KR20180127262A - 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템 - Google Patents
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Abstract
200~500W 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템이 개시된다. 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소용량 태양광/태양열 융복합 시스템은 기존과 다른 태양광/태양열 시스템 융복합 제품으로써, 태양열 시스템의 집열기와 열교환기, 가정용 순환 펌프용 전기 공급 및 제어 장치로 사용되는 변유량 제어 방식의 시스템 콘트롤러와 마이크로 인버터와 축전지, 축전지로 사용되는 리튬 이온 배터리가 구비된 200~500W 미니 태양광/태양열 시스템과 변유량 제어 장치와 시스템 모니터링 소프트웨어를 개발하며, 축열조 온도 차에 의한 3단 제어에 의해 전력을 3단계: 1단, 2단, 3단으로 조절하고, 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하며, 태양열 시스템은 태양광/태양열 에너지를 가정의 난방/온수 보일러에 사용시에 순환펌프 회전수를 비례 제어를 통해 태양열 교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구 온도를 일정하게 유지하고 정유량 제어 대비 30% 소비전력 효율을 향상시키며, 가정용 주택의 온수/난방, 열 및 급탕에 따른 에너지 손실을 크게 줄이며, 전기 요금을 줄이는 효과가 있다.
Description
본 발명은 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존과 다른 태양광/태양열 시스템 융복합 제품으로써, 태양열 시스템의 집열기와 열교환기, 가정용 순환 펌프용 전기 공급 및 제어 장치로 사용되는 변유량 제어 방식의 시스템 콘트롤러(제어 장치)와 마이크로 인버터와 축전지, 그리고 축전지로 사용되는 리튬 이온 배터리가 구비된 200~500W 미니 태양광/태양열 시스템과 변유량 제어 장치 및 시스템 모니터링 소프트웨어를 개발하며, 축열조 온도 차에 의한 1단, 2단, 3단 제어로 전력을 조절하고, 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하며, 태양열 시스템은 태양광/태양열 에너지를 가정의 난방/온수 보일러에 사용시에 순환펌프 회전수 비례 제어를 통해 태양열 교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구 온도를 일정하게 유지하고 정유량 제어 대비 30% 소비전력 효율을 향상시키며, 가정용 주택의 온수/난방, 열 및 급탕에 따른 에너지 손실을 크게 줄이며, 전기 요금을 줄이는, 200~500W 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템에 관한 것이다.
태양광 발전 시스템은 원자력/수력/화력을 대체하여 전기를 생산하며, 석유, 석탄, 가스 자원을 대체하고, 화력 발전에 사용되는 화석 연료의 연소에 의해 발생되는 이산화탄소를 저감하는 차세대 지속가능한 무공해 청정 에너지원으로써, 신재생 에너지로 사용된다.
도 1a는 종래의 3kW 미만의 주택에 사용되는 소규모 태양광 시스템 구성도이다. 3kW 미만의 주택에 사용하는 소규모 태양광 시스템은 태양전지판(PV 어레이)(10), 충전조절기(20), 축전지(30), DC-DC 컨버터(40) 및 PV 인버터(Inverter)(50)로 구성된다.
충전조절기(Charge Controller)(20)는 태양전지판(10)으로부터 발생된 DC 전압을 DC-DC 컨버터(40)를 통해 DC 부하(45)에 직접 전기를 공급하며, 축전지(30)에 충전되도록 공급하도록 제어한다.
충전조절기(20)는 과충전/과방전 방지 회로를 구비하며, 과충전/과방전 방지 회로는 충전조절기(20)로부터 공급되는 DC 전류 및 전압을 충전이나 방전시 축전지의 용량 따라 과충전 및 과방전을 방지한다. 과충전(Over Charge)은 축전지가 일정 전압 이상으로 상승되면, 축전지에 부식이 일어나고 가스가 발생하여 축전지의 수명이 단축된다. 과방전(Over Discharge)은 축전지가 일정 전압(예: DC 24V) 이하로 감소되면, 축전지에서 침전물이 생기고, 축전지의 성능이 점차적으로 저하된다.
축전지(30)는 전기에너지를 화학 에너지로 변환하여 충전하며(charge), 부하(load)에 전원을 공급을 공급하기 위해 방전되어(discharge) 전기에너지를 공급한다.
DC-DC 컨버터(40)는 생성된 DC 전압을 DC 전압을 컨버팅하여 소정의 DC 전압으로 변환하여 DC 부하(DC load)(45)에 전원을 공급한다.
인버터(PV inverter)(50)는 충전조절기(20)와 연결되며, 직류 전압(DC)을 교류 전압(AC)으로 변환하여 AC 부하(AC load)(54)에 소정의 전압을 공급한다.
소규모 태양광 발전 시스템(small-scale PV power system)은 3kWp 미만의 태양전지 용량을 가지며, 가정용 태양전지 어레이 판넬과 스마트 미터 및 홈 에너지 관리 시스템(HEMS. Home Energy Management System)을 구비하는 주택용 시스템, 가정용 전기 제품, 태양열 난방 및 온수 보일러, 등대와 산간 벽지의 전원에 사용되며, 주택 전기 요금을 줄이는 효과가 있다.
또한, 부하의 종류와 계통선 연계 유무에 따는 분류에서는, 1) 독립형 태양광 시스템(Stand-alone type PV system), 2) 계통연계형 태양광 시스템(Utility-connection type PV system)으로 분류된다.
계통 연계형 태양광 발전 시스템은 주택용 PV 시스템(Off-grid system)으로써, 통상적으로 가정용 태양광 시스템은 3kW 전기를 생산한다. 태양광 인버터(inverter)는 Power Conditioner라고도 하며, 태양전지 모듈(PV 모듈)로부터 입력되는 직류 전력을 전류 계통의 교류 전력에 연계 송전이 가능한 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치이다. 전력 계통과 병렬 운전을 수행하는데 필요한 주파수, 전압, 전류, 위상, 무효 전력, 기동 정지, 동기 출력의 품질(전압 변동, 고조파) 제어기능과 "계통 연계 보호 장치"가 구성된다.
계통 연계형 태양광 시스템은 전력 회사의 전력 계통과 연계되며, 생산된 전력을 부하에 즉시 교류로 변환하여 전기를 공급하고, 부족한 전력이나 남은 전력을 계통에 보내거나 받는 방식을 사용한다(On-grid system).
계통 연계형 태양광 시스템은 태양전지 모듈(PV 모듈)의 발생 전력을 고주파 인버터와 고주파 변압기를 통해 전력 계통선과 직접 연결된다.
이와 관련된 선행기술1로써, 특허 등록번호 10-14984490000에서는 "독립형 태양광 발전시스템 및 독립형 태양광 발전시스템의 충전제어방법"이 개시된다. 실시예에 따르면, 배터리의 충전전압이 설정된 배터리의 충전전압보다 크게 되어 정전류 충전방식에서 정전압 충전방식으로 배터리의 충전방식이 전환될 때, 정전류 제어기에서 출력된 PWM 제어신호의 크기가 정전류 제어기에서 생성되는 PWM 제어신호에 반영되어 출력되도록 함으로써, 정전압 충전방식으로 변환되는 구간에서 과도현상의 발생을 억제할 수 있다.
이와 관련된 선행기술2로써, 특허 공개번호 10-2013-0021031에서는 "독립형 태양광 발전설비의 충전 제어 장치 및 방법"이 개시되어 있으며, 독립 전원이 요구되는 부하에 전원을 공급하기 위한 축전지의 충전을 제어하여 발전기와 축전지의 효율적 관리하는 복합 발전기의 충전 제어 장치 및 방법을 제공한다.
이를 위해 태양광 발전을 수행하여 전원을 생산하는 태양광 발전기; 상기 태
양광 발전기에서 생산된 전원을 변환하는 인버터 회로; 상기 태양광 발전기에서 생산된 전원을 충전하고, 상기 충전된 전원을 방전을 통해 부하에 공급하는 축전지; 상기 축전지 전원의 전압 및 전류를 검출하는 전압/전류 센서부; 상기 전압/전류 센서부가 검출한 전압을 분석하여 상기 축전지로의 추가 충전을 위한 보조 발전기의 동작여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 보조 발전기의 동작 제어 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 출력되는 동작 제어 신호에 따라 온/오프되어 전원을 생산하고, 상기 생산된 전원이 축전지에 충전되도록 하는 보조 발전기를 포함한다. 따라서 축전지가 최적의 전압 및 전류 조건에서 충전 및 방전을 수행함으로써 축전지의 사용 효율 개선과 함께 축전지의 수명을 연장시키게 된다.
그러나, 과거 태양열 시스템 산업은 활발하게 성장하기도 하였으나, 외환위기와 기술력 부족, 부실한 A/S, 시스템 제어의 결함발생 등에 의해 국내 태양열 산업 규모가 줄어들고 있는 상황이며, 태양열이 주가 되는 다양한 융복합 시스템 개발이 요구되고 있다.
도 1b는 가정 발전량용 260W급 소용량 태양광 설치 방식(난간 설치용, 고정식, 이동식-콘솔형), 월 평균 전력 사용량과 월 평균 전기요금과 회수기간을 비교한 도면이다.
예를 들면, 월 평균 316kWh의 전기를 사용하는 가정에 발전용량 260W급 태양광 미니 발전소를 설치할 경우, 한 달 평균 약 8 ~ 13천원 전후의 전기요금이 절약되고, 회수기간은 평균 3년이 소요된다.
| 구 분 | 생산 전 | 생산량 | 생산후 | 회수 기간 | |
| 전력사용량/월 | 316kWh | 16~24kWh | 292~300kWh | 2.4~4.2년 (자부담 29 ~ 40만원) |
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| 전기요금/월 | 52천원 | 8~10천원(절감액) | 42~44천원 | ||
현재 우리나라의 연간 에너지 소비량의 40% 정도는 건물 및 상업 부문에서 소비되고 있으며, 아파트 등 집단 거주 건물에 있어 지열과 같은 신재생에너지 시스템의 설치는 설치면적에 따른 제약이 매우 커 활성화가 어려운 상태에 있다.
또한, 기술적 측면에서, 태양열 시스템이 난방과 온수 보일러에 적용될 경우, 200~500W급 소용량 태양열 시스템은 제어장치의 구성이 단순하고 신뢰성이 입증된 정유량 제어가 많이 사용되고 있으나, 이 방식은 순환유량, 집열기 성능요소에 따른 ON-OFF 온도 설정값이 최적화되지 않을 경우, 시스템 효율저하 및 펌프동력이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존과 다른 태양광/태양열 시스템 융복합 제품으로써, 태양광 및 태양열 시스템 융복합을 통한 제로 에너지 하우스를 구현하기 위해, 3kW급 주택용 태양광 설치가 어려운 경우, 태양열 시스템의 집열기와 열교환기, 가정용 순환 펌프용 전기 공급 및 제어 장치로 사용되는 변유량 제어 방식의 시스템 콘트롤러(제어 장치)와 마이크로 인버터와 축전지, 축전지로 사용되는 리튬 이온 배터리가 구비된 200~500W 미니 태양광/태양열 시스템과 변유량 제어 장치와 시스템 모니터링 소프트웨어를 개발하며, 축열조 온도 차에 의한 3단 제어로 조절하고, 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하며, 태양열 시스템은 태양광/태양열 에너지를 가정의 난방/온수 보일러에 사용 시에 순환펌프 회전수 비례 제어를 통해 태양열 교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구 온도를 일정하게 유지하고 정유량 제어 대비 30% 소비전력 효율을 향상시키며, 가정용 주택의 온수/난방, 열 및 급탕에 따른 에너지 손실을 크게 줄이며, 전기 요금을 줄이는, 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템을 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 제1 실시예에 따른 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템은, 태양전지 판넬을 구비하는 집열기; 상기 집열기와 연결되고 소형 가정용 강제순환식 순환 펌프; 상기 순환 펌프와 연동되며, 축열조에서 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하는 열교환기; 상기 태양전지 판넬을 구비하는 집열기와 연결되고, 기존 정유량 제어 방식보다 열성능이 우수하고 펌프의 소비전력을 60% 감소시키는 변유량 제어 방식을 사용하며, 태양광 및 태양열을 융합하여 태양광 충전과 태양열 시스템을 제어하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러; 상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 태양광 충전을 위해 리튬 이온 배터리를 사용하는 축전지; 상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터; 및 집열부, 축열부, 이용부로 구분되고 밸브가 구비된 배관을 통해 연결되며, 집열기와 열교환기, 상기 시스템 콘트롤러를 구비하는 집열부에서 모아진 열을 축열부에 의해 축열하여 이용부로 전달하여 바닥 배관을 통해 온수를 공급하는 난방/온수 보일러가 작동되는 태양열 온수/난방 시스템;을 포함하며,
상기 태양전지 판넬은 3kW 미만의 계통연계형 주택용 태양열 시스템에서 200~500W 전력을 생산하여 주로 온수용 사용하며, 잉여 열량을 난방 보조로 활용하며, 200~500W급 소용량 미니 태양열 시스템에 사용되고,
상기 집열부는 60℃ 이하 저온에서 난방, 급탕을 위해 평판형 집열기를 사용하며, 상기 평판형 집열기는 저철분 강화유리, 집열 도관, 일체형 보온체, 직사각형 형상의 알루미늄 프레임(AL-Frame), 길이 방향으로 형성된 복수의 집열 동판, 및 직사각형에 형상의 보디 케이스를 포함하며,
상기 시스템 콘트롤러는 리튬-이온 배터리용 커패시터 충방전 제어기로 사용되며, 충전 효율: 85% 이상, MPPT 효율: 98% 이상을 성능을 제공하며, 양방향 DC-DC 컨버터 제어기가 구현되고, 모니터링 소프트웨어를 구비하며, 리튬 이온 배터리를 사용한 MFD(Multi Function Device)로써 소정의 DC전압을 AC 전압으로 변환하는 태양광 마이크로 인버터를 사용하고,
상기 집열부와 상기 축열부 사이에 온도 차이에 따른 차온 제어가 설정되며, 온도차이에 따른 태양광 마이크로 인버터의 동작 용량은 3℃ 이하는 정지, 3℃ 이상 ~ 6℃ 이하는 25W, 6℃ 이상 ~ 15℃ 이하는 75W, 15℃ 이상은 100W를 제공하며, 차온 제어와 정유량 제어 방식에 따른 태양열 온수/난방 시스템이 동작하며,
상기 순환 펌프의 온도 차를 통해 전력을 3단계, 1단, 2단, 3단으로 조절하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하며,
상기 시스템 콘트롤러에 의해 태양광/태양열 에너지를 동시에 이용하여 가정의 온수/난방, 냉난방이 되도록 제어되며, 축열조 온도 차에 의한 3단 제어에 의해 전력을 3단계로 1단, 2단, 3단을 조절하고, 순환펌프 회전수를 비례 제어를 통해 태양열 교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구 온도를 일정하게 유지하고 정유량 제어 대비 변유량 제어를 통해 소비전력 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 소규모 태양열 시스템은 태양전지 판넬을 구비하는 집열기; 상기 태양전지 판넬을 구비하는 집열기와 연결되고, 기존 정유량 제어 방식보다 열성능이 우수하고 펌프의 소비전력을 60% 감소시키는 변유량 제어 방식을 사용하며, 태양광 및 태양열을 융합하여 태양광 충전과 태양열 시스템을 제어하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러; 상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 태양광 충전을 위해 리튬 이온 배터리를 사용하는 축전지; 상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터; 및 상기 시스템 콘트롤러와 연결되며, 태양열 충전과 태양열 소비 전력을 모니터링하는 소프트웨어를 구비하는 모니터링 시스템을 포함하는 200~500W 미니 태양광 시스템을 구비하며,
상기 시스템 콘트롤러는 리튬-이온 배터리용 커패시터 충방전 제어기로 사용되며, 충전 효율: 85% 이상, MPPT 효율: 98% 이상을 성능을 제공하며, 양방향 DC-DC 컨버터 제어기가 구현되고, 모니터링 소프트웨어를 구비하며, 리튬 이온 배터리를 사용한 MFD(Multi Function Device)로써 소정의 DC전압을 AC 전압으로 변환하는 태양광 마이크로 인버터를 사용하고,
상기 집열부와 축열부 사이에 온도 차이에 따른 차온 제어가 설정되며, 온도차이에 따른 태양광 마이크로 인버터의 동작 용량은 3℃ 이하는 정지, 3℃ 이상 ~ 6℃ 이하는 25W, 6℃ 이상 ~ 15℃ 이하는 75W, 15℃ 이상은 100W를 제공하며, 차온 제어와 정유량 제어 방식에 따른 태양열 온수/난방 시스템이 동작하며,
상기 태양열 온수/난방 시스템의 순환 펌프의 온도 차를 통해 상기 시스템 콘트롤러에 의해 전력을 3단계로 1단, 2단, 3단으로 조절하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하고,
상기 시스템 콘트롤러는 200~500W 소용량 태양열 시스템용 변유량 제어기를 사용하며, 상기 미니 태양광 시스템은 태양열 온수/난방 시스템 또는 태양열 냉난방 시스템에 사용된다.
상기 시스템 콘트롤러는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환 펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 하며,
상기 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 인버터 사용시 인가하는 전력에 따라 순환 펌프의 모터의 속도가 변화하고, 밸브를 조절하는 것보다는 상기 모터의 속도로 유량을 조절하여 전력 소비를 줄이며,
상기 순환 펌프의 모터의 속도와 회전수를 제어하여 태양열 열교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구온도를 일정하게 유지한다.
상기 시스템 콘트롤러는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 실시하여 정유량 제어 방식 대비 최대 50% 전기 에너지 소비전력을 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템은 기존과 다른 태양광/태양열 시스템 융복합 제품으로써, 태양열 시스템의 집열기와 열교환기, 가정용 순환 펌프용 전기 공급 및 제어 장치로 사용되는 변유량 제어 방식의 시스템 콘트롤러(제어 장치)와 마이크로 인버터와 축전지, 축전지로 사용되는 리튬 이온 배터리가 구비된 200~500W 미니 태양광/태양열 시스템과 변유량 제어 장치와 시스템 모니터링 소프트웨어를 개발하며, 축열조 온도 차에 의한 3단 제어(전력을 3단계: 1단, 2단, 3단)로 조절하고, 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하며, 태양열 시스템은 태양광/태양열 에너지를 가정의 난방/온수 보일러에 사용시에 순환펌프 회전수 비례 제어를 통해 태양열 교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구 온도를 일정하게 유지하고 정유량 제어 대비 30% 소비전력 효율을 향상시키며, 가정용 주택의 온수/난방, 열 및 급탕에 따른 에너지 손실을 크게 줄이며, 전기 요금을 줄이는 효과가 있다.
태양열 시스템은 태양열을 이용한 발전은 효율은 매우 낮으나, 온수 또는 난방 시스템에는 효율이 높고 상대적으로 경제성이 있다.
기술적 측면에서, 태양열 시스템이 난방과 온수 보일러에 적용될 경우, 200~500W급 소용량 태양열 시스템은 제어장치의 구성이 단순하고 신뢰성이 입증된 정유량 제어가 많이 사용되고 있으나, 이 방식은 순환유량, 집열기 성능요소에 따른 ON-OFF 온도 설정값이 최적화되지 않을 경우 시스템 효율저하 및 펌프동력이 많이 소요된다.
이와 달리 본 발명의 200~500W 미니 태양광 시스템과 변유량 제어 시스템은 펌프의 소비전력(시스템 구동에너지)은 정유량 제어에 비해 변유량 제어가 일일 동안 변유량 제어의 총 소비전력은 정유량 제어에 비해 약 60%이상 감소하는 것으로 나타났으며, 이를 감안할 경우 시스템 효율은 변유량 제어방식이 열성능 측면에서 우수하다.
200-500W 미니 태양광/태양열 시스템은 설치 시에, 가정용 주택의 평수에 관계없이 설치가 간단하고, 한 대의 집열기와 제어 장치 시스템을 사용하여 태양광과 태양열을 사용가능하다.
경제산업적 측면에서, 태양광과 태양열을 동시에 사용함으로써 가정 냉-난방 요금 부담을 줄일 수 있고, 신재생에너지원 인 태양광/태양열 융복합 시스템으로 수출 및 내수 시스템의 활용도를 높일 수 있다.
신재생에너지인 태양광/태양열 에너지를 동시에 이용하여 가정의 난방/온수, 냉·난방 부하 분담이 가능하므로, 열 및 급탕에 따른 에너지 손실을 크게 줄일 수 있으며, 특히 신재생에너지를 이용한 가정용 주택에 보급을 활성화하여 국가의 에너지 정책 및 자립화에 도움이 될 것이다.
본 제품은 기존과 다른 태양광/태양열 시스템 융복합 제품 기술개발 완료 후, 핵심요소기술을 활용하여 자체적으로 가정용 소용량 태양광/태양열 시스템을 제품화하여, 이를 양산하여 국내 및 해외 시장에 판로를 개척하여 판매될 예정이다.
본 제품은 일반 가정용에 급탕과 난방으로 공급되는 주택지원사업, 산업시설, 복지시설 등에 급탕(산업공정열)시설에 적용되는 건물지원사업에 사용 가능하다.
제조사가 상대적으로 적은 동남아 지역을 목표로 수출품목 기반을 강화하고, 국내 협력사와 중국 OEM 제조사의 국제협력을 통한 수출판로 가능성 높으며, 해외 휴양지 및 도서지역이 많은 온수 및 난방 시스템이 필요한 지역에 수출할 예정이다.
도 1a는 종래의 3kW 미만의 주택에 사용되는 소규모 태양광 시스템 구성도이다.
도 1b는 가정 발전량용 260W급 소용량 태양광 설치 방식(난간 설치용, 고정식, 이동식-콘솔형), 월 편균 전력 사용량과 월 평균 전기요금과 회수기간을 비교한 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따른 태양광/태양열 융복합 기술로 제작된 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 200~500W 소용량 태양열 시스템용 변유량 제어 방식을 사용하는 시스템 콘트롤러(제어 장치)와, 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터, 리튬 이온 배터리를 사용되는 구성도이다.
도 2b는 200~500W 소용량 태양열 시스템의 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터를 구비하는 아파트 베란다형 미니 태양광 설치 예를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 3b는 집열부(집열기와 열교환기, 제어장치), 축열부 및 이용부를 포함하는 태양열 시스템 구조도이다.
도 4a는 평판형 집열기, 진공관형 집열기 사진이다.
도 4b는 구리 코일 열교환기의 사진이다.
도 5는 축열조의 구조와 제품, 축열조 시스템의 사진이다.
도 6은 태양열 시스템에 사용되는 펌프류의 사진이다.
도 7은 제1 실시예에 따른 태양열 온수 급탕/난방 시스템 구성도이다.
도 8a는 제2 실시예에 따른 태양열 냉난방 시스템 구성도이다.
도 8b는 태양열 온수 급탕/난방 시스템과 태양열 냉난방 시스템 구성도이다.
도 9는 원심 펌프의 기능을 나타낸 도면이다.
도 10은 펌프의 종류와 캔타입 모터와 결합된 순환 펌프를 나타낸 도면이다.
도 11은 소형 가정용 순환 펌프와, 축열조의 온도 차를 통해 전력을 3단계(1단, 2단, 3단)로 조절하는 제어 장치에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 공급하는 것을 나타낸 도면이다.
도 12는 QxH 곡선, 효율 곡선, 운전점과 시스템 특성에 의해 펌프 이론을 설명하기 위한 도면이다.
도 13a는 펌프 효율을 설명한 도면이다.
도 13b는 축열조에서 얻는 열량[q = mCp(Tin-Tout)]과 축열조 온도 차에 의한 차온 제어 동작을 설명한 도면이다.
도 14는 시뮬레이션 계획을 나타낸 도면이다.
도 15는 밸브 제어시의 운전점, 집열기와 축열조 사이의 온도차, 펌프 소비 전력을 설명한 도면이다.
도 16은 차온 제어와 정유량 제어 방식에 따른 태양열 급탕시스템의 열성능 평가를 설명한 도면이다.
도 17은 유량제어방식에 따른 태양열 급탕시스템의 열성능 평가(정유량 시스템 온도, 축열조 온도 분포(정유량), 효율; 변유량 시스템 온도, 축열조 온도 분포(변유량), 소비전력)를 비교한 도면이다.
도 1b는 가정 발전량용 260W급 소용량 태양광 설치 방식(난간 설치용, 고정식, 이동식-콘솔형), 월 편균 전력 사용량과 월 평균 전기요금과 회수기간을 비교한 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따른 태양광/태양열 융복합 기술로 제작된 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 200~500W 소용량 태양열 시스템용 변유량 제어 방식을 사용하는 시스템 콘트롤러(제어 장치)와, 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터, 리튬 이온 배터리를 사용되는 구성도이다.
도 2b는 200~500W 소용량 태양열 시스템의 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터를 구비하는 아파트 베란다형 미니 태양광 설치 예를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 3b는 집열부(집열기와 열교환기, 제어장치), 축열부 및 이용부를 포함하는 태양열 시스템 구조도이다.
도 4a는 평판형 집열기, 진공관형 집열기 사진이다.
도 4b는 구리 코일 열교환기의 사진이다.
도 5는 축열조의 구조와 제품, 축열조 시스템의 사진이다.
도 6은 태양열 시스템에 사용되는 펌프류의 사진이다.
도 7은 제1 실시예에 따른 태양열 온수 급탕/난방 시스템 구성도이다.
도 8a는 제2 실시예에 따른 태양열 냉난방 시스템 구성도이다.
도 8b는 태양열 온수 급탕/난방 시스템과 태양열 냉난방 시스템 구성도이다.
도 9는 원심 펌프의 기능을 나타낸 도면이다.
도 10은 펌프의 종류와 캔타입 모터와 결합된 순환 펌프를 나타낸 도면이다.
도 11은 소형 가정용 순환 펌프와, 축열조의 온도 차를 통해 전력을 3단계(1단, 2단, 3단)로 조절하는 제어 장치에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 공급하는 것을 나타낸 도면이다.
도 12는 QxH 곡선, 효율 곡선, 운전점과 시스템 특성에 의해 펌프 이론을 설명하기 위한 도면이다.
도 13a는 펌프 효율을 설명한 도면이다.
도 13b는 축열조에서 얻는 열량[q = mCp(Tin-Tout)]과 축열조 온도 차에 의한 차온 제어 동작을 설명한 도면이다.
도 14는 시뮬레이션 계획을 나타낸 도면이다.
도 15는 밸브 제어시의 운전점, 집열기와 축열조 사이의 온도차, 펌프 소비 전력을 설명한 도면이다.
도 16은 차온 제어와 정유량 제어 방식에 따른 태양열 급탕시스템의 열성능 평가를 설명한 도면이다.
도 17은 유량제어방식에 따른 태양열 급탕시스템의 열성능 평가(정유량 시스템 온도, 축열조 온도 분포(정유량), 효율; 변유량 시스템 온도, 축열조 온도 분포(변유량), 소비전력)를 비교한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명을 상세하게 설명한다.
계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템은 기존 태양광 시스템 제품과 다른 태양광/태양열 시스템 융복합 제품으로써, 태양열 시스템의 집열기와 열교환기, 가정용 순환 펌프용 전기 공급 및 제어 장치로 사용되는 변유량 제어 방식의 시스템 콘트롤러(제어 장치)와 마이크로 인버터와 축전지, 축전지로 사용되는 리튬 이온 배터리가 구비된 200~500W 미니 태양광/태양열 시스템과 변유량 제어 장치와 시스템 모니터링 소프트웨어를 개발하며, 축열조 온도 차에 의한 3단 제어(전력을 3단계: 1단, 2단, 3단)로 조절하고, 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하며, 태양열 시스템은 태양광/태양열 에너지를 가정의 난방/온수 보일러에 사용시에 순환펌프 회전수 비례 제어를 통해 태양열 교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구 온도를 일정하게 유지하고 정유량 제어 대비 30% 소비전력 효율을 향상시키며, 가정용 주택의 온수/난방, 열 및 급탕에 따른 에너지 손실을 크게 줄이며, 전기 요금을 줄이게 된다.
본 발명은 "계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소용량 태양열 시스템(200-500W)을 이용한 고효율 태양광/태양열 융복합 제어시스템 개발" 과제의 일환으로 작성됐습니다.
- 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 태양열 시스템 펌프용 전기공급 및 제어시스템을 위한 에너지 절감이 가능한 200-500W 소용량 태양열 시스템용 변유량 제어기 개발
- 축전지는 리튬 이온 배터리를 사용하며, 리튬-이온 전지용 커패시터 충방전 제어기(충전 효율: 85% 이상, MPPT 효율: 98% 이상)와 양방향 DC-DC컨버터 제어기 설계 후 모니터링 소프트웨어를 구현하며, 리튬 이온 배터리를 사용한 MFD(Multi Function Device)으로써 다목적 태양광 마이크로 인버터(DC->AC 전압)를 사용
- 순환펌프의 모터의 속도와 회전수를 제어하여 태양열 열교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구온도를 일정하게 유지
- 태양광 및 태양열 시스템 융복합을 통한 제로에너지하우스 구현
- 주요 계측 지점 모니터링 및 통신 시스템 구현
도 2a는 본 발명에 따른 태양광/태양열 융복합 기술로 제작된 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 200~500W 소용량 태양열 시스템용 변유량 제어 방식을 사용하는 시스템 콘트롤러(제어 장치)와, 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터, 리튬 이온 배터리를 사용되는 구성도이다.
기존 태양광 시스템과 달리, 태양광/태양열 융합 기술로 제작된 리튬 이온 배터리를 사용한 MFD(Multi Function Device, 다목적 태양광 마이크로 인버터는 소정의 DC전압 -> AC 전압(예, AC 220V)으로 변환한다. 본 제품은 MFD 전면, MFD 후면, MFD 측면, MFD 상면 사진을 도시하였다.
도 2b는 200~500W 소용량 태양열 시스템의 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터를 구비하는 아파트 베란다형 미니 태양광 설치 예를 나타낸 도면이다.
태양광 시스템과 태양열 시스템이 융복합된 200~500W 소용량 태양열 시스템은 태양전지 판넬을 구비하는 집열기; 상기 태양전지 판넬을 구비하는 집열기와 연결되고, 기존 정유량 제어 방식보다 열성능이 우수하고 펌프의 소비전력을 60% 감소시키는 변유량 제어 방식을 사용하며, 태양광 및 태양열을 융합하여 태양광 충전과 태양열 시스템을 제어하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러; 상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 태양광 충전을 위해 리튬 이온 배터리를 사용하는 축전지; 상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 주택용 태양열 시스템에서 소형 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터; 및 상기 시스템 콘트롤러와 연결되며, 태양열 충전과 태양열 소비 전력을 모니터링하는 소프트웨어를 구비하는 모니터링 시스템을 포함하는 200~500W 미니 태양광 시스템을 구비하며,
상기 시스템 콘트롤러(제어 장치)는 200~500W 소용량 독립형 태양열 시스템용 변유량 제어기를 사용하며, 상기 미니 태양광 시스템은 태양열 온수/난방 시스템 또는 태양열 냉난방 시스템에 사용된다.
상기 시스템 콘트롤러는 리튬-이온 배터리용 커패시터 충방전 제어기로 사용되며, 충전 효율: 85% 이상, MPPT 효율: 98% 이상을 성능을 제공하며, 양방향 DC-DC 컨버터 제어기가 구현되고, 모니터링 소프트웨어를 구비하며, 리튬 이온 배터리를 사용한 MFD(Multi Function Device)로써 다목적 태양광 마이크로 인버터(DC->AC 전압)를 사용한다.
상기 태양열 온수/난방 시스템의 순환 펌프의 온도 차를 통해 전력을 3단계(1단, 2단, 3단)로 조절하며, 시스템 콘트롤러(제어 장치, 시스템 충전 제어기 기능)에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동한다.
상기 시스템 콘트롤러는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환 펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 하며,
상기 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 인버터 사용시 인가하는 전력에 따라 순환 펌프의 모터의 속도가 변화하고, 밸브를 조절하는 것보다는 상기 모터의 속도로 유량을 조절하여 전력 소비를 줄이며,
상기 순환 펌프의 모터의 속도와 회전수를 제어하여 태양열 열교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구온도를 일정하게 유지한다.
상기 시스템 콘트롤러(제어 장치)는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 실시하여 정유량 제어 방식 대비 최대 50% 전기 에너지 소비전력을 줄이는 것을 특징으로 한다.
도 3a, 3b는 집열부(집열기와 열교환기, 제어장치), 축열부 및 이용부를 포함하는 태양열 시스템 구조도이다.
태양열 시스템은 크게 집열부, 축열부, 이용부로 구분되고 밸브가 구비된 배관을 통해 연결되며, 집열기와 열교환기, 제어장치(시스템 콘트롤러)와 연결되는 집열부에서 모아진 열을 축열부에 의해 축열하여 이용부로 전달하여 바닥 배관을 통해 온수를 공급하는 난방/온수 보일러(보조 보일러)가 작동된다.
도 4a는 평판형 집열기, 진공관형 집열기 사진이다.
집열기는 평판형 집열기, 또는 진공관형 집열기를 사용한다.
평판형 집열기는 60℃ 이하 저온 분야(난방, 급탕), 100℃(60℃ 이하) 낮은 온도에서 높은 효율을 유지하며, 가격이 저렴하다.
본 발명의 실시예에서는 60℃ 이하 저온 분야의 난방, 급탕을 위해 평판형 집열기를 사용하였으며, 평판형 집열기는 저철분 강화유리(01), 집열 도관(02), 일체형 보온체(03), 직사각형 형상의 알루미늄 프레임(AL-Frame)(04), 길이 방향으로 형성된 복수의 집열 동판(05), 및 직사각형에 형상의 보디 케이스(06)를 포함한다.
진공관형 집열기는 우측 상측부에 좌우 길이 방향으로 구비된 집열관과, 집열관 내부에 콘덴서를 구비하며, 원통형 강화 유리 내에 진공관이 구비되고, 하단의 흡수판과 일정 거리 이격된 상단의 히트파이프로 구성된다.
진공관형 집열기는 80~200℃ 중고온분야(냉난방, 산업 공정열)에 사용되며, 80~200℃ 중고온 온도에서 높은 효율과 진공을 통한 열손실을 차단하고, 설치면적을 30% 절감한다.
그외 태양열 발전기에 사용되는 PTC형 집열기로 분류된다.
도 4b는 구리 코일 열교환기의 사진이다.
집열기에서 집열판을 통해 흡수된 열은 열교환기(구리 코일 열교환기)에 있는 빈 동관에 전달된다. 동관에 흐르는 냉수는 동관에서 흡수한 열을 통해 온수로 변경되어 열을 전달한다.
도 5는 축열조의 구조와 제품, 축열조 시스템의 사진이다.
축열조는 개방형 축열조, 밀폐형 축열조로 분류되고, 시간과 기후조건에 따라 취득할 수 있는 태양열 시스템의 열에너지를 저장하는 장치이다.
도 6은 태양열 시스템에 사용되는 펌프류의 사진이다.
태양열 시스템에 사용되는 가정용 순환 펌프는 축열조 용량, 유량속도, 압력강화 또는 주어진 회로의 정압 등을 분석하여 효율성이 높은 펌프 제품 선정하며, 패킹, 밸브 등 내부 부품이 고온에 강한지 고려한다.
펌프는 태양열 시스템 열 매체에 화학적으로 안정된 제품을 선정하며, 열 매체와 접하는 펌프는 내식성 재질로 구성되어 있어야 된다.
도 7은 제1 실시예 따른 태양열 온수 급탕/난방 시스템 구성도이다.
태양열 온수 급탕/난방 시스템은 급탕 열교환기, 난방 열교환기, 난방 축열조, 보조 히터, 온수 축열조, 보조 히터 및 온수 급탕/난방 배관 설비(2관식, P-1, P-2, P-3, P-4, M-1, M-2, M-3, M-4)를 구비하며, 이를 통해 온수가 공급된다.
배관 개수에 따른 분류 1관식, 2관식, 3관식, 4관식으로 분류된다.
2관식은 각각의 공급관과 환수관을 갖는 방식이다.
3관식은 공급관 2개(온수관, 냉수관)이고, 환수관이 1개인 방식이다.
4관식은 공급관 2개(냉수관, 온수관), 환수관 2개(냉수관, 온수관)를 갖는 방식이다.
계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소용량 태양광/태양열 융복합 시스템은 태양전지 판넬을 구비하는 집열기; 상기 집열기와 연결된 소형 가정용 강제순환식 순환 펌프; 상기 순환 펌프와 연동되며, 축열조에서 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하는 열교환기; 상기 태양전지 판넬을 구비하는 집열기와 연결되고, 기존 정유량 제어 방식보다 열성능이 우수하고 펌프의 소비전력을 60% 감소시키는 변유량 제어 방식을 사용하며, 태양광 및 태양열을 융합하여 태양광 충전과 태양열 시스템을 제어하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러; 상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 태양광 충전을 위해 리튬 이온 배터리를 사용하는 축전지; 상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 소형 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터; 및
집열부, 축열부, 이용부로 구분되고 밸브가 구비된 배관을 통해 연결되며, 집열기와 열교환기, 시스템 콘트롤러(제어 장치)를 구비하는 집열부에서 모아진 열을 축열부에 의해 축열하여 이용부로 전달하여 바닥 배관을 통해 온수를 공급하는 난방/온수 보일러(보조 보일러)가 작동되는 태양열 온수/난방 시스템;을 포함하며,
상기 시스템 콘트롤러(제어 장치)에 의해 태양광/태양열 에너지를 동시에 이용하여 가정의 온수/난방, 냉난방이 되도록 제어되며, 축열조 온도 차에 의한 3단 제어(전력을 3단계: 1단, 2단, 3단) 및 순환펌프 회전수를 비례 제어를 통해 태양열 교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구 온도를 일정하게 유지하고 정유량 제어 대비 변유량 제어를 사용하여 소비전력 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상기 태양전지 판넬은 3kW 미만의 계통연계형 주택용 태양열 시스템에서 200~500W 전력을 생산하여 주로 온수용 사용하며, 잉여 열량을 난방 보조로 활용하며, 200~500W급 소용량 미니 태양열 시스템에 사용된다.
상기 시스템 콘트롤러(제어 장치)는 200~500W 소용량 태양열 시스템용 변유량 제어기 이다.
상기 축전지는 리튬 이온 배터리를 사용하며, 상기 시스템 콘트롤러는 리튬-이온 전지용 커패시터 충방전 제어기로 사용되며, 충전 효율: 85% 이상, MPPT 효율: 98% 이상을 성능을 제공하며, 양방향 DC-DC 컨버터 제어기가 구현되고, 모니터링 소프트웨어를 구비하며, 리튬 이온 배터리를 사용한 MFD(Multi Function Device)로써 다목적 태양광 마이크로 인버터(DC->AC 전압)를 사용한다.
상기 순환 펌프의 온도 차를 통해 시스템 콘트롤러에 의해 전력을 3단계(1단, 2단, 3단)로 조절하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동한다.
상기 시스템 콘트롤러(제어 장치)는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환 펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 하며,
상기 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 인버터 사용시 인가하는 전력에 따라 순환 펌프의 모터의 속도가 변화하고, 밸브를 조절하는 것보다는 상기 모터의 속도로 유량을 조절하여 전력 소비를 줄이며,
상기 순환 펌프의 모터의 속도와 회전수를 제어하여 태양열 열교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구온도를 일정하게 유지한다.
상기 시스템 콘트롤러(제어 장치)는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 실시하여 정유량 제어 방식 대비 변유량 제어를 통해 최대 50% 전기 에너지 소비전력을 줄인다.
소형 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터는 태양광/태양열 복합응용기술 개발되었으며, 주택용 태양열 시스템에서 소형 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 인버터(DC-AC 전압)이다.
상기 집열기는 60℃ 이하 저온에서 난방, 급탕을 위해 평판형 집열기를 사용하며, 상기 평판형 집열기는 저철분 강화유리(01), 집열 도관(02), 일체형 보온체(03), 직사각형 형상의 알루미늄 프레임(AL-Frame)(04), 길이 방향으로 형성된 복수의 집열 동판(05), 및 직사각형에 형상의 보디 케이스(06)를 포함한다.
도 8a은 제2 실시예에 따른 태양열 냉난방 시스템 구성도이다.
도 8b는 태양열 온수 급탕/난방 시스템과 태양열 냉난방 시스템 구성도이다.
태양열 냉난방 시스템은 집광형 집열기, 태양열 축열조, 보조 히터 및 난방 부하, 배관과 밸브 그리고 태양열 구동 냉동기, 냉각탑, 배관과 밸브, 냉열 축열조 및 냉방 부하를 포함한다.
◇ 제어 방식
- 정유량 제어방식: 차온에 의한 펌프의 On-Off 제어
정유량 방식은 부하가 변동시에 유량은 일정하고 수온을 변화시키는 회로이며, 3방 밸브를 사용하며 에너지 절약에 불리하다.
- 변유량 제어 방식: 차온제어 + 유량제어방식
변유량 방식은 부하 변동에 따라 유령이 변하는 회로이며, 2방 밸브를 사용하고 에너지가 절약된다.
◇ 차온제어장치
- T_on및 T_off 온도 설정
- 유량, 작동온도, 집열 열교환기 용량 등에 따라 적정히 설정, 일반적으로 대략 11~3℃
- 집열 및 축열 순환펌프간의 ON 및 OFF 작동 시간 간의 차 설정 필요
◇ 기타
- 축열조 과열온도 제어는 95℃ 이내에서 조절
- 저온리미트: 4-10℃ [7℃]
◇ 제어장치 구성 시 주의 사항
- 센서의 위치
- 유량의 영향
- 집열온도와 외기온도 차와 집열기 성능
[인버터를 이용한 펌프 제어]
도 9는 원심 펌프의 기능을 나타낸 도면이다.
* 원심 펌프의 기능
- 유체를 운반하고 배관 시스템의 저항을 극복하기 위한 장치.
- 유체는 임펠러의 날개를 따라 흐르고 원심력에 의해 임펠러의 바깥, 원주방향으로 발산.
- 임펠러가 주는 원심력은 물이 날개 영역을 통해 흐를 때 속도와 압력을 증가시킴.
- 펌프의 3가지 구성요소: 펌프 케이싱, 모터, 임펠러
도 10은 펌프의 종류와 캔타입 모터와 결합된 순환 펌프를 나타낸 도면이다.
* 펌프의 종류
A. 펌프에는 여러가지 종류가 있으며, 그 중 밀봉식 펌프에는 "캔 타입 모터 펌프"와 마그네틱 두 종류가 있음.
B. 펌프 축의 인입부를 밀봉하기 위해 미케니컬 샤프트 씰을 사용함. 하지만 유체에 독성과 산성의 유체를 사용할 경우 누수현상이 발생할 수 있어 더블 미케니컬 샤프트 씰을 사용하거나 또는 "밀폐형 씰 펌프"를 사용.
C. 캔 타입 모터 펌프는 모터와 펌프가 한 개의 부품으로 캔 안에서 씰 없이 연결됨.
D. 유체는 얇은 로터 캔으로 분리된 로터 챔버로 유입됨. 로터는 유체와 모터사이에서 밀폐형 보호벽으로 사용됨
태양광/태양열 시스템에서 온수/난방 시스템과 냉난방 시스템에 사용되는 소용량 태양열 펌프류 선정시에는 축열조 용량, 유량속도, 압력강화 또는 주어진 회로의 정압 등을 고려한 효율성 높은 제품 선정, 태양열 시스템 특성 상 고온에 장기간 구동시 우수한 성능을 가진 내부 부품(패킹, 밸브 등) 선정, 열매체에 화학적으로 안정된 내식성 재질 여부 확인한다.
도 11은 소형 가정용 순환 펌프와, 축열조의 온도 차를 통해 전력을 3단계(1단, 2단, 3단)로 조절하는 제어 장치에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비동력과 운전 전류를 공급하는 것을 나타낸 도면이다.
대형 시스템에서는 순환펌프의 유량제어가 가능한 인버터를 사용가능하지만, 소형 가정용 순환펌프는 유량 제어가 가능한 인버터가 없으며, 이를 극복하기 위해 순환 펌프의 온도 차를 통해 시스템 콘트롤러에 의해 전력을 3단계(1단, 2단, 3단)로 조절하는 제어기에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비동력과 운전 전류를 공급한다.
본 발명의 연구 방향은 온도 차를 통해 전력을 3단계로 조절할 수 있는 제어기 개발하며, 축열조의 온도 차가 15℃ 이상일 경우 최대 출력, 3℃ 이하일 경우 동작을 그만 두게 한다.
도 12는 QxH 곡선, 효율 곡선, 운전점과 시스템 특성에 의해 펌프 이론을 설명한 도면이다.
* 펌프 이론
1) Q x H 곡선
Q(x축): 유량, H(y축): 양정 또는 P(y축): 압력
2) 효율 곡선
n(효율)은 % 단위로 나타낸다.
펌프의 크기 및 생산 품질/설치의 적합성에 따라 달라진다.
ntot = nM· nP → ntot : 총 효율, nM : 모터 효율, np : 펌프 효율
3) 시스템 특성의 경우 저항 곡선이라고도 한다. 저항 곡선은 송수관의 저항에 의한 전체적인 시스템의 특성을 나타내며, 시스템의 압력 손실량을 유량에 따라 나타낸 곡선이다.
4) 운전점 & 시스템 특성
운전점은 Q-H 곡선과 시스템 특성 곡선의 교차하는 지점이다.
a: 폐쇄형 시스템 (액체 순환 시스템) 0.0좌에서 시작한다.
도 13a는 펌프 효율을 설명한 도면이다.
난방 순환 펌프의 최고 효율은 펌프 곡선의 중간에 있다. 펌프 제조 회사의 카달로그에서 각 펌프의 최적의 운전점(duty point)을 확인할 수 있다.
* 펌프 효율
1) 글랜드리스 펌프
글랜드리스 펌프를 냉난방 공급 또는 회수 라인에 설치하면 물을 빠르게 이송된다. 그 결과, 더 작은 사이즈의 배관을 사용할 수 있어 시스템의 초기비용도 낮아진다. 또한, 시스템의 배관에 적은 양의 물이 있다는 것을 의미한다. 이로 인해 초기 시스템은 온도 변동에 더 신속하게 반응하고 조절한다.
2) 효율 곡선
n(효율)은 % 단위로 나타낸다.
펌프의 크기 및 생산 품질/설치의 적합성에 따라 달라진다.
ntot = nM· nP → ntot : 총 효율, nM : 모터 효율, np : 펌프 효율
3) 펌프 효율 
P: 모터 출력, Q: 유량, H: 총 양정, 367: 전환 상수, ρ[kg/m3]: 유체밀도
도 13b는 축열조에서 얻는 열량[q = mCp(Tin-Tout)]과 축열조 온도 차에 의한 차온 제어 동작을 설명한 도면이다.
축열조에서 얻는 열량(q)은 q = mCp(Tin-Tout) 식에 의해 계산된다.
여기서, q :취득 열량, m:유량, Cp:비열 상수이다.
시스템 콘트롤러(제어 장치)는 축열조 온도 차에 의한 3단 제어(전력을 3단계: 1단, 2단, 3단)로 조절하고, 시스템 콘트롤러(제어 장치)에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동한다.
시스템 콘트롤러(제어 장치)는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환 펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 하며,
가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 인버터 사용시 인가하는 전력에 따라 순환 펌프의 모터의 속도가 변화하고, 밸브를 조절하는 것보다는 상기 모터의 속도로 유량을 조절하여 전력 소비를 줄이며,
순환 펌프의 모터의 속도와 회전수를 제어하여 축열조와 연동된 열교환기의 1차측 입구온도(Tin)나 2차측 출구온도(Tout)를 일정하게 유지한다.
<개발내용 >
- 주택용 온수/난방 전용 태양광/태양열 융복합시스템 시제품 제작
소용량 태양열 펌프류 선정시에는 축열조 용량, 유량속도, 압력강화 또는 주어진 회로의 정압 등을 고려한 효율성 높은 제품 선정, 태양열 시스템 특성 상 고온에 장기간 구동시 우수한 성능을 가진 내부 부품(패킹, 밸브 등) 선정, 열매체에 화학적으로 안정된 내식성 재질 여부 확인
- 소용량 태양열 시스템에서 차온 제어가 가능한 시스템 콘트롤러(제어 장치) 하드웨어 개발
- 주택용 온수전용 태양광/태양열 융복합시스템 실증 테스트 결과수집 및 분석
- 설비구성품의 규격 및 품질규정(안) 제정
- 태양광/태양열 융복합시스템에서 에너지 효율을 높이기 위한 제어 기술 개발
- 구동 전력 시스템 등의 에너지 소비 최소화
- 열량 및 온도에 계산에 따른 소비전력 제어
- 순환 펌프의 모터의 속도를 제어할 경우 적은 파워로 유량 조절 가능
- 기존 방식의 경우 하루 종일 100W로 운전되며, 밸브를 조절하여 유량 조절
* 3단 제어 및 속도제어(vvvf) 알고리즘 개발
- 인버터를 사용한 모터 속도로 유량 조절
- 100W로 운전이 필요 없는 구간에서 밸브를 조절하는 것보다는 속도로 유량을 조절하여 전력을 아낄 수 있음
* 제어 장치와 유무선 통신을 통해 연동된 컴퓨터에서 모니터링 및 통신기술 개발
- 태양열 온수 시스템에서 가장 핵심적인 축열 온수탱크의 상태, 변화, 가동 상태 자동제어
- 유무선 통신을 통한 통신을 통한 원격제어 및 모니터링을 가능하게 하여 사용자에게 정보 제공
도 14는 시뮬레이션 계획을 나타낸 도면이다.
* 시뮬레이션 계획
A. 순환 펌프의 모터의 속도를 제어할 경우, 적은 파워(Power)로 유량을 조절할 수 있다.
B. 기존의 방식
1) 하루 종일 100W로 운행이 됨.
2) 밸브를 조절하여 유량을 조절.
C. 인버터 사용시 인가하는 전력에 따라 순환 펌프의 모터의 속도가 변화하고, 이를 통해 유량을 조절한다.
D. 1) 100W로 운전이 필요 없는 구간에서 전력을 아낄 수 있다.
2) 밸브를 조절하는 것보다는 순환 펌프의 모터의 속도로 유량을 조절하여 전력을 아낄 수 있다.
E. 온도에 따라 유량을 조절할 때 필요한 파라미터.
1) 온도차이의 데이터 -> 하루치 또는 시간에 따른 온도 차이의 데이터가 있어야 한다.
2) 온도차이에 따른 인버터의 동작 용량
도 15는 본 발명에 따른 밸브 제어시의 운전점, 집열기와 축열조 사이의 온도차, 펌프 소비 전력을 설명한 도면이다.
A. 온도차는 해가 뜨는 오전 8시부터 해가 질 때를 가정하여 임의로 온도차 그래프를 제시한다.
B. 기존 펌프의 경우 부하의 크기에 따라 펌프 전력을 고정하여 사용한다. 그래프에는 최대 전력(100W) 고정한다.
C. 집열기와 축열조 사이의 온도 차에 따라 유량이 증가 또는 감소하여도 운영이 가능하다.
D. 차온 제어 설정
3℃ 이하: 정지
3℃ 이상, 6℃ 이하: 25W
6℃ 이상, 15℃ 이하: 75W
15℃ 이상: 100W
도 16은 차온 제어와 정유량 제어 방식에 따른 태양열 급탕시스템의 열성능 평가를 설명한 도면이다.
* 차온 제어
- 정유량 제어
- 펌프동력이 많이 들어갈 수 있음.
- 고온측 집열기 상부 온도, 저온측 축열조의 하단부 온도
* 변유량 제어
- 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환펌프의 회전수를 제어 -> 유량제어
- 비례제어 사용.
- k는 시스템의 설치여건에 따라 현장에서 학습된 값.
도 17은 유량제어방식에 따른 태양열 급탕시스템의 열성능 평가(정유량 시스템 온도, 축열조 온도 분포(정유량), 효율; 변유량 시스템 온도, 축열조 온도 분포(변유량), 소비전력)를 비교한 도면이다.
결론적으로, 정유량 제어 방식 대신에 변유량 제어 방식을 사용하면, 200~500W 독립형 소용량 태양열 시스템은 태양열 시스템의 집열기와 열교환기, 가정용 순환 펌프용 전기 공급 및 제어 장치로 사용되는 변유량 제어 방식의 시스템 콘트롤러(제어 장치)와 마이크로 인버터와 축전지, 축전지로 사용되는 리튬 이온 배터리가 구비된 200~500W 미니 태양광/태양열 시스템과 변유량 제어 장치와 시스템 모니터링 소프트웨어를 개발하며, 축열조 온도 차에 의한 3단 제어(전력을 3단계: 1단, 2단, 3단)로 조절하고, 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하며, 태양열 시스템은 태양광/태양열 에너지를 가정의 난방/온수 보일러에 사용시에 순환펌프 회전수 비례 제어를 통해 태양열 교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구 온도를 일정하게 유지하고 정유량 제어 대비 변유량 제어 방식을 사용하여 30% 소비전력 효율을 향상시키며, 가정용 주택의 온수/난방, 열 및 급탕, 냉난방에 따른 에너지 손실을 크게 줄이며, 전기 요금을 줄이게 된다.
실내공간의 부하 및 외기조건, 집열량에 따른 태양광/태양열 융복합 시스템의 시스템 콘트롤러(제어 장치)에 의해 최적 운전상태를 유지하기 위해 유량조절 및 보조열원과의 상호성을 유기적으로 조절하기 위한 차단밸브, 바이패스 배관 등의 제어를 설정하고, 다양한 외부조건에 따른 다중제어가 가능하도록 제작한다.
겨울철에는 태양열 시스템의 집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차를 감지하여 3단계에 걸친 순환펌프 가동으로 구동동력 소모 최소화와 안정적인 동파대응 시스템을 구현하며, 여름철에는 기본 집열기와 축열조의 온도차를 이용한 차온제어와 집열부와 축열부의 각 온도차이를 영역별로 구분하여 집열 열량에 따라 축열펌프의 구동시간을 달리 줌으로써 불필요한 펌프구동에 따른 에너지 소비를 감소시킨다.
본 제품은 태양광/태양열 복합응용기술 개발로 고부가가치 창출하며, 경제 활성화 및 고용 인력을 증가 시키고, 신재생에너지의 중요성이 대두되고 있는 시점에 발맞춰 대기업 및 많은 중소기업들이 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 시점에서, 다양한 응용 분야에서, 태양광 마이크로 인버터를 사용한다.
마이크로 인버터는 동남아, 인도, 중국, 아프리카 등지 전력 수급이 어려운 가정의 워터펌프를 동작하는 인버터를 판매할 예정이다.
워터펌프를 구동하여 중국에서는 농업용수, 그리고 아프리카 또는 수도시설이 갖추어져 있지 않은 지역의 수도 공급을 하는데 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 태양전지 판넬을 구비하는 집열기;
상기 집열기와 연결되고, 소형 가정용 강제순환식 순환 펌프;
상기 순환 펌프와 연동되며, 축열조에서 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하는 열교환기;
상기 태양전지 판넬을 구비하는 집열기와 연결되고, 기존 정유량 제어 방식보다 열성능이 우수하고 펌프의 소비전력을 60% 감소시키는 변유량 제어 방식을 사용하며, 태양광 및 태양열을 융합하여 태양광 충전과 태양열 시스템을 제어하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러;
상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 태양광 충전을 위해 리튬 이온 배터리를 사용하는 축전지;
상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터; 및
집열부, 축열부, 이용부로 구분되고 밸브가 구비된 배관을 통해 연결되며, 집열기와 열교환기, 상기 시스템 콘트롤러를 구비하는 집열부에서 모아진 열을 축열부에 의해 축열하여 이용부로 전달하여 바닥 배관을 통해 온수를 공급하는 난방/온수 보일러가 작동되는 태양열 온수/난방 시스템을 포함하며,
상기 태양전지 판넬은 3kW 미만의 계통연계형 주택용 태양열 시스템에서 200~500W 전력을 생산하여 주로 온수용 사용하며, 잉여 열량을 난방 보조로 활용하며, 200~500W급 소용량 미니 태양열 시스템에 사용되고,
상기 집열부는 60℃ 이하 저온에서 난방, 급탕을 위해 평판형 집열기를 사용하며, 상기 평판형 집열기는 저철분 강화유리, 집열 도관, 일체형 보온체, 직사각형 형상의 알루미늄 프레임(AL-Frame), 길이 방향으로 형성된 복수의 집열 동판, 및 직사각형에 형상의 보디 케이스를 포함하며,
상기 시스템 콘트롤러는 리튬-이온 배터리용 커패시터 충방전 제어기로 사용되며, 충전 효율: 85% 이상, MPPT 효율: 98% 이상을 성능을 제공하며, 양방향 DC-DC 컨버터 제어기가 구현되고, 모니터링 소프트웨어를 구비하며, 리튬 이온 배터리를 사용한 MFD(Multi Function Device)로써 소정의 DC전압을 AC 전압으로 변환하는 태양광 마이크로 인버터를 사용하고,
상기 집열부와 상기 축열부 사이에 온도 차이에 따른 차온 제어가 설정되며, 온도차이에 따른 태양광 마이크로 인버터의 동작 용량은 3℃ 이하는 정지, 3℃ 이상 ~ 6℃ 이하는 25W, 6℃ 이상 ~ 15℃ 이하는 75W, 15℃ 이상은 100W를 제공하며, 차온 제어와 정유량 제어 방식에 따른 태양열 온수/난방 시스템이 동작하며,
상기 순환 펌프의 온도 차를 통해 전력을 3단계, 1단, 2단, 3단으로 조절하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하며,
상기 시스템 콘트롤러에 의해 태양광/태양열 에너지를 동시에 이용하여 가정의 온수/난방, 냉난방이 되도록 제어되며, 축열조 온도 차에 의한 3단 제어에 의해 전력을 3단계로 1단, 2단, 3단 제어로 조절하고, 순환펌프 회전수를 비례 제어를 통해 태양열 교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구 온도를 일정하게 유지하고 정유량 제어 대비 변유량 제어를 사용하여 소비전력 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 시스템 콘트롤러는 200~500W 소용량 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 태양열 시스템용 변유량 제어기 인 것을 특징으로 하는 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 시스템 콘트롤러는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환 펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 하며,
상기 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 인버터 사용시 인가하는 전력에 따라 순환 펌프의 모터의 속도가 변화하고, 밸브를 조절하는 것보다는 상기 모터의 속도로 유량을 조절하여 전력 소비를 줄이며,
상기 순환 펌프의 모터의 속도와 회전수를 제어하여 태양열 열교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구온도를 일정하게 유지하는, 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 시스템 콘트롤러는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 실시하여 정유량 제어 방식 대비 최대 50% 전기 에너지 소비전력을 줄이는, 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템. - 태양전지 판넬을 구비하는 집열기;
상기 태양전지 판넬을 구비하는 집열기와 연결되고, 기존 정유량 제어 방식보다 열성능이 우수하고 펌프의 소비전력을 60% 감소시키는 변유량 제어 방식을 사용하며, 태양광 및 태양열을 융합하여 태양광 충전과 태양열 시스템을 제어하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러;
상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 태양광 충전을 위해 리튬 이온 배터리를 사용하는 축전지;
상기 시스템 콘트롤러에 연결되고, 가정용 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 마이크로 인버터; 및
상기 시스템 콘트롤러와 연결되며, 태양열 충전과 태양열 소비 전력을 모니터링하는 소프트웨어를 구비하는 모니터링 시스템을 포함하는 200~500W 미니 태양광 시스템을 구비하며,
상기 시스템 콘트롤러는 리튬-이온 배터리용 커패시터 충방전 제어기로 사용되며, 충전 효율: 85% 이상, MPPT 효율: 98% 이상을 성능을 제공하며, 양방향 DC-DC 컨버터 제어기가 구현되고, 모니터링 소프트웨어를 구비하며, 리튬 이온 배터리를 사용한 MFD(Multi Function Device)로써 소정의 DC전압을 AC 전압으로 변환하는 태양광 마이크로 인버터를 사용하고,
상기 집열부와 축열부 사이에 온도 차이에 따른 차온 제어가 설정되며, 온도차이에 따른 태양광 마이크로 인버터의 동작 용량은 3℃ 이하는 정지, 3℃ 이상 ~ 6℃ 이하는 25W, 6℃ 이상 ~ 15℃ 이하는 75W, 15℃ 이상은 100W를 제공하며, 차온 제어와 정유량 제어 방식에 따른 태양열 온수/난방 시스템이 동작하며,
상기 태양열 온수/난방 시스템의 순환 펌프의 온도 차를 통해 상기 시스템 콘트롤러에 의해 전력을 3단계로 1단, 2단, 3단으로 조절하며, 제어 장치와 시스템 충전 제어기 기능을 하는 시스템 콘트롤러에 의해 1단/2단/3단 운전시 소비전력과 운전 전류를 구동하고,
상기 시스템 콘트롤러는 200~500W 소용량 독립형 태양열 시스템용 변유량 제어기를 사용하며, 상기 미니 태양광 시스템은 태양열 온수/난방 시스템 또는 태양열 냉난방 시스템에 사용되는, 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 시스템 콘트롤러는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환 펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 하며,
상기 순환 펌프의 변유량 제어가 가능한 인버터 사용시 인가하는 전력에 따라 순환 펌프의 모터의 속도가 변화하고, 밸브를 조절하는 것보다는 상기 모터의 속도로 유량을 조절하여 전력 소비를 줄이며,
상기 순환 펌프의 모터의 속도와 회전수를 제어하여 태양열 열교환기의 1차측 입구온도나 2차측 출구온도를 일정하게 유지하는, 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 시스템 콘트롤러는 상기 집열기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 순환펌프의 회전수를 비례 제어를 사용하여 유량 제어를 실시하여 정유량 제어 방식 대비 변유량 제어를 사용하여 최대 50% 전기 에너지 소비전력을 줄이는, 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템.
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