KR20200142234A - 휴대형 태양광 발전전력 저장장치 - Google Patents

휴대형 태양광 발전전력 저장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다양한 종류의 솔라패널로부터 발전된 전력을 입력받아 저장하고 인버터 사용시 부하의 유무를 검출하여 대기전력을 줄이므로 배터리의 수명을 연장하며 다양한 종류의 충전용 배터리에 충전할 수 있는 휴대형 태양광 발전전력 저장장치에 관한 것으로 태양 빛에 의하여 직류전압의 전력을 20 내지 300 와트 범위 중에서 선택된 어느 하나의 값으로 생산 출력하는 솔라패널모듈부; 솔라패널모듈부에 접속하고 인가되는 직류전압이 15 내지 45 볼트 범위에 포함되는 경우 입력하여 1 차 저장하며 입력된 전압을 스위칭 변조에 의하여 6 내지 38 볼트 범위 중에서 선택된 어느 하나의 전압레벨에 의한 직류전압으로 변환하며 제어된 솔리드스테이트릴레이에 의하여 1 차 저장된 직류전압을 출력하거나 차단하며 외부로부터 입력되는 명령신호에 의하여 자체 구비된 엘이디의 발광을 제어하는 충전제어모듈부를 포함하는 특징이 있다.

Description

휴대형 태양광 발전전력 저장장치{Solar electric power storage with portable}
본 발명은 휴대형 태양광 발전전력 저장장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 다양한 종류의 솔라패널로부터 발전된 전력을 입력받아 저장하고 인버터 사용시 부하의 유무를 검출하여 대기전력을 줄이므로 배터리의 수명을 연장하며 다양한 종류의 충전용 배터리에 충전할 수 있는 휴대형 태양광 발전전력 저장장치에 관한 것이다.
태양광 발전시스템은 태양전지 모듈에서 태양광을 이용해 발생된 직류(DC) 전기를 축전지에 저장하고 직류가 필요한 경우 직류로 출력하며 교류(AC)가 필요한 경우는 인버터를 이용하여 교류(AC)로 변환한 후 출력하는 구성이 일반적으로 포함된다.
일반적으로 태양광을 이용하여 발전된 전력이 저장되는 장치를 PV BESS(Photovoltaic Battery Energy Storage device) 또는 ESS 장치라고 한다.
최근 캠핑 등의 레저 활동 열기 확산과 모바일 기기의 대중화로 휴대용 전원이 필요한 각종 휴대용 전자기기(portable device) 수요 증가, 아웃도어용 조명, 휴대용 통신장비 등의 충전을 위하여 보조배터리를 많이 사용하고 있으니 한정된 용량, 다양한 기기 사용으로 인한 충분한 전력 공급의 어려움 등으로 휴대용 소형 태양광 발전장치에 대한 요구가 증가하고 있는 추세에 있다.
이러한 요구를 일부 만족하는 종래기술로 대한민국 특허 등록번호 제10-1422359호(2014. 07. 16.)에 의한 것으로 ‘태양광 전류 저장장치 및 그 제어 방법’이 있다.
도 1 은 종래 기술의 일 실시 예에 의한 것으로 태양광 발전전력 저장장치의 기능 구성도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 태양광 전력생성부(110), 컨버터(120), 인버터(140), 배터리(130), 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5), 컨트롤러(200)를 포함한다.
태양광 전력생성부(110)는 태양광을 입력하여 직류(DC) 전력을 생성하고, 컨버터(120)는 생산된 직류 전력을 소정 레벨의 전압값으로 승압하며, 인버터(140)는 승압된 전압을 전력계통으로 인가하며, 배터리(130)는 생산된 직류 전력을 저장하는 구성이다. 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5)는 컨버터(120), 인버터(140), 배터리(130)를 상호 연결하고, 해당 동작 모드에 따라 개폐동작 하는 구성이다.
종래기술은 해당 동작 모드에 따라 장치에 인가되는 전력의 흐름을 제어함으로써 불필요한 전력의 낭비를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
그러나 종래기술은 태양광을 이용하여 생산된 전력을 최소의 손실로 전력계통에 공급하거나 배터리에 저장하는 장점이 있으나 휴대용 전자기기에 전력을 공급하기에는 적합하지 못한 문제가 있다.
따라서 휴대용 전자기기의 전력 공급에 적합한 기술을 개발할 필요가 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1422359호(2014. 07. 16.) ‘태양광 전류 저장장치 및 그 제어 방법’
상기와 같은 종래 기술의 문제점과 필요성을 해소하기 위하여 안출한 본 발명은 다양한 종류의 솔라패널로부터 발전된 전력을 입력받아 저장하는 휴대형 태양광 발전전력 저장장치를 제공하는 것이 그 목적이다.
또한, 본 발명은 인버터 사용시 부하의 연결 유무 상태를 검출하여 대기전력을 최소로 줄이고 배터리의 수명을 연장하는 휴대형 태양광 발전전력 저장장치를 제공하는 것이 그 목적이다.
그리고 본 발명은 태양광으로 발전된 전압을 접속된 충전용 배터리가 충전할 수 있는 레벨로 출력하여 다양한 종류의 배터리가 충전용으로 사용되도록 하는 휴대형 태양광 발전전력 저장장치를 제공하는 것이 그 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명의 휴대형 태양광 발전전력 저장장치는 태양 빛에 의하여 직류전압의 전력을 20 내지 300 와트 범위 중에서 선택된 어느 하나의 값으로 생산 출력하는 솔라패널모듈부; 상기 솔라패널모듈부에 접속하고 인가되는 직류전압이 15 내지 45 볼트 범위에 포함되는 경우 입력하여 1 차 저장하며 입력된 전압을 스위칭 변조에 의하여 6 내지 38 볼트 범위 중에서 선택된 어느 하나의 전압레벨에 의한 직류전압으로 변환하며 제어된 솔리드스테이트릴레이에 의하여 1 차 저장된 직류전압을 출력하거나 차단하며 외부로부터 입력되는 명령신호에 의하여 자체 구비된 엘이디의 발광을 제어하는 충전제어모듈부; 를 포함할 수 있다.
상기 충전제어모듈부에 접속하고 해당 제어신호에 의하여 입력되는 직류전압을 2차 저장하며, 제어된 솔리드스테이트릴레이에 의하여 2차 저장된 직류전압을 출력하거나 차단하고, 출력하는 경우는 소모 전류의 크기를 검출하여 상기 충전제어모듈부에 전달하는 충방전배터리모듈부; 상기 충전제어모듈부 또는 상기 충방전배터리모듈부에 접속하고 상기 충전제어모듈부의 해당 제어신호에 의하여 제어된 레벨의 직류 또는 교류의 전력으로 출력하고, 전력이 출력되는 경우 소모되는 전류의 크기를 검출하여 상기 충전제어모듈부에 전달하는 인버터모듈부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 충전제어모듈부는 Mos FET가 포함된 프리볼트 입력회로를 구비하고 다양한 종류의 솔라패널모듈부에 접속되어 발전된 전압을 입력하며, 상기 충방전배터리모듈부 또는 상기 인버터모듈부 또는 자체 출력단자에서 소모되는 전류가 10 밀리암페아 이하로 검출되면 상기 솔리드스테이트릴레이를 제어하여 전력의 출력을 차단하고, 상기 스위칭 변조는 PWM 방식으로 변조하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 출력 전압의 레벨이 상이한 다양한 종류의 솔라패널에 접속하고 발전된 전력을 입력받아 저장하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 인버터 사용시 부하의 연결 유무 상태를 검출하여 대기전력 소모를 최소로 줄이므로 배터리의 수명을 연장하는 장점이 있다.
그리고 본 발명은 접속된 충전용 배터리가 충전할 수 있는 레벨의 전력을 출력하므로 다양한 종류의 배터리를 충전용으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 종래 기술의 일 실시 예에 의한 것으로 태양광 발전전력 저장장치의 기능 구성도,
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 휴대형 태양광 발전전력 저장장치의 분해된 기능 설명 사시 구성도,
도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 휴대형 태양광 발전전력 저장장치의 결합상태 도시도,
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 소모 전류 검출 기능부의 회로도,
그리고
도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 출력전력 차단 기능부의 회로도 이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 휴대형 태양광 발전전력 저장장치의 분해된 기능 설명 사시 구성도 이고, 도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 휴대형 태양광 발전전력 저장장치의 결합상태 도시도 이고, 도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 소모 전류 검출 기능부의 회로도 이고, 도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 출력전력 차단 기능부의 회로도 이다.
이하, 첨부된 모든 도면을 참조하여 상세히 설명하면 휴대형 태양광 발전전력 저장장치(900)는 솔라패널모듈부(SPM), 충전제어모듈부(1000), 충방전배터리모듈부(2000), 인버터모듈부(3000)를 포함하는 구성이다.
솔라패널모듈부(SPM: solar panel module)는 태양광을 입력하면 직류의 전압을 발전하여 출력하는 구성이고, 매우 일반적이며 잘 알 수 있으므로 도면 도시와 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
솔라패널모듈부(SPM)는 규격화되어 상업용으로 거래되는 경우 개방 전압이 17.5 볼트(V), 35 볼트, 42 볼트로 분류되며, 각 출력전압에 적합한 충전용 배터리와 제어부(컨트롤러)를 사용하여야 된다.
충전제어모듈부(1000)는 솔라패널모듈부에 접속하고 인가되는 직류전압이 15 내지 45 볼트 범위에 포함되는 경우 입력하여 1 차 저장하며 입력된 전압을 스위칭 변조(modulation)에 의하여 6 내지 38 볼트(V) 범위 중에서 선택된 어느 하나의 전압레벨에 의한 직류전압으로 변환하며 제어된 솔리드스테이트릴레이(SSR : solid state relay)에 의하여 저장된 직류전압을 출력하거나 출력을 차단하며 외부로부터 입력되는 명령신호에 의하여 자체 구비된 엘이디(LED)의 발광을 제어한다. 스위칭 변조는 PWM(pulse width modulation) 방식으로 변조 한다.
충전제어모듈부(1000)는 Mos FET가 포함된 프리볼트(free volt) 입력회로를 구비하고 다양한 종류의 솔라패널모듈부에 접속되어 발전된 전압을 입력한다.
충전제어모듈부(1000)에 접속된 솔라패널모듈부(SPM)는 제조사와 해당 모델 종류에 의하여 출력되는 전압이 17.5 V, 35 V, 42 V 등과 같이 다양하며, 충전제어모듈부(1000)는 Mos FET를 포함하는 프리볼트 회로에 의하여 15 내지 45 볼트 범위에 포함되는 어느 하나의 전압을 입력할 수 있다.
충전제어모듈부(1000)는 입력되는 전압을 스위칭 변조에 의하여 직류-직류 변환하므로 정해진 전압 레벨의 직류전압으로 출력할 수 있고, 이때, PWM 방식으로 변조되며, 이와 같이 변조되어 출력되는 직류전압의 레벨은 6 내지 38 볼트의 범위 중에서 선택된 어느 하나의 레벨에 의한 직류전압이다.
충전제어모듈부(1000)는 충방전 배터리를 자체 구비하고 솔라패널모듈부(SPM)로부터 발전되어 입력된 전력을 저장한다. 이대 자체 구비 또는 내장된 충방전 배터리는 납산 배터리(12v, 24v, 36v), 리튬이온 배터리(3S - 8S, 11.1 v - 29.6 v), 리튬폴리머 배터리(3S - 8S, 11.1 v - 29.6 v), 리튬인산철 배터리((4S - 10S, 6.9 v - 32 v) 중에서 선택된 어느 하나 또는 어느 하나 이상으로 이루어진다. 충전제어모듈부(1000)에 구비된 LED는 1 와트급 이상의 출력을 내며 백생광을 출력하고, 바람직하게는 2 와트급 백색광을 출력하는 LED로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 충전제어모듈부(1000)는 솔리드스테이트릴레이(SSR)를 구비하여 1차 저장된 직류전원을 출력하거나 출력을 차단한다.
충방전배터리모듈부(2000)는 충전제어모듈부(1000)에 접속하고 해당 제어신호에 의하여 입력되는 직류전압을 저장하며, 제어된 솔리드스테이트릴레이(SSR)에 의하여 저장된 직류전압을 출력하거나 차단하고, 출력하는 경우는 소모 전류의 크기를 검출하여 충전제어모듈부(1000)에 전달한다.
충방전배터리모듈부(2000)는 충전용량이 충전제어모듈부(1000)에 내장된 충방전 배터리의 충전용량 대비 10 내지 25 배 범위 중에서 선택된 어느 하나의 값에 의한 충전용량으로 구성되고, 납산 배터리(12v, 24v, 36v), 리튬이온 배터리(3S - 8S, 11.1 v - 29.6 v), 리튬폴리머 배터리(3S - 8S, 11.1 v - 29.6 v), 리튬인산철 배터리((4S - 10S, 6.9 v - 32 v) 중에서 선택된 어느 하나 또는 어느 하나 이상으로 이루어진다.
충방전배터리모듈부(2000)는 첨부된 도 4 에 도시된 것과 같은 구성의 소모 전류 센싱회로(소모 전류 검출기능부)를 구비하고 검출된 해당 값을 솔라패널모듈부(1000)에 전달하며, 첨부된 도 5 에 도시된 것과 같은 구성의 출력전원 자동 차단회로(출력전력 차단 기능부)를 구비하고 솔라패널모듈부(1000)로부터 인가되는 해당 제어신호에 의하여 출력 경로를 차단하거나 출력되도록 한다.
즉, 솔라패널모듈부(1000)는 충방전배터리모듈부(2000)의 소모 전류 센싱회로(소모 전류 검출기능부)를 제어하여 소모되는 전류값을 검출하고 소모되는 전류값이 10 밀리암페아 이하로 검출되는 것으로 확인되면 출력전원 자동 차단회로(출력전력 차단 기능부)를 제어하여 전력의 출력경로를 차단하여 배터리의 소모를 방지하고, 그러므로 충방전 배터리에 저장된 전기의 전력 에어지가 낭비되지 않도록 하면서 해당 충방전 배터리의 수명을 연장한다.
솔라패널모듈부(1000)는 충방전배터리모듈부(2000)에 구비된 소모 전류 센싱회로와 출력전원 자동 차단회로를 자체적으로 동일하게 구비하고 동일한 방식으로 제어하므로 자체 구비된 충방전 배터리에 1차 저장된 전기의 전력 에어지가 낭비되지 않도록 하면서 해당 충방전 배터리의 수명을 연장한다.
솔라패널모듈부(1000)와 충방전배터리모듈부(2000)는 출력전원 자동 차단회로 대신에 재활용이 가능한 휴즈 또는 서킷브레이커(circuit breaker)를 구비할 수 있다. 또는, 출력전원 자동 차단회로와 서킷브레이커를 모두 구비하여 안정성을 높일 수 있다.
인버터모듈부(3000)는 충전제어모듈부(1000) 또는 충방전배터리모듈부(2000)에 접속하고 충전제어모듈부(1000)의 해당 제어신호에 의하여 제어된 레벨의 직류 또는 교류의 전력으로 출력하며, 전력이 출력되는 경우 소모되는 전류의 크기를 검출하여 충전제어모듈부에 전달한다. 그러므로 인버터모듈부(3000)는 소모 전류 센싱회로를 구비한다.
충전제어모듈부(1000)는 독자적으로 사용될 수 있고, 내장 상태로 구비된 충방전 배터리의 용량이 작은 경우에 충방전배터리모듈부(2000)를 더 구비하여 충방전 용량을 늘릴 수 있다.
충전제어모듈부(1000)와 충방전배터리모듈부(2000)는 각각 독자적으로 사용되는 경우 직류를 출력하며, 각각에 인버터모듈부(3000)를 접속하는 경우 지정되거나 제어된 레벨의 교류 전압을 출력한다.
즉, 인버터모듈부(3000)가 충전제어모듈부(1000)와 접속된 경우에는 충전제어모듈부(1000)의 해당 제어신호에 의하여 출력되는 교류 전압의 레벨을 해당 제어신호에 의하여 조절(일 례로 6, 12, 24, 48, 100 볼트 등) 할 수 있고, 방전배터리모듈부(2000)에 접속된 경우에는 제어기능이 없으므로 설정된 레벨의 전압(일 례로 100 볼트)을 출력한다.
한편, 충전제어모듈부(1000)와 충방전배터리모듈부(2000)와 인버터모듈부(3000)는 해당 하우징이 첨부된 도면에서와 같이 규격화되어 충전제어모듈부(1000)와 충방전배터리모듈부(2000)이 접속하고 충방전배터리모듈부(2000)와 인버터모듈부(3000)이 접속하며 충방전배터리모듈부(2000)를 중심으로 좌우측에 각각 접속되는 충전제어모듈부(1000)와 인버터모듈부(3000)는 그 위치가 서로 바뀌는 경우에도 기계적과 전기회로적으로 동일하게 동작하는 구성이다.
한편, 충방전배터리모듈부(2000)를 제외한 충전제어모듈부(1000)와 인버터모듈부(3000)가 직접 접속할 수도 있다.
그리고 충전제어모듈부(1000)와 충방전배터리모듈부(2000)와 인버터모듈부(3000)의 각 하우징이면서 접속되는 경우 인접한 측면 내부에는 하나 이상 다수의 네오디움 자석이 대응되는 극성으로 고정 설치되어 별도의 고정나사 등 없이도 자력으로 상호 잡아당기므로 견고하게 잘 부착된다. 각 네오디움 자석은 1.0 가우스(G) 이상의 자력을 갖는 구성으로 이루어지므로 별도의 외부 힘이 인가되지 않은 한 각 하우징은 접속된 상태로부터 분리되지 않는다. 1.5 가우스의 자력으로 구성시키는 것이 안전성을 위하여 매우 바람직하다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
900 : 휴대형 태양광 발전전력 저장장치
1000 : 충전제어모듈부 2000 : 충방전배터리모듈부
3000 : 인버터모듈부 SPM : 솔라패널모듈부

Claims (3)

  1. 태양 빛에 의하여 직류전압의 전력을 20 내지 300 와트 범위 중에서 선택된 어느 하나의 값으로 생산 출력하는 솔라패널모듈부;
    상기 솔라패널모듈부에 접속하고 인가되는 직류전압이 15 내지 45 볼트 범위에 포함되는 경우 입력하여 1 차 저장하며 입력된 전압을 스위칭 변조에 의하여 6 내지 38 볼트 범위 중에서 선택된 어느 하나의 전압레벨에 의한 직류전압으로 변환하며 제어된 솔리드스테이트릴레이에 의하여 1 차 저장된 직류전압을 출력하거나 차단하며 외부로부터 입력되는 명령신호에 의하여 자체 구비된 엘이디의 발광을 제어하는 충전제어모듈부; 를 포함하여 이루어지는 휴대형 태양광 발전전력 저장장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전제어모듈부에 접속하고 해당 제어신호에 의하여 입력되는 직류전압을 2차 저장하며, 제어된 솔리드스테이트릴레이에 의하여 2차 저장된 직류전압을 출력하거나 차단하고, 출력하는 경우는 소모 전류의 크기를 검출하여 상기 충전제어모듈부에 전달하는 충방전배터리모듈부;
    상기 충전제어모듈부 또는 상기 충방전배터리모듈부에 접속하고 상기 충전제어모듈부의 해당 제어신호에 의하여 제어된 레벨의 직류 또는 교류의 전력으로 출력하고, 전력이 출력되는 경우 소모되는 전류의 크기를 검출하여 상기 충전제어모듈부에 전달하는 인버터모듈부; 를 더 포함하여 이루어지는 휴대형 태양광 발전전력 저장장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 충전제어모듈부는 Mos FET가 포함된 프리볼트 입력회로를 구비하고 다양한 종류의 솔라패널모듈부에 접속되어 발전된 전압을 입력하며,
    상기 충방전배터리모듈부 또는 상기 인버터모듈부 또는 자체 출력단자에서 소모되는 전류가 10 밀리암페아 이하로 검출되면 상기 솔리드스테이트릴레이를 제어하여 전력의 출력을 차단하고,
    상기 스위칭 변조는 PWM 방식으로 변조하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대형 태양광 발전전력 저장장치.
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