KR101485916B1 - 하이브리드형 발전 디바이스 - Google Patents
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Abstract
가역형 전력변환소자와 비가역형 전력변환소자를 직렬 연결하여 전력 변환 효율을 최대화한 하이브리드형 발전 디바이스를 제공하고자 한다. 하이브리드형 발전 디바이스는 i) 비가역형 전력변환소자, 및 ii) 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결된 가역형 전력변환소자를 포함한다. 비가역형 전력변환소자의 개방전압은 비가역형 전력변환소자와 동일한 비가역형 전력변환소자를 단독 사용시의 개방전압보다 크다.
Description
본 발명은 하이브리드형 발전 디바이스에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 가역형 전력변환소자와 비가역형 전력변환소자를 직렬 연결하여 전력 변환 효율을 최대화한 하이브리드형 발전 디바이스에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하고, 생성된 전자와 정공은 각각 전극으로 이동하여 기전력을 발생시킨다. 태양전지는 적외선 대역 보다는 가시광선 대역 또는 자외선 대역의 광을 흡수하여 전기로 변환시킨다. 따라서 태양광의 적외선 대역은 태양전지에 흡수되지 못하고 손실되며, 태양전지의 온도를 상승시킨다. 태양전지의 온도가 상승하는 경우, 생성된 전자와 정공이 각각 전극으로 이동하지 못하고 재결합하므로, 광전변환효율이 저하된다.
따라서 태양전지가 이용하지 못하는 열을 이용하여 전력을 생성하기 위해 태양전지와 열전소자를 결합한 통합 소자가 연구되고 있다. 열전소자는 그 양단의 온도차에 의해 열을 전기로 변환시킨다. 따라서 통합 소자는 태양전지 및 열전소자로부터 모두 전력을 생산할 수 있다.
가역형 전력변환소자와 비가역형 전력변환소자를 직렬 연결하여 에너지 변환 효율을 최대화할 수 있는 하이브리드형 발전 디바이스를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스는, i) 비가역형 전력변환소자, 및 ii) 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결된 가역형 전력변환소자를 포함한다. 비가역형 전력변환소자의 개방전압은 비가역형 전력변환소자와 동일한 비가역형 전력변환소자를 단독 사용시의 개방전압보다 크다.
가역형 전력변환소자는, i) 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결된 일단, 및 ii) 일단의 반대편에 위치한 타단을 포함하고, 일단과 타단간의 온도차와 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기가 비례할 수 있다. 비가역형 전력변환소자의 전류 밀도는 균일하게 유지될 수 있다. 비가역형 전력변환소자의 전력변환효율은 비가역형 전력변환소자와 동일한 비가역형 전력변환소자를 단독 사용시의 전력변환효율보다 클 수 있다.
가역형 전력변환소자는 열전 소자일 수 있다. 열전 소자는, i) 복수의 p형 반도체 기둥들, 및 ii) 복수의 p형 반도체 기둥들과 상호 이격되어 병렬 배치된 복수의 n형 반도체 기둥들을 포함할 수 있다. 복수의 반도체 기둥들의 수는 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기에 비례할 수 있다. 복수의 반도체 기둥들의 평균 길이는 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기에 비례할 수 있다. 복수의 반도체 기둥들의 소재의 제베크 계수(Seebeck coefficient)와 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기가 상호 비례할 수 있다.
비가역형 전력변환장치는 태양전지이고, 태양전지는, i) 도핑된 실리콘을 포함하는 광전변환층, 및 ii) 광전변환층의 상부에 위치하고 광이 입사되도록 적용된 전극층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스는 비가역형 전력변환소자와 가역형 전력변환소자를 수납하는 중공형 케이싱을 더 포함할 수 있다. 타단은 중공형 케이싱의 외부로 노출되고, 일단은 중공형 케이싱의 내부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스를 이용하여 전력 변환 효율을 최대화할 수 있다. 그 결과, 비가역형 전력변환소자 단독으로는 도출할 수 없는 높은 전력변환효율을 얻을 수 있다. 또한, 비가역형 전력변환소자와 가역형 전력변환소자를 저가로 제조해도 높은 효율을 얻을 수 있으므로, 하이브리드형 발전 디바이스의 제조 비용을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 비가역형 전력변환소자를 단독으로 사용하는 경우를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개략적인 배면 사시도이다.
도 5는 실험예 1 내지 실험예 5에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.
도 6은 실험예 6 내지 실험예 8에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 그래프이다.
도 7은 실험예 9 내지 실험예 13에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예 14 내지 실험예 16에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 2에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.
도 9는 실험예 17 및 실험예 18에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 3에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량과 전력량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1의 비가역형 전력변환소자를 단독으로 사용하는 경우를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개략적인 배면 사시도이다.
도 5는 실험예 1 내지 실험예 5에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.
도 6은 실험예 6 내지 실험예 8에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 그래프이다.
도 7은 실험예 9 내지 실험예 13에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예 14 내지 실험예 16에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 2에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화 그래프이다.
도 9는 실험예 17 및 실험예 18에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 3에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량과 전력량의 변화를 나타낸 그래프이다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 좀더 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90ㅀ회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 사용하는 "비가역형 전력변환소자"라는 용어는 타에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있지만, 전기에너지를 타에너지로 변환시킬 수 없는 모든 소자를 의미한다. 또한, "가역형 전력변환소자"라는 용어는 타에너지와 전기에너지와의 상호 변환이 가능한 소자를 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드형 발전 디바이스(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 하이브리드형 발전 디바이스(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드형 발전 디바이스(100)의 구조를 다양한 형태로 변형시킬 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이. 하이브리드형 발전 디바이스(100)는 i) 비가역형 전력변환소자(10) 및 가역형 전력변환소자(20)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 하이브리드형 발전 디바이스(100)는 다른 부품들을 더 포함할 수 있다. 가역형 전력변환소자(20)는 비가역형 전력변환소자(10)와 전기적으로 직렬 연결된다. 즉, 가역형 전력변환소자(20)와 비가역형 전력변환소자(10)는 상호 접해 있거나 도선 등을 이용하여 상호 이격된 상태로 위치할 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드형 발전 디바이스(100)가 작동하는 경우, 비가역형 전력변환소자(10)에는 개방전압(100Voc)이 걸린다. 전력은 전류와 전압의 곱으로 계산되므로, 개방전압(100Voc)이 클수록 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율은 증가한다.
도 2는 도 1의 비가역형 전력변환소자(10)만을 사용하는 상태를 개략적으로 나타낸다. 즉, 도 1과의 비교를 위하여 도 2에는 도 1의 비가역형 전력변환소자(10)와 동일한 소자를 나타낸다. 도 2의 비가역형 전력변환소자(10)가 작동하는 경우, 비가역형 전력변환소자(10)에는 개방전압(10Voc)이 걸린다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드형 발전 디바이스(100)가 작동되는 경우, 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압(10Voc)은 도 2에 도시한 비가역형 전력변환소자(10)를 단독 사용시의 개방전압(10Voc)보다 크다. 따라서 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압(10Voc)과 가역형 전력변환소자(20)의 개방전압(20Voc)의 합인 하이브리드형 발전 디바이스(100)의 개방전압(100Voc)이 증대된다. 이는 하이브리드형 발전 디바이스(100)에서 비가역형 전력변환소자(10)에 가역형 전력변환소자(20)가 직렬 연결된 것에 기인한다. 즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 가역형 전력변환소자(20)의 전기적인 직렬 연결로 인하여 비가역형 전력변환소자(10)는 더 큰 개방전압(10Voc)을 가진다.
도 1에 도시한 바와 같이, 가역형 전력변환소자(20)는 일단(201)과 타단(203)을 포함한다. 여기서, 일단(201)은 비가역형 전력변환소자(10)와 전기적으로 직렬 연결된다. 그리고 타단(203)은 일단(201)의 반대편에 위치한다. 가역형 전력변환소자(20)의 일단(201)과 타단(203)간에는 온도차(△T)가 존재한다. 여기서, 온도차(△T)와 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압(10Voc)은 상호 비례한다. 따라서 온도차(△T)가 클수록 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압(10Voc)이 증가하므로, 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율을 증대시킬 수 있다. 이하에서는 그 원리를 좀 더 상세하게 설명한다.
비가역형 전력변환소자(10)는 전원 및 저항이 직렬 연결된 것으로 볼 수 있다. 따라서 비가역 전력변환소자(10)의 전원의 출력전압이 높기 위해서는 비가역형 전력변환소자(10)의 저항을 최소화할 필요가 있다. 반면에, 가역형 전력변환소자(20)는 비가역형 전력변환소자(10)와는 달리 전원과 저항이 병렬 연결될 수 있다. 가역형 전력변환소자(20)에서는 전원과 저항이 병렬 연결되므로, 전원의 출력전압이 증대된다. 즉, 가역형 전력변환소자(20)는 비가역형 전력변환소자(10)에서 생성된 정공과 전하의 운동성을 증대시킨다. 예를 들어, 가역형 전력변환소자(20)가 열과 전기를 상호 변환시키는 소자라고 가정하면, 가역형 전력변환소자(20)에서는 열과 전기가 같이 움직이므로, 온도차에 의해 가역형 전력변환소자(20)에 흐르는 전류량을 증가시키고, 이는 비가역형 전력변환소자(10) 내에 존재하는 정공과 전하의 운동성을 증대시킨다. 가역형 전력변환소자(20)의 저항이 커지는 경우, 가역형 전력변환소자(20)의 전원을 통해서 흐르는 전류의 양이 증가하므로, 비가역형 전력변환소자(10)의 개방전압이 증가하되 그 전류 밀도는 균일하게 유지된다. 그 결과, 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율을 크게 증가시킬 수 있다.
비가역형 전력변환소자(10)의 대표적인 예로서 태양전지를 들 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 비가역형 전력변환소자(10)만 사용하는 경우, 그 전력변환효율은 최대 12% 정도밖에 되지 않는다. 그러나 가역형 전력변환소자(20)를 비가역형 전력변환소자(10)와 결합시킴으로써 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율을 효율적으로 증대시킬 수 있다. 즉, 하이브리형 발전 디바이스(100)에 포함된 비가역형 전력변환소자의 전력변환효율은 도 2에 도시한 바와 같이, 비가역형 전력변환소자(10)를 단독으로 사용시의 전력변환효율보다 크다. 나아가, 하이브리형 발전 디바이스(100)에서는 가역형 전력변환소자(20) 이외에 비가역형 전력변환소자(10)의 전력변환효율이 추가된다. 따라서 하이브리형 발전 디바이스(100)의 전력변환효율은 크게 증가한다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리형 발전 디바이스(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 하이브리형 발전 디바이스(200)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리형 발전 디바이스(200)의 구조를 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 하이브리형 발전 디바이스(200)는 태양전지(12) 및 열전소자(22)를 포함한다. 태양전지(12)는 비가역적 전력변환소자로서 기능하고, 열전소자(22)는 가역적 전력변환소자로서 기능한다. 따라서 태양전지(12)와 열전소자(22)를 상호 결합하여 전력변환효율을 극대화한 하이브리형 발전 디바이스(200)를 제조할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 태양전지(12)는 광전변환층(121), 상부전극(123) 및 하부전극(125)을 포함한다. 광전변환층(121)의 상부에 위치하는 상부전극(123)은 투명 전도체 또는 메탈 그리드로 형성되어 광을 광전변환층(121)으로 입사시킨다. 광전변환층(121)은 도핑된 실리콘 등의 반도체로 형성되므로, 광에 의해 여기되어 정공 및 전자가 생성된다. 생성된 정공 및 전자는 각각 상부전극(123) 및 하부전극(125)으로 이동하여 기전력을 발생시킨다. 여기서, 하부 전극(125)은 정공 또는 전자의 이송 효율을 최대화할 수 있도록 금속으로 제조할 수 있다.
한편, 도 3에 도시한 바와 같이, 태양전지(12)의 하부에는 열전달층(30)이 위치한다. 열전달층(30)은 광에 의해 태양전지(12)에서 생성되는 열을 그 하부의 열전소자(22)로 전달한다. 열전달층(30)은 금속질화물, 금속탄화물 또는 수지로 제조될 수 있다. 열전소자(22)의 하부에는 히트 싱크(230)가 위치할 수 있다. 히트 싱크(230)는 열전소자(22)로부터 발생되는 열을 방출하여 열전소자(22)의 하부를 냉각시킨다. 따라서 열전소자(22)는 그 상부와 그 하부의 온도차에 의해 기전력을 발생시킬 수 있다.
열전소자(22)는 반도체 기둥들(223, 225), 열전 전극들(227, 228) 및 기판(229)을 포함한다. 이외에, 열전소자(22)는 필요에 따라 다른 부품들을 더 포함할 수 있다. 여기서, 반도체 기둥들(223, 225)은 p형 반도체 기둥들(223) 및 n형 반도체 기둥들(225)을 포함한다. p형 반도체 기둥들(223) 및 n형 반도체 기둥들(225)은 교번하여 상호 이격된 상태로 병렬 배치되며, 실제로는 제1 열전 전극들(227) 및 제2 열전 전극들(228)을 통하여 길게 이어진 형상을 가진다. 한편, 열전 전극들(227, 228)은 제1 열전 전극들(227) 및 제2 열전 전극들(228)을 포함한다. 제1 열전 전극들(227)과 제2 열전 전극들(228) 중 어느 한 전극은 양극이고, 다른 한 전극은 음극일 수 있다. 제2 열전 전극들(228)은 기판(229) 위에 위치한다.
한편, 열전소자(22)에 포함된 반도체 기둥들(223, 225)의 수는 태양전지(12)의 개방전압의 크기에 비례한다. 따라서 반도체 기둥들(223, 225)의 수를 늘려서 태양전지(12)의 전력변환효율을 최대화할 수 있다. 그리고 반도체 기둥들(223, 225)의 평균 길이(h)도 태양전지(12)의 개방전압의 크기에 비례한다. 따라서 반도체 기둥들(223, 225)의 평균 길이(h)를 늘려서 태양전지(12)의 전력변환효율을 최대화할 수 있다. 또한, 반도체 기둥들(223,225)의 소재의 제베크 계수와 태양전지(12)의 개방전압의 크기는 상호 비례한다. 따라서 제베크 계수가 높은 Bi 또는 Te 등의 금속 소재를 사용하여 태양전지(12)의 개방전압의 크기를 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리형 발전 디바이스(300)의 배면 사시도를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 하이브리형 발전 디바이스(300)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리형 발전 디바이스(300)의 구조를 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 하이브리형 발전 디바이스(300)는 중공형 케이싱(40)을 더 포함한다. 중공형 케이싱(40)에는 비가역형 전력변환소자(13)(점선 도시, 이하 동일) 및 가역형 전력변환소자(23)(점선 도시, 이하 동일)를 수납한다. 가역형 전력변환소자(23)는 일단(231) 및 타단(233)을 포함한다. 일단(231)은 비가역형 전력변환소자(13)와 직접 접촉하고, 중공형 케이싱(400)의 내부에 위치한다. 또한, 타단(233)은 중공형 케이싱(40)의 외부로 노출된다. 예를 들면, 비가역형 전력변환소자(13)가 태양전지인 경우, 광이 하이브리드형 발전 디바이스(30) 위에 조사되면, 일단(231)은 중공형 케이싱(400)에 의해 둘러싸이므로, 외부로의 방열이 불가능하여 그 온도가 크게 상승한다. 즉, 일단(231)은 고온측이 된다. 반대로, 타단(233)은 광이 조사되는 반대편에 위치하고, 중공형 케이싱(400)의 외부에 노출되므로 잘 냉각되어 저온측이 된다. 그 결과, 일단(231)과 타단(233)의 온도차를 크게 조절할 수 있다. 한편, 도 4에는 도시하지 않았지만, 집광 장치를 하이브리형 발전 디바이스(300)에 부착하여 좀더 광을 효율적으로 집광할 수도 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예
13.6%의 전력변환효율을 가지는 결정질 실리콘 태양전지와 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 준비하였다. 열전소자의 크기는 4cmㅧ4cm이었고, 열전소자에 포함된 반도체 기둥의 길이는 1.5mm 이었으며 각각 36개 및 256개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자를 사용하였다. 36개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자의 충진인자(filling factor, FF)는 91.1이었고, 256개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자의 충진인자는 54.1이었다. 온도 컨트롤러를 이용하여 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 0℃로 제어하거나 솔라 시뮬레이터에서 광을 장시간 조사하고, 열전소자의 하부를 히트 싱크를 사용해 냉각시켜서 온도차를 형성하였다. 그리고 열전쌍을 이용해 열전소자의 고온측 및 저온측 각각의 온도를 측정하였다. 열전소자의 고온측과 저온측의 온도차를 변화시키면서 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압 및 전력변환효율 등을 솔라 시뮬레이터(AM 1.5, 1sun)를 이용해 측정하였다. 상세한 실험내용은 이하에서 좀더 구체적으로 설명한다.
36개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자를 구비한 하이브리드형 발전 디바이스의 특성 실험
실험예 1
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 0℃로 유지하였다.
실험예 2
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 3.5℃로 유지하였다.
실험예 3
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 6.0℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 4
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 10.5℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 5
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 12.1℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 6
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 25℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 7
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 22℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예
8
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 40℃로 유지하였다. 나머지 실험조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 1
실리콘 결정질 태양전지를 준비하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 1 내지 실험예 8 및 비교예 1의 실험 결과
전술한 실험예 1 내지 실험예 8 및 비교예 1에 따른 실험 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.
표 1에 기재한 바와 같이, 실험예 3 내지 실험예 8에 따라 제조한 하이브리드형 발전 디바이스의 효율은 각각 13.9% 내지 19.4%로서 비교예 1의 태양전지의 효율인 13.6%보다 훨씬 우수하였다. 따라서 하이브리드형 발전 디바이스에서 태양전지와 열전소자를 통합함으로써 태양전지의 전력변환효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 5은 실험예 1 내지 실험예 5에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화를 나타낸다.
도 5에 도시한 바와 같이, 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차가 커질수록 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압이 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉, 열전소자를 태양전지와 결합시켜서 태양전지의 전력변환효율을 크게 증가시킬 수 있었다. 따라서 태양전지공정 표면 패시베이션, 선택적 에미터 및 침형 전극(fine finger electrode) 등의 고가 및 고난이도 공정을 사용하지 않고도 높은 전력변환효율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
도 6은 실험예 6 내지 실험예 8에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화를 나타낸다.
도 6에 도시한 바와 같이, 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차가 커질수록 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압이 더욱 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 하이브리드형 발전 디바이스의 전력변환효율이 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차에 비례하는 것을 확인할 수 있었다.
256개의 반도체 기둥들을 포함하는 열전소자를 구비한 하이브리드형 발전 디바이스의 특성 실험
실험예 9
256개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 0℃로 유지하였다.
실험예 10
256개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 7℃로 유지하였다.
실험예 11
256개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 8℃로 유지하였다.
실험예 12
256개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 8.2℃로 유지하였다.
실험예 13
36개의 반도체 기둥들을 가지는 열전소자를 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스를 대상으로 실험하였다. 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 12.6℃로 유지하였다.
실험예
9 내지
실험예
13의 실험 결과
전술한 실험예 9 내지 실험예 13에 따른 실험 결과를 하기의 표 2에 나타낸다.
표 2에 기재한 바와 같이, 실험예 10 내지 실험예 13에 따라 제조한 하이브리드형 발전 디바이스의 효율은 각각 13.5% 내지 23.2%로서 비교예 1의 태양전지의 효율인 13.6%보다 훨씬 우수하였다. 나아가 동일한 열전소자의 온도차 조건하에서 반도체 기둥들을 많이 포함하는 실험예 10 내지 실험예 13에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 효율이 실험예 3 내지 실험예 8에 따른 하이브리드형 발전 디바이스의 효율보다 우수하였다. 따라서 열전소자의 반도체 기둥들의 수를 늘릴수록 하이브리드형 발전 디바이스의 효율을 증대시킬 수 있었다.
도 7은 실험예 9 내지 실험예 13에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 1에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화를 나타낸다.
도 7에 도시한 바와 같이, 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차가 커질수록 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압이 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 더욱이, 열전소자에 포함된 반도체 기둥들의 수가 많은 경우, 하이브리드형 발전 디바이스의 개방전압은 더 크게 증가하여 높은 전력변환효율을 얻을 수 있었다.
쇼트키
태양전지를 이용한
하이브리드형
발전
디바이스의
특성 실험 결과
실험예
14
하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 15℃로 유지하였다. 하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 태양전지는 쇼트키 결합을 가지도록 제조하였으며, 집광 장치는 사용하지 않았다. 이러한 조건하에서 하이브리드형 발전 디바이스의 특성을 측정하였다.
실험예
15
실험예 14에서 제조한 하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 25℃로 유지하였다. 나머지 실험 조건은 실험예 14와 동일하였다.
실험예
16
실험예 14에서 제조한 하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 40℃로 유지하였다. 나머지 실험 조건은 실험예 14와 동일하였다.
비교예 2
실험예 14의 하이브리드형 발전 디바이스에서 사용한 태양전지의 특성을 측정하였다. 나머지 실험 조건은 실험예 14와 동일하였다.
하기의 표 3은 실험예 14 내지 실험예 16에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 2에 따른 태양전지의 특성 실험 결과를 나타낸다.
표 3에 기재한 바와 같이, 실험예 14 내지 실험예 16에 따라 제조한 하이브리드형 발전 디바이스의 효율은 각각 10.6%, 11.5% 및 12.5%로서 비교예 2의 태양전지의 효율인 8.6%보다 훨씬 우수하였다. 한편, 실험예 14 내지 실험예 16에 따라 제조한 하이브리드형 발전 디바이스에 흐르는 전류량은 동일하게 유지되었다.
도 8은 실험예 14 내지 실험예 16에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 2에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량 변화를 나타낸다.
도 8에 도시한 바와 같이, 열전소자의 온도차가 증가할수록 태양전지의 개방전압이 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 열전소자의 온도차가 증가함에 따라 태양전지의 전력변환효율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이로써 저가의 쇼트키 태양전지를 사용하더라고 효율면에서 우수한 하이브리드형 발전 디바이스를 제조할 수 있었다.
디자인을 변경한
하이브리드형
발전
디바이스의
특성 실험 결과
실험예
17
하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 19℃로 유지하였다. 하이브리드형 발전 디바이스의 충전 밀도(packing density)는 38%이었고, 그 제벡 계수는 0.04V/K이었다. 그리고 하이브리드형 발전 디바이스의 특성을 측정하였다.
실험예
18
하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 고온측 및 저온측의 온도차를 19℃로 유지하였다. 하이브리드형 발전 디바이스에 포함된 열전소자의 레그 길이를 실험예 17의 열전소자의 레그 길이의 1.5배로 조절하고, 열전소자의 단면적을 실험예 17의 열전소자의 단면적의 1.5배로 조절하였다. 이러한 디자인 변경에 따라 하이브리드형 발전 디바이스의 충전 밀도는 83%로 증가하였다.
비교예
3
실험예 17의 하이브리드형 발전 디바이스에서 사용한 태양전지의 특성을 측정하였다. 나머지 실험 조건은 실험예 17과 동일하였다.
도 9는 실험예 17 및 실험예 18에 따른 하이브리드형 발전 디바이스와 비교예 3에 따른 태양전지의 개방전압 증가에 따른 전류량과 전력량의 변화를 나타낸다. 도 9에서 실선은 소자의 전류밀도와 전압과의 관계를 나타내고, 점선은 소자의 전류밀도와 전력량과의 관계를 나타낸다.
도 9에 도시한 바와 같이, 실험예 18에서는 실험예 17에 비해 하이브리드형 발전 디바이스의 전압 또는 전력량을 더욱 향상시킬 수 있었다. 즉, 하이브리형 발전 디바이스의 디자인을 변경하여 하이브리형 발전 디바이스의 제벡 계수를 향상시켰다. 그 결과, 하이브리형 발전 디바이스의 전압과 전력량이 크게 증가하였다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100, 200, 300. 하이브리드형 발전 디바이스
10. 비가역형 전력변환소자
12, 13. 태양전지
22, 23. 열전소자
20. 가역형 전력변환소자
30. 열전달층
40. 중공형 케이싱
121. 광전변환층
123, 125. 태양전지 전극층
201, 231. 일단
203, 233. 타단
221. 열전달층
223, 225. 반도체 기둥
227, 228. 열전소자 전극층
229. 열전소자 기판
10. 비가역형 전력변환소자
12, 13. 태양전지
22, 23. 열전소자
20. 가역형 전력변환소자
30. 열전달층
40. 중공형 케이싱
121. 광전변환층
123, 125. 태양전지 전극층
201, 231. 일단
203, 233. 타단
221. 열전달층
223, 225. 반도체 기둥
227, 228. 열전소자 전극층
229. 열전소자 기판
Claims (11)
- 비가역형 전력변환소자,
상기 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결된 가역형 전력변환소자, 및
상기 비가역형 전력변환소자와 상기 가역형 전력변환소자를 수납하는 중공형 케이싱
을 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스로서,
상기 가역형 전력변환소자는,
상기 비가역형 전력변환소자와 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 중공형 케이싱의 내부에 위치하는 일단, 및
상기 일단의 반대편에 위치하고, 상기 중공형 케이싱의 외부로 노출된 타단
을 포함하고,
상기 일단과 상기 타단간의 온도차와 상기 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기가 비례하는 하이브리드형 발전 디바이스. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 비가역형 전력변환소자의 전류 밀도는 균일하게 유지되는 하이브리드형 발전 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 비가역형 전력변환소자의 전력변환효율은 상기 비가역형 전력변환소자와 동일한 비가역형 전력변환소자를 단독 사용시의 전력변환효율보다 큰 하이브리드형 발전 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 가역형 전력변환소자는 열전 소자인 하이브리드형 발전 디바이스. - 제5항에 있어서,
상기 열전 소자는,
복수의 p형 반도체 기둥들, 및
상기 복수의 p형 반도체 기둥들과 상호 이격되어 병렬 배치된 복수의 n형 반도체 기둥들
을 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스. - 제6항에 있어서,
상기 복수의 반도체 기둥들의 수는 상기 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기에 비례하는 하이브리드형 발전 디바이스. - 제6항에 있어서,
상기 복수의 반도체 기둥들의 평균 길이는 상기 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기에 비례하는 하이브리드형 발전 디바이스. - 제6항에 있어서,
상기 복수의 반도체 기둥들의 소재의 제베크 계수(Seebeck coefficient)와 상기 비가역형 전력변환소자의 개방전압의 크기가 상호 비례하는 하이브리드형 발전 디바이스. - 제6항에 있어서,
상기 비가역형 전력변환장치는 태양전지이고, 상기 태양전지는,
도핑된 실리콘을 포함하는 광전변환층, 및
상기 광전변환층의 상부에 위치하고 광이 입사되도록 적용된 전극층
을 포함하는 하이브리드형 발전 디바이스.
- 삭제
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH084146B2 (ja) * | 1987-04-13 | 1996-01-17 | 株式会社日立製作所 | 太陽光・熱ハイブリツド発電装置 |
| KR20100060820A (ko) * | 2008-11-28 | 2010-06-07 | 한양대학교 산학협력단 | 태양 전지 - 열전 소자 통합 모듈 및 이의 제조방법 |
-
2013
- 2013-01-10 KR KR20130002805A patent/KR101485916B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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