KR101306604B1 - 슈퍼 커패시터를 이용한 태양열 발전용 미러 구조체 - Google Patents

슈퍼 커패시터를 이용한 태양열 발전용 미러 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 이용한 태양열 발전용 미러 구조체에 관한 것으로, 미러 구조체를 제어 및 구동하는데 필요한 전력을 경제적이면서 안정적으로 공급하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체는 솔라 셀(solar cell), 태양광을 반사하는 미러, 프레임(frame), 구동부, 제어부 및 전원부를 포함한다. 프레임은 미러 및 솔라 셀을 장착하며 회동 가능하다. 구동부는 미러를 장착한 프레임을 구동한다. 제어부는 미러가 태양을 추적하여 태양광을 목표물, 예컨대 액체저장소로 반사하도록 구동부를 제어한다. 그리고 전원부는 솔라 셀에 의하여 발생된 에너지를 저장하며, 구동부 및 제어부에 전원을 공급하는 슈퍼 커패시터를 포함한다.

Description

슈퍼 커패시터를 이용한 태양열 발전용 미러 구조체{Mirror Structure For Concentrated Solar Power Generation Using Super Capacitor}
본 발명은 태양열 발전용 미러 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미러의 구동 및 제어에 필요한 전력을 안정적으로 제공할 수 있는 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 이용한 태양열 발전용 미러 구조체에 관한 것이다.
태양 에너지를 이용하여 발전하는 방법에 대하여 연구가 진행되고 있다. 이 중 가장 대표적인 것들 중 하나는, 솔라 셀(sollar cell)을 이용한 태양광 발전으로, PN 접합면에 태양광을 조사하면 EHP(electron hole pair)가 형성되어 전자는 N 타입 반도체로, 홀(hole)은 P타입 반도체로 이동하면서 기전력이 발생하는 것을 이용한다. 이러한 솔라 셀은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 및 III-V 화합물 반도체를 이용하는 등 여러 가지의 형태가 개발되었다. 솔라 셀의 최초 개발 당시 발전효율을 4% 정도 이었으나, 2008년 현재 실리콘을 이용한 솔라 셀의 경우 25 내지 10.5%, 갈륨-아세나이드(Ga-As)를 이용한 경우에는 26.1 내지 18.4%의 효율을 보이고 있다. 다만, 솔라셀의 제조 비용이 상당한 고가이며, 솔라 셀 제조에 있어서 상당한 에너지가 필요하다는 점 및 태양광은 무한하지만, 에너지의 밀도가 작아 큰 전력을 얻기 위해서는 대면적이 요구된다는 점이 문제된다.
태양을 이용하여 발전하는 또 다른 방법 중의 하나는 태양열 발전으로 중앙에 형성된 탑의 상부에 액체저장소를 형성하고, 미러 2개가 한 조로 구동되는 미러 구조체를 이용하여 태양광을 액체저장소에 반사시켜 액체저장소에 저장된 액체를 가열하고 이를 이용하여 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 미러 구조체를 이용한 태양열 발전은 태양의 일주운동(日週運動)에 따라 미러 구조체가 태양광을 액체저장소로 반사시킬 수 있도록 미러 구조체의 구동을 제어할 필요가 있다.
이와 같이 미러 구조체를 이용한 발전 방식은 태양의 일주운동에 따라 미러 구조체가 계속적으로 태양을 추적하여야 하는 바, 미러 구조체의 제어 계통 및 구동 계통에 계속적인 전력 공급이 필요하다. 또한, 미러 구조체의 무게가 대략 300kg 이상이므로, 일몰 위치에 고정된 미러를 다시 일출 위치로 이동시키는 과정에서도 큰 전력이 요구된다.
일반적으로 미러 구조체의 제어 및 구동에 필요한 전력을 유선으로 공급하는 방식을 고려해 볼 수 있다. 유선으로 전력을 공급하는 경우에는 수명이 장기적이라는 장점이 있으나, 초기에 시공하는 비용이 상당히 고가이며, 굴토하여 전력선을 매립하고, 이를 각각의 미러 구조체로 연결하여야 하므로 상당히 시공의 난이도가 높아진다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위해서 충방전이 가능한 전지로 전력을 공급하는 방법도 고려될 수 있으며, 이러한 경우에는 초기 시공 비용 및 시공의 난이도의 면에서 장점이 될 수 있다. 그러나 일반적인 전지의 경우에는 대략 2000회의 충방전 수명이 있어, 이를 초과한 이후에는 전지 특성이 급속히 열화되어 미러 구조체를 구동하는데 문제점이 발생한다. 따라서 설치 후 대략 2년 내지 3년을 주기로 하여 전지를 교체하는 유지 및 보수 작업이 필요하기 때문에, 그에 따른 비용이 계속적으로 투입되어야 한다.
따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 미러 구조체를 제어 및 구동하는데 필요한 전력을 경제적이며 반영구적으로 공급 가능한 슈퍼 커패시터를 이용한 태양열 발전용 미러 구조체를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 솔라 셀(solar cell), 태양광을 반사하는 미러, 상기 미러 및 상기 솔라 셀을 장착하며 회동 가능한 프레임(frame), 상기 미러를 장착한 상기 프레임을 구동하는 구동부, 상기 미러가 태양을 추적하여 상기 태양광을 목표물로 반사하도록 상기 구동부를 제어하는 제어부, 및 상기 솔라 셀에 의하여 발생된 에너지를 저장하며, 상기 구동부 및 상기 제어부에 전원을 공급하는 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 포함하는 전원부를 포함하는 태양열 발전용 미러(mirror) 구조체를 제공한다.
본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체는 태양의 일주운동에 따른 정보를 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제어부는 상기 저장부에 저장된 상기 태양의 일주운동에 따른 정보를 기반으로 상기 미러가 태양을 추적하도록 상기 구동부를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체에 있어서, 상기 프레임은 상기 미러의 반사면의 반대쪽 면에 수직 또는 수평 방향으로 설치될 수 있다. 상기 미러 구조체는 상기 프레임에 설치되며 상기 구동부에 의하여 구동되어 상기 미러를 회동시키는 복수의 회전축을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체에 있어서, 상기 복수의 회전축은 상기 프레임에 설치되며 상기 미러를 축 방향으로 회동시키는 제1 회전축과, 상기 제1 회전축에 직교하는 방향으로 상기 제1 회전축에 연결되며, 상기 제1 회전축에 직교하는 축 방향으로 상기 미러를 회동시키는 제2 회전축을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체에 있어서, 상기 구동부는 직류 모터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체에 있어서, 상기 제어부는 일정 시간을 주기로 상기 태양을 추적하도록 상기 구동부를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체에 있어서, 상기 일정 시간은 5초 내지 20초에서 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체에 있어서, 상기 제어부는 일몰 위치에 고정된 상기 프레임을 일출 위치로 구동하도록 상기 구동부를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터는 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor; EDLC), 유사 커패시터(pseudo capacitor), 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 태양열 발전용 미러 구조체에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터는 적어도 하나의 슈퍼 커패시터가 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 공급원으로 슈퍼 커패시터를 사용하고, 슈퍼 커패시터의 충전은 솔라 셀을 이용함으로써, 미러의 제어 및 구동하는데 필요한 전력을 경제적이며 반영구적으로 공급받아 안정적으로 동작 가능한 태양열 발전용 미러 구조체를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 미러 구조체는 전력 공급원으로 슈퍼 커패시터를 사용하기 때문에, 저장된 에너지에 대한 누설이 거의 없어 에너지의 보존 능력이 우수하다. 따라서 장기간 악천후가 계속되어 태양열 발전은 물론 솔라 셀을 통한 발전도 곤란한 상황에서 저장된 장기간 동안 슈퍼 커패시터를 통하여 에너지를 보존할 수 있다.
본 발명에 따른 미러 구조체는 전력 공급원으로 슈퍼 커패시터를 사용하기 때문에, 미러와 프레임을 구동하는데 필요한 전력을 저장 및 공급하는데 필요한 부피를 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 미러 구조체는 전력 공급원으로 슈퍼 커패시터를 사용하기 때문에, 대략 20여년 간 교체없이 사용이 가능하며, -40 내지 +70℃의 온도에서 사용가능한 태양열 발전용 미러 구조체를 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미러 구조체를 이용한 태양열 발전 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 3은 도 2의 태양열 발전용 미러 구조체의 구성을 보여주는 개략도이다.
도 4는 태양의 일주운동을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 미러 구조체에 사용되는 비대칭형 전극 구조를 가지는 슈퍼 커패시터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하자고 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미러 구조체를 이용한 태양열 발전 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 미러 구조체(10)를 이용한 태양열 발전 시스템은 복수의 미러 구조체(10), 탑(20), 액체저장소(30), 액체공급소(40) 및 발전제어소(50)를 포함한다.
탑(20)은 복수의 미러 구조체(10)가 설치된 장소의 중앙에 설치되며, 상부에 액체저장소(30)를 설치된다. 미러 2개가 한 조로 구동되는 미러(200)를 구비한 미러 구조체(10)를 이용하여 태양광을 액체저장소(30)에 반사시켜 액체저장소(30)에 저장된 액체를 가열하고 이를 이용하여 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 액체저장소에서 가열된 액체를 순환시키기 위한 액제공급소(40)가 지상에 설치될 수 있다. 그리고 발전제어소(50)는 태양열 발전 시스템의 전반적인 구동을 제어하여 태양열 발전을 수행한다.
이러한 미러 구조체(10)를 이용한 태양열 발전 방식은 태양의 일주운동에 따라 미러 구조체(10)가 계속적으로 태양을 추적하여야 하는 바, 미러(200)의 제어 계통 및 구동 계통에 계속적인 전력 공급이 필요하다. 또한 미러(200)의 무게가 대략 300kg 이상이므로, 일몰 위치에 고정된 미러(200)를 다시 일출 위치로 이동시키는 과정에서도 큰 전력이 요구된다. 본 실시예에서는 미러 구조체(10)의 전력 공급원으로 슈퍼 커패시터를 사용한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 미러 구조체(10)에 대해서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 3은 도 2의 태양열 발전용 미러 구조체(10)의 구성을 보여주는 개략도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 발전용 미러 구조체(10)는 솔라 셀(100), 태양광을 반사하여 목표물인 액체저장소(30)에 비추는 미러(200), 미러(200)를 지지하며 회동 가능한 프레임(300), 프레임(300)을 구동하는 구동부(400), 미러(200)가 태양광을 반사하여 액체저장소(30)를 비추게 구동부(400)를 제어하는 제어부(500), 및 슈퍼커패시터(620)를 포함하는 전원부(600)를 포함하며, 저장부(700)를 더 포함할 수 있다.
저장부(700)는 미러 구조체(10)의 동작 제어시 필요한 프로그램과, 그 프로그램 수행 중에 발생되는 데이터를 저장하고 있다. 저장부(700)는 태양을 추적하여 액체저장소(30)로 태양광을 반사하도록 미러(200)를 구동시키기 위한 실행 프로그램을 저장한다. 저장부(700)는 태양열 발전 시스템이 설치되는 지역에서의 태양의 일주운동에 따른 정보를 저장할 수 있다. 이때 실행 프로그램은 태양의 일주운동에 따른 정보를 기반으로 미러(200)가 태양을 추적하도록 미러(200)를 구동시키는 프로그램일 수 있다.
솔라 셀(100)은 프레임(300)에 장착되며 미러(200)과 함께 태양의 일주운동에 따라 태양을 추적한다. 솔라 셀(100)은 광전효과를 이용하여 전기에너지를 형성한다. 광전효과란, PN 접합에 빛을 조사하면 EHP(Electron Hole Pair)가 형성되는데, 형성된 전자와 홀은 분리되어 각각 N타입 반도체와 P타입 반도체로 흘러 기전력을 형성하는 것을 말한다. 태양열 발전용 미러 구조체(10)의 솔라 셀(100)은 미러(200)와 함께 태양을 추적하여 스스로 발전한다. 발전된 에너지는 전원부(600)의 슈퍼커패시터(620)에 저장된다. 솔라 셀(100)에 의하여 발전되어 전원부(600)의 슈퍼커패시터(620)에 저장된 에너지는 구동부(400) 및 제어부(500)가 프레임(300)을 구동 및 제어하는 데 사용되며, 일몰시 일몰 위치에 고정된 프레임(300)을 일출 시 일출 위치로 이동하는데 사용된다.
본 실시예에 따른 솔라 셀(100)은, 일 예에서, 실리콘 단결정을 이용하여 형성할 수 있다. 다른 예에서, 솔라 셀(100)은 실리콘 다결정을 이용하여 형성할 수 있다. 또 다른 예에서, 솔라 셀(100)은 갈륨-아세나이드(Gallium Arsenide, Ga-As) 반도체를 이용하여 형성할 수 있다.
미러(200)는 태양광을 반사하여 목표물인 액체저장소(30)를 비춘다. 태양열 발전 시스템은 최대의 효율을 얻기 위하여 구름, 안개에 가려지지 않고 햇볕이 쬐이는 일조일수가 높은 지역인 사막지역에 설치하는 것이 일반적이다. 따라서 토사, 먼지 등의 오염에 강해야 하며, 높은 일교차에도 파손되지 않는 재질로 미러(200)를 제조해야 한다. 또한 장기간 외부에 노출되어도 태양광의 반사도가 떨어지지 않도록 표면에 오염방지 처리된 미러(200)를 사용하는 것이 바람직하다. 미러(200)는 대략 가로 1 내지 3m, 세로 2 내지 4m 미러 2매를 1조로 사용하거나, 가로 3 내지 5m, 세로 2 내지 4m의 단일 미러를 사용할 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 이러한 미러(200)의 크기에 한정되는 것은 아니다.
이러한 미러(200)는 무게가 수백kg을 상회하므로 미러(200)를 장착한 프레임(300)을 태양을 추적하도록 구동하는 경우와 일몰시 태양 위치에 위치하던 미러(200)를 일출시 태양 위치로 이동하도록 구동하는 데에는 막대한 에너지를 필요로 한다. 따라서 최소한의 에너지로 이를 구동하기 위해서는 가벼운 재질로 미러(200)를 제조할 필요가 있다.
프레임(300)에는 솔라 셀(100)과 미러(200)가 장착된다. 이때 프레임(300)은 미러(200)의 태양광을 반사하는 반사면의 반대쪽 면에 수직 또는 수평 방향으로 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 프레임(300)는 수직한 방향으로 복수 개가 일정 간격으로 설치된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 프레임은 수평한 방향으로 복수 개가 일정 간격으로 미러에 설치될 수 있다. 또는 프레임은 미러에 수직 및 수평이 반복된 격자 형상으로 설치될 수도 있다.
프레임(300)에는 구동부(400)에 의하여 구동되는 복수 개의 회전축(320, 340)이 설치된다. 복수 개의 회전축(320,340)은 프레임(300)에 설치되며, 구동부(400)에 의하여 구동되어 미러(200)를 회동시킨다. 이때 복수의 회전축(320,340)은 제1 회전축(320)과 제2 회전축(340)으로 구성될 수 있다. 제1 회전축(320)은 프레임(300)에 설치되며 미러(200)를 축 방향으로 회동시킨다. 그리고 제2 회전축(340)은 제1 회전축(340)에 직교하는 방향으로 제1 회전축(320)에 연결되며, 제1 회전축(320)에 직교하는 축 방향으로 미러(200)를 회동시킨다. 본 실시예에서는 프레임(300)이 수직한 방향으로 미러(200)에 설치되기 때문에, 제1 회전축(320)은 수평 방향으로 프레임(300)에 설치되고, 제2 회전축(320)은 수직 방향으로 제1 회전축(320)에 설치될 수 있다.
즉 도 4를 참조하면, 태양의 일주운동은 항상 일정한 고도를 가지는 직선으로 움직이는 것이 아니라, 일출시(21)에 가장 낮은 고도를 가지며, 대략 정오 무렵(22)에 가장 높은 고도를 가지며 일몰시에 다시 낮은 고도(23)를 가지면서 동쪽에서 서쪽으로 운동을 한다. 따라서 일주운동하는 태양의 고도와 방위각에 따라 미러를 회동시켜야 하므로 적어도 두 개의 회전축(320,340)이 필요하다. 일 예에서, 두 개의 축(320,340)은 실질적으로 직교하여 회동한다.
구동부(400)는 제어부(500)에 의하여 제어되어 제1 및 제2 회전축(320,340)을 회전 구동한다. 이때 구동부(400)로는 직류전원을 공급받는 직류모터가 사용될 수 있다. 구동부(400)는 제1 및 제2 회전축(320,340)과 별도로 설치되어 제어부(500)의 제어에 따라 제1 또는 제2 회전축(320,340)의 회전시킬 수 있다. 또는 구동부(400)는 제1 또는 제2 회전축(320,340)에 장착될 수 있으며, 제어부(500)의 제어에 따라 제1 또는 제2 회전축(320,340)의 회전시킬 수 있다.
제어부(500)는 미러 구조체(10)의 전반적인 제어 동작을 수행하는 마이크로프로세서(microprocessor)로서의 기능을 수행한다. 제어부(500)는 미러(200)가 태양을 추적하여 태양광을 액체저장소(30)로 반사하도록 구동부(400)를 제어한다. 이때 제어부(500)는 저장부(700)에 저장된 태양의 일주운동에 따른 정보를 기반으로 미러(200)가 태양을 추적하도록 구동부(400)를 제어할 수 있다. 즉 제어부(500)는 도 4와 같이 일주운동에 따라 변화하는 태양의 고도와 방위각의 변화에 따라 미러(200)가 태양광을 액체저장소(30)로 반사할 수 있도록 일정시간을 주기로 하여 구동부(400)에 제어신호를 인가하며, 제어신호를 수신한 구동부(400)는 이에 대응하여 제1 및 제2 회전축(320,340)을 회전 구동시킨다.
한편 프레임(300)을 연속적으로 구동하는 경우에는 솔라 셀(100)이 발전하여 전원부(600)의 슈퍼커패시터(620)에 저장된 에너지로 구동하기에는 막대한 에너지가 필요하여 문제되므로 일정시간을 주기로 제어부(500)는 구동부(400)를 구동시킨다. 구동주기가 짧은 경우, 구동에 필요한 다량의 에너지가 계속적으로 공급되어야 하나, 이러한 다량의 에너지를 계속적으로 공급하는 것은 문제가 된다. 반면에 구동주기가 긴 경우, 미러(200)가 일주운동에 따른 태양의 위치변화를 놓쳐 발전효율이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서 적정한 주기로 제어부(500)는 구동부(400)를 통하여 미러(200)을 구동시키는 것이 바람직하다. 예컨대, 제어부(500)는 분당 일정 시간을 주기로 태양을 추적하도록 구동부(400)를 제어할 때, 일정 시간은 5초 내지 20초 사이에서 결정될 수 있다. 또는 제어부(500)는 60초 내지 300초 사이에서 결정된 시간당 5초 내지 20초를 주기로 태양을 추적하도록 구동부(400)를 제어할 수 있다.
전원부(600)는 슈퍼 커패시터(620)가 장착되어 솔라 셀(100)이 발전한 전기 에너지를 저장하며, 저장된 에너지로 구동부(400)와 제어부(500)에 전원을 공급한다.
슈퍼 커패시터(620)는 기존의 정전기식(electrostatic) 또는 전해식(electrolytic)과 구분해 전기화학 커패시터(Electrochemical capacitor)라고도 한다. 이러한 슈퍼 커패시터(620)은 전기적으로 커패시터의 거동을 보이는 것으로 대표적으로 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor; EDLC), 유사 커패시터(pseudo capacitor), 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)가 있다.
일 예에서, 슈퍼 커패시터(620)는 -전극 물질과 +전극 물질이 서로 다른 물질로 형성된 비대칭 전극구조를 가진다. 도 5를 참조하면, 이러한 비대칭 전극구조를 가지는 슈퍼 커패시터의 전극으로는 -전극(622)으로 활성탄을 포함하는 물질을 사용하며, +전극(624)으로 리튬금속산화물을 포함하는 물질을 사용한다. 비대칭 전극구조를 가지는 슈퍼 커패시터는, 리튬금속산화물 전극에서의 리튬이온이 +전극(624) 또는 -전극(624) 물질의 분자사이로 끼어들거나 추출되는 인터칼레이션(intercalation), 디인터칼레이션(deintercalation)에 의한 화학반응을 이용한 리튬이온전지의 동작기작 및 전기이중층 커패시터 동작기작의 혼합 메커니즘으로 동작한다. 전기이중층이란 물체의 박막층에서 일측면과 타측면에 각각 양전하와 음전하가 연속적이고 면밀도가 같은 상태로 분포한 것으로 쌍극자(dipole)로 이루어진 이중층을 말한다. -전극(622)에서는 전극표면과 전해질의 경계면에 전기이중층에 전하가 흡착(도 5의 좌측 참조)되어 전기에너지를 저장하고, 탈착(도 5의 우측참조)하여 에너지를 방출하는 원리를 이용한다. + 전극(624)에서는 상술한 바와 같이 리튬이온의 인터칼레이션과 디인터칼레이션 과정을 통하여 리튬이온이 -전극에서 +전극으로 이동하여 에너지를 저장하며, +전극에서 -전극으로 이동하여 에너지를 방출하는 것을 이용한다.
따라서, 비대칭 전극 구조를 가지는 슈퍼커패시터에 있어서, -전극을 구성하는 물질은 부피에 비하여 표면적이 넓은 물질이 유리하다. 본 발명에 의한 비대칭형 전극구조의 슈퍼커패시터에 사용되는 전극은 -전극으로는 활성탄 또는 그래파이트(graphite)를 사용하며, +전극으로 리튬이온전지에 사용되는 리튬코발트다이옥사이드(Lithium Cobalt Oxide, LiCoO2), 리튬망가니즈옥사이드(Lithium Manganese Oxide, LiMn2O4), 리튬니켈옥사이드(Lithium Nickel Oxide, LiNiO2), 리튬아이언포스페이트(Lithium Iron Phostphate, LiFePO4), 리튬플루오라이드아이언포스페이트(Lithium Flouride Iron Phostphate, Li2FePO4F), LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, Li(LiaNixMnyCoz)O2 등을 사용한다. 전해질로는, 리튬이온전지의 메커니즘을 이용하기 위하여 리튬플로로포스페이트(Lithium Fluorophosphate, LiPF4), 리튬플로로보레이트(Lithium Fluoroborate, LiBF4), 리튬퍼클로레이트(Lithium Perchlorate, LiClO4) 등과 같은 리튬염 중 어느 하나 이상과 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, C3H4O3), 다이메틸카보네이트(dimethyl carbonate, C3H6O3), 또는 다이에틸카보네이트(diethyl carbonate, C5H10O3)와 같은 유기 용매를 사용한다.
전기이중층 커패시터의 메커니즘을 이용하기 위하여 수용액이나 유기계 전해질이 사용되나, 활성탄에 형성된 기공의 크기가 대략 2nm 인점을 고려하면, 염의 크기가 적당하여야만 우수한 충방전 특성과 고용량을 얻을 수 있다. 일 예에서, 전해질로 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, C4H6O3) 또는 아세토나이트릴(Acetonitrile, CH3CN)에 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(Tetraethylammonium Tetrafluoroborate, C8H20NBF4)등의 테트라알킬암모늄염(Tetraalkylammonium Salt)을 용해시켜 사용할 수 있으며, 다른 예에서, 전해질로 부틸메틸피롤리디늄(Butyl Methyl Pyrrolidinium), 에틴메틸피롤리디늄(Ethyne Methyl Pyrrolidinium), 다이메틸피롤리디늄(Dimethyl Pyrrolidinium) 등의 피롤리디늄계염으로 된 용질을 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate), 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate), 다이메틸 카보네이트(Dimethyl Carbonate), 다이에틸 카보네이트(Diethyl Carbonate), 및 에틸메틸카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate) 중 어느 하나 이상을 포함하는 용매에 혼합하여 사용한다. 다른 예에서, 전해질로 부틸메틸피롤리디늄, 에틴메틸피롤리디늄, 다이메틸피롤리디늄등의 피롤리디늄계염으로 된 용질과, 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 에틸메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 헥사플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 퍼클로레이트 등의 암모늄계염이 혼합된 용질을 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 및 에틸메틸카보네이트 중 어느 하나 이상을 포함하는 용매에 혼합하여 사용한다. 본 발명에 의한 비대칭 전극형 커패시터는 상술한 바와 같이 리튬이온 전지의 메커니즘과 전기이중층 커패시터의 메커니즘을 모두 사용하는 바, 상술한 리튬이온 전지의 전해질과 전기이중층 커패시터의 전해질을 혼합하여 사용한다.
다른 예에서, 슈퍼 커패시터(620)는 -전극 물질과 +전극 물질이 동일한 물질로 형성된 대칭 전극구조를 가진다. 이러한 대칭 전극구조를 가지는 슈퍼 커패시터(620)는 상술한 전기이중층 커패시터의 메커니즘으로 동작한다.
대칭형 전극구조의 슈퍼커패시터는 일반적으로 +전극과 -전극의 재료로 모두 활성탄을 사용하며, 전해질로는, 일 예에서, 전해질로 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, C4H6O3) 또는 아세토나이트릴(Acetonitrile, CH3CN)에 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(Tetraethylammonium Tetrafluoroborate, C8H20NBF4)등의 테트라알킬암모늄염(Tetraalkylammonium Salt)을 용해시켜 사용할 수 있으며, 다른 예에서, 전해질로 부틸메틸피롤리디늄(Butyl Methyl Pyrrolidinium), 에틴메틸피롤리디늄(Ethyne Methyl Pyrrolidinium, 다이메틸피롤리디늄(Dimethyl Pyrrolidinium) 등의 피롤리디늄계염으로 된 용질을 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate), 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate), 다이메틸 카보네이트(Dimethyl Carbonate), 다이에틸 카보네이트(Diethyl Carbonate), 에틸메틸카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate) 중 어느 하나 이상을 포함하는 용매에 혼합하여 사용한다. 다른 예에서, 전해질로 부틸메틸피롤리디늄, 에틴메틸피롤리디늄, 다이메틸피롤리디늄등의 피롤리디늄계염으로 된 용질과, 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 에틸메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 헥사플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 퍼클로레이트 등의 암모늄계염이 혼합된 용질을 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 에틸메틸카보네이트 중 어느 하나 이상을 포함하는 용매에 혼합하여 사용한다.
상술한 비대칭 전극형 슈퍼커패시터 및 대칭 전극형 슈퍼커패시터(620)는 큰 충전용량, 충전전압을 가지도록 형성하여 단 하나만을 사용하는 것도 가능하며, 복수 개의 슈퍼커패시터를 직렬로 연결하여 방전전압을 증가시키거나, 병렬로 연결하여 용량을 증가시킬 수 있다. 또한 전압증가 및 용량증가를 위하여 복수 개의 슈퍼커패시터를 직병렬로 연결한 슈퍼커패시터 모듈을 형성하여 사용하는 것도 가능하다.
상술한 전극 재료 및 전해질을 사용하는 비대칭형 전극구조의 슈퍼커패시터는 대칭형 전극구조의 슈퍼커패시터에 비하여 충방전속도는 다소 낮으나, 누설전류(leakage current)가 거의 없어 에너지의 보존능력이 우수하다. 따라서, 장기간 악천후가 계속되어 태양열 발전은 물론 솔라 셀(100)을 통한 발전도 곤란한 상황에서 장기간 동안 에너지를 보존할 수 있다.
또한, 본 발명의 전원부에 사용되는 비대칭형 전극구조의 슈퍼커패시터는 단위 부피당 충전, 방전할 수 있는 에너지의 양을 의미하는 에너지 밀도가 대칭형 전극구조의 슈퍼커패시터에 비하여 두 배 이상 높다. 따라서, 무거운 하중을 가지는 미러와 프레임을 구동에 필요한 높은 전력을 저장 및 공급하는데 필요한 부피를 전기이중층 커패시터로만 형성한 경우에 비하여 반으로 절감할 수 있다.
나아가, 본 발명에 의한 대칭형 전극구조를 가지는 슈퍼 커패시터는 충방전 수명이 대략 수 만 회 가량으로 대략 20여년간 교체없이 사용이 가능하며, -40 내지 +70℃의 온도에서 사용가능한 바, 태양열 발전 시스템이 주로 위치하는 일교차가 높은 사막지역에서 사용하는 것도 문제되지 않는다.
본 발명에 의한 대칭형 전극구조를 가지는 슈퍼 커패시터는 물리적 흡착, 탈착에 의하여 에너지가 저장되어 순간적인 충전이 가능하며, 평균 충방전 횟수가 대략 500,000회에 달하여 반영구적인 사용이 가능하다. 나아가, 본 발명에 의한 대칭형 전극구조를 가지는 슈퍼 커패시터는 평균적으로 kg당 4kW 정도의 높은 출력밀도를 가져 높은 출력을 가진다는 장점 또한 제공한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 미러 구조체
20 : 탑
30 : 액체저장소
40 : 액체공급소
50 : 발전제어소
100 : 솔라 셀
200 : 미러
300 : 프레임
320 : 제1 회전축
340 : 제2 회전축
400 : 구동부
500 : 제어부
600 : 전원부
620 : 슈퍼 커패시터
700 : 저장부

Claims (10)

  1. 솔라 셀(solar cell);
    태양광을 반사하는 미러;
    상기 미러 및 상기 솔라 셀을 장착하며 회동 가능한 프레임(frame);
    상기 미러를 장착한 상기 프레임을 구동하는 구동부;
    상기 미러가 태양을 추적하여 상기 태양광을 목표물로 반사하도록 상기 구동부를 제어하는 제어부; 및
    상기 솔라 셀에 의하여 발생된 에너지를 저장하며, 상기 구동부 및 상기 제어부에 전원을 공급하는 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 포함하는 전원부;
    를 포함하고, 태양의 일주운동에 따른 정보를 저장하는 저장부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 저장부에 저장된 상기 태양의 일주운동에 따른 정보를 기반으로 상기 미러가 태양을 추적하도록 상기 구동부를 제어하는 것이고,
    상기 제어부는 일정 시간을 주기로 태양을 추적하도록 상기 구동부를 제어하고, 상기 제어부는 60초 내지 300초 사이에서 결정된 시간당 5초 내지 20초를 주기로 태양을 추적하도록 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전용 미러(mirror) 구조체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 미러의 반사면의 반대쪽 면에 수직 또는 수평 방향으로 설치되며,
    상기 프레임에 설치되며 상기 구동부에 의하여 구동되어 상기 미러를 회동시키는 복수의 회전축;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전용 미러 구조체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 회전축은
    상기 프레임에 설치되며 상기 미러를 축 방향으로 회동시키는 제1 회전축;
    상기 제1 회전축에 직교하는 방향으로 상기 제1 회전축에 연결되며, 상기 제1 회전축에 직교하는 축 방향으로 상기 미러를 회동시키는 제2 회전축;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전용 미러 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 직류 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전용 미러 구조체.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 일몰 위치에 고정된 상기 프레임을 일출 위치로 구동하도록 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전용 미러 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 커패시터는 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor; EDLC), 유사 커패시터(pseudo capacitor), 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전용 미러 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 커패시터는 적어도 하나의 슈퍼 커패시터가 연결된 것을 특징으로 하는 태양열 발전용 미러 구조체.
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