가볍기 때문에 120W 용량의 DC 모터로 충분히 발전기를 구동시켜 발전을 할 수 있다.And since the rotor is made of permanent magnets and the rotor is light enough to be easily rotated by human hands, a 120W DC motor can drive the generator enough to generate electricity.

도 3 은 축전제어 방법을 도시한 블록도이다.3 is a block diagram showing a power storage control method.

축전지(30) 및 축전지 세트(60)의 축전 상태를 제어한다. 축전지(30)에서 충전정보(150)를 받아서 제어할 필요가 있을 때는 발전제어(120) 신호를 제어기(100)가 보내어 발전을 중지시킨다. 그리고 축전지 세트(60)에서 축전정보(160)를 받아서 제어할 필요가 있을 때는 모터제어(170) 신호를 제어기(100)가 보내어 DC 모터(41)를 제어한다.The electrical storage state of the storage battery 30 and the storage battery set 60 is controlled. When it is necessary to receive and control the charging information 150 from the storage battery 30, the controller 100 transmits a power generation control 120 signal to stop power generation. In addition, when it is necessary to control and receive power storage information 160 from the battery set 60, the controller 100 transmits a motor control 170 signal to control the DC motor 41.

도 4 는 직결식 복합 발전기의 온도 제어 방법을 도시한 블록도이다.4 is a block diagram illustrating a temperature control method of a direct type combined generator.

모터와 발전기는 회전을 하면 열이 발생하므로 온도를 제어할 필요가 있다. 즉 DC 모터(41)와 발전기(42)의 표면에 온도센서를 장착하고 각 온도상태를 감지하 여 온도정보(200)을 얻은 다음 제어할 필요가 있을 경우 모터제어(170) 신호를 제어기(100)가 보내어 DC 모터(41)의 동작을 중지시켜 온도를 제어한다.Motors and generators generate heat as they rotate, so temperature control is necessary. That is, the temperature sensor 200 is mounted on the surfaces of the DC motor 41 and the generator 42, and each temperature state is detected to obtain the temperature information 200, and then the motor control 170 signal is controlled by the controller 100. Is sent to stop the operation of the DC motor 41 to control the temperature.

도 5 는 태양전지 판의 일 예를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating an example of a solar cell plate.

일본의 소니사 만든 태양전지 판을 나타낸 것으로 크기는 가로 1.3m x 세로 1m 이며 최대 발전량은 180W 이다.It is a solar panel made by Sony of Japan. The size is 1.3m wide x 1m long and the maximum power generation is 180W.

도 6 은 직결식 복합 발전기 구성 요소인 DC 모터의 일 예를 나타낸 도면이다.6 is a view showing an example of a DC motor as a direct type combined generator component.

DC 모터의 구동 정격은 60W 이므로 태양전지 판에서 발전하는 발전량을 이용하여 DC 모터의 구동시간을 2.1 배 더 가져 갈 수 있다. 다시 말해서 태양전지 판에서 1 시간에 150Wh 를 발전했다면 60Wh 의 DC 모터를 2.1 시간을 가동시킬 수 있어 약 2 시간 이상을 2 차 발전을 할 수 있다.Since the drive rating of the DC motor is 60W, the driving time of the DC motor can be 2.1 times longer by using the amount of power generated from the solar panel. In other words, if the solar panel generates 150Wh per hour, a 60Wh DC motor can run 2.1 hours, which can generate more than 2 hours of secondary power generation.

DC 모터의 회전력은 약 560rpm 정도이다.The rotational force of the DC motor is about 560 rpm.

도 7 은 직결식 복합 발전기 구성 요소인 발전기의 일 예를 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating an example of a generator which is a direct type combined generator component.

발전기 회전자의 회전력이 240-600rpm 에서 500-2,000W 의 전기를 발전할 수 있는 발전기이다.Generator Rotor is a generator that can generate 500-2,000W of electricity at 240-600rpm.

AFPM 발전기로 회전자는 영구자석으로 되어 있어 회전자가 가볍고 고효율의 높은 전기를 발전할 수 있다The AFPM generator allows the rotor to be a permanent magnet, allowing the rotor to generate light, high efficiency and high electricity.

도 1: 발전기의 시스템에 관한 블록도.1 is a block diagram of a system of a generator.

도 2: 직결식 복합 발전기의 구조를 도시한 도면2 is a view showing the structure of a direct type combined generator

도 3: 충전제어 방법을 도시한 블록도3 is a block diagram showing a charging control method

도 4: 직결식 복합 발전기의 온도 제어 방법을 도시한 블록도4 is a block diagram showing a temperature control method of a direct-type combined generator

도 5: 태양전지 판의 일 예를 나타낸 도면5 is a view showing an example of a solar cell plate

도 6: 직결식 복합 발전기 구성 요소인 DC 모터의 일 예를 나타낸 도면6 is a view showing an example of a DC motor as a direct type combined generator component

도 7: 직결식 복합 발전기 구성 요소인 발전기의 일 예를 나타낸 도면7: A diagram showing an example of a generator that is a direct type combined generator component

Claims (4)

태양에너지를 이용하여 전기를 발전할 수 있는 태양전지;Solar cells that can generate electricity using solar energy; 상기 발전 소자에서 발생하는 1 차 전기를 DC-DC converter 를 이용하여 전압을 DC24V 로 승압을 한 후 축전할 수 있는 축전지;A storage battery capable of accumulating primary electricity generated by the power generation element by boosting the voltage to DC24V using a DC-DC converter; 상기 축전지에 축전되어 있는 전기를 이용하여 큰 용량의 2 차 전기를 발전할 수 있는 직결식 복합 발전기;A direct type combined generator capable of generating a large capacity secondary electricity using electricity stored in the storage battery; 상기 직결식 복합 발전기에서 발전한 2차 전기를 축전할 수 있는 용량이 큰 축전지 세트;A battery set having a large capacity for storing secondary electricity generated by the direct type combined generator; 상기 축전지 세트에 축전된 전기를 가전제품에 활용할 수 있도록 교류로 전환할 수 있는 DC-AC inverter 로 구성되어 있는 태양전지를 이용한 소형 발전 시스템Small power generation system using a solar cell composed of a DC-AC inverter that can be converted into an alternating current so as to utilize the electricity stored in the battery set for home appliances 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 직결식 복합 발전기는 DC 모터와 AFPM (Axial-Flux Permanent Magnet)발전기가 일체형으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 소형 발전 시스템.The direct-type combined generator is a small power generation system using a solar cell, characterized in that the DC motor and AFPM (Axial-Flux Permanent Magnet) generator is integrally combined. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 직결식 복합 발전기의 DC 모터와 발전기를 일체형으로 결합할 때 각각 의 회전축을 직접적으로 연결하여 하나의 회전축으로 동작하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 소형 발전 시스템.Small power generation system using a solar cell, characterized in that when the direct coupling of the DC motor and the generator of the combined generator integrally connected to each rotating shaft to operate as a single rotating shaft. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 직결식 복합 발전기에 사용하는 DC 모터는 감속기가 일체형으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 소형 발전 시스템.The DC motor used in the direct-type combined generator is a small power generation system using a solar cell, characterized in that the reducer is integrally combined.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107359737A (en) * 2017-07-04 2017-11-17 王维平 Wind energy solar power environmental protection transformation electricity generation system
KR101865787B1 (en) * 2017-12-18 2018-06-08 김영민 High efficiency of the power plant to get high electro motive force

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