KR20150069729A - 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템 - Google Patents

스마트 하이브리드 전력 공급 시스템 Download PDF

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KR20150069729A
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박기주
구윤서
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주식회사 케이디파워
박기주
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Abstract

본 발명은 전력관리를 통해 전력난의 해소와 더불어 전기요금을 절감하고 비상용 발전기의 설치를 생략하여 환경 오염을 줄이도록 한 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템에 관한 것으로서, 외부의 태양 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하여 출력하는 태양전지와, 상기 태양전지를 통해 생산된 전기 에너지를 입력받아 전압 레벨을 제어함과 더불어 AC전원으로 변환하여 출력하는 인버터부와, 상기 인버터부로부터 정격전압으로 맞추어진 DC전원을 공급받아 저장하는 배터리부와, 상기 배터리부에 저장된 DC전원을 관리하는 배터리 관리부와, 외부의 전력계통으로 입력되는 AC전원과 상기 인버터부로부터 변환되어 출력되는 AC전원을 선택적으로 제어하여 소내부하로 공급하는 스위칭부와, 상기 배터리 관리부, 인버터부 및 스위칭부를 제어하여 상기 태양전지로부터 생산된 전기 에너지가 없거나 상기 전력계통에서 전기가 공급되지 않을 때 상기 배터리부에 저장된 전기를 상기 소내부하로 공급함과 더불어 모니터링하는 에너지 모니터링부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

스마트 하이브리드 전력 공급 시스템{Smart hybrid power supply system}
본 발명은 전력 공급 시스템에 관한 것으로, 특히 전력관리를 통해 전력난과 최대부하 및 피크전력의 제어를 통해 전기요금을 줄이도록 한 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
기존 태양 전지나 연료 전지로부터 발생한 직류전원은 가전기기 및 부하에 직접 전달하지 못하고 전력계통을 통해 전력을 전달하는 방식을 취하였다.
상기 태양 전지는 유리기판 위에 ITO와 n형 비정질 실리콘층 및 p형비정질 실리콘층을 형성한 후 메탈 마스크를 사용하여 알루미늄을 증착시켜 개별전극을 형성하고, 광전자를 사용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
상기 연료 전지는 연료의 연소 에너지를 열로 바꾸지 않고, 물질이 반응할 때 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 생성하며, 고체산화물 연료전지 (SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등을 사용할 수 있다.
태양광 발전 장치는 태양 전지가 발전한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 이것을 계통에 연계하여 부하에 전력을 공급하는 장치이다. 태양 전지의 발전 전력이 부하의 소비 전력보다 작은 경우 태양 전지의 전력은 부하에서 모두 소비되고, 계통에서는 그 부족분을 공급하게 된다.
그리고 태양 전지의 발전 전력이 부하의 소비전력보다 큰 경우 태양 전지의 발전 전력 중 부하에서 소비되고 남은 잉여 전력이 계통에 역조류 전력으로 공급된다.
도 1은 종래 기술에 의한 전력 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
종래 기술에 의한 전력 공급 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 중앙 제어부(10), 디젤 발전기(20), 축전지(30)를 포함하여 이루어진다.
상기 중앙 제어부(10)는 디젤 발전기(20)에서 생산되는 전력을 각각의 가정에서 필요로 하는 전력 부하(40)에 공급한다. 필요에 따라 인버터 장치를 사용하여 송신 및 부하(40)에 적합한 전력 형태로 변환하여 공급하기도 한다. 각각의 부하(40)에는 미터기가 설치되어 해당 부하의 일정 시간대 별 전력 소비량을 중앙 제어부(10)로 전송하고, 상기 중앙 제어부(10)는 전송된 전력 소비량을 기준으로 현재 디젤 발전기(20)의 전력 생산량을 제어한다.
상기 디젤 발전기(20)의 전력 생산량이 부하(40)의 전력 소비량을 초과하는 경우에는 이를 축전지(30)에 별도로 저장한다.
이러한 디젤 발전기(20)를 이용한 전력 공급 시스템은 화석 연료를 주로 사용하므로 CO2와 같은 공해물질을 다량으로 배출하고 발전기에 의한 가동 소음이 상당히 크다. 더욱이, 고가의 화석 연료를 사용하므로 에너지 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 경유와 같은 화석 연료를 도시 및 산간 오지로 운반하는데에도 많은 수송비를 필요로 하며, 디젤 발전기를 유지 보수하는데 추가 비용이 소요되기도 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 전력관리를 통해 전력난의 해소와 더불어 전기요금을 절감하고 비상용 발전기의 설치를 생략하여 환경 오염을 줄이도록 한 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템은 외부의 태양 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하여 출력하는 태양전지와, 상기 태양전지를 통해 생산된 전기 에너지를 입력받아 전압 레벨을 제어함과 더불어 AC전원으로 변환하여 출력하는 인버터부와, 상기 인버터부로부터 정격전압으로 맞추어진 DC전원을 공급받아 저장하는 배터리부와, 상기 배터리부에 저장된 DC전원을 관리하는 배터리 관리부와, 외부의 전력계통으로 입력되는 AC전원과 상기 인버터부로부터 변환되어 출력되는 AC전원을 선택적으로 제어하여 소내부하로 공급하는 스위칭부와, 상기 배터리 관리부, 인버터부 및 스위칭부를 제어하여 상기 태양전지로부터 생산된 전기 에너지가 없거나 상기 전력계통에서 전기가 공급되지 않을 때 상기 배터리부에 저장된 전기를 상기 소내부하로 공급함과 더불어 모니터링하는 에너지 모니터링부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템는 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 전력관리를 통해 전력난의 해소와 더불어 전기요금을 절감하고 비상용 발전기의 설치를 생략하여 환경 오염을 줄일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 전력 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 의한 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명에 의한 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
본 발명에 의한 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 외부의 태양 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하여 출력하는 태양전지(110)와, 상기 태양전지(110)를 통해 생산된 전기 에너지인 DC전원을 입력받아 전압 레벨을 조절함과 더불어 AC전원으로 변환하여 출력하는 인버터부(120)와, 상기 인버터부(120)로부터 정격전압으로 맞추어진 DC전원을 공급받아 저장하는 배터리부(ESS: Energy Storage System)(130)와, 상기 배터리부(130)에 저장된 DC전원을 관리하는 배터리 관리부(BMS: Battery Management System)(140)와, 외부의 전력계통(150)으로 입력되는 AC전원과 상기 인버터부(120)로부터 변환되어 출력되는 AC전원을 선택적으로 제어하여 소내부하(160)로 공급하는 스위칭부(170)와, 상기 배터리 관리부(140), 인버터부(120) 및 스위칭부(170)를 제어하여 상기 태양전지(110)로부터 생산된 전기 에너지가 없거나 상기 전력계통(150)에서 전기가 공급되지 않을 때 상기 배터리부(130)에 저장된 전기를 상기 소내부하(160)로 공급함과 더불어 모니터링하는 에너지 모니터링부(EMS: Energy Management System)(180)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 상기 태양 전지(110)는 적당한 일조량만 보장된다면 어디서나 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 발전용량과 설비규모가 직선적으로 비례하기 때문에, 가정용과 같은 소용량 수요로 사용할 경우에는 건물 옥상 등에 작은 면적으로 전지판을 설치함으로써 전력생산이 가능하다.
이러한 태양전지(110)는 반도체의 원리를 이용한 것으로서, p-n 접합된 반도체에 일정 수준 이상의 에너지를 갖춘 빛을 조사하면 상기 반도체의 가전자가 자유롭게 이동될 수 있는 가전자로 여기되어 전자와 정공의 쌍(EHP : electron hole pair)이 생성된다. 생성된 전자와 정은 서로 반대쪽에 위치하는 전극으로 이동하여 기전력을 발생시키게 된다.
상기 태양전지(110)는 실리콘 기판에 불순물(B)을 도핑하여 p형 반도체를 형성시킨 다음 그 위에 또 다른 불순물(P)을 도핑시켜 층의 일부를 n형 반도체화함으로써 p-n 접합이 이루어지도록 한 실리콘계 태양전지를 사용한다.
또한, 상기 태양전지(110)는 박막형 태양전지나 CIGS계 태양전지를 사용할 수 있는데, 상기 CIGS계 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 게르마늄(Ge)(게르마늄은 포함되지 않을 수 있음. 게르마늄이 포함되지 않을 경우에는 CIS로 불림), 셀레늄(Se)을 포함하는 CIGS 화합물 반도체를 기본으로 이루어져 있다.
상기 반도체는 3 또는 4가지 원소를 포함하고 있기 때문에 원소의 함량을 조절함으로써 밴드갭의 폭을 제어할 수 있어 에너지 변환효율을 상승시킬 수 있다는 장점을 가진다. 간혹 셀레늄(Se)을 황(S)으로 대체하거나 셀레늄(Se)을 황(S)과 함께 사용하는 경우도 있다.
상기 인버터부(120)는 상기 태양전지(110)로부터 생산된 DC의 전기 에너지를 입력받아 DC/DC 컨버터를 통해 전압 레벨을 조절하는데, 이때 상기 태양전지(110)에서 생산된 전기 에너지는 불규칙적이므로 상기 DC/DC 컨버터를 사용하여 전압 레벨을 증가 또는 감소시켜 정해진 값으로 제어한 후 DC/AC 컨버터를 통해 AC전원으로 변환하여 출력하는 양방향 인버터로 구성된다.
상기 배터리부(130)는 리튬전지로 이루어져 일반적으로 납축전지로 이루어진 종래보다 유해물질이 없어 친환경적이고, 급속충전이 가능한 고효율 특성을 갖으며, 발화성 및 폭발성과 같은 위험성을 사전에 해결할 수 있다.
여기서, 상기 배터리부(130)는 리튬전지에 한정되지 않고, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery) 등이 적용될 수도 있다.
상기 배터리부(130)는 상기 태양전지(110)로부터 생산된 전기 에너지 및 심야에 상기 전력계통(150)으로부터 전기를 공급받아 저장할 수가 있다.
상기 배터리 관리부(140)는 상기 배터리부(130)의 제어를 통한 고효율의 충방전과 더불어 안전성을 확보하기 위한 것으로, 배터리 관리 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
첫 번째로 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 동일한 성능 구현이 가능하도록 하여 주는 열관리 제어와 두 번째로 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동하도록 하는 SOC(State of Charge) 제어로 나눌 수 있다.
상기 소내부하(160)는 가정집을 한 예로 설명하고 있는데, 전력란이 심한 경우에 상기 소내부하(160)에 일정하게 전력공급이 되지 않을 경우 이를 에너지 모니터링부(180)에서 감지하여 상기 배터리부(130)에 저장된 전기를 공급하게 된다.
상기 에너지 모니터링부(180)는 상기 인버터부(120)를 포함하여 배터리 관리부(140), 스위칭부(170) 및 소내부하(160)와 통신을 통해 정보를 주고 받고, 상기 에너지 모니터링부(180)에 수신된 상기 배터리 관리부(140), 인버터부(120) 및 스위칭부(170), 소내부하(160)의 상태는 CDMA와 같은 통신 방식을 통해 관리자의 사용자 단말기(190)로 전송된다.
여기서, 상기 에너지 모니터링부(180)는 상기 스위칭부(170)의 상태 즉, 현재 전력계통(150)에서 공급되는 전기, 태양전지(110)에서 생산된 전기 또는 배터리부(130)에 저장된 전기 중 어느 전기가 소내부하(160)로 공급되는지를 실시간으로 관리하고 있고, 상기 스위칭부(170)의 조작에 의해 관리자가 필요한 전기를 소내부하(160)로 공급할 수가 있다.
상기 사용자 단말기(190)를 휴대하고 있는 관리자는 인버터부(120)를 포함하여상기 배터리 관리부(140)와 이격되어 있더라도 상기 에너지 모니터링부(180)를 통해 전달된 정보를 근거로 상기 배터리 관리부(140), 인버터부(120), 스위칭부(170) 및 소내부하(160)의 상태를 실시간으로 확인할 수가 있다.
한편, 상기 에너지 모니터링부(180)는 에너지 생산에서 최종 소비단계까지 에너지 생산, 저장 및 소비를 모니터링하고 제어하는 곳으로 최적의 에너지 흐름 제어를 수행하여 효율적인 에너지 사용을 유도할 수 있다. 즉, 상기 에너지 모니터링부(180)는 전기를 저장하고 사용하는 전력 Life Cycle 전과정을 모니터링, 제어 및 관리하는 시스템으로서 에너지 생산과 환경, 안전 문제와 대규모 정전사태인 블랙아웃에 대비한 안정적인 전력 공급을 확인할 수가 있다.
상기 에너지 모니터링부(180)는 상기 소내부하에서 사용되는 전력량을 실시간으로 체크하여 최대 부하가 초과하거나 피크 전력시 전력계통(150)의 전원과 함께 상기 태양전지(110)에서 생산되는 전원 또는 상기 배터리부(130)에 저장된 전원을 소내부하로 공급함으로써 전력난을 해소할 수가 있다.
예를 들면, 상기 소내부하에서 사용된 전력량을 15라고 가정했을 때 상기 전력계통으로부터 10의 전원을 공급받고 나머지 5의 전원을 상기 배터리부(130) 또는 태양전지(110)로부터 공급받음으로써 태양광과 전력계통(150)간의 연동 운전을 병행할 수가 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템은 전력계통(150) 또는 태양전지(110)로부터 소내부하(160)로 전력 공급이 원활하게 이루어지지 않을 경우에 상기 에너지 모니터링부(180)를 통해 이를 감지하여 상기 배터리부(130)에 저장된 전원을 소내부하로 공급함으로써 별도의 비상용 발전기와 같은 설비를 생략하여 소음이나 매연과 같은 환경 오염을 사전에 예방할 수 있다.
뿐만 아니라 상기 배터리부(130)는 상기 소내부하(160)로부터 사용되는 전력이 일정량을 초과 즉 피크 타임때 상기 전력계통(150)의 전원을 차단하고 저장된 전원을 공급함으로써 최대 부하 및 피크 전력 제어를 통해 전기요금을 줄일 수가 있다.
또한, 본 발명은 짧은 시간동안 소내부하(160)의 전력수요와 전력계통(150)에서 공급되는 전력간에 차이가 발생할 경우에 상기 배터리부(130)에 저장된 전원을 공급받아 사용함으로써 전력난을 효과적으로 해결할 수가 있다.
상기 배터리부(130)는 상기 태양전지(110)로부터 생산된 전기 에너지를 저장하는 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 상기 전력계통(150)에서 공급되는 심야 전력을 받아 저장할 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 상기 태양전지(110) 즉, 빛 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 지열이나 태양열을 이용하여 전기를 생산할 수도 있다. 뿐만 아니라 풍력이나 조력 및 수력을 이용하여 전기를 생산할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 태양전지 120 : 인버터부
130 : 배터리부 140 : 배터리 관리부
150 : 전력계통 160 : 소내부하
170 : 스위칭부 180 : 에너지 모니터링부
190 : 사용자 단말기

Claims (6)

  1. 외부의 태양 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하여 출력하는 태양전지와,
    상기 태양전지를 통해 생산된 전기 에너지를 입력받아 전압 레벨을 제어함과 더불어 AC전원으로 변환하여 출력하는 인버터부와,
    상기 인버터부로부터 정격전압으로 맞추어진 DC전원을 공급받아 저장하는 배터리부와,
    상기 배터리부에 저장된 DC전원을 관리하는 배터리 관리부와,
    외부의 전력계통으로 입력되는 AC전원과 상기 인버터부로부터 변환되어 출력되는 AC전원을 선택적으로 제어하여 소내부하로 공급하는 스위칭부와,
    상기 배터리 관리부, 인버터부 및 스위칭부를 제어하여 상기 태양전지로부터 생산된 전기 에너지가 없거나 상기 전력계통에서 전기가 공급되지 않을 때 상기 배터리부에 저장된 전기를 상기 소내부하로 공급함과 더불어 모니터링하는 에너지 모니터링부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터부는 DC/DC 컨버터와 DC/AC 컨버터로 구성된 양방향 인버터인 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리부는 리튬전지로 이루어진 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지는 실리콘계 태양전지, 박막형 태양전지, GIGS 태양전지 중에서 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 모니터링부는
    상기 전력계통에서 공급되는 전기, 태양전지에서 생산된 전기 또는 배터리부에 저장된 전기 중 어느 전기가 소내부하로 공급되는지를 실시간으로 관리하고 있고, 상기 스위칭부의 조작에 의해 관리자가 필요한 전기를 소내부하로 공급하는 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 모니터링부는 상기 인버터부를 포함하여 배터리 관리부, 스위칭부 및 소내부하와 통신을 통해 정보를 주고 받고, 상기 에너지 모니터링부에 수신된 상기 배터리 관리부, 인버터부 및 스위칭부, 소내부하의 상태는 CDMA와 같은 통신 방식을 통해 관리자의 사용자 단말기로 전송되는 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 전력 공급 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106160259A (zh) * 2016-07-29 2016-11-23 国网山东省电力公司济宁供电公司 基于线路负荷电流感应取电的微功耗电源系统及工作方法

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