KR101429169B1 - 비상용 태양광 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 야외에서 CIGS 태양전지를 사용하여 무전기나 랜턴에 비상시 전원을 충전하면서 이동이 편리하고 휴대가 용이한 비상용 태양광 발전장치에 관한 것으로서, 플렉서블한 재질로 이루어진 플레이트와, 상기 플레이트위에 일정한 간격을 갖고 매트릭스 형태로 배열되어 빛 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하기 위해 CIGS 태양전지와, 상기 플레이트의 일측에 구성되어 과충전 및 과방전을 보호하는 제어부와, 상기 제어부와 함께 상기 플레이트에 설치되어 상기 태양전지로부터 생산된 전기 에너지를 DC 전원으로 출력하는 DC/DC 컨버터와, 상기 DC/DC 컨버터와 연결되어 전기 에너지를 충전하여 전자 부품에 연결되어 전기를 공급하는 충전용 밧데리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

비상용 태양광 발전장치{emergency solar electric generator}

본 발명은 태양광 발전장치에 관한 것으로, 특히 CIGS 태양전지를 이용하여 휴대가 용이한 비상용 태양광 발전장치에 관한 것이다.

지구의 온난화, 연료 자원의 고갈, 환경오염 등의 영향으로 화석연료를 사용하여 에너지를 채취하는 전통적인 에너지 채취 방법은 서서히 한계에 달하고 있다. 특히, 석유 연료의 경우에는 예측자마다 약간씩 상이하기는 하지만, 그리 멀지 않은 시간내에 바닥을 드러낼 것이라는 전망이 우세하다.

뿐만 아니라, 교토 의정서로 대표되는 에너지 기후 협약에 따르면, 화석 연료의 연소에 따라 생성되는 이산화탄소의 배출을 감소시킬 것을 강제적으로 요구하고 있다. 따라서, 현재의 체약국은 물론이며 향후에는 전세계 각국에 그 효력이 미쳐서 화석연료의 연간 사용량에 제약을 받을 것은 불을 보듯이 명확하다.

화석연료에 대체하기 위하여 사용되는 가장 대표적인 에너지원으로서는, 원자력 발전을 들 수 있다. 원자력 발전은 원료가 되는 우라늄이나 플루토늄 단위 중량당 채취 가능한 에너지의 양이 크고, 이산화탄소 등의 온실가스를 발생시키지 않으므로, 상기 석유 등의 화석연료를 대체할 수 있는 유력한 무한에 가까운 대체 에너지원으로 각광 받아왔다.

그러나, 구소련 체르노빌 원자력 발전소나, 동일본 대지진에 의한 일본 후쿠시마 원자력 발전소 등의 폭발 사고는 무한의 청정 에너지원으로 간주되어 왔던 원자력의 안전성을 다시 검토하게 하는 계기가 되었으며, 그 결과 원자력이 아닌 또다른 대체 에너지의 도입이 어느 때보다도 절실히 요망되고 있다.

그 밖의 대체 에너지로서 많이 사용되고 있는 에너지원으로서는 수력 발전을 들 수 있으나, 상기 수력 발전은 지형적인 인자와 기후적인 인자에 의해 많이 영향받기 때문에 그 사용이 제한적일 수 밖에 없다. 또한, 기타의 대체 에너지원들 역시 발전양이 적거나 또는 사용 지역이 크게 제한되는 등의 이유로 화석연료의 대체수단으로 까지는 사용되기 어렵다.

그러나, 태양 전지는 적당한 일조량만 보장된다면 어디서나 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 발전용량과 설비규모가 거의 직선적으로 비례하기 때문에, 가정용과 같은 소용량 수요로 사용할 경우에는 건물 옥상 등에 작은 면적으로 전지판을 설치함으로써 전력생산이 가능하다는 이점이 있어, 세계적으로 그 이용이 증가되고 있을 뿐만 아니라, 그와 관련된 연구 역시 증가하고 있다.

이러한 태양전지는 반도체의 원리를 이용한 것으로서, p-n 접합된 반도체에 일정 수준 이상의 에너지를 갖춘 빛을 조사하면 상기 반도체의 가전자가 자유롭게 이동될 수 있는 가전자로 여기되어 전자와 정공의 쌍(EHP : electron hole pair)이 생성된다. 생성된 전자와 정공은 서로 반대쪽에 위치하는 전극으로 이동하여 기전력을 발생시키게 된다.

상기 태양전지의 가장 최초 형태는 실리콘 기판에 불순물(B)을 도핑하여 p형 반도체를 형성시킨 다음 그 위에 또 다른 불순물(P)을 도핑시켜 층의 일부를 n형 반도체화 함으로써 p-n 접합이 이루어지도록 한 실리콘계 태양전지로서 1세대 태양전지로 많이 불린다.

상기 실리콘계 태양전지는 비교적 높은 에너지 전환효율과 셀 전환효율(실험실 최고의 에너지 전환효율에 대한 양산시 전환효율의 비율)이 높기 때문에, 가장 상용화 정도가 높다. 그러나, 상기 실리콘계 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 우선 소재로부터 잉곳을 제조하고 상기 잉곳을 웨이퍼화한 후 셀을 제조하고 모듈화한다고 하는 다소 복잡한 공정단계를 거쳐야 할 뿐만 아니라, 벌크 재질의 재료를 사용하기 때문에, 재료소비가 증가하여 제조비용이 높다는 문제가 있다.

이러한 실리콘계 태양전지의 단점을 해결하기 위하여, 2세대 태양전지로 불리우는 소위 박막형 태양전지가 제안되게 되었다. 박막형 태양전지는 상술한 과정으로 태양전지를 제조하는 것이 아니라, 기판 위에 순차적으로 필요한 박막층을 적층하는 형태로 제조하기 때문에, 그 과정이 단순하며, 두께가 얇아 재료비용이 저렴하다는 장점을 가진다.

그러나, 많은 경우 아직까지는 상기 실리콘계 태양전지와 비교할 때 에너지 전환효율이 높지 않아 상용화에 많은 걸림돌이 되고 있으나, 일부 높은 에너지 전환효율을 가진 태양전지가 개발되어 상용화 추진 중에 있다.

그 중 하나로서 CIGS계 태양전지를 들 수 있는데, 상기 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 게르마늄(Ge)(게르마늄은 포함되지 않을 수 있음. 게르마늄이 포함되지 않을 경우에는 CIS로 불림), 셀레늄(Se)을 포함하는 CIGS 화합물 반도체를 기본으로 한 것이다.

상기 반도체는 3 또는 4가지 원소를 포함하고 있기 때문에 원소의 함량을 조절함으로써 밴드갭의 폭을 제어할 수 있어 에너지 변환효율을 상승시킬 수 있다는 장점을 가진다. 간혹 셀레늄(Se)을 황(S)으로 대체하거나 셀레늄(Se)을 황(S)과 함께 사용하는 경우도 있다. 본 발명에서는 이러한 경우 모두 CIGS 태양전지로 간주한다.

한편, 종래에 군사 작전 즉, 야전(野戰) 훈련이나 전쟁시 필수적으로 수반되는 무전기와 랜턴의 밧데리 수명이 완료되어 더 이상의 사용하지 못할 경우에 비상 상태에 빠지게 되는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래의 휴대용 태양전지 충전기를 보면, 태양전지를 휴대용 전자제품인 휴대폰용 축전지의 뒷면에 직접 부착시키는 기술이 제시된 바 있으며, 그 예는 Zurlo 등의 미합중국 등록특허 US5,898,932(도 1) 및 대한민국 공개특허 제2003-0053988호(도 2) 등에서 볼 수 있다.

그러나, 상기와 같은 휴대폰용 태양전지 모듈은 그 사용범위에 있어 휴대폰에 한정되어 타 개인휴대용 전자제품과의 호환이 불가능한 문제점이 있다.

또한, 태양전지 충전기를 별도의 케이스에 내장하는 기술이 제시된 바 있으며, 그 예는 Spencer 등의 미합중국 등록특허 US5,522,943(도 3) 및 Lee 등의 US6,476,311(도 4) 등에서 볼 수 있다. 상기와 같은 케이스에 내장되는 휴대용 태양전지 충전기술은 소형화·경량화되고 있는 개인휴대용 전자제품에 사용시 태양광을 흡수하는 면적이 좁아짐에 따라 충분한 충전이 이루어지지 못하며, 다양한 개인휴대용 전자제품에 사용시 그에 따른 다양한 전압에 필요함에 따른 자동 전압조절 기능에 대한 구체적인 기술을 제시하지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 야외에서 CIGS 태양전지를 사용하여 무전기나 랜턴에 비상시 전원을 충전하면서 이동이 편리하고 휴대가 용이한 비상용 태양광 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비상용 태양광 발전장치는 플렉서블한 재질로 이루어진 플레이트와, 상기 플레이트위에 일정한 간격을 갖고 매트릭스 형태로 배열되어 빛 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하기 위해 CIGS 태양전지와, 상기 플레이트의 일측에 구성되어 과충전 및 과방전을 보호하는 제어부와, 상기 제어부와 함께 상기 플레이트에 설치되어 상기 태양전지로부터 생산된 전기 에너지를 DC 전원으로 출력하는 DC/DC 컨버터와, 상기 DC/DC 컨버터와 연결되어 전기 에너지를 충전하여 전자 부품에 연결되어 전기를 공급하는 충전용 밧데리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비상용 태양광 발전장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 야외에서 CIGS 태양전지를 사용하여 무전기나 랜턴에 비상시 전원을 간편하게 충전할 수 있다.

둘째, 접어서 보관이 가능하고 펼쳐서 태양광 발전을 실시함으로써 장거리 이동이 편리하고 휴대를 용이하게 할 수 있다.

셋째, 충전시 소음이 발생하지 않아 군 작전시 탁월하고, 휴대가 간편함과 더불어 경량화에 따라 장거리 이동이나 야전에서 비상 전원으로 유용하게 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치에서 감아진 상태를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치에서 펼쳐진 상태를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치에서 감아진 상태를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치에서 펼쳐진 상태를 나타낸 도면
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 전력조정부의 구성을 나타내는 개략도

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 비상용 태양광 발전장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치에서 감아진 상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치에서 펼쳐진 상태를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제 1 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 플렉서블(flexible)한 재질로 이루어진 플레이트(110)와, 상기 플레이트(110)위에 일정한 간격을 갖고 2×2의 매트릭스 형태로 배열되어 빛 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하기 위해 CIGS(Copper-Indium-Galium-Selenide) 태양전지(120)와, 상기 플레이트(110)의 일측에 구성되어 과충전 및 과방전을 보호하는 제어부(130)와, 상기 제어부(130)와 함께 상기 플레이트(110)에 설치되어 상기 태양전지(120)로부터 생산된 전기 에너지를 DC 전원으로 출력하는 DC/DC 컨버터(140)와, 상기 DC/DC 컨버터(140)와 연결되어 전기 에너지를 충전하여 외부의 전자 부품에 전원을 공급하는 충전용 밧데리(150)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 플레이트(110)는 플렉서블한 플라스틱이나 금속박막을 사용한다.

상기 CIGS 태양전지(120)는 상기 플레이트(110)와 함께 제작되어 두루마리 형태로 감아서 보관 및 이동하게 된다.

상기 CIGS 태양전지(120)는 1×1 또는 2×2의 매트릭스 형태로 배열되는 것을 설명하였지만, 필요에 따라 태양전지를 1장 또는 2장으로 배열하여 사용할 수도 있고, 다수의 태양전지를 배열하여 사용할 수도 있다.

상기 과충전 및 과방전을 보호하는 제어부(130)는 상기 플레이트(110)의 일측에 구성하지 않고, 상기 충전용 밧데리(150)와 일체형으로 제작하여 사용할 수도 있다.

상기 충전용 밧데리(150)는 무전기 또는 랜턴 삽입되어 사용되는 것으로, 상기 태양전지(120)로부터 생산된 전기 에너지를 받아 저장한다.

또한, 상기 충전용 밧데리(150)는 군대에서 훈련이나 비상시 무전기 또는 랜턴에 사용하지만, 이 외에도 평상시에는 개인이 휴대하는 휴대폰, PDA, MD, CD 플레이어, MP3, 노트북, 디지털 카메라, 캠코더 등 개인휴대용 전자제품의 전원이 고갈되었거나 축전지를 사용할 수 없는 경우 주간에 태양전지를 이용하여 밧데리를 충전하거나 비상전원으로 이용할 수 있다.

상기 충전용 밧데리(150)는 휴대용 전자제품의 다양한 사용전압을 수용하기 위하여 도면에 도시하지 않았지만, 상기 충전용 밧데리(150)의 전력조정부인 제어회로의 내부에 마이크로프로세서, 전자소자 및 소프트웨어를 이용하여 전자제품의 사용전압을 감지한 후에 부하측에 적합한 충전전압을 자동적으로 설정하여 충전용 전력을 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 송전한다.

아울러 부하측인 이차전지의 충전 상태를 나타내기 위하여 표시부(indicator)로 LED 또는 부저를 사용하여 충전 상태를 표시한다.

상기 충전용 밧데리(150)는 부하측인 전자제품을 연결하는 연결선과 연결단자인 커넥터(도면에 도시하지 않음)를 충전기에 감기도록 부착시켜 부피를 최소화함으로써 사용하기에 간편하도록 한다.

상기 플레이트(110)에 설치된 상기 DC/DC 컨버터(140)의 출력단에는 커넥터가 연결되어 상기 충전용 밧데리(150)를 상기 커넥터에 연결하여 충전하게 된다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치에서 접어진 상태를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치에서 펼쳐진 상태를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제 2 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 플렉시블한 재질로 이루어지고 가로 및 세로로 접지선(211)을 갖는 플레이트(210)와, 상기 플레이트(210)위에 일정한 간격을 갖고 2×2의 매트릭스 형태로 배열되어 빛 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하는 CIGS 태양전지(220)와, 상기 플레이트(210)의 일측에 구성되어 과충전 및 과방전을 보호하는 제어부(230)와, 상기 제어부(230)와 함께 상기 플레이트(210)에 설치되어 상기 태양전지(220)로부터 생산된 전기 에너지를 DC 전원으로 출력하는 DC/DC 컨버터(240)와, 상기 DC/DC 컨버터(240)와 연결되어 전기 에너지를 충전하여 외부의 전자 부품에 전원을 공급하는 충전용 밧데리(250)를 포함하여 구성된다.

여기서, 본 발명의 제 2 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치는 제 1 실시예와 비교하여 상기 플레이트(210)에 가로 및 세로로 형성된 접지선(211)을 따라 일정 크기로 접어서 보관한다는 것을 제외하면 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 전력조정부의 구성을 나타내는 개략도이다. 즉, 도 5a는 전력조정부의 전체적인 개략도이고, 도 5b는 태양전지의 수가 충분히 많을 때 구성되는 감압기능을 하는 전력조정부의 또 다른 실시예를 나타낸 것이며, 도 5c는 마이크로프로세서의 역할을 나타낸 개략도이다.

도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 전력조정부는 태양전지에서 얻어진 직류 전기를 부하측인 휴대용 전자제품에 안정된 전원으로 공급하는 기능을 한다. 이때 충전기의 연결단자와 부하측의 외부 연결단자가 결합되면 전력조정부는 먼저 부하측인 축전지로부터 사용전압을 인식한다.

그리고 부하측 축전지의 충전에 적합한 충전 전압을 결정하여 PWM 방식으로 전력을 부하측에 공급하게 된다. 따라서 전자제품의 여러 가지 다양한 동작전압에 대하여 자동적으로 적정전압을 인식한 후에 충전전압을 설정하여 전력을 공급하게 됨으로써 직류 전원을 사용하는 거의 모든 휴대 전자제품에 적용이 가능하다.

상기 전력조정부는 n-channel FET(Field Effect Transistor, T1), 인덕터1(L1), 전해 콘덴서1(C1)로 승압 스위칭 조정부(step-up switching regulator)를 구성하고 p-channel FET(T2), L2, C2 로 감압 스위칭 조정부(step-down switching regulator)를 구성한다.

승압으로 사용시 T2 는 on 상태로 유지하여 L2와 C2는 출력필터가 되고, 감압으로 사용시에는 T1을 off하여 L1, 쇼트키다이오드1(Schottky Diode, D1), C1은 입력필터로 사용된다. 출력전압 설정은 3단자 외부 연결단자(connector)에 내장된 저항 Rs의 값을 컴퓨터가 인식하여 해당전압을 출력한다.

설정 검출부(Set detector)에 접속된 A/D 컨버터(converter)를 통하여 외부 연결단자에 내장된 Rs의 값을 마이크로프로세서(microprocessor)가 인식한다. 승압인 경우 T2가 on이 되도록 D/A 컨버터2를 조정한 후 D/A 컨버터1에 해당 전압값을 출력하면 비교기(comparator)1에서 PWM 제어를 하여 해당전압이 출력된다. 감압인 경우 D/A 컨버터1을 제어하여 T1이 off되게 한 후 D/A 컨버터2에 해당 전압값을 출력하면 비교기2에서 PWM 제어를 하여 해당전압이 출력된다.

Rs가 자동충전 모드인 경우 부하측 이차축전지의 전압을 A/D 컨버터1을 통하여 인식한 후 충전에 적합한 전압을 승압 또는 감압방식으로 출력한다. 충전상태를 A/D 컨버터1로 지속적으로 확인하여 충전이 완료되면 D/A 컨버터를 제어하여 충전을 종료한다.

장치구성에 따라서 승압 또는 감압부분만으로 구성될 수도 있다. 태양전지(2)의 수를 최소화하여 승압만으로 구성시에는 L2, C2가 제거되고, 태양전지(2)의 수를 늘려서 감압만으로 구성시에는 T1, L1, C1이 제거된다.

표시부인 LED 또는 버저(buzzer)는 태양의 일사량이 충분하여 충전기로부터 부하측에 전력공급이 가능한 경우에는 계속적으로 발광하거나 발음하고 충전이 진행되면 LED의 경우에는 점멸 형태로 바뀌고 버저는 소음된다. 그리고 충전이 완료되면 LED는 지속적으로 발광하고 버저는 발음한다.

이외에도 안전을 위하여 Rs의 접속이 불안정하거나 접속이 안되는 경우에는 T2를 off시켜 출력을 차단한다. 따라서 부하측인 이차축전지로부터 발전측인 태양전지(2)로 전류가 역류하는 역전류를 방지하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 의한 비상용 태양광 발전장치는 군대의 훈련이나 비상시 휴대한 무전기 또는 랜턴과 같은 전자 제품의 밧데리가 소모되어 사용할 수 없는 경우에 두루마리 형태 또는 매트릭스로 접어진 GIGS 태양전지를 들판이나 나무 위에 펼쳐서 전원을 공급받을 수가 있다.

이로 인하여 군의 장거리 이동이나 야전에서 사용할 경우에 소음이 발생하지 않고 경량으로 인하여 취급이 간단할 뿐만 아니라 보관이 편리하다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

110, 210 : 플레이트 120, 220 : CIGS 태양전지
130, 230 : 제어부 140, 240 : DC/DC 컨버터
150, 250 : 충전용 밧데리

Claims (6)

1. 플렉서블한 재질로 이루어진 플레이트와,
   상기 플레이트위에 일정한 간격을 갖고 매트릭스 형태로 배열되어 빛 에너지를 입사받아 전기 에너지를 생산하기 위해 CIGS 태양전지와,
   상기 플레이트의 일측에 구성되어 과충전 및 과방전을 보호하는 제어부와,
   상기 제어부와 함께 상기 플레이트에 설치되어 상기 태양전지로부터 생산된 전기 에너지를 DC 전원으로 출력하는 DC/DC 컨버터와,
   상기 DC/DC 컨버터와 연결되어 전기 에너지를 충전하여 전자 부품에 연결되어 전기를 공급하는 충전용 밧데리와,
   상기 충전용 밧데리 내부에 구성되어 상기 전자 부품의 요구전압을 자동으로 인식하여 상기 태양전지로부터 얻어진 전력을 공급하는 전력조정부와,
   상기 전력 조정부는 승압 스위칭 조정부, 감압 스위칭 조정부, 제어 회로부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비상용 태양광 발전장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트는 가로 및 세로로 접지선이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비상용 태양광 발전장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 CIGS 태양전지가 부착된 플레이트는 두루마리 형태로 감거나 매트릭스 형태로 접어서 보관하는 것을 특징으로 하는 비상용 태양광 발전장치.
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