KR20160001249A - 태양광 발전과 에너지 저장 시스템을 이용한 홈 에너지 관리 시스템 - Google Patents

태양광 발전과 에너지 저장 시스템을 이용한 홈 에너지 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템은, 태양광을 받아 직류 전력을 생산하는 하나 이상의 태양광 모듈; 상기 하나 이상의 태양광 모듈에 각각 연결되며, 상기 태양광 모듈에서 생산된 직류전력을 교류전력을 변환하는 하나 이상의 마이크로 인버터; 상기 하나 이상의 마이크로 인버터에서 변환된 교류전력을 받아 저장하는 에너지 저장장치; 상기 하나 이상의 마이크로 인버터, 상기 에너지 저장장치 및 외부 계통전원에서 교류전력을 공급받아 부하 측으로 공급하는 분전반; 및 상기 하나 이상의 마이크로 인버터에서 출력되는 교류전력, 상기 에너지 저장장치에 출력되는 전력 및 외부 계통전원에서 상기 분전반으로 공급되는 교류전력을 모니터링 하는 홈 에너지 관리장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템은 태양광 발전을 통해 생산된 전력, 잉여전력을 저장한 전력 및 외부 계통전원의 전력에 대한 정보를 이용하여 관리할 수 있으므로 보다 효과적으로 홈 에너지를 관리할 수 있는 효과가 있다.

Description

태양광 발전과 에너지 저장 시스템을 이용한 홈 에너지 관리 시스템{HOME ENERGY MANAGEMENT SYSTEM USING PHOTOVOLTAIC GENERATION AND ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 발전을 통해 생성된 전력을 계통과 연계하여 홈 에너지를 관리하기 위한 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템에 관한 것이다.
가정이나 기타 시설에 설치하는 태양광 발전 시스템은 크게 계통연계 시스템과 독립형 시스템이 있다. 그 중 계통연계 시스템은 태양광 모듈에서 생산된 직류전력을 인버터를 통해 교류전력으로 변환하여 각종 전기장치 등의 부하에 공급하고, 동시에 계통 전원에 공급할 수 있는 시스템이다.
그렇지만 종래의 계통연계 시스템은 대한민국 공개특허 제10-1139476호(태양광 및 배터리 시스템을 이용한 계통연계형 하이브리드발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법, 등록일: 2009.04.06, 이하 선행문헌)와 같이, 에너지 저장장치용 인버터 시스템과 태양광 발전 시스템이 개별 시스템으로 분리되어 있어, 서로 유기적인 동작 수행이 불가능한 문제가 있다.
특히, 단독주택 등에 태양광 모듈을 설치하는 경우, 태양광 모듈은 수 kW 단위로 직병렬 연결을 통해 발전이 이루어지도록 한다. 이렇게 직병렬로 연결된 태양광 모듈 중 일부가 나무나 주변 건물에 의해 음영이 발생하거나 태양광 모듈의 일부 셀에 결함이 발생하면, 전체 태양광 발전 시스템의 발전량이 감소하고 수명이 저하되는 문제가 발생한다.
대한민국 공개특허 제10-1139476호(2009.04.06)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 가정 등에서 태양광 발전 시스템과 에너지 저장장치용 인버터 시스템을 연계하여 이용할 때, 보다 효율적으로 홈 에너지를 관리할 수 있는 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템은, 태양광을 받아 직류 전력을 생산하는 하나 이상의 태양광 모듈; 상기 하나 이상의 태양광 모듈에 각각 연결되며, 상기 태양광 모듈에서 생산된 직류전력을 교류전력을 변환하는 하나 이상의 마이크로 인버터; 상기 하나 이상의 마이크로 인버터에서 변환된 교류전력을 받아 저장하는 에너지 저장장치; 상기 하나 이상의 마이크로 인버터, 상기 에너지 저장장치 및 외부 계통전원에서 교류전력을 공급받아 부하 측으로 공급하는 분전반; 및 상기 하나 이상의 마이크로 인버터에서 출력되는 교류전력, 상기 에너지 저장장치에 출력되는 전력 및 외부 계통전원에서 상기 분전반으로 공급되는 교류전력을 모니터링 하는 홈 에너지 관리장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 에너지 저장장치는, 상기 분전반과 전기적으로 연결되고, 교류전력과 직류전력을 상호 변환하는 양방향 인버터; 상기 양방향 인버터와 전기적으로 연결되며, 직류전력을 승압 또는 강압하는 양방향 컨버터; 상기 양방향 컨버터와 전기적으로 연결되고, 상기 양방향 컨버터에서 승압된 직류전력을 공급받아 저장하고, 저장된 직류전력을 상기 양방향 컨버터로 출력시키는 배터리 뱅크; 및 상기 배터리 뱅크에 저장된 직류전력의 충전량에 따라 상기 배터리 뱅크의 충방전 전력을 결정하고, 상기 양방향 인버터에서 상기 분전반으로 공급되는 교류전력을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
그리고 상기 배터리 뱅크는, 직류전력을 저장하는 배터리; 및 상기 배터리의 충전율 및 온도를 측정하는 배터리 관리장치를 포함하고, 상기 배터리 관리장치는 측정된 배터리의 충전율 및 온도에 대한 데이터를 상기 제어기로 전송할 수 있다.
또한, 상기 외부 계통전원에서 분전반으로 공급되는 교류전력을 측정하여 측정된 데이터를 상기 홈 에너지 관리장치로 전송하는 스마트 미터; 및 상기 분전반에서 부하 측으로 공급되는 교류전력을 측정하여 측정된 데이터를 상기 홈 에너지 관리장치로 전송하는 스마트 플러그를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 스마트 미터 및 스마트 플러그는 각각 무선 통신을 통해 상기 홈 에너지 관리장치로 데이터를 전송할 수 있다.
그리고 상기 제어기는 상기 양방향 인버터에서 출력되는 전력을 측정하고, 상기 홈 에너지 관리장치와 무선 통신을 하며, 상기 홈 에너지 관리장치에서 모니터링된 전력에 대한 정보를 수신하여 상기 제어기로 전송하고, 상기 제어기에서 측정된 양방향 인버터에서 출력되는 전력에 대한 정보를 상기 홈 에너지 관리장치로 전송하는 무선통신기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템은 태양광 발전을 통해 생산된 전력, 잉여전력을 저장한 전력 및 외부 계통전원의 전력에 대한 정보를 이용하여 관리할 수 있으므로 보다 효과적으로 홈 에너지를 관리할 수 있는 효과가 있다.
또한, 무선통신을 이용하여 필요한 정보를 수신하기 때문에 공간적 제한이 없이 홈 에너지 관리를 위한 정보를 이용하여 전력 사용량의 감소 및 피크 전력 저감 동작을 하여 최적의 에너지 관리를 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템을 도시한 간략도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템을 도시한 간략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템(100)은 태양광 모듈(110), 마이크로 인버터(120), 에너지 저장장치(130), 분전반(140), 홈 에너지 관리장치(150), 스마트 미터(160), 스마트 플러그(170) 및 무선통신기(138a)를 포함한다.
태양광 모듈(110)은 도 1에 도시된 바와 같이, 단독주택의 옥상이나 지붕 등에 다수 개가 설치된다. 태양광 모듈(110)은 다수 개의 단위 셀이 모듈 형태로 설치된다.
마이크로 인버터(120)는 태양광 모듈(110)과 전기적으로 연결되며, 다수 개의 태양광 모듈(110) 각각에 설치되므로 다수 개가 구비된다. 마이크로 인버터(120)는 태양광 모듈(110)에서 생산된 직류전력을 가정 등의 부하나 계통 전원에 공급될 수 있는 교류전력으로 변환된다. 이때, 다수의 마이크로 인버터(120)에서 출력된 교류전력들이 합쳐져 분전반(140) 측으로 전력을 발전전력이라한다.
그리고 마이크로 인버터(120)는 연결된 각 태양광 모듈(110)에 대해 최대전력 추종(MPPT) 제어가 수행되어 마이크로 인버터(120)를 통해 각각의 태양광 모듈(110) 별로 최대 발전량을 얻을 수 있다. 그에 따라 직병렬로 연결된 종래의 태양광 발전 시스템과 같이, 나무나 건물의 음영으로 인해 발전량 저하 또는 태양전지 셀의 결함으로 인한 발전량 감소나 수명저하 현상이 발생하더라도 전체적인 발전량에 미치는 효과를 최소화할 수 있다.
또한, 다수의 마이크로 인버터(120) 각각은 태양광 모듈(110)에서 생성된 전력의 발전량, 마이크로 인버터(120) 자신의 상태와 진단 정보를 홈 에너지 관리장치(150)로 전송하되, 본 발명의 일 실시예에서 각 마이크로 인버터(120)는 무선통신을 통해 해당 정보를 홈 에너지 관리장치(150)로 전송한다. 이때, 다수의 마이크로 인버터(120)는 후술할 홈 에너지 관리장치(150)로부터 제어신호를 수신하지 않고, 앞서 설명한 바와 같이, 스스로 태양광 발전 상태에 따라 최대전력 추종 제어가 수행된다.
에너지 저장장치(ESS: energy strotge system, 130)는 다수의 마이크로 인버터(120)에서 변환된 교류전력을 분전반(140)을 통해 공급받아 직류전력으로 저장하고, 저장된 전력을 다시 분전반(140)을 통해 부하 측으로 공급한다. 이를 위해 에너지 저장장치(130)는 양방향 인버터(132), 양방향 컨버터(134), 배터리 뱅크(136) 및 제어기(138)를 포함한다.
양방향 인버터(132)는 분전반(140) 및 양방향 컨버터(134)와 전기적으로 각각 연결되고, 분전반(140)을 통해 공급된 교류전력을 직류전력으로 변환하여 양방향 컨버터(134) 측으로 출력한다. 그리고 양방향 컨버터(134)에서 공급된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 분전반(140) 측으로 출력한다. 즉, 양방향 인버터(132)는 직류전력이 공급되면 공급된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 출력하고, 교류전력이 공급되면 공급된 교류전력을 직류전력으로 변환하여 출력한다. 이때, 양방향 인버터(132)에서 분전반(140) 측으로 출력되는 교류전력을 제어전력이라 한다.
양방향 컨버터(134)는 양방향 인버터(132) 및 배터리 뱅크(136)와 전기적으로 각각 연결되며, 양방향 인버터(132)를 통해 공급된 직류전력을 승압하여 승압된 직류전력을 배터리 뱅크(136) 측으로 출력한다. 그리고 배터리 뱅크(136)에서 공급된 직류전력을 강압하여 강압된 직류전력을 양방향 인버터(132) 측으로 출력한다.
배터리 뱅크(136)는 양방향 컨버터(134)에서 승압된 직류전력을 공급받아 저장하는 배터리(136a)와 배터리(136a)의 충전율 및 온도를 측정하는 배터리 관리장치(BMS: battery management system, 136b)를 포함한다.
배터리 관리장치(136b)는 배터리(136a)의 상태를 측정하고, 배터리(136a)의 충전 또는 방전을 관리한다. 배터리 관리 장치는 배터리(136a)의 충전율과 온도를 측정하고, 측정된 충전율과 온도에 대한 정보를 제어기(138)로 전송한다. 그리고 제어기(138)로부터 배터리(136a) 충전 또는 방전이 필요한 양에 대한 정보를 받아 배터리(136a)를 제어한다.
제어기(138)는 배터리 뱅크(136)에 저장된 직류전력의 충전량을 배터리 관리장치(136b)로부터 수신하여 배터리(136a)의 충전 또는 방전을 위한 전력을 산정하고, 산정된 결과에 따라 양방향 인버터(132)에서 분전반(140)으로 공급되는 제어전력을 제어한다. 이를 위해 제어기(138)는 배터리 관리장치(136b)와의 통신을 통해 배터리(136a)의 충전율과 온도에 대한 정보를 수신한다. 그리고 제어기(138)는 배터리 관리장치(136b)에서 수신된 배터리(136a)의 충전율 및 온도에 대한 정보를 홈 에너지 관리장치(150)로 전송한다.
홈 에너지 관리장치(150)는 마이크로 인버터(120)에서 출력되는 발전전력, 외부 계통전원에서 분전반(140)으로 공급되는 소비전력, 분전반(140)에서 부하 측으로 출력되는 부하전력 및 양방향 인버터(132)에서 분전반(140)으로 출력되는 제어전력에 대한 정보를 수집하여 수집된 정보를 저장한다. 그리고 저장된 정보를 바탕으로 에너지 저장장치(130)를 제어하기 위한 신호를 제어기(138)로 전송할 수 있다. 또한, 홈 에너지 관리장치(150)는 저장된 정보를 바탕으로 실시간, 일간, 월간 또는 연간에 따른 소비전력 및 부하전력을 산출한다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서 홈 에너지 관리장치(150)는 수집하는 정보를 무선통신으로 수신한다. 이를 위해 외부 계통전원에서 분전반(140)으로 공급되는 소비전력의 전압 및 전류를 측정하기 위한 스마트 미터(160)가 무선통신 기능을 갖춘 상태로 구비되며, 부하 중 일부 또는 전체가 소비하는 전력을 측정하기 위한 스마트 플러그(170)가 무선통신 기능을 갖춘 상태로 구비된다.
그러므로 홈 에너지 관리장치(150)는 각각의 마이크로 인버터(120)로부터 발전전력에 대한 정보를 무선으로 수신하고, 스마트 미터(160)에서 외부 계통전원에서 공급되는 소비전력에 대한 정보를 무선으로 수신한다. 그리고 스마트 플러그(170)에서 부하에서 사용되는 전력에 대한 정보를 무선으로 수신한다. 또한, 제어기(138)에서 양방향 인버터(132)에서 분전반(140)으로 출력되는 제어전력에 대한 정보는 제어기(138)와 직접 연결된 무선통신기(138a)를 통해 무선으로 수신한다. 제어기(138)는 제어전력을 측정하기 위해 양방향 인버터(132)에서 분전반(140)으로 출력되는 교류전력에 대한 전압 및 전류를 측정하고, 측정된 정보를 무선통신기(138a)로 전송하여 홈 에너지 관리장치(150)로 전송되도록 한다.
본 발명의 일 실시예에서 홈 에너지 관리장치(150)는 각각의 마이크로 인버터(120), 스마트 미터(160), 스마트 플러그(170) 및 무선통신기(138a)와의 무선통신을 지그비(zigbee)를 이용하여 이루어지며, 지그비 이외의 다른 무선통신 방식이 이용될 수 있다.
스마트 미터(160)는 계통전원에서 분전반(140)으로 전력을 공급하는 분전반(140)의 입력단에 설치될 수 있으며, 전류센서 및 전압센서를 이용하여 소비전력을 측정하기 위한 출부 및 홈 에너지 관리장치(150)와 무선통신이 이루어지는 무선통신부를 포함한다.
스마트 플러그(170)는 스마트 플러그(170)에 연결된 가전기기 등의 사용전력을 전류센서 및 전압센서를 이용하여 산출하기 위한 검출부와, 연결된 가전기기 등에 인가되는 전력을 차단할 수 있는 릴레이 스위치 및 홈 에너지 관리장치(150)와 무선통신이 이루어지는 무선통신부를 포함한다.
스마트 플러그(170)는 무선 통신을 통해 홈 에너지 관리장치(150)로부터 가전기기의 대기모드 피크전력 감소 등을 위해 특정 가전기기의 전원을 차단시키기 위한 신호를 수신하면, 해당 가전기기에 연결된 릴레이 스위치를 조작하여 전력을 차단한다.
홈 에너지 관리장치(150)는 발전전력, 소비전력, 부하전력 및 제어전력에 대한 정보와 무선통신기(138a)를 통해 제어기(138)에서 배터리(136a)의 충전율 및 온도에 정보를 무선통신으로 수신하고, 수신된 정보를 통해 스마트 플러그(170)를 제어할 수 있으며, 또한 수신된 정보를 바탕으로 배터리 뱅크(136)의 충전 또는 방전을 위한 전력 기준값을 산정하여 무선통신기(138a)를 통해 제어기(138)로 전송한다.
제어기(138)는 무선통신기(138a)를 통해 수신된 발전전력, 소비전력, 부하전력에 대한 정보와 홈 에너지 관리장치(150)에서 수신된 전력 기준값을 이용하여 배터리 뱅크(136)를 제어한다.
즉, 홈 에너지 관리장치(150)는 에너지 저장장치(130)의 충전 또는 방전이 이루어지는 에너지량을 산정하고 산정된 정보를 제어기(138)로 전송하고, 제어기(138)는 수신된 정보를 바탕으로 에너지 저장장치(130)의 충전 또는 방전 전력을 제어한다.
제어기(138)의 제어를 통해 에너지 저장장치(130)에 충전 또는 방전되는 경우를 보면, 다음과 같다. 먼저, 제어기(138)는 발전전력이 전체 부하전력보다 크면, 전체 부하전력에 소비되고 남은 잉여 전력을 에너지 저장장치(130)의 배터리(136a)에 충전하도록 배터리 관리장치(136b)를 제어한다. 그리고 발전전력이 전체 부하전력보다 작으면, 전에 부하전력에 부족한 전력을 에너지 저장장치(130)의 배터리(136a)가 방전되어 부족한 전력을 채울 수 있도록 배터리 관리장치(136b)를 제어한다.
이때, 전제 부하전력은 발전전력, 소비전력 및 제어전력을 합친 전력량이며, 스마트 플러그(170)에서 측정된 부하전력과 스마트 플러그(170)가 아닌 일반 플러그에 접속된 가전기기가 소비하는 전력을 합친 전력량이다. 여기서, 전체 부하전력의 측정은 제어기(138)가 분전반(140)의 출력단을 통해 출력되는 교류전력의 전류 및 전압을 측정하여 산정할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100: 홈 에너지 관리 시스템
110: 태양광 모듈 120: 마이크로 인버터
130: 에너지 저장장치 132: 양방향 인버터
134: 양방향 컨버터 136: 배터리 뱅크
136a: 배터리 136b: 배터리 관리장치
138: 제어기 138a: 무선통신기
140: 분전반 150: 홈 에너지 관리장치
160: 스마트 미터 170: 스마트 플러그

Claims (6)

  1. 태양광을 받아 직류 전력을 생산하는 하나 이상의 태양광 모듈;
    상기 하나 이상의 태양광 모듈에 각각 연결되며, 상기 태양광 모듈에서 생산된 직류전력을 교류전력을 변환하는 하나 이상의 마이크로 인버터;
    상기 하나 이상의 마이크로 인버터에서 변환된 교류전력을 받아 저장하는 에너지 저장장치;
    상기 하나 이상의 마이크로 인버터, 상기 에너지 저장장치 및 외부 계통전원에서 교류전력을 공급받아 부하 측으로 공급하는 분전반; 및
    상기 하나 이상의 마이크로 인버터에서 출력되는 교류전력, 상기 에너지 저장장치에 출력되는 전력 및 외부 계통전원에서 상기 분전반으로 공급되는 교류전력을 모니터링 하는 홈 에너지 관리장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 에너지 저장장치는,
    상기 분전반과 전기적으로 연결되고, 교류전력과 직류전력을 상호 변환하는 양방향 인버터;
    상기 양방향 인버터와 전기적으로 연결되며, 직류전력을 승압 또는 강압하는 양방향 컨버터;
    상기 양방향 컨버터와 전기적으로 연결되고, 상기 양방향 컨버터에서 승압된 직류전력을 공급받아 저장하고, 저장된 직류전력을 상기 양방향 컨버터로 출력시키는 배터리 뱅크; 및
    상기 배터리 뱅크에 저장된 직류전력의 충전량에 따라 상기 배터리 뱅크의 충방전 전력을 결정하고, 상기 양방향 인버터에서 상기 분전반으로 공급되는 교류전력을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 배터리 뱅크는,
    직류전력을 저장하는 배터리; 및
    상기 배터리의 충전율 및 온도를 측정하는 배터리 관리장치를 포함하고,
    상기 배터리 관리장치는 측정된 배터리의 충전율 및 온도에 대한 데이터를 상기 제어기로 전송하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 계통전원에서 분전반으로 공급되는 교류전력을 측정하여 측정된 데이터를 상기 홈 에너지 관리장치로 전송하는 스마트 미터; 및
    상기 분전반에서 부하 측으로 공급되는 교류전력을 측정하여 측정된 데이터를 상기 홈 에너지 관리장치로 전송하는 스마트 플러그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스마트 미터 및 스마트 플러그는 각각 무선 통신을 통해 상기 홈 에너지 관리장치로 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어기는 상기 양방향 인버터에서 출력되는 전력을 측정하고,
    상기 홈 에너지 관리장치와 무선 통신을 하며, 상기 홈 에너지 관리장치에서 모니터링된 전력에 대한 정보를 수신하여 상기 제어기로 전송하고, 상기 제어기에서 측정된 양방향 인버터에서 출력되는 전력에 대한 정보를 상기 홈 에너지 관리장치로 전송하는 무선통신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 홈 에너지 관리 시스템.
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