KR102051763B1 - 재생에너지 발전설비의 전력레벨 천이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축전지보다 발전설비의 전압이 낮아졌을 때도 축전지의 충전이 가능토록 하는 기술로서, 특히 보충전력을 연동하여 발전설비의 전력을 보충제어하는 기술이다.
본 발명은 미약한 에너지원에서도 발전설비의 충전전력이 유지되도록 하는 충전장치를 제공하되 충전이 불가능하게 되는 시간적인 갭이 없고 충격 전력이 없이 연속적으로 충전이 가능한 기술을 제공코자 하는 등의 목적 하에 발명된 것으로, 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및 상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 부하단으로 제공되는 발전설비의 전력을 유효전력 이상으로 보충 조절하는 전력보충부를 포함하며, 상기 전력보충부는, 외부전원으로부터 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극으로 전력을 공급하는 자동레벨조절부를 포함하되, 상기 발전설비의 전압이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부가 상기 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록, 상기 발전설비와 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계 하에 연결되어 상기 부하단으로 전력공급 루트를 형성하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 목적의 본 발명은 약한 에너지 상황에서의 매우 낮은 기전력(전압)에서도 축전지 충전이 가능토록 하되 특히 승압 작용에서 나타나는 시간적인 충전 불가능 갭을 해소하면서 역률을 극대화시키는 효과가 있다. 나아가 승압에서 발생되는 종래의 충격 전력을 해소하여 초과전압 전력손실도 아울러 방지 및 안전성도 강화할 수 있는 효과가 있다.

Description

재생에너지 발전설비의 전력레벨 천이 장치{POWER LEVEL SHIFTING DEVICE OF GENERATION FACILITY USED RENEWABLE ENERGY}

본 발명은 충전 대상인 축전지보다 발전설비의 전압이 낮아졌을 때 충전에 필요한 전압으로 낙차를 유지시키는 등의 기술로서, 특히 직선적으로 가변되는 보충전력을 연동하여 무효화 될 발전설비의 전력을 유효전력으로 재활용하는 기술이다.

자연현상을 재생 에너지원으로 이용하는 발전설비의 기술에는 풍력, 파력, 조력, 태양광 등 여러 가지가 있으며, 각각 풍력발전기, 파력발전기, 조력발전기, 태양광발전기(태양전지)로 불리고 있다. 이로부터의 발전 전력은 교류(AC)를 출력하거나 부하에 연결된 축전지를 직접 충전하는 직류(DC)를 출력하도록 구성된다. 교류를 출력하는 경우 인버터, 직류를 출력하는 경우 컨버터가 응용된다.

여기서 종래의 자연력 예를 들어 풍력 및 파력의 경우에는 바람의 강 약 및 파고의 고 저에 따른 변화, 조력의 경우는 조금과 사리의 물때에 따른 유속 변화, 그리고 태양광의 경우는 맑은 날과 흐린 날의 차이는 물론 아침과 저녁 무렵 및 지역에 따른 일조량 변화를 항상 수반하게 되며, 이러한 차이는 결국 역률(발전설비의 전체 작동기간 동안 실제로 부하로 공급되는 유효전력이 얻어지는 시간율을 말하며, 통상적인 용어해석에 불구하고 본 발명에서 역률은 이와 같이 정의한다)이 발전설비의 효율을 저하시키는 문제점으로 나타난다.

즉 바람이나 파도의 세기가 변화함을 묘사한 도 1에 있어서 바람이나 파도의 세기가 큰 상황에서만 부하에 적정하게 전력(e)을 공급토록 발전 전압을 설정(A)하는 경우에는 전체적인 기간(t) 동안 발전설비가 유효하게 작동하는 기간(역률)이 적어질 수밖에 없으며, 이를 개선코자 바람이나 파도가 약한 경우에도 부하에 적정한 전력(e)을 공급토록 발전 전압을 설정(B)하는 경우에는 전체적인 기간(t) 동안 발전설비가 유효하게 작동하는 기간(역률)은 증가하지만 강한 에너지(P점)가 발생할 경우 자동전압조절기를 통해 전력을 억제하는 손실(P점과 B선의 차이가 지나치게 크게 됨을 말하며, 이하 이를 초과전력이라 정의한다)이 클 수밖에 없는 문제점을 야기한다. 또한 설정기준을 A점에서 B점으로 변경한다는 것은 결국 발전 전압을 높게 설정한다는 것이기도 하므로 이에 따른 발전설비의 권선(용량) 증가 등의 비효율적 문제점이 있다. 예를 들어 부하가 24V축전지인 상태에서 충전 가능한 기준점 A를 24V로 설정했다면 24V보다 높은 전압으로 발생하는 시간동안에만 충전이 가능하므로 전체적인 기간으로 보아서는 충전 가능 시간율이 20% 정도에 그치는 문제점이 있다. 반면에 충전 가능한 기준점 B를 24V로 설정한 경우는 전체 발전기간 중 충전이 가능한 시간율은 80% 이상에 이르지만 이 경우 P점의 전압이 상대적으로 높아져 예컨대 그래프로서 예상할 수 있듯이 최대점이 100V 이상에 달하기도 하므로 특히 자동전압조절기 내에서 삭감되는 100V-24V=76V(76%)가 손실로 되고 고전압에 따른 안전성 문제도 대두됨을 이 분야 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다. 나아가 고전압의 문제에 이르게 되면 집적회로(IC) 또는 MPU(Microprocessor Unit)의 전원에 관한 트러블도 어려움으로 나타난다.

태양광발전설비(태양전지를 포함한다)의 경우는 도 2와 같이 묘사된다. 즉 이 역시 흐린 날과 아침저녁 무렵에서 효과적인 발전 효과를 이루도록 하기 위해서는 발전 전압을 A점 보다는 B점으로 설정 즉 발전 전압을 상시 높게 설정할 필요가 있는데, 이 경우 정오에 발생하는 P점과의 손실이 마찬가지의 문제를 일으킨다. 뿐만 아니라 태양광발전설비에서 발전 전압을 높인다는 것은 곧 태양전지 셀의 수량을 증가하는 것이므로, 셀의 수량증가에 따른 설치비 및 장소(공간) 부담, 시공의 복잡 및 가격의 증가 문제점도 수반되는 것이다. 이를 감안하여 현대의 태양전지는 여름과 겨울 평균적으로 1일 중 약 4시간만 충전할 수 있게 설계하고 그림자 때문에 복층 내지 다층으로 설치하는 구조는 아예 염두조차 못 내고 있다.

1일 중 4시간 정도 충전할 수 있도록 설계된 구조를 대상으로 좀 더 자세히 묘사한 도면이 도 3 및 도 4이다. 즉 도 3은 도 2에서의 정오 무렵에 충전이 가능토록 발전설비의 전압이 축전지 전압보다 높음을 나타낸 것으로 이에 따라 도 3은 자연낙차의 원리로서 발전설비로부터 축전기 계통으로 전류가 흐르게 되어 충전이 이루어진다. 여기서 낙차가 클수록 축전기 계통으로 흘러들어가는 전력이 클 것은 당업자에게 자명한 사실이다. 그러나 도 2에서 아침, 저녁 무렵이나 흐린 날씨에 해당하는 도 4의 경우는 발전설비의 전압이 축전기 계통의 전압보다 더 낮아져서 충전은 불가능하다. 때로는 흐린 날에도 태양전지의 무부하 전압이 축전지 이상에 달하는 경우가 있지만 이것은 겉보기의 전압이 그럴 뿐 광력이 미약할 때 수반되는 태양전지 내의 내부저항 증가 때문에 실제로 축전지에는 자연낙차의 작용에 이를 정도로 전류를 공급하지 못하므로 충전 기능 측면, 즉 전력면에서 본다면 작동불능으로 되는 것은 마찬가지다.

특히 태양광 모듈은 여러 장의 태양전지를 직렬로 연결하여 만들어지는 것이기에 직렬로 배열된 태양전지판의 일부에 그림자가 드리워지면 직렬의 특성 때문에 그림자가 있는 부위와 서로 직렬로 연결된 다른 태양전지 전류(또는 전압) 또한 떨어져 결국 발전량이 급격히 감소하게 되는데, 이것이 병렬로 연결된 어레이 중 어느 하나가 아니라 전체 어레이 모두에서 발생될 경우 부하단에 공급되는 전력은 미달되므로 실질적인 발전설비로서의 기능은 마비된다.

대한민국 특허출원번호 10-2010-0040192(출원일자 2010년04월29일, 발명의 명칭 : 커패시터 직렬접속 제어 기반의 미약 전력 재활용 충전장치)호는 이러한 문제를 해결하기 위하여 안출된 직류 승압 기술이다(도 5의 개념도 참조). 특히 이 발명은 도 6, 도 7, 도 8로 발췌 도시한 바와 같은 3종류 회로 구성을 모태로 하고 있는 바, 발전설비의 전력을 커패시터(C1, C2,... Cn)에 순간순간 충전을 하였다가 이를 기하학적으로 적층(stack, 쌓아 올림)하여 축전기 계통에 충전 전력을 공급하는 기술을 핵심으로 한다. 여기서 기하학적으로 쌓아 올리는 적층 기술은 3-2b, 3-2c 및 3-2d 블록 내부에 포괄되어 있는 스위치(3-2-1, 3-2-2, SH1, SH2, SHn, S1, S2,...)와 복수의 커패시터(C1, C2,... Cn) 등이다.

즉 이러한 복수의 스위치와 복수의 커패시터에 의하여 도 6은 도 9a와 같은 원리로, 도 7은 도 9b와 같은 원리로서 작동을 하여 가장 상위단의 전압이 축전기 계통(2)으로 흘러들어가 충전을 하게 된다.

그러나 이 구성은 발전기의 전압에서 배수로 펌핑되는 원리이므로 배수로 전환될 때마다 축전지로 공급되는 충격 전력이 문제로 대두되는 미흡함이 있으며, 또한 커패시터에 충전과 방전을 하는 과정에서 커패시터(C1, C2, C3,...)를 충전하는데 소요되는 기간(도 9a의 t1) 동안은 축전기 계통에 전력이 공급되지 않고, 오직 방전 기간(t2)에 한하여 축전기 계통이 충전되는 효율의 문제점이 제기될 수 있다. 이 충전에 소요되는 기간(t1)은 태양전지의 경우 내부저항이 클수록 길어지고 나아가서는 발전설비의 전압이 낮아질수록 적층의 단수가 증가하여 점점 더 길어질 수 있다(도 9b의 t1 참조). 이러한 문제점으로 인해 대전력 발전설비에 이를 이용하기는 미흡한 실정이다.

따라서 대용량의 발전설비용으로서 승압 전력이 직선적(Linearity)으로 가변될 수 있는 새로운 발명을 연구할 필요성이 대두되었다.

미약한 전기를 승압시키는 기술로는 일본국 특원2001-261506(출원일자; 2001년8월30일, 발명의 명칭; 태양전지전원시스템)호가 있지만 초퍼 코일과 축적 커패시터를 사용하여 발전설비에 대해 병렬로 연결되어 작동되는 점에서 발전설비의 전력과 보충전력을 직렬로 연동하여 무효전력을 극히 최소화하면서 승압을 달성하는 본 발명의 목적, 구성, 효과와는 기술의 내용에서 상이하다. 전술한 바와 같은 대한민국 특허출원10-2010-0040192(출원일자; 2010년04월29일, 발명의 명칭; 커패시터 직렬접속 제어 기반의 미약 전력 재활용 충전장치)호는 복수의 커패시터와 스위치를 이용하여 발전설비의 전력을 기하학적으로 쌓아 올려서 승압시키는 구조이다. 이와 같은 선행기술은 기하학적으로 쌓아 올리는 과정의 기간 동안에는 충전이 불가능한 시간 갭(gap)이 발생하는 문제점이 있고 이러한 현상은 태양전지의 내부저항이 높을수록 커패시터의 충전기간이 길어지므로 두드러지게 나타난다. 따라서 복수의 커패시터와 복수의 스위치를 배제함은 물론, 특히 충전이 불가능한 시간 갭을 없애기 위하여 본 발명에서 보조전원을 발전설비의 전력에 직렬로 연결하고, 나아가서는 전체 출력 레벨이 일정하도록 보조전원과 발전설비의 전력을 스무스(smooth)하게 결합시키는 본 발명과는 목적과 구성과 효과가 원리적으로 상이하다. 대한민국 공개특허공보의 공개번호 특2002-0087100(2002.11.21.)호는 울트라 커패시터 기반의 다이내믹하게 조절되는 전하 펌프전력 컨버터에 관한 것이므로 커패시터를 이용한 펌프(pump) 작용에서 서로 대비해 볼 수 있다. 이에 관하여 상기 선행기술은 휴대용 전자장치인 부하에 전원을 제공하는 컨버터로서의 목적 하에, 플라잉 울트라-커패시터(CUF)를 포함하는 전하 펌프의 스위치 매트릭스를 다이내믹한 동작 주파수로서 변화시킴으로써 수요에 따른 안정된 승압 내지 강압 전력을 제공하는 구성임을 알 수 있다. 즉 울트라 커패시터(CUF)의 주파수응답특성과 스위칭주파수를 상호 대응시킴으로써 2배의 범위 내에서 전압의 안정된 승강압 제어를 달성하는 것이므로, 이 역시 스위치를 없앤 소형화는 물론 10배까지도 승압을 가능하게 한 본 발명의 목적과 구성과 효과와는 상이한 것이다. 만약 2배의 범위로 승압시키는 구성 그대로를 본 발명과 같은 10배의 승압에 적용한다면 휴대폰 전압의 배터리(5V)를 기준으로 한다하더라도 50V에 달하게 되므로 통상적으로 15V 내지 32V 내압인 IC가 파괴되고 마는 치명적 문제가 일어나며, 특히 본 발명이 목표로 하는 24V에 적용할 경우 240V까지 상승하게 되므로 이 선행기술로서는 본 발명에서 착상한 고전력 및 고전위의 승압장치는 결코 유추될 수 없는 것이다. 본 발명으로 24V를 충전시키고자 하는 경우 발전설비의 전압이 26,5V일 때 2.5V의 낙차로 충전될 것은 물론이고, 발전설비의 전압이 3V까지 하강하더라도 발전설비 전압 3V + 보충전압 23.5V = 26.5V로서 당초 그대로 충전가능전압에 이르도록 유지되는 것을 알 수 있는 바, 이처럼 대용량 발전설비에 있어서 충전 불가능 시간 갭이 없이 승압하면서 제어회로보다 높은 전압에 이르도록 인터페이스로서 플로팅 제어하는 기술은 선행기술에서도 찾아 볼 수 없다. 본 발명은 24V를 예시하였지만 실질적으로는 230V, 350V, 10KW, 100KW 등의 고전압, 고전력 용도를 포함하여 안출된 것이다. 나아가 본 발명의 제6실시예에서는 비록 10단의 승압부로 하드웨어가 구성되었을지라도 소프트웨어적으로 26.5V의 범위 내에서 안정을 이루도록 전압이 자동적으로 보충되며, 특히 내압을 중요시 하는 IC 등과 고전력부를 분리 작동시키면서 신호로 연동시키는 점에서도 선행기술들과는 큰 차이가 있다.

본 발명의 제1목적은 미약한 에너지원에서도 발전설비의 충전전력이 유지되도록 하는 충전 장치를 제공하되 충격 전력이 발생하지 않는, 즉 리플이 없는 새로운 승압충전 기술을 제공코자 함에 있다.

본 발명의 제2목적은 발전설비에서 전력이 생성되는 한 이를 유효전력으로 모두 활용하도록 발전설비의 전력 레벨 기준점을 천이시켜서 결과적으로 출력전력을 증가시키는 보충전력 연동 기술을 제공코자 함에 있다.

본 발명의 제3목적은 태양전지의 모듈의 구조 내지는 용량에 적응하여 분할 또는 병합할 수 있는 병렬확장 구성의 전력보충 기술을 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 제4목적은 나아가 태양전지 모듈을 다층으로 설치하여 위층과 아래층 간의 충전기능을 자동 제어할 수 있는 새로운 재생에너지 기술을 제공코자 함에 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1예(도 13)에 따른 발전설비의 전력레벨 천이 장치는:

발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 부하단(선택적으로 축전기 연결을 포함할 수 있다)으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 부하단으로 공급되는 발전설비의 전력을 유효전력 이상으로 보충 조절하는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는,

외부전원으로부터 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩하여 공급하는 자동레벨조절부를 포함하되,

상기 발전설비의 전력이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부가 상기 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록, 상기 발전설비와 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계 하에 연결되어 상기 부하단으로 전력공급 루트를 형성하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제2예(도 14)에 따른 발전설비의 전력레벨 천이 장치는:

발전설비로부터 축전기 계통을 포함하는 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 부하단으로 공급되는 발전설비의 전력을 유효전력 이상으로 보충 조절하는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는,

상기 축전기로부터 보충 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩하여 공급하는 자동레벨조절부를 포함하되,

상기 발전설비의 전력이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부가 상기 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록, 비안정 상태의 전력을 생산하는 상기 발전설비와 안정 상태의 보충 전력에 연동되는 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계 하에 연결되어 상기 부하단으로 전력공급 루트를 형성하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 위와 같은 제2예의 구성은 다음 표현으로 개시될 수 있다. 즉,

부하단으로 전력을 공급하는 발전설비;

상기 발전설비로부터 전력을 공급받아 저장하는 적어도 하나의 축전기;

상기 발전설비로부터 상기 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 부하단의 전력이 상기 유효전력 이상이 되도록 상기 부하단으로 공급될 발전설비의 전력을 증가시키는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는 상기 유효전력 미만에 따라 상기 발전설비의 전력을 증가시킬 때 상기 감지된 전력에 따라 상기 축전기로부터 상기 발전설비로 공급되는 전력의 양을 조절하되, 상기 전력의 양은 상기 발전설비로부터의 출력전력이 기설정된 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 조절되며,

상기 기설정된 레벨은 상기 유효전력보다는 큰 레벨인 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제3예(도 15)에 따른 발전설비의 전력레벨 천이 장치는:

발전설비로부터 제1축전기 계통으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 제1축전기 계통으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 제1축전기 계통으로 공급되는 발전설비의 전력을 증강하는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는,

예비 전원인 제2축전기로부터 보충 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩하여 공급하는 자동레벨조절부를 포함하되,

상기 발전설비의 전력이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부가 상기 발전설비로부터 제1축전기 계통으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록, 비안정 상태의 전력을 생산하는 상기 발전설비와 안정 상태의 보충 전력에 연동되는 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계 하에 연결되어 상기 제1축전기 계통으로 전력공급 루트를 형성하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 위와 같은 제2예는 다음 표현으로 개시될 수 있다. 즉

부하단으로 전력을 공급하는 발전설비;

상기 발전설비로부터 전력을 공급받아 저장하는 적어도 제1축전기;

상기 발전설비로부터 상기 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 부하단의 전력이 상기 유효전력 이상이 되도록 상기 부하단으로 공급될 발전설비의 전력을 증가시키는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는 상기 유효전력 미만에 따라 상기 발전설비의 전력을 증가시킬 때 상기 감지된 전력에 따라 예비 전원인 제2축전기로부터 상기 발전설비로 공급되는 전력의 양을 조절하되, 상기 전력의 양은 상기 발전설비로부터의 출력전력이 기설정된 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 조절되며,

상기 기설정된 레벨은 상기 유효전력보다는 큰 레벨인 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제4예(도 16)에 따른 발전설비의 전력레벨 천이 장치는:

발전설비로부터 제1축전기 계통으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 제1축전기 계통으로 공급되는 전력이 충전가능전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 제1축전기 계통으로 공급되는 발전설비의 전력을 증강하는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는,

예비 전원인 제2축전기로부터 보충 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩 공급하는 자동레벨조절부를 포함하되,

상기 발전설비의 전력이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부가 상기 발전설비로부터 제1축전기 계통으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록, 비안정 상태의 전력을 생산하는 상기 발전설비와 안정 상태의 보충 전력에 연동되는 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계 하에 연결되어 전력공급 루트를 형성하는 한편, 상기 제1축전기 계통과 상기 제2축전기 전원의 연결에는 스위칭부가 게재되어 상기 스위칭부로서 상기 제1축전기 계통과 제2축전기 전원이 서로 역할을 바꾸어 상기 전력보충부에 연동시키도록 된 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제4예는 다음 표현으로 개시될 수 있다. 즉,

부하단으로 전력을 공급하는 발전설비;

상기 발전설비로부터 전력을 공급받아 저장하는 적어도 제1축전기;

상기 발전설비로부터 상기 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 부하단의 전력이 상기 유효전력 이상이 되도록 상기 부하단으로 공급될 발전설비의 전력을 증가시키는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는 상기 유효전력 미만에 따라 상기 발전설비의 전력을 증가시킬 때 상기 감지된 전력에 따라 예비 전원인 제2축전기로부터 상기 발전설비로 공급되는 전력의 양을 조절하되, 상기 전력의 양은 상기 발전설비로부터의 출력전력이 기설정된 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 조절되며,

상기 기설정된 레벨은 상기 유효전력보다는 큰 레벨임과 아울러,

상기 제1축전기와 상기 발전설비 및 상기 제2축전기와 상기 전력보충부의 사이에는 스위칭부가 게재 연결되어 상기 스위칭부가 상기 제1축전기와 제2축전기의 역할을 서로 바꾸도록 연결점을 전환시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제5예(도 24)에 따른 발전설비의 전력레벨 천이 장치를 이용한 전력의 매입매출 시스템으로는:

발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 부하단으로 공급되는 발전설비의 전력을 유효전력 이상으로 보충 조절하는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는,

전력회사의 전력시스템으로부터 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩하여 공급하는 자동레벨조절부를 포함하되,

상기 발전설비의 전력이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부가 상기 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록. 비안정 상태의 전력을 생산하는 상기 발전설비와 안정 상태의 전원에 연동되는 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계 하에 연결되어 상기 부하단으로 전력공급 루트를 형성함과 아울러, 상기 부하단의 출력이 상기 전력회사의 전력시스템에 제공되도록 연동되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 각각의 실시예에서는:

상기 전력감지제어부는 충전가능전압(유효전력) 미만에서 구동되고 충전가능전압 이상에서 정지되며 상기 발전설비로부터의 전력의 변화에 추종하여 축전기 계통을 포함하는 부하단이 충전가능전압으로 되도록 제어되는 구성으로 실시될 수 있다.

또한 상기 전력보충부는 시리즈 레귤레이터 또는 도시생략된 스위칭 레귤레이터 및 전력감지제어부를 연동시키되 펄스제어와 펄스정형회로, 즉 펄스제어 레귤레이터로서 전력보충부의 삽입손실을 최소화하면서 발전설비의 음극 전원을 레벨-업(즉, 천이)시키는 구성으로 실시될 수 있다.

상기 스위칭부는 제1축전기 계통과 상기 제2축전기 전원의 역할을 상호 전환시키는 작동이 주기적으로 자동화되는 구성으로 실시될 수 있다.

또한 상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제6예(도 25)에 따른 발전설비의 출력전위 기준점 제어장치를 이용하는 시스템 구성으로는:

발전설비로부터 축전기 계통으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 전력감지제어부에 연동되고 상기 축전기 계통으로 공급되는 전력이 충전가능전력 이하인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 축전기 계통으로 제공되는 상기 발전설비의 전력을 보충하는 하이브리드부;

상기 하이브리드부의 구동신호를 발생하는 제어신호발생부;

상기 제어신호발생부와 상기 하이브리드부에 연결되어 상기 하이브리드부의 전력 보충의 범위를 제어토록 연동하는 하이브리드제어부의 구성으로서

상기 하이브리드제어부는,

상기 전력감지제어부에 연결되고 상기 발전설비의 전력 변화에 대응시켜 제어레벨을 조절하는 레벨조절부와 상기 레벨조절부의 제어레벨에 상기 구동신호를 적응시켜 구동레벨신호로 혼성하는 구동레벨신호변환부에 의해 달성하도록 되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 제6실시예에서는:

상기 하이브리드제어부에는 인터페이스부를 연동하는 구성을 더 포함할 수 있고, 상기 인터페이스부는 상기 구동레벨신호변환부의 출력단과 상기 하이브리드부의 입력단 간의 특성 차이를 극복하여 구동레벨신호를 매개하는 구성으로 실시될 수 있다.

상기 전력감지제어부는 하이브리드부가 출력하는 전체적인 시스템 전력을 감지하여 상기 레벨조절부를 제어하도록 연동하는 구성을 포함하거나, 상기 축전기 계통으로 공급되는 전압의 변화를 감지하여 상기 레벨조절부를 제어하도록 연동하는 구성을 포함하거나, 상기 축전기 계통으로 흐르는 전류의 변화를 감지하여 상기 레벨조절부를 제어하도록 연동하는 구성을 포함하거나, 상기 하이브리드부의 출력단에서 전압의 변화를 감지하여 과대한 구동레벨신호의 첨두 부분을 자르게끔 상기 레벨조절부를 제어하는 구성을 더 포함하게끔 실시될 수 있다.

또한 상기 레벨조절부는 레귤레이터에 의하여 미세단위로 제어레벨을 설정하도록 구성되거나, 상기 발전설비의 전력 계통 중 일부를 분류한 전원을 상기 레귤레이터에 의해 제어레벨로 조절한 후 상기 구동레벨신호변환부로 연동하는 구성이거나, 외부전원으로부터 공급되는 전원을 상기 레귤레이터에 의해 제어레벨로 조절한 후 상기 구동레벨신호변환부로 연동하는 구성으로 실시될 수 있고, 또한 상기 레벨조절부는 보조 축전지로부터 공급되는 전원을 레귤레이터에 의해 제어레벨로 조절한 후 상기 구동레벨신호변환부로 연동하는 구성으로 실시될 수 있다.

여기서 상기 레벨조절부의 제어레벨 설정은 직류레귤레이터의 출력전압 조절 단자를 상기 전력감지제어부의 출력단에 결합 연동하여서 달성하거나, 상기 전력감지제어부가 제어하는 단속 신호에 따른 듀티비 변화의 작용으로 달성하도록 구성될 수 있다.

또한 상기 레벨조절부는 상기 발전설비의 전압 변화를 감지하여 상기 구동레벨신호의 최대레벨 범위를 결정하는 구성을 더 포함하도록 구성될 수 있다.

또한 상기 구동레벨신호변환부는 상기 구동신호를 정극성 및 역극성으로 변환하면서 레벨을 조절한 구동레벨신호를 하이브리드제어부의 출력으로 발생하는 구성을 포함할 수 있다.

또한 상기 하이브리드부는 직렬 연결된 복수의 다이오드와 상기 직렬 연결된 복수의 다이오드의 각 노드에서 각각 분류된 복수의 커패시터로서 이루어진 다이오드 커패시터 어레이로 구성되고, 상기 다이오드 커패시터 어레이의 다이오드 입력단을 상기 발전설비 계통에 연결하는 한편 상기 다이오드 커패시터 어레이의 다이오드 출력단을 상기 축전기 계통에 연결하며, 상기 다이오드 커패시터 어레이의 각 커패시터 입력단을 상기 하이브리드제어부의 구동레벨신호에 매칭 연동하여서 되는 구성을 포함할 수 있다.

또한 상기 하이브리드부는 직렬 연결된 복수의 다이오드와 상기 직렬 연결된 복수의 다이오드의 각 노드에서 각각 분류된 복수의 커패시터로서 이루어진 다이오드 커패시터 어레이로 구성되고, 상기 인터페이스부는 복수의 푸쉬풀회로로 구성되며,

상기 다이오드 커패시터 어레이의 다이오드 입력단을 발전설비 계통에 연결하는 한편 상기 다이오드 커패시터 어레이의 다이오드 출력단을 축전기 계통에 연결하여 전력 보충 경로를 구성하면서, 상기 다이오드 커패시터 어레이의 각 커패시터 입력단을 상기 복수의 푸쉬풀회로에 매칭 연동하여서 상기 복수의 푸쉬풀회로를 경유하는 구동레벨신호에 따라 하이브리드부의 전력 보충이 설정된 범위로 제어되는 구성을 포함할 수 있다.

여기서 상기 푸쉬풀회로는 NPN과 PNP로 조합된 복수의 다링톤(darington) complimentary TR로 된 구성될 수 있다.

나아가 상기 하이브리드부, 인터페이스부, 제어신호발생부, 하이브리드제어부 또는 전력감지제어부 중 적어도 어느 하나에는 빛의 밝기를 감지하여 작동을 제어하는 광센서부를 연동하는 구성을 포함할 수 있으며, 또한 상기 하이브리드부, 인터페이스부, 제어신호발생부, 하이브리드제어부 또는 전력감지제어부 중 적어도 어느 하나에는 설정된 시각에 작동을 제어하는 예약제어부를 연동하는 구성을 포함할 수 있다. 또한 상기 하이브리드부, 인터페이스부, 제어신호발생부, 하이브리드제어부 또는 전력감지제어부 중 적어도 어느 하나에는 원격지에 작동상태를 전달할 수 있는 원격감시제어수단이 연동되는 구성을 포함할 수 있다.

또한 상기 제어신호발생부, 레벨조절부, 구동레벨신호변환부는 CPU를 연동하는 입출력단 구성 및 MPU에 내장된 제어신호발생프로그램과 레벨조절프로그램과 구동레벨신호제어프로그램으로 각각 수행하도록 구성될 수 있다.

나아가 상기의 각 구성을 복수개로 병렬 연동하는 구성을 포함하도록 실시할 수 있고 이를 이용하여 태양전지판을 다층으로 연동 설치할 수도 있다. 이때 상기 전력보충부는 적어도 1개 이상의 상기 층마다 독립적으로 연동되는 구성인 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 용어 중 축전지 계통은 발전설비의 부하단에 연결되는 구성 중 일례를 묘사한 것이므로, 상위개념의 용어로 부하단이라는 용어를 사용할 수 있다. 마찬가지로 상기 설명한 용어 중 충전가능전력이라 함은 유효전력이라는 용어를 사용할 수 있다. 한편, 도 2의 P점과 B점 사이에서 부하단에서 요구하는 전력 이상으로 불필요하게 생산되는 초과전력을 본 발명에서는 무효전력이라고 사용할 수 있다.

위와 같은 목적의 본 발명은 약한 에너지 상황에서의 낮은 기전력(전압)에서도 축전지 충전이 가능토록 하되 특히 승압 작용에서 나타나는 시간적인 충전 불가능 갭을 해소하면서 역률을 극대화시키는 효과가 있다. 나아가 승압에서 발생되는 종래의 충격 전력을 해소하면서 초과전력(무효전력) 손실도 아울러 방지하고, 고전력에 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 발전설비와 보충전원이 상호협동 관계로 직렬 연동되어 발전설비의 전력레벨을 천이시키므로써 발전설비에서 전력이 생성되는 한 이를 모두 유효전력으로 활용하며, 보충전력도 유효전력으로 피드백 되어 부하단(축전지 등)으로 공급되므로 구조적으로 무효전력 손실이 없는 효과가 있다.

또한 본 발명은 초퍼로 구성되거나 커패시터와 스위치로 구성되는 종래 기술과는 원리적으로 다른 구성을 제공함으로써 보다 소형화 및 보다 안정적인 충전전력을 확보하는 효과가 있다(다만 본 발명의 자동레벨조절부의 세부적 구성에서는 이러한 초퍼 혹은 스위칭 레귤레이터를 사용할 수 있다).

또한 본 발명은 발전설비의 전력에 추종하여 전력의 증가 범위를 직선적으로 가변하므로 미약전력으로 되는 전력의 하한선에서도 작동됨은 물론, 불필요한 초과전력을 억제시켜 높은 효율을 얻는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면 전력회사에 유휴전력을 제공할 때도 안정적인 발전 전력으로 전력의 안정을 기하는 품질확보의 효과가 있다.

본 발명에 의하면 태양전지 중 일부에 그림자가 드리워지더라도 그림자가 드리워진 셀 그룹과 드리워지지 않은 셀 그룹이 본 발명의 자동레벨조절부에 의해 독립적으로 작동하여 각각 부족한 전력만큼을 보충할 수 있게 되는 효과가 있으며, 이를 통해 복층 내지 다층의 태양전지판에서도 전력이 생산되는 한 모두 활용할 수 있게 되므로 전력설비의 장소, 비용을 절감하고 무효화 되었던 에너지를 재활용 하는 등의 다중 효과가 있다.

나머지 각 구성요소별로 나타나는 구체적인 효과는 각 실시예를 설명하면서 해당 실시예에서 개시하기로 한다.

도 1은 자연현상을 이용하여 전력을 생산하는 발전설비에서는 통상적으로 불규칙한 전력으로 생성됨을 설명하는 도면.
도 2는 태양전지의 경우로 예를 들어 도 1의 현상을 구체적으로 예시한 도면.
도 3은 발전설비의 생성 전력이 정상적일 때 축전기 계통으로 충전 전류가 흐르는 이유를 기하학적인 전압차 현상으로 설명하는 도면.
도 4는 발전설비의 생성 전력이 낮을 때 축전기 계통으로 충전 전류가 흐르지 못하는 이유를 기하학적인 전압차 현상으로 설명하는 도면.
도 5는 도 4의 경우 발전설비의 전압을 승압하여 충전이 가능하게 하는 종래기술의 원리를 회로적으로 도시한 블록다이어그램.
도 6 내지 도 8은 도 5를 가능하게 하는 종래기술, 즉 스위치들과 커패시터들을 이용하여 펌핑하는 기술을 발췌 도시한 블록다이어그램.
도 9a 및 도 9b는 종래기술인 도 6과 도 7이 작동할 때 충전이 불가능한 시간적 갭(t1)이 발생하는 이유를 기하학적으로 설명한 도면.
도 10 및 도 11은 종래기술인 도 9a 및 도 9b에 대비하여 본 발명의 구동원리가 상이하고 승압을 통해 충전을 이루는 작용이 보다 안정적임을 기하학적인 원리로 설명한 도면(시간적 갭이 없어짐).
도 12는 상기 도 10 및 도 11의 기본원리에서 더욱 진보된 작용을 통해 예를 들면 태양전지의 전력의 변화에 추종하여 본 발명이 작동하는 원리를 설명한 도면.
도 13은 본 발명의 제1실시일례를 도시한 블록다이어그램.
도 14, 도 15 및 도 16은 본 발명의 제2, 제3, 제4 실시의 일례를 도시한 블록다이어그램.
도 17, 도 18, 도 19, 도 20 및 도 21은 본 발명의 전력보충부의 실시일례를 도시한 블록다이어그램.
도 22 및 도 23은 본 발명 도 16의 실시일례에서 사용되는 스위치 구조의 일례를 나타낸 블록다이어그램.
도 24는 도 13에 개시된 본 발명을 이용하는 제5실시예의 시스템 구성을 도시한 블록다이어그램.
도 25는 본 발명의 제6실시의 일례를 도시한 블록다이어그램.
도 26a, 도 26b 및 도 26c는 본 발명의 제6실시예 중의 구성요소인 제어신호발생부를 예시한 블록다이어그램.
도 27a 및 도 27b는 본 발명 제6실시예 중의 구성요소인 전력감지제어부를 예시한 블록다이어그램.
도 28a, 도 28b 및 도 28c는 본 발명 제6실시예 중의 구성요소인 레벨조절부를 예시한 블록다이어그램.
도 29a, 도 29b 및 도 29c는 본 발명 제6실시예 중의 구성요소인 레벨조절부와 전력감지제어부를 연동한 일례를 나타낸 블록다이어그램.
도 30a, 도 30b, 도 30c, 도 30d 및 도 30e는 본 발명 제6실시예에서의 구성요소간 결합상태를 여러 각도에서 예시한 블록다이어그램.
도 31a, 도 31b, 도 31c, 도 31d 및 도 31e는 본 발명 제6실시예의 작용을 그래프로서 설명하기 위한 예시 도면.

구체적인 설계는 실시단계에서 더 부가 또는 변형될 수 있으나, 대표적인 바람직한 구성을 하나씩 들어 도시 설명하는 이하 구성 및 작용 설명만으로도 본 발명의 기술사상을 잘 알 수 있을 것이다. 다만 이하 실시예로 도시한 회로 내지 구성요소 간 연동체계는 본 발명을 한정하는 의미가 아니며, 부품의 설계에 따라 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 실시예가 존재할 수 있다.

특히 본 발명은 세부 구성요소에서 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정한 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 자세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서는 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 즉 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되는 것으로, 예를 들어 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

이하에서 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 10은 본 발명의 개념을 나타낸다. 즉 본 발명은 발전설비의 전력이 충전가능전력에 이르지 못할 때 보충전력을 부가적으로 가하여 발전설비의 전력레벨 기준점을 천이시킴으로써 그 합으로 충전가능전력에 이르도록 하는 구성을 제공한다. 도 10의 예에서 보충전력의 전위는 레벨1(Level 1)에 이르렀고, 이 레벨1이 발전설비의 음극 전원을 들어 올리도록 직렬로 연동됨으로써 결국 발전설비의 양극 전원은 레벨2(Level 2)로 승압되어 그 승압으로 인해 평상시처럼 축전기 계통에 충전이 이루어지는 것이다. 여기서 음극 전원에 직렬로 연동된 것은 양극 전원에 연결될 수도 있는 것으로 이 원리는 본 발명의 전 구성에 적용될 수 있다.

이 구성을 도 9a 또는 도 9b와 비교해 보면 본 발명인 도 10 실시예는 기본적으로 충격 전력이 없는 원리를 채택하고 있음을 알 수 있을 것이며, 따라서 이 보조전원은 발전설비의 전력을 승압하되 스무스(smooth)하게 가변시키는, 즉 직선적으로 조절하는 역할을 함을 알 수 있을 것이다.

도 11은 발전설비의 전력이 매우 낮은 경우를 나타낸다. 예를 들면 발전설비의 전압이 2V에 달하는 경우 보충전력(Level 1)은 축전기 계통의 전압(24V)과 유사하게 가하여지고 이 레벨1에 의하여 발전설비의 전압의 상위점(레벨2)은 레벨1(24V)+2V=26V가 되므로 그대로 충전가능전압이 유지되는 것이다(실제로 바람직한 충전전력은 26.5V이지만 이하에서는 편의상 26V라 하기로 한다).

나아가 도 12는 예를 들면 태양전지로 전기를 생산하는 실제 환경에서 아침, 정오, 저녁에 전압이 변화(도 2 참조)하는 것에 대응되게 역으로 보충전압이 가변됨으로써 레벨2 점이 피크치(P)로 높아지지 않고 안정된 전압으로 축전기 계통에 공급되는 작용을 나타낸다. 이처럼 발전설비의 상위점이 평탄하다는 것은 도 2에서 있은 초과전압으로 인한 손실을 방지할 수 있다는 것인데, 이것은 보충전압이 레벨1-1(도 12의 Level 1-1)로부터 레벨1-2(도 12의 Level 1-2)까지의 범위에서 직선적으로 대응하여 스무스(smooth)하게 가변되기 때문이다. 후술하는 바 본 발명에서는 이를 전력보충부(13)의 자동레벨조절부(13-2) 또는 하이브리드부(17)와 하이브리드제어부(13-5)가 담당하여 처리한다.

도 13은 본 발명의 제1실시 일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

발전설비(1)로부터 부하단(4)으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부(14); 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 부하단(4)으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 부하단으로 공급되는 발전설비(1)의 전력을 유효전력 이상으로 보충 조절하는 전력보충부(13)를 포함하며,

상기 전력보충부는,

외부전원으로부터 보충 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩하여 공급하는 자동레벨조절부(13-2)를 포함하되,

상기 발전설비의 전력이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부(13-2)가 상기 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 상승시켜 조절(천이)하도록, 비안정 상태의 전력을 생산하는 상기 발전설비와 안정 상태의 보충 전원에 연동되는 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계 하에 연결되어 상기 부하단(4)으로 전력공급 루트를 형성하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 발전설비(1)와 상기 부하단(4)의 사이에 게재된 다이오드(11-1)는 역전류를 방지하는 기능을 한다.

상기 구성에서 축전기(2) 계통은 부하단(4)에서 전력을 사용하지 않을 때의 유휴전력을 저장하는 기능으로 활용될 수 있는 부가적 구성요소이다.

이해하기 쉽도록 부하단(4)을 축전기(2)의 충전 계통이라고 가정하고 발전설비(1)와의 연동 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 상기 발전설비(1)와 상기 축전기(2) 계통이 연결된 구성은 평상시에 발전설비(1)에서 정상적인 전력이 생산될 때의 충전경로를 형성한다. 즉 (+)경로는 스위칭다이오드(11-1)를 통해 축전지(2)의 (+)단자에 연결되고 (-)경로는 발전설비의 음극(-)에 연결된 스위칭다이오드(11-2)와 축전기(2)의 (-)에 연결된 구성이 바로 자연낙차를 이용하는 충전경로를 형성하는 것으로, 예를 들면 축전기는 24V, 발전설비의 전력은 26V 이상인 때에 충전이 이루어진다.

다음으로, 발전설비(1)로부터 축전기(2) 계통으로 공급되는 전압의 레벨을 감지하는 전력감지제어부(14)는 발전설비로부터의 전압이 충전전력에 달하는지를 판단하는 작용을 한다. 예를 들면 축전기 전압과 같은 24V라면 충전이 된다고 볼 수 없을 것이며 26V 이상이면 충전이 정상적으로 된다고 판단할 수 있다.

이러한 감지의 기능은 비록 전압뿐만 아니라 축전기 계통으로 흘러들어가는 전류를 감지하는, 도시 생략된 전류션트(current shunt) 센서로서 구성하더라도 소기의 목적을 달성할 수 있는데, 이 전력감지제어부(14)의 연동 작용은 축전기(2) 계통으로 공급되는 전압이 충전가능전압 이하인 경우 발전설비로부터 생산될 전력레벨 기준점을 변경하는 전력보충부(13)를 제어하는 역할을 하게 된다. (본 발명에서 전력이라 함은 이처럼 전압을 말하거나 전류를 말하거나 둘 다 모두를 칭하는 용어이다. 즉, ‘P=I*E’로 정의된 옴의 법칙은, 전력P를 좌항으로, 전류I와 전압E를 우항으로 배치하여 서로는 연동관계임을 명확히 하고 있다. 따라서 본 발명은 이를 준용함으로써 전류 내지 전압을 감지하여 전력의 유무효를 판단함과 아울러, 판단의 결과를 이용한 제어에 있어서는 전압을 조절하든 전류를 조절하든 결국은 발전설비의 전력을 조절하도록 작용시키는 것이다. 이러한 전제 하에서 이하 설명을 계속하되, 이해를 돕기 위해 편의상 전압차이로서 주로 작용의 표현을 하기로 한다.)

이 전력감지제어부(14)는 외부전원(2-0, 제1실시예에서 외부전원은 한전의 상용전원이나 기타 다른 재생에너지 발전설비 등에서 제공되는 전력을 정류하여 조달하는 구성으로 도시하고 있다)으로부터 전력을 공급받아 충전에 필요한 보충전력을 전력보충부(13)가 공급하도록 제어한다. 감지 결과 충전가능전력 미만인 경우 전력보충부(13)가 작동하고 그 결과 충전에 부족된 전력만큼을 외부전원(2-0)으로부터 끌어와 보충전력 루트(13-1)로서 발전설비(1) 계통에 직렬 중첩하여 공급함으로써 위와 같은 24V를 26V로 상승시키게 되는 것이다. 이때 전력보충부(13)의 역할은 보충전력을 공급하는 루트(13-1)를 담당하고 보충전력이 기설정된 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 자동적으로 조절하는 협동 연동의 역할은 자동레벨조절부(13-2)가 담당한다. 이에 따라 충전 기능이 회복되는 모습은 도 10으로 연상하면 이해하기 쉬울 것이다.

본 발명에서 “상기 발전설비의 전력이 상기 부하단의 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부가 상기 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록...”라고 함은 상기 언급한 바와 같이 발전설비의 전압이 26V에서 24V로 낮아지는 것에 한정되지 않고 태양의 고도에 따라서 혹은 흐린 날의 정도에 따라서 발전설비의 전압(또는 전류)이 심하게 변화되는 전체적인 상황에서도 자동레벨조절부(13-2)가 부족된 전압을 자동적으로 조절하면서 보충할 수 있음을 나타낸다. 예를 들면 발전설비의 전압이 24V일 때는 물론이고, 5V로 낮아졌을 때도 부족된 21V를 보충할 수 있음을 말하는 것이다. 마찬가지의 원리로서 발전설비의 전압이 20V라면 부족된 6V를 자동적으로 보충할 것이다.

이 부족된 보충전압은 26V에 달하도록 세팅되는 데에 한정되지 않고 축전기의 필요전압 레벨에 맞추어 전력감지제어부(14) 내의 전압비교기(14-1)의 설정을 제어함으로써 자유롭게 설정할 수 있는데, 설정된 범위에서 자동적으로 레벨을 감지하는 기능은 일례로 제너다이오드(14-2)와 전압비교기(14-1)로 된 감지회로로 달성될 수 있다.

즉 발전설비의 전압이 설정된 값보다 낮아지면 제너다이오드(14-2)를 기준으로 전력감지제어부(14)의 비교기(14-1)가 자동레벨조절부(13-2)를 제어함으로써 더욱 많은 전력을 외부전원으로부터 조달하여 보충전력을 발전설비(1)의 음극으로 공급하게끔 하는바, 그 결과 발전설비의 음극인 전력레벨의 기준점은 양극 쪽 방향으로 들어 올려 지므로 발전설비(1)의 양극에 해당하는 레벨2의 전압이 충전가능전압인 26V로 상승하게 되는 것이다. 이 모습은 도 11과 도 12로서 이해될 수 있을 것이다. 이것을 본 발명에서는 전력레벨을 천이시킨다라고 표현하고 있다. 이와 같이 발전설비의 음극인 전력레벨 기준점 위치가 높은 쪽으로 천이되도록 조절되면 그 아래 부분은 외부전원으로부터 보충되는 것인데, 이 보충되는 전원이 단순한 전압이 아니라 발전설비와 직렬로 흐르는 전류를 포함하므로, 그 작용을 함축하는 용어가 전력인 것이다. 다만 편의를 위해 이하 명세서의 설명에서 파라미터는 전압으로 표현하기로 한다라고 언급한 바 있다.

요컨대, 예를 들어 태양전지 발전설비인 경우 전력감지제어부(14)가 전력보충부(13)를 제어함으로써 도 12와 같이 1일 중 일조량에 따른 전압변화를 추종하여 전체적인 발전설비의 출력전압(Level 2)을 일정하게 안정시키는 역할을 하게 되는 것이며, 구체적으로는 도 12에서 발전설비의 전압변화(레벨1-1~레벨1-2의 변화)에 추종하여 자동레벨조절부(13-2)의 출력이 연속적(linearity)으로 가변됨으로써 중단 없는 충전전력의 공급 효과를 얻는 것이다. 도 12에서 만약 자동레벨조절부를 통하여 보충되는 전압인 레벨1 내지 레벨2의 공급이 없다면 비록 발전설비에서 발전설비전력이 생산되더라도 이것은 낮은 레벨의 전압에 불과하여 충전전력으로 활용할 수는 없게 되는 것이다.

도 13에서 (4)는 부하단(Load) 경로이며, 일례로 발전설비로부터의 전원 또는 축전지(2)에 저장된 전원을 상용전원(교류)으로 변환하는 인버터일 수 있다.

스위칭다이오드(13-1)은 자동레벨조절부(13-2)로 역전류가 흘러들어가는 것을 방지하기 위한 것이지만 이 다이오드(13-1)와 다이오드(11-1)는 경우에 따라서는 배제되고 직접 연결될 수도 있다. 즉 자동레벨조절부(13-2) 그 자체가 통합적으로 전력보충부(13)의 역할을 수행할 수도 있다.

한편 상기 축전기 계통은 그 자체가 부하단이 될 수 있음을 의미하고, 충전가능전력이라 함은 유효전력을 의미한다.

상기 외부전원(2-0)은 한국전력 등의 상용전원, 즉 교류에 연계되어서 승강압 및 정류하는 교류계통 전원일 뿐만 아니라 상기 발전설비 이외에, 앞에서 언급한 파력, 조력, 풍력, 태양광 등 서로 다른 종류의 재생에너지 발전설비로부터 공급받는 직류계통 전원일 수 있다.

도 14는 본 발명의 제2실시의 일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

발전설비(1)로부터 부하단(4)으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부(14); 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 축전기(2) 계통 내지 부하단(4)으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 부하단으로 공급되는 발전설비의 전력을 증강하는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는,

축전기(2)로부터 보충 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩하여 공급하는 자동레벨조절부(13-2)를 포함하되,

상기 발전설비의 전력이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부(13-2)가 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록, 비안정 상태의 전력을 생산하는 상기 발전설비와 보충 전원에 연동되는 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계로 결합되어 상기 부하단으로 전력공급 루트를 형성하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 위와 같은 표현은

부하단으로 전력을 공급하는 발전설비(1);

상기 발전설비로부터 전력을 공급받아 저장하는 적어도 하나의 축전기(2);

상기 발전설비로부터 상기 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부(14); 및

상기 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 부하단의 전력이 상기 유효전력 이상이 되도록 상기 부하단으로 공급될 발전설비의 전력을 증가시키는 전력보충부(13)를 포함하며,

상기 전력보충부는 상기 유효전력 미만에 따라 상기 발전설비의 전력을 증가시킬 때 상기 감지된 전력에 따라 상기 축전기로부터 상기 발전설비로 공급되는 전력의 양을 조절하되, 상기 전력의 양은 상기 발전설비로부터의 출력전력이 기설정된 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 조절되며,

상기 기설정된 레벨은 상기 유효전력보다는 큰 레벨, 즉 유효전력 이상인 것을 특징으로 하는 구성으로 표현될 수 있다. 여기서 부하단은 발전설비(1)로부터의 전력을 사용하는 축전기(2) 계통 및 인버터 등 부하(4)를 포함하는 개념이다.

이하 도 13과 동일한 문언에 대하여는 도 13의 설명을 인용하기로 하고 도 13의 문언과 다른 부분에 대해서만 설명하면 다음과 같다.

즉 제2실시 일례에서는 보충전력을 제1실시예에서처럼 외부, 예를 들면 한국전력에서 제공하는 상용전원으로부터 조달하는 것이 아니라 도 14에 도시된 바의 충전 대상 축전기(2)로부터 조달할 수 있음을 말한다.

다만, 편의상 상기 부하단(4)과 상기 축전기(2)는 앞에서 설명한 것과 동일한 전압 범위의 축전기(즉, 도 13의 축전기(2))라고 가정을 하고 이하 이에 대한 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

만약 발전설비(1)로부터 어떠한 전력도 생산되지 않는다면 축전기(2)를 발전설비에 연결한 구성에서는 앞에서 설명한 충전가능전압의 원리에서 알 수 있듯이 발전설비의 음극(레벨1)에는 축전기(2)의 양극 전압과 동일한 레벨의 전압(예를 들면 24V)이 가해질 것이고 발전설비의 양극(레벨 2)에도 동일한 전압이 나타날 것이다(발전설비에서는 어떠한 전력도 생산되지 않기 때문에 도시생략된 발전설비 내부 셀 간의 플라이휠다이오드, 즉 바이패스다이오드를 통해 전력보충부(13)로부터의 출력 전압이 그대로 나타난다). 그렇지만 이 전압으로는 자연낙차가 성립되지 않으므로 예를 들면 도 13의 24V 축전기(2)가 충전되지 않을 것은 자명하므로 이 경우 축전기(2)가 보유한 전력은 전력보충부(13)의 작동 여부에 불구하고 아무런 역할을 못한 채 그대로 보존된다.

이 상태에서 만약 발전설비(1)에서 2V의 전압이 생성되면 그 전압은 24V + 2V = 26V로 작용되어 도 13의 축전기(2)를 충전시킬 수 있게 된다. 즉, 2V의 낙차에 의해 부하단(4)으로 전류를 흘려보낼 수 있게 되는 것이다. 그 후부터는 도 13에서 설명한 바와 같은 도 11 내지 도 12의 작용 모습으로 이어진다는 원리를 이해할 수 있을 것이다. 즉 도 14의 구성은 축전기(2)가 보유한 전력을 발전설비(1) 구동을 위한 마중물로 활용함으로써 발전설비에서 생산되는 모든 전력을 완벽히 재활용하게 되는 효과가 있다.

이에 대하여 좀 더 상세히 설명한다.

도 14의 회로에서는 예를 들어 발전설비에서 20V를 발생하는 경우 축전기(2)의 24V가 그대로 발전설비의 음극(-)으로 공급되므로 부하단인 축전기(2)에는 44V의 전압이 걸리는 등의 피드백 작용으로 전압이 폭주될 것처럼 보이지만, 실상 본 발명에서는 전력보충부(13)가 이러한 전압폭주가 일어나지 않도록 중간에 개입하여 18V를 자동적으로 강압한 6V만을 발전설비의 음극(-)으로 공급하기 때문에 발전설비의 출력은 ‘20V + 6V’인 26V로 항상 안정될 뿐이다. 이것은 전력보충부(13)의 전력을 조절하는 자동레벨조절부, 즉 전력감지제어부(14)가 제너다이오드(14-2)를 이용하는 레벨을 기준으로 기설정된 범위를 초과하지 않도록 자동 조절함으로써 이루어내는 본 발명의 작용인 것이다. 이때 전력보충부는 시간함수로서 전류를 조절하여 출력전력만큼만 입력전력을 소모하도록, 즉 후술하는 바의 PWM(펄스제어 레귤레이터)를 통해 자체 소모전력을 최소화하도록 구성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 축전기(2)는 상기 부하단(4)과 분리되어 도시생략된 상용전원에 연결 또는 부하단(4)에 연결된 변압기와 정류기를 통해서 충전 경로를 확보할 수도 있다.

도 14의 축전기(2) 연동에 대한 이해를 돕기 위하여 구체적인 수치로 예를 들면서 상기 작용을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

상기 발전설비(1)는 태양전지로서 양측단 전압이 20V이고 상기 발전설비에서 1A의 전류가 생산되도록 태양광 에너지를 받는 중이라면 이때의 당해 태양전지 발전설비의 전력 생산량은 ‘20V * 1A = 20W’가 된다.

그런데 20V로는 24V 축전기(2)에 충전에너지가 공급되지 않으므로 충전 가능한 26V를 만들기 위하여 발전설비의 전류통로에 직렬로 연결된 전력보충부(13)는 출력단에 6V의 출력을 발생하도록 전력감지제어부가 제어를 하게 된다. 즉 전력보충부(13)가 6V의 마중물을 출력하게 되는데 이때 마중물 전류도 발전설비의 전류에 트랜스 등의 개입이 없이 직적 직렬 연동되는 관계이므로 전력보충부(13)의 출력전류는 발전설비로부터의 전류와 동일한 1A로 된다. 이에 따라 마중물 투입전력은 ‘6V * 1A = 6W’로 되는 것이다.

요컨대, ‘마중물 + 발전설비’의 직류 직렬 결합 작용에 따라 24V 축전기(2)로 공급되는 전압은 ‘20V + 6V = 26V’가 되고 전력은 ‘20W + 6W = 26W’로 되는 바, 마중물 공급 전에는 아무런 쓸모가 없던 발전설비의 전력(20W)이 마중물(6W)을 투입함에 따라 26W로 증폭되어 축전기(2) 계통으로 분출되는 것이다.

한편, 이 상태에서 전력보충부(13)의 입력부와 출력부 간 자연법칙적인 연동관계를 살펴보면 다음에 설명하는 바와 같은 자연법칙적 원리에 그대로 부합됨이 증명된다.

먼저, 전력보충부(13)의 입력부는 충전 상태의 축전기(2)와 같은 26V 전압이되 전력보충부(13)의 출력전압은 앞에서 설명한 바와 같이 20V가 강하된 6V이다. 즉 6V가 필요한 발전설비(1)의 음극(-)과 26V인 충전상태의 축전기(2) 단자가 연결됨에 있어서 전력보충부(13)가 20V를 저감하는 완충의 역할을 함으로써 서로는 단락이 일어나지 않는 안정 상태로 연결됨을 알 수 있다.

다음으로, 전력보충부(13)의 출력전력이 6W이므로 계산하기 쉽게 이때 효율이 100%라고 가정하면 전력보충부(13)로 흘러들어가는 입력전류는 ‘6W / 26V = 0.23A’라는 것을 알 수 있을 것이다(PWM을 이용하는 전력보충부의 실제 효율은 90% 내외이지만 계산을 쉽게 하기 위해 100% 효율로 가정하였다).

즉, 축전기(2) 입장에서 보면 마중물을 만드는 6W인 ‘24V 0.23A’를 전력보충부(13) 측으로 소비했지만, 그로부터 되돌려 얻은 결과는 ‘20W + 6W = 26W’에 상당하는 ‘26V 1A’의 충전전류를 발전설비(1)로부터 얻음을 알 수 있게 되는 바, 이것은 결국 마중물이 없다면 무효화 될 20W의 발전설비 전력을 마중물 6W로 활성화시켜서 전체 26W의 유효전력으로 재생하는 현저한 효과라는 점을 알 수 있게 되는 것이다.

또한 이러한 작용의 확인에 의해, 도 14와 같은 축전기(2) 계통에서 전력보충부(13)의 전원을 조달하더라도 도 13에서처럼 외부 전력(2-0)으로부터 전원을 조달하는 것과 동일한 원리로서 투입 마중물보다 훨씬 큰 전력 이득을 얻게 됨을 알 수 있고, 나아가 증강되는 전력 이득은 발전설비로 공급되는 태양광 에너지로 비롯되는 것이므로, 마중물은 외부에서 공급되든 내부의 피드백 루프로 공급되든 동일한 기술적 원리인 ‘마중물 + 태양전지 기전력’이 결합된 결과로 전력을 생산하면서도 전압의 폭주 내지 단락 현상은 전혀 없는 자연법칙 원리 그대로라는 점이 증명되는 것이다.

만약 태양전지로서 전력을 생산하는 설비에서 전력감지제어부(14)의 입력단에 CDS 등 광센서를 조합하여 야간에는 전력보충부를 정지시키고 주간에는 동작하도록 구성하였을 경우 주간에 발전설비에서 생산되는 어떠한 전력도 모두 활용할 수 있는 점에서 보충전력을 통한 본 발명의 효과는 현저한 것이다. 즉 발전설비의 양단(+, -)에는 발전설비에서 전력이 발생될 때만 전력보충부(13)를 작동시킴으로써 아이들링에 필요한 소모전력을 최소화 하는 아이들링제어를 부가적으로 포함할 수 있는 것이다.

도 14에서는 전력보충부(13)를 통해 공급되는 최대 전압이 상기 축전기(2) 계통의 전압과 동일한, 예를 들면 24V이므로 24V 축전기의 부하단(4)인 경우 발전설비(1)에서는 최소한 2V의 전압이 출력되어야 충전(26V)이 가능하다. 그 외 모든 구성은 도 14와 도 13에서 동일하므로 나머지 부분은 도 13의 설명을 원용하기로 하여 설명을 생략한다.

도 15는 본 발명의 제3실시일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

발전설비(1)로부터 제1축전기(2-1) 계통에 연계된 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부(14); 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 제1축전기(2-1) 계통에 연계된 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 제1축전기(2-1) 계통에 연계된 부하단으로 공급될 발전설비의 전력을 증강하는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는,

예비 전원인 제2축전기(2-2)로부터 보충 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩하여 공급하는 자동레벨조절부(13)를 포함하되,

상기 발전설비(1)의 전력이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부가 상기 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록, 비안정 상태의 전력을 생산하는 상기 발전설비와 안정 상태의 보충 전원에 연동되는 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계로 결합되어 상기 부하단으로 전력공급 루트를 형성하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편 위와 같은 구성은 다음과 같이 개시 표현될 수 있다. 즉,

부하단으로 전력을 공급하는 발전설비;

상기 발전설비로부터 전력을 공급받아 저장하는 적어도 제1축전기;

상기 발전설비로부터 상기 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 부하단의 전력이 상기 유효전력 이상이 되도록 상기 부하단으로 공급될 발전설비의 전력을 증가시키는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는 상기 유효전력 미만에 따라 상기 발전설비의 전력을 증가시킬 때 상기 감지된 전력에 따라 예비 전원인 제2축전기로부터 상기 발전설비로 공급되는 전력의 양을 조절하되, 상기 전력의 양은 상기 발전설비로부터의 출력전력이 기설정된 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 조절되며,

상기 기설정된 레벨은 상기 유효전력보다는 큰 레벨인 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 예비 전원인 제2축전기(2-2)는 부하단(4)과 변압기 및 정류기를 통해 교류적으로 연결되어 충전 전력을 공급받도록 연결되는 구성을 포함할 수 있다. 상기 제1축전기(2-1) 계통은 도 13에서의 축전기(2)처럼 평상시 유휴전력을 저장하거나 저장된 전력을 인버터 등으로 전력생산에 활용하는 목적을 포함한다.

도 15는 도 13의 축전기(2)와 도 14의 축전기(2)를 통한 작용과 실질적으로 동일하므로 구체적인 작용은 도 13(외부전원으로부터 전력을 조달하는 부분을 제외한다) 및 도 14에서 설명한 부분을 원용하기로 하고 중복된 설명은 생략한다.

도 16은 본 발명의 제4실시일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

발전설비(1)로부터 제1축전기(2) 계통에 연계된 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부(14); 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 제1축전기(2) 계통에 연계된 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 제1축전기 계통(2)에 연계된 부하단으로 공급될 발전설비의 전력을 증강하는 전력보충부(13)를 포함하며,

상기 전력보충부는,

예비 전원인 제2축전기(2-1)로부터 보충 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩하여 공급하는 자동레벨조절부를 포함하되,

상기 발전설비의 전력이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부가 상기 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록. 비안정 상태의 전력을 생산하는 상기 발전설비와 안정 상태의 보충 전원에 연동되는 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계 하에 연결되어 상기 부하단으로 전력공급 루트를 형성하는 한편, 상기 제1축전기 계통과 상기 제2축전기 전원의 연결에는 스위칭부(2-4)가 게재되어 상기 스위칭부(2-4)로서 상기 제1축전기(2) 계통과 제2축전기(2-1) 전원이 서로 역할을 바꾸어 택일적으로 상기 전력보충부(13)와 부하단(4)에 연동되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 구성은 다음 표현으로 개시될 수 있다. 즉,

부하단으로 전력을 공급하는 발전설비;

상기 발전설비로부터 전력을 공급받아 저장하는 적어도 제1축전기;

상기 발전설비로부터 상기 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및

상기 부하단으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 부하단의 전력이 상기 유효전력 이상이 되도록 상기 부하단으로 공급될 발전설비의 전력을 증가시키는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는 상기 유효전력 미만에 따라 상기 발전설비의 전력을 증가시킬 때 상기 감지된 전력에 따라 예비 전원인 제2축전기로부터 상기 발전설비로 공급되는 전력의 양을 조절하되, 상기 전력의 양은 상기 발전설비로부터의 출력전력이 기설정된 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 조절되며,

상기 기설정된 레벨은 상기 유효전력보다는 큰 레벨임과 아울러,

상기 제1축전기와 상기 발전설비 및 상기 제2축전기와 상기 전력보충부의 사이에는 스위칭부가 게재 연결되어 상기 스위칭부가 상기 제1축전기와 제2축전기의 역할을 서로 바꾸도록 연결점을 전환시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 스위칭부(2-4)는 제1축전기(2) 계통과 상기 제2축전기(2-1) 전원의 역할을 상호 전환시켜서 각각의 축전기 전압을 일정하게 유지하게 위한 것으로, 이 전환은 수동적으로 가능토록 함은 물론 주기적으로 자동화 전환되는 구성을 포함할 수 있다. 또한 이와 관련하여 상호 전환시킴에서 발생될 수 있는 체터링 노이즈를 억제하는 구성을 부가적으로 적용할 수도 있다.

그 일례로서 상기 스위칭부(2-4)의 중앙접점을 접점(a)와 접점(b)의 사이를 설정된 기간 간격의 주기적으로 전환되도록 구성할 수 있다.

도 16이 도 15와 다른 점은 도 15의 경우는 제1축전기(2-1)와 제2축전기(2-2)가 고정적으로 역할을 분담하는데 비하여 도 16의 경우는 제1축전기(2)와 제2축전기(2-1)가 상호 교대로서 임무를 전환한다는 점이다. 이와 같은 임무의 전환을 통해 두 개의 축전기는 균등한 전압으로 유지될 수 있는 것이다.

본 발명에서는 스위치(2-4)의 두 접점이 2련 연동 방식으로 도시되어 있으며, 스위치 접점이 b로 접속된 경우 제1축전기(2)가 부하(4)와 발전설비(1)의 출력단에 함께 연결되고, 반대로 접점이 a로 접속된 경우 제2축전기(2-1)가 부하(4)와 발전설비(1)의 출력단에 함께 연결되므로, 두 개의 축전지를 주기적으로 교대로 연결하여 두 개의 축전기 간에 밸런스를 유지할 수 있게 된다. 즉, 발전설비에 제1축전기가 연결되면 제2축전기는 발전설비와 연결이 차단되고 전력보충부(13)에 연결되는 원리로서, 스위칭부(2-4)의 스위치 접점 전환에 의해 서로는 역할을 바꾸어 중첩되는 간섭 없이 택일적으로 연결되어 임무를 교대할 수 있게 되는 것이다. 스위치는 자동으로 전환될 수 있다.

기타 나머지 구성요소에 대한 설명은 도 13에서 설명한 부분을 원용하기로 하고 중복된 설명은 생략한다.

상기 제2예 내지 제4예는 휴대전화기 등의 배터리충전 팩에서 외부커버를 태양전지판으로 구성하거나, 케이스의 움직임을 전기에너지로 재활용하도록 구성하면, 배터리충전 팩 내의 배터리가 상기 예비 전원으로서의 축전기 또는 제2축전기의 역할을 겸할 수 있게 되므로, 별도의 예비전원 추가 없이도, 비록 미약한 에너지일지라도 심지어 실내의 램프 전원으로도 충전이 가능할 정도의 완벽한 에너지 생산 효과를 얻을 수 있게 된다. 즉 본 발명을 휴대용 장치에 활용할 수 있게 된다.

도 17, 도 18, 도 19는 전력보충부(13)의 구성을 도시한 블록다이어그램이다.

그 중에서 도 17은 외부에서 전원을 조달하되 그것이 예를 들면 교류 상용 전원인 경우에 해당되는 회로이다. 즉 교류를 직류로 변환하는 정류기를 포함하여서 전력보충부(13)가 구성된다.

도 18 및 도 19는 이러한 정류기를 생략할 수 있는데, 이것은 외부전원을 직류로 조달하고 있기 때문이다.

도 17 내지 도 19는 모두 다링톤 트랜지스터 결합을 통한 시리즈 레귤레이터를 전력감지제어부에 연동시켜서 전력보충부를 구성한 것이지만 이 밖에도 IGBT, GTR 혹은 FET를 이용하여 구성할 수도 있음은 물론이다. 이때 시리즈 레귤레이터는 스위칭 레귤레이터를 사용할 경우 도 10에서의 레벨1과 도 11에서의 레벨1에 따른 전력의 차이에 대응하여 보충전력이 가감 공급되는 이점이 있다. 본 발명에서의 스위칭 레귤레이터는 초퍼 타입의 병렬 구동으로서 펄스폭(PWM) 제어 방식을 포함한다.

도 17과 도 18은 전류제한 회로를 전력보충부(13-2) 내에 포함하고 있음을 도시하고 있다. 이것은 만약 전력감지제어부(14)에서 예를 들어 축전기(2) 계통에 지나치게 높은 전력이 공급될 경우 전류의 흐름을 감지하여 과전류를 제한하는 작용을 수행하는데, 과전류제한회로는 직렬 션트(shunt) 저항에서 얻어지는 전압강하를 이용하여 피드백 제어하는 방식을 사용할 수 있다.

위와 같은 도 17 내지 도 19는 모두 전력감지제어부(14)가 발전설비의 전압을 감지하여 충전가능전압에 달하도록, 즉 유효전력에 달하도록 전력보충부를 구동하고 충전가능전압 이상으로 과다하게 발전설비의 전력(1, 이때 발전설비의 전력이라 함은 보충전력과의 합에 상당하는 Level 2의 전위를 포함한다)이 상승할 때 구동을 정지하는 한편으로, 상기 레벨2(Level 2)의 변화에 추종하여 피드백제어로서 레벨2의 전압을 일정하게 안정시키는 작용을 수행한다.

도 20과 도 21은 전력보충부(13)가 펄스 제어, 즉 스위칭 레귤레이터로 작용하여 전력보충부(13)의 삽입손실을 줄이는 구성을 묘사한 것이다. 즉 도 20은 트랜지스터 다링톤 결합회로의 일례 및 도 21은 파워FET 소자 결합회로의 일례로서 펄스형 전력을 공급토록 제어함으로써 앞에서 설명한 보충전력을 달성하도록 구성하되, 발전설비(1)의 전력이 낮을 때 펄스폭이 커지고 발전설비(1)의 전력이 높을 때 펄스폭이 적어지는 펄스폭 제어(PWM)를 통하여 결국은 레벨2(Level 2) 점의 전압을 충전가능 범위로 안정시킨다. 도 20 및 도 21에서 평활콘덴서(13-2-1)와 코일 등 소자(13-2-2)는 상기 펄스 제어에 따른 충격전류를 평활(Filtering)시켜 직류로 변환하는 펄스정형회로(LPF; 저역통과필터)이며, 이러한 종합적인 구성을 통해서 축전기 계통으로부터 보충전력을 조달함에 있어서 전력보충부(13)의 입력단과 출력단 사이에서 발생하는 전력손실(즉 초과전압에 따른 손실)을 최소화하는 보상회로를 구성한다. 본 발명에서 LPF소자(13-2-2)는 코일 또는 저항으로 구성될 수 있다. 이 구성은 청구범위에서는 상기 자동레벨조절부는 펄스제어수단과 펄스정형회로, 즉 펄스제어 레귤레이터를 결합하여 자동레벨조절부의 삽입손실을 최소화하면서 발전설비의 전위를 레벨-업(전력레벨 천이)시키는 구성이라고 정의한다.

특히 여기서의 펄스폭 제어(PWM)와 펄스 주기(T)의 제어는 전력보충부의 삽입손실을 최소화 하면서 평활콘덴서(13-2-2)의 양 측단에 걸리는 보충전력을 전압 측면에서 평탄화 함으로써 결국은 발전설비(1)의 전력레벨 기준점을 직류전압 측면에서 레벨-업시켜서 발전설비(1)의 출력단을 레벨2(Level 2)로 올리는 것이고, 이를 통해 축전기(2)의 충전이 가능한 전력으로 조절되는 것인바, 이와 같이 자동레벨조절부(13-2)와 발전설비가 직렬로 연동되어서 종합적인 결합 작용으로 출력전력이 형성되는 구성에서는 전압과 전류의 변동함수로 인한 제어응답의 차이로 헌팅이 일어날 수도 있는 것이므로 이를 방지하기 위하여 전력감지제어부(14)에는 헌팅 방지용 위상제어 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 이에 관한 위상제어 수단은 도시생략 하였지만 저항과 커패시터의 조합 내지는 코일과 커패시터의 조합으로 레벨2 점과 전력감지제어부(14)의 입력단 간에 루프로 구성하는 것을 일례로 들 수 있다.

도 22 및 도 23은 도 16에서의 구성요소인 스위칭부(2-4)의 구성을 예시한 블록다이어그램이다. 도 20은 쌍방향스위치를 묘사한 것이고, 도 21은 기계식 릴레이를 묘사한 것이다. 이 외에도 이 스위치들은 본 발명과 동일한 발명자가 출원한 선행기술에 포토트랜지스터나 포토릴레이 등으로 개시된 바 있어 더 이상 자세한 설명과 도식은 생략한다.

상기와 같이 전력감지제어부(14)가 자동레벨조절부(13-2)를 구동하면서 얻는 전력보충부(13)의 포괄적 구성으로서 본 발명은 발전설비의 충전가능전력, 즉 유효전력 미만에서 구동되고 충전가능전력, 즉 유효전력 이상에서 정지되며, 상기 발전설비로부터의 전력의 변화에 추종하여 축전기 계통으로 유효전력을 보충하도록 제어라고 정의하고 있다. 여기서 전력감지제어부(14)는 전압비교기(14-1)와 제너다이오드(14-2)로서 구성됨이 도시되어 있지만 이 구성들은 전압을 감지하는 구성은 물론, 전류를 감지하는 수단을 포함한다.

도 24는 본 발명이 응용되는 구성인 본 발명의 제5실시일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

발전설비(1)로부터 축전기(2) 계통, 인버터(4-1) 등 부하단(4)으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부(14); 및

상기 전력감지제어부에 의해 제어되며, 상기 부하단(4)으로 공급되는 전력이 유효전력 미만인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 부하단으로 공급되는 발전설비의 전력을 유효전력 이상으로 보충 조절하는 전력보충부를 포함하며,

상기 전력보충부는,

전력회사의 전력시스템(5)으로부터 보충 전력을 공급받아 상기 발전설비의 일측 전극에 직렬 중첩하여 공급하는 자동레벨조절부(13-2)를 포함하되,

상기 발전설비의 전압이 상기 유효전력 미만으로 변화되는 경우 상기 자동레벨조절부(14-1)가 상기 발전설비로부터 부하단으로 공급되는 전력을 상기 변화에 대응 보충하여 조절하도록. 비안정 상태의 전력을 생산하는 상기 발전설비와 안정 상태의 보충 전원에 연동되는 상기 전력보충부가 비대칭 상보 관계 하에 연결되어 상기 부하단으로 전력공급 루트를 형성함과 아울러, 상기 부하단의 출력이 상기 전력회사의 전력시스템에 제공되도록 연동되도록 구성한, 발전설비의 출력전위 천이 장치를 이용한 전력의 매입매출 시스템을 특징으로 한다.

상기와 같은 도 24는 앞에서 설명한 도 13에서의 외부전원(2-0)과 부하(4)의 사이에 전력회사의 전력시스템(5)을 루프로 연동시킨 구성에 상당하므로 이 루프 연동의 부분에 대하여만 여기서 설명하고 나머지 부분의 작동원리는 앞에서 설명한 도 13 등을 원용하기로 하여 중복된 설명은 생략한다.

도 24에서 전력회사의 전력시스템(5)은 예를 들면 한국전력(주)과 같은 전력회사에서 소비자에게 전력을 판매하여 사용토록 하고 또한 소비자 중의 일부가 전력을 생산할 경우 이를 공급받는 기능을 한다고 생각하면 무방하다.

따라서 본 발명으로 전력을 생산하는, 1일 중 정오 무렵에는 발전설비(1)로부터 생산되는 전력으로 축전기(2) 계통이 충전되고 이 기간 중에는 인버터(4-1)가 구동되어 전력회사의 전력시스템(5)으로 전력의 판매, 즉 소비자 측면에서의 매출이 이루어진다. 이 원리는 도 3에서 기하학적인 자연낙차를 이용한 충전작용을 설명한 것으로 이해가 가능할 것이다. 즉 자연낙차를 이용한 충전작용으로 축전기 계통이 충전되고 이 축전기 계통에 충전되는 전력( 또는 남는 유휴전력)으로 인버터(4-1)를 가동하고 교류의 위상을 제어하여 전력회사의 전력시스템(5)으로 유휴전력을 공급함으로써 전력회사로 전력을 되파는 일이 가능하게 된다.

한편, 도 24에서 아침과 저녁 무렵에는 발전설비(2)의 전압이 낮아지므로(도 2에서 A점 이하의 레벨로 될 것이므로), 발전설비(1)와 축전기 계통(2)의 전압의 차이 레벨은 도 4에서 보듯이 충전을 할 수 있는 상황이 되지 못한다. 그런데 이때 전력회사의 전력시스템(5)으로부터 일부의 전력을 보충하여 도 10 내지 도 11과 같이 보충전력, 즉 부족된 전압만큼을 조절하여 제공한다면 이때도 역시 축전기(2) 계통으로 충전이 가능하고 이에 따라 인버터(4-1)가 가동됨으로써 다시금 전력회사(5)로 전력을 송출하는 매출이 가능하게 된다.

즉 이때 전력회사(5)로부터 보충되는 전력의 매입은 발전설비(1)로부터의 전력을 말끔히 활용하기 위한 마중물처럼 역할을 하는 것으로, 그에 대한 이점은 도 10에서 전력회사의 전력시스템(5)으로부터 매입되는 전력(Level 1)을 이용하여 종전에 비활성화 되던 발전설비(1)의 전력(Level 1의 기점으로부터 Level 2까지 ; 즉 도 4에서처럼 낮은 전력)을 유효로 재활성화 함으로써 Level 1까지의 보충 전력과 Level 2까지의 발전설비로부터의 전력을 합산한 전체 전력을 자체적으로 사용하거나 전력회사(5)로 공급하게 되는 것이다. 즉 Level 1까지는 매입 전력으로, Level 1 ~ Level 2의 전력은 매출 전력으로 환산되어 매출-매입의 차이가 결국 발전설비로부터의 효율이 되는 것이다.

이에 대하여 야간에는 발전설비에서 전력이 생산되지 않으므로 부하(4)로 공급되는 전력은 전력회사의 전력시스템(5)으로부터 매입되는 전력에만 의존하게 될 것이다.

상기 마중물로 활용하기 위하여 전력회사로부터 공급받는 루트와 인버터를 통해 전력회사로 공급하는 루트는 필요에 따라 별도의 경로를 구성할 수 있다. 즉 마중물로 활용하는 보충전력은 일반 상용전원으로부터 공급받고 이를 이용하여 발전설비로부터 생산되는 전력은 별도의 계통전원 루트를 통해 전력회사로 제공되는 별도의 선로를 구성할 수 있는 것이다.

여기서 본 발명의 특징 중 하나로 나타나는 것은 종래의 선행기술로는 도 9a 또는 도 9b에서 보듯이 충전이 불가능한 t1의 기간으로 인하여 인버터(4-1)가 간혈적으로 가동되는 문제점이 있지만, 본 발명에 의하면 도 10, 도 11 또는 도 12의 작동으로 인하여 시간적으로 중단(즉 t1 기간) 없는 안정된 인버터(4-1) 출력이 발생하여 부하(4)로 전력을 공급함은 물론 전력시스템(5)으로 고품질의 안정된 전력으로서 유휴전력을 매출할 수 있게 되는 것이다.

위와 같은 본 발명은 상기 개시한 구성에 한정되지 않고 당업자가 설계변경 등을 할 수 있는 범위의 구성을 권리범위에 포함한다. 예를 들면 앞에서 설명한 스위칭 다이오드들(11-1, 11-2, 13-1 등)은 반도체 스위치로서 대체 구성될 수 있는 것이고, 도 13에서 외부전원(2-0)을 공급할 때도 다단으로 서로 다른 전압이 공급될 수 있도록 탭을 구성함으로써 보충전력 공급의 효율적 설정 및 초과전압에 의한 손실을 임의로 설정할 수도 있는 등 다양한 응용 내지는 부가적 구성이 있을 수 있다.

본 발명에서 발전설비의 음극(-)에 전력레벨을 천이시키는 구성(전력보충부, 자동레벨조절부)을 직렬 연결한 것은 발전설비의 양극(+)에 대체 연결한 구성을 포함하며, 나아가서는 음극(-)과 양극(+)에 동시에 연결될 수도 있을 것이다. 따라서 본 발명은 음극 또는 양극 중 어느 하나의 접속점에 직렬로 삽입되어 재생에너지(태양광, 풍력, 파력, 조력 등) 발전설비의 불규칙한 전력생산을 보상하여 안정적으로 발전 출력이 생성되도록 하는 구성을 포함하는 것이다.

상기 발전설비의 양극(+)과 음극(-) 간에 다이오드를 직접 결합하면 발전설비의 전력이 생산되지 않는 기간에서는 이 다이오드를 통해서 전력보충부(13)의 전력이 직접 부하로 공급될 수 있다. (이에 대하여는 상기 설명으로부터 이해될 수 있을 것이어서 관련된 중복된 설명은 생략하였다.)

요컨대, 재생에너지가 공급되는 중에는 그 재생에너지를 이용하여 발전설비가 단독으로 전력생산이 가능하고, 재생에너지가 없는 기간중에는 자동레벨조절부로부터 공급되는 전력에 의하여 부하로 출력이 발생되는 범위, 즉 최대(100%) 및 최소(0%)의 발전설비 기능 범위 내에서 자동레벨조절부가 연속적으로 조절을 함으로써 발전설비가 중단 없이 전력생산이 가능하면서 발전설비와 외부공급 전력 간의 역할을 자동 분담하여 협동으로 전력을 생산하도록 하는 것이 본 발명의 핵심적 기능이다.

좀 더 구체적으로 설명하면 발전설비에서 생산되는 전력 모두(100%)를 부하단(예를 들면 축전기 계통)으로 공급될 수 있다면 자동레벨조절부로부터의 보상전력(보충전력)은 불필요하게 되는 것(즉 보충전력의 소모율은 0%)이고, 만약 발전설비에서 생산되는 전력이 0%라면 자동레벨조절부에서 공급되는 보상전력은 100%로 되므로, 그 사이의 어느 비율로서의 발전설비와 보충전력의 협동 관계로 부하단에 전력을 공급하게 되는 것이 본 발명의 개념이다.

자동레벨조절부 측면에서 본다면 0%~90%의 범위에서 보상전력을 공급하는 것이 바람직한데, 이때 0%라는 것은 보상전력 없이 발전설비 그 자체에서 100% 전력생산이 이루어짐을 말하고, 90%라는 것은 발전설비에서 전력생산이 10% 이루어지고 나머지 90%를 자동레벨조절부에서 보상(보충)하게 됨을 말한다. 이러한 비율 조절을 위하여 예를 들어 태양전지 발전설비인 경우 포토TR이나 CDS 등으로 작동 제어를 설정토록 할 수 있다. 상기 0%~90%의 사이는 아날로그 직류 전압(전류, 전력)으로서 무단계의 연속적 전압으로 조절함이 바람직하다는 것을 서두에 설명한 바 있다. 다만, 본 발명은 전압이든 전류이든 단순한 피상적인 값이 아니라 실제로 힘을 낼 수 있는 에너지 측면에서 다루고 있는 의미에서 전력이라는 용어로 표현하였다.

이러한 원리로부터 이해할 수 있듯이, 본 발명에 의하면 발전설비의 전력을 과다하게 생산하여 불필요하게 무효전력으로 낭비하는 문제점(즉 도 2에서 P점과 B점 간의 격차에 따른 초과전력 손실)이 없어진다. 특히 재생에너지 발전설비의 최대 생산전력이 부하전력과 일치하도록 설계를 하더라도 발전설비와 보상전력(자동레벨조절부에 의한 외부로부터의 보충전력)이 항상 협동 관계로 직렬 연결되어 균형을 잡으므로 적어도 1일 10시간~16시간 동안 안정적이고 손실(무효전력으로의 손실)이 없는 발전설비를 구축하게 된다.

본 발명의 용어 중 '비대칭 상보 관계'라 함은 비안정 상태의 전력을 생산하는 발전설비와 안정 상태의 보충 전원에 연동되는 전력보충부가 상호보완(complementary)의 관계로 직렬 연결되어 부하단에서 요구하는 기준출력 대비 부족( 또는 초과)되는 전력을 서로 보상해서 보충하는 루트 구성으로서, 부하단으로 안정된 기준 전력이 공급되도록 주 전력공급 라인 간을 결합 및 연동하는 구성을 말한다. 즉 '비대칭 상보 관계'란 발전설비를 향하여 외부전력이 보충되도록 결합되되, 비안정 상태의 발전설비 전력생산을 안정 상태로 바꾸면서 부족한 전력생산도 보충해주기 위하여 생산적 형태의 협동 관계로 직렬 결합되는 개념을 말한다.

도 25는 본 발명의 제6실시일례를 도시한 블록다이어그램으로서,

발전설비로부터 축전기 계통으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부(14); 및

상기 전력감지제어부에 연동되고 상기 축전기 계통으로 공급되는 전력이 충전가능전력 이하인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 축전기 계통으로 제공되는 상기 발전설비의 전력을 보충하는 하이브리드부(17);

상기 하이브리드부의 구동신호를 발생하는 제어신호발생부(13-6);

상기 제어신호발생부와 상기 하이브리드부에 연결되어 상기 하이브리드부의 전력 보충의 범위를 제어토록 연동하는 하이브리드제어부(13-5)의 구성으로서

상기 하이브리드제어부(13-5)는,

상기 전력감지제어부(14)에 연결되고 상기 발전설비의 전력 변화에 대응시켜 제어레벨을 조절하는 레벨조절부(13-5-1)와 상기 레벨조절부(13-5-1)의 제어레벨에 상기 구동신호를 적응시켜 구동레벨신호로 혼성하는 구동레벨신호변환부(13-5-2)에 의해 달성하도록 되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하이브리드제어부에는 상기 구동레벨신호변환부의 출력단과 상기 하이브리드부의 입력단 간의 특성 차이를 극복하여 구동레벨신호를 매개하도록 인터페이스부(13-4)를 연동하는 구성을 포함할 수 있다.

이와 같이 본 발명 도 25로 도시한 제6실시 일례는 앞에서 예시한 제1실시예부터 제5실시예까지로 설명한 본 발명을 확장하는 개념에 해당한다. 즉 하이브리드부(17)는 발전설비(1)의 전력 부족분을 보충하는 기능을 수행하면서도 외부전원(2-0)이나 내부 축전기의 공급 없이 발전설비(1) 전력의 일부를 분기한 전력으로부터 보충전력을 이루어낼 수도 있는 것이다. 그러나 이 구성들은 발전설비로부터 분기한 전력을 다시금 세분 가공하여 직류성분을 제어할 때처럼 조절한다는 점에서 앞에서 개시한 제1실시일례 내지는 제5실시일례들과 맥을 같이 하는 한편 선행기술과는 현저한 차이가 있는 것이다.

각 구성요소별로 설명하면 다음과 같다.

발전설비로부터 축전기 계통으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부(14)는 앞에서 제1실시예로부터 제5실시예까지로 설명한 것과 동일한 원리이다.

여기서 상기 전력감지제어부에 연동되고 상기 축전기 계통으로 공급되는 전력이 충전가능전력 이하인 경우 상기 전력감지제어부의 제어에 따라 상기 축전기 계통으로 제공되는 상기 발전설비의 전력을 보충하는 하이브리드부(17);는 이와 같은 전력감지제어부의 작동에 의하여 통제되는 것이되, 그 전력을 보충하는 내용에서는 외부전원을 조달하여 전력을 보충하든 발전설비(1)로부터 분기된 전원을 조달하여 보충하든 그 보충되는 전력이 세분화 된 단계로 조절되어 종합출력단(Level 2)에서는 충격전력 없이 안정된 전력을 출력토록 한다는 점에 그 특징이 있다.

즉, 스위치와 커패시터를 이용하는 종래의 승압 기술은 2배(26V*2=52V), 3배(13V*3=39V), 4배(8.7V*4=35V),... 등 원하는 26.5V를 지정하여 보충할 수 없는 문제점을 지닌다. 따라서 이를 신재생에너지의 발전설비에 적용하면 직선적으로 부드럽게 높낮이가 변화되는 자연현상에 순응하지 못하여 어느 시점에서 갑자기 전압이 높아지므로 지나친 승압으로 회로소자의 내압이 파괴되거나 그럴 정도는 아니라도 과다한 승압으로 인한 손실 등이 일어날 수 있다. 만약 이를 방지하려고 승압단계를 지나치게 낮추어 설정하면 이번에는 승압이 불충분한 문제로 나타난다. 또한 승압단계를 높이거나 낮추거나에 불구하고 승압으로 전환되는 임계점에서는 과도한 충격전압이 발생되는 문제를 피할 수 없었다.

예를 들어 24V 축전기를 충전시키기 위한 발전설비에서 26.5V에 못 미친 26V가 되었다고 하여서 이를 2배수로 승압하면 262=52V로 되므로, 승압 또는 비승압의 구분이 모호한 드레쉬홀드(문턱) 점에서는 이와 같이 26.5V 또는 52V 중 어느 하나로 전압이 급격히 변화되는 충격전압의 문제가 대두되는 것이다.

이러한 문제는 태양전지판의 경우 흐린 날과 맑은 날의 변화는 물론이고 낙엽이나 오물 등으로 태양전지판의 일부가 잠시 가려졌을 때도 충격파 발생의 문제로 이어진다. 한편 그림자로 가려졌을 때는 발전설비의 전력으로 생산되지 못하는 점에서 현재로서는 태양전지판(모듈)을 2층 이상의 복층 구조로 건설하는 것은 아예 생각조차 할 수 없는 실정이다.

그러나 본 발명의 하이브리드부(17)는 발전설비로부터의 전력에 중첩하여 전력을 보충하는 것이되 후술하는 하이브리드제어부(13-5-1) 및 전술한 전력감지제어부(14)에 연동되는 하이브리드부(17)가 직선적인 승압작용, 즉 필요최소한의 전력만큼을 자동 제어하여 공급함으로써 종합출력단(Level 2)에는 예를 들면 26.5V( 또는 26.5V에 달할 때의 충전전류; 예를 들면 5A)에 맞추어 발전설비(1)의 전력과 보충전력을 집합한 결과를 얻게 되는 것이다.

요컨대, 발전설비의 전압이 26V에 달하면 0.5V만큼을 보충하고 20V에 달하면 6.5V만큼을 보충하도록 집합된 전력을 보충함으로써 보충전력으로의 소기의 목적을 달성하면서도 선행기술에서처럼 충격전압이 없이 높은 전압으로부터 낮은 전압까지 넓은 범위로 미세한 단위의 전력 보충이 가능한 효과를 얻는다. 본 발명에 의하면 하드웨어적으로는 10배 이상의 전압 보충도 가능한 능력을 구비하지만, 하이브리드제어부가 중간 단계인 2배, 3배, 즉 100%, 200%의 승압도 가능하고 나아가서는 심지어 1~5% 정도의 미세한 보충도 가능하게끔 소프트적으로 자동 조절하여 이제까지 설명한 소기의 목적을 달성하게 되는 것이다. 이에 따라 특히 전력의 범위가 일정하지 않은 신재생에너지 부문의 발전설비에서 낮은 전압으로부터 높은 전압까지 승압범위의 여유도를 대폭 증가시키면서도 승압에 따른 순간충격을 무시할 수 있게끔 안정시킨다.

도 25의 실시예에서 제어신호발생부(13-6) 및 하이브리드제어부(13-5)가 연동된 역할은 제어신호발생부에서 출력하는 구형파의 구동신호(펄스신호를 포함한다)를 레벨조절부(13-5-1)에서 구동레벨신호(13-5-2)로 변환 조절하는 역할을 수행한다.

즉 구동신호 그대로를 하이브리드부(17)에 공급하면 하이브리드부(17)가 발전설비의 전력에 대한 배수로서 전력을 증폭하지만, 이를 미세한 단계로 자른 높이로 구동레벨신호를 만들면 그 미세단계의 레벨의 높이에 따른 배수로서 증폭을 하여 전력을 증가시키는 기능을 수행하게 되는 것이다. 예를 들면 26V2=52V로 승압될 것이 26V1.1=28.6V로 증폭되는 것이다.

이와 같이 잘게 자르는 기준은 전력감지제어부의 설정에 의해 전력의 변화를 감지할 때마다 정해지고 이에 따라 전력감지제어부가 발전설비의 전력 변화에 대응하여 역으로 구동레벨신호를 자동 조절하게 되는 것이다. 즉 구동레벨신호는 전력감지제어부가 지령하는 결과에 따라 순간순간 레벨을 변화시켜 종합출력단(Level 2)의 전력을 일정하게 유지시키게 된다.

또한 부가적으로 상기 하이브리드제어부(13-5)의 출력단에는 상기 레벨조절부(13-5-1)의 출력단과 상기 하이브리드부의 입력단 간의 특성 차이를 극복하여 구동레벨신호(13-5-2)를 매개하는 인터페이스부(13-4)의 연결 구성을 더 포함할 수 있는데, 이는 다음의 고전력의 경우에 특히 필요하다.

즉, 발전설비의 전압이 만약 26V라면 이를 축전기 계통으로 통과시키는 하이브리드부에도 동일한 전압이 걸리며 이를 증폭하고자 연결되는 하이브리드제어부 역시 같은 전압차로 연동된다. 따라서 이때 하이브리드제어부가 5V 전원을 사용하는 TTL 또는 15V를 사용하는 CMOS IC인 경우 출력단은 하이브리드부로부터 흘러들어가는 역전류로 인해 파괴되는 문제로 된다.

이를 감안하여 양측 전압차를 극복하면서 미세하게 자른 레벨신호를 연동시키는 역할을 하는 구성요소가 인터페이스(13-4)이다. 즉 인터페이스(13-4)의 입력단은 하이브리드제어부(13-5)의 내압에 상당하는 5V 또는 15V 등으로, 출력단은 하이브리드부(17)의 전력 경로에 상당하는 26V 내지는 그 이상에 맞추어 전압차에 대한 보호를 하면서도 하이브리드부(17)를 구동하는데 필요한 미세한 증폭신호(1V, 2V, 5V등)는 그대로 전달하므로 전체적인 종합출력단(Level 2)의 전력을 회로상 안전을 유지하는 가운데 소기의 목표로 달성하는 효과를 얻는다(구체적인 회로 구성은 도 30a 참조).

이와 같은 구성들은 이하에서 종속항으로 특정된 구체적인 회로, 즉 구성요소들을 설명하면서 더욱 자세한 작용으로 나타날 것이다.

본 발명의 제6실시 일례의 구성요소 중 하나인 도 26a는 상기 제어신호발생부(13-6)의 일례를 도시한 블록다이어그램으로서 디지털 신호인 구형파를 발생한다. 또한 도 26b는 아날로그 연산증폭기(전압비교기)로 실시한 예시로서 역시 구형파를 발생한다. 도 26c는 전용의 원칩 타이머로서도 구형파를 발생시킬 수 있음을 도시한 것이지만, 그밖에도 구형파 혹은 펄스를 발생하는 회로는 다수 개 있을 수 있다.

이 제어신호발생부(13-6)는 전력감지제어부(14)가 제어할 대상으로서의 기초 구동신호를 발생하는데, 이 제어신호발생부도 레벨조절부에 연동하면 일정한 레벨 변화의 효과를 얻도록 확장 응용될 수 있다. 예를 들어 전력감지제어부의 제어에 따라 듀티비를 가변하거나 수 Hz에서부터 수 MHz까지의 범위로 주파수를 가변하고 전원의 레벨 조절에 연동되어 구동신호 그 자체를 온 또는 오프하는 작용효과를 얻을 수 있는 것이다. 구동신호가 불필요할 정도로 발전설비의 전력이 상승하면 구동신호 그 자체를 정지토록 제어할 수도 있다.

한편 제어신호발생부에서 고정적인 듀티비와 주파수로 구형파 내지는 펄스신호를 발생하더라도 후술하는 레벨조절부와의 결합에 의하여 전력의 변화가 필요할 때 구동신호의 레벨이 조절되는 신호를 얻을 수 있는데, 이것들은 앞에서 설명한 바와 같은 저전력의 제어신호를 발생하는 구성을 채택하고 있기 때문에 가능한 것이다.

또한 본 발명의 제6실시일례를 구체적으로 도시한 도 27a는 전력감지제어부(14)의 구성을 나타낸 것으로 앞서 제1실시예로부터 제5실시예까지에서 설명한 블록다이어그램에 해당한다. 도 27b는 전압비교기(14-1) 없이 트랜지스터(Q1)로 대체 구성한 경우를 도식한 것이지만 어느 경우이거나 발전설비 또는 하이브리드부의 전력 변동을 감지하여 출력단에 연결된 하이브리드제어부(13-5)를 작동 제어하게 된다.

도 28a는 하이브리드제어부 내의 레벨조절부(13-5-1) 일례를 도시한 것이다. 블록다이어그램에서는 예를 들어 원칩 레귤레이터의 Gnd에 접속된 가변저항으로 레벨조절부(13-5-1)가 제어레벨의 계단 높이를 설정하는 구성을 채택하고 있다. 즉 도 28a의 Gnd에 접속된 가변저항의 전압차 설정에 따라 출력되는 전압의 레벨이 달라진다. 다만 이때 최하위 레벨은 원칩 레귤레이터에서 설정된 기초값에 의존한다는 제한적인 특성이 있다. 도 28b는 트랜지스터 하나로 간단히 직렬레귤레이터를 구성한 것이고, 도 28c는 다링톤 접속된 TR로서 직렬레귤레이터를 구성한 것으로 도 28a와는 달리 이 구성들은 최하위 레벨에 제한이 없다. 즉 레벨 1V도 출력이 가능하다.

도 29a, 도 29b 및 도 29c는 이러한 레벨조절부(13-5-1)가 전력감지제어부(14)와 연동되는 일례를 나타내고 있다. 즉 전력감지제어부(14)로서 미세한 전력의 범위를 자동 제어하고, 레벨조절부(13-5-1)로서 증폭의 단계를 프리세트(preset) 할 수 있는 것인데, 도 28a와는 달리 도 28b와 도 28c를 이용하는 도 29b와 도 29c는 증폭의 단계를 더 낮게도 미리 설정할 수 있는 것이다.

한편 도 29c는 시스템 연동구성에서의 피드백 제어로 듀티비가 조절되는 역할도 수행할 수 있다. 즉 도 29c에서는 전력감지제어부(14)의 출력이 하이레벨로 되면 레벨조절부(13-5-1)의 제어레벨 출력은 높아지고, 이에 따라 도 25에서 하이브리드제어부(13-5)는 하이브리드부(17)를 높은 전력으로 제어하게 된다. 그런데 이와 같이 높아진 전력은 결국 전력감지제어부(14)의 출력을 로우레벨로 떨어뜨리게 되므로 전체적인 시스템으로서의 피드백 작용은 레벨조절부(14)가 하이 및 로우를 반복하는 듀티비 제어의 작용을 하게 되는 것이다. 요컨대 직류적인 조절 작용뿐만 아니라 비정규적인 시스템적 피드백 제어로서의 단속 신호에 의해서도 듀티비 신호가 만들어지며 이러한 듀티비 신호로 하이브리드부(17)의 전력 보충 작용이 수행됨을 말하고 있다.

나아가 레벨조절부(13-5-1)는 상기 발전설비의 전압 변화를 감지하여 상기 구동레벨신호의 최대레벨 범위를 결정하는 구성을 더 포함토록 할 수 있는바, 이러한 구성은 도 29a 또는 도 29c에서 전력감지제어부(14) 내에 도시된 제너 다이오드(zener diode)를 어떻게 설정하는가에 따라 결정된다. 예를 들어 발전설비로부터의 전력을 제어하는 범위를 30V까지로 설정해 두고 그 범위 내에서는 전력감지제어부가 레벨조절부를 제어하지는 않도록 하되, 30V를 넘어서면 전력감지제어부가 레벨조절부를 자동적으로 억제하는 제어를 하도록 작동시킬 수 있는 것이다.

이하에서는 도 25의 블록다이어그램이 구체적으로 어떠한 결합을 통해 종합적인 작용을 이루어내는가를 도 26a 내지 도 30d까지로 도식한 회로를 이용하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저 외형적인 도 30a로서는 전력감지제어부(14)가 종합출력단(Level 2)에서 전체적인 시스템 전력을 감지하고 그 결과가 레벨조절부(13-5-1)에 연결됨을 알 수 있다. 내용적으로 이 구성들은 축전기(2) 계통으로 공급되는 전압, 전류 또는 전압+전류의 변화를 감지하고 하이브리드제어부(13-5)를 통해 하이브리드부(17)를 제어토록 할 수 있다. 이러한 구성들을 통해 부하단(예를 들면 축전지)에 과도한 전력이 공급되지 않도록 하면서도 무전력에 이르기까지의 발전설비 전력의 전량을 부하단으로 활용할 수 있게 되는 것이다.

나아가서는 도 29a의 전력감지제어부(14) 내에 도시된 제어다이오드(zener diode)에 의하여 하이브리드부(17)의 출력단에서 과대하게 전압이 높아졌을 때만 첨두 부분을 자르는 구성으로 실시될 수도 있다. 도 30a 내지 도 30d는 모두 이러한 개념적 기술사상을 적용한 것이지만 이 구성에서 전류센서를 도시하는 것만 생략하였다.

도 30a와 도 30b에서 레벨조절부(13-5-1)는 도 29a, 29b, 29c에서처럼 전력감지제어부(14)와 연동되어 설정된 제어레벨의 신호를 발생한다. 즉 레벨조절부는 도 29a, 29b에서 Gnd 단자 또는 TR 베이스 단자에 접속된 가변저항(VR)에 의하여 미리 설정하는 미세단위의 단계로 제어레벨을 설정하는 구성을 포함하는데, 이러한 미세단계는 발전설비의 전력(24V)에 제어레벨을 중첩 증폭하는 기본적인 구동레벨신호를 만드는 기준으로 역할을 하게 된다. 예를 들어 발전설비 전압 24V에 제어레벨 3V를 더한 27V가 되도록 작용하는 것이다.

이 레벨조절부는 상기 발전설비의 전력 계통 중 일부를 분류한 전원을 소재로 하는 것이 바람직하지만, 그 외에도 도 13 내지 도 16에서 도시하고 각각 설명한 바와 같이 외부전원(2-0) 또는 보조 축전기(2, 2-1, 2-2, 2-4 등의 구성)을 소재로 조달할 수도 있다. 다만 이러한 보조 축전기에 대해서는 앞에서 이미 설명한 바 있으므로 여기서는 레귤레이터에 연결되어 제어레벨이 조절되는 원리만을 도식 및 설명하였다.

요컨대 레벨조절부는 특히 자연현상에서 비롯되는 발전설비의 전력 변화에 대응하기 위하여 발전설비의 전력이 낮을 경우에는 증폭의 레벨을 높이고, 발전설비의 전력이 높아지면 증폭의 레벨을 낮게끔 자동적으로 변화시키는 작용을 하게 된다.

이를 위해 레벨조절부는 개별적인 승압단계 레벨을 설정하는 기능과 그 개별적인 승압단계가 조합되는 전체적인 종합시스템 전력 범위를 설정하는 두 개의 제어기능을 구비한다. 즉 도 29b의 레벨조절부(13-5-1)의 가변저항(VR)은 단계적인 계단의 높이를 미세하게 조절하도록 하는 설정 기능이고, 도 29b의 전력감지제어부(14)의 가변저항(VR)은 정해진 단계가 없이 전체적으로 설정된 전압이 유지되도록 하는 무(無)단계의 제어 설정 기능이다.

다음으로, 도 30a에서 구동레벨신호변환부(13-5-2)는 도 26a, 26b, 26c 등으로 도시한 바의 제어신호발생부(13-6)에서 발생되는 구동신호를 정극성 및 역극성으로 변환하면서 앞에서의 제어레벨과 혼성한 구동레벨신호로서 하이브리드제어부의 출력을 발생하도록 한다. 여기서 제어레벨은 레벨조절부의 출력이고 이를 결합하여 구동레벨신호로 혼성(혼합 구성)한다 함은 구동신호 그 자체를 하이브리드제어부의 출력으로 내보내는 것이 아니라 구동신호에 제어레벨을 혼합한 구동레벨신호로 변환하여 내보냄을 말한다.

이때 구동레벨신호는 구동레벨신호변환부에서 인버터를 이용하여 정극성 및 역극성으로 시계열적 변화로 변환을 할 때 그 구동신호의 레벨이 앞에서 설명한 바대로 원하는 만큼 조절되는 작용, 또는 전력감지제어부와 연동되는 듀티비 제어로 정극성 및 역극성의 시계열적 진행이 순간순간 단속됨에 따라 구동레벨신호가 시시각각 자동적으로 제어되는 작용으로 달성될 수도 있다.

요컨대, 비록 인위적인 하드웨어 구성으로서 하이브리드부의 전력증폭 단수를 구성했다 하더라도 직류적인 제어레벨 혹은 듀티비 단속 신호가 자동적으로 이를 제어하여 실질적인 전력증폭 단수를 늘리거나 줄이면서 종합출력단인 축전기(2) 계통에서는 목표한 바대로의 안정적인 전력조절 기능이 달성되는 것이다.

도 30a, 30b, 30c, 30d에서 보듯이 하이브리드부(17)는 발전설비(1)로부터 공급되는 직류를 승압하거나 강압하는 구성요소이다. 구체적으로 상기 하이브리드부(17)는 직렬 연결된 복수의 다이오드(D1,...Dn)와 상기 직렬 연결된 복수의 다이오드의 각 노드에서 각각 분류된 복수의 커패시터(C1,... Cn)로서 이루어진 다이오드 커패시터 어레이로 구성되고,

상기 다이오드 커패시터 어레이의 다이오드 입력단을 상기 발전설비(1) 계통에 연결하는 한편 상기 다이오드 커패시터 어레이의 다이오드 출력단을 상기 축전기(2) 계통에 연결하며, 상기 다이오드 커패시터 어레이의 각 커패시터 입력단(C1,...Cn)을 상기 하이브리드제어부(13-5)의 구동레벨신호변환부(13-5-2)에 연결하여서 구성된다.

도 30a, 30b, 30c, 30d에서는 인터페이스부(13-4)가 도시되어 있지만, 이 인터페이스부(13-4)가 없이 하이브리드제어부(13-5)와 하이브리드부(17)가 직결 연결되는 경우는 축전지 전압이 하이브리드제어부(13-4)의 최대정격 전압보다도 낮은 저전력의 경우에 채택될 수 있다.

만약 인터페이스부(13-4)가 연동되는 경우는 하이브리드부(17)와 연동되는 구성이 다음과 같이 수정된다.

즉, 상기 하이브리드부는 직렬 연결된 복수의 다이오드(D1,...Dn)와 상기 직렬 연결된 복수의 다이오드의 각 노드에서 각각 분류된 복수의 커패시터(C1,... Cn)로서 이루어진 다이오드 커패시터 어레이로 구성되고,

상기 인터페이스부(13-4)는 복수의 푸쉬풀회로(13-4-1,.... 13-4-n)로 구성되며,

상기 다이오드 커패시터 어레이의 다이오드 입력단을 발전설비(1) 계통에 연결하는 한편 상기 다이오드 커패시터 어레이의 다이오드 출력단을 축전기(2) 계통에 연결하여 전력 보충 경로를 구성하면서,

상기 다이오드 커패시터 어레이의 각 커패시터 입력단(C1,...Cn)을 상기 복수의 푸쉬풀회로(13-4-1,.... 13-4-n)에 매칭 연동하여서 상기 복수의 푸쉬풀회로(13-4-1,.... 13-4-n)를 경유하는 구동레벨신호변환부(13-5-2)의 구동레벨신호에 따라 하이브리드부의 전력 보충이 설정된 범위로 제어되는 구성을 포함하게 되는 것이다.

이때 인터페이스부(13-4)는 발전설비(1)의 전압과 하이브리드제어부(13-5)의 작동 전압이 서로 다를 때 이를 매칭시키기 위하여 구동레벨신호변환부(13-5-2)와 하이브리드부(17)의 사이에 연결되는 구성요소로서, 도 30a에서는 구동레벨신호변환부(13-5-2)에 공급되는 전압(A)와 발전설비(1)로부터 공급되는 전압(B)의 차이를 극복하면서 하이브리드제어부(13-5)로부터의 구동레벨신호를 하이브리드부(17)로 전달하는 것이다.

즉, 인터페이스부(13-4)는 26V의 발전설비 전압에 연결된 하이브리드부(17)의 입력단(D1)과 5V에 연결된 하이브리드제어부(13-5)의 구동레벨신호변환부(13-5-1)의 출력단 간의 전압차를 인터페이스의 푸쉬풀 트랜지스터(Q1)가 매개함으로써 베이스로는 신호를 연결하고 콜렉터로는 전압차의 문제를 극복하는 작용을 하게 되는 것이다. 즉 이러한 인터페이스에 의하여 26V의 기반 위에서 전력증폭을 하면서도 증폭의 범위는 5V 단위로 세분화 되어 이루어질 수 있다. 만약 이러한 인터페이스부가 없이 하이브리드부(17)와 하이브리드제어부(13-5)를 그대로 직접 연결한다면 상기 26V 때문에 5V 또는 15V를 사용하는 하이브리드제어부는 소손될 가능성이 매우 높아진다. 도면에서 직결된 푸쉬풀회로의 각 베이스와 하이브리드제어부의 출력단 간에는 도시생략되었지만 커플링 커패시터를 게재하여 연결될 수도 있다.

도 30a, 30c는 상기 푸쉬풀회로를 NPN과 PNP로 조합된 복수의 다링톤(darlington) 상보(complimentary) TR로 구성되어서 상기 하이브리드부의 입력단에 공급되는 전압으로부터 상기 하이브리드제어부를 보호하도록 예시한 것이고, 도 30b는 NPN과 PNP를 조합한 complimentary TR로서 인터페이스부가 예시된 것이다. 다링톤 접속인 것과 아닌 것의 차이는 전류증폭률에 있으므로 다링톤의 경우 구동레벨신호변환부로부터의 신호 파형이 원형에 가깝게 보존되는 장점이 있다.

인터페이스부는 IC와 같은 미약한 전력에서만 작동되는 제어신호발생부를 발전설비 전력의 생산과 같은 고전력의 전력 소재로 사용할 수 있게 하는 정합부로서의 핵심적인 효과를 발휘한다. 이에 따라 하이브리드부의 승압 대상이 발전설비의 전력이지만 발전설비의 전력 그 자체를 직접 승압하는 것이 아니라 그 발전설비의 전력을 잘게 분해한 구동레벨신호를 논리적인 승압의 소재로 한 후 이를 다시 집합 연계하는 전력 제어가 가능하게 되는 것이다.

본 발명은 이에 한정되지 않는 것으로, 도시 생략하였지만 상기 하이브리드부, 인터페이스부, 제어신호발생부, 하이브리드제어부 또는 전력감지제어부 중 적어도 어느 하나에 빛의 밝기를 감지하여 작동을 제어하는 CDS 등 광센서부를 연동하는 경우, 예를 들어 태양전지에 본 발명을 할용함에 있어서 야간에는 하이브리드부(17)에 연동되는 작동을 자동적으로 멈추게 하여 자체 소모전력을 방지할 수 있게 된다.

이러한 구성은 상기 하이브리드부, 인터페이스부, 제어신호발생부, 하이브리드제어부 또는 전력감지제어부 중 적어도 어느 하나에 설정된 시각에 작동을 제어하는 예약제어부를 연동하는 구성으로도 사계절 주야로 전환되는 시각을 미리 설정하여 같은 목적으로 작동시킬 수 있다.

또한 스마트그리드, IoT 등 정보통신기술과 융합을 이루어 상기 하이브리드부, 인터페이스부, 제어신호발생부, 하이브리드제어부 또는 전력감지제어부 중 적어도 어느 하나에 원격지로 작동상태를 전달할 수 있는 원격감시제어수단을 연동할 수 있으며, 이 경우 특히 인터넷이나 스마트폰을 이용하여 원격지에서 작동 상태를 제어 또는 감시가 가능하게 된다. 예를 들어 도 30a에서 전력감지제어부(14)가 검출하는 전류센서 위치(Dn의 출력단)에서 충전전류와 충전전압을 원격으로 감지하고 그 결과의 처리를 레벨조절부(13-5-1)로 피드백 제어할 수 있는 것이다.

도 30a에서 미설명부호 (R)과 (LED)는 하이브리드부(17)가 작동하고 있는지를 육안으로 쉽게 확인할 수 있게끔 하는 테스트 포인트용 디스플레이부이다.

한편 도 30c는 구동레벨신호변환부(13-5-2)가 전력감지제어부(14)의 출력단에 연결되어 레벨제어를 할 뿐만 아니라 발전설비(1) 계통에 직접 연결되어 레벨을 제어하는 기능도 수행하게 된다.

이 구성에서 전압비교기(13-5-3)들은 구형파를 시계열적으로 시프트 할뿐만 아니라 발전설비(1)에서 출력되는 전력을 감지하여 시계열적 시프트 되는 범위, 즉 레벨 업 되는 계단의 수를 자동적으로 설정하게 되는 것이다. 계단의 수가 적어지면 같은 레벨이라 하더라도 계단의 수가 적어지는 것만큼 전력의 증폭도가 낮아지게 된다.

같은 맥락으로 계단의 수와 레벨제어를 동시에 조절(13-5)하도록 된 도 30d는 별도의 인버터(13-5-2)가 레벨제어를 담당하고 계단 수를 결정하는 전압비교기(13-5-3)가 발전설비로부터의 전력을 직접 감지하여 인버터를 제어함으로써 시계열적 단계의 범위와 레벨을 제어하도록 구성된 실시예이다.

도 30e는 이제까지 설명한 하이브리드제어부(13-5)를 단일 MPU(15)로서 통합적으로 실시한 일례를 도시한 블록다이어그램이다.

즉 상기 제어신호발생부(13-6), 레벨조절부(13-5-1), 구동레벨신호변환부(13-5-2)는 MPU(18)를 연동하는 입출력단 구성 및 MPU(15)에 내장된 제어신호발생프로그램(13-6에 대응되는 프로그램)과 레벨조절프로그램(13-5-1에 대응되는 프로그램)과 구동레벨신호제어프로그램(13-5-2에 대응되는 프로그램)으로 각각 수행하도록 구성된 수단을 포함하는데, 이는 앞에서 설명한 제어신호발생부, 레벨조절부, 그리고 구동레벨신호변환부에 대응되어서 소프트웨어적인 하이브리드제어부의 역할을 수행하게 대체된 구성에 해당된다. 물론 이러한 소프트웨어를 구동하기 위한 하드웨어를 구성하고 작동시키기 위하여 MPU 전용의 전원부(13-7)는 별도로 구성되는 것이 바람직하다.

도 31a 내지 31e는 본 발명의 작용을 도식화하여 설명하는 그래프이다.

즉, 본 발명에서 구동레벨신호변환부(13-5-2) 없이 제어신호발생부(13-6)로부터의 구동신호를 하이브리드제어부(17)에 직접 공급할 경우 발전설비의 전력은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 등 n배로 증가하게 된다(도 31a). 이때 하나의 배수에 해당하는 높이 단계로 전환될 때마다 앞에서 선행기술의 문제점을 지적한 대로 충격전압이 클 것은 당연하다.

이에 비하여 본 발명은 전력감지제어부(14)가 설정하는 범위 내에서 시스템적으로 전체적인 전력을 안정화시키는 것인데, 전력감지제어부는 전체적인 종합출력단에서의 높이를 종합적으로 결정하게 하고 레벨조절부는 계단 하나마다의 높이를 결정하여 전체적으로 일정한 전력을 유지하게 되는 것이다(도 31b, 도 31c).

만약 하이브리드제어부가 구동레벨신호를 발생하지 않는다면 하이브리드부(17)는 증폭 작용이 없이 발전설비(1)로부터의 전력을 그대로 통과시키게 되는데, 이때는 다이오드 어레이를 통과하면서 강하되는 다이오드의 삽입손실만큼 전체적인 전압은 낮아지게 된다. 즉 강압도 가능하게 되는 것이다(도 31d).

도 31e는 도 30c 또는 도 30d에서 계단 수 제어기인 비교기(13-5-3)의 작용에 의하여 하이브리드부(17)의 제어단수가 4단으로 고정 설정되고 그 고정된 4단계의 제어단 수를 바탕으로 전력감지제어부(14)가 작동하여 전체적으로 미세한 전압 변화를 추종하는 혼합 구성에 해당한다.

이와 같은 본 발명은 하이브리드부(17)가 복수개로 병렬 연결되더라도 각각 독립적 작동하여 상호 간섭을 일으키지 않는 효과를 얻게 된다. 즉 제6실시예에서의 전력감지제어부(14), 하이브리드부(17), 인터페이스부(13-4), 하이브리드제어부(13-5), 제어신호발생부(13-6)로 연동 구성된 본 발명의 전력레벨 천이 장치는 복수개의 장치로 여러 개 병렬로 연결되더라도 각각은 개별 독립적으로 작용한다. 즉 각각의 발전설비(1)로부터 복수개의 전력레벨 천이 장치를 통해 병렬로 취합하거나 또는 단일 발전설비(1)에서 분류하여 복수개의 장치로 병렬로 분류하였다가 다시 통합한 경우 등 어느 경우라도 각각의 전력레벨 천이 장치는 자체적인 제어능력에 기반하여 독립적인 작동을 하고, 오직 종합출력단에서 설정되는 전력만을 일정하게 하는 작용으로 자동적인 역할분담을 하게 되는 것이다.

즉, 이상 설명한 본 발명 발전설비의 전력레벨 천이 장치는 원리적으로 개별적인 독립된 작동을 하므로, 복수개의 발전설비로부터 단일 축전기(20) 계통으로 취합하여 전력을 모을 수 있음은 물론, 하나의 발전설비(1)와 하나의 축전기(2)의 사이에서도 필요 용량에 따라 상기 장치를 여러 개 조합함으로써 단순히 쌓아서 전력의 용량을 증대시키는 때도 각각의 능력범위 내에서 증폭도를 분배 조절하는 자동 작동이 가능한 것이다.

이 원리의 핵심은 하이브리드제어부(13-5)에서 낮은 레벨로 미세하게 분해 후 제어하는 레벨조절부(13-5-1)와 구동레벨신호변환부(13-5-2)와 인터페이스부(13-4), 그리고 발전설비의 고전력과 미세전력을 혼성하여 미세전력을 증폭하는 하이브리드부(17)의 종합적인 연동 효과로부터 얻어지는 것이다.

특히 이와 같이 병렬로 단순 조합하여 유연하게 확장될 수 있는 특별한 효과에 따라 단일 태양전지판 내에서도 셀(cell) 별로 구분되는 전력 보충 계통을 구성할 수 있으며, 더 나아가 복수개의 태양전지판 중에서 일부 그림자가 가려진 경우라도 그에 맞추어서 전력을 보충하면 정상적인 발전전력을 취할 수 있게 되므로 결국 종래에는 상상을 할 수 없었던, 복층 내지는 다층의 태양전지판 구축도 가능하게 되는 시너지 효과를 얻을 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1 : 발전설비
2 : 축전기 계통
4 : 부하 계통
4-1 : 인버터
14 : 전력감지제어부
13-2 : 자동레벨조절부
13-4 : 인터페이스부
13-5 : 하이브리드제어부
13-5-1 : 레벨조절부
13-5-2 : 구동레벨신호변환부
13-6 : 제어신호발생부
17 : 하이브리드부
13 : 전력보충부

Claims (6)

1. 부하단으로 전력을 공급하는 발전설비;
   상기 발전설비로부터 전력을 공급받아 저장하는 적어도 하나의 축전기;
   상기 발전설비로부터 상기 부하단으로 공급되는 전력을 감지하는 전력감지제어부; 및
   상기 축전기 또는 부하단으로 공급되는 전력이 설정된 유효전력 미만인 경우 상기 축전기 또는 부하단으로 공급될 발전설비의 전력을 유효전력으로 활성화시키는 전력보충부를 포함하며,
   상기 전력보충부는 상기 축전기 또는 부하단의 전위보다 발전설비의 전위가 낮은 경우, 발전설비 출력단의 전위가 높아지도록 발전설비 계통에 마중물을 직렬중첩 공급하여 상기 발전설비의 전력을 유효전력으로 활성화시키되,
   상기 전력보충부는 상기 축전기 또는 부하단 계통으로부터 마중물 입력전력을 조달하도록 연계되는 입력단과, 상기 전력감지제어부의 감지결과를 입력받도록 연계되는 제어단과, 상기 제어단의 감지결과에 따라 상기 마중물 출력전위를 조절 출력하는 출력단을 갖는 자동레벨조절부를 포함하며,
   상기 자동레벨조절부의 출력단에서 출력되는 상기 마중물 출력전위가 상기 발전설비 계통에 비대칭 상보 관계로 직렬중첩 연결 및 자동조절되어 상기 설정된 유효전력 미만인 때에 상기 축전기 또는 부하단에서 요구되는 레벨 이상으로 상기 발전설비의 레벨을 천이시킴에 따라 상기 발전설비의 전력을 유효전력으로 활성화시키고,
   상기 마중물 출력전위는 상기 발전설비로부터의 출력전력이 기설정 레벨을 초과하지 않는 범위 내에서 조절되며,
   상기 기설정 레벨은 상기 유효전력 이상의 레벨인 것을 특징으로 하는 발전설비의 전력레벨 천이 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 발전설비와 상기 전력보충부의 연결은 상기 전력보충부의 출력이 상기 발전설비 음극(-)의 전력레벨을 천이시키도록 상기 자동레벨조절부의 출력 전위가 상기 발전설비의 전력공급 계통에 직렬 게재 연결되는 것을 특징으로 하는 발전설비의 전력레벨 천이 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 발전설비는 부하 상태와 날씨 상태에 따라 전류 및 전압이 변동되는 통상적인 태양전지이고,
   상기 축전기는 충방전 상태에 따라 전류 및 전압이 변동되는 통상적인 축전기이며,
   상기 전력감지제어부는 태양전지와 부하단의 연결점을 감지하는 한편 전력보충부는 상기 전력감지제어부와 연동되어 마중물 전력을 공급 제어하는 것으로서,
   상기 전류 및 전압이 변동됨에 불구하고 상기 전력보충부가 제어 공급하는 마중물에 의하여 상기 태양전지로부터의 생산 전력이 유효전력으로 활성화되는 것을 특징으로 하는 발전설비의 전력레벨 천이장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 발전설비는 태양전지로서 전력을 생산하는 설비이고,
   상기 전력감지제어부에는 야간에 상기 전력보충부를 정지시키고 발전설비에서 전력이 발생되는 주간에만 상기 전력보충부를 동작시키도록 광센서로 조합 연동되는 아이들링제어 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전설비의 전력레벨 천이장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 발전설비의 전력이 유효전력 이상인 때는 상기 발전설비의 음극(-)에 직렬로 연결된 반도체스위치를 통해 발전설비의 전력이 부하단으로 직접 공급되는 한편, 상기 발전설비의 전력이 유효전력 미만인 때는 상기 반도체스위치의 양측단에 병렬로 연결된 상기 전력보충부의 출력단이 상기 발전설비와 비대칭 상보 직렬연결 관계로 연동되어 상기 부하단에 유효전력 이상을 공급하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전설비의 전력레벨 천이장치.
6. 제2항에 있어서,
   상기 자동레벨조절부의 출력 전위가 상기 발전설비의 전력공급 계통에 직렬 게재 연결되는 구성에는, 전력보충부의 출력단으로 유입되는 역전류를 방지하는 구성의 반도체스위치를 경유하여서 연결되는 것을 특징으로 하는 발전설비의 전력레벨 천이 장치.
   
   

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