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KR101829311B1 - 주파수 조정용 친환경 에너지 저장 시스템 - Google Patents

주파수 조정용 친환경 에너지 저장 시스템 Download PDF

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KR101829311B1
KR101829311B1 KR1020170054931A KR20170054931A KR101829311B1 KR 101829311 B1 KR101829311 B1 KR 101829311B1 KR 1020170054931 A KR1020170054931 A KR 1020170054931A KR 20170054931 A KR20170054931 A KR 20170054931A KR 101829311 B1 KR101829311 B1 KR 101829311B1
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홍태현
김호석
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아크로랩스 주식회사
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Abstract

본 발명은 친환경 에너지 저장 시스템 및 그 제어장치와 방법에 관한 것으로서, 전력계통에 대하여 잉여전력 방전을 수행하는 수전해장치와 수소저장기, 부족전력 충전을 수행하는 연료전지 발전장치; 및 상기 친환경 에너지저장 시스템의 충방전을 제어를 위한 주파수 조정량을 설정하고, 상기 주파수 조정량은 상기 친환경 에너지저장 시스템의 수소저장량을 근거로 산출된 주파수 조정량을 반영하여 상기 친환경 에너지저장 시스템의 충방전을 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 친환경 에너지저장 시스템의 방전 시에 수전해장치의 직류전압(V)을 능동제어하여 수전해장치에 흐르는 직류(DC) 전류량 감소 및 증가를 통해 잉여전력을 효율적으로 수소 연료로 변환, 저장하고, 부족전력 충전시에는 연료전지 스택에 흐르는 전류량을 제어하여 최대출력까지 실시간 출력을 제어하는 방법을 포함하는 친환경 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

Description

주파수 조정용 친환경 에너지 저장 시스템 {Environment-friendly Energy Storage System for Frequency Regulation }
본 발명은 계통 주파수 변화에 따라 운용되는 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전력계통의 주파수 변화에 대해 잉여전력을 수소로 저장하고 필요시 발전할 수 있어 효과적으로 사용할 수 있는 친환경 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
종래의 전력계통에 사용하는 대표적인 에너지저장장치(ESS)는 심야시간대 경부하시 생산된 전기를 저장했다가 주간 피크시 필요한 시기에 전기를 공급하여 에너지 효율을 높일 수 있는 시스템으로 양수발전기가 대표적인 에너지저장장치로 사용되었고, 최근에는 배터리(battery)를 이용한 에너지저장장치가 다양하게 개발, 보급되고 있다.
현재, 우리나라는 실시간으로 변화하는 전력계통 주파수를 유지하기 위해 석탄화력, 유류발전, 복합화력, 수력발전 등의 발전기를 주파수추종(G/F;governeor free)과 자동발전제어(AGC;auto generation control) 운전 등을 이용하여 주파수 조정을 시행하고 있다.
최근 주목받고 있는 배터리와 같은 에너지저장장치는 즉각적인 충방전이 가능해 주파수추종과 자동발전제어의 역할을 대체하여 석탄화력 발전기의 연료비 절감과 발전기 효율향상이 가능한 장점을 가지고 있다.
하지만, 납축전지, 리튬이온전지(LIB), 나트륨황전지(NaS), 레독스흐름전지(RFB)와 같은 배터리를 사용하는 에너지저장장치는 사용하는 주변온도와 충방전 횟수에 따른 성능저하에 따라 주기적인 교체가 필요하며, 배터리를 구성하는 구성물들이 유해물질이 많아, 교체시 배터리 폐기에도 상당한 비용이 예상된다. 이에 주파수 조정용 친환경 에너지 저장 시스템의 필요성이 대두되고 있다.
출원번호: 10-2017-0018647, 발명의 명칭: 에너지 저장장치를 이용하여 주파수를 조정하는 주파수 제어 시스템 및 방법. 출원번호: 10-2015-0027590 발명의 명칭: 에너지 저장 시스템 및 그 제어 장치와 방법
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 주파수 조정용 에너지저장장치 적용시, 계통의 잉여전력을 방전하여 수소 연료로 변환, 저장하는 수전해장치와 수소저장기 및 계통 부족전력을 충전하는 연료전지 발전장치로 구성함으로써, 청정한 수소를 에너지저장수단으로 사용하는 친환경 에너지저장 시스템을 제공하여, 배터리를 사용하는 에너지저장장치 교체주기에 따른 유지보수비용을 감소시키고 발생되는 폐기 배터리 처리문제 등을 제거하며, 더 효율적인 친환경 에너 지저장 시스템을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전력을 수소로 변환하는 수전해장치와 수소저장기, 수소와 산소의 전기화학반응으로 발전하는 연료전지 발전장치 등으로 구성하며 계통 주파수 검출, 주파수 기준값과 비교하여, 상기 친환경 에너지저장 시스템의 수소저장량을 근거로 산출된 주파수 조정량을 반영하여 상기 친환경 에너지 저장 시스템의 충방전을 제어하는 방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 친환경 에너지저장 시스템의 잉여전력 방전 시에, 수전해장치의 직류전압(V)을 능동 제어하여 수전해장치에 흐르는 DC 전류량 감소 및 증가를 통해 잉여전력을 효과적으로 수소 연료로 변환, 저장하고, 상기 시스템의 부족전력 충전시에는 연료전지 스택에 흐르는 전류량을 제어하여, 실시간 출력을 제어하는 방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수전해장치는 대용량일 경우는 알카리(alkaline) 수전해장치가 바람직하며, 설치면적이나 고효율 수전해장치로는 고분자전해질막(PEM ; polymer electrolyte membrane) 수전해장치나 알카리 음이온 전해질막(AEM ; anion electrolyte membrane) 수전해 장치가 바람직하다.
또한, 수소 압력조정기를 포함하는 연료전지 발전장치는 인산형 연료전지(PAFC ; phosphoric acid fuelcell)나 고체산화물 연료전지(SOFC ; solid oxide fuelcell)를 사용하는 것이 바람직하며, 작동온도가 상온인 고분자전해질 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuelcell)을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 신재생에너지 발전기기의 불규칙한 출력 특성을 완화시키기 위해, 잉여전력 방전을 수행하는 수전해장치 및 수소저장기, 부족전력 충전을 수행하는 연료전지 발전장치 및 상기 시스템의 충방전을 제어를 위한 계통 주파수 검출, 주파수 기준값과 비교하고 상기 시스템의 수소저장량을 근거로 산출된 주파수 조정량을 반영하여, 충방전을 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 수소저장기의 크기를 줄이기 위해서 상기 시스템의 수전해장치와 수소저장기 사이에 압축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명의 다른 형태에 따른 친환경 에너지 저장 시스템은 전력계통에 대하여 잉여전력 방전을 수행하는 수전해장치 및 수소저장기, 부족전력 충전을 수행하는 연료전지 발전장치; 및 상기 시스템의 충방전을 제어를 위한 계통전압 검출, 전압 기준값과 비교하고 상기 시스템의 수소저장량을 근거로 산출된 계통 전압조정량을 반영하여 충방전을 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 본 발명에 따르면, 주파수조정용으로 배터리를 사용하는 에너지저장장치에서 발생할 수 있는 유지보수비용, 배터리 교체비용 등을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 배터리 폐기시 발생하는 유해물질 발생을 근본적으로 제거할 수 있는 친환경 에너지저장 시스템 이용함으로써, 주파수 조정을 통해 양질의 전력을 공급하면서도 저원가 발전기의 이용률을 향상시켜 전기요금 상승을 억제시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정용 친환경 에너지저장 시스템을 개략적으로
나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 주파수 변화에 따라 친환경 에너지저장 시스템을
제어하는 흐름도
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 에너지저장 시스템에서의 제어 방식을 설명하
는 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예로 태양광, 풍력 등의 신재생에너지 발전기기를 포함하는 전력
계통에서 신재생에너지 발전기기의 출력 안정화를 설명하는 친환경 에너지저장 시스
템의 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통전압 변화에 따라 친환경 에너지저장 시스템을
제어하는 흐름도
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정용 친환경 에너지 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 친환경 에너 지저장 시스템(100)은 전력계통(190)의 부족전력을 충전(보충) 시에, 수소와 공기 중의 전기화학반응으로 전력을 생산하는 연료전지발전장치(120)와 전력계통(190)의 잉여전력을 방전(사용) 시에, 전력을 사용하여 수소를 생산하는 수전해장치(140) 및 수소저장기(130)를 포함하여 충방전 시에 전류 흐름를 제어하기 위한 전력스위치들(121,141)로 구성되며, 계통주파수를 측정하는 주파수 검출부(160)와 수소저장기(130)에 실제 저장된 수소량은 수소저장기 용량에 따른 최대 수소저장량과 수소저장기의 압력계(131)로 부터 산출하는 수소저장량 산출부(150)와 충방전 시에, 계통 주파수 조정량 산출부(170)와 상기 데이터들에 근거하여 전력계통으로 충방전을 제어하는 충방전제어부(180)로 구성되는 제어장치(110)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 주파수 변화에 따라 친환경 에너지 저장 시스템을 제어하는 흐름도를 나타낸다. 도 2에서 계통 주파수 검출부(160)에서 검출된 주파수가 기준값인 60Hz 이하 이면, 전력계통(190)의 부족전력을 연료전지발전장치(120)로 전력을 생산하여 충전(보충)한다. 이 때 상기 주파수 조정량 산출부(170)에서 수소저장량 산출부(150)의 수소저장량으로 발전 가능한 전력량을 산출하고 이에 근거하여 조정 가능한 주파수 조정량(△F+) 을 피드백(feedback)하면서 전력계통(190)의 부족전력을 충전(보충)한다. 또한 계통 주파수 검출부(160)에서 검출된 주파수가 기준값인 60Hz 이상 이면, 전력계통(190)의 잉여전력을 수전해장치(140)로 전력을 사용하여 수소를 생산, 수소저장기(130)에 저장하면서 방전(사용)한다. 이 때 상기 주파수 조정량 산출부(170)에서 수소저장기(130)의 용량에 따라 결정되는 최대 수소저장량과 실시간 수소저장량의 차이로부터 수소저장기(130)에 저장 가능한 수소생산량을 산출, 사용 가능한 전력량을 산출하고 이에 근거하여 조정 가능한 주파수 조정량(△F-) 을 피드백(feedback)하면서 전력계통(190)의 잉여전력을 방전(사용)한다..
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 에너지 저장 시스템에서의 제어 방식을 설명하는 도면으로, 도 3(a)는 연료전지 발전장치의 전력(P)과 전류(I) 성능곡선을 나타내며 연료전지 발전장치의 최대출력까지 연료전지 발전장치에 흐르는 직류(DC) 전류량 제어범위를 설명하는 것이고, 도 3(b)는 수전해장치의 걸리는 직류(DC) 전압(V)과 흐르는 직류(DC) 전류(I)의 성능곡선을 나타내며 수전해장치의 영구적인 파괴가 일어나는 않는 직류전압 까지, 제어하는 직류(DC) 전압의 제어범위를 설명하는 것이다. 도 3에서와 같이 연료전지발전장치의 생산 전력량과 수전해장치의 잉여전력 사용량을 필요한 주파수 조정량(△F+,△F-) 만큼 피드백 제어하여 친환경 에너지저장 시스템을 최적화 할 수 있다.
상기 시스템의 수전해장치 종류로는 알칼리(alkaline) 수전해장치, 고분자전해질막(PEM ; polymer electrolyte membrane) 수전해 그리고 알카리 음이온 전해질막(AEM ; anion electrolyte membrane) 수전해 방식이 있다. 알카리 수전해장치는 가격과 용량이 우수하여 상용화가 이루어졌지만, KOH의 별도 공급 필요성과 부식문제와 함께 수소내의 산소 잔류문제 및 고순도 순수를 생산하기 위한 추가 정제장치가 필요하며 고압저장을 할 수 없다는 단점이 있다. 고분자전해질막(PEM) 수전해장치는 고효율, 고순도 수소 제조가 가능하나, 용량이 적고 산성 환경에서의 반응으로 귀금속 촉매사용이 불가피하고 이로 인해 가격이 비싼 것이 최대 단점이며, 발생한 수소에 수분이 포함되어 있으므로 수소저장을 위해 별도 건조 공정도 필요하다. 마지막으로 알칼리 음이온 교환막 수전해장치는 귀금속 촉매없이 고순도의 수소를 저가로 생산할 수 있으며, 특히 음극이 물속에 침적되지 않으므로(Dry Cathode) 발생된 수소는 수분이 포함되지 않아 직접 저장이 가능하다는 장점이 있다.
상기 시스템의 수전해장치는 알카리(alkaline) 수전해, 고분자전해질막(PEM ; polymer electrolyte membrane) 수전해 그리고 알카리 음이온 전해질막(AEM ; anion electrolyte membrane) 수전해 중에 하나 인 것을 특징으로 한다.
상기 시스템의 연료전지 발전장치는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학반응으로 전력을 생산하는 고효율 발전장치로, 전해질의 종류에 따라서 상온에서 작동하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuelcell), 200℃정도에서 작동하는 인산형 연료전지(PAFC ; phosphoric acid fuelcell) 그리고 600℃∼ 800℃에서 작동하는 고체산화물 연료전지(SOFC ; solid oxide fuelcell)로 나눌 수 있다.
상기 시스템의 연료전지 발전장치는 수소 압력조정기를 포함하며, 순수 수소를 연료로 사용할 수 있는 고분자전해질 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuelcell), 인산형 연료전지(PAFC ; phosphoric acid fuelcell) 그리고 고체산화물 연료전지(SOFC ; solid oxide fuelcell) 중에 하나인 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로 태양광, 풍력 등의 신재생에너지 발전기기(191)를 포함하는 전력계통에서, 친환경 에너지 저장 시스템(100)은 전력계통(190)의 부족전력을 충전(보충) 시에, 수소와 공기 중의 전기화학반응으로 전력을 생산하는 연료전지발전장치(120)와 전력계통(190)의 잉여전력을 방전(사용) 시에, 전력을 사용하여 수소를 생산하는 수전해장치(140) 및 수소저장기(130)를 포함하여, 계통주파수를 측정하는 주파수 검출부(160)와 수소저장기(130)의 크기를 감소시킬 수 있는 고압 저장용 압축기(132)와 수소저장기(130)에 실제 저장된 수소량은 수소저장기 용량에 따른 최대 수소저장량과 수소저장기의 압력계(131)로 부터 산출하는 수소저장량 산출부(150)와 충방전 시에, 계통 주파수 조정량 산출부(170)와 상기 데이터들에 근거하여 전력계통으로 충방전을 제어하는 충방전제어부(180)로 구성되는 제어장치(110)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 전력수요 변동에 따른 주파수 조정 외에, 친환경 에너지 저장 시스템을 활용함으로써 신재생에너지의 불규칙한 출력 불안정성을 완화하여 수용가 전력을 안정화시킬 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통전압 변화에 따라 친환경 에너지 저장 시스템을 제어하는 흐름도를 나타낸다. 상기 시스템의 개략적인 도면을 도시하지 않았으나, 계통 전압 검출부에서 검출된 계통전압이 기준값인 207V 이하 이면, 전력계통의 부족전력을 연료전지발전장치로 전력을 생산하여 충전(보충)한다. 이 때 상기 계통전압 조정량 산출부에서 수소저장량 산출부의 수소저장량으로 발전 가능한 전력량을 산출하고 이에 근거하여 조정 가능한 계통전압 조정량(△Vg+) 을 피드백(feedback)하면서 전력계통의 부족전력을 충전(보충)한다. 또한 계통 전압 검출부에서 검출된 계통 전압이 기준값인 233V 이상 이면, 전력계통의 잉여전력을 수전해장치로 전력을 사용하여 수소를 생산, 수소저장기에 저장하면서 방전(사용)한다. 이 때 상기 계통전압 조정량 산출부에서 수소저장기의 용량에 따라 결정되는 최대 수소저장량과 실시간 수소저장량의 차이로부터 수소저장기에 저장 가능한 수소생산량을 산출, 사용 가능한 전력량을 산출하고 이에 근거하여 조정 가능한 계통전압(△Vg) 을 피드백(feedback)하면서 전력계통의 잉여전력을 방전(사용)한다. 바람직하게는 본 발명의 다른 형태에 따른 친환경 에너지저장 시스템은 전력계통에 대하여 잉여전력 방전을 수행하는 수전해장치 및 수소저장기, 부족전력 충전을 수행하는 연료전지 발전장치; 및 상기 시스템의 충방전을 제어를 위한 계통전압 검출, 전압 기준값과 비교하고 상기 시스템의 수소저장량을 근거로 산출된 계통 전압 조정량을 반영하여 충방전을 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주내에서 여러 자지 변형이 가능함은 물론이다.. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
납축전지, 리튬이온전지(LIB), 나트륨황전지(NaS), 레독스흐름전지(RFB)와 같은 배터리를 포함하는 에너지저장장치는 주변 온도를 일정하게 유지해야 되는 번거로움이 있고, 충방전 횟수에 따른 성능저하에 따라 주기적인 교체비용 및 폐기 배터리의 유해물질 폐기비용 등 높은 유지보수 비용이 들지만, 에너지 저장과 생산 시에, 청정한 순수 수소을 매개체로 사용하는 본 발명의 친환경 에너지 저장 시스템은 환경성과 내구성이 종래의 에너지저장장치 보다 훨씬 우수하다. 또한, 계통연계가 되지 않은 독립전원 전력수요에 따른 전원 불안정성과 신재생에너지 발전기기의 출력 불규칙을 친환경적으로 극복할 수 있는 방법을 제공한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 친환경 에너지 저장 시스템
110 : 제어장치
120 : 연료전지 발전장치 121 : 전력스위치
130 : 수소저장기 131 : 압력계 132 : 압축기
140 : 수전해장치 141 : 전력스위치
150 : 수소저장량 산출부
160 : 주파수 검출부
170 : 주파수 조정량 산출부
180 : 충방전제어부
190 : 전력계통
191 : 신재생에너지 발전기기

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 주파수 조정용 친환경 에너지 저장 시스템에 있어서,
    전력계통에 대하여 잉여전력 방전을 수행하는 수전해장치 및 수소저장기;
    부족전력 충전을 수행하는 연료전지 발전장치; 및
    상기 시스템의 충방전 제어를 위한 계통 주파수 검출, 주파수 기준값과 비교하고 상기 시스템의 수소저장량을 근거로 산출된 주파수 조정량을 반영하여 충방전을 제어하는 제어장치;
    를 포함하고,
    친환경 에너지 저장 시스템의 잉여전력 방전 시에, 수전해장치의 직류전압(V)을 능동 제어하여 수전해장치에 흐르는 DC 전류량 감소 및 증가를 통해 잉여전력을 효과적으로 수소 연료로 변환, 저장하고, 상기 시스템의 부족전력 충전시에는 연료전지 스택에 흐르는 전류량을 제어하여, 실시간 출력을 제어하는 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 에너지 저장 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시스템의 수전해장치는 알카리(alkaline) 수전해, 고분자전해질막(PEM ; polymer electrolyte membrane) 수전해 그리고 알카리 음이온 전해질(AEM ; anion electrolyte membrane) 수전해 중에 하나 인 것을 특징으로 하는 친환경 에너 지저장 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 시스템의 연료전지 발전장치는 수소 압력조정기를 포함하며, 순수 수소를 연료로 사용할 수 있는 고분자전해질 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuelcell), 인산형 연료전지(PAFC ; phosphoric acid fuelcell) 그리고 고체산화물 연료전지(SOFC ; solid oxide fuelcell) 중에 하나인 것을 특징으로 하는 친환경 에너지 저장 시스템.


  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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