WO2018139695A1 - 태양광 에너지를 이용한 수질 관리 시스템 - Google Patents

태양광 에너지를 이용한 수질 관리 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a water quality management system using solar energy, and more particularly, to a water quality management system capable of efficiently managing water quality while managing power supply of aquaculture farms and fish farms using solar energy.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0049964 it has a configuration capable of supplying its own power by photovoltaic power generation, while allowing the low-rise water in the water to be vertically supplied to the surface water.
  • a water purification system using photovoltaic power generation that can effectively suppress generation.
  • the artificial power is injected by pumping the outside air by using the rotational force of the blades rotated by the wind blowing on the surface of the water or the electrical energy accumulated by the solar cells to pump the outside air.
  • a bubble generator is disclosed which enables continuous operation without a breakdown.
  • the present invention is to solve the above problems in the conventional water quality management system using solar light, it is possible to improve the power utilization efficiency by supplying the eco-friendly power generated in an optimal way, using the power farm It is to provide a water quality management system using solar energy that can optimally manage the water quality and water supply and drainage.
  • the water quality management system of the present invention for solving the above problems is a water quality management system for managing the water quality in the tank using the power generated by using the solar energy, a plurality of sensors for measuring the water quality or quantity of the tank Sensor unit consisting of; An energy generator for generating power from sunlight; A battery unit which receives the voltage from the energy generator and charges the battery, and discharges and outputs the charged voltage; A motor unit including a plurality of motors driven by receiving power from the energy generating unit and the battery unit; And a control unit for controlling operations of the sensor unit, the energy generation unit, the battery unit, and the motor unit.
  • the controller controls the motor driving of the motor unit based on the water quality or quantity of water measured from the sensor unit, the power state generated from the energy generating unit, and the characteristics of the battery unit.
  • the characteristic of the battery unit is preferably a state of charge of the battery.
  • the sensor unit includes a water quality sensor for measuring the water quality of the water tank, and a water level sensor for measuring the water quantity of the water tank, and the motor unit for controlling the water quality of the water tank by operating a blower according to the measured value of the water quality sensor; It is preferable that the motor includes a motor for controlling the quantity of the water tank by operating the pump according to the measured value of the water level sensor.
  • the battery unit includes a battery that stores power from the energy generating unit; A battery voltage current measuring circuit measuring voltage and current of the battery; A charge and discharge converter for adjusting a voltage charged and discharged to the battery; And a battery temperature sensor for measuring the temperature of the battery.
  • the controller may determine the state of charge of the battery based on the voltage and current values measured by the battery voltage current measuring circuit and the temperature of the battery measured by the battery temperature sensor.
  • the controller may adjust the charging voltage of the battery in proportion to a difference between the temperature of the battery measured by the battery temperature sensor and a predetermined optimal battery temperature.
  • the control unit determines whether to start the motor based on the measured value from the sensor unit, and when it is determined that the motor should be started, based on the sum of the generated power of the energy generating unit and the charging power of the battery unit, the motor It is desirable to determine whether the power required for starting is ready. In addition, it is preferable to drive a motor of the motor unit when the power necessary for starting the motor is prepared, and to charge a battery of the battery unit when the power necessary for starting the motor is not prepared. In addition, after driving of the motor, it is preferable to determine whether the motor is stopped based on the measured value from the sensor unit, and when it is determined that the motor should be stopped, the motor is stopped and the battery is charged. .
  • the generated power of the energy generation unit is calculated by measuring the voltage and current value of the PV panel converting sunlight into direct current voltage
  • the charging power of the battery unit is calculated by measuring the voltage and current value output from the battery
  • the amount of power required for starting the motor is preferably set in advance based on the inherent characteristics of the motor.
  • the water quality management system of the present invention further comprises a mobile phone installed with an application that can control the control unit remotely by communicating with the control unit, the control unit further comprises a wireless communication module for communication with the mobile phone.
  • the control unit transmits the water quality or quantity state measured from the sensor unit, the power state generated from the energy generating unit, and the charging state of the battery unit to the mobile phone, and the mobile phone receives the water quality or quantity through the application. Receives a state, a power state and a charging state, and transmits a command for the operation of the motor unit to the control unit based on the state, the control unit may control the motor driving of the motor unit in accordance with the command for the operation of the motor unit. .
  • Water quality management system using the solar energy of the present invention has the following advantageous effects.
  • the power state generated by solar energy, and the state of charge of the battery by controlling the driving of the motor for water quality management, the power use efficiency is increased and the solar power is increased. Installation cost of a photovoltaic facility can be reduced.
  • the battery can be efficiently used by adjusting the charging voltage of the battery according to the battery temperature change.
  • the user can directly control the motor drive based on the water quality or quantity state, power state and charge state.
  • 1 is a configuration diagram showing an aquaculture farm or fish farm to which the water quality management system of the present invention is applied as an example.
  • FIG. 2 is a block diagram conceptually illustrating a function of a water quality management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the energy generation unit in the water quality management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a battery unit in the water quality management system according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a graph illustrating the starting current characteristics of the DC motor.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation of starting a motor and charging a battery in a water quality management system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a water quality management system for managing water quality in a tank using power generated using solar energy, comprising: a sensor unit including a plurality of sensors measuring water quality or quantity of the tank; An energy generator for generating power from sunlight; A battery unit which receives the voltage from the energy generator and charges the battery, and discharges and outputs the charged voltage; A motor unit including a plurality of motors driven by receiving power from the energy generating unit and the battery unit; And a control unit for controlling the operation of the sensor unit, the energy generation unit, the battery unit, and the motor unit, wherein the control unit includes a water quality or quantity state measured from the sensor unit, a power state generated from the energy generation unit, and the Based on the characteristics of the battery unit, it is possible to provide a water quality management system comprising controlling the motor drive of the motor unit.
  • the present invention is a water quality management system using solar energy
  • the configuration of aquaculture farm or fish farm to which the water quality management system is applied is shown in FIG. 1 as an example, and the function of the water quality management system is shown in FIG. 2 as a schematic block diagram.
  • a number of water quality sensors and a water level sensor are installed in each tank in a farm or fish farm, and a blower for oxygen supply and a pump for water supply are respectively installed.
  • the water quality management system of the present invention includes an energy generating unit 100, a battery unit 200, a motor unit 300, a sensor unit 400, and a control unit 500.
  • an energy generating unit 100 a battery unit 200
  • a motor unit 300 a motor unit 300
  • a sensor unit 400 a sensor unit 400
  • a control unit 500 a control unit 500.
  • the energy generator 100 converts sunlight into an electrical signal and outputs the same.
  • the PV panel 110 As shown in FIG. 3, the PV panel 110, the PV voltage current measuring circuit 120, and the PV converter ( 130).
  • the PV panel 110 converts sunlight into a DC voltage and is made of a silicon solar cell or a compound solar cell.
  • the PV voltage current measuring circuit 120 measures the voltage and current output from the PV panel 110.
  • the PV converter 130 boosts the voltage input from the PV panel 110 and applies it to the DC link LINK.
  • the battery unit 200 is for charging and discharging a voltage, as shown in FIG. 4, the battery 210, the battery voltage current measuring circuit 220, the charge / discharge converter 230, and the battery temperature sensor 240. ) And a battery fan 250.
  • the battery 210 is for storing power and may be configured by connecting a plurality of battery cells in series, and the charge / discharge converter 230 functions to convert voltages charged and discharged to the battery 210.
  • the charging / discharging converter 230 depressurizes the input voltage when charging, supplies the battery 210 to the battery 210, and during discharging, boosts the output voltage and applies the DC voltage to the DC link.
  • the battery voltage current measuring circuit 220 measures the voltage and current values output from the battery 210, and the battery temperature sensor 240 measures the temperature of the battery 210.
  • the controller 500 determines the characteristics of the battery 210 based on the measured voltage, current, and temperature. The determined main characteristic is the state of charge, and the impedance, the temperature of use, and the charge voltage can be further determined.
  • the state of charge SOC may be determined by integrating the charge / discharge current flowing through the battery 210.
  • the SOC corresponding to the estimated open voltage may be measured by measuring the voltage of the battery 210, estimating the open loop voltage (OCV) of the no-load state from the measured voltage, and referring to the open voltage-specific SOC table. Mapping may also determine the state of charge (SOC).
  • the battery unit 200 further includes a battery fan 250 for lowering the temperature of the battery 210.
  • a battery fan 250 for lowering the temperature of the battery 210.
  • the battery 210 is charged by the floating charging method, and the floating charging voltage of the battery 210 may be adjusted according to the temperature of the battery 210 measured by the battery temperature sensor 240. That is, the charging voltage of the battery 210 is adjusted according to the difference between the preset optimal battery temperature value and the measured battery temperature value.
  • the optimum battery temperature may be set according to the unique characteristics of the battery 210.
  • the floating charge voltage can be adjusted by the value of [(measured temperature value-25 ° C) x -3mV].
  • the sensor unit 300 is to measure the state of the water stored in the aquarium, such as a farm or fish farm, and is composed of a water quality sensor and a water level sensor.
  • the water quality sensor is a sensor for measuring the temperature of water in the tank, dissolved oxygen (DO), turbidity, etc.
  • the water level sensor is a sensor for measuring the quantity or flow rate of the tank.
  • the motor unit 400 operates a blower according to the measured value of the water quality sensor to adjust the water quality of the water tank, and operates a pump according to the measured value of the water level sensor to adjust the quantity of the water tank. It consists of a motor. It is desirable to use a BLDC motor that is easy to miniaturize and has good battery efficiency.
  • the motor unit 400 receives power through a DC link to which the generated power of the energy generating unit 100 and the charging power of the battery unit 200 are applied, and drives each motor according to a command of the control unit 500.
  • control unit 500 is composed of one micro controller unit (MCU: Micro Controller Unit), the operation of the energy generating unit 100, the battery unit 200, the sensor unit 300, the motor unit 400 To control.
  • MCU Micro Controller Unit
  • control unit 500 is based on the water quality or quantity of water measured by the sensor unit 300, the power state generated from the energy generating unit 100, and the state of charge (SOC) of the battery unit 200, the motor It is determined whether the motor of the unit 400 is driven.
  • SOC state of charge
  • the power usage efficiency is improved by controlling the starting of the motor and the charging operation of the battery as shown in FIG. 6, which will be described below.
  • control part 500 receives the water quality or the quantity of water in a tank from the sensor part 300, and determines whether a motor is started.
  • the controller 500 determines that the blower or the pump should be operated by starting the motor (step 100).
  • control unit 500 determines whether the power necessary for starting the motor is prepared based on the sum of the generated power of the energy generating unit 100 and the charging power of the battery unit 200. (Step 200).
  • the generated power of the energy generating unit 100 can be calculated from the voltage and current value to the PV voltage current measuring circuit 120, the charging power of the battery unit 200 is the voltage and current of the battery voltage current measuring circuit 220 Can be calculated from the value.
  • the amount of power required for starting the motor is set in advance based on the inherent characteristics of the motor.
  • step 300 After the motor is driven as described above, it is determined whether or not the motor is stopped based on the measured value from the sensor unit 300 (step 300).
  • control section 500 determines that the motor should be stopped.
  • the motor is stopped and charges the battery 210.
  • the battery 210 is fully charged and maintained in that state.
  • the charging power of the battery can be utilized in accordance with the starting current characteristic of the DC motor.
  • the water quality management system of the present invention may further include a mobile phone (not shown) in which an application capable of remotely controlling the controller 500 by communicating with the controller 500 is installed.
  • the control unit 500 further includes a wireless communication module for communication with the mobile phone.
  • the wireless communication may be a wireless network such as Wi-Fi, WiBro, Bluetooth, ZiBee, and the like, and the mobile phone may be a smartphone or a PDA (Personal Digital Assistant). Can be used.
  • control unit 500 transmits the water quality or quantity state measured by the sensor unit 300, the power state generated from the energy generation unit 100, and the state of charge of the battery unit 200 to the mobile phone. do.
  • the mobile phone receives the water quality or quantity, the power state, and the charging state, and transmits a command for the operation of the motor unit 400 to the control unit 500 based thereon.
  • the command for the operation of the motor unit 400 is executed by the command input of the mobile phone user.
  • the control unit 500 receives a command for the operation of the motor unit 400 through the wireless communication module and controls the motor driving accordingly.
  • the user through the wireless communication of the control unit 500 and the mobile phone, the user can directly control the motor drive remotely based on the water quality or quantity state, power state and charging state.

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Abstract

본 발명은 태양광 에너지를 이용하여 생성된 전력을 사용하여 수조 내의 수질을 관리하는 수질 관리 시스템으로서, 센서부로부터 측정된 수질 또는 수량 상태, 에너지 생성부로부터 생성되는 전력 상태 및 배터리부의 충전 상태(State Of Charge)에 근거하여, 모터부의 모터 구동을 제어함으로써, 전력 이용 효율을 향상시킬 수 있고, 양식장 등의 수질 및 급배수를 최적으로 관리할 수 있다.

Description

태양광 에너지를 이용한 수질 관리 시스템
본 발명은 태양광 에너지를 이용한 수질 관리 시스템에 관한 것으로서, 특히 태양광 에너지를 사용하여 양식장이나 양어장 등의 전력 공급을 관리함과 더불어, 수질을 효율적으로 관리할 수 있는 수질 관리 시스템에 관한 것이다.
최근 태양광이나 풍력과 같은 신재생 에너지를 이용한 전원 공급 시스템이 많이 개발되고 있으며, 이러한 전원 공급 시스템을 수산 양식장 등의 수질 관리에 적용하는 사례가 늘고 있다.
구체적인 일례로서, 한국공개특허 제10-2015-0049964호에 의하면, 태양광 발전에 의해 자체 전력 공급이 가능한 구성을 갖추면서, 수중의 저층수가 표층수로 수직 공급되도록 함으로써 해당 수계의 부영양화와 적조/녹조 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 태양광 발전을 이용한 수질 정화 시스템에 대해 개시하고 있다.
또 다른 일례로서, 한국등록특허 제10-0859368호에 의하면, 수면 위에 부는 바람에 의해 회전하는 날개의 회전력 또는 태양전지에 의해 축적된 전기 에너지를 이용해 외기를 펌핑하여 수중에서 분사함으로써 인위적인 동력의 투입 없이도 상시 동작이 가능하도록 한 기포발생기에 대해 개시하고 있다.
그러나 이러한 종래의 태양광 등을 이용한 수질 관리 시스템은 전력 공급을 최적화하지 않고 있으므로, 필요 이상의 태양광 패널의 설치가 필요하고 전력 낭비가 많다. 특히, 모터의 초기 기동전류를 보상하기 위해, 평균 사용량보다 큰 공급 전력을 확보해야 하므로 전력 사용이 비효율적이다.
따라서 양식장 등의 수질 및 유량을 자동으로 관리할 수 있으면서, 태양광 등의 전력을 최적으로 공급하여 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있는 수질 관리 시스템을 개발할 필요성이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 태양광을 이용한 수질 관리 시스템에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 친환경적으로 생성된 전력을 최적의 방법으로 공급하여 전력 이용 효율을 향상시킬 수 있고, 이러한 전력을 이용하여 양식장 등의 수질 및 급배수를 최적으로 관리할 수 있는 태양광 에너지를 이용한 수질 관리 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 수질 관리 시스템은, 태양광 에너지를 이용하여 생성된 전력을 사용하여 수조 내의 수질을 관리하는 수질 관리 시스템으로서, 상기 수조의 수질 또는 수량을 측정하는 다수의 센서로 이루어진 센서부; 태양광으로부터 전력을 생성하는 에너지 생성부; 상기 에너지 생성부로부터 전압을 받아 충전하고, 충전된 전압을 방전하여 출력하는 배터리부; 상기 에너지 생성부와 상기 배터리부로부터 전력을 공급받아 구동되는 다수의 모터로 이루어진 모터부; 및 상기 센서부, 에너지 생성부, 배터리부 및 모터부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다.
상기 제어부는 상기 센서부로부터 측정된 수질 또는 수량 상태, 상기 에너지 생성부로부터 생성되는 전력 상태 및 상기 배터리부의 특성에 근거하여, 상기 모터부의 모터 구동을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 배터리부의 특성은 배터리의 충전 상태(State of Charge)인 것이 바람직하다.
상기 센서부는 상기 수조의 수질을 측정하는 수질 센서와, 상기 수조의 수량를 측정하는 수위 센서를 포함하며, 상기 모터부는 상기 수질 센서의 측정값에 따라 블로워를 동작시켜 상기 수조의 수질을 조절하는 모터와, 상기 수위 센서의 측정값에 따라 펌프를 동작시켜 상기 수조의 수량을 조절하는 모터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 배터리부는 상기 에너지 생성부로부터의 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 배터리 전압전류 측정회로; 상기 배터리에 충방전되는 전압을 조정하는 충방전 컨버터; 및 상기 배터리의 온도를 측정하는 배터리 온도 센서를 포함하여 구성된다.
상기 제어부는 상기 배터리 전압전류 측정회로에서 측정된 전압 및 전류값과, 상기 배터리 온도 센서에서 측정된 배터리의 온도에 근거하여, 상기 배터리의 충전 상태를 판정하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 배터리 온도 센서에서 측정된 배터리의 온도와 미리 설정된 최적 배터리 온도와의 차이에 비례하여, 상기 배터리의 충전 전압을 조절하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 센서부로부터 측정값에 근거하여 모터의 기동 여부를 판정하고, 상기 모터를 기동해야 하는 것으로 판정된 경우, 상기 에너지 생성부의 생성 전력과 상기 배터리부의 충전 전력의 합에 근거하여, 모터 기동에 필요한 전력이 준비되었는지를 판정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 모터 기동에 필요한 전력이 준비된 경우에는 상기 모터부의 모터를 구동시키고, 상기 모터 기동에 필요한 전력이 준비되지 않은 경우에는 상기 배터리부의 배터리를 충전시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 모터의 구동 이후에는, 상기 센서부로부터 측정값에 근거하여 모터의 정지 여부를 판정하고, 상기 모터를 정지시켜야 하는 것으로 판정된 경우, 상기 모터를 정지시키고 상기 배터리를 충전시키는 것이 바람직하다.
상기 에너지 생성부의 생성 전력은 태양광을 직류 전압으로 변환하는 PV 패널의 전압 및 전류값을 측정하여 계산하고, 상기 배터리부의 충전 전력은 상기 배터리에서 출력되는 전압 및 전류값을 측정하여 계산하고, 상기 모터 기동에 필요한 전력량은 모터의 고유 특성에 근거하여 미리 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 수질 관리 시스템은 상기 제어부와 통신하여 원격으로 상기 제어부를 제어할 수 있는 어플리케이션이 설치된 모바일폰을 더 포함하고, 상기 제어부는 모바일폰과의 통신을 위한 무선통신 모듈을 더 포함한다. 상기 제어부는 상기 센서부로부터 측정된 수질 또는 수량 상태, 상기 에너지 생성부로부터 생성되는 전력 상태 및 상기 배터리부의 충전 상태를 상기 모바일폰에 송신하고, 상기 모바일폰은 상기 어플리케이션을 통해, 상기 수질 또는 수량 상태, 전력 상태 및 충전 상태에 수신받고, 이에 근거하여 상기 모터부의 동작에 대한 명령을 상기 제어부로 송신하고, 상기 제어부는 상기 모터부의 동작에 대한 명령에 따라 상기 모터부의 모터 구동을 제어할 수 있다.
본 발명의 태양광 에너지를 이용한 수질 관리 시스템은 다음과 같은 유리한 효과를 나타낸다.
첫째, 양식장 등의 수질 또는 수량 상태, 태양광 에너지에 의해 생성되는 전력 상태 및 배터리의 충전 상태(State Of Charge)에 근거하여, 수질 관리를 위한 모터의 구동을 제어함으로써, 전력 사용 효율을 높이고 태양광 발전 설비의 설치비 등을 절감할 수 있다.
둘째, DC 모터의 기동전류 특성에 맞추어 모터의 기동과 배터리의 충전 동작을 제어함으로써, 모터의 전력 사용에 최적화하여 전력을 공급할 수 있어서 전력 낭비를 줄일 수 있다.
셋째, 배터리 온도 변화에 따라 배터리의 충전 전압을 조절함으로써, 배터리를 효율적으로 사용할 수 있다.
넷째, 제어부와 모바일폰의 무선통신을 통해, 사용자가 상기한 수질 또는 수량 상태, 전력 상태 및 충전 상태에 근거하여 모터 구동을 직접 원격으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 수질 관리 시스템이 적용된 양식장 혹은 양어장을 일례로서 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수질 관리 시스템의 기능을 개념적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수질 관리 시스템에서 에너지 생성부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수질 관리 시스템에서 배터리부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 DC 모터의 기동전류 특성을 설명하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수질 관리 시스템에서 모터의 기동과 배터리의 충전 동작을 나타내는 흐름도이다.
태양광 에너지를 이용하여 생성된 전력을 사용하여 수조 내의 수질을 관리하는 수질 관리 시스템으로서, 상기 수조의 수질 또는 수량을 측정하는 다수의 센서로 이루어진 센서부; 태양광으로부터 전력을 생성하는 에너지 생성부; 상기 에너지 생성부로부터 전압을 받아 충전하고, 충전된 전압을 방전하여 출력하는 배터리부; 상기 에너지 생성부와 상기 배터리부로부터 전력을 공급받아 구동되는 다수의 모터로 이루어진 모터부; 및 상기 센서부, 에너지 생성부, 배터리부 및 모터부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지며, 상기 제어부는 상기 센서부로부터 측정된 수질 또는 수량 상태, 상기 에너지 생성부로부터 생성되는 전력 상태 및 상기 배터리부의 특성에 근거하여, 상기 모터부의 모터 구동을 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 관리 시스템을 제공할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
본 발명은 태양광 에너지를 이용한 수질 관리 시스템으로서, 수질 관리 시스템이 적용된 양식장 혹은 양어장의 구성을 일례로서 도 1에 나타내었고, 수질 관리 시스템의 기능을 개략적인 블록도로서 도 2에 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 양식장 혹은 양어장에는 다수의 수질 센서와 수위 센서가 각각의 수조에 설치되어 있고, 산소 공급을 위한 블로워와 급수를 위한 펌프가 각각 설치되어 있다.
한편, 도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 수질 관리 시스템은 에너지 생성부(100), 배터리부(200), 모터부(300), 센서부(400) 및 제어부(500)로 구성되며, 이에 대해 각각 설명한다.
먼저, 에너지 생성부(100)는 태양광을 전기 신호로 변환하여 출력하는 것으로서, 도 3에 나타낸 바와 같이, PV 패널(Photovoltaic panel)(110), PV 전압전류 측정회로(120) 및 PV 컨버터(130)로 구성된다.
PV 패널(110)은 태양광을 직류 전압으로 변환하는 것으로서 실리콘 태양전지나 화합물 태양전지로 만들어지고, PV 전압전류 측정회로(120)는 PV 패널(110)에서 출력되는 전압 및 전류를 측정한다. PV 컨버터(130)는 PV 패널(110)에서 입력되는 전압을 승압하여 DC 링크(LINK)에 인가한다.
다음으로, 배터리부(200)는 전압을 충방전하기 위한 것으로서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 배터리(210), 배터리 전압전류 측정회로(220), 충방전 컨버터(230), 배터리 온도 센서(240) 및 배터리 팬(250)으로 구성된다.
배터리(210)는 전력을 저장하기 위한 것으로서 다수의 배터리셀을 직렬 연결하여 구성할 수 있고, 충방전 컨버터(230)는 배터리(210)에 충전 및 방전되는 전압을 변환하는 기능을 한다. 충방전 컨버터(230)는 충전시에는 입력 전압을 감압하여 배터리(210)에 공급하고, 방전시에는 출력 전압을 승압하여 DC 링크에 인가한다.
배터리 전압전류 측정회로(220)는 배터리(210)에서 출력되는 전압 및 전류값을 측정하고, 배터리 온도 센서(240)는 배터리(210)의 온도를 측정한다. 측정된 전압 및 전류값과 온도에 근거하여 제어부(500)는 배터리(210)의 특성을 판정한다. 판정한 주된 특성은 충전 상태(State Of Charge)이며, 임피던스, 사용 온도 및 충전 전압도 추가로 판정할 수 있다.
예를 들어, 배터리(210)에 흐르는 충방전 전류를 적산하여 충전 상태(SOC)를 판정할 수 있다. 다른 방법으로서, 배터리(210)의 전압을 측정하고 측정된 전압으로부터 무부하 상태의 배터리 개방 전압(open loop voltage; OCV)을 추정하고 개방 전압 별 SOC 테이블을 참조하여 추정된 개방 전압에 해당하는 SOC를 맵핑하여 충전 상태(SOC)를 판정할 수도 있다.
한편, 배터리부(200)는 배터리(210)의 온도를 낮추기 위한 배터리 팬(250)을 추가로 포함한다. 이러한 팬(250)에 의해 배터리(210)의 온도를 낮춤으로써 배터리(210)의 효율을 더 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 부동 충전 방식으로 배터리(210)를 충전하며, 배터리(210)의 부동 충전 전압은 배터리 온도 센서(240)에서 측정된 배터리(210)의 온도에 따라 조절될 수 있다. 즉, 미리 설정된 최적 배터리 온도값과 측정된 배터리 온도값의 차이에 따라, 배터리(210)의 충전 전압을 조절한다. 최적 배터리 온도는 배터리(210)의 고유 특성에 따라 설정될 수 있다.
예를 들어 최적 배터리 온도를 25℃로 설정한 경우, [(측정 온도값 - 25℃) x -3mV]의 값만큼 부동 충전 전압을 조정할 수 있다.
다음으로, 센서부(300)는 양식장이나 양어장과 같은 수조에 저장된 물의 상태를 측정하는 것으로서, 수질 센서와 수위 센서로 구성된다. 수질 센서는 수조 내의 물의 온도, 용존 산소(DO: Dissolved Oxygen), 탁도 등을 측정하는 센서이고, 수위 센서는 수조의 수량이나 유량을 측정하는 센서이다.
다음으로, 모터부(400)는 상기 수질 센서의 측정값에 따라 블로워를 동작시켜 상기 수조의 수질을 조절하는 모터와, 상기 수위 센서의 측정값에 따라 펌프를 동작시켜 상기 수조의 수량을 조절하는 모터로 구성된다. 모터는 소형화가 용이하고 배터리 효율이 좋은 BLDC 모터를 사용하는 것이 바람직하다.
모터부(400)는 에너지 생성부(100)의 생성 전력과 배터리부(200)의 충전 전력이 인가되는 DC 링크를 통해서 전력을 공급받으며, 제어부(500)의 명령에 따라 각 모터를 구동한다.
다음으로, 제어부(500)는 하나의 마이크로컨트롤러 유닛(MCU: Micro Controller Unit)으로 이루어지며, 에너지 생성부(100), 배터리부(200), 센서부(300), 모터부(400)의 동작을 제어한다.
구체적으로 제어부(500)는 센서부(300)로부터 측정된 수질 또는 수량 상태와, 에너지 생성부(100)로부터 생성되는 전력 상태와, 배터리부(200)의 충전 상태(SOC)에 근거하여, 모터부(400)의 모터 구동 여부를 결정한다.
일반적으로 DC 모터의 경우, 도 5에 나타낸 바와 같은 기동전류 특성을 나타낸다. 즉, 기동 시에만 많은 전류가 소모되며, 이후에는 일정한 정상전류를 소모한다. 구체적으로, 초기 모터 기동 시에 정상전류의 출력량의 300%를 확보해야 시스템 출력 및 발전이 가능하므로, 효율성 및 경제성이 떨어진다. 따라서 배터리 전력을 이용하여 기동전류 부분을 보완할 필요성이 있다.
이를 고려하여, 본 발명에서는 모터의 기동과 배터리의 충전 동작을 도 6에 나타낸 흐름도와 같이 제어함으로써, 전력 사용 효율을 높이고 있으며, 이하에서 이에 대해 설명한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 제어부(500)는 센서부(300)로부터 수조 내의 수질 혹은 수량 상태를 수신하여 모터의 기동 여부를 판정한다.
즉, 수조의 수질이나 수량이 기준값 이상의 양호한 상태이면, 제어부(500)는 모터를 기동하지 않고 배터리 충전 동작을 계속한다. 반면, 수질이나 수량이 기준값 이하의 나쁜 상태일 경우, 제어부(500)는 모터를 기동하여 블로워나 펌프를 동작시켜야 하는 것으로 판정한다 (단계 100).
만일 모터를 기동해야 하는 것으로 판정된 경우, 제어부(500)는 에너지 생성부(100)의 생성 전력과 배터리부(200)의 충전 전력의 합에 근거하여, 모터 기동에 필요한 전력이 준비되었는지를 판정한다 (단계 200).
즉, 에너지 생성부(100)의 생성 전력과 배터리부(200)의 충전 전력의 합이 모터 기동에 필요한 전력량 이하일 경우에는, 모터 기동에 필요한 전력이 준비되지 않은 상태로 판정하고, 배터리부(200)의 배터리(210)를 계속 충전시킨다. 반면, 에너지 생성부(100)의 생성 전력과 배터리부(200)의 충전 전력의 합이 모터 기동에 필요한 전력량 이상일 경우에는, 모터 기동에 필요한 전력이 준비된 상태로 판정하고, 모터를 구동시킨다. 이때 모터 기동에 필요한 전력이 준비되지 않은 상태일 때, 별도의 다른 발전기와 같은 전력원을 추가로 사용하여 모터를 구동시킬 수도 있다.
이때 에너지 생성부(100)의 생성 전력은 PV 전압전류 측정회로(120)로의 전압 및 전류값으로부터 계산할 수 있고, 배터리부(200)의 충전 전력은 배터리 전압전류 측정회로(220)의 전압 및 전류값으로부터 계산할 수 있다. 또한, 모터 기동에 필요한 전력량은 모터의 고유 특성에 근거하여 미리 설정한다.
상기와 같이 모터가 구동된 이후에는, 센서부(300)로부터 측정값에 근거하여 모터의 정지 여부를 판정한다 (단계 300).
즉, 블로워나 펌프의 가동으로 인해 수질이나 수량이 기준값 이상의 양호한 상태로 회복되었을 경우, 제어부(500)는 모터를 정지해야 하는 것으로 판정한다.
모터를 정지시켜야 하는 것으로 판정한 경우, 모터는 정지되고 배터리(210)를 충전시킨다. 배터리(210)는 최대로 충전하여 그 상태를 유지한다.
상기와 같이 모터의 기동과 배터리의 충전 동작을 제어함으로써, DC 모터의 기동전류 특성에 맞게 배터리의 충전 전력을 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 수질 관리 시스템은 제어부(500)와 통신하여 원격으로 제어부(500)를 제어할 수 있는 어플리케이션이 설치된 모바일폰(mobile phone)(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 이때, 제어부(500)는 모바일폰과의 통신을 위한 무선통신 모듈을 더 포함한다. 이때, 무선통신은 와이파이(Wi-Fi), 와이브로(WiBro), 블루투스(Bluetooth), 지그비(ZiBee) 등의 무선 네트워크가 이용될 수 있고, 모바일폰은 스마트폰이나 PDA(Personal Digital Assistant) 등이 사용될 수 있다.
이러한 구성에 의해, 제어부(500)는 센서부(300)로부터 측정된 수질 또는 수량 상태와, 에너지 생성부(100)로부터 생성되는 전력 상태와, 배터리부(200)의 충전 상태를 모바일폰에 송신한다.
모바일폰은 상기 어플리케이션을 통해, 상기 수질 또는 수량 상태, 전력 상태 및 충전 상태에 수신받고, 이에 근거하여 모터부(400)의 동작에 대한 명령을 제어부(500)로 송신한다. 물론, 모터부(400)의 동작에 대한 명령은 모바일폰 사용자의 명령 입력에 의해 실행된다.
제어부(500)는 무선통신 모듈을 통해 모터부(400)의 동작에 대한 명령을 수신하고 그에 따라 모터 구동을 제어한다.
상기와 같이 본 발명에서는, 제어부(500)와 모바일폰의 무선통신을 통해, 사용자가 수질 또는 수량 상태, 전력 상태 및 충전 상태에 근거하여 모터 구동을 직접 원격으로 제어할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예에서는 태양광을 이용한 발전 시스템에 대해 설명하고 있으나, 태양광 이외에도 풍력과 같은 여러 가지 신재생 에너지 발전 시스템에도 본 발명이 적절히 적용될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 태양광 에너지를 이용하여 생성된 전력을 사용하여 수조 내의 수질을 관리하는 수질 관리 시스템으로서,
    상기 수조의 수질 또는 수량을 측정하는 다수의 센서로 이루어진 센서부;
    태양광으로부터 전력을 생성하는 에너지 생성부;
    상기 에너지 생성부로부터 전압을 받아 충전하고, 충전된 전압을 방전하여 출력하는 배터리부;
    상기 에너지 생성부와 상기 배터리부로부터 전력을 공급받아 구동되는 다수의 모터로 이루어진 모터부; 및
    상기 센서부, 에너지 생성부, 배터리부 및 모터부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지며,
    상기 제어부는 상기 센서부로부터 측정된 수질 또는 수량 상태, 상기 에너지 생성부로부터 생성되는 전력 상태 및 상기 배터리부의 특성에 근거하여, 상기 모터부의 모터 구동을 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리부의 특성은 배터리의 충전 상태(State of Charge)인 것을 특징으로 하는 수질 관리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 센서부는 상기 수조의 수질을 측정하는 수질 센서와, 상기 수조의 수량을 측정하는 수위 센서를 포함하며,
    상기 모터부는 상기 수질 센서의 측정값에 따라 블로워를 동작시켜 상기 수조의 수질을 조절하는 모터와, 상기 수위 센서의 측정값에 따라 펌프를 동작시켜 상기 수조의 수량을 조절하는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 관리 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리부는
    상기 에너지 생성부로부터의 전력을 저장하는 배터리;
    상기 배터리의 전압 및 전류를 측정하는 배터리 전압전류 측정회로;
    상기 배터리에 충방전되는 전압을 조정하는 충방전 컨버터; 및
    상기 배터리의 온도를 측정하는 배터리 온도 센서를 포함하여 이루어지며,
    상기 제어부는 상기 배터리 전압전류 측정회로에서 측정된 전압 및 전류값과, 상기 배터리 온도 센서에서 측정된 배터리의 온도에 근거하여, 상기 배터리의 충전 상태를 판정하는 것을 특징으로 하는 수질 관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 배터리 온도 센서에서 측정된 배터리의 온도와 미리 설정된 최적 배터리 온도와의 차이에 비례하여, 상기 배터리의 충전 전압을 조절하는 것을 특징으로 하는 수질 관리 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 센서부로부터 측정값에 근거하여 모터의 기동 여부를 판정하고,
    상기 모터를 기동해야 하는 것으로 판정된 경우, 상기 에너지 생성부의 생성 전력과 상기 배터리부의 충전 전력의 합에 근거하여, 모터 기동에 필요한 전력이 준비되었는지를 판정하고,
    상기 모터 기동에 필요한 전력이 준비된 경우에는 상기 모터부의 모터를 구동시키고, 상기 모터 기동에 필요한 전력이 준비되지 않은 경우에는 상기 배터리부의 배터리를 충전시키며,
    상기 모터의 구동 이후에는, 상기 센서부로부터 측정값에 근거하여 모터의 정지 여부를 판정하고,
    상기 모터를 정지시켜야 하는 것으로 판정된 경우, 상기 모터를 정지시키고 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 수질 관리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 에너지 생성부의 생성 전력은 태양광을 직류 전압으로 변환하는 PV 패널의 전압 및 전류값을 측정하여 계산하고,
    상기 배터리부의 충전 전력은 상기 배터리에서 출력되는 전압 및 전류값을 측정하여 계산하고,
    상기 모터 기동에 필요한 전력량은 모터의 고유 특성에 근거하여 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 수질 관리 시스템.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부와 통신하여 원격으로 상기 제어부를 제어할 수 있는 어플리케이션이 설치된 모바일폰을 더 포함하고,
    상기 제어부는 모바일폰과의 통신을 위한 무선통신 모듈을 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 센서부로부터 측정된 수질 또는 수량 상태, 상기 에너지 생성부로부터 생성되는 전력 상태 및 상기 배터리부의 충전 상태를 상기 모바일폰에 송신하고,
    상기 모바일폰은 상기 어플리케이션을 통해, 상기 수질 또는 수량 상태, 전력 상태 및 충전 상태에 수신받고, 이에 근거하여 상기 모터부의 동작에 대한 명령을 상기 제어부로 송신하고,
    상기 제어부는 상기 모터부의 동작에 대한 명령에 따라 상기 모터부의 모터 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 수질 관리 시스템.
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