KR20150043411A - 에너지 스토리지 및 제어 시스템을 구비한 dc 건물 시스템 - Google Patents

에너지 스토리지 및 제어 시스템을 구비한 dc 건물 시스템 Download PDF

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energy
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KR20157006278A
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존 사우셀레
올리버 노버트 스테이닉
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Publication date
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Abstract

DC 건물 전기 시스템이 DC 버스에 연결된 DC 전력 소비 장치를 포함한다. DC 전력 공급원이 상기 DC 버스에 연결되며, 상기 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급한다. 에너지 스토리지 장치가 DC 버스와 DC 비상 부하에 연결된다. 상기 에너지 스토리지 장치는 상기 DC 전력 공급원과 협력하여 상기 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하며 또한 상기 에너지 스토리지 장치 이외의 전력 공급원이 DC 전력 소비 장치에서 이용할 수 있을 때에는 DC 비상 부하에 전력을 공급한다.

Description

에너지 스토리지 및 제어 시스템을 구비한 DC 건물 시스템{DC BUILDING SYSTEM WITH ENERGY STORAGE AND CONTROL SYSTEM}
관련 출원의 교차 참조/원용
본 출원은 발명의 명칭이 “DC 마이크로그리드 건물 에너지 관리 플랫폼”(DC MICROGRID BUILDING ENERGY MANAGEMENT PLATFORM)인 2012년 8월 16일에 출원된 미국 가특허 출원 제61/684,083호(대리인 서류 번호 13050-40005-US-1)와 발명의 명칭이 “DC 마이크로그리드 건물 에너지 관리 플랫폼”(DC MICROGRID BUILDING ENERGY MANAGEMENT PLATFORM)인 2012년 9월 10일에 출원된 미국 가특허 출원 제61/699,169호(대리인 서류 번호 13050-40005-US-2)의 우선권을 주장한다. 이들 특허 출원의 전체 내용은 모두 그대로 본 명세서에서 원용되어 포함된다.
본 발명은 건물 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 진보된 컴포넌트 기술(component technology)과 관련이 있다.
현재의 AC 건물 시스템은 지역에서 발생된 재생 에너지를 최대 비용 효율적 방식으로 사용하지 못하고 있으며 아주 신뢰성 있는 전력계통 연계(utility grid connection)가 필요하고, 이는 에너지 안보와 관련한 걱정뿐만 과도한 생계비의 문제로 귀결되고 있다. 축전지를 PV 어레이용 에너지 버퍼로서 사용하는 것이 알려져 있지만, 이러한 시스템은 조명 및 환기와 같은 건물의 가장 일반적인 전기 부하를 해소하려고 할 때에 소모성 AC 변환을 배제시키지 못한다. 마찬가지로, 스마트 건물 에너지 관리 시스템을 마련하는 것도 알려져 있으나, 이러한 시스템은 효율과 에너지 안보를 향상시키기 위한 DC 마이크로그리드(DC microgrid)를 포함하지 않는다. 도 1은 본 발명과 비교하기 위한 종래의 AC 기준 시스템의 한 실시예의 블록도이다.
본 발명은 인버터가 없는 DC 마이크로그리드에 관한 것이다. DC 마이크로그리드는 조명 및 냉각 장치를 포함할 수 있는 하나 이상의 DC 전원 장치에 전력을 공급한다. DC 마이크로그리드는 태양광발전(PV) 어레이에 의해 발생된 DC 전력을 보다 효율적으로 사용하게 한다. DC 마이크로그리드는 구현하는 비용이 종래의 태양광발전 시스템(PV system)에 비해 보다 저렴하며 좋아진 원금 회수 여건을 제공한다. DC 마이크로그리드는 보다 저렴한 DC 전원 장치의 사용을 가능하게 한다. 여러 가지 실시예에서, DC 마이크로그리드는 미국 특허 출원 제13/560,726호 및 미국 특허 출원 제13/749,604호에 설명된 태양광 동기화 부하 및/또는 최대 전력 시점 추적 제어 특징을 이용할 수 있다.
다른 실시예에서, DC 마이크로그리드의 PV 어레이는 보다 효율적인 최대 전력 시점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어를 위한 유리한 DC 버스 전압 범위, 즉 종래의 DC 버스 전압 범위보다 낮거나 그리고/또는 좁은 범위를 제공할 수 있도록 한 크기로 할 수 있다. 대안적 또는 추가적으로, PV 어레이는 PV 어레이와 전력계통에 의한 전력 생산을 바람직하게 균형 맞추기 위해 전력을 미리 결정된 범위 내에서 제공할 수 있도록 한 크기로 할 수 있다. 예를 들어, PV 어레이는 전력 수요의 절반 미만, 일례로 전력 수요의 25 ~ 40%를 제공할 수 있도록 한 크기로 할 수 있다.
본 발명의 직류(DC) 마이크로그리드 건물 에너지 관리 플랫폼(DCMG-BEMP: DC Microgrid Building Energy Management Platform)은 총소유비용(TCO: total cost of ownership)의 감소와 에너지 안보의 증가의 관점에서 종래의 교류(AC) 건물 시스템에 비해서 현저한 이점을 제공한다. 종래의 건물-수준 전력 분배 시스템(building-level power distribution system)은 재생 에너지 공급원에서 생산된 것과 같은 지역에서 생산된 DC 전력을 사용하는 때에는 DC에서 AC로의 변환 손실을 겪을 뿐만 아니라, 많은 보편적 장치들에 전력을 공급함에 있어는 AC에서 DC로의 변환 손실을 겪고 있다. 예를 들면, 이와 같은 변환은, 본 발명의 DC 마이크로그리드와 비교할 때, PV 어레이와 AC 조명 부하 사이에서 최대 12% 이상의 에너지 손실을 가져온다. 전형적인 PV 시스템에서는 모든 전력을 신뢰성이 없으며 비싼 그리드 연계형 인버터 하드웨어를 통해 흐르도록 하는 것도 필요로 하는데, 이는 전력계통의 전력이 소진되었을 때(정전 상태)에 PV 전력을 중대한 임무 활동을 위해 사용할 수 없게 한다. 또한, 현재의 AC 건물 시스템은 건물의 최고 전력 수요를 관리하는 능력이 없거나 제한적이며, 이는 수요 전력 요금(demand charge) 및 추가적인 전력계통의 불안정을 야기할 수 있다. 본 발명의 DCMG-BEMP는 성숙된 신뢰성 있는 DC 기술을 사용하는 데 있어서, 그리고 전력계통 기반 전기에 대한 의존 및 TCO는 최소화 하면서 전력 공급원과 부하와 에너지 스토리지 시스템의 상호 작용을 동적으로 최적화 하는 데 있어서 새로운 해결 방법을 적용한다. BLCC 도구를 이용한 경제성 모델링에 따르면, 대등한 AC 시스템과 비교되는 DCMG-BEMP에 있어서는 25년에 걸쳐 수익/투자 비율(SIR: Savings to Investment Ratio)이 15% ~ 25% 향상됨을 보이고 있다. 본 발명의 DCMG-BEMP는 다른 해결 방법과 비교할 때 증가된 에너지 효율, 향상된 에너지 안보, 그리고 낮아진 총소유비용을 제공한다.
본 발명은 AC 전기 에너지로의 변환 없이 DC 부하에 전력을 공급할 수 있도록 DC 전기 에너지를 저장하는 DC 마이크로그리드 구성을 제공한다. 이와 같은 DC 에너지 스토리지는, 도면에는 축전지만 도시되었지만, 축전지(battery), 커패시터(capacitor), 플라이휠(flywheel) 등의 형태일 수 있다.
DC 마이크로그리드 구성에서 에너지 스토리지를 사용하는 한 가지 주요 장점은 에너지(예, 예비 전력)가 에너지 스토리지 요소로부터 DC 형태로 나올 때 DC 부하에서 보다 더 효율적으로 사용될 수 있다는 것이다. 효율이 더 높아진 이유 하나는 건물에서 통상적으로 행해지고 있는 것과 같은 DC 스토리지에서 AC로 그리고 다시 DC로의 중간 변환이 없다는 것이다.
에너지 스토리지 요소는 DC 전원 공급 장치(power supply)에 통합시켜서 무정전 전원 공급 장치(UPS: uninterruptable power supply) 구성과 실제로 유사하게 만들 수 있다. 대안적 예로서, 에너지 스토리지 요소는 독립적으로 DC 버스에 연결될 수 있다. 그러나 도면에 있는 적어도 하나의 예시적 실시예는, DC 전원 공급 장치에 통합된 축전지로서 AC 그리드(AC grid)에 연결되고 태양광 그리드(solar grid)(예, 재생 DC 에너지 전원)와는 별개인 축전지를 포함한다.
에너지 스토리지가 DC 버스에 직접 연결되거나, 충전/방전용 전압 및 전류를 최적화하기 위한 중간 DC/DC 컨버터를 구비할 수 있다. 에너지 스토리지는 상기 그리드로부터 AC/DC 전원 공급 장치를 통해 충전되거나, 그 밖의 DC 전원, 일례로 태양광발전(PV) 전원과 같은 DC 전원으로부터 충전되거나, 또는 이들 두 방법 모두에 의해 충전될 수 있다.
DC 마이크로그리드 내의 비교적 작은 양의 에너지 저장 용량은 통상적으로 요구되고 있는 전용 비상 조명 회로 또는 축전지 분산 전략을 필요로 하지 않으면서도 미국 건물에 있어서의 90분 비상 조명 요건을 충족시키는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 비상 조명의 광도 요건을 충족시키기 위해 소프트웨어 제어를 통해 모든 조명등을 어둡게 하고, 그리고/또는 일부 세트의 조명등만을 켤 수 있다. DC 전원 공급 장치를 무정전 전원 공급 장치(UPS) 방식으로 사용함으로써, 건물에 추가적인 기반 시설(infrastructure)을 추가하지 않아도 DC 비상 조명이 가동되게 할 수 있다. 반면에, 종래 기술에서는 비상 조명을 하려면 별도의 AC 또는 DC 조명 회로 및 축전지 시스템과 같은 추가적인 기반 시설을 필요로 한다. 본 발명의 독창적 설비(arrangement)는 보다 낮은 비용, 보다 높은 신뢰성, 그리고 비상 중에 켜지는 전등을 변경하고 비상 중에 이용하는 조명의 수준을 변경할 수 있는 융통성과 같은 여러 장점을 제공할 수 있다. 이러한 장점들은 오로지 본 발명의 독창적 소프트웨어 구성을 통해서만 실현될 수 있다.
예비 에너지를 다양한 수준으로 제공하기 위해 DC 마이크로그리드에 더 많은 양의 에너지 스토리지가 포함될 수 있다. 예를 들어, 태양광발전 에너지가 낮 동안에 충분히 남아돌게 발생되어 에너지 스토리지 시스템 안으로 들어가고 후속해서 태양 에너지를 이용할 수 없을 때인 밤에 DC 부하에서 사용하는 경우, 비상 모드에서 대부분은 밤에 건물을 밤새 가동시킬 수 있도록 하기에 충분한 예비 에너지가 저장될 수 있다. 필요한 저장량은 “비상 모드”에서 필요로 하는(즉, 정전 상태에서는 조명 및 환기 수준을 낮추는 것이 용인될 수 있음) 전력량에 좌우될 수 있으며, 각기 다른 지역에서 활용할 수 있는 태양 에너지의 양에 좌우될 수 있다. 이러한 변수들은 낮 동안에 저장된 잉여 태양 에너지를 가지고 건물에 밤새 또는 기타 필요한 시간 동안 전력을 공급할 수 있는 가능성 또는 “에너지 안보”를 통계적으로 계산하는 데 사용될 수 있다. 저장된 태양광발전 에너지는 어떠한 양이라도 다른 예비 전력 발생 옵션에 필요한 디젤 또는 그 밖의 연료의 양을 줄일 수 있다.
DC 마이크로그리드에 DC 열 부하(예, 음식 냉장, 건물 HVAC, 온수 가열)가 편입되는 경우, “에너지 안보”를 결정하기 위해 열 저장을 전기 에너지 스토리지에 결합시킬 수 있다. 예를 들어, 냉동 식품은 에너지 스토리지가 고갈된 때에라도 몇 시간 동안은 냉동 상태를 유지할 수 있어서, 아침이 되어 태양 에너지를 다시 이용할 수 있을 때까지 충분히 보호될 수 있다. 또한, 음식은 동결시키는 데 필요한 온도보다 몇 도 아래의 온도까지 냉동되고, 그래서 냉동 식품 자체가 에너지를 효과적으로 저장할 수 있다.
건물을 비상 상황에서도 이용할 수 있게 유지시킬 수 있도록 에너지 스토리지의 이용도를 연장하기 위해, 건물 내의 전기 부하를 저장된 에너지의 이용도, 태양광발전 전력, 정전 지속 시간(예, 전력계통의 전력 소실이 지속되는 시간)에 맞게 조정할 수 있다. 예를 들어, 충분한 태양광과 충분한 에너지 스토리지가 마련된 상태에서 발생한 정전의 제1 시간 중에는 조명, 환기, 또는 그 밖의 다른 비상 부하들을 충분한 전력으로 유지시킬 수 있다. 그러나 정전 지속 시간이 이용할 수 있는 태양광이 적은 상태인 제2 시간으로 이어질 때에는, 저장된 에너지가 보존될 수 있도록 비상 부하를 더 낮은 전력 수준에서 작동하게 할 수 있다. 예를 들어, 전등을 어둡게 하고, 환기를 낮은 속도로 작동하게 하는 등의 조치를 할 수 있다. 정전 지속 시간이 더 길어 질 때에는 이용 가능한 태양광 에너지의 양의 여하에 따라 부하의 작동에 대한 위와 같은 조정을 추가로 실행할 수 있다. 비상 부하들에 대한 상황 적응식 조정을 통해, 건물은 더 많은 정전 시나리오에서 사용가능한 상태를 유지할 수 있으며, 그 이유는 단시간의 정전은 장시간의 정전에 비해 자주 발생하고 각기 다른 정전 중의 기후 조건(예, 태양광의 양)은 아주 다를 것이기 때문이다.
DC 마이크로그리드에 예비 용도로서 기본적으로 설계되는 에너지 스토리지는 전력 회사의 피크 전력 수요 관리에 도움을 주기 위한 “수요 응답” 목적을 위해서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력 회사는 DC 마이크로그리드가 일정 시간 동안에는 전력계통에서 나오는 것이 아닌 에너지 스토리지 및 DC 부하용 태양광발전(PV)에서 나오는 전력을 사용하도록 하는 전기 신호를 보내거나 인센티브(예, 주간 전기 요금(time-of-day utility rate) 또는 수요 전력 요금)를 제공할 수 있고, 이에 따라 피크 시간 동안 전력계통에서의 전력 수요가 감소한다(“DC 부하 수준 조정”).
위에서 설명한 것에 덧붙여서, 건물 또는 AC 전력계통의 다른 위치의 AC 부하에서의 피크 수요를 상쇄시키는 데(“AC 부하 수준 조정”) 있어서도 에너지 스토리지를 사용할 수 있게 하는 DC/AC 인버터 또는 양방향 AC/DC 컨버터에 에너지 스토리지가 연결될 수 있다. DC 마이크로그리드는 상기 DC 부하 수준 조정과 AC 부하 수준 조정의 조합을 제공하도록 구성될 수 있다.
DC 마이크로그리드 내의 에너지 스토리지는, 그 DC 에너지 스토리지로부터 DC 부하용 전력의 일부 또는 전체를 시험 목적으로 공급함으로써 건물의 기능에 악영향을 미치지 않으면서 주기적으로 시험받을 수 있는 특이한 능력을 가질 수 있다. 예를 들어, 위와 같은 시험 도중에 전등이 깜박거리지 않는다. 즉, 시험 기간 동안에 DC 전원 공급 장치, 태양광발전(PV), 또는 그 밖의 에너지 공급원으로부터 요구되는 전력을 순간적으로 감소시키거나 제거하면서, 전력의 일부 또는 모두를 DC 에너지 스토리지에서 DC 부하로 흐르도록 지향시킬 수 있다. 이러한 시험 기간 동안, 스토리지 시스템의 방전 속도를 확인하고 건전성을 결정하기 위해 전압 및/또는 전류를 측정할 수 있다. 마찬가지로, 에너지 스토리지를 충전하고 그 충전 속도로부터 에너지 스토리지 시스템의 건전성을 결정하기 위해 태양광발전 전원 또는 다른 DC 전원을 사용할 수 있다.
DC 마이크로그리드 내의 건물 에너지 스토리지 요소들을 건물 또는 단지 안과 주변에서 사용되는 상업적 전기 차량용의 에너지 공급 장치로서 사용할 수도 있다. 예를 들어, 전기 지게차에서 나온 축전지가 건물 에너지 스토리지의 일부로서 사용되고 아울러 차량에서 또는 차량 밖에서 충전될 수 있고, 또한 전기 골프 카트에서 나온 축전지가 건물 에너지 스토리지 등으로 사용될 수 있다. 상기 개념은 단방향 또는 양방향 AC/DC 인버터를 거쳐 건물로 이어지는 종래의 AC 연결에서도 사용될 수 있다.
산업용 팬 또는 다른 DC 모터 부하는, DC 버스에 연결된 모터에 양방향 가변 주파수 드라이브(VFD: variable frequency drive)를 사용함으로써, DC 마이크로그리드에서 가상 플라이휠 스토리지로서 사용될 수 있다. 이 개념은 회생 제동, 또는 모터의 감속으로부터의 동력 생성으로서도 알려져 있다. 이와 같은 설비의 장점은 얼마간의 단기간 저장이 기존의 모터 장치의 사용을 통해 실현되고, 아울러 시스템 내의 추가 스토리지 요소들을 줄이거나 제거하는 것을 통해 비용을 잠재적으로 절약할 수도 있다는 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 DC 버스에 연결된 DC 전력 소비 장치를 포함한 DC 건물 전기 시스템을 포함한다. DC 전력 공급원이 DC 버스에 연결되어 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급한다. 에너지 스토리지 장치가 DC 버스 및 DC 비상 부하에 연결된다. 상기 에너지 스토리지 장치는 DC 전력 공급원과 협력하여 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하며, DC 전력 소비 장치에서 이용할 수 있는 전력 공급원이 에너지 스토리지 장치가 아니고는 없거나 혹은 제한(예, 태양광)될 때에는 DC 비상 부하에 전력을 공급한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 DC 버스에 연결된 DC 전력 소비 장치를 포함한 DC 건물 전기 시스템을 포함한다. DC 전력 공급원이 DC 버스에 연결되어 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급한다. 에너지 스토리지 장치가 DC 버스 및 자동차에 연결된다. 상기 에너지 스토리지 장치는 DC 전력 공급원과 협력하여 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하며, 자동차에 전력을 공급한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 DC 버스에 연결된 DC 전력 소비 장치를 포함한 DC 건물 전기 시스템을 포함한다. DC 전력 공급원이 DC 버스에 연결되어 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급한다. 에너지 스토리지 장치가 DC 버스 연결되고, DC 전력 공급원과 협력하여 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급한다. DC 전력 제어 시스템이 에너지 스토리지 장치의 현재 충전 상태 및 에너지 스토리지 장치의 미리 결정된 목표 충전 상태에 기초하여 에너지 스토리지 장치를 선택적으로 충전시키고 방전시킨다.
다른 실시예에서, 본 발명은 DC 버스에 DC 전압을 발생시키는 태양광발전 어레이를 포함하는 마이크로그리드 시스템 설비를 포함한다. DC 전원 공급 장치가 DC 버스에 전력계통에서 받은 AC 전압으로부터 DC 전압을 발생시킨다. DC 전력 소비 장치가 DC 버스에 연결된다. 제어기가 태양광발전 어레이 및 DC 전원 공급 장치에 의해 DC 버스에 제공되는 DC 전력의 양을 제어한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 스토리지 장치를 사용하는 DC 건물 시스템을 포함하고, 상기 에너지 스토리지 장치는, (1) 적어도 하나의 다른 DC 전력 공급원(예, 재생 에너지 DC 전력 공급원 또는 AC 전력계통)과 협력하여 DC 건물 부하에 전력을 공급하고 (2) 다른 전력을 사용할 수 없을 때에 미리 정해진 기간 동안 DC 비상 부하에 전력을 공급하는 DC 전력을, 공동 전력망을 통해 공급한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 스토리지 장치를 사용하는 DC 건물 시스템을 포함하고, 상기 에너지 스토리지 장치는, 건물 내에서 사용되는 이동 장치(mobile device)(예, 지게차 또는 골프 카트와 같은 차량)에 전력을 공급하는 데 사용된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 스토리지 장치를 사용하는 DC 건물 시스템을 포함하고, 상기 DC 건물 시스템은 비상이 아닌 기간 동안에는 에너지 스토리지 장치의 충전 상태(SOC: state of charge) 및 미리 결정된 비상 SOC에 기초하여 에너지 스토리지 장치를 선택적으로 충전 및 방전시키는 DC 전력 제어 시스템을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 스토리지 장치를 사용하는 DC 건물 시스템을 포함하고, 상기 DC 건물 시스템은 재생 에너지 DC 전력 공급원으로부터 사용할 수 있는 잉여 전력을 사용하여 에너지 스토리지 장치를 충전시키는 DC 전력 제어 시스템을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 스토리지 장치를 사용하는 DC 건물 시스템을 포함하고, 상기 DC 건물 시스템은, 에너지 스토리지 장치의 충전 상태(SOC)가 미리 결정된 SOC 아래로 떨어진 때에, 태양광 장치에 대한 총부하가 태양광 장치로부터 이용 가능한 전력보다 적도록 가변 DC 부하를 조정하는 것과, 에너지 스토리지 장치를 상기 미리 결정된 SOC 이상으로 충전시키는 것을 선택적으로 수행하는 DC 전력 제어 시스템을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 스토리지 장치를 사용하는 DC 건물 시스템을 포함하고, 상기 DC 건물 시스템은, 에너지 스토리지 장치의 충전 상태(SOC)가 미리 결정된 SOC 아래로 떨어진 때에, 건물 주위 상태(예, 태양광의 양) 및 그에 대응하는 미리 결정된 건물 상태(비상 실내 조명 수준)에 기초하여 하나 이상의 가변 DC 부하의 작동을 선택적으로 감소시키거나 중단시킴으로써 에너지 스토리지 장치의 방전 속도를 제어하는 DC 전력 제어 시스템을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 스토리지 장치를 사용하는 DC 건물 시스템을 포함하고, 상기 DC 건물 시스템은, 비상 작동 중에 비상 지속 시간에 기초하여 가변 DC 부하의 작동을 선택적으로 감소시키거나 중단시키는 DC 전력 제어 시스템을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 에너지 스토리지 장치를 사용하는 DC 건물 시스템을 포함하고, 상기 DC 건물 시스템은, 모터/발전기로의 전력 공급을 중단시키고 운동 에너지가 DC 전력으로 변환되는 회생 모드에서 상기 모터/발전기를 작동시킴으로써 에너지 스토리지 장치를 충전시키는 DC 전력 제어 시스템을 포함한다. 상기 모터/발전기는 DC 부하에 회생 전력으로부터의 전력을 직접 공급하고, 시스템 내에 에너지 스토리지의 모두 또는 일부를 제공할 수 있다.
첨부된 도면과 관련하여 기술된 본 발명의 여러 실시예에 대한 아래의 설명을 참조함으로써, 본 발명의 상기 및 그 밖의 특징들 및 목적들과 이를 달성하는 방식이 보다 명백해질 것이며 발명 자체도 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 AC 기준 시스템의 한 실시예를 보이는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 코어 DC 마이크로그리드 시스템 체계의 한 실시예를 보이는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 향상된 DC 마이크로그리드 시스템 체계의 한 실시예를 보이는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 향상된 DC 마이크로그리드 시스템 체계의 다른 실시예를 보이는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 DC 마이크로그리드 건물 에너지 관리 플랫폼의 일 실시예를 보이는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 단계별 설치 계획을 포함하는 DCMG-BEMP의 일 실시예를 보이는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 DC 건물 시스템의 한 실시예를 보이는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 DC 전력 제어 시스템의 한 실시예를 보이는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 DC 부하 제어 시스템의 한 실시예를 보이는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 DC 전력 제어 시스템의 다른 실시예를 보이는 블록도이다.
여러 도면 전반에 걸쳐 대응하는 참조 문자는 대응하는 부분을 나타낸다. 여기에서 설명된 예시는 본 발명의 여러 실시예를 여러 형태로 예시하고 있지만, 아래에 개시하고 있는 그 실시예들은 총망라하려고 의도한 것도, 본 발명의 범위를 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 해석되도록 의도한 것도 아니다.
본 발명은, (1) 실행 가능성을 두드러지게 나타내고, 건물-수준 DC 마이크로그리드 서브시스템의 성능을 최적화하며, (2) 태양광발전(PV)에 의해 전력을 공급받을 때의 DC 전원 작동 컴포넌트의 효율이 종래의 AC 컴포넌트에 비해 향상됨을 확인하며, (3) 다른 예비 에너지 공급원의 필요성을 최소화하면서 중대한 임무 활동을 위한 예비 전력을 제공함으로써 에너지 안보에 대한 DC 마이크로그리드 시스템의 영향력을 두드러지게 나타내며, (4) AC 및 DC 부하 수준 조정 시나리오들에서의 에너지 스토리지의 부가적인 가치를 실증한다.
일 실시예에서, 본 발명은 통상의 건물 내 부하에서 태양광발전 에너지(PV energy)를 보다 효율적으로 사용하는 코어 DC 마이크로그리드를 제공한다. 다른 실시예는 에너지 안보를 극적으로 증가시킬 수 있는 스토리지를 포함한다. 본 발명의 DCMG-BEMP는 개별적인 DC 전기 분배 마이크로그리드 및 신규한 DC 기반 전기 부하를 구현함으로써 현재의 건물 전력 분배 시스템의 한계를 해소한다. DC 전력의 직접적 사용은 전형적인 AC 시스템의 다중 변환(DC-AC 및 AC-DC)을 배제할 수 있다. 대부분의 재생 에너지 생산 시스템(태양광, 풍력 등)은 전력계통에 구속되며, 생산된 전력을 직접적으로 사용할 수 없게 한다. 코어 DCMG-BEMP 시스템 체계가 건물 내에서 지역적으로 사용되는 재생 에너지의 양을 최적화하기 위해 설계된다. 이 코어 시스템도 비싸고 신뢰성 없는 그리드 연계형 인버터(grid-tie inverter)를 배제시킬 수 있다. DCMG-BEMP는 전체 에너지(그리드 및 재생 에너지) 사용량과 총소유비용(TCO)을 최소화하기 위해 통합형 태양광발전 전력 생산, DC 부하, 및 DC 전원을 관리하는 에너지 관리 게이트웨이에 의해 다른 DC 마이크로그리드 응용 장치와 더욱 차별화된다.
많은 DC 기반 컴포넌트들이 지붕이나 천정에 설치되고(PV 에레이, 전등, 천정 설치 환기 팬 포함) DC 전원을 위해 기존의 AC 배선을 이용할 수 있으므로, 상기 시스템 체계는 배선 도관의 거리를 상당히 줄임으로써 건물 전기 배선을 단순하게 하며 이와 아울러 새로운 건축의 여러 응용 분야뿐만 아니라 개장에도 잘 맞는다. 상기 DCMG-BEMP는 많은 설비 유형에 적합한데, 대부분의 건물에서는 전등과 HVAC가 대량의 에너지 사용처이기 때문이다. 이와 같이, DC 부하는 HVAC 시스템의 효율을 향상시키는 상업적 하이베이(high-bay) 조명 및 대형 산업용 실링 팬(ceiling fan)이 될 수 있다. 이러한 광범위한 응용 기반은 시장의 힘이 규모의 경제를 실현하게 하며 비용 효율을 더 향상시키게 할 수 있다.
본 발명의 DCMG-BEMP는 상위 수준의 시스템 개략도인 도 5에 도시된 바와 같이 3개의 단계(phase)를 포함한다. 상세한 블록도가 도 6에 도시되었다. 코어 DCMG-BEMP 시스템이 우선, PV 에레이, DC 전원 공급 장치, 및 DC 기반 하이베이 인덕션 조명 시스템을 포함하는 단계 I에 통합된다. 이 코어 시스템은 비교적 작으며, 모든 태양광발전 생산 전력이 즉시 사용될 수 있도록 DC 부하에 맞추어진 크기로 되어 있다. 이 결과는 그리드 연계형 인버터가 필요 없는 간단하고 비용 효율적 해결책이 된다. 상기 코어 시스템은 DC로 변환될 수 있는 건물 부하의 양에 따라 좌우되는 대략 20kW의 태양광발전을 포함하지만, 설비의 에너지 안보를 (뒤의 단계들과는 달리) 상당히 향상시키지는 못한다.
정전 중에 설비의 에너지 안보 및 임무 보장을 극적으로 향상시키기 위해 추가 태양광발전 및 에너지 스토리지를 추가함으로써 상기 코어 시스템에 단계 II 및 단계 III가 수립된다. 관리되는 에너지 스토리지 시스템은 전기 요금을 줄이기 위해 정상 작동 중에 부하 수준 조정/피크 부하 감축도 수행한다. 이들 단계는 실질적으로 더 많은 태양광발전 전력을 필요로 하며, 잉여 태양광발전 전력 및 저장된 전력을 그리드로 업로드하기 위하여 그리드 연계형 인버터의 기능이 상기 에너지 스토리지 시스템 안에 통합된다. 양방향 계량 계약(net-metering agreement)은 업로드된 에너지가 전력계통에서 공급된 에너지와 차감 계산될 수 있도록 한다. 단계 II에는 축전지 기반 에너지 스토리지 시스템과, 추가적인 DC 부하로서의 대직경 DC 전원 실링 환기 팬과, 추가된 PV 어레이 용량이 통합된다. 천정에 설치된 환기 팬(예, 직경 24인치)이 DC 부하로 사용되지만, 일례로 DC HVAC 시스템도 사용될 수 있다. 팬은 가열된/공기 조화된 공기가 균일하게 분포되게 공기를 순환시키고, 이동하는 공기는 거주자에게 더 많은 쾌적감을 제공한다. 그 결과 HVAC 시스템이 더 낮거나 혹은 더 높은 온도로(모드에 따라 달라지는 것임) 설정될 수 있고, 그리고/또는 덜 자주 작동할 수 있게 되어, 거주자의 쾌적감은 유지하면서도 적은 에너지가 사용된다. 각 팬이 작동하는 데에는 1.5kW(팬이 2개인 경우 총 3kW)이 소요되는데, 이는 HVAC 전력 감소보다도 실질적으로 적은 것이다. 대형 환기 팬을 사용함으로써, 공기 조화용 에너지 소비를 36%만큼 줄일 수 있고, 난방용 에너지 소비를 20+%만큼 줄일 수 있으며, 대형 팬에서 나오는 상승 공기 속도는 공기 조화가 이루어지지 않는 공간에서 생산성을 9%만큼 증가시킬 수 있다.
단계 II에는 비상 예비 전력을 중요한 DC 부하에 제공하기 위한 그린 차지 네트웍스(GCN: Green Charge Networks) 그린스테이션 축전지 스토리지 시스템과 같은 축전지 에너지 스토리지 시스템이 통합된다. 그린스테이션 스토리지 시스템은 이 시스템이 비상 지원 모드에 있지 않을 때에는 건물의 전력계통 전력 수요를 수준 조정하는 데에 그 시스템의 에너지 스토리지 용량을 적극적으로 이용하여 AC 부하 수준 조정 한다는 특징을 드러내보이고도 있다. 단계 III에는 전기 자동차 충전소(EVCS: electric vehicle charging station)뿐만 아니라 추가 태양광발전과 증가된 축전지 용량도 통합된다. DCMG-BEMP 연계형 EVCS는 정전 중에도 차량을 충전할 수 있는 능력을 마련함으로써 사람의 기동력을 항상 유지할 수 있게 하여 중요 임무 활동을 추가로 지원한다.
에너지 관리 게이트웨이(EMG: Energy Management Gateway)는 전체 시스템 관리를 수행하며, 필요한 경우에는 기존의 건물 네트워크 기반 시설(예, 론웍스(LonWorks))에 접속한다. 상기 EMG는 태양광발전 시스템이 기후 및 부하 조건과 무관하게 최고로 가능한 효율로 작동하게 유지하는 최대 전력 시점 추적(MPPT: maximum power point tracking) 알고리즘을 제공한다. 상기 EMG는 상기 GCN 그린스테이션 축전지 에너지 스토리지와 함께, 태양광발전 전력이 감소된 시간 동안 (중요한 조명 또는 다른 부하에는 영향을 미침이 없이) 중요하지 않은 부하를 줄이기 위한 AC와 DC의 부하 균형 조정(load-balancing) 및 부하 분계(load-shedding)를 포함하여 태양광 동기화 부하(SSL: solar-synchronized load)를 관리하기도 한다. DC 전원, 조명 및 팬 시스템, 그린스테이션 에너지 스토리지, 및 EVCS를 안전한 유선 연결을 통해 관리할 수 있도록 상기 EMG의 제어 소프트웨어가 최적화되어서 구현될 수 있다.
태양광발전 전력만으로는 불충분하고 저장된 전력이 보존되어 있는 때에는 보충 그리드 전력이 AC-DC 전원 공급 장치를 거쳐 DC 마이크로그리드로 공급된다. 전력 흐름은 그리드 전력 대 태양 전력 대 저장된 전력의 사용을 최적화하기 위해 상기 EMG에 의해 제어된다. 상기 EMG에 의해 제어되는 전력 공급은 구름에 의해 차광되는 경우와 같이 태양 에너지 생산이 급속하게 변하는 동안의 “피크 투 밸리(peak-to-valley)” 변동을 감쇠시킬 수 있도록 순간적으로 응답한다. 상기 EMG는 또한 태양광발전 전력 및/또는 저장된 전력을 건물의 다른 AC 부하로 가장 효과적으로 내보낼 시간뿐만 아니라 축전지를 PV 어레이 및/또는 전력계통으로부터 가장 효과적으로 충전시킬 수 있는 시간을 결정하고 관리한다. 이 결과 전력계통 기반의 에너지 및 전력 수요가 최소화되고 재생 에너지 사용이 최대화된다. 그린스테이션의 축전지 에너지 스토리지 시스템의 에너지 버퍼링 능력은 단계 3 EVCS 설비가 “사용자 접속측(last-mile)” 그리드 업그레이드 없이 행해질 수 있게 하고, 이에 따라 비용이 저감된다.
본 발명은 광범위한 상업적 응용 분야용으로 융통성 있게 설계된, 확장가능하고 최적화된 모듈형 DCMG-BEMP 시스템을 제공할 수 있다. 효율적인 DC 기반 시설과 EMG-관리 장치의 연결성은 그리드 독립적(off-grid) 작동을 위한 단순화된 DC 마이크로그리드 “단독운전(islanding)”을 가능하게 하므로 DCMG-BEMP의 중요한 특징이다. DC 마이크로그리드의 단독운전은 정전 중에 태양광발전 및/또는 저장된 에너지를 사용함으로써 중요한 부하가 영향을 받지 않게 한다. 조명과 같은 최우선 순위의 부하는 설비의 비상 모드 요건에 따라 감소되고 낮은 우선 순위의 부하는 에너지를 이용할 수 있게 된 때에 에너지를 배당받는다. 이 결과, 다른 예비 전원에 대한 의존이 없어지거나 혹은 상당히 줄어든다. 이러한 단독운전 능력은 본 발명의 독창적 시스템에서 독특한 것이며, 중요 임무 설비 및 비상 대피소에 예비 전력을 제공하기에 이상적으로 적합하다. 종래의 그리드 연계형 인버터 기반의 태양광발전 시스템은 전력계통의 전력이 소진된 때에는 꺼지기 때문에 위와 같은 예비 기능을 제공하지 못한다. 건물 조명 및 환기 수준과, 축전지 저장 용량과, 기후 효과 사이에서의 균형을 관리하기 위해 프로그램 가능 비상 전력 모드가 상기 EMG에 통합될 수 있다.
일 실시예에서, 유도 전등[에버라스트(Everlast)], PV 패널[보쉬(Bosch)], 그린스테이션(GCN), DC 전원 공급 장치[에머슨(Emerson)]은 모두 연속 대량 생산된 UL 인증 상업용 유닛이다. 에버라스트의 유도 전등과 대등한 DC 버전(예, 안정기(ballast), 전등, 덮개(enclosure))도 UL 인증될 수 있다. 상기 EMG는 기성품 솔루션(예, 트리디움(Tridium))이거나 UL 인증 하드웨어에서 작동하는 완성된 소프트웨어 플랫폼(비쥬얼 룰즈(Visual Rules) 및 이누빗(Inubit))을 사용할 수 있다. 대형 상업용 실링 팬(델타 티 코포레이션(Delta T Corp))은 대량 생산된다. 이 팬은 AC 전원으로 작동하지만, 내부에서 DC 전원으로 작동하는 가변 주파수 드라이브(VFD)를 사용할 수 있다. 기존의 VFD의 DC 회로들이나 상기 VFD는 상업용으로 입수할 수 있는 DC 입력 장치로 대체되거나 보완될 수 있다. 어떤 경우라도, 완전한 DC 팬 유닛은 UL 인증될 수 있고, 단계 II에 추가될 수 있다. 상업용 입수할 수 있는 EV 급속 충전 스테이션(예, 이튼 DC 급속 충전기(Eaton DC Quick Charger))가 단계 III에 설치될 수 있다. 상기 충전기는 그린스테이션과의 AC 인터페이스를 갖는다. 상기 EV 급속 충전 스테이션을 그린스테이션으로의 DC 접속과 통합시킴으로써 마이크로그리드의 이점들과 능력들을 최대화할 수 있다.
단계 I: PV 및 DC 조명을 포함하는 코어 DC 마이크로그리드를 설치. 경제적 장점들을 확인하기 위해 종래의 AC 시스템에 대비해 성능을 비교.
단계 II: 코어 시스템의 기능성을 대형 DC 실링 팬을 포함하도록 확장. 에너지 안보를 향상시키는 데 있어서의 스토리지의 가치를 실증하기 위해 향상된 시스템의 제1 요소들을 추가. 단계 II의 PV 및 스토리지 용량이 제한된 상태에서 비상 지원과 부하 수준 조정을 실증.
단계 III: PV와 스토리지를 더 추가함으로써 향상된 시스템의 용량을 증가시키고, EV 충전 스테이션을 설치. 정전 상태 동안에 EV 충전을 포함한 부하 수준 조정 및 에너지 안보 특징의 충분한 가치를 실증.
● 본 발명은 본 발명의 시스템이 향상된 에너지 효율, 보다 낮아진 선행 투자 비용, 보다 낮아진 운용 및 유지(O&M) 비용, 및 수요 전력 요금 감소라는 결과는 제공하므로 총소유비용이 절약됨을 실증한다. 본 발명은 종래의 AC 기반 시설에 비해 DCMG-BEMP로부터 설비 에너지 안보가 향상됨을 확인할 수 있다. AC 인버터 및 AC 유도 조명을 갖춘 종래의 소형 10kW PV 기준 시스템은 DC PV 어레이 다음에 코어 DC 마이크로그리드에 필적하는 것으로서 구성될 수 있다. DC 마이크로그리드와 AC 기준 시스템의 에너지 사용 및 전력 수요는 절약액을 정량화하기 위해 직접적으로 비교되고, 이뿐만 아니라 조명 업그레이드의 영향을 정량화하기 위해 현재의 시스템과도 비교(이력 데이터 이용하여 비교)될 수 있다. 에너지 소비 영향을 정량화하기 위해 기준 시스템 및 DC 환기 팬이 통합된 시스템을 위한 HVAC 에너지 사용이 분석된다. 운용 비용과 신뢰도 영향을 정량화하기 위해 시범 시스템용 O&M 비용이 현재의 기반 시설과 비교될 수 있다. 초기 경제성 분석은 코어 DC 마이크로그리드 전력 관리 기능이 비교 가능한 AC 시스템보다 적은 순현재가치(net present value)를 가지며 더 높은 수익/투자 비율(SIR)을 가지는 것을 보이고 있다.
● 본 발명은 전력계통에서 공급되는 에너지 및 전력 수요를 줄일 수 있도록 한 재생 태양광발전 전력의 효과적인 최적 사용 및 관리의 영향을 실증하고 있다. 제안된 코어 시스템의 시뮬레이션 결과에 기초한 초기 평가는 DC 기반 조명에 동일한 PV 에너지를 제공하기 위해서는 AC 기준 시스템에 비해서 킬로와트로 환산했을 때 8% 내지 12% 적은 PV 기반 시설(패널, 랙킹(racking), 배선 등)이 필요하다고 보이고 있다. 이는 시범 설비에 최소의 단계 I 시스템을 가정한 것인데, 여기에서는 조명 수요를 보충하기 위해 10kW PV 또는 20kW PV 시스템이 매우 비용 효율적 방식으로 사용된다.
● 본 발명은 외부의 에너지 공급원(예, 액체/기체 연료)을 필요로 하지 않으면서 중요 임무 활동을 위한 예비 전력을 제공함에 따른 DCMG-BEMP 시스템의 독특한 에너지 안보 증진을 실증하고 있다. PV 어레이 크기와 축전지 스토리지 대 에너지 안보 간의 균형은 설비가 여러 가지 기후 조건 하에서도 밤낮에 걸쳐 기능을 유지하도록 하기에 충분한 전력을 구비할 확률의 관점에서 실증될 수 있다.
● 광범위하게 적용된 2개의 DC 기반 마이크로그리드 시스템 체계를 실증할 수 있다. 제1 “코어” DC 마이크로그리드 시스템은, 조명 및 환기 팬과 같은 DC 부하와 조합되어 있는 종래의 AC 시스템과 비교해서 더욱더 비용 효율적으로 PV 에너지를 사용할 수 있는, 비교적 소형의 PV 어레이를 사용할 수 있다. 이 시스템은 광범위한 적용 분야를 가지며 특히 1주일에 7일 내내 운영되는 건물에 특히 적합하다. 제2 “향상된” 시스템은 에너지 안보가 일차적으로 중요한 건물용이다. 선택적인 에너지 스토리지 시스템과 추가적인 PV 어레이가 확장 가능한 양의 에너지 안보를 추가하는 데 사용될 수 있고, 이로써 디젤 발전기용의 현장 연료 스토리지 필요성을 줄이거나 완전히 없앨 수 있다. 예비 전력 기능에 더하여, 축전지 스토리지 시스템이 전기 수요 전력 요금의 감소 및 부하 수준 조정(이는 기반 시설 업그레이드를 위한 필요성을 줄이기도 함)을 제공할 수 있는 능력이 실증될 수 있다.
● 추가 이점: 재생 에너지 사용 증가는 공기의 질과 에너지 사용을 향상시킬 수 있다.
DCMG-BEMP는 건물의 전체 총소유비용을 효과적으로 줄일 수 있고, 재생 PV 에너지 생산의 사용을 최대화해서 전력계통 공급 에너지를 최소화할 수 있고, 종래의 AC 기반 시설에 비해서 에너지 안보와 예비 전력 능력을 향상시킬 수 있으며, 건물 부하 수준 조정 및 피크 부하 감소를 위한 에너지 스토리지의 부가된 가치를 실증한다.

성능 대상
측정 규준
데이터 요건

재생 에너지 사용
시설에서 사용된 재생 에너지(kWh 및 MMBtu)
시설에 사용된 재생 에너지의 계량기 판독치, 데이터 취득 시스템으로부터 측정된 값

설비의 유틸리티 에너지 사용(전기, 천연 가스 등)
에너지 사용((kWh 및 MMBtu)
유틸리티 이력 명세서(현재 시스템), 데이터 취득 시스템의 설비 에너지 사용 측정치

피크 전기 유틸리티 부하 감소
월 단위 피크 전력(kW)
유틸리티 이력 명세서(현재 시스템), 데이터 취득 시스템의 설비 피크 전력측정치

연간 운용 비용(에너지 사용과 유지 비용 포함)
조명 및 HVAC 에너지 비용($/년), 유지 비용($/년)
데이터 취득 시스템의 현재 설비의 조명 에너지 측정치, 조명 유지 기록(부품비 및 인건비)

설비의 에너지 안보/예비 전력 활용도
망 차단 중 전력계통 전력이 없는 시간(시 단위)
일시 기록 데이터 취득 시스템이 측정한 정전 중 설비의 에너지 사용 측정치

최상의 업무 표준을 충족시키는 조명 출력 보장
지면 높이에서의 광의 촉광(목표는 50 피트 촉광)
휴대형 광도 측정기

시스템 확장성 및 이전성
현재 물품 목록 중에서 적용 가능한 설비의 수
설비의 상세 물품 목록 데이터(평방 피트, 건물 형태 및 용도, 천정 높이, 연간 전기 사용 등)

시스템 경제성
내부 수익률(IRR)(%), 연간 비용 절약액($), 회수 기간(년)
유틸리티 이력 명세, 설치 및 운용 비용, 할인율, 사용 가능 수명 등
표 1 정량화 성능 대상 요약
● 단계 I - DC 기반 조명에 전력을 공급하기 위한 대략 20kW의 PV 어레이를 갖춘 코어 DCMG-BEMP. 이 시스템의 크기는 DC로 변환될 수 있는 조명 부하의 양에 기초할 수 있다. 소형(10kW) AC 기반 기준 시스템이 직접 비교를 위한 기준 데이터를 수집하는 데 사용될 수 있다.
● 단계 II - 단계 I 시스템에 추가적인 35kW PV와 32kWh 축전지 스토리지 시스템과 DC 전원 대직경 실링 팬을 더한다.
● 단계 III - 단계 II 시스템에 추가적인 35kW PV(총 100kW 목표)와 추가적인 64kWh 축전지 스토리지(총 96kWh 목표)와 급속 충전 전기 차량 충전소를 더한다.
1. 단계 I
단계 I은 다음을 포함할 수 있다.
I-1. 단계 I 시스템과 비교하기 위한 현재의 AC 조명의 에너지 사용 및 조명 수준을 기준. HVAC 및 전체 건물 전기 에너지 프로파일의 장기 데이터 취득을 시작하여 단계 II 부하 수준 조정 실증에서 기준으로 사용.
I-2. 코어 DC 마이크로그리드 시스템이 그리드 연계형 PV 인버터 없이 어떻게 작동하는지, 그리고 어떻게 더 효율적으로 에너지를 DC 조명 부하로 보내는지(인버터 및 AC 기반 조명을 사용하는 종래의 기준 PV 시스템과 대비) 실증.
I-3. 측정된 효율 향상도와, 설치의 차이점과, 신뢰도/유지 차이점의 객관화를 통합하여 DC 마이크로그리드를 대응한 AC 시스템과 비교하는 경제성 분석을 업데이트.
I-4. 단계 II에서 DC 팬을 설치하기 전에 여름 및 겨울의 HVAC 온도 설정치를 수집.
(1) 단계 I의 I-1 작업 - 시범 장소 선정
이상적인 DCMG-BEMP 시스템 장소는 PV 어레이 및 하이베이 조명을 수용할 수 있는 대형의 천장이 높은 빌딩이다(예, 창고, 체육관, 물자 배급소, 차량 정비소, 항공기 격납고 등). 이상적인 설비는 비상 대피소로도 사용될 수 있다. 이상적인 건물은 큰 지붕을 가지며, 1주일에 7일 운용되며, PV 시스템의 에너지 생산과 대체적으로 맞추어진 전기 에너지 소비 패턴을 갖는다. 매일 운용되는 것이 중요한데, 그 이유는 코어 시스템 내의 PV 어레이는 전력을 그리드로 되돌려 보내기 위한 그리드 연계형 인버터의 필요성을 없애면서 전등에 전력을 직접 공급할 수 있도록 한 크기로 되어 있기 때문이다. DCMG-BEMP 및 EMG는 모든 기후 지역과 작은 구조에서부터 건물들의 집단 전체에 이르기까지의 여러 크기의 건물에서의 에너지 사용을 최적화할 수 있는 융통성 있고 확장성을 갖는 기술이다.
(2) 단계 I의 I-2 작업 - 기준 시스템 성능 정량화
에너지 사용/전력 수요 - 기준 활용 프로파일을 특징짓기 위한 전체 설비뿐만 아니라 시스템 컴포넌트들에 대한 전기 사용 데이터를 수집하기 위해 데이터 취득 시스템이 설치될 수 있다. 이 데이터 세트들이 분석되어 전기계통의 고장 발생(즉, 정전) 빈도수뿐만 아니라 일간, 월간, 평균 월간, 연간 에너지 사용(kWh, MMBtu), 전기 수요(kW), 수요 전력 요금($)을 포함한 기준 시스템 성능이 결정된다. 이 정보는 시범 장소의 운용 특징을 위한 EMG 제어 소프트웨어를 최적화하는 데에도 사용될 수 있다.
운용 및 유지 비용 - 유지 및 교체 비용(부품비 및 인건비 포함) 이력을 수집해서 분석하여 전형적인 연액 환산 설비-유지 비용을 결정한다. 이 정보는 DCMG-BEMP 시스템의 비용 효율성 및 원금 회수 계산에서 사용될 수 있다.
전등 출력 시험 - 바닥 높이의 조명 평가는 휴대형 광도 측정기를 사용하여 행해질 수 있다. 임의의 잠재적 변화를 포착하기 위해 체육관 바닥을 가로지르는 가상 그리드를 따라 데이터 지점이 취해질 수 있다. 시험은 한번 수행해서 유도 조명의 출력 목표를 정량화한다(단계 I의 I-3 작업).
a. 단계 I의 I-3 작업 - 단계 I 시스템 통합 설계 및 설치
직접 비교를 위해, 단계 I 시스템을 2개의 서브시스템 회로, 즉 (1) 코어 DC 시스템(최소 20개의 조명 시설)과, (2) DC 시스템에서의 조명 전력 소비의 감소를 결정하기 위한 제어부 역할을 할 수 있는 보다 작은 기준 AC 시스템(4개의 조명 시설)으로 나누어질 수 있다. AC 시스템은 DCMG-BEMP 시스템의 성능을 확인함에 있어서의 에너지 사용 비교를 할 수 있게 한다. 이 기준 시스템에는 AC 전원 조명에 에너지를 제공하기 위한 PV 인버터를 추가하는 것이 요구된다.
단계 I 시스템은 (1) 30kW 지붕 태양 PV 어레이, (2) 에머슨 넷슈어(Emerson NetSure) 4015 시스템 30kW, 400V AC-DC 전원 공급 장치, (3) 보쉬(Bosch) 에너지 관리 게이트웨이, (4) 솔렉트리아(Solectria) 10kW PV 인터버, (5) 최소 24개의 에버라스트(Everlast) EHBUS-RC 250W 유도 전등(DC 전원용 20개 및 AC 전원용 4개), 그리고 (6) 필요한 전기 배선으로 이루어진 장치를 포함한다. 유도 전등의 개수 및 전력 등급을 결정하기 위해 조명 연구를 완결했다. 현재의 400W 금속 할로겐 조명 시설은 가능한 곳이면 어디서든지 배선을 재사용해서 교체할 수 있다. 기존의 AC 배선이 어떻게 DC 회로용으로 재사용될 수 있는가를 이해하는 것은 장래의 여러 개작 응용을 위해 아주 중요하다. 이 설계는 포트 브랙(Fort Bragg)의 설계 지침뿐만 아니라 현재의 전기 코드 및 표준에 부합될 수 있다. 사용된 모든 부품들은 UL 인증될 수 있다.
하드웨어 설계(예, 활용 가능 공간, 배선 등)의 어떤 양상의 것은 단계 II 및 단계 III를 미리 고려해서 설계될 수 있다. 도 6은 주요 하드웨어 요소들을 위한 단계별 설치 계획을 포함한 시스템 개요를 제공한다. 이 단계별 설치 접근법은 금전적 지출의 균형을 맞추면서 각 단계에서 충분한 용량을 이용하는 것을 보장한다.
b. 단계 I의 I-4 작업 - 단계 I DCMG-BEMP 운용, 데이터 수집, 분석
시스템 성능 분석 - DCMG-BEMP은 일단 설치되어 작동되면 전기 사용 데이터를 수집하도록 작동된다. 데이터 수집은 계절적 변화를 정확히 포착하는 것이 보장될 수 있도록 계속될 수 있다. EMG는 시범 전반에 걸쳐 에너지와 전력 사용을 기록하는 데이터 취득 시스템 역할을 한다. 전기 수요 전력 요금은 전형적으로 정해진 요금 청구 주기 내에서의 최대 평균 15분 피크 전력으로 정의되므로, 데이터 취득 알고리즘은 정규 간격의 데이터(예, 1초 또는 5초 데이터)를 포착할 수 있게 융통성을 가질 수 있다. 이 작업에서는 기준 시스템 분석을 위해 사용된 동일한 데이터 매개변수들이 에너지 사용(kWh, MMBtu) 및 전력 수요(kW) 데이터를 포함해서 수집될 수 있다. 이 데이터와 전기가 아닌 유틸리티의 명세서(예, 천연 가스)가 분석되어서 일간, 월간, 평균 월간, 연간 에너지 사용(kWhTotal, kWhGrid -Supplied, MMBtu), 재생 에너지 사용(kWh), 전기 수요(kWTotal, kWGrid -Supplied), 수요 전력 요금($)을 포함한 DCMG-BEMP 시스템 성능이 결정된다.
2. 단계 II
단계 II는 다음을 포함할 수 있다.
DC 마이크로그리드 내에 DC 팬을 추가 부하로서 추가한다. 팬은 현재의 HVAC 시스템의 난방 및 냉방 부하를 감소시킬 수 있고, 그에 따라 에너지가 절약된다.
35kW PV뿐만 아니라 32kWh의 축전지 스토리지를 구비한 GCN 그린스테이션을 추가함으로써 추가적인 에너지 안보가 제공된다. 구체적으로, 각기 다른 비상 조명 수준과 여러 기후 조건에서 정전 중에 이용할 수 있는 예비 시간의 양이 증가될 수 있다.
PV 전력 발전 및 건물 부하(HVAC로부터의 부하 등)에서의 넓고 급속한 변동을 축전지 스토리지를 어림잡아 방전 및 충전시킴으로써 보상하는 능력을 제공하면서 그린스테이션을 건물 AC 회로에 연결시킴으로써 부하 수준 조정 능력이 제공된다.
건물 부하 프로파일을 추가로 수준 조정하기 위해 DC 팬의 속도를 이용 가능한 PC 전력의 양에 맞추어지게 변경시킬 수 있다.
a. 단계 II의 II-1 작업 - 단계 II 시스템 통합 설계 및 설치
단계 II 시스템은 (1) 35kW 지붕 태양 PV 어레이 용량(총 65kW), (2) 32kWh GCN 축전지 스토리지 시스템, (3) 2개의 24인치 직경의 환기 팬, 그리고 (4) EMG 수정을 추가함으로써 단계 I 시스템 상에 세워진다. 설계도 SOW는 이들 컴포넌트들에 대한 설치 업그레이드 계획을 포함한다. 단계 I에서 이용한 동일한 하도급업자가 단계 II 및 단계 III에서도 이용될 수 있다.
b. 단계 II의 II-2 작업 - 단계 II DCMG-BEMP 운용, 데이터 수집, 분석
3. 단계 III
단계 III은 다음을 포함할 수 있다.
GCN 그린스테이션 용량을 96kWh의 축전지 스토리지와 70kW의 PV의 총량까지 증가시킴으로써 추가적인 에너지 안보가 제공될 수 있다. 구체적으로, 여러 기후 조건 하에서 실증되는 각기 다른 비상 조명 수준에서 정전 중에 이용할 수 있는 예비 시간의 양은 증가될 수 있다.
추가적인 부하 수준 조정 능력은 증가된 그린스테이션 용량에 기인할 수 있다.
그린스테이션에 추가된 급속 충전 EVCS는 부하 수준 조정 전략의 일부로서 효과적으로 사용될 수 있다.
EVCS는 PV와 저장된 에너지를 이용함으로써 비상 정전 시나리오 중에 계속해서 사용될 수 있고, 이로써 시범 장소의 에너지 안보가 더 증가된다.
DC 연결성을 갖는 축전지 스토리지 시스템과 EVCS은 현재의 AC 전원 시나리오와 동일한 기능을 제공하고, 이와 아울러 예비 작동 및 충전 작동 중에 향상된 효율을 제공한다.
a. 단계 III의 III-1 작업 - 단계 III 시스템 통합 설계 및 설치
단계 III 시스템은 (1) 35kW 지붕 태양 PV 어레이 용량(총 100kW), (2) 추가적인 64kWh GCN 축전지 스토리지(총 96kWh), (3) 급속 충전 EVCS, 그리고 (4) EMG 수정을 추가함으로써 단계 II 시스템 상에 세워진다. 설계도 SOW는 이들 컴포넌트들에 대한 설치 업그레이드 계획을 포함한다.
b. 단계 III의 III-2 작업 - 단계 III DCMG-BEMP 운용, 데이터 수집, 분석
시스템 성능 분석 - 이 작업에서는 기준 시스템 분석, 단계 I, 및 단계 II에 사용된 것과 동일한 데이터 매개변수들이 에너지 사용 및 전력 수요 데이터를 포함해서 수집될 수 있다. 이 데이터와 전기가 아닌 유틸리티의 명세서가 위에서(단계 I의 I-4 작업에서) 상세히 설명한 바와 같이 분석되어서 단계 III 작동 하에서의 DCMG-BEMP 시스템의 성능이 결정된다.
a. 부하 수준 조정/피크 전력 감축 - 2개 시스템 구성: (1) 에너지 스토리지를 이용하는 완전 기능 그린스테이션과, 모든 DC 마이크로그리드 컴포넌트(조명, 팬, 에너지 스토리지, EVCS)의 에너지 사용을 관리하는 EMG의 에너지 관리 알고리즘을 구비하는 시스템 구성과, (2) 에너지 스토리지가 나머지 모든 DC 마이크로그리드 컴포넌트(조명, 팬, EVCS)의 에너지 사용을 관리하는 EMG의 에너지 관리 알고리즘과 건물로부터 단절된 시스템 구성.
b. 기술적 위험 회피
제어 알고리즘은 코드 오류가 발생하면 DC 장치가 그리드로부터 전력을 받아서 건물 부하가 중단되지 않는 것이 보장될 수 있게 하는 방식으로 시스템이 고장 나도록 개발된다.
축전지 시스템은 전기 에너지 전송의 중요한 경로(즉, DC 전원 공급 장치 및 PV 어레이에서 조명 시스템까지)에 있지 않고, 그래서 건물의 기능은 축전지의 용량이 그의 수명에 걸쳐 감소될 때에도 계속해서 정상적으로 작동될 수 있다. 에너지 스토리지 시스템은 건물 기능에 영향을 미침이 없이 주기적으로 시험될 수 있고, 임의의 결함이나 용량 감소가 있으면 그에 따라 보고될 수 있다.
상기 시설은 기존의 AC 배선을 대부분의 DC 마이크로그리드 배선을 위해 재사용될 수 있다고 가정한 것이다. 이것이 가능하지 않으면 별도의 DC 배선 작업이 필요(추가적인 설치 하드웨어 및 노동, 허가/검사 등이 필요)할 수 있다.
정전 또는 비상 중에 전력계통으로부터 설비를 단독 운전하는 능력은 DCMG-BEMP의 고유의 특징인데, 그 이유는 그리드 연계형 PV 인버터를 필요로 하지 않기 때문이다. 단독 운전은 위와 같은 상황 중에도 건물의 DC 부하가 계속해서 기능하게 하는데, 이로써 설비의 에너지 안보가 향상된다. 비상 전력 모드는 건물의 응용 분야 여하에 따라 에비 발전기(그리고 그와 관련된 연료 사용)의 필요성을 감소시키거나 없앤다. 본 발명의 독창적 시스템은 확장성을 가지며 하이베이 조명을 갖춘 대형 플랫탑(flat-top) 건물에 이상적으로 적합하다.
실링 팬, 특히 델타 티(Delta T)와 같은 회사에서 제작한 대형의 다양한 상업용 팬은 본 발명의 독창적 DC 마이크로그리드 내의 DC 조명(또는 독립형 조명)을 보완하기 위한 적절한 DC 부하가 될 수 있다. 상기 실링 팬은 본질적으로 태양 PV 발전에 아주 잘 동기화하며, 소망하는 부하 조건에 맞추어질 수 있게(일례로, 임의의 정확한 순간에 시스템이 PV의 최대 전력 지점(MPP: maximum power point)에 이르도록 하는 데 도움을 주기 위해) 속도도 가변적일 수 있다.
DC 팬의 속도는 건물 부하 프로파일을 추가로 수준 조정하기 위해 이용할 수 있는 PV 전력의 양(일간, 계절별, 및/또는 기후 영향에 기초)에 맞추어지게 변화될 수 있다. 실링 팬은 여름철에는 일반적으로 높은 속도로 작동하고(빌딩 거주자를 시원하게 하는 데 도움을 줌으로써, 보다 높은 공기 조화용 온도 조절 장치 설정을 가능하게 하고, HVAC 에너지 비용을 전체적으로 절약할 수 있도록 함) 겨울철에는 일반적으로 낮은 속도로 작동하기(천장에서부터 거주자가 있는 바닥 높이까지 온기를 내려가게 함으로써, 실링을 통해 열손실이 적어져서 난방 시스템이 덜 자주 가동하게 하며, HVAC 에너지 비용을 전체적으로 절약할 수 있도록 함) 때문에 PV 전력 발전에 특히나 아주 적합하다. 이는 겨울/여름에 모두 동일한 회전 방향으로 행해지거나 계절에 따라 방향을 바꾸어서(일반적으로 여름에는 공기를 하향으로 불어 냄) 행해질 수 있다. 여름철/겨울철 팬 속도 프로파일과 그 결과에 따른 에너지 사용이 태양 PV 발전에 맞추어지면, 이는 DC 마이크로그리드용 PV 어레이의 크기가 보다 최적화되는 결과를 가져오는데, 그 이유는 PV 어레이로부터 나오는 실질적으로 모든 PV 에너지가 DC 부하를 통해 지역에서 소비되는 경우는 DC 마이크로그리드의 경제성이 최상이 되게 하고 PV 요소의 원금 회수를 최대로 짧게 하는 결과로 이어지기 때문이다. 팬 부하와 PV 발전에 있어서의 다른 변동들(주야간의 일간 변동, 단기간 구름으로 덮이는 경우와 같은 기후로 인한 변동 등)의 동기화는 DC 마이크로그리드와 AC PV 인버터가 AC 팬에 연결된 종래의 AC 시스템 모두에서도 가능하다. 이러한 동기화는 그 밖의 빌딩 부하와도 조화될 수 있으며, 특히 DC 전원인 경우는 현재의 상황 동안에 PV를 최적의 전력 시점에서 작동하게 유지할 수 있는 시스템 수준 PV 전력 시점 추적의 일부가 될 수 있다. 어떤 경우(AC 팬 부하 또는 DC 팬 부하), 지역에서 발생된 PV 에너지가 가능한 경우는 언제든지 건물 부하 내에서 지역적으로 소비되면 경제적 손실과 에너지 손실을 낮추는 결과를 가져오고, 이는 원격지에서 발생된 전력계통에서 나오는 전력을 소비하는 것과 결합될 수 있고, 또한 잉여 PV 전력을 다만 건물 부하에서 후에 그 동일한 PV 에너지에 대한 요구를 갖도록 해서 전력계통으로 보내는 것과 결합될 수 있다.
도 7은 출력부가 DC 버스(704)에 연결된 태양광 장치(702) 형태의 재생 에너지 DC 전력 공급원을 포함하는 DC 건물 시스템(700)을 예시하고 있다. DC 전원 공급 장치(706) 형태의 DC 전력 공급원이 DC 버스(704)와 양방향 통신을 한다. DC 전원 공급 장치(706)는 축전지(708) 형태의 에너지 스토리지 장치, DC/DC 컨버터(710), AC/DC 인버터(712), 및 제어기(714) 형태의 프로세서를 포함할 수 있다. 여기서 사용되는 것과 같은 용어 “DC 전원 공급 장치”는 AC 전기 에너지 또는 축전지인 경우에는 화학 에너지와 같은 다른 형태의 에너지로부터 변환된 DC 전기 에너지를 제공하는 그 어떤 장치도 포함할 수 있다.
태양광 장치(702)와 DC 전원 공급 장치(706)는 모두가 DC 버스(704)에 DC 전력을 제공할 수 있다. AC 그리드(716)이 DC 전원 공급 장치(706)에 AC 전력을 제공할 수 있고, 이는 AC/DC 인버터(712)에 의해 DC 전력으로 변환될 수 있다. DC 전등(718)과 DC 열 장치(720)와 DC 팬(722)의 형태인 DC 전력 소비 장치 또는 가변성 DC 부하는 DC 버스(704)에서 DC 전력을 인출한다. DC 팬(722)은 재생 모드에서 작동할 수 있는 모터 또는 발전기를 포함할 수 있다.
도 8은 출력부가 DC 버스(804)에 연결된 태양광 장치(802)(예, PV 어레이) 형태의 재생 에너지 DC 전력 공급원을 포함하는 DC 전력 제어 시스템(800)을 예시하고 있다. 태양광 장치(802)와 DC 버스(804)는 DC/DC 컨버터(810)와 AC/DC 인버터(812)의 형태인 DC 전력 공급원과 통신하고, 또한 제어기(814) 형태의 프로세서와 통신한다. 축전지(808) 형태의 에너지 스토리지 장치가 DC 버스(804)에 DC 전력을 제공할 수 있다.
태양광 장치(802)와, 축전지(808)와, AC 그리드(816) 형태의 AC 전력 공급원이 DC 버스(804)에 DC 전력을 공급할 수 있다. AC/DC 인버터(812)가 AC 그리드(816)에 의해 공급된 AC 전력을 DC 전력으로 변환시킬 수 있다. DC 전등(818)과 DC 열 장치(820)(예, 냉동기)와 DC 팬(822)의 형태인 DC 전력 소비 장치 또는 가변성 DC 부하는 DC 버스(804)에서 DC 전력을 인출한다. 따라서, DC 전력 소비 장치 또는 가변성 DC 부하는 전력을 태양광 장치(802)와 축전지(808)와 AC 그리드(816) 중 하나 이상으로부터 공통의 전력 분배 회로(도시되지 않음)를 거쳐서 받을 수 있다는 것을 이해할 수 있다. DC 팬(822)은 재생 모드에서 작동할 수 있는 모터 또는 발전기를 포함할 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 에너지 스토리지 요소(824)가 DC 버스(804)에 독립적으로 그리고/또는 직접적으로 연결될 수 있다.
도 9는 DC 건물 시스템(700) 및/또는 DC 전력 제어 시스템(800)에 통합될 수 있는 DC 부하 제어 시스템(900)을 예시하고 있다. 따라서, DC 부하 제어 시스템(900)에 대해서는 전력 제어 시스템(800)의 컴포넌트들을 참조하여 설명한다. DC 부하 제어 시스템(900)은 DC 버스(804)를 DC 건물 전등(918)과 DC 열 장치(920)와 DC 팬(922)의 형태인 DC 전력 소비 장치 또는 가변성 DC 부하와 상호 연결하는 제2 제어기(902)를 포함한다. 상기 가변성 DC 부하는 DC 버스(804)에서 DC 전력을 인출한다. DC 건물 전등(918)은 비상 전등(924) 및 그 밖의 전등(예, 평시용 전등)(926)을 포함할 수 있다. 비상 전등(924)는 전체 DC 건물 전등(918)보다 적은 출력을 인출할 수 있고, DC 건물 전등(918)의 부분 집합일 수 있다. 비상 전등(924)과 DC 팬(922)은 태양광 장치(802)도 다른 DC 전력 공급원(810, 812)도 작동할 수 없을 때에 작동하는 DC 비상 부하로 기능할 수 있다. 예를 들어, 에너지 스토리지 장치(808)는 정상적인 평시 작동 상태 하에서 태양광 장치(802) 및 다른 DC 전력 공급원(810, 812)과 협력하여 DC 전력 소비 장치(918, 920, 922) 각각에 전력을 공급한다. 하지만, 비상 작동 상태 하에서(예, 폭풍으로 인해 AC 그리드 및 태양광 장치가 작동 불능인 때), 에너지 스토리지 장치(808)는 DC 전력 소비 장치(918, 920, 922)에서 이용할 수 있는 전력 공급원이 상기 에너지 스토리지 장치(808)가 아니고는 없는 때에는 DC 비상 부하(922, 924)에 전력을 미리 결정된 시간 동안 공급할 수 있다. 제2 제어기(902)는 태양광 장치(802) 및 DC 전원 공급 장치(810, 812)가 한계 시간 길이(threshold length of time) 동안 작동할 수 없는 것에 응답하되, DC 전력 소비 장치(918, 920, 922)들 중 적어도 하나에 의해 인출되는 전력 수준을 감소시킴으로써 응답할 수 있다.
DC 팬(922)은 평상시 모드에서보다는 비상 모드에서 더 낮은 속도로 작동한다. 다른 실시예에서, 비상 전등은 평시용 전등과 동일하지만, 이 비상 전등은 적은 전력을 인출하며 비상 모드에서는 평상시 모드에서보다 더 어두워진다. 다른 실시예에서, 비상 전등은 평시용 전등의 부분 집합이다.
제어기(714) 및/또는 제어기(814)는 DC 전력 공급원이 작동 가능한 시간 동안에는 에너지 스토리지 장치를 충전시키고 DC 전력 공급원이 작동 가능할 수 없는 시간 동안에는 에너지 스토리지 장치를 방전시키는 DC 전력 제어 시스템으로서 기능할 수 있다. 상기 충전과 방전은 에너지 스토리지 장치의 현재 충전 상태(SOC: state of charge)와 에너지 스토리지 장치의 미리 결정된 목표 SOC에 기초할 수 있다. 예를 들어, 에너지 스토리지 장치의 충전은 현재의 SOC 또는 배터리의 전압 수준이 희망하는 목표 SOC 또는 배터리 전압 수준 아래인 경우에만 그리고/또는 그런 경우에는 언제든지 발생할 수 있다. 에너지 스토리지 장치의 방전은 현재의 SOC 또는 배터리의 전압 수준이 희망하는 목표 SOC 또는 배터리 전압 수준 위인 경우에만 그리고/또는 그런 경우에는 언제든지 발생할 수 있다. 상기 미리 결정된 목표 SOC는 DC 전력 공급원이 작동할 수 없는 동안에(예, 번개를 동반한 태풍 동안) 미리 결정된 시간 동안 DC 전력 소비 장치들 중 적어도 하나에 전적으로 전력을 공급하기에 충분한 충전 또는 전압의 상태 또는 수준일 수 있다.
DC 전력 제어 시스템(800)은 재생 에너지 DC 전력 공급원(802)으로부터 잉여 전력을 사용하여 에너지 스토리지 장치(808)를 충전시킬 수 있다. DC 전력 제어 시스템(814)은 에너지 스토리지 장치의 현재 SOC가 미리 결정된 목표 SOC 아래로 떨어지는 것에 응답하되, 상기 가변성 DC 전력 소비 장치(818, 820, 822)들에 의해 인출되는 전류 레벨이 상기 재생 에너지 DC 전력 공급원(802)에 의해 공급된 전류 레벨보다 작도록 그리고 에너지 스토리지 장치(808)가 재생 에너지 DC 전력 공급원(802)에 의해 미리 결정된 목표 SOC까지 충전되도록 상기 가변성 DC 전력 소비 장치(818, 820, 822)들 중 적어도 하나를 조정함으로써 응답할 수 있다.
상기 DC 전력 제어 시스템(800)은 에너지 스토리지 장치(808)의 현재 SOC가 미리 결정된 목표 SOC 아래로 떨어지는 것에 응답하되, 건물 주위 상태 및/또는 그에 대응하는 미리 결정된 건물 상태에 의거하여 상기 가변성 DC 전력 소비 장치(818, 820, 822)들 중 적어도 하나의 작동을 선택적으로 감소시키거나 중단시킴으로써 에너지 스토리지 장치(802)의 전류 방전 속도를 조정함으로써 응답할 수 있다. 한 실시예에서, 상기 건물 주위 상태는 태양광 수준을 포함한다. 한 실시예에서, 상기 대응하는 미리 결정된 건물 상태는 원하는 비상 실내 조명 수준을 포함한다. 관련된 여러 실시예에서, DC 전력 제어 시스템(800)은 DC 전등(818)에 의해 제공되는 광 수준이 태양광의 수준을 보충해서 상기 원하는 비상 실내 조명 수준에 부합될 수 있도록 하나 이상의 DC 전등(818)의 작동을 감소시키거나 중단시키는 것을 선택적으로 행한다. 이렇게 해서 DC 전력 제어 시스템(800)은 축전지(808)의 방전 속도를 제어할 수 있으며,특히 상기 원하는 비상 실내 조명 수준에 부합되게 작동하는 DC 전등(818)의 개수를 줄임으로써 방전 속도를 줄일 수 있다.
DC 전력 제어 시스템(800)은 DC 전력 공급원(810, 812)이 한계 시간 기간(threshold period of time) 동안 작동하지 못하는 것에 응답하되, 가변성 DC 전력 소비 장치(818, 820, 822)들에 의해 인출되는 전류 레벨이 감소될 수 있도록 가변성 DC 전력 소비 장치(818, 820, 822)들 중 적어도 하나를 조정함으로써 응답할 수 있다. 또한, DC 전력 제어 시스템(800)은 DC 전력 공급원(810, 812)이 작동할 수 없게 된 시간 길이에 의거하여 가변성 DC 전력 소비 장치(818, 820, 822)들 중 적어도 하나의 작동을 선택적으로 감소시키거나 중단시킬 수 있다.
DC 전력 제어 시스템(800)은, DC 팬(822)의 모터 또는 발전기로의 전력 공급을 중단시키고 그리고 상기 모터 또는 발전기의 운동 에너지가 DC 전력으로 변환되는 재생 모드에서 상기 모터 또는 발전기를 작동시킴으로써, 상기 에너지 스토리지 장치(808)를 충전시킬 수 있다.
DC 전력 제어 시스템(800)은 태양광 장치(802)에 의해 그리고 AC 그리드(816)에 의해 전력을 공급받는 DC 전원 공급 장치(810, 812)에 의해 DC 버스(804)로 제공된 DC 전력의 양을 제어할 수 있다. 특히, DC 전력 제어 시스템(814)은, DC 전력 소비 장치(818, 820, 822)의해 얼마나 많은 전력이 요구되는지와, 그리드(816)로부터 사용하는 AC 전력의 비용과, 에너지 스토리지 장치(808), 재생 모드에서 작동하는 모터 등과 같은 다른 전력 공급원으로부터 얼마나 많은 전력을 이용할 수 있는지에 의거하여, 태양광 장치(802)에 의해서는 얼마나 많은 양의 전력이 제공되는지와 DC 전원 공급 장치(810, 812)에 의해서는 얼마나 많은 양의 전력이 제공되는지를 제어할 수 있다.
도 10은 다른 실시예의 DC 전력 제어 시스템(1000)으로서, 상기 DC 전력 제어 시스템(1000)이 축전지(1008)에 의해 전력을 받는 동력식 차량(motorized vehicle)(1028) 형태인 이동 장치를 추가로 포함하는 것을 제외하고는 DC 전력 제어 시스템(800)과 실질적으로 유사할 수 있는 DC 전력 제어 시스템(1000)을 예시하고 있다. DC 전력 제어 시스템(1000)은 출력부가 DC 버스(1004)에 연결된 태양광 장치(예, PV 어레이)(1002) 형태인 재생 에너지 DC 전력 공급원을 포함한다. 태양광 장치(1002)와 DC 버스(1004)는 DC/DC 컨버터(1010)와 AC/DC 인버터(1012)의 형태인 DC 전력 공급원과 통신하고, 또한 제어기(1014) 형태의 프로세서와 통신한다. 축전지(1008) 형태의 에너지 스토리지 장치가 DC 버스(1004)에 DC 전력을 제공할 수 있다.
태양광 장치(1002)와 DC 전원 공급 장치는 모두가 DC 버스(1004)에 DC 전력을 제공할 수 있다. AC 그리드(1016)이 DC 전원 공급 장치에 AC 전력을 제공할 수 있고, 이는 AC/DC 인버터(1012)에 의해 DC 전력으로 변환될 수 있다. DC 전등(1018)과 DC 열 장치(1020)(예, 냉동기)와 DC 팬(1022)의 형태인 DC 전력 소비 장치 또는 가변성 DC 부하는 DC 버스(1004)에서 DC 전력을 인출한다. DC 팬(1022)은 재생 모드에서 작동할 수 있는 모터 또는 발전기를 포함할 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 에너지 스토리지 요소(도시되지 않음)가 DC 버스(1004)에 독립적으로 그리고/또는 직접적으로 연결될 수 있다.
동력식 차량(1028)이 일례로 골프 카트 또는 지게차의 형태일 수 있다. 그러므로, 에너지 스토리지 장치가 태양광 장치 및 다른 DC 전력 공급원과 협력하여 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하며, 상기 동력식 차량에도 전력을 공급할 수 있다. 따라서, 축전지(1008)는 태양광 장치 및 다른 DC 전력 공급원이 작동할 수 없을 때에 비상 부하를 위한 비상 전력을 공급하는 기능과, 동력식 차량용의 전용 전원이 되는 기능을 모두 실질적으로 동시에 수행할 수 있다.
본 발명은 실링 팬 또는 다른 모터 부하가 회생 제동 모드에서 에너지 스토리지의 전부 또는 일부로서 작용하여 전등에 직접적으로 전력을 공급하는 실시예들을 포함할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 상기 회생은 시스템 내의 다른 축전지들을 필히 충전하지 않아도 된다. 바꾸어 말하면, 시스템에 축전지가 없는 경우, 팬의 감속은 그리드가 소진되었을 때에 DC 전등에 전력을 공급하는 것을 유지시킬 수 있다. 이 방법은 구름이 지나가면서 태양광 전력을 급작스럽게 소실시킬 때에 전력을 보충시키는 데에 도움을 줄 수 있다. 이는 DC 전원 공급 장치의 수명을 증가시킬 수 있는데, 그 이유는 팬 모터가 적은 양의 에너지 스토리지라도 공급하는 데 도움이 되는 경우 DC 전원 공급 장치는 갑작스런 구름에 의한 전력 급증을 크게 겪지 않을 것이기 때문이다.
본 발명은 예시적인 디자인을 갖는 것으로 설명되었지만, 본 발명은 여기에 개시된 기술 사상 및 범위 내에서 추가로 수정될 수 있다. 따라서 본 출원은 본 발명의 기본 원리를 이용한 임의의 변형, 사용, 개작들을 포괄하는 것으로 해석된다.

Claims (22)

  1. DC 건물 전기 시스템이며,
    DC 버스;
    상기 DC 버스에 연결된 DC 전력 소비 장치;
    상기 DC 버스에 연결되며, 상기 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하도록 구성된 DC 전력 공급원;
    DC 비상 부하; 및
    상기 DC 버스와 상기 DC 비상 부하에 연결된 에너지 스토리지 장치를 포함하며,
    상기 에너지 스토리지 장치는 상기 DC 전력 공급원과 협력하여 상기 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하도록 구성되고, 또한 DC 전력 소비 장치에서 이용할 수 있는 전력 공급원이 상기 에너지 스토리지 장치가 아니고는 없는 때에는 DC 비상 부하에 전력을 공급하도록 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC 전력 공급원이,
    DC 버스에 DC 전압을 발생시키는 태양광발전 어레이; 및/또는
    상기 DC 버스에 전력계통에서 받은 AC 전압으로부터 DC 전압을 발생시키는 DC 전원 공급 장치를 포함하는, DC 건물 전기 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 스토리지 장치는 DC 전력 소비 장치에서 이용할 수 있는 전력 공급원이 상기 에너지 스토리지 장치가 아니고는 없는 때에는 DC 비상 부하에 미리 결정된 기간 동안 전력을 공급하도록 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    DC 버스에 연결된 재생 에너지 DC 전력 공급원으로서, DC 전력 소비 장치에서 이용할 수 있는 전력 공급원이 상기 에너지 스토리지 장치가 아니고는 없는 때에는 상기 에너지 스토리지 장치와 협력하여 DC 비상 부하에 전력을 공급하도록 구성된 재생 에너지 DC 전력 공급원을 추가로 포함하는, DC 건물 전기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 DC 비상 부하가 상기 DC 전력 소비 장치에 포함되고, 상기 DC 전력 소비 장치보다 적은 전력을 인출하도록 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  6. DC 건물 전기 시스템이며,
    DC 버스;
    상기 DC 버스에 연결된 DC 전력 소비 장치;
    상기 DC 버스에 연결되며, 상기 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하도록 구성된 DC 전력 공급원;
    동력식 차량; 및
    상기 DC 버스와 상기 동력식 차량에 연결된 에너지 스토리지 장치를 포함하며,
    상기 에너지 스토리지 장치는 상기 DC 전력 공급원과 협력하여 상기 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하도록 구성되고, 또한 상기 동력식 차량에 전력을 공급하도록 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 에너지 스토리지 장치는 상기 동력식 차량을 위한 유일한 전력 공급원이 되게 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 동력식 차량이 골프 카트 또는 지게차를 포함하는, DC 건물 전기 시스템.
  9. DC 건물 전기 시스템으로서,
    DC 버스;
    상기 DC 버스에 연결된 DC 전력 소비 장치;
    상기 DC 버스에 연결되며, 상기 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하도록 구성된 DC 전력 공급원;
    상기 DC 버스에 연결되며, 상기 DC 전력 공급원과 협력하여 상기 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하도록 구성된 에너지 스토리지 장치; 및
    상기 에너지 스토리지 장치의 현재 충전 상태 및 상기 에너지 스토리지 장치의 미리 결정된 목표 충전 상태에 기초하여 상기 에너지 스토리지 장치를 선택적으로 충전시키고 방전시키도록 구성된 DC 전력 제어 시스템을 포함하는, DC 건물 전기 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    DC 전력 제어 시스템은 DC 전력 공급원이 작동 가능한 시간 동안은 에너지 스토리지 장치를 충전시키고 DC 전력 공급원이 작동할 수 없는 시간 동안은 에너지 스토리지 장치를 방전시키도록 구성되고,
    상기 미리 결정된 목표 충전 상태는 DC 전력 공급원이 작동할 수 없는 동안에 미리 결정된 시간 동안 DC 전력 소비 장치에 전적으로 전력을 공급하기에 충분한 충전 상태인, DC 건물 전기 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    DC 버스에 연결된 재생 에너지 DC 전력 공급원을 추가로 포함하고,
    DC 전력 제어 시스템은 상기 재생 에너지 DC 전력 공급원으로부터 잉여 전력을 이용하여 에너지 스토리지 장치를 충전시키도록 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    DC 버스에 연결된 재생 에너지 DC 전력 공급원을 추가로 포함하고,
    상기 DC 전력 소비 장치는 가변성을 가지며,
    상기 DC 전력 제어 시스템은 에너지 스토리지 장치의 현재 충전 상태가 미리 결정된 목표 충전 상태 아래로 떨어지는 것에 응답할 수 있게 구성되되, 상기 가변성 DC 전력 소비 장치에 의해 인출되는 전류 레벨이 상기 재생 에너지 DC 전력 공급원에 의해 공급된 전류 레벨보다 작도록 그리고 에너지 스토리지 장치가 재생 에너지 DC 전력 공급원에 의해 미리 결정된 목표 충전 상태까지 충전되도록 상기 가변성 DC 전력 소비 장치를 조정함으로써 응답할 수 있게 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    DC 버스에 연결된 재생 에너지 DC 전력 공급원을 추가로 포함하고,
    상기 DC 전력 소비 장치는 가변성을 가지며,
    상기 DC 전력 제어 시스템은 에너지 스토리지 장치의 현재 충전 상태가 미리 결정된 목표 충전 상태 아래로 떨어지는 것에 응답할 수 있게 구성되되, 건물 주위 상태 및 그에 대응하는 미리 결정된 건물 상태에 의거하여 상기 가변성 DC 전력 소비 장치의 작동을 선택적으로 감소시키거나 중단시킴으로써 에너지 스토리지 장치의 전류 방전 속도를 조정함으로써 응답할 수 있게 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 건물 주위 상태는 태양광 수준을 포함하는 것인, DC 건물 전기 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 대응하는 미리 결정된 건물 상태는 원하는 비상 실내 조명 수준을 포함하는 것인, DC 건물 전기 시스템.
  16. 제9항에 있어서,
    DC 버스에 연결된 재생 에너지 DC 전력 공급원을 추가로 포함하고,
    상기 DC 전력 소비 장치는 가변성을 가지며,
    상기 DC 전력 제어 시스템은 DC 전력 공급원이 한계 시간 기간 동안 작동하지 못하는 것에 응답할 수 있게 구성되되, 상기 가변성 DC 전력 소비 장치에 의해 인출되는 전류 레벨이 감소될 수 있도록 상기 가변성 DC 전력 소비 장치를 조정함으로써 응답할 수 있게 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 DC 전력 소비 장치는 가변성을 가지며,
    상기 DC 전력 제어 시스템은 DC 전력 공급원이 작동할 수 없게 된 시간 길이에 의거하여 상기 가변성 DC 전력 소비 장치의 작동을 선택적으로 감소시키거나 중단시키도록 구성된, DC 건물 전기 시스템.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 DC 전력 소비 장치가 모터 또는 발전기를 포함하고,
    상기 DC 전력 제어 시스템은, 상기 모터 또는 발전기로의 전력 공급을 중단시키고 그리고 상기 모터 또는 발전기의 운동 에너지가 DC 전력으로 변환되는 회생 모드에서 상기 모터 또는 발전기를 작동시킴으로써, 상기 에너지 스토리지 장치를 충전시키는, DC 건물 전기 시스템.
  19. 마이크로그리드 시스템 설비이며,
    DC 버스에 DC 전압을 발생시키는 태양광발전 어레이;
    상기 DC 버스에 전력계통에서 받은 AC 전압으로부터 DC 전압을 발생시키는 DC 전원 공급 장치;
    DC 버스에 연결된 DC 전력 소비 장치; 및
    상기 태양광발전 어레이 및 DC 전원 공급 장치에 의해 DC 버스에 제공되는 DC 전력의 양을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는, 마이크로그리드 시스템 설비.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 DC 버스에 연결되는 에너지 스토리지 장치를 추가로 포함하고,
    상기 제어기는 상기 에너지 스토리지 장치가 태양광발전 어레이 및/또는 DC 전력 공급원과 협력하여 DC 전력 소비 장치에 전력을 공급하게 하고 또한 태양광발전 어레이 및 DC 전력 공급원이 작동할 수 없는 때에는 DC 전력 소비 장치로의 유일한 전력 공급자가 되게 하도록 구성된, 마이크로그리드 시스템 설비.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 에너지 스토리지 장치의 현재 충전 상태 및 상기 에너지 스토리지 장치의 미리 결정된 목표 충전 상태에 기초하여 상기 에너지 스토리지 장치를 선택적으로 충전시키고 방전시키도록 구성되고,
    상기 미리 결정된 목표 충전 상태는 태양광발전 어레이 및 DC 전력 공급원이 작동할 수 없는 동안에 미리 결정된 시간 동안 DC 전력 소비 장치에 전적으로 전력을 공급하기에 충분한 충전 상태인, 마이크로그리드 시스템 설비.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제어기가 제1 제어기를 포함하고,
    상기 마이크로리드 시스템 설비가 제2 제어기를 포함하고,
    상기 제2 제어기는 상기 태양광발전 어레이 및 상기 DC 전력 공급원이 한계 시간 길이 동안 작동하지 못하는 것에 응답할 수 있게 구성되되, 상기 DC 전력 소비 장치에 의해 인출되는 전류 레벨을 감소시킴으로써 응답할 수 있게 구성된, 마이크로그리드 시스템 설비.
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