KR20100109104A - 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치에 관한 것으로서, 캐패시터로 이루어지는 슈퍼커패시터와 니켈 수소 배터리를 병행하여 하이브리드 타입의 저장장치를 제공해 줌으로써, 태양전지로부터 충전되는 전기에너지를 슈퍼커패시터에 1차적으로 충전하고, 그 다음 용량을 초과하면 니켈 수소 배터리에 충전시킴으로써, 부조일수가 1일 이상 지속될 경우의 용량 부족 문제점을 해소할 수 있고, 나아가 전체 저장장치의 수명을 연장시킬 수 있는 하이브리드형 저장장치에 관한 것이다.

본 발명은 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치에 있어서, 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하는 광전지 셀; 상기 광전지 셀로부터 나오는 전압을 정격 전압으로 변환시켜 주는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 전압을 우선적으로 충전되는 슈퍼커패시터와, 슈퍼커패시터의 용량이 초과되면 충전되는 Ni-H 배터리; 및 상기 슈퍼커패시터 또는 Ni-H 배터리로부터 출력되는 전압을 변환시키는 DC/DC 컨버터;를 포함하고, 상기 슈퍼커패시터와 Ni-H 배터리에 충전되는 전력을 부하측에 사용할 경우, 먼저 슈퍼커패시터의 전력을 출력시킨 다음, 슈퍼커패시터가 완전 방전되면 Ni-H 배터리로부터 전력을 출력시키는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치를 개시한다.

하이브리드, 태양전지, 저장장치

Description

태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치{HYBRID TYPED STORAGE APPARATUS USING THE SOLLAR CELL}

본 발명은 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치에 관한 것으로서, 캐패시터로 이루어지는 슈퍼커패시터와 니켈 수소 배터리를 병행하여 하이브리드 타입의 저장장치를 제공해 줌으로써, 태양전지로부터 충전되는 전기에너지를 슈퍼커패시터에 1차적으로 충전하고, 그 다음 용량을 초과하면 니켈 수소 배터리에 충전시킴으로써, 부조일수가 1일 이상 지속될 경우의 용량 부족 문제점을 해소할 수 있고, 나아가 전체 저장장치의 수명을 연장시킬 수 있는 하이브리드형 저장장치에 관한 것이다.

현재 저장장치로 가장 많이 사용되는 납축전지 밧데리는 가격이 저렴하나 납 성분을 포함하여 환경적으로 유해물질이다. 이를 사용하지 못하게하는 규제가 점점 엄격해지면서 친환경적인 제품들로 교체가 되고 있다. 또 납축전지는 무게가 무겁고 충방전 수명이 짧아 대략 3년정도 주기로 교체해야 하는 문제점이 있다. 그래서 짧은 충,방전 주기를 보다 늘리면 저장장치의 교체주기도 늘어나 결국 납축전지 사용량은 줄어 들것이고 환경에 가능한 유해하지 않는 물질를 사용하게 될 것이다. 보통 밧데리는 한번 충전되었다가 방전되었을 때를 1사이클로 보며 특히 납축전지는 100% 충, 방전 경우에 수명을 300에서 500 사이클 정도여서 특히 태양광 가로등에 저장장치로 사용하였을때 교체기간이 대략 3년 정도를 보고 있다. 이는 짧은 교체주기에 따른 비용과 예를들어 정기적으로 수많은 가로등을 일일히 납축전기를 교체하는 번고로움과 비용을 절약할 수가 있다.

1)슈퍼커패시터(슈퍼커패시터acitor)

슈퍼커패시터는 미래 전기자동차의 전원공급원으로 개발되기 시작하면서 급진적인 발전이 이루어지고 있다. 기존 밧데리는 전기화학작용에 의하여 전기에너지를 방출하므로 충전시간이 길고 환경오염의 문제가 있다. 또한 내부저항이 매우 높아 효율이 극히 낮은 반면 슈퍼콘덴서는 전기적인 분극작용에 의하여 충전이 이루어 지므로 충전시간이 매우 짧고 환경오염의 염려가 적다. 방전전압을 조절할 수 있는 장점이 있는 반면 방전시간에 경과함에 따라 에너지가 점차 떨어지는 단점도 있다. 참고로, 그 특징으로는 물리적인 흡,탈착을 통해 충방전이 수행되고, 반영구적인 수명을 가지며, 짧은 충전시간(초 단위)을 가지며, 사용 가능한 온도범위 넓고(섭씨 -20~70도) 충,방전 싸이클이 약 500,000회 정도이다.

2) 니켈수소 배터리 (NI-MH Battery)

니켈 수소 밧데리는 전기 화학적용을 이용해 충,방전이 수행되고, 전극 물질 의 열화 현상이 발생하고, 상대적으로 긴 충전시간(기간 단위)이 소요되고, 사용가능한 온도 범위의 제약(섭씨 0~60도)이 있고, 특히 저온에서 용량이 30%로 축소되는 한계를 가진다.

태양전지를 이용한 저장장치로서 상기 슈퍼커패시터을 사용할 경우, 부조일수 1일 이상이면 용량 부족 문제, 즉 충분히 충전되지 않아 부하측, 예컨데 LED를 정해진 시간 동안 발광시키지 못하는 한계를 가지며, 나아가 니켈 수소 배터리를 이용할 경우에는 전극 물질의 열화 현상 등으로 수명이 상대적으로 짧아 자주 교체해 줘야 하며, 특히 겨울과 같은 저온 환경하에서는 그 용량이 축소되는 한계를 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은 캐패시터로 이루어지는 슈퍼커패시터의 특성상 부조일수가 1일 이상 지속 될 경우에 발생할 수 있는 용량 부족문제를 고용량 2차 저장장치인 니켈 수소 배터리를 병행 사용함으로써 작동일수를 100% 이상 개선할 수 있고, 나아가 500회 수명의 니켈 수소 배터리 특성을 10만회 이상인 캐패시터와 병행 사용함으로써 전체 저장장치의 수명 연장을 구현할 수 있도록 하는 것에 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치에 있어서, 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하는 광전지 셀; 상기 광전지 셀로부터 나오는 전압을 정격 전압으로 변환시켜 주는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 전압을 우선적으로 충전되는 슈퍼커패시터와, 슈퍼커패시터의 용량이 초과되면 충전되는 Ni-H 배터리; 및 상기 슈퍼커패시터 또는 Ni-H 배터리로부터 출력되는 전압을 변환시키는 DC/DC 컨버터;를 포함하고, 상기 슈퍼커패시터와 Ni-H 배터리에 충전되는 전력을 부하측에 사용할 경우, 먼저 슈퍼커패시터의 전력을 출력시킨 다음, 슈퍼커패시터가 완전 방전되면 Ni-H 배터리로부터 전력을 출력시키는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치를 개시한다.

바람직하게는, 상기 Ni-H 배터리에 충전시킬 경우, 배터리의 용량에 따라 충전을 계속할 것인지 여부를 판단하는 마이콤이 더 구비된다.

보다 바람직하게는, 상기 부하측에 전력을 출력시킬 경우, 태양광이 조사되는 시간에 따라 슈퍼커패시터 또는 Ni-H 배터리로부터의 출력 여부를 결정할 수 있는 리얼타임클럭(RTC) 기능을 더 구비시킨다.

가장 바람직하게는, 상기 부하측에 전력을 출력시킬 경우, 태양광의 조도를 검출하여 일정 조도 이하일 경우에만 출력시킨다.

여기서, 슈퍼커패시터로 지시된 1차 저장장치는 제품의 수명이 10만회 이상인 캐패시터로서, 충전시 먼저 충전되고 방전시에도 우선 방전된다.

또한, 고용량 저장장치인 니켈수소 배터리는 2차 저정장치로서 슈퍼커패시터가 완전 방전되기 직전에 저장장치를 2차 저정장치로 변환 지정하여 사용한다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1)캐패시터의 특성상 부조일수가 1일 이상 지속 될 경우에 발생할 수 있는 용량 부족문제를 고용량 2차 저장장치인 니켈 수소 배터리를 사용함으로써 작동일수를 100% 이상 개선할 수 있다.

2)500회 수명의 니켈 수소 배터리 특성을 10만회 이상인 캐패시터와 병행 사용함으로써 수명 연장을 구현할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 타입의 저장장치 구성도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 저장장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

1)쏠라쎌에서 집적된 전기(17VDC)는 정전압 회로를 거쳐서 일정한 전압(14VDC)으로 제어회로1, 2에 입력된다.

2) 제어회로는 입력되는 전압 및 전류를 모니터링 한다.

3)낮인 경우에는 먼저 Main Controller는 슈퍼커패시터와 배터리의 전압을 측정한다.

4)우선적으로 슈퍼커패시터의 전압이 낮은 경우 제어회로1을 ON하여 슈퍼커패시터을 충전한다.

5)슈퍼커패시터의 충전이 완료되면 제어회로1을 OFF하고 제어회로2를 ON하여 배터리를 충전한다.

6)밤이 되면(또는 쏠라쎌에서 전류가 공급되지 않을 경우) 제어회로 1은 OFF, 제어회로2는 ON하여 슈퍼커패시터에 있는 전압을 이용하여 Load를 구동한다.

7)구동 시점을 일정 조도 이하에서 하기 위해서는 조도 센서를 부착할 수 있다.

8)슈퍼커패시터의 용량은 하루밤, 또는 사용자 요구 시간에 맞게 설계된다.

9)슈퍼커패시터이 일정 전압 이하로 내려가면 제어회로 2를 OFF하고 제어회로1을 ON하여 배터리를 구동한다.

10)쏠라셀에서 전원이 공급되지 않는 한 계속해서 배터리의 전압을 사용하며 Main Controller는 배터리를 구동하는 동안 계속해서 배터리의 전압을 모니터링하고 일정 전압 이하로 내려가면 제어회로 1을 OFF하여 저 전압상태가 되지 않도록 한다.

도 2는 도 1의 본 발명의 구성도를 AC 타입용으로 인버터 및 컨버터에 적용한 일례를 도시하는 회로도이다.

도 2을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 저장장치의 동작을 설명하 면 다음과 같다.

1)Photovoltaic : 태양광을 통하여 태양전지에서 나오는 전원은 0 ~ 6V 사이의 DC 전압이 나오게 된다. 이 Swing 하는 전압을 충전하기 위해서는 정격전압으로 바꿔 주어야 한다.

2)DC/DC 컨버터 : 태양전지에서 나오는 전압을 슈퍼커패시터 나 Ni-H 배터리 에 충전하기 위해서는 DC/DC 컨버터를 이용하여 정격 전압으로 바꿔 줘야 한다. 그러나 여기에서 최고 6V 의 태양전지 DC 전압을 13.8V 로 Step Up 시키거나 6.9V 로 Step Down 시켜야 한다.

이유는 앞의 Block Diagram에 구성되는 슈퍼커패시터의 사양은 2.3V/680F 이며, 6개의 슈퍼커패시터 을 사용함으로 정격 전압 (2.3V*6EA=13.8V)이 되어야 하며, Ni-H 배터리 (1.2V*10EA=12V) 에 충전 가능 케 하는 정격 전압은 12V 이상이어야 한다.(요구되는 보안등의 밝기 사양에 따라 슈퍼커패시터 3EA(6.9V), Ni-H 배터리 5EA(6V) 로 전압을 낮추게 되면, DC/DC 컨버터는 Step Up / Down 시켜 줘야 한다.)

3)태양전지에서 DC/DC 컨버터에서는 나오는 전압을 통하여 충전되는 우선 순위는 첫째 슈퍼커패시터이며, 슈퍼커패시터의 용량이 초과되면 Ni-H 배터리로 충전 된다. 단, Ni-H 배터리에 충전 시에는 배터리 내의 용량에 따라 충전을 계속할지 말지를 판단해 줄 수 있는 Micom 이 필요하다.

4)Micom 의 역할 : Micom은 첫째 슈퍼커패시터와 Ni-H 배터리이 용량을 Check 하여 충전시 또는 방전시 이 두가지의 용량을 Monitoring 한다.

충전시의 슈퍼커패시터 에 충전되는 용량이 초과되면 충전을 멈추고 DC/DC 컨버터 전원을 Ni-H 배터리로 충전하도록 해준다.

방전시 슈퍼커패시터 의 용량이 완전 방전되면 Ni-H 배터리 에서 전압이 출력되도록 한다. 그리고, 태양광이 있을때, 전압을 출력 하면 안됨으로, 시간에 따라 출력될 수 있도록 RTC(Real Time Clock) 기능으로 시간 설정에 따라 출력이 될 수 있도록 하거나, 조도 Sensor를 이용하여 일정 조도에서 출력될 수 있도록 역할을 수행한다.

5)DC/AC 인버터 : 트랜스와 FET를 이용하여 슈퍼커패시터 이나 Ni-H 배터리에서 나오는 DC전압을 AC전압으로 바꿔주는 역할을 한다.

Power LED 는 AC용과 DC용이 있으며, AC용 Power LED는 AC 전압을 DC로 바꿔주는 컨버터가 내장되어 있다.

AC전용 Power LED는 가정용, 가로등용으로 사용되고 있으며, 안정성을 신뢰성이 있는 부품으로 알려져 있다

도 3은 본 발명의 기본 구성도를 DC 타입용으로 인버터 및 컨버터에 적용한 일례를 도시하는 회로도이다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예의 저장장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

1)Photovoltaic : 태양광을 통하여 태양전지에서 나오는 전원은 0 ~ 6V 사이의 DC 전압이 나오게 된다. 이 Swing 하는 전압을 충전하기 위해서는 정격전압으로 바꿔 주어야 한다.

2)DC/DC 컨버터(A): 태양전지에서 나오는 전압을 슈퍼커패시터 나 Ni-H 배터리 에 충전하기 위해서는 DC/DC 컨버터 를 이용하여 정격 전압으로 바꿔 줘야 한다. 그러나 여기에서 최고 6V 의 태양전지 DC 전압을 13.8V 로 Step Up 시키거나 6.9V 로 Step Down 시켜야 한다.

이유는 앞의 Block Diagram에 구성되는 슈퍼커패시터 의 사양은 2.3V/680F 이며, 6개의 슈퍼커패시터 을 사용함으로 정격 전압 (2.3V*6EA=13.8V)이 되어야 하며, Ni-H 배터리 (1.2V*10EA=12V) 에 충전 가능 케 하는 정격 전압은 12V 이상이어야 한다. (요구되는 보안등의 밝기 사양에 따라 슈퍼커패시터 3EA(6.9V), Ni-H 배터리 5EA(6V) 로 전압을 낮추게 되면, DC/DC 컨버터는 Step Up / Down 시켜 줘야 한다.)

3)태양전지에서 DC/DC 컨버터 에서는 나오는 전압을 통하여 충전되는 우선 순위는 첫째 슈퍼커패시터 이며, 슈퍼커패시터의 용량이 초과되면 Ni-H 배터리로 충전 된다. 단, Ni-H 배터리에 충전 시에는 배터리 내의 용량에 따라 충전을 계속할지 말지를 판단 해 줄 수 있는 Micom 이 필요하다.

4) DC/DC 컨버터(B) : 슈퍼커패시터 이나 Ni-H 배터리에서 나오는 전압(13.8V 전압 또는 12V 전압)을 5V 혹은 3.3V 로 Step Down 시켜준다.

위와 같은 구조로 사용되면 에너지 효율 높고, 에너지 절감 및 시설 공사 비용을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.(태양전지판의 청결도 문제)

도 4는 본 발명의 기본 구성도를 AC/DC 하이브리드 타입용으로 인버터 및 컨버터에 적용한 일례를 도시하는 회로도이다.

도 4를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예의 저장장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

1)Photovoltaic : 태양광을 통하여 태양전지에서 나오는 전원은 0 ~ 6V 사이의 DC 전압이 나오게 된다. 이 Swing 하는 전압을 충전하기 위해서는 정격전압으로 바꿔 주어야 한다.

2)DC/DC 컨버터(A): 태양전지에서 나오는 전압을 슈퍼커패시터 나 Ni-H 배터리 에 충전하기 위해서는 DC/DC 컨버터 를 이용하여 정격 전압으로 바꿔 줘야 한다. 그러나 여기에서 최고 6V 의 태양전지 DC 전압을 13.8V 로 Step Up 시키거나 6.9V 로 Step Down 시켜야 한다.

이유는 앞의 Block Diagram에 구성되는 슈퍼커패시터 의 사양은 2.3V/680F 이며, 6개의 슈퍼커패시터 을 사용함으로 정격 전압 (2.3V*6EA=13.8V)이 되어야 하며, Ni-H 배터리 (1.2V*10EA=12V) 에 충전 가능 케 하는 정격 전압은 12V 이상이어야 한다.(요구되는 보안등의 밝기 사양에 따라 슈퍼커패시터 3EA(6.9V), Ni-H 배터리 5EA(6V) 로 전압을 낮추게 되면, DC/DC 컨버터는 Step Up / Down 시켜 줘야 한다.)

3)태양전지에서 DC/DC 컨버터 에서는 나오는 전압을 통하여 충전되는 우선 순위는 첫째 슈퍼커패시터 이며, 슈퍼커패시터의 용량이 초과되면 Ni-H 배터리로 충전 된다. 단, Ni-H 배터리에 충전 시에는 배터리 내의 용량에 따라 충전을 계속 할지 말지를 판단 해 줄 수 있는 Micom 이 필요하다.

4)충전시 의 슈퍼커패시터 에 충전되는 용량이 초과되면 충전을 멈추고 DC/DC 컨버터 전원을 Ni-H 배터리로 충전하도록 해준다.

방전시 슈퍼커패시터 의 용량이 완전 방전되면 Ni-H 배터리 에서 전압이 출력되도록 한다. 그리고, 태양광이 있을때, 전압을 출력 하면 안됨으로, 시간에 따라 출력될 수 있도록 RTC(Real Time Clock) 기능으로 시간 설정에 따라 출력이 될 수 있도록 하거나, 조도 Sensor를 이용하여 일정 조도에서 출력될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.

5)DC/DC 컨버터(B) : 슈퍼커패시터 이나 Ni-H 배터리에서 나오는 전압(13.8V 전압 또는 12V 전압)을 5V 혹은 3.3V 로 Step Down 시켜주는 역할을 한다.

위와 같은 구조로 사용되면 에너지 효율 높고, 에너지 절감 및 시설 공사 비용을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

그러나 태양전지의 물리적 구조에 따라 태양전지의 효율을 높이기 위해 일정 관리는 필수 불가결하다. (태양전지판의 청결도 문제)

따라서 앞서 발표한 인버터를 사용한 회로를 구성하여 AC 용 전원 겸용을 쓰게 되면 향후, 개보수 시 AC 전원만 연결 시켜도 보안등의 역할을 수행 할 수 있도록 제작 할 수도 있다.

만약 기존의 시설을 그대로 사용한다면 인버터를 필요로 할 것이며, AC 전원이 사용되는 곳에 보안등이 설치된다면, 간단한 작업 만으로 태양광과 겸용으로 쓸 수 있는 장점이 있다.

태양전지를 이용하여 충전되는 축전 방식에서 위의 구조는 현재 해외 유수 자동차 업계에서 시도하는 방식이며 슈퍼커패시터 과 Ni-H 배터리의 조합은 현재 적용되는 전체 태양광 보안등 시스템에 발생되는 축전지 수명 문제를 크게 개선 시킬 수 있는 장점 있다.

본연구에서 니켈 수소를 사용한 이유는 다른 리튬이온이나 니켈 폴리머 같은 배터리는 매체에서도 보도되듯이 폭발의 위험이 있기 때문에 가장 안정적이라고 판단되어지는 니켈 수고 배터리를 사용하였다.

본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명의 실시 예를 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 타입의 저장장치 구성도이다.

도 2는 도 1의 본 발명의 구성도를 DC 타입용으로 인버터 및 컨버터에 적용한 일례를 도시하는 회로도이다.

도 3은 본 발명의 기본 구성도를 AC 타입용으로 인버터 및 컨버터에 적용한 일례를 도시하는 회로도이다.

도 4는 본 발명의 기본 구성도를 AC/DC 하이브리드 타입용으로 인버터 및 컨버터에 적용한 일례를 도시하는 회로도이다.

Claims (4)

1. 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치에 있어서,

   태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하는 광전지 셀;

   상기 광전지 셀로부터 나오는 전압을 정격 전압으로 변환시켜 주는 DC/DC 컨버터;

   상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 전압을 우선적으로 충전되는 슈퍼커패시터와, 슈퍼커패시터의 용량이 초과되면 충전되는 Ni-H 배터리; 및

   상기 슈퍼커패시터 또는 Ni-H 배터리로부터 출력되는 전압을 변환시키는 DC/DC 컨버터;를 포함하고,

   상기 슈퍼커패시터와 Ni-H 배터리에 충전되는 전력을 부하측에 사용할 경우, 먼저 슈퍼커패시터의 전력을 출력시킨 다음, 슈퍼커패시터가 완전 방전되면 Ni-H 배터리로부터 전력을 출력시키는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 Ni-H 배터리에 충전시킬 경우, 배터리의 용량에 따라 충전을 계속할 것인지 여부를 판단하는 마이콤이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 저장장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 부하측에 전력을 출력시킬 경우, 태양광이 조사되는 시간에 따라 슈퍼커패시터 또는 Ni-H 배터리로부터의 출력 여부를 결정할 수 있는 리얼타임클럭(RTC) 기능을 더 구비시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 저장장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 부하측에 전력을 출력시킬 경우, 태양광의 조도를 검출하여 일정 조도 이하일 경우에만 출력시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 저장장치.

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