KR20140058230A - 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치 - Google Patents

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나원산
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주식회사 아모센스
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Abstract

본 발명은 극한 지역에서 효율이 우수한 리튬(Li)계 2차 전지를 배터리로 사용할 때, 저온에서 특성 저하로 인하여 리튬계 2차 전지의 동작 불능상태를 방지할 수 있는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치에 관한 것이다.
본 발명의 솔라셀을 이용하여 가로등을 구동하기 위한 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치는, 다수의 단위 솔라셀을 구비하고, 광전변환에 의해 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 솔라셀 모듈; 리튬계 2차 전지로 이루어지며, 상기 솔라셀 모듈에서 생성된 직류전원이 충전되고, 상기 가로등을 구동하는 데 필요한 구동전원을 공급하는 메인 배터리; 상기 메인 배터리를 가열하여 보온시키는 히터: 상기 히터를 구동하는 데 필요한 전원을 공급하며, 극한 지역에서도 동작에 영향을 받지 않는 보조 배터리: 상기 솔라셀 모듈로부터 생성된 전기에너지를 상기 메인 배터리에 직류전압으로 충전시키기 위한 충전제어부; 상기 메인 배터리의 온도를 검출하는 온도센서; 및 상기 검출된 온도가 미리 설정된 최저값보다 낮은 경우 상기 보조 배터리의 전원을 히터에 공급하도록 제어하는 시스템 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

솔라셀을 이용한 가로등 전원장치{Power Supply for Streetlight Using Solar Cell}
본 발명은 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치에 관한 것으로, 특히 극한 지역에서 효율이 우수한 리튬(Li)계 2차 전지를 배터리로 사용할 때, 저온에서 특성 저하로 인하여 리튬계 2차 전지의 동작 불능상태를 방지할 수 있는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치에 관한 것이다.
태양광을 이용한 발전은, 발전량이 일사시간에 좌우되고, 대전력을 얻기 위해서는 대면적이 필요하고, 상용전력에 비해 고가이며, 직류전력이 먼저 얻어진다는 단점에도 불구하고, 청정에너지이고, 가동부분이나 고온, 고압의 부분이 없으며, 보수가 용이할 뿐만 아니라, 무인화가 가능하고, 무한정한 에너지원으로서, 양산성이 높고, 필요에 따라 소규모에서 대규모 시스템까지 설치가 가능하다는 장점으로 인해 최근 그 개발이 활발히 진행되고 있으며, 특히, 미래의 에너지로서 각광 받고 있다.
이러한 태양광 발전에서 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 솔라셀(태양 전지)은 그 자체만으로는 태양광에 의해 생성된 전기를 저장하는 능력을 갖고 있지 않다. 따라서, 태양광 발전 시스템이나 솔라셀을 이용하는 기기 등은 전기를 축전하는 배터리를 구비하는 것이 보통이다. 배터리는 낮 시간 동안 솔라셀로부터 발전된 전류를 충전하고, 전기가 필요하게 될 때 공급해 주는 기능을 갖는다.
최근에는, 도로변 또는 거리를 따라 다수개가 설치되어 있는 가로등도, 태양광을 이용하여 개발되고 있으며, 일반적으로 태양광 가로등은 솔라셀로부터 생산된 전기 에너지를 저장하기 위하여 배터리를 구비하고 있다.
즉, 솔라셀은 그 자체만으로는 태양광으로부터 생산된 전기 에너지를 저장하는 능력을 가지고 있지 않기 때문에, 솔라셀을 이용하는 태양광 가로등 역시 배터리를 구비하고 있어야 한다.
한편, 낮 시간에 배터리에 충전하고 밤시간에 배터리에 충전된 전기 에너지를 사용하도록 태양광 가로등에 사용되는 배터리는 충방전이 가능한 2차 전지가 요구된다.
상기 2차 전지는 납축전지, 니켈 수소(Ni-MH) 또는 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등을 사용하는데, 전지의 질량 및 부피 대 충전 용량과 사용 회수의 측면에서 리튬계 2차 전지의 성능이 뛰어나다.
니켈 수소(Ni-MH) 또는 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 배터리는 메모리 효과에 따른 배터리 수명이 짧고, 출력전압(1.2V)이 낮으며 효율이 낮은 단점이 있으나, 가격이 저렴하다.
이에 비하여 리튬계 2차 전지는 메모리 효과가 없어 긴 수명을 가지며, 단위 셀당 높은 출력전압(4.2V)과 고용량, 고에너지 밀도를 가지고 있고, 충방전 사이클 특성이 뛰어나며, 장기에 걸쳐 정격(定格) 출력을 유지하는 등의 특징을 가지는 반면에 저온 동작특성이 나쁘다.
예를 들어, 리튬계 2차 전지는 0 내지 40℃의 온도 범위에서는 100%의 용량을 발휘하나, 이러한 온도범위를 초과하면 방전 특성이 떨어지는 문제가 있다. 특히, 극한 지방과 같이 저온 지역에 설치되는 태양광 가로등에 배터리로서 리튬계 2차 전지를 사용하면, 배터리 수명과 특성 효율이 저하된다.
즉, 리튬계 2차 전지는 영하 -10℃일 때 실온 대비 70 내지 80%, 영하 -20℃일 때 실온 대비 50 내지 60%, -40℃일 때 실온 대비 약 12%로 방전특성의 급격한 감소가 발생하는 것으로 알려져 있다.
또한, 태양광 가로등이 설치된 지역의 날씨는 수시로 변경이 이루어질 수 있어, 급변하는 날씨로 인하여 가로등이 작동되지 않을 경우 도로를 주행하는 차량의 안전운전에 영향을 미치게 된다.
한국 등록특허공보 10-992397호에는 DC-DC 컨버터가 일체로 구현되고 동작 설정이 용이하며 작동상태를 표시창으로 실시간 확인할 수 있어 태양전지를 이용한 LED 조명등을 저렴하면서도 효율적으로 제어할 수 있는 DC-DC 컨버터 일체형 LED 조명등 제어장치를 제공하고자, 태양광에 의해 소정의 직류전원을 생성하는 태양전지모듈과, 배터리와, LED 조명등과, 상기 태양전지모듈로부터 입력된 전원으로 상기 배터리를 충전시키고 상기 배터리의 직류전원을 펄스폭변조(PWM) 제어하여 안정된 직류전원을 상기 LED 조명등에 공급하는 LED 조명등 컨트롤러가 제안되어 있다.
상기 LED 조명등 컨트롤러는 태양전지모듈을 연결하고 제어하기 위한 태양전지제어부; 태양전지모듈의 전원으로 배터리를 충전시키기 위한 충전제어부; 배터리의 과충전과 과방전을 방지하여 배터리를 보호하기 위한 과충전/과방전 보호회로; 각종 동작상태와 데이터를 표시하기 위한 LCD; 제어신호에 따라 LCD를 구동하기 위한 LCD 제어부; 온도를 감지하기 위한 온도센서; 펄스폭변조(PWM)제어신호에 따라 배터리의 DC전압을 LED 조명등을 점등시키기 위한 DC전압으로 변환하여 정전압 정전류를 제공하는 DC-DC 컨버팅 및 정전압/정전류제어부; 노트북 컴퓨터와 통신하기 위한 RS232C 통신부; 및 통신부를 통해 노트북 컴퓨터와 연결되면 설정모드로 동작하고 충전제어부를 통해 배터리의 충방전을 제어하며 배터리 충전상태를 LCD 제어부를 통해 LCD에 표시하고 온도센서로부터 온도 제어값을 입력받아 온도를 보상하는 메인 제어부를 포함하고 있다.
또한, 상기 콘트롤러는 온도 제어신호에 따라 히터를 구동하기 위한 히터구동부를 더 구비하고, 메인 제어부는 소정 온도 이하가 되면 히터구동부를 통해 히터를 구동하여 배터리를 보온하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기 한국 등록특허공보 10-992397호와 같이 단일 배터리를 채용하고 이를 히터에 대한 구동전원으로 사용하는 태양광 가로등에서는, 특히 배터리로서 리튬 2차전지를 채용하는 경우, 리튬 2차전지에 사용 가능한 잔류 용량이 있을지라도 주변온도가 영하로 하강하면 리튬 2차전지의 방전특성도 급격한 감소가 발생하여 가로등을 점등시킬 수 없게 된다.
또한, 상기 한국 등록특허공보 10-992397호는 극한 지방에 설치되는 경우 수명이 감소되고 오동작이 발생하여 유지 보수 비용이 증가하는 문제도 발생한다.
더욱이, 상기 LED 조명등 컨트롤러는 주변 온도가 설정온도 이하로 되는 경우 히터를 구동시켜서 배터리를 보온하는 구성을 제안할 뿐 배터리 보온의 필요성에 대한 설명이 없으며, 히터를 구동하는 구동전원이 단일 배터리이므로 단일 배터리로서 리튬 2차전지를 채용하는 경우 히터를 구동시키지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
한국 등록특허공보 10-992397호
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 극한 지역에서 효율이 우수한 리튬계 2차 전지를 메인 배터리로 사용할 때, 저온에서 특성 저하로 인하여 리튬계 2차 전지의 동작 불능상태를 방지할 수 있는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 극한 지역에서도 동작에 영향을 받지 않는 슈퍼 커패시터를 보조 배터리로 구비하고 온도가 설정값 이하로 내려가는 경우 보조 배터리을 이용하여 메인 배터리로 사용되는 리튬계 2차 전지를 보온함에 의해 리튬계 2차 전지의 동작 불능상태를 방지할 수 있는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 리튬계 2차 전지를 보온시키기 위한 히터로서 면상발열체를 사용함에 의해 효과적으로 보온과 동시에 과발열이 발생되지 않는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 솔라셀을 이용하여 가로등을 구동하기 위한 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치는, 다수의 단위 솔라셀을 구비하고, 광전변환에 의해 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 솔라셀 모듈; 리튬계 2차 전지로 이루어지며, 상기 솔라셀 모듈에서 생성된 직류전원이 충전되고, 상기 가로등을 구동하는 데 필요한 구동전원을 공급하는 메인 배터리; 상기 메인 배터리를 가열하여 보온시키는 히터: 상기 히터를 구동하는 데 필요한 전원을 공급하며, 극한 지역에서도 동작에 영향을 받지 않는 보조 배터리: 상기 솔라셀 모듈로부터 생성된 전기에너지를 상기 메인 배터리에 직류전압으로 충전시키기 위한 충전제어부; 상기 메인 배터리의 온도를 검출하는 온도센서; 및 상기 검출된 온도가 미리 설정된 최저값보다 낮은 경우 상기 보조 배터리의 전원을 히터에 공급하도록 제어하는 시스템 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 효율이 우수한 리튬계 2차 전지를 메인 배터리로 사용할 때, 극한 지역에서도 동작에 영향을 받지 않는 슈퍼 커패시터를 보조 배터리로 구비하고 온도가 설정값 이하로 내려가는 경우 보조 배터리를 이용하여 메인 배터리로 사용되는 리튬계 2차 전지(예를 들어, 리튬 이온 배터리)를 보온함에 의해 리튬계 2차 전지의 동작 불능상태를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 리튬계 2차 전지를 보온시키기 위한 히터로서 면상 발열체를 사용함에 의해 효과적으로 보온과 동시에 과발열이 발생되지 않아 제어가 용이하게 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치를 나타내는 블록 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 1셀용 리튬 이온 배터리를 보온시키기 위한 히터를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 1셀용 리튬 이온 배터리를 보온시키기 위한 변형된 히터를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 3셀용 리튬 이온 배터리를 보온시키기 위한 히터를 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 3셀용 리튬 이온 배터리를 보온시키기 위한 변형된 히터를 나타낸 사시도,
도 6 및 도 7은 각각 도 2 내지 도 5에 도시된 히터로 사용 가능한 구조를 나타낸 단면도,
도 8은 도 6 및 도 7의 히터에 사용되는 면상 발열체의 패턴을 나타낸 평면도,
도 9는 본 발명에 따른 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치의 제어 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치를 나타내는 블록 회로도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치는 솔라셀 모듈(11), 충전제어부(12), DC-DC 변환부(13), 가로등(14), 메인 배터리(15), 보조 배터리(16), 제1스위칭회로(17), 제2스위칭회로(18), 히터(19), 시스템 제어부(20: CPU), 조도센서(21) 및 온도센서(22)를 포함한다.
우선, 본 발명의 가로등 전원장치에 의해 구동되는 가로등(14)은 도로변에 설치되어 교류 또는 직류전압으로 구동되는 것으로, 수은등, 메탈할라이드등, 나트륨등, 플라즈마등, LED등을 비롯하여, 주지된 다양한 종류의 조명등을 포함할 수 있다.
상기 실시예 설명에서는 가로등(14)으로서 내구성과 효율이 우수하고 소비전력이 적은 LED등을 사용하는 것이 바람직하며, 이 경우 배터리의 직류 출력전압을 가로등의 구동전원(Vcc)으로 변환하기 위한 DC-DC 변환부(13)를 채용하는 것이 요구된다.
그러나, 본 발명은 가로등(14)으로서, 예를 들어 수은등, 나트륨등과 같이 방전을 이용하는 경우 이러한 방전등을 구동하는 데 필요한 안정기를 DC-DC 변환부(13) 대신 구비한다.
상기 솔라셀 모듈(11)은 다수의 단위 솔라셀을 구비하고, 광전변환에 의해 빛에너지를 전기에너지로 변환하여 얻어진 소정의 직류전원을 생성한다. 상기 솔라셀 모듈(11)은 필요에 따라 광전변환 효율을 높이기 위해 솔라셀이 태양을 추종하는 태양추종모듈을 구비할 수 있다.
상기 솔라셀 모듈(11)에서 생성된 소정의 직류전원은 낮 시간에 배터리에 충전하고 밤 시간에 배터리에 충전된 전기 에너지를 가로등(14)이 사용할 수 있도록 충방전이 가능한 2차 전지로 이루어진 메인 배터리(15)를 구비하며, 메인 배터리(15)로는 메모리 효과가 없어 긴 수명을 가지며, 높은 출력전압(4.2V)과 에너지 밀도를 가지고 있고 효율이 좋은 리튬계 2차 전지(Li BAT)를 채용한다. 이 경우, 리튬(Li)계 2차 전지는 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리를 사용할 수 있다.
본 발명에서는 리튬계 2차 전지의 단점인 저온 동작특성이 나쁘다는 점을 고려하여 주변온도가 설정온도 이하로 내려가는 경우 메인 배터리(15)를 보온시키기 위한 히터(19)를 구비한다.
또한, 본 발명에서는 리튬계 2차 전지를 사용하는 메인 배터리(15)가 급격한 주변온도의 하강으로 가로등(14)을 구동하는 데 필요한 구동전원(Vcc)을 제공하지 못하는 것을 차단하도록 극한 지역에서도 동작이 가능한 보조 배터리(16)를 구비하고 있다. 상기 보조 배터리(16)는 예를 들어, 전기이중층 커패시터(EDLC: electric double layer capacitor)와 같은 슈퍼 커패시터를 사용할 수 있다.
상기 히터(19)는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 일정한 면적을 갖고 직사각형 셀로 이루어진 메인 배터리(15)의 외주면을 둘러싸도록 면상 히터(191)를 사용하고 있다. 이에 대하여는 추후에 다시 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 상기 솔라셀 모듈(11)에서 생성된 전기 에너지를 메인 배터리(15) 및 보조 배터리(16)에 충전하는 것을 선택적으로 제어하도록 솔라셀 모듈(11)의 후단에 충전제어부(12)와 제1스위칭회로(17)를 구비한다. 상기 제1스위칭회로(17)는 토글형 스위치로 이루어질 수 있다.
상기 충전제어부(12)는 출력단자가 DC-DC 변환부(13)에 연결됨과 동시에 제1스위칭회로(17)에 연결되고, 제1스위칭회로(17)는 시스템 제어부(20)의 제1선택신호에 따라 충전제어부(12)의 출력단자를 메인 배터리(15)와 보조 배터리(16) 중 하나에 선택적으로 연결한다.
충전제어부(12)의 출력단자는 우선적으로 메인 배터리(15)에 연결되어 메인 배터리(15)의 충전이 이루어지도록 제1스위칭회로(17)의 가동편이 메인 배터리(15)에 연결된 상태를 유지한다. 그 후, 메인 배터리(15)의 충전이 완료되면, 제1스위칭회로(17)의 가동편을 보조 배터리(16)에 연결하여 보조 배터리(16)의 충전을 개시한다.
상기 충전제어부(12)는 솔라셀 모듈(11)에서 생성된 전기 에너지를 메인 배터리(15)에 충전할 때 메인 배터리(15)가 리튬계 2차 전지로 구성되는 것을 고려하여 예를 들어, 정전류 정전압(CCCV) 방식으로 충전을 제어한다.
이를 위해 상기 충전제어부(12)는 내부에 정전압회로 및 정전류회로를 구비하고, 우선 정전류에 의해 소정의 상한 전압까지 충전을 하고, 그 후 상한 전압으로 유지한다. 정전압 모드에 들어가면 전류값은 감쇠되기 때문에, 소정의 전류값이 된 시점에서 충전이 종료되도록 한다.
상기 메인 배터리(15)가 예를 들어, 1셀 리튬 이온 배터리인 경우 상한 전압이 4.2V, 2셀 리튬 이온 배터리인 경우 상한 전압이 8.4V에 도달할 때까지 1C 이하의 충전전류로 정전류방식으로 충전을 개시한 후, 상한 전압에 도달하면 정전압 충전으로 전환하여 충전이 이루어지도록 한다.
리튬 이온 배터리의 충전방법은 상기한 정전류 정전압(CCCV) 방식 이외에 주지된 다른 방식을 채용하는 것도 물론 가능하다.
또한, 히터(19)는 시스템 제어부(20)의 제어에 따라 메인 배터리(15)와 보조 배터리(16) 중 하나에 선택적으로 연결되어 구동전원의 공급이 이루어지도록 제2스위칭회로(18)를 통하여 연결되어 있다. 상기 제2스위칭회로(18)는 유접점 릴레이(Relay) 또는 무접점 논리소자 등으로 구성될 수 있다.
제2스위칭회로(18)는 우선적으로 보조 배터리(16)에 연결된 상태를 유지하며, 메인 배터리(15)가 정상적으로 동작하면서 솔라셀 모듈(11)의 발전이 개시된 상태에서는 보조 배터리(16) 대신 메인 배터리(15)로부터 히터(19)에 대한 전원공급이 이루어지도록 제2스위칭회로(18)의 전환이 이루어진다.
상기 제2스위칭회로(18)는 시스템 제어부(20)의 제2선택신호에 따라 가동편의 전환이 이루어진다.
시스템 제어부(20)는 예를 들어, 신호처리장치로서 마이크로프로세서(CPU)와 데이터 및 시스템 제어 프로그램을 저장하기 위한 메모리 장치를 구비하고, 메모리 장치에 미리 저장된 기준값에 기초하여 조도센서(21)로부터 입력된 조도값에 따라 주간 및 야간을 구별하여 가로등의 점등 여부를 판단하고 가로등의 밝기를 제어한다.
또한, 시스템 제어부(20)는 메인 배터리(15)를 구성하는 리튬 이온 배터리의 온도를 온도센서(22)를 통하여 검출한 후, 메모리 장치에 미리 저장된 기준값(하한값과 상한값 사이의 온도값)에 기초하여 히터(19)의 구동 여부를 판단한다.
리튬계 2차 전지는 0 내지 40℃의 온도 범위에서 100%의 용량을 발휘하는 점을 고려하여, 극한 지역에 설치된 가로등의 경우 시스템 제어부(20)는 메인 배터리(15)의 온도가 하한값, 예를 들어, 0℃ 이하로 떨어지지 않도록 히터(19)를 구동하여 보온이 이루어지도록 제어한다. 또한, 검출된 온도가 상한값, 예를 들어, 10℃를 초과하는 경우, 전력소모를 막기 위하여 히터(19)의 구동을 정지시킨다.
도 2는 본 발명에 따른 1셀용 리튬 이온 배터리를 보온시키기 위한 히터를 나타낸 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 1셀용 리튬 이온 배터리를 보온시키기 위한 변형된 히터를 나타낸 사시도, 도 4는 본 발명에 따른 3셀용 리튬 이온 배터리를 보온시키기 위한 히터를 나타낸 사시도, 도 5는 본 발명에 따른 3셀용 리튬 이온 배터리를 보온시키기 위한 변형된 히터를 나타낸 사시도이다.
도 2 내지 도 5를 참고하여, 본 발명에 따른 히터의 구조를 상세하게 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 메인 배터리(15)를 구성하는 리튬 이온 배터리(15a)는 1셀로 이루어질 경우 판형상의 직육면체로 이루어져 있다.
히터(19)는 판형상의 직육면체로 이루어진 리튬 이온 배터리(15a)를 측면에서 둘러싸도록 밴드 형태로 이루어진 측면 프레임 히터(191)를 사용할 수 있다.
또한, 보온력을 증가하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이, 리튬 이온 배터리(15a)의 정면 및/또는 배면을 커버하도록 사각 플레이트로 이루어진 면 히터(192)를 더 포함할 수 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 3셀용 리튬 이온 배터리를 보온시키기 위한 히터 구조가 도시되어 있다. 3셀 구조의 리튬 이온 배터리(15a-15c)는 각각 판형상의 직육면체로 이루어져 있으며, 히터(19)는 리튬 이온 배터리(15a-15c)의 측면에서 둘러싸도록 밴드 형태로 이루어진 측면 프레임 히터(191a)와, 리튬 이온 배터리(15a-15c) 사이를 둘러싸는 칸막이 히터(193a,193b)로 구성되어 있다.
또한, 필요에 따라 보온력을 증가하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이, 리튬 이온 배터리(15a-15c)의 정면 및/또는 배면을 커버하도록 사각 플레이트로 이루어진 면 히터(192a)를 더 포함할 수 있다.
상기한 실시예 설명에서는 메인 배터리(15)를 구성하는 리튬 이온 배터리(15a-15c)가 판형상의 직육면체로 이루어져 있는 것을 예로 들어 이를 둘러싸는 형태의 히터 구조를 제시하였으나, 히터(19)는 메인 배터리(15)를 구성하는 리튬 이온 배터리의 형상에 따라 변형될 수 있다.
상기 히터(19)를 구성하는 측면 프레임 히터(191a)와, 칸막이 히터(193a,193b) 및 면 히터(192,192a)는 도 6 또는 도 7에 도시된 면상 히터로 구성될 수 있다.
상기 면상 히터는 열전달 기판(41), 본딩층(42), 면상 발열체(43:43a,43b) 및 코팅층(44)을 포함한다.
상기 열전달 기판(41)은 면상 발열체(43:43a,43b)를 안정적으로 지지함과 동시에 면상 발열체(43:43a,43b)로부터 발생된 열을 리튬 이온 배터리(15a-15c)에 균일하게 전달하기 위한 것으로, 열전달 특성이 우수한 Al, Cu, 및 Ag 중의 하나 또는 그의 합금 재료를 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 저가이면서도 성형성이 좋고 경량인 Al(알루미늄)을 사용한다.
Al으로 이루어진 열전달 기판(41)을 사용하는 경우 예를 들어, 0.5mm 정도의 두께를 사용하여 빠른 전도 효율과 재료비 절감을 동시에 만족할 수 있다.
상기와 같이 열전달 기판(41)으로서 Al판을 0.5mm 두께의 박판으로 하는 경우 히터의 용량을 낮출지라도 이러한 면상 발열체를 히터로 리튬 이온 배터리(15a-15c)에 적용하는 경우 리튬 이온 배터리(15a-15c)에의 전이온도는 증가하는 이점이 있다.
본딩층(42)은 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 전기적 절연성을 갖으며 버퍼층의 역할을 하여 완충효과를 가짐과 동시에 면상 발열체(43:43a,43b)를 부착 고정하기 위한 접착력을 제공할 수 있다.
면상 발열체(43:43a,43b)는 도 8과 같이 금속박판을 소정형상, 예를 들어, 지그재그의 패턴을 갖도록 패터닝하여 다수개 형성한 후, 이를 직렬 및/또는 병렬 연결 구조로 상호 연결하여 제작한 것 또는 선형상의 스트립으로 이루어진 것을 사용할 수 있다.
그 후, 최종적으로 면상 발열체(43:43a,43b)의 상부에 실리콘으로 이루어진 코팅층(44)을 형성함에 의해 히터에 절연성 및 실링성을 갖게 한다.
한편, 상기 히터(19)는 열전달 기판(41)을 사용하지 않고, 도 7에 도시된 바와 같이 한쌍의 합성수지 필름(40a,40b) 사이에 면상 발열체(43:43a,43b)를 삽입하여 라미네이팅 공정을 실시하여 얻어진 것을 사용할 수 있다.
상기 면상 발열체(43:43a,43b)는 열선 재료의 특성으로 요구되는 비저항값(통상적으로 1.0~1.4Ωmm2/m의 범위)이 큰 것이 바람직하나, 비저항값이 1이상인 경우 저렴하게 입수 가능하다면 어떤 금속재 또는 합금 재료도 사용 가능하다.
면상 발열체(43:43a,43b)는 Fe-(14~21%)Cr-(2~10%)Al와 같은 FeCrAl 합금 박판, 니크롬 열선 재료, 비정질 박판(리본) 중 어느 하나의 재료로 이루어질 수 있다.
상기 FeCrAl 합금 박판의 바람직한 합금 재료는 Fe-15Cr-5Al 비율로 합성된 합금 또는 Fe-20Cr-5Al-REM(희토류 금속)을 사용할 수 있다. 또한, 비정질 박판은 Fe계 또는 Co계 비정질 재료로 이루어지며, Fe계 비정질 재료가 상대적으로 저렴하므로 바람직하다.
상기한 면상 발열체(43:43a,43b) 재료 중에서 가장 바람직한 재료는 Fe-15Cr-5Al 또는 Fe계 비정질 재료이고, Fe-15Cr-5Al는 열처리가 이루어지는 경우 표면에 Al2O3(알루미나) 절연막이 형성되어 고온 내식성을 갖게 되어 철계 재료의 산화 문제를 저렴하게 해결하는 이점이 있게 된다.
Fe계 비정질 박판(리본)은 고온 열선 재료와 유사한 1.3~1.4Ωmm2/m의 비저항값을 가지고 있어 열선 재료로서 양호한 특성을 가지고 있는 것을 알 수 있으며, 더욱이 주지된 고온 열선 재료 보다 상대적으로 저렴함과 동시에 박판으로 얻어지므로 본 발명에서는 이를 면상 발열체(43:43a,43b) 재료로 사용한다.
또한, 비정질 재료는 일반적으로 고강도, 고내식성, 고연자성 등의 우수한 재료 특성을 가지고 있고, Fe계 비정질 리본은 종래의 실리콘 히터와 비교할 때 약 1/2 정도로 저렴하게 구입할 수 있는 이점이 있다.
이와 같이, 면상 발열체(43:43a,43b)는 히터 재료로서 10~50㎛의 금속 박판을 사용하므로 동일한 단면적을 갖는 다른 코일형 열선과 비교할 때 10~20배 이상의 표면적을 가지게 되어 동일한 전력을 사용하여 발열이 이루어질 때 넓은 면적에서 저온 발열이 이루어지므로 저온 히팅 재료로 적합하다. 상기 면상 발열체(43:43a,43b)는 금속 박판으로 이루어져 있기 때문에 1㎠당 발생하는 열밀도가 낮아 열량도 낮게 된다.
그 결과, 금속박판 또는 비정질 박판으로 이루어진 리본을 가공하여 제작되는 면상 발열체(43:43a,43b)는, 종래의 니크롬선으로 이루어지는 코일형 열선과 비교할 때, 상대적으로 과다 및/또는 고온 열 발생을 고려하여 발열체 외주에 두꺼운 내열성 또는 절연성 피복층을 형성할 필요가 없게 된다. 따라서, 발열체로부터 발생된 열이 높은 열전달 효율로 전도/전달이 이루어질 수 있게 된다.
또한, 면상 발열체(43:43a,43b)는 부분적으로 단락(short-circuit)이 발생하여 순간적으로 발화점 이상으로 히터의 온도가 상승하게 되면 비정질 합금의 면상 발열체 재료는 결정화가 이루어지면서 마치 퓨즈와 같이 순간적인 단선이 발생하게 된다.
즉, 비정질 조직은 금속결정학적으로 원자가 무질서하게 배치(Randomly oriented)되어 있기 때문에 비저항이 매우 크게 나타나나, 결정화가 진행되어 결정질 조직을 갖는 경우 비저항이 낮아지며, 또한 박막의 면상 또는 선형 발열체로 사용하는 경우 고전류 흐름으로 인한 발열에 의해 단선이 발생하게 된다.
그 결과, 비정질 재료로 이루어진 면상 발열체(43:43a,43b)는 과열로 인한 화재가 발생하지 않고 단선되어 히터 기능을 상실하여 자기 스스로 안전성을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기한 실시예와 같이 면상 발열체를 사용하지 않고 도전성 페이스트, 예를 들어, 카본 페이스트를 발열체로 사용하여 히터를 제조할 수 도 있는데, 먼저 기판 위에 실리콘 코팅을 수행한 후, 카본 페이스트로 이루어진 지그재그 형상의 도전패턴을 인쇄하고 소결한 후, 실리콘 코팅을 다시 한번 수행하여 발열체를 형성하는 것도 가능하다.
이하에 도 9를 참고하여 본 발명에 따른 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치의 동작을 설명한다.
본 발명에 따른 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치는 우선 시스템이 기동되면, 시스템 제어부(20)는 온도센서(22)를 통하여 검출되는 주변온도를 메모리 장치에 사용자가 설정한 하한값, 예를 들어, 0℃ 보다 더 낮은 지를 판단한다(S30).
판단 결과 주변온도가 사용자가 설정한 하한값, 예를 들어, 0℃ 보다 더 낮은 경우, 시스템 제어부(20)는 제2스위칭회로(18)에 제2선택신호를 인가하여 가동편이 보조 배터리(16)의 출력단자와 접속되게 연결함에 의해 영하의 날씨에서도 정상적인 작동이 가능한 보조 배터리(16)의 전원이 히터(19)에 공급된다(S31).
그 결과, 리튬 이온 배터리로 이루어진 메인 배터리(15)는 히터(19)에 의해 가열됨에 따라 하한값 이상으로 가열된 상태를 유지한다.
그 후, 주변온도의 상승으로 검출된 온도가 상한값을 초과하는 지를 판단하여(S32), 주변온도가 상한값을 초과하는 경우, 시스템 제어부(20)는 제2스위칭회로(18)에 제2선택신호를 인가함에 의해 가동편이 중립단자(18a)와 연결함에 의해 보조 배터리(16)의 출력단자와 접속을 해제하여, 히터(19)에 대한 구동을 정지시킨다(S33).
그 후, 시스템 제어부(20)는 충전제어부(12)로부터 솔라셀 모듈(11)로부터 솔라셀의 발전이 이루어지고 있는 지 여부를 판단한다(S331). 판단 결과, 만약 솔라셀의 발전이 이루어지고 있는 경우, 시스템 제어부(20)는 용량이 작은 보조 배터리(16)의 전력소모를 줄이고 히터(19)에 대한 전원 공급이 메인 배터리(15)로부터 이루어지도록 제2스위칭회로(18)에 제2선택신호를 인가하여 가동편이 메인 배터리(15)의 출력단자에 연결되도록 한다.
그 결과, 주변온도가 하한값과 상한값 사이를 유지하는 경우 히터(19)에 대한 전원 공급은 메인 배터리(15)로부터 이루어진다.
상기 판단결과 솔라셀의 발전이 이루어지고 있는 경우, 시스템 제어부(20)는 메인 배터리(15)에 정전류 정전압(CCCV) 방식으로 충전이 이루어지도록 제어한다. 이를 위해 상기 충전제어부(12)는 내부에 구비된 정전류회로에 의해 우선 정전류에 의해 소정의 상한 전압까지 충전한다(S35).
시스템 제어부(20)는 충전제어부(12)로부터 메인 배터리(15)에 대한 충전전압이 상한 전압에 도달하였는지를 체크하여(S36), 상한 전압에 도달한 경우 상한 전압을 유지하면서 정전압회로에 의해 정전압 모드로 충전을 지속한다(S37).
정전압 모드에 들어가면 전류값은 감쇠되기 때문에, 미리 설정된 소정의 전류값이 된 시점에서 충전이 종료된다(S38).
상기 메인 배터리(15)가 예를 들어, 2셀 리튬 이온 배터리인 경우 상한 전압이 8.4V에 도달할 때까지 1C 이하의 충전전류로 정전류방식으로 충전을 개시한 후, 상한 전압에 도달하면 정전압 충전으로 전환하여 충전이 이루어지도록 한다.
상기 방식으로 메인 배터리(15)에 대한 충전이 완료된 경우, 시스템 제어부(20)는 제1스위칭회로(17)에 제1선택신호를 인가함에 의해 가동편을 보조 배터리(16)의 출력단자와 연결함에 의해 보조 배터리(16)에 대한 충전을 개시한다.
이어서, 시스템 제어부(20)는 조도센서(21)로부터 입력된 조도값이 메모리 장치에 미리 저장된 기준값과 비교하여(S40), 조도값이 기준값보다 더 큰 경우 가로등을 점등하도록 제1스위칭회로(17)를 설정한다. 이에 따라 메인 배터리(15)의 직류 출력전압은 DC-DC 변환부(13)를 거쳐 가로등(14)의 구동전원(Vcc)으로 변환되어 가로등에 공급된다(S41). 이 경우, 바람직하게는 시스템 제어부(20)는 조도값에 반비례하여 가로등(14)의 밝기를 제어할 수 있다.
그 후, 시스템 제어부(20)는 충전제어부(12)를 통하여 DC-DC 변환부(13)에 인가되는 메인 배터리(15)의 충전전압을 판단하여 메인 배터리(15)의 잔존용량이 방전 허용 최저전압에 도달하는 지를 판단하고(S42), 미리 설정된 방전 허용 최저전압에 도달하면, 배터리의 과방전을 차단하기 위한 레벨에 도달하면 가로등(14)에 대한 구동을 중단하여(S43), 배터리의 과방전을 차단한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 효율이 우수한 리튬계 2차 전지와 극한 지역에서도 동작에 영향을 받지 않는 슈퍼 커패시터를 각각 메인 배터리(15)와 보조 배터리(16)로 구비함에 따라 주변온도가 설정값 이하로 내려가는 경우 보조 배터리(16)를 이용하여 메인 배터리(15)로 사용되는 리튬계 2차 전지(예를 들어, 리튬 이온 배터리)를 보온함에 의해 리튬계 2차 전지의 동작 불능상태를 방지함과 동시에 배터리의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 리튬계 2차 전지를 보온시키기 위한 히터(19)로서 면상 발열체면상 발열체(43:43a,43b)를 사용함에 의해 효과적으로 보온과 동시에 과발열이 발생되지 않아 제어가 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 면상 발열체(43:43a,43b)는 히터 재료로서 10~50㎛의 금속 박판을 사용하므로 동일한 단면적을 갖는 다른 코일형 열선과 비교할 때 10~20배 이상의 넓은 표면적을 가지게 되어 동일한 전력을 사용하여 발열이 이루어질 때 넓은 면적에서 저온 발열이 이루어진다.
또한, 상기 면상 발열체(43:43a,43b)는 금속 박판으로 이루어져 있기 때문에 1㎠당 발생하는 열밀도가 낮아 열량도 낮게 된다.
더욱이, 상기한 박판의 면상 발열체(43:43a,43b)를 히터 재료로 사용하기 때문에 설정된 온도까지 도달하는 시간이 1분 이내로 매우 빠르게 되어, 온도가 급변하는 극한지역에 사용될지라도 빠른 히팅에 의해 메인 배터리(15)의 동작 불능상태를 방지할 수 있다.
상기 실시예 설명에서는 히터로서 면상 히터를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 리튬계 2차 전지를 보온시킬 수 있고 전기에 의해 구동되는 발열체라면 어떤 종류의 히터도 사용될 수 있다. 예를 들어, 열선, 히팅 케이블 또는 펠티어(Peltier) 소자 등을 사용할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 효율이 우수한 리튬계 2차 전지와 극한 지역에서도 동작에 영향을 받지 않는 슈퍼 커패시터를 각각 메인 배터리와 보조 배터리로 구비한 2중 배터리 구조의 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치로서, 주변온도가 설정값 이하로 내려가는 경우 보조 배터리를 이용하여 메인 배터리로 사용되는 리튬계 2차 전지를 보온함에 의해 리튬계 2차 전지의 동작 불능상태를 방지할 수 있는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치에 적용될 수 있다.
11: 솔라셀 모듈 12: 충전제어부
13: DC-DC 변환부 14: 가로등
15: 메인 배터리 16: 보조 배터리
17: 제1스위칭회로 18: 제2스위칭회로
19: 히터 20: 시스템 제어부(CPU)
21: 조도센서 22: 온도센서
15a-15c: 리튬 이온 배터리 40a,40b: 합성수지 필름
41: 열전달 기판 42: 본딩층
43,43a,43b: 면상 발열체 44: 코팅층
191: 측면 프레임 히터 192,192a: 면 히터
193a,193b: 칸막이 히터

Claims (12)

  1. 솔라셀을 이용하여 가로등을 구동하기 위한 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치에 있어서,
    다수의 단위 솔라셀을 구비하고, 광전변환에 의해 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 솔라셀 모듈;
    리튬계 2차 전지로 이루어지며, 상기 솔라셀 모듈에서 생성된 직류전원이 충전되고, 상기 가로등을 구동하는 데 필요한 구동전원을 공급하는 메인 배터리;
    상기 메인 배터리를 가열하여 보온시키는 히터:
    상기 히터를 구동하는 데 필요한 전원을 공급하며, 극한 지역에서도 동작에 영향을 받지 않는 보조 배터리:
    상기 솔라셀 모듈로부터 생성된 전기에너지를 상기 메인 배터리에 직류전압으로 충전시키기 위한 충전제어부;
    상기 메인 배터리의 온도를 검출하는 온도센서; 및
    상기 검출된 온도가 미리 설정된 최저값보다 낮은 경우 상기 보조 배터리의 전원을 히터에 공급하도록 제어하는 시스템 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전제어부는 내부에 정전압회로 및 정전류회로를 구비하고, 정전류에 의해 미리 설정된 상한 전압까지 충전을 진행한 후, 상한 전압을 유지한 상태로 미리 설정된 전류값에 도달한 시점에서 충전을 완료하도록 충전을 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전 제어부와 메인 배터리 및 보조 배터리의 출력단자 사이에 접속되며, 상기 시스템 제어부의 제어에 따라 메인 배터리와 보조 배터리의 출력단자 중 하나에 선택적으로 연결시키는 제1스위칭회로를 더 포함하며,
    상기 시스템 제어부는 상기 충전 제어부의 출력을 검출하여 메인 배터리의 충전이 완료된 경우 제1스위칭회로를 제어하여 충전 제어부의 출력단자가 보조 배터리의 출력단자에 연결시키는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인 배터리의 직류 출력전압을 가로등의 구동전원으로 변환하기 위한 DC-DC 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는 충전제어부를 통하여 DC-DC 변환부에 인가되는 메인 배터리의 잔존용량을 판단하여, 상기 메인 배터리의 잔존용량이 방전 허용 최저전압에 도달하는 지를 판단하고, 미리 설정된 방전 허용 최저전압에 도달하는 경우 배터리의 과방전을 차단하도록 가로등에 대한 구동을 중단시키는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인 배터리 및 보조 배터리의 출력단자와 히터 사이에 접속되어 시스템 제어부의 제어에 따라 메인 배터리와 보조 배터리의 출력단자 중 하나를 히터에 선택적으로 연결시키는 제2스위칭회로를 더 포함하며,
    상기 시스템 제어부는 충전제어부를 통하여 솔라셀 모듈로부터 발전이 이루어지는 것을 검출한 후, 상기 보조 배터리의 출력단자가 히터에 연결되도록 제2스위칭회로를 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리튬계 2차 전지는 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리이고,
    상기 보조 배터리는 슈퍼 커패시터인 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 히터는
    적어도 하나의 셀로 이루어진 리튬계 2차 전지의 측면에서 둘러싸도록 밴드 형태로 이루어진 측면 프레임 히터; 및
    상기 리튬계 2차 전지의 셀 사이를 둘러싸는 칸막이 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리튬 이온 배터리의 양 측면 또는 어느 일면을 커버하도록 사각 플레이트로 이루어진 면 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  10. 제1항, 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 금속박판으로 이루어지며 다수의 지그재그 패턴 또는 선형상의 스트립을 상호 연결하여 얻어진 면상 발열체를 실링 처리한 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 면상 발열체는 FeCrAl 합금 박판 또는 비정질 박판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 히터는 도전성 페이스트로 이루어진 지그재그 형상의 도전패턴을 구비한 면상 발열체를 구비하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 이용한 가로등 전원장치.
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