KR20220085541A

KR20220085541A - Operating system for capacitive deionization module with electrode without ion exchange membrane and method thereof

Info

Publication number: KR20220085541A
Application number: KR1020200175692A
Authority: KR
Inventors: 김태원; 강신경
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-22

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템은, 이온 교환막이 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈; 정수시에 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 변환한 직류 전압을 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하며, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 교류 전원으로 회생시키는 양방향 전력 변환 모듈; 및 상기 양방향 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈;을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 고가의 재료인 이온 교환막을 사용하지 않아 원가 및 설치 비용을 줄일 수 있어 경제성이 향상되며, 이온 교환막이 빠짐에 따라 전극의 간격이 줄어 들어 공간 집약도가 높아지는 바, 축전식 탈염 모듈 내에 더 많은 전극을 장착할 수 있어 축전식 탈염 모듈의 작업 효율이 향상 된다.An operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention includes: a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane; A direct-current voltage converted from an AC voltage supplied from an AC power source during water purification is supplied to the capacitive desalination module, and the DC voltage at both ends of the capacitive desalination module is converted into an AC voltage at the time of draining water to be regenerated into the AC power source. power conversion module; and a control module for controlling the bidirectional power conversion module. According to one embodiment of the present invention, the cost and installation cost can be reduced by not using the ion exchange membrane, which is an expensive material, and thus economical efficiency is improved. , more electrodes can be mounted in the capacitive desalination module, improving the working efficiency of the capacitive desalination module.

Description

Operation system and control method of capacitive desalination module with electrode without ion exchange membrane

본 발명은 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템에 관한 것으로, 특히, 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an operating system for a capacitive desalination module, and more particularly, to an operating system and a control method for a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane.

축전식 탈염 기술(Capacitive DeIonization, CDI)은 전기 흡착 기술의 일종으로, 전극에 전위를 인가하였을 때 전극 표면에 형성되는 전기 이중층에서의 흡착 반응에 의해 이온성 물질들이 전극 표면으로 이동하며 흡착되며(이온 흡착 반응), 전극의 흡착 용량이 한계에 다다르면 하전된 전극을 단락시켜 이온성 물질들을 탈착(이온 탈착 반응)시킴으로써 전극을 재생시키게 된다.Capacitive DeIonization (CDI) is a kind of electro-adsorption technology. When an electric potential is applied to the electrode, the ionic substances move and adsorb to the electrode surface by the adsorption reaction in the electric double layer formed on the electrode surface ( ion adsorption reaction), when the adsorption capacity of the electrode reaches its limit, the electrode is regenerated by short-circuiting the charged electrode to desorb ionic materials (ion desorption reaction).

이처럼 전기 흡착 기술은 전극의 전위만을 변화시켜 이온들을 흡, 탈착 시킬 수 있기 때문에 운전이 매우 간편하고 또한 인가되는 전위가 전기분해가 일어나지 않는 낮은 전압에서 운전되기 때문에 에너지 소모량이 기존의 탈염공정에 비해 현저히 줄일 수 있는 특징이 있다.As such, the electro-adsorption technology is very easy to operate because it can absorb and desorb ions by changing only the potential of the electrode. Also, since the applied potential is operated at a low voltage where electrolysis does not occur, the energy consumption is lower than that of the existing desalination process. There are features that can be significantly reduced.

하지만, 기존 축전식 탈염 모듈에서는 전극에 이온성 물질이 흡착된 후 전극을 재생할 때는 하전된 전극을 단락(쇼트)시켜 저항을 통해 열에너지로 소모시키게 되므로 에너지 회수가 되지 못하여 전력 손실이 발생되거나 저항의 발열로 인한 화재의 위험이 있다.However, in the existing capacitive desalination module, when the electrode is regenerated after the ionic material is adsorbed to the electrode, the charged electrode is short-circuited (shorted) and consumed as thermal energy through the resistor. There is a risk of fire due to overheating.

또한, 종래에는 이온들을 탈착 시키는 과정에서 반대 극성의 전위를 제공하기 때문에 이온들의 재흡착이 발생할 수 있는데, 이렇게 탈착 과정이 제대로 수행되지 않을 경우, 전극 계면에 염이 잔류할 수 있으며, 염이 잔류한 상태에서 전극에 흡착을 위한 전위가 인가되면 전극 계면에 잔류한 염이 전극 표면에 흡착되어 전극의 염제거율이 감소될 수 있다.In addition, in the related art, re-adsorption of ions may occur because a potential of opposite polarity is provided in the process of desorption of ions. In one state, when a potential for adsorption is applied to the electrode, the salt remaining at the electrode interface is adsorbed to the electrode surface, thereby reducing the salt removal rate of the electrode.

종래에는 이를 해결하기 위해 전극에 이온 교환막을 결합한 이온 교환막 결합형 전기 흡착 방식을 사용하였으나 이온 교환막은 고가의 재료로서 설치 비용이 증가하고, 이온교환막의 두께에 의해 전체 CDI 모듈의 전극 두께가 증가하여 하나의 단위 셀 내에 장착할 수 있는 전극의 수량이 줄어드는 문제점이 있다.Conventionally, to solve this problem, an ion-exchange membrane-coupled electro-adsorption method in which an ion-exchange membrane is combined with an electrode has been used, but the ion-exchange membrane is an expensive material and the installation cost increases, and the electrode thickness of the entire CDI module increases due to the thickness of the ion exchange membrane. There is a problem in that the number of electrodes that can be mounted in one unit cell is reduced.

한국공개특허 제2011-0071701호('전기 흡착 탈이온 장치', 공개일:2011년06월29일)Korean Patent Application Laid-Open No. 2011-0071701 ('Electrosorption deionization device', publication date: June 29, 2011)

따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 탈착 또는 퇴수 공정에서 반대 극성을 사용하지 않고 이온을 탈착시키는 운전 시퀀스를 수행하도록 하여 전력 효율을 높일 수 있으며, 비용을 절감할 수 있는 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템 및 제어 방법을 제공하고자 한다.Therefore, in order to solve the above problems, the present invention can increase power efficiency by performing an operation sequence for desorbing ions without using the opposite polarity in the desorption or desorption process, and without an ion exchange membrane that can reduce costs An object of the present invention is to provide an operating system and a control method for a capacitive desalination module having an electrode.

본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템은, 이온 교환막이 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈; 정수시에 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 변환한 직류 전압을 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하며, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 교류 전원으로 회생시키는 양방향 전력 변환 모듈; 및 상기 양방향 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈;을 포함할 수 있다.An operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention includes: a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane; A direct-current voltage converted from an AC voltage supplied from an AC power source during water purification is supplied to the capacitive desalination module, and the DC voltage at both ends of the capacitive desalination module is converted into an AC voltage at the time of draining water to be regenerated into the AC power source. power conversion module; and a control module for controlling the bidirectional power conversion module.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 상기 양방향 전력 변환 모듈은, 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압과, DC 링크 커패시터의 직류 전압을 변환하는 양방향 DC/AC 컨버터와, 상기 DC 링크 커패시터의 직류 전압과, 상기 축전식 탈염 모듈에 대응하는 직류 전압을 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있으며, 정수 모드에는 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환한 상기 정수 전원을 축전식 탈염 모듈에 공급하며, 퇴수 모드에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환한 상기 퇴수 전원을 상기 교류 전원으로 회생시킬 수 있다.The bidirectional power conversion module according to an embodiment of the present invention includes a bidirectional DC/AC converter for converting an AC voltage supplied from an AC power source and a DC voltage of a DC link capacitor, a DC voltage of the DC link capacitor, and the It may include a bidirectional DC/DC converter that converts a DC voltage corresponding to the capacitive desalination module, and in the water purification mode, the purified power converted from the AC voltage supplied from the AC power to a DC voltage is supplied to the capacitive desalination module, , it is possible to regenerate the drain power source obtained by converting the DC voltage at both ends of the capacitive desalination module into AC voltage in the water drain mode as the AC power source.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제어 모듈은, 상기 정수 모드와 상기 퇴수 모드가 연속되어 교대로 수행하도록 설정된 주기 운전을 수행하며, 상기 정수 모드는 양의 정수 모드와 음의 정수 모드를 포함하며, 상기 퇴수 모드는 상기 정수 모드 이후에 상기 정수 모드와 동일한 극성의 전원을 공급할 수 있다.The control module according to an embodiment of the present invention performs a cycle operation set so that the water purification mode and the water discharge mode are continuously and alternately performed, wherein the water purification mode includes a positive water purification mode and a negative water purification mode, , the water withdrawal mode may supply power having the same polarity as that of the water purification mode after the water purification mode.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제어 모듈은, 상기 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 상기 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하며, 상기 퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 상기 퇴수 전원을 상기 정수설정시간(T1+T2) 도과 후부터 상기 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 인가할 수 있다.In addition, the control module according to an embodiment of the present invention, in the water purification mode, applies the purified water power to the capacitive desalination module for a preset purified water set time (T1 + T2), and in the water discharge mode, the The drain power may be applied to the capacitive desalination module from the elapse of the purified water set time (T1+T2) until the polarity of the drain power is changed.

더하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제어 모듈은, 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 일정한 직류 전류가 제공되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈을 전류 모드로 제어하되, 상기 축전식 탈염 모듈의 양단의 전압이 목표 전압에 도달하면 상기 축전식 탈염 모듈에 일정한 직류 전압이 인가되도록 전압 모드로 제어하며, 이때, 상기 T1은 정수 모드 시작 시점부터 상기 축전식 탈염 모듈의 양단의 전압이 목표 전압에 도달한 시점까지의 기간이며, 퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈로부터 일정한 직류 전류가 출력되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈을 전류 모드로 제어할 수 있다.In addition, the control module according to an embodiment of the present invention controls the bidirectional power conversion module in a current mode so that a constant direct current is provided to the capacitive desalination module in a water purification mode, but both ends of the capacitive desalination module When the voltage of the capacitive desalination module reaches the target voltage, it is controlled in the voltage mode so that a constant DC voltage is applied to the capacitive desalination module. It is a period up to a point in time, and in the water withdrawal mode, the bidirectional power conversion module can be controlled in the current mode so that a constant DC current is output from the capacitive desalination module.

본 발명의 다른 양태로서, 이온 교환막이 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈과, 정수시에 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 변환한 직류 전압을 상기 축전식 탈염 모듈에 공급하며, 퇴수시에 상기 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 교류 전원으로 회생시키는 양방향 전력 변환 모듈과, 상기 양방향 전력 변환 모듈을 제어하는 제어 모듈을 포함하는 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템의 제어 방법에 있어서,In another aspect of the present invention, a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane, and a DC voltage converted from an AC voltage supplied from an AC power source during water purification are supplied to the capacitive desalination module, and when water is discharged, the Capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane including a bidirectional power conversion module that converts the DC voltage at both ends of the capacitive desalination module into an AC voltage and regenerates the AC power source, and a control module for controlling the bidirectional power conversion module In the control method of the driving system of

양의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 제1 단계, 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류를 감소시키며, 상기 축전식 탈염 모듈을 방전시키는 제2 단계, 음의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 제3 단계 및 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류를 증가시키며, 상기 축전식 탈염 모듈을 방전시키는 제4 단계를 포함할 수 있다.In the positive water purification mode, the first step of charging by applying purified power to the capacitive desalination module for a preset purified water set time (T1 + T2), in the water drain mode, when the purified water set time elapses, the polarity of the drain power The second step of reducing the target current until this is changed and discharging the capacitive desalination module, in a negative water purification mode, applying purified power to the capacitive desalination module for a preset water purification time (T1 + T2) In the third step of charging and draining mode, when the water purification set time has elapsed, the target current is increased until the polarity of the drain power supply is changed, and a fourth step of discharging the capacitive desalination module may be included. .

이때, 상기 제1 단계에서, 기 설정된 정수설정시간(T1+T2)이 도과하기 전에, 목표 전류를 증가시키며, 상기 제3 단계에서, 기 설정된 정수설정시간(T1+T2)이 도과하기 전에, 목표 전류를 감소시킬 수 있다.At this time, in the first step, before the preset constant set time (T1 + T2) elapses, the target current is increased, and in the third step, before the preset constant set time (T1 + T2) elapses, It is possible to reduce the target current.

본 발명의 또 다른 양태로서, 상술한 방법을 컴퓨터상에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한, 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체를 제공할 수 있다. As another aspect of the present invention, it is possible to provide a computer-readable recording medium in which a program for executing the above-described method on a computer is recorded.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 고가의 재료인 이온 교환막을 사용하지 않아 원가 및 설치 비용을 줄일 수 있어 경제성이 향상되며, 이온 교환막이 빠짐에 따라 전극의 간격이 줄어 들어 공간 집약도가 높아지는 바, 축전식 탈염 모듈 내에 더 많은 전극을 장착할 수 있어 축전식 탈염 모듈의 작업 효율이 향상 된다.According to one embodiment of the present invention, the cost and installation cost can be reduced by not using the ion exchange membrane, which is an expensive material, and thus economical efficiency is improved. , more electrodes can be mounted in the capacitive desalination module, improving the working efficiency of the capacitive desalination module.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 퇴수 모드에서 축전식 탈염 모듈 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원으로 회생시켜 에너지를 회수함으로써, 전력 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, there is an advantage in that the power efficiency can be increased by converting the DC voltage at both ends of the capacitive desalination module into an AC voltage in the water discharge mode and regenerating it into an AC power source to recover energy.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 포함하는 전체 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 종래 이온 교환막이 설치된 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈과, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈을 간략하게 비교한 구성도이다.
도 4a 및 4b는 종래 이온 교환막이 설치된 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 시스템 운전 시퀀스와, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 시스템 운전 시퀀스이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템에 포함된 제어 모듈의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막이 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템의 정수 모드 및 퇴수 모드의 파형도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 회생 장치의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템에 포함된 양방향 전력 변환 모듈의 회로도이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템을 실제 시험했을 때 유입수 및 처리수의 전기전도도 및 시험 파형도이다.1 is a conceptual diagram of an entire system including a capacitive desalination module according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram for explaining the operation of the capacitive desalination module according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are schematic diagrams comparing a conventional capacitive desalination module having an electrode provided with an ion exchange membrane and a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B are a system operation sequence of a conventional capacitive desalination module having an electrode provided with an ion exchange membrane and a system operation sequence of a capacitive desalination module according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram of a control module included in the operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
6 is a waveform diagram of a water purification mode and a water discharge mode of the operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a control method of an energy regeneration device using a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
8 is a circuit diagram of a bidirectional power conversion module included in the operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
9A and 9B are diagrams of electrical conductivity and test waveforms of influent and treated water when the operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention is actually tested.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiment of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited only to the embodiments described below. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for a clearer description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈을 포함하는 전체 시스템의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of an entire system including a capacitive desalination module according to an embodiment of the present invention.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈(120)을 포함하는 전체 시스템(100)은, 전기 이중층 원리를 이용하여 원수 내의 이온성 물질을 제거하는 축전식 탈염 모듈(120)과, 정수시에 교류 전원(10)으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하는 양방향 전력 변환 모듈(110)과, 양방향 전력 변환 모듈(110)의 동작을 제어하는 제어 모듈(130)을 포함할 수 있다. First, as shown in FIG. 1 , the entire system 100 including the capacitive desalination module 120 according to an embodiment of the present invention uses the electric double layer principle to remove ionic substances in raw water. A type desalination module 120, a bidirectional power conversion module 110 for converting the AC voltage supplied from the AC power supply 10 to a DC voltage at the time of water purification and supplying it to the capacitive desalination module 120, and a bidirectional power conversion module A control module 130 for controlling the operation of 110 may be included.

특히 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상술한 양방향 전력 변환 모듈(110)은 퇴수시에 축전식 탈염 모듈 양단(120)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전원(10)으로 회생시킬 수 있다.In particular, according to an embodiment of the present invention, the above-described bidirectional power conversion module 110 may convert the DC voltage of both ends 120 of the capacitive desalination module into an AC voltage at the time of discharge to be regenerated into the AC power supply 10 . .

더하여, 상기 축전식 탈염 모듈(120)은 이온 교환막이 없는 전극을 구비한 것으로, 이온 교환막 제거형 축전식 탈염 모듈일 수 있다.In addition, the capacitive desalination module 120 is provided with an electrode without an ion exchange membrane, and may be an ion exchange membrane removal type capacitive desalination module.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면 상술항 양방향 전력 변환 모듈(110)은 계통으로부터 공급받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 양방향 AC/DC 컨버터와 상기 변환된 직류 전압을 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하기 위한 직류 전압으로 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the bidirectional power conversion module 110 described above includes a bidirectional AC/DC converter that converts an AC voltage supplied from the system into a DC voltage and a capacitive desalination module 120 for the converted DC voltage. ) may include a bidirectional DC/DC converter that converts the DC voltage to supply.

즉, 상술한 양방향 전력 변환 모듈(110)은, 정수 모드에는 교류 전원(10)으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환한 정수 전원을 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하며, 퇴수 모드에서는 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환한 퇴수 전원을 교류 전원(10)으로 회생시킬 수 있다.That is, the above-described bidirectional power conversion module 110 supplies the purified water converted from the AC voltage supplied from the AC power supply 10 into a DC voltage to the capacitive desalination module 120 in the water purification mode, and in the water discharge mode, the power storage It is possible to regenerate the drain power by converting the DC voltage at both ends of the desalination module 120 into an AC voltage as the AC power supply 10 .

한편, 도 2는 축전식 탈염 모듈의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.On the other hand, Figure 2 is a conceptual diagram for explaining the operation of the capacitive desalination module.

축전식 탈염 모듈(Capacitive DeIonization, CDI)은 전극에 전위를 인가하였을 때 전극 표면에 형성되는 전기 이중층에서의 흡착 반응에 의해 이온성 물질들이 전극 표면으로 이동하며 흡착되며, 전극의 흡착 용량이 한계에 다다르면 하전된 전극을 방전시켜 이온성 물질들을 탈착시킴으로써 전극을 재생시키게 된다.Capacitive DeIonization (CDI) uses an adsorption reaction in the electric double layer formed on the electrode surface when an electric potential is applied to the electrode to move and adsorb ionic substances to the electrode surface. When it arrives, the electrode is regenerated by discharging the charged electrode and desorbing the ionic material.

구체적으로, 우선 정수시에는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 양전극(121a)에 양전위를, 음전극(121b)에 음전위를 인가하면, 원수(W1) 내의 음이온들(122)는 양전극(121a)에, 원수(W1) 내의 양이온들(123)은 음전극(121b)에 흡착하게 된다('이온 흡착 반응'이라 함).Specifically, in the case of water purification, as shown in FIG. 2A , when a positive potential is applied to the positive electrode 121a and a negative potential is applied to the negative electrode 121b, the negative ions 122 in the raw water W1 are transferred to the positive electrode. At 121a, the positive ions 123 in the raw water W1 are adsorbed to the negative electrode 121b (referred to as 'ion adsorption reaction').

이후 퇴수시에는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 양전극(121a)에는 음전위를, 음전극(121b)에는 양전위를 인가하거나 또는 전극(121a, 121b)을 단락시키게 되며, 이때 전극(121a, 121b)에 흡착된 이온성 물질들은 전극(121a, 121b)으로부터 탈착하게 된다('이온 탈착 반응'이라 함).After the water is discharged, as shown in (b) of FIG. 2, a negative potential is applied to the positive electrode 121a and a positive potential is applied to the negative electrode 121b, or the electrodes 121a and 121b are short-circuited. At this time, the electrodes ( The ionic materials adsorbed to 121a and 121b are desorbed from the electrodes 121a and 121b (referred to as 'ion desorption reaction').

이후, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 이온성 물질들을 포함하는 액체(W2)가 외부로 배출될 수 있다.Thereafter, as shown in (c) of FIG. 2 , the liquid W2 including ionic materials may be discharged to the outside.

반면, 본 발명에서는 상술한 이온 탈착 반응시에 전극(121a, 121b)을 단락시키는 대신에 축전식 탈염 모듈(120)의 하전된 전극(121a, 121b)에 의한 직류 전압을 교류 전원(10)으로 회생시키는 것을 특징으로 한다. On the other hand, in the present invention, instead of short-circuiting the electrodes 121a and 121b during the above-described ion desorption reaction, the DC voltage generated by the charged electrodes 121a and 121b of the capacitive desalination module 120 is converted to the AC power supply 10 . It is characterized by regeneration.

도 3a 및 도 3b는, 도 1에 도시된 축전식 탈염 모듈(120)에 관하여 도시한 것으로, 종래 이온 교환막이 설치된 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈과, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈을 간략하게 비교한 구성도이다.3A and 3B are diagrams of the capacitive desalination module 120 shown in FIG. 1, a capacitive desalination module having an electrode provided with a conventional ion exchange membrane, and an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention It is a schematic diagram comparing the capacitive desalination module with no electrode.

종래에는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 집전체 일면 또는 양면에 전극 활물질인 탄소 전극을 형성하고, 상기 전극 일면에 이온 교환막 층을 형성하고 있다. 예를 들어, 양극을 띄는 집전체 일면에 형성된 탄소 전극의 일면(즉, 양전극(121a))에 음이온 교환막(124a)을 설치하고, 음극을 띄는 집전체 일면에 형성된 탄소 전극의 일면(즉, 음전극(121b))에 양이온 교환막(124b)을 설치하여, 상기 이온 교환막 층(124a, 124b) 사이에 유로 스페이서(125)를 위치시켜 이온성 물질들을 포함하는 액체(W2)를 통과시키고, 이온을 유동시킨다.Conventionally, as shown in FIG. 3A , a carbon electrode, which is an electrode active material, is formed on one or both surfaces of a current collector, and an ion exchange membrane layer is formed on one surface of the electrode. For example, an anion exchange membrane 124a is installed on one surface of the carbon electrode (ie, the positive electrode 121a) formed on one surface of the current collector that has a positive electrode, and one surface of the carbon electrode formed on one surface of the current collector that has a negative electrode (that is, the negative electrode) (121b)), a cation exchange membrane 124b is installed, and a flow path spacer 125 is positioned between the ion exchange membrane layers 124a and 124b to pass the liquid W2 containing ionic substances, and ions flow make it

이때, 이온 탈착과정에서 이온 흡착과정과 반대 극성의 전위를 인가하여 완전히 탈착되지 않고, 재흡착되는 현상이 발생하게 되는데, 음전극(121b) 앞에 양이온 교환막(124b), 양전극(121a) 앞에 음이온 교환막(124a)을 구비하여 이온이 재흡착되는 것을 방지한다.At this time, in the ion desorption process, a potential opposite to that of the ion adsorption process is applied so that it is not completely desorbed, but re-adsorption occurs. 124a) to prevent re-adsorption of ions.

반면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈(120)은 음이온 교환막(124a)과 양이온 교환막(124b)을 제거한 이온교환막 제거형 전기흡착방식을 사용하고 있다. On the other hand, the capacitive desalination module 120 having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention uses an ion exchange membrane removal type electrosorption method in which the anion exchange membrane 124a and the cation exchange membrane 124b are removed.

하여, 양극 집전체 일면에 탄소 전극이 형성(즉, 양전극(121a))되고, 음극 집전체 일면에 탄소 전극이 설치(즉, 음전극(121b))되어, 상기 탄소 전극 사이로 형성된 유로 스페이서(125) 이온성 물질들을 포함하는 액체(W2)가 통과하도록 하여 이온이 이동할 수 있다.Thus, a carbon electrode is formed on one surface of the positive electrode current collector (that is, the positive electrode 121a), and a carbon electrode is installed on one surface of the negative current collector (that is, the negative electrode 121b), and a flow path spacer 125 formed between the carbon electrodes. Ions may move by allowing the liquid W2 containing ionic substances to pass therethrough.

도 3a 및 3b를 비교하면, 도 3a의 유로 스페이서(125)와 도 3b의 유로 스페이서(125)의 유로 넓이가 상이하며, 도 3b의 유로 스페이서(125)가 훨씬 넓어 더 많은 원수(W1) 또는 이온성 물질들을 포함하는 액체(W2)가 유동할 수 있다. 또는, 도 3b에서 유로 스페이서(125)의 넓이가 동일하게 제작될 경우, 양전극(121a) 및 음전극(121b)의 거리가 가까워지며 전체 두께가 얇아지는 바, 동일 면적 대비 더 많은 양전극(121a) 및 음전극(121b)를 설치할 수 있어 비용 절감 및 작업 효율이 향상될 수 있다.Comparing FIGS. 3A and 3B , the flow path widths of the flow path spacer 125 of FIG. 3A and the flow path spacer 125 of FIG. 3B are different, and the flow path spacer 125 of FIG. 3B is much wider so that more raw water W1 or A liquid W2 containing ionic substances may flow. Alternatively, in FIG. 3B , when the flow path spacer 125 is manufactured to have the same width, the distance between the positive electrode 121a and the negative electrode 121b becomes closer and the overall thickness decreases, so that more positive electrodes 121a and more positive electrodes 121a and Since the negative electrode 121b can be installed, cost reduction and work efficiency can be improved.

따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따라 이온 교환막(124a, 124b)을 제거하고, 도 4에서 후술하는 시스템 운전 시퀀스를 조절하여 이온의 재흡착을 방지할 수 있다.Therefore, according to an embodiment of the present invention, the ion re-adsorption can be prevented by removing the ion exchange membranes 124a and 124b and adjusting a system operation sequence to be described later in FIG. 4 .

도 4a 및 4b는 종래 이온 교환막이 설치된 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 시스템 운전 시퀀스와, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축전식 탈염 모듈의 시스템 운전 시퀀스이다.4A and 4B are a system operation sequence of a conventional capacitive desalination module having an electrode provided with an ion exchange membrane and a system operation sequence of a capacitive desalination module according to an embodiment of the present invention.

도 4a에 도시된 바와 같이, 종래에는 단방향 전력 변환 모듈을 사용하고, 이온 교환막 결합형 축전식 타염 모듈을 사용하였는 바, 기존 축전식 탈염 모듈에서는 전극에 이온성 물질이 흡착된 후 전극을 재생할 때는 하전된 전극을 단락시켜 저항을 통해 열에너지로 소모시키게 되므로 에너지 회수가 되지 못하며, 정수 모드(흡착 과정)과 퇴수 모드(탈착 과정)을 수행할 때 각각 반대 극성을 교대로 사용해야 했다. 예를 들어, 정수 모드에서는 양전위, 퇴수 과정에서는 음전위를 사용한다.As shown in Fig. 4a, conventionally, a unidirectional power conversion module is used and an ion exchange membrane-coupled capacitive tartar module is used. Since the charged electrode is short-circuited and consumed as thermal energy through the resistor, energy cannot be recovered. For example, a positive potential is used in the water purification mode, and a negative potential is used in the evacuation process.

이때, 반대 극성을 인가하게 되면, 피크성 전류가 발생되어 전극의 소모가 가속화 되었기 때문에, 축전식 탈염 모듈을 포함하는 시스템이 파손될 수 있어 반드시 쇼트 구간을 두어 전극을 저항을 통해 단락시키고, 전극에 남아 있는 전하는 방전시켜야 했다.At this time, if the opposite polarity is applied, since a peak current is generated and the electrode consumption is accelerated, the system including the capacitive desalination module may be damaged. The remaining charge had to be discharged.

따라서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 이온 교환막 결합형인 기존 축전식 탈염 모듈은 정수 모드에서 300V의 전위로 흡착을 수행했으면, 전극을 단락시킨 쇼트 과정 후, 퇴수 모드에서 -300V의 전위로 탈착을 수행해야 하는 바, 전 구간에서 에너지가 소모되었다.Therefore, as shown in FIG. 4A, if the conventional capacitive desalination module of the ion exchange membrane coupled type performs adsorption at a potential of 300 V in the water purification mode, after a short process in which the electrode is short-circuited, desorption is performed at a potential of -300 V in the drain mode. As it has to be done, energy was consumed in all sections.

반면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 이온 교환막 제거형 축전식 탈염 모듈(120)에서 불필요한 쇼트 구간을 제거하고, 정수 모드와 같은 극성에서 곧바로 퇴수 모드를 수행할 수 있다. 상기 퇴수 모드에서 양방향 전력 변환 모듈(110)을 통해 전극에 충전된 전하를 방전시켜 계통으로 흘러보내게 되는 바, 퇴수시 발생하는 에너지를 양방향 전력 변환 모듈(110)을 통해 다시 계통으로 역전송하여 에너지를 회수할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 4B , an unnecessary short section may be removed in the ion exchange membrane removal type capacitive desalination module 120, and the water withdrawal mode may be directly performed at the same polarity as the water purification mode. In the evacuation mode, the charge charged in the electrode is discharged through the bidirectional power conversion module 110 to flow to the system, and the energy generated during evacuation is transferred back to the system through the bidirectional power conversion module 110 energy can be recovered.

즉, 양방향 전력 변환 모듈(110)과, 회생 에너지를 소모하는 저항의 제거를 통하여, 퇴수 과정에서 에너지를 회생하여 에너지가 절약되며, 쇼트 과정없이 정수 모드에서 곧바로 퇴수 모드로 진입할 수 있어 동일 사이클 대비 종래보다 더 많은 정수 과정 및 퇴수 과정을 반복할 수 있고, 그에 따라 물 회수율을 높일 수 있는 바 운전 효율이 더 뛰어나다.That is, through the bidirectional power conversion module 110 and the removal of the resistor that consumes regenerative energy, energy is saved in the draining process by regenerating energy, and it is possible to directly enter the draining mode from the water purification mode without a short-circuit process, so the same cycle Compared to the prior art, it is possible to repeat more water purification processes and water discharge processes, and accordingly, the water recovery rate can be increased, and the operating efficiency is superior.

또한, 쇼트 구간을 제거하여 정수 과정과 동일한 극성의 전위를 사용하여 퇴수 과정을 수행할 수 있는 바, 이온의 재흡착을 방지할 수 있고, 이온 교환막 없이도 전극 계면에 잔류한 이온이 전극 표면에 흡착하는 것을 방지하여 염제거율 감소를 막을 수 있다.In addition, by removing the short section, the water withdrawal process can be performed using a potential of the same polarity as that of the water purification process, thereby preventing re-adsorption of ions, and ions remaining at the electrode interface are adsorbed on the electrode surface without an ion exchange membrane. It is possible to prevent a decrease in the salt removal rate by preventing

따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 제어 모듈(130)은, 상기 정수 모드와 상기 퇴수 모드가 연속되어 교대로 수행하도록 설정된 주기 운전을 수행하며, 상기 정수 모드는 양의 정수 모드와 음의 정수 모드를 포함하며, 상기 퇴수 모드는 상기 정수 모드 이후에 상기 정수 모드와 동일한 극성의 전원을 공급할 수 있다.Accordingly, according to an embodiment of the present invention, the control module 130 performs a cycle operation set to continuously and alternately perform the water purification mode and the water discharge mode, and the water purification mode is a positive water purification mode and a negative water purification mode. It includes a water purification mode, and the drain mode may supply power having the same polarity as that of the water purification mode after the water purification mode.

즉, 이온 교환막 제거형 축전식 탈염 모듈(120)은 하나의 단위 셀 내에 더 많은 전극을 장착할 수 있고, 동일 사이클 대비 정수 과정 및 퇴수 과정을 더 많이 수행할 수 있으며, 정수 과정과 퇴수 과정이 동일한 극성 전위를 사용하여 이루어져 전극 계면에 잔류한 이온의 흡착을 방지해 염제거율을 높일 수 있다. 이를 통해 종래 대비 저렴한 비용으로 현저한 작업 효율을 얻을 수 있다.That is, the ion exchange membrane-removable capacitive desalination module 120 can mount more electrodes in one unit cell, perform more water purification processes and water discharge processes compared to the same cycle, and perform the water purification process and the water discharge process. It is made using the same polar potential to prevent adsorption of ions remaining at the electrode interface, thereby increasing the salt removal rate. Through this, it is possible to obtain remarkable work efficiency at a lower cost compared to the prior art.

도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈(120)의 운전 시스템에 포함된 제어 모듈(130)의 블록도이다. 5 is a block diagram of the control module 130 included in the operating system of the capacitive desalination module 120 having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.

제어 모듈(130)은, 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어하며, 구체적으로 양방향 AC/DC 컨버터(1101)와 양방향 DC/DC 컨버터(1102)를 제어할 수 있다. The control module 130 may control the bidirectional power conversion module 110 , and specifically control the bidirectional AC/DC converter 1101 and the bidirectional DC/DC converter 1102 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양방향 전력 변환 모듈(110)은, 교류 전원인 계통(10)으로부터 공급된 교류 전압과, DC 링크 커패시터(1103)의 직류 전압(Vdc)을 변환하는 양방향 DC/AC 컨버터(1101)와, 상기 DC 링크 커패시터(1103)의 직류 전압(Vdc)과, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 대응하는 직류 전압(Vo)을 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터(1102)를 포함하며, 정수 모드에는 교류 전원으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환한 상기 정수 전원을 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하며, 퇴수 모드에 상기 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환한 상기 퇴수 전원을 상기 교류 전원으로 회생시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the bidirectional power conversion module 110 is a bidirectional DC for converting the AC voltage supplied from the grid 10, which is an AC power, and the DC voltage (Vdc) of the DC link capacitor 1103 . A bidirectional DC/DC converter 1102 for converting a /AC converter 1101 and a DC voltage (Vdc) of the DC link capacitor 1103 and a DC voltage (Vo) corresponding to the capacitive desalination module 120 In the water purification mode, the purified power converted from the AC voltage supplied from the AC power source into a DC voltage is supplied to the capacitive desalination module 120, and the DC voltage across the capacitive desalination module 120 in the drain mode. It is possible to regenerate the drain power converted into the AC voltage as the AC power.

특히, 상기 양방향 AC/DC 컨버터(1101)는 계통(GRID, 10)에 연계되어 상기 계통(10)을 에너지 버퍼로 사용하며, DC 링크 커패시터(1103) 양단의 전압 Vdc를 일정하게 유지시켜주는 역할을 수행한다. 또한, 퇴수 과정에서 에너지 회생할 경우, DC 링크 커패시터(1103) 양단의 전압 Vdc의 전력 변환을 수행하여 AC 전원(Vs, Is)으로 계통(10)에 제공할 수 있다.In particular, the bidirectional AC/DC converter 1101 is connected to the grid GRID 10 to use the grid 10 as an energy buffer, and serves to maintain the voltage Vdc across the DC link capacitor 1103 constant. carry out In addition, when the energy is regenerated in the draining process, the power conversion of the voltage Vdc across the DC link capacitor 1103 may be performed to provide the AC power (Vs, Is) to the system 10 .

양방향 DC/DC 컨버터(1102)는 DC 링크 커패시터(1103) 양단의 전압 Vdc를 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈(120)에 대응되는 부하 전압 또는 출력 전압(Vo)과 부하 전류 또는 출력 전류(Io)으로 변환시켜 공급하는 역할을 수행한다.The bidirectional DC/DC converter 1102 converts the voltage Vdc across the DC link capacitor 1103 to the load voltage or output voltage Vo and the load current or output corresponding to the capacitive desalination module 120 having an electrode without an ion exchange membrane. It converts and supplies current (Io).

제어 모듈(130)은 도 5에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.The control module 130 may be configured as shown in FIG. 5 .

구체적으로, 양방향 AC/DC 컨버터(1101)과 관련하여, PI 제어기(404)는 오차 연산기(407)로부터 출력되는 DC 링크 커패시터(1103)에 저장된 직류 전압의 지령치(Vdc*) 및 실제 직류 전압(Vdc) 간의 오차 신호를 입력받아 유효 전력의 전류 크기(Id^*)를 출력할 수 있다. Specifically, with respect to the bidirectional AC/DC converter 1101, the PI controller 404 is the command value (Vdc*) of the DC voltage stored in the DC link capacitor 1103 output from the error calculator 407 and the actual DC voltage ( Vdc) may receive an error signal and output a current magnitude (Id ^* ) of active power.

승산기(406)는 PLL(Plase Locked Loop)(405)을 통해 얻은 교류 전압(Vs)의 위상에 사인 함수(sin wt)를 곱한 값과 위에서 구한 유효 전류 크기(Id^*)를 곱하여 교류 전류의 지령치(Is^*)를 얻을 수 있다.The multiplier 406 multiplies the value obtained by multiplying the phase of the AC voltage Vs obtained through the PLL (Place Locked Loop) 405 by the sine function (sin wt) and the effective current magnitude (Id ^* ) obtained above to obtain the command value of the AC current. (Is ^* ) can be obtained.

오차 연산기(407)는 승산기(406)로부터 출력되는 교류 전류의 지령치(Is^*)와 실제 교류 전류(Is)간의 오차를 연산할 수 있으며, 이를 AC 전류 제어기(408)를 통해 입력하여 구한 듀티(duty)를 AC 파형을 만드는 AC PWM 발생기(409)에 입력하면, 스위칭 파형을 얻을 수 있다. The error calculator 407 can calculate the error between the command value Is ^* of the alternating current output from the multiplier 406 and the actual alternating current Is, and the duty ( duty) is input to the AC PWM generator 409 for generating an AC waveform, a switching waveform can be obtained.

구체적인, 일 실시예로서, AC 전류 제어기는(408) 비례 공진 제어기(Proportional Reasonant, PR)가 사용될 수 있으며, 교류 전류의 지령치(Is^*)와 실제 교류 전류(Is)간의 오차는 비례 공진 제어기(PR)를 통해 교류 전원의 지령치(Vs^*)로 변환될 수 있다.Specifically, as an embodiment, the AC current controller 408 may use a proportional resonance controller (Proportional Reasonant, PR), and the error between the command value Is ^* of the AC current and the actual AC current Is is the proportional resonance controller ( PR) through the AC power setpoint value (Vs ^* ) can be converted.

또한, AC PWM 발생기(409)는 회로 방식에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 일 실시예로서, 비절연형 풀브릿지(Full-bridge) 구조이며, 단극성 또는 양극성 방식을 사용할 수 있다. 또는, 다른 일 실시예로서, 절연형 위상 시프트 방식이면 위상각 제어를 통해 AC 파형을 출력할 수 있다.In addition, the AC PWM generator 409 may be implemented in various forms depending on the circuit method, and as an embodiment, has a non-isolated full-bridge structure, and may use a unipolar or bipolar method. Alternatively, as another embodiment, in the case of an isolated phase shift method, an AC waveform may be output through phase angle control.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 양방향 DC/DC 컨버터(1102)와 관련하여, 모드 선택부(410)는 오차 연산기(411)로부터 출력되는 출력전압의 지령치(Vo*) 및 실제 출력 전압(Vo) 간의 오차 신호와, 오차 연산기(412)로부터 출력되는 출력 전류의 지령치(Io*) 및 실제 출력 전류(Io)를 입력받아 출력전압의 지령치(Vo*) 및 실제 출력 전압(Vo) 간 대소관계에 따라 모드를 선택할 수 있다. 즉, 출력전압의 지령치(Vo*) 및 실제 출력 전압(Vo)에 따라 제어 모듈(130)이 CC모드와 CV 모드를 선택하고 지령값을 변경할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 5 , in relation to the bidirectional DC/DC converter 1102 , the mode selector 410 includes a command value Vo* of the output voltage output from the error calculator 411 and the actual output voltage ( Vo) and the command value (Io*) and the actual output current (Io) of the output current output from the error calculator 412 are received and the difference between the command value (Vo*) of the output voltage and the actual output voltage (Vo) You can choose a mode according to the relationship. That is, the control module 130 may select the CC mode and the CV mode and change the command value according to the command value Vo* of the output voltage and the actual output voltage Vo.

더하여, PI 제어기(413)는 모드 선택부(410)로부터 결정되는 모드에 따라 전압 또는 전류를 제어하며, 이를 제공받은 DC PWM 발생부(414)를 통해 후술할 도 6과 같은 전압, 전류 파형을 출력할 수 있다. In addition, the PI controller 413 controls the voltage or current according to the mode determined by the mode selector 410, and receives the voltage and current waveforms as shown in FIG. 6 through the DC PWM generator 414 that is provided. can be printed out.

도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막이 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템의 정수 모드 및 퇴수 모드의 파형도로서, 상술한 양방향 DC/DC 컨버터(1102) 관련된 제어 모듈(130)의 제어 모드를 구체적으로 도시한 것이다.6 is a waveform diagram of the water purification mode and the water withdrawal mode of the operating system of the capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention, and the above-described bidirectional DC/DC converter 1102 related control module The control mode of 130 is specifically illustrated.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제어 모드는 전류 모드(CC)와 전압 모드(CV)로 구분되어 제어될 수 있다. As shown in FIG. 6 , the control mode according to the embodiment of the present invention may be controlled by being divided into a current mode (CC) and a voltage mode (CV).

실제 출력 전압(Vo)이 출력전압의 지령치(Vo*)보다 작으면 정전류 모드(CC 모드)로 운전하고, 실제 출력 전압(Vo)이 출력전압의 지령치(Vo*)보다 크면 정전압 모드(CV 모드)로 운전할 수 있다. When the actual output voltage (Vo) is less than the output voltage command value (Vo*), it operates in the constant current mode (CC mode), and when the actual output voltage (Vo) is greater than the output voltage command value (Vo*), the constant voltage mode (CV mode) ) can be driven.

도 6에 도시된 바와 같이, T1 구간은 CC 모드로 운전되며, 전류가 공급됨에 따라 충전이 수행되며 출력 전압(Vo)이 서서히 증가하여 최대치 Vo_max에 도달하면, CC모드에서 CV모드로 전환된다.As shown in FIG. 6 , the T1 section is operated in the CC mode, charging is performed as current is supplied, and when the output voltage Vo gradually increases to reach the maximum value Vo_max, the CC mode is switched to the CV mode.

또한, T2 구간은 CV 모드로 운전되며, 이온의 흡착이 일어나며 전극에 흡착되는 이온농도가 시간이 지남에 따라 점차 감소하게 되어 출력 전류(Io)가 서서히 감소하게 된다. 이때, T1+T2 토탈 시간을 정수시간으로 설정할 수 있으며, T1은 설정값이 아니라 CV모드에 접근하는 시간으로 자동 결정된다.In addition, the T2 section is operated in the CV mode, ions are adsorbed, and the ion concentration adsorbed to the electrode gradually decreases over time, so that the output current Io is gradually reduced. At this time, the T1+T2 total time can be set as an integer time, and T1 is automatically determined as the time to access the CV mode, not the set value.

정수설정시간인 T1+T2 시간이 지나면 정수 운전에서 퇴수 운전으로 바뀌도록 설정되며, CV 모드에서 다시 CC모드로 전환되고, 출력 전류 지령치(Io*)를 서서히 감소시켜, -Io_max까지 감소시킨다. 이때, 출력 전류(Io)가 반대로 방전되면서 출력 전압(Vo)이 서서히 감소하게 되고, T3 시간이 지난 후 출력 전압(Vo)이 0v 이하로 떨어지게 되면, 다시 정수 운전으로 바뀌게 된다. 즉, T3 시간은 퇴수기간으로 출력 전압이 0v가 되는 순간 자동으로 결정되는 값이다.After the T1+T2 time, which is the constant setting time, it is set to change from water purification operation to drain operation, and it is converted from CV mode to CC mode again, and the output current command value (Io*) is gradually decreased to -Io_max. At this time, as the output current Io is discharged in the opposite direction, the output voltage Vo gradually decreases, and when the output voltage Vo falls below 0v after the time T3 elapses, the operation is changed to the integer operation again. That is, the T3 time is a value that is automatically determined as soon as the output voltage becomes 0v as the water withdrawal period.

따라서, T1 시간은 CC(+) 모드, T2 시간은 CV 모드, T3시간은 CC(-) 모드이며, T1+T2 시간은 정수 운전 모드이고, T3 모드는 퇴수 운전 모드이다. Accordingly, time T1 is CC(+) mode, time T2 is CV mode, time T3 is CC(-) mode, time T1+T2 is a constant operation mode, and time T3 is a water drain operation mode.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 퇴수구간의 전압과 전류의 곱이 음(-)으로 되는 것을 볼 수 있고 이는 전력이 반대로 흘러(즉 계통으로 에너지가 회수) 에너지가 공급되는 것을 알 수 있다. 그리고 모든 전환 간의 과도상태에서의 전류 피크가 없이 부드럽게 천이가 이루어짐을 알 수 있다.That is, according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the product of voltage and current in the discharge section becomes negative (-), and it can be seen that power flows in the opposite direction (that is, energy is recovered to the system) and energy is supplied. . And it can be seen that there is no current peak in the transient state between all transitions, and the transition is made smoothly.

다만, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, CC(-) 모드에서 출력 전압(Vo)가 0v 이하로 음의 전압에 돌입하면, 전류와 전압이 같은 극성이 되며 다시 정수 운전이 수행될 수 있다. 음의 정수과정도 상술한 양의 정수과정과 유사하고 대칭적인 구조인 바 중복을 피하기 위해 더 이상의 설명은 생략한다.However, according to an embodiment of the present invention, when the output voltage Vo rushes to a negative voltage below 0v in the CC(-) mode, the current and the voltage have the same polarity, and the integer operation may be performed again. Since the negative integer process also has a similar and symmetrical structure to the above-described positive integer process, further description is omitted to avoid duplication.

따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 상기 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 상기 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하며, 상기 퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈에 상기 퇴수 전원을 상기 정수설정시간(T1+T2) 도과 후부터 상기 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 인가(T3)할 수 있다.Therefore, according to an embodiment of the present invention, in the water purification mode, the purified water power is applied to the capacitive desalination module for a preset purified water set time (T1+T2), and in the water discharge mode, the capacitive desalination module The drain power may be applied (T3) from the elapse of the constant set time (T1 + T2) until the polarity of the drain power is changed.

이때, 상기 제어 모듈(130)은, 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 일정한 직류 전류가 제공되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈(110)을 전류 모드(CC(+))로 제어하되, 상기 축전식 탈염 모듈(120)의 양단의 전압(Vo)이 목표 전압(Vo*)에 도달하면 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 일정한 직류 전압이 인가되도록 전압 모드(CV)로 제어하며, 이때, 상기 T1은 정수 모드 시작 시점부터 상기 축전식 탈염 모듈(120)의 양단의 전압이 목표 전압에 도달한 시점까지의 기간이다.At this time, the control module 130 controls the bidirectional power conversion module 110 in the current mode (CC(+)) so that a constant direct current is provided to the capacitive desalination module 120 in the water purification mode, When the voltage Vo at both ends of the capacitive desalination module 120 reaches the target voltage Vo*, it is controlled in the voltage mode (CV) so that a constant DC voltage is applied to the capacitive desalination module 120, at this time , T1 is a period from the start of the water purification mode to the time when the voltages at both ends of the capacitive desalination module 120 reach the target voltage.

또한, 퇴수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈(120)로부터 일정한 직류 전류가 출력되도록 상기 양방향 전력 변환 모듈(110)을 전류 모드(CC(-))로 제어할 수 있다.In addition, in the water withdrawal mode, the bidirectional power conversion module 110 may be controlled in a current mode (CC(-)) so that a constant DC current is output from the capacitive desalination module 120 .

도 7은 상술한 도 6에 따라 정수 또는 퇴수 모드별 플로우 차트를 도시한 것이다. FIG. 7 is a flowchart for each water purification or water discharge mode according to FIG. 6 described above.

도 7에 도시된 바와 같이, 정수설정시간 T1+T2는 사용자가 설정한 설정값으로, 충전 시간이 T1+T2를 도과하기 전이면(S701에서, 아니오), 출력 전류 지령치(Io*)를 Io_max까지 서서히 증가시키며(S702), T1+T2를 도과하면(S701에서, 예), 출력 전류 지령치(Io*) 감소시킨다(S703). 이때, T1+T2를 도과하면 양의 정수 모드(충전 모드)가 종료되며, 출력 전류 지령치(Io*)는 -Io_max까지 감소시킬 수 있다.7, the constant setting time T1+T2 is a set value set by the user. If the charging time exceeds T1+T2 (No in S701), the output current command value (Io*) is set to Io_max. is gradually increased (S702), and when T1+T2 is exceeded (S701, yes), the output current command value Io* is decreased (S703). At this time, when T1+T2 is exceeded, the positive integer mode (charging mode) is terminated, and the output current command value Io* can be reduced to -Io_max.

출력 전류 지령치(Io*) 감소하며 전류가 반대로 방전되면서 출력 전압(Vo)가 같이 감소되는데, 이때 출력 전압(Vo)이 0v 이하로 떨어지게 되면(S704에서 예), 다시 퇴수 모드(방전 모드)가 종료되고, 음의 정수 모드(음의 충전 모드)가 시작된다. 만약, 출력 전압(Vo)이 0v 이하로 떨어지지 않으면(S704에서, 아니오), 다시 S703로 되돌아가서, 출력 전류 지령치(Io*)를 서서히 감소시키며(S703), 출력 전압(Vo)을 확인한다.As the output current command value (Io*) decreases and the current is discharged in the opposite direction, the output voltage (Vo) decreases together. ends, and a negative integer mode (negative charging mode) begins. If the output voltage Vo does not fall below 0v (NO in S704), it returns to S703, and the output current command value Io* is gradually decreased (S703), and the output voltage Vo is checked.

음의 정수 모드(음의 충전 모드)가 시작되면, 정수설정시간 T1+T2 동안 음의 정수 모드로 운전될 수 있다. 따라서, 충전 시간이 T1+T2를 도과하기 전이면(S705에서, 아니오), 출력 전류 지령치(Io*)를 -Io_max까지 서서히 감소시키며(S706), 충전 시간이 T1+T2를 도과하면(S705에서, 예), 출력 전류 지령치(Io*)를 증가시킨다(S707). 이때, T1+T2를 도과하면 음의 정수 모드(충전 모드)가 종료되며, 출력 전류 지령치(Io*)는 Io_max까지 증가시킬 수 있다.When the negative water purification mode (negative charging mode) is started, it can be operated in the negative water purification mode for the water purification time T1+T2. Therefore, if the charging time is before T1+T2 (No in S705), the output current command value (Io*) is gradually reduced to -Io_max (S706), and when the charging time exceeds T1+T2 (S705) , yes), the output current command value Io* is increased (S707). At this time, when T1+T2 is exceeded, the negative integer mode (charging mode) is terminated, and the output current command value Io* can be increased up to Io_max.

출력 전류 지령치(Io*) 증가하며 출력 전압(Vo)이 같이 증가되는데, 이때 출력 전압(Vo)이 0v 이상으로 증가하게 되면(S708에서 예), 다시 퇴수 모드(방전 모드)가 종료되고, 양의 정수 모드(음의 충전 모드)가 시작된다(S701). 만약, 출력 전압(Vo)이 0v 이상으로 증가하지 않으면(S708에서, 아니오), 다시 S707로 되돌아가서, 출력 전류 지령치(Io*)를 서서히 증가시키며(S707), 출력 전압(Vo)을 확인한다.The output current command value (Io*) increases and the output voltage (Vo) increases together. At this time, when the output voltage (Vo) increases to 0v or more (Yes in S708), the drain mode (discharge mode) is terminated again, and the positive of water purification mode (negative charging mode) is started (S701). If the output voltage Vo does not increase to more than 0v (NO in S708), return to S707, gradually increase the output current command value Io* (S707), and check the output voltage Vo .

즉, 양의 충전 모드와 음의 충전 모드 T1+T2 시간 동안 정수 모드로 운전하며, T1+T2가 도과하고, 출력 전압의 극성이 변화하기 전까지 방전 모드로서, T3 시간 동안 퇴수 모드로 운전할 수 있다.That is, the positive charge mode and the negative charge mode operate in integer mode for T1+T2 time, and until T1+T2 elapses and the polarity of the output voltage changes, as the discharge mode, it can be operated in drain mode for T3 time. .

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템의 제어 방법에 있어서, 양의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 제1 단계, 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간(T1+T2)이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류(Io*)를 감소시키며, 상기 축전식 탈염 모듈(120)을 방전시키는 제2 단계, 음의 정수 모드에서, 상기 축전식 탈염 모듈(120)에 정수 전원을 기 설정된 정수설정시간(T1+T2) 동안 인가하여 충전시키는 제3 단계 및 퇴수 모드에서, 상기 정수설정시간(T1+T2)이 도과하면, 퇴수 전원의 극성이 변경될 때까지 목표 전류(Io*)를 증가시키며, 상기 축전식 탈염 모듈(120)을 방전시키는 제4 단계를 포함할 수 있으며, 상기 제1 단계 내지 제4 단계를 주기로 하여 반복 수행할 수 있다.Therefore, according to an embodiment of the present invention, in the control method of the operating system of the capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane, in the positive water purification mode, the purified power is supplied to the capacitive desalination module 120 In the first step of charging by applying for a set integer set time (T1+T2), in the drain mode, when the set integer set time (T1+T2) has elapsed, the target current (Io*) until the polarity of the drain power is changed In the second step of discharging the capacitive desalination module 120, in a negative water purification mode, by applying purified power to the capacitive desalination module 120 for a preset purified water setting time (T1 + T2) In the third step of charging and in the drain mode, when the constant set time (T1 + T2) has elapsed, the target current (Io*) is increased until the polarity of the drain power is changed, and the capacitive desalination module 120 may include a fourth step of discharging the , and the first to fourth steps may be repeated as a cycle.

도 8는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈(120)의 운전 시스템에 포함된 양방향 전력 변환 모듈(110)의 회로도이다. 도 1 및 도 5의 양방향 AC/DC 컨버터(1101), 양방향 DC/DC 컨버터(1102) 및 DC 링크 커패시터(1103)을 포함하는 양방향 전력 변환 모듈(110)을 구체화한 일 예시적인 회로도이다.8 is a circuit diagram of the bidirectional power conversion module 110 included in the operating system of the capacitive desalination module 120 having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention. It is an exemplary circuit diagram embodying the bidirectional power conversion module 110 including the bidirectional AC/DC converter 1101, the bidirectional DC/DC converter 1102 and the DC link capacitor 1103 of FIGS. 1 and 5 .

즉, 양방향 전력 변환 모듈(110)은 양방향 AC/DC 컨버터(1101)와 양방향 DC/DC 컨버터(1102)를 포함하며, 그 밖에 LC 필터부(340)와 EMI 필터부를 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 일 실시예로서, 후술할 회로 외에 양방향 DC/DC 컨버터(1102)와 양방향 AC/DC 컨버터(1101)는 다른 회로 토폴로지로 구성될 수도 있다. That is, the bidirectional power conversion module 110 includes a bidirectional AC/DC converter 1101 and a bidirectional DC/DC converter 1102 , and may include an LC filter unit 340 and an EMI filter unit. However, this is an exemplary embodiment, and in addition to a circuit to be described later, the bidirectional DC/DC converter 1102 and the bidirectional AC/DC converter 1101 may have different circuit topologies.

상술한 양방향 전력 변환 모듈(110)은, 정수 모드에는 교류 전원(10)으로부터 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환한 정수 전원을 축전식 탈염 모듈(120)에 공급하며, 퇴수 모드에서는 축전식 탈염 모듈(120) 양단의 직류 전압을 교류 전압으로 변환한 퇴수 전원을 교류 전원(10)으로 회생시킬 수 있다.The above-described bidirectional power conversion module 110 supplies the purified power converted from the AC voltage supplied from the AC power supply 10 to a DC voltage to the capacitive desalination module 120 in the water purification mode, and in the evacuation mode, capacitive desalination The drain power obtained by converting the DC voltage at both ends of the module 120 into the AC voltage may be regenerated into the AC power supply 10 .

구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 양방향 전력 변환 모듈(110)은 절연용 변압기(312)와, 절연용 변압기(312)의 1차측 전압(Vpri)을 형성하는 제1 모듈(311)과, 절연용 변압기(312)의 2차측 전압(Vsec)을 형성하는 제2 모듈(313)과, 제2 모듈(313)과 축전식 탈염 모듈(도 1의 120 참조) 사이에 배치되어 직류 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터(1103)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 모듈(311), 절연용 변압기(312), 제2 모듈(313)을 포함하는 회로(310)는 메인 모듈(310)이다. 도 5와 비교하여, 상기 메인 모듈(310)이 양방향 AC/DC 컨버터(1101)와 동일한 기능을 수행하는 동일한 구성일 수 있다.Specifically, as shown in FIG. 8 , the bidirectional power conversion module 110 includes an insulation transformer 312 and a first module 311 that forms a primary-side voltage Vpri of the insulation transformer 312 and , is disposed between the second module 313 and the second module 313 and the capacitive desalination module (see 120 in FIG. 1) for forming the secondary side voltage (Vsec) of the insulation transformer 312 to obtain a DC voltage It may be configured to include a DC link capacitor 1103 to store. The circuit 310 including the first module 311 , the isolation transformer 312 , and the second module 313 is the main module 310 . Compared with FIG. 5 , the main module 310 may have the same configuration as that of the bidirectional AC/DC converter 1101 .

상술한 제1 모듈(311)은, 제1 상부 스위치(T1) 및 제2 상부 스위치(T2)로 구성된 한 쌍의 상부 스위치(T1, T2)와, 한 쌍의 상부 스위치(T1, T2)와 직렬 연결된 제1 하부 스위치(B1) 및 제2 하부 스위치(B2)로 구성된 한 쌍의 하부 스위치(B1, B2)와, 2개의 전압 분배용 커패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.The above-described first module 311 includes a pair of upper switches T1 and T2 composed of a first upper switch T1 and a second upper switch T2, and a pair of upper switches T1 and T2 and It may include a pair of lower switches B1 and B2 including the first lower switch B1 and the second lower switch B2 connected in series, and two voltage division capacitors C1 and C2.

한편, 제2 모듈(313)은, 병렬 연결된 제1 레그(T3, B3) 및 제2 레그(T4, B4)를 포함하는 풀 브리지 구조로, 제1 레그(T3, B3)는 직렬 연결된 제3 상부 스위치(T3)와 제3 하부 스위치(B3)로 구성되고, 제2 레그(T4, B4)는 직렬 연결된 제4 상부 스위치(T4)와 제4 하부 스위치(B4)로 구성될 수 있다.Meanwhile, the second module 313 has a full-bridge structure including first legs T3 and B3 and second legs T4 and B4 connected in parallel, and the first legs T3 and B3 are third connected in series. It may include an upper switch T3 and a third lower switch B3, and the second legs T4 and B4 may include a fourth upper switch T4 and a fourth lower switch B4 connected in series.

한편, 극성 변환 모듈(330)은 병렬 연결된 제3 레그(T5, B5) 및 제4 레그(T6, B6)를 포함하는 풀 브리지 구조로, 제3 레그(T5, B5)는 직렬 연결된 제5 상부 스위치(T5)와 제5 하부 스위치(B5)로 구성되고, 제4 레그(T6, B6)는 직렬 연결된 제6 상부 스위치(T6)와 제6 하부 스위치(B6)로 구성되며, 퇴수 모드에서 축전식 탈염 모듈(120)에 부착된 잔류 이온을 제거하기 위해 DC 링크 커패시터(320)의 직류 전압의 극성을 변환하여 축전식 탈염 모듈(120)에 제공할 수 있다. 도 5와 비교하여, 상기 극성 변환 모듈(330)이 양방향 DC/DC 컨버터(1102)와 동일한 기능을 수행하는 동일한 구성일 수 있다.On the other hand, the polarity conversion module 330 has a full-bridge structure including a third leg (T5, B5) and a fourth leg (T6, B6) connected in parallel, the third leg (T5, B5) is a fifth upper part connected in series It is composed of a switch T5 and a fifth lower switch B5, and the fourth legs T6 and B6 are composed of a sixth upper switch T6 and a sixth lower switch B6 connected in series, and the power storage in the drain mode In order to remove residual ions attached to the type desalination module 120 , the polarity of the DC voltage of the DC link capacitor 320 may be changed and provided to the capacitive desalination module 120 . Compared with FIG. 5 , the polarity conversion module 330 may have the same configuration as that of the bidirectional DC/DC converter 1102 .

한편, 미설명된 도면부호 340은 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 L-C 필터이며, CT2는 축전식 탈염 모듈(120)로 흐르는 전류(Io)를 측정하는 전류 센서이며, CT1는 교류 전원(10)에서 흐르는 전류(Is)를 측정하는 전류 센서이며, SPD(Serge Protection Device)는 서지 보호 디바이스이며, GRID FUSE는 과전류를 방지하는 퓨즈이며, RY_GRID는 일종의 릴레이이며, CO는 입력단의 커패시터이며, ACL은 입력단의 인덕터를 의미한다.On the other hand, undescribed reference numeral 340 is an L-C filter composed of an inductor (L) and a capacitor (C), CT2 is a current sensor that measures the current (Io) flowing to the capacitive desalination module 120, CT1 is an AC power source It is a current sensor that measures the current (Is) flowing in (10), SPD (Serge Protection Device) is a surge protection device, GRID FUSE is a fuse that prevents overcurrent, RY_GRID is a kind of relay, CO is a capacitor at the input terminal, and , ACL means the inductor of the input stage.

도 8에 도시된 회로도에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 양방향 전력 변환 모듈(110) 중 양방향 AC/DC 컨버터(1101)에 대한 제어 모듈(130)은 다음과 같이 제어를 수행할 수 있다.According to the circuit diagram shown in FIG. 8 , the control module 130 for the bidirectional AC/DC converter 1101 of the bidirectional power conversion module 110 according to an embodiment of the present invention may perform control as follows. have.

정수시 절연용 변압기(312)의 1차측 전압(Vpri)의 위상이 2차측 전압(Vsec)의 위상보다 기 설정된 위상차(Phase Shift, PS)만큼 앞서도록 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어하며, 퇴수시에는 절연용 변압기(312)의 2차측 전압(Vsec)의 위상이 1차측 전압(Vpri)의 위상보다 기 설정된 위상차(PS)만큼 앞서도록 양방향 전력 변환 모듈(110)을 제어할 수 있다. 상술한 위상차(PS)는 '외부 레그 위상차(outer leg phase shift)'로도 지칭될 수 있다.Controls the bidirectional power conversion module 110 so that the phase of the primary voltage (Vpri) of the insulation transformer 312 at the time of water purification is ahead by a preset phase difference (Phase Shift, PS) than the phase of the secondary voltage (Vsec), At the time of withdrawal, the bidirectional power conversion module 110 may be controlled such that the phase of the secondary voltage Vsec of the insulation transformer 312 is ahead of the phase of the primary voltage Vpri by a preset phase difference PS. The above-described phase difference PS may also be referred to as an 'outer leg phase shift'.

여기서, 기 설정된 위상차는 하기 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.Here, the preset phase difference may be determined according to Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

여기서, PS는 기 설정된 위상차, Vs^*는 교류 전압(Vs)의 지령치, Ts는 스위칭 주기, n은 절연용 변압기(312)의 턴비, Vdc는 DC 링크 커패시터(320)의 전압 크기일 수 있다.Here, PS is a preset phase difference, Vs ^* is a command value of the AC voltage (Vs), Ts is a switching period, n is a turn ratio of the insulation transformer 312 , and Vdc may be a voltage level of the DC link capacitor 320 .

구체적으로, PI 제어기(404)는 오차 연산기(407)로부터 출력되는 DC 링크 커패시터(320)에 저장된 직류 전압의 지령치(Vdc*) 및 실제 직류 전압(Vdc) 간의 오차 신호를 입력받아 유효 전력의 전류 크기(Id^*)를 출력할 수 있다. Specifically, the PI controller 404 receives an error signal between the command value (Vdc*) of the DC voltage stored in the DC link capacitor 320 output from the error calculator 407 and the actual DC voltage (Vdc) and receives the current of the active power. You can print the size (Id ^* ).

오차 연산기(407)는 승산기(406)로부터 출력되는 교류 전류의 지령치(Is^*)와 실제 교류 전류(Is)간의 오차를 연산할 수 있으며, 이를 AC 전류 제어기(408)를 통해 듀티(duty)를 구하여 AC 파형을 만드는 AC PWM 발생기(409)에 입력하면, 스위칭 파형을 얻을 수 있다. The error calculator 407 may calculate an error between the command value Is ^* of the AC current output from the multiplier 406 and the actual AC current Is, and the error calculator 408 determines the duty through the AC current controller 408 . If it is input to the AC PWM generator 409 that generates an AC waveform by obtaining it, a switching waveform can be obtained.

이후, 구체적인 일 실시예로서, AC PWM 발생부(409)는 절연형 위상 시프트 방식을 사용하여 위상차 연산부가 사용될 수 있으며, 그 경우 교류 전원의 지령치(Vs^*)는 위상차 연산부로 입력되고, 위상차 연산부는 상술한 수학식 1에 의해 위상차(PS)를 연산할 수 있다.Then, as a specific embodiment, the AC PWM generating unit 409 may use a phase difference calculating unit using an isolated phase shift method. In this case, the command value (Vs ^* ) of the AC power is input to the phase difference calculating unit, and the phase difference calculating unit can calculate the phase difference PS by Equation 1 described above.

한편, 이후 스위칭 로직에서는 위에서 구한 위상차(PS)와 교류 전원(Vs)의 부호에 기초하여 양방향 전력 변환 모듈(110)의 제1 모듈(311)의 스위치들(T1, B1, T2, B2)을 스위칭하기 위한 스위칭 신호(ST1, SB1, ST2, SB2)와 제2 모듈(313)의 스위치들(T3, B3, T4, B4)을 스위칭하기 위한 스위칭 신호(ST31, SB31, ST4, SB4)을 생성할 수 있다. 스위칭 신호들(ST1, SB1, ST2, SB2, ST31, SB31, ST4, SB4)을 생성하는 로직은 상술한 수학식 1 및 다음과 같이 동작하도록 제어될 수 있는 한 다양한 방법으로 구현 가능하며(가장 단순하게는 ST1 신호를 기준으로 타이머를 이용하여 구현될 수 있음), 본 발명에서는 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.On the other hand, in the subsequent switching logic, based on the sign of the phase difference (PS) and the AC power (Vs) obtained above, the switches (T1, B1, T2, B2) of the first module 311 of the bidirectional power conversion module 110 are The switching signals ST1, SB1, ST2, SB2 for switching and the switching signals ST31, SB31, ST4, SB4 for switching the switches T3, B3, T4, and B4 of the second module 313 are generated. can do. The logic for generating the switching signals ST1, SB1, ST2, SB2, ST31, SB31, ST4, SB4 can be implemented in various ways as long as it can be controlled to operate as in Equation 1 and the following (the simplest (may be implemented using a timer based on the ST1 signal), a detailed description thereof will be omitted in the present invention.

구체적으로, 제어 모듈(130)은 제1 모듈(311)의 제1 상부 스위치(T1)와 제1 하부 스위치(B1), 그리고 제2 상부 스위치(T2)와 제2 하부 스위치(B2)를 상보적으로 스위칭하며, 제2 모듈(313)의 제1 레그(T3, B3)를 구성하는 제3 상부 스위치(T3) 및 제3 하부 스위치(B3), 그리고 제2 레그(T4, B4)를 구성하는 제4 상부 스위치(T4) 및 제4 하부 스위치(B4)를 상보적으로 스위칭할 수 있다.Specifically, the control module 130 complements the first upper switch T1 and the first lower switch B1 of the first module 311 , and the second upper switch T2 and the second lower switch B2 of the first module 311 . Switching to each other, the third upper switch (T3) and the third lower switch (B3) constituting the first leg (T3, B3) of the second module (313), and the second leg (T4, B4) may complementarily switch the fourth upper switch T4 and the fourth lower switch B4.

또한, 본 발명에서 제1 레그(T3, B3)를 구성하는 제3 상부 스위치(T3) 및 제3 하부 스위치(B3)의 스위칭 신호의 위상과 제2 레그(T4, B4)를 구성하는 제4 상부 스위치(T4) 및 제4 하부 스위치(B4)의 스위칭 신호의 위상 간의 위상차('내부 레그 위상차(inner leg phase shift'라 함)는, 위에서 구한 위상차(PS)의 1/2의 값을 가지도록 스위칭될 수 있다.In addition, in the present invention, the phase of the switching signal of the third upper switch (T3) and the third lower switch (B3) constituting the first leg (T3, B3) and the fourth constituting the second leg (T4, B4) The phase difference between the phases of the switching signals of the upper switch T4 and the fourth lower switch B4 (referred to as 'inner leg phase shift') has a value of 1/2 of the phase difference PS obtained above. can be switched to

이는 예시적인 실시예에 불과하며, 본 발명에서는 통상의 기술자가 자명하게 변경하거나 도출해낼 수 있는 양방향 AC/DC 컨버터(1101)와 양방향 DC/DC 컨버터(1102)와 동일한 변환을 수행할 수 있는 다른 회로 토폴리지, 또는 수많은 조합의 회로에도 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈(120)이 적용될 수 있다.This is only an exemplary embodiment, and in the present invention, the bidirectional AC/DC converter 1101 and the bidirectional DC/DC converter 1102 that can be changed or derived by a person skilled in the art can be derived from other types of conversion that can be performed in the same manner as the bidirectional DC/DC converter 1102 . The capacitive desalination module 120 having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention may be applied to circuit topologies, or circuits of numerous combinations.

상술한 바와 같은 구성을 통해, 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈(120)과 양방향 전력 변환 모듈(110)을 이용하여 쇼트 구간을 없애 같은 사이클에서 종래 대비 더 많은 정수 및 퇴수 모드를 반복할 수 있어 물의 회수율이 올라가며, 하나의 단위 셀 내에 더 많은 전극을 장착할 수 있어 비용 절감 및 운전 효율이 더욱 향상할 수 있다.Through the configuration as described above, by using the capacitive desalination module 120 and the bidirectional power conversion module 110 having an electrode without an ion exchange membrane, the short section is eliminated, and more water purification and drainage modes are repeated in the same cycle than in the prior art. This increases the recovery rate of water, and more electrodes can be installed in one unit cell, thereby reducing cost and further improving operating efficiency.

한편, 도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템을 실제 시험했을 때 유입수 및 처리수의 전기전도도 및 시험 파형도이다.Meanwhile, FIGS. 9A and 9B are diagrams of electrical conductivity and test waveforms of influent and treated water when the operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention is actually tested.

도 9a에 도시된 바와 같이, 원수인 유입수의 TDS는 1000ppm 정도이며, 처리수의 ppm은 정수시에 200ppm으로 떨어지고, 퇴수 시에 1800ppm으로 상승함을 볼 수 있다. As shown in FIG. 9A , it can be seen that the TDS of the influent, which is the raw water, is about 1000 ppm, and the ppm of the treated water drops to 200 ppm at the time of purification and rises to 1800 ppm at the time of the discharge.

또한, 도 9b에 도시된 바와 같이, 정수 모드와 퇴수 모드에서의 전압과 전류 파형이 도 6에 도시된 전압, 전류 파형도와 일치함을 알 수 있다.Also, as shown in FIG. 9B , it can be seen that the voltage and current waveforms in the water purification mode and the water withdrawal mode coincide with the voltage and current waveform diagrams shown in FIG. 6 .

상술한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이온 교환막 없는 전극을 구비한 축전식 탈염 모듈의 운전 시스템의 제어 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.The method for controlling the operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention described above may be produced as a program to be executed by a computer and stored in a computer-readable recording medium. Examples of the computer-readable recording medium include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, and the like. In addition, the computer-readable recording medium is distributed in a computer system connected through a network, so that the computer-readable code can be stored and executed in a distributed manner. And a functional program, code, and code segments for implementing the method can be easily inferred by programmers in the art to which the present invention pertains.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, '프로세서'는 다양한 방식, 예를 들면 프로세서, 프로세서에 의해 수행되는 프로그램 명령들, 소프트웨어 모듈, 마이크로 코드, 컴퓨터 프로그램 생성물, 로직 회로, 애플리케이션 전용 집적 회로, 펌웨어 등에 의해 구현될 수 있다.In addition, in describing the present invention, 'processor' is used in various ways, for example, a processor, program instructions executed by the processor, software module, microcode, computer program product, logic circuit, application-specific integrated circuit, firmware, etc. can be implemented by

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings. It is intended to limit the scope of rights by the appended claims, and it is to those of ordinary skill in the art that various types of substitutions, modifications and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims. it will be self-evident

10: 교류 전원, 110: 양방향 전력변환모듈
1101: 양방향 AC/DC 컨버터, 1102: 양방향 DC/DC 컨버터
1103: DC 링크 커패시터,
120: CDI 모듈, 121a: 양전극
121b: 음전극, 122: 음이온
123: 양이온, 124a: 음이온 교환막
124b: 양이온 교환막, 125: 유로 스페이서
130: 제어 모듈,
310: 메인 모듈, 311: 제1 모듈
312: 절연용 변압기, 313: 제2 모듈
330: 극성 변환 모듈, 340: L-C 필터
404: PI 제어기, 405: PLL,
406: 승산기, 407: 오차 연산기,
408: AC 전류 제어기, 409: AC PWM 발생부
410: 모드 선택부, 411, 412: 오차 연산기,
413: PI 제어기, 414: DC PWM 발생부,10: AC power, 110: bidirectional power conversion module
1101: bidirectional AC/DC converter, 1102: bidirectional DC/DC converter
1103: DC link capacitor;
120: CDI module, 121a: positive electrode
121b: negative electrode, 122: negative ion
123: cation, 124a: anion exchange membrane
124b: cation exchange membrane, 125: flow path spacer
130: control module;
310: main module, 311: first module
312: isolation transformer, 313: second module
330: polarity conversion module, 340: LC filter
404: PI controller, 405: PLL,
406: multiplier, 407: error calculator;
408: AC current controller, 409: AC PWM generator
410: mode selection unit, 411, 412: error calculator,
413: PI controller, 414: DC PWM generator,

Claims

Capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane;
A direct-current voltage converted from an AC voltage supplied from an AC power source is supplied to the capacitive desalination module during water purification, and the DC voltage at both ends of the capacitive desalination module is converted into an AC voltage at the time of draining the water to be regenerated into the AC power source. power conversion module; and
a control module for controlling the bidirectional power conversion module;
Including, the operating system of the capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane.

According to claim 1,
The bidirectional power conversion module,
A bidirectional DC/AC converter for converting the AC voltage supplied from the AC power source and the DC voltage of the DC link capacitor;
a bidirectional DC/DC converter for converting the DC voltage of the DC link capacitor and the DC voltage corresponding to the capacitive desalination module,
In the water purification mode, the purified water converted from the AC voltage supplied from the AC power supply to the DC voltage is supplied to the capacitive desalination module,
A system for operating a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane for regenerating the evacuation power source obtained by converting the DC voltage at both ends of the capacitive desalination module into an AC voltage in a draining mode to the AC power source.

3. The method of claim 2,
The control module performs a cycle operation set to alternately perform the water purification mode and the water discharge mode continuously,
The integer mode includes a positive integer mode and a negative integer mode,
The water withdrawal mode supplies power of the same polarity as the water purification mode after the water purification mode,
Operating system of capacitive desalination module with electrode without ion exchange membrane.

4. The method of claim 3,
The control module is
In the water purification mode, the water purification power is applied to the capacitive desalination module for a preset water purification time (T1 + T2),
In the drain mode, the drain power is applied to the capacitive desalination module from the elapse of the constant set time (T1 + T2) until the polarity of the drain power is changed,
Operating system of capacitive desalination module with electrode without ion exchange membrane.

5. The method of claim 4,
The control module is
In the water purification mode, the bidirectional power conversion module is controlled in the current mode so that a constant DC current is provided to the capacitive desalination module, and when the voltage at both ends of the capacitive desalination module reaches a target voltage, the capacitive desalination module is constant The voltage mode is controlled so that a DC voltage is applied, and at this time, T1 is the period from the start of the water purification mode to the time when the voltages at both ends of the capacitive desalination module reach the target voltage,
A system for operating a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane, which controls the bidirectional power conversion module in a current mode so that a constant direct current is output from the capacitive desalination module in a draining mode.

A capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane, and a DC voltage converted from an AC voltage supplied from an AC power supply during water purification is supplied to the capacitive desalination module, and direct current across the capacitive desalination module when water is discharged A method of controlling a control method of a capacitive desalination module operating system having an electrode without an ion exchange membrane including a bidirectional power conversion module that converts a voltage into an AC voltage and regenerates it into the AC power source, and a control module that controls the bidirectional power conversion module in,
A first step of charging by applying purified power to the capacitive desalination module for a preset purified water set time (T1 + T2) in a positive water purification mode;
a second step of discharging the capacitive desalination module by decreasing the target current until the polarity of the drain power supply is changed when the water purification time has elapsed in the water discharge mode;
a third step of charging the capacitive desalination module by applying purified power for a preset purified water set time (T1+T2) in the negative water purification mode; and
a fourth step of discharging the capacitive desalination module by increasing the target current until the polarity of the drain power supply is changed when the water purification set time has elapsed in the water discharge mode;
A method of controlling an operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane, comprising a.

7. The method of claim 6,
In the first step, before the preset constant setting time (T1 + T2) elapses, the target current is increased,
In the third step, before the preset constant setting time (T1 + T2) elapses, the target current is reduced,
A method of controlling an operating system of a capacitive desalination module having an electrode without an ion exchange membrane.

A computer-readable recording medium recording a program for executing the method of claim 6 or 7 on a computer.