KR20230029025A - 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법은, 매일 설정 시간동안 균일하게 전력을 출력할 수 있는 설비 용량을 산출함으로써, 전력 수요량에 관계없이 균일한 전력을 안정적으로 공급할 수 있다. 또한, 본 발명은 전력 수요량에 따라 출력량을 제어하는 것이 아니라, 매일 일정한 출력을 낼 수 있으므로, 재생 에너지의 변동성이 해소될 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 태양광 발전 설비가 기본 용량일 때 발전량에 대한 데이터를 이용하여, 설정 시간동안 균일하게 출력하고자 하는 균일 기준 출력값에 대해 필요한 태양광 발전 설비의 설치 용량을 산출할 수 있으므로, 적용이 용이하다.

Description

출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법{Method of calculating the capacity of renewable energy facility to keep the output of renewable energy constant}
본 발명은 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광 발전 설비, 에너지 저장 설비, 수전해 설비 및 연료전지를 포함하는 재생 에너지 시스템에서 매일 설정 시간동안 균일한 출력을 공급할 수 있는 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법에 관한 것이다.
최근에는 화석 연료의 고갈과 지구 온난화로 인한 온실 가스 배출 규제 등으로 인하여 재생 에너지에 대한 관심이 증대되고 있다. 재생 에너지는 기존의 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변화시켜 이용하는 에너지이며, 태양광, 태양열, 지열, 바이오, 풍력, 수력 등의 에너지가 있다.
그러나, 재생 에너지를 이용한 발전 시스템은 출력이 일정하지 않으므로, 출력 변동성으로 인해 전력 계통의 안정화가 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 리튬 이온 배터리(LIB, Li-Ion Battery)등의 에너지 저장 설비(ESS, Energy Storage System)을 구축하여, 과잉 생산된 전력을 저장하였다가 전력이 부족시에 방전함으로써, 전력 수급을 안정시키고 있다. 다만, 리튬 이온 배터리는 충전과 방전 사이에 휴지기가 필요한 한계가 있으며, 에너지 저장 시스템에 대한 보다 정확한 용량 산정을 필요로 한다.
또한, 종래에는 전력 수요량을 계측하여, 계측된 전력 수요량에 따라 에너지 저장 시스템의 저장 용량이나 출력량을 산정함으로써, 재생 에너지의 특성상 출력 변동성으로 심하기 때문에 전력 수요량의 변동에 신속한 대응이 어려우므로, 전력 공급 불안정성 문제를 해결하는 데 한계가 있다.
한국등록특허 제10-2257965호
본 발명의 목적은, 균일한 출력을 안정적으로 공급하여 전력 계통을 안정화시킬 수 있는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법은, 태양광 발전 설비, 에너지 저장 설비(ESS), 수전해 설비(P2G) 및 연료전지를 포함하는 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법에 있어서, 상기 태양광 발전 설비의 용량이 설정 용량일 때, 상기 태양광 발전 설비의 일별 태양광 발전량과 연평균 태양광 발전량에 대한 데이터베이스를 미리 구축하는 단계와; 상기 재생 에너지 시스템에서 설정 시간동안 균일하게 출력하고자 하는 균일 기준 전력값을 복수개 설정하고, 상기 복수의 균일 기준 전력값들로 각각 출력시 상기 설정 시간동안 출력되는 복수의 균일기준 전력량들을 각각 산출하는 단계와; 상기 데이터베이스로부터 상기 태양광 발전 설비에서 상기 설정 시간동안 상기 균일 기준 전력값들 이하로 각각 생산되는 복수의 기준 전력값 이하 태양광 발전량들을 산출하는 단계와; 상기 균일기준 전력량들과 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량의 차이를 단주기 부족 전력량들로 산출하고, 상기 단주기 부족 전력량들을 이용하여 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 대한 연간 단주기 부족 전력량들을 각각 산출하는 단계와; 상기 연간 단주기 부족 전력량들만큼 상기 에너지 저장 설비로부터 사용가능하도록 상기 연간 단주기 부족 전력량들로부터 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량들을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 일별 태양광 발전량에서 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량과 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 뺀 나머지 전력량을 상기 수전해 설비에 저장가능하도록 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 수전해 설비의 전력량들로 산출하는 단계와; 상기 수전해 설비의 전력량이 0보다 크면, 상기 수전해 설비의 전력량과 미리 설정된 수전해 효율을 이용하여, 상기 균일 기준 전력값들마다 일별 수소 생산량과 연간 수소 생산량을 각각 산출하는 단계와; 상기 수전해 설비의 전력량이 0보다 작으면, 상기 수전해 설비의 전력량과 미리 설정된 연료전지 효율을 이용하여, 상기 균일 기준 전력값들마다 일별 수소 소모량과 연간 수소 소모량을 각각 산출하는 단계와; 상기 복수의 균일 기준 전력값들 중에서 상기 연간 수소 생산량과 상기 연간수소 소모량의 차이가 가장 작은 경우의 균일 기준 전력값을 도출하여, 상기 재생 에너지 시스템에서 상기 태양광 발전 설비의 용량이 상기 설정 용량일 때 상기 설정 시간동안 균일하게 출력할 수 있는 최적 균일 전력값으로 설정하는 단계를 포함한다.
상기 재생 에너지 시스템의 균일 기준 전력값이 신규로 설정되면, 상기에서 산출된 최적 균일 전력값과 상기 태양광 발전 설비의 설정 용량의 관계로부터 상기 신규로 설정된 균일 기준 전력값에 대응하는 상기 태양광 발전 설비의 용량을 산출하는 단계를 포함한다.
상기에서 산출된 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량들 중에서 상기 최적 균일 전력값에 대응되는 용량을 상기 에너지 저장 설비의 최적 용량으로 도출하는 단계를 포함한다.
상기에서 산출된 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 수전해 설비의 전력량들 중에서 상기 최적 균일 전력값에 대응되는 전력량을 상기 수전해 설비의 최적 전력량으로 도출하는 단계를 포함한다.
상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 산출하는 단계에서는, 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량은 상기 연간 단주기 부족 전력량들에 미리 설정된 에너지 저장 설비 효율을 반영하고 연간 일수로 나누어 산출한다.
상기 에너지 저장 설비는, 플로우 배터리를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법은, 태양광 발전 설비, 에너지 저장 설비(ESS), 수전해 설비(P2G) 및 연료전지를 포함하는 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법에 있어서, 상기 태양광 발전 설비의 용량이 설정 용량일 때, 상기 태양광 발전 설비의 일별 태양광 발전량과 연평균 태양광 발전량에 대한 데이터베이스를 미리 구축하는 단계와; 상기 재생 에너지 시스템에서 설정 시간동안 균일하게 출력하고자 하는 균일 기준 전력값을 복수개 설정하고, 상기 복수의 균일 기준 전력값들로 각각 출력시 상기 설정 시간동안 출력되는 복수의 균일기준 전력량들을 각각 산출하는 단계와; 상기 데이터베이스로부터 상기 태양광 발전 설비에서 상기 설정 시간동안 상기 균일 기준 전력값들 이하로 각각 생산되는 복수의 기준 전력값 이하 태양광 발전량들을 산출하는 단계와; 상기 균일기준 전력량들과 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량의 차이를 단주기 부족 전력량들로 산출하고, 상기 단주기 부족 전력량들을 이용하여 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 대한 연간 단주기 부족 전력량들을 각각 산출하는 단계와; 상기 연간 단주기 부족 전력량들만큼 상기 에너지 저장 설비로부터 사용가능하도록 상기 연간 단주기 부족 전력량들로부터 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량들을 산출하는 단계와; 상기 일별 태양광 발전량에서 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량과 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 뺀 나머지 전력량을 상기 수전해 설비에 저장가능하도록 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 수전해 설비의 전력량들로 산출하는 단계와; 상기 수전해 설비의 전력량이 0보다 크면, 상기 수전해 설비의 전력량과 미리 설정된 수전해 효율을 이용하여, 상기 균일 기준 전력값들마다 일별 수소 생산량과 연간 수소 생산량을 각각 산출하는 단계와; 상기 수전해 설비의 전력량이 0보다 작으면, 상기 수전해 설비의 전력량과 미리 설정된 연료전지 효율을 이용하여, 상기 균일 기준 전력값들마다 일별 수소 소모량과 연간 수소 소모량을 각각 산출하는 단계와; 상기 복수의 균일 기준 전력값들 중에서 상기 연간 수소 생산량과 상기 연간수소 소모량의 차이가 가장 작은 경우의 균일 기준 전력값을 도출하여, 상기 재생 에너지 시스템에서 상기 태양광 발전 설비의 용량이 상기 설정 용량일 때 상기 설정 시간동안 균일하게 출력할 수 있는 최적 균일 전력값으로 설정하는 단계와; 상기에서 산출된 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량들 중에서 상기 최적 균일 전력값에 대응되는 용량을 상기 에너지 저장 설비의 최적 용량으로 도출하는 단계와; 상기 재생 에너지 시스템의 균일 기준 전력값이 신규로 설정되면, 상기에서 산출된 최적 균일 전력값과 상기 에너지 저장 설비의 저장 용량의 관계로부터 상기 신규로 설정된 균일 기준 전력값에 대응하는 상기 에너지 저장 설비의 저장 용량을 산출하는 단계와; 상기 재생 에너지 시스템의 균일 기준 전력값이 신규로 설정되면, 상기에서 산출된 최적 균일 전력값과 상기 수전해 설비의 전력량의 관계로부터 상기 신규로 설정된 균일 기준 전력값에 대응하는 상기 수전해 설비의 전력량을 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법은, 매일 설정 시간동안 균일하게 전력을 출력할 수 있는 설비 용량을 산출함으로써, 전력 수요량에 관계없이 균일한 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 전력 수요량에 따라 출력량을 제어하는 것이 아니라, 매일 일정한 출력을 낼 수 있으므로, 재생 에너지의 변동성이 해소될 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 태양광 발전 설비가 기본 용량일 때 발전량에 대한 데이터를 이용하여, 설정 시간동안 균일하게 출력하고자 하는 균일 기준 출력값에 대해 필요한 태양광 발전 설비의 설치 용량을 산출할 수 있으므로, 적용이 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 출력 균일화를 위한 설비 용량 산정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템에서 균일 기준 전력값에 따라 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 산출하는 방법을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템에서 균일 기준 전력값에 따라 수전해 설비의 전력량을 활용하는 방법을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템에서 태양광 발전 설비의 용량이 500KW이고, 균일 기준 전력값이 110kW인 제1케이스를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템에서 태양광 발전 설비의 용량이 500KW이고, 균일 기준 전력값이 120kW인 제2케이스를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템에서 태양광 발전 설비의 용량이 500KW이고, 균일 기준 전력값이 130kW인 제3케이스를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 시스템은, 재생 에너지의 변동성에 관계없이 항상 일정시간동안 균일한 전력값을 출력할 수 있도록 재생 에너지 시스템의 설비 용량을 미리 산정하여, 상기 균일한 전력값을 출력할 수 있는 설비 용량이 설비들의 설계나 설치에 반영되도록 하기 위한 시스템이다.
상기 설비 용량 산정 시스템은, 데이터수집부, 데이터베이스, 연산부 등을 포함하는 컴퓨터인 것으로 예를 들어 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 재생 에너지 시스템은, 태양광 발전 설비(10), 에너지 저장 설비(ESS)(20), 수전해 설비(P2G, Power to Gas)(30), 연료전지(40) 및 에너지 관리부(EMS)(50)를 포함한다.
상기 에너지 저장 설비(20)는, 플로우 배터리(Flow battery)를 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 플로우 배터리는 충전과 방전 사이에 휴지기가 필요하지 않으므로, 연속적으로 사용이 가능하면서도 보다 대용량을 저장가능한 이점이 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 에너지 저장 설비(20)는 리튬 이온 배터리(LIB)를 사용하는 것도 물론 가능하다.
상기 수전해 설비(30)는, 전력을 이용하여 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 장치이다. 상기 수전해 설비(30)에서 생산된 수소는 수소 탱크(미도시)에 저장된다.
상기 연료전지(40)는, 상기 수소 탱크(미도시)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산한다.
상기 에너지 관리부(50)는, 상기 태양광 발전 설비(10)에서 생산된 전력을 상기 에너지 저장 설비(20), 상기 수전해 설비(30) 및 전력 수요처에 분배하여 에너지를 관리한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 출력 균일화를 위한 설비 용량 산정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 상기 설비 용량 산정 방법은, 데이터베이스 구축 단계(S1), 균일 기준 전력값을 설정하는 단계(S2), 균일 기준 전력량을 산출하는 단계(S3), 기준 전력값 이하 태양광 발전량을 산출하는 단계(S4), 연간 단주기 부족 전력량을 산출하는 단계(S5), 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 산출하는 단계(S6), 상기 수전해 설비의 전력량을 산출하는 단계(S7), 연간 수소 생산량과 연간 수소 소모량을 산출하는 단계(S8), 최적 균일 전력값 도출하는 단계(S9), 에너지 저장 설비의 최적 용량을 도출하는 단계(S10), 상기 수전해 설비의 최적 전력량을 도출하는 단계(S11), 태양광 발전 설비의 설정 용량과 상기 최적 균일 전력값의 관계를 도출하는 단계(S12)를 포함한다.
상기 데이터베이스 구축 단계(S1)에서는 상기 태양광 발전 설비(10)의 설정 용량에 대한 일별 태양광 발전량, 연평균 태양광 발전량에 대한 데이터들을 수집하고, 수집한 데이터들은 데이터베이스로 미리 구축된다.(S1)
상기 태양광 발전 설비(10)의 설치 용량은 미리 설정된 설정 용량으로 설정된다. 상기 설정 용량은 수집 가능한 데이터에 해당하는 기본 용량으로 설정하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 상기 설정 용량은 500kW인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 태양광 발전 설비(10)의 발전 용량이 500kW일 때, 1년 동안 일별 태양광 발전량과 연평균 태양광 발전량에 대한 데이터들이 상기 데이터베이스에 저장된다.
상기 균일 기준 전력값을 설정하는 단계(S2)에서는 상기 재생 에너지 시스템에서 미리 설정된 설정 시간동안 균일하게 출력하고자 하는 균일 기준 전력값(Pb)을 임의로 복수개 설정한다.(S2)
상기 균일 기준 전력값(Pb)은 사용자에 의해 설정되는 것도 가능하고, 상기 컴퓨터에 미리 입력된 기본값들로 설정되는 것도 가능하다.
상기 설정 시간은 오전 6시부터 오후 6시까지 총 12시간으로 설정되고, 상기 균일 기준 전력값(Pb) 은 110kW, 120kW, 130kW으로 설정된 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 본 실시예에서는, 상기 균일 기준 전력값(Pb)이 110kW일 때를 제1케이스(CASE 1), 120kW일 때를 제2케이스(CASE 2), 130kW일 때를 제3케이스(CASE 2)로 예를 들어 설명한다. 하기에서 산출되는 값들은 상기 제1,2,3케이스마다 산출되는 값들이다.
상기 균일기준 전력량(Eb)을 산출하는 단계(S3)에서는 상기 균일 기준 전력값으로 상기 설정 시간동안 균일하게 출력시 생산가능한 균일기준 전력량(Eb)(kWㅇH)을 산출한다.(S3)
수학식 1은 상기 균일기준 전력량(Eb)을 산출하는 식이다.
Figure pat00001
상기 균일기준 전력량(Eb)은, 상기 균일 기준 전력값(Pb)에 상기 설정시간을 곱한 값이다. 본 실시예에서는 상기 균일 기준 전력값(Pb)이 3개가 설정된 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 균일기준 전력량(Eb)은 상기 3개의 균일 기준 전력값(Pb)에 각각 대응되도록 3개가 산출된다.
한편, 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량을 산출하는 단계(S4)에서는 상기 태양광 발전 설비(10)의 태양광 발전량 중에서 상기 설정 시간동안 상기 균일 기준 전력값들 이하로 생산되는 기준 전력값 이하 태양광 발전량(UPEb)을 산출한다.
수학식 2는 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량(UPEb)을 산출하는 식이다.
Figure pat00002
상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량(UPEb)은 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 각각 대응되도록 복수개가 산출된다. 본 실시예에서는, 상기 복수의 균일 기준 전력값은 3개인 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량(UPEb)은 3개가 산출된다.
상기 연간 단주기 부족 전력량을 산출하는 단계(S5)에서는, 상기에서 산출된 상기 균일기준 전력량(Eb)과 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량(UPEb)의 차이를 단주기 부족 전력량(ESb)으로 산출한다.
상기 단주기 부족 전력량은, 상기 균일 기준 전력값으로 오전 6시부터 오후 6시까지 균일하게 출력시 특정 시간대에는 상기 태양광 발전량으로 부족하기 때문에, 부족한 전력량을 구한 값이다.
수학식 3은 상기 단주기 부족 전력량(ESb)을 산출하는 식이다.
Figure pat00003
상기 단주기 부족 전력량(ESb)에 연간 일수를 반영하면, 연간 단주기 부족 전력량(ESby)을 산출할 수 있다.
수학식 4는 상기 연간 단주기 부족 전력량(ESby)을 산출하는 식이다.
Figure pat00004
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템에서 태양광 발전량을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상기 균일 기준 전력값(Pb)이 130kW인 경우를 예로 나타내고 있으며, 상기 균일기준 전력량(Eb)은 상기 균일 기준 전력값(Pb) 을 나타내는 선 아래 사각형 영역에 해당하고, 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량(UPEb)은 상기 태양광 발전량을 나타내는 그래프로부터 상기 균일 기준 전력값(Pb) 이하인 영역이다.
상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 산출하는 단계(S6)에서는 상기 연간 단주기 부족 전력량(ESby)에 따라 상기 에너지 저장 설비(20)의 용량(ESS)으로 산출한다.
즉, 상기 연간 단주기 부족 전력량(ESby)만큼 상기 에너지 저장 설비(20)로부터 방전시켜 사용해야 하므로, 상기 에너지 저장 설비(20)에는 상기 연간 단주기 부족 전력량(ESby)만큼 최소 저장되어야 한다. 따라서 상기 연간 단주기 부족 전력량(ESby)에 따라 상기 에너지 저장 설비(20)의 용량(ESS)을 산출한다.
상기 에너지 저장 설비(20)의 용량(ESS)은, 상기 연간 단주기 부족 전력량(ESby)에 미리 설정된 에너지 저장 설비 효율(ESS Round Trip 효율)을 반영하고, 연간 일수로 나누어 산출한다. 즉, 상기 에너지 저장 설비 효율을 고려함으로써, 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 보다 정확하게 산정할 수 있다.
수학식 5는 상기 에너지 저장 설비(20)의 용량(ESS)을 산출하는 식이다.
Figure pat00005
상기 에너지 저장 설비(20)의 용량(ESS)는 일별 저장 용량이다.
표 1은, 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 대한 상기 에너지 저장 설비(20)의 용량(ESS)을 산출한 일 예를 나타낸다.
Figure pat00006
표 1을 참조하면, 상기 태양광 발전 설비가 500kW일 때, 상기 균일 기준 전력값(Pb)에 따라 균일화가 가능하도록 도출된 상기 에너지 저장 설비(20)의 용량(ESS)을 확인할 수 있다.
상기 수전해 설비(30)의 전력량을 산출하는 단계(S7)에서는 상기 태양광 발전 설비(10)에서 일별 생산되는 일별 태양광 발전량을 산출하고, 상기 일별 태양광 발전량에서 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량(UPEb)과 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량(ESS)을 뺀 나머지 전력량을 상기 수전해 장치의 전력량들로 산출한다.
수학식 6은 상기 수전해 설비(30)의 전력량(Ep2g)을 산출하는 식이다.
Figure pat00007
상기 연간 수소 생산량과 연간 수소 소모량을 산출하는 단계(S8)에서는 일별 수소 생산량, 연간 수소 생산량, 일별 수소 소모량, 연간 수소 소모량을 각각 산출한다.
상기 일별 태양광 발전량은 변동성이 매우 심하기 때문에, 상기 수전해 설비(30)의 전력량(Ep2g)도 일별 차이가 크게 산출된다. 따라서, 상기 수전해 설비(30)의 전력량(Ep2g)의 크기가 0보다 큰 경우, 0인 경우, 0보다 작은 경우로 나누어서 수소 생산량 또는 수소 소모량을 계산한다.
상기 단계(S8)에서는 상기 수전해 설비(30)의 전력량(Ep2g)이 0보다 크면, 수소 생산이 가능하므로, 상기 수전해 설비(30)의 전력량(Ep2g)과 미리 설정된 수전해 효율을 이용하여 일별 수소 생산량(PHY)을 산출한다.
여기서, 수전해 효율은 약 6kWh/Nm3H2인 것으로 예를 들어 설명한다.
수학식 7은 상기 일별 수소 생산량(PHY)을 산출하는 식이다.
Figure pat00008
상기 단계(S8)에서는 상기 수전해 설비(30)의 전력량(Ep2g)이 0이면, 상기 에너지 저장 설비만으로 균일화가 가능한 경우이다.
상기 단계(S8)에서는 상기 수전해 설비(30)의 전력량(Ep2g)이 0보다 작으면, 상기 일별 태양광 발전량만으로 부족하기 때문에, 상기 연료전지를 이용하여 부족 전력량만큼전력을 생산하는 것이 필요하다. 따라서, 상기 수전해 설비(30)의 전력량(Ep2g)이 0보다 작으면, 상기 연료전지에서 소모되는 일별 수소 소모량(CHY)을 산출한다.
상기 일별 수소 소모량(CHY)은 상기 수전해 설비(30)의 전력량(Ep2g)과 미리 설정된 연료전지 효율을 이용하여 산출된다.
여기서, 상기 연료전지 효율은 약 1.39kWh/Nm3H2인 것으로 예를 들어 설명한다 .
수학식 8은 상기 일별 수소 소모량(CHY)을 산출하는 식이다.
Figure pat00009
상기 일별 수소 생산량(PHY)으로부터 연간 수소 생산량을 산출할 수 있으며, 상기 일별 수소 소모량(CHY)으로부터 연간 수소 소모량을 산출할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템에서 태양광 발전 설비의 용량이 500KW이고, 균일 기준 전력값이 110kW인 제1케이스를 나타낸 그래프이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템에서 태양광 발전 설비의 용량이 500KW이고, 균일 기준 전력값이 120kW인 제2케이스를 나타낸 그래프이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 재생 에너지 시스템에서 태양광 발전 설비의 용량이 500KW이고, 균일 기준 전력값이 130kW인 제3케이스를 나타낸 그래프이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 수소 일별 생산량이 양의 수인 경우 일별 수소 생산량을 나타내고, 음수인 경우 일별 수소 소모량을 나타낸다. 또한, 연간 수소 누적 생산량으로부터 연간 수소 생산량과 연간 수소 소모량을 확인할 수 있다.
상기 최적 균일 전력값을 도출하는 단계(S9)에서는, 상기 제1,2,3케이스 중에서 상기 연간 수소 생산량과 상기 연간 수소 소모량의 차이가 가장 작은 경우의 균일 기준 전력값(Pb)을 상기 재생 에너지 시스템의 최적 균일 전력값으로 도출한다.
즉, 상기 연간 수소 생산량이 상기 연간 수소 소모량보다 많으면, 수소가 과잉 생산되어 수소가 남게 되므로 효율이 저하될 수 있다. 상기 연간 수소 생산량이 상기 연간 수소 소모량보다 적으면 수소가 부족하므로 균일 기준 전력값을 출력할 수 없다. 따라서 상기 연간 수소 생산량과 상기 연간 수소 소모량의 차이가 0이거나 0에 가까운 경우의 상기 균일 기준 전력값(Pb)을 상기 최적 균일 전력값으로 도출하는 것이 바람직하다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 균일 기준 전력값(Pb)이 110kW인 제1케이스일 때, 상기 연간 수소 생산량과 상기 연간 수소 소모량의 차이가 0에 가장 가까우므로, 상기 최적 균일 전력값은 110kW이다.
따라서 상기 태양광 발전 용량이 500kW일 때, 상기 재생 에너지 시스템에서는 상기 최적 균일 전력값인 110kW를 1년동안 매일 12시간동안 균일하게 출력할 수 있다고 판단할 수 있다.
상기와 같이 장주기 균일화를 위한 상기 최적 균일 전력값이 도출되면, 상기 최적 균일 전력값에 대응되는 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 최적 용량으로 도출한다.(S10)
즉, 표 1을 참조하면, 상기 단계(S6)에서 상기 균일 기준 전력값들(Pb)에 따른 상기 에너지 장치의 용량들을 도출하였으므로, 상기 에너지 장치의 용량들 중에서 상기 최적 균일 전력값에 대응되는 용량을 상기 에너지 저장 설비의 최적 용량으로 도출한다.
본 실시예에서는, 상기 균일 기준 전력값들 중에서 110kW가 상기 최적 균일 전력값으로 도출된 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 균일 전력값이 110kW일 때 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 최적 용량으로 도출한다.
또한, 상기 최적 균일 전력값에 대응하는 상기 수전해 설비의 최적 전력량을 도출한다.(S11)
즉, 상기 단계(S7)에서 산출된 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 수전해 설비의 전력량들 중에서 상기 최적 균일 전력값에 대응되는 전력량을 상기 수전해 설비의 최적 전력량으로 도출한다.
본 실시예에서는, 상기 균일 기준 전력값들 중에서 110kW가 상기 최적 균일 전력값으로 도출되었으므로, 상기 균일 전력값이 110kW일 때 상기 수전해 설비의 용량을 최적 용량으로 도출한다.
상기와 같이, 상기 태양광 발전 설비의 설치 용량이 기본 용량으로 설정된 500kW일 때 상기 최적 균일 전력값은 110kW인 것을 확인하였으므로, 상기 최적 균일 전력값과 상기 태양광 발전 설비의 설정 용량의 관계, 즉 비례식을 이용하여, 신규로 설정된 균일 기준 전력값(Pb)에 적합한 상기 태양광 발전 설비의 용량을 산출할 수 있다.
수학식 9는 태양광 발전 설비의 용량을 산출하는 식을 나타낸다.
Figure pat00010
예를 들어, 수학식 9를 참조하면, 상기 재생 에너지 시스템에서 매일 12시간동안 2MW로 균일한 출력을 내고자 할 경우, 균일 기준 전력값(Pb)이 2MW이므로, 상기 태양광 발전 설비의 용량은 약 9.1MW인 것으로 산출할 수 있다.
상기 태양광 발전 설비의 용량이 9.1MW인 경우에 대한 태양광 발전량에 대한 데이터를 구하기 어려우나, 상기 태양광 발전 설비의 설치 용량이 기본 용량인 500kW인 경우 균일 기준 전력값을 이미 알고 있으므로, 이를 이용하여 상기 9.1MW일 때 균일 기준 전력값도 산출할 수 있다.
또한, 상기 최적 균일 전력값과 상기 에너지 저장 설비의 용량의 관계, 즉 비례식을 이용하여, 신규로 설정된 균일 기준 전력값(Pb)에 적합한 상기 에너지 저장 설비의 용량(ESS, Kwh)도 산출할 수 있다.
또한, 상기 최적 균일 전력값과 상기 수전해 설비의 전력량의 관계, 즉 비례식을 이용하여, 신규로 설정된 균일 기준 전력값(Pb)에 적합한 상기 수전해 설비의 전력량(Ep2g, Kwh)도 산출할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법은, 매일 설정 시간동안 균일하게 전력을 출력할 수 있도록 상기 태양광 발전 설비(10), 상기 에너지 저장 설비(20) 및 상기 수전해 설비(30)의 용량을 각각 산출함으로써, 균일한 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 전력 수요량에 따라 출력량을 제어하는 것이 아니라, 공급자 입장에서 매일 일정한 출력을 낼 수 있으므로, 재생 에너지의 변동성이 해소될 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 태양광 발전 설비가 기본 용량일 때의 발전량에 대한 데이터만 알고 있으면, 매일 설정 시간동안 균일하게 출력하고자 하는 균일 기준 출력값에 대해 필요한 태양광 발전 설비의 설치 용량을 산출할 수 있으므로, 적용이 용이하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 태양광 발전 설비 20: 에너지 저장 설비
30: 수전해 설비 40: 연료전지

Claims (10)

  1. 태양광 발전 설비, 에너지 저장 설비(ESS), 수전해 설비(P2G) 및 연료전지를 포함하는 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법에 있어서,
    상기 태양광 발전 설비의 용량이 설정 용량일 때, 상기 태양광 발전 설비의 일별 태양광 발전량과 연평균 태양광 발전량에 대한 데이터베이스를 미리 구축하는 단계와;
    상기 재생 에너지 시스템에서 설정 시간동안 균일하게 출력하고자 하는 균일 기준 전력값을 복수개 설정하고, 상기 복수의 균일 기준 전력값들로 각각 출력시 상기 설정 시간동안 출력되는 복수의 균일기준 전력량들을 각각 산출하는 단계와;
    상기 데이터베이스로부터 상기 태양광 발전 설비에서 상기 설정 시간동안 상기 균일 기준 전력값들 이하로 각각 생산되는 복수의 기준 전력값 이하 태양광 발전량들을 산출하는 단계와;
    상기 균일기준 전력량들과 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량의 차이를 단주기 부족 전력량들로 산출하고, 상기 단주기 부족 전력량들을 이용하여 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 대한 연간 단주기 부족 전력량들을 각각 산출하는 단계와;
    상기 연간 단주기 부족 전력량들만큼 상기 에너지 저장 설비로부터 사용가능하도록 상기 연간 단주기 부족 전력량들로부터 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량들을 산출하는 단계를 포함하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 일별 태양광 발전량에서 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량과 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 뺀 나머지 전력량을 상기 수전해 설비에 저장가능하도록 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 수전해 설비의 전력량들로 산출하는 단계와;
    상기 수전해 설비의 전력량이 0보다 크면, 상기 수전해 설비의 전력량과 미리 설정된 수전해 효율을 이용하여, 상기 균일 기준 전력값들마다 일별 수소 생산량과 연간 수소 생산량을 각각 산출하는 단계와;
    상기 수전해 설비의 전력량이 0보다 작으면, 상기 수전해 설비의 전력량과 미리 설정된 연료전지 효율을 이용하여, 상기 균일 기준 전력값들마다 일별 수소 소모량과 연간 수소 소모량을 각각 산출하는 단계와;
    상기 복수의 균일 기준 전력값들 중에서 상기 연간 수소 생산량과 상기 연간수소 소모량의 차이가 가장 작은 경우의 균일 기준 전력값을 도출하여, 상기 재생 에너지 시스템에서 상기 태양광 발전 설비의 용량이 상기 설정 용량일 때 상기 설정 시간동안 균일하게 출력할 수 있는 최적 균일 전력값으로 설정하는 단계를 포함하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 재생 에너지 시스템의 균일 기준 전력값이 신규로 설정되면,
    상기에서 산출된 최적 균일 전력값과 상기 태양광 발전 설비의 설정 용량의 관계로부터 상기 신규로 설정된 균일 기준 전력값에 대응하는 상기 태양광 발전 설비의 용량을 산출하는 단계를 포함하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 재생 에너지 시스템의 균일 기준 전력값이 신규로 설정되면,
    상기에서 산출된 최적 균일 전력값과 상기 에너지 저장 설비의 저장 용량의 관계로부터 상기 신규로 설정된 균일 기준 전력값에 대응하는 상기 에너지 저장 설비의 저장 용량을 산출하는 단계를 포함하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 재생 에너지 시스템의 균일 기준 전력값이 신규로 설정되면,
    상기에서 산출된 최적 균일 전력값과 상기 수전해 설비의 전력량의 관계로부터 상기 신규로 설정된 균일 기준 전력값에 대응하는 상기 수전해 설비의 전력량을 산출하는 단계를 포함하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기에서 산출된 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량들 중에서 상기 최적 균일 전력값에 대응되는 용량을 상기 에너지 저장 설비의 최적 용량으로 도출하는 단계를 포함하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기에서 산출된 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 수전해 설비의 전력량들 중에서 상기 최적 균일 전력값에 대응되는 전력량을 상기 수전해 설비의 최적 전력량으로 도출하는 단계를 포함하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 산출하는 단계에서는,
    상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량은 상기 연간 단주기 부족 전력량들에 미리 설정된 에너지 저장 설비 효율을 반영하고 연간 일수로 나누어 산출하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장 설비는, 플로우 배터리를 포함하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
  10. 태양광 발전 설비, 에너지 저장 설비(ESS), 수전해 설비(P2G) 및 연료전지를 포함하는 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법에 있어서,
    상기 태양광 발전 설비의 용량이 설정 용량일 때, 상기 태양광 발전 설비의 일별 태양광 발전량과 연평균 태양광 발전량에 대한 데이터베이스를 미리 구축하는 단계와;
    상기 재생 에너지 시스템에서 설정 시간동안 균일하게 출력하고자 하는 균일 기준 전력값을 복수개 설정하고, 상기 복수의 균일 기준 전력값들로 각각 출력시 상기 설정 시간동안 출력되는 복수의 균일기준 전력량들을 각각 산출하는 단계와;
    상기 데이터베이스로부터 상기 태양광 발전 설비에서 상기 설정 시간동안 상기 균일 기준 전력값들 이하로 각각 생산되는 복수의 기준 전력값 이하 태양광 발전량들을 산출하는 단계와;
    상기 균일기준 전력량들과 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량의 차이를 단주기 부족 전력량들로 산출하고, 상기 단주기 부족 전력량들을 이용하여 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 대한 연간 단주기 부족 전력량들을 각각 산출하는 단계와;
    상기 연간 단주기 부족 전력량들만큼 상기 에너지 저장 설비로부터 사용가능하도록 상기 연간 단주기 부족 전력량들로부터 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량들을 산출하는 단계와;
    상기 일별 태양광 발전량에서 상기 기준 전력값 이하 태양광 발전량과 상기 에너지 저장 설비의 단주기 저장 용량을 뺀 나머지 전력량을 상기 수전해 설비에 저장가능하도록 상기 복수의 균일 기준 전력값들에 따른 상기 수전해 설비의 전력량들로 산출하는 단계와;
    상기 수전해 설비의 전력량이 0보다 크면, 상기 수전해 설비의 전력량과 미리 설정된 수전해 효율을 이용하여, 상기 균일 기준 전력값들마다 일별 수소 생산량과 연간 수소 생산량을 각각 산출하는 단계와;
    상기 수전해 설비의 전력량이 0보다 작으면, 상기 수전해 설비의 전력량과 미리 설정된 연료전지 효율을 이용하여, 상기 균일 기준 전력값들마다 일별 수소 소모량과 연간 수소 소모량을 각각 산출하는 단계와;
    상기 복수의 균일 기준 전력값들 중에서 상기 연간 수소 생산량과 상기 연간수소 소모량의 차이가 가장 작은 경우의 균일 기준 전력값을 도출하여, 상기 재생 에너지 시스템에서 상기 태양광 발전 설비의 용량이 상기 설정 용량일 때 상기 설정 시간동안 균일하게 출력할 수 있는 최적 균일 전력값으로 설정하는 단계와;
    상기 재생 에너지 시스템의 균일 기준 전력값이 신규로 설정되면, 상기에서 산출된 최적 균일 전력값과 상기 태양광 발전 설비의 설정 용량의 관계로부터 상기 신규로 설정된 균일 기준 전력값에 대응하는 상기 태양광 발전 설비의 용량을 산출하는 단계와;
    상기 재생 에너지 시스템의 균일 기준 전력값이 신규로 설정되면, 상기에서 산출된 최적 균일 전력값과 상기 에너지 저장 설비의 저장 용량의 관계로부터 상기 신규로 설정된 균일 기준 전력값에 대응하는 상기 에너지 저장 설비의 저장 용량을 산출하는 단계와;
    상기 재생 에너지 시스템의 균일 기준 전력값이 신규로 설정되면, 상기에서 산출된 최적 균일 전력값과 상기 수전해 설비의 전력량의 관계로부터 상기 신규로 설정된 균일 기준 전력값에 대응하는 상기 수전해 설비의 전력량을 산출하는 단계를 포함하는 출력 균일화를 위한 재생 에너지 시스템의 설비 용량 산정 방법.
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