KR20130037500A - 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템은 해양시설물에 전력을 공급하는 시스템에 있어서, 조력, 파력, 풍력 및 태양광의 복합발전을 통해 전력을 생산하여 해양시설물에 공급하는 하이브리드 발전부; 상기 하이브리드 발전부에서 공급되는 전력과 해수를 이용하고 전기분해에 의해 수소를 생성하는 수소생성부; 공기로부터 산소를 생성하는 산소생성부; 상기 수소생성부와 산소생성부에서 공급되는 수소와 산소를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 연료전지부; 및 상기 하이브리드 발전부에서 발전된 전력을 해양시설물 또는 상기 수소생성부에 배분하는 공급량과, 상기 수소생성부의 수소 생성량 및 상기 연료전지부에 공급하는 수소량과 산소량을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어진다.

Description

연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템{Power supply system of ocean facilities by using fuel cell}
본 발명은 해양시설물의 전력공급 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해양시설물에 전력을 공급하기 위해 신재생 에너지로부터 복합적으로 발전된 전력과 연료전지로부터 공급되는 전력을 함께 사용할 수 있는 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템에 관한 것이다.
해양시설물의 경우 독립적인 전력 특성으로 인해 전력공급에 어려움이 있다.
즉, 대부분의 해양시설물은 바다 한가운데 고립된 공간에서 운영되고 있어서 육지에서 지속적으로 전력을 공급받는 것이 불가능하기 때문에 독립형 전력공급 시스템으로 운영되고 있다.
따라서, 대용량의 전력이 필요한 경우 자체 발전기를 이용해야 한다.
최근 해양시설물에 하이브리드형 신재생 에너지 발전시스템을 적용한 전력 공급이 이루어지고 있다.
하이브리드형 신재생 에너지는 파력, 조력, 풍력, 태양광 등에 의한 복합적 전력생산시스템인데, 이를 적절하게 제어하여 해양시설물에 전력을 공급한다.
그러나 기상상태에 따라 발전효율이 달라져 안정적인 전력원이 되기 힘들고, 발전용량을 조절하는데 어려움이 있다. 또한 해양시설물은 주간에 많은 전력을 소모하고 야간에는 전력소모량이 급격하게 낮아지는데, 지속적인 전력공급을 위해 주간이든 야간이든 계속 발전기를 가동시켜야 하기 때문에 발전기의 작동에 무리가 갈 수 있고, 전력 소모량이 낮은 야간에는 발전기가 저부하 운전을 하게 되어 발전효율이 저하된다.
이러한 문제 때문에 최근 연료전지(Fuel cell)를 이용하여 안정적인 전력공급을 시도하는 연구가 진행 중인데, 연료전지의 경우 발전에 필요한 수소를 확보하는데 어려움이 있다.
본 발명의 실시 예들은 상술한 문제점들을 해결하고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은 신재생 에너지와 연료전지를 복합한 해양시설물 전력공급 시스템, 즉, 전력요구량이 낮을 경우에는 신재생 에너지원만을 사용하고 높은 경우 연료전지를 이용하여 전력을 공급하는 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해양시설물에 전력을 공급하는 시스템에 있어서, 조력, 파력, 풍력 및 태양광의 복합발전을 통해 전력을 생산하여 해양시설물에 공급하는 하이브리드 발전부; 상기 하이브리드 발전부에서 공급되는 전력과 해수를 이용하고 전기분해에 의해 수소를 생성하는 수소생성부; 공기로부터 산소를 생성하는 산소생성부; 상기 수소생성부와 산소생성부에서 공급되는 수소와 산소를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 연료전지부; 및 상기 하이브리드 발전부에서 발전된 전력을 해양시설물 또는 상기 수소생성부에 배분하는 공급량과, 상기 수소생성부의 수소 생성량 및 상기 연료전지부에 공급하는 수소량과 산소량을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템이 제공될 수 있다.
이때, 상기 하이브리드 발전부에는, 상기 하이브리드 발전부에서 발전된 전력에 의해 충전되는 축전지가 구비되어, 상기 연료전지부와 제어부의 초기 기동을 위해 전력을 공급할 수 있다.
그리고 상기 수소생성부에는, 상기 수소생성부에서 생성된 수소를 일시 저장하고 상기 연료전지부에 공급하는 수소저장부가 더 구비될 수 있다.
또 상기 하이브리드 발전부에는, 인버터가 구비되고, 상기 연료전지부와 인버터 사이에는 DC/DC컨버터가 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 기상에 따라 불규칙적인 전력생산의 단점을 가진 하이브리드 발전을 보완하여 연료전지로부터 안정적인 전력공급을 받을 수 있다.
또한, 신재생 에너지를 이용한 하이브리드 발전으로부터 수소의 지속적인 생성이 가능하여 수소를 이용하는 연료전지가 안정적으로 발전 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템의 구성을 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 전력 계통도
도 3은 본 발명의 수소발생부의 수소발생 메커니즘을 나타내는 개념도.
도 4는 본 발명을 해상 등부표에 적용한 예시도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템의 구성을 나타내는 구성도, 도 2는 본 발명의 전력 계통도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 크게 하이브리드 발전부(10), 수소생성부(20), 산소생성부(30), 연료전지부(40), 제어부(50)로 구성될 수 있다.
먼저, 하이브리드 발전부(10)는 해양환경에서 쉽게 접할 수 있는 파력, 조력, 풍력(해풍), 태양광 등의 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 것으로, 여러 신재생에너지를 조합하여 복합적으로 전력을 생산하는 하이브리드식 발전기에 해당한다.
이와 같은 상기 하이브리드 발전부(10)는 해양시설물(F)에서 일정 전력 이상이 소비되면 작동하도록 제어되는데, 해양시설물이 동작하여 해상작업을 수행하게 되면 많은 양의 전력을 필요로 하게 되므로 해상환경에서 항시 얻을 수 있는 파력, 조력, 풍력, 태양광 등의 에너지를 복합적으로 이용해 필요한 전력을 즉시 생산하여 해양시설물(F)에 공급할 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 하이브리드 발전부(10)에서 공급되는 전력은 해양시설물(F)뿐만 아니라 후술하는 수소생성부(20)에도 공급될 수 있는 구조이다.
참고로 하이브리드식 발전기의 구조나 발전원리 등은 공지된 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로 도 3을 함께 참조하여 수소생성부(20)에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 수소발생부의 수소발생 메커니즘을 나타내는 개념도이다.
상기 수소생성부(20)는 전기분해에 의해 화학반응을 일으켜 수소를 생성하는 것으로 애노드(+극)인 마그네슘을 이용하여 캐소드(-극)에서 수소를 발생시킨다. 그리고 해수를 촉매(전해액)로 이용한다.
그리고 상기 하이브리드 발전부(10)에서 발전된 전력은 애노드와 캐소드에 전기적으로 접속되어 전력을 공급하는데, 이때 전력은 조절 가능하다. 따라서 수소생성량의 조절이 용이하다.
다만, 상기 수소생성부(20)의 구조는 도시된 바와 같이 대략 탱크 속에 해수를 채우고 애노드와 캐소드를 삽입하여 전력을 공급해 주는 구조일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 수소발생 원리와 상세한 구조를 공지된 것이므로 설명을 생략한다.
상기 수소생성부(20)에서 생성된 수소는 후술하는 연료전지부(40)에 연료로 공급된다.
다음으로 산소생성부(30)는 후술하는 연료전지부(40)에 공급하는 산소를 만들어 내는 장치로서, 본 발명에서는 독립된 블로워(Blower) 형태일 수 있다.
상기 산소생성부(30)는 공기를 직접 공급하는 구조일 수 있으나, 산소를 별도로 제조하여 산소만을 공급할 수 있도록 구성할 수도 있다.
그리고 공기에 포함된 이물질을 걸러주는 필터(Filter, 32)와, 습도를 조절하는 가습기(Humidifier, 32) 및 공기를 흡입하는 팬(Fan, 34) 등이 구비된다.
다음으로 연료전지부(40)는 상기 수소생성부(20)와 산소생성부(30)에서 공급되는 수소와 산소를 연료로 공급받아 전기분해를 통해 전력을 생산하는 것으로, 상기 하이브리드 발전부(10)와 연동되어 해양시설물(F)에 전력을 공급하게 된다.
상기 연료전지부(40)의 전기발생 원리를 간단히 설명하자면, 캐소드에 산소가 공급되고 애노드에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열 및 물이 발생 되어 공해를 유발하지 않으면서 고효율(40% 이상의 효율)로 전기에너지를 생산한다. 부산물인 물과 열은 배출된다.
이때, 상기 연료전지부(40)의 냉각은 주변의 해수를 냉각수로 이용하여 냉각 가능하므로 별도의 냉각시설이 필요하지 않다.
다음으로 제어부(50)는 본 발명에서 생산되는 전력과 수소 및 산소생성량을 전체적으로 제어하여 최적의 전력공급 시스템을 구성하도록 한다.
상기 제어부(50)는 먼저 상기 하이브리드 발전부(10)에서 발전된 전력을 적절하게 배분하는 제어를 수행한다. 즉, 상기 하이브리드 발전부(10)에서 생산된 전력을 해양시설물(F)과 상기 수소생성부(20)에 배분, 공급하되, 상기 수소생성부(20)에 공급하고도 남거나 상기 축전기(60)와 수소저장부(70)가 완충되면 생산된 전력을 후술하는 인버터(80)를 통해 직접 해양시설물(F)에 공급한다.
이때, 상기 연료전지부(40)와 함께 공급하는데, 상기 연료전지부(40)에서 발전된 전력은 후술하는 DC/DC컨버터(90)를 통해 전압을 맞추고 상기 인버터(80)를 통해서 해양시설물(F)에 공급한다.
그리고 해양시설물(F)의 부하가 작은 경우에는 상기 하이브리드 발전부(10) 위주로 전력을 공급하도록 하고 부하가 큰 경우에는 상기 연료전지부(40)를 위주로 큰 전력을 공급하도록 한다. 즉, 서로 연동하게 제어하여 축전기(60)와 수소저장부(70)가 거의 완충 상태를 유지할 수 있게 되어 전력공급 시스템의 안정화를 가져올 수 있다.
또 상기 제어부(50)는 상기 수소생성부(20)에 공급하는 전력량을 제어하여 수소 생성량을 조절하고, 뿐만 아니라 상기 수소생성부(20)와 산소생성부(30)에서 생성된 수소와 산소를 상기 연료전지부(40)에 공급할 때 공급량을 적절하게 제어한다.
다른 실시 예로서, 본 발명의 하이브리드 발전부(10)에는 축전기(60)가 더 구비될 수 있다.
상기 축전기(60)는 상기 하이브리드 발전부(10)에 연결되어 충전되며, 상기 제어부(50)와도 연결되어 상기 제어부(50)에 초기 구동을 위한 전력을 제공한다. 그리고 상기 연료전지부(40)도 초기 구동할 수 있다. 따라서, 큰 용량이 아닌 작은 용량으로 운용 가능하다.
물론, 상기 제어부(50)는 상기 하이브리드 발전부(10)의 발전이 있는 경우 상기 하이브리드 발전부(10)로부터 직접 전력을 공급받지만 상기 하이브리드 발전부(10)의 발전이 없는 경우 상기 축전기(60)에서 전력을 공급받을 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기 수소생성부(20)에는 수소저장부(70)가 더 구비될 수 있다.
상기 수소저장부(70)는 상기 수소생성부(20)에서 생성된 수소를 일시적으로 저장하는 탱크일 수 있으며, 상기 연료전지부(40)와 연결되어 수소를 공급하되, 상기 제어부(50)에 의해 제어될 수 있다. 이때 제어되는 것은 별도로 설치된 압력조절밸브(72) 등을 제어함으로써 가능하다.
특히, 대용량 전력이 필요한 경우에는 상기 수소생성부(20)에서 생성된 수소만으로 상기 연료전지부(40)에 공급하여 전력을 생산하는 것이 어렵기 때문에 발생된 수소를 상기 수소저장부(70)에 미리 저장하고 압력조절밸브(72)를 통해서 상기 연료전지부(40)로 공급되는 양을 조절하여 전력을 생산할 수 있다
참고로 소형 해양시설물(브이, 등대)에는 상기 수소저장부(70)가 없는 형태일 수 있고, 대형 해양시설물이나 해양구조물에는 상기 수소저장부(70)를 구비하는 유연한 구조를 가질 수 있다.
여기서, 상기 하이브리드 발전부(10)에서 해양시설물(F)로 전력이 직접 공급되기 전에 인버터(80)를 통과할 수 있도록 한다. 상기 인버터(80)는 DC를 AC로 변환한다.
또한 상기 연료전지부(40)와 인버터(80) 사이에 DC/DC컨버터(90)가 더 구비되는 것이 바람직한데, 상기 DC/DC컨버터(90)는 상기 연료전지부(40)에서 발전된 DC가 상기 인버터(80)에 입력되기 전에 전압을 조정한다.
도 4는 본 발명을 해상 등부표에 적용한 예시도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지을 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템을 해상 등부표에 구성한 것이다.
해상 등부표는 부유체 형태를 가지는데, 부유체의 상측에 상기 하이브리드 발전부(10)가 위치하며, 태양광 발전과, 수직형 풍력 발전 및 진동수주형 파력 발전을 이용할 수 있다.
그리고 부유체의 하부에 해수를 직접 이용하는 수소생성부(20)가 설치되고 상기 수소생성부(20)의 상부에 수소저장부(70)가 구비될 수 있다.
또한 상기 수소저장부(70)의 바로 상부에 연료전지부(40)가 장착되어 수소를 공급받을 수 있는 구조이며, 부유체의 내부에 축전기(60), 제어부(50), 산소생성부(30)가 설치될 수 있을 것이다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기의 특허청구범위에서 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 하이브리드 발전부 20 : 수소생성부
30 : 산소생성부 32 : 필터 or 가습장치
34 : 팬
40 : 연료전지부 50 : 제어부
60 : 축전기
70 : 수소저장부 72 : 압력조절밸브
80 : 인버터 90 : DC/DC컨버터
F : 해양시설물

Claims (4)

  1. 해양시설물에 전력을 공급하는 시스템에 있어서,
    조력, 파력, 풍력 및 태양광의 복합발전을 통해 전력을 생산하여 해양시설물(F)에 공급하는 하이브리드 발전부(10);
    상기 하이브리드 발전부(10)에서 공급되는 전력과 해수를 이용하여 전기분해에 의해 수소를 생성하는 수소생성부(20);
    공기로부터 산소를 생성하는 산소생성부(30);
    상기 수소생성부(20)와 산소생성부(30)에서 공급되는 수소와 산소를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 연료전지부(40); 및
    상기 하이브리드 발전부(10)에서 발전된 전력을 해양시설물(F) 또는 상기 수소생성부(20)에 배분하는 공급량과, 상기 수소생성부(20)의 수소 생성량 및 상기 연료전지부(40)에 공급하는 수소량과 산소량을 제어하는 제어부(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 발전부(10)에는,
    상기 하이브리드 발전부(10)에서 발전된 전력에 의해 충전되는 축전지(60)가 구비되어, 상기 연료전지부(40)와 제어부(50)의 초기 구동을 위해 전력을 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소생성부(20)에는,
    상기 수소생성부(20)에서 생성된 수소를 일시 저장하고 상기 연료전지부(40)에 공급하는 수소저장부(70)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 발전부(10)에는,
    인버터(80)가 구비되고, 상기 연료전지부(40)와 인버터(80) 사이에는 DC/DC컨버터(90)가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 해양시설물의 전력공급 시스템.
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