KR20240001619A - 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지의 운영 시스템 - Google Patents

태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지의 운영 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)을 포함하는 레독스 흐름 전지(1000); 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 병렬 연결된 태양광 시스템(400); 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 각각 대응되는 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n); 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 각각 대응되며 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)을 제어하는 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n); 및 상기 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n), 상기 태양광 시스템(400) 및 상기 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)에 연결되어 상기 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n), 상기 태양광 시스템(400) 및 상기 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ... 200n)를 감지하고 제어하는 에너지 관리 시스템(800);을 포함하는 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 에너지 관리 시스템 운영 시스템에 관한 것이다.

Description

태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지의 운영 시스템 {Operation System of Vanadium Redox Flow Battery Based on photovoltaic power generation output}
본 발명은 바나듐 레독스 흐름 전지의 에너지 관리 운영 시스템에 관한 것으로 특히 태양광 발전량에 따라 대기 상태의 모듈 수를 조정하는 에너지 관리 시스템을 포함하는 운영 시스템에 관한 것이다.
현재 대부분의 에너지를 화석 연료로부터 얻고 있으나, 화석 연료의 사용은 대기오염, 산성비 및 지구 온난화 같이 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며 에너지 효율도 낮은 문제점이 있다.
화석 연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위해 근래에는 신재생 에너지 및 연료 전지에 대한 관심이 급속도로 높아졌으며 이에 대한 관심 및 연구는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
신재생 에너지 시장의 경우 국내외적으로 성숙 단계에 접어들었다고는 하지만 재생 에너지의 특성상 시간 및 날씨등의 환경 영향에 따라 발생하는 에너지의 양이 크게 변화한다는 문제점이 있어, 신재생 에너지 발전의 안정화를 위해 발생된 재생 에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템(레독스 흐름 전지: Energy Storage System)의 보급이 매우 필요한 상황이며, 이러한 대용량 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있는 것이 레독스 흐름 전지이다.
태양광 시스템과 연계되어 있는 에너지 저장 시스템을 운영하는 에너지 관리 시스템(Energy Management System)은 태양광 발전부로부터 생산된 전기 에너지를 레독스 흐름 전지에 충전할 수 있도록 제어한다.
태양광 시스템의 발전량은 교류 계통으로 전력 변환기에 입력되어 직류 전원으로 변환 후 레독스 흐름 전지에 충전된다. 충전된 레독스 흐름 전지는 태양광 발전량이 적어지는 일몰 시간부터 방전하여 교류 전원으로 전기 에너지를 외부에 전달한다.
보통 태양광 발전에 레독스 흐름 전지를 연계하기 위해서는 태양광 시스템의 발전량을 충분히 수용할 수 있도록 레독스 흐름 전지 모듈이 설치되는데, 레독스 흐름 전지는 출력이 한정되어 있으므로 다수의 모듈을 태양광 시스템과 병렬로 연계하여 기상 상태에 따라 급변하는 태양광 출력을 수용해야 한다.
따라서, 설치된 다수의 레독스 흐름 전지 모듈은 기상 상태에 따라 급변하는 태양광 출력을 수용하기 위하여 모든 모듈이 대기 상태를 유지해야 한다.
하지만 모든 레독스 흐름 전지가 항시 대기 상태를 유지하게 되면 필요 이상의 소내 전력 (on-site power)을 소모하게 되고 태양광 발전량이 모든 레독스 흐름 전지 모듈의 정격 출력의 합보다 적을 경우 태양광 출력이 전체 모듈로 분산되어 정격 출력보다 적은 출력을 운전하게 되어 전력변환기의 변환 효율도 감소하게 된다.
바나듐 레독스 흐름 전지는 충전, 방전시 모듈 내부 펌프를 기동하여 전해질의 흐름이 끊기지 않도록 운영해야 하는 특성을 가지고 있는데, 설치된 모든 바나듐 레독스 흐름 전지 모듈을 대기 상태로 유지하기 위해서는 전해질을 순환시키는 펌프가 차지하는 소내 전력이 증가한다.
결국 레독스 흐름 전지의 중요한 요소인 효율에 영향을 미치게 되어 태양광 발전량 대비 기대 방전량이 감소한다.
등록 특허 제10-2308220-0000호 (2021.09.27)
본 발명에서는 태양광 발전량을 수용하기 위한 레독스 흐름 전지의 소내 전력 소모를 줄이고자 한다.
또한, 태양광 발전량에 따른 시간대 별 최대 출력을 추정하여 전력변환기의 변환 효율을 증가시키고자 한다.
본 발명은 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)을 포함하는 레독스 흐름 전지(1000); 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 병렬 연결된 태양광 시스템(400); 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 각각 대응되는 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n); 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 각각 대응되며 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)을 제어하는 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n); 및 상기 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n), 상기 태양광 시스템(400) 및 상기 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)에 연결되어 상기 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n), 상기 태양광 시스템(400) 및 상기 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ... 200n)를 감지하고 제어하는 에너지 관리 시스템(800);을 포함하는 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 에너지 관리 시스템 운영 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명에서 각각의 모듈은 양극 전해질을 보관하는 양극 전해질 탱크(30a), 다수의 스택(10a, 10b, 10c), 상기 양극 전해질 탱크(30a)에 보관된 양극 전해질을 다수의 스택(10a, 10b, 10c)으로 공급하는 양극 전해질 펌프(20a), 음극 전해질을 보관하는 음극 전해질 탱크(30b), 음극 전해질 탱크(30b)에 보관된 음극 전해질을 다수의 스택(10a, 10b, 10c)에 공급하는 음극 전해질 펌프(20b)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 각각의 모듈(1001, 1002, ...100n)은 태양광 시스템(400)에 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)을 경유하여 병렬 연결되어 있을 수 있다.
또한, 상기 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)은 태양광 시스템(400)에서 생성되는 교류 전류를 직류 전류로 전환하여 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 저장하고, 상기 에너지 관리 시스템(800)은 태양광 시스템(400)에 연결되어 태양광 시스템(400)의 발전량을 모니터링하며, 태양광 시스템(400)의 발전량이 최대로 측정된 날의 시간대 별 최대 출력을 기준으로 운영하고자 하는 모듈의 개수를 가변하여 운영할 수 있다.
또한, 상기 에너지 관리 시스템(800)은 태양광 시스템의 1시간 동안 태양광 출력량을 모니터링 하고, a) 1시간 동안 태양광 출력량의 최대 출력 > 총 모듈 수 x 정격 출력인 경우로 감지하는 경우, 동시간대에는 모든 모듈을 대기 상태로 설정하고, b) 1시간 기준 태양광 최대 출력 < 총 모듈 수 x 정격 출력인 경우로 감지된 경우, 동시간대의 대기 상대 모듈수는, 대기 모듈 수 x 모듈의 정격 출력 > 1시간 기준 태양광 최대출력/1.1이 되도록 하는 최소 모듈수로 동시간대 대기 상태 모듈수를 설정할 수 있다.
또한, 상기 에너지 관리 시스템(800)은 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n) 각각의 일별 평균 운행 시간을 기록하고 기록된 운행 시간이 작은 모듈 순서대로 나열하여 대기 상태에 진입하고자 하는 모듈을 선택할 수 있다.
또한, 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)로부터 출력을 공급 받는 외부 수급원(500, 600); 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n), 전력 변환기(2001, 2002, ...200n) 및 태양광 시스템(400)이 설치된 병렬 라인(110)을 추가로 포함하고, 상기 병렬 라인(110)은 상기 외부 수급원(500, 600)에 연결되고, 상기 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 에너지 관리 시스템 운영 시스템은 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)과 상기 외부 수급원(500, 600)을 직렬 연결하여 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)의 직류 전력을 상기 외부 수급원(500, 600)에 공급하기 위한 직렬 라인(120) 및 상기 직렬 라인(120)에 설치되어 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)의 직류 전력을 교류 전력으로 변경하여 외부 수급원(500, 600)에 공급하기 위한 외부 전력 변환기(200o)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서는 대기 상태 모듈수을 적절히 조절하여 태양광 발전량을 수용하기 위한 레독스 흐름 전지의 소내 전력 소모를 줄였다..
또한, 태양광 발전량에 따른 시간 별 최대 출력을 추정하고 각각의 모듈로 들어가는 태양광 발전량을 크게 되도록 하여 전력변환기의 변환 효율을 증가시켰다.
또한, 본 발명에서는 다수의 모듈을 직렬 라인 또는 병렬 라인을 통해 외부 수급원에 공급할 수 있게 하여 탄력적으로 운영하게 하였다.
도 1은 본 발명 레독스 흐름 전지의 시스템 구성도이다.
도 2는 종래 레독스 흐름 전지의 각각의 모듈 구성도이다.
도 3은 본 발명 레독스 흐름 전지 시스템의 운영 방법에 대한 구성도이다.
도 4는 본 발명 레독스 흐름 전지의 시스템 또 다른 실시예의 구성도이다.
본 발명의 목적, 기술적 해결수단 및 이점이 더욱 명확해지도록 하기 위하여, 이하 도면 및 실시예를 결합하여, 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 응당 이해해야 할 것은, 여기서 설명되는 구체적인 실시예는 본 발명을 해석하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다.
레독스 흐름 전지(1000)는 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)로 구성되어 있으며 각각의 모듈에서 양극 전해질 탱크(30a)에 보관된 양극 전해질은 양극 전해질 펌프(20a)에 의해 스택(10a, 10b, 10c)에 공급되고, 스택(10a, 10b, 10c)에서의 양극 전해질은 출구 배관(11a)을 통해 양극 전해질 탱크(30a)로 보내진다.
마찬가지로, 음극 전해질 탱크(30b)에 보관된 음극 전해질은 음극 전해질 펌프(20b)에 의해 스택(10a, 10b, 10c)에 공급되고, 스택(10a, 10b, 10c)에서의 음극 전해질은 출구 배관(11b)을 통해 음극 전해질 탱크(30b)로 보내진다.
RFB (레독스 흐름 전지)에서는 전해질이 별도로 분리된 탱크(30a, 30b)에 저장되며 탱크 안에 저장된 액체 상태의 전해질이 스택(10a, 10b, 10c)을 구성하는 셀(9) 내부를 순환하며 충방전이 이루어지는 구조를 가지고 있다.
레독스 흐름 전지 각각의 모듈(1001, 1002, ...100n)에서 다수의 스택(10a, 10b, 10c)은 병렬 연결되어 있으며, 각각의 모듈(1001, 1002, ...100n)은 태양광 시스템(400)에 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)를 경유하여 병렬 연결된다.
태양광 시스템(400)에서 생성되는 교류 전류는 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)를 통해 직류 전류로 전환하여 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 저장된다.
다수의 모듈(1001, 1002, ...100n) 각각은 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n)에 의하여 관리 된다.
에너지 관리 시스템(800)은 상기 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n) 및 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n) 각각에 연결되어 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n) 및 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n)을 각각 제어하며 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n)를 통해 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)을 제어한다.
에너지 관리 시스템(800)은 태양광 시스템(400)에 연결되어 태양광 시스템(400)의 발전량을 모니터링하며, 태양광 시스템(400)의 발전량이 최대로 측정된 날의 시간대 별 최대 출력을 기준으로 운영하고자 하는 모듈의 개수를 가변하여 운영하며 그 방법은 아래와 같다.
1) 에너지 관리 시스템(800)의 데이터에 기록된 최대로 측정된 날의 1시간 동안 태양광 최대 출력 > 총 모듈 수 x 정격 출력인 경우, 에너지 관리 시스템(800)은 모든 모듈을 대기 상태로 잔입시킨다.
2) 에너지 관리 시스템(800)의 데이터에 기록된 최대로 측정된 날의 1시간 기준 태양광 최대 출력 < 총 모듈 수 x 정격 출력인 경우, 에너지 관리 시스템(800)은 대기 모듈 수 X 모듈의 정격 출력 > 1시간 기준 태양광 최대출력/1.1이 되도록 하는 모듈의 최소 정수로 모듈을 대기 상태로 한다.
예를 들어 바나듈 레독스 흐름 전지 모듈 1대의 정격 출력을 50kW이고 총 모율이 3개이며 태양광 시스템의 오전 9~10시의 최대 출력이 90kW로 측정된 경우, 태양광 발전량 90kW를 총 모듈 개수인 3으로 나눠 모듈 당 30kW로 충전하는 것 보다 모듈 2대를 45Kw씩 운영하여 전력변환기의 변환 효율을 증가시키고, 사용하지 않는 모듈 1대에서 사용하는 소내 전력을 감소시킬 수 있다.
태양광 발전량의 데이터 오차를 고려하여 모듈 각각에 들어가는 전력은 기준 시간의 태양광 발전량의 110%로 한다.
예를 들어, 태양양 최대 출력이 105KW이고 각 모듈의 정격 전압이 50kw 인 경우, 태양양 최대 출력이 105KW를 1.1로 나눈 95.5kw (반올림) 보다 대기 모듈 수 x 정력 전압 50Kw가 크도록 2개의 모듈을 대기 상태로 설정한다.
에너지 관리 시스템(800)에 기록된 데이터를 기준으로 태양광 발전량을 바나듈 레독스 흐름 전지로 충전하는 시간동안 1시간 마다 기동할 모듈의 수를 산정한다.
상기에서는 태양광 발전량이 최대로 측정된 날을 기준으로 하였다. 상기 최대로 측정된 날은 1개월중 최대로 측정된 날, 또는 1주일간 최대로 측정된 날, 분기별 최대로 측정된 날과 같이 일정 기간을 설정하고 측정할 수 있다.
에너지 관리 시스템(800)은 바나듈 레독스 흐름 전지 각 모듈의 일별 평균 운행 시간을 기록하고 기록된 운행 시간이 작은 모듈 순서대로 나열하여 대기 상태에 진입하고자 하는 모듈을 선택한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 저장된 직류 전원은 외부 수급원[가정집(500), 송전소(600)]에 공급하는 경우 다수의 스위치(7001, 7002)에 의해 직렬 라인(120)에 연결되 후 외부 전력 변환기(200o)에 의하여 교류로 전환하여 공급될 수 있다.
또한, 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)은 대응되는 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)가 설치된 병렬 라인(110)에 의해서 태양광 시스템(400) 및 외부 수급원(500, 600)과 연결되어 있고 대응되는 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)의 각각의 작동에 의해 태양광 시스템(400)으로부터 전력을 공급받거나 반대로 외부 수급원에 전력을 공급할 수 있다
에너지 관리 시스템(800)은 다수의 스위치(7001, 7002)와 외부 전력 변환기(200o)를 작동시켜서 직렬 라인(120)을 통해 외부 수급원(500, 600)에 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 저장된 직류 전원을 공급하거나 또는 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)를 작동시켜서 병렬 라인(110)을 통해 외부 수급원(500, 600)에 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 저장된 직류 전원을 공급할 수 있다.
상기 실시예의 실행방안은 교체 가능하며, 또한 실시예는 다만 본 발명의 우선 실시예에 대한 설명일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하지 아니한다. 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 수정의 실시가 가능하고 이러한 변형 및 수정은 본 발명의 범위에 속한다.
9: 셀 10, 10a, 10b, 10c: 스택
11a: 양극 출구 배관 11b: 음극 출구 배관
20a: 양극 펌프 20b: 음극 펌프
21a: 양극 입구 배관 21b: 음극 입구 배관
30a: 양극 전해질 탱크 30b: 음극 전해질 탱크
31a: 양극 탱크 출구 배관 31b: 음극 탱크 출구 배관
1001, 1002, ...100n: 모듈 110: 병렬 라인
120: 직렬 라인 2001, 2002, ...200n::전력 변환기

Claims (5)

  1. 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)을 포함하는 레독스 흐름 전지(1000);
    상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 병렬 연결된 태양광 시스템(400);
    상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 각각 대응되는 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n);
    상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 각각 대응되며 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)을 제어하는 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n); 및
    상기 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n), 상기 태양광 시스템(400) 및 상기 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)에 연결되어 상기 다수의 배터리 관리 시스템 (9001, 9002, .... 900n), 상기 태양광 시스템(400) 및 상기 다수의 전력 변환기(2001, 2002, ... 200n)를 감지하고 제어하는 에너지 관리 시스템(800);을 포함하고,
    각각의 모듈은 양극 전해질을 보관하는 양극 전해질 탱크(30a), 다수의 스택(10a, 10b, 10c), 상기 양극 전해질 탱크(30a)에 보관된 양극 전해질을 다수의 스택(10a, 10b, 10c)으로 공급하는 양극 전해질 펌프(20a), 음극 전해질을 보관하는 음극 전해질 탱크(30b), 음극 전해질 탱크(30b)에 보관된 음극 전해질을 다수의 스택(10a, 10b, 10c)에 공급하는 음극 전해질 펌프(20b)를 포함하고,
    상기 각각의 모듈(1001, 1002, ...100n)은 태양광 시스템(400)에 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)를 경유하여 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 에너지 관리 시스템 운영 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환기(2001, 2002, ...200n)는 태양광 시스템(400)에서 생성되는 교류 전류를 직류 전류로 전환하여 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)에 저장하고,
    상기 에너지 관리 시스템(800)은 태양광 시스템(400)에 연결되어 태양광 시스템(400)의 발전량을 모니터링하며, 태양광 시스템(400)의 발전량이 최대로 측정된 날의 시간대 별 최대 출력을 기준으로 운영하고자 하는 모듈의 개수를 가변하여 운영하는 특징으로 하는 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 에너지 관리 시스템 운영 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템(800)은 태양광 시스템의 1시간 동안 태양광 출력량을 모니터링 하고,
    a) 1시간 동안 태양광 출력량의 최대 출력 > 총 모듈 수 x 정격 출력인 경우로 감지하는 경우, 동시간대에는 모든 모듈을 대기 상태로 설정하고,
    b) 1시간 기준 태양광 최대 출력 < 총 모듈 수 x 정격 출력인 경우로 감지된 경우, 동시간대의 대기 상대 모듈수는
    대기 모듈 수 x 모듈의 정격 출력 > 1시간 기준 태양광 최대출력/1.1이 되도록 하는 최소 모듈수로 동시간대 대기 상태 모듈수를 설정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 에너지 관리 시스템 운영 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템(800)은 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n) 각각의 일별 평균 운행 시간을 기록하고 기록된 운행 시간이 작은 모듈 순서대로 나열하여 대기 상태에 진입하고자 하는 모듈을 선택하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 에너지 관리 시스템 운영 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)로 부터 출력을 공급 받는 외부 수급원(500, 600);를 포함하고,
    상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n), 전력 변환기(2001, 2002, ...200n) 및 태양광 시스템(400)이 설치된 병렬 라인(110)을 추가로 포함하고,
    상기 병렬 라인(110)은 상기 외부 수급원(500, 600)에 연결되고,
    상기 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 에너지 관리 시스템 운영 시스템은 상기 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)과 상기 외부 수급원(500, 600)을 직렬 연결하여 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)의 직류 전력을 상기 외부 수급원(500, 600)에 공급하기 위한 직렬 라인(120) 및 상기 직렬 라인(120)에 설치되어 다수의 모듈(1001, 1002, ...100n)의 직류 전력을 교류 전력으로 변경하여 외부 수급원(500, 600)에 공급하기 위한 외부 전력 변환기(200o)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전량에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 에너지 관리 시스템 운영 시스템.

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