KR100648134B1

KR100648134B1 - 태양전지 발광시스템

Info

Publication number: KR100648134B1
Application number: KR1020040043208A
Authority: KR
Inventors: 홍명신; 장동환; 노환진; 박종호; 조순남
Original assignee: (주)엡스코어
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2006-11-24
Also published as: KR20050117934A

Abstract

본 발명은 태양전지 발광시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기화학 캐패시터와 이차 전지로 구성된 하이브리드 에너지 저장소자와 이의 고에너지 장수명 특성을 구현할 수 있는 회로 장치를 이용한 태양전지 발광시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템은 태양전지를 이용하여 빛에너지를 전기 에너지로 전환시키고, 이를 에너지 저장소자에 저장하고, 필요시 저장된 전기 에너지를 회로 장치를 통해 출력 부하에 전력을 공급하는 태양전지 발광시스템에서 에너지 저장소자를 전기화학 캐패시터와 이차 전지가 혼합된 하이브리드 에너지 저장소자로 구성하고, 출력 부하에 전력 공급시 하이브리드 에너지 저장소자의 방전 조건을 전기화학 캐패시터에 저장된 전기 에너지를 우선적으로 활용하고 추후 이차 전지에 저장된 전기에너지의 방전을 유도하는 회로장치를 특징으로 한다. 상기한 태양전지 발광시스템은 이차 전지의 높은 에너지 밀도를 활용하는 동시에 충방전 횟수를 감소시킬 수 있어서 장시간 출력이 가능하고 수명이 우수한 태양전지 발광시스템의 구성이 가능해진다.

Description

태양전지 발광시스템{SOLAR CELL LUMINATION SYSTEM}

도 1은 태양전지 발광시스템의 개략적인 구성도

도 2는 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템의 원리를 설명하는 블록도

도 3은 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템의 에너지 저장소자의 방전 특성을 보여주는 그래프

도 4는 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템의 바람직한 구현예를 보여주는 블록도

도 5는 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템의 다른 바람직한 구현예를 보여주는 블록도

도 6은 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템의 또 다른 바람직한 구현예를 보여주는 블록도

도 7은 실험예 2에 의한 실시예와 비교예의 수명 특성을 보여주는 그래프

도 8은 비교예 1에 따른 태양전지 발광시스템의 블록도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 태양전지 발광시스템 100: 태양전지

200: 에너지 저장소자 201: 전기화학 캐패시터

202: 이차 전지 300: 충전제어회로

301. 301a, 302b: 충전회로 302, 303: 다이오드

400: 방전제어회로 401: 제1 방전제어회로

402: 제2 방전제어회로 500: 발광부재

600: DC/DC 컨버터 700: 센서 회로

본 발명은 태양전지 발광시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기화학 캐패시터와 이차 전지를 혼합한 하이브리드 에너지 저장소자와 이들의 고에너지 밀도 및 우수한 수명을 구현할 수 있는 회로 장치를 특징으로 하는 태양전지 발광시스템에 관한 것이다.

태양전지 발광시스템이란 낮에는 태양전지를 통해 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 출력부하에 전력을 공급하고, 이와 동시에 변환된 에너지를 에너지 저장소자에 저장하고, 일정 조도이하로 떨어지는 야간에는 발광부재에 전력을 공급하여 이를 발광시키는 시스템이다. 이러한 태양전지 발광시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 빛에너지를 전기에너지를 변환시키는 태양전지(10), 상기 태양전지(10)로부터의 전기에너지를 저장하는 에너지 저장소자(20), 상기 에너지 저장소자(20)의 충 방전을 제어하는 제어회로(30), 발광부재(40) 및 일정조도 이하일 경우 구동신호를 생성하여 제어회로로 전달하는 센서회로(50)로 구성된다.

현재 태양전지 발광시스템의 에너지 저장소자(20)로 사용되는 대표적인 예로서 이차 전지(Rechargeable battery)와 전기화학 캐패시터(Electrochemical capacitor)를 들 수 있다.

이차 전지는 에너지 밀도가 20∼120Wh/kg로 높다는 장점이 있으나, 반복적인 충방전 특성이 1000회로 제한되는 단점이 있다. 이로 인해 이차 전지를 에너지 저장소자로 이용하는 태양전지 발광시스템은 높은 에너지 밀도로 인해 태양 에너지의 공급이 없는 야간에 장시간 전원 공급에 탁월한 특성을 지니지만 낮은 수명 특성으로 인해 정기적인 유지 및 보수 비용이 발생하는 문제점을 가진다. 이에 반해 전기화학 캐패시터는 고체전극과 전해질 사이의 계면에 생성되는 전기화학 반응을 이용하여 전기 에너지를 축적하는 장치로서 이차 전지에 비해 반복적인 충방전 수명 특성이 반영구적이라는 장점이 있으나 에너지 밀도가 1∼10Wh/kg으로 낮은 단점을 지닌다. 따라서 전기화학 캐패시터를 태양전지의 에너지 저장소자로 이용할 경우 우수한 수명 특성으로 인해 유지 보수 비용을 크게 줄일 수 있다는 장점을 지니지만 낮은 에너지 밀도로 인해 전원 공급이 단시간만 가능하고 장시간 전원 공급시에는 많은 부피 및 중량이 요구되는 문제점을 가진다. 전기화학 캐패시터를 에너지 저장소자로 이용한 예로는 미국특허 제6,655,814호를 참조하기 바란다.

미국특허 제5,587,250호는 전기화학 캐패시터-이차 전지의 하이브리드 에너지 저장소자를 개시하고 있다. 상기 문헌에 따른 하이브리드 에너지 저장소자는 전 기화학 캐패시터와 이차 전지가 병렬로 연결된 소자이다. 상기 문헌에 개시된 하이브리드 에너지 저장소자를 태양전지 발광시스템에 적용하면, 이차 전지의 높은 에너지 밀도를 활용할 수 있어서 장시간의 출력이 가능해지고 또한 전기화학 캐패시터의 우수한 수명을 유지할 수 있어서 이차 전지의 수명 저하에 대비해서 보조 에너지원으로 활용이 가능할 것으로 예상된다. 그러나, 상기문헌에 개시된 방식은, 병렬로 연결된 이차 전지와 전기화학 캐패시터가 동시에 충방전을 수행하기 때문에, 초기에는 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있으나, 이차 전지의 용량감소는 필연적이다. 따라서, 낮과 밤에 거듭된 충방전을 경험하는 태양전지 발광시스템에 적용할 경우 우수한 수명을 제공하기에는 한계성을 가진다고 말할 수 있다.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기화학 캐패시터와 이차 전지가 혼합된 하이브리드 에너지 저장소자를 사용하고, 이들의 수명특성 및 높은 에너지 밀도를 효과적으로 활용하기 위한 회로 장치를 이용하여 고 에너지 밀도 및 우수한 수명 특성을 가진 태양전지 발광시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 태양전지를 이용하여 빛에너지를 전기 에너지로 전환하고, 이를 에너지 저장소자에 저장하고, 필요시 상기 에너지 저장소자로부터 제공되는 전력을 출력부하로 제공하는 태양전지 발광시스템에 있어서, 상기 에너지 저장소자가 전기화학 캐패시터와 이차 전지로 구성되고, 회로 장치를 이 용하여 하이브리드 에너지 저장소자의 방전 조건을 전기화학 캐패시터가 우선적으로 독립적인 방전이 이루어진 후 이차 전지의 방전이 이루어지게 설정하여 이차 전지의 높은 에너지 밀도를 활용하는 동시에 이차 전지의 수명이 현저히 향상된 태양전지 발광시스템이 제공된다.

본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 태양광으로부터의 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지, 상기 태양전지로부터의 전기에너지를 저장하는 에너지 저장소자, 상기 태양전지로부터 에너지 저장소자로의 전기 에너지의 충전을 제어하는 충전제어회로, 상기 에너지 저장소자의 방전을 제어하는 방전제어회로 및 상기 에너지 저장소자로부터의 출력전압에 의해 발광하는 발광부재를 구비한 태양전지 발광시스템에 있어서, 상기 에너지 저장소자가 전기화학 캐패시터와 이차 전지가 병렬로 하이브리드된 형태이고, 상기 방전제어회로가 전기화학 캐패시터의 방전전압을 체크하고, 상기 방전전압이 일정 전압 이하일 경우 제어신호를 생성하는 제1 방전제어회로와 상기 제어신호의 응답으로서 이차 전지의 방전을 유도하는 제2 방전 제어회로를 포함하여 이루어지는 태양전지 발광시스템이 제공된다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기한 바와 같이, 종래의 태양전지 발광시스템에서 에너지 저장소자의 문제점은 고 에너지 밀도 및 수명 특성이 동시에 제공되지 못한다는 단점을 가지고 있다.

본 발명자들은 종래의 태양전지 발광시스템에 있어서 전기화학 캐패시터 및 이차 전지를 혼합한 하이브리드 에너지 저장소자를 구성하고, 회로 장치를 통해 전기화학 캐패시터가 우선적으로 독립적인 방전을 유도한 후 이차 전지의 방전이 이루어지게 설정할 경우 이차 전지의 고 에너지 밀도를 충분히 활용하는 동시에 수명이 현저히 향상되어 장시간 전력 공급이 가능하고 수명이 우수한 태양전지 발광시스템을 구성할 수 있음을 발견하였다.

따라서 종래의 태양전지 발광시스템의 문제점인 낮은 에너지 밀도 혹은 수명 특성 저하를 해결하기 위해 본 발명은 전기화학 캐패시터와 이차 전지로 구성된 하이브리드 에너지 저장소자와 전기화학 캐패시터가 우선적으로 독립적인 방전을 유도한 후 이차 전지의 방전이 가능케 하는 회로 장치를 갖는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템의 바람직한 구현예를 보여주는 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템(1)은 태양전지(100), 에너지 저장소자(200), 충전제어회로(300)와 방전제어회로(400), 그리고 발광부재(500)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 태양전지(100)는 태양광으로부터의 빛에너지를 전기 에너지로 변환하여 기전력을 발생시킨다. 상기 태양전지(100)로부터의 기전력은, 상기 충전제어회로(300)의 제어 하에, 상기 에너지 저장소자(200)로 전달되고 저장된다. 본 발명에 따르면, 상기 에너지 저장소자(200)는 전기화학 캐패시터(201)와 이차 전지(202)가 병렬로 하이브리드된 형태를 갖는다. 태양에너지는 전기화학 캐패시터(201)와 이차 전지(202)의 하이브 리드 에너지 저장소자(200)에 저장되고, 추후 발광부재(500)로 전달되어 주위를 밝히게 된다. 상기 전기화학 캐패시터(201)와 이차 전지(202)의 방전은 방전제어회로(400)에 의해 제어된다. 이 때, 상기 방전제어회로(400)는, 주위의 조도를 감지하는 센서회로(700)(이것은 태양전지(100)로부터 전달되는 에너지의 양을 감지할 수도 있다)로부터의 구동신호에 따라, 상기 에너지 저장소자(200)의 방전을 제어한다. 본 발명에 따르면, 상기 방전제어회로(400)는 전기화학 캐패시터(201)의 방전전압을 체크하고, 상기 방전전압이 일정 전압 이하일 경우 제어신호를 생성하는 제1 방전제어회로(401)와 상기 제어신호의 응답으로서 이차 전지(202)의 방전을 유도하는 제2 방전 제어회로(402)를 적어도 포함한다. 상기한 제1 방전제어회로(401)와 제2 방전제어회로(402)의 조합은 우선적으로 전기화학 캐패시터(201)에 저장된 에너지의 방전을 유도하고, 전기화학 캐패시터(201)의 방전전압이 일정전압 이하일 경우에만 이차 전지(202)의 방전을 유도한다. 따라서, 통상의 경우 이차 전지(202)의 방전은 최대한 자제되고, 전기화학 캐패시터(402)에 의해 전력이 공급된다. 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템(1)은 전기화학 캐패시터(201)가 갖는 높은 파워와 우수한 수명특성의 이점과, 이차 전지(202)가 갖는 높은 에너지 밀도의 이점을 동시에 향유한다. 구체적으로, 전기화학 캐패시터(201)의 높은 파워와 우수한 수명특성에 의해, 이차 전지(202)의 단점인 수명특성을 개선하고, 이것은 태양전지 발광시스템(1)의 유지 보수의 필요성을 저하시키거나 없게 한다. 또한, 장마철과 같이 태양광에 의한 에너지 축적이 거의 없는 경우에도, 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템(1)은 이차 전지(202)에 축적된 높은 에너지 밀도에 의해 주위를 밝힐 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템(1)의 방전 특성을 보여주는 그래프이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 사용되는 태양전지 발광시스템(1)은 방전 전압이 연속적으로 감소하는 구간(A)과 추후 전위가 일정하게 유지되는 구간(B)을 갖는다. 첫 번째 구간(A)은 전기화학 캐패시터(201)의 독립적인 방전 구간이고, 두 번째 구간(B)은 이차 전지(202)의 방전 구간이다. 이런 방전특성은 전기화학 캐패시터(201)는 전기적 특성상 방전시 전압이 연속적으로 감소되며, 이차 전지(202)는 방전전압이 일정하게 유지되고, 제1 방전제어회로(401)와 제2 방전제어회로(402)의 제어에 의해, 전기화학 캐패시터(201)가 일차적으로 방전하고 그 후 이차 전지(202)가 방전하기 때문이다. 한편, 상기 첫 번째 방전구간(A)이 저녁시간대(통상, 6시간 내지 12시간 정도)를 커버하게 되면, 평상시 이차 전지(202)는 충방전을 경험하지 않을 것이다. 또한, 이차 전지(202)에 축적된 높은 에너지 밀도는 두 번째 방전구간(B)을 적어도 2일 내지 일주일, 많게는 2주일까지 연장할 수 있으며, 이것은 비오거나 눈오는 날이 2일 내지 일주일 동안 지속되더라도, 발광부재(500)를 점등시킬 수 있다. 아울러, 상기 이차 전지(202)의 높은 에너지 밀도에 의해, 발광시스템의 부피를 최소화할 수 있다. 이해의 편의를 위해, 이차 전지(202)는, 사용되는 전극활물질의 종류 등에 의존하여, 전기화학 캐패시터(201) 보다 2 - 5배 이상의 에너지 밀도를 갖는다. 따라서, 하이브리드 에너지 저장소자(200)와 상기 저장소자(200)의 방전을 제어하는 제1 방전제어회로(401) 및 제2 방전제어회로(402)로 구성된 방전제어회로(400)를 포함하는 본 발명에 따른 태 양전지 발광시스템(1)은 작은 중량 혹은 부피로도 출력 부하에 장시간 전력 공급이 가능하다. 즉 빠른 충방전과 반영구적 수명특성을 갖는 전기화학 캐패시터(201)에 저장된 에너지를 기본적으로 활용할 뿐만 아니라, 이차 전지(202)에 축적된 높은 에너지 밀도를 이용하기 때문에, 작은 부피 및 중량으로도 고에너지 밀도를 가진 태양전지 발광시스템의 구현이 가능하다.

본 발명에 따른 태양전지 발광시스템의 이점을 자세히 설명하면, 태양에너지를 에너지원으로 사용하는 태양전지 발광시스템(1)은 낮에는 에너지 저장소자(200)의 충전, 밤에는 방전을 경험한다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 이것은 기후 조건에 따라 아래와 같이 충전량과 방전량의 조건 변화가 발생한다.

기후 조건	충방전 특성
정상적인 기후 (태양 에너지가 정상적으로 공급되는 맑은 날씨)	충전량 > 방전량
비정상적인 기후 (눈, 비등에 의해 태양에너지의 공급이 제한되는 날씨)	충전량 < 방전량

즉 정상적인 기후조건에서는 충전량이 방전량을 초과되지만, 비정상적인 기후조건에서는 태양에너지의 공급 한계로 방전량이 충전량보다 많은 특성을 지닌다. 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 저장소자(200)와 이의 방전제어회로(400)는 우선적이고 독립적인 방전이 가능한 전기화학 캐패시터(201)의 방전시간을 정상적인 기후 조건에서 요구하는 방전량에 적합하게 설계하고, 추후 방전을 실시하는 이차 전지(202)를 비정상적인 기후에서 요구하는 방전량에 적합하게 설계한다. 이럴 경우 발생빈도상 대부분을 차지하는 정상적인 기후 조건에서는 전기화학 캐패시터(2010에 저장된 전기 에너지를 이용하여 충방전을 실시하고, 발생빈도상 그 횟수가 적은 비정상적인 기후 조건에서는 이차 전지(202)에 저장된 에너지를 활용하여 출력 부하에 전원을 공급할 수 있다. 결국 본 발명에서 제공하는 하이브리드 에너지 저장소자(200) 및 이의 방전제어회로(400)는 이차 전지(202)의 사용을 발생빈도가 낮은 비정상적인 기후 조건에 국한시켜 이차 전지(202)의 충방전 횟수를 최소화시킬 수 있으므로 수명이 현저히 향상된 고에너지 태양전지 발광시스템의 구성이 가능해진다.

본 발명에 사용될 수 있는 전기화학 캐패시터(201)의 예로는 두개의 전극이 모두 카본 활물질(바람직하게는, 활성탄)로 제조된 전기 이중층 캐패시터, 두개의 전극 중 하나의 전극에서는 패러데이 반응이 일어나고, 다른 하나의 전극에서는 비패러데이 반응이 진행되는 의사캐패시터(pseudocapacitor), 두개의 전극중 하나의 전극은 패러데이 반응에 의해 비패러데이 반응이 활성화되고, 다른 하나의 전극은 비패러데이 반응이 진행되는 의사캐패시터를 들 수 있다. 본 발명에서는, 전기 이중층 캐패시터를 사용하였으나, 이것은 설명을 위한 것이고 예시적이다. 상기 전기화학 캐패시터(201)의 방전시간은 6 내지 12시간을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용될 수 있는 이차 전지(202)의 예로는 특별히 제한되지 아니한다. 예를 들면, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지, 연 축전지, 니켈-수소저장 합금 전지, 리튬 설퍼 전지가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬이차전지이다. 본 발명에서는 리튬이온 폴리머 전지를 사용하여 테스트하였다. 상기 이차 전지(202)는 2일 내지 2주일, 바람직하게는 2일 내지 일 주일 동안의 방전을 경험한다.

한편, 상기 에너지 저장소자(200)의 출력은 발광부재(500)로 전달된다. 바람직하게는 DC/DC 컨버터(600)를 통해 전달된다. 상기 DC/DC 컨버터(600)는 발광부재(500)의 구동전압에 적합하도록 전압을 승압 또는 감압하고, 안정된 전력 공급을 수행한다. 상기 발광부재(500)로는 발광다이오드(LED)가 바람직하다. 보다 바람직하게는 발광다이오드와 결합된 면발광소자에 의해 발광이 수행되는 것이다. 발광다이오드에 의한 점발광은 면발광소자에 의해 면발광으로 전환되며, 이것은 눈에 대한 자극을 감소시키고, 균등한 밝기를 실현시킨다. 면발광소자로서, 발광다이오드에 의한 발광을 도통시키는 도광판, 도광판의 저면에 위치하고, 도광판에 입사한 광을 도광판의 윗면으로 반사하는 반사판, 도광판의 윗면에 위치하는 확산판의 조합을 들 수 있다.

한편, 본 발명의 태양전지 발광시스템(1)의 충전제어회로(300)는 다양하게 구성할 수 있다. 일 예가 도 4에 도시되어 있다. 상기 전기화학 캐패시터(201)와 이차 전지(202)는 하나의 충전회로(301)에 의해 충전되고, 에너지 저장소자(200)로부터 태양전지(100)로의 역류를 방지하는 제1 다이오드(302)와 이차 전지(202)로부터 전기화학 캐패시터(201)로의 방전을 제어하는 제2 다이오드(303)로 구성될 수 있다. 또 다른 예로는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 충전제어회로(300)가 전기화학 캐패시터(201)의 충전을 제어하는 제1 충전회로(301a)와 이차 전지(202)의 충전을 제어하는 제2 충전회로(301b)로 구성되고, 제1 충전회로(301a)와 제2 충전회로(301b)는 서로 독립적이고, 전기화학 캐패시터(201)로부터 태양전지(100)로의 역 류와, 이차 전지(202)로부터 태양전지(100)로의 역류를 방지하는 제1 다이오드(302) 및 제2 다이오드(303)로 구성될 수 있다.

가장 바람직한 구현예가 도 6에 도시되어 있다. 도 6에 따르면, 상기 충전제어회로(300)는 전기화학 캐패시터(201)의 충전을 제어하는 제1 충전회로(301a)와 이차 전지(202)의 충전을 제어하는 제2 충전회로(301b)로 구성되고, 상기 제1 충전회로(301a)에 의해 전기화학 캐패시터(201)의 충전이 완료되면, 상기 제1 충전회로(301a)는 제어신호를 생성하고, 상기 제2 충전회로(301b)는 상기 제어신호에 응답하여 이차 전지(202)의 충전을 수행한다. 도 6에 따른 태양전기 발광시스템은, 충전제어회로(300)의 제어 하에, 전기화학 캐패시터(201)를 우선적으로 충전시키고, 이후 이차 전지(202)를 충전한다. 또한 방전제어회로(400)에 의해, 전기화학 캐패시터(201)에 의해 일차적으로 방전이 수행되고, 그 후 이차 전지(202)에 의한 방전이 수행되는 구조이다. 따라서, 충방전의 조화에 의해 최대의 효과를 얻을 수 있다.

이하, 예로서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만 본 발명의 범위가 이들 예에 의해 제한되는 것은 아니다.

제조예 1. 전기화학 캐패시터의 제조

테스트의 목적 하에, 전기화학 캐패시터로서 전기 이중층 캐패시터를 사용하였다. 전기 이중층 캐패시터는 종래에 널리 공지된 방법으로 제조하였다: 활성탄소 로서 YP10(일본 구레아사 제조) 85 중량 및 도전제인 아세틸렌 블랙을 12 중량을 혼합한 후 결합제인 CMC(Carboxy methyl cellulose)를 3중량 첨가하고 물을 용매로서 사용하여 12시간 혼합한 다음 알루미늄 집전체위에 코팅하고 120℃ 진공하에서 12시간 동안 건조시켜 전극을 제조하였다. 상기 제조된 활성탄소 전극들과 레이온 섬유 격리막을 순서대로 적층하고, 아세토나이트릴용매에 1M Et₄NBF₄를 녹인 전해질을 이용하여 전기 이중층 캐패시터 단위셀을 제조하였다. 제조된 전기 이중층 캐패시터 단위셀의 내압 및 용량은 각각 2.5V와 55F 이었다.

실시예 1

도 4에 도시된 바와 같이, 태양전지 발광시스템을 구성하였다. 태양전지(100)는 주) 혜송솔라의 약 4.2V 1.2W 실리콘 단결정 태양전지를 사용하였다. 상기 제조예에서 제조한 전기 이중층 캐패시터 단위셀을 전기적으로 2직렬-2병렬의 회로 연결을 통해 내압 5V 용량 55F인 전기화학 캐패시터(202)를 구성하였고, 이차 전지(202)는 (주) 에너랜드 사의 3.6V 300mAh 리튬 폴리머 이차 전지를 사용하였다. 충전제어회로(300)에서, 에너지 저장소자(200)의 충전 전압은 4.2V로 유지되도록 설정하였다. 트랜지스터와 IC 회로의 적절한 연결에 의해 얻어진 제1 방전제어회로(401)와 제2 방전제어회로(402)의 조합에 의해, 전기 이중층 캐패시터(201)가 우선적으로 독립적인 방전이 이루어지도록 하고, 그 후 이차 전지(202)가 방전하도록 하였다. 발광부재(500)로서 녹색 LED(light Emitting Diode, Ninex사의 LG530)을 4 병렬하여 사용하였다. 면발광을 위해 발광다이오드에 의한 발광을 도통시키는 도광판, 도광판의 저면에 위치하고, 도광판에 입사한 광을 도광판의 윗면으로 반사하는 반사판, 도광판의 윗면에 위치하는 확산판의 조합을 면발광소자로서 사용하였다. DC/DC 컨버터(600)는 3.9V 출력 전압이 유지되도록 설정하였다.

실시예 2

도 5에 도시된 바와 같이, 태양전지 발광시스템을 구성하였다. 태양전지(100)는 주) 혜송솔라의 약 4.2V 1.2W 실리콘 단결정 태양전지를 사용하였다. 상기 제조예에서 제조한 전기 이중층 캐패시터 단위셀을 전기적으로 2직렬-2병렬의 회로 연결을 통해 내압 5V 용량 55F인 전기화학 캐패시터(202)를 구성하였고, 이차 전지(202)는 (주) 에너랜드 사의 3.6V 300mAh 리튬 폴리머 이차 전지를 사용하였다. 제1 충전회로(301)와 제2 충전회로(302)는 서로 독립적인 충전을 수행한다. 제1 충전회로(301)가 충전전압은 2.3V로 설정하였고, 제2 충전회로의 충전 전압은 4.2V로 설정하였다. 사용된 방전 회로(400)와, 발광부재(500)와, DC/DC 컨버터(600)는 실시예 1과 동일하게 구성하였다.

실시예 3

도 5에 도시된 바와 같이, 태양전지 발광시스템을 구성하였다. 상기 제조예에서 제조한 전기 이중층 캐패시터 단위셀을 전기적으로 2직렬-2병렬의 회로 연결 을 통해 내압 5V 용량 55F인 전기화학 캐패시터(201)를 구성하였고, 이차 전지(202)는 (주) 에너랜드 사의 3.6V 300mAh 리튬 폴리머 이차 전지를 사용하였다. 트랜지스터와 IC 회로의 적절한 연결에 의해 얻어진 제1 방전제어회로(401)와 제2 방전제어회로(402)의 조합에 의해, 전기화학 캐패시터(201)가 우선적으로 독립적인 충전이 완전히 이루어진 후 이차 전지(202)가 충전되도록 에너지 저장소자의 충전 조건을 설정하였다. 사용된 방전 회로(400)와, 발광부재(500)와, DC/DC 컨버터(600)는 실시예 1과 동일하게 구성하였다.

비교예 1

비교의 목적 하에, 전기화학 캐패시터(201)와 이차 전지(202)를 병렬로 연결하고, 트랜지스터와 IC 제어 회로 등의 조합을 통해 충전 전압을 4.2V로 유지하였고, 방전조건은 두 에너지 저장소자가 동시에 방전이 이루어지도록 설정하였고, 이것을 도 8에 나타내었다.

실험예 1

상기 실시예 1 내지 3과 비교예에 의해 구성된 태양전지 발광시스템의 에너지 저장소자의 출력시간을 비교하기 위해 태양전지를 이용하여 5시간 충전하고, 암실에서 LED 발광시간을 측정하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	LED 발광시간
실시예 1	32hr
실시예 2	39hr
실시예 3	39hr
비교예 1	32hr

표 2에서 알 수 있듯이 실시예 1, 2, 3은 비교예 1에 비교하여 30시간 이상의 거의 동일한 LED 발광시간을 나타냄을 알 수 있고, 이것은 본 발명에서 제공한 하이브리드 에너지 저장소자 및 회로 장치가 고 에너지 밀도를 가진 태양전지 발광시스템을 구성할 수 있음을 의미한다.

실험예 2

실시예 1 내지 3과 비교예에 의해 구성된 하이브리드 에너지 저장소자의 수명을 실험하기 위해 전원 공급원으로 태양전지 대신 파워서플라이를 이용하여 정전압 조건으로 충전하고 LED 출력부하로의 방전을 유도하였다.

수명실험은 1시간 충전후 12시간 방전을 5회 실시하고, 다시 1시간 충전후 완전방전을 1회 실시하여 이러한 과정들을 반복적으로 실행하였다. 반복 횟수에 따른 출력 시간을 측정하여 도 7에 나타내었다. 도 7에서 알 수 있듯이 실시예 1, 2, 3에 의해 구성된 에너지 저장소자는 비교예 1에 비해 우수한 성능을 보이며, 이것은 본 발명에서 제공하는 하이브리드 에너지 저장소자와 이들의 방전 조건을 설정하는 회로 장치는 태양전지 발광시스템의 에너지 저장소자의 수명을 현저히 증가시킴을 시사한다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템은 다음과 같은 이점을 제공한다.

(1) 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템은 전기화학 캐패시터가 갖는 높은 파워와 우수한 수명특성의 이점을 향유한다. 따라서 반영구적인 충방전의 수행에 의해 유지보수 비용을 현저히 감소시킨다.

(2) 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템은 이차 전지가 갖는 높은 에너지 밀도의 이점을 향유한다. 장마철과 같이 태양광에 의한 에너지 축적이 거의 없는 경우에도, 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템은 이차 전지에 축적된 높은 에너지 밀도에 의해 주위를 밝힐 수 있다.

(3) 본 발명에 따른 태양전지 발광시스템은 전기화학 캐패시터의 높은 파워와 우수한 수명특성에 의해 이차 전지의 단점인 수명특성을 개선하고, 이차 전지의 높은 에너지 밀도에 의해 전기화학 캐패시터의 단점인 짧은 방전시간의 문제점을 해결한다. 또한, 이차 전지와 캐패시터의 상보적 작용은 작은 중량 혹은 부피로도 출력 부하에 장시간 전력 공급을 가능케 한다.

Claims

a) 태양광으로부터의 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지,

b) 상기 태양에너지로부터의 출력 에너지 또는 주위의 조도를 감지하고, 이것에 기초하여, 구동신호를 생성하는 센서회로,

c) 상기 태양전지로부터 출력되는 전기 에너지를 저장하되, 전기화학 캐패시터와 이차 전지가 병렬로 하이브리드된 에너지 저장소자,

d) 상기 태양전지와 상기 에너지 저장소자의 사이에서, 상기 태양전지로부터 출력되는 전기 에너지의 상기 에너지 저장소자로의 충전을 제어하는 충전제어회로,

e) 상기 센서회로로부터의 구동신호의 수신에 의해 상기 에너지 저장소자 중에서 전기화학 캐패시터에 저장된 에너지의 방전을 일차적으로 유도하고, 상기 전기화학 캐패시터의 방전전압이 일정 전압 이하일 경우 제어신호를 생성하는 제1 방전제어회로와, 상기 제1 방전제어회로로부터의 상기 제어신호의 응답으로서 이차 전지에 저장된 에너지의 방전을 유도하는 제2 방전제어회로로 구성된 방전제어회로와,

f) 상기 에너지 저장소자로부터의 방전전압에 의해 발광하는 발광부재를 구비한 태양전지 발광시스템.
제1항에 있어서, 상기 충전제어회로는 상기 태양전지로부터 출력되는 전기 에너지를 상기 에너지 저장소자에 저장하기 적합하게 변환하는 충전회로와, 상기 에너지 저장소자로부터 상기 태양전지로의 역류를 방지하는 제1 다이오드와, 상기 이차 전지로부터 상기 전기화학 캐패시터로의 방전을 방지하는 제2 다이오드를 포함하여 이루어진 태양전지 발광시스템.
제1항에 있어서, 상기 충전제어회로는 상기 태양전지로부터 출력되는 전기 에너지의 상기 전기화학 캐패시터로의 충전에 적합하도록 변환하는 제1 충전회로와, 상기 태양전지로부터 출력되는 전기 에너지의 상기 이차 전지로의 충전에 적합하도록 제어하는, 상기 제1 충전회로와 독립적인 제2 충전회로와, 상기 전기화학 캐패시터로부터 태양전지로의 역류를 방지하는 제1 다이오드와, 상기 이차 전지로부터 상기 태양전지로의 역류를 방지하는 제2 다이오드를 포함하여 이루어진 태양전지 발광시스템.
제1항에 있어서, 상기 충전제어회로는 전기화학 캐패시터의 충전을 제어하는 제1 충전회로와 이차 전지의 충전을 제어하는 제2 충전회로와, 여기서, 상기 제1 충전회로에 의해 전기화학 캐패시터의 충전이 완료되면, 상기 제1 충전회로는 제어신호를 생성하고, 상기 제2 충전회로는 상기 제어신호에 응답하여 이차 전지의 충전을 수행하고, 전기화학 캐패시터로부터 태양전지로의 역류를 방지하는 제1 다이오드와, 2차전지로부터 태양전지로의 역류를 방지하는 제2 다이오드를 포함하여 이루어진 태양전지 발광시스템.
제1항에 있어서, 상기 발광부재는 발광다이오드와 면발광소자로 구성된 태양전지 발광시스템.
제5항에 있어서, 상기 면발광소자가 발광다이오드에 의한 발광을 도통시키는 도광판, 도광판의 저면에 위치하고, 도광판에 입사한 광을 도광판의 윗면으로 반사하는 반사판, 도광판의 윗면에 위치하는 확산판을 포함하는 태양전지 발광시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기화학 캐패시터는 두개 의 전극이 모두 카본 활물질(바람직하게는, 활성탄)로 제조된 전기 이중층 캐패시터, 두개의 전극 중 하나의 전극에서는 패러데이 반응이 일어나고, 다른 하나의 전극에서는 비패러데이 반응이 진행되는 의사캐패시터, 및 두개의 전극중 하나의 전극은 패러데이 반응에 의해 비패러데이 반응이 활성화되고, 다른 하나의 전극은 비패러데이 반응이 진행되는 의사캐패시터로 구성되는 군에서 선택되는 태양전지 발광시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이차 전지는 리튬이온 이차전지, 리튬폴리머 이차전지, 납축전지, 연축전지 및 니켈-수소 합금 전지로 구성되는 군에서 선택되는 태양전지 발광시스템.
제1항에 있어서, 상기 전기화학 캐패시터의 방전시간은 6 내지 12시간이고, 상기 이차전지의 방전시간은 2일 내지 7일인 태양전지 발광시스템.