KR101150951B1 - 에너지 저장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그 정격 전압의 총합이 현재 발전되는 전력의 출력 전압보다 낮은 일부의 단위셀만을 충전시키되 단위셀 각각의 전력량을 체크하여 전력량이 부족한 단위셀만을 선별적으로 충전시킬 수 있도록 한 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
본 발명의 에너지 재생 장치는 재생 에너지에서 전기 에너지를 발생시키는 발전기; 발전기에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기; 정류기의 출력 전압을 검출하는 출력전압 검출부; 배터리의 접지 단자와 양극 단자 사이에 단위셀을 형성하는 다수의 중간 단자가 구비된 배터리; 배터리의 각 단위셀의 전류량을 검출하는 전류 검출 센서로 이루어진 단위셀 전류 검출부; 정류기의 저전위단과 배터리의 접지 단자 및 각 중간 단자를 연결 또는 차단하는 다수의 스위치로 이루어진 저전위 스위치 어레이; 정류기의 고전위단과 배터리의 양극 단자 및 각 중간 단자를 연결 또는 차단하는 다수의 스위치로 이루어진 고전위 스위치 어레이; 저전위 스위치 어레이와 고전위 스위치 어레이의 스위치를 독립적으로 구동하는 스위치 구동부 및 전압의 총합이 출력전압 검출부에서 검출된 출력전압보다 큰 전압을 갖는 일부의 단위셀이 충전되도록 하되 단위셀 전류 검출부에서 검출된 각각의 단위셀의 전류량에 의해 해당 단위셀의 충전 전력량을 체크한 후에 충전이 부족한 단위셀만이 선별적으로 충전되도록 스위치 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

Description

에너지 저장 장치{Energy Storage Apparatus}

본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 특히 그 정격 전압의 총합이 현재 발전되는 전력의 출력 전압보다 낮은 일부의 단위셀만을 충전시키되 단위셀 각각의 전력량을 체크하여 전력량이 부족한 단위셀만을 선별적으로 충전시킬 수 있도록 한 에너지 저장 장치에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 태양광 발전이나 풍력 발전 등을 통해 재생되는 에너지(이하 '재생 에너지'라 한다)를 전기 에너지로 저장하기 위해 통상적으로 직류 에너지 저장 장치인 배터리가 사용되고 있다. 그리고 이렇게 저장된 직류 에너지는 이후 인버터를 통해 교류 에너지로 변환된 후에 필요한 곳에 공급되게 된다.

그러나 태양광과 풍력에 의해 전기 에너지가 발생되었다고 하더라도 이러한 에너지가 모두 저장되는 것은 아니며, 일정한 전압 이상의 에너지가 저장 장치에 인가되어야 비로소 에너지 저장이 시작된다.

도 1은 종래의 풍력 발전에 의한 에너지 저장 장치를 개략적으로 보인 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 풍력 발전에 의한 에너지 저장 장치에 따르면, 먼저 풍력에 의해 프로펠러가 돌려져서 풍력 발전기(100)에서 3상의 교류 전력이 발생하는데, 이렇게 발전된 3상의 교류 전력은 다시 정류기(200)에서 직류 전력으로 변환되고, 이어서 배터리(300')에 충전되게 된다. 여기에서, 배터리(300')는 정격 전압이 예를 들어 12V인 단위 배터리(310')를 1개 사용하거나 이들 2개를 직렬로 연결(본 실시예에서는 2개)하여 이루어지는데, 이에 따라 배터리(300') 전체에서는 12V 또는 24V의 정격 전압을 갖는 전력이 외부로 공급되게 된다. 여기에서 정류기(200)의 두 출력 단자는 배터리(300')의 접지 단자와 최고전위를 갖는 양극 단자에 각각 연결되게 된다.

그러나 재생 에너지를 통해 발생되는 전기 에너지는 배터리(300') 전체가 갖는 정격 전압보다 더 큰 전압, 예를 들어 20% 이상 큰 전압이 발생해야 비로소 배터리(300')에 저장되게 되고, 그렇지 않은 경우에는 모두 낭비되게 된다. 예를 들어, 배터리(300') 전체가 12V의 정격 전압을 갖는다고 할 때, 예를 들어 프로펠러의 회전속도가 300rpm 이하로 낮아서 정류기(200)의 출력 전압, 즉 정류기(200) 양단의 전압이 11V 밖에 안 되는 경우에 이렇게 발생된 전기 에너지는 배터리(300')에 충전되지 못하고 모두 버려지는 문제점이 있었다.

마찬가지로 태양광 발전의 경우에도 단위 솔라셀의 정격 전압을 1V라고 할 때 이들을 12개 직렬로 연결하여 이루어진 배터리를 충전하고자 하는 경우에는 현재 발전되는 전력의 출력 전압이 12V 이상이 되어야 하고, 그렇지 못한 경우에는 모두 버려지는 문제점이 있었다.

이를 감안하여 정류기에서 낮은 전압을 갖는 전력이 발생된 경우에 총합이 이보다 낮은 정격 전압을 갖는 일부의 단위셀만을 충전시킬 수 있도록 한 "전압레벨에 따른 축전지 충전회로"가 2005년 특허출원번호 제108167호(출원일 2006년 11월 3일)로 출원되어 등록(등록번호 제879719호)된 바 있다.

그러나 전술한 바와 같은 선행발명은 일부의 단위셀만을 충전하기 위해 포토 커플러를 사용하는바, 이러한 포토 커플러의 발광 다이오드를 턴온시키는데 상대적으로 많은 전력이 소모되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 포토커플러를 사용하였을 경우에 태양광 에너지 저장 장치에서는 사용할 수 있으나 풍력발전장치에는 적용시킬 수 없다. 무엇보다도 이러한 선행기술에 따르면, 최저 전위를 갖는 단위셀의 접지 단자를 기준으로 충전하는 절대 접지 충전 방식을 채택하고 있기 때문에 상대적으로 전위가 낮은 단위셀의 경우에는 과충전이 발생하여 단위셀의 수명을 저하시키는 문제점이 있었다. 즉, 배터리의 단위셀을 충전시킴에 있어서 전위가 낮은 단위셀부터 차례대로 충전이 이루어지기 때문에 비록 최저 전위를 갖는 단위셀의 경우에는 이미 충전이 완료되었음에도 불구하고 지속적으로 충전이 이루어져서 단위셀의 수명이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 정격 전압의 총합이 현재 발전되는 전력의 출력 전압보다 낮은 일부의 단위셀만을 충전시키되 단위셀 각각의 전력량을 체크하여 전력량이 부족한 단위셀만을 선별적으로 충전시킬 수 있도록 한 에너지 저장 장치를 제공함을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 재생 장치는 재생 에너지에서 전기 에너지를 발생시키는 발전기; 발전기에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기; 정류기의 출력 전압을 검출하는 출력전압 검출부; 배터리의 접지 단자와 양극 단자 사이에 단위셀을 형성하는 다수의 중간 단자가 구비된 배터리; 배터리의 각 단위셀의 전류량을 검출하는 전류 검출 센서로 이루어진 단위셀 전류 검출부; 정류기의 저전위단과 배터리의 접지 단자 및 각 중간 단자를 연결 또는 차단하는 다수의 스위치로 이루어진 저전위 스위치 어레이; 정류기의 고전위단과 배터리의 양극 단자 및 각 중간 단자를 연결 또는 차단하는 다수의 스위치로 이루어진 고전위 스위치 어레이; 저전위 스위치 어레이와 고전위 스위치 어레이의 스위치를 독립적으로 구동하는 스위치 구동부 및 전압의 총합이 출력전압 검출부에서 검출된 출력전압보다 큰 전압을 갖는 일부의 단위셀이 충전되도록 하되 단위셀 전류 검출부에서 검출된 각각의 단위셀의 전류량에 의해 해당 단위셀의 충전 전력량을 체크한 후에 충전이 부족한 단위셀만이 선별적으로 충전되도록 스위치 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서, 제어부는 고전위의 단위셀부터 저전위의 단위셀의 순서로 충전되도록 스위치 구동부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

한편, 단위셀 전류 검출부의 각각의 전류 검출 센서는 홀 센서를 포함하여 이루어질 수 있다.

나아가, 상기 저전위 스위치 어레이 및 상기 고전위 스위치 어레이의 각각의 스위치는 전자식 스위치로 이루어질 수 있다.

본 발명의 에너지 저장 장치에 따르면, 그 정격 전압의 총합이 현재 발전되는 전력의 출력 전압보다 낮은 일부의 단위셀만을 충전시키되 단위셀 각각의 전력량을 체크하여 전력량이 부족한 단위셀만을 선별적으로 충전시킴으로써 발전되는 전력을 모두 사용하면서도 과충전을 방지하여 단위셀을 수명을 연장시킬 수가 있다.

도 1은 종래의 풍력 발전에 의한 에너지 저장 장치를 개략적으로 보인 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전에 의한 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도이다.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 에너지 저장 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전에 의한 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 적용되는 배터리(300)는 최저전위 단자인 접지 단자와 최고전위 단자인 양극 단자 사이에 다수의 중간 단자가 형성되어 이루어지는데, 이러한 중간 단자로 구획된 각 부분이 단위셀(310)을 형성하게 된다. 그리고 이에 따라 배터리의 접지 단자는 저전위단이 되고 양극 단자는 고전위단이 되지만, 중간 단자의 경우에는 저전위단과 고전위단의 공통 단자, 즉 경우에 따라 저전위단이나 고전위단의 어느 하나로 기능하게 될 것이다.

한편, 본 발명의 에너지 저장 장치의 구성은 크게, 풍력에 의해 3상의 교류 전력을 발생시키는 풍력 발전기(100), 풍력 발전기(100)에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기(200), 정류기의 출력 전압을 검출하는 출력전압 검출부(250), 전술한 바와 같이 다수의 단위셀(310)이 직렬로 연결되어 이루어진 배터리(300), 배터리(300)의 각 단위셀(310)의 전류량을 검출하는 다수의 전류 검출 센서(410)로 이루어진 단위셀 전류 검출부(400), 정류기(200)의 저전위단과 배터리(300)의 접지 단자 및 각각의 중간 단자를 연결 또는 차단하는 다수의 스위치로 이루어진 저전위 스위치 어레이(700), 정류기(300)의 고전위단과 배터리(3000의 양극 단자 및 각각의 중간 단자를 연결 또는 차단하는 다수의 스위치로 이루어진 고전위 스위치 어레이(800), 저전위 스위치 어레이(700)와 고전위 스위치 어레이(800)의 각각의 스위치를 독립적으로 구동하는 스위치 구동부(600) 및 그 전압의 총합이 정류기(200)의 출력전압 검출부(250)에서 검출된 출력전압보다 단위셀(310)의 정격 전압 이하만큼만 큰 일부의 단위셀(310)이 충전되도록 하되 단위셀 전류 검출부(400)에서 검출된 각각의 단위셀(310)의 전류량에 의해 해당 단위셀(300)의 충전 전력량을 체크한 후에 충전이 부족한 단위셀(310)만이 선별적으로 충전되도록 스위치 구동부(600)를 제어하는 제어부(500)를 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서, 출력전압 검출부(250)는 통상의 전압 검출 센서와 그 주변 회로를 포함하여 이루어질 수 있다.

각각의 전류 검출 센서(410)는 각 단위셀(310)에 접촉하여 각 단위셀(310)의 양단을 흐르는 전류를 직접 검출하는 방식 또는 홀 센서 등과 같이 각 단위셀(310)에 접촉하지 않고 각 단위셀(310) 주위의 자기장의 변화를 전류로서 검출하는 간접적인 방식 등으로 구현될 수 있을 것이다.

저전위단 스위치 어레이(700)와 고전위단 스위치 어레이(800)의 각각의 스위치는 트랜지스터와 같은 전자적 스위치 또는 릴레이 스위치와 같은 물리적 스위치로 구현될 수 있을 것이다.

마지막으로 제어부(500)는 제어용 프로그램에 의해 동작하는 마이크로 프로세서와 같은 소프트웨어적인 방식 또는 전용의 하드웨어 방식 등으로 구현될 수 있을 것이다.

이하에는 본 발명의 에너지 저장 장치의 동작에 대해 상세하게 설명한다. 먼저, 풍력 발전기(100)에서 전력이 발생되는 경우에 이 전력은 정류기(200)를 거쳐서 직류 전력으로 변환된다. 이와 동시에 출력전압 검출부(250)에서는 정류기(200)의 출력 전압을 검출하여 제어부(500)에 전달하게 되고, 제어부(500)에서는 이를 전달받아 확인하게 된다.

한편, 단위셀 전류 검출부(400)에서는 각각의 단위셀(310)을 흐르는 전류를 검출하여 제어부(500)에 전달하는데, 제어부(500)에서는 이렇게 전달받을 전류량에 의해 각 단위셀(310)의 현재의 충전 전력량을 체크하게 된다.

여기에서, 예를 들어 각각의 단위셀(310)의 정격 전압이 2V이고, 현재 정류기(200)의 출력 전압이 9V인 경우에는 오직 4개의 단위셀만을 충전시킬 수 있는바, 저전위 단위셀부터 고전위 단위셀까지 모든 단위셀의 충전량이 부족한 경우에 제어부(500)는 스위치 구동부(600)에 지시하여 저전위 스위치 어레이(700)와 고전위 스위치 어레이(800) 중에서 해당하는 스위치, 예를 들어 고전위 스위치 어레이(800) 중에서 양극 단자와 정류기(200)의 고전위단을 연결하는 스위치인 sb6과 저전위 스위치 어레이(700) 중에서 고전위부터 저전위의 순서로 4번째에 해당하는 단위셀 스위치인 sa3만을 온시키고 나머지 스위치는 모두 오프시킴으로써 단위셀 b6 내지 b3이 충전되도록 한다. 이와는 달리 단위셀 b6 및 단위셀 b5가 이미 충전이 완료된 상태이고 나머지 단위셀 b4 내지 b1은 충전이 부족한 상태인 경우에는 고전위 스위치 어레이(800) 중에서 스위치 sb4와 저전위 스위치 어레이(700) 중에서 스위치 sb1만을 온시키고 나머지 스위치는 모두 오프시킴으로써 단위셀 b4 내지 b1이 충전되도록 한다.

한편, 풍력 발전기(100)에서 발전이 이루어지지 않는 경우, 즉 에너지가 발생되지 않는 경우에 제어부(500)는 이를 출력전압 검출부(250)를 통해 검출한 후에 가장 낮은 전위를 갖는 접지 단자와 가장 높은 전위를 갖는 양극 단자에 연결된 스위치(sa1),(sb6)만을 온시키고 나머지 중간 단자에 연결된 모든 스위치들을 오프시키게 된다.

본 발명의 에너지 저장 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다. 예를 들어, 전술한 실시예에서는 고전위의 단위셀부터 저전위의 단위셀의 순서로 충전을 수행하였으나 이와는 달리 저전위의 단위셀부터 고전위의 단위셀의 순서로 충전을 수행할 수도 있을 것이다. 또한 전술한 실시예에서는 풍력 발전을 예로 들었으나, 이에 국한되지 않고 태양광 발전에도 적용이 가능할 것이다.

100: 풍력 발전기, 200: 정류기,
250: 출력전압 검출부,
300: 배터리, 310: 단위셀,
400: 단위셀 전류 검출부, 410: 전류 검출 센서,
500: 제어부, 600: 스위치 구동부,
700: 저전위단 스위치 어레이, 800: 고전위단 스위치 어레이

Claims (4)

1. 재생 에너지에서 전기 에너지를 발생시키는 발전기;
   상기 발전기에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기;
   상기 정류기의 출력 전압을 검출하는 출력전압 검출부;
   배터리의 접지 단자와 양극 단자 사이에 단위셀을 형성하는 다수의 중간 단자가 구비된 배터리;
   상기 배터리의 각 단위셀의 전류량을 검출하는 전류 검출 센서로 이루어진 단위셀 전류 검출부;
   상기 정류기의 저전위단과 배터리의 접지 단자 및 각 중간 단자를 연결 또는 차단하는 다수의 스위치로 이루어진 저전위 스위치 어레이;
   상기 정류기의 고전위단과 배터리의 양극 단자 및 각 중간 단자를 연결 또는 차단하는 다수의 스위치로 이루어진 고전위 스위치 어레이;
   상기 저전위 스위치 어레이와 고전위 스위치 어레이의 스위치를 독립적으로 구동하는 스위치 구동부 및
   전압의 총합이 상기 출력전압 검출부에서 검출된 출력전압보다 큰 전압을 갖는 일부의 단위셀이 충전되도록 하되 상기 단위셀 전류 검출부에서 검출된 각각의 단위셀의 전류량에 의해 해당 단위셀의 충전 전력량을 체크한 후에 충전이 부족한 단위셀만이 선별적으로 충전되도록 스위치 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 에너지 저장 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   제어부는 고전위의 단위셀부터 저전위의 단위셀의 순서로 충전되도록 스위치 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   단위셀 전류 검출부의 각각의 전류 검출 센서는 홀 센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 저전위 스위치 어레이 및 상기 고전위 스위치 어레이의 각각의 스위치는 전자식 스위치인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.

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