KR20140143853A - 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 일체로 구성하여 투명유리가 적용된 건물 창호의 외측에 설치함으로써 풍력에너지와 태양에너지를 하베스팅하여 전기에너지를 생산하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 투명유리가 적용되는 건물 창호에 설치되어, 상기 창호로 조사되는 태양에너지로부터 전기에너지를 생산하는 투명 태양전지; 상기 투명 태양전지의 전면에 설치되는 것으로, 상면과 하면에 각각 투명전극이 코팅되고, 측면에 구조세라믹이 설치되며, 상기 투명전극의 표면에 투명절연체가 코팅되어, 압전효과를 이용하여 상기 창호에 가해지는 바람에 의한 풍력에너지로부터 전기에너지를 생산하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자; 상기 투명 태양전지와 상기 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 전기적으로 연결되어 상기 전기에너지를 정전압의 직류전원으로 변환하는 정류기; 및 상기 정류기와 전기적으로 연결되어 상기 직류전원을 저장하는 축전지;를 포함하여 구성되어, 상기 건물 창호에 작용하는 풍력에너지와 태양에너지를 하베스팅하여 전기에너지를 생산 및 저장하여 외부의 전기장치로 공급할 수 있게 됨을 특징으로 하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지 모듈을 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치를 기술적 요지로 한다.

Description

대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치{Hybrid energy harvesting apparatus for windows and doors using transparent piezoelectric element and solar battery}

본 발명은 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 일체로 구성하여 투명유리가 적용된 건물 창호의 외측에 설치함으로써 풍력에너지와 태양에너지를 하베스팅하여 전기에너지를 생산하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.

현재 지구 온난화를 가중시키고 환경 오염을 유발하는 화석 연료를 대체하기 위하여 건물의 옥상이나 옥외에 태양전지를 설치하여 태양에너지로부터 전기에너지를 생산하여 외부의 다른 전기장치의 전원으로 사용하고 있다.

그리고 최근에는 투명 태양전지가 개발되어 투명유리가 적용된 건물 창호에 직접 설치함으로써 태양전지의 설치 공간에 따른 제약을 해소하면서 시야를 방해하지 않고 전기에너지의 생산이 가능하다.

여기서 바람이 불면서 건물 창호에 압력이 가해지는 경우 바람은 풍력에너지로서 전기에너지로 변환 가능한 에너지 자원으로 이용 가능하다. 따라서 건물 창호에 바람에 의해 작용하는 풍력에너지를 투명 태양전지 모듈이 이용하는 태양에너지와 함께 하베스팅하여 더욱 많은 전기에너지를 생산할 수 있는 향상된 발전기술에 대한 연구가 필요하다.

국내 공개특허공보 제10-2010-0115691호, 2010.10.28.자 공개. 국내 공개특허공보 제10-2011-0107934호, 2011.10.05.자 공개.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 투명 유리가 적용되는 건물 창호에 작용하는 풍력에너지를 태양에너지와 함께 하베스팅하여 전기에너지의 생산량을 더욱 증대시켜 발전효율을 높일 수 있도록 투명 태양전지의 전면에 설치 가능한 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자를 이용하여 풍력에너지와 태양에너지를 동시에 하베스팅하여 발전할 수 있는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지 모듈을 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 투명유리가 적용되는 건물 창호에 설치되어, 상기 건물로 조사되는 태양에너지로부터 전기에너지를 생산하는 투명 태양전지; 상기 투명 태양전지의 전면에 설치되는 것으로, 상면과 하면에 각각 투명전극이 코팅되고, 측면에 구조세라믹이 설치되며, 상기 투명전극의 표면에 투명절연체가 코팅되어, 압전효과를 이용하여 상기 창호에 가해지는 바람에 의한 풍력에너지로부터 전기에너지를 생산하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자; 상기 투명 태양전지와 상기 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 전기적으로 연결되어 상기 전기에너지를 정전압의 직류전원으로 변환하는 정류기; 및 상기 정류기와 전기적으로 연결되어 상기 직류전원을 저장하는 축전지;를 포함하여 구성되어, 상기 건물 창호에 작용하는 풍력에너지와 태양에너지를 하베스팅하여 전기에너지를 생산 및 저장하여 외부의 전기장치로 공급할 수 있게 됨을 특징으로 한다.

상기 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자는, α-AlPO₄, α-SiO₂, LiTaO₃, LiNbO₃, SrxBayNb₂O₈, Pb₅-Ge₃O₁₁, Tb₂(MoO₄)₃, LiB₄O₇, CdS, ZnO, Bi₁₂SiO₂₀, Bi₁₂GeO₂₀, AIN, PMN-PT, BaTiO₃, KTaO₃, KNbO₃, NaNbO₃ 중의 하나로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 투명전극은, ITO, SnO₂, ZnO, IZO, CNT, 그래핀 중의 하나로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 구조세라믹은, WC, Si₃N₄, SiC, ZrO₂, Al₂O₃, TiC, TiN 중의 하나로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 투명절연체는, 고분자 소재로 구성됨을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은, 투명유리가 적용된 건물의 창호에 설치되어 투명 태양전지를 통해 창호로 조사되는 태양에너지는 물론이고 투명 압전소자를 통해 창호로 가해지는 바람에 의한 풍력에너지를 동시에 하베스팅하여 발전 효율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.

특히, 투명 압전소자를 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자로 구성하여 발전량을 더욱 증대시키고 제조 단가가 절감되며 작은 풍력에너지라도 민감하게 반응하여 큰 전기에너지를 생산함으로써 에너지 발전효율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자에 대한 종단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자에 대한 횡단면도.

본 발명에 따른 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 자연적으로 발생하는 에너지로부터 전기에너지를 생산하여 외부의 다른 전기장치에 전원을 제공할 수 있도록 한 발전장치이다.

특히, 본 발명에 따른 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 투명유리가 적용되는 건물 창호에 설치하여 창호에 작용하는 태양에너지와 풍력에너지로부터 전기에너지를 생산할 수 있는 것이 특징이다.

이러한 특징은, 투명 태양전지와 투명 압전소자를 일체로 구성하여 건물 창호에 설치함으로써 건물 창호에 작용하는 태양에너지와 풍력에너지를 하베스팅하여 전기에너지를 생산하는 구성에 의해 달성된다.

이때 투명 압전소자는 대면적으로 발전량을 크고 후막형으로 가격경쟁력이 우수하고 대량 생산이 가능하며 단결정으로 에너지 출력이 크고 에너지 변환 효율이 높은 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자로 구성된다.

그리고 투명 압전소자와 투명 태양전지의 출력단은 정류기와 전기적으로 연결되고 정류기의 출력단은 축전지와 전기적으로 연결되어 투명 압전소자와 투명 태양전지에서 각각 생산되는 전기에너지를 정전압의 직류전원으로 변환하고 저장하여 외부의 전기장치로 공급 가능하게 구성된다.

따라서 유리창의 시야를 가리지 않고 투명 압전소자와 투명 태양전지를 통해 건물 창호에 작용하는 태양에너지는 물론이고 풍력에너지도 동시에 하베스팅하여 전기에너지를 생산함으로써 우수한 발전효율을 발휘할 수 있게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자에 대한 종단면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자에 대한 횡단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 투명 태양전지(110), 투명 압전소자, 정류기(130), 및 축전지(140)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 투명 태양전지(110)는, 투명한 재질로 이루어진 태양전지로서, 이는 투명유리가 적용되는 건물의 창호(W)에 설치되어 창호(W)로 조사되는 태양에너지로부터 전기에너지를 생산하는 구성이다.

이때 투명 태양전지(110)는 그 전면에 설치되는 투명 압전소자가 빛의 투과가 가능한 투명한 재질로 이루어짐에 따라 투명 압전소자가 전면에 설치되더라도 방해 없이 전기에너지를 생산하게 된다.

다음으로, 상기 투명 압전소자는, 투명한 재질로 이루어진 압전소자로서, 이는 투명 태양전지(110)의 전면에 일체로 설치되어 건물 창호(W)에 작용하는 바람에 의한 풍력에너지로부터 전기에너지를 생산하는 구성이다.

이때 투명 압전소자는 발전면적을 증대시키기 위하여 대면적이고 제조 용이성으로 인하여 가격 경쟁력이 우수하고 대량 생산이 가능한 후막형이며 다결정체에 비하여 에너지 출력이 크면서 작은 진동에도 큰 전기에너지를 발생하여 에너지 변환 효율이 우수한 단결정인 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)로 구성된다.

상기 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)는, 모든 압전 단결정 소재로 구성 가능하나, 투과율은 높지만 변위가 비교적 작은 일반 압전 단결정 소재인 α-AlPO₄, α-SiO₂, LiTaO₃, LiNbO₃, SrxBayNb₂O₈, Pb₅-Ge₃O₁₁, Tb₂(MoO₄)₃, LiB₄O₇, CdS, ZnO, Bi₁₂SiO₂₀, Bi₁₂GeO₂₀, AIN 중의 하나로 구성되거나, 투과율은 낮지만 변위가 비교적 큰 페로브스카이트(Perovskite) 결정구조의 압전 단결정 소재인 PMN-PT, BaTiO₃, KTaO₃, KNbO₃, NaNbO₃ 중의 하나로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)의 상면과 하면에는 각각 투명전극(121)이 코팅되고, 그 측면에는 형상 유지를 위한 구조세라믹(123)이 둘러 설치되며, 투명전극(121)의 표면에는 투명절연체(122)가 코팅된다.

상기 투명전극(121)은 투명 세라믹 전극 소재인 ITO(Indium Tin Oxide), SnO₂, ZnO, IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 구성되거나 투명 전극 소재인 CNT, 그래핀 중의 하나로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 구조세라믹(123)은 WC, Si₃N₄, SiC, ZrO₂, Al₂O₃, TiC, TiN 중의 하나로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 투명절연체(122)는 고분자 소재로 구성되는 것이다.

따라서 외부로 노출된 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)의 전면으로 바람이 가해지면서 바람에 의한 압력에 의해 진동이 발생하게 되고 이러한 진동에 의해 내부에서 전기에너지가 생산되어 그 상면과 하면의 투명전극(121)을 통해 외부로 출력되는 것이다.

다음으로, 상기 정류기(130)는, 상기 투명 태양전지(110)의 출력단과, 상기 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)의 투명전극(121)과 전기적으로 연결되는 것으로, 이는 투명 태양전지(110)와 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)에서 생산된 전기에너지를 정전압의 직류전원으로 변환하는 구성이다.

즉, 정류기(130)는, 투명 태양전지(110)와 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)에서 출력되는 교류전원을 축전지(140)에 충전 가능하도록 안정적인 직류전원으로 정류하는 것이다.

마지막으로, 상기 축전지(140)는, 상기 정류기(130)의 출력단에 전기적으로 연결 설치되는 것으로, 이는 정류기(130)에서 변환된 직류전원을 저장하여 외부의 전기장치로 공급하는 구성이다.

즉, 투명 태양전지(110)와 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)에서 생산된 전기에너지를 직류전원 형태로 저장하고 있다가 외부의 전기장치가 전원을 필요로 할 때 이를 공급하여 전기장치의 구동을 가능하게 하는 것이다.

여기서, 본 발명의 바람직한 실시예는 투명유리창이 적용된 건물 창호(W)에 설치되는 형태이나, 도시하지 않았지만 도로 위에 설치되는 도로표시판이나 건물의 외벽에 설치되는 간판 등에 설치되는 형태도 모두 포함하는 것이 당연하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지를 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 자연적으로 발생하는 풍력에너지와 태양에너지를 동시에 하베스팅하여 전기에너지를 생산하여 발전함으로써 에너지 발전효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

100: 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지 모듈을 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치
110: 투명 태양전지
120: 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자
121: 투명전극 122: 투명절연체
123: 구조세라믹 130: 정류기
140: 축전지
W: 창호

Claims (5)

1. 투명유리가 적용되는 건물 창호(W)에 부착되어, 상기 창호(W)로 조사되는 태양에너지로부터 전기에너지를 생산하는 투명 태양전지(110);
   상기 투명 태양전지(110)의 전면에 설치되는 것으로, 상면과 하면에 각각 투명전극(121)이 코팅되고, 측면에 구조세라믹(123)이 설치되며, 상기 투명전극(121)의 표면에 투명절연체(122)가 코팅되어, 압전효과를 이용하여 상기 창호(W)에 가해지는 바람에 의한 풍력에너지로부터 전기에너지를 생산하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120);
   상기 투명 태양전지(110)와 상기 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)와 전기적으로 연결되어 상기 전기에너지를 정전압의 직류전원으로 변환하는 정류기(130); 및
   상기 정류기(130)와 전기적으로 연결되어 상기 직류전원을 저장하는 축전지(140);를 포함하여 구성되어,
   상기 건물 창호에 작용하는 태양에너지와 풍력에너지를 하베스팅하여 전기에너지를 생산 및 저장하여 외부의 전기장치로 공급할 수 있게 됨을 특징으로 하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지 모듈을 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자(120)는,
   α-AlPO₄, α-SiO₂, LiTaO₃, LiNbO₃, SrxBayNb₂O₈, Pb₅-Ge₃O₁₁, Tb₂(MoO₄)₃, LiB₄O₇, CdS, ZnO, Bi₁₂SiO₂₀, Bi₁₂GeO₂₀, AIN, PMN-PT, BaTiO₃, KTaO₃, KNbO₃, NaNbO₃ 중의 하나로 구성됨을 특징으로 하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지 모듈을 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 투명전극(121)은,
   ITO, SnO₂, ZnO, IZO, CNT, 그래핀 중의 하나로 구성됨을 특징으로 하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지 모듈을 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 구조세라믹(123)은,
   WC, Si₃N₄, SiC, ZrO₂, Al₂O₃, TiC, TiN 중의 하나로 구성됨을 특징으로 하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지 모듈을 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 투명절연체(122)는,
   고분자 소재로 구성됨을 특징으로 하는 대면적 후막형 투명 압전 단결정 소자와 투명 태양전지 모듈을 이용한 건물 창호용 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.

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