Solar vehicle charging at home 가정에서 태양광 자동차의 충전
Solar vehicle charging at home
프라운호퍼 실험실 연구원 개발
An electric vehicle is charged with photovoltaic power from the roof of the house using a charging
station.© Fraunhofer ISE
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태양광 전력이 개인 전기 자동차를 충전하기에 적합하게 될 것이기 때문에 가정용 태양광 시스템의 소유자들은 조만간 그들의 가정을 보다 지속가능하게 만들 수 있을 것이다. 프라운호퍼 실험실의 연구원들이 개발한 주택 에너지 관리 시스템은 전기 자동차를 주택 에너지 네트워크에 통합시켜 가정에서 충전하는 것을 가능하게 해준다. 미래의 주택은 친환경적이며 에너지 효율적이고 스마트해질 것이다. 주택에 사는 사람들은 지붕에 있는 태양광 패널로부터 얻은 에너지를 가정에서 사용하는 전기로 이용할 뿐만 아니라 개인이 소유한 전기자동차를 충전하는 데에도 사용할 수 있다. 이 시나리오는 이미 독일 Baden-Württemberg의 Fellbach 시내에 있는 “패시브 하우스(Passive House)” 기준에 따라 지어진 주택에서는 실현되고 있다. 새로운 주택은 복합적인 에너지 관리 시스템뿐만 아니라 전기자동차 향상을 포함하고 있는 “Fellbach ZeroPlus” 프로젝트에 따라 업그레이드되었다. 이 이니셔티브는 독일연방정부의 “전기 자동차 쇼케이스” 프로그램의 지원을 받고 있다. “주택 지붕에 있는 대형 태양광 시스템은 장기적으로 볼 때 거주자가 소비하는 전기보다 많은 전기를 제공하게 된다. 남은 전기는 주택에서 사용하는 전기자동차를 충전할 뿐만 아니라 공공 그리드를 넣게 된다”고 Freiburg에 있는 프라운호퍼실험실 태양에너지 시스템 ISE의 과학자인 Dominik Noeren은 말한다. 가정에서 매일 사용하는 일상적인 부분에 향상된 특성을 효율적으로 통합하기 위해 Noeren과 그의 연구팀은 5~7가구에 적용할 수 있는 주택에너지 관리시스템뿐만 아니라 22킬로와트의 급속 충전소를 디자인하였다. 자바(JAVA)에 기반을 둔 주택에너지 관리시스템 소프트웨어는 임베드된 시스템으로 알려진 작은 컴퓨터로 가동한다. 주택에너지 관리시스템은 태양광 시스템, 전기자동차, 히트펌프, 일반 가정용 전기와 같은 가정 내에 있는 다양한 전기 메터로부터 데이터를 모은다. 시스템은 다양한 전력 흐름을 보여주고 집주인에게 하루 중 어느 때라도 그 당시의 전력 소모량을 알려준다. “집주인들은 얼마만한 전력이 대중 그리드 혹은 가정의 태양광 시스템으로부터 들어왔는지, 그리고 이들이 어떻게 사용되는지, 예를 들면, 히트펌프, 가정용 전기용품 혹은 전기자동차에 사용된 내용을 알 수 있다”고 Noeren은 말한다. 또한, 주택에너지 관리시스템은 앞으로 20시간 이상 태양의 세기를 예측하여 소비자들이 얼마나 많은 태양광 에너지를 사용할 수 있을지에 대한 정보를 제공한다. 채택된 알고리듬은 25분마다 가정에서 사용되는 예측 전력을 계산한다. 이 데이터를 사용하여 얼마나 많은 태양광 전력이 주어진 시간에 전기자동차에 사용될 수 있는지를 결정하는 것이 가능하다. “태양광에서 얻어지는 전기는 처음에는 집으로 들어오지만 사용되지 않은 전기는 전기자동차 배터리에 저장된다. 만약 저장하고도 남은 전력이 있다면 이는 공공 그리드로 전송된다”고 Noeren은 말한다. 필드 시험 2년 동안에 주택소유자로부터 피드백 되는 전기는 안드로이드 응용에 사용되었다. 주택에너지 관리시스템 앱은 모든 과정과 전기의 흐름을 실시간으로 볼 수 있게 해주며 태양에너지 세기 예측을 그래프와 수치로 보여준다. 채택된 알고리듬은 각 가정에서 발생한 전력의 사용을 최적화시킨다. 앱을 통해 사용자들은 전기자동차의 배터리 충전 정도와 충전시간뿐만 아니라 충전소를 조절할 수 있다. “이들 파라미터들은 전기자동차를 현명하게 충전하기 위해 필요하다”고 Noeren은 말한다. 이상적인 충전 스케줄을 만들기 위해 시스템은 자동차가 다음 계획된 출발 시간뿐만 아니라 현재 배터리 충전 정도도 알아야 한다. 에너지 관리시스템은 이 정보를 가정의 전력 네트워크를 통한 전기 흐름을 측정하기 위해서 날씨 및 소비 예측과 함께 사용한다. 얼마나 많은 전기가 채워져야 하는지 뿐만 아니라 가정에서 생산되는 태양에너지의 가장 큰 가능한 부분을 사용하여 자동차를 충전하기에 어느 시간이 최적인지를 계산해준다. “공공 전기 그리드에 전기를 주입하는 것보다 자가 발전되는 태양광 전기를 소비하는 것이 보다 비용 효과적이다”라고 Noeren은 말한다. 주택에너지 관리시스템은 소비자들이 운전하는 시간 동안에 데이터를 사용할 수 있게 해주고 태양광 세기를 예측해주며 현재 가정에서 소모되는 에너지를 알게 해주어 주택의 지붕에서 발생하는 에너지와 함께 전기자동차 충전이 잘 조화롭게 이루어질 수 있게 하여 그들이 사용하는 에너지 부분을 최대화할 수 있다. 이는 집주인들이 전기 사용 비용을 보다 낮추게 해줄 뿐만 아니라 이산화탄소 배출이 적은 주택 및 자동차 분야에도 이상적으로 기여를 하게 된다. 가정에서 생산되는 에너지 소비 부분을 최대화하는 것은 공공 전력 그리드에 대한 부담을 줄이고 가정의 피크시간대에 전기사용량을 줄이는데 도움이 된다. 주택에너지 관리시스템은 프라운호퍼 openMUC 프레임워크에 기반을 두고 있는데 이는 다양한 미터와 장비를 지원하고 있다. 이외에도 멀리서 가정용 장비들을 활성화나 비활성화시킬 수 있게 무선 Bluetooth 혹은 WLAN 전력 콘센트와 통합하거나 혹은 히트펌프와 같은 고에너지 소모 아이템에 통합하기 위해 모듈식으로 확장될 수도 있다. “Fellbach ZeroPlus” 프로젝트 내에 포함된 5개의 가정 중에 2개는 시스템에서 자동차 공유 내용을 2014년 중반부터 현장 시험의 일부로서 성공적으로 사용하고 있다. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 |
Research News Nov 02, 2015
Owners of home photovoltaic systems will soon be able to make their households even more sustainable, because PV power is also suitable for charging personal electronic vehicles. A home energy management system created by Fraunhofer researchers incorporates electric vehicles into the household energy network and creates charging itineraries.
“The large photovoltaic systems on the rooftops of the houses provide more power than the inhabitants consume over the long term. Surplus power can be fed into the public grid as well as be used for charging the household electric vehicle,” explains Dominik Noeren, a scientist at the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE in Freiburg. To efficiently incorporate electromobility enhancements into the daily routines of the households, Noeren and his team designed a 22 kW fast charging station as well as a home energy management system (HEMS) for five of the seven homes. The Java-based HEMS software runs on small computers known as embedded systems. The HEMS collects data from the various electricity meters in the house, including those for the photovoltaic system, the electric vehicle, the heat pump, and general household power. The system displays the various power flows and informs the homeowners about their current power consumption at any time of the day. “They can see how much power is coming from either the public grid or the household solar system, and they can see where it is going – to the heat pump, household appliances, or the electric vehicle,” says Noeren.
Furthermore, the HEMS also forecasts solar intensity over the next 20 hours or so and provides users with information on how much solar power is available. An adaptive algorithm also computes anticipated household power loads for each quarter hour. Using this data, it is possible to determine how much PV power is available for the electric vehicle at any given time. “Electricity from the PV first goes to the house, and power that is not consumed there is stored in the electric vehicle battery. If there is still any electricity left over after that, it is fed into the public electricity grid,” explains Noeren.
During two years of field testing, an Android application was created using feedback from the homeowners. The HEMS app provides a visualization of all processes and electricity flows in real time, and gives solar intensity forecast readouts in graphical and numerical form. An adaptive algorithm works to optimize the use of the power generated by each household. Through the app, users can control the charging station as well as view the battery charge level and charging times of the electric vehicle. “These parameters are necessary in order to intelligently charge the electric vehicle,” says Noeren.
To create an ideal charging itinerary, the system must know the vehicle’s current battery charge level as well as its next planned departure time. The energy management system uses this information together with weather and consumption forecasts to estimate the flows through the household power network. It calculates how much electricity must be topped up, as well as which time periods are ideal for recharging the vehicle using the greatest possible proportion of household-produced solar energy.
“It is more cost effective to consume the self-generated solar electricity than to feed it into the public electricity grid,” says Noeren. The HEMS system helps consumers use data on driving times, solar intensity forecasts and current household energy consumption to synchronize electric vehicle charging times with rooftop energy production, so they can maximize the proportion of household-produced energy they use. This not only helps homeowners lower their costs, but it also goes a step closer towards realizing the ideal of low-CO2 homes and personal mobility. Maximizing the proportion of household-produced energy consumed helps unburden the public power grid while reducing household feed-in peaks to the grid.
The HEMS system is based on the Fraunhofer openMUC framework, which supports a wide variety of meters and devices. It offers modular expandability for integrating devices such as wireless Bluetooth or WLAN power outlets that can remotely activate and deactivate household appliances, or for integrating high-consumption items such as heat pumps. Two of the five households in the “Fellbach ZeroPlus” project have been successfully using a car-sharing variant of the system as part of a field test since mid-2014.
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