KR101889699B1 - 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상기 외부 전력 공급 시스템은 태양광 발전 셀, 상기 태양광 발전 셀로부터 발전되는 에너지를 전력 저장 장치에 대응되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터, 상기 DC/DC 컨버터로부터 전달되는 전력을 저장하는 리튬전지 배터리부, 상기 리튬전지 배터리부로부터 냉난방 시스템의 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 냉난방 시스템의 부하에 에너지를 공급하는 전력변환장치, 제어부 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부로 구성되며, 상기 냉난방 시스템은 배터리가 저장되는 배터리 저장 컨테이너의 실내 공간을 냉난방하는 시스템으로서, 태양광에 의해 저온 저압의 열매체를 고온고압의 기체로 전환하여 토출하는 태양열 집열 장치, 상기 태양열 집열 장치와 냉매 배관된 사방변 입구와 냉방과 난방에 따라 각각 실외 열교환기와 실내 열교환기와 냉매 배관 연결되는 사방변 출구 a, b, c로 이뤄진 사방밸브, 실외공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실외로 방출하는 실외기팬이 구비된 실외 열교환기, 실내 공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실내로 방출시키는 실내팬을 구비한 실내 열교환기, 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기 사이에 냉매 배관 연결된 팽창 밸브 및 체크밸브 및 상기 태양열 집열 장치와 사방 밸브 사이에 설치되어 열매체를 강제 순환시키는 DC 펌프로 구성되며, 상기 외부 전력 공급 시스템에 의해 상기 냉난방 시스템이 냉난방 작동함에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 한 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상기 외부 전력 공급 시스템은 태양광 발전 셀, 상기 태양광 발전 셀로부터 발전되는 에너지를 전력 저장 장치에 대응되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터, 상기 DC/DC 컨버터로부터 전달되는 전력을 저장하는 리튬전지 배터리부, 상기 리튬전지 배터리부로부터 냉난방 시스템의 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 냉난방 시스템의 부하에 에너지를 공급하는 전력변환장치, 제어부 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부로 구성되며, 상기 냉난방 시스템은 배터리가 저장되는 배터리 저장 컨테이너의 실내 공간을 냉난방하는 시스템으로서, 태양광에 의해 저온 저압의 열매체를 고온고압의 기체로 전환하여 토출하는 태양열 집열 장치, 상기 태양열 집열 장치와 냉매 배관된 사방변 입구와 냉방과 난방에 따라 각각 실외 열교환기와 실내 열교환기와 냉매 배관 연결되는 사방변 출구 a, b, c로 이뤄진 사방밸브, 실외공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실외로 방출하는 실외기팬이 구비된 실외 열교환기, 실내 공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실내로 방출시키는 실내팬을 구비한 실내 열교환기, 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기 사이에 냉매 배관 연결된 팽창 밸브 및 체크밸브 및 상기 태양열 집열 장치와 사방 밸브 사이에 설치되어 열매체를 강제 순환시키는 DC 펌프로 구성되며, 상기 외부 전력 공급 시스템에 의해 상기 냉난방 시스템이 냉난방 작동함에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 한 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 관한 것이다.
최근 전력공급이 원활하지 못한 도서지방 등에 신재생에너지와 에너지저장장치(ESS)를 연계하여 자립형 마이크로그리드 구축하는 경우가 점차 많아지고 있다.
에너지 자립형 마이크로그리드는 태양광이나 풍력 등 이산화탄소 배출이 없는 신재생 에너지원을 활용한 것으로 전기를 생산한 뒤 ESS에 저장해 필요할 때 마다 전력을 꺼내 쓸 수 있는 시스템이다.
이러한 ESS에는 반드시 전력 저장 장치 즉 배터리가 필수적으로 포함된다.
배터리 종류 중에서 일반적으로 많이 사용되는 배터리는 리튬 이온 배터리가 주를 이룬다. (니켈-카드뮴 배터리와는 달리 메모리 효과가 없기 때문이다)
그런데 이러한 리튬 이온 배터리도 단점이 존재한다. 보통 리튬 이온 배터리의 수명은 300-500회 충방전 사이클로 보는데, 이러한 충전 사이클에 온도가 미치는 영향이 매우 크다.
즉 배터리가 높은 온도에 있는 상태에서 충방전을 장시간 반복할 경우 20℃에서 충방전 할 때에 비해 스트레스를 많이 받아 노화가 심하게 일어나게 되는 것이다.
아래 표 1은 각각의 온도에서 방치했을 경우 3개월 지난 시점의 capicity loss율 발생한 것을 정리한 것이다.
| 온도 | 40% 충전 | 100% 충전 |
| 25℃ | 96% | 80% |
| 40℃ | 85% | 65% |
| 60℃ | 75% | 60% |
즉 높은 온도에서 배터리 용량 손실이 많아지는 것을 알 수 있다.
또한 과도한 온도에 장시간 방치된 리튬 이온 배터리가 불안정해져 폭발하는 문제점도 있어 왔다.
또한 낮은 온도에서는 배터리 내부의 화학반응이 늦어지는데 즉 리튬이온이 전해액 안에서 이동을 하는데 전해액의 점도가 높아져 내부저항이 증가하여 결국 리튬 이온이 이동하는데 어렵게 되고 전압이 낮아져 충분히 방전하지 못한 결과 배터리가 빨리 소모되는 문제점이 발생한다.
즉 상온이외의 고온과 저온에서 배터리의 성능 하락과 그 수명에 영향을 미치게 되는 것이다.
그렇다고 배터리 저장 공간에 외부 즉 한전과 같은 곳으로부터 전력을 공급받아 냉난방 시스템을 운영하는 것은 본래 에너지 자립형 마이크로그리드의 목적에도 부합하지 않는 문제점이 있는 것이다.
이러한 점을 해결하기 위해 기존에 ESS 자체 에너지를 이용하여 여름 및 겨울에 배터리 최적화를 위한 공조시스템(상용 냉난방기)을 가지고 있었으나 이 시스템은 원래의 ESS의 용도 및 에너지 효율이라는 측면에서 불리하다는 문제점이 있다.
또한 전력저장용 이차전지 중 리튬이온 전지는 사이클 수명이 3,000회 이상이며 정지 후 즉시 기동시간이 가능하여 신재생에너지의 전력안정화용 단주기 ESS에 적합하지만 가격이 높다는 단점이 있다.
리튬 이온 전지의 충전과 노화와의 관계에 있어서 충전전압과 관련해서는 충전전압이 높을 수록 용량 충전률이 높으나 수명이 짧아지는 문제점이 있고, 또한 충전전류가 높을 수록 방전사이클이 짧아져 노화가 더 빨리 진행되는 문제점이 있다.
특히 신재생에너지 전력저장장치로 사용되는 ESS는 충전이 일정하게 발생하는 것이 아니고 매우 짧은 순간에도 급격하게 발전 전력량이 변화되는데, 이를 리튬 전지 배터리의 대응 전압으로 변환시키는 DC/DC컨버터에서 리튬전지 배터리부로 전달될 때 전압 내지 전류의 변화를 그대로 반영하게 되어, 리튬전지 배터리부의 내구성 문제가 발생하게 되는 문제가 있어 왔다.
리튬전지 배터리가 종전보다는 저렴해졌지만 그래도 납축전지에 비해 고가임은 부인할 수 없는 사실임을 고려할 때 리튬전지 배터리의 수명 유지 내지 연장을 위한 조치가 필요하다 할 것이다.
본 발명의 목적은 에너지 자립형 도서지역에 적용되는 ESS에 포함되는 배터리를 저장하는 실내공간에 상용전력을 이용하지 않고 신재생에너지를 활용하여 전력을 공급하는 에너지 자립형 냉난방 시스템을 제공함에 있다.
즉 배터리가 저장되는 컨테이너 공간의 하절기 동절기 온도차이를 본 자립형 자동 냉난방 시스템을 이용하여 내부의 온도변화를 최대한 억제하고, 컨테이너등의 상부에 설치하여 공간활용에 최적화함에 목적이 있다.
본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템은 외부 전력 공급 시스템(100)에 의해 작동되는 냉난방 시스템(200)으로 구성된다.
상기 외부 전력 공급 시스템(100)은 태양광 발전 셀(110), 상기 태양광 발전 셀로부터 발전되는 에너지를 전력 저장 장치에 대응되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터(120), 상기 DC/DC 컨버터로부터 전달되는 전력을 저장하는 리튬전지 배터리부(BP), 상기 리튬전지 배터리부로부터 냉난방 시스템의 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 냉난방 시스템의 부하에 에너지를 공급하는 전력변환장치(PCS), 제어부(130) 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부(SCP)로 구성된다.
상기 DC/DC 컨버터(120)의 양극단자와 리튬전지 배터리부(BP) 양극단자 사이에 리튬전지 배터리부 양극단자 방향으로 도통되도록 다이오드 2(D2)와 스위칭소자 3(T3)이 직렬로 연결되며, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 양극단자로부터 음극단자로 도통이 되는 방향으로 벅부스트스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트스위칭 소자 2(BT2)가 순서대로 슈퍼캐패시터부(SCP)와 병렬 연결되되, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)의 접점과 상기 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)의 소스(Source)부 사이에 인덕터 2(L2) 및 콘덴서 2(C2)가 병렬로 연결되며, 상기 콘덴서 2(C2)의 단자 사이를 순서대로 직렬연결되어 있는 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1 내지 DT4)가 병렬로 연결되며, 상기 공진스위칭 소자 1(DT1)과 2(DT2)의 접점과 공진스위칭 소자 3(DT3)과 4(DT4)의 접점 사이에 인덕터 1(L1)과 콘덴서1(C1)이 순서대로 연결된다.
상기 DC/DC 컨버터의 양극단자로부터 상기 공진스위칭 소자 2(DT2)) 및 공진스위칭 소자 3(DT3) 접점 사이에 다이오드 1(D1), 스위칭 소자 1(T1)이 직렬로 차례대로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1(T1)과 상기 공진스위칭 소자 2(DT2) 및 공진스위칭 소자 3(DT3)의 접점과 상기 리튬전지 배터리부(BP)로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2(T2)가 배치된다.
상기 벅부스트스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트스위칭 소자 2(BT2), 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1-DT4)는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용한다.
상기 제어부는 슈퍼 캐피시터부(SCP)의 전압, 리튬이온 배터리부(BP)의 전압 및 상기 DC/DC 컨버터(120)의 출력 전류를 검출하되, 상기 DC/DC 컨버터(120)로부터 출력 전류가 검출될 경우 슈퍼캐패시터부(SCP)를 보조적으로 우선 충전한 후에 리튬이온 배터리부(BP)를 충전하고, 상기 DC/DC 컨버터(120)의 출력 전류가 검출되지 않고, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 전압이 리튬이온 배터리부(BP)의 전압보다 높은 경우, 슈퍼캐패시터부(SCP)로부터 리튬이온 배터리부(BP)로 충전하도록 스위칭 소자 1 내지 3(T1-T3))에 대해서는 온/오프 게이팅 신호를 송출하고, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1 및 2(BT1, BT2), 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1-DT4)에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출한다.
상기 냉난방 시스템(200)은 배터리가 저장되는 배터리 저장 컨테이너(280)의 실내 공간을 냉난방하는 시스템으로서, 태양광에 의해 저온 저압의 열매체를 고온고압의 기체로 전환하여 토출하는 태양열 집열 장치(210), 상기 태양열 집열 장치와 냉내 배관된 사방변 입구와 냉방과 난방에 따라 각각 실외 열교환기(230)와 실내 열교환기(260)와 냉매 배관 연결되는 사방변 출구 a, b, c로 이뤄진 사방밸브(220), 실외공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실외로 방출하는 실외기팬이 구비된 실외 열교환기(230), 실내 공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실내로 방출시키는 실내팬을 구비한 실내 열교환기(260), 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기 사이에 냉매 배관 연결된 팽창밸브(240a, 240b) 및 체크밸브(250a, 250b) 및 상기 태양열 집열 장치(210)와 사방밸브(220) 사이에 설치되어 열매체를 강제 순환시키는 DC 펌프(270)로 구성된다.
상기 외부 전력 공급 시스템(100)의 제어방법은 배터리 충전 모드, 부하 전력 공급 모드, 슈퍼캐패시터부 충전 모드, 슈퍼캐피시터부 방전 모드로 구성된다.
상기 배터리 충전 모드는 스위칭 소자 3(T3)이 온 되면서 작동된다.
상기 슈퍼캐패시터부 충전 모드는 스위칭 소자 1(T1)이 온 되고, 공진스위칭 소자 3 및 4(DT3, DT4)가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 3(DT3)과 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2))가 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 정격전압에 도달하면 종료된다.
상기 슈퍼캐패시터부 방전 모드는 스위칭 소자 2(T2)가 온 되고, 공진스위칭 소자 1 및 2(DT1, DT2)가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 1(DT1)과 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1)이 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 리튬전지 배터리부(BP)가 충전 완료되거나 슈퍼캐패시터부(SCP)의 정격전압의 1/5 미만이 되는 경우 종료된다.
본원발명은 상기 외부 전력 공급 시스템에 의해 상기 냉난방 시스템이 냉난방 작동함에 필요한 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉난방 시스템(200)이 냉방으로 작동하는 경우에는
상기 태양열 집열 장치(210)는 사방 밸브(220)의 사방변 입구와 냉매 배관으로 연결되며, 사방변 입구 및 사방변 출구 c, 사방변 출구 a 및 b가 절환 연결되고, 상기 사방 밸브(220)의 사방변 출구 c는 실외 열교환기(230)의 인입구(미도시)와 냉매 배관으로 연결되며, 상기 실외 열교환기(230)의 인출구(미도시)와 냉동 팽창 밸브(240a)가 냉매 배관되며, 상기 냉동 팽창 밸브의 인출구와 냉동 체크 밸브(250a)와 냉매 배관되며, 상기 냉동 체크 밸브와 실내 열교환기(260)의 인입구(미도시)와 냉매 배관되며 상기 실내 열교환기의 인출구(미도시)와 사방 밸브(220)의 사방변 출구 a가 냉배 배관 연결되며 사방변 출구 b는 태양열 집열 장치(210)의 인입구(미도시)에 연결되어 열매체가 DC 펌프(270)에 강제 순환되어 배터리 저장 컨테이너(280)의 실내공간을 냉방한다.
상기 냉난방 시스템(200)이 난방으로 작동하는 경우에는
상기 태양열 집열 장치(210)는 사방 밸브(220)의 사방변 입구와 냉매 배관으로 연결되며, 사방변 입구 및 사방변 출구 a, 사방변 출구 b 및 c가 절환 연결되고, 상기 사방 밸브(220)의 사방변 출구 a는 실내 열교환기(260)의 인입구(미도시)와 냉매 배관되며, 상기 실내 열 교환기(260)의 인출구(미도시)는 난방 팽창 밸브(240b)와 냉매 배관되며, 상기 난방 팽창 밸브는 난방 체크 밸브(250b)와 연결되며, 상기 난방 체크 밸브는 실외 열교환기(230)의 인입구(미도시)와 연결되며, 상기 실외 열교환기(230)의 인출구(미도시)는 사방 밸브(220)의 사방변 출구 c에 연결되며 사방변 출구 b는 태양열 집열 장치(210)의 인입구(미도시)와 연결되어 열매체가 DC 펌프(270)에 강제 순환되어 배터리 저장 컨테이너(280)의 실내공간을 난방한다.
자립형 냉난방 시스템의 운전방법에 있어서,
상기 운전방법은 냉방 운전 모드를 포함하고, 상기 냉방 운전 모드는
상기 태양열 집열 장치(210)로부터 고온 고압의 열매체를 토출하는 단계; 토출된 열매체가 실외 열교환기(230)에서 실외 공기와 열교환하여 액상의 열매체로 응축하는 단계; 응축된 열매체가 냉방 팽창밸브(240a) 통과하면서 감압되는 단계; 감압된 열매체가 실내 열교환기(260)에서 실내 공기와 열 교환후 기체상태로 변환되는 단계; 및 저온 저압의 열매체가 상기 태양열 집열 장치(210)로 흡입되는 단계;로 구성된다.
자립형 냉난방 시스템의 운전방법에 있어서,
상기 운전방법은 난방 운전 모드를 포함하고, 상기 난방 운전 모드는
상기 태양열 집열 장치(210)로부터 고온 고압의 열매체를 토출하는 단계; 토출된 열매체가 실내 열교환기(260)에서 실내공기와 열 교환하여 액상의 열매체로 응축하는 단계; 응축된 냉매가 난방 팽창밸브(240b)를 통과하여 감압되는 단계; 감압된 열매체가 실외 열교환기(230)에서 실외공기와 열 교환하여 액상에서 기체 상태로 변환되는 단계; 및 기체 상태의 열매체가 태양열 집열 장치(210)로 흡입되는 단계;로 구성된다.
상기 열매체는 기화 확산형 열매체인 것을 특징으로 한다.
상기 슈퍼캐패시터부(SCP)에 사용자가 설정 및 설계한 전압에 대응하며 유지하기 위해, 제너다이오드를 슈퍼캐패시터부와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 에너지 자립형 도서지역에 적용되는 ESS에 포함되는 배터리를 저장하는 실내공간에 상용전력을 이용하지 않고 신재생에너지를 활용하여 전력을 공급하는 에너지 자립형 냉난방 시스템을 제공하여 진정한 에너지 자립형 마이크로 그리드 시스템을 운용할 수 있게 한다.
상기 자립형 냉난방 시스템은 저온 및 고온으로부터 비롯되는 배터리의 성능 및 수명 저하를 방지하여 최적의 퍼포먼스를 가지도록 한다.
생산되는 전력은 신재생에너지로부터 발생되는 것이므로 친환경적이며, 또한 스스로 냉난방이 제어되는 것이므로 관리비용을 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템의 개략적 개념도이다.
도 2는 본 발명인 상기 냉난방 시스템에 전력을 공급하는 외부 전력 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 있어서 냉방으로 작동할 경우의 개념도이다.
도 4는 본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 있어서 난방으로 작동할 경우의 개념도이다.
도 5는 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 배터리 충전 모드를 개략적으로 표현한 개념도이다.
도 6은 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 부하 전력 공급 모드를 개략적으로 표현한 개념도이다.
도 7은 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 슈퍼캐패시터부 충전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도이다.
도 8은 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 슈퍼캐패시터부 방전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도이다.
도 2는 본 발명인 상기 냉난방 시스템에 전력을 공급하는 외부 전력 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 있어서 냉방으로 작동할 경우의 개념도이다.
도 4는 본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 있어서 난방으로 작동할 경우의 개념도이다.
도 5는 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 배터리 충전 모드를 개략적으로 표현한 개념도이다.
도 6은 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 부하 전력 공급 모드를 개략적으로 표현한 개념도이다.
도 7은 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 슈퍼캐패시터부 충전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도이다.
도 8은 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 슈퍼캐패시터부 방전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도이다.
본 발명의 명칭은 "배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템"으로 통상의 기술자가 쉽게 알 수 있도록 구체적인 내용을 기재하고, 충분히 유추 가능한 별도의 기재는 생략하며 필요 경우 실시예 및 도면을 기재한다. 또한, 본 명세서 및 특허청구범위에서 정의된 용어들은 한정 해석하지 아니하며, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있고, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 발명의 일면에 있어서,
도 1은 본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템의 개략적 개념도이며, 도 2는 본 발명인 상기 냉난방 시스템에 전력을 공급하는 외부 전력 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 있어서 냉방으로 작동할 경우의 개념도이며, 도 4는 본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 있어서 난방으로 작동할 경우의 개념도이고, 도 5는 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 배터리 충전 모드를 개략적으로 표현한 개념도이며, 도 6은 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 부하 전력 공급 모드를 개략적으로 표현한 개념도이고, 도 7은 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 슈퍼캐패시터부 충전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도며, 도 8은 본원발명의 구성인 외부 전력 공급 시스템의 슈퍼캐패시터부 방전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도이다.
본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템에 대해 상기 도 1 내지 도 10을 참고하여 하기에 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면 본 발명인 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템은 외부 전력 공급 시스템(100)에 의해 작동되는 냉난방 시스템(200)으로 구성된다.
도 2를 참조하면 상기 외부 전력 공급 시스템(100)은 태양광 발전 셀(110), 상기 태양광 발전 셀로부터 발전되는 에너지를 전력 저장 장치에 대응되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터(120), 상기 DC/DC 컨버터로부터 전달되는 전력을 저장하는 리튬전지 배터리부(BP), 상기 리튬전지 배터리부로부터 냉난방 시스템의 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 냉난방 시스템의 부하에 에너지를 공급하는 전력변환장치(PCS), 제어부(130) 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부(SCP)로 구성된다.
또한 도 2를 참조하면 상기 DC/DC 컨버터(120)의 양극단자와 리튬전지 배터리부(BP) 양극단자 사이에 리튬전지 배터리부 양극단자 방향으로 도통되도록 다이오드 2(D2)와 스위칭소자 3(T3)이 직렬로 연결된다.
도 2를 참조하면 보조저장장치로서 슈퍼캐패시터부(SCP)가 추가되는데, 상기 슈퍼캐패시터부의 양극단자로부터 음극단자로 도통이 되는 방향으로 벅부스트스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트스위칭 소자 2(BT2)가 순서대로 슈퍼캐패시터부(SCP)와 병렬 연결되되, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)의 접점과 상기 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)의 소스(Source)부 사이에 인덕터 2(L2) 및 콘덴서 2(C2)가 병렬로 연결된다.
상기 슈퍼커패시터부는 평균전압, 정격전압을 고려하여 요구하는 전압레벨에 적합하도록 슈퍼커패시터를 직렬로 연결한다음 이를 충전용량을 고려하여 병렬로 상호 접속하여 구성되도록 한다.
또한 도 2를 참조하면 상기 콘덴서 2(C2)의 단자 사이를 순서대로 직렬연결되어 있는 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1 내지 DT4)가 병렬로 연결되며, 상기 공진스위칭 소자 1(DT1)과 2(DT2)의 접점과 공진스위칭 소자 3(DT3)과 4(DT4)의 접점 사이에 인덕터 1(L1)과 콘덴서1(C1)이 순서대로 연결된다.
도 2를 참조하면 상기 DC/DC 컨버터의 양극단자로부터 상기 공진스위칭 소자 2(DT2)) 및 공진스위칭 소자 3(DT3) 접점 사이에 다이오드 1(D1), 스위칭 소자 1(T1)이 직렬로 차례대로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1(T1)과 상기 공진스위칭 소자 2(DT2) 및 공진스위칭 소자 3(DT3)의 접점과 상기 리튬전지 배터리부(BP)로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2(T2)가 배치된다.
상기 인덕터(L1, L2)와 콘덴서(C1, C2)는 전력전달소자로서 기능하는데, 특히 인덕터가 전력전달함에 중요한 역할을 함에 따라 코일은 릿츠와이어를 사용하고, 코어는 페라이트코어를 사용함이 적당하다.
상기 벅부스트스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트스위칭 소자 2(BT2), 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1-DT4)는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용한다.
상기 스위칭 소자 1 내지 3은 환류 다이오드 혹은 프리휠링 다이오드가 내재되지 않은 소자이어야 한다.
상기 공진스위칭 소자 1 내지 4와 코일 1과 콘덴서 1에 의한 공진회로는 효율적으로 쉽게 전압을 2배로 올리는 더블러 역할을 한다. 이때 변환효율은 99%이상을 달성할 수 있다. 코일과 콘덴서는 전력을 이론적으로는 소비하지 않기 때문이다. 다만 코일과 콘덴서에 기생하는 저항 성분과 스위칭 소자의 스위칭 손실이 조금이나마 있을 수 있는데, 특히 코일에서 열이 안나도록 조심할 필요가 있다.
도 2를 참조하면 상기 제어부는 슈퍼 캐피시터부(SCP)의 전압, 리튬이온 배터리부(BP)의 전압 및 상기 DC/DC 컨버터(120)의 출력 전류를 검출하되, 상기 DC/DC 컨버터(120)로부터 출력 전류가 검출될 경우 슈퍼캐패시터부(SCP)를 보조적으로 우선 충전한 후에 리튬이온 배터리부(BP)를 충전하고, 상기 DC/DC 컨버터(120)의 출력 전류가 검출되지 않고, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 전압이 리튬이온 배터리부(BP)의 전압보다 높은 경우, 슈퍼캐패시터부(SCP)로부터 리튬이온 배터리부(BP)로 충전하도록 스위칭 소자 1 내지 3(T1-T3))에 대해서는 온/오프 게이팅 신호를 송출하고, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1 및 2(BT1, BT2), 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1-DT4)에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출한다.
PWM 게이팅 신호는 비례적분제어(PI)를 활용한 폐루프 제어에 의한 것으로 듀티비가 제어에 의해 가변되는 신호이다.
상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)는 사용자가 설정하는 전압에 대응하고 유지하기 위해 제너다이오드(미도시)를 상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.
이는 다수의 슈퍼캐패시터부의 과충전 현상을 방지하여 소손을 방지하기 위한 용도로 제너다이오드를 활용한다.
도 1을 참조하면 상기 냉난방 시스템(200)은 배터리가 저장되는 배터리 저장 컨테이너(280)의 실내 공간을 냉난방하는 시스템으로서, 태양광에 의해 저온 저압의 열매체를 고온고압의 기체로 전환하여 토출하는 태양열 집열 장치(210), 상기 태양열 집열 장치와 냉내 배관된 사방변 입구와 냉방과 난방에 따라 각각 실외 열교환기(230)와 실내 열교환기(260)와 냉매 배관 연결되는 사방변 출구 a, b, c로 이뤄진 사방밸브(220), 실외공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실외로 방출하는 실외기팬이 구비된 실외 열교환기(230), 실내 공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실내로 방출시키는 실내팬을 구비한 실내 열교환기(260), 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기 사이에 냉매 배관 연결된 팽창밸브(240a, 240b) 및 체크밸브(250a, 250b) 및 상기 태양열 집열 장치(210)와 사방밸브(220) 사이에 설치되어 열매체를 강제 순환시키는 DC 펌프(270)로 구성된다.
상기 태양열 집열 장치는 이중 진공관 또는 단일 진공관 형태를 사용함이 바람직하다.
도 5 내지 8을 참조하면 상기 외부 전력 공급 시스템(100)의 제어방법은 배터리 충전 모드, 부하 전력 공급 모드, 슈퍼캐패시터부 충전 모드, 슈퍼캐피시터부 방전 모드로 구성된다.
도 5를 참조하면 상기 배터리 충전 모드는 스위칭 소자 3(T3)이 온 되면서 작동된다.
도 6을 참조하면 상기 부하 전력 공급 모드의 작동을 도시한 것으로써, 냉난방 시스템의 부하에 상기 외부 전력 공급 시스템이 전력을 공급하는 것이다.
이때 전력변환장치(PCS)는 부하의 종류에 따라 인버터 혹은 컨버터가 될 수 있다.
도 7을 참조하면 상기 슈퍼캐패시터부 충전 모드는 스위칭 소자 1(T1)이 온 되고, 공진스위칭 소자 3 및 4(DT3, DT4)가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 3(DT3)과 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2))가 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 정격전압에 도달하면 종료된다.
도 7을 참조하면 L1과 C1으로 구성된 공진회로에서 전류의 흐름을 간략하게 알 수 있도록 하였는데, 이 때 전류흐름을 나타낸 하나의 정현파의 주기는 공진 스위칭소자의 스위칭 주기와 일치하여야 한다.
위와 아래에서 L1의 전류방향이 바뀌는 것은 L1과 C1사이에 공진이 일어나기 때문이다.
또한 공진스위칭 소자 3 및 4는 서로 교대로 온오프되되, 그 듀티비는 0.5이어야 한다.
공진회로에서는 공진주파수에 따라 L1 및 C1의 소자값, L1의 부피, L1에서 발생하는 손실, 스위칭 손실 등이 결정되므로, 어느 것이 우선사항인지에 따라, 즉 효율 우선인지, 실제회로부의 작은 부피 우선인지등에 따라 공진주파수, L1 및 C1의 소자값이 결정될 것이다.
도 8을 참조하면 상기 슈퍼캐패시터부 방전 모드는 스위칭 소자 2(T2)가 온 되고, 공진스위칭 소자 1 및 2(DT1, DT2)가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 1(DT1)과 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1)이 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 리튬전지 배터리부(BP)가 충전 완료되거나 슈퍼캐패시터부(SCP)의 정격전압의 1/5 미만이 되는 경우 종료된다.
도 8을 참조하면 L1과 C1으로 구성된 공진회로에서 전류의 흐름을 간략하게 알 수 있도록 하였는데, 이 때 전류흐름을 나타낸 하나의 정현파의 주기는 공진 스위칭소자의 스위칭 주기와 일치하여야 한다.
위와 아래에서 코일인 L1의 전류방향이 바뀌는 것으로 표현한 것은 L1과 C1사이에 공진이 일어나기 때문이다.
또한 공진스위칭 소자 1 및 2는 서로 교대로 온오프되되, 그 듀티비는 0.5이어야 한다.
도 8을 참조하면 기본적으로 전력의 전달은 L1, L2에 전류형태로 전력을 저장했다가, 스위칭에 따라 전력을 슈퍼캐패시터부 혹은 리튬배터리부에 전달하도록 구성되도록 한 것이다.
도 1을 참조하면 본원발명은 상기 외부 전력 공급 시스템에 의해 상기 냉난방 시스템이 냉난방 작동함에 필요한 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면 상기 냉난방 시스템(200)이 냉방으로 작동하는 경우에는 상기 태양열 집열 장치(210)는 사방 밸브(220)의 사방변 입구와 냉매 배관으로 연결되며, 사방변 입구 및 사방변 출구 c, 사방변 출구 a 및 b가 절환 연결되고, 상기 사방 밸브(220)의 사방변 출구 c는 실외 열교환기(230)의 인입구(미도시)와 냉매 배관으로 연결되며, 상기 실외 열교환기(230)의 인출구(미도시)와 냉동 팽창 밸브(240a)가 냉매 배관되며, 상기 냉동 팽창 밸브의 인출구와 냉동 체크 밸브(250a)와 냉매 배관되며, 상기 냉동 체크 밸브와 실내 열교환기(260)의 인입구(미도시)와 냉매 배관되며 상기 실내 열교환기의 인출구(미도시)와 사방 밸브(220)의 사방변 출구 a가 냉배 배관 연결되며 사방변 출구 b는 태양열 집열 장치(210)의 인입구(미도시)에 연결되어 열매체가 DC 펌프(270)에 강제 순환되어 배터리 저장 컨테이너(280)의 실내공간을 냉방한다.
냉방으로 작동할 경우 상기 실외 열교환기는 응축기 역할을 하고, 실내 열교환기는 증발기 역할을 한다.
도 3을 참조하면 자립형 냉난방 시스템의 운전방법에 있어서, 상기 운전방법은 냉방 운전 모드를 포함하고, 상기 냉방 운전 모드는 상기 태양열 집열 장치(210)로부터 고온 고압의 열매체를 토출하는 단계; 토출된 열매체가 실외 열교환기(230)에서 실외 공기와 열교환하여 액상의 열매체로 응축하는 단계; 응축된 열매체가 냉방 팽창밸브(240a) 통과하면서 감압되는 단계; 감압된 열매체가 실내 열교환기(260)에서 실내 공기와 열 교환후 기체상태로 변환되는 단계; 및 저온 저압의 열매체가 상기 태양열 집열 장치(210)로 흡입되는 단계;로 구성된다.
도 4를 참조하면 상기 냉난방 시스템(200)이 난방으로 작동하는 경우에는 상기 태양열 집열 장치(210)는 사방 밸브(220)의 사방변 입구와 냉매 배관으로 연결되며, 사방변 입구 및 사방변 출구 a, 사방변 출구 b 및 c가 절환 연결되고, 상기 사방 밸브(220)의 사방변 출구 a는 실내 열교환기(260)의 인입구(미도시)와 냉매 배관되며, 상기 실내 열 교환기(260)의 인출구(미도시)는 난방 팽창 밸브(240b)와 냉매 배관되며, 상기 난방 팽창 밸브는 난방 체크 밸브(250b)와 연결되며, 상기 난방 체크 밸브는 실외 열교환기(230)의 인입구(미도시)와 연결되며, 상기 실외 열교환기(230)의 인출구(미도시)는 사방 밸브(220)의 사방변 출구 c에 연결되며 사방변 출구 b는 태양열 집열 장치(210)의 인입구(미도시)와 연결되어 열매체가 DC펌프(270)에 강제 순환되어 배터리 저장 컨테이너(280)의 실내공간을 난방한다.
냉난방 시스템이 난방으로 작동할 경우 상기 실내 열교환기는 응축기로 작용하고 상기 실외 열교환기는 증발기로 작용한다.
도 4를 참조하면 자립형 냉난방 시스템의 운전방법에 있어서, 상기 운전방법은 난방 운전 모드를 포함하고, 상기 난방 운전 모드는 상기 태양열 집열 장치(210)로부터 고온 고압의 열매체를 토출하는 단계; 토출된 열매체가 실내 열교환기(260)에서 실내공기와 열 교환하여 액상의 열매체로 응축하는 단계; 응축된 냉매가 난방 팽창밸브(240b)를 통과하여 감압되는 단계; 감압된 열매체가 실외 열교환기(230)에서 실외공기와 열 교환하여 액상에서 기체 상태로 변환되는 단계; 및 기체 상태의 열매체가 태양열 집열 장치(210)로 흡입되는 단계;로 구성된다.
상기 열매체는 기화 확산형 열매체인 것을 특징으로 한다.
기화 확산형 열매체는 증류수, 메탄올, 에탄올 및 부동액으로 조성된 것으로 상기 메탄올은 그 비등점이 가장 낮아 저온에서 열매체의 작용을 하고, 증류수는 그 비등점이 높아 고온에서 분자활동에 의한 열전달 작용을 하는 것이고, 에탄올은 메탄올과 증류수의 중간 온도에서 그 역할을 하는 것이며, 부동액은 동절기에 증류수의 결빙을 방지하는 역할을 한다.
이러한 기화 확산형 열매체는 기화가 신속하게 이루어져 복사열의 흡수가 효율적으로 이루어지도록 한 것이다.
상기 슈퍼캐패시터부(SCP)에 사용자가 설정 및 설계한 전압에 대응하며 유지하기 위해, 제너다이오드를 슈퍼캐패시터부와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.
이는 다수의 슈퍼캐패시터부의 과충전 현상을 방지하여 소손을 방지하기 위한 용도로 제너다이오드를 활용한다.
신재생에너지원으로부터 발전된 전력이 DC/DC 컨버터로부터 전력 저장 장치로 충전될 경우 대부분은 처음부터 안정한 전압이나 전류로 들어오는 것이 아니라 DC/DC 컨버터의 제어 방식에 따라 일정한 전압 전류로 들오오기까지는 짧으나마 시간이 걸리기 마련이다.
이때 슈퍼캐패시터부는 보조적 전력충전장치로서 기능하여 충전단계 초입에 들어오는 전류에 의해 충전하므로써, 리튬이온 전지가 충전되는 횟수를 줄여, 항시 일정한 충전 전압 내지 충전 전류에 도달할 경우에만 충전토록 하고, 또한 슈퍼캐패시터부에 의해 충전된 전력을 신재생에너지원으로부터 충전이 되지 않는 시간에 방전하여 리튬이온전지에 충전토록 하는 것에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명에 따르면 리튬전지 배터리를 신재생에너지의 불안정한 전력에 대해서는 다른 보조적인 저장장치에 저장하도록 하는 한편, 일정하면서 안정한 전력에 대해서는 리튬전지 배터리가 이를 충전하도록 하여 리튬전지의 수명을 유지시키도록 하여 배터리의 교체 시기를 늦추게 하여 BESS의 유지비를 저감할 수 있도록 한다.
상기 슈퍼 캐패시터부에 저장된 에너지는 잉여전력으로 활용될 수 있다.
보조적 전력저장장치로 슈퍼 캐패시터를 활용할 수 있도록 하여, 교체시 충방전 횟수에 따라 배터리의 내구연한이 결정되는 여타 배터리를 교체하여 활용할 수 있도록 한다. 이는 이미 기설치된 배터리에 대해 이를 교체할 경우 효과가 있다.
손실되는 전력이 없을 뿐만 아니라 리튬이온전지의 충방전 횟수를 줄여 리튬이온전지의 수명을 유지 내지 연장하는 효력이 발생하게 되는 것이다.
본 발명에 따르면 에너지 자립형 도서지역에 적용되는 ESS에 포함되는 배터리를 저장하는 실내공간에 상용전력을 이용하지 않고 신재생에너지를 활용하여 전력을 공급하는 에너지 자립형 냉난방 시스템을 제공하여 진정한 에너지 자립형 마이크로 그리드 시스템을 운용할 수 있게 한다.
상기 자립형 냉난방 시스템은 저온 및 고온으로부터 비롯되는 배터리의 성능 및 수명 저하를 방지하여 최적의 퍼포먼스를 가지도록 한다.
생산되는 전력은 신재생에너지로부터 발생되는 것이므로 친환경적이며, 또한 스스로 냉난방이 제어되는 것이므로 관리비용을 저감할 수 있는 장점이 있다.
100 : 외부 전력 공급 시스템 110 : 태양광 발전 셀
120 : DC/DC 컨버터 130 : 제어부
BP : 리튬전지 배터리부
PCS : 전력변환장치 SCP : 슈퍼캐패시터부
LOAD : 부하
D1, D2 : 다이오드 1, 다이오드 2 L1, L2 : 인덕터 1, 인덕터 2
C1, C2 : 콘덴서 1, 콘덴서 2
T1 - T3 : 스위칭 소자 1 내지 3
DT1 - DT4 : 공진스위칭 소자 1 내지 4
BT1, BT2 : 벅부스트 스위칭 소자 1, 2
200 : 냉난방 시스템 210 : 태양열 집열 장치
220 : 사방밸브 230 : 실외 열교환기
240a, 240b : 팽창밸브 250a, 250b : 체크밸브
260 : 실내 열교환기 270 : DC 펌프
280 : 배터리 저장 컨테이너
120 : DC/DC 컨버터 130 : 제어부
BP : 리튬전지 배터리부
PCS : 전력변환장치 SCP : 슈퍼캐패시터부
LOAD : 부하
D1, D2 : 다이오드 1, 다이오드 2 L1, L2 : 인덕터 1, 인덕터 2
C1, C2 : 콘덴서 1, 콘덴서 2
T1 - T3 : 스위칭 소자 1 내지 3
DT1 - DT4 : 공진스위칭 소자 1 내지 4
BT1, BT2 : 벅부스트 스위칭 소자 1, 2
200 : 냉난방 시스템 210 : 태양열 집열 장치
220 : 사방밸브 230 : 실외 열교환기
240a, 240b : 팽창밸브 250a, 250b : 체크밸브
260 : 실내 열교환기 270 : DC 펌프
280 : 배터리 저장 컨테이너
Claims (7)
- 외부 전력 공급 시스템에 의해 작동되는 냉난방 시스템에 있어서,
상기 외부 전력 공급 시스템은 태양광 발전 셀, 상기 태양광 발전 셀로부터 발전되는 에너지를 전력 저장 장치에 대응되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터, 상기 DC/DC 컨버터로부터 전달되는 전력을 저장하는 리튬전지 배터리부, 상기 리튬전지 배터리부로부터 냉난방 시스템의 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 냉난방 시스템의 부하에 에너지를 공급하는 전력변환장치, 제어부 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부로 구성되되,
상기 DC/DC 컨버터의 양극단자와 리튬전지 배터리부 양극단자 사이에 리튬전지 배터리부 양극단자 방향으로 도통되도록 다이오드 2와 스위칭소자 3이 직렬로 연결되며, 슈퍼캐패시터부의 양극단자로부터 음극단자로 도통이 되는 방향으로 벅부스트스위칭 소자 1 및 벅부스트스위칭 소자 2가 순서대로 슈퍼캐패시터부와 병렬 연결되되, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1 및 벅부스트 스위칭 소자 2의 접점과 상기 벅부스트 스위칭 소자 2의 소스(Source)부 사이에 인덕터 2 및 콘덴서 2가 병렬로 연결되며, 상기 콘덴서 2의 단자 사이를 순서대로 직렬연결되어 있는 공진스위칭 소자 1 내지 4가 병렬로 연결되며, 상기 공진스위칭 소자 1과 2의 접점과 공진스위칭 소자 3과 4의 접점 사이에 인덕터 1과 콘덴서 1이 순서대로 연결되며,
상기 DC/DC 컨버터의 양극단자로부터 상기 공진스위칭 소자 2 및 공진스위칭 소자 3 사이의 접점 사이에 다이오드 1, 스위칭 소자 1이 직렬로 차례대로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1과 상기 공진스위칭 소자 2 및 공진스위칭 소자 3의 접점과 상기 리튬전지 배터리부로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2가 배치되며,
상기 벅부스트스위칭 소자 1 및 벅부스트스위칭 소자 2, 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용하며,
상기 제어부는 슈퍼 캐피시터부의 전압, 리튬이온 배터리부의 전압 및 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 검출하되, 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력 전류가 검출될 경우 슈퍼캐패시터부를 보조적으로 우선 충전한 후에 리튬이온 배터리부를 충전하고, 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전류가 검출되지 않고, 슈퍼캐패시터부의 전압이 리튬이온 배터리부의 전압보다 높은 경우, 슈퍼캐패시터부로부터 리튬이온 배터리부로 충전하도록 스위칭 소자 1 내지 3에 대해서는 온/오프 게이팅 신호를 송출하고, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1 및 2, 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출하며,
상기 냉난방 시스템은 배터리가 저장되는 배터리 저장 컨테이너의 실내 공간을 냉난방하는 시스템으로서, 태양광에 의해 저온 저압의 열매체를 고온고압의 기체로 전환하여 토출하는 태양열 집열 장치, 상기 태양열 집열 장치와 냉내 배관된 사방변 입구와 냉방과 난방에 따라 각각 실외 열교환기와 실내 열교환기와 냉매 배관 연결되는 사방변 출구 a, b, c로 이뤄진 사방밸브, 실외공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실외로 방출하는 실외기팬이 구비된 실외 열교환기, 실내 공기를 흡입하여 열 교환후에 다시 실내로 방출시키는 실내팬을 구비한 실내 열교환기, 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기 사이에 냉매 배관 연결된 팽창밸브 및 체크밸브 및 상기 태양열 집열 장치와 사방 밸브 사이에 설치되어 열매체를 강제 순환시키는 DC 펌프로 구성되며,
상기 외부 전력 공급 시스템의 제어방법은 배터리 충전모드, 부하 전력 공급모드, 슈퍼캐패시터부 충전모드 및 슈퍼캐패시터부 방전모드로 구성되며,
배터리 충전 모드, 부하 전력 공급 모드, 슈퍼캐패시터부 충전 모드, 슈퍼캐패시터부 방전 모드로 구성되되,
상기 배터리 충전 모드는 스위칭 소자 3이 온 되면서 작동되고,
상기 슈퍼캐패시터부 충전 모드는 스위칭 소자 1이 온 되고, 공진스위칭 소자 3 및 4가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 3과 벅부스트 스위칭 소자 2가 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 슈퍼캐패시터부의 정격전압에 도달하면 종료되며,
상기 슈퍼캐패시터부 방전 모드는 스위칭 소자 2가 온 되고, 공진스위칭 소자 1 및 2가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 1과 벅부스트 스위칭 소자 1이 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 리튬전지 배터리부가 충전 완료되거나 슈퍼캐패시터부의 정격전압의 1/5 미만이 되는 경우 종료되며,
상기 외부 전력 공급 시스템에 의해 상기 냉난방 시스템이 냉난방 작동함에 필요한 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 냉난방 시스템이 냉방으로 작동하는 경우에는
상기 태양열 집열 장치는 사방 밸브의 사방변 입구와 냉매 배관으로 연결되며, 사방변 입구 및 사방변 출구 c, 사방변 출구 a 및 b가 절환 연결되고, 상기 사방 밸브의 사방변 출구 c는 실외 열교환기의 인입구와 냉매 배관으로 연결되며, 상기 실외 열교환기의 인출구와 냉동 팽창 밸브가 냉매 배관되며, 상기 냉동 팽창 밸브 인출구와 냉동 체크 밸브와 냉매 배관되며, 상기 냉동 체크 밸브와 실내 열교환기의 인입구와 냉매 배관되며 상기 실내 열교환기의 인출구와 사방 밸브의 사방변 출구 a가 냉배 배관 연결되며 사방변 출구 b는 태양열 집열 장치 인입구에 연결되어 열매체가 DC 펌프에 강제 순환되어 배터리 저장 컨테이너를 냉방하는 것을 특징으로 하는 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 냉난방 시스템이 난방으로 작동하는 경우에는
상기 태양열 집열 장치는 사방 밸브의 사방변 입구와 냉매 배관으로 연결되며, 사방변 입구 및 사방변 출구 a, 사방변 출구 b 및 c가 절환 연결되고, 상기 사방 밸브의 사방변 출구 a는 실내 열교환기의 인입구와 냉매 배관되며, 상기 실내 열 교환기의 인출구는 난방 팽창 밸브와 냉매 배관되며, 상기 팽창밸브는 난방 체크 밸브와 연결되며, 상기 체크 밸브는 실외 열교환기의 인입구와 연결되며, 상기 실외 열교환기의 인출구는 사방 밸브의 사방변 출구 c에 연결되며 사방변 출구 b는 태양열 집열 장치의 인입구와 연결되어 열매체가 DC 펌프에 강제 순환되어 배터리 저장 컨테이너를 난방하는 것을 특징으로 하는 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템. - 청구항 2에 따른 자립형 냉난방 시스템의 운전방법에 있어서,
상기 운전방법은 냉방 운전 모드를 포함하고,
상기 냉방 운전 모드는
상기 태양열 집열 장치로부터 고온 고압의 열매체를 토출하는 단계;
토출된 열매체가 실외 열교환기에서 실외 공기와 열교환하여 액상의 열매체로 응축하는 단계;
응축된 열매체가 냉방 팽창밸브 통과하면서 감압되는 단계;
감압된 열매체가 실내 열교환기에서 실내 공기와 열 교환후 기체상태로 변환되는 단계; 및
저온 저압의 열매체가 상기 태양열 집열 장치로 흡입되는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자립형 냉난방 시스템의 운전방법. - 청구항 3에 따른 자립형 냉난방 시스템의 운전방법에 있어서,
상기 운전방법은 난방 운전 모드를 포함하고,
상기 난방 운전 모드는
상기 태양열 집열 장치로부터 고온 고압의 열매체를 토출하는 단계;
토출된 열매체가 실내 열교환기에서 실내공기와 열 교환하여 액상의 열매체로 응축하는 단계;
응축된 냉매가 난방 팽창밸브를 통과하여 감압되는 단계;
감압된 열매체가 실외 열교환기에서 실외공기와 열 교환하여 액상에서 기체 상태로 변환되는 단계; 및
기체 상태의 열매체가 태양열 집열 장치로 흡입되는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자립형 냉난방 시스템의 운전방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 열매체는 기화 확산형 열매체인 것을 특징으로 하는 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템. - 청구항 1에 있어서,
슈퍼캐패시터부에 사용자가 설정 및 설계한 전압에 대응하며 유지하기 위해, 제너다이오드를 슈퍼캐패시터부와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180063731A KR101889699B1 (ko) | 2018-06-01 | 2018-06-01 | 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180063731A KR101889699B1 (ko) | 2018-06-01 | 2018-06-01 | 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템 |
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|---|---|
| KR101889699B1 true KR101889699B1 (ko) | 2018-08-20 |
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| KR1020180063731A KR101889699B1 (ko) | 2018-06-01 | 2018-06-01 | 배터리의 수명 및 성능을 보완하기 위한 자립형 냉난방 시스템 |
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| KR (1) | KR101889699B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114670713A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-06-28 | 应雪汽车科技(常熟)有限公司 | 一种储能用电池热管理*** |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090081894A (ko) * | 2008-01-25 | 2009-07-29 | 삼성에스디아이 주식회사 | 배터리 팩 |
| KR20130082240A (ko) * | 2012-01-11 | 2013-07-19 | 김선근 | 슈퍼캐패시터 및 재충전배터리의 충방전 제어장치 |
| KR20140040612A (ko) * | 2012-09-24 | 2014-04-03 | 삼성에스디아이 주식회사 | 배터리 온도 제어 시스템과 이를 구비한 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법 |
-
2018
- 2018-06-01 KR KR1020180063731A patent/KR101889699B1/ko active IP Right Grant
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