KR20120104979A - 태양광 발전 히터 - Google Patents

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KR20120104979A
KR20120104979A KR1020127012833A KR20127012833A KR20120104979A KR 20120104979 A KR20120104979 A KR 20120104979A KR 1020127012833 A KR1020127012833 A KR 1020127012833A KR 20127012833 A KR20127012833 A KR 20127012833A KR 20120104979 A KR20120104979 A KR 20120104979A
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photovoltaic
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KR1020127012833A
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하나 아쉬케나지
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이디에스-유에스에이 인크.
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Abstract

태양광 발전 히터로서 (a) 태양광 셀 어레이, (b) 적어도 하나의 기본 가열 요소, 그리고 (c) 태양광 셀 어레이의 최대 전력점을 추적하고 적어도 하나의 기본 가열 요소에 하나로 모아서 최대 전력을 제공하도록 구성되어진 최대 전력점 추적 회로를 포함한다.

Description

태양광 발전 히터{PHOTOVOLTAIC HEATER}
본 발명은 태양열 에너지 분야 및, 특히 입사, 태양 복사 조건을 변경하기 위해 최대 전력에서 가열하는 태양광 어레이에 관한 것이다.
비-전기, 태양광 가열 패널에서, 물이 복사 태양열을 흡수하는 가열 파이프를 통해 흘려서 가열되며; 파이프를 통한 프리 흐름(free flow)이 패널의 적절한 성능에 필수적인 것은 알려져 있다. 주위 공기 온도가 물의 어는점 아래로 떨어지는 추운 기후에서, 파이프내의 물이 얼어서 계속해서 가열 파이프를 파괴시킬 가능성이 있다. 그러므로 냉동 날씨 상태에서 작동되는 내구성 태양광 가열 시스템을 필요로 하고 있다.
미국 특허 번호 제 5,293,447호는 전력 변환 효율을 극대화하기 위해서 태양광 어레이의 저항 부하(resistive load) 이든지 또는 발전 특성을 조정하도록 구성된 태양광 어레이에 작동되는 전기 태양열 가열 시스템을 공개한다. 부하 저항은 최대 전력점과 관련된 저항에 가깝게 하기 위해서 특정 가열 요소 또는 요소들의 조합을 결합하는 전환 회로(switching circuitry)에 의해 변경된다. 단점은 각 부하 저항 요소가 최대 전력점과 관련된 목표 저항(target resistance)을 달성하는 것을 거의 불가능하게 만드는 별개의 저항을 가지며, 따라서 히터가 패널이 생산할 수 있는 최대 전력에서 작동되지 않을 것이며, 이로써 값어치 있는 태양열 전력을 낭비한다는 것이다. 특히 많은 수의 필요한 가열 요소는 자본 및 유지보수비를 추가한다.
그러므로, 정해진 태양열 복사 상태에서 최대 전력에서, 표준의 통상적인 전기 히터(off-the-shelf electrical heaters)를 작동할 수 있는 PV 셀 어레이(PHOTOVOLTAIC CELL ARRAY)가 필요하다.
본 발명은 입사 태양열 복사 변경에 응답하는 태양광 발전 가열 시스템이다. 본 발명의 교시에 따라서, 입사 태양광 복사 세기의 변동에 응답하는 태양광 발전 히터를 제공하며, 히터는 (a) 태양광 셀 어레이, (b) 적어도 하나의 기본 가열 요소, 그리고 (c) 태양광 셀 어레이의 최대 전력점을 추적하고 적어도 하나의 기본 가열 요소에 하나로 모아서 최대 전력을 제공하도록 구성되어진 최대 전력점 추적 회로를 포함한다.
본 발명의 추가의 특징에 따라서, 시스템은 또한, 매개물, 예를 들어, 물, 오일 또는 공기를 포함하며, 적어도 하나의 가열 요소는 매개물을 가열하기 위해서 적어도 부분적으로 함침되어 있다.
본 발명의 추가의 특징에 따라서, 시스템은 또한 가열 요소를 전력 그리드에 리버저블하게(reversibly) 접속하고 가열 요소를 태양광 셀 어레이로부터 리버저블하게 분리하도록 구성되어진 스위치 메카니즘을 포함한다.
본 발명의 추가의 특징에 따라서, 시스템은 또한 보조 가열 요소와 그리드 스위치를 포함하며, 그리드 스위치는 적어도 하나의 기본 가열 요소에 의한 가열에 보충해서, 보조 가열 요소를 전력 그리드에 리버저블하게 연결하도록 구성되어 있다.
본 발명의 추가의 특징에 따라서, 시스템은 또한 그리드 스위치와 작동 연결의 변환 스위치를 포함하며, 변환 스위치는 보조 가열 요소가 전력 그리드에 연결될 때 최대 전력점 추적 회로로부터 기본 가열 요소를 리버저블하게 분리해서, 태양광 발전 히터를 종래 히터로 변환하도록 구성되어 있다.
본 발명의 교시에 따라서 또한 태양광 발전 가열 방법이 제공되어 있으며, 본 방법은 (a) 태양광 셀 어레이의 최대 전력점을 추적하는 단계와, (b) 가열 요소를 거의 최대 전력으로 구동하는 단계를 포함한다.
본 발명의 교시에 따라서 또한 하이브리드 가열 시스템이 제공되어 있으며, 본 시스템은 (a) 가열되어지는 매개물, (b) 매개물에 적어도 부분적으로 잠겨진 태양 발전 가열 요소, (c) 대양광 발전 가열 요소에 작동적으로 연결된 태양광 발전 시스템으로서 (i)태양광 셀 어레이와 (ii) 태양광 셀 어레이의 최대 전력점을 추적하고 전력을 태양광 발전 가열 요소에 제공하도록 구성되어진 최대 전력점 추적 회로를 포함하는 태양광 발전 시스템, (d) 매개물내에 적어도 부분적으로 잠겨진 그리드 발전 가열 요소 및 (e) 그리드 발전 가열 요소를 전력 그리드에 리버저블하게 연결하기 위한 그리드 스위치를 포함한다.
본 발명의 추가의 특징에 따라서, 시스템은 또한 (f) 매개물의 온도가 소정 온도 보다 낮을 때 선택가능한 시간에서 그리드 스위치를 작동함으로써, 태양광 발전 가열 요소에 의해 매개물의 가열을 자동적으로 증가시켜 소망 온도를 얻을 있도록 구성되어진 타이머-온도 조절기(timer-activated thermostat )를 포함한다.
본 발명은 첨부 도면을 참고로 단지 예시적으로 아래에 설명되어 있다.
도 1은 본 발명의 태양광 가열 시스템의 블록 다이어그램.
도 2 및 도 3은 제각기 lOOOW /m2 및 600W /m2의 태양광 복사에서 작동하는 태양광 어레이에 대한 조합 I-V 및 전력-전압 곡선.
도 4는 본 발명에 채용된 MPPT 회로에 대한 모범 토폴로지.
도 5는 전기 그리드에 결합하기 위한 스위치 메카니즘을 포함하는 도 1의 태양광 발전 가열 시스템의 블록 다이어그램.
도 6는 태양광 발전 시스템과 전기 그리드상에 동시에 작동하는 태양광 발전 가열 시스템의 블록 다이어그램.
도 7은 종래 전기 그리드 가열 시스템과 전환가능한 태양광 발전 가열 시스템의 블록 다이어그램.
도 8은 타이머 - 온도 조절기가 장착되어진 종래의 전기 그리드 가열 시스템과 전환가능한 태양광 발전 가열 시스템의 블록 다이어그램.
도 9는 주택 내부에 배치된 라디에이터를 발전하도록 구성된 태양광 발전 가열 시스템의 다이어그램.
본 발명은 입사 태양열 복사 변경에 응답하는 태양광 발전 가열 시스템이다. 특히, 태양광 발전 가열 시스템은 임의의 정해진 입사 태양광 복사에 대한 저항 가열 요소에 태양광 셀 어레이의 최대 전력을 동적으로 전달한다. 본 발명에 따른 방법의 원리와 작동은 도면 및 이에 따른 설명을 참고하면 보다 이해되기 쉽다.
지금 도면을 참조하면, 도 1은 태양광 발전 가열 시스템의 비 제한적 실시예를 도시하며, 전체적으로 도면부호 20으로 표시되어 있으며, 태양광(PV) 어레이(2), 임의의 정해진 태양 복사에서 PV 어레이(2)로부터 가능한 최대 전력을 추출하고, 최대 전력점과 관련된 전압을 탱크(1) 내측에 포함된 매개물(1a) 내측에 함침된 저항 히터(21)를 구동하는 구동 전압으로 전환하는 최대 전력점 추적(MPPT) 회로(3)를 포함한다. 통상적으로, 매개물은 물이지만, 매개물은 시스템(20)의 의도한 적용 목적에 따라서, 다른 유체, 예를 들어 공기 또는 오일일 수 있다. 다수의 가열 요소(21)를 가지는 실시예에서, PV 어레이(2)로부터 수신된 전기가 요소(21) 중에 분포되므로, 모든 요소(21)는 어레이(2)에 의해 함께 하나로 모아서 발전된다.
도 2는 1000W/m2 의 입사 태양 복사에서 작동하는 예시적인 태양광 셀 어레이에 대한 I-V 곡선, A 및 P-V 곡선 B을 도시하며, 여기서 최대 전력점은 P-V 곡선 A 상의 점 Pmax 으로 표시된다. 이 어레이의 대응 작업점은 I-V 곡선 B상의 점 Omax 로 표시된다. Vmax 는 59 볼트이고 Imax 는 22 암페어이고, lOOOW/m2 의 태양 복사 세기에서 PV 어레이로부터 얻을 수 있는 최대 전력은 PM =59 x 22=1298 W이다. 입사 복사 세기가 변하면, MPPT 회로(3)는 도 3에 도시한 바와 같이 개정 최대 전력과 연관된 새로운 작동 전압과 전류에 집중한다. 개정된 최대 전력점은 P-V 차트 A' 상의 점 P'max 으로 표시된다. 이 어레이의 대응 작업점은 I-V 곡선 B'상의 점 O'max 로 표시된다. V'max 는 49 볼트이고 I'max 는 13.5 암페어이고, 6OOW/m2 의 태양 복사 세기에서 PV 어레이로부터 얻을 수 있는 최대 전력은 PM =49 x 13.5=661.5 W이다.
도 4는 최대 전력점을 추적하고 최대 전력점과 관련된 전압을 저항 히터(21)를 구동하는 구동 전압으로 전환하도록 구성된 MPPT 회로(3)에 대한 예시적인 토폴로지를 도시한다. MPPT 회로(3)는 출력 전압과 PV 셀 어레이(2)의 전류를 측정하도록 구성된 프로세서(30)에 작동가능하게 연결된 스위치(33)를 포함한다. 비 제한, 전형적인 실시예에서, 프로세서(30)는 펄스- 폭 변조에 의해 스위치(33)의 듀티 사이클을 변경하여 PV 셀 어레이(2)의 최대 전력 출력과 관련된 작동 전압과 전류로 MPPT 회로(3)를 집속시킨다. 스위치(33)는 프로세서(30)에 의해 정해진 속도와 듀티 사이클에서 턴온 및 턴오프됨으로써, 저항 히터(21)를 구동하는 평균 구동 전압을 정한다. 고정 저항의 저항 히터(21)은 Pheater=Vheater 2/Rheater에 따라서 출력 전력을 정한다. 출력 전력(Pheater)은 Rpv = Vpv Ipv에 따라서 PV 작동 전압과 전류에 의해 정의된 히터(21)에, PV 셀 어레이(2)에 의해 제공된 입력 전력(Ppv)과 같다. MPPT 회로(3)의 입력 임피던스는 이로써 최대 전력점에 대해서 제각기 직선 C와 C'로 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, Vpv = Ipv Rpv → Rpv = Vpv /Ipv에 따라서 또는 I-V 다이어그램, Ipv /Vpv= 1pv /Rpv에 따라서 정의된다. 출력 전압 및 전류는 스위치(33)의 다양한 듀티 사이클에서 측정되며, 이들 산출은 저장되어, 가장 높은 산출 또는 전력(Pmax)가 프로세서(30)에 의해 확인될 때까지 이전에 사용된 듀티 사이클에서의 PV 셀 어레이 IV 산출의 이전에 저장된 값과 비교된다. 최대 전력(Pmax)과 연관된 Vmax 및 Imax가 확인되고 나면, Vmax는 변압기(31)에 의해 Vheater으로 전환된다. 50-60 볼트의 PV 전압은 비 제한, 예시적 실시예에서 95 % 효율에 160 볼트의 정도의 전압으로 변환된다. 위에서 언급한 전력 방정식을 사용하면, 도 2의 작동점 Omax에서, 약 20 ohms의 저항 히터(21)에서 1602/20 = 1,285 와트 출력을 나타낸다. 최대 전력점을 결정하고 실질적으로 최대 전력을 전달하도록 구성된 임의의 회로는 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 여겨져야 한다. 도 4에 도시한 바와 같은 MPPT 회로(3)는 본 발명에서 적합한 하나의 MPPT 회로(3)의 단지 간단한 예이다. 이 분야의 숙련된 자에게는 명백하듯이, MPPT 회로(3)의 많은 다른 유형들도 적합하다.
일반 PV 어레이는 800와트를 생산할 4 패널 또 1200 와트를 생산할 6 패널을 포함할 수 있지만, PV 어레이 모든 형태와 구성은 본 발명의 범위에 포함되어 있다.
도 5는 PV 가열을 증가시키기 위해 보조 AC 그리드 가열을 제공하는 실시예를 도시한다. 가열 요소(21)는 PV 전력 시스템(22)과 그리드 전원 공급 장치(5) 양쪽 모두에 작동가능하다. 일반적인 가열 동안, 스위칭 메커니즘(4)은 가열 요소(21)에 PV 전력 시스템(22)을 연결하고 가열 요소(21)를 그리드된(gridded) 전원 공급 장치(5)로부터 분리하는 기본 상태(default state)를 가정한다. 신속한 가열이 요구되는 시간 동안, 스위칭 메커니즘(4)은 PV 전력 시스템(22)을 분리하고 그리드된 AC 전원 공급 장치(5)를 연결한다. 본 시스템에 사용된 모든 가열 요소가 PV 전력 시스템(22)에 의해 또는 그리드된 AC 전원 공급 장치(5)에 의해 공급되는 전압에서 양호하게 가열되도록 800-3000 와트 사이의 정격 표준 "통상적인(off-the-shelf)" 모델임을 인지해야 한다. 스위칭 메커니즘(4)은 수동 스위치, 타이머-작동 스위치, 또는 타이머-작동 온도 조절기로 구현된다. 이는 임의 수의 함침가능한 가열 요소를 가지는 가열 탱크가 추가로 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 생각될 수 있다.
도 6은 비 제한, 양호한 실시예에서, 보조 히터(7)가 그리드된 AC 전원 공급 장치(5)로 연결된 것을 외에는 도 5의 시스템에 본질적으로 동일한 시스템을 도시한다. 보조 히터(7)는 위에서 설명한 다양한 스위칭 방식으로 그리드 스위치(10)에 의해 그리드된 AC 전원 공급 장치에 연결 또는 분리된다. 변경적으로, PV 가열과 동시에 보조 가열도 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 생각될 수 있다. 또한, 본발명의 범위는 기본 가열 요소(21)로부터 PV 전력 시스템(22)을 완전히 분리함으로써, 워터 히터(1)를 도 7에 도시한 바와 같이, 종래 AC 그리드 발전 히터로 변형하도록 구성된 전환 스위치(4a)를 포함한다. DC 전기 그리드도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 생각될 수 있다. PV 또는 그리드 전원, 동시에 또는 교대로 사용하는 임의의 실시예는 본 출원서를 위해 하이브리드 히터로 간주됨을 인지해야 한다.
도 8은 그리드 스위치(10)가, 사용자가 선택한 시간에 활성화되도록 구성된 타이머 - 온도 조절기 (10a)에 의해 작동되는 하이브리드 히터를 도시한다. 작동시, 타이머 - 온도 조절기(10a)는 매개물(1a)의 온도를 측정하고, 온도가 미리정한 온도 이하이면, 그리드 스위치(10)를 작동시켜 상술한 바와 같이 보조 가열 요소(7)와 전기 그리드(5)를 연결한다. 상술한 내용중 어떠한 조합도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 생각될 수 있다.
도 9는 주택 내부에 배치된 라디에이터(23)로 구성된 현재의 발명의 추가로 시스템을 도시한다. 본 발명이 어떠한 저항 가열 장치도 가동시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명이 높은 효율, 경량, 설치 및 관리하기 위해 간단하고, 저렴한 것을 인지해야 한다.
상술한 내용이 단지 예로서 기술된 것으로 기타 여러 실시예가 첨부 청구범위내에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위내에서 가능한 것으로 생각될 수 있다.

Claims (11)

  1. 입사 태양열 복사 세기에서의 변동에 응답하는 태양광 발전 히터로서,
    (a) 태양광 셀 어레이,
    (b) 적어도 하나의 기본 가열 요소, 그리고;
    (c) 상기 태양광 셀 어레이의 최대 전력점을 추적하고 상기 적어도 하나의 기본 가열 요소에 하나로 모아서 최대 전력을 제공하도록 구성되어진 최대 전력점 추적 회로를 포함하는 태양광 발전 히터.
  2. 제 1항에 있어서, (d) 매개물을 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 가열 요소는 상기 매개물을 가열하기 위해서 적어도 부분적으로 함침되어 있는, 태양광 발전 히터.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 매개물은 물, 오일 또는 공기로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 태양광 발전 히터.
  4. 제 1항에 있어서, (d) 가열 요소를 전력 그리드에 리버저블하게(reversibly) 접속하고 가열 요소를 태양광 셀 어레이로부터 리버저블하게 분리하도록 구성되어진 스위치 메카니즘을 포함하는, 태양광 발전 히터.
  5. 제 1항에 있어서, (d) 보조 가열 요소와;
    (e) 그리드 스위치를 더 포함하며,
    상기 그리드 스위치는 적어도 하나의 기본 가열 요소에 의한 가열에 보충해서, 보조 가열 요소를 전력 그리드에 리버저블하게 연결하도록 구성되어 있는, 태양광 발전 히터.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 그리드 스위치와 작동 연결의 변환 스위치를 더 포함하며, 상기 변환 스위치는 상기 보조 가열 요소가 전력 그리드에 연결될 때 상기 최대 전력점 추적 회로로부터 상기 기본 가열 요소를 리버저블하게 분리해서, 태양광 발전 히터를 종래 히터로 변환하도록 구성되어 있는, 태양광 발전 히터.
  7. 태양광 발전 가열 방법으로서,
    (a) 태양광 셀 어레이의 최대 전력점을 추적하는 단계와,
    (b) 가열 요소를 거의 최대 전력으로 구동하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, (c) 적어도 매개물 내의 상기 가열 요소의 일부분을 상기 매개물을 가열하도록 함침하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 매개물은 물, 오일 또는 공기로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  10. 하이브리드 가열 시스템으로서,
    (a) 가열되어지는 매개물;
    (b) 상기 매개물에 적어도 부분적으로 잠겨진 태양 발전 가열 요소;
    (c) 상기 대양광 발전 가열 요소에 작동적으로 연결된 태양광 발전 시스템으로서,
    (i) 태양광 셀 어레이와,
    (ii) 상기 태양광 셀 어레이의 최대 전력점을 추적하고 전력을 상기 태양광 발전 가열 요소에 제공하도록 구성되어진 최대 전력점 추적 회로를 포함하는 태양광 발전 시스템;
    (d) 상기 매개물내에 적어도 부분적으로 잠겨진 그리드 발전 가열 요소 및;
    (e) 상기 그리드 발전 가열 요소를 전력 그리드에 리버저블하게 연결하기 위한 그리드 스위치를 포함하는 하이브리드 가열 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, (f) 상기 매개물의 온도가 소정 온도 보다 낮을 때 선택가능한 시간에서 상기 그리드 스위치를 작동함으로써, 상기 태양광 발전 가열 요소에 의해 상기 매개물의 가열을 자동적으로 증가시켜 소망 온도를 얻을 있도록 구성되어진 타이머-온도 조절기(timer-activated thermostat )를 포함하는 하이브리드 가열 시스템.
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