KR20160114802A - 하이브리드 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자연환경을 이용하여 친환경적으로 전력을 생산하는 발전시스템과 자연환경에 독립적으로 전력을 생산하는 발전시스템을 연계하여 친환경적이면서 부하에 따라 전력을 능동적으로 제어하여 공급할 수 있는 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템은, 자연환경에 의존되는 발전과 독립된 발전이 혼합되는 하이브리드 발전시스템으로서, 자연환경을 이용함에 따라 전력발전이 자연환경 상황에 종속되는 의존형 발전부, 전력발전이 자연환경에 무관하게 능동적으로 제어될 수 있는 독립형 발전부, 상기 의존형 발전부와 독립형 발전부의 생산전력이 충전되어 부하로 공급되는 배터리, 및 상기 의존형 발전부의 생산전력과 부하의 소요전력을 비교하여 생산전력이 부하의 소요전력보다 크면 생산전력을 부하로 공급하고, 생산전력이 작으면 상기 독립형 발전부를 구동하여 의존형 발전부의 생산전력과 함께 공급하되, 생산전력의 잉여 및 부족여부, 생산전력의 잉여/부족분 및 상기 배터리에 충전된 전력량에 따라 배터리에서 부하로의 전력공급여부 및 배터리의 충전여부를 제어하는 전력 제어장치를 구비한다.

Description

하이브리드 발전시스템 {Hybrid power generation system}
본 발명은 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자연환경을 이용하여 친환경적으로 전력을 생산하는 발전과 자연환경에 독립적으로 전력을 생산하는 발전을 연계함으로써 친환경적이면서 부하의 소요전력에 맞게 능동적으로 전력을 생산할 수 있는 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
최근 환경오염이나 천연자원 고갈 문제가 대두됨에 따라, 석유나 석탄과 같은 전통적인 화석원료를 사용하지 않고, 태양광이나 바람, 조류와 같이 자연환경을 이용한 천연에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이들 중 태양광 발전은 태양전지를 이용하여 빛을 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전방식으로, 태양전지, 컨버터, 축전지로 구성되는데, 태양광을전기 에너지로의 변환 효율이 높은 태양전지 개발이 진전됨에 따라, 산업용 발전시스템은 물론, 차량, 주거용, 가로등 등과 같이 생활전반에 널리 사용되고 있다.
태양광 발전은 무한하고 청정한 에너지란 장점이 있지만, 태양광을 이용하는 속성상 아무리 효율이 높은 태양전지를 이용한다고 할지라도 일조량이 충분히 확보되지 않으면 발전이 제대로 이루어지는 않는 문제가 있다.
한편, 풍력과 조력발전은 바람 또는 조류를 이용하여 블레이드를 회전시켜 전기 에너지를 생산하는 발전방식으로, 바람 또는 조류의 세기나 방향에 따라 발전량이 차이가 많은 문제가 있다. 따라서, 태양광이나 바람 또는 조류와 같이 자연환경을 이용한 발전방식은 부하의 요구에 안정적으로 에너지를 공급하기 어려워 이를 개선하는 시스템이 개발되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2012-0093671호(발명의 명칭:태양광 및 풍력 하이브리드 발전을 이용한 계통 연계 시스템 및 이를 이용한 태양광 및 풍력 하이브리드 계통 연계 발전 장치)에는 태양광과 풍력을 연계한 발전장치가 개시되어 있다. 위 발전장치는 일조량이 부족한 경우에는 풍력을 이용하고, 바람세기나 방향이 일정하지 않은 경우에는 태양광을 이용토록 함으로써, 태양광과 풍력을 모두를 활용하고 있다. 하지만, 위 발전장치는 태양광이나 풍력을 상호 보완적으로 활용할 뿐, 기본적으로 태양광과 풍력에 전적으로 의존할 수 밖에 없어, 태양광이나 바람 둘다 충분히 활용할 수 없는 경우에는 안정적인 발전이 이루어지지 않는다는 문제가 있다.
그리고, 대한민국 등록특허공보 제1169546호(발명의 명칭: 하이브리드형 발전시스템)에는 태양광, 풍력, 압전소자를 연계한 발전장치가 개시되어 있다. 위 발명은 태양광과 풍력을 모두 활용하는데 더하여, 태양전지판에 압전소자를 부착하여 풍압에 의해 접촉 및 이격되는 압전소자의 진동작용으로 전기에너지를 생산토록 하였다. 따라서, 위 발전시스템은 태양광, 풍력, 압전소자를 이용함으로써 전술한 발전장치에 비하여 안정적으로 전력을 공급할 수 있으나, 압전소자 역시 풍압에 의해 전기에너지가 생산됨에 따라 전술한 발전장치와 마찬가지로 태양광과 풍력에 전적으로 의존하는 시스템이다.
더욱이, 이들 발전장치 및 시스템은 외부환경에 의해 수동적으로 전력을 생산함에 따라, 안정적으로 발전량이 제어되지 않아 상시적으로 가변하는 부하에 전력을 공급할 수 없는 문제가 있다.
1. 대한민국 공개특허공보 제2012-0093671호(발명의 명칭:태양광 및 풍력 하이브리드 발전을 이용한 계통 연계 시스템 및 이를 이용한 태양광 및 풍력 하이브리드 계통 연계 발전 장치.2012.08.23) 2. 대한민국 등록특허공보 제10-1169546호(발명의 명칭: 하이브리드형 발전시스템.2012.07.27)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 자연환경을 이용하여 친환경적으로 전력을 생산하는 발전에 자연환경에 독립적으로 전력을 생산하는 발전을 연계함으로써 친환경적이면서 상시적으로 가변하는 부하의 소요전력에 맞추어 능동적으로 전력을 생산할 수 있는 하이브리드 발전시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템은, 자연환경에 의존되는 발전과 독립된 발전이 혼합되는 하이브리드 발전시스템으로서, 자연환경을 이용함에 따라 발전량이 자연환경 상황에 종속되는 의존형 발전부, 자연환경에 무관하게 발전량이 제어될 수 있는 독립형 발전부, 상기 의존형 발전부와 독립형 발전부의 생산전력이 충전되어 부하로 공급되는 배터리, 및 상기 의존형 발전부의 생산전력과 부하의 소요전력을 비교하여 생산전력이 부하의 소요전력보다 크면 생산전력을 부하로 공급하고, 생산전력이 작으면 상기 독립형 발전부를 구동하여 의존형 발전부의 생산전력과 함께 공급하되, 생산전력의 잉여 및 부족여부, 생산전력의 잉여/부족분 및 상기 배터리에 충전된 전력량에 따라 배터리에서 부하로의 전력공급여부 및 배터리의 충전여부를 제어하는 전력 제어장치를 구비한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 전력 제어장치는, 상기 의존형 발전부와 독립형 발전부의 생산전력량의 합이 부하의 소요전력량보다 작고 상기 배터리에 충전된 전력량이 설정된 하한치 이상이면, 배터리의 충전전력을 부하로 공급하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 전력 제어장치는, 상기 의존형 발전부와 독립형 발전부의 생산전력량의 합이 부하의 소요전력량보다 작고 상기 배터리에 충전된 전력량이 설정된 하한치 미만이면, 생산전력의 일부를 배터리에 충전하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 전력 제어장치는, 상기 의존형 발전부의 생산전력량이 부하의 소요전력량보다 크고 상기 배터리의 충전전력이 설정된 상한치 이상이면, 생산전력을 부하로 공급하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 전력 제어장치는, 상기 의존형 발전부의 생산전력량이 부하의 소요전력량보다 크고 상기 배터리의 충전전력이 설정된 상한치 미만이면, 부하에 공급되고 남은 잉여전력을 배터리에 충전하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 의존형 발전부는 태양광, 풍력, 조력, 파력 중 어느 하나를 이용한 발전일 수 있다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 독립형 발전부는 연료전지 또는 이차전지를 이용한 발전일 수 있다.
본 발명에 따르면, 자연환경을 이용함에 따라 화석원료에 의존하지 않아 친환경적인 발전이 가능하고, 자연환경에 의해 발전량이 감소하거나 소요되는 전력이 증가되는 경우에 자연환경에 무관한 독립형 발전 전력을 이용하여 발전량을 보완할 수 있으며, 실시간으로 부하의 소요전력을 모니터링하여 생산전력을 능동적으로 공급함에 따라 자연환경 및 부하상황에 따라 능동적으로 전력을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템의 작동을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템을 설명한다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템은 의존형 발전부, 독립형 발전부, 배터리, 및 전력 제어장치를 구비한다.
의존형 발전부는 태양광 발전, 풍력발전, 및 조력발전과 같이 천연의 자연환경을 이용하여 전력발전을 하는 구성으로, 발전량이 일조량, 바람 또는 조류의 세기나 방향과 같은 자연환경 상황에 종속된다.
독립형 발전부는 자연환경에 무관하게 발전량이 제어될 수 있는 구성으로, 연료전지 또는 이차전지로 구현될 수 있으며 발전량은 전력 제어장치에 의해 제어된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템의 구성도로서, 도 1은 의존형 발전부로 태양광 발전(10)을 독립형 발전부로 연료전지 발전(20)을 사용한 예를 도시하고 있다.
태양광 발전(10)은 태양광을 조사받아 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양광 전지모듈(11), 태양광 전지모듈(11)에서 생산된 전력을 배터리(30) 또는 부하(50)로 공급하도록 전력을 변환하는 컨버터(12)로 이루어진다.
연료전지 발전(20)은 연료의 전기화학적 반응을 이용하여 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 산소공급부(22)로부터 공급된 산소와 연료가스 공급부(23)로부터 공급된 연료가스에 의해 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 부착된 양극 및 음극으로 이루어진 연료전지(21)에서 전기화학적 반응에 의해 전기에너지가 발생된다.
배터리(30)는 전력 제어장치(40)에 의해 태양광 발전(10)이나 연료전지 발전(20)에서 생산된 전력을 충전하여, 부하(50)로 공급하거나 연료전지 발전(20)을 구동하기 위해 공급된다.
전력 제어장치(40)는 태양광 발전(10)과 연료전지 발전(20)에 의해 생산되는 전력과 부하의 소요전력을 실시간으로 검출하고, 부하(50)로 전력공급과 베터리(30)의 충전을 제어한다.
전력 제어장치(40)는 태양광 발전(10)에서 생산되는 전력을 검출하는 태양광 전력검출부(41), 연료전지 발전(20)에서 생산되는 전력을 검출하는 연료전지 전력검출부(42), 배터리(30)에 충전된 전력량을 검출하는 충전량 검출부(43), 부하(50)의 소요전력을 검출하는 부하전력 검출부(44), 태양광 전력검출부(41)와 연료전지 전력검출부(42) 및 충전량 검출부(43)에서 검출된 전력량과 부하전력 검출부(44)에서 검출된 소요전력을 비교하여 부하로 전력공급과 배터리(30)의 충전을 제어하는 전력제어부(45), 전력제어부(50)에 의해 태양광 발전(10)과 연료전지 발전(20)에 의해 생산되는 전력을 배터리(30)로 충전하는 배터리 충전부(46)를 구비한다.
전력 제어장치(40)는 우선적으로 친환경 발전인 태양광 발전(10)에 의해 생산된 전력을 부하로 공급하고, 일조량이 부족하거나 실시간으로 검출된 부하(50)의 소요전력이 증가하는 경우, 보조적으로 연료전지 발전(20)을 구동시켜 부하(50)의 소요전력에 대응하도록 생산전력을 공급한다. 부하(50)로 전력공급시, 전력 제어장치(40)는 배터리(30)의 충전량에 따라 배터리(30)에서 부하(50)로의 전력공급여부 나 배터리(40)의 충전여부를 제어하는데, 이에 대해서는 후술토록 한다.
따라서, 본발명은 태양광을 이용하여 친환경적으로 전력을 생산하면서 태양광과는 독립적으로 연료전지를 이용하여 전력을 생산하는 발전을 연계함과 동시에, 생산전력량과 부하의 소요전력을 실시간으로 검출하면서 전력생산 및 공급을 제어함에 따라, 일조량과 같은 자연환경이나 부하상황에 따라 능동적으로 대응할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템의 작동을 도시한 순서도로, 본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템은 태양광 발전(10)을 통해 전력이 생산한다(S110). 생산 전력량은 태양광 전력 검출부(41)에 의해 검출되고, 부하(50)의 소요 전력량은 실시간으로 부하전력 검출부(44)에 의해 검출된다(S120). 전력제어부(45)는 태양광에 의해 생산된 전력량이 부하의 소요전력량을 비교한다(S130). 여기서, 생산전력량이 부하 소요전력량보다 크면, 충전전력이 설정된 상한치 이상인지 미만인지 판단한다(S140). 만일, 충전전력이 설정된 상한치 이상이면 생산전력을 부하로 공급하고(S150), 충전전력이 설정된 상한치 미만이면 부하(50)에 공급되고 남은 잉여전력을 배터리(30)에 충전한다(S160). 그리고, 태양광의 생산전력량이 부하 소요전력량보다 작으면, 연료전지 발전(20)을 구동하여 부족한 전력을 생산한다(S170). 여기서, 연료전지 생산전력량과 태양광 생산전력량과의 합이 부하의 소요전력량보다 크면 생산전력을 부하로 공급한다(S180). 그런데, 연료전지 발전을 최대로 하더라도 태양광 생산전력량과의 합이 여전히 부하의 소요전력량보다 작으면 충전전력이 설정된 하한치 이상인지 미만인지 판단한다(S190). 만일, 충전전력이 설정된 하한치 이상이면 생산전력과 함께 배터리(30)의 충전전력을 부하(50)로 공급하고(S200), 충전전력이 설정된 하한치 미만이면 생산전력의 일부를 부하로 공급하고 생산전력의 일부를 배터리(50)에 충전한다(S200). 이때, 배터리(50)에 공급되는 생산전력량은 배터리(50)가 충전량이 하한치에 도달하도록 공급되는 전력량이다.
이상의 설명에서 의존형 발전부로 태양광 발전(10)을 독립형 발전부로 연료전지 발전(20)를 예로 들어 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 의존형 발전부로 풍력이나 조력발전이 사용될 수 있고, 독립형 발전부 역시 이차전지를 이용한 발전이 사용될 수 있다.
이상과 같은 기술적 구성에 의해 본 발명이 해결하고자 하는 과제가 달성되며, 본 발명이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 태양광 발전 11: 태양전지 모듈 12: 컨버터
20: 연료전지 발전 21: 연료전지 22: 산소공급부
23: 연료가스 공급부 30: 배터리 40: 전력 제어장치
41: 태양광 전력검출부 42: 연료전지 전력검출부 43: 충전량 검출부
44: 부하전력 검출부 45: 전력제어부 46: 배터리 충전부
50: 부하

Claims (7)

  1. 자연환경에 의존되는 발전과 독립된 발전이 혼합되는 계통연계형 하이브리드 발전시스템에 있어서,
    자연환경을 이용함에 따라 발전량이 자연환경 상황에 종속되는 의존형 발전부;
    자연환경에 무관하게 발전량이 제어될 수 있는 독립형 발전부;
    상기 의존형 발전부와 독립형 발전부의 생산전력이 충전되어 부하로 공급되는 배터리; 및
    상기 의존형 발전부의 생산전력과 부하의 소요전력을 비교하여 생산전력이 부하의 소요전력보다 크면 생산전력을 부하로 공급하고, 생산전력이 작으면 상기 독립형 발전부를 구동하여 의존형 발전부의 생산전력과 함께 공급하되, 생산전력의 잉여 및 부족여부, 생산전력의 잉여/부족분 및 상기 배터리에 충전된 전력량에 따라 배터리에서 부하로의 전력공급여부 및 배터리의 충전여부를 제어하는 전력 제어장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어장치는,
    상기 의존형 발전부와 독립형 발전부의 생산전력량의 합이 부하의 소요전력량보다 작고 상기 배터리에 충전된 전력량이 설정된 하한치 이상이면, 배터리의 충전전력을 부하로 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어장치는,
    상기 의존형 발전부와 독립형 발전부의 생산전력량의 합이 부하의 소요전력량보다 작고 상기 배터리에 충전된 전력량이 설정된 하한치 미만이면, 생산전력의 일부를 배터리에 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어장치는,
    상기 의존형 발전부의 생산전력량이 부하의 소요전력량보다 크고 상기 배터리의 충전전력이 설정된 상한치 이상이면, 생산전력을 부하로 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어장치는,
    상기 의존형 발전부의 생산전력량이 부하의 소요전력량보다 크고 상기 배터리의 충전전력이 설정된 상한치 미만이면, 부하에 공급되고 남은 잉여전력을 배터리에 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 의존형 발전부는 태양광, 풍력, 조력, 파력 중 어느 하나를 이용한 발전인 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 독립형 발전부는 연료전지 또는 이차전지를 이용한 발전인 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
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