KR20230100224A - 연료전지 시스템 그룹 운전 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 시스템 그룹 운전 방법에 관한 것으로, 운전 누적 데이터를 통해 분석된 사용환경을 고려하여 연료전지 시스템에 대한 운전 지령 용량을 결정하고 연료전지 시스템에서 전체 장비의 누적발전량 평균값을 산출하는 산출단계 및, 전체 장비 용량과 운전 지령 용량을 비교하는 제1 비교단계를 포함하고, 상기 제1 비교단계에서 비교한 용량 차이에 따라 전체 장비를 최대 출력으로 정격 운전을 하거나 또는 개별 장비의 노후도를 적용하여 장비별 차등 운전할 수 있으며, 본 발명에 따르면, 운전 누적 데이터를 통한 전기/열 사용패턴분석, 수요예측, 수요변화, 전기/가스요금체계 등의 사용환경분석과 개별 연료전지들의 누적발전량, 노후화 등의 상태정보분석을 적용하여 연료전지를 그룹별로 효율적으로 운용할 수 있다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템 그룹 운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 운전 누적 데이터를 통한 전기/열 사용패턴분석, 수요예측, 수요변화, 전기/가스요금체계 등의 사용환경분석과 개별 연료전지들의 누적발전량, 노후화 등의 상태정보분석을 적용하여 연료전지를 그룹별로 효율적으로 운용할 수 있는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)또는 탄화수소계 연료를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.
이러한 연료전지는 크게, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료전지(Direct Oxydation Fuel Cell)와 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 에어펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.
연료전지는 전력과 열을 동시에 발생시키는 바, 발전효율과 열효율의 합인 총효율이 80%가 넘는 고효율 에너지 생산기기로 각광받고 있다. 또한, 실제 건물용이나 주거용 주택에 연료전지를 설치하여 사용자가 필요로 하는 전력과 열을 직접 생산하여 사용할 수 있는 장점이 있어서 사용자의 편의성이 향상될 뿐만 아니라 에너지 사용 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
최근에는 다수의 연료전지를 통합하여 고효율 에너지를 생산하는 연료전지 시스템을 구축하여 운용하고 있다.
한편, 최근 신재생에너지 의무 및 보급사업에 따라 수십 대의 연료전지 장비가 설치되는 사이트(site)가 늘어나고 있다. 그런데 이러한 연료전지 장비 여러 대를 그룹 제어하는 전용 솔루션은 없고 건물 전력관리 시스템 같은 범용 관리 솔루션에 연동하여 운용하고 있다.
연료전지 시스템은 정격운전 및 부하변동에 대한 반응이 느리므로 특화된 전용 제어, 관리 솔루션이 필요하다. 또한 여러 대의 연료전지 장비를 그룹 제어함에 있어서 사이트의 에너지 사용 패턴에 맞게 전략 제어를 수행하여 경제성 측면까지 고려하여 자동운전을 하게 해야 한다.
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 운전 누적 데이터를 통한 전기/열 사용패턴분석, 수요예측, 수요변화, 전기/가스요금체계 등의 사용환경분석과 개별 연료전지들의 누적발전량, 노후화 등의 상태정보분석을 적용하여 연료전지를 그룹별로 효율적으로 운용할 수 있는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 시스템 그룹 운전 방법에 관한 것으로, 운전 누적 데이터를 통해 분석된 사용환경을 고려하여 연료전지 시스템에 대한 운전 지령 용량을 결정하고, 연료전지 시스템에서 전체 장비의 누적발전량 평균값을 산출하는 운전 지령 용량 결정 및 누적 발전량 평균값 산출단계; 및 전체 장비 용량과 운전 지령 용량을 비교하는 제1 비교단계;를 포함하고, 상기 제1 비교단계에서 비교한 용량 차이에 따라 전체 장비를 최대 출력으로 정격 운전을 하거나 또는 개별 장비의 노후도를 적용하여 장비별 차등 운전할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 비교단계에서 비교한 전체 장비 용량과 운전 지령 용량이 동일한 경우(YES), 전체 장비를 최대 출력으로 정격 운전하는 정격 운전단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 비교단계에서 비교한 전체 장비 용량과 운전 지령 용량이 다른 경우(NO), 전체 장비 용량이 운전 지령 용량보다 큰지를 판단하는 제2 비교단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 비교단계에서 비교한 전체 장비 용량이 운전 지령 용량보다 작은 경우(NO), 전체 장비 용량을 고려하여 운전 지령 용량을 재결정하는 재결정단계를 수행하고, 상기 제1,2 비교단계를 재차 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 비교단계에서 비교한 전체 장비 용량이 운전 지령 용량보다 큰 경우(YES), 연료전지 시스템 개별 장비의 누적발전량 최대값에서 연료전지 시스템 전체 장비의 누적발전량 평균값(시스템 평균값)을 뺀 노후도 상대수치값을 산출하고, 상기 노후도 상대수치값과 기 설정한 노후도 기준값을 비교하는 노후도 판단단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 노후도 판단단계에서 비교한 상기 노후도 상대수치값이 노후도 기준값보다 작은 경우(YES), 연료전지 시스템 전체 장비의 운전 그룹을 설정하는 운전 그룹 설정단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 연료전지 시스템의 운전 그룹별 운전 주기를 설정하는 운전 주기 설정단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 운전 그룹별 해당 운전 일을 판단하는 운전 일 판단단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 운전 일 판단단계에서 판단한 결과가 해당 그룹에 대한 해당 운전 일인 경우(YES), 해당 그룹 장비를 균등 운전하는 균등운전단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 운전 일 판단단계에서 판단한 결과가 해당 그룹에 대한 해당 운전 일수가 아닌 경우(NO), 운전 일수 카운팅을 리셋하는 운전 일수 리셋단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 운전 일수 리셋단계 이후에 상기 노후도 판단단계를 재차 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 노후도 판단단계에서 비교한 상기 노후도 상대수치값이 노후도 기준값보다 큰 경우(NO), 상기 시스템 평균값과 개별 장비의 누적발전량이 동일한지 여부를 비교하는 제1 개별발전량 비교단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 개별발전량 비교단계에서 상기 시스템 평균값과 개별 장비의 누적발전량이 동일한 경우(YES), 운전 지령 용량에 따라 해당 개별 장비를 정상 운전하는 정상 운전단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 개별발전량 비교단계에서 상기 시스템 평균값과 개별 장비의 누적발전량이 다른 경우(NO), 상기 시스템 평균값이 개별 장비의 누적발전량보다 큰지를 판단하는 제2 개별발전량 비교단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 상기 제2 개별발전량 비교단계에서 상기 시스템 평균값이 개별 장비의 누적발전량보다 큰 경우(YES), 운전 지령 용량에 비해 해당 개별 장비를 증가 운전하는 증가 운전단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 개별발전량 비교단계에서 상기 시스템 평균값이 개별 장비의 누적발전량보다 작은 경우(NO), 운전 지령 용량에 비해 해당 개별 장비를 감소 운전하는 감소 운전단계;를 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 운전 누적 데이터를 통하여 전기/열 사용패턴분석, 수요예측, 수요변화, 전기/가스요금체계 등의 사용환경을 분석하고, 또한 개별 연료전지들의 누적발전량, 노후화 등의 상태정보를 분석하여, 실시간으로 연료전지를 그 상태에 따라 그룹별로 지정하고 운용함으로써, 연료전지 시스템의 효율적 운용을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 복수의 연료전지 장비를 네트워크 허브로 제어부와 연결한 상태를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에서 제어부를 구성하는 데이터베이스, 메인서버 및 디스플레이간의 데이터 수집 및 송수신 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에서 복수의 연료전지 장비를 제어하는 소프트웨어 플랫폼 작동 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에서 사용환경을 분석 및 적용하여 복수의 연료전지 장비의 운전 지령을 수행하는 구조를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에서 복수의 연료전지 장비를 전체 요구 발전량 및 운영 스케줄별로 그룹 운전하는 구조를 나타낸 도면.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에서 발전목표량 및 복수의 연료전지 장비 상태별로 그룹을 지정하고, 조건별로 그룹 운전하는 구조를 나타낸 순서도.
도 7a 및 도 7b는 종래의 전기 사용 패턴에 따른 계절별 시간 대비 전기사용량을 나타낸 그래프.
도 7c 및 도 7d는 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전방법을 적용하여 전기 사용 추종 운전을 한 결과 계절별 시간 대비 전기사용량을 나타낸 그래프.
도 8a 및 도 8b는 종래의 열 사용 패턴에 따른 계절별 시간 대비 열사용량을 나타낸 그래프.
도 8c 및 도 8d는 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전방법을 적용하여 열 사용 추종 운전을 한 결과 계절별 시간 대비 열사용량을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에서 제어부를 구성하는 데이터베이스, 메인서버 및 디스플레이간의 데이터 수집 및 송수신 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에서 복수의 연료전지 장비를 제어하는 소프트웨어 플랫폼 작동 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에서 사용환경을 분석 및 적용하여 복수의 연료전지 장비의 운전 지령을 수행하는 구조를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에서 복수의 연료전지 장비를 전체 요구 발전량 및 운영 스케줄별로 그룹 운전하는 구조를 나타낸 도면.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에서 발전목표량 및 복수의 연료전지 장비 상태별로 그룹을 지정하고, 조건별로 그룹 운전하는 구조를 나타낸 순서도.
도 7a 및 도 7b는 종래의 전기 사용 패턴에 따른 계절별 시간 대비 전기사용량을 나타낸 그래프.
도 7c 및 도 7d는 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전방법을 적용하여 전기 사용 추종 운전을 한 결과 계절별 시간 대비 전기사용량을 나타낸 그래프.
도 8a 및 도 8b는 종래의 열 사용 패턴에 따른 계절별 시간 대비 열사용량을 나타낸 그래프.
도 8c 및 도 8d는 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전방법을 적용하여 열 사용 추종 운전을 한 결과 계절별 시간 대비 열사용량을 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템 그룹 운전 방법의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에서 복수의 연료전지 장비를 네트워크 허브(200)로 제어부(100)와 연결한 상태를 나타내고 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명이 적용되는 연료전지 시스템(400)에서 복수의 연료전지 장비는 이더넷 네트워크(300)를 통해 네트워크 허브(200)로 통합되어 연결될 수 있다. 그리고 네트워크 허브(200)는 제어부(100)와 연결될 수 있다. 여기서 제어부(100)는 복수의 연료전지 장비를 제어할 수 있는 서버 PC일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
사용자는 제어부(100)를 조작하여 네트워크 허브(200)를 통해 복수의 연료전지 장비를 개별적으로 통합 제어할 수 있다. 그리고 네트워크 허브(200)는 복수의 연료전지 장비로부터 운전 누적 데이터를 취합하고 이를 제어부(100)로 전달할 수 있다.
도 2는 본 발명에서 제어부(100)를 구성하는 데이터베이스(110), 메인서버(120) 및 디스플레이(130)간의 데이터 수집 및 송수신 구조를 나타내고 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명이 적용되는 연료전지 시스템(400)에서 상기 제어부(100)는 데이터베이스(110), 메인서버(120) 및 디스플레이(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 데이터베이스(110)는 네트워크 허브(200)를 통해 취합된 복수의 연료전지 장비에 관한 운전 누적 데이터, 복수의 연료전지 장비를 제어하기 위한 데이터, 각종 전력 사용 환경 데이터 등을 저장 및 관리할 수 있다.
상기 메인서버(120)는 복수의 연료전지 장비를 제어하기 위한 소프트웨어 플랫폼이 설치될 수 있다. 상기 메인서버(120)에 설치된 소프트웨어 플랫폼은 전기/가스에 대한 수요 예측, 수요에 대응한 그룹별 출력 예측, 전기/가스 사용요금 또는 요금체계 정보, 연료전지 특성 및 장비별 상태정보, 실제 전기/가스 수요변화 등의 정보를 수집하고 분석하여 복수의 연료전지 장비를 운전하기 위한 최적 연산을 수행한다. 이러한 최적 연산은 복수의 연료전지 장비를 효율적으로 운용하여 최적의 발전량을 도출하기 위해 수행될 수 있다.
최적 연산을 수행한 후에는 복수의 연료전지 장비를 운용하는 날짜/시간을 그룹별로 편성하는 스케줄링을 수행하고, 복수의 연료전지 장비의 그룹별로 스케줄링이 설정되면 그에 따라 복수의 연료전지 장비를 그룹별로 실시간 제어한다.
상기 디스플레이(130)는 상기 데이터베이스(110)로부터 복수의 연료전지 장비 제어에 필요한 각종 정보를 사용자에게 표시하거나 또는 상기 메인서버(120)의 소프트웨어 플랫폼에서 수행한 그룹별 스케줄링 결과를 사용자에게 표시하여, 사용자가 전반적인 운용을 제어할 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명에서 복수의 연료전지 장비를 제어하는 소프트웨어 플랫폼 작동 구조를 나타내고 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명이 적용되는 연료전지 시스템에서 복수의 연료전지 장비를 제어하는 소프트웨어 플랫폼은 장비 인터페이스를 구성하는 TCP/IP Transport, RS485 Transport를 포함하는 Protocol Manager를 통해 복수의 연료전지 장비로부터 실시간 정보를 수집할 수 있다.
복수의 연료전지 장비로부터 실시간으로 수집된 정보는 데이터 처리 프로세스를 거치게 된다. 우선 수집된 정보는 정보 분석을 수행하고 되고, 분석된 정보는 시스템에 표출될 수 있다. 이때 분석된 정보 중에는 복수의 연료전지 장비의 발전량 통계 및 장비별 이력 처리가 포함될 수 있다. 또한 장비별로 출력을 계산할 수 있으며, 계산된 장비별 출력은 장비별 출력/부하량 제어에 활용될 수 있다.
데이터 처리 프로세스를 거친 복수의 연료전지 장비의 발전량 통계 및 장비별 이력 처리는 연료전지 상태정보, 연료전지 운영정보 및 연료전지 각종 상태분석 및 통계로 활용될 수 있다.
구체적으로, 복수의 연료전지 장비의 통합 운영과 관련하여 출력 감축 지시 신호, 장비 관리, 제어조건 관리, 그룹별 스케줄링, 에너지 효율화, 수동/자동 장비 제어 등의 데이터를 도출할 수 있다.
복수의 연료전지 장비의 통합 분석과 관련하여 전기/가스 요금 분석, 장비별 부하데이터 수집, 장비별 모니터링/분석, 전기/가스 수요변화 분석, 장비별 통계이력 등의 데이터를 도출할 수 있다.
그리고 처리된 데이터를 바탕으로 하여 머신러닝(Machine Learning) 및 데이터 시각화를 수행할 수 있다. 머신러닝과 관련하여 수집한 데이터베이스 검증, 사용자 전기/가스 사용 패턴 분석, 수요변화 예측, 복수의 연료전지 장비에 대한 최적 운영방안 도출 등을 수행하고, 데이터 시각화와 관련하여 장비별 누적발전량/이력 또는 전기/가스사용패턴 및 통계 분석, 수요변화 예측, 절력요금 절감결과 등의 데이터를 시각화하여 사용자가 인식할 수 있도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명에서 사용환경을 분석 및 적용하여 복수의 연료전지 장비의 운전 지령을 수행하는 구조를 나타내고 있다.
도 4를 참고하면, 본 발명이 적용되는 연료전지 시스템에서 상기 메인서버(120)는 전기 사용 요금, 가스 사용 요금, 열 사용량 등의 데이터와 전기 요금 체계, 가스 요금 체계 등의 데이터를 수집하고, 이러한 데이터를 이용하여 계절별 요금 분석에 의한 일일 발전 가중치를 연산하고 결정하고, 열/전기 사용 패턴을 감안하여 일일 발전 가중치를 연산하고 결정할 수 있다.
그리고 연산된 정보를 통해 복수의 연료전지 장비의 운영 스케줄을 도출할 수 있다. 이때 운영 스케줄은 일일 발전 가중치를 연산하여 결정할 수 있다. 운영 스케줄이 도출되면, 상기 메인서버(120)는 복수의 연료전지 장비에 각 장비별로 개별 지령 운전을 수행할 수 있다.
도 5에는 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전 방법에서 사이트 전체 요구 발전량 및 일일 운영 스케줄에 따른 그룹 운전 방식의 실시형태가 도시되어 있다.
예를 들어, 연료전지 장비당 10kW 전력 생산이 가능하고, 이러한 연료전지 10대를 설치하여 100kW 용량이 설치된 사이트(site)가 있다고 가정하면, 현재 사이트 전체 요구 발전량이 오전 58kW, 오후 100kW 인 경우, 1일차 운영 스케줄에서 오전 운전에서는 10대 중 6대만을 가동하고 나머지 4대는 정지하여 60kW의 전력을 생산한다. 그리고 오후 운전에서는 10대를 전부 가동하여 100kW의 전력을 생산한다.
2일차 운영 스케줄에서 오전 운전에서는 어제 가동한 6대 중 4대는 가동하지 않고, 어제 가동하지 않은 4대를 포함한 6대를 가동하여 60kW의 전력을 생산한다. 그리고 오후 운전에서는 10대를 전부 가동하여 100kW의 전력을 생산한다.
상술한 바와 같이, 오전 운전에서는 사이트 전체 요구 발전량이 설치 최대 발전량보다 적은 경우, 특정 연료전지 장비들을 각각 나눠 교차되게 가동/정지 운영함으로써, 연료전지 장비의 수명을 연장하고 노후화에 따른 성능 저하를 늦출 수 있다.
도 5에서는 2일 운영 스케줄을 예시하였으나, 사이트에 설치된 연료전지 장비의 전체 발전량과 일일 시간대별 요구 발전량에 따라 n 그룹 설정 및 n 일 운영 스케줄의 구성도 가능하다.
도 6a 내지 도 6c에는 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전방법에서 발전목표량 및 복수의 연료전지 장비별 상태에 따른 그룹 운전 방식의 순서도가 도시되어 있다.
도 6a 내지 도 6c를 참고하면, 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전방법의 실시예는
운전 지령 용량 결정 및 누적 발전량 평균값 산출단계(S1), 제1 비교단계(S2), 정격 운전단계(S3), 제2 비교단계(S4), 노후도 판단단계(S6), 운전 그룹 설정단계(S7), 운전 주기 설정단계(S7), 운전 일수 판단단계(S8,S10), 운전 일수 리셋단계(S12), 제1 개별발전량 비교단계(S13) 및 제2 개별발전량 비교단계(S15)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 운전 지령 용량 결정 및 누적 발전량 평균값 산출단계(S1)는, 운전 누적 데이터를 통해 분석된 사용환경을 고려하여 연료전지 시스템에 대한 운전 지령 용량을 결정하고, 연료전지 시스템에서 전체 장비의 누적발전량 평균값을 산출하는 단계일 수 있다.
운전 누적 데이터를 통해 분석된 사용환경 및 연료전지 시스템에서 전체 장비의 누적발전량 평균값은 도 1 내지 도 4에서 설명한 제어부(100)가 전기/가스에 대한 수요 예측, 수요에 대응한 그룹별 출력 예측, 전기/가스 사용요금 또는 요금체계 정보, 연료전지 특성 및 장비별 상태정보, 실제 전기/가스 수요변화 등의 정보를 수집하고 분석하고, 또한 네트워크 허브(200)를 통해 복수의 연료전지 장비에 대한 개별 누적발전량/이력 정도 등의 정보를 수집하고 분석하여 산출할 수 있다.
상기 제1 비교단계(S2)는, 전체 장비 용량과 운전 지령 용량을 비교하는 단계일 수 있다. 상기 운전 지령 용량 결정 및 누적 발전량 평균값 산출단계(S1)에서 산출한 전체 연료전지 장비들의 최대 가능 발전 용량과 현재 필요한 운전 지령 용량이 동일한지를 비교할 수 있다.
본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전방법은 상기 제1 비교단계(S2)에서 비교한 용량 차이에 따라 전체 장비를 최대 출력으로 정격 운전을 하거나 또는 개별 장비의 노후도를 적용하여 장비별 차등 운전을 수행할 수 있다.
만약 상기 제1 비교단계(S2)에서 비교한 전체 장비 용량과 운전 지령 용량이 동일한 경우(YES), 전체 장비를 최대 출력으로 정격 운전하는 정격 운전단계(S3)를 수행할 수 있다. 즉 현재 필요한 운전 지령 용량이 전체 연료전지 장비들의 최대 가능 발전 용량과 동일한 경우에는 복수의 연료전지 장비들을 최대로 정격 가동하며 전력 발전을 수행한다.
만약, 상기 제1 비교단계(S2)에서 비교한 전체 장비 용량과 운전 지령 용량이 다른 경우(NO), 전체 장비 용량이 운전 지령 용량보다 큰지를 판단하는 제2 비교단계(S4)를 수행할 수 있다.
여기서, 상기 제2 비교단계(S4)에서 비교한 전체 장비 용량이 운전 지령 용량보다 작은 경우(NO), 전체 장비 용량을 고려하여 운전 지령 용량을 재결정하는 재결정단계(S5)를 수행할 수 있다. 즉 복수의 연료전지 장비들의 최대 가능 발전 용량이 현재 필요한 운전 지령 용량보다 낮다면, 연료전지 시스템은 요구되는 전력 발전량을 달성할 수 없게 된다. 따라서 연료전지 시스템의 전체 최대 가능 발전량에 맞춰 운전 지령 용량을 조정해야 한다.
사용자는 제어부(100)를 조작하여 연료전지 시스템의 전체 최대 가능 발전량을 고려하여 운전 지령 용량을 재결정할 수 있다. 운전 지령 용량을 재결정한 후에는, 상기 제1,2 비교단계(S2,S4)를 재차 수행하여 복수의 연료전지 장비들의 최대 가능 발전 용량에 맞춰 조정되었는지를 확인한다.
다음으로, 상기 노후도 판단단계(S6)는, 상기 제2 비교단계(S4)에서 비교한 전체 장비 용량이 운전 지령 용량보다 큰 경우(YES), 연료전지 시스템 개별 장비의 누적발전량 최대값에서 연료전지 시스템 전체 장비의 누적발전량 평균값(시스템 평균값)을 뺀 노후도 상대수치값을 산출하고, 상기 노후도 상대수치값과 기 설정한 노후도 기준값을 비교하는 단계일 수 있다.
상기 노후도 판단단계(S6)에서는 전체 연료전지 장비들 대비 개별 연료전지 장비가 상대적으로 얼마나 노후화되었는지를 판단할 수 있다.
여기서 노후도 기준값은 사용자가 통계적 방식으로 기 설정한 특정값일 수 있으며, 이는 사용환경에 따라 결정될 수 있다.
만약, 상기 노후도 판단단계(S6)에서 비교한 상기 노후도 상대수치값이 노후도 기준값보다 작은 경우(YES), 연료전지 시스템 전체 장비의 운전 그룹을 설정하는 운전 그룹 설정단계(S7)를 수행할 수 있다.
개별 연료전지 장비 모두의 노후도가 기 설정한 노후도 기준값보다 좋은 상태이므로, 그룹화하더라도, 각 그룹별로 비교적 유사한 성능을 발휘할 수 있다. 따라서 상기 운전 그룹 설정단계(S7)에서는 복수의 연료전지 장비들을 복수개로 그룹화하여 각종 상황에 맞춰 운영할 수 있도록 한다.
한편, 연료전지 장비들의 그룹화가 설정되면, 동시에 연료전지 시스템의 운전 그룹별 운전 주기를 설정하는 운전 주기 설정단계(S7)를 수행할 수 있다. 즉 각 그룹을 몇일 주기로 운전할 것인지를 설정하는 단계일 수 있다. 예컨대 도 5에서와 같이, 운전 그룹이 2개라면, 2일로 운전 주기를 설정할 수 있다. 따라서 운전 그룹이 n개라면, n일 단위로 운전 주기를 설정하거나 또는 몇 개의 그룹을 동시에 운전하는 방식인 경우에는, n일보다는 적은 일수 단위로 운전 주기를 설정할 수 있을 것이다.
다음으로, 상기 운전 일 판단단계(S8,S10)는, 운전 그룹별로 해당 운전 일을 판단할 수 있다. 즉 해당 운전 일에 운전하는 그룹을 특정하는 단계일 수 있다.
상기 운전 일수 판단단계에서 판단한 결과가 해당 그룹에 대한 해당 운전 일인 경우(YES), 해당 그룹 장비를 균등 운전하는 균등운전단계(S9,S11)를 수행할 수 있다.
예컨대, 운전 1일차인 경우(YES), 그룹화한 제1 그룹 장비들을 균등 운전할 수 있다. 만약 운전 1일차가 아닌 경우(NO)에는, 운전 2일차인지 여부를 판단한다. 이렇게 순차적으로 진행하여 n개를 그룹화한 경우, 운전 n일차인지 여부까지 수행한다. 만약 운전 n일차인 경우(YES), 제n 그룹 장비들을 균등 운전하게 된다.
이렇게 n일차 운전 일까지 판단한 후, n일차를 초과하는 경우(NO)에는, 상기 운전 일수 리셋단계(S12)를 수행할 수 있다. 이는 상기 운전 일 판단단계(S8,S10)에서 판단한 결과가 해당 그룹에 대한 해당 운전 일수가 아닌 경우(NO), 운전 일수 카운팅을 리셋하게 된다.
지정 그룹이 운전하게 되는 지정 일수를 초과하는 경우에는, 복수의 연료전지 장비들에 대한 그룹화 지정을 초과한 것이므로, 다시 운전 일수를 운전 1일차로 초기화하는 것이다.
그리고, 상기 운전 일수 리셋단계(S12) 이후에는 상기 노후도 판단단계(S6)를 재차 수행하여 개별 연료전지 장비의 노후화 상태를 재검출한다.
재차 수행하는 상기 노후도 판단단계(S6)에서 계속하여 개별 연료전지 장비들이 노후도 기준값보다 좋은 성능을 발휘하는 경우(YES)에는, 상술한 그룹 운전 사이클을 계속하여 진행한다.
한편, 만약 상기 노후도 판단단계(S6)에서 비교한 상기 노후도 상대수치값이 노후도 기준값보다 큰 경우(NO), 특정 연료전지 장비들은 나머지 연료전지 장비들에 비해 상대적으로 노후화가 진행된 상태이고, 연료전지 특성상 전력 발전 성능이 떨어진 것이다.
이 때에는 상기 시스템 평균값과 개별 장비의 누적발전량이 동일한지 여부를 비교하는 제1 개별발전량 비교단계(S13)를 수행할 수 있다.
만약 상기 제1 개별발전량 비교단계(S13)에서 상기 시스템 평균값과 개별 장비의 누적발전량이 동일한 경우(YES), 운전 지령 용량에 따라 해당 개별 장비를 정상 운전하는 정상 운전단계(S14)를 수행할 수 있다.
이는 특정 개별 장비의 누적발전량이 시스템 평균값과 동일한 경우에는, 해당 개별 장비에 한해서는 운전 지령 용량에 따라 정상 운전을 진행하는 것이다.
또한, 상기 제1 개별발전량 비교단계(S13)에서 상기 시스템 평균값과 개별 장비의 누적발전량이 다른 경우(NO), 상기 시스템 평균값이 개별 장비의 누적발전량보다 큰지를 판단하는 제2 개별발전량 비교단계(S15)를 수행할 수 있다.
만약, 상기 제2 개별발전량 비교단계(S15)에서 상기 시스템 평균값이 개별 장비의 누적발전량보다 작은 경우(NO), 운전 지령 용량에 비해 해당 개별 장비를 감소 운전하는 감소 운전단계(S17)를 수행할 수 있다.
이는 특정 개별 장비의 누적발전량이 시스템 평균값보다 높아 상대적으로 노후화가 더 진행된 경우에는, 해당 개별 장비에 한해서는 운전 지령 용량에 비해 감소 운전을 진행한다. 이는 해당 장비는 노후화가 더 진행된 상태이므로 발전을 감소시켜 노후화 진행을 낮춰, 다른 장비들과의 상대적인 노후화 정도를 맞추는 것이다.
만약, 상기 제2 개별발전량 비교단계(S15)에서 상기 시스템 평균값이 개별 장비의 누적발전량보다 큰 경우(YES), 운전 지령 용량에 비해 해당 개별 장비를 증가 운전하는 증가 운전단계(S16)를 수행할 수 있다.
이는 특정 개별 장비의 누적발전량이 시스템 평균값보다 낮아 상대적으로 노후화가 덜 진행된 경우에는, 해당 개별 장비에 한해서는 운전 지령 용량에 비해 증가 운전을 진행한다. 이는 노후화가 더 진행된 장비들로 인해 부족해진 발전량을 상대적으로 노후화가 덜 진행된 장비들을 증가 발전하여 보완하는 것이다.
즉, 개별 장비별 노후 정도를 고려하여 개별 장비별로 정상/감소/증가 운전을 진행하여 연료전지 시스템의 발전 효율을 높이고 전체 평균 사용연한을 향상시킬 수 있게 된다.
도 7a 및 도 7b는 종래의 전기 사용 패턴에 따른 계절별 시간 대비 전기사용량을 그래프로 나타내고 있고, 도 7c 및 도 7d는 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전방법을 적용하여 전기 사용 추종 운전을 한 결과 계절별 시간 대비 전기사용량을 그래프로 나타내고 있다.
우선 도 7a 및 도 7b를 참고하면, 종래에는 연료전지 시스템을 효율적으로 운용하지 못하므로, 하루 중 시간에 따라 대략 300kW ~ 500kW 범위내로 전기사용량 편차가 심한 편이다. 그리고 불필요하게 장비 전체를 가동하므로 인해 전기사용량, 즉 전기발전량이 높게 나타나는데 최대 500kW 내외로 나타나고 있다.
이에 비해 도 7c 및 도 7d를 참고하면, 본 발명에서는 연료전지 시스템의 운전 누적 데이터를 통하여 전기/열 사용패턴분석, 수요예측, 수요변화, 전기/가스요금체계 등의 사용환경을 분석하고, 또한 개별 연료전지들의 누적발전량, 노후화 등의 상태정보를 분석하여, 실시간으로 연료전지를 그 상태에 따라 그룹별로 지정하고 운용함으로써, 연료전지 시스템의 효율적 운용하고, 그에 따른 결과 데이터로 하루 중 시간에 따라 대략 300kW ~ 350kW 범위내로 전기사용량 편차가 현저하게 감소하였다. 이는 앞으로의 전기 사용량 예측 및 전기 발전량 제어를 용이하게 할 수 있다. 그리고 연료전지 시스템을 효율적으로 운용하므로, 종래에 비해 전반적으로 전기사용량, 즉 전기발전량이 감소하였는데, 최대 350KW 내외로 현저하게 감소한 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8a 및 도 8b는 종래의 열 사용 패턴에 따른 계절별 시간 대비 열사용량을 나타내고 있고, 도 8c 및 도 8d는 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전방법을 적용하여 열 사용 추종 운전을 한 결과 계절별 시간 대비 열사용량을 나타내고 있다.
도 8a 및 도 8b를 참고하면, 종래에는 연료전지 시스템을 효율적으로 운용하지 못하므로, 하루 중 시간에 따라 대략 200kW ~ 3000kW 범위내로 열사용량 편차가 심한 편이다. 특히 겨울(P4)의 경우 저녁시간 대인 20~21시 경에는 그 편차가 크게 증가하여 최대 3000kW 내외의 열사용량을 보이고 있다.
이에 비해 도 8c 및 도 8d를 참고하면, 본 발명에 따른 운전방법을 적용한 결과, 하루 중 시간에 따라 대략 250kW ~ 2500kW 범위내로 열사용량 편차가 감소하였다. 그리고 종래에 비해 전반적으로 열사용량, 즉 열발전량이 감소하였으며, 최대 열사용량은 20~21시 경으로 대략 2500KW 내외로 감소한 것을 확인할 수 있다.
즉 본 발명인 연료전지 시스템 그룹 운전 방법을 적용함에 따라 전반적으로 전기 및 열사용량이 시간대별 편차 및 최대 사용량이 감소하였다. 이는 시스템의 사용연한을 늘릴 수 있고, 불필요한 전력 낭비를 방지할 수 있으며, 궁극적으로는 안정적인 전력 공급을 가능하게 한다.
이상의 사항은 연료전지 시스템 그룹 운전 방법의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
100:제어부
110:데이터베이스
120:메인서버
130:디스플레이
200:네트워크 허브
300:이더넷 네트워크
400:연료전지 시스템
110:데이터베이스
120:메인서버
130:디스플레이
200:네트워크 허브
300:이더넷 네트워크
400:연료전지 시스템
Claims (16)
- 운전 누적 데이터를 통해 분석된 사용환경을 고려하여 연료전지 시스템에 대한 운전 지령 용량을 결정하고, 연료전지 시스템에서 전체 장비의 누적발전량 평균값을 산출하는 운전 지령 용량 결정 및 누적 발전량 평균값 산출단계; 및
전체 장비 용량과 운전 지령 용량을 비교하는 제1 비교단계;를 포함하고,
상기 제1 비교단계에서 비교한 용량 차이에 따라 전체 장비를 최대 출력으로 정격 운전을 하거나 또는 개별 장비의 노후도를 적용하여 장비별 차등 운전하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 비교단계에서 비교한 전체 장비 용량과 운전 지령 용량이 동일한 경우(YES), 전체 장비를 최대 출력으로 정격 운전하는 정격 운전단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 비교단계에서 비교한 전체 장비 용량과 운전 지령 용량이 다른 경우(NO), 전체 장비 용량이 운전 지령 용량보다 큰지를 판단하는 제2 비교단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 제2 비교단계에서 비교한 전체 장비 용량이 운전 지령 용량보다 작은 경우(NO), 전체 장비 용량을 고려하여 운전 지령 용량을 재결정하는 재결정단계를 수행하고, 상기 제1,2 비교단계를 재차 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 제2 비교단계에서 비교한 전체 장비 용량이 운전 지령 용량보다 큰 경우(YES), 연료전지 시스템 개별 장비의 누적발전량 최대값에서 연료전지 시스템 전체 장비의 누적발전량 평균값(시스템 평균값)을 뺀 노후도 상대수치값을 산출하고, 상기 노후도 상대수치값과 기 설정한 노후도 기준값을 비교하는 노후도 판단단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 노후도 판단단계에서 비교한 상기 노후도 상대수치값이 노후도 기준값보다 작은 경우(YES), 연료전지 시스템 전체 장비의 운전 그룹을 설정하는 운전 그룹 설정단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제6항에 있어서,
연료전지 시스템의 운전 그룹별 운전 주기를 설정하는 운전 주기 설정단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제7항에 있어서,
운전 그룹별 해당 운전 일을 판단하는 운전 일 판단단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 운전 일 판단단계에서 판단한 결과가 해당 그룹에 대한 해당 운전 일인 경우(YES), 해당 그룹 장비를 균등 운전하는 균등운전단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 운전 일 판단단계에서 판단한 결과가 해당 그룹에 대한 해당 운전 일수가 아닌 경우(NO), 운전 일수 카운팅을 리셋하는 운전 일수 리셋단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 운전 일수 리셋단계 이후에 상기 노후도 판단단계를 재차 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 노후도 판단단계에서 비교한 상기 노후도 상대수치값이 노후도 기준값보다 큰 경우(NO), 상기 시스템 평균값과 개별 장비의 누적발전량이 동일한지 여부를 비교하는 제1 개별발전량 비교단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 개별발전량 비교단계에서 상기 시스템 평균값과 개별 장비의 누적발전량이 동일한 경우(YES), 운전 지령 용량에 따라 해당 개별 장비를 정상 운전하는 정상 운전단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 제1 개별발전량 비교단계에서 상기 시스템 평균값과 개별 장비의 누적발전량이 다른 경우(NO), 상기 시스템 평균값이 개별 장비의 누적발전량보다 큰지를 판단하는 제2 개별발전량 비교단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 제2 개별발전량 비교단계에서 상기 시스템 평균값이 개별 장비의 누적발전량보다 큰 경우(YES), 운전 지령 용량에 비해 해당 개별 장비를 증가 운전하는 증가 운전단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 제2 개별발전량 비교단계에서 상기 시스템 평균값이 개별 장비의 누적발전량보다 작은 경우(NO), 운전 지령 용량에 비해 해당 개별 장비를 감소 운전하는 감소 운전단계;를 수행하는 연료전지 시스템 그룹 운전 방법.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210189926A KR102689036B1 (ko) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 연료전지 시스템 그룹 운전 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102689036B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015224156A (ja) | 2014-05-27 | 2015-12-14 | デンカ株式会社 | 高流動軽量モルタル組成物及びそれを用いた高流動軽量モルタル |
| KR101792761B1 (ko) * | 2017-07-28 | 2017-11-20 | (주)엘케이에너지 | 연료전지 시스템의 운전방법 |
| KR101989388B1 (ko) * | 2018-12-14 | 2019-06-14 | (주)에프씨아이 | 연료전지 제어 시스템 |
-
2021
- 2021-12-28 KR KR1020210189926A patent/KR102689036B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015224156A (ja) | 2014-05-27 | 2015-12-14 | デンカ株式会社 | 高流動軽量モルタル組成物及びそれを用いた高流動軽量モルタル |
| KR101792761B1 (ko) * | 2017-07-28 | 2017-11-20 | (주)엘케이에너지 | 연료전지 시스템의 운전방법 |
| KR101989388B1 (ko) * | 2018-12-14 | 2019-06-14 | (주)에프씨아이 | 연료전지 제어 시스템 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102689036B1 (ko) | 2024-07-25 |
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