KR101589927B1 - 태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구동방법 - Google Patents
태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구동방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101589927B1 KR101589927B1 KR1020140058510A KR20140058510A KR101589927B1 KR 101589927 B1 KR101589927 B1 KR 101589927B1 KR 1020140058510 A KR1020140058510 A KR 1020140058510A KR 20140058510 A KR20140058510 A KR 20140058510A KR 101589927 B1 KR101589927 B1 KR 101589927B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- solar cell
- liquid
- chemical reaction
- ionic liquid
- solar energy
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 155
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 claims abstract description 100
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 66
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 62
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 60
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 71
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 21
- 239000012084 conversion product Substances 0.000 claims description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 19
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 claims description 14
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 14
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 claims description 6
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 5
- 239000003504 photosensitizing agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims description 5
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 17
- 238000004904 shortening Methods 0.000 abstract description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 18
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 7
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 6
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 5
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N Formaldehyde Chemical compound O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- -1 1-Ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate 3-methylimidazolium hexafluorophosphate Chemical compound 0.000 description 2
- IQQRAVYLUAZUGX-UHFFFAOYSA-N 1-butyl-3-methylimidazolium Chemical compound CCCCN1C=C[N+](C)=C1 IQQRAVYLUAZUGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ULMGNXSIBNEBFL-UHFFFAOYSA-M 1-ethyl-3-methylimidazol-3-ium;hydron;carbonate Chemical compound OC([O-])=O.CC[N+]=1C=CN(C)C=1 ULMGNXSIBNEBFL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylate;ruthenium(2+);tetrabutylazanium;dithiocyanate Chemical compound [Ru+2].[S-]C#N.[S-]C#N.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1 JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 2
- LTNAYKNIZNSHQA-UHFFFAOYSA-L 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylic acid;ruthenium(2+);dithiocyanate Chemical compound N#CS[Ru]SC#N.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C(O)=O)=C1.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C(O)=O)=C1 LTNAYKNIZNSHQA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 2
- 238000006552 photochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SXUPLFPGMYCSME-UHFFFAOYSA-M 1-butyl-3-methylimidazol-3-ium;hydron;carbonate Chemical compound OC([O-])=O.CCCC[N+]=1C=CN(C)C=1 SXUPLFPGMYCSME-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003915 air pollution Methods 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- LRESCJAINPKJTO-UHFFFAOYSA-N bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide;1-ethyl-3-methylimidazol-3-ium Chemical compound CCN1C=C[N+](C)=C1.FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F LRESCJAINPKJTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000007805 chemical reaction reactant Substances 0.000 description 1
- 239000007810 chemical reaction solvent Substances 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002892 organic cations Chemical class 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/50—Processes
- C25B1/55—Photoelectrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/20—Processes
- C25B3/25—Reduction
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Abstract
본 발명은 태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구동방법에 관한 것으로, 상기 에너지 전환 시스템은 이온성 액체를 포함하는 액상 태양에너지 흡수부를 태양전지모듈에 일체형으로 결합시킴으로써, 태양전지모듈의 발전 성능을 저하를 최소화시키면서 종래의 태양전지가 활용하지 않는 적외선 영역의 태양에너지를 흡수하여 태양에너지 활용 효율을 증대시키고, 종래 태양전지의 수명이 단축되고 전환 효율이 감소되는 것을 방지 할 수 있다. 또한, 태양전지모듈의 상면에 결합하여 태양전지모듈의 사용공간을 활용하는바 공간효율성 또한 증대시킬 수 있다.
나아가, 이산화탄소 등과 같은 화학반응원료물질을 이온성 액체 매체에 흡수된 열에너지와 태양전지모듈로부터 전극부로 공급받은 전기에너지를 에너지원으로 이용한 화학반응을 통해 유용한 화합물질로의 전환 효율성을 증대시킬 수 있다.
나아가, 이산화탄소 등과 같은 화학반응원료물질을 이온성 액체 매체에 흡수된 열에너지와 태양전지모듈로부터 전극부로 공급받은 전기에너지를 에너지원으로 이용한 화학반응을 통해 유용한 화합물질로의 전환 효율성을 증대시킬 수 있다.
Description
본 발명은 태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구동방법에 관한 것으로, 상세하게는 태양전지에 일체로 결합되어 태양전지에서 활용되지 않는 적외선 및 가시광선 영역의 태양광 에너지를 이온성액체를 이용해 흡수, 활용하여 태양광에너지의 활용효율을 높이고, 이와 함께 태양전지로부터 발생되는 전기를 공급받아 화학반응에 이용하는 시스템 및 그 구동방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈, 화석연료의 이용에 따른 이산화탄소의 발생 및 그로 인한 기후변화 등이 심각한 문제로 대두되면서 화석에너지를 대체할 새로운 에너지원의 개발이 세계적으로 진행되고 있다. 이러한 대체에너지 중 가장 유망한 것이 바로 태양에너지이다. 태양에너지는 태양과 지구가 존재하는 한 지속적으로 공급되고 대기오염을 일으키지 않으므로 가장 이상적인 대체에너지이다.
태양에너지를 이용한 발전시스템은 광전발전시스템이 대부분이며, 상기 광전발전시스템은 광전효과를 기대할 수 있는 화합물반도체인 GaAs, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 등으로 제조된 태양전지(Solar Cell)를 이용하여 태양에너지를 흡수하고 전기를 생산하는 방식이다.
한편, 이러한 태양전지를 이용한 태양광 발전은 에너지 생산단가가 화력, 수력, 원자력 발전에 비해 훨씬 고가이면서, 태양에너지 중 약 60%의 비중을 차지하는 250~1100nm 대의 스펙트럼 영역을 갖는 자외선(Ultraviolet rays, UV)과 가시광선(Visible light)을 이용하게 되며, 나머지 약 40%의 비중을 차지하는 1100~3000nm 대의 스펙트럼 영역을 갖는 적외선(Infrared light)은 광전변환이 되지 않고 버려진다. 또한, 활용 가능한 태양광 영역의 20% 내외만이 통상적으로 활용되고 있다. 즉, 광전변환율이 좋지 못해 면적 대비 전력생산효율이 낮은 문제가 있다. 사막과 같이 버려진 대지가 없는 우리나라의 경우 제한된 대지의 사용을 통해 최대한의 태양광 효율을 얻을 수 있는 시스템의 개발이 필요하다.
또한, 결정질 실리콘 태양전지는 재질의 특성상 온도가 상승함에 따라 출력감소 및 모듈의 수명이 단축되고 전기변환 효율이 감소하는 문제가 있다.
한편, 지구온난화가스 배출규제를 위한 기후변화 협약이 1992년에 채택된 이후 소위 부속서 I에 포함된 선진국들은 1990년 수준으로 이산화탄소 배출량을 감축해야 하는 의무를 지니게 되었다. 우리나라의 경우 1993년 12월 12월 기후변화협약에는 가입하였으나, 기후변화 협약상 개발도상국으로 분류된 바 있어, 기후온난화가스 배출저감 의무 대상국은 아니었다. 그러나, 우리나라는 OECD국가이며 1인당 에너지 소비량에서 현재 일본, 독일, 이탈리아 등의 선진국 수준을 능가하고, 세계 10위 수준의 이산화탄소 배출국임을 감안한다면 비부속서 I 국가 지위를 주장할 수 없는 상황이다.
따라서 온실가스 배출이 많은 산업을 주력산업으로 갖고 있는 우리나라는 전방위적인 온실가스 저감 기술의 도입이 필요하다. 대표적인 온난화가스인 이산화탄소를 포집하여 격리 처리 및 전환시키는 기술이 다양하게 연구되고 있다. 예를 들어, 혐기성 미생물을 이용하여 이산화탄소를 저감시킴과 동시에 메탄을 생성한 연구사례 등이 개시된 바 있다. 이와 같이, 이산화탄소를 메탄으로 전환시키는 기술에서는 수소가 환원제로서 사용될 수 있으며, 일례로서 생물학적으로 수소를 생산한 후, 생산된 수소를 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 기술이 개시된 바 있다.
한편, 이산화탄소는 탄소화합물 중 가장 안정된 물질로서, 이러한 이산화탄소 변환기술에서는 에너지의 투입이 필수적으로 요구된다. 이때, 상기의 에너지원으로 사용 가능한 것은 전술한 바와 같은 수소 외에도, 메탄 등의 화학에너지, 태양에너지, 전기에너지 등이 개시된 바 있으며, 이러한 이산화탄소의 전환반응에 의하여 일산화탄소(CO), 개미산(HCOOH), 포름알데히드(HCHO), 메탄올(CH3OH), 메탄(CH4) 등의 다양한 플랫폼 화학물질이 제조될 수 있다.
일례로서, 대한민국 공개특허 제10-2008-0092632호에서는 초임계 이산화탄소 내에서 이온성액체를 이용하여 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate)를 합성하는 방법이 개시된 바 있다.
이에, 본 발명자들은 종래 태양전지의 한계 및 문제점 그리고 대표적인 온실가스 중 하나인 이산화탄소를 개미산, 일산화탄소 등의 유용한 화학제품 원료 및 연료로 전환시키는 환원반응에 대한 연구를 수행하던 중, 이온성 액체를 태양전지에 일체형으로 결합시킴으로써, 태양광 미활용 영역인 적외선 및 가시광선 에너지를 흡수, 활용하여 태양발전 효율을 증대시키고, 화학적 이산화탄소 전환반응의 에너지원으로서 흡수된 에너지와 태양전지로부터 발생된 전기를 공급하여 이산화탄소를 전환할 수 있는 하이브리드 시스템을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구동방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
광전발전을 위한 태양전지모듈; 및
상기 태양전지모듈의 상면에 결합되고, 적외선 영역의 에너지를 흡수하는 이온성 액체를 내부에 포함하는 액상 태양에너지 흡수부;를 포함하는 하이브리드 에너지 전환 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은
광전발전을 위한 태양전지모듈; 및
상기 태양전지모듈의 상면에 결합되고, 적외선 영역의 에너지를 흡수하는 이온성 액체 및 화학반응 원료물질 내부에 포함하는 액상 태양에너지 흡수부;를 포함하며, 상기 액상 태양에너지 흡수부 내에서 화학반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 태양전지-화학반응 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은
이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계(단계 1);
이온성 액체가 외부로부터 입사되는 빛 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여 열에너지를 저장하는 단계(단계 2); 및
상기 저장된 열에너지를 열교환부를 이용하여 회수하는 단계(단계 3);
를 포함하는 상기 하이브리드 에너지 전환 시스템의 구동방법을 제공한다.
또한, 본발명은
화학반응 원료물질 및 이온성 액체을 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계(단계 1); 및
이온성 액체가 외부로부터 입사되는 빛 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여 상기 단계 1에서 공급된 화학반응 원료물질을 화학적 전환하는 단계(단계 2);를 포함하는 상기 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
화학반응 원료물질 및 이온성 액체을 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계(단계 1); 및
태양전지모듈로부터 발생되는 전기를 액상 태양에너지 흡수부의 전극부로 공급하여 상기 단계 1에서 공급된 화학반응 원료물질을 화학적 전환하는 단계(단계 2);를 포함하는 상기 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법을 제공한다.
본 발명에 따른 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구동방법에 있어서, 상기 에너지 전환 시스템은 UV-Vis영역의 에너지 광흡수가 거의 일어나지 않고, 액상 온도 범위가 넓고, 증기압이 무시할 정도로 거의 없고, 열매체 특성을 갖고, 전기 전도도를 갖고, 그리고 특정 화합물에 대한 용해 특성이 뛰어난 이온성 액체를 포함하는 액상 태양에너지 흡수부를 태양전지모듈에 일체형으로 결합시킴으로써, 태양전지모듈의 발전 성능을 저하시키지 않거나 최소화 시키면서 종래의 태양전지가 활용하지 않는 적외선 영역의 태양에너지를 흡수하여 태양에너지 활용 효율을 증대시키고, 종래 과도한 온도증가에 따른 태양전지의 수명이 단축되고 전환 효율이 감소되는 것을 방지 할 수 있다. 또한, 태양전지의 상면에 결합하여 태양전지의 사용공간을 활용하는바 공간효율성 또한 증대시킬 수 있다.
나아가, 이산화탄소 등과 같은 화학반응원료물질을 이온성 액체 매체에 용해 또는 흡수시켜 태양과으로부터 흡수된 열에너지와 태양전지모듈로부터 얻은 전기를 전극부로 공급받은 전기에너지를 에너지원으로 이용한 화학반응을 통해 유용한 화합물질로의 전환 효율성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템 및 태양전지-화학반응 시스템을 개략적으로 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템 및 태양전지-화학반응 시스템의 발전 성능을 전압으로 나타낸 그래프이다.
도 3는 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템 및 태양전지-화학반응 시스템의 발전 성능을 전류로 나타낸 그래프이다.
도 4은 이온성 액체에서의 이산화탄소의 전환반응 효과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템 및 태양전지-화학반응 시스템의 발전 성능을 전압으로 나타낸 그래프이다.
도 3는 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템 및 태양전지-화학반응 시스템의 발전 성능을 전류로 나타낸 그래프이다.
도 4은 이온성 액체에서의 이산화탄소의 전환반응 효과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은
광전발전을 위한 태양전지모듈; 및
상기 태양전지모듈의 상면에 결합되고, 적외선 영역의 에너지를 흡수하는 이온성 액체를 내부에 포함하는 액상 태양에너지 흡수부;를 포함하는 하이브리드 에너지 전환 시스템을 제공한다.
이때, 도 1을 통해 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템의 일례를 개략적으로 도시하였으며, 이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템은 입사되는 태양광으로부터 전기를 생산하는 태양전지모듈(100); 상기 태양전지모듈의 상면에 결합되어 태양전지모듈과 일체를 이루고, 적외선 영역의 에너지를 흡수하는 이온성 액체를 내부로 포함하는 액상 태양에너지 흡수부(200)를 포함한다.
상기 태양전지모듈은 태양빛으로부터 전기를 생산할 수 있는 태양전지모듈이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 유기태양전지, 염료감응태양전지, 박막 태양전지 등이 사용될 수 있다.
한편, 종래의 결정질 실리콘 태양전지는 재질의 특성상 온도가 상승함에 따라 출력 감소 및 모듈의 수명이 단축되고 전기변환 효율이 감소되는 문제점이 있었다.
그러나, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200) 내의 포함된 이온성 액체는 입사된 태양빛에서 UV-Vis영역의 에너지 광흡수가 거의 일어나지 않고 태양전지모듈이 사용하지 않는 적외선영역의 파장을 흡수하고, 상기 흡수부에 연결된 열펌프 등과 같은 열교환부를 통하여 흡수된 열에너지를 회수할 수 있어 태양에너지의 활용 효율을 높일 수 있다. 또한, 태양전지모듈의 상면에 액상 매체를 둠으로써, 하단의 태양전지 모듈의 과잉 온도상승을 방지함으로써, 태양전지 모듈 수명 향상 및 전기변환 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 태양전지모듈의 상면에 구비되는 액상 태양에너지 흡수부에 물과 같은 일반적인 용매를 사용할 경우 태양광에 의해 쉽게 휘발되어 장치의 압력이 증가하는 문제가 유발될 수 있으며, 수증기 등에 의한 입사되는 태양광의 반사 및 굴절로 인하여 태양전지모듈에서의 에너지 전환 효율이 저하될 수 있다.
반면, 이온성 액체의 경우 증기압이 거의 무시될 수 있을 정도로 매우 낮으므로, 태양전지모듈의 상면에 이온성 액체를 포함한 액상 태양에너지 흡수부가 구비됨에 따라 용매의 휘발 등에 의해 발생할 수 있는 상기의 문제를 방지할 수 있다.
태양전지모듈 상에 이온성 액체를 포함한 액상 태양에너지 흡수부가 구비되어 있을 경우에도 태양전지모듈의 발전 성능이 저하되지 않을 수 있다.(도 2,3참조)
나아가, 이에 마이크로 터빈 등의 장치를 연결하여 회수한 열에너지를 변환시켜 태양광 열에너지를 간접적으로 활용할 수 있다.
한편, 태양전지모듈 상면에 이온성 액체 등을 내부에 포함하는 액상 태양에너지 흡수부를 구비하여 태양전지모듈과 일체를 이룸으로써, 태양에너지으로부터의 열에너지 회수장치를 위한 별도의 공간없이 기존의 태양전지모듈의 공간을 사용함으로써, 공간효율성을 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200)의 태양에너지가 입사되는 상단과 태양전지모듈과 인접한 하단은 투명재질을 포함할 수 있다. 이는 태양빛이 투과되기 용이하도록 고투과도의 재질인 것이 바랍직하며, 예를 들어 고투과도의 폴리카보네이트(PC) 등인 고분자를를 이용할 수 있다. 이는 하단에 위치한 태양전지모듈의 성능에 영향이 없게 하기 위함이다. 이는 실험예 1을 통하여 확인하였다(도 2, 3참조). 또한, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200)가 고투과도의 재질인 경우, 내부에 포함될 수 있는 광촉매의 광촉매특성을 효과적으로 발현시킬 수 있는 효과가 있다.
그러나, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200)의 재질이 이에 제한되는 것은 아니며, 태양빛을 투과시킬 수 있는 고투과도의 물질을 적절히 선택하여 적용시킬 수 있다.
또한, 본 발명은
광전발전을 위한 태양전지모듈; 및
상기 태양전지모듈의 상면에 결합되고, 적외선 영역의 에너지를 흡수하는 이온성 액체 및 화학반응 원료물질를 내부에 포함하는 액상 태양에너지 흡수부;를 포함하며, 상기 에너지흡수부 내에서 화학반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 태양전지-화학반응 시스템을 제공한다.
이때, 도 1을 통해 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템의 일례를 개략적으로 도시하였으며, 이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템은 입사되는 태양빛으로 부터 전기를 생산하는 태양전지모듈(100); 상기 태양전지모듈의 상면에 결합되어 태양전지모듈과 일체를 이루고, 그 내부에 전극부(300), 적외선 영역의 에너지를 흡수하는 이온성 액체 및 화학반응 원료물질을 포함하는 액상 태양에너지 흡수부(200)를 포함한다. 이때, 도 1에서 도시한 반응원료(400)는 액상 태양에너지 흡수부(200)로 공급되는 화학반응 원료물질을 포함하는 이온성 액체를 의미하며, 전극부(300)는 양극 및 음극으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 태양전지모듈(100)로 태양빛이 입사됨에 따라 전기를 발생시키고, 발생된 전기를 액상 태양에너지 흡수부(200) 내의 전극부(300)로 공급하여 상기 에너지흡수부(200) 내에 포함된 이온성 액체 및 화학반응 원료물질의 화학반응을 일으키는 장치이다.
액상 태양에너지 흡수부(200) 내로 공급되는 이온성 액체 및 화학반응 원료물질 등은 적외선을 흡수하여 발생시킨 열에너지와 태양전지모듈(100)로 부터 전기를 공급받는 전극부(300)에 의하여 화학적 반응이 일어나게 되며, 상기 반응의 전환생성물(500)을 생산해 낼 수 있다. 전환반응이 완료된 후에는, 전환생성물을 함유한 이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부(200) 밖으로 배출한 뒤 전환생성물 분리부(600)로 주입시킨다. 전환생성물 분리부(600)를 거쳐 생성물이 제거된 이온성 액체는 재순환부(700)를 거쳐 다시 반응원료(400)로서 재사용될 수 있으며 이후 액상 태양에너지 흡수부(200) 내로 다시 주입된다.
상기 태양전지모듈은 태양빛으로부터 전기를 생산할 수 있는 태양전지모듈이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 유기태양전지, 염료감응태양전지, 박막 태양전지 등이 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이 화학반응 원료물질의 화학적 전환을 수행함에 있어서, 태양전지모듈로부터 공급되는 전기를 최단거리로서 공급하는 것이 바람직하다. 이는 전기에너지의 공급거리가 길어짐에 따라 저항의 더욱 커지는 것을 방지하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템은 태양전지모듈(100)의 상면에 액상 태양에너지 흡수부(200)가 구비됨에 따라 전기에너지의 공급거리를 최소화한다. 이를 통해 발생되는 저항의 크기를 최소화할 수 있는바, 화학반응 원료물질의 화학적 전환을 더욱 효율적으로 수행할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템에 있어서, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200)는 그 내부로 하나이상의 전극부를 포함할 수 있다.
이는 화학반응 원료물질의 화학적 전환을 수행함에 있어서, 액상 태양에너지 흡수부(200) 내부로 전기에너지를 균질하게 공급하기 위함으로서, 상기한 바와 같이 에너지흡수부(200)가 복수개의 전극부를 포함함에 따라 에너지흡수부 내부의 화학반응 원료물질을 더욱 효과적으로 전환시킬 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 액상 태양에너지 흡수부(200)가 복수개의 전극부를 포함하는 경우, 도 1의 그림을 통해 도시한 바와 같이, 복수개의 전극부가 격벽으로서 사용되어 상기 전극부에 의하여 형성되는 유로가 에너지흡수부 내로 구비될 수 있다. 상기 유로는 에너지흡수부 내의 화학반응 원료물질과 이온성 액체가 반응하며 이동하는 구간으로서, 상기 유로가 구비됨에 따라 화학반응 원료물질과 이온성 액체를 에너지흡수부(200) 내에서 오랜시간 동안 반응시킬 수 있다. 이를 통해, 화학반응원료물질의 전환반응, 즉 화학반응 원료물질의 환원반응을 더욱 높은 효율로 수행할 수 있다.
한편, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200) 그 내부에 광촉매 또는 광감응제를 더 포함할 수 있다. 상기 광촉매는 전극부(300)로 공급되는 전기를 통한 전기화학적 반응뿐만 아니라, 광촉매를 이용한 광화학적 반응을 이용하여 화학반응 원료물질의 전환 효율을 더욱 향상시키기 위한 것이다. 이때, 상기 광촉매로는 통상적인 이산화티탄(TiO2)등의 금속산화물 및 N719 염료 또는 N3 염료 등과 같은 루테늄계열 염료 광감응제 등을 사용할 수 있으며, 화학반응 원료물질의 전환반응에 촉매로서 작용할 수 있는 광촉매를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200)의 태양에너지가 입사되는 상단과 태양전지모듈과 인접한 하단은 투명재질을 포함할 수 있다. 이는 태양빛이 투과되기 용이하도록 고투과도의 재질인 것이 바랍직하며, 예를 들어 고투과도의 폴리카보네이트(PC) 등인 고분자를를 이용할 수 있다. 이는 하단에 위치한 태양전지모듈의 발전 성능이 저하되지 않게 하기 위함이다. 이는 실험예 1을 통하여 확인 할 수 있다(도 2, 3참조). 또한, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200)가 고투과도의 재질인 경우, 내부에 포함될 수 있는 광촉매의 광촉매특성을 효과적으로 발현시킬 수 있는 효과가 있다.
그러나, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200)의 재질이 이에 제한되는 것은 아니며, 태양빛을 투과시킬 수 있는 고투과도의 물질을 적절히 선택하여 적용시킬 수 있다.
아울러, 상기 액상 태양에너지 흡수부(200)는 이온성 액체 및 화학반응 원료물질 등이 주입되는 주입부; 및 이온성 액체 및 화학반응의 전환생성물(500)이 배출되는 배출부;를 포함할 수 있다. 상기 주입부는 이온성 액체 및 화학반응 원료물질 등이 액상 태양에너지 흡수부 내로 주입되는 원료 주입부이고, 상기 배출부는 화학반응 원료물질의 전환반응을 통해 제조된 화학반응의 전환생성물이 배출되는 것으로서, 상기 주입부 및 배출부는 화학반응 원료물질의 전환반응이 수행되기 위한 충분한 시간을 부여할 수 있도록 멀리 이격되어 구비될 수 있다.
그러나, 상기 주입부 및 배출부가 구비되는 위치가 이에 제한되는 것은 아니며, 화학반응 원료물질의 전환반응을 원활하게 수행할 수 있는 적절한 위치로 상기 액상 태양에너지 흡수부(200)에 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템은 화학반응 원료물질의 전환반응이 완료된 후, 사용된 이온성 액체를 순환시켜 재사용할 수 있으며, 이를 위한 이온성 액체 재순환부(700)를 포함할 수 있다.
즉, 화학반응 원료물질의 전환이 수행된 후, 화학반응의 전환생성물(500)이 이온성 액체와 함께 액상 태양에너지 흡수부로부터 배출될 수 있으며, 배출된 이온성 액체는 전환생성물 분리부(600)를 통해 화학반응의 전환생성물과 분리된 후, 상기 이온성 액체 재순환부(700)에 의하여 액상 태양에너지 흡수부로 재순환될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템이 이온성 액체 재순환부를 포함하여 이온성 액체를 재사용함에 따라 화학반응 원료물질의 전환공정을 더욱 효율적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은
이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계(단계 1);
이온성 액체가 외부로부터 입사되는 빛 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여 열에너지를 저장하는 단계(단계 2); 및
상기 저장된 열에너지를 열교환부를 이용하여 회수하는 단계(단계 3);
를 포함하는 상기의 하이브리드 에너지 전환 시스템의 구동방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템의 구동방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템의 구동방법에 있어서, 단계 1 은 이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계이다.
본 발명에서는 태양에너지를 열에너지로 전환하는 방법을 제공하며, 이에 상기 단계 1에서는 에너지전환이 수행될 수 있는 액상 태양에너지 흡수부 내로 이온성 액체를 공급한다.
이때, 상기 단계 1의 이온성 액체는 유기 양이온과 유기(또는 무기) 음이온이 결합해 만들어진 염으로서, 100 ℃ 이하에서 액체 상태로 존재하는 물질이다. 이러한 이온성 액체는 증기압이 매우 낮아 친환경 용매로 사용될 수 있으며, 또한 촉매 물질, 전해질 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
또한, 태양전지모듈 표면상에 전기화학 화학반응장치를 구비시킴에 있어서, 물과 같은 반응 매질을 사용할 경우 태양광에 의해 쉽게 휘발되어 이온성 액체로 사용하기에 부적합할 뿐만 아니라, 수증기 등에 의한 입사되는 태양광의 반사 및 굴절로 인하여 태양전지모듈에서의 에너지 전환 효율이 저하될 수 있다.
반면, 이온성 액체의 경우 증기압이 매우 낮으므로, 태양전지모듈 표면상에 전기화학 반응 장치가 구비됨에 따라 이온성 액체의 휘발 등에 의해 발생할 수 있는 상기의 문제를 방지할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 전환 시스템의 구동방법에 있어서, 단게 2는 이온성 액체가 외부로부터 입사되는 빛 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여 열에너지를 저장하는 단계이다.
구체적으로, 종래 태양전지는 태양에너지 중 약 60%의 비중을 차지하는 자외선과 가시광선을 이용하여, 나머지 약 40%의 비중을 차지하는 적외선영역의 태양빛은 이용되지 버려졌다. 그러나 상기 이온성 액체는 태양전지모듈에서 활용되지 않는 파장대인 적외선 영역의 태양빛을 흡수하여 반응 활성도를 높일 수 있으므로, 동일 면적 상에서 태양전지모듈만 구비했을 경우와 비교하여 본 발명의 하이브리드 전기화학 반응 시스템이 더욱 우수한 태양 에너지의 활용 능력을 나타낼 수 있다.
이때, 상기 이온성 액체로는 일례로 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (EMim TFSI), 1-Ethyl-3-methylimidazolium hydrogen carbonate (EMim HCO3), 1-Ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMim BF4), 1-Ethyl-3-methylimidazolium hydroxide (EMim OH), 1-n-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate ([BMim][PF6]), 1-n-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMim][BF4]) 및 1-n-butyl-3-methylimidazolium bicarbonate ([BMim][HCO3])의 형태의 이온성 액체를 사용할 수 있으나, 상기 이온성 액체가 이에 제한되는 것은 아니며, 화학반응 원료물질에 대해 우수한 용해도를 가지고 전도도가 높고 점성이 낮은 이온성 액체 등을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
다음으로, 단계 3은 상기 저장된 열에너지를 열교환부를 이용하여 회수하는 단계이다.
구체적으로, 상기 액상 태양에너지 흡수부에 연결된 열펌프와 같은 열교환부를 통하여 흡수된 열에너지를 회수할 수 있다. 나아가, 이에 마이크로 터빈 등의 장치를 연결하여 회수한 열에너지를 변환시켜 태양광 열에너지를 간접적으로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명은
화학반응 원료물질 및 이온성 액체을 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계(단계 1); 및
이온성 액체가 외부로부터 입사되는 빛 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여 상기 단계 1에서 공급된 화학반응 원료물질을 화학적 전환하는 단계(단계 2);를 포함하는 상기의 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법에 있어서, 단계 1은 화학반응 원료물질 및 이온성 액체을 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계이다.
본 발명에서는 화학반응 원료물질을 전환하는 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법을 제공하며, 이에 상기 단계 1에서는 내부에서 화학반응이 수행될 수 있는 액상 태양에너지 흡수부 내로 화학반응 원료물질 및 이온성 액체를 공급한다.
이때, 상기 이온성 액체는 상기 기재한 바와 같으며, 이온성 액체가 다양한 분야에 사용되는 일례로서 일례로서 이산화탄소로부터 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate)를 합성하는 공정에 촉매물질로서 사용될 수 있음이 개시된 바 있다.
한편, 본 발명에 따른 화학반응 원료물질의 전환방법은 상기의 태양전지-화학반응 시스템을 이용하는 것으로서, 태양전지-화학반응 시스템으로는 도 1에 도시한 바와 같은 구성의 장치를 사용할 수 있다. 이때, 일례로서 도 1에 도시한 장치를 사용하는 경우, 상기 단계 1에서는 액상 태양에너지 흡수부(200) 내로 화학반응원료물질 및 이온성 액체를 원료로서 공급할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법에 있어서, 단계 2은 이온성 액체가 외부로부터 입사되는 빛 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여 상기 단계 1에서 공급된 화학반응 원료물질을 화학적 전환하는 단계이다.
구체적으로 , 상기 이온성 액체는 상기 기재한 바와 같으며, 특히 화학반응 원료물질에 대한 용해도가 높고, 점도가 낮으며, 전도도 및 전기화학적 안정성 등이 뛰어난 이온성 액체 등을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 이온성 액체가 종래 외부로부터 입사되는 빛 중 태양전지모듈에서 사용되지 않고 버려지는 적외선 영역의 빛을 흡수하고 이를 열에너지로 사용할 수 있다. 그리하여 흡열반응을 통해 화학반응 원료물질 화학적으로 전환 할 수 있다.
이때, 상기 화학적 전환은 환원반응일 수 있다. 또한, 상기 화학적 전환을 통해 개미산, 일산화탄소 및 메탄을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전환생성물이 생산될 수 있다.
한편, 상기 화학반응 원료물질은 흡열반응을 통해 화학적 전환을 수행하는 물질이면 특별히 제한하지 않으나, 일례로서 이는 이산화탄소 일수 있다. 이산화탄소의 전환방법은 상기 태양 전지-화학반응 시스템을 이용하여 대표적인 온실가스 중 하나인 이산화탄소를 전환시킬 수 있으며, 이를 통해 온실가스 감축으로 인한 지구온난화 방지효과 및 예를 들어 개미산, 메탄 등의 유기화합물을 제조할 수 있는바, 환경적 및 경제적 효과가 있다.
한편, 본 발명은 상기 단계 2의 화학적 전환에 의해 생성되는 전환생성물과, 이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부로부터 배출시킨 후, 이온성 액체만을 분리하여 액상 태양에너지 흡수부로 재순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 2의 화학적 전환 반응이 수행됨에 따라, 화학반응 원료물질로부터 전환생성물이 생성되며, 생성된 전환생성물은 이온성 액체와 함께 액상 태양에너지 흡수부로부터 배출될 수 있다. 상기 단계에서는 액상 태양에너지 흡수부로부터 배출되는 이온성 액체를 분리하여 액상 태양에너지 흡수부로 재순환시키는 단계로서, 이를 통해 화학반응 원료물질의 전환공정을 더욱 효율적으로 수행할 수 있다.
나아가, 본 발명은
화학반응 원료물질 및 이온성 액체을 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계(단계 1); 및
태양전지모듈로부터 발생되는 전기를 액상 태양에너지 흡수부의 전극부로 공급하여 상기 단계 1에서 공급된 화학반응 원료물질을 화학적 전환하는 단계(단계 2);를 포함하는 상기의 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
이때, 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법 중 단계 1은 상기 단계와 동일한바 생략한다.
다음으로, 본 발명의 단계 2는 태양전지모듈로부터 발생되는 전기를 액상 태양에너지 흡수부의 전극부로 공급하여 상기 단계 1에서 공급된 화학반응 원료물질을 화학적 전환하는 단계이다.
상기 단계 1이 수행됨에 따라 액상 태양에너지 흡수부 내로는 이온성 액체 및 화학반응 원료물질이 공급된 상태로서, 상기 단계 2에서는 단계 1에서 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급된 화학반응 원료물질을 전환하기 위하여 상기 액상 태양에너지 흡수부의 전극부로 태양전지모듈로부터 발생된 전기를 공급한다. 이에 따라, 상기 화학반응 원료물질의 전기화학적 전환, 즉 화학반응 원료물질의 전기화학적 환원반응이 수행되며, 이를 통해 화학반응 원료물질의 전환생성물로서 개미산, 일산화탄소, 메탄 등의 유기화합물을 제조할 수 있다.
이때, 상기 태양전지모듈는 태양빛으로부터 전기를 생산할 수 있는 태양전지모듈이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 유기태양전지, 염료감응태양전지, 박막 태양전지 등이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 화학반응 원료물질의 전환방법은 액상 태양에너지 흡수부 내부로 광촉매 또는 광감응제를 더욱 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 전극부(300)으로 공급되는 전기를 통한 전기화학적 반응뿐만 아니라, 광촉매를 이용한 광화학적 반응을 이용하여 화학반응 원료물질의 전환 효율을 더욱 향상시키기 위한 것이다. 이때, 상기 광촉매로는 이산화티탄(TiO2)등의 금속산화물 및 N719 염료 또는 N3 염료 등과 같은 루테늄계열 염료 광감응제 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 이산화탄소의 전환반응에 촉매로서 작용할 수 있는 광촉매를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 화학반응 원료물질의 전환방법은 흡열반응을 하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 일례로서 화학반응 원료물질은 이산화탄소일 수 있으며, 이산화탄소의 전환방법은 상기 태양전지-화학반응 시스템을 이용하여 대표적인 온실가스 중 하나인 이산화탄소를 전환시킬 수 있으며, 이를 통해 온실가스 감축으로 수 있는바, 환경적 및 경제적 효과가 있다.
한편, 본 발명은 상기 단계 2의 화학적 전환에 의해 생성되는 전환생성물과, 이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부로부터 배출시킨 후, 이온성 액체만을 분리하여 액상 태양에너지 흡수부로 재순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 2의 화학적 전환 반응이 수행됨에 따라, 화학반응 원료물질로부터 전환생성물이 생성되며, 생성된 전환생성물은 이온성 액체와 함께 액상 태양에너지 인한 지구온난화 방지효과 및 예를 들어 개미산, 메탄 등의 유기화합물을 제조할 흡수부로부터 배출될 수 있다. 상기 단계에서는 액상 태양에너지 흡수부로부터 배출되는 이온성 액체를 분리하여 액상 태양에너지 흡수부로 재순환시키는 단계로서, 이를 통해 화학반응 원료물질의 전환공정을 더욱 효율적으로 수행할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
<실시예1> 액상 태양에너지 흡수부가 장착된 태양전지.
도 1에 도시된 바와같이, 종래의 실리콘 태양전지 상면에 액상 태양에너지 흡수부를 결합시켜 일체형의 하이브리드 액상 시스템을 제작하였다. 이때, 상기 액상 태양에너지 흡수부는 태양전지에서 활용되지 않는 적외선 영역 및 가시광선 영역의 태양에너지를 잘 흡수하고 흡수되지 않는 파장의 빛은 하단의 태양전지에 흡수될 수 있도록 투명재질로 제작하였으며, 그 내부에는 EMimCl 형태의 이온성 액체를 공급하였다.
<실시예2> 액상 태양에너지 흡수부가 장착된 태양전지.
액상 태양에너지 흡수부 내부에 EMimHCO3 형태의 이온성 액체를 공급한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일하게 제작하였다.
<비교예> 종래의 태양전지.
상면에 액상 태양에너지 흡수부를 포함하지 않는 종래의 실리콘 태양전지를 제작하였다.
<실험예1> 태양전지의 성능비교
이온성 액체를 포함하는 액상 태양에너지 흡수부가 태양전지모듈의 상면에 결합됨으로써 태양전지모듈에 흡수되는 태양에너지의 영향을 측정하기 위하여, 이온성 액체(EMimCl)를 포함하는 액상 태양에너지 흡수부와 태양전지모듈의 일체형인 실시예 1과 태양전지모듈 단독형인 비교예의 전압과 전류를 측정하였으며, 그 결과를 도 2, 3에 나타내었다.
도 2, 3에 나타난 바와 같이, 전압은 실시예 1과 비교예에서 모두 0.57 V로 같은 값을 나타내고, 전류에 있어서도 각각 4.05 및 4.08 mA을 나타내어 동일범위의 전압, 전류가 발생되는 것을 확인 할 수 있다.
따라서, 태양전지모듈의 상면에 이온성 액체를 포함하는 액상 태양에너지 흡수부가 결합되어 이를 통과한 태양광을 받더라도 태양전지모듈의 발전 성능이 저하되지 않는 것을 확인 할 수 있다.
<실험예2> 이온성 액체에서 환원반응의 효과
이온성 액체를 매체로 사용하여 화학반응 원료물질의 화학반응의 효율을 확인하기 위하여, 화학반응을 위한 용매로 1-Ethyl-3-methylimidazolium hydrogen carbonate (EMim HCO3) 형태의 이온성 액체를 사용하는 실시예 2에, 화학반응 원료물질로는 대표적인 온실가스인 이산화탄소를 사용하여 전기화학적 전환 반응을 수행하였으며, 이를 도 3 및 표 1에 나타내었다.
도 3에 나타난 바와 같이, 이산화탄소의 환원반응 생성물인 일산화탄소(CO)의 발생량을 측정하였다. 시간이 경과함에 따라 이산화탄소 환원반응 생성물인 일산화탄소 발생량이 증가하고, 60분 경과시 EMimHCO3 형태의 이온성 액체에서 일산화탄소의 발생량이 2.3 ㎛ol, 패러데이 효율이 71%로 나타내었다. 따라서, 이온성 액체를 전해질 및 용매로 사용할 경우 이산화탄소의 환원반응이 효과적으로 이루어짐을 확인할 수 있다.
| 전기화학 반응용매 | EMimHCO3 |
| 전압 (V) | -1.6 |
| 전류 (mA) | 0.17 |
| 전류 밀도 (mA/) | 0.41 |
| 패러데이 효율 (%) | CO : 70.76 |
상기 표에 나타난 바와 같이, Ag/Ag+ 기준전극 대비 전압 -1.6V 에서, 이온성액체 EMimHCO3 의 경우 0.41 mA/㎠ 의 전류밀도가 발생되고, 이산화탄소 환원반응 생성물인 일산화탄소(CO) 발생 패러데이 효율은(faradaic efficiency) 71% 를 나타내었다.
100 : 태양전지모듈
200 : 화학반응부
300 : 전극부
400 : 반응원료
500 : 이산화탄소 전환생성물
600 : 전환생성물 분리부
700 : 재순환부
200 : 화학반응부
300 : 전극부
400 : 반응원료
500 : 이산화탄소 전환생성물
600 : 전환생성물 분리부
700 : 재순환부
Claims (14)
- 광전발전을 위한 태양전지모듈; 및
상기 태양전지모듈의 상면에 결합되고, 적외선 영역의 에너지를 흡수하는 이온성 액체를 내부에 포함하는 액상 태양에너지 흡수부;를 포함하는 하이브리드 에너지 전환 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 액상 태양에너지 흡수부의 태양에너지가 입사되는 상단과 태양전지모듈과 인접한 하단은 투명재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 전환 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 하이브리드 에너지 전환 시스템은 상기 액상 태양에너지 흡수부와 연결되어 흡수된 열에너지를 회수하는 열교환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 전환 시스템.
- 광전발전을 위한 태양전지모듈; 및
상기 태양전지모듈의 상면에 결합되고, 적외선 영역의 에너지를 흡수하는 이온성 액체 및 화학반응 원료물질을 내부에 포함하는 액상 태양에너지 흡수부;를 포함하며, 상기 액상 태양에너지 흡수부 내에서 화학반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 태양전지-화학반응 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 액상 태양에너지 흡수부는 상기 태양전지모듈로부터 전기를 공급받는 전극부를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지-화학반응 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 액상 태양에너지 흡수부는 내부에 광촉매 또는 광감응제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지-화학반응 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 액상 태양에너지 흡수부의 태양에너지가 입사되는 상단과 태양전지모듈과 인접한 하단은 투명재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지-화학반응 시스템.
- 제 4항에 있어서, 상기 액상 태양에너지 흡수부는
이온성 액체 및 화학반응 원료물질이 주입되는 주입부; 및
이온성 액체 및 화학반응의 전환생성물이 배출되는 배출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지-화학반응 시스템.
- 이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계(단계 1);
이온성 액체가 외부로부터 입사되는 빛 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여 열에너지를 저장하는 단계(단계 2); 및
상기 저장된 열에너지를 열교환부를 이용하여 회수하는 단계(단계 3);
를 포함하는 제3항의 하이브리드 에너지 전환 시스템의 구동방법.
- 화학반응 원료물질 및 이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계(단계 1); 및
이온성 액체가 외부로부터 입사되는 빛 중 적외선 영역의 빛을 흡수하여 상기 단계 1에서 공급된 화학반응 원료물질을 화학적 전환하는 단계(단계 2);를 포함하는 제4항의 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법.
- 화학반응 원료물질 및 이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부 내로 공급하는 단계(단계 1); 및
태양전지모듈로부터 발생되는 전기를 액상 태양에너지 흡수부의 전극부로 공급하여 상기 단계 1에서 공급된 화학반응 원료물질을 화학적 전환하는 단계(단계 2);를 포함하는 제5항의 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 단계 2의 화학적 전환을 통해 개미산, 일산화탄소 및 메탄을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전환생성물이 생산되는 것을 특징으로 하는 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 단계 1의 화학반응 원료물질로 이산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 단계 2의 화학적 전환에 의해 생성되는 전환생성물과, 이온성 액체를 액상 태양에너지 흡수부로부터 배출시킨 후, 이온성 액체만을 분리하여 액상 태양에너지 흡수부로 재순환시키는 단계를 포함하는 태양전지-화학반응 시스템의 구동방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/KR2014/006108 WO2015005643A1 (ko) | 2013-07-10 | 2014-07-08 | 태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구 동방법 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130081079 | 2013-07-11 | ||
| KR20130081079 | 2013-07-11 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150008335A KR20150008335A (ko) | 2015-01-22 |
| KR101589927B1 true KR101589927B1 (ko) | 2016-01-28 |
Family
ID=52573748
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140058510A KR101589927B1 (ko) | 2013-07-10 | 2014-05-15 | 태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구동방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101589927B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101747166B1 (ko) | 2015-08-07 | 2017-06-14 | 엄희정 | 태양광 발전 겸용 이산화탄소 포집 장치 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001099497A (ja) | 1999-09-30 | 2001-04-13 | Nisshin Steel Co Ltd | 太陽熱集熱板 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100877693B1 (ko) | 2007-04-13 | 2009-01-08 | 영남대학교 산학협력단 | 초임계이산화탄소 내에서의 이온성액체를 이용한디메틸카보네이트 합성 방법 |
| KR101596439B1 (ko) * | 2011-10-24 | 2016-02-22 | 서강대학교산학협력단 | 태양광을 이용한 이산화탄소의 환원 장치 및 환원 방법 |
-
2014
- 2014-05-15 KR KR1020140058510A patent/KR101589927B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001099497A (ja) | 1999-09-30 | 2001-04-13 | Nisshin Steel Co Ltd | 太陽熱集熱板 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 최지나 외, "이산화탄소 전환 기술의 현황" 청정기술. 2012.09, 제18권, 제3호, pp. 229-249. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20150008335A (ko) | 2015-01-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Water splitting: from electrode to green energy system | |
| Licht | STEP (solar thermal electrochemical photo) generation of energetic molecules: A solar chemical process to end anthropogenic global warming | |
| JP5663254B2 (ja) | 水素製造装置および水素製造方法 | |
| Li et al. | Asymmetric zinc porphyrin-sensitized nanosized TiO 2 for efficient visible-light-driven CO 2 photoreduction to CO/CH 4 | |
| US10612146B2 (en) | Electrochemical reaction device | |
| US20070148084A1 (en) | Concentrating catalytic hydrogen production system | |
| JP6622232B2 (ja) | 電気化学反応装置 | |
| WO2010036662A1 (en) | Various methods and apparatus for solar assisted fuel production | |
| EP3048189A1 (en) | Chemical reaction device | |
| JP5676218B2 (ja) | 気体製造装置、気体製造方法および気体製造装置アレイ | |
| JP2018150254A (ja) | 化学反応システム | |
| CN113518837B (zh) | 氨制造装置和氨制造方法 | |
| KR101468782B1 (ko) | 이산화탄소 환원방법 및 이를 이용한 무격막형 이산화탄소 환원장치 | |
| KR101589927B1 (ko) | 태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구동방법 | |
| Essahili et al. | Overview of advanced research in luminescent solar concentrators for green hydrogen production | |
| JP6106217B2 (ja) | 感光性のポルフィリン系染料、及び色素増感太陽電池 | |
| JP2012177159A (ja) | 水素製造装置および水素製造方法 | |
| US20230112394A1 (en) | Co2 utilization in molten salt reactor (msr) for ultra energy efficiency and reduced emissions | |
| JP6258467B2 (ja) | 光電気化学反応システム | |
| JP6640686B2 (ja) | 電気化学反応装置 | |
| Ganesh | Practicable Artificial Photosynthesis-The Only Option Available Today for Humankind To Make Energy, Environment, Economy & Life Sustainable on Earth | |
| WO2015005643A1 (ko) | 태양광 고효율 활용을 위한 태양전지 일체형 하이브리드 시스템 및 그의 구 동방법 | |
| KR102123988B1 (ko) | 광전극 기반의 해수 전지 시스템 및 자발적 광충전 방법 | |
| KR20180071401A (ko) | 염료 감응 태양 전지 기반의 애노드를 사용하는 수소의 전기 화학적 생산 | |
| US9496564B2 (en) | Method for fabricating metal electrode from seawater and generating electric power with metal electrode |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190115 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20200120 Year of fee payment: 5 |