KR20200022082A - 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템 및 이를 위한 발전 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템 및 이를 위한 발전 방법에 관한 것으로, 상기 발전 시스템은 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC) 및 배터리 에너지 저장장치(BESS)를 포함하여 에너지 저장 시스템의 용량 증대를 위한 설비 비용이 낮고 순시적인 부하 변화에 즉각적으로 대응할 수 있을 뿐만 아니라 연료 전지 시스템의 단위 모듈화를 통하여 부하추종속도에 따른 느린 발전 속도를 향상시키는 효과가 우수하고, 배터리의 방전량을 낮추어 수명을 개선하는 효과가 우수한 이점이 있다.
Description
본 발명은 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템 및 이를 위한 신재생 에너지 하이브리드 발전 방법에 관한 것이다.
중앙 집중식 방식의 대규모 화석 연료의 발전을 줄이고 신재생 에너지 사용의 확대를 위하여 태양광이나 풍력 등을 이용한 발전 및 연료 전지 등의 신재생 에너지를 기반으로 하는 발전 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 도서·산간 지역에서의 재생 에너지 발전 장치(RG)은 신재생 에너지의 사용을 촉진시킬 뿐만 아니라 발전 설비의 비용 부담을 줄이는 이점이 있어 그 관심이 높아지고 있다.
이러한 재생 에너지 발전 장치는 에너지 밀도가 낮은 자연 에너지를 이용하여 발전되는 신재생 에너지가 불규칙적이므로, 전력 수요에 따라 효율적으로 전력을 공급하기 위해서는 재생 에너지 발전 장치와 발전된 전기를 저장하는 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)이 혼용하는 형태로 이용되어야 한다.
그러나 이러한 발전 시스템은 재생 에너지 발전 장치가 가동되지 않을 때 충분한 전력을 공급하기 위하여 에너지 저장 시스템(ESS)의 용량이 커야 하므로 이를 위한 설비 비용이 높은 한계가 있다. 또한, 상기 문제를 보완하기 위하여 하이브리드 발전 시스템에 연료 전지 시스템(FC)을 혼용하는 경우 설비 비용은 절감할 수 있으나, 순시적인 부하에 대한 연료 전지의 동적 응답 특성이 느려 과부하나 피크부하에 충분히 대응하기 어려운 한계가 있다.
본 발명의 목적은 재생 에너지 발전 장치(RG) 및 에너지 저장장치(ESS)와 함께 연료 전지 시스템을 구비하여 설비 비용을 절감하는 한편, 순시적인 부하에 대한 즉각적인 대응이 가능한 하이브리드 발전 시스템 및 이를 위한 발전 방법을 제공하는데 있다.
이에 상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
전원으로서 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC) 및 배터리 에너지 저장장치(BESS)가 개별 접속된 전원 버스부; 및 상기 전원 버스부에 접속되고, 전원 버스부로부터 공급된 전력이 1 이상의 부하에 공급되도록 전력을 제어하는 전력변환장치(PCS)를 포함하며,
상기 연료 전지 시스템(FC)은 각각 개별적으로 운전되는 2 이상의 연료 전지 모듈을 구비하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전방법을 제공한다.
본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템은 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC) 및 배터리 에너지 저장장치(BESS)를 포함하여 에너지 저장 시스템의 용량 증대를 위한 설비 비용이 낮고 순시적인 부하 변화에 즉각적으로 대응할 수 있을 뿐만 아니라 연료 전지 시스템의 단위 모듈화를 통하여 부하추종속도에 따른 느린 발전 속도를 향상시키는 효과가 우수하고, 배터리의 방전량을 낮추어 수명을 개선하는 효과가 우수한 이점이 있다.
도 1은 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템에 구비된 연료 전지 시스템(FC)에 따른 시간에 따른 발전량 차이를 나타내는 그래프로서, (a)는 연료 전지 시스템(FC)이 단일 연료 전지 모듈인 경우를 나타내고, (b)는 연료 전지 시스템(FC)이 단위 모듈화된 복수의 연료 전지 모듈인 경우를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템의 개별 전원의 개략적인 회로도(a)와 순시적인 부하 변화 시 개별 전원의 시간에 따른 전압 및 전력 변화를 도시한 그래프(b)이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 모듈의 구성을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템의 운전 시 개별 전원의 제어모드를 도시한 개략도이다.
도 6은 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC)에 따른 연료 전지 시스템(FC)의 제어과정을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템의 개별 전원의 개략적인 회로도(a)와 순시적인 부하 변화 시 개별 전원의 시간에 따른 전압 및 전력 변화를 도시한 그래프(b)이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 모듈의 구성을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템의 운전 시 개별 전원의 제어모드를 도시한 개략도이다.
도 6은 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC)에 따른 연료 전지 시스템(FC)의 제어과정을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 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 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 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.
본 발명에서, "부하"는 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC), 배터리 에너지 저장장치(BESS) 등으로부터 공급된 전력을 소비하는 개체로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다. 또한, 상기 부하에 공급되는 전력은 가정이나 공장 등에서 통상적으로 사용되는 전압/주파수 조건을 가질 수 있다. 하나의 예로서, 상기 부하에 공급되는 전력은 380/220V의 전압 및 60 Hz의 주파수를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에서, "정격전압"은 부하의 정상적인 동작을 유지시키기 위해 공급해 주어야 하는 기준전압을 의미한다.
본 발명은 하이브리드 발전 시스템 및 이를 위한 발전 방법에 관한 것이다.
종래 재생 에너지 발전 장치는 에너지 밀도가 낮은 자연 에너지를 이용하여 발전되는 신재생 에너지가 불규칙적이므로, 전력 수요에 따라 효율적으로 전력을 공급하기 위해서는 재생 에너지 발전 장치와 발전된 전기를 저장하는 에너지 저장장치(energy storage system, ESS)가 혼용하는 형태로 이용되고 있다.
그러나 이러한 발전 시스템은 재생 에너지 발전 장치가 가동되지 않을 때 충분한 전력을 공급하기 위하여 에너지 저장 시스템(ESS)의 용량이 커야 하므로 이를 위한 설비 비용이 높은 한계가 있다. 또한, 상기 문제를 보완하기 위하여 하이브리드 발전 시스템에 연료 전지 시스템(FC)을 혼용하는 경우 설비 비용은 절감할 수 있으나, 순시적인 부하에 대한 연료 전지의 동적 응답 특성이 느려 과부하나 피크부하에 충분히 대응하기 어려운 한계가 있다.
이에, 본 발명은 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템 및 이를 위한 발전 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템은 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC) 및 배터리 에너지 저장장치(BESS)를 포함하여 에너지 저장 시스템의 용량 증대를 위한 설비 비용이 낮고 순시적인 부하 변화에 즉각적으로 대응할 수 있을 뿐만 아니라 연료 전지 시스템의 단위 모듈화를 통하여 부하추종속도에 따른 느린 발전 속도를 향상시키는 효과가 우수하고, 배터리의 방전량을 낮추어 수명을 개선하는 효과가 우수한 이점이 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 일실시예에서,
전원으로서 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC) 및 배터리 에너지 저장장치(BESS)가 개별 접속된 전원 버스부; 및 상기 전원 버스부에 접속되고, 전원 버스부로부터 공급된 전력이 1 이상의 부하에 공급되도록 전력을 제어하는 전력변환장치(PCS)를 포함하며,
상기 연료 전지 시스템(FC)은 각각 개별적으로 운전되는 2 이상의 연료 전지 모듈을 구비하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템은 전력을 공급하는 전원 버스부와 상기 전원 버스부에 접속되어 전원 버스부로부터 공급된 전력을 1 이상의 부하에 공급되도록 변환하는 전력변환장치(PCS)를 포함한다.
이때, 상기 연료 전지 시스템(FC)은 연료 전지가 단위 모듈화된 연료 전지 모듈을 포함할 수 있다. 구체적으로, 연료 전지 모듈에 구비된 연료 전지부는 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 배터리에 비하여 부하에 대응하는 추종속도가 느리고, 급격한 부하 변화에 따른 출력 변화는 연료전지 스택 수명에 악영향을 줄 수 있으므로 연료전지 스택의 성능을 보장하기 위한 최소한의 부하추종 속도 제한을 두게 된다. 이러한 속도 제한으로 인해 전력이 생산되는 속도 또한 제한된다. 그러나, 본 발명은 전체 부하에 대응하기 위하여 연료 전지 시스템(FC) 내에 연료 전지가 단위 모듈화된 복수개의 연료 전지 모듈을 구비하여 도 1에 나타낸 바와 같이 연료 전지 시스템(FC)의 부하추종 속도를 연료 전지 모듈의 개수에 비례화함으로써 연료 전지 시스템(FC)의 부하대응 성능을 향상시킬 수 있으며, 동시에 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 배터리의 방전량(depth of discharge, DOD)을 저감시켜 배터리 수명을 연장시키는 효과가 있다. 여기서, 연료 전지 시스템에 구비된 연료 전지 모듈의 개수는 2 내지 100일 수 있고, 보다 구체적으로는 5 내지 90개, 10 내지 50개, 50 내지 100개, 2 내지 80개, 2 내지 60개, 2 내지 40개, 2 내지 20개, 2 내지 10개, 5 내지 15개, 5 내지 10개, 또는 2 내지 5개일 수 있다.
하나의 예로서, 연료 전지 시스템(FC)은 20 kW의 전력을 생산하는 하나의 연료 전지부를 2 kW의 전력을 생산하는 10개의 연료 전지부 모듈을 포함하여 동일한 전력을 보다 빠르게 생성할 수 있다.
이와 더불어, 상기 연료 전지 시스템(FC)은 복수개의 연료 전지 모듈을 출력전력을 확장하고 고장 발생 시 보수의 편리성을 위하여 병렬로 연결하는 구성을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템을 도시한 이미지이다. 이하에서, 상기 도 2를 참조하여 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템의 각 구성을 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 전원 버스부는 독립적으로 운영되는 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템, 배터리 에너지 저장장치(battery energy storage system, BESS)를 포함하는 구성을 갖는다. 본 발명은 전원 버스부에 개별 전원으로서 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC) 및 배터리 에너지 저장장치(BESS)를 구비하여 발전 설비를 설치하는 비용을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 밤/낮의 변화와 같이 시간에 따른 환경조건 변화로 재생 에너지 발전 장치(RG)가 가동되지 않는 경우에도 전력을 일정하게 공급할 수 있다.
여기서, 상기 전원 버스부는 그 형태가 특별히 제한되는 것은 아니나, 에너지 효율 측면에서 직류 버스(direct current bus, DC-BUS)형일 수 있다. 직류 버스(DC-BUS)는 교류 버스(alternating current bus, AC-BUS)와 달리 시스템의 안정도, 주파수 동기화 및 무효전력에 대한 문제가 없을 뿐만 아니라, 태양광, 풍력, 연료 전지 같은 직류 발전 시스템에 2차 전력 변환 없이 적용할 수 있으므로` 에너지 측면에서 효율적이다. 아울러, 상기 전원 버스부는 각 전원의 출력 기준전압 차이, 즉 전원간 출력 시 전위차에 따라 자동적으로 가동하는 구성을 가지므로 각 전원 간의 정보를 송수신하지 않는 자율 제어 방식을 사용할 수 있다.
나아가, 상기 전원 버스부는 각 전원의 출력 기준전압이 식 1의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다. 본 발명에 따른 상기 전원들은 식 1을 만족하는 출력 기준전압으로 설정됨으로써 전원 버스부와 부하 사이에서 발생되는 유효전력/무효전력에 따라 출력 전압을 낮추려고 하는 드룹 제어(droop control) 방식에 의해 전원 버스부의 전압에 따라 설정된 출력 기준전압에 맞춰 운전 시퀀스를 가질 수 있으며, 각 전원은 상기 운전 시퀀스에 따라 독립적으로 자동 운영될 수 있다. 상기 드룹 제어(droop control)는 각 전원 및 전력변환장치(PCS)간의 연계나 별도의 제어 없이 각 전원을 자동적으로 제어할 수 있으므로 신뢰성이 높은 이점이 있다:
[식 1] VRG ≥ VFC ≥ VBESS
(식 1에서,
VRG는 재생 에너지 발전 장치(RG)의 출력 기준전압이고,
VFC는 연료 전지 시스템(FC)의 출력 기준전압이며,
VBESS는 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 출력 기준전압이다).
여기서, 각 전원별 출력 기준전압은 식 1에 나타낸 바와 같이 재생 에너지 발전 장치(RG)의 출력 기준전압(VRG)이 가장 높고, 이후 연료 전지 시스템(VFC) 및 배터리 에너지 저장장치(VBESS)의 순으로 출력 기준전압이 높을 수 있다.
본 발명은 각 전원의 출력 기준전압을 상기와 같은 순으로 제어함으로써, 부하 발생으로 인해 전원 버스부의 출력이 요구될 경우, 전원 버스부의 전압에 따라 출력 기준전압이 높은 전원 순으로 자동 병입되어 가동되는 구성을 갖는다. 예컨대, 본 발명의 신재생 에너지 하이브리드 시스템은 부하 발생으로 인한 전원 버스부의 출력이 요구될 경우 부하 대응속도가 빠른 배터리 에너지 저장장치(BESS)가 먼저 가동되고, 가동된 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC)가 설정값 미만으로 낮아지기 이전에 도 3에 나타낸 바와 같이 출력 기준전압이 가장 높은 재생 에너지 발전 장치(RG)가 병입되어 가동될 수 있다. 그 후 재생 에너지 발전 장치(RG)의 가동으로 인해 전원 버스부의 전압이 연료 전지 시스템(FC)의 출력 기준전압(VFC)까지 낮아지면 연료 전지 시스템(FC)이 추가적으로 병입되어 운전될 수 있다. 이와 더불어, 재생 에너지 발전 장치(RG)의 경우와 마찬가지로 연료 전지 시스템(FC)의 운전으로 인해 전원 버스부의 전압이 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 출력 기준전압(VBESS)까지 낮아지면 배터리 에너지 저장장치(BESS)가 추가적으로 병입되어 가동될 수 있다. 이와 같이 본 발명은 부하 발생에 따라 대응 속도가 빠른 배터리 에너지 저장장치(BESS)가 대응한 후 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC)가 설정된 수준을 벗어나기 이전에 설정된 각 전원의 출력 기준전압이 높은 순으로 가동 시퀀스를 가짐으로써 배터리 에너지 저장장치(BESS) 사용의 최소화를 통해 충전 상태(SOC)를 최대로 유지할 수 있으므로 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 용량 및 수명 문제를 개선할 수 있다.
한편, 각 전원은 100V 내지 1,000V의 출력 기준전압, 보다 구체적으로는 100V 내지 9000V, 100V 내지 800V, 100V 내지 700V, 100V 내지 600V, 100V 내지 500V, 100V 내지 400V¸100V 내지 300V, 200V 내지 1,000V, 400V 내지 1,000V, 600V 내지 1,000V, 800V 내지 1,000V, 200V 내지 700V, 400V 내지 600V¸500V 내지 800V 또는 300V 내지 500V의 출력 기준전압으로 설정될 수 있으며, 상기 범위는 신재생 에너지 하이브리드 발전기의 설계 여건에 따라 적절히 조절될 수 있다.
다음으로, 상기 재생 에너지 발전 장치(RG)는 비통제 전원(non-controlled power supply)으로서 별도의 제어부를 포함하지 않고, 설정된 출력 기준전압을 기준으로 전원 버스부의 전압에 따라 독립적으로 가동될 수 있다.
이러한 재생 에너지 발전 장치(RG)로는 화석 연료 또는 원자력을 이용한 발전 시스템이 아니라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 재생 에너지 발전 장치(RG)로는 태양광 발전기, 태양열 발전기, 풍력 발전기, 수력 발전기, 계단의 압전 에너지 블록 시스템, 전동기의 회생제동 에너지 시스템, 지열 발전기 및 조력 발전기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 재생 에너지 발전 장치(RG)는 태양광 발전기와 풍력 발전기를 함께 포함할 수 있고, 경우에 따라서는 2 이상의 태양광 발전기를 포함할 수 있다. 아울러, 재생 에너지 발전 장치(RG)는 그 종류에 따라 가동 시간이 제어될 수 있으며, 장치가 설치된 주변 환경 조건, 예컨대 날씨, 일조량, 온도, 풍량, 설치되는 지점의 위치 조건(경도/위도나 고도 등) 등은 물론 밤/낮 등의 시간 변화에 따라 발전량이 영향 받을 수 있다.
다음으로, 연료 전지 시스템(FC)은 앞서 설명한 바와 같이 연료 전지가 단위 모듈화된 연료 전지 모듈을 복수개 구비하고, 여기서, 상기 연료 전지 모듈 각각은 도 4에 나타낸 바와 같이,
태양광 전지(photovoltaic cell, PV)와 같은 재생 에너지 발전 장치(RG) 등을 포함하는 전원 공급원으로부터 공급받은 전력으로 전해조에 있는 초순수를 전기 분해하여 수소(H2)를 발생시키는 수전해부;
수전해부와 연결되어 발생된 수소(H2)를 저장하는 수소(H2) 저장부;
수소 저장부(H2)와 연결되어 저장된 수소(H2)를 공급받고, 공급된 수소(H2)로부터 전력과 초순수를 생성하는 스택을 포함하는 연료 전지부; 및
연료 전지부와 연결되어 생성된 초순수를 수전해부의 전해조에 공급하는 수 공급부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 모듈은 전원 버스부에 접속된 재생 에너지 발전 장치(RG) 외에 별도로 설비된 재생 에너지 발전 장치(RG)로부터 공급받은 전력으로 전해조의 초순수를 전기 분해하여 수소(H2)를 생성할 수 있고, 이렇게 생성된 수소(H2)는 수소(H2) 저장부에 저장하였다가 부하에 전력을 공급하여야 할 경우, 연료 전지부에 공급되어 연료 전지부의 스택에서 전력과 초순수로 전환할 수 있다.
이때, 전해조에서 전기 분해되는 물은 전기 분해 시 순수하게 수소(H2)와 산소(O2)만을 생성하기 위한 정제수(Deionized water, DI water) 등과 같은 초순수일 수 있으며, 상기 초순수는 전도도가 10 us/cm 이하, 구체적으로는 1~10 us/cm일 수 있다. 또한, 수소(H2) 저장부에서 공급된 수소(H2)를 이용하여 연료 전지부의 전지 스택에서 생성된 반응수는 순수한 수소(H2)와 공기 중의 산소(O2)가 반응하여 생성되므로 전도도 10 us/cm 이하의 초순수일 수 있다.
이와 더불어, 상기 연료 전지 모듈은 연료 전지부와 연결되어 연료 전지부의 스택에서 생성된 초순수를 수전해부의 전해조에 공급하는 수 공급부를 포함할 수 있다. 본 발명은 수 공급부를 포함함으로써 연료 전지부에서 생성된 반응수를 수 전해부에서 사용되는 초순수로 재활용할 수 있으므로 초순수 제조를 위한 번거로운 공정을 생략할 수 있어 공정성이 우수하고, 생산성이 높은 이점이 있다.
한편, 일반적으로 전해조는 수소(H2) 생성 시, 고온의 초순수를 사용하는 경우 수소(H2) 생산 효율을 극대화할 수 있다. 이에, 본 발명은 초순수가 담긴 연료 전지부의 전해조 온도를 높이기 위하여 연료전지 모듈의 전력 생성 시 스택에서 발생되는 폐열을 집열(축열)하여 전해조에 전달하는 구성을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 연료 전지 모듈은 도 4에 나타낸 바와 같이, 연료 전지부에서 발생하는 폐열을 집열시키는 집열부; 및 집열부의 열원을 열 교환에 의해 수전해부의 전해조로 전달하는 열 교환부를 더 포함할 수 있다. 상기 연료 전지 모듈은 집열부와 열 교환부를 구비함으로써 연료 전지부에서 발생되는 폐열을 전해조에 효과적으로 전달하여 전해조의 초순수를 별도의 에너지(또는 전력)를 소비하지 않고도 효율적으로 가열할 수 있고, 수소 생산 시 전해조의 가열을 위한 준비 시간이 요구되지 않아 수소 생산 효율이 증가하는 이점이 있다.
이때, 전해조의 온도는 50℃ 내지 90℃일 수 있고, 구체적으로는 50℃ 내지 80℃, 60℃ 내지 90℃, 60℃ 내지 80℃, 55℃ 내지 75℃, 50℃ 내지 65℃, 65℃ 내지 90℃ 또는 65℃ 내지 75℃일 수 있다.
나아가, 전해조에서 생성된 수소(H2)와 산소(O2)는 따로 압축하여 저장한 후 사용할 경우 연료전지 모듈의 연료극에는 압축된 수소를 공급하고, 공기극에는 압축된 산소를 공급하여 연료전지의 모듈에서 공기 중의 산소를 공급하기 위한 에어블로워 공정을 수행하지 않아도 되고, 에어블로워 공정으로 인한 전력 소비를 없앨 수 있으므로 연료전지 모듈의 효율을 약 10% 이내로 향상시킬 수 있고, 추가적인 원가절감 효과를 얻을 수 있다.
아울러, 상기 연료 전지 시스템(FC)은 제어부(energy management system, EMS)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 여기서, 상기 제어부(EMS)는 도 5에 나타낸 바와 같이 전원 버스부에 연계되어 부하(laod) 발생 시 부하에서 요구하는 전력랑(PL)을 수신함과 동시에 재생 에너지 발전 장치(RG)의 각 전력량(PRG, PW 및/또는 PPV), 연료 전지 시스템(FC)의 전력량(PFC)과 저장된 수소(H2)의 부피량(VH2), 및 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 전력량(PESS)과 충전 상태(SOC)를 계측 및/또는 수신할 수 있다. 또한, 상기 제어부(EMS)는 비례적분 제어기(PI controller), 비례 적분미분 제어기(PID controller) 등의 포함하여 설정된 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC) 기준값을 추종하도록 제2 전원인 연료 전지 시스템의 가동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(EMS)는 도 6와 같이 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC) 기준값(85% 이상)이 설정되면 배터리 에너지 저장장치(BESS)로부터 수신된 시스템의 충전 상태(SOC) 및/또는 배터리 용량(battery capacity)이 설정된 충전 상태(SOC) 기준값 보다 낮은 경우(<85%), 배터리 에너지 저장장치(BESS)가 상기 충전 상태(SOC) 기준값을 추종할 수 있도록 비례적분제어기(PI controller)를 통해 연료 전지 시스템(FC)을 가동(ON)시킬 수 있으며, 이때 연료 전지 시스템(FC)의 가동량은 배터리 에너지 저장장치(BESS)로부터 수신된 시스템의 충전 상태(SOC) X 출력이 될 수 있다. 나아가, 상기 제어부(EMS)는 제3 전원으로부터 수신된 정보(예컨대, 전력량, 전압, 전류, 셀 온도 등)로부터 과충전, 과방전, 과전류, 셀 밸런싱 여부, 충전상태(SOC), 노화 상태(SOH)를 판단하고 제2 전원의 동작을 제어하기 위한 마이크로 컴퓨터, 마이크로 컴퓨터의 제어 신호에 따라 각 기능을 수행하는 보호회로 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 배터리 에너지 저장장치(battery energy storage system, BESS)는 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템 등을 포함하는 재생 에너지 발전 장치(RG)로부터 공급된 전력을 저장하고, 전원 버스부의 전압이 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 출력 기준전압에 도달하는 경우 저장된 전력을 부하에 공급하는 전원으로서의 기능을 수행한다.
이러한 배터리 에너지 저장장치(BESS)로는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상세하게는 재생 에너지 저장장치(RG)로부터 공급된 전력을 저장하기 위한 고용량의 니켈-카드뮴 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 금속 이차전지, 리튬 폴리머 이차전지, 니켈-수소 이차전지 등일 수 있다.
또한, 상기 배터리 에너지 저장장치(BESS)는 부하에 전력을 공급할 경우 별도의 전력 생산 동작 없이 저장된 전력을 제공하므로 전원 버스부에 접속된 전원 중 과부하나 피크부하 등의 갑작스러운 부하 변화에 가장 대응속도가 빠른 특징을 갖는다. 그러나, 부하 발생 시 배터리 에너지 저장장치(BESS)를 이용하여 부하 변화에 대응하는 경우 대응속도는 빠르나 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 잦은 방전으로 인해 시스템의 용량 및 수명이 빠르게 단축되는 문제가 있다. 이에, 본 발명은 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 설치 및/또는 교체에 따라 발생되는 비용을 고려하여 배터리의 충전 상태(State, of charge, SOC)가 최대가 되도록, 순시적인 부하 발생 시 배터리 에너지 저장장치(BESS)가 가장 먼저 가동되더라도 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC)를 일정 수준, 예컨대, 80% 이상, 구체적으로는 85% 이상, 86% 이상, 88% 이상 또는 90% 이상으로 유지할 수 있도록 기준값이 설정되며, 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC)가 설정된 기준값을 벗어나기 이전에 출력 기준전압이 낮은 재생 에너지 저장장치(RG) 및 연료저장 시스템(FC)의 가동이 순차적으로 운영하는 구성을 갖는다.
하나의 예로서, 상기 배터리 에너지 저장장치(BESS)는 순시적인 부하 변화에 따라 전력을 공급하는 경우 우선적으로 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 전력이 공급되되, 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태가 80% 미만으로 떨어지기 이전에 재생 에너지 발전 장치(RG) 및 연료 전지 시스템(FC)에서 전력이 순차적으로 공급되도록 운영될 수 있다. 본 발명은 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC)를 상기와 같은 수준으로 유지함으로써 베터리의 용량 및 수명을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리 에너지 저장장치(BESS)는 배터리 시스템 관리를 위한 배터리 제어 장치(battery management system, BMS)를 더 포함할 수 있다. 상기 배터리 제어 장치(BMS)는 1차적으로 전원 버스부의 전압, 즉 기준전압을 일정하게 제어 및 유지하고, 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC)를 설정된 수준으로 유지하는 한편 본 발명에 따른 신재생 하이브리드 발전 장치의 가동 시 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 전력 충전 등을 통하여 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 상태(SOC), 즉 충전 전력량 및 방전 전력량이나 배터리 용량을 제어부(EMS)로 상시 송신하는 역할을 수행할 수 있다.
마지막으로, 전력변환장치(power conversion system, PCS)는 전원 버스부와 부하 사이에 위치하여 전원 버스부로부터 공급된 전력을 1 이상의 부하에 공급되도록 전력을 변환하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 전력변환장치(PCS)는 전원 버스부와 연계되어 전원 버스부로부터 공급된 전력을 직류(DC)에서 교류(AC)로 변환하여 1 이상의 부하에 공급할 수 있다.
또한, 상기 전력변환장치(PCS)는 출력 기준전압이 하기 식 2를 만족하도록 설정될 수 있다:
[식 2] VRG ≥ VPCS > VFC
식 2에서,
VRG는 재생 에너지 발전 장치(RG)의 출력 기준전압이고,
VFC는 연료 전지 시스템(FC) 의 출력 기준전압이고,
VPCS는 전력변환장치(PCS)의 출력 기준전압이다.
본 발명은 전력변환장치(PCS)의 출력 기준전압을 식 2의 조건을 만족할 수 있도록 연료 전지 시스템(FC)의 출력 기준전압보다 크고, 재생 에너지 발전 장치(RG)의 출력 기준전압보다 작거나 동등하게 제어함으로써 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 충전 효율을 높여 베터리의 충전 상태(SOC)를 용이하게 제어할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템은 전원 버스부에 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC) 및 배터리 에너지 저장장치(battery energy storage system, BESS) 이외에 개별 전원으로서 수퍼 캐패시터(super capacitor, SC)를 더 포함할 수 있다. 수퍼 캐패시터(SC)는 수초 내지 수분의 순시적인 부하 변화에 대하여 빠른 동작 대응 가능하다. 따라서, 수퍼 캐패시터(SC)를 전원 버스부의 개별 전원으로 포함하되 수퍼 캐패시터(SC)의 출력 기준전압을 연료 전지 시스템(FC)과 동등하거나 높게 설정하는 경우, 배터리 에너지 저장장치(BESS) 보다 먼저 부하 대응하므로 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 배터리 방전량(depth of discharge, DOD)을 저감시켜 배터리 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라 신재생 하이브리드 발전 시스템의 안정성 확보가 유리한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 본 발명에 따른 상기 신재생 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 신재생 하이브리드 발전 방법은 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC) 및 배터리 에너지 저장장치(BESS)를 이용하여 에너지 저장 시스템의 용량 증대를 위한 설비 비용이 낮고 순시적인 부하 변화에 즉각적으로 대응할 수 있을 뿐만 아니라 연료 전지 시스템의 단위 모듈화를 통하여 부하추종속도에 따른 느린 발전 속도를 향상시키는 효과가 우수하고, 배터리의 방전량을 낮추어 수명을 개선하는 효과가 우수한 이점이 있다.
Claims (11)
- 전원으로서 재생 에너지 발전 장치(RG), 연료 전지 시스템(FC) 및 배터리 에너지 저장장치(BESS)가 개별 접속된 전원 버스부; 및 상기 전원 버스부에 접속되고, 전원 버스부로부터 공급된 전력이 1 이상의 부하에 공급되도록 전력을 제어하는 전력변환장치(PCS)를 포함하며,
상기 연료 전지 시스템(FC)은 각각 개별적으로 운전되는 복수개의 연료 전지 모듈을 구비하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
연료 전지 시스템(FC)은 2 내지 100의 연료 전지 모듈을 구비하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
연료 전지 모듈은,
전원 공급원으로부터 공급받은 전력으로 전해조에 있는 초순수를 전기 분해하여 수소(H2)를 발생시키는 수전해부;
수전해부와 연결되어 발생된 수소(H2)를 저장하는 수소(H2) 저장부;
수소 저장부(H2)와 연결되어 저장된 수소(H2)를 공급받고, 공급된 수소(H2)로부터 전력과 초순수를 생성하는 스택을 포함하는 연료 전지부; 및
연료 전지부와 연결되어 생성된 초순수를 수전해부의 전해조에 공급하는 수 공급부를 포함하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템.
- 제3항에 있어서,
연료 전지 모듈은,
연료 전지부에서 발생하는 폐열을 집열시키는 집열부; 및
집열부의 열원을 열 교환에 의해 수전해부의 전해조로 전달하는 열 교환부를 더 포함하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,
전해조의 온도는 50℃ 내지 90℃로 유지되는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
전원 버스부에 접속된 각 전원은 하기 식 1을 만족(단, VRG=VFC, VFC=VBESS 및 VBESS=0인 경우는 제외)하는 출력 기준전압이 설정되고, 전원 버스부의 전압에 따라 독립적으로 자동 가동하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템:
[식 1] VRG ≥ VFC ≥ VBESS
식 1에서,
VRG는 재생 에너지 발전 장치(RG)의 출력 기준전압이고,
VFC는 연료 전지 시스템(FC)의 출력 기준전압이며,
VBESS는 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 출력 기준전압이다.
- 제1항에 있어서,
배터리 에너지 저장장치(BESS)는 80% 이상의 충전 상태(SOC)를 유지하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
각 전원은 전원 버스부의 전압에 따라 설정된 출력 기준전압에 맞춰 운전 시퀀스를 갖는 드룹(droop) 제어 방식으로 제어되는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
전원 버스부는 직류 버스형(DC-Bus type)인 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
재생 에너지 발전 장치(RG)는 태양광 발전기, 태양열 발전기, 풍력 발전기, 수력 발전기, 계단의 압전 에너지 블록 시스템, 전동기의 회생제동 에너지 시스템, 지열 발전기 및 조력 발전기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 발전 시스템을 포함하는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
전력변환장치(PCS)의 출력전압은 하기 식 2를 만족하도록 설정되는 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템:
[식 2] VRG ≥ VPCS > VFC
식 2에서,
VRG는 재생 에너지 발전 장치(RG)의 출력 기준전압이고,
VFC는 연료 전지 시스템(FC) 의 출력 기준전압이고,
VPCS는 전력변환장치(PCS)의 출력 기준전압이다.
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| KR1020180097755A KR102306918B1 (ko) | 2018-08-22 | 2018-08-22 | 신재생 에너지 하이브리드 발전 시스템 및 이를 위한 발전 방법 |
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Cited By (3)
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