KR20200116191A - 순수자원 태양광을 통해 선박에 전력공급 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선박의 서로 다른 두 동력원인 태양광과 Main Generator를 동시에 제어할 수 있는 제어장치를 구비하고, 동기화를 통한 교류발전기 병 렬운전조건을 만족하며, Solar LD 및 LED Lamp 부하를 효율적으로 배치할 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다

Description

순수자원 태양광을 통해 선박에 전력공급{Power supply to ships through pure resource solar energy}

본 발명은 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치에 관한 것이다

현재 주요 에너지원인 화석연료의 고갈과 함께 환경오염에 따른 지구 온난화 등 부작용으로 인하여 이 산화탄소를 전혀 배출하지 않는 친환경적이면서 효율이 높은 태양광에너지의 중요성이 강조되고 있다.

즉, 석유는 2010 ~ 2020년, 천연가스는 2020 ~ 2025년에 생산량이 정점에 도달할 것으로 예상되고 있는 만큼 이들을 대체할 수 있는 에너지원의 개발이 시급하며, 지구환경의 오염에 대한 경각심이 높아지고 있는 현 재의 상황에서 1997년 온실가스 감축을 위한 교토의정서가 채택되어 우리나라를 비롯한 119개국이 2003년에 비 준하였으며, 선진국은 2008년 이후 온실가스 배출량 감축이 의무화되었고, 우리나라도 2차 공약기간 중(2013 ~ 2017년) 온실가스 감축의무 부담이 가시화될 전망이다. 이러한 상황에서 태양광에너지가 갖는 효용성에 대한 관 심이 급증하고 있는 바, 이는 태양광발전은 무한하게 존재하는 태양광에너지를 전기에너지로 전환시키는 과정에 서 이산화탄소 및 공해물질을 전혀 배출하지 않으므로 환경 파괴의 문제도 없기 때문이다.

태양광발전(太陽光發電, Photovoltaic Power Generation System)은 태양전지모듈에 입사되는 태양광에 의하여 전력이 생산되는 광전자 효과를 이용하여 발전하는 방식이다. 주요 소자는 태양전지모듈, 태양전지모듈 에서 생산되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 주는 인버터 및 구조물로 구성되어 있다.

여기서, 태양전지(太陽電池, Solar Cell)는 태양빛을 직접 전력으로 변환하는 장치로서, 태양전지가 전 기를 생산하는 방식은 다음과 같다. 실리콘·갈륨비소·황화카드뮴과 같은 소재로 p-형과 n-형의 반도체를 만들 고 그 접합면에 태양빛을 쬐면 광자를 흡수하여 1쌍의 전자와 양공이 생긴다. 이때 전자는 n-형, 양공은 p-형 부분으로 이동하기 때문에 외부회로를 통해 n-형에서 p-형으로 향하는 전류가 발생한다. 이 방식에는 태양광을 직접 태양전지의 수광면으로 끌어들이는 것과 반사경이나 프레넬 렌즈를 사용하여 집광하는 방식이 있다.

태양전지는 이미 전자식 탁상용 계산기나 시계와 같은 가정용품, 등대, 인공위성용 전원에 사용되고 있 으며 21세기에는 본격적인 태양광발전시대가 될 것으로 전망된다. 태양광발전이 종래의 화석이나 원자력발전과 경쟁하기 위해서는 발전비용을 kWh당 현재의 25센트에서 6센트 정도로 낮추어야 한다. 그 방법은 햇빛을 전기로 바꾸는 광전자 변환효율을 크게 높이거나 값이 싼 새로운 소재를 찾아내는 일이다.

종래의 태양전지는 결정형과 비결정형 등의 2종류로 크게 나뉜다. 높은 순도의 실리콘 단결정을 소재로 하는 결정형은 지난 10년간 광전자변환효율이 7~12％로 개선되고 수명도 50％ 정도 늘어나 20년으로 연장되었으 나 생산비가 많이 들어 값이 비싸다는 단점이 있다( ㎏ 당 78달러). 이에 비해 비결정성 실리콘은 단결정 실리콘 보다 생산비가 수십분의 1밖에 들지 않아 값이 싼 대신 광전자변환효율이 크게 뒤진다는 단점이 있다. 그러나 최근 비결정성 실리콘의 광전자변환율?을? 높이는 연구개발이 활발하게 이루어지고 있어 전망은 매우 밝다.

한편 종래와는 다른 종류의 태양전지 개발도 주목을 받고 있다. 예를 들면 미국 텍사스인스트루먼트사 와 서던캘리포니아에디슨사가 개발한 실리콘 알갱이(지름 약 1㎜)를 소재로 한 태양전지는 광전자변환효율이 10

％정도이지만 품질이 낮은 실리콘( ㎏ 당 2.2달러)을 이용할 수 있어 실용성의 전망은 매우 밝다. 이밖에도 보잉 사가 우주용으로 개발한 이중층(갈륨비소 및 갈륨안티몬)의 집광형 탠덤 광전지(Tandem Cell)는 광전자 변환효 율이 37％에 이른다. 태양전지의 생산 공정은 로봇을 포함하여 자동화가 빠르게 진전되는 한편, 소재의 생산비 용도 크게 줄어들 것으로 전망되어 유가상승이나 환경오염에 대한 관심이 커지면서 태양전지의 사용이 급격히 증가할 것으로 보인다.

태양광발전이 도입된 종래의 기술을 검토해 보면, 첫째, 특허출원 제 10-2008-0018570 호의 "태양광발 전용 전력변환장치"를 들 수 있다(이하, '공지기술 1'이라 함). 공지기술 1은 태양광 셀로부터 얻은 직류 (DC) 전압과 승압된 직류전압의 출력 라인을 직렬구조로 구성하여 입력 직류전압을 승압하는 승압회로, 상기 승 압회로에 의해 승압된 직류(DC) 전압을 교류(AC) 전압으로 인버팅하는 DC-AC 인버터, 상기 DC-AC 인버터의 출력 을 사인 필터링하여 출력하는 태양광 발전용 전력변환장치로 구성된다. 공지기술 1의 장점은 전력 용량을 절감 하고, 인버터의 정격전류를 줄임으로써 소전류/소용량의 인버터로 사용 가능하다는 것이다(도 3).

둘째, 특허출원 제 10-2006-0023824 호의 "태양광발전용 전력변환장치 및 그 방법"을 들 수 있다(이 하, '공지기술 2'라 함). 공지기술 2는 태양광 셀로부터 얻은 DC 전압을 병렬연결 방식으로 입력 받아 DC 전 압으로 변환시킨 다음 입력전압을 직렬연결 방식으로 출력하는 절연 DC-DC 컨버터, DC전압을 AC전압으로 인버팅 하는 DC-AC 인버터, 사인 필터링을 위한 사인 필터로 구성된다. 공지기술 2의 장점은 출력 용량의 일부만 분담 하는 구조에 의해 용량을 최대한 감소하고 시스템 효율을 증대시키며, 소용량 및 대용량 태양광 발전에 적용할 수 있다는 것이다(도 4).

셋째, 특허출원 제 10-2004-0027534 호의 "풍력, 수력 및 태양열을 이용한 전기발생장치가 구비된 선 박"을 들 수 있다(이하, '공지기술 3'이라 함). 공지기술 3은 선박을 운행하는 도중에 발생하는 맞바람, 해 수 및 태양열을 이용하여 축전지를 충전시킴으로써, 이를 선박에 설치된 여러 가지 전기기구들에 사용하거나 직 접 동력원으로 사용하여 연료의 사용량을 크게 절감시킴과 동시에 대기 및 해양오염 또한 감소시킬 수 있다(도 5).

넷째, 특허출원 제 10-2005-0039608 호의 "태양전지를 이용한 LED 조명 시스템"을 들 수 있다(이하, '공지기술 4'라 함). 공지기술 4는 태양전지를 이용한 LED 조명 시스템에 관한 것으로서, 직류 저전압이 인가 되어도 발광이 가능한 LED 모듈을 발광원으로 사용하여 태양전지모듈에 의하여 배터리에 충전된 전류를 승압 과 정을 거치지 않고 발광원으로 공급할 수 있게 하고, 배터리의 전압 및 주변의 밝기에 따라 발광원에 공급되는 전류를 제어함으로써 태양전지모듈에 의하여 충전된 전력을 효율적으로 사용한다(도 6).

그런데, 상기 공지기술 1 내지 공지기술 4는 단순히 전력변환장치 내에 설치된 DC-DC 컨버터, DC-AC 인 버터, AC-DC 컨버터, 사인필터 등의 장비를 제어하기 위한 각각의 제어장치만을 제시하거나, 단순히 태양광을 통해 발생된 전력을 전기 부하나 선박 동력원으로 사용할 수 있다는 정도로만 기재하고 있을 뿐이며, 서로 다른 두 동력원(태양광과 Main Generator)을 동시에 제어할 수 있는 제어장치는 제시하고 있지 않다.

또한, 선박의 경우 Main Generator 또는 Emergency Generator에서 생성된 AC 전기는 각각 Main Switchboard 또는 Emergency Switchboard를 거쳐 각 부하(Console, Pump Motor, Lighting 등)에 공급된다.

이때 Solar Module에서 생성된 Solar DC 전기를 Solar Switchboard를 거쳐 AC 전기로 변환하고, Main Switchboard를 거쳐 각 부하에 공급하고자 한다면, Solar Switchboard를 통해 변환된 AC 전기와 Main Generator에 의해 생성된 AC 전기 사이에는 동기화를 통한 교류발전기 병렬운전조건을 반드시 만족해야 한다. 하지만 공지기술 중에는 이를 만족하는 방법을 제시하는 것이 없다.

이러한 교류발전기 병렬운전조건은 도 2에 표시한 바와 같은데, 기전력의 크기, 위상, 주파수, 파형, 그리고 상회전 방향 등 다섯 가지 요소가 같아야 한다. 만약, 기전력의 크기가 같지 않은 경우에는 무효순환 전 류가 흐르게 되며, 기전력의 위상이 같지 않은 경우에는 유효순환 전류가 흐르게 되며, 기전력의 주파수가 같지 않은 경우에는 유효순환 전류가 흐르게 되며, 기전력의 파형이 같지 않은 경우에는 고주파 무효순환 전류가 흐 르게 되며, 기전력의 상회전 방향이 같지 않은 경우에는 과대 돌입 전류가 흐르는 문제가 발생한다.

한편, 선박에는 수많은 종류의 Lighting 부하가 설치된다. 이에 따라 각 조선소에서는 건조 공정 효율 을 높이거나, 케이블 사용량 및 시수 절감 효과를 얻기 위하여 각각의 라이팅 부하를 효율적으로 배치하는 방법 을 도입할 필요가 있으나, 공지기술 중에는 이러한 방법을 제시하는 것이 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 선박의 서로 다른 두 동력원인 태양광 과 Main Generator를 동시에 제어할 수 있는 제어장치를 구비하고, 동기화를 통한 교류발전기 병렬운전조건을 만족하며, Solar LD 및 LED Lamp 부하를 효율적으로 배치할 수 있도록 하는 선박 전력 공급 장치를 제공하는 것 을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 태양으로부터 빛을 입사하여 DC 전기를 생성하는 Solar Module과, Solar Module로부터 생성된 변동폭이 큰 DC 전기를 일정한 변동폭을 갖는 DC 전기로 변환시키는 DC-DC 컨버터와, Battery 장치와, Solar Module에서 생성된 DC 전기를 AC 전기로 변환시키는 DC-AC 인버터와, Main Generator에서 생성된 AC 전기를 각 부하에 전송하며 ESBD와 양방향 통신하는 MSBD와, Emergency Generator에 서 생성된 AC 전기를 각 부하에 전송하며 MSBD와 양방향 통신하는 ESBD와, 선박 내 필요한 AC 전기를 생성하는 Main Generator와, 선박의 Main Generator가 작동 불능인 Black Out 상태에서 동작하여 AC 전기를 생성하는 Emergency Generator와, MSBD에서 전송된 AC 전기를 DC 전기로 변환하는 AC-DC 인버터 및 MSBD를 제어하는 PMS 를 포함하는 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치에 있어서, 선박 전력 공급 장치의 기존 전원과 계통 연계를 시키기 위한 SSBD를 설치하되, 상기 SSBD는 Solar Module에서 생성된 DC 전기를 AC 전기로 변환시킨 뒤 기존 계통에 송신할 뿐만 아니라, 기존 계통의 AC 전기를 다시 DC 전기로 변환시킨 뒤 각 부하에 전송하는 양방 향 시스템으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치를 제시한다

본 발명에 따르면, 선박의 Solar Switchboard와 Main Switchboard 간의 Power Control System 제어를 통해 각 장비를 제어하고 전기공급의 효율성을 극대화할 수 있으며, 동기 조절을 통한 전력공급이 가능하고 발 전기 용량과 선박 운용비를 절감할 수 있으며, Solar LD와 LED Lamp 부하를 효율적으로 배치함으로써 선박 공정 효율성을 극대화하고 케이블 사용량 및 시수를 절감할 수 있다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이 들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다

도 1은 본 발명에 따른 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치의 전력공급 계통도이다.
도 2는 교류발전기 병렬운전조건을 나타낸 표이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명이 속하는 기술 분야의 종래의 기술을 보여주고 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다

(1)MSBD : Main Switchboard
(2)ESBD : Emergency Switchboard
(3)SSBD : Solar Switchboard
(4)PCS : Power Control System
(5)PMS : Power Management System
(6)Solar LD : Solar Lighting Distribution
(7)SOLAS : The International Convention for the Safety of Life at Sea

Claims (1)

1. 태양으로부터 빛을 입사하여 DC 전기를 생성하는 Solar Module과, Solar Module로부터 생성된 변동폭이 큰 DC 전기를 일정한 변동폭을 갖는 DC 전기로 변환시키는 DC-DC 컨버터와, Battery 장치와, Solar Module에서 생성된 DC 전기를 AC 전기로 변환시키는 DC-AC 인버터와, Main Generator에서 생성된 AC 전기를 각 부하에 전송 하며 ESBD와 양방향 통신하는 MSBD와, Emergency Generator에서 생성된 AC 전기를 각 부하에 전송하며 MSBD와 양방향 통신하는 ESBD와, 선박 내 필요한 AC 전기를 생성하는 Main Generator와, 선박의 Main Generator가 작 동 불능인 Black Out 상태에서 동작하여 AC 전기를 생성하는 Emergency Generator와, MSBD에서 전송된 AC 전기 를 DC 전기로 변환하는 AC-DC 인버터 및 MSBD를 제어하는 PMS를 포함하는 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공 급 장치에 있어서,
   선박 전력 공급 장치의 기존 전원과 계통 연계를 시키기 위한 SSBD를 설치하되, 상기 SSBD는 Solar Module에서 생성된 DC 전기를 AC 전기로 변환시킨 뒤 기존 계통에 송신할 뿐만 아니라, 기존 계통의 AC 전기를 다시 DC 전기로 변환시킨 뒤 각 부하에 전송하는 양방향 시스템으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광에너 지를 활용한 선박 전력 공급 장치.
   청구항 2
   제 1 항에 있어서,
   상기 SSBD는 SSBD를 제어하고 MSBD의 PMS와 양방향 통신을 수행하며, Solar Module에서 발생되는 가변 DC 전기를 일정한 DC 전기로 변환시키기 위해 DC-DC 컨버터를 제어하는 PCS를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치.
   청구항 3
   제 1 항에 있어서,
   상기 SSBD는 SSBD를 거쳐 형성된 AC 전기와 Main Generator의 AC 전기를 동기화시킴으로써 교류발전기 병렬운전조건을 만족시키는 Synchornizing Device를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광에너지를 활용 한 선박 전력 공급 장치.
   청구항 4
   제 2 항에 있어서,
   상기 PCS는 Battery 상태 및 이상 유무를 판별하여 DC 전기를 충전 및 방전하는 양방향 통신을 수행하 는 것을 특징으로 하는 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치.
   청구항 5
   제 2 항에 있어서,
   상기 PCS는 MSBD로 AC 전기를 송신하기 위해 PMS로부터 "이상 없음" 신호를 받은 뒤 Synchornizing Device의 이상 유무를 확인한 후 AC 전기를 MSBD로 전송하는 것을 특징으로 하는 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치.
   청구항 6
   제 2 항에 있어서,
   상기 PCS는 DC-AC 인버터가 DC 전기를 AC 전기로 변환하도록 제어하는 한편, AC-DC 컨버터가 AC 전기를 DC 전기로 변환하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치.
   청구항 7
   제 2 항에 있어서,
   SOLAS 및 각 선급 Rule에 의한 기존 Lighting 외 추가로 LED Lamp를 설치하고, 설치된 LED Lamp와 각 구역 특성을 고려하여 Solar LD를 설치하는 것을 특징으로 하는 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치.
   청구항 8
   제 7 항에 있어서,
   상기 PCS는 DC 전기를 Solar LD로 보내기 위한 전원의 종류를 판별하는 것을 특징으로 하는 태양광에너 지를 활용한 선박 전력 공급 장치.
   청구항 9
   제 7 항에 있어서,
   상기 LED Lamp는 SOLAS와 각 선급 Rule을 벗어나지 않는 범위 내에서 추가하거나 Normal Lighting 대 신 설치하는 것을 특징으로 하는 태양광에너지를 활용한 선박 전력 공급 장치.

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