KR20200127384A - 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템이다. 본 발명에서, 하이브리드 발전 시스템(100)에는 조력, 파력, 및 풍력의 복합 발전을 통해 전력을 생산하여 설정된 전력량 만큼 상기 외부 전력망(G)에 전력을 공급하는 재생 에너지 발전부(110)가 구비된다. 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력 중 상기 외부 전력망(G)에 공급하고 남은 잉여전력은 에너지 저장부(200)에 충전된다. 수소생산부(300)는 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력 중 상기 외부 전력망(G)에 공급하고 남은 잉여 전력과 해수를 이용하여 전기분해에 의해 수소연료를 생성한다. 상기 수소연료는 복수 개의 수소저장 탱크(400)에 저장된다. 연료전지부(500)는 상기 수소연료와 산소를 공급받고, 상기 수소연료와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전력을 생산한다. 에너지 관리부(600)는 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력을 설정된 전력만 만큼 외부 전력망(G)에 공급하고, 잉여 전력을 에너지 저장부(200)에 충전시키며, 수소생산부(300) 및 연료전지부(500)에 전원을 선택적으로 공급한다. 이와 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 효율성이 향상된 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력, 조력, 파력 발전을 통해 재생 에너지를 생산하고, 에너지 저장부, 수소생산부 및 연료전지부를 통해서 지속적이고 안정적으로 전기 에너지를 외부 전력망에 공급할 수 있도록 구성되는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.
최근 환경 오염과 화석 연료의 부족으로 인해 태양, 바람, 조류 등과 같은 재생 에너지(renewable energy)에 대한 연구가 지속적으로 증가하고 있다.
이들 중 태양광 발전은 태양전지를 이용하여 빛을 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전방식으로, 태양전지, 컨버터, 축전지로 구성되며, 산업용 발전 시스템은 물론, 차량, 주거용, 가로등 등과 같이 생활 전반에 널리 사용되고 있다.
그러나 태양광 발전 방식은 전력 생산량이 일사량에 의존할 수 밖에 없으며, 에너지 밀도가 낮은 등의 문제점이 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. 상기 발전장치는 일조량이 부족한 경우에는 풍력을 이용하고, 바람 세기나 방향이 일정하지 않는 경우에는 태양광을 이용토록 함으로써, 태양광과 풍력을 모두 활용하고 있다.
하지만 상기 발전장치는 태양광이나 풍력을 상호 보완적으로 활용할 뿐, 기본적으로 태양광과 풍력에 전적으로 의존할 수밖에 없어, 태양광이나 풍력 둘다 충분히 활용할 수 없는 경우에는 안정적인 발전이 이루어지지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 자연환경을 이용하여 친환경적으로 전력을 생산하여 외부 전력망에 공급하고, 외부 전력망에 공급하고 남은 잉여 전력은 에너지 저장부에 저장하고, 수소생산부를 통해 수소 형태로 저장하며, 수소 저장량 및 배터리 충전량에 따라 연료전지부가 저장된 수소연료를 사용하여 전력을 외부 전력망에 안정적으로 공급할 수 있도록 구성되는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템에 따르면, 외부 전력망에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템에 있어서, 조력, 파력, 및 풍력의 복합 발전을 통해 전력을 생산하여 설정된 전력량 만큼 상기 외부 전력망에 전력을 공급하는 재생 에너지 발전부; 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력 중 상기 외부 전력망에 공급하고 남은 잉여전력에 의해 충전되는 에너지 저장부; 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력 중 상기 외부 전력망에 공급하고 남은 잉여 전력과 해수를 이용하여 전기분해에 의해 수소연료를 생성하는 수소생산부; 상기 수소연료를 전달받아 수소연료를 저장하는 복수 개의 수소저장 탱크; 상기 수소연료와 산소를 공급받고, 상기 수소연료와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전력을 생산하는 연료전지부; 및 상기 재생 에너지 발전부, 에너지 저장부, 수소생산부, 및 연료전지부에 연결되어 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력을 설정된 전력만 만큼 상기 외부 전력망에 공급하고, 잉여 전력을 상기 에너지 저장부에 충전시키며, 상기 수소생산부 및 연료전지부에 전원을 선택적으로 공급하는 에너지 관리부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 관리부는, 상기 재생 에너지 발전부로부터 상기 외부 전력망에 공급되는 전력량, 상기 에너지 저장부의 충전량, 상기 수소저장 탱크의 수소연료량, 및 상기 연료전지부로 공급되는 수소연료량 및 산소량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 관리부는, 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산되어 상기 외부 전력망으로 공급되는 전력량을 검출하는 전력 검출부를 포함하고, 상기 전력 검출부로부터 검출된 전력량이 설정값보다 작다고 판단되는 경우, 상기 에너지 저장부에 충전시킨 잉여 전력을 상기 외부 전력망에 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 관리부는, 상기 에너지 저장부에 충전된 잉여 전력이 설정값보다 작다고 판단되는 경우, 상기 수소생산부의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 관리부는, 상기 에너지 저장부에 충전된 잉여 전력이 설정값 보다 작고, 상기 전력 검출부로부터 검출된 전력량이 설정값보다 작다고 판단되는 경우, 상기 연료전지부를 구동시켜 상기 외부 전력망에 전력이 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 관리부는, 상기 전력 검출부로부터 검출된 전력량이 설정값보다 크다고 판단되는 경우, 상기 연료전지부의 구동을 정지시키고, 상기 수소생산부를 구동시키며, 상기 에너지 저장부를 충전시키는 것을 특징으로 한다.
상기 재생 에너지 발전부는, 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기 역학적 특성인 풍력을 이용하여 전력을 생성하는 풍력 발전기; 해수면의 수위 차를 이용하여 전력을 생성하는 조력 발전기; 파랑 에너지를 이용하여 전력을 생성하는 파력 발전기; 상기 풍력 발전기, 조력 발전기, 및 파력 발전기와 연결되어 상기 풍력 발전기, 조력 발전기 및 파력 발전기로부터 생성된 전력을 하나로 결합하는 에너지 변환기; 및 상기 에너지 변환기에 연결되어 상기 풍력 발전기, 조력 발전기, 및 파력 발전기에서 생산된 전력을 상기 에너지 관리부 및 베터리 저장부로 공급하도록 전력을 변환하는 컨버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지부는 상기 수소연료와 전기화학적 반응하는 산소를 외부로부터 공급하는 산소공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 외부 전력망에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전 방법에 있어서, 재생 에너지 발전부로부터 전력이 생산되는지 판단하는 제1단계; 상기 재생 에너지 발전부에서 전력이 생산될 경우 외부 전력망에서 요구되는 전력을 계산하여 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력과 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력을 비교하는 제2단계; 상기 제2단계에서 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력보다 작거나 같을 경우 일정시간 전에는 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력보다 컸는지 판단하는 제3단계; 상기 제3단계에서 일정시간 전에는 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력보다 컸을 경우 에너지 저장부의 에너지 충전 정도가 설정값보다 큰지 판단하는 제4단계; 및 상기 제4단계에서 상기 에너지 저장부의 에너지 충전 정도가 설정값보다 클 경우 상기 에너지 저장부에서 에너지 관리부로 전력을 공급하고 남은 전력을 수소 발생부에 공급하여 수소를 생산하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제4단계에서 상기 에너지 저장부의 에너지 충전 정도가 설정값과 같을 경우 상기 에너지 저장부에서 에너지 관리부로 전력을 공급하고 상기 수소 발생부에 전력 공급은 중단하는 제4-1단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제4단계에서 상기 에너지 저장부의 에너지 충전 정도가 설정값보다 작을 경우 상기 에너지 저장부의 에너지 충전 정도를 최소설정값과 비교하여 최소설정값보다 클 경우 상기 에너지 저장부에서 상기 에너지 관리부로 전력을 공급하고 최소설정값과 같거나 더 작을 경우 상기 에너지 저장부에서 전력공급을 중단하고 연료전지부에서 상기 에너지 관리부로 전력을 공급하는 제4-2단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 동력전달부가 최적화되었는지를 판단하는 제6단계; 상기 6단계에서 상기 동력전달부가 최적화되지 않았을 경우 상기 연료전지부의 전력을 상기 동력전달부를 최적화하기 위하여 필요한 전력과 비교하는 제7단계; 상기 제7단계에서 상기 연료전지부의 전력이 더 클 경우 상기 연료전지부가 동력변환장치에 전력을 공급하여 상기 동력전달부를 최적화하는 제7-1단계; 및 상기 제7단계에서 상기 연료전지부의 전력이 더 크지 않을 경우 상기 에너지 저장부가 동력변환장치에 전력을 공급하여 상기 동력전달부를 최적화하는 제7-2단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계에서 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력보다 클 경우 상기 에너지 저장부가 완전히 충전되었는지를 판단하는 제3-1단계;
상기 제3-1단계에서 상기 에너지 저장부가 완전히 충전되지 않은 경우 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력을 외부 전력망에 공급하고 남은 전력을 상기 에너지 저장부에 공급하여 충전하는 제3-2단계;
상기 제3-1단계에서 상기 에너지 저장부가 완전히 충전된 경우 수소저장 탱크에 수소가 가득찼는지 판단하는 제3-3단계; 및
상기 제3-3단계에서 상기 수소저장 탱크가 가득차지 않은 경우 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력을 상기 외부 전력망에 공급하고 남은 전력을 상기 수소 발생부에 공급하여 수소를 생산하고 상기 수소저장 탱크에 수소를 생산된 수소를 저장하는 제3-4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템에 따르면, 자연환경을 이용하여 친환경적으로 전력을 생산하여 외부 전력망에 공급하고, 외부 전력망에 공급하고 남은 잉여 전력은 에너지 저장부에 저장하고, 수소생산부를 통해 수소 형태로 저장하며, 수소 저장량 및 배터리 충전량에 따라 연료전지부가 저장된 수소연료를 사용하여 전력을 외부 전력망에 안정적으로 공급할 수 있으므로, 효율성이 향상된 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템에 따르면, 에너지 관리부를 통해 능동적으로 공급하고, 자연환경 및 에너지 저장부의 충전량, 수소저장 탱크의 수소연료 저장량, 연료전지부의 충전량에 따라 능동적으로 전력을 공급할 수 있으므로 효율성이 더욱 향상된 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있는 효과도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장부, 수소생산부, 및 연료전지부의 작동 조건을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장부, 수소생산부, 및 연료전지부의 작동 조건을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템의 구성이 개략도로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템의 구성을 나타내는 블록도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하이브리드 발전 시스템(100)은 외부 전력망(G)에 전력을 공급하는 역할을 한다. 본 실시예에서, 하이브리드 발전 시스템(100)은 크게 재생 에너지 발전부(110), 에너지 저장부(200), 수소생산부(300), 수소저장 탱크(400), 연료전지부(500), 에너지 관리부(600)로 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 재생 에너지 발전부(110)는, 풍력 발전기(120), 파력 발전기(130), 조력 발전기(140), 에너지 변환기(145), 및 컨버터(150)로 구성될 수 있다. 상기 재생 에너지 발전부(110)는, 여러 재생 에너지를 조합하여 복합적으로 전력을 생산하는 하이브리드식 발전기에 해당한다.
본 실시예에서, 상기 풍력 발전기(120), 조력 발전기(140)에는 각각 터빈의 요 각도(yaw angle), 피치 각도(pitch angle) 조절을 위한 그리고 관성 조절을 위한 전기 유압 플라이 휠(이하 '동력 전달부'라 칭함)이 구비되어, 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기 역학적 특성인 풍력을 이용하여 전력을 생성하고, 해수면의 수위 차를 이용할 때 상기 동력전달부를 최적화하여 발전효율을 최대화 하여 전력을 생성한다.
그리고 상기 파력 발전기(130)는 전기 모터-워터 펌프 클러스터(떠 다니는 부표의 질량을 바꾸는 것, 이하 '동력전달부'라 칭함)이 구비되어, 부유하는 부표를 통해 파도의 병진 운동을 이용할 때 상기 동력전달부를 최적화하여 발전효율을 최대화 하여 전력을 생성한다.
또한, 일 실시예로서, 본발명의 동력전달부의 최적화는 동력전달부에 포함된 전기 유압 플라이 휠의 관성을 조절하거나, 터빈의 회전날개의 회전각도를 조절하거나, 부이의 무게를 파도의 진동주파수와 공진하도록 조절하는 것일 수 있다.
상기 풍력 발전기(120), 파력 발전기(130), 및 조력 발전기(140)로부터 생성된 총 전력은 에너지 변환기(145)에 의해 결합된다. 즉, 상기 에너지 변환기(145)는 상기 풍력 발전기(120), 파력 발전기(130), 및 조력 발전기(140)의 동력전달부와 연결되며, 각 동력전달부로부터 동력을 전달받아 전체 에너지 생산량을 조절하는 역할을 한다. 상기 에너지 변환기(145)는 발전기(미도시)와 상기 발전기와 연결된 유압 모터(미도시)를 구동하여 전기를 생성한다.
상기 에너지 변환기(145)에는 어큐뮬레이터(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 어큐뮬레이터는 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력 중 상기 외부 전력망(G)에 공급하고 남은 잉여전력을 저장하는 역할을 한다. 또한, 상기 에너지 변환기(145)의 발전기와 유압 모터가 안정적으로 작동하고 일정한 속도로 작동하도록 하여 높은 효율을 얻을 수 있도록 한다.
상기 컨버터(150)는 상기 풍력 발전기(120), 파력 발전기(130), 및 조력 발전기(140)에서 생산된 전력을 상기 에너지 저장부(200) 및 에너지 관리부(600)로 공급하도록 전력을 변환하는 역할을 한다.
한편, 상기 에너지 저장부(200)는 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력 중 상기 외부 전력망(G)에 공급하고 남은 잉여전력에 의해 충전된다. 상기 에너지 저장부(200)의 충전량은 상기 에너지 관리부(600)에 의해 제어될 수 있다. 여기서 잉여전력이란, 상기 외부 전력망(G)에 충분한 전력을 공급하고 남은 전력을 말한다.
한편, 상기 수소생산부(300)는 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력 중 상기 외부 전력망(G)에 공급하고 남은 잉여 전력과 해수를 이용하여 전기분해에 의해 수소연료를 생성하는 역할을 한다.
본 실시예에서, 상기 수소생산부(300)는, 전기 모터(미도시), 워터 펌프(미도시), 전기 분해 시스템부(310), 필터(미도시), 압축기(320)로 구성될 수 있다. 상기 전기 모터에 의해 구동되는 워터 펌프를 통해 상기 전기 분해 시스템부(310)로 펌핑되는 해수는 전기 분해를 위한 촉매(전해액)다. 상기 전기 분해 시스템부(310)의 음극 측에서 수소 가스가 생성되고 필터를 사용하여 수증기 및 불순물을 제거한다. 그리고 생성된 수소 가스는 상기 압축기(320)에 의해 소정의 고압에 도달할 때까지 압축된 다음, 상기 수소저장 탱크(400)로 공급하여 저장되도록 한다.
본 실시예에서, 상기 전기 분해 시스템부(310)의 구조는 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 탱크 속에 해수를 채우고 에노드(+극)와 캐소드(-극)를 삽입하여 전력을 공급해주는 구조일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 수소저장 탱크(400)는 상기 수소생산부(300)로부터 생산된 수소연료를 전달받아 저장한다. 상기 수소저장 탱크(400)는 복수 개로 구성될 수 있다. 상기 수소저장 탱크(400)에 저장된 수소연료는 상기 연료전지부(500)에 공급된다.
상기 연료전지부(500)는 상기 수소연료와 산소를 공급받고, 상기 수소연료와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전력을 생산하는 역할을 한다. 본 실시예에서, 상기 연료전지부(500)는 산소공급부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 산소공급부는 독립된 블로워(Blower) 또는 압축기 형태 일 수 있다. 즉, 산소공급부는 공기를 외부로부터 직접 공급하는 구조일 수 있으나, 산소를 별도로 제조하여 산소 만을 공급할 수 있도록 구성할 수 있다.
그리고 공기에 포함된 이물질을 걸러주는 필터(미도시)와 습도를 조절하는 가습기(미도시) 및 공기를 흡입하는 팬(미도시) 등이 구비될 수 있다.
상기 연료전지부(500)는 상기 수소생산부(300)와 산소공급부에서 공급되는 수소연료와 산소를 연료로 공급받아 전기분해를 통해 전력을 생산하는 것으로, 상기 에너지 관리부(600)와 연동되어 상기 외부 전력망(G)에 전력을 공급하게 된다.
상기 연료전지부(500)의 전기발생 원리를 간단히 설명하자면, 상기 연료전지부(500)에는 수소의 화학에너지를 전기화학적 반응에 의해 전력으로 변환시키는 연료전지가 구비된다. 본 실시예에서, 사용되는 연료전지는 PEM(Polymer Electrolyte Membrane : 고분자 전해질형)연료전지이다. 이와 같은 PEM 연료전지는 전해질로 H(+수소이온)을 전도할 수 있는 나피온(Nafion)이라는 고분자 전해질막을 사용한다. 나피온은 비닐처럼 보이나 내부에는 많은 미세가공을 가지고 있어 수소이온과 양이온을 전도할 수 있는 특징을 가지고 있으며, 이에 대한 화학반응은 다음과 같다.
연료극반응 : 
공기극반응 : 
전체반응 : 
이때, 부산물인 물과 열은 배출되고, 상기 연료전자부의 냉각은 주변의 해수를 냉각수로 이용하여 냉각 가능하므로 별도의 냉각시설이 필요하지 않다.
다음으로, 상기 에너지 관리부(600)는 본 발명에서 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 상기 외부 전력망(G)에 공급되는 전력량, 상기 에너지 저장부(200)의 충전량, 상기 수소저장 탱크(400)의 수소연료량, 및 상기 연료전지부(500)로 공급되는 수소연료량 및 산소량을 제어하여 최적의 발전 시스템을 구성하도록 한다.
본 발명 실시예에서, 상기 에너지 관리부(600)는, 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산되어 상기 외부 전력망으로 공급되는 전력량을 검출하는 전력 검출부(미도시) 및 상기 연료전지부(500)가 생산하는 전력을 검출하는 연료전지 검출부(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 에너지 관리부(600)는 먼저, 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력을 적절하게 배분하는 제어를 수행한다. 즉, 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력을 설정된 전력만 만큼 외부 전력망(G)에 공급하고, 잉여 전력을 상기 에너지 저장부(200)에 충전시키며, 상기 수소생산부(300)에 공급한다.
이때, 상기 에너지 관리부(600)의 전력 검출부로부터 검출된 전력량이 설정값보다 작다고 판단되는 경우, 상기 에너지 저장부(200)에 충전시킨 잉여 전력을 상기 외부 전력망(G)에 공급한다.
그리고 상기 에너지 관리부(600)는, 상기 에너지 저장부(200)에 충전된 잉여 전력이 설정값보다 작다고 판단되는 경우, 상기 수소생산부(300)의 구동을 정지시킨다.
또한, 상기 에너지 관리부(600)는, 상기 에너지 저장부(200)에 충전된 잉여 전력이 설정값 보다 작고, 상기 전력 검출부로부터 검출된 전력량이 설정값보다 작다고 판단되는 경우, 상기 연료전지부(500)를 구동시켜 상기 외부 전력망(G)에 전력이 공급되도록 하여 전력 공급이 안정적으로 이루어질 수 있도록 한다.
한편, 상기 에너지 관리부(600)는, 상기 전력 검출부로부터 검출된 전력량이 설정값보다 크다고 판단되는 경우, 상기 연료전지부(500)의 구동을 정지시키고, 상기 수소생산부(300)를 구동시키며, 상기 에너지 저장부(200)를 충전시킨다. 보다 구체적인 작동 조건은 아래의 도 3을 참고로하여 설명한다.
본 발명 실시예에서는, 재생 에너지 발전부(110)로부터 외부 전력망(G)으로 전력을 안정적으로 공급 하면서, 사이클 수명 시간을 보장 하기 위해, 수소 생산 공정의 온/오프 시간을 줄일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 재생 에너지 발전부(110)와 그 동작 조건의 변화를 가정하면, 가장 아래 그림은 에너지 저장부(220)의 저장 상태를 나타내고, 그 위에는 외부 전력망(Pgrid)에 필요한 전력과 비교된 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 재생 에너지 전력(PRE)의 프로파일을 나타낸다.
상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 재생 에너지 전력(PRE)이 외부 전력망(Pgrid)에 필요한 전력보다 큰 경우, 우선적으로 에너지 저장부(200)로 저장된다. 상기 에너지 저장부(200)가 완전히 충전되고, 여전히 외부 전력망(Pgrid)에 필요한 전력보다 크고, 상기 수소저장 탱크(400)가 가득 차지 않았을 경우 잉여 전력을 사용하여 수소를 생성한 다음, 상기 수소저장 탱크(400)에 저장한다(수소저장 탱크(400)가 가득 차고 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 재생 에너지 전력(PRE)이 외부 전력망(Pgrid)에 필요한 전력보다 여전히 큰 경우 남은 전력은 덤프 부하를 통해 버려지게 된다). 이와 같은 설명은 도 3의 t0에서 t1 까지이다.
도 3에서 t1에서, 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 재생 에너지 전력(PRE)이 외부 전력망(Pgrid)에 필요한 전력보다 낮아지는 경우, 상기 에너지 저장부(200)는 상기 에너지 관리부(EMS)(600)를 통해 전력을 방출하기 시작하고, 수소생산부(300)는 상기 에너지 저장부(200)의 초과된 전력으로 계속 가동되어 수소를 계속 생산한다.
이와 같이, 상기 에너지 저장부(200)의 충전 정도(SoC)가 설정 값(SoClow)으로 감소하면, 그림 3의 t2에서와 같이, 전기 분해 시스템부(EL)(310)가 즉시 꺼지나, 상기 에너지 저장부(200)는 그림 3의 t1 에서 t3에서와 같이, 상기 에너지 저장부(200)의 충전 정도(SoC)가 최소설정값(SoCmin)을 충족할 때까지 외부 전력망(Pgrid)에 계속 전력을 공급한다.
그리고 도 3의 t3 에서 t4에서와 같이, 상기 에너지 저장부(200)의 충전 정도(SoC)가 최소설정값(Soc=Socmin)으로 감소하면, 상기 에너지 저장부(200)가 꺼지고, 상기 연료전지부(500)가 구동되어 외부 전력망(Pgrid)에 전력을 공급하는 단계로 들어간다. 이때, 상기 연료전지부(500)는 상기 재생 에너지 발전부(110)가 외부 전력망(Pgrid)에 전력이 충분히 공급되거나 연료전지부(500)가 완전히 방전될 때까지 작동을 한다.
다음으로, 도 3의 t4에서 t5에서와 같이, 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력량이 증가하기 시작하면 상기 에너지 저장부(200)를 충전하기 위한 잉여 전력을 방출하고, 상기 에너지 저장부(200)의 충전 정도(SoC)를 증가시킨다.
도 3에 도시된 조건에 따라 도 4에 도시된 흐름도는 일반적인 작업 조건을 수행한다.
여기서, 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 재생 에너지 전력(PRE)의 (t) 시점 및 재생 에너지 전력(PRE)의 (t-1) 시점의 재생 에너지 전력(PRE)의 최근 데이터를 외부 전력망(Pgrid) 및 에너지 저장부(200)의 충전 정도(SoC)와 비교함으로써 시스템의 상태를 체크할 수 있다. 그리고, 수소저장 탱크(400)에 수소연료가 완전히 충전되고, 에너지 변환기(145)의 동력변환장치(Power-take-off mechanism,(PTO)(발전기, 유압모터 등))를 조정할 때 초과 전력의 사용을 고려한다. 이와 같이 모든 구성 요소가 최적의 조건에서 생성되면 초과 전력은 덤프 부하로 보내진다.
보다 구체적으로, 도 4에 도시된 흐름도를 참고로 하여 외부 전력망(G)에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전 방법을 설명한다.
먼저, 재생 에너지 발전부(110)로부터 전력이 생산되는지 판단하는 제1단계를 수행한다(S100). 상기 재생 에너지 발전부(110)에서 전력이 생산될 경우 외부 전력망(G)에서 요구되는 전력을 계산하여 상기 재생 에너지 발전부(110)에서 생산되는 전력과 상기 외부 전력망(G)에서 요구되는 전력을 비교하는 제2단계를 수행한다(S210).
이때, 상기 제2단계에서 상기 재생 에너지 발전부(110)에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망(G)에서 요구되는 전력보다 작거나 같을 경우 일정시간 전에는 상기 재생 에너지 발전부(110)에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망(G)에서 요구되는 전력보다 컸는지 판단하는 제3단계를 수행한다(S300).
또는, 상기 제2단계에서 상기 재생 에너지 발전부(110)에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망(G)에서 요구되는 전력보다 클 경우 상기 에너지 저장부(200)가 완전히 충전되었는지를 판단하는 제3-1단계를 수행한다(S310).
만약, 상기 제3-1단계에서 상기 에너지 저장부(200)가 완전히 충전되지 않은 경우 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력을 외부 전력망(G)에 공급하고 남은 전력을 상기 에너지 저장부(@00)에 공급하여 충전하는 제3-2단계를 수행한다(S320).
한편, 상기 제3-1단계에서 상기 에너지 저장부(@00)가 완전히 충전된 경우 수소저장 탱크(400)에 수소가 가득찼는지 판단하는 제3-3단계를 수행한다(S330).
만약, 상기 제3-3단계에서 상기 수소저장 탱크(400)가 가득차지 않은 경우 상기 재생 에너지 발전부(110)로부터 생산된 전력을 상기 외부 전력망(G)에 공급하고 남은 전력을 상기 수소생산부(300)에 공급하여 수소를 생산하고 상기 수소저장 탱크(400)에 수소를 생산된 수소를 저장하는 제3-4단계를 수행한다(S340).
한편, 상기 제3단계에서 일정시간 전에는 상기 재생 에너지 발전부(110)에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망(G)에서 요구되는 전력보다 컸을 경우 에너지 저장부(200)의 에너지 충전 정도가 설정값보다 큰지 판단하는 제4단계를 수행한다(S400).
이때, 상기 제4단계에서 상기 에너지 저장부(200)의 에너지 충전 정도가 설정값과 같을 경우 상기 에너지 저장부(200)에서 에너지 관리부(600)로 전력을 공급하고 상기 수소생산부(300)에 전력 공급은 중단하는 제4-1단계를 수행한다(S410).
한편, 상기 제4단계에서 상기 에너지 저장부(200)의 에너지 충전 정도가 설정값보다 작을 경우 상기 에너지 저장부(@00)의 에너지 충전 정도를 최소설정값과 비교하여 최소설정값보다 클 경우 상기 에너지 저장부(200)에서 상기 에너지 관리부(600)로 전력을 공급하고 최소설정값과 같거나 더 작을 경우 상기 에너지 저장부(@00)에서 전력공급을 중단하고 연료전지부(500)에서 상기 에너지 관리부(600)로 전력을 공급하는 제4-2단계를 수행한다(S420).
한편, 상기 제4단계에서 상기 에너지 저장부(200)의 에너지 충전 정도가 설정값보다 클 경우 상기 에너지 저장부(220)에서 에너지 관리부(600)로 전력을 공급하고 남은 전력을 수소 발생부에 공급(S500)하여 수소를 생산하는 제5단계를 수행한다(S510). 이때, 생산된 수소연료는 수소저장 탱크(400)에 저장된다.
다음으로, 동력전달부가 최적화되었는지를 판단하는 제6단계를 수행한다(S600).
이때, 상기 6단계에서 상기 동력전달부가 최적화되지 않았을 경우 상기 연료전지부(500)의 전력을 상기 동력전달부를 최적화하기 위하여 필요한 전력과 비교하는 제7단계를 수행한다(S700).
만약, 상기 제7단계에서 상기 연료전지부(500)의 전력이 더 클 경우 상기 연료전지부(500)가 동력변환장치에 전력을 공급하여 상기 동력전달부를 최적화하는 제7-1단계를 수행한다(S710).
한편, 상기 제7단계에서 상기 연료전지부(500)의 전력이 더 크지 않을 경우 상기 에너지 저장부(200)가 동력변환장치에 전력을 공급하여 상기 동력전달부를 최적화하는 제7-2단계를 수행한다(S720).
이와 같이, 본 발명 실시예에 의하면, 자연환경을 이용하여 친환경적으로 전력을 생산하여 외부 전력망(G)에 공급하고, 상기 외부 전력망(G)에 공급하고 남은 잉여 전력은 상기 에너지 저장부(200)에 저장하고, 상기 수소생산부(300)를 통해 수소 형태로 저장하며, 수소 저장량 및 배터리 충전량에 따라 연료전지부(500)가 저장된 수소연료를 사용하여 전력을 외부 전력망(G)에 안정적으로 공급할 수 있으므로, 효율성이 향상된 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 에너지 관리부(600)를 통해 능동적으로 공급하고, 자연환경 및 에너지 저장부(200)의 충전량, 수소저장 탱크(400)의 수소연료 저장량, 연료전지부(500)의 충전량에 따라 능동적으로 전력을 공급할 수 있으므로 효율성이 더욱 향상된 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있는 효과도 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 하이브리드 발전 시스템
110: 재생 에너지 발전부
120: 풍력 발전기 130: 파력 발전기
140: 조력 발전기 145: 에너지 변환기
150: 컨버터 200: 에너지 저장부
300: 수소생산부 310: 전기 분해 시스템부
320: 압축기 400: 수소저장 탱크
500: 연료전지부 600: 에너지 관리부
G: 외부 전력망
120: 풍력 발전기 130: 파력 발전기
140: 조력 발전기 145: 에너지 변환기
150: 컨버터 200: 에너지 저장부
300: 수소생산부 310: 전기 분해 시스템부
320: 압축기 400: 수소저장 탱크
500: 연료전지부 600: 에너지 관리부
G: 외부 전력망
Claims (14)
- 외부 전력망에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템에 있어서,
조력, 파력, 및 풍력의 복합 발전을 통해 전력을 생산하여 설정된 전력량 만큼 상기 외부 전력망에 전력을 공급하는 재생 에너지 발전부;
상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력 중 상기 외부 전력망에 공급하고 남은 잉여전력에 의해 충전되는 에너지 저장부;
상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력 중 상기 외부 전력망에 공급하고 남은 잉여 전력과 해수를 이용하여 전기분해에 의해 수소연료를 생성하는 수소생산부;
상기 수소연료를 전달받아 수소연료를 저장하는 복수 개의 수소저장 탱크;
상기 수소연료와 산소를 공급받고, 상기 수소연료와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전력을 생산하는 연료전지부; 및
상기 재생 에너지 발전부, 에너지 저장부, 수소생산부, 및 연료전지부에 연결되어 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력을 설정된 전력만 만큼 상기 외부 전력망에 공급하고, 잉여 전력을 상기 에너지 저장부에 충전시키며, 상기 수소생산부 및 연료전지부에 전원을 선택적으로 공급하는 에너지 관리부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 에너지 관리부는,
상기 재생 에너지 발전부로부터 상기 외부 전력망에 공급되는 전력량, 상기 에너지 저장부의 충전량, 상기 수소저장 탱크의 수소연료량, 및 상기 연료전지부로 공급되는 수소연료량 및 산소량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템. - 제 2항에 있어서,
상기 에너지 관리부는,
상기 재생 에너지 발전부로부터 생산되어 상기 외부 전력망으로 공급되는 전력량을 검출하는 전력 검출부를 포함하고,
상기 전력 검출부로부터 검출된 전력량이 설정값보다 작다고 판단되는 경우, 상기 에너지 저장부에 충전시킨 잉여 전력을 상기 외부 전력망에 공급하는 것을 특징으로 하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템. - 제 3항에 있어서,
상기 에너지 관리부는,
상기 에너지 저장부에 충전된 잉여 전력이 설정값보다 작다고 판단되는 경우, 상기 수소생산부의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템. - 제 4항에 있어서,
상기 에너지 관리부는,
상기 에너지 저장부에 충전된 잉여 전력이 설정값 보다 작고, 상기 전력 검출부로부터 검출된 전력량이 설정값보다 작다고 판단되는 경우, 상기 연료전지부를 구동시켜 상기 외부 전력망에 전력이 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템. - 제 5항에 있어서,
상기 에너지 관리부는,
상기 전력 검출부로부터 검출된 전력량이 설정값보다 크다고 판단되는 경우, 상기 연료전지부의 구동을 정지시키고, 상기 수소생산부를 구동시키며, 상기 에너지 저장부를 충전시키는 것을 특징으로 하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템. - 제 6항에 있어서,
상기 재생 에너지 발전부는,
공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기 역학적 특성인 풍력을 이용하여 전력을 생성하는 풍력 발전기;
해수면의 수위 차를 이용하여 전력을 생성하는 조력 발전기;
파랑 에너지를 이용하여 전력을 생성하는 파력 발전기;
상기 풍력 발전기, 조력 발전기, 및 파력 발전기와 연결되어 상기 풍력 발전기, 조력 발전기 및 파력 발전기로부터 생성된 전력을 하나로 결합하는 에너지 변환기; 및
상기 에너지 변환기에 연결되어 상기 풍력 발전기, 조력 발전기, 및 파력 발전기에서 생산된 전력을 상기 에너지 관리부 및 에너지 저장부로 공급하도록 전력을 변환하는 컨버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 수소생산부는,
해수로부터 전기분해하여 수소를 생산하는 전기 분해 시스템부, 및
상기 전기 분해 시스템부로부터 생산된 수소를 압축하여 수소저장 탱크로 공급하는 압축기로 구성되는 것을 특징으로 하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 연료전지부는 상기 수소연료와 전기화학적 반응하는 산소를 외부로부터 공급하는 산소공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템. - 제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 따른 외부 전력망에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전 방법에 있어서,
재생 에너지 발전부로부터 전력이 생산되는지 판단하는 제1단계;
상기 재생 에너지 발전부에서 전력이 생산될 경우 외부 전력망에서 요구되는 전력을 계산하여 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력과 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력을 비교하는 제2단계;
상기 제2단계에서 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력보다 작거나 같을 경우 일정시간 전에는 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력보다 컸는지 판단하는 제3단계;
상기 제3단계에서 일정시간 전에는 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력보다 컸을 경우 에너지 저장부의 에너지 충전 정도가 설정값보다 큰지 판단하는 제4단계; 및
상기 제4단계에서 상기 에너지 저장부의 에너지 충전 정도가 설정값보다 클 경우 상기 에너지 저장부에서 에너지 관리부로 전력을 공급하고 남은 전력을 수소 발생부에 공급하여 수소를 생산하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 전력망에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제4단계에서 상기 에너지 저장부의 에너지 충전 정도가 설정값과 같을 경우 상기 에너지 저장부에서 에너지 관리부로 전력을 공급하고 상기 수소 발생부에 전력 공급은 중단하는 제4-1단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 전력망에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제4단계에서 상기 에너지 저장부의 에너지 충전 정도가 설정값보다 작을 경우 상기 에너지 저장부의 에너지 충전 정도를 최소설정값과 비교하여 최소설정값보다 클 경우 상기 에너지 저장부에서 상기 에너지 관리부로 전력을 공급하고 최소설정값과 같거나 더 작을 경우 상기 에너지 저장부에서 전력공급을 중단하고 연료전지부에서 상기 에너지 관리부로 전력을 공급하는 제4-2단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 전력망에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
동력전달부가 최적화되었는지를 판단하는 제6단계;
상기 5단계에서 상기 동력전달부가 최적화되지 않았을 경우 상기 연료전지부의 전력을 상기 동력전달부를 최적화하기 위하여 필요한 전력과 비교하는 제7단계;
상기 제6단계에서 상기 연료전지부의 전력이 더 클 경우 상기 연료전지부가 동력변환장치에 전력을 공급하여 상기 동력전달부를 최적화하는 제7-1단계; 및
상기 제6단계에서 상기 연료전지부의 전력이 더 크지 않을 경우 상기 에너지 저장부가 동력변환장치에 전력을 공급하여 상기 동력전달부를 최적화하는 제7-2단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 전력망에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제2단계에서 상기 재생 에너지 발전부에서 생산되는 전력이 상기 외부 전력망에서 요구되는 전력보다 클 경우 상기 에너지 저장부가 완전히 충전되었는지를 판단하는 제3-1단계;
상기 제3-1단계에서 상기 에너지 저장부가 완전히 충전되지 않은 경우 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력을 외부 전력망에 공급하고 남은 전력을 상기 에너지 저장부에 공급하여 충전하는 제3-2단계;
상기 제3-1단계에서 상기 에너지 저장부가 완전히 충전된 경우 수소저장 탱크에 수소가 가득찼는지 판단하는 제3-3단계; 및
상기 제3-3단계에서 상기 수소저장 탱크가 가득차지 않은 경우 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력을 상기 외부 전력망에 공급하고 남은 전력을 상기 수소 발생부에 공급하여 수소를 생산하고 상기 수소저장 탱크에 수소를 생산된 수소를 저장하는 제3-4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 전력망에 전력을 공급하는 수소생산 기능을 가지는 하이브리드 발전 시스템을 이용한 발전 방법.
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