KR20190071433A - 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 기존의 태양광과 연계된 에너지 저장시스템의 운용모드는 태양광발전량 중심으로 설계되어 있어서, 기존 부하기기의 운용상태를 무시한 채 구동시키기 때문에 시스템 과부하에 따른 화재위험과, 부하기기의 잦은 고장으로 인해, 기기구동이 수시로 멈춰버리는 문제점과, 태양광을 통해 축적되는 태양광 발전량 및 기기의 구동상태를 현장에서만 파악할 수 있어, 에너지 저장시스템에 관한 소비자들의 흥미와 관심이 떨어져, 점점 에너지 저장시스템 시장수요가 위축되는 문제점을 개선하고자, 태양광발전부(100), IoT형 ESS(Energy Storage System)부(200)로 구성됨으로서, IoT형 ESS부가 사각박스형상으로 모듈화되어, 태양광발전부에 1:1 컨넥터연결을 통해 빠르고 쉽게 설치할 수 있어 어떠한 환경에서든 설치성과 호환성이 우수하고, 신재생 에너지(태양광에너지)의 출력 변동을 조절하고 전력의 품질을 기존에 비해 80% 향상시켜 신재생에너지의 그리드 통합을 용이하게 하며, 태양광발전부가 여러개로 분산된 곳에 하나의 IoT형 ESS부가 설치되어, 태양광발전부에서 생성된 전기의 전압과 주파수를 기존에 비해 90% 양호하게 제어할 수 있고, 송전 및 발전 시스템의 지원, 특정 가전기기 및 계량기기의 소비자 측의 장비, 배전시스템의 여러 지점에 적용할 수 있으며, 스마트 EMS 제어부의 제1,2,3,4,5,6,7,8 EMS 구동모드를 통해 전력 변환 단계에서 발생하는 손실을 최소화하고 에너지 손실절감 및 전력 에너지 활용을 극대화시킬 수 있고, 태양광발전부의 시간적 한계점인 심야전력을 사용할 때나 기상상태의 한계점인 흐린날 등 전기사용이 필요할 때, 에너지저장시스템에 저장된 전력을 사용함으로서 태양광의 단점을 보완함으로서, 생성된 에너지의 발전량을 기존에 비해 2배~4배 증가시킬 수 있으며, 근거리에 위치한 스마트디바이스 또는 원격지의 원격관리서버쪽으로 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 전송시킬 수 있고, IoT환경구축을 통해 소비자들의 스마트디바이스를 통해 실시간으로 확인할 수가 있어, 에너지 저장 시스템에 관한 소비자들의 흥미와 관심을 기존에 비해 80% 향상시켜 에너지 저장시스템 시장을 활성화시킬 수 있는 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
Description
본 발명에서는 IoT형 ESS부가 사각박스형상으로 모듈화되어, 태양광발전부에 1:1 컨넥터연결을 통해 빠르고 쉽게 설치할 수 있고, 스마트 EMS 제어부의 제1,2,3,4,5,6,7,8 EMS 구동모드를 통해 전력 변환 단계에서 발생하는 손실을 최소화하고 에너지 손실절감 및 전력 에너지 활용을 극대화시킬 수 있으며, 근거리에 위치한 스마트디바이스 또는 원격지의 원격관리서버쪽으로 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 실시간전송시킬 수 있는 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치에 관한 것이다.
에너지 저장시스템(Energy Storage System, ESS)은 신재생 에너지원 또는 발전설비로부터 전기 에너지를 생산하고 에너지 저장 매체에 저장해두었다가 필요한 시기에 사용하기 위한 기술이다.
일반적으로 에너지 저장시스템은 발전소에서 생산된 전력을 공장이나 가정 등에 바로 전달하지 않고 에너지 저장장치에 저장했다가 추후 전력이 필요한 장소와 때에 전달하여 에너지 효율을 높이는 시스템이다.
이런 에너지 저장 기술에 대한 연구는 최근 신재생 에너지의 도입확대, 효율적인 전기 에너지의 사용과 안정적인 전력옥브시스템에 대한 관심의 확대와 더불어 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있다.
하지만, 기존의 태양광과 연계된 에너지 저장시스템의 운용모드는 태양광발전량 중심으로 설계되어 있어서, 기존 부하기기의 운용상태를 무시한 채 구동시키기 때문에 시스템 과부하에 따른 화재위험과, 부하기기의 잦은 고장으로 인해, 기기구동이 수시로 멈춰버리는 문제점이 있었다.
또한, 태양광을 통해 축적되는 태양광 발전량 및 기기의 구동상태를 현장에서만 파악할 수 있어, 에너지 저장시스템에 관한 소비자들의 흥미와 관심이 떨어져, 점점 에너지 저장시스템 시장수요가 위축되는 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는
IoT형 ESS부가 사각박스형상으로 모듈화되어, 태양광발전부에 1:1 컨넥터연결을 통해 빠르고 쉽게 설치할 수 있고, 태양광발전부가 여러개로 분산된 곳에 하나의 IoT형 ESS부를 설치할 수 있으며, 스마트 EMS 제어부의 제1,2,3,4,5,6,7,8 EMS 구동모드를 통해 전력 변환 단계에서 발생하는 손실을 최소화하고 에너지 손실절감 및 전력 에너지 활용을 극대화시킬 수 있고, 근거리에 위치한 스마트디바이스 또는 원격지의 원격관리서버쪽으로 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 실시간전송시킬 수 있어, IoT환경을 구축시킬 수 있는 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치는
태양의 광에너지를 전기에너지로 변환하여 ESS부로 공급시키는 태양광발전부(100)와,
태양광 발전부와 연결되어, 태양광발전부에서 생성된 전기에너지를 저장시키면서, 외부로 현재 발전량 및 각 기기의 구동상태를 실시간으로 전송시키도록 제어하는 IoT형 ESS(Energy Storage System)부(200)로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는
첫째, IoT형 ESS부가 사각박스형상으로 모듈화되어, 태양광발전부에 1:1 컨넥터연결을 통해 빠르고 쉽게 설치할 수 있어 어떠한 환경에서든 설치성과 호환성이 우수하다.
둘째, 신재생 에너지(태양광에너지)의 출력 변동을 조절하고 전력의 품질을 기존에 비해 80% 향상시켜 신재생에너지의 그리드 통합을 용이하게 할 수 있다.
셋째, 태양광발전부가 여러개로 분산된 곳에 하나의 IoT형 ESS부가 설치되어, 태양광발전부에서 생성된 전기의 전압과 주파수를 기존에 비해 90% 양호하게 제어할 수 있다.
넷째, 송전 및 발전 시스템의 지원, 특정 가전기기 및 계량기기의 소비자 측의 장비, 배전시스템의 여러 지점에 적용할 수 있으며, 스마트 EMS 제어부의 제1,2,3,4,5,6,7,8 EMS 구동모드를 통해 전력 변환 단계에서 발생하는 손실을 최소화하고 에너지 손실절감 및 전력 에너지 활용을 극대화시킬 수 있다.
다섯째, 태양광발전부의 시간적 한계점인 심야전력을 사용할 때나 기상상태의 한계점인 흐린날 등 전기사용이 필요할 때, 에너지저장시스템에 저장된 전력을 사용함으로서 태양광의 단점을 보완함으로서, 생성된 에너지의 발전량을 기존에 비해 2배~4배 증가시킬 수 있다.
여섯째, 근거리에 위치한 스마트디바이스 또는 원격지의 원격관리서버쪽으로 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 전송시킬 수 있고, IoT환경구축을 통해 소비자들의 스마트디바이스를 통해 실시간으로 확인할 수가 있어, 에너지 저장 시스템에 관한 소비자들의 흥미와 관심을 기존에 비해 80% 향상시켜 에너지 저장시스템 시장을 활성화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치(1)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치(1)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 태양광발전부의 구성요소를 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 IoT형 ESS(Energy Storage System)부의 구성요소를 도시한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 근거리무선통신모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 7은 본 발명에 따른 양방향 변환기가 스위칭소자인 IGBT스택과 PWM파형으로 이루어지는 것을 도시한 일실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치의 구체적인 동작과정을 도시한 일실시예도.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치(1)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 태양광발전부의 구성요소를 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 IoT형 ESS(Energy Storage System)부의 구성요소를 도시한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 근거리무선통신모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 7은 본 발명에 따른 양방향 변환기가 스위칭소자인 IGBT스택과 PWM파형으로 이루어지는 것을 도시한 일실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치의 구체적인 동작과정을 도시한 일실시예도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치(1)의 구성요소를 도시한 블럭도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치(1)의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 태양광발전부(100), IoT형 ESS(Energy Storage System)부(200)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 태양광발전부(100)에 관해 설명한다.
상기 태양광발전부(100)는 태양의 광에너지를 전기에너지로 변환하여 ESS부로 공급시키는 역할을 한다.
이는 도 3에 도시한 바와 같이, 태양전지셀(110), 셀배터리(120), 인버터(130), 제어장치(140)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 태양전지셀(110)에 관해 설명한다.
상기 태양전지셀(110)은 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시켜 금속전극을 앞, 뒤 표면에 붙여 형성시켜, 태양의 광에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 한다.
이는 넓은 면적의 p-n접합 다이오드로 이루어진다.
상기 n형 반도체는 낮은 정공 밀도와 높은 전자 밀도를 갖으며, 이로 인하여 (-)전하를 띠는 전자의 재료 안에서의 흐름은 순조롭지만 (+)전하를 띠는 정공의 재료 안에서의 흐름은 매우 어렵게 된다.
그리고, p형 반도체에서는 n형 반도체와는 반대의 상황이 나타나며, 태양전지에 빛을 조사하면 과잉된 정공과 전자의 쌍이 빛에 의해 생성되고, 정공과 전자는 p-n 접합부에 존재하는 전기장의 영향으로 인해 정공은 n형 반도체에서 p형 반도체로 흐르게 되고, 전자는 p형 반도체에서 n형 반도체로 흐르게 된다.
이로 인하여, 도선으로 연결되어 있는 외부회로에서 전기를 발생, 전력에너지를 생산하게 된다.
상기 태양전지셀은 직병렬 연결된 구조로 이루어진 태양광 어레이구조로 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지셀은 계통연계형 태양전지셀로 구성된다.
둘째, 본 발명에 따른 셀배터리(120)에 관해 설명한다.
상기 셀배터리(120)는 태양전지셀에서 생성된 전기를 1차 저장하는 역할을 한다.
셋째, 본 발명에 따른 인버터(130)에 관해 설명한다.
상기 인버터(130)는 전기를 직류에서 교류로 변환시키고, 이를 IoT형 ESS부에 연결시키는 역할을 한다.
이는 태양전지셀에서 발생된 직류전력을 IoT형 ESS부에서 설정된 기준 전력과 동일한 주파수와 전력의 교류전력으로 변환시킨다.
넷째, 본 발명에 따른 제어장치(140)에 관해 설명한다.
상기 제어장치(140)는 각 기기의 전반적은 동작을 제어하면서, 기상상태에 따라 변화하는 발전량을 제어시키는 역할을 한다.
이는 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부와 연결되어, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 제어신호에 따라 구동된다.
다음으로, 본 발명에 따른 IoT형 ESS(Energy Storage System)부(200)에 관해 설명한다.
상기 IoT형 ESS(Energy Storage System)부(200)는 태양광 발전부와 연결되어, 태양광발전부에서 생성된 전기에너지를 저장시키면서, 외부로 현재 발전량 및 각 기기의 구동상태를 실시간으로 전송시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 도 4에 도시한 바와 같이, ESS본체(210), 양방향 DC/DC 변환부(220), 충전모듈(230), 충전배터리모듈(240), LCD 제어부(250), 양방향 변환기(260), 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부(270), BMS(Battery Management System)부(280), 근거리무선통신모듈(290), WiFi통신모듈(290a)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 ESS본체(210)에 관해 설명한다.
상기 ESS본체(210)는 사각박스형상으로 형성되어, 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 내부공간 일측에 양방향 DC/DC 변환부가 형성되고, 양방향 DC/DC 변환부 일측에 충전모듈이 형성되며, 충전모듈 일측에 충전배터리모듈이 형성되고, 충전배터리모듈 일측에 LCD 제어부가 형성되며, LCD 제어부 일측에 양방향 변환기가 형성되고, 양방향 변환기 일측에 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부가 형성되며, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부 일측에 BMS(Battery Management System)부가 형성되며, BMS(Battery Management System)부 일측에 근거리무선통신모듈가 형성되고, 근거리무선통신모듈 일측에 WiFi통신모듈이 모듈화되어 형성된다.
그리고, ESS본체의 상면일측, 또는 측면일측에 실내의 급기 및 배기를 담당하는 송풍기(211)가 형성되고, 송풍기 일측에 실내공간의 온도를 측정하는 온도센서가 포함되어 구성된다.
상기 송풍기는 스마트 EMS 제어부의 제어신호에 따라 구동된다.
둘째, 본 발명에 따른 양방향 DC/DC 변환부(220)에 관해 설명한다.
상기 양방향 DC/DC 변환부(220)는 ESS본체의 내부공간 일측에 위치되어, 태양광발전부로부터 유입되는 전원을 DC_DC 변환한 후 PWM 방식으로 제어하여 충전배터리모듈에 전원을 공급하는 역할을 한다.
이는 충전배터리모듈의 전력을 DC-BUS로 방전하거나, 또는 DC-BUS의 전력을 배터리충전모듈로 충전시키도록 Buck 모드와 Boost 모드가 병행되어 구성된다.
즉, Buck 모드와 Boost 모드의 두 가지 모드를 가지므로 두 모드에 대해서 고려하여 구성된다.
Buck 모드 시에는 입력측이 DC-BUS, 출력측이 배터리 측이 된다.
배터리 측 최대 전류는 150 A로 설정하였으며, 출력단 회로가 3병렬로 구성되어 있기 때문에 각 상의 인덕터 전류는 전체 전류의 1/3인 50 A가 된다.
BUCK 모드를 고려한 각 상의 인덕터는 각 상의 배터리 측 리플 전류가 각 상의 인덕터 전류의 15%로 7.5 A가 되도록 구성된다.
Buck 모드에서 Duty는 D=0.759가 되고, 인덕터의 인덕턴스 최소값은 LBuck = 0.927 mH가 된다.
따라서 연속 전류 모드의 Buck 모드에서 설계한 0.927 mH를 기준으로 각 상의 인덕터의 인덕턴스 값을 1 mH로 설정된다.
셋째, 본 발명에 따른 충전모듈(230)에 관해 설명한다.
상기 충전모듈(230)은 내부 충전배터리모듈의 입력전압, 입력전류, 출력전류, 출력전압을 읽어들여 검출 및 연산처리한 후, 충전배터리모듈을 충전시키는 역할을 한다.
이는 태양광발전부에서 생산된 전력을 배터리에 저장 또는 방전하여 사용하기 위한 전기의 특성(AC/DC, 주파수, 전압)을 변환시키도록 제어한다.
그리고, 상기 충전모듈은 다채널 4단자망 구조로 구성된다.
넷째, 본 발명에 따른 충전배터리모듈(240)에 관해 설명한다.
상기 충전배터리모듈(240)은 ESS본체의 내부공간 타측에 위치되어, 캐비넷형상에 복수개의 충전배터리가 셀 구조로 이루어지고, 각 충전배터리의 (+)연결잭에 입력전압 검출단자와 입력전류 검출단자가 연결되고, 각 충전배터리의 (-)연결잭에 출력전압 검출단자와 출력전류 검출단자가 연결되어, 충전모듈를 통해 충전된다.
이는 바나듐 레독스, 리튬이온, 황산화나트륨, 산화납 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
다섯째, 본 발명에 따른 LCD 제어부(250)에 관해 설명한다.
상기 LCD 제어부(250)는 현재 충전배터리모듈의 충전상태 및 충전배터리모듈 잔량을 LCD 화면상에 표출시키는 역할을 한다.
여섯째, 본 발명에 따른 양방향 변환기(260)에 관해 설명한다.
상기 양방향 변환기(260)는 계통의 교류전력을 충전배터리모듈에 필요한 직류전력으로 변환하고 태양광 및 배터리의 직류전력을 계통의 교류전력으로 변환시키는 역할을 한다.
이는 비상시 강제차단기능, 충방전 전력제어기능을 가진다.
또한, 정전시 주파수, 전류, 전압 등 보호기능 및 비상전원 공급기능이 포함되어 구성된다.
동작모드를 전력상황에 따라 설정하여 구동되도록 구성된다.
상기 양방향 변환기는 도 7에 도시한 바와 같이, 스위칭소자인 IGBT스택과 PWM파형으로 이루어진다.
일곱째, 본 발명에 따른 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부(270)에 관해 설명한다.
상기 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부(270)는 하나의 플랫폼상에서 양방향 DC/DC 변환부, 충전모듈, 충전배터리모듈, LCD 표시부와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어시키면서, 충전배터리모듈의 충전상태 및 충전배터리모듈 잔량에 관한 데이터를 제어하는 역할을 한다.
이는 배터리 상태 및 충전모듈 상태에 대하여 모니터링과 충전모듈을 제어하는 역할을 한다.
즉, 수집된 전력 데이터를 기반으로 하여 에너지 관리 서비스 제공하여 DC/DC 변환부, 배터리의 운전 모드 및 운전상태 감시에 의한 제어시행이 가능하다.
또한, 순시전력, 역률, 전류, 전압의 충방전 상태확인이 가능하며 시스템 제어 및 운영성과 이력조회가 가능하다.
상기 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부는 부하의 전력과 태양광 발전량 및 계통 상황, 절전, 최적제어상황에 따라, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 EMS구동모드(271), 제2 EMS구동모드(272), 제3 EMS구동모드(273), 제4 EMS구동모드(274), 제5 EMS구동모드(275), 제6 EMS구동모드(276), 제7 EMS구동모드(277), 제8 EMS구동모드(278)의 8가지 구동모드로 구성된다.
상기 제1 EMS구동모드(271)는 태양광 발전 전력이 부하의 사용량보다 적게 발전되는 경우, 충전배터리모듈의 전력을 사용해 부하 전력의 사용량을 보충하는 모드로서,
이는 배터리 전력의 부족으로 방전할 수 없게 되면 계통의 전원으로 부하의 전력을 보충하도록 구성된다.
상기 제2 EMS구동모드(272)는 태양광 발전 전력이 부하의 사용량보다 많게 발전되는 경우, 계통 혹은 배터리로 발전 전력을 보내는 모드로서,
이는 계통의 가격과 충전배터리모듈의 충전량에 따라 전류의 흐름을 선택하도록 구성된다.
상기 제3 EMS구동모드(273)는 태양광 발전 전력이 없고, 충전배터리모듈의 전력만으로 부하전력을 방전하여 소비하는 모드로서,
이는 충전배터리모듈의 용량의 부족으로 더 이상 방전 능력이 되지 않게되면 계통에서 부하의 소비전력을 가져올 수 있도록 구성된다.
상기 제4 EMS구동모드(274)는 부하의 사용량보다 적게 발전되는 경우 배터리의 전력을 사용하여 부하전력의 사용량을 보충하는 모드로서,
이는 충전배터리모듈 전력의 부족으로 방전할 수 없을 경우 부하는 태양광 발전 전력만큼만 전력을 사용하도록 구성된다.
상기 제5 EMS구동모드(275)는 태양광 발전 전력이 부하의 사용량보다 많게 발전되는 경우, 남는 전력으로 배터리를 충전하는 모드로서, 이는 배터리가 모두 충전되었을 경우의 태양광 발전 전력은 부하의 사용전력에 따라서 발전 전력을 제한하도록 구성된다.
상기 제6 EMS구동모드(276)는 ESS본체의 실내공간 쾌적도가 설정치를 유지하는 동안에 실내의 급기 및 배기를 담당하는 송풍기 동력을 차단하여 에너지를 절감시키는 역할을 한다.
상기 제7 EMS구동모드(277)는 ESS본체의 실내 및 실내의 엔탈피 차이를 비교하여 실내의 엔탈피가 더 클 때, 외기를 취입하여 냉방시키는 역할을 한다.
상기 제8 EMS구동모드(278)는 태양광 발전 전력이 없으며, 배터리 전력만으로 부하전력을 소비하는 모드로서,
이는 배터리 전력의 부족으로 더 이상 방전 능력이 되지 않게 되면 더 이상 부하의 소비 전력을 공급할 수 없도록 구성된다.
여덟째, 본 발명에 따른 BMS(Battery Management System)부(280)에 관해 설명한다.
상기 BMS(Battery Management System)부(280)는 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링기능을 수행하고, 온도, SOH(State Of Health), SOC(State Of Charge)를 관리하면서, 배터리의 충방전 제어기능을 수행하는 역할을 한다.
이는 배터리 셀의 전압 및 온도 상태를 주기적으로 확인 가능하며, 전류제어(과전류, 과전압 감지 후 회로 차단) 및 셀 모듈 밸런싱을 통해 최적화된 안정적인 전력공급을 제공한다.
그리고, 배터리의 충전상태에 대한 정보를 제공하여 과방전 및 과충전 방지, 셀보호, 수명 예측 등 효율적으로 배터리를 사용하기 위하여 제어 및 관리 기능을 수행한다.
아홉째, 본 발명에 따른 근거리무선통신모듈(290)에 관해 설명한다.
상기 근거리무선통신모듈(290)은 근거리에 위치한 스마트디바이스쪽으로 근거리무선통신망을 통해 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 전송시키는 역할을 한다.
이는 도 6에 도시한 바와 같이, 블루투스 통신부(291)와 지그비통신부(292) 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 블루투스 통신부(291)는 10미터 이내의 초단거리에서 저전력무선연결하여, 정보를 교환시키는 역할을 한다.
이는 ISM(Industrial Scientific and Medical) 주파수 대역인 2400~2483.5MHz를 사용한다.
이 중 위아래 주파수를 쓰는 다른 시스템들의 간섭을 막기 위해, 2400MHz 이후 2MHz, 2483.5MHz 이전 3.5MHz까지의 범위를 제외한 2402~2480MHz, 총 79개 채널을 쓴다.
그리고, 시스템간 전파 간섭을 해소하기 위해, 주파수 호핑(Frequency Hopping) 방식으로 구성된다.
주파수 호핑은 많은 수의 채널을 특정 패턴에 따라 빠르게 이동하며 패킷(데이터)을 조금씩 전송하는 기법으로, 본 발명에 서는 79개 채널을 1초당 1600번 호핑하도록 구성된다.
상기 지그비통신부(292)는 2.4GHz의 주파수 대역을 이용하여 근거리(10m~75m)에 위치한 스마트 디바이스쪽으로 250kbps의 데이터 전송률을 제공하는 역할을 한다.
열째, 본 발명에 따른 WiFi통신모듈(290a)에 관해 설명한다.
상기 WiFi통신모듈(290a)은 원거리에 위치한 원격관리서버쪽으로 WiFi통신망을 통해 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 전송시키는 역할을 한다.
이는 무선기술을 접목한 것으로, 고성능 무선통신을 가능하게 하는 무선랜 기술로 구성된다.
상기 무선랜은 네트워크 구축시 유선을 사용하지 않고 전파나 빛 등을 이용하여 네트워크를 구축하는 방식으로서, 2.4GHz의 주파수 대역을 사용한다.
이하, 본 발명에 따른 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
먼저, 도 8에 도시한 바와 같이, 태양광발전부의 태양전지셀이 제어장치의 제어신호에 따라 구동되어, 태양의 광에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
다음으로, 태양광발전부의 셀배터리에서, 태양전지셀을 통해 생성된 전기를 저장한다.
다음으로, 태양광발전부의 인버터에서 전기를 직류에서 교류로 변환시키고, 이를 IoT형 ESS부에 연결시킨다.
다음으로, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 제어신호에 따라 IoT형 ESS부의 양방향 DC/DC 변환부가 구동되어, 태양광발전부로부터 유입되는 전원을 DC_DC 변환한 후 PWM 방식으로 제어하여 충전배터리모듈에 전원을 공급한다.
다음으로, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 제어신호에 따라 IoT형 ESS부의 충전모듈가 구동되어, 충전배터리모듈의 입력전압, 입력전류, 출력전류, 출력전압을 읽어들여 검출 및 연산처리한 후, 충전배터리모듈을 충전시킨다.
다음으로, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 제어신호에 따라 IoT형 ESS부의 충전배터리모듈이 구동되어, 각 충전배터리의 (+)연결잭에 입력전압 검출단자와 입력전류 검출단자가 연결되고, 각 충전배터리의 (-)연결잭에 출력전압 검출단자와 출력전류 검출단자가 연결되어, 충전모듈를 통해 충전된다.
다음으로, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 제어신호에 따라 IoT형 ESS부의 LCD 제어부가 구동되어, 현재 충전배터리모듈의 충전상태 및 충전배터리모듈 잔량을 LCD 화면상에 표출시킨다.
다음으로, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 제어신호에 따라 IoT형 ESS부가 구동되어, 양방향 변환기가 계통의 교류전력을 충전배터리모듈에 필요한 직류전력으로 변환하고 태양광 및 배터리의 직류전력을 계통의 교류전력으로 변환시킨다.
다음으로, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 제어신호에 따라 BMS(Battery Management System)부가 구동되어, 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링기능을 수행하고, 온도, SOH(State Of Health), SOC(State Of Charge)를 관리하면서, 배터리의 충방전 제어기능을 수행한다.
다음으로, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 제어신호에 따라 근거리무선통신모듈이 구동되어, 근거리에 위치한 스마트디바이스쪽으로 근거리무선통신망을 통해 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 전송시킨다.
끝으로, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부의 제어신호에 따라 WiFi통신모듈이 구동되어, 원거리에 위치한 원격관리서버쪽으로 WiFi통신망을 통해 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 전송시킨다.
1 : IoT형 스마트 에너지 저장장치 100 : 태양광발전부
110 : 태양전지셀 120 : 셀배터리
130 : 인버터 140 : 제어장치
200 : IoT형 ESS(Energy Storage System)부
110 : 태양전지셀 120 : 셀배터리
130 : 인버터 140 : 제어장치
200 : IoT형 ESS(Energy Storage System)부
Claims (7)
- 태양의 광에너지를 전기에너지로 변환하여 ESS부로 공급시키는 태양광발전부(100)와,
태양광 발전부와 연결되어, 태양광발전부에서 생성된 전기에너지를 저장시키면서, 외부로 현재 발전량 및 각 기기의 구동상태를 실시간으로 전송시키도록 제어하는 IoT형 ESS(Energy Storage System)부(200)로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치.
- 제1항에 있어서, 상기 태양광발전부(100)는
p형 반도체와 n형 반도체를 접합시켜 금속전극을 앞, 뒤 표면에 붙여 형성시켜, 태양의 광에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지셀(110)과,
태양전지셀에서 생성된 전기를 저장하는 셀배터리(120)와,
전기를 직류에서 교류로 변환시키고, 이를 IoT형 ESS부에 연결시키는 인버터(130)와,
각 기기의 전반적은 동작을 제어하면서, 기상상태에 따라 변화하는 발전량을 제어시키는 제어장치(140)로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치.
- 제2항에 있어서, 상기 태양전지셀(110)은
직병렬 연결된 구조로 이루어진 태양광 어레이구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치.
- 제1항에 있어서, 상기 IoT형 ESS(Energy Storage System)부(200)는
사각박스형상으로 형성되어, 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 ESS본체(210)와,
ESS본체의 내부공간 일측에 위치되어, 태양광발전부로부터 유입되는 전원을 DC_DC 변환한 후 PWM 방식으로 제어하여 충전배터리모듈에 전원을 공급하는 양방향 DC/DC 변환부(220)와,
내부 충전배터리모듈의 입력전압, 입력전류, 출력전류, 출력전압을 읽어들여 검출 및 연산처리한 후, 충전배터리모듈을 충전시키는 충전모듈(230)과,
ESS본체의 내부공간 타측에 위치되어, 캐비넷형상에 복수개의 충전배터리가 셀 구조로 이루어지고, 각 충전배터리의 (+)연결잭에 입력전압 검출단자와 입력전류 검출단자가 연결되고, 각 충전배터리의 (-)연결잭에 출력전압 검출단자와 출력전류 검출단자가 연결되어, 충전모듈를 통해 충전되는 충전배터리모듈(240)과,
현재 충전배터리모듈의 충전상태 및 충전배터리모듈 잔량을 LCD 화면상에 표출시키는 LCD 제어부(250)와,
계통의 교류전력을 충전배터리모듈에 필요한 직류전력으로 변환하고 태양광 및 배터리의 직류전력을 계통의 교류전력으로 변환시키는 양방향 변환기(260)와,
하나의 플랫폼상에서 양방향 DC/DC 변환부, 충전모듈, 충전배터리모듈, LCD 표시부와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어시키면서, 충전배터리모듈의 충전상태 및 충전배터리모듈 잔량에 관한 데이터를 제어하는 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부(270)와,
에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링기능을 수행하고, 온도, SOH(State Of Health), SOC(State Of Charge)를 관리하면서, 배터리의 충방전 제어기능을 수행하는 BMS(Battery Management System)부(280)와,
근거리에 위치한 스마트디바이스쪽으로 근거리무선통신망을 통해 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 전송시키는 근거리무선통신모듈(290)과,
원거리에 위치한 원격관리서버쪽으로 WiFi통신망을 통해 에너지 저장 시스템의 주파수, 전압, 역률, 전류에 관한 모니터링데이터와, 배터리 충방전데이터를 전송시키는 WiFi통신모듈(290a)로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치.
- 제4항에 있어서, 상기 ESS본체(210)는
내부공간 일측에 양방향 DC/DC 변환부가 형성되고, 양방향 DC/DC 변환부 일측에 충전모듈이 형성되며, 충전모듈 일측에 충전배터리모듈이 형성되고, 충전배터리모듈 일측에 LCD 제어부가 형성되며, LCD 제어부 일측에 양방향 변환기가 형성되고, 양방향 변환기 일측에 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부가 형성되며, 스마트 EMS(Enterprise Management System)제어부 일측에 BMS(Battery Management System)부가 형성되며, BMS(Battery Management System)부 일측에 근거리무선통신모듈가 형성되고, 근거리무선통신모듈 일측에 WiFi통신모듈이 모듈화되어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치.
- 제4항에 있어서, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(220)는
충전배터리모듈의 전력을 DC-BUS로 방전하거나, 또는 DC-BUS의 전력을 배터리충전모듈로 충전시키도록 Buck 모드와 Boost 모드가 병행되어 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 연계식 IoT형 스마트 에너지 저장장치.
- 제4항에 있어서, 상기 스마트 EMS 제어부(270)는
태양광 발전 전력이 부하의 사용량보다 적게 발전되는 경우, 충전배터리모듈의 전력을 사용해 부하 전력의 사용량을 보충하는 제1 EMS구동모드(271)와,
태양광 발전 전력이 부하의 사용량보다 많게 발전되는 경우, 충전배터리모듈로 발전 전력을 보내는 제2 EMS구동모드(272)와,
태양광 발전 전력이 없으며, 충전배터리모듈의 전력만으로 부하전력을 방전하여 소비하는 제3 EMS구동모드(273)와,
부하의 사용량보다 적게 발전되는 경우 충전배터리모듈의 전력을 사용하여 부하전력의 사용량을 보충하는 제4 EMS구동모드(274)와,
태양광 발전 전력이 부하의 사용량보다 많게 발전되는 경우, 남는 전력으로 충전배터리모듈을 충전시키는 제5 EMS구동모드(275)와,
ESS본체의 실내공간 쾌적도가 설정치를 유지하는 동안에 실내의 급기 및 배기를 담당하는 송풍기 동력을 차단하여 에너지를 절감시키는 제6 EMS구동모드(276)와,
ESS본체의 실내 및 실내의 엔탈피 차이를 비교하여 실내의 엔탈피가 더 클 때, 외기를 취입하여 냉방시키는 제7 EMS구동모드(277)와,
태양광 발전 전력이 없으면, 충전배터리모듈 전력만으로 부하전력을 소비하는 제8 EMS구동모드(278)로 구성되는 것을 특징으로 하는 모듈형 PMU센터의 최적제어형 스마트 에너지 관리 장치.
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Legal Events
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