KR20140068584A - 일체형 태양광 발전 시스템 및 그를 이용한 발전 방법 - Google Patents

일체형 태양광 발전 시스템 및 그를 이용한 발전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 배터리 저장장치와 배터리관리시스템(Battery Management System), 충전기, 하이브리드컨버터, 통신 모듈이 일체형으로 된 발전시스템으로 단독으로 독립 태양광발전이 가능할뿐만 아니라 병열 결합으로 소비자가 원하는 대용량 발전이 가능한 일체형 태양광 발전 시스템 및 그를 이용한 발전 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명 일체형 태양광 발전 시스템은 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지(110); 상기 태양전지(110)로부터의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 충전기(120); 상용전원(200)로부터의 교류전원을 직류전원으로 변환하거나 직류전원을 교류전원으로 변환하여 상기 상용전원(200)로 공급하는 하이브리드 컨버터(130); 상기 충전기(120)와 상기 하이브리드 컨버터(130)로부터의 직류전원을 충전하거나, 상기 충전기(120)로부터의 직류전원을 상기 하이브리드 컨버터(130)로 방전하는 배터리 팩(140); 및 상기 배터리 팩(140)을 관리 알고리즘에 따라 충/방전 효율을 최적화하여 관리하며 상기 배터리 팩(140)의 충방전을 제어하는 배터리관리시스템(BMS)(150);을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

일체형 태양광 발전 시스템 및 그를 이용한 발전 방법{Solar Powered Intergrated System and method for Electricity Generation using the same}
본 발명은 태양광 발전에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 배터리 저장장치와 배터리관리시스템(Battery Management System), 충전기, 하이브리드컨버터, 통신 모듈이 일체형으로 된 발전시스템으로 단독으로 독립 태양광발전이 가능할뿐만 아니라 병열 결합으로 소비자가 원하는 대용량 발전이 가능한 일체형 태양광 발전 시스템 및 그를 이용한 발전 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(ESS : Energy Storage System)은 에너지를 배터리처럼 저장해서 언제든 꺼내 쓸 수 있는 저장장치를 의미하는 것으로, 지금까지의 전기에너지는 생산과 저장의 차이가 있으므로 전기에너지를 사용하는데 있어서 생산이 함께 움직여줘야 하는데, ESS는 에너지를 효과적으로 저장해 사용하기 위한 시스템으로 에너지 생산에 대한 여유를 가질 수 있게 해준다.
그래서 ESS가 활성화되면 비교적 에너지 소비량이 적은 새벽에 생산되는 에너지를 저장하여 에너지 공급이 몰릴 때 효과적으로 사용할 수 있고 에너지 생산 가동률을 높일 수 있다.
그리고 미미하게 모이는 신재생에너지를 축적하여 에너지를 나눠 쓸 수 있기 때문에 지금의 전력난을 많이 해소시킬 수 있는 중요한 에너지 시스템으로 인식되고 있다.
그 중 제주도에서 펼쳐지는 ESS 실증 사업은 한 개의 변전소와 맞먹는 규모의 8메가 와트급으로 진행되고 있어 전력난을 해소해 줄 수 있는 것으로 기대가 되고 있다.
근래 국가적 차원에서 에너지 확보를 위한 신재생 에너지 보급 확대 정책으로 풍력, 태양광 등의 에너지 생산 설비가 급속히 증가하는 추세이다.
이러한, 신재생 에너지는 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 핵심 해결방안이라는 점에서 선진국을 비롯하여 각 국가에서 연구가 활발히 진행 중이다.특히 신재생 에너지 중 태양 에너지를 이용하여 전력을 발전시키는 태양광 발전 시스템은 공해가 없고, 설치 및 유지보수가 용이하다는 장점 등으로 인해 최근 각광을 받고 있다.
또한 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 이용하여 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.
또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
그 중, 하이브리드 자동차는 동력원으로서 충방전이 가능한 이차전지를 기반으로 하는 중대형 전지팩과 가솔린, 경유 등을 연소시키는 엔진을 함께 사용하여, 주행 조건 등에 따라 전지팩의 작동과 엔진의 작동을 조율(제어)하는 구조로 이루어져 있다. 즉, 작동의 효율성을 향상시키면서 연료의 사용을 최소화하기 위해, 차량의 운행 조건에 따라 엔진과 전지시스템의 작동 상태가 변하게 된다.
이러한 전력저장시스템의 저장장치는 배터리팩을 하나만 사용하는 것이 아니라 여러 개를 연결해서 사용하기 때문에, 여러 개의 배터리팩을 원활하게 운영할 수 있도록 각 배터리팩의 전압, 전류, 온도 등의 상태 정보를 모니터링하고 제어하기 위한 배터리관리시스템(Battery Management System;이하 BMS라 칭함)를 구비하고 있다. BMS는 중대형 2차전지가 전기 함출과 출력 균형을 조절하도록 하여 폭발사고 등을 방지한다.
이와 같은 에너지 저장 시스템을 최근에는 휴대용으로 개발하고 있다.
한편, 태양전지로 결정질을 사용할 경우에는 고정식 발전시스템으로 사용이 가능하고, 박막형 태양전지를 사용시에는 이동형 발전시스템이 가능하므로 레저 및 방위산업용으로도 확산 적용이 가능하다.
종래의 태양광 발전의 기술진화는 마이크로 인버터 기술까지 진척이 되었으며, 전문가에 의한 태양광발전 시스템 설치에 의한 설치비 부담, 보조 발전시스템이 있으나 비상전원용으로 사용이 불가능한 문제점 등이 있었다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 휴대용 에너지 저장 시스템을 설명하기로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 휴대용 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
종래 기술에 따른 휴대용 에너지 저장 시스템은 충전기(20), 배터리팩(30), 인버터(40)로 구성된다.
그러나 이와 같은 충전기(20), 배터리팩(30), 인버터(40)는 각각 별개로 구성되어 있다.
다시 말하면 가정의 벽면의 전원(AC)(10), 즉 주상변압기에서 공급되는 전원을 별도의 충전기(AC-DC 변환기)(20)를 이용하여 배터리팩(30)에 충전하고, 이를 별도의 인버터(DC-AC 변환기)를 이용하여 부하(Load)장치(50)(예를 들어, TV, 냉장고, 의료기기 등)에 공급하는 방식이었다.
따라서 종래의 경우에는 다음과 같은 문제가 있었다.
첫째, 충전기, 배터리팩 및 인버터를 각각 구매함에 따른 불편함이 있었다.
둘째, 충전기, 배터리팩 및 인버터가 별개형이므로 설치 및 관리의 불편함이 있었다.
셋째, 이동 및 휴대시 충전기, 배터리팩 및 인버터를 각각 이동 및 휴대하여야하므로 이동 및 휴대 역시 불편하였다.
넷째, 충전기와 배터리 및 인버터 각각의 안전장치가 있을 수 있으나 서로 다른 제조사의 다른 규격인 충분한 테스트가 이루어지기 어려워 안정성에 문제가 발생할 수 있었다.
다섯째, 비상전원시스템의 개념이 없어 정전으로 인해 위급상황이 발생하는 경우 위험에 처할 수도 있고, 중요한 자료가 손실될 수 있는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 하나의 배터리 저장장치와 배터리관리시스템(Battery Management System), 충전기, 하이브리드 컨버터, 통신 모듈이 일체형으로 된 발전시스템으로 단독으로 독립 태양광발전이 가능할뿐만 아니라 병열 결합으로 소비자가 원하는 대용량 발전이 가능한 일체형 태양광 발전 시스템 및 그를 이용한 발전 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 일체형 태양광 발전 시스템은, 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지(110); 상기 태양전지(110)로부터의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 충전기(120); 상용전원(200)로부터의 교류전원을 직류전원으로 변환하거나 직류전원을 교류전원으로 변환하여 상기 상용전원(200)로 공급하는 하이브리드 컨버터(130); 상기 충전기(120)와 상기 하이브리드 컨버터(130)로부터의 직류전원을 충전하거나, 상기 충전기(120)로부터의 직류전원을 상기 하이브리드 컨버터(130)로 방전하는 배터리 팩(140); 및 상기 배터리 팩(140)을 관리 알고리즘에 따라 충/방전 효율을 최적화하여 관리하며 상기 배터리 팩(140)의 충방전을 제어하는 배터리관리시스템(BMS)(150);을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 일체형 태양광 발전 시스템을 이용한 발전 방법은 일체형 태양광발전시스템에 있어서 배터리관리시스템(150)은 태양광이 있는가를 판단(S110)하여, 태양광이 있다면 상기 배터리관리시스템(150)은 상기 일체형 태양광 발전 시스템의 상기 태양전지(110)을 통해 발전을 시작하는 단계(S120); 상기 발전된 전기에너지는 충전기(MPPT 내장)(120)를 통해 전기제품의 상용전원(200)에 공급하고, 유휴 에너지는 배터리 팩(140)에 저장하며, 상기 배터리 팩(140)이 완충된 경우에는 하이브리드 컨버터(130)를 통해 상용전원(200)측으로 공급하는 단계(S130); 및 정전이 발생한 경우(S140) 상기 배터리 팩(140)에 저장된 전기에너지를 상용전원화하는 단계(S150);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 충전기, 컨버터, 배터리팩을 하나의 태양광발전시스템으로 구성함으로써 소비자 편리하게 제품을 구매할 수 있다.
둘째, 충전기, 배터리팩 및 컨버터가 일체형이므로 설치 및 관리의 불편함이 있었다.
셋째, 이동 및 휴대시 충전기, 배터리팩 및 컨버터가 일체형이므로 이동 및 휴대가 용이하다.
넷째, 충전기와 배터리 및 컨버터를 일체형으로 함으로써 충분한 테스트가 이루어진 후 출시되므로 안정성이 크게 증가하는 효과가 있다.
다섯째, 사용자에게 각종 정보를 디스플레이 장치를 통해 디스플레이함으로써 잔여시간이나 고장원인을 쉽게 알 수 있으므로 사용의 편리성이 증가하게 된다.
여섯째, 비상전원시스템으로 사용할 수 있으므로 정전으로 인해 위급상황이 발생하는 경우에도 비상전원을 공급할 수 있고, 중요한 자료가 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 휴대용 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 일체형 태양광 발전 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 일체형 태양광 발전 시스템을 이용한 발전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 2는 본 발명에 따른 일체형 태양광 발전 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
본 발명에 따른 일체형 태양광 발전 시스템은 2에 나타낸 바와 같이, 태양전지(110)와, 충전기(120)와, 하이브리드 컨버터(130)와, 배터리 팩(140) 및 배터리관리시스템(Battery Management System;이하 BMS라 칭함)(150)로 구성된다.
여기서 태양전지(110)는 태양광을 전기에너지로 변환하며, 결정질 또는 박막형 소재로 구성된다.
충전기(120)는 태양전지(110)로부터의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 배터리 팩(140)으로 충전한다. 이때, 충전기(120)는 배터리 팩(130)의 충전 알고리즘에 적합하게 조정하여 충전 가능하게 하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능이 내장된 것이 바람직하다.
하이브리드 컨버터(130)는 상용전원(200)로부터의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 배터리 팩(140)에 충전하거나, 배터리 팩(140)의 직류전원을 교류전원으로 변환하여 상용전원(200)로 공급한다. 여기서, 상용전원(200)은 교류를 공급받는 주상변압기이거나 교류를 공급하는 전기제품이 될 수 있다.
배터리 팩(140)은 충전기(120)와 하이브리드 컨버터(130)로부터의 직류전원을 충전하거나, 충전기(120)로부터의 직류전원을 하이브리드 컨버터(130)로 방전한다.
그리고 배터리관리시스템(BMS)(150)은 배터리 팩(140)을 관리 알고리즘에 따라 충/방전 효율을 최적화하여 관리하며 배터리 팩(140)의 충방전을 제어한다.
한편 본 발명 일체형 태양광 발전 시스템은 일체형 태양광 발전 시스템을 병렬로 연결(도시하지 않음)하여 대용량으로 제작시 각각의 일체형 태양광 발전 시스템의 상태를 외부, 예를 들면 각 일체형 태양광 발전 시스템을 하나의 유니트로 보았을 때 해당 유니트 정보를 중앙서버장치(도시하지 않음)로 전송하기 위한 무선통신모듈(160)이 더 구성됨이 바람직하다.
이러한 본 발명 일체형 태양광 발전 시스템은, 가정이나 병원에서 비상시에도 TV, 냉장고, 의료기기에 안정된 전원을 계속해서 공급할 수 있고, 필요에 따라서는 야외에서도 전기렌지(인덕션) 등에 교류전원을 공급할 수 있다. 다시 말하면 가정용, 의료용, 이동가능한 전기기기 등에 교류전원을 공급할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 일체형 태양광 발전 시스템을 이용한 발전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명에 따른 일체형 태양광 발전 시스템을 이용한 발전 방법은 도 3에 나타낸 바와 같이, 일체형 태양광발전시스템에 있어서 BMS(150)는 태양전지(110)를 통해 입력되는 전기에너지에 따라 전기에너지가 설정값 이상 발생되면 태양광이 있는가를 판단한다(S110).
판단결과(S110) 태양광이 있다면 BMS(150)는 일체형 태양광 발전 시스템의 태양전지(110)을 통해 발전을 시작한다(S120).
그리고 발전된 전기에너지는 충전기(MPPT 내장)(120)를 통해 전기제품의 상용전원(200)에 공급하거나 유휴 에너지는 배터리 팩(140)에 저장하고, 배터리 팩(140)이 완충된 경우에는 하이브리드 컨버터(130)를 통해 유휴 에너지를 상용전원(200)측으로 공급한다(S130).
한편 상용전원(200)이 주상변압기인 경우 정전이 발생하였는지를 판단한다(S140).
판단결과(S140) 정전이 발생되었다면 저장된 전기에너지를 상용전원화한다. 즉 배터리 팩(140)에 저장된 직류전원을 하이브리드 컨버터(130)를 통해 전기제품에 비상용으로 공급한다(S150). 이때, 야외의 경우에는 해당 전기제품에 교류전원을 공급한다.
이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 태양전지 120 : 충전기
130 : 하이브리드 컨버터 140 : 배터리 팩
150 : 배터리관리시스템 160 : 무선통신모듈
200 : 상용전원

Claims (8)

  1. 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지(110);
    상기 태양전지(110)로부터의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 충전기(120);
    상용전원(200)로부터의 교류전원을 직류전원으로 변환하거나 직류전원을 교류전원으로 변환하여 상기 상용전원(200)로 공급하는 하이브리드 컨버터(130);
    상기 충전기(120)와 상기 하이브리드 컨버터(130)로부터의 직류전원을 충전하거나, 상기 충전기(120)로부터의 직류전원을 상기 하이브리드 컨버터(130)로 방전하는 배터리 팩(140); 및
    상기 배터리 팩(140)을 관리 알고리즘에 따라 충/방전 효율을 최적화하여 관리하며 상기 배터리 팩(140)의 충방전을 제어하는 배터리관리시스템(BMS)(150);을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 일체형 태양광 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지(110)는 결정질 또는 박막형 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 일체형 태양광 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전기(120)는 상기 배터리 팩(130)의 충전 알고리즘에 적합하게 조정하여 충전이 가능하게끔 하기 위한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능이 내장된 것을 특징으로 하는 일체형 태양광 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 태양광 발전 시스템은 상기 일체형 태양광 발전 시스템을 병렬로 연결하여 대용량으로 제작시 각각의 일체형 태양광 발전 시스템의 상태를 외부로 전송하기 위한 무선통신모듈(160)이 추가로 구성됨을 특징으로 하는 일체형 태양광 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상용전원(200)은 교류를 공급받는 주상변압기이거나 교류를 공급하는 전기제품인 것을 특징으로 하는 일체형 태양광 발전 시스템.
  6. 일체형 태양광 발전 시스템을 이용한 발전 방법에 있어서,
    배터리관리시스템(150)은 태양광이 있는가를 판단(S110)하여, 태양광이 있다면 상기 배터리관리시스템(150)은 상기 일체형 태양광 발전 시스템의 상기 태양전지(110)을 통해 발전을 시작하는 단계(S120);.
    상기 발전된 전기에너지는 충전기(MPPT 내장)(120)를 통해 전기제품의 상용전원(200)에 공급하고, 유휴 에너지는 배터리 팩(140)에 저장하며, 상기 배터리 팩(140)이 완충된 경우에는 하이브리드 컨버터(130)를 통해 상용전원(200)측으로 공급하는 단계(S130); 및
    정전이 발생한 경우(S140) 상기 배터리 팩(140)에 저장된 전기에너지를 상용전원화하는 단계(S150);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 태양광 발전 시스템을 이용한 발전 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 태양광이 있는가를 판단(S110)하는 단계는,
    상기 태양전지(110)를 통해 입력되는 전기에너지 따라 상기 전기에너지가 설정값 이상인 경우 태양광이 있는 것으로 판단하는 것임을 특징으로 하는 일체형 태양광 발전 시스템을 이용한 발전 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 팩(140)에 저장된 전기에너지를 상용전원화하는 단계(S150)는,
    상기 배터리 팩(140)에 저장된 직류전원을 하이브리드 컨버터(130)를 통해 전기제품에 비상용으로 공급하거나 야외의 경우에는 해당 전기제품에 교류전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 일체형 태양광 발전 시스템을 이용한 발전 방법.
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